JP4252582B2 - 直流小型モータ用整流子材料及び刷子材料、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切り換えを行う直流小型モータの整流子及び刷子に関するもので、特に、ＤＶＤプレーヤーにおいて、ＤＶＤディスクを回転させるための直流小型モータに使用される整流子材料及び刷子材料に関する。
近年、上記した技術分野においては、ＣＤからＤＶＤへと使用形態が変化するのに伴い、それぞれの用途に適した直流小型モータ用材料に関する研究が盛んに行なわれてきた。初期の音楽を演奏するＣＤプレーヤーは、ディスクの回転が約５００ｒｐｍであり、直流小型モータ用整流子材料や刷子材料に対する負荷もそれほど大きなものではなかった。
その後、オーディオ機器としてＣＤプレーヤーが自動車へ搭載されるようになると、−４０℃から８５℃までの温度範囲での直流小型モータの使用耐久性が要求されるようになり、本出願人は、このような耐久性を実現できる直流小型モータ用整流子材料を開発した（特許文献１参照）。
この特許文献１に開示された直流小型モータ用整流子材料は、ＣＤプレーヤーの倍速、４倍速等の高速回転化や、再生専用のＤＶＤプレーヤーにも対応することが可能であり、現在ではスピンドルモータにおいて代表的な整流子材料となっている。
しかしながら、ＤＶＤ用のスピンドルモータの制御方法がさらに複雑になり、特許文献１に記載された直流小型モータ用整流子材料では、その要求特性を満足できない場合もあり、さらなる性能の向上が求められているのが現状である。また、さらなる性能の向上のために、直流小型モータ用整流子材料のみならず、相手方となる刷子材料の開発も望まれているのが現状である。
近年、ＤＶＤ用のスピンドルモータの制御方法にはいくつかの方式が知られている。例えば、高級なオーディオ機器ではパルス電流でモータの回転数を制御するが、上述した特許文献１の直流小型モータ用整流子材料では、要求特性を満足できない場合があることが指摘されている。
本発明は、このような事情を背景にしてなされたものであり、パルス電流で制御するタイプのＤＶＤ用スピンドルモータの長寿命化を可能とする、直流小型モータ用整流子材料及び刷子材料を提供す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、直流小型モータに使用される整流子材料において、６．０〜１０．０重量％のＣｕと、１．０〜５．０重量％のＺｎＯと、残部Ａｇとの組成から構成されており、ＡｇＣｕ合金のマトリックス中に、Ｃｕ金属粒子、ＺｎＯ粒子を分散させたことを特徴とするものである。
本発明に係る直流小型モータ用整流子材料は、ＡｇＣｕ合金のマトリックス中にＣｕ金属粒子、ＺｎＯ粒子が分散した合金であることが特徴である。このＡｇＣｕ合金のマトリックス中に、固溶しているＣｕおよび分散したＣｕ粒子は耐摩耗性の向上に寄与し、ＡｇＣｕマトリックス中に分散しているＺｎＯ粒子は、アークによる消耗を減らすとともに、整流子として用いた際の摺動部分における潤滑剤の役目を担うもので、摩擦抵抗を低減させる作用を有する。
従来の直流小型モータ用整流子材料、例えばＡｇ−Ｐｄ−Ｃｕ−Ｎｉ合金は、いわゆる溶解法により製造されるもので、合金マトリックス中にＣｕ金属粒子とＮｉ金属粒子が分散することで摩耗を抑制している。一方、本発明の直流小型モータ用整流子材料では、ＡｇＣｕ合金マトリックス中にＣｕ金属粒子とＺｎＯ粒子が分散しており、このように金属粒子と酸化物粒子とを一緒に分散させると、直流小型モータ用整流子材料として、極めて良好な耐摩耗性を実現することができるのである。
また、本発明に係る直流小型モータ用整流子材料のように、ＺｎＯ粒子をＡｇＣｕ合金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り整流子材料を製造することで実現可能となる。粉末冶金法によれば、Ａｇマトリックス中に存在する酸化物粒子が極めて均一に分散されることになるが、いわゆる溶解法によっては、本発明と同じ組織構造を有する直流小型モータ用整流子材料を製造することはできない。
本発明に係る直流小型モータ用整流子材料では、ＡｇＣｕ合金マトリックス中に固溶しているＣｕおよびＣｕ金属粒子は、直流小型モータ用整流子材料の耐摩耗性を向上させる役割を主に担っているが、このＣｕの含有量は６．０〜１０．０重量％であることが望ましい。６．０重量％未満であると、ＡｇＣｕ合金化によるマトリックスの強化およびＣｕ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、１０．０重量％を越えると、耐摩耗性の向上が逆影響して、整流子の相手方となる刷子（ブラシ）を摩耗することになり、結果として直流小型モータの耐久寿命を低下させてしまう。このＣｕの含有量は、７．０〜９．０重量％の組成範囲にすることが、本発明に係る直流小型モータ用整流子材料の特性を最も優れたものとすることができ、実用上非常に好適なものとなる。
また、本発明に係る直流小型モータ用整流子材料では、ＺｎＯ粒子が摺動部分、即ち接点表面において固相潤滑剤として作用するものであるが、このＺｎＯの含有量は、１．０〜５．０重量％であることが望ましい。このＺｎＯの含有量が１．０重量％未満では潤滑剤としての機能を発揮しなくなる傾向となり、５．０重量％を超えると加工性が低下し、直流小型モータ用整流子として加工することが困難となる。このＺｎＯは、２．０〜４．０重量％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、実用上非常に好適なものとなる。
上記した本発明に係る直流小型モータ用整流子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、本発明に係る直流小型モータ用整流子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、整流子を電気的に外部と接続する場合、例えばハンダ付け性が良好となり、また、整流子形状に要求される真円度の高い形状へ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、使用する直流小型モータに対応して、ベース材に埋設する本発明の直流小型モータ用整流子材料の厚みを制御できるので、必要な部分にのみ、高価な直流小型モータ用整流子材料を使用可能となり、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、埋設した直流小型モータ用整流子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直流小型モータ用整流子材料を埋設したクラッド複合材の場合、その埋設された直流小型モータ用整流子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できる良好な整流子材料として知られるが、非常に高価であるため、大量に使用することは経済的に不利となる。そのため、Ａｕ又はＡｕ合金を必要な部分の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、本発明に係る直流小型モータ用整流子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、たとえ摩耗によってＡｕ又はＡｕ合金が破壊されたとしても、その内部側には本発明の直流小型モータ用整流子材料が存在するため、更に使用継続が可能となる。
上記する本発明に係る、いわゆる二層又は三層クラッド複合材を、ＤＶＤ用スピンドルモータの整流子に用いた場合には、その直流小型モータ自体の寿命を飛躍的に長期化することが可能となる。
本発明者等は、上記直流小型モータに使用される整流子材料の開発に伴い、その相手方となる刷子材料についても鋭意研究を行った結果、以下に説明する、直流小型モータ用に好適な２種類の刷子材料を見出した。
一つめの本発明に係る直流小型モータ用刷子材料は、０．１〜５．０重量％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、ＭｇＯ粒子を分散させたことを特徴とするものである。
そして、別の本発明に係る直流小型モータ用刷子材料は、５．０〜１５．０重量％のＮｉと、残部Ｐｔとの組成から構成されており、ＰｔマトリックスにＮｉを固溶させたことを特徴とするものである。
本発明に係る直流小型モータ用刷子材料のうち、Ａｇのマトリックス中にＭｇＯ粒子が分散したものでは、Ａｇマトリックス中に分散しているＭｇＯ粒子が、アークによる消耗を減らすとともに、刷子として用いた際の摺動部分における潤滑剤の役目を担い、摩擦抵抗を低減させる作用を有する。
このＡｇのマトリックス中にＭｇＯ粒子が分散した直流小型モータ用刷子材料では、ＭｇＯ粒子が摺動部分、即ち接点表面において固相潤滑剤として作用するものであるが、このＭｇＯの含有量は、０．１〜５．０重量％であることが望ましい。このＭｇＯの含有量が０．１重量％未満では潤滑剤としての機能を発揮しなくなる傾向となり、５．０重量％を超えると加工性が低下し、直流小型モータ用刷子として加工することが困難となる。このＭｇＯは、１．５〜４．０重量％の組成範囲にすることが摺動接点性を最も優れたものとすることができ、実用上非常に好適なものとなる。
また、Ａｇのマトリックス中にＭｇＯ粒子が分散した直流小型モータ用刷子材料は、いわゆる粉末冶金法により刷子材料を製造することで実現可能となる。粉末冶金法によれば、Ａｇマトリックス中に存在する酸化物粒子が極めて均一に分散されることになる。尚、このような粒子分散型の材料は、後述する、いわゆる溶解法によっては、同じ組織構造を有する直流小型モータ用刷子材料を製造することはできない。
次に、本発明に係る直流小型モータ用刷子材料で、ＰｔマトリックスにＮｉが固溶した合金のものは、Ｐｔ金属が、本来、アークによる消耗に対して優れているが、ＰｔマトリックスにＮｉを固溶させることで、刷子表面が滑らかになる。つまり、固溶Ｎｉは、刷子として用いた際の摺動部分における潤滑剤の役目を担い、摩擦抵抗を低減させる作用を有する。
また、ＰｔマトリックスにＮｉが固溶した合金からなる本発明に係る直流小型モータ用刷子材料では、固溶している金属ＮｉがＰｔの潤滑性を向上させているが、このＮｉの含有量は、５．０〜１５．０重量％であることが望ましい。このＮｉの含有量が５．０重量％未満ではＮｉの潤滑性向上機能が発揮できなくなる傾向となり、１５．０重量％を超えるとＮｉが酸化して酸化ニッケルとなることで、接触抵抗が低下する。このＮｉは、８．０〜１２．０重量％の組成範囲にすることが摺動接点性を最も優れたものとすることができ、実用上非常に好適なものとなる。
そして、ＰｔマトリックスにＮｉが固溶した合金からなる、本発明に係る直流小型モータ用刷子材料は、いわゆる溶解法により製造することで実現できる。従来から知られている直流小型モータ用刷子材料、例えばＡｇ５０ｗｔ％−Ｐｄ５０ｗｔ％合金は、いわゆる溶解法により製造されるもので、ＡｇＰｄの固溶合金とすることで摩耗を抑制している。本発明に係る、ＰｔマトリックスにＮｉが固溶した合金からなる直流小型モータ用刷子材料についても、Ａｇ５０ｗｔ％−Ｐｄ５０ｗｔ％合金と同様に、溶解法により製造可能であり、Ｐｔマトリックス中にＮｉ金属を固溶させることにより、Ｐｔのアークに対する耐消耗性と、Ｎｉを固溶させたことによる潤滑性の共存が可能になり、直流小型モータ用刷子材料として、極めて良好な耐摩耗性を実現できるものとなる。
上記した本発明に係る直流小型モータ用刷子材料をモータの刷子として使用する場合、より好適な刷子の構成材とするために、バネ性を有する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、本発明に係る直流小型モータ用刷子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、ベース材のばね性を利用して、刷子を最適な荷重で整流子と接触させることができる。また、クラッド複合材という形態を採用することにより、使用する直流小型モータに対応して、ベース材に埋設する本発明の直流小型モータ用刷子材料の厚みを制御できるので、必要な部分にのみ、高価な直流小型モータ用刷子材料を使用可能となり、経済的にも好適なものとすることができる。
本発明者等の研究によると、上記した本発明に係る直流小型モータ用整流子材料と刷子材料とを組み合わせて、ＤＶＤプレーヤーに使用される直流小型スピンドルモータに適用すると、低接触抵抗特性や、低電圧始動特性などを確実に実現できることを確認している。
以上説明したように、本発明の直流小型モータ用整流子材料又は刷子材料、あるいはこれら材料を組み合わせ、ＤＶＤプレーヤーに使用される直流小型スピンドルモータに適用すると、低い接触抵抗を経時的に維持し、低い始動電圧でモータを長時間駆動することができる。よって、本発明によれば、従来の整流子材料又は刷子材料では実現不能であった直流小型モータの長寿命化を実現できる。
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例に基づいて説明する。まず初めに、本発明の直流小型モータ用整流子材料及び刷子材料に関する摩耗特性評価の結果について説明する。表１には、本発明の直流小型モータ用整流子材料に関する実施例１の組成及びこの実施例１との特性対比を行った従来例１の直流小型モータ用整流子材料の組成を示している。
実施例１の直流小型モータ用整流子材料は、まず、８．０重量％のＣｕ粉末、３．０重量％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）を加えて圧縮加工処理し、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、９７３Ｋ（７００℃）の温度中で、４時間の焼結処理を行った（５．０Ｐａ）。この圧縮加工処理、焼結処理は、３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。
従来例１の直流小型モータ用整流子材料は溶解法によるもので、表１に記載した組成となるように、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、この従来例の直流小型モータ用整流子材料の製造方法については、特許文献１に詳細が開示されている。
特開平８−２９１３４９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０．３ｍｍ、幅１９ｍｍの二層クラッド複合材とした。
ここで、本発明に係るクラッド複合材の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直流小型モータ用整流子材料を埋設した、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直流小型モータ用整流子材料を埋設し、更にその埋設された直流小型モータ用整流子材料の一部を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は本発明の直流小型モータ用整流子材料、図２の符号１’は埋設された直流小型モータ用整流子材料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。
続いて、上記実施例１及び従来例１の整流子材料の摩耗特性評価を行った際に用いた整流子の相手方となる刷子材料について説明する。表２に、その直流小型モータ用刷子材料の組成を示す。
表２に示した各直流小型モータ用刷子材料による刷子（ブラシ）の製造方法について説明する。実施例２、実施例３については、各組成に相当するＭｇＯ粉末、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）を加えて圧縮加工処理し、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時間の焼結処理を行った（５．０Ｐａ）。この圧縮加工処理、焼結処理は、３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１．０ｍｍの線材とした。
次に、表２に示す実施例４及び従来例２の直流小型モータ用刷子材料による刷子の製造方法について説明する。この実施例４及び従来例２の刷子材料では、溶解法を用い、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１．０ｍｍの線材とした。
以上のようにして形成された刷用の各線材は、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、１０７３Ｋ（８００℃）で熱処理をし、圧延を繰り返して、総厚７０μｍ、幅１９ｍｍの二層クラッド複合材とした。この二層クラッド複合材は、図１で示したものと同様の形態であり、Ｃｕ合金からなるベース材の一部に本実施形態で示す直流小型モータ用刷子材料を埋設したものである。この刷子用の二層クラッド複合材の場合、図１における符号１は表２に示す直流小型モータ用刷子材料、図２の符号１’は埋設された直流小型モータ用刷子材料１の一部露出した部分を示す露出部、符号２はＣｕ合金のベース材を示すことになる。
そして、上記した二層クラッド複合材とした整流子及び刷子を用いて実際に直流小型モータを組み立て、モータを所定時間駆動した際の整流子及び刷子の摩耗状態を調べた。直流小型モータへの組み込みは、表１に示す各組成の直流小型モータ用整流子材料を用いて、上記した図１ａに示す二層クラッド複合材を作製し、このクラッド複合材を、外径３．３ｍｍ、長さ２．４ｍｍの三極コンミテータに加工し、ＤＶＤスピンドル用直流小型モータに組込んだ。また、表２に示す各組成の直流小型モータ用刷子材料については、上記した図１ａに示す二層クラッド複合材を作製し、このクラッド複合材を、３本フォークの刷子形状に加工し、ＤＶＤスピンドル用直流小型モータに組込んだ。比較試験の条件は、表３に示す通りで、その際のパルス制御の波形概略を図３に示す。
ここでの摩耗特性評価は、表４に示す整流子材料と刷子材料との組み合わせの直流小型モータについて行った。試験温度は６０℃で、各組み合わせの直流小型モータ５台について、１２ｃｍのＤＶＤディスクを負荷として２００時間回転した後で、その５台のモータの整流子及び刷子（ブラシ）の摩耗深さを測定して、その平均値を算出した。その結果を表４に示す。
表４に示すように、実施例１の整流子材料と実施例４の刷子材料との組み合わせのモータでは、整流子の摩耗深さ、刷子（ブラシ）の摩耗深さがともに、従来例１の整流子材料と従来例２の刷子材料との組み合わせのモータに比べて、格段に小さいことが判明した。また、整流子材料或いは刷子材料のいずれか一方が本願発明の組成である場合においても、従来例１の整流子材料と従来例２の刷子材料との組み合わせのモータに比べて、整流子の摩耗深さ、刷子（ブラシ）の摩耗深さが小さいことが判明した。通常、ＤＶＤスピンドル用直流小型モータのパルス制御では、頻繁にモータ回転制御電圧がかかるため、定格の１０倍相当の突入電流が変化することになる。このとき発生する火花によって、整流子においては整流子片の整流切り替わり部分が溶損摩耗し、そして、切り替わり部分が摩耗すると刷子（ブラシ）への移着量も増え、凝着摩耗が激しくなるものと考えられる。このような凝着摩耗現象は、従来例１の整流子材料と従来例２の刷子材料との組み合わせのモータで顕著に見受けられたものの、それ以外の組み合わせのモータではこのような摩耗現象が抑制されていることが確認された。
次に、表１及び表２で示した整流子材料及び刷子材料を用いた直流小型モータに関して、耐久試験を行った結果について説明する。
この耐久試験条件は、試験時間以外は表３に示す条件と同じであり、パルス制御の波形も図３と同様にして行った。また、この耐久試験は、表５に示す整流子材料と刷子材料との組み合わせで組み立てた直流小型モータ５台について行った。この耐久試験は、モータが故障した時間を測定したものであるが、耐久寿命が１３００時間を越えたものは、１３００時間で耐久試験を中止し、１３００時間の耐久時間とした。
表５に示すように、実施例１の整流材料と、実施例２〜４の刷子材料との組み合わせにおいては、５台のモータのすべてが１０００時間以上の耐久寿命を有していることが判明し、市場要求を満たすことが判明した。
Claims (9)
- ６．０〜１０．０重量％のＣｕと、１．０〜５．０重量％のＺｎＯ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、Ｃｕ金属粒子、ＺｎＯ粒子を分散させたことを特徴とする直流小型モータ用整流子材料。 - Ｃｕ又はＣｕ合金のベース材料上の一部に、請求項１に記載の直流小型モータ用整流子材料を埋設したものであるクラッド複合材。
- 埋設した直流小型モータ用整流子材料上の少なくとも一部をＡｕ又はＡｕ合金で被覆した請求項２に記載のクラッド複合材。
- 請求項２又は請求項３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。
- 請求項１に記載の直流小型モータ用整流子材料を整流子に使用した直流小型モータに用いる直流小型モータ用刷子材料であって、
０．１〜５．０重量％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、ＭｇＯ粒子を分散させたことを特徴とする直流小型モータ用刷子材料。 - 請求項１に記載の直流小型モータ用整流子材料を整流子に使用した直流小型モータに用いる直流小型モータ用刷子材料であって、
５．０〜１５．０重量％のＮｉと、残部Ｐｔとの組成から構成されており、ＰｔマトリックスにＮｉを固溶させたことを特徴とする直流小型モータ用刷子材料。 - バネ性を有するＣｕ合金のベース材料上の一部に、請求項５又は請求項６に記載の直流小型モータ用刷子材料を埋設したものであるクラッド複合材。
- 請求項７に記載のクラッド複合材を刷子として用いた直流小型モータ。
- 請求項２又は請求項３に記載のクラッド複合材を整流子として用いるとともに、請求項７に記載のクラッド複合材を刷子として用いた直流小型モータ。
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