JP4111906B2 - 摺動接点材料及びクラッド複合材並びにそれを使用した直流小型モータ - Google Patents

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Description

本発明は、機械的な摺動動作により電気的な開閉を行う直流小型モータの整流子に関するもので、特に、CDプレーヤにおいてCDの出し入れを行うローディングや、CDの信号を読み取るレンズを移動するためのピック送りに使用される直流小型モータ用整流子、さらに、充電式電池で駆動する家庭用電化製品に使用される直流小型モータ用整流子(その他アースリング、ロータリースイッチ等)を構成する摺動接点材料に関する。
近年、上記した技術分野においては、新たな摺動接点材料に関する研究が盛んに行なわれてきている。直流小型モータの整流子を構成する摺動接点材料に関しては、接点使用時における摩耗を理想的なものとし且つ低接触抵抗を実現することが最も重要な開発課題といえる。本来、摺動接点材料の低接触抵抗を実現するには、摺動接点材料自体の導電性はもとより、接触し合う材料同士が確実に接触、或いは密着させることによって達成できる。しかし、その材料が摺動する際には、接触する材料同士の接触或いは密着の度合いが増すほど摩擦抵抗は大きくなり、その摩擦に反して摺動させると著しい摩耗現象が発生するのである。つまり、摺動接点材料では、もともと上述するような相反する現象を制御しなければ、より理想的な特性を有するものが得られないのである。また、この摺動接点の摩耗現象は学問的にも未解明な点が多く、摺動接点材料の改良によって摩耗現象を制御することは非常に困難なものともいわれている。
この摺動接点材料における摩耗は、大別して、凝着摩耗と引っかき摩耗とがある。通常、摺動接点材料の表面はかなり平滑に仕上げられても、ミクロ的には完全な平面ではなく微細な凹凸が多数存在する。このような金属表面同士を接触すると、見掛け上は広い面積で接触しているように見えるが、実際には表面に存在する微細な凹凸のうち突起した部分同士が接触した状態となっており、いわゆる真の接触面積は見かけの接触面積よりも小さい。そのため、この真の接触部、即ち接触した突起部には大きな圧力が加わることになり接触する金属同士の凝着が発生し、それによって軟質な金属が引き裂かれて硬質金属へ移行するという凝着摩耗が生じる。また、硬さの異なる材料が接触する場合或いは軟質金属同士の接触でも一方に硬い粒子が含まれている場合には、軟質金属が硬質金属により機械的にせん断されて引っ掻き摩耗が生じる。
このような摩耗現象は、接触する金属材料の硬度、それら金属同士の結合性等に大きく依存するもので、摺動接点材料の摩耗現象についても、基本的には接触圧に比例して顕著になり、材料の硬化によって低減される。しかし、接触時の温度または湿度変化や、腐食性成分、有機質蒸気、挨等の存在によっても著しく摩耗現象は変化する。そして、この摩耗現象の変化は、接点部における接触状態の変化であるので接触抵抗の増加を引き起こすことになり、低接触抵抗の安定的な維持に多大な影響を与えるのである。
上記する摩耗現象は、具体的には、直流小型モータに摺動接点材料を用いたクラッド複合材を整流子として組み込み、モータを高速回転で駆動させた場合の整流子と刷子間に生じる。つまり、整流子を構成する摺動接点材料が長時間の接触摩擦を受け、摺動による摩擦熱も加わり、上記する凝着摩耗、引っ掻き摩耗が複合的に生じる。そのため、その摩耗現象によって摺動接点材料の表面が削られ、摩耗粉が生じ、接触抵抗を増加させたり、その摩耗粉が整流子の間隙を埋め導通短絡させたり、雑音発生の原因となったりするのである。
更に、摩耗現象が進行すると、摺動接点材料を用いたクラッド複合材においては、クラッド複合材の表層に設けた金属、即ち摺動接点材料が摩耗により破壊され、その下のベース材料にまで摩耗が到達することになる。このようなクラッド複合材のベース材料が摩耗される状態となった場合、酸化し易いベース材料が露出してくるため、そのベース材料の金属酸化物により、種々の電気的トラブルを引き起こすことがある。それ故、いわゆる二層又は三層クラッド複合材を構成して整流子として用いる場合には、各層を構成する合金の材料の改良が極めて重要な課題といえる。
ところで、近年、CDプレーヤでCDの出し入れを行うローディング、又はCDの信号を読み取るレンズを移動するためのピック送りに使用される直流小型モータ用整流子の摺動接点材料、さらに、充電式電池で駆動する家庭用電化製品に使用される直流小型モータ用整流子の摺動接点材料としては、表面層に1〜2質量%のCd、残部AgとしたAg−Cd合金を用い、ベース層にCu又はCu合金を用いた二層クラッド複合材(例えばAg99−Cd1/Cu)や、表面層に1〜2質量%のCd、0.01〜0.70質量%のNi、残部AgとしたAg−Cd−Ni合金を用い、ベース層にCu又はCu合金を用いた二層クラッド複合材(例えばAg97.7−Cd2−Ni0.3/Cu)等が用いられている。上記()内に記載する「合金組成/Cu」は二層を構成するクラッド複合材を意味し、「/」は表面層とべ一ス層との界面を意味する。また、合金組成元素の後に記載する数字は質量%の値を示すものである。
このようなAg−Cd合金やAg−Cd−Ni合金は,電気的特性、硬さ、低接触抵抗性に非常に優れた材料であり、例えば特許文献1に、Sn及びCdのうち少なくとも1種を1〜5質量%含み、残部AgのAg合金からなる直流小型モータの整流子用摺動接点材料として開示されている。しかし、昨今の環境問題等を考慮すると、有害物質とされているCdを含む摺動接点材料の製造やその使用は好ましいものではない。
別の合金系として、Ag−Cu合金及びAg−Cu−Cd合金等も用いられている。しかし、これらの摺動接点材料は、使用初期の接触抵抗は低いものの、その接触抵抗に経時変化が生じる。そのため、充電式電池を使ったシェーバー等の製品価値が劣るという問題を有している。即ち、これらの合金系の摺動接点材料を直流小型モータに使用した場合、経時変化により接触抵抗が高くなるため、モータの始動電圧が高くなる。つまり電池の起電力がモータの始動電圧以下まで低下する時間が短くなり、直ぐにモータが始動しなくなるという問題が生じる。その結果として、電池の充電回数も増え、電池自体の寿命も短くなる傾向を示す。
また、例えば特許文献2には、Ag中にZn1〜10質量%と、Te、Co、Ni、Cu、Ge、Ti、Pbの少なくとも1種を0.5〜1.0質量%添加してなるAg−Zn系合金の摺動接点材料が開示されている。この摺動接点材料は、Te、Co、Ni、Cu、Ge、Ti、PbがZnよりも酸化し易いという性質を利用し、これらの金属を含有させることにより、Znの酸化を抑制し、摺動接点材料の耐硫化性、潤滑性を維持し、耐摩耗性の向上及び低接触抵抗の安定化を図ったものである。しかしながら、この摺動接点材料も、上記するAg−Cu合金等と同様に初期接触抵抗は低いものの、接触抵抗に経時変化が生じ、使用期間が長くなると接触抵抗が高くなる傾向がある。
さらに、特許文献3には、Ag−Zn合金、Ag−Zn−Ni合金の摺動接点材料が開示されている。これらも、接触抵抗は低いものの、モータの寿命を向上させる程度にまで摩耗現象を制御できる摺動接点材料といえるものには至っていない。
特公平2−60745号公報 特開昭58−104140号公報 特開平8−260078号公報
以上のように従来の摺動接点材料は、最近の小型化したCDプレーヤのローディングやピック送りの仕様に対して十分に対応できるものとはいえない。CDプレーヤの小型化に伴い、その内部で使用される直流モータも小型化するが、CDプレーヤのローディング仕様自体は、モータの大きさに関係なく、従来から必要とされているトルクと同一である。そのため、モータを小型化しても、1万回転/分以上の高速回転にし、ギアを介することによって、必要なトルクを実現している。しかし、この1万回転/分以上の高速回転領域では、従来の摺動接点材料が有する特性では十分に対応できるものでなく、より耐久性のある、優れた摺動接点材料が強く求められているのである。
本発明は、Cdのような有害物質を含有しない合金組成で、特に、接触抵抗特性に優れ、電気的機能も良好で且つ経時変化もなく、従来の摺動接点材料に比して実用上遜色のない耐摩耗性を有する摺動接点材料を提供すると共に、優れた特性を有する摺動接点材料を直流小型モータの整流子に使用することでモータの長寿命化を図ることを目的としている。
上記課題を解決すべく、本発明者等が鋭意研究を行った結果、本発明を想到するに至った。本発明は、直流小型モータの整流子として使用される摺動接点材料において、0.01〜3.0質量%のNiと、0.01〜6.0質量%のZnOと、残部Agとの組成から構成されており、Agマトリックス中に、Ni金属粒子、ZnO粒子を分散させていることを特徴とするものである。
本発明に係る摺動接点材料は、Agマトリックス中にNi金属粒子、ZnO粒子が分散した合金である。このAgマトリックス中に分散したZnOは、摺動部における潤滑材の役目を担い摩擦抵抗を低減させ、耐摩耗性を向上することができるのである。
従来の摺動接点材料、例えばAg−Zn合金、Ag−Cu合金等も、ZnO、CuOの酸化皮膜の形成により摩耗現象を制御することを意図しているが、これらの合金は、空気中に放置すると、接点部において経時的にZnO、CuOを過剰に発生し、逆に接触抵抗を高くしてしまう。特に、導電性の低いCuOが過剰に発生すると接触抵抗の増加は顕著となり、導電性を有するZnOの場合でも過剰に発生すると接触抵抗の増加を引き起こす。
一方、本発明の摺動接点材料では、Agマトリックス中に分散しているNi金属粒子は、粒子の表面にNiOを極僅かに形成するが、Niが素材中に金属粒子として存在しているため、接点表面全体をNiOで被うことは生じない。また、Agマトリックス中に分散しているZnOもあらかじめ酸化物として素材中に分散しているため、素材全体をZnOで被うことは無い。つまり、本発明の摺動接点材料は、従来のAg−Zn合金の摺動接点材料等とは異なり、Znを含む組成であっても、ZnOにより接触抵抗を増加させることはないのである。
また、本発明の摺動接点材料のように、Ni金属粒子やZnO粒子をAgマトリックス中に分散させるには、いわゆる粉末冶金法によって製造することで実現できる。粉末冶金法によれば、Agマトリックス中に存在するNi金属粒子、ZnO酸化物粒子は、極めて均一に分散されることになるが、現存の溶解法では本発明と同じ組織構造を有する摺動接点材料を製造することはできない。
本発明の摺動接点材料におけるNi金属粒子は、摺動接点材料の耐摩耗性を向上させる役割を主に担っている。このNi量は、0.01質量%未満であると、Ni金属粒子による耐摩耗性の向上効果が小さくなる傾向となり、3.0質量%を越えると、耐摩耗性の向上が逆影響して、ブラシを摩耗し、結果としてモータの耐久寿命を低下させてしまう。このNiは0.3〜1.0質量%の組成範囲にすることが、本発明に係る摺動接点材料の特性を最も優れたものとすることができる。
また、本発明の摺動接点材料におけるZnOは、摺動部、即ち接点表面で固相潤滑材として働くものである。このZnO量は、0.01質量%未満では潤滑材としての機能を発揮しなくなる傾向となり、6.0質量%を越えると摺動接点材料の加工性が低下するとともに、接触抵抗の安定性が低下する傾向となる。このZnOは、0.5〜5.0質量%の組成範囲にすることが摺動接点特性を最も優れたものとすることができる。
そして、本発明者らは、上述した本発明の摺動接点材料にCuを含ませることによっても、同様な効果が得られることを見出した。本発明のもう一つの摺動接点材料は、0.01〜3.0質量%のNiと、0.01〜6.0質量%のZnOと、0.01〜5.0質量%のCuと、残部Agとの組成から構成されており、AgCu合金マトリックス中に、Ni金属粒子、ZnO粒子を分散させたものである。
この本発明に係る摺動接点材料は、Agマトリックス中にCuが固溶するものとなるが、固溶したCuは、摺動中に接点表面に極めて薄いCuOの酸化皮膜を形成し、接触抵抗を上げることなく凝着摩耗を抑制する作用を有する。しかし、Cuの含有量は、0.01質量%未満ではCu添加の効果が見られず、5.0質量%を越えると摺動接点材料の加工性を低下させるとともに、接触抵抗の安定性が低下する傾向となる。Cuは、0.5〜3.0質量%の組成範囲にすることが、最も優れた特性を備える本発明に係る摺動接点材料とすることができる。
そして、本発明者らは、ZnOの代わりにMgOにした場合においても、上述した本発明の摺動接点材料と同様な効果を奏し、さらに高温時の特性に優れるものとなることを見出した。つまり、0.01〜3.0質量%のNiと、0.01〜3.0質量%のMgOと、残部Agとの組成から構成されており、Agマトリックス中に、Ni金属粒子、MgO粒子を分散させている摺動接点材料である。そして、0.01〜3.0質量%のNiと、0.01〜3.0質量%のMgOと、0.01〜5.0質量%のCuと、残部Agとの組成から構成されており、AgCu合金マトリックス中に、Ni金属粒子、MgO粒子を分散させている摺動接点材料である。
上述したZnOを分散させた本発明に係る摺動接点材料と比較して、MgO粒子が分散したものでは、高温での耐久寿命をさらに向上できることを見出したのである。このMgOは、0.01質量%未満では高温での耐久寿命の向上に寄与しなくなる傾向となり、3.0質量%を越えると摺動接点材料の加工性が低下するとともに、接触抵抗の安定性が低下する傾向となる。MgOは、0.3〜1.5質量%の組成範囲にすることが最も優れた特性を有する本発明に係る摺動接点材料とすることができる。
上記した本発明の摺動接点材料において、ZnOとMgOはそれぞれ単独で含有するようにしても良いし、併用しても良いものである。つまり、ZnOとMgOとの両方を含有する場合、0.01〜3.0質量%のNiと、0.01〜6.0質量%のZnOと、0.01〜3.0質量%のMgOと、0.01〜5.0質量%のCuと、残部Agとの組成から構成されており、AgCu合金マトリックス中に、Ni金属粒子、ZnO粒子、MgO粒子を分散させた摺動接点材料とするのである。このように、ZnOとMgOとの両方を含有すると、耐摩耗特性に優れ、高温での耐久寿命特性を備えた、トータル特性のバランスがとれた本発明の摺動接点材料となる。
上記した本発明に係る摺動接点材料をモータの整流子として使用する場合、より好適な整流子の構成材とするために、Cu又はCu合金によるベース材料を用い、そのベース材料上の一部に、本発明に係る摺動接点材料を埋設したクラッド複合材とすることが好ましい。このようにすれば、整流子を電気的に接続するために必要なハンダ付け処理におけるハンダ付け性が良好となり、また、整流子形状を成形する際の加工性も向上する。また、クラッド複合材という形態を採用することにより、使用するモータに応じてベース材に埋設する本発明の摺動接点材料の厚みを制御でき、必要な部分にのみ、高価な摺動接点材料を使用すればよくなるので、経済的にも好適なものとすることができる。
Cu又はCu合金のベース材料を用いたクラッド複合材は、埋設した摺動接点材料のうち表面に露出する部分は大気中に曝されるので硫化されやすい傾向がある。そこで、Cu又はCu合金のベース材料上の一部に本発明の摺動接点材料を埋設したクラッド複合材の場合、その摺動接点材料上の少なくとも一部をAu又はAu合金で被覆することがさらに望ましい。Au又はAu合金は、耐食性に優れ且つ低接触抵抗を実現する良好な摺動接点材料として知られるが、非常に高価なため大量に使用することは経済的に不利なものとなる。そこで、Au又はAu合金を一部分にのみに被覆することでコストの増加を抑えると共に、本発明に係る摺動接点材料の硫化現象を効果的に防止するのである。このようなクラッド複合材を直流小型モータの整流子に使用すれば、使用初期時にはAu又はAu合金の優れた接触抵抗特性により、良好なモータ駆動が可能となり、たとえ摩耗により、Au又はAu合金が破壊されても、内部には本発明の摺動接点材料が存在するため、更に使用継続が可能となる。
更に、上記する本発明の、いわゆる二層又は三層クラッド複合材を、整流子として直流小型モータに使用すると、安定して低接触抵抗を実現でき、経時変化も少ない上、摩耗粉による支障がなく、低い始動電圧で直流小型モータを駆動させることが可能となる。このことは、CDプレーヤのローディング用又はピック送り用として使用した場合に、直流小型モータ自体の寿命を長期化することができる。
本発明による摺動接点材料は、Cdのような有害物質を含有せず、電気的特性も良好で且つ経時変化も少なく、従来の摺動接点材料に比して実用上遜色のない耐摩耗性を有するものである。そして、本発明の摺動接点材料は、特に充電式電池を使用する直流小型モータを備える家庭用電化製品に応用することにより、低い接触抵抗を経時的に維持し、低始動電圧でモータを駆動することができるので、従来では実現できなかったモータの長期連続使用を可能にする。さらに、直流小型モータを駆動させる充電式電池の寿命をも伸ばすことが可能となる。
本発明の好ましい実施形態について、以下に記載する実施例及び従来比較例に基づいて説明する。表1には、実施例1から11の摺動接点材料の組成を示しており、表2には、特性対比を行った従来例1、2の摺動接点材料の組成を示している。
Figure 0004111906
Figure 0004111906
実施例1の摺動接点材料は、0.5質量%のNi粉末、5.5質量%のZnO粉末及び残部Ag粉末を、ボールミルにて4時間攪拌し、各粉末が均一に分散した粉末混合物とした。そして、その粉末混合物を、円筒容器に詰め、円柱長手方向から圧力4.9×105N(50tf)を加える圧縮加工処理することで、直径50mmの円柱ビレットを形成した。続いて、この円柱ビレットを、1123K(850℃)の温度中で、4時間の真空焼結処理を行った(5.0Pa)。この圧縮加工処理、焼結処理は、4回繰り返して行った。
この圧縮加工及び真空焼結処理を施した円柱ビレットは、熱間押し出し加工により、直径6.0mmの線材に形成した。引続き、線引き加工により、直径1.6mmの線材とした。
また、実施例2から実施例11の摺動接点材料も、表1に示す組成の粉末混合物を作製し、上記実施例1の場合と同様の工程に従い加工をして、それぞれ直径1.6mmの線材とした。
従来例1及び従来例2は、溶解法により得られた摺動接点材料であり、表2に記載した各組成となるように、各金属を溶解し、その後鋳造、押出加工、線引き加工することにより、直径1.6mmの線材とした。尚、この従来例の摺動接点材料の製造方法については、特許文献4及び特許文献5に詳細が開示されている。
特開平6−220555号公報 特開平7−166268号公報
以上のようにして形成された各線材は、圧延機によりテープ状に加工し、それをベース層となるCu材にインレイ接合をしてクラッド複合材を得た。そして、このクラッド複合材は、1023K(750℃)で熱処理をし、圧延を繰り返して、総厚0.2mm、幅19mmの二層クラッド複合材とした。
次に、本発明に係るクラッド複合材の一実施形態について説明する。図1の斜視図は、Cu合金からなるベース材の一部に本実施形態で示す摺動接点材料を埋設した、いわゆる二層クラッド複合材と呼ばれるものを示している。また、図2の斜視図は、Cu合金からなるベース材の一部に本実施例で示す摺動接点材料を埋設し、更にその埋設された摺動接点材料の一部をAu又はAu合金により被覆した、いわゆる三層クラッド複合材と呼ばれるものを示している。また、図1a及び図2a、2bは一条張り、図1bは二条張りのクラッド複合材を示している。図中、符号1は本発明の摺動接点材料、図2の符号1’は埋設された摺動接点材料1の一部露出した部分を示す露出部、符号2はCu合金のベース材、符号3はAu又はAu合金を示すものである。
更に、上記するクラッド複合材を用いて実際に直流小型モータを組み立て、モータの耐久性能を調べた結果について説明する。直流小型モータへの組み込みは、表1及び表2に示す各組成の摺動接点材料を用いて、上記した図1aに示す二層クラッド複合材を作製し、その二層クラッド複合材を三極コンミテータに加工して行った。耐久試験の条件は次の表3に示す通りである。
Figure 0004111906
耐久試験は、試験温度として75℃、室温(25℃)、0℃の3水準で行い、図3〜図5には各耐久試験においてモータが故障した耐久時間値に関する棒グラフを示している。また、表4には、図3から図5のグラフに示す各時間データに基づいて算出された平均耐久時間を記載している。
Figure 0004111906
図3は75℃の場合を、図4は室温の場合を、図5は0℃の場合を示している。図4を見ると判るように、室温においては、実施例1〜11の全てにおいて、従来例1、2によりも耐久時間が長いことが判明した。
また、試験温度75℃の場合にあっては、MgOを含有している実施例7〜11のものが耐久特性に優れることが判明した。一方、試験温度0℃の場合にあっては、ZnOを含有している実施例1〜6のものが耐久特性に優れることが判明した。このことから、MgOを含有する本実施例の摺動接点材料は、高温雰囲気での使用が予定されている自動車用の直流小型モータに好適であると考えられた。それに対し、ZnOを含有する本実施例の摺動接点材料は、低温雰囲気、例えば、冷蔵庫が備える自動製氷器に用いられる直流小型モータなどに好適なものであることが考えられた。そして、ZnOとMgOの両方を含有する摺動接点材料は、低温域から高温域まで汎用的に使用できる特性を備えた摺動接点材料であることが確認された。
二層クラッド複合材の斜視図。 三層クラッド複合材の斜視図。 試験温度75℃における耐久試験結果を示した棒グラフ。 試験温度室温における耐久試験結果を示した棒グラフ。 試験温度0℃における耐久試験結果を示した棒グラフ

Claims (8)

  1. 直流小型モータの整流子として使用される摺動接点材料において、
    0.01〜1.0質量%のNiと、0.01〜6.0質量%のZnOと、残部Agとの組成から構成されており、
    Agマトリックス中に、Ni金属粒子、ZnO粒子を分散させていることを特徴とする摺動接点材料。
  2. 直流小型モータの整流子として使用される摺動接点材料において、
    0.01〜1.0質量%のNiと、0.01〜6.0質量%のZnOと、0.01〜5.0質量%のCuと、残部Agとの組成から構成されており、
    AgCu合金マトリックス中に、Ni金属粒子、ZnO粒子を分散させていることを特徴とする摺動接点材料。
  3. 直流小型モータの整流子として使用される摺動接点材料において、
    0.01〜1.0質量%のNiと、0.01〜3.0質量%のMgOと、残部Agとの組成から構成されており、
    Agマトリックス中に、Ni金属粒子、MgO粒子を分散させていることを特徴とする摺動接点材料。
  4. 直流小型モータの整流子として使用される摺動接点材料において、
    0.01〜1.0質量%のNiと、0.01〜3.0質量%のMgOと、0.01〜5.0質量%のCuと、残部Agとの組成から構成されており、
    AgCu合金マトリックス中に、Ni金属粒子、MgO粒子を分散させていることを特徴とする摺動接点材料。
  5. 直流小型モータの整流子として使用される摺動接点材料において、
    0.01〜1.0質量%のNiと、0.01〜6.0質量%のZnOと、0.01〜3.0質量%のMgOと、0.01〜5.0質量%のCuと、残部Agとの組成から構成されており、
    AgCu合金マトリックス中に、Ni金属粒子、ZnO粒子、MgO粒子を分散させていることを特徴とする摺動接点材料。
  6. Cu又はCu合金のベース材料上の一部に、請求項1から請求項5いずれかに記載の摺動接点材料を埋設したものであるクラッド複合材。
  7. Cu又はCu合金のベース材料上の一部に、請求項1から請求項5いずれかに記載の摺動接点材料を埋設したクラッド複合材であって、埋設した摺動接点材料上の少なくとも一部をAu又はAu合金で被覆したものであるクラッド複合材。
  8. 請求項6又は請求項7に記載のクラッド複合材を整流子として用いた直流小型モータ。
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