JP5862776B2 - 電気接点構造及び電動機 - Google Patents

Description

この発明は、電気接点構造及び電動機に関する。

電動機(電気モーター／ジェネレーター)やパンタグラフには、加圧された状態で相互に摺動する電気接点構造が用いられる。このような構造では、接点部材が摩耗した場合に、部品交換などのメンテナンスを行う必要がある。そこでＪＰ２００２−２５３４６Ａでは、耐摩耗性を向上させるために、接点部材の表面に導電性ダイヤモンドライクカーボン(Diamond Like Carbon；以下適宜「ＤＬＣ」と称す)をコーティングしている。

しかしながら、導電性ＤＬＣをコーティングした接点部材は、ほとんど摩耗しないがゆえ、部材間のなじみ性が悪く、部材間の接触面積が小さいままであるという可能性があった。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、接点部材の摩耗を防止するとともに、部材間の良好ななじみ性を得ることができる電気接点構造及び電動機を提供することである。

本発明による電気接点構造のひとつの実施形態は、加圧された状態で相互に摺動する電気接点構造である。そして、導電性硬質炭素を含む一方の接点部材と、基材と、その基材の表面であって一方の接点部材が当接される領域に形成され鉄族元素及びチタンの少なくともいずれかを含む層状材と、を有する他方の接点部材と、を含む。

本発明の実施形態、本発明の利点は、添付された図面とともに以下に詳細に説明される。

図１は、本発明による電気接点構造を用いるのに好適な電動機を示す図である。 図２は、図１のＩＩ部の拡大図である。 図３は、コミュテーター２３の基材２３ａに、層状材２３ｂを形成する手法の一例を説明する図である。 図４は、本発明による電気接点構造の第２実施形態を示す図である。 図５は、本発明による電気接点構造の第３実施形態を示す図である。

（第１実施形態）
図１は、本発明による電気接点構造を用いるのに好適な電動機を示す図である。

電動機１は、直流電動機である。なお電動機は、電気的エネルギーが供給されれば機械的動力を発生する電気モーター機能を有するとともに、機械的エネルギーが供給されれば電気的エネルギーを発生するジェネレーター機能を有するものである。

図１に示される電動機１は、ケース１０と、ローター２０と、を含む。

ケース１０は、略円筒形である。ケース１０の両端面１０ａには、一対のベアリング１１が同軸に嵌合される。ケース１０の内壁面１０ｂには、マグネット１２が設けられる。またケース１０には、弾性体１３を介して複数のブラシ１４が設けられる。

ローター２０は、ローターシャフト２１と、ローターコア２２と、コミュテーター２３と、を含む。

ローターシャフト２１は、ローター２０の回転軸である。

ローターコア２２は、ローターシャフト２１に周囲に設けられる。ローターコア２２は、多数の電磁鋼板がローターシャフトの軸方向に積層されて形成される。またローターコア２２には、コイル２２ａが形成される。

コミュテーター２３は、ローターシャフト２１に固設される。このコミュテーター２３に、ブラシ１４が弾性体１３によって押圧される。

ここで本発明の理解を容易にするために、本発明が解決しようとする課題について確認する。図１に示された電動機１は、導電性の接点部材(ブラシ１４及びコミュテーター２３)を有する直流電動機である。このような電動機では、接点部材が摩耗した場合に、部品交換などのメンテナンスを行う必要がある。これに対して特許文献１では、接点部材に導電性ＤＬＣをコーティングすることで、耐摩耗性を向上させている。しかしながら、導電性ＤＬＣをコーティングした接点部材は、ほとんど摩耗しないがゆえ、部材間のなじみ性が悪く、部材間の接触面積が小さいままであるという可能性があった。すなわち、部材には、製造精度のバラツキがあるので、コミュテーター２３の外周面とブラシ１４の内周面とをきれいに面接触させることが困難であり、片当たり状態になりやすい。接点部材に導電性ＤＬＣをコーティングすれば、耐摩耗性が向上するものの、ほとんど摩耗しないがゆえ、部材間のなじみ性が悪く、片当たり状態がいつまでも解消されず、部材間の接触面積が小さい状態が続いてしまう。またコミュテーターの外周面やブラシの内周面に微小凹凸があれば、その凹凸が摩耗することなくいつまでも残存する。このことによっても、部材間の接触面積が小さい状態が続いてしまう。これに対して、たとえば硬度が低いコミュテーターを用いては、耐摩耗性が低下する。またブラシは複数用いられるので、すべてのブラシの内周面の凹凸にコミュテーターをなじませることは現実的ではない。ひとつのブラシの凹凸に倣っても、次のブラシの凹凸には倣わないからである。そのため部材間の接触面積が小さい状態を解消できない。部材間の接触面積が小さければ電気伝導性が悪いので、電動機のエネルギー効率が低下する。また接点部材の電流が局所的に集中することによって熱が発生しやすくなる。熱が発生すれば接点部材が熱軟化し、耐久性が低下する。

これに対して、なじみ加工を追加することも考えられるが、導電性ＤＬＣは非常に硬度が高いので、加工時間が多大になる。また電動機としてアッセンブリーする前になじみ加工を実施しても組み付け誤差による片当たりは解消できない。

このような課題を解決すべく、発明者らは、一方の接点部材(ブラシ１４及びコミュテーター２３のいずれか一方の部材)を導電性ダイヤモンドや導電性ＤＬＣといった硬質炭素で構成した。そして、他方の接点部材(ブラシ１４及びコミュテーター２３のいずれか他方の部材)の表面に鉄族元素又はチタンＴｉを含む材料による層状材を形成した。鉄族元素又はチタンＴｉは、ダイヤモンドやＤＬＣといった硬質炭素の摩耗を促進できるので、本実施形態によって、部材間のなじみ性を得ることができた。以下では具体的な内容を説明する。

図２は図１のＩＩ部の拡大図であり、図２(Ａ)は初期形状を示し、図２(Ｂ)は経時形状を示す。

本実施形態では、ブラシ１４は、導電性ダイヤモンドを含んだ材料で形成される。ここで導電性ダイヤモンドとは、不純物(ボロンＢなど)がドーピングされたダイヤモンド半導体である。このようにすれば良好な耐摩耗性を得ることができるので、好適である。

またコミュテーター２３は、図２(Ａ)に示されるように、基材２３ａの表面であって少なくともブラシ１４が当接する領域に、鉄族元素及びチタンＴｉの少なくともいずれかを含む層状材２３ｂが形成されている。

このような構成であるので、ローターシャフト２１が回転して、ブラシ１４とコミュテーター２３とが摺動すると、図２(Ｂ)に示されるように、徐々に、ブラシ１４の凹凸が摩耗して減少するとともに、層状材２３ｂも消失していき、経時的には、両者がなじんで両者の接触面積が向上する。この結果、電動機のエネルギー効率が良好になり、また接点部材の局所的な電流集中が避けられて、ひいてはこの点においても耐久性が向上する。

なお層状材２３ｂは、経時的にはコミュテーター２３にはほとんど残らず消失してしまうが、粉塵としてケース内に残留する。したがって、ケース内の粉塵の成分や粉塵の量を調べることによって、初期に、鉄族元素及びチタンＴｉの少なくともいずれかを含む層状材２３ｂが形成されていたか否かが判る。

コミュテーター２３の基材２３ａの材料としては、たとえば、銅Ｃｕ，アルミニウムＡｌ，亜鉛Ｚｎ，金Ａｕ，銀Ａｇなどの金属材料を使用すればよい。このようにすれば、ブラシ１４及びコミュテーター２３がなじんだ後の電気伝導性が良いので、電動機のエネルギー効率に優れる。またコミュテーター２３のなじみ性がさらに向上する。

またコミュテーター２３の基材２３ａの材料としては、たとえば、ブラシ１４と同様に、導電性ダイヤモンドを含んだ材料を使用してもよい。この場合に、金属基材の表面に導電性ダイヤモンドの層を形成しても、また金属基材に導電性ダイヤモンドを含有させてもよい。このようにすれば、ブラシ１４及びコミュテーター２３がなじんだ後は、両者がほとんど摩耗しないので、長寿命化を図ることができる。

図３は、コミュテーター２３の基材２３ａに、層状材２３ｂを形成する手法の一例を説明する図である。

コミュテーター２３の基材２３ａの表面に、鉄族元素及びチタンＴｉの少なくともいずれかを含む層状材２３ｂを形成する手法としては、たとえば、メッキ法，化学気相成長法(Chemical Vapor Deposition；ＣＶＤ)，物理気相成長法(Physical Vapor Deposition；ＰＶＤ)，パウダーデポジション法などがある。

次に図３を参照して、パウダーデポジション法を用いて、コミュテーター２３の基材２３ａに、層状材２３ｂを形成することについて説明する。

パウダーデポジション法を実施するための装置は、ジェットノズルＮと、ヘリウムガスを加熱するヒーターＨと、粉末素材を供給するフィーダーＦと、を含む。ジェットノズルＮは、ワーク(基材２３ａ)に対してヘリウムガスとともに粉末素材を噴射する。

このようなパウダーデポジション法を利用することで、容易かつ安価に製造することができる。

本実施形態によれば、接点部材(ブラシ１４及びコミュテーター２３)のなじみ性を向上できるとともに、なじんだ後の良好な耐摩耗性を得ることができるのである。そして、本実施形態のような電気接点構造を電動機に適用すれば、メンテナンス性に優れる(メンテナンスフリーな)電動機を得ることができる。

（第２実施形態）
図４は本発明による電気接点構造の第２実施形態を示す図であり、図４(Ａ)は初期形状を示し、図４(Ｂ)は経時形状を示す。

なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

上述した第１実施形態のブラシ１４は、導電性ダイヤモンドを含んだ材料で形成された。これに対して、この第２実施形態では、図４(Ａ)に示されるように、基材１４ａの表面に導電性ＤＬＣを含む層状材１４ｂがコーティングされている。なおＤＬＣ(Diamond Like Carbon)は、ダイヤモンド構造(ＳＰ３結晶構造)とグラファイト構造(ＳＰ２結晶構造)とが混在したアモルファス(非晶質)構造である。

コミュテーター２３については、第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。

なお、基材１４ａの表面に、金属材料、導電性ダイヤモンド、導電性ＤＬＣを含む層状材１４ｂをコーティングするには、上述のパウダーデポジション法や焼結法を利用できる。焼結法によって製造した場合は、粒子の変形が少ない。これに対して、パウダーデポジション法を利用した場合は、焼結法に比べて、粒子が変形しているという特徴がある。したがって、層状材１４ｂに含まれる粒子の形状を調べることで、製造方法を推定できる。

また焼結法によって製造した場合は、粒子間には、金属成分がほとんど含まれないが、パウダーデポジション法によって製造した場合は、焼結法によって製造した場合に比べて、粒子間に存在する金属成分が多いという特徴もある。そのため、電気伝導性が向上するので、より好ましい手法であると言える。

このような構造であっても、ローターシャフト２１が回転して、ブラシ１４とコミュテーター２３とが摺動すると、図４(Ｂ)に示されるように、徐々に、ブラシ１４(層状材１４ｂ)の凹凸が摩耗して減少するとともに、層状材２３ｂも消失していき、経時的には、両者がなじんで両者の接触面積が向上する。この結果、電動機のエネルギー効率が良好になり、また接点部材の電流が局所的に集中することが避けられて、ひいてはこの点においても耐久性が向上する。

（第３実施形態）
図５は本発明による電気接点構造の第３実施形態を示す図であり、図５(Ａ)は初期形状を示し、図５(Ｂ)は経時形状を示す。

上述した第１実施形態のコミュテーター２３は、基材２３ａの表面であって少なくともブラシ１４が当接する領域に、鉄族元素及びチタンＴｉの少なくともいずれかを含む層状材２３ｂが形成されていた。これに対して、この第３実施形態では、図５(Ａ)に示されるように、基材２３ａの表面に導電性ＤＬＣを含むＤＬＣ層状材２３ｃがコーティングされている。なお導電性ダイヤモンドが含まれていてもよい。そしてその上に、鉄族元素及びチタンＴｉの少なくともいずれかを含む層状材２３ｂが形成されている。導電性ダイヤモンド、導電性ＤＬＣを含む層状材は、上述のパウダーデポジション法や焼結法、化学気相成長法(Chemical Vapor Deposition；ＣＶＤ)、物理気相成長法(Physical Vapor Deposition；ＰＶＤ)などによって形成できる。

なおブラシ１４については、第１実施形態又は第２実施形態と同様のものでよいので、説明を省略する。

このような構造であっても、ローターシャフト２１が回転して、ブラシ１４とコミュテーター２３とが摺動すると、図５(Ｂ)に示されるように、徐々に、ブラシ１４の凹凸が摩耗して減少するとともに、層状材２３ｂも消失していき、経時的には、両者がなじんで、ブラシ１４とコミュテーター２３(ＤＬＣ層状材２３ｃ)との接触面積が向上する。この結果、電動機のエネルギー効率が良好になり、また接点部材の電流が局所的に集中することが避けられて、ひいてはこの点においても耐久性が向上する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

たとえば、ブラシ１４とコミュテーター２３との材料組成を逆にしてもよい。すなわち第１実施形態では、ブラシ１４が、導電性ダイヤモンドを含んだ材料で形成され、コミュテーター２３に、鉄族元素及びチタンＴｉの少なくともいずれかを含む層状材２３ｂが形成されていた。これを逆にして、コミュテーター２３を導電性ダイヤモンドを含んだ材料で形成し、ブラシ１４に、鉄族元素及びチタンＴｉの少なくともいずれかを含む層状材を形成してもよい。第２実施形態や第３実施形態についても同様である。

また上記実施形態では、電動機の電気接点を掲げて説明したが、これには限られない。たとえば、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電気接点に適用可能である。

また上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

本願は、２０１２年７月１２日に日本国特許庁に出願された特願２０１２−１５６３７１に基づく優先権を主張し、これらの出願の全ての内容は参照によって本明細書に組み込まれる。

Claims (7)

1. 加圧された状態で相互に摺動する電気接点構造であって、
   導電性硬質炭素を含む一方の接点部材と、
   基材と、その基材の表面であって一方の接点部材が当接される領域に形成され、前記導電性硬質炭素の摩耗を促進するために鉄族元素及びチタンの少なくともいずれかを含む層状材と、を有し、前記一方の接点部材と摺動すると、前記層状材が前記一方の接点部材を摩耗しつつ前記一方の接点部材になじむ他方の接点部材と、を備え、
   他方の接点部材の基材は、導電性ダイヤモンドを含む、
   電気接点構造。
2. 加圧された状態で相互に摺動する電気接点構造であって、
   導電性硬質炭素を含む一方の接点部材と、
   基材と、その基材の表面であって一方の接点部材が当接される領域に形成され、前記導電性硬質炭素の摩耗を促進するために鉄族元素及びチタンの少なくともいずれかを含む層状材と、を有し、前記一方の接点部材と摺動すると、前記層状材が前記一方の接点部材を摩耗しつつ前記一方の接点部材になじむ他方の接点部材と、を備え、
   他方の接点部材の基材は、導電性ダイヤモンドライクカーボンを含むＤＬＣ層状材が表面に形成され、
   鉄族元素及びチタンの少なくともいずれかを含む層状材は、ＤＬＣ層状材に積層される、
   電気接点構造。
3. 請求項１又は２に記載の電気接点構造において、
   導電性硬質炭素は、導電性ダイヤモンドである、
   電気接点構造。
4. 請求項１又は２に記載の電気接点構造において、
   導電性硬質炭素は、導電性ダイヤモンドライクカーボンである、
   電気接点構造。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の電気接点構造において、
   他方の接点部材の基材は、金属材料で形成される、
   電気接点構造。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の電気接点構造において、
   鉄族元素及びチタンの少なくともいずれかを含む層状材は、ワークに対して粉末素材をジェット噴射するパウダーデポジション法で基材の表面に形成される、
   電気接点構造。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の電気接点構造を有する、
   電動機。

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