JP6930775B2 - コンミュテータ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、カーボン層と金属層とから成るセグメントをライザ片に接合したコンミュテータとその製造方法に関する。
特許文献１（JP5901279）は、カーボン層と金属層とから成るセグメントをライザ片に接合したコンミュテータを記載している。セグメントの表層がカーボン層、底部の層が金属層で、金属層は突起を備え、この突起がライザ片の孔に嵌合している。
発明者は、突起と孔の嵌合ではなく、セグメントをライザ片に半田付けすることを検討した。しかしながら特許文献１のセグメントでは、金属層が多量の黒鉛（例えば9.2mass%）を含むため、セグメント表面に半田が濡れず、セグメントを直接ライザ片に半田付けすることはできなかった。特許文献２（JP2001-95207）では、セグメントにニッケル、錫、銅などのメッキを施し、半田付けや鑞付けなどの金属被覆層を形成することで、安定した導電性を確保できるとしている。しかしながら、メッキを施した上で金属被覆層を形成すると、前後処理や工程間の細かな調整が必要であり、またメッキ廃液の処理も必要になる。
この発明の課題は、セグメントをメッキ層無しにライザ片に半田付けすることにある。
この発明のコンミュテータは、樹脂ベース上に金属のライザ片が複数個取り付けられ、金属層とカーボン層とから成る複数個のセグメントが、金属層側でライザ片に接合されているコンミュテータであって、
金属層は、黄銅と錫及び0mass%以上5mass%未満のカーボンを含んで、銅粉を含まず、
金属層が、表面のメッキ層無しに、ライザ片に半田により接合されていることを特徴とする。
金属層は、黄銅と錫及び0mass%以上5mass%未満のカーボンを含んで、銅粉を含まず、
金属層が、表面のメッキ層無しに、ライザ片に半田により接合されていることを特徴とする。
この発明のコンミュテータの製造方法は、金属のライザ片を複数個互いに接続したライザ片母体上に、金属層とカーボン層とから成るセグメントを複数個互いに接続したリング状のセグメント母体を接合した後、ライザ片を固定する樹脂ベースを設けると共に、ライザ片母体とセグメント母体を切断し、個々のライザ片と個々のセグメントに分離する、コンミュテータの製造方法において、
金属層は、黄銅と錫及び0mass%以上5mass%未満のカーボンを含んで、銅粉を含まず、
セグメント母体の金属層を、金属層の表面にメッキを施すことなく、ライザ片に半田付けすることを特徴とする。この明細書において、コンミュテータに関する記載はそのままコンミュテータの製造方法にも当てはまる。
金属層は、黄銅と錫及び0mass%以上5mass%未満のカーボンを含んで、銅粉を含まず、
セグメント母体の金属層を、金属層の表面にメッキを施すことなく、ライザ片に半田付けすることを特徴とする。この明細書において、コンミュテータに関する記載はそのままコンミュテータの製造方法にも当てはまる。
メッキ層無しでの半田付けを妨げる原因は、金属層と半田との濡れが悪いことである。銅は表面が容易に酸化され、半田との濡れ性が低い酸化被膜が生じやすい。このため、金属層に銅を含めない。また天然黒鉛、人造黒鉛、非晶質炭素、等のカーボンも半田との濡れ性を悪化させるので、金属層中のカーボン含有量を5mass%未満とし、好ましくは2mass%以下、より好ましくは1mass%以下とし、最も好ましくは金属層はカーボンを含まない。なおこの明細書において、銅を含まないとは不純物濃度（約0.1mass%）を超えて含まないことを意味し、カーボンを含まないとは不純物濃度（約0.1mass%）を超えて含まないことを意味する。
金属層の剛性を高めるため、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）あるいはＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等の熱可塑性樹脂を、金属層全体との質量比で2mass%以下含んでも良い。しかし熱可塑性樹脂等の樹脂は金属層と半田との濡れ性を悪化させるので、好ましくは金属層は熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等の樹脂を含まない。
黄銅は、銅に比べ半田との濡れ性がよいので、金属層の骨格材料とする。錫は比較的低い温度で溶融し金属層を焼結すると共に、半田との濡れ性を改善する。金属層中の全金属成分との割合で、錫を1mass%以上含むことが、メッキ無しでの半田付けを実現するための好ましい条件である。半田との濡れ性は錫含有量が高い程向上する。この一方で錫を25mass%を超えて含有すると、セグメントの成型時に錫粉が型に付着することがある。すると型を頻繁に清掃することが必要になり、コンミュテータの生産性が低下する。型への錫粉の付着は、錫含有量が高い程著しくなる。これらのことから、金属層中の全金属成分との割合で、錫含有量は例えば1mass%以上35mass%以下とし、より好ましくは3mass%以上20mass%以下とし、最も好ましくは5mass%以上15mass%以下とする。なお金属層中の全金属成分との割合は、金属層からカーボン、熱可塑性樹脂等の非金属成分を除いたものとの割合を意味する。
黄銅は銅と亜鉛の合金であり、黄銅中の亜鉛含有量が20mass%以上30mass%の付近で、半田との濡れ性が最良になる。また亜鉛含有量が40mass%を超えると、金属層を緻密に成型することが難しくなる。これらのことから、黄銅は亜鉛を5mass%以上40mass%以下、銅を95mass%以下60mass%以上含有することが好ましく、より好ましくは亜鉛を15mass%以上35mass%以下、銅を85mass%以下65mass%以上含有し、最も好ましくは亜鉛を15mass%以上32mass%以下、銅を85mass%以下68mass%以上含有する。
好ましくは、金属層は金属成分として黄銅と錫及び銀を含み、金属層中の全金属成分との割合で、銀の含有量は0.2mass%以上10mass%以下、より好ましくは0.5mass%以上9mass%以下、最も好ましくは1mass%以上9mass%以下である。銀は金属層と半田との濡れ性を顕著に改良し、さらに金属層の抵抗率を低下させる。しかしながら銀は高価な金属なので、含有量を10mass%以下とする。銀の含有量と共に濡れ性が改善するので、銀の含有量は好ましくは0.2mass%以上とし、より好ましくは含有量を0.5mass%以上とし、最も好ましくは1mass%以上とする。好ましくは銀含有量を9mass%以下とする。なお銀を含有する場合でも、黄銅と錫の合計中での錫含有量は例えば1mass%以上35mass%以下とし、好ましくは3mass%以上20mass%以下とし、最も好ましくは5mass%以上15mass%以下とする。
好ましくは、ライザ片に半田を収容する孔を設ける。コンミュテータの製造時にこの孔から半田をセグメント母体の金属層とライザ片母体の間へ注入する。金属層と半田との濡れ性は必ずしも高くない。このため上記の孔を設けず、例えばライザ片母体に半田ペーストを載せ、セグメントを下降させて半田付けすると、金属層とライザ片母体の間に半田が均一に拡がらず、半田がライザ片母体の外部へ逃げることがある。これに対してライザ片母体に孔を設けて、孔に半田ペースト等を注入すると、過剰の半田が金属層とライザ片母体の間からライザ片母体の外部へ漏れることはない。過剰の半田は孔に留まり、適量の半田が金属層とライザ片母体の間に拡がる。
金属層の成分は最も好ましくは、黄銅、錫、銀の３成分で、次に好ましくは黄銅と錫の２成分である。しかし金属層はこれらの他に、5mass%未満のカーボン及び2mass%未満の熱可塑性樹脂、不純物として混入した他の金属等を含んでも良い。
以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。本発明は実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に基づいて定められ、かつ実施例に当業者に公知の事項を加えて変形できる。
図１〜図３に実施例のコンミュテータ２の構造を示す。４は熱硬化性樹脂等から成る樹脂ベースで、複数個のライザ片６を支持し、ライザ片６はそれぞれセグメント８に半田層１４により接合されている。ライザ片６は金属製で、フック９が突き出し、図示しない配線をフック９に巻き付ける。またコンミュテータ２はスリット１５を備え、ライザ片６を互いに分離すると共に、及びセグメント８を互いに分離している。
セグメント８は、表層のカーボン層１０と、下層にあってライザ片６に接合されている金属層１２の２層から成る。そして上記のように、金属層１２は半田層１４によりライザ片６に接合されている。半田層１４の成分は錫を主成分とする錫半田であるが、成分は任意である。
図３に示すように、ライザ片６は好ましくは金属層１２と向き合う孔１６を備え、ライザ片６とセグメント８の間に拡がらなかった過剰の半田は、孔１６に半田溜まり１８として残っている。なお孔１６は設けなくても良い。
以下の材料を用いて、コンミュテータを試作した。また含有量の単位は全てmass%で有る。
黄銅粉： 平均粒径40μｍで亜鉛含有量20mass%のもの、及び平均粒径38μｍで亜鉛含有量30mass%のもの、他
錫粉： 平均粒径20μｍ
銀粉： 平均粒径20μｍ
銅粉： 平均粒径35μｍの電解銅粉
カーボン： 平均粒径25μｍの天然黒鉛
熱可塑性樹脂： 平均粒径15μmのPPS（ポリフェニレンサルファイド）
半田： 錫半田
ライザ片： 銅製
黄銅粉： 平均粒径40μｍで亜鉛含有量20mass%のもの、及び平均粒径38μｍで亜鉛含有量30mass%のもの、他
錫粉： 平均粒径20μｍ
銀粉： 平均粒径20μｍ
銅粉： 平均粒径35μｍの電解銅粉
カーボン： 平均粒径25μｍの天然黒鉛
熱可塑性樹脂： 平均粒径15μmのPPS（ポリフェニレンサルファイド）
半田： 錫半田
ライザ片： 銅製
黄銅粉と錫粉あるいは黄銅粉と錫粉及び銀粉から成る金属層材料（表１）を混合器で均一に混合し、金型内に投入した。カーボンと熱可塑性樹脂から成るカーボン層材料を混合器で均一に混合し、金型内に投入し金属層材料上に積層した。金属層材料とカーボン層材料をプレス成型し、例えば空気中で３００℃で加熱焼成し、錫の溶融と熱可塑性樹脂の溶融により、リング状で２層のセグメント母体を製造した。
金属層材料は表１に示すものの他に、表２に示すもの、及び黄銅中の亜鉛含有量を10mass%としたもの及び36mass%としたものを用いた。また金属層材料に熱可塑性樹脂を混合したセグメント母体を試作した。熱可塑性樹脂は金属層の剛性を増すが、半田との濡れ性を低下させるため好ましくなく、許容範囲は金属層の全量に対し2mass%以下で、熱可塑性樹脂の含有量は0mass%以上1.0mass%以下が好ましく、熱可塑性樹脂を含有させないことが最も好ましい。以下では、金属層が熱可塑性樹脂を含まないものについて説明する。黄銅中の亜鉛含有量が増すと半田との濡れ性が向上するが、30mass%を超えても半田との濡れ性はそれ以上向上しなかった。また亜鉛含有量を36mass%とすると、金属層を緻密に焼結できない場合があった。これらのことから亜鉛含有量が20mass%及び30mass%の黄銅を用い、表１，表２の試料を試作した。
カーボン層は、85mass%以上の平均粒径25μｍの天然黒鉛と15mass%以下のPPSとから成り、PPS等の熱可塑性樹脂がカーボン層の強度と、カーボン層と金属層との接合を支えている。熱可塑性樹脂はPPSに限らずPEEK等でも良く、融点が230℃以上であることが好ましい。熱可塑性樹脂の含有量はカーボン層との質量比で3mass%以上15mass%以下が好ましく、特に5mass%以上15mass%以下が好ましい。
複数個のライザ片を一体にしたライザ片母体とセグメント母体を重ね、錫半田により半田付けした。表１，表２でのライザ片の孔は図３の孔１６を意味し、孔有りの場合、ライザ片母体を上にし、孔１６から半田ペーストを注入し、炉で加熱し半田付けした。孔無しの場合、ライザ片母体に半田ペーストを塗布し、セグメント母体を上から重ね、半田がライザ片とセグメントの間に拡がる程度に加圧し、炉で加熱し半田付けした。
半田付け後のライザ片母体とセグメント母体の周囲に熱硬化性樹脂の樹脂ベースを成型し、母体を切断し個々のライザ片とセグメントに分離した。またライザ片の露出部に錫メッキを施した。母体は、樹脂ベースの成型後に切断しても、成型前に切断しても良い。
金属層の電気抵抗率を以下のようにして測定した。表1,表2の各試料の金属層材料を均一に混合、プレス成形、空気中300℃で加熱処理し、電気抵抗測定用の試験片を作製した。次いで、試験片の長さ方向に直流電流を通電させ、規定長さ間の電圧降下を測定し、電気抵抗率を算出した。
ライザ片と金属層とのとの半田濡れ性は以下のように評価した。
◎：溶融半田が金属層全体に濡れ拡がり接合できる。
○：溶融半田の一部に空洞（ボイド）が見られるものの接合には問題なし。
△：溶融半田に空洞（ボイド）が多くあり、接合にややバラツキが見られる。
×：溶融半田が金属層に濡れず接合不可。
◎：溶融半田が金属層全体に濡れ拡がり接合できる。
○：溶融半田の一部に空洞（ボイド）が見られるものの接合には問題なし。
△：溶融半田に空洞（ボイド）が多くあり、接合にややバラツキが見られる。
×：溶融半田が金属層に濡れず接合不可。
金属層が錫を多量に含む場合、錫粉が金型内に付着し、以降の成型を妨げることがあった。そこで金型への錫の付着の程度を評価し、以下の様に評価した。
◎：成形時に金型に付着無し。
○：定期的な金型清掃が必要。
△：金型清掃の頻度が増える。
×：金型に成形品が付着し分離不可（成形不可）。
◎：成形時に金型に付着無し。
○：定期的な金型清掃が必要。
△：金型清掃の頻度が増える。
×：金型に成形品が付着し分離不可（成形不可）。
表２の試料33,34から、金属層に銅を含有させると半田との濡れ性が低下することが判明した。また表２の試料35,36から、金属層中のカーボンが半田との濡れ性を低下させることが判明した。
金属層中の錫が37mass%では、成型時に錫粉が型に付着しトラブルが生じた（試料29,30）。錫が0.5mass%では電気抵抗が高くなった。0.4mass%の銀は効果が小さい（試料23,24と試料1,2の比較）が、銀含有量が3mass%〜9mass%では半田との濡れ性が顕著に改善した（例えば試料13,14と試料2,3の比較）。またライザ片に孔を設けると、半田との濡れ性は顕著に改善した（例えば試料2,4,6,8と試料1,3,5,7の比較）。
２ コンミュテータ ４ 樹脂ベース ６ ライザ片
８ セグメント ９ フック １０ カーボン層 １２ 金属層
１４ 半田層 １５ スリット １６ 孔 １８ 半田溜まり
８ セグメント ９ フック １０ カーボン層 １２ 金属層
１４ 半田層 １５ スリット １６ 孔 １８ 半田溜まり
Claims (9)
- 樹脂ベース上に金属のライザ片が複数個取り付けられ、金属層とカーボン層とから成る複数個のセグメントが、前記金属層側で前記ライザ片に接合されているコンミュテータであって、
前記金属層は、黄銅と錫及び０ｍａｓｓ％以上５ｍａｓｓ％未満のカーボンを含んで、銅粉を含まず、
前記金属層が、表面のメッキ層無しに、前記ライザ片に半田により接合されていることを特徴とする、コンミュテータ。 - 前記金属層が黄銅及び錫を含んで、カーボンを含まないことを特徴とする、請求項１のコンミュテータ。
- 前記黄銅は亜鉛５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下、銅９５ｍａｓｓ％以下６０ｍａｓｓ％以上の合金であり、
前記金属層中の全金属成分に対する割合で、黄銅を８０ｍａｓｓ％以上９９ｍａｓｓ％以下、錫を２０ｍａｓｓ％以下で１ｍａｓｓ％以上含有することを特徴とする、請求項１または２のコンミュテータ。 - 前記黄銅は亜鉛１５ｍａｓｓ％以上３５ｍａｓｓ％以下、銅８５ｍａｓｓ％以下６５ｍａｓｓ％以上の合金であることを特徴とする、請求項１〜３の何れかのコンミュテータ。
- 前記金属層は金属成分として黄銅と錫及び銀を含み、金属層中の全金属成分との割合で、銀の含有量が０．２ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする、請求項１〜４の何れかのコンミュテータ。
- 前記ライザ片の表面と前記金属層の底面との間に半田層が設けられ、
前記ライザ片が半田を収容している孔を備えていることを特徴とする、請求項１〜５の何れかのコンミュテータ。 - 金属のライザ片を複数個互いに接続したライザ片母体上に、金属層とカーボン層とから成るセグメントを複数個互いに接続したリング状のセグメント母体を接合した後、ライザ片を固定する樹脂ベースを設けると共に、ライザ片母体とセグメント母体を切断し、個々のライザ片と個々のセグメントに分離する、コンミュテータの製造方法において、
前記金属層は、黄銅と錫及び０ｍａｓｓ％以上５ｍａｓｓ％未満のカーボンを含んで、銅粉を含まず、
前記セグメント母体の金属層を、金属層の表面にメッキを施すことなく、前記ライザ片に半田付けすることを特徴とする、コンミュテータの製造方法。 - 前記金属層の底面全体が半田層により前記ライザ片に接合されていることを特徴とする、請求項１〜６の何れかのコンミュテータ。
- 前記カーボン層はカーボンと熱可塑性樹脂から成ることを特徴とする、請求項１〜６及び８の何れかのコンミュテータ。
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