JP6327346B2 - 回転機 - Google Patents
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Description
本発明は、電気エネルギーと回転エネルギーとを変換する回転機に関するものである。
従来、電気エネルギーと回転エネルギーとを変換する回転機として、モータ（電動機）やダイナモ（発電機）が広く使用されている。モータは、整流子を含む回転子の回転により、電気エネルギーを回転エネルギー（回転力）に変換する。モータにおいて、ブラシと整流子は、抵抗損および回転子の回転に係る摺動接触（摩擦）により高温となる。
そのため、特許文献１〜３に開示されている、ブラシ（第１被着体）とブラシを保持する保持部（第２被着体）との接合や、整流子（第１被着体）とコイル（第２被着体）との接合などには、融点の高さから、高温はんだ（高融点はんだ）のはんだ付けやロウ付けが用いられる。
しかしながら、ロウ付けや高温はんだ（高融点はんだ）のはんだ付けでは、接合時に高い温度が必要である。そのため、接合部分の周辺部材に熱ダメージを与えるという問題がある。
例えば、ロウ付けは、局所的に高温になるため、その周辺部材が変形したり脆化したりする。
また、高温はんだのはんだ付け温度も３００℃程度と比較的高く、その周辺部材が変形したり脆化したりする。なお、高温はんだの場合、はんだ付け時に溶融した余分なはんだがボール状となってコイル等に脱落し、ショートの原因になることがある。また、高温はんだはＰｂ系はんだが多く、環境への負荷が懸念される。
したがって、本発明の目的は、第１被着体と第２被着体との接合時に周辺部材に与える熱ダメージを低減できる回転機を提供することにある。
本発明は、電気エネルギーと回転エネルギーとを変換する回転機において、
回転に係る摺動接触面を有する第１被着体と、
第２被着体と、
ＳｎまたはＳｎを含む合金である第１金属と、ＣｕＮｉ合金、ＣｕＭｎ合金、ＡｇＰｄ合金、ＣｕＡｌ合金またはＣｕＣｒ合金である第２金属と、の反応によって生成される金属間化合物を含む導電性接合部材と、を備え、
導電性接合部材は、第１被着体と第２被着体とを接合しており、
前記導電性接合部材と前記第１被着体との間および前記導電性接合部材と前記第２被着体との間にはそれぞれＣｕＳｎ合金層が設けられており、前記金属間化合物相中に空孔が設けられている、
ことを特徴とする。
回転に係る摺動接触面を有する第１被着体と、
第２被着体と、
ＳｎまたはＳｎを含む合金である第１金属と、ＣｕＮｉ合金、ＣｕＭｎ合金、ＡｇＰｄ合金、ＣｕＡｌ合金またはＣｕＣｒ合金である第２金属と、の反応によって生成される金属間化合物を含む導電性接合部材と、を備え、
導電性接合部材は、第１被着体と第２被着体とを接合しており、
前記導電性接合部材と前記第１被着体との間および前記導電性接合部材と前記第２被着体との間にはそれぞれＣｕＳｎ合金層が設けられており、前記金属間化合物相中に空孔が設けられている、
ことを特徴とする。
この構成では例えば、第１金属と第２金属との反応により、Ｓｎ、ＣｕおよびＮｉからなる群より選ばれる少なくとも２種を含んだ金属間化合物またはＳｎ、ＣｕおよびＭｎからなる群より選ばれる少なくとも２種を含んだ金属間化合物が生成される。具体的には、金属間化合物は、例えばＣｕ６Ｓｎ５、Ｎｉ３Ｓｎ４、Ｃｕ２ＮｉＳｎ等である。
この構成において、金属間化合物は、高温はんだのはんだ付け温度３００℃より低い反応温度で生成され、高温はんだの融点（１８３℃〜２４０℃）より高い融点を持つ。
そのため、第１金属と第２金属とを高温はんだのはんだ付け温度より低い反応温度で反応させて金属間化合物を生成し、導電性接合部材を得ることによって、接合部分の周辺部材が変形したり脆化したりすることを低減できる。
したがって、本発明の回転機は、第１被着体および第２被着体の接合時に周辺部材に与える熱ダメージを低減できる。
さらに、金属間化合物の融点は高温はんだの融点（１８３℃〜２４０℃）より高いため、導電性接合部材は、高温はんだより高温にさらされる部分の接合にも利用できる。
また、本発明において、導電性接合部材は、多孔質であることが好ましい。
この構成では、導電性接合部材の比表面積が大きくなる。すなわち、回転子の回転による空気流との接触面積が大きくなり、導電性接合部材の放熱性が向上する。
また、本発明において、第１被着体は、ブラシの一部を構成し、整流子と接触する摺動接触部であり、
第２被着体は、ブラシの一部を構成する固定部である、ことが好ましい。
第２被着体は、ブラシの一部を構成する固定部である、ことが好ましい。
また、本発明において、例えば第１被着体はブラシであり、第２被着体は、ブラシを保持する保持部である。
また、本発明において、例えば第１被着体は整流子であり、第２被着体は、整流子に接続するコイルである。
本発明の回転機によれば、第１被着体と第２被着体との接合時に周辺部材に与える熱ダメージを低減できる。
《本発明の実施形態》
本発明の実施形態に係るモータ装置について以下説明する。
本発明の実施形態に係るモータ装置について以下説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るモータ装置１００の外観斜視図である。図２は、図１に示すブラシ７の外観斜視図である。図３は、図１に示すブラシ７の断面図である。図４は、図２に示す摺動接触部５１（第１被着体）および固定部６０（第２被着体）の接合部分の拡大断面図である。
モータ装置１００は、ケーシング９と、永久磁石２と、回転子３と、ブラシ７と、を備える。モータ装置１００は、回転子３の回転により、電気エネルギーを回転エネルギー（回転力）に変換する。
ケーシング９は、永久磁石２と、回転子３と、ブラシ７と、を収納する。ケーシング９は、胴体部９１と、キャップ９２と、からなる。キャップ９２は、胴体部９１に対して着脱自在に取り付けられている。永久磁石２は、胴体部９１の内周面に固定されている。後述するブラシ７の固定部６０は、キャップ９２の内周面に固定されている。
回転子３は、ケーシング９内部に回転可能に支持された回転軸４に、電機子５及び電機子５のコイル（不図示）と電気的に接続された整流子６を設けたものである。電機子５は、鉄心と、図示を省略しているコイルとによって構成されている。各整流子６は、円筒状の絶縁体に、３枚の円筒片状金属板が一体成型または接着剤で接着された部材である。
ブラシ７は、図２、図３に示すように、摺動接触部５１と、固定部６０と、導電性接合部材２０と、を備えている。
なお、摺動接触部５１の材料は、例えばリン青銅や洋白などの導電性金属であって、バネ性を有するものを用いることができる。摺動接触部５１の材料は、導電性の点で、銅を含む金属であることが好ましい。固定部６０の材料は例えばステンレス鋼など、比較的硬質であるものを用いることができる。
ブラシ７の摺動接触部５１は、回転子３の回転に係る摺動接触面７１を有する。整流子６も、回転子３の回転に係る摺動接触面を有する。ブラシ７は、整流子６と常に摺動接触し、電機子５のコイルに電流を流す役割を持つ。ブラシ７と整流子６は、抵抗損により、および摺動接触（摩擦）により高温に達する。そのため、ケーシング９の内部空間も高温になる。
導電性接合部材２０は、図３、図４に示すように、摺動接触部５１（第１被着体）および固定部６０（第２被着体）を接合している。
導電性接合部材２０は、後述する第１金属１１（図６参照）と、第２金属２１と、の化学反応によって生成される金属間化合物相１２を主相としたものである。さらに、導電性接合部材２０は、金属間化合物相１２中に空孔２６と第２金属２１とを含んでいる。
第１金属１１は、Ｓｎからなる純金属である。第２金属２１は、ＣｕＮｉ合金である。金属間化合物相１２は、ＣｕＳｎ系合金、ＮｉＳｎ系合金、ＣｕＮｉＳｎ系合金を含むものである。合金層２５及び合金層３５については、後述する。
この導電性接合部材２０は、ＳｎとＣｕＮｉ合金とを反応温度２５０℃程度で得られる金属間化合物相１２を主相としたものであり、３００℃〜６００℃の範囲内の融点を持つ。すなわち、金属間化合物相１２は、高温はんだのはんだ付け温度３００℃より低い反応温度で生成され、高温はんだの融点（１８３℃〜２４０℃）より高い融点を持つ。
そのため、導電性接合部材２０は、接合部分の周辺部材が変形したり脆化したりすることを低減できる。
したがって、摺動接触部５１（第１被着体）および固定部６０（第２被着体）の接合時に、この接合部分が周辺部材に与える熱ダメージを低減できる。特に、各整流子６と回転軸４とを接着する接着剤が熱ダメージによって劣化することを低減できる。
さらに、金属間化合物相１２の融点は高温はんだの融点（１８３℃〜２４０℃）より高いため、導電性接合部材２０は、高温はんだより高温にさらされる部分の接合にも利用できる。
さらに、導電性接合部材２０は、反応時に高温はんだのような溶融状態を経ないため、ショートの要因となるボール形状を形成することがない。よって、本実施形態によれば、ショートの危険性の少ないモータ装置１００を実現することができる。また、導電性接合部材２０は、高温はんだのようにＰｂを含んでいないため、環境への負荷が懸念されない。
また、この導電性接合部材２０は、図４に示すように、複数の空孔２６を含んだ多孔質体であることが好ましい。導電性接合部材２０は、ブラシ７や整流子６の摺動接触面の周辺に位置する。
ブラシ７や整流子６は抵抗損による発熱、および摺動接触による摩擦熱が摺動接触面で生じるが、導電性接合部材２０が多孔質体であれば、導電性接合部材２０の比表面積が大きくなる。すなわち、回転子３の回転による空気流との接触面積が大きくなり、導電性接合部材２０の放熱性が向上する。
なお、導電性接合部材２０の空孔率が５％を下回ると、空冷効果が得られにくく、導電性接合部材２０の空孔率が５０％を上回ると、強度が不足してしまうことがある。そのため、導電性接合部材２０における空孔率は５〜５０％の範囲内であることが好ましい。
以下、摺動接触部５１（第１被着体）および固定部６０（第２被着体）の接合方法について詳述する。
図５は、図２に示す摺動接触部５１（第１被着体）および固定部６０（第２被着体）の接合方法を示すフローチャートである。図６は、図５に示す塗布工程を模式的に示す拡大断面図である。図７は、図５に示す接合工程を模式的に示す拡大断面図である。図８は、図５に示す加熱工程を模式的に示す拡大断面図である。
まず、金属ペースト１０を用意する。
そして、図６に示すように、金属ペースト１０を、摺動接触部５１（第１被着体）又は固定部６０（第２被着体）の少なくともいずれか一方に塗布する（図５：Ｓ１）。本実施形態では、金属ペースト１０を、固定部６０へ先に塗布しているが、実施の際は摺動接触部５１へ先に塗布してもよい。
金属ペースト１０は、粉粒体である第１金属１１及び第２金属２１をペースト相３１中に含む金属複合材料である。第１金属１１は、Ｓｎからなる純金属である。第２金属２１は、ＣｕＮｉ合金である。
金属ペースト１０にはペースト相３１として、フラックス成分が含まれていることが好ましい。このフラックス成分は、Ｓｎ粉末やＣｕＮｉ合金粉末の表面酸化物を除去して活性化させる働きを有する。フラックス成分としては、たとえばロジン、有機酸、二塩基酸などを利用できる。その配合量は、金属ペースト１０全量に対して０．１〜５重量％であることが好ましい。
金属ペースト１０にはペースト相３１として、バインダ成分が含まれていることが好ましい。このバインダ成分は、ペースト状に保持する働きを有する。バインダ成分としては、たとえばロジン、セルロース誘導体、アクリル樹脂、フェノール樹脂などを利用できる。その配合量は、金属ペースト１０全量に対して０．１〜５重量％であることが好ましい。
Ｓｎ粉末とＣｕＮｉ合金粉末との配合比は、重量比で、Ｓｎ粉末：ＣｕＮｉ合金粉末＝５：９５〜５０：５０の範囲内であることが好ましい。Ｓｎ粉末の配合量が多すぎると、接合時にはんだボールを生じてしまったり、Ｓｎ成分が残存して高温で溶融したりすることがある。一方、ＣｕＮｉ合金粉末の配合量が多すぎると、接合強度が不足してしまうことがある。
また、Ｓｎ粉末の平均粒径（Ｄ５０）は、５〜５０μｍの範囲内であることが好ましく、ＣｕＮｉ合金粉末の平均粒径（Ｄ５０）は、０．１〜８０μｍの範囲内であることが好ましい。
Ｓｎ粉末の平均粒径が５μｍよりも小さいと、Ｓｎ粉末が溶融しないことがある。一方、Ｓｎ粉末の平均粒径が５０μｍよりも大きいと、反応物内での組成バラツキが大きくなってしまい、はんだボールを生じてしまうことがある。
また、ＣｕＮｉ合金粉末の平均粒径が０．１μｍよりも小さいと、ＣｕＮｉ合金粉末とＳｎ粉末の濡れ性が悪くなって分離してしまうことがある。一方、ＣｕＮｉ合金粉末の平均粒径が８０μｍよりも大きいと、接合強度が不足してしまうことがある。
次に、図７に示すように、摺動接触部５１（第１被着体）および固定部６０（第２被着体）を接合する（図５：Ｓ２）。
次に、図８に示すように、摺動接触部５１（第１被着体）および固定部６０（第２被着体）の接合部分を、例えばホットエアガンにより所定の温度（本実施形態では２５０℃程度）で加熱する（図５：Ｓ３）。
図７に示す金属ペースト１０を加熱すると、図８に示す導電性接合部材２０を得ることができる。導電性接合部材２０は、金属間化合物相１２と、金属間化合物相１２中に含まれる第２金属２１及び空孔２６と、ＣｕＳｎ合金層２５と、ＣｕＳｎ合金層３５と、で構成されている。
詳述すると、金属ペースト１０が加熱されると、第１金属と、第２金属と、の化学反応によって金属間化合物（たとえば、Ｃｕ６Ｓｎ５、Ｎｉ３Ｓｎ４、Ｃｕ２ＮｉＳｎ等）が生成される。この反応は、例えば、液相拡散接合（「ＴＬＰ接合：ＴｒａｎｓｉｅｎｔＬｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ ＤｉｆｆｕｓｉｏｎＢｏｎｄｉｎｇ」）に伴う反応である。生成される金属間化合物は、Ｃｕ、ＮｉおよびＳｎからなる群より選ばれる少なくとも２種を含んだ合金である。金属間化合物の融点は、３００℃以上、さらには４００℃以上である。導電性接合部材２０は、金属間化合物相１２を主相とし、この主相中に第２金属粒や空孔（ポア）が分散した構造となっている。
また、金属ペースト１０が加熱されると、同時に、第１金属１１と摺動接触部５１の構成金属との化学反応によって、ＣｕＳｎ合金層２５が生成される。そのため、金属間化合物相１２及び摺動接触部５１の間は強固に接合される。
また、金属ペースト１０が加熱されると、同時に、第１金属１１と固定部６０の構成金属との化学反応によって、ＣｕＳｎ合金層３５が生成される。そのため、金属間化合物相１２及び固定部６０の間も強固に接合される。
なお、金属間化合物相１２中にはＣｕＮｉ合金粒が残存していても構わない。Ｓｎ粒は実質的に残存していないことが好ましい。ＣｕＮｉ合金粉末は、たとえばＣｕ−１０Ｎｉ合金粉末を用いることができる。
また、図５に示したステップＳ３での加熱温度は、２３０〜３５０℃程度であることが好ましい。特に、Ｓ３の加熱温度は、周辺部材に熱ダメージを与えないよう、２５０℃であることが最も好ましい。加熱温度とは、ホットエアガンの設定温度ではなく、接合部分を測定した温度である。Ｓ３の加熱時間も１分〜１０分程度であることが好ましい。
ここで、加熱温度が２３０℃を下回ると、第１金属１１を構成するＳｎが溶融せずに接合できないことがある。Ｓｎの溶融温度が、２３１．９３℃であるためである。
一方、加熱温度が３５０℃を上回ると、周辺部材が変形してしまうことがある。また、加熱時間が１分を下回ると、Ｓｎ成分が残存して高温で溶融してしまうことがある。一方、加熱時間が１０分を上回ると、周辺部材が変形してしまうことがある。
《その他の実施形態》
なお、前述の実施形態では本発明を、電気エネルギーを回転エネルギー（回転力）に変換するモータに適用したが、これに限るものではない。実施の際は、例えば、回転エネルギー（回転力）を電気エネルギーに変換するダイナモに適用してもよい。
なお、前述の実施形態では本発明を、電気エネルギーを回転エネルギー（回転力）に変換するモータに適用したが、これに限るものではない。実施の際は、例えば、回転エネルギー（回転力）を電気エネルギーに変換するダイナモに適用してもよい。
また、本実施形態では、この導電性接合部材２０は、摺動接触部５１と固定部６０とを接合するために用いられたが、これに限るものではない。実施の際、例えば、導電性接合部材２０は、ブラシ７の固定部６０とブラシ７を保持する保持部（たとえばケーシング９の内面）とを接合するために用いられてもよい。或いは、導電性接合部材２０は、整流子６と整流子６用接続電極（たとえば電機子５のコイル）とを接合するために用いられてもよい。
また、本実施形態では、第１金属は、Ｓｎからなる純金属であるが、これに限るものではない。実施の際、第１金属は、Ｓｎを含む合金であってもよい。
また、本実施形態では、第２金属は、ＣｕＮｉ合金であるが、これに限るものではない。実施の際、第２金属は、ＣｕＭｎ合金、ＡｇＰｄ合金、ＣｕＡｌ合金またはＣｕＣｒ合金であってもよい。例えば第２金属がＣｕＭｎ合金である場合、溶融したＳｎ（第１金属）とＣｕＭｎ合金（第２金属）との反応により、Ｃｕ、ＭｎおよびＳｎからなる群より選ばれる少なくとも２種を含んだ金属間化合物が生成される。
また、本実施形態では、金属ペースト１０はペースト状であるが、これに限るものではない。実施の際は、金属ペースト１０と同様の組成を有するシート状（あるいはテープ状）であってもよい。
最後に、前述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
２…永久磁石
３…回転子
４…回転軸
５…電機子
６…整流子
７…ブラシ
９…ケーシング
１０…金属ペースト
１１…第１金属
１２…金属間化合物相
２０…導電性接合部材
２１…第２金属
２５…合金層
２６…孔
３１…ペースト相
３５…合金層
５１…摺動接触部
６０…固定部
７１…摺動接触面
１００…モータ装置
３…回転子
４…回転軸
５…電機子
６…整流子
７…ブラシ
９…ケーシング
１０…金属ペースト
１１…第１金属
１２…金属間化合物相
２０…導電性接合部材
２１…第２金属
２５…合金層
２６…孔
３１…ペースト相
３５…合金層
５１…摺動接触部
６０…固定部
７１…摺動接触面
１００…モータ装置
Claims (5)
- 電気エネルギーと回転エネルギーとを変換する回転機において、
回転に係る摺動接触面を有する第１被着体と、
第２被着体と、
ＳｎまたはＳｎを含む合金である第１金属と、ＣｕＮｉ合金、ＣｕＭｎ合金、ＡｇＰｄ合金、ＣｕＡｌ合金またはＣｕＣｒ合金である第２金属と、の反応によって生成される金属間化合物相を含む導電性接合部材と、を備え、
前記導電性接合部材は、前記第１被着体と前記第２被着体とを接合しており、
前記導電性接合部材と前記第１被着体との間および前記導電性接合部材と前記第２被着体との間にはそれぞれＣｕＳｎ合金層が設けられており、前記金属間化合物相中に空孔が設けられている、回転機。 - 前記導電性接合部材は、多孔質である、請求項１に記載の回転機。
- 前記第１被着体は、ブラシの一部を構成し、整流子と接触する摺動接触部であり、
前記第２被着体は、前記ブラシの一部を構成する固定部である、請求項１または請求項２に記載の回転機。 - 前記第１被着体は、ブラシであり、
前記第２被着体は、前記ブラシを保持する保持部である、請求項１または請求項２に記載の回転機。 - 前記第１被着体は、整流子であり、
前記第２被着体は、前記整流子に接続するコイルである、請求項１または請求項２に記載の回転機。
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