JP4611966B2 - 電動機 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械に用いられる金属被覆カーボンブラシを有する電動機に関する。

電気機械用カーボンブラシ（以下、ブラシという。）が用いられている電動機は、近年とくに小型化、大容量化が進んでおり、それに用いられるブラシは、小型ながら電気伝導抵抗損（以下、抵抗損という。）が小さく、かつ摩耗が少ないブラシが要求されるようになっている。

スリップリングや低電圧の電動機に用いられているブラシには、これまで黒鉛粉と金属粉を混合焼結させた金属質のものが良く用いられているが、ブラシでの抵抗損を下げる為に、金属の含有量を多くすると潤滑性や、対アーク性が悪くなり、摩耗量が大きくなるという問題があった。

また、交流整流子電動機用では、抵抗損を小さくする為に、抵抗の小さい材質を用いると整流が悪くなって、摩耗が増加するという問題があった。

逆に、抵抗の大きい材質を用いた場合には、大きい電流を流すと抵抗発熱によりブラシの温度が上昇する。ブラシは通常リード線を銅粉等で埋め込んで圧縮、接合し、電流を供給するが、ブラシの温度が高いと、かしめの部分の銅粉やリード線が酸化されて通電が悪くなり、ついには電動機が停止するという問題が発生する可能性があった。

また交流整流子電動機用の中でも、電気掃除機用などのように回転数の高い電動機では、高回転時においても整流が良好で、かつ掃除機本体の使用期間中ブラシ交換をしなくても良いように、寿命を非常に長くしたいという要求特性から、黒鉛粉を樹脂バインダーで結合して硬化せしめたレジンボンド系の材質が用いられている事がある。しかし、レジンボンド系の材質の場合、電流密度が大きい条件で使用すると、ブラシ本体の抵抗が大きいため温度が上昇し、バインダーに用いている樹脂が熱劣化するという問題もあった。

これらの問題を解決する為に、カーボンを少なくとも一成分として含み、カーボンブラシ全体としての電気抵抗が減るように、ブラシ基材の表面に電気良導性金属層を被覆してなるカーボンブラシが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−１８２７３３号公報

しかしながら、炭素質材料表面に、金属を均一な厚みで被覆することは困難であったため、被覆膜厚のばらつきによって、被覆された金属の表面に色ムラが発生することがあり、ブラシを有している電動機を使用する使用者に不快感を抱かせるおそれがあった。また、酸化の原因となり、良好な電気抵抗を維持できないカーボンブラシを有している電動機となっていた。

本発明は、表面に被覆される金属の膜厚が均一化され、表面の色ムラを抑えた金属被覆カーボンブラシを有する電動機を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための本発明に係る電動機は、センシタイザーとなるＳｎＣｌ _２ が添加されている第１の前処理液、アクティベーターとなるＰｄＣｌ _２ が添加されている第２の前処理液の順で処理することによって得られた、平均気孔半径が０．１〜２．０μｍ且つ累積気孔容積が５０〜６００ｍｍ^３／ｇである炭素質材料からなる基材と、前記基材表面に無電解メッキ法により被覆された金属とからなり、金属被覆された炭素質材料の平均気孔半径が０．１〜２．０μｍであり且つ累積気孔容積５０〜６００ｍｍ ^３ ／ｇである。また、前記金属が、銅、銀、または銅の表面に形成された銀から選ばれるものである。また、前記金属の膜厚が、１〜１０μｍであるものである。

以上のように、基材に、平均気孔半径が０．１〜２．０μｍ、累積気孔容積が５０〜６００ｍｍ^３／ｇの炭素質材料を用い、無電解メッキの際に、予め、センシタイザーとしてＳｎＣｌ_２、アクティベーターとしてＰｄＣｌ_２が添加された前処理液に浸漬することによって、表面に色ムラなくしかも堅固に金属を被覆することが可能となり、使用者の美的感覚を満足させるとともに、酸化防止も可能となる金属被覆カーボンブラシを有している電動機を提供できる。

本発明で使用される炭素質材料からなるブラシ基材としては、（１）黒鉛粉を熱硬化性樹脂などのバインダーで混練し、硬化せしめただけのもの（レジンボンド系）、（２）黒鉛粉を熱硬化性樹脂又はピッチなどのバインダーで混練し、低温度で焼成して、バインダー成分を炭化したもの（ＣＧ系）、（３）さらに高温で焼成して、炭素成分の少なくとも一部を黒鉛化処理したもの（ＥＧ系）がある。本発明においては、特に（１）のレジンボンド系の基材が主たる対象とされる。レジンボンド系の基材においては、バインダーとして用いた樹脂は、硬化させたままの状態で使用し、これを炭素化又は黒鉛化していないので、電気絶縁性が比較的高い。従って、抵抗が大きく整流性が良好である利点がある。逆に抵抗が大きいことに起因する抵抗損が大きく、結果として発熱が大きい欠点が生じ、高温条件下で長時間の使用により、樹脂が劣化して特性が変化する欠点が併発する。

このような相反する特性の要求は、ブラシ基材周囲の外表面に、銅、銀、または銅の表面に形成された銀から選ばれる金属の被覆を行うことにより、内部の基材の抵抗は高くても、外表面に被覆された金属の作用でみかけの抵抗を下げ、温度上昇を抑え、ブラシの使用による性能変化を防ぐ等、レジンボンド系基材の欠点をことごとく補うことができ、長所と相俟って極めて高性能のブラシを作ることができる。

そして、金属を被覆するブラシ基材としては、平均気孔半径が０．１〜２．０μｍ、好ましくは０．５〜１．５μｍ、累積気孔容積が５０〜６００ｍｍ^３／ｇ、好ましくは１００〜５００ｍｍ^２／ｇとなるように、調整する。そして、表面の金属の膜厚が、１〜１０μｍ、好ましくは、２〜５μｍとなるように金属を被覆することによって、表面に金属を被覆した場合に、金属表面の色ムラを抑制することができる。

ブラシ基材の表面に金属の被覆を行う方法としては、無電解メッキ法が好ましい。無電解メッキの方法は文献等により公知の方法が広く採用される。例えば「無電解メッキ」［槇書店、神戸徳蔵氏著（１９８６）］に詳記されており、本発明にかかるブラシ基材に対して、その表面に堅牢な被膜を形成させることができる。この文献にも記されるように、無電解メッキの原理は、例えば銅を例示すると、銅塩水溶液に対して錯化剤として酒石酸アルカリ塩、ＥＤＴＡなどを加え、弱アルカリ性下にて錯化状態で安定化せしめ、還元剤としてはホルムアルデヒドやヒドラジン塩などを用いて、基材上に銅被膜を折出形成させるものである。

この無電解メッキ法による際に、前処理液中に、センシタイザーとして塩化第一スズ（ＳｎＣｌ_２）、アクティベーターとして塩化パラジウム（ＰｄＣｌ_２）を添加する。そして、電解温度を室温で、処理時間３０分間以内、好ましくは１５分間以内処理することによって、基材表面に膜厚1〜１０μｍの均一な膜厚の金属を被覆することができる。ここで、市販の無電解メッキ液では８０℃±５℃が電解温度の最適温度になっているものもあるが、ブラシ基材等の炭素質材料では、反応速度を遅らせ、金属結晶構造を緻密にするため、電解温度を室温としている。なお、本発明の電動機は、上記カーボンブラシ以外、一般に使用されている構成のものを用いることができる。

以下、実施例により本発明の電動機に係る金属被覆カーボンブラシを具体的に説明する。

（実施例１）
平均粒子径が５０μｍの黒鉛粒子７５質量％と、バインダーとしてエポキシ樹脂を２５質量％と、を混合し、混練した。この混練物を所定の大きさとなるように粉砕した後、１５ＭＰａで所定形状に成形し、１８０℃で熱処理を行い、バインダーを硬化させ、平均気孔半径が１．１μｍ、累積気孔容積が３３９ｍｍ^２／ｇのブラシ基材を作製した。次いで、この基材を、水洗した後、センシタイザーとなるＳｎＣｌ_２が１．０質量％添加された水・アルコールで形成される前処理液に浸漬した。そして、再度水洗した後、アクティベーターとなるＰｄＣｌ_２が１．０質量％添加された水で形成される前処理液に浸漬する。前処理液には、それぞれ３分間浸漬し、化学反応させた後、水洗し、２０〜２５℃に調整された硫酸銅の水溶液に浸漬し、次いでこの溶液中に水酸化ナトリウムを加えて１０分間保持し、基材表面に２μｍの略均一な膜厚の銅を被覆した。なお、基材の平均気孔半径及び累積気孔容積は、水銀圧入法（ＦＩＳＯＮＳ社製：ポロシメータ２０００型）によって計測し、下記の式によって算出した。
[数式１]

ここで、ｒは気孔半径、δは水銀の表面張力（通常、４．８×１０^−３Ｎを採用）、Ｐは加えられた圧力、θは接触角（１４１．３°を採用）を示す。また、計測範囲は、気孔半径が７５μｍ〜０．００６８μｍ（９．８×１０^３Ｐａ〜１０．８×１０^７Ｐａ）とし、平均気孔半径は、半径０．０１μｍの累積気孔容積の１／２値に対応する半径を示している。なお、これらブラシ基材の平均気孔半径及び累積気孔容積は、メッキの前後によって、変化することはなかった。

（実施例２）
平均粒子径が５０μｍの黒鉛粒子７５質量％と、バインダーとしてエポキシ樹脂を２５質量％と、を混合し、混練した。この混練物を所定の大きさとなるように粉砕した後、２０ＭＰａで所定形状に成形し、１８０℃で熱処理を行い、バインダーを硬化させ、平均気孔半径が０．１２μｍ、累積気孔容積が５６ｍｍ^２／ｇのブラシ基材を作製した。以下、実施例１と同様にして表面に銅を被覆した。

（実施例３）
平均粒子径が５０μｍの黒鉛粒子７５質量％と、バインダーとしてエポキシ樹脂を２５質量％と、を混合し、混練した。この混練物を所定の大きさとなるように粉砕した後、１０ＭＰａで所定形状に成形し、１８０℃で熱処理を行い、バインダーを硬化させ、平均気孔半径が１．９μｍ、累積気孔容積が５７１ｍｍ^２／ｇのブラシ基材を作製した。以下、実施例１と同様にして表面に銅を被覆した。

（比較例１）
前処理液中にセンシタイザーとなるＳｎＣｌ_２、アクティベーターとなるＰｄＣｌ_２を添加しなかった以外は、実施例１と同様にして、ブラシ基材表面に銅を被覆した金属被覆カーボンブラシを形成した。

（比較例２）
平均粒子径が５０μｍの黒鉛粒子７５質量％と、バインダーとしてエポキシ樹脂を２５質量％と、を混合し、混練した。この混練物を所定の大きさとなるように粉砕した後、２３ＭＰａで所定形状に成形し、１８０℃で熱処理を行い、バインダーを硬化させ、平均気孔半径が０．０８μｍ、累積気孔容積が４４ｍｍ^２／ｇのブラシ基材を作製した。以下、実施例１と同様にして表面に銅を被覆した。

（比較例３）
平均粒子径が５０μｍの黒鉛粒子７５質量％と、バインダーとしてエポキシ樹脂を２５質量％と、を混合し、混練した。この混練物を所定の大きさとなるように粉砕した後、９ＭＰａで所定形状に成形し、１８０℃で熱処理を行い、バインダーを硬化させ、平均気孔半径が２．２μｍ、累積気孔容積が６５８ｍｍ^２／ｇのブラシ基材を作製した。以下、実施例１と同様にして表面に銅を被覆した。

図１に、実施例１および比較例１の金属被覆カーボンブラシの表面の写真を示す。比較例１のものは、表面の金属に色ムラが観察できる。

また、比較例２，３のものは、メッキ膜の剥離が発生するとともに、メッキ表面に色ムラも観察された。

したがって、本発明の電動機に係る金属被覆カーボンブラシが、表面に色ムラなくしかも堅固に金属を被覆することが可能となり、使用者の美的感覚を満足させるとともに、酸化防止も可能となっていることがわかった。

実施例１および比較例１によるカーボンブラシの外観比較する写真である。

Claims (3)

1. センシタイザーとなるＳｎＣｌ _２ が添加されている第１の前処理液、アクティベーターとなるＰｄＣｌ _２ が添加されている第２の前処理液の順で処理することによって得られた、平均気孔半径が０．１〜２．０μｍ且つ累積気孔容積が５０〜６００ｍｍ^３／ｇである炭素質材料からなる基材と、前記基材表面に無電解メッキ法により被覆された金属とからなり、
   金属被覆された炭素質材料の平均気孔半径が０．１〜２．０μｍであり且つ累積気孔容積５０〜６００ｍｍ ^３ ／ｇであることを特徴とする金属被覆カーボンブラシを有していることを特徴とする電動機。
2. 前記金属が、銅、銀、または銅の表面に形成された銀から選ばれるものであることを特徴とする請求項１記載の電動機。
3. 前記金属の膜厚が、１〜１０μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動機。

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