JP4773977B2 - カーボンブラシ及び回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の整流子に押圧される給電用のカーボンブラシ、及びそのカーボンブラシを備えた回転電機に関する。

従来、回転電機等において給電用に用いられるカーボンブラシは、原料黒鉛粒子、金属粒子、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）等の固体潤滑剤の粒子、及び有機系バインダを加圧成形し、次いで成形物を焼成することにより製造されている。図９Ａに模式的に示すように、従来のカーボンブラシ９０は、原料黒鉛粒子９１、金属粒子９２及び固体潤滑剤の粒子９３が分散された構造を有している。原料黒鉛粒子９１は、例えば、黒鉛化性材料を高温処理して黒鉛化材料を得た後、黒鉛化材料を粉末状に粉砕する方法、或いは黒鉛化性材料を粉砕した後に高温処理して黒鉛化材料を得る方法により製造される。粉砕の程度によって、様々な粒径を有する原料黒鉛粒子９１が製造され得る。３０μｍ程度の平均粒径を有する原料黒鉛粒子９１が、信頼できる性能を有するカーボンブラシ９０の原料として用いられている。高い導電性を有することから、銅の粒子が金属粒子９２として好適に用いられている。

従来のカーボンブラシ９０では、各原料黒鉛粒子９１の表面に有機系バインダの炭化物９４が被覆されている。さらに、複数の原料黒鉛粒子９１同士が付着して黒鉛粒９５を形成している。有機系バインダの炭化物９４は、図中では全ての原料黒鉛粒子９１の外周を覆っている黒い太線にて描写されている。各黒鉛粒９５は、図中では点線で囲まれた領域に存在する複数の原料黒鉛粒子９１から構成されている。さらに、このカーボンブラシ９０では、各黒鉛粒９５の外表面にさらにバインダ（図示略）が塗布され、当該バインダを介して黒鉛粒９５同士が付着している。加えて、金属粒子９２及び固体潤滑剤の粒子９３が黒鉛粒９５間の隙間に分散されている。

このようなカーボンブラシ９０としては、例えば特開平５−１４４５３４号公報に開示されている金属黒鉛ブラシが知られている。この金属黒鉛ブラシは、所定配合比率にて混合された黒鉛粉体と金属粉体とが所定の形状に加圧成形され、成形物が焼成されることにより形成されている。金属のうちの銅は、微細粒子の粉体と、この微細粒子の粉体の粒径の２０倍乃至１５０倍の大粒子の粉体とを含有している。微細粒子の粉体と大粒子の粉体との配合比は４：６〜６：４である。金属黒鉛ブラシは、ブラシ材料の一つである金属粉体として、少なくとも微細粒子の粉体と大粒子の粉体との２種類のブレンド粉体が用いられることにより、金属黒鉛ブラシと、これと摺動するものとの摩擦摺動によって発生する摺動騒音及び自励振動異音を抑制する。金属黒鉛ブラシはまた、比抵抗及び寿命（耐摩耗性）に優れている。

ところが、前記従来のカーボンブラシ９０では、図９Ｂに示されるように黒鉛粒９５の粒径にバラツキが多い。図９Ｂは、図９Ａの模式図から金属粒子９２及び固体潤滑剤の粒子９３が消去されて黒鉛粒９５及び原料黒鉛粒子９１の分散状態が強調された状態を示す。黒鉛粒９５の粒径のバラツキによって、例えば図３Ｂの電子顕微鏡写真に示されるように、大きな空孔９６ａと小さな空孔９６ｂとが共存している。前記空孔９６ａ，９６ｂは、原料黒鉛粒子９１、金属粒子９２、固体潤滑剤の粒子９３、バインダの炭化物９４、及び黒鉛粒９５が存在していない空間である。

空孔９６ａ，９６ｂのサイズ及び分布のバラツキが大きいことと、大きな空孔９６ａが形成され易いこととは、カーボンブラシ９０に対して大きな負荷がかかると、例えば図３Ｄの電子顕微鏡写真に示されるようなクラック９７が発生する原因となる。これはカーボンブラシ９０の強度を低下させる。また、金属粒子９２の分散が不均一になりやすく、電圧降下の増大、摩擦時の騒音の増大等の様々な不具合が発生する可能性も高められる。

従って、本発明の目的は、電圧降下を低減させるとともに摩擦時の騒音を抑え、且つ寿命を延ばすカーボンブラシ及び回転電機を提供することにある。

本発明に従って上記及び他の目的を達成するために、黒鉛粒及び金属粒子を含有するカーボンブラシが提供される。黒鉛粒及び金属粒子は分散状態で焼結されている。黒鉛粒は複数の原料黒鉛粒子の造粒物で構成されている。造粒物の表面は非晶質のカーボンで被覆されている。各黒鉛粒の粒径は６０〜２８０μｍの範囲内である。

黒鉛粒及び金属粒子を含有する他のカーボンブラシが提供される。黒鉛粒及び金属粒子は分散状態で焼結されている。黒鉛粒は複数の原料黒鉛粒子の造粒物で構成されている。造粒物の表面は非晶質のカーボンで被覆されている。各黒鉛粒の粒径は原料黒鉛粒子の平均粒径の１０倍以下である。

更に、本発明は、黒鉛粒及び金属粒子を含有する他のカーボンブラシを提供する。黒鉛粒及び金属粒子は分散状態で焼結されている。黒鉛粒は複数の原料黒鉛粒子の造粒物で構成されている。造粒物の表面は非晶質のカーボンで被覆されている。黒鉛粒の平均粒径は原料黒鉛粒子の平均粒径の５倍以下である。

更に、本発明は、黒鉛粒及び金属粒子を含有する他のカーボンブラシを提供する。黒鉛粒及び金属粒子は分散状態で焼結されている。黒鉛粒は複数の原料黒鉛粒子同士が結合された造粒物で構成されている。造粒物の表面は非晶質のカーボンで被覆されている。

本発明のもう一つの特徴によれば、上述のカーボンブラシを有する回転電気が提供される。
本発明の他の特徴及び利点は、本発明の原理を例示するために示される下記の記載及び添付の図面から明らかになる。

本発明は、その目的及び利点とともに、添付の図面及び下記の好適な実施形態の記載を参照することによりよく理解されるだろう。
本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリングモータ及び当該モータに配設されるカーボンブラシを、図面を参照して説明する。

図１に示すように、回転電機、本実施形態では直流モータ２１は、略有底円筒状のヨークハウジング２２と、エンドフレーム２３と、ヨークハウジング２２の内周面に固定される複数のマグネット２４と、ヨークハウジング２２及びエンドフレーム２３で囲まれた空間に収容される電機子２５及びブラシ装置２６とを備えている。ヨークハウジング２２の開口部は、径方向外側に延びるフランジ部２２ａを介して前記エンドフレーム２３の外周部に固定されている。エンドフレーム２３は略円盤状に形成され、その中央部には中央孔２３ａが形成されている。

電機子２５は、回転軸２８と、該回転軸２８に固定されるコア２９と、該コア２９に巻回される巻線３０と、回転軸２８のエンドフレーム２３側の部分に固定される整流子３１とを備えている。回転軸２８の上端は、ヨークハウジング２２の底部の中央に設けられた軸受３２に支持され、回転軸２８の下端は、エンドフレーム２３の中央孔２３ａの内周に固定された軸受３３に回転可能に支持されている。回転軸２８の下端は、軸受３３によって回転可能に支持されながら中央孔２３ａから外部に突出している。突出した回転軸２８の下端部には嵌合部材３４が固定されている。嵌合部材３４は、図示しない外部の被回転軸（本実施形態ではステアリングシャフト）と回転方向において係合するように嵌合するための嵌合凹部３４ａを有している。整流子３１は略円筒状をなし、その外周面に複数のセグメント３１ａを備えている。各セグメント３１ａは前記巻線３０と電気的に接続されている。

ブラシ装置２６は、エンドフレーム２３上で整流子３１に隣接して配設されている。ブラシ装置２６は、整流子３１の周方向に沿って１８０度間隔で設けられている。各ブラシ装置２６は、ブラシホルダ３５と、カーボンブラシ３６と、コイルばね３７とを備えている。各ブラシホルダ３５は有底略四角筒状をなし、その開口部を整流子３１に向けた状態でエンドフレーム２３に固定されている。ブラシホルダ３５の上面には、その長手方向（ブラシホルダ３５における整流子３１の径方向）に沿って延びる取出溝３５ａが形成されている。

カーボンブラシ３６は略直方体状をなしている。各カーボンブラシ３６は、ブラシホルダ３５の両側壁の間に、該側壁と一定の間隙を有して該ブラシホルダ３５の一つ内に収容されている。この間隙は、直流モータ２１が長時間駆動される場合に、カーボンブラシ３６と整流子３１との接触抵抗により起こるカーボンブラシ３６の熱膨張を考慮して設けられている。各カーボンブラシ３６の後端面と、対応するブラシホルダ３５の底部との間には、付勢手段としてのコイルばね３７が圧縮された状態で配設されている。各コイルばね３７は、カーボンブラシ３６の先端部が整流子３１の外周面（セグメント３１ａ）に当接するように、対応するカーボンブラシ３６を整流子３１へ付勢している。

カーボンブラシ３６の上面には給電用リード線としてのピグテール３８が接続されており、ピグテール３８は、ブラシホルダ３５に形成された前記取出溝３５ａから対応するブラシホルダ３５の外部へ突出している。ピグテール３８は、図示しない給電端子を介して直流電源に接続されている。直流モータ２１では、ピグテール３８及びカーボンブラシ３６を介して整流子３１に駆動電流が供給され、電機子２５が正回転又は逆回転される。

カーボンブラシ３６は、整流子３１と擦れ、滑り接点を作るために用いられる導電体である。カーボン刷子３６の先端面が整流子３１のセグメント３１ａの一つに押圧されると、セグメント３１ａを介して駆動電流が巻線３０へ供給される。整流子３１は、直流電源から供給される直流電流を交流電流に変換する整流を引き起こす。具体的には、カーボンブラシ３６とセグメント３１ａとの間の押圧接触の際に巻線３０内の電流短絡し、次いで、短絡の瞬間から解除されるまでの極めて短い間に電気的に１８０度反転する。整流は、電流が繰り返し反転して起きる。カーボンブラシ３６とセグメント３１ａとの間の押圧接触は、電機子２５の回転により間欠的に引き起こされ、前記短絡と解除とを短い周期で繰り返す。

カーボンブラシ３６がセグメント３１ａに押圧される際には、接触前に比べて接触後に巻線３０内の通電電流の電圧が降下する現象（電圧降下）が発生する。この電圧降下は、カーボンブラシ３６とセグメント３１ａとの間に接触抵抗が働くために引き起こされ、エネルギーロスの原因となる発熱等が起こる。この電圧降下は、高い導電性を有する金属粒子４２の含有量を増加させることによって低減されている。

カーボンブラシ３６がセグメント３１ａに押圧される際には、カーボンブラシ３６及びセグメント３１ａ間に摺動摩擦が作用する。摺動摩擦、即ちカーボンブラシ３６及びセグメント３１ａ間の摩擦係数μが大きくなると、カーボンブラシ３６の振動、及び直流モータ２１の騒音又は異音が大きくなる。摩擦係数μは、カーボンブラシ３６中の金属粒子４２の含有量に比例している。

カーボンブラシ３６は、製造（加圧成形）時に添加された有機系バインダの炭化により生成される炭化物を含有している。炭化物は、カーボンブラシ３６がセグメント３１ａに押圧される際に該セグメント３１ａの表面に付着してカーボンブラシ３６の振動又は火花を発生させる。即ち、カーボンブラシ３６は、有機系バインダの含有量を低減させることにより、振動及び火花の抑制を実現することが容易となる。

次に、好適な実施形態に係るカーボンブラシ３６を従来のカーボンブラシ９０との比較を交えてさらに説明する。
図２Ａは、好適な実施形態に係るカーボンブラシ３６の任意の切断面における微細構造を模式的に示している。図３Ａは、好適な実施形態に係るカーボンブラシ３６の切断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したときの電子顕微鏡写真を示している。

図２Ａに示すように、カーボンブラシ３６は、黒鉛粒４１及び金属粒子４２が分散状態で焼結されることにより形成されている。さらに、カーボンブラシ３６は、黒鉛粒４１及び金属粒子４２に加えて、カーボンブラシ３６と整流子３１との間の摺動摩擦抵抗を低減させるために、固体潤滑剤の粒子（以下、固体潤滑剤粒子４３と記載する）が分散した状態で焼結されることにより好ましくは形成されている。カーボンブラシ３６は、黒鉛粒４１、金属粒子４２及び有機系バインダを加圧成形した後に、成形物を焼成することにより製造されている。このとき、固体潤滑剤粒子４３が添加された状態で加圧成形されることが好ましい。上述では、焼結は焼成時の熱処理により粒子同士が結合して加圧成形時に形成された形状で固まることを意味している。即ち、語句「焼成によって形成される」とは、粒子が焼成によって固められる工程全般を意味する。

カーボンブラシ３６に高い導電性を付与するために、金属粒子４２として導電性を有する金属の微粉末が用いられ、好ましくは銅の微粉末が用いられる。固体潤滑剤粒子４３として、例えば二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）の微粉末が用いられる。本実施例では、約３０μｍの平均粒径を有する銅の微粉末と、約１μｍの平均粒径を有す二硫化モリブデンの微粉末とが用いられている。有機系バインダは、加圧成形時の成形性を高めるために添加されている。有機系バインダは、焼成によって炭化した状態でカーボンブラシ３６内に残留している。

図２Ｂは、図２Ａの模式図から金属粒子４２及び固体潤滑剤粒子４３が消去されて黒鉛粒４１の分散状態が強調された状態を示している。
図２Ａ及び２Ｂに示すように、各黒鉛粒４１は、複数の原料黒鉛粒子４４の造粒物から構成されている。原料黒鉛粒子４４は、例えば、黒鉛化性材料を高温処理して黒鉛化材料を得た後、黒鉛化材料を粉末状に粉砕する方法、或いは黒鉛化性材料を粉砕した後に高温処理して黒鉛化材料を得る方法により製造される。

各黒鉛粒４１内の原料黒鉛粒子４４は、隣接する原料黒鉛粒子４４と互いに密着するとともに比較的弱い結合力で互いに結合している。前記比較的弱い結合力は、隣接する原料黒鉛粒子４４同士が焼結時に密着した状態で配置され、その状態で固められることに起因している。

各黒鉛粒４１（造粒物）の表面は、図２Ａ及び２Ｂ中に黒い太線で示される有機系バインダの炭化物４５（非晶質のカーボン）で被覆されている。有機系バインダの炭化物４５は、各黒鉛粒４１を構成する複数の原料黒鉛粒子４４の間の前記弱い結合力を強化する働きを有する。さらに、有機系バインダの炭化物４５は、各黒鉛粒４１の表面において、当該黒鉛粒４１全体の強度を高めるための強い結合力を発揮している。前記強い結合力は、前記複数の原料黒鉛粒子４４間の比較的弱い結合力よりも強い力を意味している。

有機系バインダの炭化物４５の表面、即ち各黒鉛粒４１の表面には、金属粒子４２及び固体潤滑剤粒子４３が存在している。金属粒子４２及び固体潤滑剤粒子４３は、有機系バインダの炭化物４５と弱い結合力で結合している。前記弱い結合力は、各黒鉛粒４１の表面上において有機系バインダの炭化物４５により発揮される前記強い結合力よりも弱い力を意味し、おそらくは前記複数の原料黒鉛粒子４４間の比較的弱い結合力よりも弱い。

図２及び図３Ａに示すように、カーボンブラシ３６の内部には、黒鉛粒４１、金属粒子４２、及び固体潤滑剤粒子４３の間に複数の空孔４６が形成されている。空孔４６は、黒鉛粒４１、金属粒子４２、固体潤滑剤粒子４３、原料黒鉛粒子４４、及び有機系バインダの炭化物４５のいずれもが存在していない空間である。

図９Ａ、９Ｂ及び図３Ｂ、３Ｄに示すように、従来のカーボンブラシ９０（比較例）は、各原料黒鉛粒子９１の表面にバインダ（炭化物９４）が被覆されていることが、好適な実施形態のカーボンブラシ３６と相違する。その結果、カーボンブラシ９０の各黒鉛粒９５に含まれる原料黒鉛粒子９１の個数が大きく変わり、粒径に大きなバラツキが生じている。さらに、カーボンブラシ９０では、前記黒鉛粒９５、金属粒子９２、及び固体潤滑剤粒子９３の間に形成された空孔９６ａ，９６ｂのサイズも大きな変わる。比較例のカーボンブラシ９０は、３０μｍの平均粒径を有する原料黒鉛粒子９１と、約３０μｍの平均粒径を有する銅の微粉末と、約１μｍの平均粒径を有する二硫化モリブデンの微粉末とを前記好適な実施形態と同じように含有している。

好適な実施形態のカーボンブラシ３６において、各黒鉛粒４１が複数の原料黒鉛粒子４４を含んでいることから、各黒鉛粒４１の粒径は、各原料黒鉛粒子４４の粒径よりも必然的に大きくなっている。黒鉛粒４１の粒径は、６０〜２８０μｍの範囲内である。例えば図４Ａのグラフに示すように、３０μｍの平均粒径を有する原料黒鉛粒子４４を用いて製造されたカーボンブラシ３６内の黒鉛粒４１は、４０〜３００μｍの粒径の範囲内でほぼ正規分布に従った分布を示し、６０〜２８０μｍの範囲内に全粒径の９９．７％が含まれており、７０〜１８０μｍの範囲内に全粒径の６０％が含まれている。具体的には、黒鉛粒４１の最大粒径は、原料黒鉛粒子４４の平均粒径（３０μｍ）の１０倍以下である。さらに、図４Ａに示すように、黒鉛粒４１の平均粒径は１４０μｍであり、原料黒鉛粒子４４の平均粒径（３０μｍ）の５倍以下である。黒鉛粒４１の粒径は、ＳＥＭ写真上で複数の黒鉛粒４１を検出し、各黒鉛粒４１の外形を円又は楕円に見立てることにより測定される。前記ＳＥＭ写真上には、原料黒鉛粒子４４に相当する物質は検出されていない。

図４Ｂのグラフに示すように、比較例（従来）のカーボンブラシ９０の場合、各黒鉛粒９５の粒径は７０μｍ以上であるとともに、４００μｍを超える粒径を有する多くの黒鉛粒９５が含まれている。更に、分布は正規分布に従っていない。黒鉛粒９５の全粒径の９９．７％が８０〜４００μｍの範囲内に含まれている。また、平均粒径は１７０μｍであり、原料黒鉛粒子９１の平均粒径（３０μｍ）の５倍を超えている。

実施例及び比較例に係る各カーボンブラシのＳＥＭ写真上に、上位１０個の空孔が検出される。図３Ｃは、これらの空孔の最大寸法を得ることにより測定された空孔の寸法の平均値、最大値、及び最小値を示すグラフである。従って、空孔の寸法は該空孔の寸法の最大値を示す。図３Ｃに示すように、実施例に係るカーボンブラシ３６の空孔の寸法は４〜１４μｍの範囲内に分布しているとともに寸法の平均は９μｍであるのに対し、比較例に係るカーボンブラシ９０の空孔の寸法は６〜２０μｍの範囲内に分布しているとともに寸法の平均は９μｍである。即ち、本実施例に係るカーボンブラシ３６では、空孔４６の最大寸法（１４μｍ）が原料黒鉛粒子４４の平均粒径（３０μｍ）の半分以下である。更に、比較例のカーボンブラシ９０と比べて空孔４６のサイズにバラツキが少ない。このため、本実施例のカーボンブラシ３６は、クラック９７の形成を抑えて寿命を容易に延ばす。

図５Ａは、図４Ａ及び図３Ｃの実施例（図中ではバインダ量低減なしと記載されている）、比較例、及び該実施例から有機系バインダの添加量を質量比で３０％低減させた別の実施例（図中ではバインダ量３０％低減と記載されている）に係るカーボンブラシ３６の曲げ強度の平均値、最大値、及び最小値を示すグラフである。前記曲げ強度は、公知の３点曲げによって評価されている。図５Ａに示すように、本実施例（バインダ量低減なし）のカーボンブラシ３６は、比較例のカーボンブラシ９０と比べて高い曲げ強度を有している。この曲げ強度の増大はカーボンブラシの弾性係数の増大を招く。従って、本実施例は、カーボンブラシの機械摩耗が低減する一方で騒音及び異音の発生が増加するという長所と短所とを同時に有している。

重要なことは、別の実施例（バインダ量３０％低減）のカーボンブラシ３６の曲げ強度が比較例である従来のカーボンブラシ９０と同等であることである。即ち、有機系バインダの添加により製造されるカーボンブラシでは、有機系バインダの炭化物が整流子３１のセグメント３１ａに付着して振動及び火花発生の原因となる。従って、バインダ量を低減させることが高品質なカーボンブラシを提供するために極めて重要である。この意味で、別の実施例（バインダ量３０％低減）のカーボンブラシ３６は比較例のカーボンブラシ９０よりも格段に優れている。

図５Ｂのグラフは、実施例及び比較例のカーボンブラシのバインダ量と曲げ強度との関係を調べた結果を示す。図５Ｂに示すように、実施例に係るカーボンブラシ３６のグラフの傾きは、比較例のカーボンブラシ９０と比べて小さい。従って、バインダ量の変化の曲げ強度への影響は小さい。特に、曲げ強度が８ＭＰａを下回るとカーボンブラシの製造途中で割れ及び欠けが起こり易いことが知られている。比較例のカーボンブラシ９０では、バインダ量が３０％低減すると８．１ＭＰａの曲げ強度となる。これに対し、実施例のカーボンブラシ３６では、バインダ量が５０％以下にまで低減しても８ＭＰａを十分に上回っている。

図６は、別の実施例（バインダ量３０％低減）及び比較例の銅の添加量と摩擦係数μとの関係を、つれ回り試験機を用いて測定した結果を示すグラフである。７．５Ｖ及び無負荷のモータ単品を用い、３０〜３５℃の温度、１〜３G／ｍ^３の湿度、及び１４００ｒｐｍの回転速度で試験を行った。

図６に示すように、実施例のカーボンブラシ３６の摩擦係数μは同じ量の銅を含む比較例よりも大幅に小さく、グラフの傾きは小さい。従って、摩擦係数μの顕著な増大が容易に抑えられている。図６において、３６質量％の銅を含有する実施例のカーボンブラシ３６は、２６質量％の銅を含有する比較例とほぼ同等な摩擦係数μを有している。従って、実施例のカーボンブラシ３６は、比較例のカーボンブラシ９０よりも導電性が高められているという点で優れている。一般に、カーボンブラシに含有され得る銅の量の上限値は約３９質量％である。しかしながら、本実施例のカーボンブラシ３６では、たとえカーボンブラシ３６が３９質量％の銅を含有しても、２６質量％の銅が含有する比較例のカーボンブラシ３６よりも低い摩擦係数μを有している。即ち、実施例のカーボンブラシ３６は、該カーボンブラシ２６と整流子３１との間の摩擦抵抗を抑えながら銅の量を増やすことが容易である。このことは、カーボンブラシの導電性を高めることから好ましい。

図７の表は、別の実施例（バインダ量３０％低減）及び比較例についての材質評価の結果を示している。即ち、この表は、別の実施例及び比較例のそれぞれについて、曲げ強度及び摩擦係数μの測定をスケールアップ（測定回数ｎ＝３０）して行った結果を測定値の分布とともに示したグラフを含んでいる。更に、この表は、別の実施例及び比較例のそれぞれについて、電圧降下の度合いの測定結果と、弾性係数の測定結果とを含んでいる。

この表に示すように、別の実施例のカーボンブラシ３６では、比較例のカーボンブラシ９０と比べて摩擦係数μの測定値の分布が揃っている。従って、整流子３１に働く摩擦力が一定となる傾向がある。同様に、曲げ強度、弾性係数及び電圧降下もまた、実施例の標準偏差σが比較例の標準偏差σよりも小さいことから一定となる傾向がある。よって、別の実施例のカーボンブラシ３６は、摩擦係数μ、曲げ強度、弾性係数、及び電圧降下が常に常に所望する一定の性能を提供するという点で、比較例のカーボンブラシ９０よりも優れている。また、別の実施例のカーボンブラシ３６の電圧降下は比較例と比べて小さく、エネルギーロスを低減させることができることから好ましい。

一般に、カーボンブラシの物性のうちの弾性係数の増加は、直流モータ２１の騒音の発生、及びカーボンブラシと整流子３１との間の異音の発生を増加させる。また、曲げ強度の増加はカーボンブラシの機械摩耗を低減させる。弾性係数及び曲げ強度は背反する関係にあり、弾性係数が大きくなれば曲げ強度も大きくなる。従って、騒音及び異音の抑制と機械摩耗の抑制とを同時に達成することは極めて難しい。

図８Ａは、３６質量％の銅を含有する実施例のカーボンブラシ３６と、２６質量％の銅を含有する比較例のカーボンブラシ９０とのバインダ付着面積比とブラシ振動との関係を調べた試験結果を示すグラフである。実施例のカーボンブラシ３６については、前記バインダ量３０％低減のもの、バインダ量低減なしのもの、及びバインダ量３０％増量したものの３種類について試験を行った。

この試験は、直流モータ２１の一方のブラシホルダ３５の一側部に荷重変換機５１（図８Ｂ参照）が装着された測定装置を用いて実施された。荷重変換機５１は、電機子２５の回転時に発生するブラシホルダ３５の振動を検知する装置である。振動は、図８Ａに示されるような波形として記録される。図８Ａに示される波形から最大振幅を示したときの振動が求められ、図８Ａにおけるブラシ振動としてプロットされる。

前記直流モータ２１が温度３０〜３５℃、湿度１〜３ｇ／ｍ^３の環境下で１４００ｒｐｍ、２５０時間作動した後、整流子３１のセグメント３１ａの表面をラマン分光分析法にてカーボンマッピングし、非晶質のカーボンの分布面積を測定することによりバインダ付着面積比を求めた。カーボンブラシは、黒鉛の結晶からなるカーボンと、有機系バインダの炭化物からなる非晶質のカーボンとの２種類のカーボンを含む。ラマン分光分析法は、非晶質のカーボンを検出する方法である。

図８Ａにおいて、実施例のカーボンブラシ３６では、バインダ付着面積比が小さいほどブラシ振動が小さくなる。さらに図８Ａにおいて、実施例のカーボンブラシ３６では、バインダ量に比例してバインダ付着面積比が高くなっている。よって、実施例のカーボンブラシ３６では、製造時に添加されるバインダ量に比例してブラシ振動が大きくなっている。比較例のカーボンブラシ９０の場合、銅の添加量が２６質量％と低いことから、ブラシ振動が実施例（バインダ低減なし）よりも若干小さくなっている。しかしながら、金属粒子９２の含有量が例えば３６質量％にまで高められれば、摩擦係数μが増大してブラシ振動が実施例（バインダ低減なし）よりも大きくなる。

図８Ｃは、図８Ａに示される試験結果を求める際に並行して行われた試験の結果を示すグラフであり、ブラシ振動と火花量との関係を示している。図８Ｃに示されるように、ブラシ振動が大きくなると火花量が増大する。即ち、有機系バインダの炭化物は非晶質であり、活性化構造を有していることから、有機系バインダの炭化物は黒鉛よりも整流子３１に付着し易い。有機系バインダの炭化物が整流子３１に付着した場合には、ブラシ振動が大きくなるとともに火花量が増大する。火花量の増大は一般に、カーボンブラシに対して火花摩耗を引き起こしてその寿命を短縮させる。しかしながら、本実施形態のカーボンブラシ３６では、有機系バインダの添加量が容易に低減されることから、ブラシ振動及び火花の発生が容易に抑制される。

好適な実施形態は以下の利点を有する。
（１）好適な実施形態のカーボンブラシ３６では、従来のカーボンブラシ９０よりも黒鉛粒４１の粒径が揃っており、金属粒子４２をより均一に分散させることが容易となる。その結果、カーボンブラシ３６の導電性が高められ、電圧降下が容易に低減される。さらに、整流子３１に対して黒鉛粒４１及び金属粒子４２が均一に摺接することから、整流子３１に対する摺動抵抗が低減し、カーボンブラシ３６及びセグメント３１ａの偏摩耗が容易に低減される。

（２）好適な実施形態のカーボンブラシ３６では、従来のカーボンブラシ９０よりも空孔４６のサイズが小さくて均一である。従って、クラックが形成され難く、カーボンブラシ３６の欠損が容易に抑えられる。さらに、カーボンブラシ３６内の各粒子同士が近接に配置されていることから、構造が緻密化されてカーボンブラシ３６の強度が容易に高められる。カーボンブラシ３６の強度が高められることによって、有機系バインダの添加量の低減が促進される。黒鉛粒４１の粒径が均一であることから、空孔４６のサイズが均一である。

（３）好適な実施形態のカーボンブラシ３６では、各黒鉛粒４１が複数の原料黒鉛粒子４４の造粒物からなり、各造粒物の表面には有機系バインダの炭化物４５が被覆されている。これに対し、従来の各黒鉛粒９５は複数の原料黒鉛粒子９１を含み、各原料黒鉛粒子９１の表面には有機系バインダの炭化物９４が被覆されている。このため、好適な実施形態の黒鉛粒４１の原料黒鉛粒子４４単位体積当たりに必要とされる有機系バインダの量は、従来の黒鉛粒９５と比べて少ない。さらに、好適な実施形態のカーボンブラシ３６では、従来のカーボンブラシ９０と比べて、製造後に残留する有機系バインダの炭化物４５の量が低減される。このことは、摩擦係数μの増大、振動の増大、火花発生等の不具合の解消を促進する。

（４）好適な実施形態のカーボンブラシ３６では、各黒鉛粒４１の粒径は６０〜２８０μｍの範囲内である。全ての黒鉛粒４１の粒径が６０〜２８０μｍの範囲内であることが好ましい。しかしながら、危険率は５％未満、好ましくは１％未満、さらに好ましくは０．３％以下でもよい。このため、カーボンブラシ３６では、黒鉛粒４１の粒径のバラツキが著しく小さく、黒鉛粒４１及び金属粒子４２が確実かつ均一に分散される。その結果、カーボンブラシ３６の通電性能及び摺動性能が向上される。従って、電圧低下が抑制されるとともに、カーボンブラシ３６と整流子との間の摺動摩擦抵抗が低減される。更に、摺動摩擦抵抗の低減は騒音を低減するとともにカーボンブラシ３６の欠陥及びクラックの発生を抑え、それによってカーボンブラシ３６寿命が延びる。

更に、本実施形態のカーボンブラシ３６では、黒鉛粒４１の最大粒径が原料黒鉛粒子４４の平均粒径の１０倍以下であることから、各黒鉛粒４１の粒径は原料黒鉛粒子４４の平均粒径の１０倍以下である。全ての黒鉛粒４１の粒径が原料黒鉛粒子４４の平均粒径の１０倍以下であることが好ましい。しかしながら、危険率は５％未満、好ましくは１％未満、さらに好ましくは０．３％以下でもよい。加えて、黒鉛粒４１の平均粒径は原料黒鉛粒子４４の平均粒径の５倍以下である。これらは、黒鉛粒４１の粒径を特定の範囲内に設定する場合と同様の利点を有している。

（５）好適な実施形態のカーボンブラシ３６では、各黒鉛粒４１の表面に非晶質のカーボンが被覆されている。非晶質のカーボンは、黒鉛粒４１内の複数の原料黒鉛粒子４４を結合させて黒鉛粒４１の強度を高める働きを有している。更に、非晶質のカーボンの原料となる有機系バインダは、カーボンブラシ３６の製造時に、黒鉛粒４１中の原料黒鉛粒子４４の個数を揃えることにより、黒鉛粒４１の粒径の均一化に貢献する。

加えて、非晶質のカーボンは黒鉛粒４１の表面上にのみ存在している。このため、カーボンブラシ３６中の非晶質のカーボンの割合が低下する。従って、カーボンブラシ３６の通電性能及び摺動性能に関与する重要な成分の含有量が容易に高められる。各黒鉛粒４１では、複数の原料黒鉛粒子４４が非晶質のカーボンにより一まとめに被覆されている。従って、各黒鉛粒４１は十分に高い強度を有している。更に、カーボンブラシ３６は非晶質のカーボンの悪影響を容易に低減させ、振動及び火花の発生を抑制する。

（６）本実施形態のカーボンブラシ３６では、その内部に形成された各空孔の寸法は原料黒鉛粒子４４の平均粒径の半分以下である。全ての空孔の寸法が原料黒鉛粒子４４の平均粒径の半分以下であることが好ましい。しかしながら、危険率は５％未満、好ましくは１％未満、さらに好ましくは０．３％以下でもよい。これにより、クラックの発生を抑制してカーボンブラシ３６の欠損が抑えられる。従って、カーボンブラシ３６の長寿が延びる。更に、各カーボンブラシ３６内の粒子同士が近接して配置されることから、構造が緻密化されてカーボンブラシ３６の強度が容易に高められる。

（７）本実施形態の直流モータ２１は、電圧降下を低減させるとともに摩擦時の騒音を抑え、且つ寿命が延びているカーボンブラシ３６を有していることから、電圧低下が抑制されるとともに騒音が抑えられ、且つモータ２１の寿命が延びている。

好適な実施形態は以下のように変更されてもよい。
成形性を高めるために加圧成形時に添加される有機系バインダは、焼成時に消失してもよい。この場合もまた、カーボンブラシ３６に含有される黒鉛粒４１の粒径のバラツキが容易に抑えられる。更に、各黒鉛粒４１の表面は製造時に有機系バインダによって被覆され、隣接する原料黒鉛粒子４４同士が焼結時に密着した状態で配置されていることから、隣接する原料黒鉛粒子４４の結合力（前記比較的弱い結合力）が十分に高められている。

カーボンブラシ３６は直流モータ２１以外の回転電機に設けられてもよい。或いは、カーボンブラシ３６は、回転電機以外の電気機器に用いられる電極に応用されてもよい。

一実施形態に係る直流モータの模式図。 好適な実施形態に係るカーボンブラシの切断面の微細構造を示す模式図。 図２Ａの模式図において黒鉛粒を強調した状態を示す模式図。 実施例のカーボンブラシの切断面の電子顕微鏡写真。 比較例のカーボンブラシの切断面の電子顕微鏡写真。 実施例及び比較例に係るカーボンブラシの空孔の寸法の測定結果を示すグラフ。 比較例に係るカーボンブラシの切断面の電子顕微鏡写真であって、クラックが形成された状態を示す電子顕微鏡写真。 実施例に係るカーボンブラシの黒鉛粒の粒径分布を示すグラフ。 比較例に係るカーボンブラシの黒鉛粒の粒径分布を示すグラフ。 実施例及び比較例に係るカーボンブラシの曲げ強度の測定結果を示すグラフ。 実施例及び比較例に係るカーボンブラシに添加されたバインダ量と曲げ強度との関係を示すグラフ。 実施例及び比較例に係るカーボンブラシに含有された銅の量と摩擦係数μとの関係を示すグラフ。 実施例及び比較例に係るカーボンブラシの材質評価結果を示す説明図。 実施例に係るカーボンブラシのバインダ付着面積比とブラシ振動との関係を示すグラフ。 ブラシ振動を測定するための測定装置の一部を示す模式図。 実施例に係るカーボンブラシのブラシ振動と火花量との関係を示すグラフ。 従来のカーボンブラシの切断面の微細構造を示す模式図。 図９Ａの模式図の黒鉛粒を強調した模式図。

Claims (6)

1. 黒鉛粒及び金属粒子を含み、該黒鉛粒及び金属粒子が分散状態で焼結されているカーボンブラシであって、
   前記黒鉛粒は複数の原料黒鉛粒子の造粒物で構成され、
   前記造粒物の表面は非晶質のカーボンで被覆され、
   前記各黒鉛粒の粒径は６０〜２８０μｍの範囲内であるカーボンブラシ。
2. 黒鉛粒及び金属粒子を含み、該黒鉛粒及び金属粒子が分散状態で焼結されているカーボンブラシであって、
   前記黒鉛粒は複数の原料黒鉛粒子の造粒物で構成され、
   前記造粒物の表面は非晶質のカーボンで被覆され、
   前記各黒鉛粒の粒径は前記原料黒鉛粒子の平均粒径の１０倍以下であるカーボンブラシ。
3. 黒鉛粒及び金属粒子を含み、該黒鉛粒及び金属粒子が分散状態で焼結されているカーボンブラシであって、
   前記黒鉛粒は複数の原料黒鉛粒子の造粒物で構成され、
   前記造粒物の表面は非晶質のカーボンで被覆され、
   前記黒鉛粒の平均粒径は前記原料黒鉛粒子の平均粒径の５倍以下であるカーボンブラシ。
4. 黒鉛粒及び金属粒子を含み、該黒鉛粒及び金属粒子が分散状態で焼結されているカーボンブラシであって、
   前記黒鉛粒は複数の原料黒鉛粒子同士が結合された造粒物で構成され、
   前記造粒物の表面は非晶質のカーボンで被覆されているカーボンブラシ。
5. 更に複数の空孔を有し、各空孔の寸法は前記原料黒鉛粒子の平均粒径の半分以下である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のカーボンブラシ。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のカーボンブラシを有する回転電機。

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