(57)【要約】【課題】ボール受座が摩耗し、筆記ボールがインク溝を塞いでインクの流量が減ることのない良好な筆記状態を長期間保持可能なボールペンの提供。【解決手段】筆記ボール30と、筆記ボール30を抱持するホルダー21とを有するボールペンチップ20と、ボールペンチップ20の後端部が装着される軸筒12と、軸筒12に収容されるインク40とを備え、ホルダー21は、その後端から先端に向けて形成されたインク誘導孔26と、ホルダー21の先端付近の内周を拡げて形成したボールハウス22とを有するボールペン10であって、筆記ボール30はジルコニア焼結体により形成され、アルミニウム元素の含有量が０．１重量％未満であり、インク40として無機粒子41を含有する。【選択図】図２
2015051571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筆記ボールと、前記筆記ボールを抱持するホルダーとを有するボールペンチップと、
前記ボールペンチップの後端部が装着される軸筒と、
前記軸筒に収容されるインクとを備え、
前記ホルダーは、
前記ホルダーの後端から先端に向けて形成されたインク誘導孔と、
前記ホルダーの先端付近の内周を拡げて形成したボールハウスとを有するボールペンであって、
前記筆記ボールはジルコニア焼結体により形成されるとともに、アルミニウム元素の含有量が０．１重量％未満であり、
前記インクとして無機粒子を含有することを特徴とするボールペン。
【請求項２】
前記無機粒子は、少なくともカーボンブラック、アルミナ、窒化ホウ素、酸化チタンから選ばれることを特徴とする請求項１記載のボールペン。
【請求項３】
前記筆記ボールの表面又は断面を、走査型電子顕微鏡で観察した際にアルミナ由来の暗色領域が観察されないことを特徴とする請求項１又は２記載のボールペン。
【請求項４】
終筆時において、前記筆記ボールの表面にアルミナ由来の凸状部が観察されないことを特徴とする請求項１又は２記載のボールペン。
【請求項５】
前記ホルダーは、前記ボールハウスの底部に設けられ、かつ、前記インク誘導孔の周囲に形成されたボール受座と、
前記ボール受座と前記インク誘導孔とを連絡するように前記インク誘導孔の周囲複数箇所に等配されたインク溝とを有することを特徴とする請求項１、２、３又は４記載のボールペン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジルコニア焼結体筆記ボールを備えたボールペンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ボールペン用の筆記ボールには、超硬合金が使用されているが、近年、セラミック製の筆記ボールも使用されている。セラミック製の筆記ボールは、インクによる腐食を受けにくく、ボール受座への摩耗が少ない特徴がある。例えば、特許文献１には、ジルコニア焼結体セラミックからなる筆記ボールが開示されている。また、特許文献２には、硬質の無機顔料を含有するインクに適した筆記ボールの一つとして、ジルコニア焼結体からなる筆記ボールが開示されている。
特許文献２に記載の筆記ボールは、それ以前の超硬合金ボールと比べて、筆記ボールを構成する硬質粒子同士の隙間が極めて狭い。そのため、硬質粒子同士を結合する結合金属の表面に露呈する硬質粒子の小片が微小であり、かつ、その数も極めて少ないため、使用時に筆記ボール表面から脱落して研磨剤として作用することが少なく、ボール受座の摩耗が防止される。また、硬質粒子境界の間隔が狭いことから、境界部分の硬質粒子のエッジが切刃として作用すること少なくなるため、ボール受座への摩耗が防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５９−１３５１９５号公報
【特許文献２】特開２００１−８０２６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、ジルコニア焼結体セラミックの中には、耐久性及び耐摩耗性を向上させるために、アルミナが含有されているものがある。アルミナ含有のジルコニア焼結体を筆記ボールとするボールペンで筆記を行った場合、超硬合金ボールのように硬質粒子同士の隙間がほとんどないため、硬質粒子が研磨剤として作用することや、エッジが切刃として作用することがほとんど生じないにも関わらず、ボール受座への摩耗が発生し筆記不能となる新たな技術的問題が生じた。
そこで本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、ボール受座への摩耗を軽減し、良好な筆記状態を長期間維持可能な、ジルコニアボールを備えたボールペンの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
各発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、以下の点を特徴とする。
なお、符号は、発明の実施の形態において用いた符号を示し、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
（第１の発明）
本発明のうち第１の発明は、筆記ボール30と、筆記ボール30を抱持するホルダー21とを有するボールペンチップ20と、ボールペンチップ20の後端部が装着される軸筒12と、軸筒12に収容されるインク40とを備え、ホルダー21は、その後端から先端に向けて形成されたインク誘導孔26と、ホルダー21の先端付近の内周を拡げて形成したボールハウス22とを有するボールペン10であって、筆記ボール30はジルコニア焼結体により形成されるとともに、アルミニウム元素の含有量が０．１重量％未満であり、インク40として無機粒子41を含有することを特徴とする。
【０００６】
アルミナを構成するアルミニウム元素の含有量が０．１重量％以上の筆記ボール30と、無機粒子41を配合したインク40とから構成されるボールペン10を使用して筆記を行った場合、無機粒子41により、ボール表面31が摩耗し、アルミナ粒子が凸状部として露出することがある。この凸状部によって、相対的に硬度の低いボールハウス22の底面が摩耗することで、筆記ボール30がインク溝25を塞ぐ。その結果、インク40の流出が妨げられ、インク40の消耗より先に筆記不能となる。
本発明によれば、筆記ボール30中のアルミナを構成するアルミニウム元素の含有量が０．１重量％未満であれば、無機粒子41をインク40に配合しても、ボール表面31にアルミナ粒子が凸状部として露出せず、その凸状部によってボールハウス22の底面は摩耗しない。そのため、筆記ボール30はインク溝25を塞ぐことはなく、インク40の流量が減ることがないため、良好な筆記状態を長時間保持することができる。
【０００７】
（第２の発明）
本発明のうち第２の発明は、第１の発明の特徴に加えて、無機粒子41は、少なくともカーボンブラック、アルミナ、窒化ホウ素、酸化チタンから選ばれる。
筆記ボール30中のアルミナを構成するアルミニウム元素の含有量が０．１重量％以上の場合、無機粒子41としてカーボンブラック、アルミナ、窒化ホウ素、酸化チタンを選択すれば、無機粒子41によって、ボール表面31は摩耗する。そして、ボール表面31のにはアルミナ粒子が凸状部として露出するため、その凸状部によってボールハウス22の底面は顕著に摩耗する。
【０００８】
本発明によれば、筆記ボール30中のアルミニウム元素の含有量が０．１重量％未満であれば、無機粒子41がカーボンブラック、アルミナ、窒化ホウ素、酸化チタンであっても、第１の発明と同様に、良好な筆記状態を長時間保持することができる。
なお、ここで挙げる無機粒子41には、表面改質装置等を用いて、母粒子となる有機粒子の表面を無機微粒子に改質した複合粒子も含まれる。
（第３の発明）
本発明のうち第３の発明は、第１又は第２の発明の特徴に加えて、筆記ボール30の表面又は断面を、走査型電子顕微鏡で観察した際にアルミナ由来の暗色領域が観察されないことを特徴とする。
【０００９】
アルミニウム元素の含有量が０．１重量％未満であれば走査型電子顕微鏡の観察モードによる観察でアルミナの暗色領域は認められない。したがって、アルミナの暗色領域が観察されなければ、筆記ボール30の組成分析を要することなく、アルミナ粒子の凸状部が発生しないことが確認できる。そして、凸状部が発生しなければ、ボールハウス22の底面の摩耗は起こらず、筆記ボール30がインク溝25及びインク誘導孔26を塞ぐことはなく、インク40の流量が減ることがないため、良好な筆記状態を長時間保持することができる。
（第４の発明）
本発明のうち第４の発明は、第１又は第２の発明の特徴に加えて、終筆時において、筆記ボール30の表面にアルミナ由来の凸状部が観察されないことを特徴とする。
【００１０】
すなわち、終筆の際、筆記ボール30の表面にアルミナ粒子の凸状部が観察されなければ、ボールハウス22の底面の摩耗は起こらず、筆記ボール30がインク溝25及びインク誘導孔26を塞ぐことはなく、インク40の流量が減ることがないため、良好な筆記状態を長時間保持することができる。
（第５の発明）
本発明のうち第５の発明は、第１、２、３又は４の発明の特徴に加えて、ホルダー21は、ボールハウス22の底部に設けられ、かつ、インク誘導孔26の周囲に形成されたボール受座24と、ボール受座24とインク誘導孔26とを連絡するようにインク誘導孔26の周囲複数箇所に等配されたインク溝25とを有することを特徴とする。
【００１１】
ボール受座24を設けることで筆記ボール30の回転によるボールハウス22の底面の摩耗をより防ぐことができ、また、インク溝25を設けることで安定した流量を得ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は上記のように構成されているので、硬質の無機粒子を含有するインクと組み合わせて筆記をした場合、硬質の顔料により、ボール全面が摩耗することがあっても、硬質のアルミナ粒子の凸状部が露出することはない。そのため、凸状部によってボールハウスの底面又はボール受座が摩耗することはない。そして、筆記ボールはインク溝を塞がず、インクの流量が減ることがないため、良好な筆記状態を長期間保持可能な、ボールペンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係るボールペンを正面断面図で示したものである。
【図２】本発明の実施の形態に係るボールペンのペンチップ先端付近を拡大して正面断面図で示したものである。
【図３】実施例及び比較例の機械筆記試験における、筆記距離とインク流量との関係図である。
【図４】実施例及び比較例の走査型電子顕微鏡による筆記ボールの断面画像である。
【図５】実施例及び比較例の終筆又は筆記不能後のボール表面状態を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ、本発明の１の実施の形態を説明する。
（１）ボールペン10
本実施の形態に係るボールペン10は、図１に示すようなボールペンであり、先端が開放し、後端が閉鎖した筒状の軸筒12と、この軸筒12の先端に継手11を介して装着されるボールペンチップ20と、この軸筒12の内部空間の前半部に当たるコレクター収納部14の軸心を貫通するインク誘導部13と、この軸筒12の内部空間の後半部に当たるインク収容部15の内部空間に収容される直液状態のインク40と、ボールペンチップ20の先端からコレクター収納部14の後端付近までを被蓋する図示しないキャップとから構成されている。
【００１５】
コレクター収納部14の内面から、インク誘導部13の外面にかけては、リング状の薄板を軸方向に重ねたコレクター17が形成されている。コレクター17は、直液式ボールペンにおいて、気圧や温度の変化でインク収容部15の空気が膨張した際、インク40を保留し、外部への漏れを防止するためのものである。
なお、インク40は、直液式による供給ではなく中綿式での供給であってもよい。また、軸筒12自体にインク収容部15を設けずに、別体のボールペンリフィールを内装してもよい。
図２に、ボールペンチップ20先端付近の拡大断面図を示す。ボールペンチップ20は、図示しない円筒状の胴体部と、この胴体部の先端からボールペンチップ20の先端に向かって縮径するように形成されたテーパー部27とを有するホルダー21と、ホルダー21の内部に抱持される球状の筆記ボール30から構成されている。また、ホルダー21は、ボールペンチップ20の後端から貫通されたインク誘導孔26と、ホルダー21の先端付近の内周を切削して拡げて形成したボールハウス22と、ボールハウス22の内周面先端とテーパー部27の先端とに挟まれた部位で、かつ、筆記ボール30の中心方向への塑性変形によってかしめられたカシメ部23から構成されている。また、ボールハウス22の底部に設けられ、かつ、インク誘導孔26の周囲に形成されたボール受座24と、ボール受座24とインク誘導孔26とを連絡するようにインク誘導孔26の周囲４箇所に等配されたインク溝25を有している。なお、インク溝25はインク40の粘度等に応じて幅や数を変えてもよい。
【００１６】
ホルダー21の組み立ての際は、その先端からボールハウス22に、筆記ボール30を挿入する。そして、筆記ボール30の上部を後端方向に押圧することによって、ボール受座24をボール30の外形に沿って変形させる。その後、テーパー部27の先端にテーパー状のローラーを用いてかしめ加工を施してカシメ部23を設けることでホルダー21が形成される。
このホルダー21は、ビッカース硬度が２００から４２０程度のステンレスから形成されている。ホルダー21の材料は、他に洋白、真鍮、又は黄銅などの金属や樹脂を用いて形成することもできるが、ビッカース硬度は１７０から４５０であることが望ましい。なお、ビッカース硬度の測定は「ＪＩＳ  Ｚ２２４４  ビッカース硬さ試験−試験方法」に準拠する。
【００１７】
さらに、ホルダー21は本実施の形態では、中実の線材からの切削加工にて形成されているが、線材からの切削加工に限定されず、例えば中空状のパイプ材を塑性加工にて形成されてもよい。
（２）筆記ボール30
本実施形態の筆記ボール30は、ジルコニア（ＺｒＯ２）粉末に安定化剤としてＹ２Ｏ３又はＣａＯ等を混合して形成されている。筆記ボール30は、上記素材からなる粉末を混練し、略球状に形成の後焼結する。そして、この球体を、一定間隔に保持した２枚の砥石の間でダイヤモンドパウダーとともに転がし、ボール表面31を鏡面に仕上げる。このボール表面31のビッカース硬度は１，１００である。
【００１８】
なお、ボール表面31のビッカース硬度は、１，０００から１，５００であることが望ましい。
筆記ボール30のアルミナの含有の有無については、筆記ボール30の表面又は断面を走査型電子顕微鏡で観察することができる。走査型電子顕微鏡により観察をした画像において、原子番号に依存したコントラストが得られるため、ジルコニア焼結体である筆記ボール30の大部分は明色で表されているのに対し、筆記ボール30に含有されるアルミナは暗色に表される。したがって、暗色領域を観測できればアルミナの存在を確認することができる。なお、走査型電子顕微鏡の倍率に依存せず暗色領域を観測できればよい。
【００１９】
また、筆記を行い終筆又は筆記不能になった際、表面を測定することでアルミナの含有の有無を確認することができる。アルミナが含有される場合、アルミナ粒子の露出による凸状部が顕著に表れる。
（３）インク40
本実施形態のインク40は、無機粒子41としてカーボンブラックを配合した水性インクである。
上記の無機粒子41はカーボンブラックに限定するものではなく、酸化チタン等、他の硬質の無機粒子や各種無機粒子との混合物を用いてもよい。また、表面改質装置等を用いて、母粒子となる有機粒子の表面を無機微粒子で覆い改質した複合粒子を用いてもよい。なお、具体的な無機粒子としては、アルミナ、窒化ホウ素、酸化チタン、亜鉛華、弁柄、酸化クロム、鉄黒、コバルトブルー、酸化鉄黄、ビリジアン、硫化亜鉛、リトポン、カドミウムイエロー、朱、カドミウムレッド、黄鉛、モリブデートオレンジ、ジンククロメート、ストロンチウムクロメート、ホワイトカーボン、クレー、タルク、群青、沈降性硫酸バリウム、バライト粉、炭酸カルシウム、鉛白、紺青、マンガンバイオレット、アルミニウム粉、ブロンズ粉、真鍮粉等である。
【００２０】
さらに、インクの溶剤による区分としては水性インクに限定せず、ゲルインクや油性インクであってもよい。ただし、油性インクの場合はボール受座24及びボールハウス22の底面とボール表面31との境界が常に潤滑され水性インクの場合よりボール受座24及びボールハウス22の底面への摩耗が少ないことから、水性インクへの適用が、よりボール受座24の摩耗を抑制する効果が発揮される。
（４）作用及び効果
筆記の際、インク収容部15のインク40は、インク誘導部13、インク誘導孔26及びインク溝25を通じてボールハウス22に送られ、ボールハウス22に収容された筆記ボール30に十分に供給される。そして、筆記ボール30の回転により供給されたインク40が紙等の記録体に転写若しくは浸透し、筆記が完了となる。
【００２１】
ここで、筆記ボール30にアルミナが含有される場合、無機粒子41のビッカース硬度が、１，０００から１，５００の範囲にある筆記ボール30のビッカース硬度以上であれば、筆記を続けることにより、ボール表面31は摩耗する。また、筆記ボール30に含有されるアルミナのビッカース硬度は２，０００であるため、無機粒子41のビッカース硬度が２，０００以下であれば、ボール表面31には、アルミナ粒子が凸状部として露出し、凸状部がボール受座24及びボールハウス22の底面を摩耗させることになる。したがって、インク40に上記のビッカース硬度の条件を満たす硬質の無機粒子を配合した場合、アルミナを含有するジルコニアボールによって、ボール受座24及びボールハウス22の底面が摩耗し、筆記ボール30がインク溝25及びインク誘導孔26を塞ぐことでインク40の流量が急減して筆記不能となる。
【００２２】
本実施形態においては、アルミナを構成するアルミニウム元素の含有量が０．１重量％未満であれば、アルミナ粒子による凸状部が形成されず、硬質の無機粒子であるカーボンブラックをインク40に配合しても摩耗防止の効果が大きい。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明の実施例を、比較例との対比において説明する。
筆記ボール30を球状にし、ボール表面31を鏡面加工した直径０．５ｍｍのジルコニアボールであって、アルミナ含有量の異なる５種類を用意した。筆記試験は、「ＪＩＳ  Ｓ６０５４  水性ボールペン及びレフィル」に適合した機械筆記試験機を用いて実施した。
筆記ボール30は、三菱鉛筆(株)製  Ｕｎｉ−ｂａｌｌ  ｅｙｅ（型番：ＵＢ−１５０）ペンチップに装着し、インク40にはカーボンブラックを含有する水性顔料黒インクを使用した。筆記試験条件は以下のとおりである。
[筆記試験条件]
筆記角度：６０°
荷    重：１Ｎ
筆記速度：４．５ｍ／ｍｉｎ
筆記距離：インクが塗出しなくなるまで（最長１５００ｍ）
上記以外の試験条件はＪＩＳ  Ｓ６０５４  水性ボールペン及びレフィルに則る。
【００２４】
[試験結果]
上記の試験結果を表１に、筆記距離とインク流量との関係を表したグラフを図３に示す。インク流量は、１００ｍ筆記毎に消費したインク量（ｍｇ）を測定したものを示す。
【００２５】
【表１】
2015051571.tif 000003
【００２６】
表１及び図３の結果より、実施例１及び２はボール受座24の最大摩耗量が１７μｍと６μｍであり、筆記状況は試験条件で規定した筆記距離までの筆記が可能な「終筆」の判定である。他方、比較例１、２及び３は、ボール受座24の最大摩耗量が５８〜６５μｍであり、筆記状況は規定の筆記距離に至る前に筆記終了となる「筆記不能」の判定である。
[断面画像確認方法]
次に、株式会社日立ハイテクノロジーズ製の走査型電子顕微鏡Ｓ−３４００Ｎを用いて、筆記ボール30の断面を観察した。その断面画像を図４に示す。暗色領域の確認条件は以下の通りとする。
【００２７】
モ ー ド：低真空モード  チャンバー内圧力５０Ｐａ
プローブ電流：６０μＡ
加速電圧：１５ｋＶ
画    像：反射電子組成像
倍    率：２０００倍
また、アルミナを構成するアルミニウム元素の含有量を株式会社堀場製作所製のＥＭＡＸ  ＥＮＥＲＧＹ  ＥＸ−２５０を用いてエネルギー分散Ｘ線分光法にて測定した。その測定結果を表２に示す。測定条件は以下の通りとする。
【００２８】
加速電圧：１５ｋＶ
倍    率：２０００倍
デッドタイム：２０％
分析時間：１００秒
【００２９】
【表２】
2015051571.tif 000004
【００３０】
図４の断面画像において、比較例１、２及び３では多数の暗色領域が観察される。
この暗色領域をエネルギー分散型Ｘ線分光法により定性分析をすると、アルミナを構成するアルミニウム元素（Ａｌ）が検出される。そして、各実施例及び比較例のアルミニウム含有量をエネルギー分散型Ｘ線分光法により定量分析をすると表２のとおりとなる。実施例１からは検出されず、実施例２は０．０６重量％である。また、比較例は０．２から１．２重量％の範囲である。なお、実施例１においても暗色領域が観察されるが、これはボール表面31の空隙である。また、実施例２は、アルミニウムが０．０６重量％含まれているが、暗色領域は観察されていない。
[表面粗さ計測確認方法]
次に、Ｔａｙｌｏｒ  Ｈｏｂｓｏｎ製の超精密非接触三次元表面性状測定機Ｔａｌｙｓｕｒｆ  ＣＣＩ  Ｌｉｔｅを用いて、連続機械筆記試験のおける終筆後又は筆記不能となった際の実施例１、２及び比較例１、２、３の筆記ボール30の表面状態を測定した。図５は、連続機械筆記試験のおける終筆後又は筆記不能となった際のボール表面31の粗さの計測結果である。色が濃いほど高低差があることを示している。実施例１及び２の濃色部分は、輪郭部から中心に向かって緩やかに低くなる凹状部となっており、空隙を示している。一方、比較例１、２及び３の濃色部分は、鋭い凸状部となっており、アルミナ粒子が露出していることが確認できる。この凸状部によって、ボール受座24及びボールハウス22の底面は摩耗する。
【００３１】
以上の結果から、本発明の筆記ボール30のアルミニウム元素の含有量については、定量分析における誤差を考慮し、０．１重量％以下とした。この値以下であれば、アルミナ粒子が凸状部としてボール表面31に露出しないため、ボール受座24が摩耗することはない。そして、筆記ボール30はインク溝25及びインク誘導孔26を塞がず、インク40の流量が減ることがないため、良好な筆記状態を長期間保持可能な、ジルコニアボールを備えたボールペンを提供することができる。
【符号の説明】
【００３２】
10  ボールペン            11  継手
12  軸筒                  13  インク誘導部
14  コレクター収納部      15  インク収容部
17  コレクター
20  ボールペンチップ      21  ホルダー
22  ボールハウス          23  カシメ部
24  ボール受座            25  インク溝
26  インク誘導孔          27  テーパー部
30  筆記ボール            31  ボール表面
40  インク                41  無機粒子
【図１】
2015051571.tif 000005
【図２】
2015051571.tif 000006
【図３】
2015051571.tif 000007
【図４】
2015051571.tif 000008
【図５】
2015051571.tif 000009