JP2004307563A - カーボンブラシ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】仕事効率、長寿命化及び整流子表面の荒損防止が可能な樹脂硬化型カーボンブラシを提供すること。
【解決手段】樹脂硬化型カーボンブラシにおいて、フィラーと、不飽和ポリエステル及び／又は、ビニルエステルが配合されているバインダーとなる熱硬化性樹脂とで構成する。また、本発明に係わるカーボンブラシの製造方法は、不飽和ポリエステル及び／又は、ビニルエステルをバインダーに配合し、黒鉛層がカーボンブラシと整流子の接触面に平行に形成されるように加圧成型する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂硬化型カーボンブラシに関し、整流子を用いる小型モーター、さらに詳しくいえば電気掃除機等の小型モーターに組み込んで使用される樹脂硬化型カーボンブラシに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の樹脂硬化型カーボンブラシは、特許文献１に開示されるように、フィラーとなる天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛粉末と、バインダーとなるフェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を混練し、成形、硬化してカーボンブラシとしている。
【０００３】
また、カーボンブラシに油及び／又は油化合物を含有する樹脂に無機質粉末を添加混合した樹脂の皮膜を形成してブラシの表面エネルギー及び固渋現象を防止することが特許文献２に提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特公昭５８−２６１５６号公報
【特許文献２】
特開平３−１７８５４３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この樹脂硬化型カーボンブラシは、長時間使用していると、カーボンブラシ自身が高温となり、これに伴って、ブラシ特性が低下するおそれがあった。また、この種の樹脂硬化型カーボンブラシは、使用時に整流子表面に被膜を形成しやすく、カーボンブラシと整流子間における摩擦係数増大によりモーターの吸込仕事率及び寿命等のモーター特性が低下する要因の一つになっていた。
【０００６】
また、カーボンブラシに油及び／又は油化合物を含有する樹脂に無機質粉末を添加混合した樹脂の皮膜を形成すると一時的にその効果は有するものの、長期間にわたってその効果を継続することはできない。また、添加する無機質粉末の種類によっては整流子表面が荒損し、モーター特性が低下する場合があった。
【０００７】
さらに、近年、この種の樹脂硬化型カーボンブラシを使用したモーターの吸込仕事率及び寿命の向上が強く要求されてきている。
【０００８】
これらの製造方法は、カーボンブラシにおける従来の加工工程を省略することが可能であるので、黒鉛の層方向に対して、加圧成型する製造方法が望まれていた。
【０００９】
従来、前記の製造方法では、黒鉛の方向性により、従来の製造方法より抵抗率の高いカーボンブラシとなっていた。また、成型時のワレやカケの原因となっていた。
【００１０】
そこで本発明は、仕事効率、長寿命化及び整流子表面の荒損防止が可能な樹脂硬化型カーボンブラシを提供することを目的とする。
また、黒鉛の層方向に対する成型においても、成型性が良く、且つ、高い吸込仕事率と長寿命が得られることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明にかかるカーボンブラシは、樹脂硬化型カーボンブラシにおいて、フィラーと、不飽和ポリエステル及び／又は、ビニルエステルが配合されているバインダーとなる熱硬化性樹脂とで構成されていることを特徴とする。
また、さらに、タルクが添加され、前記タルクの添加量が０．１〜５．０質量％であることが好ましい。
また、前記フィラーの黒鉛層が、カーボンブラシと整流子の接触面に平行に形成されていることが好ましい。
また、本発明に係るカーボンブラシの製造方法は、不飽和ポリエステル及び／又は、ビニルエステルをバインダーに配合し、黒鉛層がカーボンブラシと整流子の接触面に平行に形成されるように加圧成型することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明樹脂硬化型カーボンブラシに用いられるフィラーとしては、鱗状あるいは土状黒鉛等の天然黒鉛、あるいは、キッシュ黒鉛、熱分解炭素、膨張黒鉛等の人造黒鉛を平均粒子径が５〜５００μｍとなるように粉砕した黒鉛粉末が好適に使用できる。フィラーの平均粒子径が５μｍよりも小さいと基材の強度低下となるため好ましくなく、５００μｍを越えると粒子離脱が発生する原因となるため好ましくない。また、黒鉛粉末以外に石油コークス、石炭コークス等もフィラーとして使用できる。
【００１３】
熱硬化性樹脂としては市販されている液状もしくは粉末状のフェノール樹脂、エポキシ樹脂、アルキッド樹脂、フラン樹脂、ユリア樹脂等が使用できる。そして、これら熱硬化性樹脂に、樹脂硬化型カーボンブラシにおいて、フィラーと、不飽和ポリエステル及び／又は、ビニルエステルを配合し、バインダーとしている。これによって、成形時に、フィラーの潤滑性が向上し、それに伴って、成形型内でのフィラーの移動がスムースとなって、成形性が向上し、後述するように、ブラシと整流子との接触面に対して平行に黒鉛層が形成されるように成形することが可能となる。
【００１４】
タルクは市販されているものを好適に使用できるが、平均粒子径としては５〜１００μｍの粉末を使用することが好ましく、更に平均粒子径５〜７０μｍの粉末が好ましい。平均粒子径が５μｍよりも小さいと強度低下となり、平均粒子径が１００μｍよりも大きいと、粒子離脱原因となるため好ましくない。
【００１５】
本発明に係る樹脂硬化型カーボンブラシの製造方法としては、（１）所定量のフィラーと熱硬化性樹脂とタルクを混合した混合物を成形、硬化して熱硬化性樹脂結合型カーボンブラシを得る方法や、（２）フィラーと熱硬化性樹脂とを混合、成形、硬化したカーボンブラシ基材にタルクを分散させた溶液を含浸させる方法等が例示できる。
【００１６】
具体的に本発明に係る樹脂硬化型カーボンブラシの製造方法を例示すると下記のようになる。フィラーとして平均粒子径が５０μｍの人造黒鉛７０〜９０質量％と、熱硬化性樹脂として１０〜３０質量％を用意する。さらに、これらの総量に対して平均粒子径が５０μｍのタルクを０．１〜５質量％、好ましくは、０．３〜３質量％、さらに好ましくは、０．５〜２質量％添加し、室温〜２００℃で混練する。この混練物を所定の粒子径になるように粉砕後、５０〜３００ＭＰａで成形し、熱処理して本発明に係る樹脂結合型カーボンブラシとする。
【００１７】
また、バインダーとして不飽和ポリエステル及び／又は、ビニルエステルが配合されている熱硬化性樹脂を使用する場合は、フィラーとして平均粒子径が５０μｍの天然黒鉛７０〜９０質量％と、熱硬化性樹脂として３〜２７質量％、及び不飽和ポリエステル３〜２７質量％を用意する。このとき不飽和ポリエステル及び／又はビニルエステルの割合が３質量％未満であると寿命低下の原因となり、不飽和ポリエステル及び／又はビニルエステルの割合が２７質量％を超える場合においても寿命低下の原因となる。さらに、これらの総量に対して平均粒子径が５０μｍのタルクを０．１〜５質量％添加し、室温〜２００℃で混練する。この混練物を所定の粒子径になるように粉砕後、５〜３００ＭＰａで成形し、熱処理して本発明に係るカーボンブラシとする。
【００１８】
なお、成形の際は、図１（ｂ）に示すように、加圧方向がブラシの長手方向と平行となるよう所定形状に加工された型１内に前述した混練物を挿入し、整流子との接触面側には、凸状部を有する第１型２と、他方側の第２型３とで、一軸方向から加圧成形する。これによって、整流子との接触面に平行に黒鉛層が形成されるようになる。このように、黒鉛層が整流子との接触面に平行に形成されるようになることで、従来の成形方法（図１（ａ）参照。）において、必要であった２次成形、接触面の機械加工をする必要がなくなると共に、耐衝撃性等の機械特性にも優れたカーボンブラシとすることができる。
【００１９】
本発明では、以上のように、フィラーと熱硬化性樹脂にタルクを０．１〜５質量％添加したカーボンブラシとしたので潤滑性向上となり、長寿命化となるという作用を生じる。また、フィラーと熱硬化性樹脂と不飽和ポリエステル及び／又はビニルエステルを配合し、タルクを０．１〜５質量％添加したカーボンブラシとしたので潤滑性、耐衝撃性及び座乗性向上となり、さらに長寿命化、且つ高吸込仕事率となる。
【００２０】
【実施例】
以下に、本発明を具体例に基づき説明するが本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２１】
（実施例１）
（人造黒鉛＋熱硬化性樹脂＋タルク０．５質量％添加）
平均粒子径が５０μｍの人造黒鉛８３質量％に、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を１７質量％、及びこの総量に対してタルクを０．５質量％添加し、これを１００℃で混練した。この混練物を粉砕、１００ＭＰａで成形後、１８０℃で熱処理してカーボンブラシを得た。
【００２２】
（実施例２）
（人造黒鉛＋熱硬化性樹脂＋タルク１．０質量％添加）
平均粒子径が５０μｍの人造黒鉛８３質量％に、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を１７質量％、及びこの総量に対してタルクを１．０質量％添加し、これを１００℃で混練した。この混練物を粉砕、１００ＭＰａで成形後、１８０℃で熱処理してカーボンブラシを得た。
【００２３】
（実施例３）
（人造黒鉛＋熱硬化性樹脂＋タルク２．０質量％添加）
平均粒子径が５０μｍの人造黒鉛８３質量％に、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を１７質量％、及びこの総量に対してタルクを２．０質量％添加し、これを１００℃で混練した。この混練物を粉砕、１００ＭＰａで成形後、１８０℃で熱処理してカーボンブラシを得た。
【００２４】
（実施例４）
（人造黒鉛＋熱硬化性樹脂＋不飽和ポリエステル＋タルク２．５質量％添加）
平均粒子径が５０μｍの人造黒鉛８０質量％に、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を１５質量％、不飽和ポリエステルを５質量％、及びこの総量に対してタルクを２．５質量％添加し、これを１００℃で混練した。この混練物を粉砕、１００ＭＰａで成形後、１８０℃で熱処理してカーボンブラシを得た。
【００２５】
（実施例５）
（人造黒鉛＋熱硬化性樹脂＋実施例４と異なる不飽和ポリエステル＋タルク１．０質量％添加）
平均粒子径が５０μｍの人造黒鉛８０質量％に、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を１５質量％、不飽和ポリエステルを５質量％、及びこの総量に対してタルクを１．０質量％添加し、これを１００℃で混練した。この混練物を粉砕、１００ＭＰａで成形後、１８０℃で熱処理してカーボンブラシを得た。
【００２６】
（実施例６）
（人造黒鉛＋熱硬化性樹脂＋不飽和ポリエステル）
平均粒子径が５０μｍの人造黒鉛８０質量％に、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を１５質量％、不飽和ポリエステルを５質量％、これを１００℃で混練した。この混練物を粉砕、１００ＭＰａで黒鉛の層方向がブラシと整流子の接触面とが平行になるように加圧成形後（図１（ｂ）参照）、１８０℃で熱処理してカーボンブラシを得た。
【００２７】
（比較例１）
（人造黒鉛＋熱硬化性樹脂）
平均粒子径が５０μｍの人造黒鉛８０質量％に、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を２０質量％、これを１００℃で混練した。この混練物を粉砕、１００ＭＰａで成形後、１８０℃で熱処理してカーボンブラシを得た。
【００２８】
（比較例２）
（人造黒鉛＋熱硬化性樹脂＋不飽和ポリエステル）
平均粒子径が５０μｍの人造黒鉛８０質量％に、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を１５質量％、不飽和ポリエステルを５％、これを１００℃で混練した。この混練物を粉砕、１００ＭＰａで成形後、１８０℃で熱処理してカーボンブラシを得た。
【００２９】
（比較例３）
（人造黒鉛＋熱硬化性樹脂＋不飽和ポリエステル）
平均粒子径が５０μｍの人造黒鉛８０質量％に、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を１５質量％、不飽和ポリエステルを５質量％、これを１００℃で混練した。この混練物を粉砕、１００ＭＰａで成形後、１８０℃で熱処理してカーボンブラシを得た。
【００３０】
上記実施例１乃至５と、比較例１、比較例２のカーボンブラシの物理特性を表１に示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
また、上記実施例１乃至５と、比較例１、比較例２のカーボンブラシを、以下に示す試験モーター及び試験条件でブラシの性能試験を行った。
電圧：ＡＣ１００Ｖ ６０Ｈｚ
運転条件：連続運転
圧力：４９ｋＰａ
試験環境：室温４０〜４５℃、湿度３０％以下
【００３３】
上記条件におけるカーボンブラシの特性試験の結果をまとめて表２に示す。
【００３４】
【表２】

【００３５】
実施例６と比較例３のカーボンブラシの物理特性を表３に示す。
【００３６】
【表３】

【００３７】
電圧：ＡＣ１２０Ｖ ６０Ｈｚ
運転条件：連続運転
圧力：５０ｋＰａ
試験環境：室温４０〜４５℃、湿度３０％以下
【００３８】
上記条件におけるカーボンブラシの特性試験の結果をまとめて表４に示す。
【００３９】
【表４】

【００４０】
表１及び表２より、実施例１乃至実施例５に係るカーボンブラシは、仕事効率及び寿命が大幅に向上していることがわかる。また、タルクを添加しても整流子に荒損が発生していないこともわかる。
【００４１】
【発明の効果】
フィラーとバインダーにタルクを添加し混練、粉砕、成形、硬化したカーボンブラシとすることによってタルクの有する潤滑性及び整流性能向上によって吸込仕事効率が向上し、かつ長寿命のカーボンブラシとすることができる。また、フィラーとバインダーにタルク及び不飽和ポリエステルを添加し混練、粉砕、成形、熱処理したカーボンブラシとすることによってタルク及び不飽和ポリエステルの有する座乗性によってさらに吸込仕事効率が向上し、かつ長寿命のカーボンブラシとすることができる。また、これによって、カーボンブラシと整流子との接触面に対して平行に黒鉛の層方向が形成されるようにに成型した抵抗率が高いカーボンブラシにおいても、吸込仕事効率の高い性能が得られ、且つ長寿命の得られるカーボンブラシとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るカーボンブラシの製造方法を説明する為の図である。

Claims (4)

1. 樹脂硬化型カーボンブラシにおいて、フィラーと、不飽和ポリエステル及び／又は、ビニルエステルが配合されているバインダーとなる熱硬化性樹脂とで構成されているカーボンブラシ。
2. さらに、タルクが添加され、前記タルクの添加量が０．１〜５．０質量％である請求項１に記載のカーボンブラシ。
3. 前記フィラーの黒鉛層が、カーボンブラシと整流子の接触面に平行に形成されている請求項１又は２に記載のカーボンブラシ。
4. 不飽和ポリエステル及び／又は、ビニルエステルをバインダーに配合し、黒鉛層がカーボンブラシと整流子の接触面に平行に形成されるように加圧成型することを特徴とするカーボンブラシの製造方法。

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