JPH0221586A - 摺動集電体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、回転電機の集電子（ブラシ）や集電環（スリ
ップリング、整流子）にセラミックス複合体を用いた集
電部に係り、特に前記集電子や集電環と金属導電線（リ
ード線又はコイル）との好適な接続をした摺動集電体に
関する。

〔従来の技術〕

最近のセラミックス複合体には、鉄と同等の抵抗率を有
する導電部と碍子なみの絶縁性を有する絶縁部をもち一
体成形、焼結したものがある。

これらは高強度、耐熱性にすぐれているため、耐摩耗性
、耐アーク性が従来材（カーボンブラシ。

銅等）に比し良好で摺動集電材として適用できる。

前記セラミックス複合体を集電材として使用する場合、
導電性セラミックス部と金属導電体（リード線）とを強
度低下や、導電性を低下させることなく接続させなけれ
ばならない。

セラミックスと金属の接合技術には、圧接、焼結、真空
または特定雰囲気加熱、溶融接合、電気的溶接、拡散接
合及び超音波接合、嵌合、反応接合など、数多くの方法
がある。

しかし、セラミックスと金属との接合は１元来接合困難
であり、その手段として接合剤だけを用いる。あるいは
単なる加圧のみ、焼結のみ等では不十分であり、接合強
度など要求機能を満足しない場合が多い。そのため上記
接合方法の２〜３以上を同時か、段階的に積重ねて解決
してきている。

導電性セラミックスの場合は、金属と接合した後に導電
性を維持しなければならない。このため特開昭６０−５
０８３号に見られるようにセラミックス表面に良導電性
窒化クロムを形成させる焼結法がある。しかし、これら
はいずれも高温焼結や溶着であるため、金属導電線の酸
化や接合部の強度低下により、実用性が著しく制限され
る。

又、従来用いているカーボンブラシのリード線取付方法
には、鋼管かしめによる方法と銅粉などによる粉どめ方
法等がある。しかし、最近はブラシリード線の接続は工
程短縮、原価低減を考慮して鋼管かしめ方式から粉どめ
方式に移行されてきている。小形機用ブラシなどは従来
から銅粉どめが用いられている。しかし、これらは大電
流通電や高温ふんいきで使用される場合には、種々の問
題が発生する。例えばカーボンブラシの熱膨張係数（４
〜６×１０″″６／℃）と銅粉の熱膨張係数（１６，５
Ｘｌ０−８／’Ｃ）が約３倍と異なるため実用時のヒー
トサイクルにより膨張収縮をくり返しカーボンと銅粉と
の間に隙間ができ増加することになる。さらに銅は熱に
よるなまじ効果により塑性変形しやすく、銅・粉が加圧
された状態ではほとんど復元力は生ぜず、従って一層隙
間ができやすくなる。又隙間に空気が入ると銅粉は酸化
され接触抵抗を一層増加させることになる。これらを解
決するために、特公昭５８−５８７８８号公報では、ブ
ラシ本体頭部に設けられたリード線挿入孔にリード線を
挿入し、リード線の周囲に鉄粉を充填、加熱してリード
線を接続している。銅粉どめの場合はブラシ温度が１０
０℃以上になると前記理由で接続部の抵抗が徐々に大き
くなり実用できなくなるが、後者の鉄粉を用いた場合に
は、２００℃位までくり返しヒートサイクルしても異常
ないようである。さらに４００℃以上になると温度によ
る酸化が進み、銅粉止めの場合と全く同様の経過をとる
。

従って、従来のカーボンブラシの粉どめ方式に用いてい
る銅粉や鉄粉を、セラミックス集電子のリード線や集電
環のコイル接続に用いても前記の障害を発生することに
なり、セラミックス集′雀子や集電環の高温、高強度特
性を生かすことができない。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、セラミックスと金属導電線（リード線
）を接合する場合、セラミックスと金属導電線を同時に
高温で処理する必要があり、金属導電線の酸化による接
合部の抵抗増大や熱膨張等によるがたの発生を考慮され
ていない。そのため、接合部の導電性の維持や長時間使
用時に発熱する等の問題がある。又従来カーボンブラシ
等に用いている。銅粉や鉄粉を用いると高温時の酸化に
より接合部の抵抗増大や熱膨張等による隙間発生により
長時間使用が不能になる。

本発明は、上記問題点に対して、導電性セラミックス材
に寸法変化や熱膨張率の小さいＴｉＮ系セラミックスを
用い、焼成前に集電部に金属製導電体を取付けるための
孔や溝を加工し、焼成後でも無加工にして、その部分に
容易に金属製導電体を取付けることにより、リード線を
集電材に強固に接合できるセラミックス集電子又は集電
環を提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、集電子又は集電環に用いる導電性セラミッ
クスを寸法変化と熱膨張係数が小さいものを採用し、セ
ラミックスを焼成する前に金属導電性端子を取付ける孔
や溝を加工しても焼成後の変化がほとんどないため、金
属導電性端子を容易に孔や溝に固着し、該金属導電性端
子にリード線を熔着又は固着することにより、導電性セ
ラミックスとリード線の接続を強固にする摺動集電体を
得るにある。

〔作用〕

集電子又は集電環に用いる導電性セラミックスは、寸法
変化と熱膨張係数が小さいものを採用しセラミックスを
焼成する前に金属導電端子を取付ける孔や溝を前もって
ネジ等を加工する。その後導電性セラミックスを焼成し
ても、孔や溝の寸法変化がほとんどないため無加工の状
態で金属導電端子を容易に、しかも強固に取付けること
ができる。集電子のリード線やコイル等を金属導電端子
に熔着又は固着することにより、リード線−金属導電端
子−導電性セラミックスに強固に接続できる。従って導
電性セラミックスの高耐熱性に対応したリード線やコイ
ルの接続ができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。集電
子に絶縁部と導電部を一体成形したセラミックス複合体
を適用し、この集電子に金属導電線であるリード線を接
合する場合の構成図を第１−図に示す。

セラミックス複合体集電子本体１の頭部にネジ部ｄを設
けた挿入孔２に、挿入孔２のネジ部に挿入できるように
同様にネジを設けた導電性端子３をねじ込み固定する。

導電性端子３の頭部には小孔Ｃを設けそこにリード線４
を挿入して熔着又はかしめ固着によって、リード線４を
導電性端子３を介してセラミックス複合体集電子に強固
に接続しようとするものである。

ここで、セラミックス複合体集電子１は、次のようにし
て得る。すなわち第１図の絶縁部ａをＳｉとＡ　Ｑ　２
０３の粒子、導電部をＴｉ粒子とし、これをポリビニル
ブチラールやポリエチレンなどの熱可塑性樹脂や、シリ
コンイミド化合物などの有機Ｓｉ高分子化合物などを成
形用バインダとして上記粒子を成形し、セラミックス複
合体集電子１の挿入孔２をあけ、所定ネジを設ける。こ
の孔２は成形直後であればセラミックスの硬さがやわら
かいため容易に任意の形状に加工できる。第１図の集電
子形状に成形したセラミックス複合体を次にＮｚ中で約
１３５０℃の温度で一体焼結する。

焼結後の粒子は窒化され、絶縁部ａはＳｉ３Ｎ４とＡＱ
ＺＯ３，導電部はＴｉＮになる。このとき、このセラミ
ックスは５〜３０％の気孔率を有し。

またＴｉＮ焼結体の抵抗率は３０Ｘ１０−６Ω−■程度
となり、現用しているカーボンブラシの抵抗率１０〜１
００ＯＯＸＩＯ−６Ω−■と同等以下の値となっている
。熱膨張係数は２．９　　Ｘ　１０−６／℃と小さく、
しかも焼結時の寸法変化率は常圧焼結材の１／１００、
反応焼結５ｉａＮ＊の１／ｌＯと小さくその値は０．１
３　％である。従って、集電子１の外径寸法及び導電性
端子３の挿入孔２は寸法精度に優れているため全くの無
加工でよい。

次に、挿入孔２に挿入する導電性端子３について説明す
る。導電性端子３は下部にネジを設け。

頭部にリード線を固着する小孔Ｃを設ける。ネジ部ｄは
相手集電子１の挿入孔２にネジ込み固定する。頭部小孔
Ｃにはリード線４を挿入して、溶着して固着する。導電
性端子は主に導電率の高い金属を用い１例えば銅や鉄が
好適である。

ここでのセラミックス導電性化合物は、孔やネジ部を焼
成前に加工しても寸法変化率が３％以内であれば、本発
明に十分実用できる。材料は、非酸化物系の導電材であ
り、１ｌｌａ、ｒＶａ、Ｖａ。

ＶＩ　ａ　、■族の窒化物、炭化物、ホウ化物、ケイ化
物であり、ＴｉＮ、ＴｉＣ，ＴｉＢｚ、ＴｉＳｉ２゜Ｚ
ｒＮ、Ｚｒｃ、ＺｒＢｚ　、Ｚｒ５ｉｚ　、ＨｆＮ。

ＨｆＣ，ＴａＮ、Ｔａｃ、ＴａＢｚ　、ＴａＳｉ２゜Ｍ
ｏｚＮ　、　Ｍｏｚｃ　　、　Ｍｏ　Ｂ、　ＣｒｚＮ　
、　ＣｒａＣｚ。

ＣｒＢ、ＣｒＳｉ３．ＮｂＮ、ＮｂＣ，Ｎｂ５ｉｚ　＋
ＶＮ、ＶＣ，ＷＣ，ＷＳ　ｉ２を主に用いる。この中で
もＴｉＮ、ＴｉＣ，ＺｒＮ、ＺｒＣ，Ｃ＋ｚＮ。

ＣｒａＣｚは耐酸化性に優れており、好適である。

次に、前述してきたセラミックス複合体１と金属導電線
であるリード線４を固着した導電性端子３と導電性セラ
ミックス集電子１との接合抵抗について温度を変えて求
めた。

その結果を第２図に示す。この場合の集電子の寸法は７
Ｘ１１Ｘ１５、集電子の抵抗率３０×１０−６Ω−１の
ものを用いた。カーボンブラシ等に用いる銅粉でリード
線を固着した場合は集電子温度が２００℃になると接合
抵抗は正常時の４倍になり、そのまま温度を下げると７
〜１０倍と大きくなった。これは、高温度になると銅粉
の酸化によりリード線の接合力が弱くなり、がたが発生
したためと解される。

また鉄粉の場合は、銅粉の場合に比して、温度試験後約
１７４と接合抵抗は小さいがやはり正常時の４倍に増加
している。それに対して、本発明の導電性端子を用いた
場合は集電子温度を６００°Ｃまで上昇して約１．２倍
程度の変化となり、そのまま常温にもどしても、当初の
１．２倍程と高温時と同様の変化にとどまった。さらに
数回くり返し温度試験を行ったが同様の値を示し、高温
で使用しても全く問題ないことがわかった。

これらは、セラミックス複合体集電子１の寸法変化が０
．１３　％と非常に小さいため、接合部の温度が上昇し
ても寸法変化がなく、がたが生じないので接合抵抗の変
化が小さく良好な特性となったものと考える。

このように、セラミックス複合体集電子１の頭部にリー
ド線４との間にあらかじめ導電性端子３にネジを設け、
すでにネジを設けである挿入孔２に締付固着するだけで
リード線４と集電子１との接続を容易にした接続方法と
して、高温度でも接合抵抗を小さく保持できる接続方法
である。

以上、セラミックス複合体集電子においてリード線の接
合方法について説明してきたが、スリップリングや整流
子に電機子コイルを接続する場合や、その他セラミック
スと金属線との接合に上記発明はそのまま適用できる。

〔発明の効果〕

セラミックス複合体集電子（絶縁部と導電部を一体成形
）１の頭部にネジを設けた挿入孔２に、同様にネジをも
つ導電性（金属）端子をネジ込み固着して、導電性端子
の頭部にリード線を溶着するようにした。

セラミックス複合体は寸法変化率が０．１３　％と小さ
いＳ　ｉａＮ＋、ＡＱ２０３とＴｉＮを用いた。

そのため、孔の寸法変化は高温度になっても全くないた
め、接合抵抗の変化も少なく高温度でも高強度で集電子
にリード線を強固に接続でき、しかも集電子の外形寸法
、導電性端子挿入孔等の加工は全く不要となり、著しく
安価なセラミックス集電子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例で摺動集電子の構造図、第２
図は集電子温度を変えた場合の集電子リード線の接合抵
抗の４１す定値を示す図である。 １・・・セラミックス複合体集電子、２・・・導電性端
子挿入孔、３・・・導電性端子、４・・リード線、ａ・
・・絶縁セラミックス、ｂ・・・導電性セラミックス、
Ｃ・・・リート線挿入孔、ｄ・・・ネジ部。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．導電部と絶縁部からなるセラミックス集電体におい
   て、前記導電部をＴｉ又はＺｒ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｈｆ，Ｍ
   ｏ，Ｎｂ，Ｖ等のいずれかの粒子、あるいは前記金属粒
   子のいずれかと無機化合物の粒子とし、前記絶縁物はＳ
   ｉとＡｌ＿２Ｏ＿３粒子にして一体成形し、一体成形し
   た該セラミックス集電体の焼成前に金属導電体取付用の
   孔又は溝を加工し集電体を形成し、その後窒素性ガス雰
   囲気中で加熱し焼結したことを特徴とした摺動集電体。
2. ２．特許請求の範囲第１項のセラミックス集電材の寸法
   変化率を０．５％以下、及び熱膨張率を３．０×１０＾
   −＾６／℃以下としてセラミックス集電体を形成し、焼
   成後無加工にしたことを特徴とした摺動集電体。
3. ３．特許請求の範囲第１項のセラミックス集電体の孔又
   は溝に金属導電端子を固着できるようにして、リード線
   又はコイル等の導電線を該金属導電端子に熔着又は固着
   したことを特徴とした摺動集電体。
4. ４．特許請求の範囲第３項の金属導電端子は、セラミッ
   クス導電体との接合側にネジを設け、他方にリード線又
   はコイル等を接続する孔又は溝を設けたことを特徴とす
   る摺動集電体。