(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径が３００μｍ以下の微小球体を載せて転がす平板の、上面に接地処理する導電性膜を設けた傾斜板と、この傾斜板を板厚方向に振動させる起震源とを有し、傾斜板の傾斜角を３度〜１０度、振動数を３００Ｈｚ〜５００Ｈｚとし、さらに、傾斜板の上面を、縦方向に延びる無数の微細な条痕が観察される面にし、その傾斜板の先端側に微小球体を入り込ませて球体の移動に方向性を与える縦溝を設け、さらに、その縦溝に拘束されて滑動する変形球を傾斜板の先端から落下させる変形球回収部と、前記縦溝内を転がり下って変形球回収部の前方に落ちる真球を真球回収部に案内する分別板とを付加して構成される微小球体の選別装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、良品の球体（真球）の中に混入している不良球体（変形球）を斜面上での転がり状況の違いを利用して選り分ける球体の選別装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アトマイズ法で製造される微小球体の中に含まれている変形球の主なものを図４に示す。同図の（ａ）は双子球、（ｂ）は親子球と称されている。（ｃ）も一種の双子球である。
【０００３】
微小球体は、電子デバイスや光ファイバ関連製品などにも利用され、そのような用途では真球が要求されるので変形球の選別除去が不可欠となる。
【０００４】
ところが、図４の如き変形球は、特定方向の外径が良品径と等しいものが多く、メッシュスクリーンを用いるふるい選別機や、ローラ間の隙間を利用して選り分けを行うローラ選別機では除去できないことがある。
【０００５】
図５（ａ）に示すように、平板の傾斜板１上に球体Ｂを置くと真球は真っ直ぐに転がり落ちるのに対し、変形球は、傾斜板との接触部に周長差があったり、傾斜板上に斜めに置かれたりすると図５（ｂ）のように斜めに転がる。この転がり方向の違いで選別する傾斜選別法もあるが、この方法は、図５（ｃ）に示すように、双子球の直径が等しく、かつ傾斜板上での姿勢が傾いていなければ円筒を転がすのと同じ状況になって変形球が真っ直ぐに転がり落ち、真球の中に残る。
【０００６】
そこで、本出願人は、球体の移動に方向性を与える縦溝を設け、その溝の中を転がり落ちる真球と、転がりが規制されて滑り落ちる変形球の飛距離差を利用して傾斜選別法で選別できなかった変形球も取り除けるようにした装置を開発して特願２０００−１２１１２４号で提案している。
【０００７】
その装置の開発により、ほぼ０．３ｍｍ程度までの球体は良好な選別が行えるようになったが、それよりも小さな球体については、一部の球体が傾斜板に付着し、球体同士が吸着し合う現象も生じて傾斜板上での動きが止まり、後続の球の流れが塞き止められてまともな選別が行えなかった。なお、傾斜板の傾斜を高角度にすると、真球と変形球の転がり方向や飛距離に明瞭な差が現れなくなり、選別が困難になるため、この方法で球体の流れを良くすることはできない。
【０００８】
このため、３００μｍ前後を境にしてそれよりも小径の球体の選別は依然として目視検査でなされている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、省力化のために、そのような微小球体の自動選別を可能ならしめることを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明においては、微小球体を載せて転がす平板の傾斜板と、この傾斜板を振動させる起振源とを有し、傾斜板の傾斜角を３度〜１０度、振動数を３００Ｈｚ〜５００Ｈｚとし、さらに、傾斜板の上面を適度の面粗さを有し、縦方向に延びる無数の微細な条痕が観察される面にした微小球体の選別装置を提供する。
【００１１】
この装置は、傾斜板を、選別される球体と同じ材質の材料で形成したもの、傾斜板の上面に接地処理する導電性膜を設けたもの、或いは起振源を電歪素子で形成し、傾斜板に正弦波の振動を与えるようにしたものにすると好ましい。
【００１２】
また、傾斜板の先端側に微小球体を入り込ませて球体の移動に方向性を与える縦溝を設け、さらに、その縦溝に拘束されて滑動する変形球を傾斜板の先端から落下させる変形球回収部と、縦溝内を転がり下って変形球回収部の前方に落ちる真球を真球回収部に案内する分別板とを付加した構成にするのも好ましい。
【００１３】
【作用】
直径が３００μｍ前後、或いはそれ以下の微小球体が傾斜板上で滞留する原因は、専門家によると、
・静電気力
・ファンデルワールス力
・液架橋力
・傾斜板の面粗度
が考えられるとのことであった。
【００１４】
原因が何であるにせよ、微小球体は傾斜板に付着し、或いは互いに吸着し合うことが球体の流れを滞らせている。そこで、この発明では、傾斜板に振動を与えて付着した微小球体を分離するようにした。
【００１５】
傾斜板の傾斜角が小さすぎると振動させても微小球体はスムーズに流れず、一方、傾斜角が大きすぎると良品と不良球の転がり方向、飛距離に明確な差が現れなくなって選別に支障が出る。
【００１６】
また、振動数が少なすぎる場合、多すぎる場合には振動印加の効果が充分に引き出されない。
【００１７】
傾斜板の傾斜角３度〜１０度、振動数３００Ｈｚ〜５００Ｈｚは、実験を行って最良のところを選んだ。
【００１８】
次に、傾斜板の上面は、球体の転がり抵抗を考えると鏡面が良いように思える。ところが、実際には鏡面よりも縦方向（傾斜板の前後方向）に延びる無数の微細な条痕が観察される面の方がよく、この面を形成したことによって直径が３００μｍ以下の球体の選別が可能になった。その上面の粗さは条痕による凹凸で０．１ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲にあるのがよかった。
【００１９】
なお、傾斜板を、選別される球体と同じ材質の材料で形成したもの、傾斜板の上面に接地処理する導電性膜を設けたものは、静電気の影響を除去できる。
【００２０】
また、電歪素子を起振源として採用すると電磁力の影響が出ない。
【００２１】
さらに、縦溝、変形球回収部、分別板を設けたものは、飛距離差による選別もなされ、選別の信頼性がより高まる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１乃至図３に、この発明の実施形態を示す。この選別装置は、傾斜角θを３度〜１０度に設定した平板の傾斜板１と、その傾斜板を振動させる起振源２と、起振源の駆動制御部３と、傾斜板の先端を支えるホルダ４と、飛距離差選別を行うために傾斜板１の先端上面に設けた縦溝５（図２参照）、変形球を変形球回収部６に落下させる開口７、及び真球を真球回収部８に誘導する分別板９とから成る。
【００２３】
傾斜板１は、選別対象の球体と同一材質で形成されたものが好ましい。この傾斜板１の上面は、無数の微細な条痕１０が観察される面にしてある。条痕１０は、０．１ｍｍ〜０．４ｍｍ程度の凹凸であり、微小間隔を保って傾斜板１の前後方向に延びている。
【００２４】
起振源２は、磁気の影響を及ぼさない電歪素子を用いた。電歪素子の代表的なものにＰＺＴアクチュエータ（商品名、鉛−ジルコン酸塩−チタン酸塩の組成）があり、それを使用した。
【００２５】
駆動制御部３は、シーケンサから出力されるパルス信号を起振源２に与えたが思ったほど効果が得られなかったので、パーソナルコンピュータ３ａからアンプ３ｂ経由で信号を与えるものを用いた。
【００２６】
縦溝５は、球体が必ずその溝に入り込んで流れるピッチで設けてある。また、この縦溝５に入り込んだ球体が振動で跳ねて溝から飛び出すのを防止するため、傾斜板１の先端部はホルダ４で保持して振動（振幅）を抑えるようにしてある。
【００２７】
開口７は、傾斜板１の先端に沿って前方に設けてある。また、分別板９は加速されて転がり落ちる真球（良品）の落下点（開口７の前方）に設けてある。
【００２８】
このように構成した選別装置は、選別する微小球体Ｂを供給し、起振源２により傾斜板１を振動させる。或いは振動している傾斜板上に球体を供給する。振動は、正弦波、三角波、矩形波、ノコギリ波、ホワイトノイズ、ピンクノイズについて試したが、正弦波が最も効果的であった。また、傾斜板１の傾斜角を１度きざみで１度〜１０度まで変化させ、それぞの角度について振動数０、１００Ｈｚ、２００Ｈｚ、２５０Ｈｚ、３００Ｈｚ、３５０Ｈｚ、４００Ｈｚ、４５０Ｈｚ、５００Ｈｚ、６００Ｈｚのときの効果を確認した結果、傾斜角が３度〜１０度、振動数３５０Ｈｚ〜５００Ｈｚ（中でも３５０Ｈｚ）のときに球体の流れが特にスムーズであった。
【００２９】
この振動と、傾斜板の上面の微細な凹凸（条痕）が有効に作用して３００μｍ以下の微小球体の選別で問題となっていた傾斜板に対する微小球体の付着が防止され、また、振動により球体同士の吸着も防止され、真球と一部の変形球（周長差が無く、姿勢の傾きも無い双子球）は真っ直ぐに転がり落ちる。一方、親子球などは斜めに転がって真球群から除かれる。
【００３０】
次に、真っ直ぐに転がり落ちた球体Ｂは縦溝５に入り込む。良品の真球は溝に入っても加速されて転がり続け、傾斜板１の先端から飛び出して分別板９上に落ち、真球回収部８に誘導される。一方、双子球は溝５に拘束されて転がり難くなり、減速して開口７から変形球回収部６に落ちる。
【００３１】
このように、例示の装置では転がり方向の違いによる傾斜選別に続いて、飛距離差選別がなされ、変形球が高確率で取り除かれる。
【００３２】
以下に、本願発明の開発の経緯を述べる。
微小球体の傾斜板に対する付着、相互吸着の原因を、静電気力、ファンデルワールス力、液架橋力、傾斜板の面粗度の４つと推定し、それ等の影響を調べた。先ず、面粗度の良いガラス板を傾斜板として用いたところ、球体の流れは若干良くなったが充分ではなかった。
【００３３】
次に、静電気を疑ってガラス面に導電性膜（ＩＴＯ膜）を蒸着したところ、ＩＴＯ膜無しのガラス面よりは良かったが、０．２ｍｍ径の球になると完全に付着した。なお、直径８０μｍの球は、ＩＴＯ膜を形成したガラス面上では、ガラス板を裏返しにしても付着したままで落下しなかった。
【００３４】
この現象から、ＩＴＯ膜でもアースできない微小な静電気が関係しているのではないかと考え、市販の種々の静電除去器を使ってみたが全く効果がなかった。
【００３５】
文献「静電気の基礎と帯電防止技術  村田雄司著」の接触帯電の項目にある「仕事関係Ｗ１およびＷ２（Ｗ１＜Ｗ２）の２つの金属Ａ、Ｂがあり、これらがお互いに接触すると、仕事関数の小さな金属Ａからこれの大きな金属Ｂへ向かって電子が移動する。電子の移動は両金属の表面が極めて接近したときに起こる。これは、トンネル効果と言う現象である。」の説明から、８０μｍの球体は、接触帯電により接触面に電位差が生じ、＋−が互いに引き合った結果、ガラス板を裏返しにしても落下しなかったのではないかと考えた。
【００３６】
接触帯電では接触面の電位は外観で打ち消しあってゼロとなるため、イオンを送り込む静電除去器などでは静電除去が不可能と思われる。しかも、この帯電は、＋−が互いに引き合い、導電体であっても電気がアースされない状況になる。
【００３７】
また、球の直径が小さくなり、平面を転がる力よりも静電気力が大きくなると転がらないだけでなく、ガラス板を裏返しにしても落下しなくなる。これは、質量が寸法（半径ｒ）の３乗に比例して小さくなる（体積Ｖ＝４／３πｒ3 ）のに対し、表面積は２乗に比例して小さくなる（表面積Ｓ＝４πｒ2 ）ため、相対的に表面の影響力が増大するためだと考えられる。球の半径が１／１０になったときの数値を比較してみると、体積は１／１０００になるのに対し、表面積は１／１００となる。
【００３８】
これ等のことから、傾斜板に対する微小球の付着は、静電気のせいと考えたが、不良選別後、トレー内の同一材質、同一サイズの良品球に双子球が見つかった。
【００３９】
この球をよく観察すると、指などで軽く押えただけで簡単に分離する。良品球をトレーに入れて転がすと必ず双子球が発見され、全て分離した後トレーを揺するとまた双子球が現れる。先の文献の説明から、同じ材質でほぼ同じ体積の球同士では接触帯電は起こらないと考えてよく、他に引き合う力があると考える必要がある。
【００４０】
その力として挙げられるのは、面粗度や静電気力でないとすれば、ファンデルワールス力と液架橋力となる。
【００４１】
８０μｍの銅球を、銅板とステンレス板による傾斜選別が可能かをテストした。銅板、ステンレス板とも、傾斜角を７度にし、かつ、電位を帯びないようにアースし、アースされた箱に入っている８０μｍ径の銅球をそれ等の板上に流した。これと並行してＩＴＯ膜を設けたガラス板とＩＴＯ膜の無い通常のソーダガラス板にも同じ条件で銅球を流した。この結果、同じ材質の銅板での流れがきわだって良かった。球体と傾斜板が同一素材であるため接触帯電は起こらない。また、テストは、気温２５℃、湿度３０％の雰囲気で行ったので、液架橋力の影響も小さいと考えてよい。それでも、銅板に対する球の付着、球体同士の吸着が起こった。この結果から、静電気以外にファンデルワールス力の影響もあると判断した。
【００４２】
また、全ての球がファンデルワールス力の影響を受けると、多数の球体が吸着し合うはずであるが、数％が吸着する状況から、他に特殊な状況が関係していると思われた。
【００４３】
そこで、もうひとつ実験を試みた。８０μｍの銅球について、表面をラッピングして鏡面にした銅板と、表面に無数の微細な凹凸（条痕）のある銅板を使って流れを比較した。銅板は同じ条件で洗浄、拭取り、乾燥を行っている。このテストでは、後者の銅板の方が球の流れがよく、表面粗さも影響を及ぼすことを確認した。双子球が数％発生するのは、面粗度の良い部分が偶然接近したためと考えれば合点がいく。
【００４４】
２つの粒子がファンデルワールス力により近接すると、変形による弾性的反発力が作用し、両者の釣り合いにより、粒子は最も安定な位置（ポテンシャルエネルギーが最小の位置）に落ち着く。この位置は、図６の粒子間距離ｚ＝ｚｏが空気中では約０．４ｎｍになるところとされている。
【００４５】
粒子を図６のように、中実のコア部Ｃと凹凸のあるシェル部Ｓに分けて積分し、粗さのある粒子の相手面への付着力Ｆｖｂを求める。
【００４６】
Ｆｖｂ＝｛ｚ／（ｚ＋ｂ）｝2 Ｆｖ
ここで、ｂは表面粗さ、Ｆｖは間隔ｚの距離にあるときのファンデルワールス力である。
【００４７】
表面粗さによって近似的には２球間がｚからｚｂに遠くなったとみなせるわけで、その分付着力が弱くなる。例えば、１０μｍ径の粒子同士が図６のｚ＝０．４ｎｍで付着するとき、０．１μｍの表面粗さがあると付着力は約６万分の１に減少する。減少の割合は上式から判るように表面粗さと２者間の距離の比のみで決まり、粒径によらず、表面粗さが１μｍであれば付着力は更に１００倍小さくなり、６００万分の１になる。
【００４８】
球の直径が３００μｍ前後或いはそれ以下になると半径の３乗に比例する質量は非常に小さくなるため、外的な力が球体に及ぼす影響が大きくなる。従って、振動を与えることのほかに、傾斜板の上面を微細な条痕が観察される面にしたことは、微小球体の流れの改善に大きく役立っている。
【００４９】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明の選別装置は、傾斜板を振動させて傾斜板に吸引付着した球体や互いに吸引付着した球体に分離力を与え、また、傾斜板の上面を適度に粗すことで傾斜板に対する微小球体の付着力そのものを弱めるようにしたので、直径が３００μｍ以下の微小球体の選別が可能になり、産業上多大の恩恵をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の装置の概要を示す側面図
【図２】同上の装置の要部の平面図
【図３】傾斜板の拡大正面図
【図４】変形球の主な形を示す図
【図５】傾斜選別法の原理を示す図
【図６】ファンデルワールス力の表面粗さの関係の説明図
【符号の説明】
１  傾斜板
２  起振源
３  駆動制御部
３ａ  パーソナルコンピュータ
３ｂ  アンプ
４  ホルダ
５  縦溝
６  変形球回収部
７  開口
８  真球回収部
９  分別板
１０  条痕
Ｂ  微小球体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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