JPH05182733A

JPH05182733A - 電気機械用カーボンブラシ

Info

Publication number: JPH05182733A
Application number: JP35924191A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Takuma; 政幸詫間; Miyoji Arai; 美代治新井
Original assignee: TOUTAN KAKO KK
Current assignee: TOUTAN KAKO KK
Priority date: 1991-12-27
Filing date: 1991-12-27
Publication date: 1993-07-23

Abstract

(57)【要約】【目的】摩耗が少なく、長い耐用性を有し、電流密度を
大きく出来るカーボンブラシを開発すること。【構成】カーボンを少なくとも一成分として含む電気機
械用カーボンブラシにおいて、ブラシ基材の周囲全面
（先端接触部を除く）に、電気良導性金属の外被を施す
こと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電気機械用カーボンブラ
シに関し、特に抵抗損失が少なく、耐用性の長いカーボ
ンブラシに関するものである。

【０００２】

【従来技術の問題点】電気機械用カーボンブラシ（以下
ブラシと呼ぶ）が用いられている電動機は、近年とくに
小型化、大容量化が進んでおり、それに用いられるブラ
シは、小型ながら抵抗損が小さく、かつ摩耗が少ないブ
ラシが要求されるようになった。

【０００３】スリップリングや低電圧の電動機に用いら
れているブラシには、これまで黒鉛粉と金属粉を混合焼
結させた金属質のものが良く用いられているが、ブラシ
での抵抗損を下げる為に、金属の含有量を多くすると潤
滑性や、対アーク性が悪くなり、摩耗量が大きくなると
いう問題があった。

【０００４】また、交流整流子電動機用では、抵抗損を
小さくする為に、抵抗の小さい材質を用いると整流が悪
くなって、摩耗が増加するという問題があった。

【０００５】逆に、抵抗の大きい材質を用いた場合に
は、大きい電流を流すと抵抗発熱によりブラシの温度が
上昇する。ブラシは通常リード線を銅粉等で埋め込んで
圧縮、接合し、電流を供給するが、ブラシの温度が高い
と、かしめの部分の銅粉やリード線が酸化されて通電が
悪くなり、ついには電動機が停止するという問題が発生
する可能性があった。

【０００６】また交流整流子電動機用の中でも、電気掃
除機用などのように回転数の高い電動機では、高回転時
においても整流が良好で、かつ掃除機本体の使用期間中
ブラシ交換をしなくても良いように、寿命を非常に長く
したいという要求特性から、黒鉛粉を樹脂バインダーで
結合して硬化せしめたレジンボンド系の材質が用いられ
ている事がある。しかし、レジンボンド系の材質の場
合、電流密度が大きい条件で使用すると、ブラシ本体の
抵抗が大きいため温度が上昇し、バインダーに用いてい
る樹脂が熱劣化するという問題もあった。

【０００７】これらの問題を解決する為に、原料黒鉛粉
に予め銅めっきを施した所謂鍍銅黒鉛を成形して使用す
るブラシが知られている。例えば特開平２−２８５９５
１号、特開平２−２８５９５２号などが挙げられる。し
かし、このようなブラシは接触抵抗は低くできるが、電
動機の運転時にブラシの摺動面にめっきとして施した銅
が介在し、相手のスリップリングや整流子を傷つけて、
却って摩耗量が多くなるという問題があった。

【０００８】また、整流性能の向上を目的として、銅め
っきを施した膨張黒鉛シートでサンドイッチ状にはさみ
こんで成型硬化してなるブラシが特許公開昭６３−３９
４４１号に提案されている。しかしこの場合も銅めっき
の層がブラシの摺動面に介在する為、それが相手の摺動
面を傷つけて荒らすため、潤滑性が悪くなると共に摩耗
量が増加するという問題があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、この
ような従来技術の問題点を解決し、摩耗が少なく、長い
耐用性を有すると共に、抵抗損失も少なく、従って温度
上昇が小さくて電流密度を高くできるブラシを供給する
ことにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の問題点は、黒鉛質
のブラシ基材の表面に、電気の良導性金属層を被覆する
ことにより解決される。

【００１１】

【発明の作用】元来ブラシ基材としては、(イ)黒鉛粉を
熱硬化性樹脂などのバインダーで混練し、硬化せしめた
だけのもの（レジンボンド系）、

【００１２】(ロ)黒鉛粉を熱硬化性樹脂又はピッチなど
のバインダーで混練し、低温度で焼成して、バインダー
成分を炭化したもの（ＣＧ系）、

【００１３】(ハ)さらに高温で焼成して、炭素成分の少
なくとも一部を黒鉛化処理したもの（ＥＧ系）がある。

【００１４】本発明においては上記(イ)のレジンボンド
系の基材が主たる対象とされる。レジンボンド系の基材
に於いては、バインダーとして用いた樹脂は、硬化させ
たままの状態で使用し、これを炭素化又は黒鉛化してい
ないので、電気絶縁性が比較的高い。従って、抵抗が大
きく整流性が良好である利点がある。逆に抵抗が大きい
ことに起因する抵抗損が大きく、結果として発熱が大き
い欠点が生じ、高温条件下で長時間の連用により、樹脂
が劣化して特性が変化する欠点が併発する。

【００１５】このような相反する特性の要求は、ブラシ
基材周囲の外表面に、電気の良導性金属、例えばニッケ
ル、銅、金、銀等の被覆を行うことにより、内部の基材
の抵抗は高くても、外側の良導膜の作用でみかけの抵抗
を下げ、温度上昇を抑え、ブラシの連用による性能変化
を防ぐ等、レジンボンド系基材の欠点をことごとく補う
ことができ、長所と相俟って極めて高性能のブラシを作
ることができる。

【００１６】本発明に於いて、ブラシ基材の表面に電気
良導性の被覆を行う方法としては、メッキによる方法が
考えられる。このためメッキの方法としては電解メッキ
による方法と化学メッキ（無電解メッキ）による方法と
を実施した。何れの方法にても金属被覆を施すことが出
来た。

【００１７】しかしブラシを実際にモーターに取付けて
試験したところ、金属被覆と基材との剥がれにくさの点
では、電解メッキよりも無電解メッキの方が優れてい
た。

【００１８】このことは、無電解メッキ技術が、ＩＣ技
術によって長足の進歩をとげたものであり、電気不良導
体である樹脂等のプリント基板に、金属被覆を行う際に
も使われている事実からも明らかな通り、本発明のブラ
シの基材のように、炭素成分（良導性）と樹脂成分（不
良導体）とが混在する物質に対する表面被覆の点では、
電気良導体を中心に被覆される電解メッキ法よりも、樹
脂上にも、炭素上にも、折出し、かつ細孔を通って含浸
された液がブラシ基材の深部にまで到って化学的にメッ
キされる無電解メッキ法が、アンカー効果やメッキの均
一性等の点から、剥がれにくい金属被覆が出来ることが
本発明者により見出された。この新しい知見によって本
発明が完成されているものである。

【００１９】しかし乍ら本発明に於いてはメッキの上記
の如き作用もさることながら、実際的には、炭素質部分
と樹脂質部分とが混在するこの種ブラシに於いて、無電
解メッキ法により、確実に金属被膜を形成出来、しかも
ブラシ全体の電気抵抗を減じ得られると共に、モーター
効率を大きく向上しうるという実際的研究の結果に基づ
くものである。

【００２０】そしてこのような実際的研究結果は、レジ
ンボンド系以外のＣＧ系、ＥＧ系の場合にも発揮され
る。

【００２１】さらにレジンボンド系の場合は、一般にメ
ッキ処理前の基材の面が滑らかであるため、メッキ後の
製品の表面も比較的平滑となり、商品的にも外見が良好
である特徴をも有する。

【００２２】本発明に於いて、無電解メッキの方法は文
献等により公知の方法が広く援用される。例えば「無電
解メッキ」［槇書店、神戸徳蔵氏著（１９８６）］に詳
記されており、本発明にかかるブラシ基材に対して、そ
の表面に堅牢な被膜を形成させることが出来る。上記文
献にも記されるように、無電解メッキの原理は、例えば
銅を例示すると、銅塩水溶液に対して錯化剤として酒石
酸アルカリ塩、ＥＤＴＡなどを加え、弱アルカリ性下に
て錯化状態で安定化せしめ、還元剤としてはホルムアル
デヒドやヒドラジン塩などを用いて、基材上に銅被膜を
折出形成させるものである。その反応を式で記せば化学
式１の通りである。

【００２３】

【化１】

【００２４】この反応は常温で、純化学的還元法により
ブラシ基材の表面に金属性膜の被覆が形成できるので好
都合である。

【００２５】勿論よく知られた電解法によって形成され
た金属メッキ層による被覆も化学メッキ法（無電解法）
と同様に効果がある。

【００２６】このように本発明は、ブラシ基材の表面
に、電気良導性の金属材料の被覆（サヤ）を設け、ブラ
シ全体としての電気抵抗を減じ、機器の電力効率を向上
させることを主旨とするものであり、金属材料による被
覆手段は先に例示した特に好ましい無電解メッキ法のみ
ならず、電解メッキ法、真空蒸着法、イオンプレーティ
ング法、クラスタイオンビーム法等が広く適用可能であ
る。

【００２７】このような手段による被覆層の厚さについ
ては、層の厚さが余りに厚いと摺動時に相手の摺動面を
荒らし、ブラシ及び相手材の摩耗が大きくなる傾向があ
り、又逆に極端に薄いと、ブラシ基材の被覆効果が少な
く、換言するとブラシの抵抗が余り下がらず、抵抗損が
大きく電力効果が低下する。通常３〜１００ミクロン程
度が好適である。

【００２８】ブラシの被覆層として用いられる金属種に
ついては、電気の良導体であり、無電解メッキ又は蒸着
し得る金属であれば何でも良いが、製造コストと被覆の
し易さの点から銅、銀、ニッケル又は金が一般に好適で
ある。

【００２９】以上、基材が(イ)レジンボンド系、(ロ)ＣＧ
系、(ハ)ＥＧ系のものを対象とした説明を行ったが、ブ
ラシ基材としては、上記の他に(ニ)金属粉を共原料とし
た基材にも、本発明は適用可能である。即ち、ブラシの
基材による抵抗を減じるために、黒鉛粉に微細な金属
粉、例えば銅粉、銀粉などを混和圧密化した２成分系、
必要に応じさらにこれに少量のバインダー成分として樹
脂成分を混和、圧密化した３成分系のブラシ基材に対し
ても、本発明を適用できるが、金属粉を添加した場合
は、基材自体の電気抵抗がレジンボンド系に比べ小さい
ので、本発明方法による金属性外被膜を形成することに
よる効果は認められるものの、相対的に効果は薄れる。

【００３０】このような金属質の被覆（１）は、図１の
ように、ブラシ摺動面（２）には形成しないか、又は一
応全面に被覆した後、次の工程で先端部（摺動面に相当
する部分）のみ被覆を取り除き、ブラシ基材（３）をム
キ出した状態で、リード線（４）を介して電気機器に装
着、使用する。尚図２は図１の断面図であり、リード線
（４）は、銅粉（５）による埋込取付を行うか、又は、
リード線取付用の穴を形成した後に、金属質の被覆を施
してリード線取付部の内部まで金属被覆を行っても良
い。

【００３１】

【実施例】以下本発明の実施例について説明する。但し
ブラシ基材の製造例である参考例を併記した。これ等例
では部は重量部を示す。

【００３２】

【図１】

【００３３】

【図２】

【００３４】

【参考例１】平均粒径が４０ミクロンの人造黒鉛１００
部に、二液性エポキシ樹脂と硬化剤２５部を加えて混練
した。エポキシ樹脂としては市販のビスフェノール系エ
ポキシ、硬化剤としては酸無水物を用いた。混練物を粉
砕して圧縮成形し、ついで２２０℃に加熱して硬化反応
を進め、本発明に供する基材（Ａ）を得た。

【００３５】

【実施例１】参考例１に示す方法で得た基材（Ａ）を、
供試ブラシの形状に裁断加工し、硫酸銅の水溶液に浸凌
し、ついでこの溶液中に水酸化ナトリウム及び酒石酸カ
リウムを加えて、基材表面に還元銅の皮膜を形成せしめ
た。被覆層の厚さは３〜１０ミクロン程度であった。

【００３６】

【参考例２】参考例１の方法で樹脂成分としてフェノー
ル樹脂を用い、他は同様にして成形後、非酸化雰囲気中
で５５０℃〜６００℃に加熱し、樹脂成分を炭化して、
ＣＧ系の基材（Ｂ）を得た。

【００３７】

【実施例２】実施例１と同様の方法で基材（Ｂ）表面に
無電解メッキ法により銅被覆を施した。

【００３８】

【参考例３】スートにピッチを加えて加熱混練し、冷却
後粉砕して圧縮成形し、非酸化雰囲気中で加熱して、バ
インダーピッチを炭化した後、黒鉛化炉で３０００℃に
加熱してＥＧ系の基材（Ｃ）を得た。

【００３９】

【実施例３】実施例１と同様の方法で基材（Ｃ）表面に
無電解メッキ法により銅被覆を施した。

【００４０】（I）本発明にかかるブラシ基材Ａ、Ｂ
に、金属被覆を施したブラシＡ′、Ｂ′、Ｃ′及び比較
例としてそれ等の原材である同じ基材Ａ、Ｂ、Ｃで金属
被覆を施さないで、そのままの状態で同形のブラシを製
作し、金属被覆の効果を比較確認した。但しブラシはい
ずれも６×８×２５mmのサイズに統一し、リード線は銅
粉による埋め込み方式により、ブラシ本体と接続した。

【００４１】（II）試験の測定方法。（ａ）かしめ抵抗の測定方法かしめ抵抗はブラシのリード線とブラシ本体との接続部
の電気抵抗であり、ＪＣＳ−１２−１９６８に記される
方法（参照［図３］）に従って、［化２］の式により測
定した。但し、図３中ｄは夫々５mmの距離を示す。

【００４２】

【図３】

【００４３】

【化２】

【００４４】但しＥ：かしめ（リード線取付）部分の電圧降下Ｉ：測定電流Ｒ：かしめ抵抗今回は１０^-6をかけてμΩで表す。

【００４５】（ｂ）接触電圧降下測定接触電圧降下は、ブラシを回転するリングや整流子に接
触させた状態でのブラシの前後における電圧降下そ測定
する。測定原理図を図４に示す。但し図４中６は模擬整
流子を示す。

【００４６】

【図４】

【００４７】但し、模擬整流子の直系φ２５mm、バー数
２４枚、回転数２５０００rpm、ブラシ荷重４００g／cm
²で測定した。

【００４８】（ｃ）ブラシの温度測定ブラシ本体のリード線取付面より、整流子との接触摺動
面から３mmの深さまで小孔をあけ、細い熱電対を挿入し
てモーターを運転測定した。

【００４９】（III）測定結果上記の方法により測定した結果を表１に示す。

【００５０】

【表１】

【００５１】（IV）測定結果に対する説明表１の結果から明らかなように、何れの場合も基材周囲
に電気良導性の被覆層を設けることにより、ブラシ全体
としての電気抵抗、即ちリード線と本体とのかしめ抵
抗、ブラシ本体での抵抗、ブラシと整流子との接触抵抗
を含めての全体としての見かけ抵抗が、いずれの場合も
低減した。またその効果の程度は、基材自体の電気抵抗
の大きいレジンボンド系に金属被覆を施した場合（実施
例１）に最も大きく、基材自体の抵抗の小さいカーボン
系、ＥＧ系の基材に被覆を施した場合には、相対的に効
果の程度は小さく見える。

【００５２】このようなブラシ本体としての抵抗が減じ
る結果、ブラシの抵抗損が減少し、モーター効率、ひい
ては電気機器の効率も向上することがは明らかである。

【００５３】尚、補足の実験として、熱電対を用いたブ
ラシ本体の温度上昇を測定した結果、実施例１の場合
は、比較例１の場合に比べ、約３０℃低い値を示し、ブ
ラシを流れる電流の、抵抗発熱による温度上昇が小さい
ことが確認された。

【００５４】また、ブラシの寿命試験を行った結果は、
実施例１と比較例１とはほぼ同等の摩耗率を示した。

【００５５】

【発明の効果】本発明により、ブラシのみかけの抵抗が
小さくなり、抵抗損が小さくなって、効率を上げること
が出来る。また、ブラシの温度上昇を押さえる事が出来
た。

【００５６】また、金属皮膜は比較的薄いため、電動機
の運転により、摺動面に近い部分から順次酸化、及び剥
離脱落する為、整流子やスリップリング等の相手面を傷
つけない。

【００５７】

【図面の簡単な説明】

【００５８】

【図１】

【００５９】図１は本発明カーボンブラシの一例の斜視
図である。

【００６０】

【図２】

【００６１】図２は図１のリード線取付けを説明するた
めの説明図である。

【００６２】

【図３】

【００６３】図３はＪＩＳ−１２−１９６８の電気抵抗
の測定回路を示す図面である。

【００６４】

【図４】

【００６５】図４はブラシの接触電圧降下の測定回路を
示す図面である。

【化２】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カーボンを少なくとも一成分として含む電
気機械用カーボンブラシにおいて、ブラシ基材の周囲全
面（先端接触部を除く）に、電気良導性金属の外被を施
してなる電気機械用カーボンブラシ。
【請求項２】請求項１に謂う電気機械用カーボンブラシ
において、ブラシ基材の周囲に無電解メッキ法により形
成した電気良導性金属被覆を施した電気機械用カーボン
ブラシ。
【請求項３】請求項２に謂う電気機械用カーボンブラシ
において、カーボンを一成分とし、更に他の成分として
樹脂成分を含有して成る基材に対し、無電解法により金
属被覆が形成された電気良導性金属被覆を施した電気機
械用カーボンブラシ。