JP2006280164A

JP2006280164A - 電刷子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2006280164A
Application number: JP2005099060A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Sukai; 博之須貝
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】
鉛フリーでかつ高ライフの電刷子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】
灰分含有量０．１重量％以下、造粒後の最大粒径２００μｍかつ平均粒径６０〜２００μｍの天然黒鉛と、粒径４５μｍ以下の占める割合が９０％以上、フィッシャー比表面積が2200〜2600cm²/gの樹枝状電解銅粉と、２〜８重量％の二硫化モリブデン又は二硫化タングステン又は窒化ホウ素からなる潤滑剤を混合し、加圧成形及び焼成する。
【選択図】なし

Description

本発明は、電刷子及びその製造方法にかかり、特にマイクロモータ用に好適な電刷子及びその製造方法に関する。

近年、マイクロモータは、例えば、乗用車のドアロック用モータ、ミラー用モータ等様々な分野で使用されている。

従来より、マイクロモータに装着される電刷子あるいは電刷子の製造方法については、各種の提案がなされているが、主に使用される電刷子は金属黒鉛質電刷子である。この金属黒鉛質電刷子は、人造もしくは天然の黒鉛に対してバインダーを加え混練、造粒した造粒粉に、所望の導電性を与えるために金属（主として、銅）粉末、また必要に応じ、二硫化モリブテン、二硫化タングステン、もしくは鉛等の潤滑剤を加え、混合処理し、加圧成型した後、焼成することで製造されている（例えば、特許文献１参照）。この金属黒鉛質電刷子においては整流特性（導電性）の安定化、摺動性の向上と共に耐用寿命の向上に関する要求が厳しく、例えば曲げ強さを増大せしめ、寿命を高めるため電刷子の製造方法として、特許文献２には、電解銅粉９６〜８０重量％と平均粒径が１５μｍ以下である極微細銅粉（例えば、樹枝状電解銅粉）４〜２０重量％とからなる銅粉原料及び黒鉛原料を用いる電刷子の製造方法が開示され、前記銅粉原料及び黒鉛原料の具体的配合割合として、前者を７０重量％、後者を３０重量％とした発明が示されている。

また、環境負荷物質の低減が叫ばれている昨今、従来から電刷子の原料の一つとして使用されている上記鉛についても、その使用を中止する要請が極めて強くなってきている。
特開平１１-１０３５６２号公報特開平５−１９０２４０号公報

環境負荷物質の低減が叫ばれている中、従来から電刷子の製造原料として使用されている鉛についても、その使用中止の要請があった。

しかし、特許文献１のように、例えば銅粉原料７０重量％とした高含有率とした電刷子においては、極微細銅粉の添加によって確かに高強度化が図られるものの、良好な摺動性を与えるための黒鉛原料の含有率が低いため、これを補うための潤滑剤として鉛を添加する必要があり、鉛フリーとすることは困難であることが本発明者によると知見された。

これは、特に高銅含有率の電刷子においては、多量の銅成分とコミュテータの銅成分との共摺り状態による電刷子の磨耗が過剰となることから、銅組成表面に鉛被膜を与え摺動性を高める鉛成分が必要となるものと推測される。

なお、上記特許文献２の発明において、鉛フリーとすべく、黒鉛原料の含有率を高めた場合には、同発明では、黒鉛原料にバインダー成分を加え、混練、造粒する工程が存在せず、黒鉛原料を銅粉原料とそのまま混合しているため、この電刷子の強度は、実質的に銅粉同士の統合に依存し、結果、本来目的とする高強度が実現できなくなってしまう。

そこで、本発明の目的は、鉛フリーでかつ良好な摺動性によって高寿命の電刷子及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、灰分含有量０．１重量％以下の天然黒鉛にバインダー成分を加え混練、造粒した、最大粒径２００μｍかつ平均粒径６０〜１５０μｍの造粒粉と、粒径４５μｍ以下の占める割合が９０％以上、フィッシャー比表面積が2200〜2600cm²/gの樹枝状電解銅粉と、２〜８重量％の二硫化モリブデン、二硫化タングステンもしくは窒化ホウ素のいずれか１種もしくは２種以上の組み合わせからなる潤滑剤を混合し、加圧成形後、焼成することを特徴とする電刷子が提供される。

また、本発明の一態様によれば、前記混合時に、ＷＣ、ＴｉＣ、ＳｉＣ、ＴｉＳｉ_２、ＴｉＮ、ＷＳｉ_２、ＷＢ、ＴａＳｉ、ＴａＣ、ＴａＢ_２、ＴａＮから選ばれた１種もしくは複数種からなる導電性研磨剤を、前記造粒粉、樹枝状電解銅粉及び潤滑剤の総和に対し外率で０．２〜２．０重量％添加することを特徴とする請求項１記載の電刷子が提供される。

また、本発明の一態様によれば、前記樹枝状電解銅粉の含有量が、３０〜７０重量％であり、前記造粒粉の含有量が残部重量％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電刷子が提供される。

また、本発明の一態様によれば、灰分含有量０．１重量％以下の天然黒鉛にバインダー成分を加え混練、造粒した、最大粒径２００μｍかつ平均粒径６０〜１５０μｍの造粒粉と、粒径４５μｍ以下の占める割合が９０％以上、フィッシャー比表面積が2200〜2600cm²/gの樹枝状電解銅粉と、２〜８重量％の二硫化モリブデン、二硫化タングステンもしくは窒化ホウ素のいずれか１種もしくは２種以上の組み合わせからなる潤滑剤を混合し、加圧成形後、焼成することを特徴とする電刷子の製造方法が提供される。

また、本発明の一態様によれば、上記バインダー成分の残炭分が２０〜４０％であり、これを天然黒鉛に対し外率で５〜１０重量％添加することを特徴とする請求項４記載の電刷子の製造方法が提供される。

また、本発明の一態様によれば、前記混合時に、ＷＣ、ＴｉＣ、ＳｉＣ、ＴｉＳｉ_２、ＴｉＮ、ＷＳｉ_２、ＷＢ、ＴａＳｉ、ＴａＣ、ＴａＢ_２、ＴａＮから選ばれた１種もしくは複数種からなる導電性研磨剤を、前記造粒粉、樹枝状電解銅粉及び潤滑剤の総和に対し外率で０．２〜２．０重量％添加することを特徴とする請求項４記載の電刷子の製造方法が提供される。

また、本発明の一態様によれば、前記樹枝状電解銅粉の含有量が、３０〜７０重量％であり、前記造粒粉の含有量が残部重量％であることを特徴とする請求項４記載の電刷子の製造方法が提供される。

本発明によれば、鉛フリーでかつ良好な摺動性によって高寿命の電刷子及びその製造方法が得られる。

以下、本発明の実施形態にかかる電刷子について説明する。

電刷子は、天然黒鉛と、電解銅粉と、潤滑剤を主原料としている。天然黒鉛は、灰分含有量が０．１重量％以下で、造粒後の最大粒径２００μｍかつ平均粒径６０〜２００μｍの高純度のものを使用する。平均粒径９５〜１１５μｍの高純度天然黒鉛が、さらに好適である。なお、本発明における平均粒径とは、レーザ回折散乱法によって測定される値であり、これは例えば、ベックマン・コールター株式会社製の粒度測定機ＬＳ２３０を用いて測定することができる。

従来、粒径が１００〜３００μｍ、平均粒径２００μｍ程度の天然黒鉛が使用されていたので、本発明の実施形態に係る電刷子の原料は、さらに微粉のものを使用する。大きな粒子が存在すると、銅の分散性が損なわれるからである。また、天然黒鉛は細かすぎてもよくない。所望の性能が得られないからである。

もうひとつの主成分として、粒径４５μｍ以下の占める割合が９０％以上、フィッシャー比表面積が2200〜2600cm²/gの樹枝状電解銅粉を使用する。

電刷子における銅の含有量は、30重量％以下であれば、電気抵抗値が高くなり回転負荷が高まりトルクが低下する。一方、70重量％以上では、電気抵抗が過度に下がるだけでなく、摺動部の摩擦が大きくなるので、稼動中に火花発生が起こり易くなり、電刷子の寿命を短縮する結果となる。そこで、樹枝状電解銅粉の含有量を30〜70重量％とする。良好な摺動性能を確保し長寿命の電刷子が得られるからである。30重量％以下の場合には、抵抗値が高くなり、所望の電気特性が得られず、回転数、トルクとも低下してしまう。また、70重量％以上の場合には、銅粉の固まりを少なくして均一分散させることができなくなる。このようになると、潤滑性が低下し、抵抗値が低くなりすぎる。そのため、火花が多く発生し、整流が厳しくなり、電刷子の寿命を縮めてしまう。樹枝状電解銅粉の含有量を40〜50重量％とすると、さらに好ましい。

また、銅成分が、その機能を発揮するには、電刷子において塊状に偏析することなく均一に分散されたミクロ組織を呈することが必要である。そのため、粒径が45μｍ以下の粒子が占める割合が90％以上の微細粉を使用する。また、微細粉の形状が樹枝状であることが好ましい。高い比表面積を確保するためである。そこで、フィッシャー比表面積として2200〜2600cm²/gであることが好ましい。

さらに、摺動性能を向上させるために、二硫化モリブデン又は二硫化タングステン又は窒化ホウ素からなる潤滑剤を混合する。硫化モリブデンと二硫化タングステンを添加する量は２〜８重量％が好ましい。さらに好ましくは4〜6重量％添加する。1重量％以下では摺動性能向上の効果が得られない。8重量％以上では、二硫化モリブデン又は二硫化タングステンの場合、硫黄成分によって電解銅粉が硫化されるので好ましくない。尚、窒化ホウ素の場合には、比重が小さく、かなりの容積を占めるので、強度が低下し、抵抗値が大きくなってしまうので、好ましくない。

さらに、天然黒鉛、電解銅粉及び潤滑剤を混練する際、バインダーを５〜１０重量％添加するのが好ましい。混練の作業性が良くなるからである。尚、バインダーは、焼結後の残炭分が２０〜４０％のものが好ましい。

さらに、ＷＣ、ＴｉＣ、ＳｉＣ、ＴｉＳｉ_２、ＴｉＮ、ＷＳｉ_２、ＷＢ、ＴａＳｉ、ＴａＣ、ＴａＢ_２、ＴａＮから選ばれた１種もしくは複数種からなる導電性研磨剤を０．２〜２．０重量％添加する。０．２重量％以下の場合には、研磨性が発揮できない。一方、２．０重量％以上の場合には、研磨性が大きすぎて、整流子が荒れ、電刷子の寿命を著しく低下させるので、好ましくない。

上述した諸原料による電刷子は、諸原料を混合し、加圧プレスにより、成形圧力４〜６トン／ｃｍ^２で加圧成形し、７００℃で焼成することがより好ましい。

本発明の実施形態に係る電刷子によれば、潤滑性に優れている高純度黒鉛を使用することにより、鉛フリーに伴う潤滑性の低下を補完している。さらに、残炭分の少ないバインダーの使用により、バインダー造粒による黒鉛潤滑性の低下を最小限に抑えている。また、黒鉛のバインダー造粒後の粉砕粒度を細かくすることにより、ブラシ組織を均一にさせ、ブラシの潤滑性を向上させている。

微細かつ高比表面積電解粉の採用により、ブラシ組織上の銅粉の塊を小さくし、銅同士の共摺りを抑制している。銅含有量を従来よりも少なくし、相対的に黒鉛の含有量を増しているので、潤滑性が向上し、ロングライフが実現できている。

さらに、導電性研磨剤の添加は、経時的な摩擦係数及び接触抵抗の上昇を抑え、良好な整流状態を保持し、寿命のばらつきを抑制することができる。

まず、高純度天然黒鉛を準備した。その化学分析の一例によれば、灰分が0.06重量％であり、また灰分の主成分は、酸化ケイ素が54%、酸化アルミニウムが29%、酸化鉄が7%であった。この黒鉛粉をバインダー造粒した後、成形体において銅粉末の良好な分散を図るためには、造粒粉の平均粒径が６０〜１５０μｍであることが望ましいので、篩通しにより粒径を２００μｍ以下とした。ベックマン・コールター株式会社製の粒度測定機ＬＳ２３０を使用した平均粒径の測定によれば、１０５μｍであった。

もうひとつの主成分として、粒径４５μｍ以下の占める割合が９０％以上、フィッシャー比表面積が2４00cm²/gの樹枝状電解銅粉を供試した。

また、小型モータなどのように摺動面積が小さい場合に導電性の低下防止に有効であるタングステンカーバイドを1％添加した。

原料の配合については、金属粉末として電解銅粉末を５０重量％、二硫化モリブデンを４重量％、高純度天然黒鉛粉を用いた黒鉛造粒粉を４６重量％とし、総量１００重量％とした。また、高純度黒鉛粉末の灰分量は0.06重量％であり、化学分析によれば灰分の主成分は、酸化ケイ素が54%、酸化アルミニウムが29%、酸化鉄が7%であった。

これにバインダーとしてフェノール樹脂を８重量％添加し、５トン／ｃｍ2 の成形圧力で角柱状に成形した後、７00℃の窒素ガス雰囲気で焼結し、固体状態の２×２×２．５ｍｍの電刷子を得た。この電刷子を直流モータに組込み、安定化電源を使用し、ＤＣ１３Ｖ、５．５ｍＮｍの負荷で駆動させた。この結果、後述するように鉛無添加の電刷子であっても、摺動特性を良好に保つことができ、その寿命を延ばすことができることを確認した。

ここで、上述した具体的な素材、成形条件および熱処理条件により得られた金属黒鉛質電刷子（実施例１）と、さらに組成の一部を変更した（実施例２）、（比較例１〜３）とを参照し、本発明の効果をさらに具体的に説明する。

比較例１において、金属粉末として標準電解銅の粗粉を５０重量％、実施例１と同じ高純度天然黒鉛粉末を用いた黒鉛造粒粉を４６重量％、二硫化モリブデンを４重量％とし、総量１００重量％として混合した素材を用い、実施例１と同一の条件で成形焼結して２×２×２．５ｍｍの金属黒鉛質電刷子を得た。比較例２においては、金属粉末として標準電解銅の粗粉を５０重量％、灰分量が0.68重量％の低純度天然黒鉛粉末を用いた黒鉛造粒粉を４６重量％、二硫化モリブデンを２重量％さらに鉛を２重量％とし総量１００重量％として混合した素材を用い、実施例１と同一の条件で成形焼結して２×２×２．５ｍｍの金属黒鉛質電刷子を得た。

比較例３においては、金属粉末として標準電解銅の粗粉を５０重量％、灰分量が0.68重量％の低純度天然黒鉛粉末を用いた黒鉛造粒粉を４６重量％、二硫化モリブデンを４重量％とし総量１００重量％として混合した素材を用い、実施例１と同一の条件で成形焼結して２×２×２．５ｍｍの金属黒鉛質電刷子を得た。

寿命評価に当たっては、直流小型モータに組込み、正転方向に負荷回転(CW)0.5秒→2.0秒間無通電→逆転方向に負荷回転(CCW)0.5秒→2.0秒間無通電を1サイクルとして5.5ｍＮｍの負荷と無負荷を繰返し、モータが停止するまでのサイクル数を測定し電刷子の寿命とした。

これをまとめたものを表１に示す。

また、上記実施例１及び比較例２の電刷子について、同じ条件でトルク量を測定し、まとめたものを表２に示す。

これらの表から明らかなように、本発明の実施形態に係る電刷子によれば、鉛を添加しないにも拘らず、低純度黒鉛あるいは粗粒電解銅粉を用いたものに比べ、寿命が大幅に延びている。また、トルクの測定結果によれば、銅含有量が低いにも拘らず従来品と同等以上の値を示している。以上のように、摺動性能が優れかつ長寿命である電刷子とその製造方法が得られた。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。

Claims

灰分含有量０．１重量％以下の天然黒鉛にバインダー成分を加え混練、造粒した、最大粒径２００μｍかつ平均粒径６０〜１５０μｍの造粒粉と、粒径４５μｍ以下の占める割合が９０％以上、フィッシャー比表面積が2200〜2600cm²/gの樹枝状電解銅粉と、２〜８重量％の二硫化モリブデン、二硫化タングステンもしくは窒化ホウ素のいずれか１種もしくは２種以上の組み合わせからなる潤滑剤を混合し、加圧成形後、焼成することを特徴とする電刷子。
前記混合時に、ＷＣ、ＴｉＣ、ＳｉＣ、ＴｉＳｉ_２、ＴｉＮ、ＷＳｉ_２、ＷＢ、ＴａＳｉ、ＴａＣ、ＴａＢ_２、ＴａＮから選ばれた１種もしくは複数種からなる導電性研磨剤を、前記造粒粉、樹枝状電解銅粉及び潤滑剤の総和に対し外率で０．２〜２．０重量％添加することを特徴とする請求項１記載の電刷子。
前記樹枝状電解銅粉の含有量が、３０〜７０重量％であり、前記造粒粉の含有量が残部重量％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電刷子。
灰分含有量０．１重量％以下の天然黒鉛にバインダー成分を加え混練、造粒した、最大粒径２００μｍかつ平均粒径６０〜１５０μｍの造粒粉と、粒径４５μｍ以下の占める割合が９０％以上、フィッシャー比表面積が2200〜2600cm²/gの樹枝状電解銅粉と、２〜８重量％の二硫化モリブデン、二硫化タングステンもしくは窒化ホウ素のいずれか１種もしくは２種以上の組み合わせからなる潤滑剤を混合し、加圧成形後、焼成することを特徴とする電刷子の製造方法。
上記バインダー成分の残炭分が２０〜４０％であり、これを天然黒鉛に対し外率で５〜１０重量％添加することを特徴とする請求項４記載の電刷子の製造方法。
前記混合時に、ＷＣ、ＴｉＣ、ＳｉＣ、ＴｉＳｉ_２、ＴｉＮ、ＷＳｉ_２、ＷＢ、ＴａＳｉ、ＴａＣ、ＴａＢ_２、ＴａＮから選ばれた１種もしくは複数種からなる導電性研磨剤を、前記造粒粉、樹枝状電解銅粉及び潤滑剤の総和に対し外率で０．２〜２．０重量％添加することを特徴とする請求項４記載の電刷子の製造方法。
前記樹枝状電解銅粉の含有量が、３０〜７０重量％であり、前記造粒粉の含有量が残部重量％であることを特徴とする請求項４記載の電刷子の製造方法。