JP2009245659A

JP2009245659A - モータ用摺動接点材料

Info

Publication number: JP2009245659A
Application number: JP2008088643A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Kobayashi; 良聡小林
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2009-10-22

Abstract

【課題】摺動特性や耐摩耗性に優れ、長寿命であり、低コストで製造しうる小型モータ用摺動接点材を提供する。
【解決手段】導電性基体１上に、算術平均粗さＲａ＝（Ａ）μｍである貴金属または貴金属を主成分とした合金からなる第１層２と、該第１層の上層に皮膜厚さが０．００１×（Ａ）μｍ以上（Ａ）μｍ以下の貴金属または貴金属を主成分とした合金からなる第２層３とが設けられた小型モータ用摺動接点材料であって、前記第１層２を形成する貴金属または前記第１層を形成する合金の主成分である貴金属に対して、前記第２層３を形成する貴金属または前記第２層を形成する合金の主成分である貴金属が異なる元素である小型モータ用摺動接点材料。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ用摺動接点材料に関するものである。

モータのうち、特に小型モータの接点材料としては、古くは電気伝導性に優れた銅又は銅合金裸材が利用されてきたが、近年のモータ特性の向上が進み、銅又は銅合金上に各種表面処理したモータ用摺動接点材料が製造・利用されつつある。特に小型モータ用摺動接点材料として多く利用されているものとして、摺動接点部に貴金属めっきされたものがある。中でも金、銀、パラジウム、白金、イリジウム、ロジウム、ルテニウムなどの貴金属は、その材料の持つ安定性や優れた電気伝導率を持つことなどから、各種小型モータ用摺動接点材料に利用されており、殊に銀に関しては、金属の中で最も電気導電性に優れており、貴金属類でも比較的安価なことから汎用されている。また、これら貴金属を摺動接点部にクラッドした材料なども各種存在している。

最近のモータ用摺動接点材として、耐摩耗性に優れるといわれる摺動接点材料が利用されている。耐摩耗性の向上に関しては、汎用的なものでは硬質銀や硬質金を使用した摺動接点材料などが一般的である。さらにはマイクロ粒子を分散させためっきやクラッド材料なども研究開発されており（例えば、特許文献１参照）、小型モータ用摺動接点材の摺動特性においてさまざまな表面処理材料が開発されている。
特開２００２−４２５９４号公報

しかしながら、従来の硬質銀あるいは硬質金処理した小型モータ用摺動接点材料では、摺動の必要な箇所に用いられるとそれら貴金属がすぐに消耗し、基材表面がむき出しとなって摺動接点材の導通不良をしばしば起こすことがあった。これに対して、貴金属厚を厚くして耐摺動性を向上するような手法も取られているが、高価な貴金属を大量に使用するため、製造コストが高くなってしまうデメリットがある。また、クラッド手法で形成される貴金属層を持ったモータ用摺動接点材も存在するが、クラッドの手法では現状の技術でのμｍ〜ｎｍ単位の薄膜化ができないことから、貴金属利用量が多くかつ製造コストが高くなるという問題点がある。
本発明は、上記のような問題点を解決し、摺動特性や耐摩耗性に優れ、長寿命であり、低コストで製造できるモータ用摺動接点材料を提供することを目的とする。

上記問題点に対して研究開発を進めた結果、本発明者は、導電性基体上に算術平均粗さＲａ＝（Ａ）μｍである貴金属または貴金属を主成分とした合金からなる第１層と、その上層に皮膜厚さが０．００１×（Ａ）μｍ以上（Ａ）μｍ以下なる、第１層を形成する貴金属またはその合金以外の貴金属またはその合金からなる第２層を設けることにより、電気接点材料を、耐摩耗性や摺動特性に優れた小型モータ用摺動接点材料にし得ることを見出した。
これは、最表面となる第２層の貴金属が接点材として利用される際、初期の接触や摺動によって多少なりとも磨耗するが、その磨耗粉が第１層に形成された算術平均粗さＲａ＝（Ａ）μｍをもつ貴金属あるいはこれらの成分を主成分とした合金からなる皮膜の、凹凸部に優先的に埋没する。その結果、第２層は貴金属であり特に酸化や変質することなく溝に埋まり、接触状態は見かけ上２種類以上の異種貴金属の接触となり、延性・潤滑効果によって摺動接点材としての寿命を向上させ、さらに安定した接触抵抗を得ることができることを見出し、本発明をなすに至ったものである。

すなわち、本発明は、
（１）導電性基体上に、算術平均粗さＲａ＝（Ａ）μｍである貴金属または貴金属を主成分とした合金からなる第１層と、該第１層の上層に皮膜厚さが０．００１×（Ａ）μｍ以上（Ａ）μｍ以下の貴金属または貴金属を主成分とした合金からなる第２層とが設けられた小型モータ用摺動接点材料であって、前記第１層を形成する貴金属または前記第１層を形成する合金の主成分である貴金属に対して、前記第２層を形成する貴金属または前記第２層を形成する合金の主成分である貴金属が異なる元素であることを特徴とする小型モータ用摺動接点材料、
（２）前記（Ａ）が０．０５〜０．５であることを特徴とする（１）項記載の小型モータ用摺動接点材料、および
（３）前記第１層及び第２層の少なくとも一層がめっきで設けられたことを特徴とする（１）または（２）項記載の小型モータ用摺動接点材料、
を提供するものである。
なお、本発明でいう「小型モータ」とは、３７．５Ｗ以下のモータを指し、例えばＯＡ機器用、ＡＶ機器用、情報・通信機器用、自動車伝送用、ゲーム機器用、カメラ関連用等に汎用されるモータのことをいう。

本発明により、摺動特性や耐摩耗性に優れ、長寿命である小型モータ用摺動接点材料を低コストで製造することができる。

本発明の小型モータ用摺動接点材料は、導電性基体上に、算術平均粗さＲａ＝（Ａ）μｍである貴金属または貴金属を主成分とした合金からなる第１層と、該第１層の上層に皮膜厚さが０．００１×（Ａ）μｍ以上（Ａ）μｍ以下の貴金属または貴金属を主成分とした合金からなる第２層とが設けられ、前記第１層を形成する貴金属または前記第１層を形成する合金の主成分である貴金属に対して、前記第２層を形成する貴金属または前記第２層を形成する合金の主成分である貴金属が異なる元素であるものである。
なお、貴金属を主成分とした合金とは、通常貴金属がその合金の５０質量％以上、好ましくは８０質量％以上を占める成分をいう。
なお、第１層と第２層で同じ貴金属元素が含まれている場合で、第１層における貴金属元素と他の元素との質量比がともに５０質量％であり、かつ第２層における貴金属元素と他の元素との質量比がともに５０質量％である場合については、以下のように定義する。（１）第１層における他の元素または第２層における他の元素のうち少なくとも一方が貴金属元素である場合は、他の貴金属元素が５０質量％となるため、第１層の主成分となる貴金属元素と第２層の主成分となる貴金属元素は異なるものとする。
（２）第１層における他の元素および第２層における他の元素が貴金属元素でない場合は、第１層における他の元素と第２層における他の元素とが同一の元素でない限り、本発明においては特別に第１層の主成分となる貴金属元素と第２層の主成分となる貴金属元素が異なるものとみなす。
（３）第１層における他の元素および第２層における他の元素が同一である場合は、第１層と第２層の組成は同一であり、本発明においては第１層の主成分となる貴金属元素と第２層の主成分となる貴金属元素が異なるものとみなさない。
また、第１層における他の元素および第２層における他の元素が同一の貴金属元素である場合であって、第１層または第２層の一方において他の元素である貴金属元素の質量比が５０％未満、第１層または第２層の他方において５０質量％である場合には、第１層の主成分となる貴金属元素と第２層の主成分となる貴金属元素は異なるものとする。

図１は、本発明の一つの実施態様を模式的に示した断面図である。この実施態様では、導電性基体１の上面に第１層２が設けられ、さらにその上面に第２層３が設けられている。
図２は、本発明の別の実施態様を模式的に示した断面図である。ここでは、導電性基体１の上に第１層２および第２層３からなる被覆層の下地層４を設けられている。
図３は、本発明のさらに別の実施態様を模式的に示した断面図である。これは、導電性基体１および下地層４に部分的に第１層２および第２層３からなる被覆層を形成し設けたものであり、摺動接点材として使用する部分にのみ被覆層を設けることで、省貴金属化におけるコストダウンが図られる。なお、図３に関連して、導電性基体１の上に設けられる下地層４は、部分的に設けられていてもよく、例えば第１層２および第２層３からなる被覆層が設けられる箇所にのみ（被覆層の形状に合わせて）設けられていてもよい。
図１〜図３では、簡略化して、第１層２と第２層３との境界は直線により示されているが、実際は、図４の部分拡大断面図に模式的に示されるように、導電性基体１の上の第１層２の表面は算術平均粗さＲａ＝（Ａ）μｍとなるような凹凸を有しており、第２層３の膜厚は、上記（Ａ）の値の０．００１倍以上１倍以下、好ましくは上記（Ａ）の値の０．０５倍以上０．５倍以下で形成されている。
なお、例えば光沢めっきを第２層に使用した場合などには、第２層を凹部に厚く、凸部に薄くつけることも可能である。また、例えば、めっき後に表面を軽くラッピング（面取り）して削り凹部のみに第２層を被覆してもよい。ここで、第２層３を凹部に厚く、凸部に薄くつける場合の第２層３の膜厚は、算術平均により定義する。

本発明の小型モータ用摺動接点材に利用される導電性基体には、銅、ニッケル、鉄若しくはこれらの合金、又は鋼材やアルミニウム材等に銅又は銅合金を被覆した複合素材等が適用される。

本発明の小型モータ用摺動接点材には、第１層の下地は、設けても、設けなくてもよいが、例えばニッケルおよびその合金、もしくはコバルトおよびその合金、もしくは銅およびその合金からなる下地層を、基材成分の拡散バリアーや密着性向上のために設けてもよい。特に導電性基体よりも貴な金属をめっき処理において形成する場合は、密着性向上や置換防止のためにフラッシュめっきあるいはストライクめっきなどの下地処理をすることも有効である。また、下地層は複数層あっても良く、被覆仕様用途等に応じて各種の下地構成を設けるのが好ましい。下地層の合計の厚さは０．１〜１．０μｍが好ましい。

算術平均粗さＲａ＝（Ａ）μｍをもつ貴金属あるいはこの成分を主成分とした合金からなる第１層は、導電特性の良好な貴金属層である。（Ａ）は、０．０５〜０．５が好ましく、０．１〜０．２がさらに好ましい。（Ａ）が０．５を超える値の場合は、表面粗度が大きいために摺動接点材としての耐摩耗性が低下し、摺動特性が劣る。第１層の厚さは特に限定されないが、貴金属厚が厚いほどコストアップにつながるため、第１層の被覆厚は０．２〜１０μｍ程度が望ましい。
なお、前記算術平均粗さＲａは日本工業規格（ＪＩＳ）の表面粗さ−定義及び表示（Ｂ０６０１−１９９４）に準拠し、測定した値である。

本発明において、第１層および第２層を形成する貴金属は標準電極電位がプラスである金属をいい、例えば金、銀、銅、パラジウム、白金、イリジウム、ロジウム、ルテニウムなどが挙げられ、金、銀、パラジウム、白金が好ましい。
ただし、第１層を形成する貴金属または第１層を形成する合金の主成分である貴金属と、第２層を形成する貴金属または前記第２層を形成する合金の主成分である貴金属とは異なるものである。

第２層は、第１層に施した元素あるいはその合金以外の貴金属からなる、皮膜厚さが（Ａ）μｍ以下の皮膜層であり、第１層を保護し、なおかつ導電特性の良好な第１層とは異なる貴金属層を設けたものである。この第２層は、初期の摺動面になるが、第１層のＲａ＝（Ａ）μｍである凹凸に第２層が埋没することによって、接点材として必要な低接触抵抗特性や摺動接点として必要な機能である表面潤滑性・耐摩耗性を兼ね備えた層を形成することができる。第２層は、第１層の凹凸を埋める程度存在すれば良く、その厚さは０．００１×（Ａ）μｍ以上（Ａ）μｍ以下であり、０．００１×（Ａ）〜０．５×（Ａ）μｍが好ましく、０．０５×（Ａ）〜０．５×（Ａ）μｍがさらに好ましい。第２層の厚さが（Ａ）μｍを超えると、第１層で規定したＲａ＝（Ａ）μｍという凹凸以上に被覆することとなり、貴金属の使用量増加によりコストアップにつながるだけでなく、第２層が第１層から剥離しやすくなり、第１層を被覆した場合と接点としての寿命が変わらなくなることがあるため好ましくない。

本発明の小型モータ用摺動接点材を製造するためには、めっき、クラッド、蒸着、スパッタ等の各種皮膜形成法が利用できるが、第１層及び第２層の少なくとも一層をめっきして設けることが好ましく、第１層及び第２層の両層をめっきで形成することがより好ましい。
めっきとしては、通常用いられるめっきを適宜選択して用いることができるが、特に薄膜を容易に形成する方法として、電解めっき法を利用することが好ましい。電解めっき液の組成およびめっき条件は常法により行うことができる。また、必要貴金属量を抑制するために、第１層あるいは第２層、またはその両方の貴金属被覆層を、ストライプ状やスポット状等の部分的に施すことも有用である。

本発明における被覆層は、特に光沢、半光沢、無光沢の外観種類は問わず、全てにおいて適応可能である。また、上記発明だけでも効果は十分であるが、さらに強固にするために通常用いられる各種添加剤、分散剤、分散粒子等を１つ以上の層に複合することも好ましい。

本発明のモータ用摺動接点材料は、例えば、音響機器、映像機器、精密機器、自動車電装用機器等に使用される小型モータ摺動接点材に好適に用いることができる。

以下に本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに制限されるものではない。
［実施例１〜１５および比較例１〜４］
厚さ０．３ｍｍ、幅１８ｍｍのＣ１４４１０条（銅基体）を電解脱脂、酸洗の前処理を行った後、表１に示しためっき構成材を作製し、各実施例および比較例の小型モータ用摺動接点材料を得た。得られた各摺動接点材料は、小型モータ用整流子片にプレス加工を施し、小型モータに組み込んだ。
一方のブラシ材においては、厚さ０．０５ｍｍ、幅１９ｍｍのＣ７７０１０条（銅基体）を電解脱脂、酸洗の前処理を行った後、Ｎｉ下地めっきを０．２μｍ、その上にＰｄめっきを０．５μｍ施すことで作製し、ブラシ材料を得た。得られたブラシ材料を小型モータ用ブラシ材にプレス加工を施し、小型モータに組み込んだ。

上記の各めっきのめっき液組成およびめっき条件を以下に示す。
［Ｎｉめっき］
めっき液：Ｎｉ（ＮＨ_２ＳＯ_３Ｈ）５００ｇ／ｌ、ＮｉＣｌ_２３０ｇ／ｌ、Ｈ_３ＢＯ_３３０ｇ／ｌ
めっき条件：電流密度１５Ａ／ｄｍ^２、温度５０℃
［Ｃｏめっき］
めっき液：ＣｏＳＯ_４４００ｇ／ｌ、ＮａＣｌ２０ｇ／ｇ、Ｈ_３ＢＯ_４４０ｇ／ｌ
めっき条件：電流密度５Ａ／ｄｍ^２、温度３０℃
［Ｃｕめっき］
めっき液：ＣｕＳＯ_４・５Ｈ_２Ｏ２５０ｇ／ｌ、Ｈ_２ＳＯ_４５０ｇ／ｌ、ＮａＣｌ０．１ｇ／ｌ
めっき条件：電流密度６Ａ／ｄｍ^２、温度４０℃

［Ａｇストライクめっき］
めっき液：ＡｇＣＮ５ｇ／ｌ、ＫＣＮ６０ｇ／ｌ、Ｋ_２ＣＯ_３３０ｇ／ｌ
めっき条件：電流密度２Ａ／ｄｍ^２、温度３０℃
［Ａｇめっき］
めっき液：ＡｇＣＮ５０ｇ／ｌ、ＫＣＮ１００ｇ／ｌ、Ｋ_２ＣＯ_３３０ｇ／ｌ
めっき条件：電流密度０．５〜３Ａ／ｄｍ^２、温度３０℃
［光沢Ａｇめっき］
めっき液：ＡｇＣＮ５ｇ／ｌ、ＫＣＮ１００ｇ／ｌ、Ｋ_２ＣＯ_３３０ｇ／ｌ、ＮａＳ_２Ｏ_３１．５８ｇ／ｌ
めっき条件：電流密度１Ａ／ｄｍ^２、温度３０℃

［Ｐｄ−Ｎｉ合金めっき：Ｐｄ／Ｎｉ（％）８０／２０］
めっき液：Ｐｄ（ＮＨ_３）_２Ｃｌ_２４０ｇ／ｌ、ＮｉＳＯ_４４５ｇ／ｌ、ＮＨ_４ＯＨ９０ｍｌ／ｌ、（ＮＨ_４）_２ＳＯ_４５０ｇ／ｌ
めっき条件：電流密度１Ａ／ｄｍ^２、温度３０℃
［Ｐｄめっき］
めっき液：Ｐｄ（ＮＨ_３）_２Ｃｌ_２４５ｇ／ｌ、ＮＨ_４ＯＨ９０ｍｌ／ｌ、（ＮＨ_４）_２ＳＯ_４５０ｇ／ｌ
めっき条件：電流密度１Ａ／ｄｍ^２、温度３０℃

［Ａｕめっき］
めっき液：ＫＡｕ（ＣＮ）_２１４．６ｇ／ｌ、Ｃ_６Ｈ_８Ｏ_７１５０ｇ／ｌ、Ｋ_２Ｃ_６Ｈ_４Ｏ_７１８０ｇ／ｌ、ＥＤＴＡ−Ｃｏ（II）３ｇ／ｌ、ピペラジン２ｇ／ｌ
めっき条件：電流密度１Ａ／ｄｍ^２、温度４０℃
［Ｒｕめっき］
めっき液：ＲｕＮＯＣｌ_３・５Ｈ_２Ｏ１０ｇ／ｌ、ＮＨ_２ＳＯ_３Ｈ１５ｇ／ｌ
めっき条件：電流密度１Ａ／ｄｍ^２、温度５０℃

上記の小型モータ用摺動接点材料に関して、モータ摺動特性を求めるために、モータ整流子片にプレス加工し、小型モータを作製した。その寿命試験結果について、以下の条件でのモータ寿命、製造コストおよび総合評価について第２表に示した。

［モータ寿命測定］
印加電圧２．５Ｖ，負荷電流０．１Ａ，負荷時回転数２０００ｒ／ｍｉｎ.の条件でモータ試験を行い、モータ停止時間を測定した。停止時間は、測定開始より３００日後（７２００時間）でも回転し続けているものは、その時点で装置を停止し、十分特性を満足しているものとした。

また、表２においては、各実施例および比較例の小型モータ用摺動接点材料の製造に要したコストを低いものから高いものへ◎○△×の４段階に分類した。
また、総合的な評価として良いものから悪いものへ◎○△×の４段階に分類した。総合評価においては◎○が望ましい。

上記の結果より、実施例１〜１５ではモータ寿命がいずれも６４８０時間（２７０日）以上と安定したモータ寿命が得られた。これに対し、比較例１〜４ではモータ寿命が本発明実施例の半分から２／３程度である。また、比較例２ではコストが高いうえに第１層のみを被覆した場合と接点としての寿命が全く変わらなかった。これは、第２層が第１層から剥離したことが原因と考えられ、いずれも実用レベルではなかった。

本発明の一つの実施態様を模式的に示した断面図である。本発明の別の実施態様を模式的に示した断面図である。本発明のさらに別の実施態様を模式的に示した断面図である。本発明の第１層と第２層との境界を模式的に示す部分拡大断面図である。

符号の説明

１導電性基体
２第１層
３第２層
４下地層

Claims

導電性基体上に、算術平均粗さＲａ＝（Ａ）μｍである貴金属または貴金属を主成分とした合金からなる第１層と、該第１層の上層に皮膜厚さが０．００１×（Ａ）μｍ以上（Ａ）μｍ以下の貴金属または貴金属を主成分とした合金からなる第２層とが設けられたモータ用摺動接点材料であって、前記第１層を形成する貴金属または前記第１層を形成する合金の主成分である貴金属に対して、前記第２層を形成する貴金属または前記第２層を形成する合金の主成分である貴金属が異なる元素であることを特徴とするモータ用摺動接点材料。
前記（Ａ）が０．０５〜０．５であることを特徴とする請求項１記載のモータ用摺動接点材料。
前記第１層及び第２層の少なくとも一層がめっきで設けられたことを特徴とする請求項１または２記載のモータ用摺動接点材料。