JP5741762B2 - 摺動接点部材、これを用いた直流モータ及び発電機 - Google Patents

Description

本発明は、摺動接点部材、これを用いた直流モータ及び発電機に関する。

この種の従来技術として、「導電部材」とした名称において特許文献１に開示されたものがある。
特許文献１に開示された導電部材は、複数の導電性部材が接触することで電気的に接続されるものであり、それらの導電性部材のうちの少なくとも１つの導電性部材は、他の導電性部材と接触する部分において導電性硬質炭素を含む膜を有した構成になっており、キー接点を構成するものとしている。

日本国特開２００２−２５３４６号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された導電性部材は、例えば駆動用モータや発電機のブラシやコミュテータとして使用するとき、ブラシに通電される電力が大きくなることに加え、そのブラシの摺動速度が高速になるにつれて摺動速度，摺動面圧も増加する。
そのため、ブラシの発熱が増大して材料が熱軟化し、結果としてブラシ又は相手材であるコミュテータの摩耗が大きくなる。
また、ブラシやコミュテータで発生する熱を摺動面内に十分に熱拡散できず、局所的に温度が上昇して材料が軟化するという問題がある。

そこで本発明は、発熱を抑制することができるとともに磨耗を低減させられる摺動接点部材、これを用いた直流モータ及び発電機の提供を目的としている。

上記課題を解決するための本発明は、次のとおりである。
本発明に係る摺動接点部材は、互いに摺接する二つの摺動接点部材のいずれか一方又は双方の互いの少なくとも摺接部位に、導電性ダイヤモンド粉末と粉末同士を結合する導電性バインダを含み、パウダーデポジション法で製造している圧粉部を配することにより、発熱を抑制して磨耗を低減させている。

本発明に係る直流モータと発電機は、上記摺動接点部材をブラシ又はコミュータとして用いたものである。これにより、それらブラシ、コミュテータの熱拡散を促進し、局所的な発熱の増大を抑えている。

本発明によれば、互いに摺接する二つの摺動接点部材のいずれか一方又は双方の互いの少なくとも摺接部位に、導電性ダイヤモンド粉末と粉末同士を結合する導電性バインダを含み、パウダーデポジション法で製造している圧粉部を配しているので、発熱を抑制することができるとともに磨耗も低減させることができる。

（Ａ）は、ダイヤモンドの摩耗量をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定した表面粗さ曲線を示す図、（Ｂ）は、相手材との接触で予想される面積を求める模式図である。 第一の評価方法を示す説明図である。 第二の評価方法を示す説明図である。 第三の評価方法を示す説明図である。 第四の評価方法を示す説明図である。 第五の評価方法を示す説明図であり、（Ａ）は、互いの圧粉部の厚みを１０μｍとした二つの摺動接点部材の概略説明図、（Ｂ）は、当該厚みを５００μｍとした二つの摺動接点部材の概略説明図である。 互いの圧粉部の厚みを１０μｍとしたときのシュミレーション解説結果を示す説明図である。 同上の圧粉部の厚みを５００μｍとしたときのシュミレーション解説結果を示す説明図である。 （Ａ）は、一例に係る直流ブラシモータの構造を簡略化して示す断面図、（Ｂ）は、（Ａ）に包囲線Ｉで示す部分の拡大図である。

以下に、本発明を実施するための形態について説明する。
本発明に係る摺動接点部材は、互いに摺動接触する二つの摺動接触部材のいずれか一方又は双方の互いの少なくとも摺接部位に、導電性ダイヤモンドを含む圧粉部を配している。
「導電性ダイヤモンド」とは、不純物（ボロンＢ等）をドーピングしたダイヤモンド半導体のことである。
「導電性バインダ」としては、化合物半導体を採用することができる。
化合物半導体としては、例えばＺｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ等である。

上記の構成により、表面層の高硬度化による耐摩耗性の向上とともに、圧粉部における熱伝導向上による放熱性向上を図ることができる。
さらに、この熱伝導向上によって耐放電性も向上し、電気的摩耗も低減できる。またさらに、安価なダイヤモンド粒子を使用した圧粉部としているので、低コストで製造することが可能である。

圧粉部が導電性ダイヤモンド粉末の他、この導電性ダイヤモンド粉末どうしを結びつける導電性バインダを含有しているので、導電性ダイヤモンド粉末間の強度，密着性を向上させられる。これにより、圧粉部の見かけの強度、熱伝導及び電気伝導が向上する。

導電性バインダとして、導電性ダイヤモンド粉末よりも比抵抗が低い粉末を用いているので、導電性ダイヤモンド粉末間の比抵抗が低減し、上記した圧粉部の見かけの電気伝導が向上する。
導電性ダイヤモンドの体積比率を５０％以上とすることにより、圧粉部中の導電性ダイヤモンドの体積比率が向上し、圧粉部の見かけの強度が向上し、耐摩耗性と耐焼付き性を向上させられる。

厚さ方向の摺接面からの距離に反比例して導電性ダイヤモンドの体積比率が低下する構造にすることにより、摺接面の硬度，熱伝導，熱拡散性能，電気伝導の機能を低下させずに、圧粉部全体としては導電性ダイヤモンドの体積比率とともに、製造コストを低減できる。

比抵抗が１×１０^−１Ω・ｃｍ以下の導電性ダイヤモンド粉末で構成することにより、導電性ダイヤモンド粉末の比抵抗が低減するので、圧粉部の見かけの電気伝導性を向上させられる。

導電性ダイヤモンドの粉末径を５μｍ以下とすることにより、摩耗時の圧粉部の摺接面の表面粗さの低減とともに機械的な摩耗を低減させられる。
比抵抗が低い材料として、Ｃｕ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ａｕ，Ａｇのいずれかのものとすることにより、導電性ダイヤモンド以外の粉末の比抵抗を低くできるので圧粉部の見かけの導電性を向上できる。また、パウダーデポジション法で製作が可能なため、低コストでの製造を行なうことができる。

圧粉部の厚みを１００μｍ以上とすることにより、その圧粉部の熱拡散性が向上するので、摺接面の局所的な温度上昇を抑えることができ、熱劣化による摩耗を低減できる。

圧粉部の熱伝導率を５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とすることにより、その圧粉部の熱伝導性が向上するので、摺接面の局所的な温度上昇を抑えることができ、熱劣化による摩耗を低減できる。

上記した圧粉部を焼結法で製造することにより、低コストで高密度に製造することができる。
上記した圧粉部をパウダーデポジション法で製造することにより、さらに低コストで高密度に製造することができる。
上記した摺動接点部材をブラシ又はコミュテータ若しくはそれら双方に用いることにより、直流モータや発電機を、低コストで製造することができる。

まず、ダイヤモンドの摩耗量（比摩耗量）の測定方法について、説明する。
ダイヤモンドは基本的に考えられる測定方法で摩耗が確認できませんでした。
そこで、ダイヤモンドの摩耗量はＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定した表面粗さ曲線の最大高さ（図１（Ａ）参照）と、相手材との接触で予想される面積（図１（Ｂ）参照）を元に計算している。

＜実施例１＞
［使用した材料］
導電性ダイヤモンド粉末をコバルト（導電性バインダ）で結合した圧粉部を摺接面に形成した摺動接点部材。
［製造方法］
圧粉部を焼結法で製造した。
［評価方法］
図２は、第一の評価方法を示す説明図であり、１が銅製のボール、２が本発明に係る摺動接点部材である。なお、図２に示す矢印はボール１の転動方向を示している。
図２に示すボールオンディスク方式で摩耗量を評価（３００ｍｉｎ）した。
［評価結果］
表１に示すように、耐摩耗性が飛躍的に向上し、相手材（ボール１）への攻撃性も低い。

＜実施例２＞
［使用した材料］
導電性ダイヤモンド粉末をコバルトで結合した圧粉部を摺接面に形成した摺動接点部材。
［製造方法］
圧粉部を焼結法で製造した。
［評価方法］
図３は、第二の評価方法を示す説明図であり、３が銅製の電極、４が本発明に係る摺動接点部材、５が両者間に通電するための直流電源である。なお、図３に示す矢印は電極３の移動方向を示している。
図３に示す放電加工で耐放電性（摩耗量）を評価した。
［評価結果］
表２に示すように、耐摩耗性が飛躍的に向上し、相手（電極３）への攻撃性も低い。

＜実施例３＞
［使用した材料］
導電性ダイヤモンド粉末をコバルトで結合した圧粉部を摺接面に形成した摺動接点部材。
［製造方法］
圧粉部を焼結法で製造した。
［評価方法］
図４は、第三の評価方法を示す説明図であり、６が銅製のボール、７が本発明に係る摺動接点部材、８が両者間に通電するための直流電源である。なお、図４に示す矢印はボール６の転動方向を示している。
図４に示す通電摺動試験で摩耗量を評価した。
［評価結果］
表３に示すように、耐摩耗性が飛躍的に向上し、また、相手（ボール６）への攻撃性も低い。

＜実施例４＞
［使用した材料］
導電性ダイヤモンド粉末を銅で結合した圧粉部を摺接面に形成した摺動接点部材。
［製造方法］
パウダーデポジション法で製造した。
［評価方法］
図５は、第四の評価方法を示す説明図であり、９が銅製のボール、１０が本発明に係る摺動接点部材である。なお、図５に示す矢印はボール９の転動方向を示している。
図５に示す焼付き試験で耐焼付き性を評価した。
［評価結果］
銅板はすぐ焼きついたのに対し、本発明に係る摺動接点部材は圧粉部が摩耗してなくなるまで焼きつきは発生しなかった。

＜実施例５＞
図６は第五の評価方法を示す説明図であり、（Ａ）は、互いの圧粉部の厚みを１０μｍとした二つの摺動接点部材の概略説明図、（Ｂ）は、当該厚みを５００μｍとした二つの摺動接点部材の概略説明図である。図７は、互いの圧粉部の厚みを１０μｍとしたときのシュミレーション解説結果を示す説明図、図８は、当該厚みを５００μｍとしたときのシュミレーション解説結果を示す説明図である。

図６（Ａ）において、符号１１で示すものは一方の摺動接点部材、符号１２で示すものが他方の摺動接点部材であり、互いに摺接するカーボン，鉄（銅）製のものである。
それら双方の摺動接点部材１１，１２の摺接面１１ａ，１２ａには、１０μｍの厚みにした圧粉部１３，１３をそれぞれ形成している。
また、同図（Ｂ）においては、摺動接点部材１１，１２の摺接面１１ａ，１２ａに、５００μｍの厚みにした圧粉部１４，１４をそれぞれ形成している。

［使用した材料］
導電性ダイヤモンド粉末の圧粉部と同等の熱特性を有する上記材料物性で圧粉部の厚さを１０μｍ（図６（Ａ））と５００μｍ（図６（Ｂ））で熱拡散状態を解析した。
［解析条件］
摺接面に常に５００℃の熱が発生していると設定。
［評価方法］
図６（Ａ），（Ｂ）に示す焼付き試験で耐焼付き性を評価した。
［評価結果］
圧粉部の厚みを厚くすると熱拡散が促進される。
図７，８から明らかなように、圧粉部１３の厚みを増加させることにより、熱拡散性が向上している。

ところで、上記した摺動接点部材は、図９に示す直流ブラシモータに採用することができる。図９（Ａ）は、一例に係る直流ブラシモータの構造を簡略化して示す断面図、（Ｂ）は、（Ａ）に包囲線Ｉで示す部分の拡大図である。

図９（Ａ）に示す直流ブラシモータＡは、略円筒形のケース２０と、このケース２０の互いに対向する両端面２０ａ，２０ａにベアリング２１，２１が同軸的に嵌合されており、それらベアリング２１，２１に駆動軸２２が回転自在に軸支されている。
駆動軸２２には、コイル２３とコミュテータ２４が配設されているとともに、ケース２０の内壁面にはマグネット２５が配設されている。
ケース２０には、ブラシ２６がコミュテータ２４と摺接自在にしてばね２７を介して配設されている。なお、２６は直流電源である。

コミュテータ２４は、ブラシ２６との摺接面に上記した構成からなる圧粉部２４ａが所要の厚みにして形成されている。一方、ブラシ２６にも、コミュテータ２４との摺接面に上記した圧粉部２６ａが所要の厚みにして形成されている。

上記した直流モータＡや発電機のブラシ２６とコミュテータ２４は、（１）機械的な摩耗と（２）電気的な摩耗（放電による材料除去）で摩耗が進行する。
（１）についてはブラシ２６とコミュテータ２４の互いの摺接面どうしの発熱による材料の熱軟化で摩耗が促進され、また、（２）については耐放電性は熱伝導性に摩耗量は反比例する。
これに対して、本発明に係る摺動接点部材の採用により、摺接面の硬度が上昇するので、耐機械摩耗性が向上することに加えて、その摺接面の熱伝導性が向上するので、材料の熱軟化とともに機械的な摩耗を低減させられる。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
上述した実施形態においては、摺動接点部材を駆動用ブラシモータに適用したものを例として説明したが、同様にして発電機のブラシとコミュテータに適用することができる。
また、駆動用ブラシモータや発電機に限らず、適宜適用することができることも勿論である。この場合にも、駆動用ブラシモータと同様の効果を得ることができる。
上述した実施形態においては、摺動接点部材の摺接面に圧粉部を配した構成のものを例として説明したが、摺動接点部材全体を圧粉部をなす材料で形成してもよい。

１１，１２ 摺動接点部材
１１ａ，１２ａ 圧粉部

Claims (13)

1. 互いに摺動接触する二つの摺動接点部材のいずれか一方又は双方の互いの少なくとも摺接面に、導電性ダイヤモンド粉末と粉末同士を結合する導電性バインダを含む圧粉部を配していることを特徴とする摺動接点部材。
2. 導電性バインダは、導電性ダイヤモンド粉末よりも比抵抗が低い請求項１に記載の摺動接点部材。
3. 圧粉部は、導電性ダイヤモンドの体積比率が５０％以上である請求項１又は２に記載の摺動接点部材。
4. 圧粉部は、厚さ方向の摺接面からの距離に反比例して導電性ダイヤモンドの体積比率が低下する構造である請求項１〜３のいずれか１項に記載の摺動接点部材。
5. 導電性ダイヤモンドは、比抵抗が１×１０^−１Ω・ｃｍ以下の粉末で構成されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の摺動接点部材。
6. 導電性ダイヤモンドの粉末径が５μｍ以下である請求項５に記載の摺動接点部材。
7. 導電性バインダを、Ｃｕ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ａｕ，Ａｇのいずれかとした請求項１〜６のいずれか１項に記載の摺動接点部材。
8. 圧粉部の厚さを１００μｍ以上にしている請求項１〜７のいずれか１項に記載の摺動接点部材。
9. 圧粉部の熱伝導率を５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とした請求項１〜８のいずれか１項に記載の摺動接点部材。
10. 圧粉部を焼結法で製造している請求項１〜９のいずれか１項に記載の摺動接点部材。
11. 圧粉部をパウダーデポジション法で製造している請求項１〜９のいずれか１項に記載の摺動接点部材。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の摺動接点部材をブラシ又はコミュテータ若しくはそれら双方に用いたことを特徴とする直流モータ。
13. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の摺動接点部材をブラシ又はコミュテータ若しくはそれら双方に用いたことを特徴とする発電機。