JP5822137B2

JP5822137B2 - 摺動接点部材

Info

Publication number: JP5822137B2
Application number: JP2012038817A
Authority: JP
Inventors: 紘敬三輪; 義貴上原; 南部　俊和; 俊和南部
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2015-11-24
Anticipated expiration: 2032-02-24
Also published as: JP2013176207A; WO2013125537A1

Description

本発明は、相手部材に対して相対的に摺動接触しながら通電をするための導電体に使用する摺動接点部材に関し、例えば、回転機のブラシに用いられる摺動接点部材に関するものである。

この種の摺動接点部材としては、例えば、特許文献１に導電部材として記載されているものがある。特許文献１に記載の導電部材は、その接点部に、導電性硬質炭素と、導電性硬質炭素よりも低い抵抗率を有する導電材とが同時に成膜された膜を設けている。この膜は、導電性硬質炭素中において、導電材が膜の厚み方向に伸びる形状となるように分散しており、これにより膜の導電率を高めている。

特開２００２−０２５３４６号公報

ところが、上記したような従来の導電部材にあっては、導電性を高めるために導電材を増やすと、熱の移動が主に膜の厚さ方向になり、その熱が導電部材の本体部分に伝わるので、放熱性が低下するという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、相手部材に対して相対的に摺動接触しながら通電をするための導電体において、この導電体の摺動面を含む部分を形成する摺動接点部材であって、放熱性と導電性の両立を実現することができる摺動接点部材を提供することを目的としている。

本発明の摺動接点部材は、相手部材に対して相対的に摺動接触しながら通電をするための導電体において、この導電体の摺動面を含む部分を形成するものである。この摺動接点部材は、導電性ダイヤモンドから成る放熱部と、導電性ダイヤモンドよりも比抵抗の小さい導電材料から成る導電部とが摺動面に混在して露出し、且つ放熱部及び導電部が部材厚さ方向に連続している構造を有している。

そして、摺動接点部材は、放熱部が、摺動面の法線に対して傾斜していると共に、少なくとも一部の放熱部が、摺動面から部材側面に連続している構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の摺動接点部材は、上記構成を採用したことから、厚さ方向の導電性を確保したままで面内方向（摺動面に沿う方向）の放熱性が得られることとなり、放熱性と導電性の両立を実現することができる。

本発明の摺動接点部材の一実施形態を説明する断面図である。銅製の摺動接点部材の熱伝導率と本発明に係る摺動接点部材の熱伝導率を示すグラフである。本発明の摺動接点部材の他の実施形態を説明する断面図である。本発明の摺動接点部材のさらに他の実施形態を説明する断面図である。本発明の摺動接点部材のさらに他の実施形態を説明する断面図である。本発明の摺動接点部材の製造方法の一例を示す説明図である。本発明の摺動接点部材を適用した直流モータを説明する断面図である。

図１に示す摺動接点部材１は、相手部材２に対して相対的に摺動接触しながら通電をするための導電体において、この導電体の摺動面Ｓを含む部分を形成するものである。具体的には、導電体が直流モータのブラシであり、相手部材２がコミュテータ（整流子）である。この場合、摺動接点部材１は、ブラシの摺動面Ｓのみを形成する薄膜状を成すのではなく、摺動面Ｓを含むブラシの一部分、若しくはブラシ全体を構成する。

また、図示例の場合には、コミュテータである相手部材２が図中矢印方向に回転する。ブラシである摺動接点部材１は、固定された状態であるが、相手部材２と相対的に摺動接触することから、便宜上、相手部材２の反回転方向（図中左方向）を当該摺動接点部材１の摺動方向とする。

摺動接点部材１は、導電性ダイヤモンドから成る放熱部１１と、導電性ダイヤモンドよりも比抵抗の小さい導電材料から成る導電部１２とが摺動面Ｓに混在して露出し、且つ放熱部１１及び導電部１２が部材厚さ方向に連続している構造を有する。導電部１２は、導電性ダイヤモンドよりも比抵抗の小さいものとして、銅、アルミニウムニッケル、チタン、コバルト及び鉄のうちのいずれかを含むものであり、この実施形態では銅製である。

図示例の場合、放熱部１１及び導電部１２は、夫々に層状を成すとともに交互に積層した構造を有している。なお、放熱部１１及び導電部１２は、積層構造だけでなく、いずれか一方を基材とし、柱状などの適宜形状にした他方を基材中に分散させた構造にすることも可能である。

また、摺動接点部材１は、放熱部１１が、摺動面Ｓの法線に対して傾斜している。この実施形態では、放熱部１１及び導電部１２が積層構造になっているので、放熱部１１及び導電部１２の全体が傾斜している。そして、摺動接点部材１は、少なくとも一部の放熱部１１が、摺動面Ｓから部材側面（図中で横面）に連続していると共に、少なくとも一部の導電部１２が、摺動面Ｓから部材反対面（図中で上面）に連続している。

なお、この実施形態では、摺動接点部材１の相手部材２が回転するので、上述の如く摺動面Ｓの法線に対して放熱部１１が傾斜しているものとしたが、摺動接点部材１及び相手部材２が互いに直線的に摺動接触する場合には、摺動面Ｓに垂直な線に対して放熱部１１が傾斜している。

上記の放熱部１１及び導電部１２は、図示の如く摺動方向を示す断面において傾斜したものでも良いし、摺動方向に交差する断面において傾斜したものでも良い。ただし、図示の摺動接点部材１は、より好ましい実施形態として、放熱部１１が、当該摺動接点部材１の摺動方向（図中で反矢印方向）に対して前方に上がり傾斜している。別の表現として、放熱部１１は、相手部材２の摺動方向に対して後方に上がり傾斜している。

上記構成を備えた摺動接点部材１は、ブラシであるから、その厚さ方向に通電が成されて相手部材２に給電することとなる。この際、摺動接点部材１は、全体が導電部材であるが、放熱部１１よりも導電部１２の比抵抗が小さい（導電性が高い）ので、図中矢印Ａ２で示すように主に導電部１２により厚さ方向の通電が行われる。このように、導電部１２により、厚さ方向の導電パスを形成することで、当該摺動接点部材１の導電率が向上し、導電率の向上に伴って発生する熱量も低下する。

しかも、摺動接点部材１は、導電部１２に対して、導電性ダイヤモンドから成る放熱部１１の方が熱伝導性が高いので、相手部材２との摺動接触により発生した熱が、図中矢印Ａ１で示すように主に放熱部１１により放熱される。この際、摺動接点部材１は、放熱部１１が、摺動面Ｓの法線に対して傾斜していると共に、少なくとも一部の放熱部１１が、摺動面Ｓから部材側面に連続しているので、発生した熱が当該摺動接点部材１の横方向に移動する。つまり、導電体（ブラシ）の本体部分へ伝わる熱量が減少する。

このように、摺動接点部材１は、厚さ方向の導電性を確保したままで面内方向（摺動面に沿う方向）の放熱性が得られることとなり、放熱性と導電性の両立を実現することができる。また、摺動接点部材１は、放熱部１１を導電性ダイヤモンドで形成しているので、耐摩耗性を高めることもでき、上記の放熱性及び導電性の向上と相俟って、導電体（ブラシ）の寿命向上や直流モータの性能向上などに貢献することができる。

また、摺動接点部材１は、放熱部１１及び導電部１２が、層状を成して交互に積層した構造になっているので、導電性と放熱性が均一に得られるうえに、後記するパウダーデポジション法に基づいて容易に製造することができる。

さらに、摺動接点部材１は、放熱部１１が、摺動方向に対して前方に上がり傾斜しているので、相手部材２との摺動接触部分の温度上昇を抑えることができる。つまり、相手部材２は、摺動接点部材１との摺動接触によって発熱するのであるが、この際、摺動接点部材１との接触時間が長い回転前方領域で高温になる。そこで、摺動接点部材１は、上記の如く傾斜させた放熱部１１により、相手部材２との摺動接触で発生した熱を、当該摺動接点部材１の摺動方向の前方側、すなわち相手部材２の高温領域の反対側（相手部材２の摺動方向の後方側）へ逃がす。これにより、摺動接点部材１は、相手部材２との摺動接触部分の温度上昇を抑えることができる。

図２は、銅製の摺動接点部材の熱伝導率と、本発明に係る摺動接点部材すなわち導電性ダイヤモンドから成る放熱部１１及び銅から成る導電部１２を有する摺動接点部材１の熱伝導率を示すグラフである。同図から明らかなように、銅製の摺動接点部材の熱伝導率を１とした場合、本発明の摺動接点部材１は１．５倍以上の熱伝導率を示し、放熱性に優れていることを確認した。

図３は、本発明に係る摺動接点部材の他の実施形態を説明する図である。なお、以下の各実施形態において、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の摺動接点部材１は、放熱部１１及び導電部１２が、層状を成すとともに交互に積層した構造を有していると共に、放熱部１１の傾斜角度θが、摺動面の法線に対して５〜８５度の範囲になっている。なお、傾斜角度θは、実機を考慮した場合、５度未満にすると面内方向の放熱性が損なわれる虞があり、８５度を超えると厚さ方向の導電性が損なわれる虞があるからである。よって、傾斜角度θを５〜８５度の範囲とすることで、厚さ方向の導電性と面内方向の放熱性を両立させることができる。

また、摺動接点部材１は、摺動方向（図中で左方向）の前方半分側では、放熱部１１が、当該摺動接点部材１の摺動方向に対して前方に上がり傾斜していると共に、摺動方向の後方半分側では、放熱部１１が、当該摺動接点部材１の摺動方向に対して後方に上がり傾斜している。そして、摺動接点部材１１は、全ての放熱部１１が、摺動面Ｓから部材側面にかけて連続したものとなっている。

上記構成を備えた摺動接点部材１は、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、摺動方向の前方半分側と後方半分側とで放熱部１１の傾斜方向を逆向きにしたことから、相手部材２との摺動接触により発生した熱を最短距離で部材側面に逃がすことができ、放熱性をより一層高めることができる。

図４に示す摺動接点部材１は、図１に示す実施形態と同様に、放熱部１１及び導電部１２が、夫々に層状を成すとともに交互に積層した構造を有すると共に、当該摺動接点部材１の摺動方向（図中で反矢印方向）に対して前方に上がり傾斜している。そして、摺動接点部材１は、その摺動面Ｓにおいて、摺動方向の前方側の放熱部１１の面積よりも、後方側の放熱部１１の面積が大きくなっている。つまり、図示した三層の放熱部１１は、傾斜下側から上側に向けて層の厚みが漸次増大しており、これにより摺動面Ｓにおける面積が漸次増大している。

上記構成を備えた摺動接点部材１は、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、相手部材２との摺動接触部分の温度上昇を抑える効果が増大する。図１に示す実施形態で説明したように、相手部材２では、摺動接点部材１との接触時間が長い回転前方領域で高温になる。そこで、上記の摺動接点部材１は、摺動方向の後方側すなわち相手部材１の高温領域に対応する放熱部１１の面積を大きくすることで、とくに高温領域に対する放熱性をより一層高めている。これにより、摺動接点部材１は、相手部材２との摺動接触部分の温度上昇をより確実に抑えることができる。

図５に示す摺動接点部材１は、図１に示す実施形態と同様に、放熱部１１及び導電部１２が、夫々に層状を成すとともに交互に積層した構造を有すると共に、当該摺動接点部材１の摺動方向（図中で反矢印方向）に対して前方に上がり傾斜している。

そして、摺動接点部材１は、放熱部１１を形成する導電性ダイヤモンドが、比抵抗１×１０^−１ Ω・ｃｍ以下の導電性ダイヤモンド粒子であるものとしている。この場合、放熱部１１は、その組成を図５中の拡大図に示すように、導電性ダイヤモンド粒子Ｄをコバルト（Ｃｏ）などの結合材Ｂで結合して成形したものである。このような摺動接点部材１にあっても、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

図６は本発明の摺動接点部材の製造方法の一例を示す説明図であって、ここでは、パウダーデポジション法に基づいて放熱部１１及び導電部１２を形成している。

パウダーデポジション法では、装置として、ジェットノズルＮと、ヘリウムガスを加熱するヒータＨと、粉末素材を供給するフィーダＦを用い、ジェットノズルＮにより、基盤Ｗ上にヘリウムガスとともに粉末素材を噴射する。

すなわち、摺動接点部材１を製造するには、導電性ダイヤモンドの粉末素材を基盤Ｗの上面に噴射して放熱部１１を層状に形成し、次に、放熱部１１の上面に、導電性ダイヤモンドよりも比抵抗の小さい導電材料の粉末素材を噴射して導電部１２を層状に形成する。それ以降は、放熱部１１と導電部１２とを交互に形成することで、層状の放熱部１１及び導電部１２を交互に積層した構造を有する摺動接点部材１を形成する。

このように、パウダーデポジション法を利用することで、当該摺動接点部材１を容易に且つ安価に製造することができる。なお、本発明の摺動接点部材１のように放熱部１１と導電部１２を有する場合は、個別の装置を用いて放熱部１１と導電部１２を交互に形成するのが望ましく、これにより製造効率もさらに向上する。

図７は、本発明の摺動接点部材を適用した直流モータを説明する断面図である。直流モータＭは、モータケース５１の内側に、ベアリング５２により回転自在に保持した電機子５３と、電機子５３のコイル５４に対抗するマグネット５５を備えている。そして、モータケース５１側に、複数のブラシ５６を備えている。各ブラシ５６は、電機子５３に同軸状に設けたコミュテータ（整流子）５７に対して摺動接触しながら通電をする。なお、直流発電機にあっても同様の構成である。

上記の各実施形態で説明した摺動接点部材１は、図６に示す直流モータや直流発電機といった直流回転機において、ブラシ５６及びコミュテータ５７の少なくとも一方を構成する。これにより、直流回転機の部品の長寿命化や性能向上を実現することができる。

本発明の摺動接点部材は、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更することが可能である。また、上記各実施形態では、直流モータの導電体であるブラシに当該摺動接点部材を適用した場合を説明したが、例えば、パンタグラフやスイッチ類の可動接点などのように、相手部材に対して相対的に摺動接触しながら通電をするための各種導電体に適用可能である。

１摺動接点部材（ブラシ：導電体）
２相手部材（コミュテータ）
１１放熱部
１２導電部

Claims

相手部材に対して相対的に摺動接触しながら通電をするための導電体において、この導電体の摺動面を含む部分を形成する摺動接点部材であって、
導電性ダイヤモンドから成る放熱部と、導電性ダイヤモンドよりも比抵抗の小さい導電材料から成る導電部とが摺動面に混在して露出し、且つ放熱部及び導電部が部材厚さ方向に連続している構造を有しており、
放熱部が、摺動面の法線に対して傾斜していると共に、少なくとも一部の放熱部が、摺動面から部材側面に連続していることを特徴とする摺動接点部材。
放熱部及び導電部が、夫々に層状を成すとともに交互に積層した構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の摺動接点部材。
放熱部が、摺動方向に対して前方に上がり傾斜していることを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動接点部材。
放熱部の傾斜角度が、摺動面の法線に対して５〜８５度の範囲であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の摺動接点部材。
摺動面において、摺動方向の前方側の放熱部の面積よりも、後方側の放熱部の面積を大きくしたことことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の摺動接点部材。
放熱部を形成する導電性ダイヤモンドが、比抵抗１×１０^−１ Ω・ｃｍ以下の導電性ダイヤモンド粒子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の摺動接点部材。
導電部を形成する導電部材が、銅、アルミニウムニッケル、チタン、コバルト及び鉄のうちのいずれかを含むものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の摺動接点部材。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の摺動接点部材を、ブラシ及びコミュテータの少なくとも一方に備えたことを特徴とする直流回転機。