JPS59135195A - Ball pen ball made of zirconia ceramics - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はジルコニアセラミック製ボールペンボールに関
するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a zirconia ceramic ballpoint pen ball.

一般的なボールペンボールに用いられているボールとし
ては直径が０．４〜１．２ｍｍ程度のものが多（使用さ
れている。そこで、いま直径が０．７ｍｍのボールを使
用したボールペンを普通人の平均的筆記荷重である１０
０〜２５０ｇの荷重が加わった場合、ボールシートに作
用する当接圧は４０〜６０ｋｇ／ｃａｒにも及ぶ極めて
過酷なものとなる。そため、黄銅、ステンレス鋼、合成
樹脂などでつくられたボールシート（ボール受は座）に
当接するボールの接触面積が少なすぎるような場合には
、弾性変形したボールシート表面をボール表面でもって
削り取る事態が生じる。Most of the balls used in general ballpoint pen balls have a diameter of about 0.4 to 1.2 mm. 10 which is the average writing load of
When a load of 0 to 250 g is applied, the contact pressure acting on the ball seat becomes extremely severe, reaching 40 to 60 kg/car. Therefore, if the contact area of a ball that comes into contact with a ball seat (ball holder) made of brass, stainless steel, synthetic resin, etc. is too small, it is necessary to use the elastically deformed ball seat surface with the ball surface. A situation arises where it has to be removed.

一方、ボールペンポールの筆記距離は２０００ｍ位から
１０．０００ｍ以上にわたって良好な筆記特性が要求さ
れるようになってきており、この場合、ボールの直径を
０．７顛とすれば、ボールは約５００万回回転すること
となり、ボールシートの摩耗すなわちポール下りが重大
な問題となってくる。On the other hand, ballpoint pen poles are required to have good writing characteristics over a writing distance of about 2,000 m to more than 10,000 m. In this case, if the diameter of the ball is 0.7 mm, the ball has a diameter of approximately 500 m. Since the ball is rotated 10,000 times, wear of the ball seat, that is, ball drop, becomes a serious problem.

したがって、ボールを受座するポールシートの摩耗量を
極力少ないものとするにはボールを構成する材質とこれ
がもたらす表面特性がきわめて重要な要素となってくる
。しかして、ホールの表面特性には構成材質が大きく係
わってくるため、次のような諸条件が必要である。Therefore, in order to minimize the amount of wear on the pole seat that receives the ball, the material of which the ball is made and the surface characteristics it provides are extremely important factors. However, since the surface characteristics of the hole are greatly affected by the constituent materials, the following conditions are required.

（１１ボールシートとの当接圧力の低下を図るため、ボ
ールを形成する材質の構成粒子が細かく均等であること
、（２）当接圧力の低下を図り、削り取り作用を少なく
するため、構成粒子の各々が丸味を帯びたものであるこ
と、（３）当接圧力の低下、クランク発生の防止を図る
べく構成粒子が密集していること、（４）ボールシート
面に対する削り取り作用を少なくすため、構成粒子の間
にできる巣状窟（以下ボイドと称す）は孔径が小さいも
のであること、（５）油性のインクにかわって水性イン
クか多く使用されてきていることから、特に耐蝕性を有
する材質であること、（６）インクとの親和性が大きい
ことなどボールペンに用いられるボールには実に多くの
厳しい条件が要求される。(11) In order to reduce the contact pressure with the ball seat, the constituent particles of the material forming the ball must be fine and uniform; (2) In order to reduce the contact pressure and reduce the scraping effect, the constituent particles (3) The constituent particles are densely packed to reduce contact pressure and prevent cranking; (4) To reduce the scraping effect on the ball seat surface. (5) Since the pores formed between the constituent particles (hereinafter referred to as voids) are small, and (5) water-based inks are increasingly being used instead of oil-based inks, corrosion resistance is particularly important. The balls used in ballpoint pens are required to meet many strict conditions, including (6) high affinity with ink;

ところが、従来から用いられている超硬、硬化ステンレ
ス鋼、ルビーなどでつくられたボールは列記した諸条件
をすべて満足するものはなく、ボール自体は勿論、ボー
ルシートについても種々の改良が試みられたが、球下り
、点ゴロ、ボタ球割れ、などを解決することができなか
った。またルビー製のボールでは高価で、加工が面倒で
コスト面になり、しかも単結晶であるため、結晶軸から
亀裂が入り易いなどの強度的な雑煮もあった。このよう
な不都合を解決すべくアルミナセラミック製のボールが
提案されたが、依然として球下り、点ゴロなどが発生し
ていた。そこで、アルミナセラミックに代わり窒化珪素
、炭化珪素などのセラミックで作ったボールがすでに提
案されており、これら非酸化物系セラミックより成るボ
ールは適度のボイドを有するため、インクの流出特性が
すぐれているなどの特長をもっている反面、ポールシー
トを摩耗させ、球下りをもたらす傾向を伴うていた。However, none of the conventionally used balls made of carbide, hardened stainless steel, ruby, etc. satisfy all of the listed conditions, and various improvements have been attempted not only in the balls themselves but also in the ball seats. However, they were unable to solve problems such as falling balls, grounders, and broken balls. In addition, ruby balls are expensive, difficult to process, and expensive, and because they are single crystals, they tend to be strong, with cracks easily forming along the crystal axis. Balls made of alumina ceramic were proposed to solve this problem, but ball drops and ground balls still occurred. Therefore, instead of alumina ceramic, balls made of ceramics such as silicon nitride and silicon carbide have already been proposed, and balls made of these non-oxide ceramics have a moderate amount of voids, so they have excellent ink flow characteristics. Although it has these features, it has a tendency to wear out the pole seat and cause the ball to fall.

本発明は叙上の事情に鑑みて、種々研究実験を重ねた結
果、ジルコニア（Ｚｒ０２）を主成分とした安定化ジル
コニアセラミック、及びジルコニアを主成分とし、イツ
トリア（Ｙ、０．）　、カルシア（Ｃａｂ）マグネシア
（ＭｇＯ）などを所定量含有して成る部分安定化ジルコ
ニアセラミックが前記欠点の多くを解消し得るものであ
ることを知見するに至り、それをボールペン用ボールに
適用せとするものである。In view of the above-mentioned circumstances, the present invention was developed as a result of various research and experiments, including stabilized zirconia ceramics mainly composed of zirconia (Zr02), and stabilized zirconia ceramics mainly composed of zirconia, ittria (Y, 0.), calcia ( We have discovered that a partially stabilized zirconia ceramic containing a predetermined amount of magnesia (MgO) can eliminate many of the above-mentioned drawbacks, and we have decided to apply it to ballpoint pen balls. be.

本発明者は、従来から最も汎用されているアルミナ、窒
化珪素、炭化珪素セラミックに加え、ジルコニアセラミ
ックにより各々成るボールを作成した。これらセラミッ
クの材料組成と物性を示せば第１表の通りである。The present inventor has created balls made of zirconia ceramic in addition to alumina, silicon nitride, and silicon carbide ceramics, which have conventionally been most widely used. Table 1 shows the material composition and physical properties of these ceramics.

この第、１表から判るようにＺｒＯ２を主成分とした安
定化ジルコニアセラミンク（第１表、第２表中ＺｒＩと
略記しである）は硬度、曲げ強度及び破壊靭性などにお
いて、他の窒化珪素、炭化珪素などのセラミックより低
いが、ボールペンボールとして印加される６０ｋｇ／ｃ
ｍ程度の筆記圧力には十分耐えられるものである。一方
、ＺｒＯよを主成分とし、Ｙ□０８、ＣａＯ、ＭｇＯを
固溶相として含有した部分安定化ジルコニアセラミック
（第１表、第２表中ＺｒＩＩ、Ｚｒ１ｌｌ、Ｚｒ１Ｖと
略記しである）では高硬度で大きな曲げ強度や破壊靭性
を有しているばかりではなく、多きな耐薬品性、耐蝕性
を有しており、はとんどの油性インクはもとより、化学
的に多少活性なる水性インクであっても浸蝕されたり、
表面状態が変性する想れば全くない。さらに表１中に挙
げたセラミックについて、各々に適した最も高密度をも
った状態に焼成し、鏡面研摩を施した後、顕微鏡により
表面状態を観察したところ、窒化珪素セラミックでは平
均孔径が１０ＩＪ’ｍのボイドが８〜１０個／量を程度
分布しており、炭化珪素、アルミナセラミックにおいて
も上記窒化珪素セラミックよりは少ないものの、６〜９
個／Ｊ程度のボイドが存在するとともに、そのボイドの
平均孔径も１〜３０μｍ程度とかなりの幅をもったもの
であった。一方、ジルコニアセラミック（ＺｒＩ〜Ｚｒ
　　ＩＶ）のものでは、表面部に存在する開口した空孔
の比率は０．００１％（アルミナセラミックも同程度）
であったが鏡面研摩後における平面の平均粗さＲａはア
ルミナセラミックがＲａ＜　　０．３〜０．４であるの
に対し、ジルコニアセラミンクにおいては、Ｒａ＜　Ｏ
，，１と極めて小さいものであった。As can be seen from Table 1, stabilized zirconia ceramics containing ZrO2 as a main component (abbreviated as ZrI in Tables 1 and 2) are superior to other nitrided ceramics in terms of hardness, bending strength, and fracture toughness. Although lower than ceramics such as silicon and silicon carbide, the applied 60 kg/c is applied as a ballpoint pen ball.
It can sufficiently withstand writing pressure of about 200 m. On the other hand, partially stabilized zirconia ceramics containing ZrO as the main component and Y□08, CaO, and MgO as solid solution phases (abbreviated as ZrII, Zr1ll, and Zr1V in Tables 1 and 2) have high Not only does it have a high degree of hardness, bending strength and fracture toughness, but it also has great chemical and corrosion resistance. Even if it is eroded,
I don't think the surface condition changes at all. Furthermore, the ceramics listed in Table 1 were fired to the highest density suitable for each, mirror-polished, and then the surface condition was observed under a microscope. m voids are distributed to a degree of 8 to 10 voids/amount, and silicon carbide and alumina ceramics also have 6 to 9 m voids, although they are smaller than the above silicon nitride ceramics.
There were approximately 1/J voids, and the average pore diameter of the voids was approximately 1 to 30 μm, which was quite wide. On the other hand, zirconia ceramic (ZrI~Zr
In the case of IV), the ratio of open pores existing on the surface is 0.001% (same level for alumina ceramic)
However, the average roughness Ra of the plane after mirror polishing is Ra < 0.3 to 0.4 for alumina ceramics, whereas Ra < O for zirconia ceramics.
,,1, which was extremely small.

次に叙上の如き特性を持った各々のセラミック材でもっ
て、０．７龍の同一直径をもったホールを作成し、かつ
ポールシートには快削黄銅（ＣｕＺｎ（’Ｉ）３０３０
３系快削ステンレス鋼の二種類のボールシートに対して
嵌着し、油性のインクを用いた１０種類のボールペンを
構成し、直径５０ｃｍの金属製ドラムの外周に紙質がＪ
ＩＳ　Ｐ　３２０１の紙をセットし、該紙面に対して２
００ｇの筆記荷重が均一に加わるように設置しておき、
上記金属製ドラムを筆記速度３５０ｃｍ／分で回転させ
、所定の筆記距離に達した回転数で停止し、黄銅層、ス
テンレス鋼製の各ポールシートにおけるボールの食込値
、すなわち、球下り量を測定した結果を第２表に示す。Next, holes with the same diameter of 0.7 mm were created using each ceramic material with the characteristics described above, and the pole seat was made of free-cutting brass (CuZn('I) 3030).
It is fitted onto two types of ball sheets made of Type 3 free-cutting stainless steel, and consists of 10 types of ballpoint pens using oil-based ink.
Set the ISP 3201 paper and do 2
Install it so that a writing load of 00g is applied evenly,
The metal drum was rotated at a writing speed of 350 cm/min, stopped when a predetermined writing distance was reached, and the penetration value of the ball in each pole sheet made of brass layer and stainless steel, that is, the amount of ball descent The measured results are shown in Table 2.

このような球下り量の測定において、各セラミックより
成るボールの径、研摩状態はもちろん、金属ドラムの紙
面に対接させる角度なとも全く同一とした条件のもとで
テストを行ったもので、第２表にて示した球下り量〔μ
ｍ〕は、同一材のボール、ポールシートで構成したホー
ルペンを各２０本製作したものの筆記テストを行い、そ
れらにおける球下り量の平均値を挙げである。In measuring the amount of ball descent, tests were conducted under conditions where the diameter and polishing condition of each ceramic ball, as well as the angle at which it contacted the paper surface of the metal drum, were exactly the same. The amount of ball descent shown in Table 2 [μ
m] is a writing test of 20 hole pens each made of the same ball and pole sheet, and the average value of the amount of ball descent for these is given.

この球下り量の測定値から明らかなように炭化珪素セラ
ミック製ボールをもちいたボールペンの球下り量が最も
大きいという傾向にあり、次いでアルミナセラミック製
ボールのものの球下り量が大きかったが、開口したボイ
ドの単位面積当りに占める割合の最も大きな窒化珪素セ
ラミック製ボールを用いたボールペンの球下り量は比較
的小さいものであった。これは、開口したボイド中にイ
ンクが充填された状態となり、ボールシートとセラミッ
クとの接触量が少ないためであると考えられる。As is clear from the measured values of the amount of ball descent, ballpoint pens with silicon carbide ceramic balls tended to have the largest amount of ball descent, followed by those with alumina ceramic balls. A ballpoint pen using a silicon nitride ceramic ball with the largest proportion of voids per unit area had a relatively small amount of ball drop. This is considered to be because the open voids are filled with ink, and the amount of contact between the ball sheet and the ceramic is small.

また、ボールシート材が黄銅、ステンレス鋼と異なった
場合でも、はぼ同等の球下り憧の傾向を示し、ステンレ
ス鋼製ボールシートの方がやや球下り量が少ないが、こ
れは黄銅よりも硬度が若干大きいことによるものと推定
される。In addition, even when the ball seat material is different from brass or stainless steel, the ball has the same tendency to fall down, and the ball seat made of stainless steel has a slightly lower ball fall rate, but this is because it is harder than brass. It is presumed that this is due to the fact that is slightly larger.

なお、上記の第２表に挙げた球下り量の測定に供したボ
ールペンには油性のインクを適用したものであるが、水
性インを用いた場合もほぼ同様の球下り量の傾向を示す
ことが確認できた。Note that although the ballpoint pens used to measure the amount of ball falling listed in Table 2 above were used with oil-based ink, almost the same tendency of ball falling amount was observed when water-based ink was used. was confirmed.

ところで、上記においては、各セラミック製ホールで構
成したボールペンの球下り量のみを測定したが、球下り
量が大きいことはボール表面とホールシートとの間隙が
大きなものとなることから、この球下り量に比例してイ
ンク流出量も増加すると言える。したがって球下り量が
少ないものほどインク流出量が一定し、且つ当初の筆記
特性を長期にわたり維持し、安定した筆記性能をもった
ボールペンをもたらすものであると言える。Incidentally, in the above, only the amount of ball descent of a ballpoint pen constructed with each ceramic hole was measured, but since the amount of ball descent is large, the gap between the ball surface and the hole seat is large, so this ball descent amount is It can be said that the amount of ink flowing out increases in proportion to the amount. Therefore, it can be said that the smaller the amount of ball descent, the more constant the amount of ink outflow, and the more stable the original writing characteristics are maintained over a long period of time, resulting in a ballpoint pen with stable writing performance.

以上のように第２表に挙げた球下り量の測定値から明白
な如く、本発明によればジルコニアセラミンクでボール
ペンボールを構成したことによってボールシートの摩耗
量（球下り量）が少なく、ボール自体の割れや摩耗がほ
とんどなく、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素などにくら
べ強いが、特にヤング率が低いため、衝撃に対しても非
富に強く、またインクの流出量が安定していることがら
ボテ、カスレ、点ゴロなどの発生が少ないボールペン用
のホールをもたらすことができる。As is clear from the measured values of the amount of ball descent listed in Table 2, according to the present invention, since the ballpoint pen ball is made of zirconia ceramic, the wear amount of the ball seat (the amount of ball descent) is small. The ball itself has almost no cracking or wear, and is stronger than alumina, silicon nitride, silicon carbide, etc., but its Young's modulus is particularly low, so it is highly resistant to impact, and the amount of ink flowing out is stable. It is possible to create holes for ballpoint pens that are less likely to cause blemishes, smearing, and spotting.

出願人　　京　セ　ラ　株　式　会　社代表者　稲盛和
夫Applicant: Kyocera Corporation Representative: Kazuo Inamori

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １、ジルコニア（ＺｒＯ２）を主成分とする焼結体で形
成したことを特徴とするジルコニアセラミンク製ボール
ペンボール。 ２、上記ジルコニアを主成分とし、イツトリア（Ｙ、０
．）が添加され、ジルコニアとイツトリアの固溶相を有
していることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
ジルコニアセラミック製ボールペンホール。 ３、上記ジルコニアを主成分とし、少くともカルシア（
ＣａＯ）及び／又はマグネシア（ＭｇＯ）の固溶相を有
していることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
ジルコニアセラミンク製ボールペンボール。[Scope of Claims] 1. A ballpoint pen ball made of zirconia ceramic, characterized in that it is formed of a sintered body containing zirconia (ZrO2) as a main component. 2. Ittria (Y, 0
．． ) is added thereto and has a solid solution phase of zirconia and yttria, according to claim 1. 3. The main component is zirconia, and at least calcia (
The zirconia ceramic ballpoint pen ball according to claim 1, characterized in that it has a solid solution phase of CaO) and/or magnesia (MgO).