CN1869263A - 整流子材料及电刷材料、包层复合材料及直流小型电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供可使通过脉冲电流进行控制的类型的DVD用主轴电动机的寿命延长的、直流小型电动机用整流子材料和电刷材料。本发明的直流小型电动机用整流子材料的特征在于，由6.0～10.0重量％的Cu、1.0～5.0重量％的ZnO、其余部分为Ag的组成构成，使Cu金属粒子、ZnO粒子分散在AgCu合金基质中。电刷材料的特征在于，由0.1～5.0重量％的MgO、其余部分为Ag的组成构成，使MgO粒子分散在Ag基质中；或者由5.0～15.0重量％的Ni、其余部分为Pt的组成构成，使Ni固溶在Pt基质中。

Description

整流子材料及电刷材料、 包层复合材料及直流小型电动机

技术领域

本发明涉及通过机械的滑动动作进行电转换的直流小型电动机的整流子和电刷，尤其涉及在DVD播放器中用于使DVD碟片旋转的直流小型电动机所使用的整流子材料和电刷材料。

背景技术

近年来，在上述技术领域中，随着使用方式从CD向DVD的变化，进行了大量关于适合各种用途的直流小型电动机用材料的研究。最初播放音乐的CD播放器中，碟片的旋转为约500rpm，对于直流小型电动机用整流子材料和电刷材料的负荷并不是非常大。

后来，CD播放器作为音响器材搭载到汽车上时，要求-40℃～85℃的温度范围内的直流小型电动机的使用耐久性，本申请人开发了可以实现这样的耐久性的直流小型电动机用整流子材料(参看专利文献1)。

【专利文献1】日本专利特开平8-291349号公报

该专利文献1中所揭示的直流小型电动机用整流子材料可以用于CD播放器的2倍速、4倍速的高速旋转化以及再生专用的DVD播放器，现在成为了主轴电动机中代表性的整流子材料。

然而，DVD用的主轴电动机的控制方法更复杂，专利文献1所记载的直流小型电动机用整流子材料有时也会无法满足其特性要求，目前需要进一步提高性能。此外，为了进一步提高性能，目前不仅希望开发直流小型电动机用整流子材料，也希望开发与之对应的电刷材料。

发明内容

近年来，已知DVD用的主轴电动机的控制方法有多种方式。例如，在高级音响器材中通过脉冲电流控制电动机的转速，但上述专利文献1的直流小型电动机用整流子材料被指出有无法满足要求特性的情况。

本发明是在这样的背景下完成的，其目的在于提供可使通过脉冲电流进行控制的类型的DVD用主轴电动机的寿命延长的直流小型电动机用整流子材料和电刷材料。

本发明者为了解决上述课题而认真研究后，完成了本发明。本发明是直流小型电动机所使用的整流子材料，其特征在于，由6.0～10.0重量％的Cu、1.0～5.0重量％的ZnO、其余部分为Ag的组成构成，使Cu金属粒子、ZnO粒子分散在AgCu合金基质中。

本发明所述的直流小型电动机用整流子材料的特征是，材料为使Cu金属粒子、ZnO粒子分散在AgCu合金基质中的合金。该AgCu合金基质中，固溶的Cu和分散的Cu粒子利于提高耐磨损性，AgCu合金基质中分散的ZnO粒子不仅减少电弧引起的损耗，而且起到用作整流子时的滑动部分的润滑剂的效果，具有使摩擦力减低的作用。

以往的直流小型电动机用整流子材料，例如Ag-Pd-Cu-Ni合金，通过所谓熔解法制造，通过在合金基质中分散Cu金属粒子和Ni金属粒子来抑制磨损。另一方面，本发明的直流小型电动机用整流子材料中，在AgCu合金基质中分散有Cu金属粒子和ZnO粒子，这样将金属粒子和氧化物粒子一同分散，则作为直流小型电动机用整流子材料，可以实现极好的耐磨损性。

此外，通过以所谓粉末冶金法制造整流子材料，可以实现像本发明所述的直流小型电动机用整流子材料那样，将ZnO粒子分散在AgCu合金基质中。如果采用粉末冶金法，则存在于Ag基质中的氧化物粒子极均一地分散，而通过熔解法无法制造具有与本发明相同的组织结构的直流小型电动机用整流子材料。

本发明所述的直流小型电动机用整流子材料中，固溶在AgCu合金基质中的Cu和Cu金属粒子主要起到使直流小型电动机用整流子材料的耐磨损性提高的作用，该Cu含量较好是在6.0～10.0重量％。若不到6.0重量％，则AgCu合金化产生的基质的强化和Cu金属粒子产生的耐磨损性的提高效果减小，若超过10.0重量％，则对耐磨损性的提高产生反效果，磨损与整流子对应的电刷(brush)，结果使直流小型电动机的耐久寿命低下。将该Cu含量设定在7.0～9.0重量％的组成范围内，可使本发明所述的直流小型电动机用整流子材料的特性达到最佳，在实用上是非常理想的。

此外，本发明所述的直流小型电动机用整流子材料中，ZnO粒子在滑动部分、即接点表面起到固体润滑剂的作用。该ZnO的含量较好是1.0～5.0重量％。该ZnO的含量不到1.0重量％，则无法发挥作为润滑剂的功能，若超过5.0重量％，则加工性下降，难以加工成直流小型电动机用整流子。将该ZnO设定在2.0～4.0重量％的组成范围内，可以使滑动接点特性达到最佳，在实用上是非常理想的。

将上述的本发明所述的直流小型电动机用整流子材料用作电动机的整流子时，为了制成更理想的整流子的构成材料，较好是使用采用Cu或Cu合金的基材，在该基材上的一部分埋设本发明所述的直流小型电动机用整流子材料，制成包层复合材料。由此，在将整流子与外部导通时，例如锡焊性良好，而且成形为整流子形状所要求的圆度高的形状时的加工性也提高。此外，通过采用所谓包层复合材料的形态，可以对应于所使用的直流小型电动机，控制埋设于基材中的本发明的直流小型电动机用整流子材料的厚度，所以可以只在必要的部分使用昂贵的直流小型电动机用整流子材料，在成本方面也是理想的。

使用Cu或Cu合金的基材的包层复合材料的所埋设的直流小型电动机用整流子材料中露出于表面的部分由于暴露在大气中，所以容易被硫化。因此，对于在Cu或Cu合金的基材上的一部分埋设本发明的直流小型电动机用整流子材料的包层复合材料，更好是将该被埋设的直流小型电动机用整流子材料上的至少一部分用Au或Au合金被覆。已知Au或Au合金是耐腐蚀性良好、而且可以实现低接触电阻的良好的整流子材料，但由于非常昂贵，所以大量使用在制造成本上是不利的。因此，通过仅将Au或Au合金被覆必要部分的一部分，不仅可以抑制成本的增加，而且可以有效地防止本发明所述的直流小型电动机用整流子材料的硫化现象。如果将这样的包层复合材料用于直流小型电动机的整流子，则由于使用初期时Au或Au合金的良好的接触电阻特性，可以实现良好的电动机驱动，即使Au或Au合金因磨损而受到破坏，由于其内部侧存在本发明的直流小型电动机用整流子材料，可以再继续使用。

将上述的本发明的所谓二层或三层包层复合材料用于DVD用主轴电动机的整流子的情况下，可以大幅延长该直流小型电动机自身的寿命。

本发明者在开发上述直流小型电动机所使用的整流子材料的同时，对与其对应的电刷材料进行认真研究后发现了以下说明的、适合用于直流小型电动机的2种电刷材料。

第一种本发明所述的直流小型电动机用电刷材料的特征在于，由0.1～5.0重量％的MgO、其余部分为Ag的组成构成，使MgO粒子分散在Ag的基质中。

另一种本发明所述的直流小型电动机用电刷材料的特征在于，由5.0～15.0重量％的Ni、其余部分为Pt的组成构成，使Ni固溶在Pt基质中。

本发明所述的直流小型电动机用电刷材料中，MgO粒子分散在Ag基质中的材料中，分散在Ag基质中的MgO粒子不仅减少电弧引起的损耗，而且起到用作电刷时的滑动部分的润滑剂的效果，具有使摩擦力减低的作用。

该Ag基质中分散有MgO粒子的直流小型电动机用电刷材料中，MgO粒子在滑动部分、即接点表面起到固体润滑剂的作用，该MgO的含量较好是0.1～5.0重量％。该MgO的含量不到0.1重量％，则无法发挥作为润滑剂的功能，若超过5.0重量％，则加工性下降，难以加工成直流小型电动机用电刷。将该MgO设定在1.5～4.0重量％的组成范围内，可以使滑动接点特性达到最佳，在实用上是非常理想的。

此外，通过以所谓粉末冶金法制造电刷材料，可以实现Ag基质中分散有MgO粒子的直流小型电动机用电刷材料。如果采用粉末冶金法，则存在于Ag基质中的氧化物粒子极均一地分散。这样的粒子分散型的材料通过后述的所谓熔解法无法制造具有相同的组织结构的直流小型电动机用电刷材料。

另外，本发明所述的直流小型电动机用电刷材料中，对于在Pt基质中固溶有Ni的合金而言，Pt金属本来耐电弧引起的损耗性能就优异，再通过使Ni固溶在Pt基质中，电刷表面变得光滑。即，固溶Ni起到用作电刷时的滑动部分的润滑剂的效果，具有使摩擦力减低的作用。

此外，由在Pt基质中固溶有Ni的合金构成的本发明所述的直流小型电动机用电刷材料中，固溶的金属Ni使Pt的润滑性提高，该Ni含量较好是为5.0～15.0重量％。该Ni含量不到5.0重量％，则Ni的润滑性提高功能无法发挥，若超过15.0重量％，则由于Ni氧化成氧化镍而接触电阻增加。将该Ni设定在8.0～12.0重量％的组成范围内，可以使滑动接点特性达到最佳，在实用上是非常理想的。

另外，通过所谓熔解法进行制造，可以实现在Pt基质中固溶有Ni的合金构成的本发明所述的直流小型电动机用电刷材料。以往已知的直流小型电动机用电刷材料，例如Ag50wt％-Pd50wt％合金，通过所谓熔解法进行制造，通过制成AgPd的固溶合金来抑制磨损。对于本发明所述的在Pt基质中固溶有Ni的合金构成的直流小型电动机用电刷材料，可以与Ag50wt％-Pd50wt％合金同样地通过熔解法进行制造，通过使Ni固溶在Pt基质中，可以实现对于电弧的耐损耗性和润滑性的共存，作为直流小型电动机用电刷材料，可以实现极好的耐磨损性。

将上述的本发明所述的直流小型电动机用电刷材料用作电动机的电刷时，为了制成更理想的电刷的构成材料，较好是使用采用具有弹性的Cu合金的基材，在该基材上的一部分埋设本发明所述的直流小型电动机用电刷材料，制成包层复合材料。由此，利用基材的弹性，可以使电刷以最适的荷重与整流子接触。此外，通过采用所谓包层复合材料的形态，可以对应于所使用的直流小型电动机，控制埋设于基材中的本发明的直流小型电动机用电刷材料的厚度，所以可以只在必要的部分使用昂贵的直流小型电动机用电刷材料，在成本方面也是理想的。

根据本发明者的研究确认，如果组合上述的本发明所述的直流小型电动机用整流子材料和电刷材料，用于DVD播放器所使用的直流小型主轴电动机，则可以可靠地实现低接触电阻特性和低电压启动特性等。

如上所述，如果将本发明的直流小型电动机用整流子材料或电刷材料、或者这些材料的组合用于DVD播放器所使用的直流小型主轴电动机，则可以长期维持低接触电阻，长时间以低启动电压驱动电动机。因此，如果采用本发明，可以实现通过以往的整流子材料或电刷材料无法实现的直流小型电动机寿命的延长。

附图说明

【图1】二层包层复合材料的立体图。

【图2】三层包层复合材料的立体图。

【图3】脉冲控制的波形简图。

具体实施方式

对本发明优选的实施方式基于以下记载的实施例和以往例进行说明。首先，对关于本发明的直流小型电动机用整流子材料和电刷材料的磨损特性评价的结果进行说明。表1中表示了，涉及本发明的直流小型电动机用整流子材料的实施例1的组成和进行与该实施例1的特性对比的以往例1的直流小型电动机用整流子材料的组成。

【表1】

实施例1	Cu	ZnO	Ag
					8.0	3.0	其余
	以往例1	Pd	Cu	Ni					Ag
0.5					8.0	0.5	其余

                                                                   (重量％)

对于实施例1的直流小型电动机用整流子材料，首先将8.0重量％的Cu粉末、3.0重量％的ZnO粉末和其余部分的Ag粉末用球磨机搅拌4小时，制成各粉末均一分散的粉末混合物。接着，将该粉末混合物填入圆筒容器中，从圆柱的轴向施加4.9×10⁵N(50tf)的压力，进行压缩加工处理，形成直径50mm的圆柱坯。接着，将该圆柱坯在973K(700℃)的温度下进行4小时的烧结处理(5.0Pa)。这些压缩加工处理、烧结处理重复进行3次。

进行了这些压缩加工和真空烧结处理的圆柱坯通过热挤压加工形成直径6.0mm的线材。然后，通过拉丝加工，制成直径1.6mm的线材。

以往例1的直流小型电动机用整流子材料通过熔解法制成，按照表1所记载的组成，将各金属熔解，然后通过进行铸造、挤压加工、拉丝加工，制成直径1.6mm的线材。该以往例的直流小型电动机用整流子材料的制造方法在专利文献1中有详细说明。

【专利文献1】日本专利特开平8-291349号公报

如上所述形成的各线材通过压延机加工成带状，将其嵌入接合到作为基底层的Cu材中，得到包层复合材料。然后，对该包层复合材料在1023K(750℃)下进行热处理，反复进行压延，制成总厚度0.3mm、宽19mm的二层包层复合材料。

在这里，对本发明所述的包层复合材料的形态进行说明。图1的立体图表示由Cu合金构成的基材的一部分中埋设了本实施方式所示的直流小型电动机用整流子材料的被称作二层包层复合材料的形态。此外，图2的立体图表示由Cu合金构成的基材的一部分中埋设了本实施例所示的直流小型电动机用整流子材料、再将该埋设了的直流小型电动机用整流子材料的一部分用Au或Au合金被覆了的、被称作三层包层复合材料的形态。此外，图1a和图2a、2b表示单嵌条的包层复合材料，图1b表示双嵌条的包层复合材料。图中，符号1表示本发明的直流小型电动机用整流子材料，图2的符号1′表示代表被埋设的直流小型电动机用整流子材料1的一部分露出了的部分的露出部，符号2表示Cu合金基材，符号3表示Au或Au合金。

接着，对与进行上述实施例1和以往例1的整流子材料的磨损特性评价时所使用的整流子的对应的电刷材料进行说明。表2中表示该直流小型电动机用电刷材料的组成。

【表2】

实施例2	MgO	Ag
			2.3	其余
	实施例3	MgO			Ag
3.3			其余
		实施例4		Ni	Pt
10.0	其余
			以往例2	Pd	Ag
50.0	其余

                                          (重量％)

对采用表2所示的各直流小型电动机用电刷材料的电刷的制造方法进行说明。在实施例2、实施例3中，将与各组成相当的MgO粉末、其余部分的Ag粉末用球磨机搅拌4小时，制成各粉末均一分散的粉末混合物。接着，将该粉末混合物填入圆筒容器中，从圆柱的轴向施加4.9×10⁵N(50tf)的压力，进行压缩加工处理，形成直径50mm的圆柱坯。接着，将该圆柱坯在1123K(850℃)的温度下进行4小时的烧结处理(5.0Pa)。这些压缩加工处理、烧结处理重复进行3次。

进行了这些压缩加工和真空烧结处理的圆柱坯通过热挤压加工形成直径6.0mm的线材。然后，通过拉丝加工，制成直径1.6mm的线材。

接着，对采用表2所示的实施例4和以往例2的直流小型电动机用电刷材料的电刷的制造方法进行说明。对于实施例4和以往例2的电刷材料，使用熔解法，按照表2所记载的各组成，将各金属熔解，然后通过进行铸造、挤压加工、拉丝加工，制成直径1.6mm的线材。

如上所述形成的各电刷用线材通过压延机加工成带状，将其嵌入接合到作为基底层的Cu材中，得到包层复合材料。然后，对该包层复合材料在1073K(800℃)下进行热处理，反复进行压延，制成总厚度70μm、宽19mm的二层包层复合材料。该二层包层复合材料为与图1所示相同的形态，是由Cu合金构成的基材的一部分中埋设了本实施方式所示的直流小型电动机用电刷材料的形态。对于该电刷用二层包层复合材料，图1中的符号1表示表2所示的直流小型电动机用电刷材料，图2的符号1′表示代表被埋设的直流小型电动机用电刷材料1的一部分露出了的部分的露出部，符号2表示Cu合金基材。

接着，使用采用上述的二层包层复合材料的整流子和电刷实际组装直流小型电动机，对以规定时间驱动电动机时整流子和电刷的磨损状态进行研究。向直流小型电动机的组装中，使用表1所示各组成的直流小型电动机用整流子材料，制作上述图1a所示的二层包层复合材料，将该包层复合材料加工成外径3.3mm、长2.4mm的三极整流子，装入DVD主轴用直流小型电动机。此外，对于表2所示各组成的直流小型电动机用电刷材料，制作上述图1a所示的二层包层复合材料，将该包层复合材料加工成三叉的刷子形状，装入DVD主轴用直流小型电动机。比较试验的条件如表3所示，这时的脉冲控制的大致波形示于图3。

【表3】

控制	脉冲控制
		最高电压	7.2V
电动机的转速	1800rpm
		负荷	12cm DVD碟片
试验数	5台
		环境	60℃、湿度无控制
试验时间	200小时

这里的磨损特性评价对表4所示的整流子材料与电刷材料的组合的直流小型电动机进行。试验温度为60℃，分别对于5台各组合的直流小型电动机，以12cm的DVD碟片作为负荷，旋转200小时后，测定这5台电动机的整流子和电刷的磨损深度，算出其平均值。其结果示于表4。

【表4】

整流子	电刷	整流子中央部的磨损深度	整流子狭缝部的磨损深度	+极电刷的磨损深度	-极电刷的磨损深度
						实施例1	实施例4	9	19	3	1
实施例1	以往例2	10	15	9	5
						以往例1	实施例4	20	38	4	2
以往例1	以往例2	31	48	31	27

                                                                                                           (μm)

由表4可知，实施例1的整流子材料与实施例4的电刷材料的组合的电动机中，整流子的磨损深度、电刷的磨损深度与以往例1的整流子材料与以往例2的电刷材料的组合的电动机相比都小了许多。此外，整流子材料或电刷材料的任一方为本发明的组成的情况下，整流子的磨损深度、电刷的磨损深度也比以往例1的整流子材料与以往例2的电刷材料的组合的电动机小。通常，DVD主轴用直流小型电动机的脉冲控制中，由于频繁地施加电动机旋转控制电压，因此发生相当于额定的10倍的冲击电流变化。由于这时产生的火花，整流子中整流片的整流转换部分熔解损耗，而且若转换部分损耗，则向电刷的转移量也增加，凝结损耗变强。发现这样的凝结损耗现象在以往例1的整流子材料与以往例2的电刷材料的组合的电动机中显著，而其它组合的电动机中，确认这样的损耗现象得到抑制。

接着，对于使用表1和表2所示的整流子材料和电刷材料的直流小型电动机，就进行耐久试验后的结果进行说明。

该耐久试验的条件除了试验时间之外与表3所示的条件相同，脉冲控制的波形也与图3相同地进行。此外，该耐久试验分别对5台以表5所示的整流子材料和电刷材料的组合组装的直流小型电动机进行。该耐久试验测定电动机发生故障的时间，但耐久寿命超过1300小时的电动机在1300小时终止耐久试验，以1300小时作为耐久时间。

【表5】

整流子	电刷	第1台	第2台	第3台	第4台	第5台
							实施例1	实施例2	760	1010	1140	1178	1200
实施例1	实施例3	1010	1280	1300	1300	1300
							实施例1	实施例4	1008	1029	1300	1300	1300
实施例1	以往例2	775	818	914	928	1062
							以往例1	实施例4	596	768	771	813	990
以往例1	以往例2	429	440	487	508	536

                                                                                                                (小时)

由表5可知，实施例1的整流子材料与实施例2～4的电刷材料的组合中，5台电动机都具有1000小时以上的耐久寿命，满足市场要求。

Claims (9)

1.直流小型电动机用整流子材料，其特征在于，由6.0～10.0重量％的Cu、1.0～5.0重量％的ZnO、其余部分为Ag的组成构成，

使Cu金属粒子、ZnO粒子分散在AgCu合金基质中。

2.包层复合材料，其特征在于，在Cu或Cu合金的基材上的一部分埋设了权利要求1所述的直流小型电动机用整流子材料。

3.如权利要求2所述的包层复合材料，其特征还在于，所埋设的直流小型电动机用整流子材料上的至少一部分用Au或Au合金被覆。

4.直流小型电动机，其特征在于，使用权利要求2或3所述的包层复合材料制成整流子。

5.直流小型电动机用电刷材料，其特征在于，由0.1～5.0重量％的MgO、其余部分为Ag的组成构成，使MgO粒子分散在Ag基质中。

6.直流小型电动机用电刷材料，其特征在于，由5.0～15.0重量％的Ni、其余部分为Pt的组成构成，使Ni固溶在Pt基质中。

7.包层复合材料，其特征在于，在具有弹性的Cu合金的基材上的一部分埋设了权利要求5或6所述的直流小型电动机用电刷材料。

8.直流小型电动机，其特征在于，使用权利要求7所述的包层复合材料制成电刷。

9.直流小型电动机，其特征在于，使用权利要求2或3所述的包层复合材料制成整流子，使用权利要求7所述的包层复合材料制成电刷。

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