JP4789220B2 - 電気機械用カーボンブラシ - Google Patents

Description

本発明は電気機械用カーボンブラシに関し、特に抵抗損失が少なく、耐用性の長いカーボンブラシに関するものである。

電気機械用カーボンブラシ（以下ブラシと呼ぶ）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、小型ながら抵抗損が小さく、かつ摩耗が少ないブラシが要求されるようになった。

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黒鉛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、原料黒鉛粉に予め銅めっきを施した所謂鍍銅黒鉛を成形して使用するブラシが知られている。例えば、下記特許文献１，２に開示されたブラシなどが挙げられる。しかし、このようなブラシは接触抵抗を低くできるが、電動機の運転時にブラシの摺動面にめっきとして施した銅が介在し、相手のスリップリングや整流子を傷つけて、却って摩耗量が多くなるという問題があった。

また、整流性能の向上を目的として、銅めっきを施した膨張黒鉛シートでサンドイッチ状にはさみこんで成型硬化してなるブラシが下記特許文献３に提案されている。しかしこの場合も銅めっきの層がブラシの摺動面に介在する為、それが相手の摺動面を傷つけて荒らすため、潤滑性が悪くなると共に摩耗量が増加するという問題があった。

特開平２−２８５９５１号 特開平２−２８５９５２号 特開昭６３−３９４４１号

本発明の課題は、このような従来技術の問題点を解決し、摩耗が少なく、長い耐用性を有すると共に、抵抗損失も少なく、従って温度上昇が小さくて電流密度を高くできるブラシを供給することにある。

上記の問題点は、黒鉛質のブラシ基材の表面に、電気の良導性金属層を被覆することにより解決される。
本発明の電気機械用カーボンブラシは、黒鉛粉を熱硬化性樹脂よりなるバインダーで混練し、前記熱硬化性樹脂が硬化され且つ炭素化されていないレジンボンド系である炭素質材料を含むブラシ基材を有する電気機械用カーボンブラシにおいて、樹脂結合質の前記ブラシ基材の表面および表面の細孔内に電気良導性金属層を被覆し、被覆後の前記基材にリード線取付用の穴を形成し、リード線を前記穴に銅粉により埋込取付けしてなり、前記電気良導性金属層が、無電解メッキ法により形成された、厚みが３〜１０μｍの銅被覆層であり、前記ブラシ基材の表面の先端接触部に電気良導性金属層が形成されていない。

本発明により、ブラシのみかけの抵抗が小さくなり、抵抗損が小さくなって、効率を上げることが出来る。また、ブラシの温度上昇を抑える事が出来た。
また、金属皮膜は比較的薄いため、電動機の運転により、摺動面に近い部分から順次酸化、及び剥離脱落する為、整流子やスリップリング等の相手面を傷つけない。

元来ブラシ基材としては、（イ）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）、（ロ）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）、（ハ）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。

本発明においては上記（イ）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於いては、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連用により、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、電気の良導性金属、例えばニッケル、銅、金、銀等の被覆を行うことにより、内部の基材の抵抗は高くても、外側の良導膜の作用でみかけの抵抗を下げ、温度上昇を抑え、ブラシの連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。

本発明に於いて、ブラシ基材の表面に電気良導性の被覆を行う方法としては、メッキによる方法が考えられる。このためメッキの方法としては電解メッキによる方法と化学メッキ（無電解メッキ）による方法とを実施した。何れの方法にても金属被覆を施すことが出来た。

しかしブラシを実際にモーターに取付けて試験したところ、金属被覆と基材との剥がれにくさの点では、電解メッキよりも無電解メッキの方が優れていた。

このことは、無電解メッキ技術が、ＩＣ技術によって長足の進歩をとげたものであり、電気不良導体である樹脂等のプリント基板に、金属被覆を行う際にも使われている事実からも明らかな通り、本発明のブラシの基材のように、炭素成分（良導性）と樹脂成分（不良導体）とが混在する物質に対する表面被覆の点では、電気良導体を中心に被覆される電解メッキ法よりも、樹脂上にも、炭素上にも、折出し、かつ細孔を通って含浸された液がブラシ基材の深部にまで到って化学的にメッキされる無電解メッキ法が、アンカー効果やメッキの均一性等の点から、剥がれにくい金属被覆が出来ることが本発明者により見出された。この新しい知見によって本発明が完成されているものである。

しかし乍ら本発明に於いてはメッキの上記の如き作用もさることながら、実際的には、炭素質部分と樹脂質部分とが混在するこの種ブラシに於いて、無電解メッキ法により、確実に金属被膜を形成出来、しかもブラシ全体の電気抵抗を減じ得られると共に、モーター効率を大きく向上しうるという実際的研究の結果に基づくものである。

そしてこのような実際的研究結果は、レジンボンド系以外のＣＧ系、ＥＧ系の場合にも発揮される。

さらにレジンボンド系の場合は、一般にメッキ処理前の基材の面が滑らかであるため、メッキ後の製品の表面も比較的平滑となり、商品的にも外見が良好である特徴をも有する。

本発明に於いて、無電解メッキの方法は文献等により公知の方法が広く援用される。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出来る。上記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。その反応を式で記せば化学式１の通りである。

この反応は常温で、純化学的還元法によりブラシ基材の表面に金属性膜の被覆が形成できるので好都合である。

勿論よく知られた電解法によって形成された金属メッキ層による被覆も化学メッキ法（無電解法）と同様に効果がある。

このように本発明は、ブラシ基材の表面に、電気良導性の金属材料の被覆（サヤ）を設け、ブラシ全体としての電気抵抗を減じ、機器の電力効率を向上させることを主旨とするものであり、金属材料による被覆手段は先に例示した特に好ましい無電解メッキ法のみならず、電解メッキ法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、クラスタイオンビーム法等が広く適用可能である。

このような手段による被覆層の厚さについては、層の厚さが余りに厚いと摺動時に相手の摺動面を荒らし、ブラシ及び相手材の摩耗が大きくなる傾向があり、又逆に極端に薄いと、ブラシ基材の被覆効果が少なく、換言するとブラシの抵抗が余り下がらず、抵抗損が大きく電力効果が低下する。通常３〜１００ミクロン程度が好適である。

ブラシの被覆層として用いられる金属種については、電気の良導体であり、無電解メッキ又は蒸着し得る金属であれば何でも良いが、製造コストと被覆のし易さの点から銅、銀、ニッケル又は金が一般に好適である。

以上、基材が（イ）レジンボンド系、（ロ）ＣＧ系、（ハ）ＥＧ系のものを対象とした説明を行ったが、ブラシ基材としては、上記の他に（ニ）金属粉を共原料とした基材にも、本発明は適用可能である。即ち、ブラシの基材による抵抗を減じるために、黒鉛粉に微細な金属粉、例えば銅粉、銀粉などを混和圧密化した２成分系、必要に応じさらにこれに少量のバインダー成分として樹脂成分を混和、圧密化した３成分系のブラシ基材に対しても、本発明を適用できるが、金属粉を添加した場合は、基材自体の電気抵抗がレジンボンド系に比べ小さいので、本発明方法による金属性外被膜を形成することによる効果は認められるものの、相対的に効果は薄れる。

このような金属質の被覆（１）は、図１のように、ブラシ摺動面（２）には形成しないか、又は一応全面に被覆した後、次の工程で先端部（摺動面に相当する部分）のみ被覆を取り除き、ブラシ基材（３）をムキ出した状態で、リード線（４）を介して電気機器に装着、使用する。
また、図２は図１の断面図であり、図２のように、被覆後の基材にリード線取付用の穴を形成し、リード線（４）は、銅粉（５）による埋込取付を行う。又は、リード線取付用の穴を形成した後に、金属質の被覆を施してリード線取付部の内部まで金属被覆を行っても良いが、図２のように行うのが好ましい。

以下本発明の実施例について説明する。但しブラシ基材の製造例である比較例を併記した。これ等例では部は重量部を示す。

（比較例１）
平均粒径が４０ミクロンの人造黒鉛１００部に、二液性エポキシ樹脂と硬化剤２５部を加えて混練した。エポキシ樹脂としては市販のビスフェノール系エポキシ、硬化剤としては酸無水物を用いた。混練物を粉砕して圧縮成形し、ついで２２０℃に加熱して硬化反応を進め、本発明に供する基材（Ａ）を得た。

（実施例１）
比較例１に示す方法で得た基材（Ａ）を、供試ブラシの形状に裁断加工し、硫酸銅の水溶液に浸凌し、ついでこの溶液中に水酸化ナトリウム及び酒石酸カリウムを加えて、基材表面に還元銅の皮膜を形成せしめた。被覆層の厚さは３〜１０ミクロン程度であった。

（比較例２）
比較例１の方法で樹脂成分としてフェノール樹脂を用い、他は同様にして成形後、非酸化雰囲気中で５５０℃〜６００℃に加熱し、樹脂成分を炭化して、ＣＧ系の基材（Ｂ）を得た。

（参照例１）
実施例１と同様の方法で基材（Ｂ）表面に無電解メッキ法により銅被覆を施した。

（比較例３）
スートにピッチを加えて加熱混練し、冷却後粉砕して圧縮成形し、非酸化雰囲気中で加熱して、バインダーピッチを炭化した後、黒鉛化炉で３０００℃に加熱してＥＧ系の基材（Ｃ）を得た。

（参照例２）
実施例１と同様の方法で基材（Ｃ）表面に無電解メッキ法により銅被覆を施した。

（Ｉ）本発明にかかるブラシ基材Ａ、Ｂ、Ｃに、金属被覆を施したブラシＡ′、Ｂ′、Ｃ′及び比較例としてそれ等の原材である同じ基材Ａ、Ｂ、Ｃで金属被覆を施さないで、そのままの状態で同形のブラシを製作し、金属被覆の効果を比較確認した。但しブラシはいずれも６×８×２５ｍｍのサイズに統一し、リード線は銅粉による埋め込み方式により、ブラシ本体と接続した。

（ＩＩ）試験の測定方法
（ａ）かしめ抵抗の測定方法
かしめ抵抗はブラシのリード線とブラシ本体との接続部の電気抵抗であり、ＪＩＳ−１２−１９６８に記される方法（参照［図３］）に従って、［化２］の式により測定した。
但し、図３中ｄは夫々５ｍｍの距離を示す。

但しＥ：かしめ（リード線取付）部分の電圧降下、Ｉ：測定電流、Ｒ：かしめ抵抗、今回は１０^‐６をかけてμΩで表す。

（ｂ）接触電圧降下測定
接触電圧降下は、ブラシを回転するリングや整流子に接触させた状態でのブラシの前後における電圧降下を測定する。測定原理図を図４に示す。但し図４中６は模擬整流子を示す。

但し、模擬整流子の直径Φ２５ｍｍ、バー数２４枚、回転数２５０００ｒｐｍ、ブラシ荷重４００ｇ／ｃｍ^２で測定した。

（ｃ）ブラシの温度測定
ブラシ本体のリード線取付面より、整流子との接触摺動面から３ｍｍの深さまで小孔をあけ、細い熱電対を挿入してモーターを運転測定した。

（ＩＩＩ）測定結果
上記の方法により測定した結果を表１に示す。

（ＩＶ）測定結果に対する説明
表１の結果から明らかなように、何れの場合も基材周囲に電気良導性の被覆層を設けることにより、ブラシ全体としての電気抵抗、即ちリード線と本体とのかしめ抵抗、ブラシ本体での抵抗、ブラシと整流子との接触抵抗を含めての全体としての見かけ抵抗が、いずれの場合も低減した。またその効果の程度は、基材自体の電気抵抗の大きいレジンボンド系に金属被覆を施した場合（実施例１）に最も大きく、基材自体の抵抗の小さいカーボン系、ＥＧ系の基材に被覆を施した場合には、相対的に効果の程度は小さく見える。

このようなブラシ本体としての抵抗が減じる結果、ブラシの抵抗損が減少し、モーター効率、ひいては電気機器の効率も向上することが明らかである。

尚、補足の実験として、熱電対を用いたブラシ本体の温度上昇を測定した結果、実施例１の場合は、比較例１の場合に比べ、約３０℃低い値を示し、ブラシを流れる電流の、抵抗発熱による温度上昇が小さいことが確認された。

また、ブラシの寿命試験を行った結果は、実施例１と比較例１とはほぼ同等の摩耗率を示した。

以上、本発明の実施形態の電気機械用カーボンブラシについて説明したが、本発明は上述の実施形態及び実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである。

図１は本発明カーボンブラシの一例の斜視図である。 図２は図１のリード線取付けを説明するための説明図である。 図３はＪＩＳ−１２−１９６８の電気抵抗の測定回路を示す図面である。 図４はブラシの接触電圧降下の測定回路を示す図面である。

１ 金属質の被覆
２ ブラシ摺動面
３ ブラシ基材
４ リード線
５ 銅粉

Claims (1)

1. 黒鉛粉を熱硬化性樹脂よりなるバインダーで混練し、前記熱硬化性樹脂が硬化され且つ炭素化されていないレジンボンド系である炭素質材料を含むブラシ基材を有する電気機械用カーボンブラシにおいて、
   樹脂結合質の前記ブラシ基材の表面および表面の細孔内に電気良導性金属層を被覆し、被覆後の前記基材にリード線取り付け用の穴を形成し、リード線を前記穴に銅粉により埋込取り付けしてなり、
   前記電気良導性金属層が、無電解メッキ法により形成された、厚みが３〜１０μｍの銅被覆層であり、
   前記ブラシ基材の表面の先端接触部に電気良導性金属層が形成されていないことを特徴とする電気機械用カーボンブラシ。

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