JP2005039994A - 整流子モータ用ブラシ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
摩耗係数及び比摩耗量を低下させ、寿命を長くすることができる整流子モータ用ブラシを提供する。
【解決手段】
ホルダ３内に収容されつつコイルスプリング４にて整流子１に押圧されて接触することによりモータに給電するための整流子モータ用ブラシにおいて、黒鉛（グラファイト）及び熱硬化性樹脂（フェノール樹脂等）に加え、平均直径が８０ｎｍ以下、面間隔（ｄ００２）が０．３４５ｎｍ以下のカーボンナノチューブを全体の１０重量％以下含有して成るものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、整流子に押圧されて接触することによりモータに給電するための整流子モータ用ブラシ及びその製造方法に関するものである。

一般に、回転する整流子に対しブラシが接触してこれらの導通が図られ、モータに給電し得るよう構成されており、かかる整流子モータ用ブラシは、主に黒鉛から成り導電性が良好とされたものである。また、ブラシは、整流子の近傍に固設されたホルダ内に収容され、常時整流子と接触されるよう当該整流子側にスプリング等の弾性部材によって付勢されている。

上記整流子モータ用ブラシは、一般に体積固有抵抗値が比較的小さく導電性が良好な黒鉛質ブラシと同体積固有抵抗値が比較的大きな樹脂ブラシとに分類され、このうち黒鉛ブラシは、例えば特許文献１で開示されたようなものが挙げられる。具体的には、黒鉛質ブラシを得るには、黒鉛粉末及び熱硬化性樹脂（フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂又はフルフラール樹脂等）に導電性を高めるための銅粉末や摺動性を向上させるための二硫化モリブデン粒子等が添加され、これらを混合撹拌した後、１００〜３００ＭＰａの圧力で加圧するとともに、加熱して硬化させ、更に６００〜８００℃の高温で樹脂を炭化処理してブラシ状に成形されて成る。

一方、整流子モータ用ブラシのうち樹脂ブラシは、黒鉛質ブラシと同様の成分を含有させて撹拌させて得られるのであるが、当該黒鉛質ブラシとは異なり、高温で樹脂を炭化処理する工程を経ないで得られる。かかる樹脂ブラシは、通常、自動車用や掃除機用等比較的小型のモータに使用されることが多く、高い導電性を必要とせず、銅粉末を添加しないのが一般的である。
特開２００１−１７８０８２号公報

しかしながら、上記整流子モータ用ブラシにおいては、以下の如き問題があった。即ち、黒鉛質ブラシにおいては、導電性を良好とすべく銅粉末を添加させているため、摩擦係数及び比摩耗量が大きくなってしまい、整流子との摺動時に摩耗量が大きくなって寿命が短くなってしまうという不具合があった。また、樹脂ブラシにおいては、炭化処理が成されないために樹脂を含有しており、黒鉛質ブラシと同様、摩擦係数及び比摩耗量が大きくなって寿命が低下してしまうという不具合があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、摩耗係数及び比摩耗量を低下させ、寿命を長くすることができる整流子モータ用ブラシを提供することにある。

請求項１記載の発明は、整流子に押圧されて接触することによりモータに給電するための整流子モータ用ブラシにおいて、黒鉛及び所定の樹脂に加え、カーボンナノチューブを含有して成ることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の整流子モータ用ブラシにおいて、前記カーボンナノチューブは、その平均直径が８０ｎｍ以下であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の整流子モータ用ブラシにおいて、前記カーボンナノチューブは、１０重量％以下含有されたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１記載の整流子モータ用ブラシにおいて、前記カーボンナノチューブは、多層構造のものとされ、その面間隔が黒鉛でいうところのｄ００２で０．３４５ｎｍ以下であることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、整流子に押圧されて接触することによりモータに給電するための整流子モータ用ブラシの製造方法において、黒鉛、所定の未硬化の樹脂、及びカーボンナノチューブを混合して撹拌する撹拌工程と、前記撹拌工程の後、前記未硬化の樹脂を溶解してスラリーを得る溶解工程と、該溶解工程によって得られたスラリーを撹拌するとともに、そのスラリーに対して超音波を照射する超音波照射工程と、該超音波照射工程で得られたスラリーを乾燥して粉末化させる乾燥工程と、該乾燥工程にて得られた粉末を加圧しつつ未硬化の樹脂を硬化させることにより成形してブラシ形状とする成形工程とを含むことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、摺動性が良好なカーボンナノチューブを含有するので、摩擦係数及び比摩耗量を低下させ、整流子モータ用ブラシの寿命を長くすることができる。

請求項２〜請求項４の発明によれば、適切な平均直径、含有率及び面間隔を持ったカーボンナノチューブを含有するので、より摩擦係数及び比摩耗量を低下させ、整流子モータ用ブラシの寿命を更に長くすることができる。

請求項５の発明によれば、超音波が照射されつつカーボンナノチューブを含むスラリーが撹拌されるので、当該カーボンナノチューブが全体により均一に分散され、より確実に摩擦係数及び比摩耗量を低下させ、寿命が長い整流子モータ用ブラシを得ることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
本実施形態に係る整流子モータ用ブラシは、図１に示すように、ホルダ３に収容されつつ整流子１にコイルスプリング４にて押圧されて接触することによりモータに給電し得るよう構成されたもので、整流子１が同図矢印方向に回転するのに伴い、ブラシ２の先端が当該整流子１の周面を摺動するようになっている。即ち、ブラシ２の整流子１に対する摺動によりモータに対する給電がなされるのである。

ここで、本実施形態に係るブラシ２は、黒鉛（グラファイト）及び熱硬化性樹脂に加え、カーボンナノチューブを所定量含有して直方体状に成形されて成るものである。このカーボンナノチューブは、炭素原子が網目状に結び付いてできたグランフェンシートを円柱状に丸めてできたナノメートルサイズの極めて小さな筒（チューブ）状のもので、図２に示すようなチューブ状のものが１層のもの（単層ナノチューブ）と、図３に示すようなチューブ状のものが同心円状に多層形成されたもの（多層ナノチューブ）とがある。

尚、本明細書において、カーボンナノチューブの直径とは、単層ナノチューブの場合、その外径（図２中符号ｄ）をいい、多層ナノチューブの場合、最も外側に位置するチューブ状のものの外径（図３中符号ｄ）をいう。

以下、上記構成の如くカーボンナノチューブを含有した整流子モータ用ブラシの製造方法について図４のフローチャートに基づいて説明する。
まず、黒鉛及びフェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂又はフルフラール樹脂等の未硬化の熱硬化性樹脂にカーボンナノチューブを所定量含有させ、これらを混合撹拌する（撹拌工程Ｓ１）。そして、撹拌後のものにメタノール等、各樹脂の未硬化物を溶解することが可能な溶媒を樹脂に応じて投入し、上記未硬化の熱硬化性樹脂を溶解しつつ撹拌してスラリーを得る（溶解工程Ｓ２）。

上記の如く溶解工程Ｓ２によってスラリーを撹拌するとともに、そのスラリーに対して超音波を照射し、含有するカーボンナノチューブを当該スラリーに対して均一に分布するよう解す（超音波照射工程Ｓ３）。そして、撹拌したスラリーを乾燥（風乾）させた後、真空乾燥してスラリーに内在する溶媒を除去する（乾燥工程Ｓ４）。これにより、スラリーが固体となるので、これを粉砕して粉末状のものとする。

上記乾燥工程により得られた粉末をプレス金型等に投入して、加圧しつつ加熱し、樹脂を硬化させてブラシ形状とする（成形工程Ｓ５）。尚、かかる成形工程において、ブラシ形状より大きな所定形状のものを成形し、その所定形状のものをブラシ形状（即ち直方体形状）になるよう切削して整流子モータ用ブラシを得るようにしてもよい。

上記の如く製造された整流子モータ用ブラシは、摺動性が良好なカーボンナノチューブを含有しているので、摩擦係数及び比摩耗量を低下させ、整流子モータ用ブラシの寿命を長くすることができる。また、超音波照射工程Ｓ３にて、超音波を照射しつつ撹拌しているので、カーボンナノチューブが全体により均一に分散され、より確実に摩擦係数及び比摩耗量を低下させ、寿命が長い整流子モータ用ブラシを得ることができる。

尚、含有させるカーボンナノチューブは、単層ナノチューブ及び多層ナノチューブの何れであってもよいが、多層ナノチューブを用いた方が摺動性を向上させる上で好ましい。また、黒鉛及び所定の樹脂（熱硬化性樹脂）にカーボンナノチューブを含有させた整流子モータ用ブラシを得ることができれば、他の製造工程にて製造するようにしてもよい。

更に、整流子１との間で通電しつつ摺動させることによりスパークが生じ、ブラシ２の摩耗が促進される状況下であったとしても、本実施形態の如きカーボンナノチューブを含有したものによれば、摩擦係数及び比摩耗量の低減の維持を図ることができ、当該ブラシの寿命を長くさせることができる。

次に、本発明の更に具体的な実施例について説明する。勿論、本発明はかかる実施例に限定されず、任意に変更、追加等を施すことができる。

（実施例１〜３及び比較例１）
平均粒径３０μｍの黒鉛（グラファイト）８０重量％と、平均直径８０ｎｍ（実施例１）のカーボンナノチューブ５重量％と、ノボラック型の粉末フェノール樹脂１５重量％とをＶ型混合機に投入し、２００ｒｐｍで５時間撹拌して混合した。

その後、上記の如く得られた混合物１ｋｇを２Ｌ容ビーカーに移し、１Ｌのメタノールを加えて粉末フェノール樹脂を溶解させた。こうして得られたスラリーを羽根式攪拌機に投入して撹拌するとともに、出力３００ｗの超音波ホモジナイザにて当該スラリーに対して超音波を照射した。かかるスラリーに対する撹拌及び超音波の照射を１時間行った。

次に、上記の如く得られたスラリーを大型の金属製バットに移し、風乾した後、４０℃にて真空乾燥し、メタノールを除去して粉末を得た。かかる粉末をプレス金型に投入し、１７５℃の温度にて１００ＭＰａの圧力をかけて硬化させ、所定の大きさのブロックを得た。かかるブロックを切削して直径３ｍｍ、長さ３０ｍｍのピンオンディスク摩耗試験片を得て、摩擦係数及び比摩耗量を測定するための摩耗試験を行った。尚、摩耗試験におけるディスクは純銅を使用し、摩擦速度は４０ｍ／ｓとした。

上記実施例１において使用されるカーボンナノチューブの代わりに、平均直径が２０ｎｍのものを含有させて得られたピンオンディスク摩耗試験片を実施例２、平均直径が５ｎｍのものを含有させて得られたピンオンディスク摩耗試験片を実施例３、平均直径が２００ｎｍのものを含有させて得られたピンオンディスク摩耗試験片を比較例１としてそれぞれ製造するとともに、それら実施例１〜３及び比較例１における実験結果（摩擦係数及び比摩耗量）について以下の表１にまとめた。

上記表１によれば、実施例１〜実施例３については摩擦係数及び比摩耗量を低減させることができたのに対し、比較例１については、特に摩擦係数が高く、比摩耗量についてもそれほど低下することがないことが分かる。従って、含有するカーボンナノチューブは、８０ｎｍ以下のものが摩擦係数及び比摩耗量を低下させる上で好ましく、整流子モータ用ブラシとして使用した場合、寿命を長くすることができる。

（実施例１’〜３’及び比較例１’）
実施例１〜３及び比較例１と同様の材質から成るとともに、寸法が３ｍｍ×４ｍｍ×８ｍｍ（但し、接触させる整流子との接触面は、３ｍｍ×４ｍｍ面であり、且つ、当該整流子と合致した曲率が形成されている）の整流子モータ用ブラシ（実施例１’〜３’及び比較例１’）を得た。

これを、定格出力４５Ｗの電動ドライバー用ＤＣモータに対して、ブラシ押付力８０ｇ、印加電圧１２Ｖ、モータ負荷２０ｍＮ・ｍの条件で上記実施例１’〜３’及び比較例１’に係る整流子モータ用ブラシを取り付けるとともに、モータへの入力電流を２．８Ａ、回転数を１４，８００ｒｐｍとした。そして、上記条件にてモータを２４時間連続回転させた後の実施例１’〜３’及び比較例１’における通電時の比摩耗量について以下の表２にまとめた。

上記表２によれば、実施例１’〜実施例３’については通電時の比摩耗量を低減させることができたのに対し、比較例１’については、当該比摩耗量についてそれほど低下することがないことが分かる。従って、含有するカーボンナノチューブの作用により、本発明を整流子モータ用ブラシとして使用した際、通電時の比摩耗量を低下させることができ、寿命を長くすることができる。

（実施例４〜６及び比較例２）
次に、含有させるカーボンナノチューブにおいて、その含有量（重量％）が０．１重量％のピンオンディスク摩耗試験片を実施例４、５重量％のピンオンディスク摩耗試験片を実施例５、１０重量％のピンオンディスク摩耗試験片を実施例６、及び２０重量％のピンオンディスク摩耗試験片を比較例２としてそれぞれ製造するとともに、これら実施例４〜６及び比較例２における実験結果（摩擦係数及び比摩耗量）について以下の表２にまとめた。

上記表２によれば、実施例４〜実施例６については、カーボンナノチューブの含有量が増加するに従って摩擦係数及び比摩耗量を低減させることができたのに対し、比較例１まで増加させても、当該摩擦係数及び比摩耗量を低下させるに至らないことが分かる。従って、含有するカーボンナノチューブは、１０重量％以下のものが摩擦係数及び比摩耗量を低下させる上で好ましく、整流子モータ用ブラシとして使用した場合、寿命を長くすることができる。

（実施例７、８及び比較例３）
次に、含有させるカーボンナノチューブが多層構造のもの（多層ナノチューブ）であって、その面間隔（黒鉛でいうｄ００２）が０．３４ｎｍのピンオンディスク摩耗試験片を実施例７、０．３４５ｎｍのピンオンディスク摩耗試験片を実施例８、及び０．３５のピンオンディスク摩耗試験片を比較例３としてそれぞれ製造するとともに、これら実施例７、８及び比較例３における実験結果（摩擦係数及び比摩耗量）について以下の表３にまとめた。

上記表３によれば、実施例７及び８については、面間隔の減少程度に対して大きく摩擦係数及び比摩耗量が低下するのに対し、比較例については、それほど低下しないことが分かる。従って、含有する多層ナノチューブは、その面間隔が０．３４５ｎｍ以下のものが摩擦係数及び比摩耗量を低下させる上で好ましく、整流子モータ用ブラシとして使用した場合、寿命を長くすることができる。

黒鉛及び所定の樹脂に加え、カーボンナノチューブを含有して成る整流子モータ用ブラシであれば、全体形状が異なるもの或いは他の材料が添加されたものにも適用することができる。

本発明の実施形態に係る整流子モータ用ブラシが適用される整流子及びその周辺構造を示す模式図 本発明の実施形態に係る整流子モータ用ブラシが含有する単層ナノチューブ（カーボンナノチューブ）を示す模式図 本発明の実施形態に係る整流子モータ用ブラシが含有する多層ナノチューブ（カーボンナノチューブ）を示す模式図 本発明の実施形態に係る整流子モータ用ブラシの製造工程を示すフローチャート

符号の説明

１…整流子
２…ブラシ（整流子モータ用ブラシ）
３…ホルダ
４…コイルスプリング

Claims (5)

1. 整流子に押圧されて接触することによりモータに給電するための整流子モータ用ブラシにおいて、
   黒鉛及び所定の樹脂に加え、カーボンナノチューブを含有して成ることを特徴とする整流子モータ用ブラシ。
2. 前記カーボンナノチューブは、その平均直径が８０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の整流子モータ用ブラシ。
3. 前記カーボンナノチューブは、１０重量％以下含有されたことを特徴とする請求項１記載の整流子モータ用ブラシ。
4. 前記カーボンナノチューブは、多層構造のものとされ、その面間隔が黒鉛でいうところのｄ００２で０．３４５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の整流子モータ用ブラシ。
5. 整流子に押圧されて接触することによりモータに給電するための整流子モータ用ブラシの製造方法において、
   黒鉛、所定の未硬化の樹脂、及びカーボンナノチューブを混合して撹拌する撹拌工程と、
   前記撹拌工程の後、前記未硬化の樹脂を溶解してスラリーを得る溶解工程と、
   該溶解工程によって得られたスラリーを撹拌するとともに、そのスラリーに対して超音波を照射する超音波照射工程と、
   該超音波照射工程で得られたスラリーを乾燥して粉末化させる乾燥工程と、
   該乾燥工程にて得られた粉末を加圧しつつ未硬化の樹脂を硬化させることにより成形してブラシ形状とする成形工程と、
   を含むことを特徴とする整流子モータ用ブラシの製造方法。

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