KR20010022009A - 탄소 정류자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 탄소 정류자는 일단이 브러시와의 접동부로 되는 동시에, 타단측에는 도전성 단자 부재가 고착된 복수의 세그먼트가 절연성의 보스부에 서로 절연된 상태로 환상으로 배열되고, 상기 세그먼트의 접동부 측에는 탄소층이 형성되는 한편, 상기 탄소층과 도전성 단자 부재 사이에는 상기 도전성 단자 부재와 합금화 가능한 물질을 소결하여 이루어지는 금속층이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

탄소 정류자 및 이의 제조 방법{CARBON COMMUTATOR AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}

자동차 등의 연료 공급 펌프에 있어서는 모터와 펌프가 일체로 되어 연료 탱크 내에 편성된, 즉 인탱크(in-tank)식의 것이 알려져 있는데, 이와 같은 인탱크식의 연료 공급 펌프에서는 탱크 내의 연료가 펌프로부터 모터 하우징 내를 통하여 외부로 공급되기 때문에 모터의 정류자는 직접 연료에 접촉하게 된다. 그런데, 연료로서 알콜이 포함된 가솔린을 이용하는 자동차 등에 있어서 일반적인 동(銅)제의 정류자를 이용한 모터에서는 가솔린 중의 알콜에 의해 브러시에 회전 접촉하는 정류자의 접동부의 동이 침식되어 버련다는 문제가 생기는 것으로 알려져 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해, 예를 들어 일본 특개평8-308183호 공보 등에서는 브러시와의 접동부에 탄소가 이용되는 탄소 정류자가 제안되어 있다.

이 공보에 기재된 탄소 정류자는 합성수지로 이루어지는 절연성의 보스 (boss)부에, 탄소 분말을 압축 분말 성형하여 소결한 복수의 세그먼트(정류자편)를 상호 절연된 상태에서 환상으로 배열한 것으로, 각 세그먼트에는 도전성 단자 부재로서 동제의 라이저(riser)편이 세그먼트와 일체로 소결되어 부착되어 있다. 또한, 이 공보에는 상기 도전성 단자 부재와 세그먼트의 전기적 접합을 확보하기 위해, 도전성 단자 부재의 주위에 도전성의 금속 분말을 압축 분말 성형하여 소결한다든가, 또는 이러한 금속 분말과 탄소 분말과의 혼합 분말을 도전성 단자 부재 측으로부터 세그먼트의 브러시와의 접동부 측을 향하여 탄소 분말 비율이 많게 되도록 층상으로 형성하여 소결하는 것도 제안되어 있다. 이와 같은 금속 분말로서, 상기 공보에 기재된 탄소 정류자에서는 라이저편과의 열팽창계수를 근접시키기 위해 라이저편과 동일 재질의 동 분말이나 동 분말의 표면에 니켈 도금을 시행한 것이 선택되어 있다.

그런데, 이와 같은 동 분말이나 니켈 도금을 실시한 동 분말은 탄소 분말의 소결 온도인 700∼900 ℃ 정도의 온도에서는 소결에 의해 라이저편과 일체로 접합되지 않고, 소결된 세그먼트에서 라이저편과 상기 동 분말의 소결체가 단순히 접촉하고 있을 뿐인 불안정한 상태로 되어 버린다. 더우기, 이와 같은 금속 분말의 압축 분말 성형체는 소결될 경우에 수축하는 것이 알려져 있는데, 이에 따라 비록 열팽창계수를 근접시키기 위해 상기 금속 분말로서 라이저편과 동일 재질의 동 분말 등을 선택한다 하더라도 동 분말 등의 소결체와 라이저편과의 사이에 극간이 생기기 쉽다고 하는 문제가 있다.

상기 탄소 분말과 동 분말을 층상으로 하여 소결하는 경우, 탄소 분말 부분에서는 이 탄소 분말에 첨가된 결합제가 열분해되거나 탄화되거나 하는 것에 의해, 열팽창하는 비율에 비하여 수축하는 비율 편이 크게 된다. 반면, 동 분말 부분이 수축하는 비율은 이 탄소 분말이 수축하는 비율에 대해서는 작아서, 그 한 쪽에서 소결 중인 동 분말의 열팽창은 탄소 분말에 비해 크기 때문에 상기 탄소 분말과 동 분말 부분과의 경계에 어긋남이 생겨 버린다. 이에 의해 소결 후의 세그먼트가 이 경계면에서 박리되기 쉽게 되어 버린다는 문제도 생긴다. 따라서, 이들에 의해, 상기 종래의 탄소 정류자에서는, 특히 상술한 바와 같은 알콜을 함유하는 연료 중에서는 장기간에 걸쳐 안정한 전기적, 기계적 접합을 얻는 일이 곤란하게 되어 버린다.

본 발명은 이와 같은 배경 하에서 이루어진 것으로, 상술한 바와 같이 접동부에 탄소가 이용되는 탄소 정류자에 있어서 세그먼트와 도전성 단자 부재와의 전기적 및 기계적 접합을 장기간에 걸쳐 보다 안정적으로 확보할 수 있는 탄소 정류자를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명은 모터의 정류자(commutator)에 관한 것으로, 특히 모터의 브러시와의 접동부에 탄소가 이용되는 탄소 정류자 및 이의 제조 방법에 관련된다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태의 탄소 정류자 1을 나타낸 세그먼트 3의 선단면 3a 측으로부터의 평면도,

도 2는 도 1에서 Z-Z 단면도,

도 3은 본 발명의 일 실시 형태의 탄소 정류자 1의 제조 방법에 따른 라이저편 소판 21의 (a)는 평면도, (b)는 (a)의 b-b 단면도,

도 4는 본 발명의 일 실시 형태의 탄소 정류자 1의 제조 방법에 따른 압축 분말 성형틀 25의 단면도로, (a)는 압축 분말 성형틀 25를 분할한 상태, (b)는 탄소 분말층 26 및 금속 분말층 27을 형성한 상태, (c)는 가압 경화 형틀 28에 의해 압축 분말 성형된 상태를 나타내고,

도 5는 본 발명의 일 실시 형태의 탄소 정류자 1의 제조 방법에 따른 압축 분말 성형체 29의 모식적 단면도,

도 6은 본 발명의 일 실시 형태의 탄소 정류자 1의 제조 방법에 따른 소결체 30의 모식적 단면도,

도 7은 라이저편 소판 21이 연결된 소결체 30의 (a)는 평면도, (b)는 (a)의 b-b 단면도,

도 8은 금속층 11에서 주석 성분의 중량비와, 금속층 11과 탄소층 10 및 라이저편 4(동판 31)의 박리 강도와의 관계를 나타낸 도면,

도 9는 도 8에 나타낸 관계를 측정하는 경우에 사용하는 시험편의 단면도,

도 10은 본 발명의 일 실시 형태의 탄소 정류자 101을 나타낸 세그먼트 103의 선단면 103a 측으로부터의 평면도,

도 11은 도 10에서 Z-Z 단면도,

도 12는 본 발명의 일 실시 형태의 탄소 정류자 101의 제조 방법에 따른 라이저편 소판 121의 (a)는 평면도, (b)는 (a)의 b-b 단면도,

도 13은 본 발명의 일 실시 형태의 탄소 정류자 101의 제조 방법에 따른 압축 분말 성형틀 125의 단면도로, (a)는 압축 분말 성형틀 125를 분할한 상태, (b)는 탄소 분말층 126 및 혼합 분말층 127을 형성한 상태, (c)는 가압 경화 형틀 128A, 128B에 의해 압축 분말 성형된 상태를 나타내고,

도 14는 본 발명의 일 실시 형태의 탄소 정류자 101의 제조 방법에 따른 압축 분말 성형체 129의 모식적 단면도,

도 15는 본 발명의 일 실시 형태의 탄소 정류자 101의 제조 방법에 따른 소결체 130의 모식적 단면도,

도 16은 라이저편 소판 121이 연결된 소결체 130의 (a)는 평면도, (b)는 (a)의 b-b 단면도,

도 17은 금속층 111에서 탄소의 함유율과, 금속층 111의 항절(抗折) 강도 및 금속층 111과 탄소층 110 및 라이저편 104(동판 133)의 박리 강도와의 관계를 나타낸 도면,

도 18은 도 17에 나타낸 항절 강도를 측정하는 경우에 사용하는 시험편 131의 사시도,

도 19는 도 17에 나타낸 박리 강도를 측정하는 경우에 사용하는 시험편 132의 단면도,

도 20은 본 발명의 일 실시 형태의 탄소 정류자 201을 나타낸 세그먼트 203의 선단면 203a 측으로부터의 평면도,

도 21은 도 20에서 Z-Z 단면도,

도 22는 본 발명의 일 실시 형태의 탄소 정류자 201의 제조 방법에 따른 라이저편 소판 221의 (a)는 평면도, (b)는 (a)의 b-b 단면도,

도 23은 본 발명의 일 실시 형태의 탄소 정류자 201의 제조 방법에 따른 압축 분말 성형틀 225의 단면도로, (a)는 압축 분말 성형틀 225를 분할한 상태, (b)는 탄소 분말층 226 및 제 1, 제 2 혼합 분말층 227, 228을 형성한 상태, (c)는 가압 경화 형틀 229A, 229B에 의해 압축 분말 성형된 상태를 나타내고,

도 24는 본 발명의 일 실시 형태의 탄소 정류자 201의 제조 방법에 따른 압축 분말 성형체 230의 모식적 단면도,

도 25는 본 발명의 일 실시 형태의 탄소 정류자 101의 제조 방법에 따른 소결체 231의 모식적 단면도,

도 26은 라이저편 소판 221이 연결된 소결체 231의 (a)는 평면도, (b)는 (a)의 b-b 단면도,

도 27은 중간층 212에서 탄소의 함유율과, 중간층 212와 탄소층 210 및 금속층 211 사이의 박리 강도와의 관계를 나타낸 도면,

도 28은 도 27에 나타낸 관계를 측정하는 경우에 사용하는 시험편 241의 단면도.

상기 문제를 해결하여 이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 탄소 정류자는, 일단이 브러시와의 접동부로 되고 타단측에는 도전성 단자 부재가 고착된 복수의 세그먼트가 절연성의 보스부에 서로 절연된 상태로 환상으로 배열되고, 세그먼트의 접동부 측에는 탄소층이 형성되는 한편, 탄소층과 도전성 단자 부재 사이에는 도전성 단자 부재의 주성분으로 되는 물질 및 당해 물질과 합금화 가능한 물질을 소결하여 이루어지는 금속층이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다. 금속층은 도전성 단자 부재의 주성분으로 되는 물질과 당해 물질보다도 융점이 낮은 물질을 소결하여 이루어지는데, 예를 들어 동 및 주석을 소결하여 이루어진다. 금속층 중에 포함되는 주석 대신에 아연, 안티몬, 납 등을 사용하여도 좋다. 이와 같은 탄소 정류자는, 예를 들어 상기 종래의 정류자와 마찬가지로 도전성 단자 부재의 주위에 상기 금속층을 형성하는 금속 분말을 충전하고, 접동부 측에는 탄소 분말을 충전하여 압축 분말 성형하고, 이것을 소결하는 것에 의해 제조되는데, 소결시 상기 금속 분말층에 있어서는 융점이 232 ℃로 낮은 주석 분말이 최초로 용융되어 동 분말 입자와 도전성 단자 부재를 적셔, 소위 액상 소결이 일어난다.

즉, 이러한 액상 소결에서는 먼저 용융된 주석의 액상 중에 동이 용해되어 들어가서 동 성분의 비율을 증대시키면서 고상 성분으로 포화될 때까지 액상의 양이 증가하는 동시에, 고상의 동에도 주석이 확산된다. 이 때 입자의 재배열이 일어나 도전성 단자 부재의 열팽창에 의한 응력을 완화시킨다. 그리고, 작은 동 입자가 우선적으로 액상에 용해되어 큰 동 입자 상에 고상으로서 석출되고, 이와 같은 용해 재석출 과정에 의해 입자 성장이 촉진되는 것에 의해, 상기 응력을 완화시키면서 금속층의 동 성분이 주석 성분과 합금화(청동화)하여 도전성 단자 부재라든가 탄소층과 일체화되고, 이에 의해 세그먼트와 도전성 단자 부재가 전기적 및 기계적으로 안정하게 접합되는 것이다. 또한, 이와 같이 금속층의 주석 성분이 액상을 이루어 소결하는 것에 따라, 소결시의 수축, 열팽창 비율의 차이에 의해 금속층과 도전성 단자 부재나 탄소층 사이에 극간이나 어긋남이 생겨도, 상기 액상이 상기 극간을 메운다든가 어긋남에 의한 응력을 완화시킨다든가 하기 때문에, 금속층과 도전성 단자 부재나 탄소층과의 박리를 방지하여 보다 높은 접합성을 확보할 수 있다. 도전성 단자 부재의 탄소층 측에만 금속층을 설치하도록 하여도 충분한 전기적 기계적 접합성을 얻을 수 있다.

여기에서, 상기 금속층에서 동 성분에 대하여 주석 성분이 지나치게 많게 되면 소결 중에 깨지기 쉬운 금속간 화합물과 같은 바람직하지 않은 상이 형성되는 동시에, 소결 온도에 따라서는 주석 성분의 농도가 동 주석 합금계에서 안정한 α 고용체 중 주석 농도의 상한을 초과해 버릴 우려가 있는 한편, 역으로 주석 성분이 지나치게 적으면 주석이 입경이 작은 동 분말과 우선적으로 합금화하고 도전성 단자 부재와 합금화하는 비율이 작게 되거나 탄소층과의 사이에서의 응력 완화가 손상되어, 금속층과 도전성 단자 부재나 탄소층과의 사이에 충분한 접합성이 얻어지지 않게 될 우려가 있다. 이 때문에, 상기 금속층에서 동과 주석의 중량비는 98.0:2.0∼86.5:13.5 범위로 설정되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 95.0:5.0∼90.0:10.0 범위로 설정된다.

상술한 바와 같이 상기 탄소층을 형성하는 탄소 분말과 상기 금속층을 형성하는 동 및 주석의 혼합 분말을 압축 분말 성형하고 소결하여 세그먼트를 형성하는 경우, 소결 온도가 낮으면 액상에 의한 상기의 효과가 충분히 발휘되지 못하여 도전성 단자 부재와 세그먼트의 접합이 불안정하게 될 우려가 있는 한편, 역으로 소결 온도가 높으면 액상의 비율이 증가하여 성형체의 형상을 유지할 수 없게 되고, 경우에 따라서는 소결 중에 도전성 단자 소재를 따라 액상이 유출될 우려가 생긴다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명의 탄소 정류자의 제조 방법에 있어서는 상기 소결 온도를 800∼850 ℃로 하고 있다.

상기 탄소 정류자의 제조 방법에 있어서는, 상술한 바와 같이 탄소층을 형성하는 탄소 분말과 금속층을 형성하는 동 및 주석의 혼합 분말을 압축 분말 성형한 압축 분말 성형체를 소결하는 것에 의해, 상기 동 및 주석의 혼합 분말을 소결한 경우에 생기는 액상이 탄소 분말의 입계에 침투하여, 소위 앵커 효과를 생기게 하므로 탄소층과 금속층과의 접합성을 보다 확실히 확보할 수 있게 된다. 한편, 이와 같은 압축 분말 성형체를 형성하는 경우, 탄소층을 형성하는 탄소 분말과 금속층을 형성하는 동 및 주석의 혼합 분말 중에서 한 쪽을 압축 분말 성형틀에 충전하여 압축한 후에 다른 쪽을 충전하여 압축 분말 성형하는 것에 의해, 소결된 세그먼트에서 탄소층의 층 두께의 균일화를 도모할 수 있어, 탄소층의 마모에 의해 금속층이 부분적으로 노출하여 정류자의 수명이 단축되는 등의 사태를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 탄소 정류자는, 일단이 브러시와의 접동부로 되고 타단측에는 도전성 단자 부재가 고착된 복수의 세그먼트를 절연성의 보스부에 서로 절연된 상태로 환상으로 배열하고, 상기 세그먼트의 접동부 측에는 탄소층을 형성하는 한편, 상기 탄소층과 도전성 단자 부재 사이에는 탄소, 도전성 단자 부재의 주성분으로 되는 물질 및 당해 물질과 합금화 가능한 물질을 소결하여 이루어지는 금속층을 설치한 것을 특징으로 한다. 금속층은 탄소, 도전성 단자 부재의 주성분으로 되는 물질 및 당해 물질 보다도 융점이 낮은 물질을 소결하여 이루어지는데, 예를 들어 탄소, 동 및 주석을 소결하여 이루어진다. 금속층 중에 포함된 주석 대신에 아연, 안티몬, 납 등을 사용하여도 좋다. 이와 같은 탄소 정류자는, 예를 들어 상기 종래의 정류자와 마찬가지로 도전성 단자 부재의 주위에 상기 금속층을 형성하는 탄소, 동 및 주석의 혼합 분말을 충전하는 동시에, 접동부 측에는 탄소 분말을 충전하여 압축 분말 성형하고 이것을 소결하는 것에 의해 제조되는데, 소결시 상기 혼합 분말의 층에 있어서는 융점이 232 ℃로 낮은 주석의 분말이 최초로 용융되고, 이것이 동 분말 입자와 도전성 단자 부재를 적셔, 소위 액상 소결이 일어난다.

즉, 이러한 액상 소결에서는 먼저 용융된 주석의 액상 중에 동이 용해되어 들어가서 동 성분의 비율을 증대시키면서 고상 성분으로 포화될 때까지 액상의 양이 증가하는 동시에, 고상의 동에도 주석이 확산된다. 이 때 입자의 재배열이 일어나 도전성 단자 부재의 열팽창에 의한 응력을 완화시킨다. 그리고, 작은 동 입자가 우선적으로 액상에 용해되어 큰 동 입자 상에 고상으로서 석출되고, 이와 같은 용해 재석출 과정에 의해 입자 성장이 촉진되는 것에 의해, 상기 응력을 완화시키면서 동 성분이 주석 성분과 합금화(청동화)하여 도전성 단자 부재라든가 탄소층과 일체화되고, 이에 의해 세그먼트와 도전성 단자 부재가 전기적 및 기계적으로 안정하게 접합되는 것이다. 또한, 이와 같이 금속층의 주석 성분이 액상을 이루어 소결하는 것에 따라, 소결시의 수축, 열팽창의 비율의 차이에 의해 금속층과 도전성 단자 부재나 탄소층 사이에 극간이나 어긋남이 생겨도, 상기 액상이 상기 극간을 메운다든가 어긋남에 의한 응력을 완화시킨다든가 하는 동시에, 이 액상이 탄소층의 탄소 분말의 입계에 침투하여, 소위 앵커 효과가 생기기 때문에 금속층과 도전성 단자 부재나 탄소층과의 박리를 방지하여 보다 높은 접합성을 확보하는 것이 가능하게 된다.

한편, 본 발명의 탄소 정류자는 상기 금속층이 액상 소결을 야기하는 주석 및 동에 더하여 탄소를 함유하고 있어, 이 금속층 중의 탄소와 상기 탄소층을 구성하는 탄소가 소결시에 결합하는 것에 의해서도 앵커 효과가 생기므로, 액상에 의한 앵커 효과와도 함께 금속층과 탄소층의 경계면에서 강도의 일층 향상을 도모할 수 있다. 또, 이와 같이 금속층에 탄소가 포함되는 것에 의해서도 열응력이 완화되기 때문에, 금속층의 박리가 더욱 확실히 방지된다. 이렇게 하여 금속층에 비교적 유연한 탄소가 함유되는 것에 의해, 예를 들어 동 주석 합금 만으로 금속층이 형성되어 있는 경우 등에 비하여 금속층이 지나치게 단단하게 되는 것을 방지하여 세그먼트의 가공성이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 더우기, 탄소 자체는 1000 ℃ 정도의 온도에서도 연화하는 일은 없기 때문에, 상술한 바와 같이 소결시 동과 주석에 의해 액상이 생겨도 금속층에 함유되는 탄소가 골재로서 작용하여 소결체의 형상을 안정화시킬 수 있다. 상기 종래의 탄소 정류자는 도전성 단자 부재의 주위에 동 분말 등을 배치하여 소결하고 있지만, 본 발명에서는 도전성 단자 부재의 탄소층 측에만 금속층을 설치하도록 하여도 충분한 전기적 기계적 접합성을 얻을 수 있다.

상기 금속층에 있어서는, 이 금속층에 함유되는 탄소의 비율이 지나치게 작으면 특히 금속층의 경도가 지나치게 크게 되어 세그먼트의 가공성의 열화가 충분히 방지될 수 없게 되는 외에도, 당해 금속층 중의 탄소에 의한 탄소층과의 앵커 효과나 열응력의 완화, 또는 소결체의 형상 안정이라는 상술한 작용 효과도 충분히 발휘되지 못할 우려가 있어 바람직하지 않다. 한편, 탄소는 라이저편을 형성하는 동 등과는 소결 중에 반응하거나 하지 않기 때문에, 역으로 이 금속층 중의 탄소의 비율이 지나치게 많게 되면 라이저편과 금속층과의 접합이 불충분하게 되어 박리가 생기기 쉽게 될 우려가 있어 역시 바람직하지 않다. 이 때문에 금속층에서 탄소의 함유율은 2∼25 중량% 범위로 설정되는 것이 바람직하다. 상기 작용 효과를 일층 확실히 발휘하는데는, 금속층에서 탄소의 함유율이 10∼20 중량% 범위로 설정되는 것이 더욱 바람직하다.

상기 금속층의 동과 주석의 비율에 대해서는, 동 성분에 대하여 주석 성분이 지나치게 많게 되면 소결 중에 깨지기 쉬운 금속간 화합물과 같은 바람직하지 않은 상이 형성되는 동시에, 소결 온도에 따라서는 주석 성분의 농도가 동 주석 합금계에서 안정한 α 고용체 중 주석 농도의 상한을 초과해 버릴 우려가 있는 한편, 역으로 주석 성분이 지나치게 적으면 주석이 입경이 작은 동 분말과 우선적으로 합금화하고 도전성 단자 부재와 합금화하는 비율이 작게 되거나 탄소층과의 사이에서의 응력 완화가 손상되어, 금속층과 도전성 단자 부재나 탄소층과의 사이에 충분한 접합성이 얻어지지 않게 될 우려가 있다. 이 때문에, 상기 금속층에서 동과 주석의 중량비는 98.0:2.0∼86.5:13.5 범위로 설정되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 95.0:5.0∼90.0:10.0 범위로 설정된다.

또한, 상술한 바와 같이 세그먼트를 형성할 때 상기 탄소층을 형성하는 탄소 분말과 상기 금속층을 형성하는 탄소, 동 및 주석의 혼합 분말을 압축 분말 성형하여 소결하는 경우에는, 소결 온도가 지나치게 낮으면 액상에 의한 상기의 효과가 충분히 발휘되지 못하여 도전성 단자 부재와 세그먼트의 접합이 불안정하게 될 우려가 있는 한편, 역으로 소결 온도가 지나치게 높으면 금속층에 탄소를 함유하고 있음에도 불구하고 액상의 비율이 증가하여 성형체의 형상을 유지할 수 없게 될 우려가 있고, 경우에 따라서는 소결 중에 도전성 단자 소재를 따라 액상이 흘러나올 우려도 생긴다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 탄소 정류자의 제조 방법에 있어서는 상기 소결 온도를 800∼850 ℃로 하는 것이 바람직하다. 한편, 이와 같은 압축 분말 성형체를 형성하는 경우에는, 탄소층을 형성하는 탄소 분말과 금속층을 형성하는 탄소, 동 및 주석의 혼합 분말 중에서 한 쪽을 압축 분말 성형틀에 충전하여 압축한 후에 다른 쪽을 충전하여 압축 분말 성형하는 것에 의해 소결된 세그먼트에서 탄소층의 층 두께의 균일화를 도모할 수 있어, 탄소층의 마모에 의해 금속층이 부분적으로 노출되어 정류자의 수명이 단축되는 것과 같은 사태를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 탄소 정류자는, 일단이 브러시와의 접동부로 되고 타단측에는 도전성 단자 부재가 고착된 복수의 세그먼트를 절연성의 보스부에 서로 절연된 상태로 환상으로 배열하고, 상기 세그먼트의 접동부 측에는 탄소층을 형성하는 한편, 상기 탄소층과 도전성 단자 부재 사이에는 도전성 단자 부재의 주성분으로 되는 물질 및 당해 물질과 합금화 가능한 물질을 소결하여 이루어지는 금속층을 설치하고, 이 금속층과 상기 탄소층 사이에 탄소 및 도전성 단자 부재의 주성분으로 되는 물질로 이루어진 중간층을 설치한 것을 특징으로 한다. 금속층은 도전성 단자 부재의 주성분으로 되는 물질 및 당해 물질보다도 융점이 낮은 물질을 소결하여 이루어지는데, 예를 들어 동 및 주석을 소결하여 이루어진다. 금속층 중에 포함되는 주석 대신에 아연, 안티몬, 납 등을 사용하여도 좋다. 이와 같은 탄소 정류자는, 예를 들어 상기 종래의 정류자와 마찬가지로 도전성 단자 부재의 주위에 상기 금속층을 형성하는 동과 주석의 혼합 분말을, 또 접동부 측에는 탄소 분말을, 그리고 이들 사이에 상기 중간층을 형성하는 탄소 및 동의 혼합 분말을 각각 충전하여 압축 분말 성형하고 이것을 소결하는 것에 의해 제조되는데, 소결시 금속층으로 되는 상기 동 및 주석의 혼합 분말층에 있어서는 융점이 232 ℃로 낮은 주석의 분말이 최초로 용융되어 동 분말 입자와 도전성 단자 부재를 적셔, 소위 액상 소결이 일어난다.

즉, 이러한 액상 소결에서는 먼저 용융된 주석의 액상 중에 동이 용해되어 들어가서 동 성분의 비율을 증대시키면서 고상 성분으로 포화될 때까지 액상의 양이 증가하는 동시에, 고상의 동에도 주석이 확산된다. 이 때 입자의 재배열이 일어나 도전성 단자 부재의 열팽창에 의한 응력을 완화시킨다. 그리고, 작은 동 입자가 우선적으로 액상에 용해되어 큰 동 입자 상에 고상으로서 석출되고, 이와 같은 용해 재석출 과정에 따라 입자 성장이 촉진되는 것에 의해, 상기 응력을 완화시키면서 금속층의 동 성분이 주석 성분과 합금화(청동화)하여 도전성 단자 부재와 일체화되고, 이에 의해 금속층과 도전성 단자 부재가 전기적 및 기계적으로 안정하게 접합되는 것이다. 또한, 이와 같이 금속층의 주석 성분이 액상을 이루어 소결하는 것에 따라, 소결시의 수축, 열팽창 비율의 차이에 의해 금속층과 도전성 단자 부재 사이에 극간이나 어긋남이 생겨도, 상기 액상이 상기 극간을 메운다거나 어긋남에 의한 응력을 완화시킨다든가 하기 때문에, 금속층과 도전성 단자 부재의 박리를 방지하여 보다 높은 접합성을 확보할 수 있다. 도전성 단자 부재의 탄소층 측에만 금속층을 설치하도록 하여도 충분한 전기적 기계적 접합성을 얻을 수 있다.

상기 구성의 탄소 정류자에는 이 금속층과 탄소층 사이에 탄소 및 동으로 이루어진 중간층이 설치되어 있어, 소결시에는 금속층의 액상 소결이 이 중간층에까지 확산됨에 따라 중간층의 동과 합금화하여 금속층과 중간층이 접합되는 한편, 중간층의 탄소가 상기 탄소층의 탄소와 결합하는 것에 의해 중간층은 탄소층과도 접합되기 때문에, 결과적으로 이 중간층을 개재하여 탄소층과 금속층이 일체화되게 되고, 따라서 세그먼트와 도전성 단자 부재가 전기적, 기계적으로 안정적으로 접합되게 된다. 또한, 이와 같이 중간층을 설치하는 것에 의해, 예를 들어 탄소층과 동 및 주석으로 이루어지는 금속층을 직접 접합시킨 경우 등에 비해 소결시 탄소층과 금속층 사이에 작용하는 열응력을 완화시킬 수 있고, 소결 온도가 비교적 고온의 경우에도 세그먼트의 각 층 사이에 박리가 생기거나 하는 것을 확실히 방지할 수 있다.

이 중간층에서 탄소와 동과의 비율은, 탄소의 함유율이 극단적으로 지나치게 작으면 중간층과 탄소층의 접합성이 손상되는 한편, 역으로 탄소의 함유율이 극단적으로 많아서 동의 함유율이 지나치게 작으면 중간층과 탄소층의 차이가 없게 되어 금속층과 중간층의 접합성이 손상될 우려가 생긴다. 따라서, 상기 중간층에서 탄소와 동의 비율은, 탄소의 함유율이 10∼40 중량%의 범위로 설정되는 것이 바람직하다. 또, 이 중간층에서는 금속층 측으로부터 탄소층 측으로 향함에 따라 탄소 함유율을 단계적 또는 연속적으로 점차 많게 되도록 설정하여 중간층에 경사 기능을 부여하도록 하여도 좋고, 이에 의해 중간층과 탄소층 및 금속층의 접합성의 일층 안정화를 도모할 수 있다.

상기 금속층에 있어서는, 동 성분에 대하여 주석 성분이 지나치게 많으면 소결 중에 깨지기 쉬운 금속간 화합물과 같은 바람직하지 않은 상이 형성되는 동시에, 소결 온도에 따라서는 주석 성분의 농도가 동 주석 합금계에서 안정한 α 고용체 중 주석 농도의 상한을 초과해 버릴 우려가 있고, 역으로 주석 성분이 지나치게 적으면 주석이 입경이 작은 동 분말과 우선적으로 합금화하고 도전성 단자 부재와 합금화하는 비율이 작게 되거나 탄소층과의 사이에서의 응력 완화가 손상되어, 금속층과 도전성 단자 부재나 탄소층과의 사이에 충분한 접합성이 얻어지지 않게 될 우려가 있다. 이 때문에, 상기 금속층에서 동과 주석의 중량비는 98.0:2.0∼ 86.5:13.5 범위로 설정되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 95.0:5.0∼ 90.0:10.0 범위로 설정된다.

상술한 바와 같이 상기 탄소층을 형성하는 탄소 분말과 상기 중간층을 형성하는 탄소 및 동의 혼합 분말과, 상기 금속층을 형성하는 동 및 주석의 혼합 분말을 압축 분말 성형한 압축 분말 성형체를 소결하는 것에 의해 상기 세그먼트를 형성하는 경우, 소결 온도가 지나치게 낮으면 액상 소결에 의한 상기 효과가 충분히 발휘되지 못하여 도전성 단자 부재와 세그먼트의 접합이 불안정하게 될 우려가 있는 한편, 역으로 소결 온도가 지나치게 높으면 오히려 액상의 비율이 증가하여 소결체의 형상이 불안정하게 될 우려가 있다. 이 때문에, 상기 소결 온도는 800∼850 ℃ 범위로 설정되는 것이 바람직하다. 단, 상기 탄소 정류자에서는 중간층에 의해 소결 온도가 고온에서도 소결시의 열응력의 완화를 도모할 수 있기 때문에, 소결체의 형상 유지가 가능한 조건 하에서는 소결 온도를 900 ℃ 정도까지 상승시켜도 충분히 안정한 접합성을 확보할 수 있다.

이와 같은 압축 분말 성형체를 형성할 때, 탄소층을 형성하는 탄소 분말과 금속층을 형성하는 동 및 주석의 혼합 분말 중에서 한 쪽을 압축 분말 성형틀에 충전하여 압축한 후, 중간층을 형성하는 탄소 및 동의 혼합 분말을 충전하고, 다음에 상기 탄소 분말과 동 및 주석의 혼합 분말 중 다른 쪽을 충전하여 압축 분말 성형하는 것에 의해, 소결된 세그먼트에서 탄소층이나 중간층의 층 두께의 균일화를 도모할 수 있어, 이들 탄소층이나 중간층의 마모에 의해 금속층이 부분적으로 노출되어 정류자의 수명이 단축되는 것과 같은 사태를 방지할 수 있다.

(제 1 실시 형태)

도 1 및 도 2는 본 발명의 탄소 정류자의 일 실시 형태를 나타낸 것이다. 본 실시 형태의 탄소 정류자 1은 예를 들어 상술한 바와 같은 인탱크식의 연료 펌프의 모터에 이용되는 것으로 편평형 구조를 이루고 있는데, 절연성의 수지에 의해 대략 원반상으로 형성된 보스부 2와, 이 보스부 2의 원형을 이루는 선단면 2a에 원주 방향으로 등간격을 두고 환상으로 배열된 복수(본 실시 형태에서는 8 개)의 세그먼트 3…으로 구성되어 있고, 이들 세그먼트 3…의 선단면 3a가 모터의 브러시에 회전 접촉하는 접동부로 되어 있다. 각 세그먼트 3에는 도전성 단자 부재로서 라이저편 4가 부착되어 있고, 이 라이저편 4의 일단부 4a는 상기 보스부 2의 외주에 돌출되어 있다.

상기 보스부 2의 선단면 2a에는 그 중앙부에 내벽부 5가, 또 외주측에는 외벽부 6이 각각 원통상으로 형성되는 한편, 세그먼트 3은 도 1에 나타낸 바와 같이 상기 선단면 3a가 부채형을 이루는 블록상으로 형성되어 있어, 이와 같은 세그먼트 3이 상기 내외벽부 5, 6 사이에 각각 방사상을 나타내도록 하여 배열 설치되는 것에 의해 상술한 바와 같이 보스부 2에 환상으로 배열되어 있다. 또, 보스부 2의 원주 방향으로 서로 인접한 세그먼트 3, 3 사이에는 상기 내외벽부 5, 6을 절결하여 보스부 2의 상기 선단면 2a로부터 한 단계 오목한 오목홈 2b를 형성하도록 보스부 2의 직경 방향으로 연장된 슬릿 7이 형성되어 있고, 이 슬릿 7에 의해 상기 서로 인접한 세그먼트 3, 3 끼리는 서로 절연된 상태로 되어 있다. 또, 상기 내벽부 5의 내주부는 보스부 2의 타단면 측으로 관통하고 있어, 당해 탄소 정류자 1을 모터의 회전축에 고정하기 위한 축구멍 8로 되어 있다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 보스부 2의 상기 내벽부 5의 외주면 5a는 세그먼트 3의 내주측의 오목 원호면 3b에 밀착 형성되는 한편, 상기 외벽부 6의 내주면 6a는 세그먼트 3의 외주측의 볼록 원호면 3c에 밀착 형성되어 있다. 내벽부 5의 선단면 5b는 세그먼트 3의 선단면 3a에 대하여 한 단계 후퇴하는 위치에 형성되는 한편, 외벽부 6의 선단면 6b는 상기 선단면 3a와 같은 면 상에 있도록 형성되어 있다. 또, 보스부 2의 선단면 2a 외주의 상기 외벽부 6의 내주면 6a가 이루는 구석부에는 단차부 9가 형성되어 있다.

한편, 본 실시 형태에서 도전성 단자 부재로 되는 상기 라이저편 4는 동 또는 동 합금에 의해 형성되는 판상 부재로, 도 2에 나타낸 바와 같이 세그먼트 3의 후단면 3d로부터 약간 선단면 3a 측에 접근한 위치에 매설되고, 보스부 2의 직경 방향에서 세그먼트 3의 대략 중간 정도로부터 외주측으로 연장되어 상기 외벽부 6을 관통하여 후단측에서 L자형으로 굴곡되는 동시에 외벽부 6의 외주면을 따라 연장된 광폭부 4b를 개재하여 상기 일단부 4a에 이르는데, 이 일단부 4a는 후단측에 연장된 설편이 선단측을 향하여 V자상으로 절곡된 형상으로 되어 있다. 또, 이 라이저편 4의 타단부 4c는 상기 세그먼트 3의 후단면 3d로부터 보스부 2의 상기 선단면 2a에 수직으로 파고들어가도록 돌출되어 있다.

본 실시 형태의 탄소 정류자 1에서는 상기 세그먼트 3의 접동부로 되는 선단면 3a 측 부분이, 탄소에 적절한 결합제를 혼합하여이루어진 탄소층 10으로 되는 동시에, 상기 라이저편 4 주위의 후단면 3d 측 부분은 동 및 도전성 단자 부재인 라이저편 4와 합금화 가능하며 라이저편 4 보다도 융점이 낮은 물질, 예를 들어 주석으로 이루어진 금속층 11로 되어 있다. 더욱 상세하게는, 이 금속층 11에서는 동 및 주석이 액상 소결되는 것에 의해 동과 주석과의 합금, 즉 청동이 석출되고, 이 합금화는 동 또는 동 합금으로 이루어지는 라이저편 4에도 미치고 있어, 이에 의해 라이저편 4는 상기 탄소층 10 및 금속층 11, 즉 세그먼트 3과 일체화되어 있다. 이 금속층 11에서는 동 성분과 주석 성분의 중량비가 98.0:2.0∼86.5:13.5 범위, 보다 바람직하게는 95.0:5.0∼90.0:10.0 범위로 설정되어 있고, 본 실시 형태에서는 90.0:10.0으로 되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서 이 금속층 11의 두께는 세그먼트 3 두께의 약 1/2 정도로 되어 있다. 금속층 11 중에 포함되는 주석의 전량 또는 일부 대신에 아연, 안티몬, 납 등으로부터 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 사용하여도 좋다.

다음에, 이와 같은 구성의 탄소 정류자 1을 제조하는 경우 본 발명의 제조 방법의 일 실시 형태에 대하여 도 3 내지 도 7에 의해 설명한다. 먼저, 이러한 탄소 정류자 1을 제조하는 경우에는, 도 3에 나타낸 바와 같은 각 세그먼트 3…과 일체화되는 라이저편 4…의 원형으로 되는 라이저편 소판 21이 준비된다. 이 라이저편 소판 21은 동판 또는 동 합금판으로부터 외형 원판상으로 형성된 것으로, 본 실시 형태에서는 두께 0.6 ㎜의 무탄소동판으로부터 프레스 성형에 의해 형성되어 있고, 제조된 탄소 정류자 1의 외경 보다도 충분히 큰 내경을 갖는 원환판상의 링형상부 22의 내주에 상기 라이저편 4…와 같은 수의 라이저 소편 23…이 일체로 연결된 구성으로 되어 있다. 여기에서, 이들 라이저 소편 23…은 라이저편 4의 상기 타단부 4c로 되는 내주단부 23a가 미리 절곡되어 있는 이외에는, 상기 라이저편 4를 평판상으로 연장한 형상으로 형성되어 있는 동시에, 제조된 탄소 정류자 1에서 환상으로 배열되는 세그먼트 3… 내의 라이저편 4…와 마찬가지로 방사상으로 배열 설치되어 있고, 이 라이저편 4의 상기 일단부 4a로 되는 외주단부 23b가 상기 링형상부 22에 일체로 연결되어 있다.

다음에 도 4a에 나타낸 바와 같이, 이 라이저편 소판 21을 상기 세그먼트 3의 치수에 대하여 소결시의 수축을 고려한 치수의 원환상의 캐비티 24를 갖는 압축 분말 성형틀 25에 동축적으로 설치하고, 도 4b에 나타낸 바와 같이 이 캐비티 24 내에 세그먼트 3의 선단면 3a로 되는 측(캐비티 24의 저면측)에 탄소 분말과 결합제의 혼합 분말을 충전하여 탄소 분말층 26을 형성하는 동시에, 후단면 3d 측으로 되는 상기 라이저편 소판 21의 라이저 소편 23…의 주변에 동 및 주석의 혼합 분말을 충전하여 금속 분말층 27을 형성한다. 이들 탄소 분말층 26 및 금속 분말층 27을 캐비티 24에 충전하는 경우에는, 먼저 캐비티 24의 저면측에 탄소 분말과 결합제의 혼합 분말을 충전하여 탄소 분말층 26을 형성한 후, 일단 이 탄소 분말층 26을 예비 가압하여 형틀 등에 의해 약하게 가압하여 그 두께가 균일하게 되도록 하고, 그런 다음 이 탄소 분말층 26 위에 동 및 주석의 혼합 분말을 충전하여 상기 금속 분말층 27을 형성하는 것이 바람직하다.

본 실시 형태에서는, 상기 탄소 분말층 26을 형성하는 혼합 분말로서 천연 흑연과 인조 흑연을 혼합한 탄소 분말에 페놀계의 결합제를 가하고, 이것을 혼련, 건조, 분쇄한 후에 분급하여 입도가 약 500 ㎛ 이하로 되도록 조정한 것이 이용되고 있다. 한편, 상기 금속 분말층 27을 형성하는 혼합 분말로서는, 전해 동분과 분쇄 주석분을 상술한 소정의 중량비가 되도록 배합하고 V형 혼합기에서 혼합한 것이 이용되고 있다.

이와 같이 캐비티 24 내에 충전된 탄소 분말층 26 및 금속 분말층 27을 도 4c에 나타낸 바와 같이 유압 프레스 등을 이용한 가압 경화 형틀 28A, 28B에 의해 3 t/㎠ 정도의 큰 성형압으로 가압하여 라이저편 소판 21 마다 압축 분말 성형하여, 도 5에 나타낸 바와 같이 탄소 분말층 26과 금속 분말층 27로 되는 이층 구조의 원환상의 압축 분말 성형체 29를 형성한다. 이 압축 분말 성형의 경우, 상기 라이저 소편 23의 절곡된 내주단부 23a는 금속 분말층 27로부터 돌출하여 상기 가압 경화 형틀 28A에 형성된 오목소 28a 내에 수용된다. 이렇게 하여 성형된 압축 분말 성형체 29는 라이저편 소판 21 마다 상기 압축 분말 성형틀 25로부터 빼내어진다.

다음에, 이 압축 분말 성형체 29를 소결로에 장입하여 소결 고화하는 것에 의해 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이 상기 세그먼트 3…의 원형으로 되는 원환상의 소결체 30으로 소결하는 것인데, 이 때 압축 분말 성형체 29 전체로서는 상기 탄소 분말층 26과 금속 분말층 27이 서로 일체적으로 소결되어 상기 소결체 30으로 형성되고, 또 탄소 분말층 26에서는 탄소 분말이 결합제를 개재하여 결합되어 상기 탄소층 10이 형성되는 한편, 상기 금속 분말층 27에 있어서는 상술한 바와 같이 액상 소결이 생겨 상기 라이저 소편 23의 표면 및 동 분말과 주석 분말이 합금화하고 이에 의해 라이저 소편 23과 일체로 접합된 상태에서 상기 금속층 11이 성형된다. 따라서, 이렇게 하여 소결된 소결체 30에 있어서는 세그먼트 3…의 접동부로 되는 상기 선단면 3a 측의 탄소층 10으로부터 후단면 3d 측의 금속층 11 까지가 라이저편 4로 되는 라이저 소편 23과 전기적, 기계적으로 일체로 접합되게 된다. 상기 압축 분말 성형체 29를 소결하여 소결체 30을 형성하는 경우의 소결 온도는 800∼850 ℃ 범위로 설정되는 것이 바람직하며, 본 실시 형태에서는 825 ℃ 전후로 되어 있다.

다음에, 이 소결체 30에 절연성을 갖는 수지에 의한 가압 성형법(몰딩법)에 의해 보스부 2를 일체 성형한다. 즉, 도 7에 나타낸 바와 같이 소결된 상기 소결체 30에 있어서는, 원환상의 소결체 30의 외주면에 라이저 소편 23의 일단부(라이저편 4의 일단부 4a 및 광폭부 4b로 되는 부분)가 돌출되는 동시에, 이 외주에는 라이저편 소판 21의 링형상부 22가 일체로 연결된 채로 있고, 또 세그먼트 3…의 후단면 3d로 되는 상기 금속층 11 측의 단면으로부터는 라이저 소편 23의 내주단부 23a가 돌출되어 있다. 여기에서, 이 소결체 30의 외경 보다도 상기 보스부 2의 외벽부 6의 두께분 만큼 큰 외경의 원반상 캐비티를 갖고 상기 축구멍 8의 위치에 원주부를 구비한 몰드형틀에, 당해 소결체 30을 상기 금속층 11 측의 단면을 캐비티 측을 향하여 동축으로 설치하고, 다음에 이 캐비티 내에 용융된 상기 수지를 유입시켜 가압, 냉각하는 것에 의해 상기 내외벽부 5, 6 및 축구멍 8을 구비하고 그 선단면 2a에 상기 라이저 소편 23의 내주단부 23a가 파고들어간 보스부 2를 이 소결체 30에 일체로 성형하는 것이다.

이렇게 하여 보스부 2가 소결체 30에 일체로 성형된 후에도 보스부 2의 외주로부터는 상기 라이저편 소판 21이 돌출한 채로 있기 때문에, 먼저 이 라이저편 소판 21에서 라이저 소편 23의 상기 외주단부 23b와 링형상부 22의 사이를 절단하여 각 라이저 소편 23을 독립시키고, 다음에 상기 광폭부 4b를 후단측으로 절곡하는 동시에 외벽부 6의 외주면을 따라 만곡시키고, 또 상기 외주단부 23b를 V자상으로 절곡하여 상기 형상의 라이저편 4로 성형한다. 그리고, 원주 방향으로 서로 인접한 각 라이저편 4, 4 사이에, 상기 소결체 30으로부터 보스부 2의 상기 선단면 2a에 약간 파고들어간 깊이의 슬릿 7…을 원환상의 소결체 30의 직경 방향을 따라 상기 외벽부 6의 외주면으로부터 축구멍 8에 도달하도록 절삭 가공 등에 의해 형성하여, 소결체 30을 부채형의 블록상으로 분할하여 서로 절연된 세그먼트 3…으로 하는 것에 의해 상기 구성의 탄소 정류자 1이 제조된다.

이와 같이 하여 제조된 탄소 정류자 1에 있어서는, 브러시와의 접동부로 되는 세그먼트 3…의 선단면 3a가 탄소층 10에 의해 형성되어 있기 때문에, 알콜 함유량이 높은 연료의 인탱크식 연료 펌프의 모터에 사용하여도 세그먼트 3이 침식된다든가 연료가 변질된다든가 하는 일이 없다. 한편으로는, 도전성 단자 부재로서의 라이저편 4의 주위에 설치된 세그먼트 3의 금속층 11이 동 및 주석을 소결하여 된 것으로, 이 금속층 11이 상술한 바와 같이 액상 소결을 이루어 라이저편 4와 합금화하는 것에 의해, 세그먼트 3과 라이저편 4를 전기적, 기계적으로 확실히 일체 접합하는 것이 가능하다. 더우기, 이렇게 하여 금속층 11이 액상 소결하는 것에 의해 그 용해 재석출 과정에서 작은 동 분말 입자가 우선적으로 용해하여 큰 입자 상에 석출하는 것에 의해 입자의 재배열이 생기고, 이에 의해 라이저편 4(라이저 소편 23)의 열팽창에 의한 응력이 완화되는 동시에, 이 라이저 소편 23의 열팽창이나 수축에 관계 없이 액상이 항상 라이저 소편 23 주위의 극간을 메우도록 작용하기 때문에, 소결 후의 세그먼트 3은 더한층 확실하고 강고하게 라이저편 4와 접합되게 된다.

이와 같이 상기 금속층 11이 액상 소결을 이루어 액상이 존재하는 것에 의해 탄소층 10과 금속층 11 사이의 응력도 완화되어, 만약 상기 압축 분말 성형체 29의 소결 중에 탄소층 10과 금속층 11의 수축, 팽창 비율의 차이에 의해 양자의 사이에 극간 등이 생기거나 하여도 동 주석 합금의 액상이 이 극간을 메우는 작용을 하여 탄소층 10과 금속층 11의 접합성을 확실히 확보하는 것이 가능하다. 또한, 액상 소결에 의해 용해된 동 주석 합금은 탄소층 10의 입자 사이에 들어가기 쉽게 되어 있으므로, 탄소층 10과 금속층 11 사이에 앵커 효과가 생겨 이들이 박리되기 어렵게 된다는 효과도 얻어진다. 따라서, 상기 구성의 탄소 정류자 1에 의하면, 종래와 같은 불완전한 접합에 의해 세그먼트 3… 사이에서 전기적 저항치에 벗어남이 생긴다든가, 사용 중에 세그먼트 3과 라이저편 4 사이에 접촉 불량이 생긴다든가 하는 등의 사태를 미연에 방지할 수 있고, 상술한 바와 같은 알콜을 함유하는 연료 등에 있어서도 정류자로서 장기간에 걸쳐 안정하고 우수한 성능을 얻는 것이 가능하게 된다.

본 실시 형태에 있어서는 금속층 11에서 동과 주석과의 중량비를 90:10으로 하고 있는데, 이 중량비에서 주석 성분의 비율이 지나치게 크게 되면, 압축 분말 성형체 29의 소결 중에 동과 주석의 금속간 화합물 같은 깨지기 쉬운 상이 금속층 11에 형성되어 버리고 이에 의해 세그먼트 3과 라이저편 4의 확실한 접합이 저해될 우려가 있는 동시에, 소결 온도에 따라서는 금속층 11의 주석 성분 농도가 동 주석 합금계에서 안정한 α 고용체 중 주석 농도의 상한을 넘어버릴 우려가 있기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 역으로 주석 성분의 비율이 지나치게 작게 되어도 용융된 주석이, 입경이 작고 합금화하기 쉬운 동 분말 입자와 우선적으로 합금화하여 버리고 그만큼 라이저 소편 23과 합금화하는 비율이 적게 되어 버리기 때문에, 역시 세그먼트 3과 라이저편 4의 양호한 접합성이 손상될 우려가 있어 바람직하지 않다.

예를 들어, 도 8은 도 9에 나타낸 바와 같은 시험편 31을 도면 중 화살표 방향으로 인장시킨 경우, 라이저편으로 본 동판 32와 동 및 주석을 소결하여 이루어진 금속층 11과의 사이, 또는 이 금속층 11과 탄소층 10과의 사이에서 박리가 생긴 때의 인장 하중(박리 강도)을, 상기 금속층 11에서 주석 성분의 중량비를 여러 가지로 변화시켜 측정한 결과를 보여주는 것이다. 도 8에 나타낸 바와 같이 상기 박리 강도는 주석 성분의 중량비가 작은 동안에는 이 주석 성분 중량비가 증대하는데 따라 증가하는 경향을 보여, 즉 접합 강도가 증대해 가는데, 주석 성분 중량비가 5.0∼10.0 중량% 범위에서는 10 ㎏f 정도의 높은 강도로 안정하고, 이어서 주석 성분 중량비를 증대시키면 감소하는 경향을 보이고 있다. 또, 주석 성분의 중량비가 작은 동안에 시험편 31이 박리하는 경우는 상기 동판 32와 금속층 11과의 사이에서 박리가 생기는 것에 대하여, 주석 성분 중량비를 크게 한 경우에는 탄소층 10과 금속층 11과의 사이에서 시험편 31이 박리하는 것이 확인되었다.

여기에서, 통상 이와 같은 정류자에 있어서는 그 세그먼트에서의 접합 강도는 1.5 ㎏f 정도면 충분한 것으로 되어 있다. 따라서, 도 8에 나타낸 결과로부터 상기 금속층 11에서 주석 성분의 중량비는 2.0 중량% 이상이면 좋다. 한편, 이와 같은 동 주석 합금에 있어서, 액상 소결을 이루는 800 ℃ 부근에서 안정한 α 고용체의 주석 성분 농도 상한치는 13.5 중량%이다. 따라서, 상기 금속층 11에서 동과 주석의 중량비는 본 실시 형태와 같이 98.0:2.0∼86.5:13.5 범위로 설정되는 것이 바람직하다. 또, 소결 온도 등에 변동이 생긴 경우에도, 금속층 11과 라이저편 4 및 탄소층 10과의 사이에 충분한 접합 강도를 확보하여 박리 등을 확실히 방지하는데에는, 상기의 결과로부터 금속층 11에서 동과 주석의 중량비를 상술한 바와 같이 95.0:5.0∼90.0:10.0 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

한편, 이와 같은 탄소 정류자 1을 제조하는 경우, 본 실시 형태의 제조 방법에서는 탄소 분말과 동 및 주석과의 혼합 분말을 층상으로 압축 분말 성형하여 라이저편 소판 21을 구비한 압축 분말 성형체 29를 형성하고, 이 압축 분말 성형체 29를 825 ℃ 전후에서 소결하여 소결체 30으로 하고, 세그먼트 3…으로 성형하고 있는데, 이 때의 소결 온도가 지나치게 낮으면 상술한 액상 소결이 충분히 촉진되지 않아 합금화에 의한 세그먼트 3과 라이저편 4의 양호한 접합성이 손상될 우려가 생긴다. 또, 역으로 소결 온도가 지나치게 높으면 용융된 주석의 액상에 녹아 들어가는 동 성분이 증대하여 액상의 양이 많게 되어, 소결 중에 라이저 소편 23을 따라 유출된다든가 소결체 30의 형상 자체를 유지할 수 없게 된다든가 할 우려가 생긴다. 이 때문에, 본 실시 형태의 제조 방법과 같이 탄소 분말층 26과 금속 분말층 27을 갖는 압축 분말 성형체 29를 소결하여 세그먼트 3을 얻는 경우, 그 소결 온도는 상술한 바와 같이 800∼850 ℃ 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

이와 같은 압축 분말 성형체 29를 형성하는 경우에는, 상술한 바와 같이 먼저 압축 분말 성형틀 25에 상기 탄소 분말층 26 및 금속 분말층 27의 한 쪽(본 실시 형태에서는 탄소 분말층 26)을 형성하고 이것을 예비 가압하면서 그 층의 두께를 균일하게 한 후에, 다른 쪽(본 실시 형태에서는 금속 분말층 27)을 형성하여 압축 분말 성형하는 것이 바람직하고, 이와 같은 구성을 채택하는 것에 의해 소결 후에 세그먼트 3의 탄소층 10 및 금속층 11의 층 두께를 균일하게 할 수 있게 되므로, 예를 들어 브러시와의 접동부로 되는 상기 세그먼트 3의 선단면 3a에 마모가 생기는 경우 등, 탄소층 10의 두께의 불균일로 인해 금속층 11이 부분적으로 노출되어 버리는 등의 사태를 미연에 방지할 수 있고, 이와 같은 금속층 11의 노출에 의해 탄소 정류자 1의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다.

본 실시 형태에서는 처음에 탄소 분말층 26을 형성하여 예비 가압한 후에 금속 분말층 27을 형성하고 있지만, 예를 들어 압축 분말 성형틀 25의 저면 측에 상기 라이저편 소판 21을 배치하여 두고 최초로 동 및 주석 분말을 충전하여 금속 분말층 27을 형성하고 이것을 예비 가압하면서 층 두께를 균일하게 한 후에 탄소 분말 등을 충전하여 탄소 분말층 26을 형성하고 압축 분말 성형하도록 하여도 좋다. 또, 본 실시 형태에서는 라이저 소편 23의 주위에 금속 분말층 27을 형성하였지만, 라이저 소편 23의 탄소 분말층 26 측의 면에만 금속 분말층 27을 형성하여 금속층 11을 형성하도록 하여도 좋고, 이와 같이 하는 것에 의해 세그먼트 3을 보다 얇게 형성할 수 있도록 한다는 이점이 얻어진다.

본 실시 형태의 제조 방법에서는 상술한 바와 같이 라이저 소편 23…이 연결된 라이저편 소판 21에 원환상으로 압축 분말 성형체 29를 압축 분말 성형하여 소결하고, 이렇게 하여 얻어진 원환상의 소결체 30에 절연 수지제의 보스부 2를 가압 성형한 위에 슬릿 7…을 형성하는 것에 의해 서로 절연된 세그먼트 3…을 성형하도록 하고 있지만, 예를 들어 처음부터 독립된 라이저 소편 23에 부채형 블록상으로 압축 분말 성형체 29를 성형하고, 이것을 소결한 세그먼트 3을 간격을 두고 복수 환상으로 배열한 위에 절연성 수지를 가압 성형하여 보스부 2를 형성하여, 이들의 세그먼트 3…을 일체화하여 탄소 정류자 1을 제조하도록 하여도 좋다. 또, 원환상의 압축 분말 성형체 29를 소결하여 원환상의 소결체 30을 얻는 대신, 중실(中實)의 원판상의 압축 분말 성형체로부터 중실의 원판상의 소결체를 소결하고 그 중앙에 관통구멍을 형성하는 동시에 부채형으로 분할하여 세그먼트 3…을 형성하도록 하여도 좋다.

한편, 본 실시 형태의 탄소 정류자 1에 있어서는 세그먼트 3의 후단면 3d로부터 라이저편 4의 타단부 4c가 수직으로 돌출하여 보스부 2의 선단면 2a에 파고들어가서 이것에 의해 보스부 2와 세그먼트 3의 접합 강도가 확보되고 있지만, 보스부 2의 가압 성형 전에 이 타단부 4c를 예를 들어 외주 측으로 경사지게 절곡하는 등으로 하면 접합 강도의 향상을 도모할 수 있다. 또, 이와 같이 라이저편 4의 타단부 4c를 돌출시키지 않거나, 또는 이에 대신하여 보스부 2의 성형 전에 세그먼트 3…의 내외주측의 요철 원호면 3b, 3c에 오목홈을 형성한다든가, 또는 이들 요철 원호면 3b, 3c와 세그먼트 3의 선단면 3a와의 능선부의 면을 취한다든가 한 위에 수지를 가압 성형하여 보스부 2를 형성하는 것에 의해, 이 오목홈이나 면을 취한 부분에 수지를 돌아들어가서 세그먼트 3이 보스부 2에 걸리도록 하여 한층 접합 강도의 향상을 촉진할 수 있다.

본 실시 형태의 탄소 정류자 1에서는 세그먼트 3의 탄소층 10과 금속층 11이 각각 세그먼트 3 두께의 약 1/2의 층 두께로 2 층으로 나누도록 하여 형성되고 있지만, 예를 들어 금속층 11을 라이저편 4의 주위에만 형성하도록 한다든가, 탄소층 10과 금속층 11 사이에 중간층을 설치한다든가, 탄소층 10으로부터 금속층 11을 향하여 탄소 성분에 대한 동 및 주석의 금속 성분 비율이 크게 되도록 형성한다든가 하여도 좋다. 또, 본 실시 형태에서는 본 발명의 탄소 정류자를 인탱크식 연료 펌프의 모터에 이용하는 경우에 대하여 설명하였지만, 이와 같은 것에 한정되지 않고 다른 종류의 모터의 정류자로서 사용하는 것도 물론 가능하다. 더우기, 본 실시 형태의 탄소 정류자 1은 편평형 구조를 이루고 있지만, 일반적인 원주형의 정류자에 본 발명을 적용하는 것도 물론 가능하다.

(제 2 실시 형태)

도 10 및 도 11은 본 발명의 탄소 정류자의 일 실시 형태를 나타낸 것이다. 본 실시 형태의 탄소 정류자 101은 예를 들어 상술한 바와 같은 인탱크식 연료 펌프의 모터에 이용되는 것으로 편평형 구조를 이루고 있는데, 절연성의 수지에 의해 대략 원반상으로 형성된 보스부 102와, 이 보스부 102의 원형을 이루는 선단면 102a에 원주 방향으로 등간격을 두고 환상으로 배열된 복수(본 실시 형태에서는 8 개)의 세그먼트 103…으로 구성되어 있고, 이들 세그먼트 103…의 선단면 3a가 모터의 브러시에 회전 접촉하는 접동부로 되어 있다. 각 세그먼트 103에는 도전성 단자 부재로서 라이저편 104가 부착되어 있고, 이 라이저편 104의 일단부 104a는 상기 보스부 102의 외주에 돌출되어 있다.

상기 보스부 102의 선단면 102a에는 그 중앙부에 내벽부 105가, 또 외주측에는 외벽부 106이 서로 동축의 원통상으로 형성되는 한편, 각각의 세그먼트 103은 도 10에 나타낸 바와 같이 상기 선단면 103a가 부채형을 이루는 블록상으로 형성되어 있고, 이와 같은 세그먼트 103…이 각각 그의 내외주 측면을 상기 내외벽부 105, 106에 밀착시켜 내벽부 105를 중심으로 한 방사상을 나타내도록 보스부 102의 선단면 102a에 환상으로 배열되어 있다. 또, 보스부 102의 원주 방향으로 서로 인접한 세그먼트 103, 103 사이에는 상기 내외벽부 105, 106을 절결하여 보스부 102의 직경 방향으로 연장되고, 상기 선단면 102a로부터 한 단계 오목한 오목홈 102b를 형성하도록 슬릿 107이 형성되어 있고, 이 슬릿 107에 의해 상기 서로 인접한 세그먼트 103, 103 끼리는 서로 절연된 상태로 되어 있다. 또, 상기 내벽부 105의 내주부는 보스부 102의 타단면 측으로 관통하고 있어, 당해 탄소 정류자 101을 모터의 회전축에 고정하기 위한 축구멍 108로 되어 있다. 내벽부 105의 선단면 105a는 세그먼트 103의 선단면 103a에 대하여 한 단계 후퇴하는 위치에 형성되는 한편, 외벽부 106의 선단면 106a는 상기 선단면 103a와 같은 면 상에 있도록 형성되어 있다. 또, 보스부 102의 선단면 102a와 상기 외벽부 106의 내주면이 이루는 구석부에는 단차부 109가 형성되어 있다.

한편, 본 실시 형태에서 세그먼트 103에 부착되어 도전성 단자 부재로 되는 상기 라이저편 104는 동 또는 동 합금에 의해 형성되는 판상 부재로, 도 11에 나타낸 바와 같이 세그먼트 103의 후단면 103b로부터 약간 선단면 103a 측으로 접근한 위치에 매설되고, 보스부 102의 직경 방향에서 세그먼트 103의 대략 중간 정도로부터 외주측으로 연장되어 상기 외벽부 106을 관통하여 후단측에 L자형으로 굴곡되는 동시에 외벽부 106의 외주면을 따라 연장된 광폭부 104b를 개재하여 상기 일단부 104a에 이르고, 이 일단부 104a는 후단측에 연장된 설편이 선단측을 향하여 V자상으로 절곡된 형상으로 되어 있다. 또, 이 라이저편 104의 내주측 타단부 104c는 상기 세그먼트 103의 후단면 3b로부터 보스부 102의 상기 선단면 102a로 수직으로 파고들어가도록 돌출되어 있다.

본 실시 형태의 탄소 정류자 101에서는 상기 세그먼트 103의 접동부로 되는 선단면 103a 측 부분이, 탄소에 적절한 결합제를 혼합하여 이루어진 탄소층 110으로 되는 동시에, 상기 라이저편 104 주위의 후단면 103b 측 부분은 탄소, 동 및 도전성 단자 부재인 라이저편 4와 합금화 가능하고 라이저편 4 보다도 융점이 낮은 물질, 예를 들어 주석으로 이루어진 금속층 111로 되어 있다. 더욱 상세하게는, 이 금속층 111에서는 동 및 주석이 액상 소결되는 것에 의해 동과 주석의 합금, 즉 청동이 석출되고, 이 합금화는 동 또는 동 합금으로 이루어지는 라이저편 104에도 미치고 있어, 이에 의해 라이저편 104는 금속층 111에 접합되어 세그먼트 103과 일체화되어 있다. 이 금속층 111에서 탄소의 함유율은 중량 비율로 2∼25 중량% 범위, 더욱 바람직하게는 10∼20 중량% 범위로 설정되어 있는데, 본 실시 형태에서는 15 중량%로 되어 있다. 한편, 탄소를 제외한 동 성분과 주석 성분의 중량비는 98.0:2.0∼86.5:13.5 범위, 보다 바람직하게는 95.0:5.0∼90.0:10.0 범위로 설정되어 있는데, 본 실시 형태에서는 90.0:10.0으로 되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서 이 금속층 111의 두께는 세그먼트 103 두께의 약 1/2 정도로 되어 있다. 금속층 111 중에 함유되는 주석의 전량 또는 일부 대신에 아연, 안티몬, 납 등으로부터 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 사용하여도 좋다.

다음에, 이와 같은 구성의 탄소 정류자 101을 제조하는 경우의 본 발명의 제조 방법의 일 실시 형태에 대하여 도 12 내지 도 16에 의해 설명한다. 먼저, 이러한 탄소 정류자 101을 제조하는 경우에는, 도 12에 나타낸 바와 같은 각 세그먼트 103…과 일체화되는 라이저편 104…의 원형으로 되는 라이저편 소판 121이 준비된다. 이 라이저편 소판 121은 동판 또는 동 합금판으로부터 외형 원판상으로 형성된 것으로, 본 실시 형태에서는 두께 0.6 ㎜의 무탄소동판으로부터 프레스 성형에 의해 형성되어 있고, 제조된 탄소 정류자 101의 외경 보다도 충분히 큰 내경을 갖는 원환판상의 링형상부 122의 내주에 상기 라이저편 104…와 같은 수의 라이저 소편 123…이 일체로 연결된 구성으로 되어 있다. 여기에서, 이들 라이저 소편 123…은 라이저편 104의 상기 타단부 104c로 되는 내주단부 123a가 미리 절곡되어 있는 이외에는 상기 라이저편 104를 평판상으로 연장한 형상으로 형성되어 있는 동시에, 제조된 탄소 정류자 101에서 환상으로 배열된 세그먼트 103… 내의 라이저편 104…와 마찬가지로 방사상으로 배열 설치되어 있고, 이 라이저편 104의 상기 일단부 104a로 되는 외주단부 123b가 상기 링형상부 122에 일체로 연결되어 있다.

다음에 도 13a에 나타낸 바와 같이, 이 라이저편 소판 121을 상기 세그먼트 103의 치수에 대하여 소결시의 수축을 고려한 치수의 원환상의 캐비티 124를 갖는 압축 분말 성형틀 125에 동축적으로 설치하고, 도 13b에 나타낸 바와 같이 이 캐비티 124 내에 세그먼트 103의 선단면 103a로 되는 측(캐비티 124의 저면측)에 탄소 분말과 결합제의 혼합 분말을 충전하여 탄소 분말층 126을 형성하는 동시에, 후단면 103b 측으로 되는 상기 라이저편 소판 121의 라이저 소편 123…의 주변에 탄소, 동 및 주석의 혼합 분말을 충전하여 혼합 분말층 127을 형성한다. 여기에서, 본 실시 형태에서는 상기 탄소 분말층 126을 형성하는 혼합 분말로서 천연 흑연과 인조 흑연을 혼합한 탄소 분말에 페놀계의 결합제를 가하고, 이것을 혼련, 건조, 분쇄한 후에 분급하여 입도가 약 500 ㎛ 이하로 되도록 조정한 것이 이용되고 있다. 한편, 상기 혼합 분말층 127을 형성하는 혼합 분말로서는, 상기와 마찬가지로 천연 흑연과 인조 흑연을 혼합한 탄소 분말과, 전해 동분과 분쇄 주석분을 상술한 소정의 중량비로 되도록 배합하고 V형 혼합기에서 혼합한 것이 이용되고 있다.

이들 탄소 분말층 126 및 혼합 분말층 127을 캐비티 124에 충전하는 경우에는, 먼저 캐비티 124의 저면측에 탄소 분말과 결합제의 혼합 분말을 충전하여 탄소 분말층 126을 형성한 후, 일단 이 탄소 분말층 126을 예비 가압하여 형틀 등에 의해 약하게 가압하여 그 두께가 균일하게 되도록 하고, 그런 다음 이 탄소 분말층 126의 위에 동 및 주석의 혼합 분말을 충전하여 상기 혼합 분말층 127을 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 캐비티 124 내에 충전된 탄소 분말층 126 및 혼합 분말층 127을 도 13c에 나타낸 바와 같이 유압 프레스 등을 이용한 가압 경화 형틀 128A, 128B에 의해 3 t/㎠ 정도의 큰 성형압으로 가압하여 라이저편 소판 121 마다 압축 분말 성형하여, 도 14에 나타낸 바와 같이 탄소 분말층 126과 혼합 분말층 127로 되는 이층 구조의 원환상의 압축 분말 성형체 129를 형성한다. 이 압축 분말 성형의 경우, 상기 라이저 소편 123의 절곡된 내주단부 123a는 혼합 분말층 127로부터 돌출하여 상기 가압 경화 형틀 128A에 형성된 오목소 128a 내에 수용된다.

다음에, 이렇게 하여 성형된 압축 분말 성형체 129를 라이저판 소편 121 마다 상기 압축 분말 성형틀 125로부터 빼내고, 소결로에 장입하여 소결 고화하는 것에 의해 도 15 및 도 16에 나타낸 바와 같이 상기 세그먼트 103…의 원형으로 되는 원환상의 소결체 130을 소결하는 것인데, 이 때 압축 분말 성형체 129 전체로서는 상기 탄소 분말층 126과 혼합 분말층 127이 서로 일체적으로 소결되어 상기 소결체 130으로 형성되고, 또 탄소 분말층 126에서는 탄소 분말이 결합제를 개재하여 결합되어 상기 탄소층 110이 형성되는 한편, 상기 혼합 분말층 127에 있어서는 상술한 바와 같이 액상 소결이 생겨 상기 라이저 소편 123의 표면 및 동 분말과 주석 분말이 합금화하고, 이에 의해 라이저 소편 123과 일체로 접합된 상태에서 상기 금속층 111이 성형된다. 따라서, 이렇게 하여 소결된 소결체 130에 있어서는 세그먼트 103…의 접동부로 되는 상기 선단면 103a 측의 탄소층 110으로부터 후단면 103b 측의 금속층 111 까지가 라이저편 104로 되는 라이저 소편 123과 전기적, 기계적으로 일체로 접합되게 된다. 상기 압축 분말 성형체 129를 소결하여 소결체 130을 형성하는 경우의 소결 온도는 800∼850 ℃ 범위로 설정되는 것이 바람직한데, 본 실시 형태에서는 825 ℃ 전후로 되어 있다.

다음에, 이렇게 하여 형성된 소결체 130에 절연성을 갖는 수지에 의한 가압 성형법(몰딩법)에 의해 보스부 102를 일체 성형한다. 즉, 도 16에 나타낸 바와 같이 소결된 상기 소결체 130에 있어서는, 원환상의 소결체 130의 외주면에 라이저 소편 123의 일단부(라이저편 104의 일단부 104a 및 광폭부 104b로 되는 부분)가 돌출되는 동시에, 그 외주에는 라이저편 소판 121의 링형상부 122가 일체로 연결된 채로 있고, 또 세그먼트 103…의 후단면 103b로 되는 상기 금속층 111 측의 단면으로부터는 라이저 소편 123의 내주단부 123a가 돌출되어 있다. 여기에서, 이 소결체 130의 외경 보다도 상기 보스부 102의 외벽부 106의 두께분 만큼 큰 외경의 원반상의 캐비티를 갖고, 상기 축구멍 108의 위치에 원주부를 구비한 몰드형틀에, 당해 소결체 130을 상기 금속층 111 측의 단면을 캐비티 측을 향하여 동축으로 설치하고, 다음에 이 캐비티 내에 용융된 상기 수지를 유입시켜 가압, 냉각하는 것에 의해 상기 내외벽부 105, 106 및 축구멍 108을 구비하고 그 선단면 102a에 상기 라이저 소편 123의 내주단부 123a가 파고들어간 보스부 102를 이 소결체 130에 일체로 성형하는 것이다.

이렇게 하여 보스부 102가 소결체 130에 일체로 성형된 후에도 보스부 102의 외주로부터는 상기 라이저편 소판 121이 돌출한 채로 있기 때문에, 먼저 이 라이저편 소판 121의 라이저 소편 123의 상기 외주단부 123b와 링형상부 122의 사이를 절단하여 각 라이저 소편 123을 독립시키고, 다음에 상기 광폭부 104b를 후단측으로 절곡하는 동시에 외벽부 106의 외주면을 따라 만곡시키고, 또 상기 외주단부 123b를 V자상으로 절곡하여 상기 형상의 라이저편 104로 성형한다. 그리고, 원주 방향으로 서로 인접한 각 라이저편 104, 104 사이에 상기 소결체 130으로부터 보스부 102의 상기 선단면 102a에 거의 파고들어간 깊이의 슬릿 107…을 원환상의 소결체 130의 직경 방향을 따라 상기 외벽부 106의 외주면으로부터 축구멍 8에 도달하도록 절삭 가공 등에 의해 형성하고, 소결체 130을 부채형의 블록상으로 분할하여 서로 절연된 세그먼트 103…으로 하는 것에 의해 상기 구성의 탄소 정류자 101이 제조된다.

이와 같이 하여 제조된 탄소 정류자 101에 있어서는, 브러시와의 접동부로 되는 세그먼트 103…의 선단면 103a가 탄소층 110에 의해 형성되어 있기 때문에, 알콜 함유량이 높은 연료의 인탱크식 연료 펌프 모터에 사용하여도 세그먼트 103이 침식된다든가, 연료가 변질된다든가 하는 일이 없다. 한편으로는, 도전성 단자 부재로서의 라이저편 104와 상기 탄소층 110 사이에 설치된 금속층 111이 탄소, 동 및 주석을 소결하여 되는 것으로, 이 중의 동 및 주석 성분이 상술한 바와 같이 액상 소결을 이루어 라이저편 104와 합금화하는 동시에, 액상 소결에 의해 용해된 동 주석 합금은 탄소층 110의 입자 사이에 들어가서 탄소층 110과의 사이에 앵커 효과를 이룬다. 더우기, 금속층 111에 함유된 탄소가 탄소층 110과 결합하는 것에 의해서도 양자 사이에 앵커 효과가 발생하므로, 이에 의해 세그먼트 103과 라이저편 104를 전기적, 기계적으로 확실하고 강고하게 일체 접합할 수 있다.

또한, 이렇게 하여 금속층 111이 액상 소결하는 것에 의해 그 용해 재석출 과정에서 입자의 재배열이 생기고, 이에 의해 라이저편 104(라이저 소편 123)의 열팽창에 의한 응력이 완화되는 동시에, 이 라이저 소편 123의 열팽창이나 수축에 관계 없이 액상이 항상 라이저 소편 123 주위의 극간을 메우도록 작용한다. 마찬가지로, 이 액상이 존재하는 것에 의해 탄소층 110과 금속층 111 사이의 응력도 완화되어, 만약 상기 압축 분말 성형체 129의 소결 중에 탄소층 110과 금속층 111의 수축, 팽창 비율의 차이로 인해 양자 사이에 극간 등이 생기거나 하여도 동 주석 합금의 액상이 이 극간을 메우는 작용을 한다. 그리고, 금속층 111에 탄소가 함유되는 것에 의해서도 열응력이 완화되고, 이에 의해 탄소층 110과 금속층 111 사이, 및 금속층 111과 라이저편 104 사이에서 박리가 생기기 어렵게 되므로, 상기 구성의 탄소 정류자 101에 의하면 세그먼트 103… 사이에서 전기적 저항치에 벗어남이 생긴다든가, 세그먼트 103과 라이저편 104 사이에 접촉 불량이 생긴다든가 하는 등의 사태를 방지할 수 있고, 상술한 바와 같은 알콜을 함유하는 연료 등에 있어서도 정류자로서 장기간에 걸쳐 안정하고 우수한 성능을 얻는 것이 가능하게 된다.

상기 금속층 111에서 액상 소결에 의해 형성되는 동 주석 합금은, 예를 들어 종래와 같이 동 분말 만을 소결한 것 등 보다도 굳고, 따라서 금속층 111이 동 및 주석으로 이루어진 동 주석 합금 만으로 형성되어 있거나 하면, 세그먼트 103… 끼리를 절연시키기 위해 소결체 130에 슬릿 107을 형성하는 경우의 가공성이 손상되어 많은 가공 시간을 요한다든가 슬릿 형성을 위한 환구의 수명 단축을 초래한다든가 할 우려가 있다. 그러나, 상기 탄소 정류자 101에서는 이 금속층 111에 비교적 유연한 탄소가 함유되어 있고, 이에 의해 금속층 111이 지나치게 굳게 되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 상기 슬릿 107을 형성하는 경우 등에 있어서도 가공 시간의 단축을 도모하는 동시에 환구의 수명을 연장시킬 수 있게 된다. 한편, 금속층 111이 동 및 주석 만으로 형성되어 있으면 소결 온도가 지나치게 높은 경우에는 소결 중에 액상이 유출해 버려 소결체 130으로서의 형상을 유지할 수 없게 될 우려가 있지만, 상기 탄소 정류자 101에서는 이 금속층 111에 함유된 탄소가 고온에서도 연화한다거나 용융하는 일 없이 골재로서 작용하여 금속층 111의 형상을 안정시킬 수 있기 때문에, 소망의 형상, 치수의 소결체 130을 확실히 형성하는 것이 가능하게 된다.

여기에서, 본 실시 형태는 상술한 바와 같이 이 금속층 111에 함유된 탄소의 함유율을 중량비로 15 중량%로 하고 있는데, 이 탄소의 함유율이 지나치게 적으면 나머지 동 주석 합금에 의해 금속층 111이 너무 굳게 되어 세그먼트 103의 가공성의 열화가 충분히 방지될 수 없게 될 우려가 생긴다. 또, 금속층 111 중의 탄소에 의한 탄소층 110과의 앵커 효과나 열응력의 완화, 또는 소결체 130의 형상 안정이라는 작용 효과도 충분히 발휘되지 않게 될 우려가 생긴다. 한편, 역으로 이 금속층 111 중의 탄소의 함유율이 지나치게 많으면 탄소는 라이저편 104를 형성하는 동 등과는 소결 중에 반응하지 않기 때문에, 라이저편 104와 금속층 111의 접합이 불충분하게 되어 양자 사이에 박리가 생기기 쉽게 될 우려가 있다.

예를 들어, 도 17은 도 18에 나타낸 금속층 111의 시험편 131과 도 19에 나타낸 세그먼트 103의 시험편 132를 이용하여, 금속층 111의 가공성과 세그먼트 103의 박리에 대한 강도가, 금속층 111에서 탄소의 함유율에 따라 어떻게 변화하는가를 조사한 것이다. 여기에서, 금속층 111의 가공성에 대해서는 탄소, 동 및 주석을 탄소 함유율 이외는 본 실시 형태와 동일한 조건에서 소결한 폭 W ㎝, 두께 t ㎝의 금속층 111의 상기 시험편 131을, 도 18에 나타낸 바와 같이 거리 L ㎝ 떨어진 2 점에서 지지하고 이 2 점의 중간 위치에서 당해 시험편 131에 그 두께 방향으로 하중을 가하여 시험편 131이 파괴될 때의 최대 하중 P ㎏f로부터 1.5×P·L/(W·t²)에 의해 산출된 항절 강도(㎏f/㎠)를 측정하였다. 또, 세그먼트 103의 박리 강도에 대해서는, 탄소층 110과 함께 상기와 마찬가지로 소결한 세그먼트 103의 시험편 132를 도 19의 화살표 방향으로 인장시킨 경우, 라이저편으로 본 동판 133과 금속층 111과의 사이, 또는 금속층 111과 탄소층 110과의 사이에서 박리가 생긴 때의 인장 하중(박리 강도)을 측정하였다.

도 17에 나타낸 바와 같이, 시험편 131의 항절 강도 및 시험편 132의 박리 강도도 금속층 111에서 탄소 함유율이 증대하는데 따라 점차 저하하고 있는데, 즉 탄소 함유율의 증대에 따라 가공하기 쉽게 되는 동시에 박리되기 쉽게 되어 있다. 여기에서, 이와 같은 탄소, 동 및 주석으로 이루어진 소결체 130에 슬릿 가공을 시행하는 경우에 있어서는, 항절 강도가 2000 ㎏f/㎠ 이하라면 가공 시간의 증대나 환구의 수명 단축을 충분히 방지할 수 있다. 따라서, 도 17에 나타낸 항절 강도의 결과로부터 금속층 111에서 탄소의 함유율은 2 중량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 통상 이와 같은 정류자에 있어서 그 세그먼트 103에서 박리 강도는 1.5 ㎏f 정도라면 충분하게 되어 있다. 따라서, 도 17에 나타낸 결과로부터 상기 금속층 111에서 탄소의 함유율은 25 중량% 이하로 될 것이 요망된다. 또한, 소결체 130을 형성하는 경우의 소결 온도 등의 변동에 관계 없이 양호한 가공성과 충분한 내박리성을 확실히 양립시키는데는, 금속층 111에서 탄소의 함유율이 상기 범위의 가운데에서도 특히 10∼20 중량% 범위로 설정되는 것이 바람직하다.

본 실시 형태에 있어서는 이 금속층 111에서 탄소를 제외한 동과 주석의 중량비를 90:10으로 하고 있는데, 이 중량비에서 주석 성분의 비율이 지나치게 크게 되면 소결 중에 동과 주석의 금속간 화합물 같은 깨지기 쉬운 상이 금속층 111에 형성되어 버리고, 이에 의해 세그먼트 103과 라이저편 104의 확실한 접합이 저해될 우려가 있는 동시에, 소결 온도에 따라서는 금속층 111의 주석 성분의 농도가 동 주석 합금계에서 안정한 α 고용체 중의 주석 농도 상한을 넘어버릴 우려가 있다. 또한, 역으로 주석 성분의 비율이 지나치게 작게 되어도 용융된 주석이, 입경이 작고 합금화하기 쉬운 동 분말 입자와 우선적으로 합금화하여 버리고 그만큼 라이저 소편 123과 합금화하는 비율이 적게 되어, 역시 세그먼트 103과 라이저편 104의 양호한 접합성이 손상될 우려가 있다. 상술한 탄소 정류자의 세그먼트 103에 부여되어야 할 충분한 박리 강도와, 동 주석 합금에서 액상 소결을 이루는 800 ℃ 부근에서의 안정한 α 고용체의 주석 성분 농도의 상한치는 13.5 중량%인 것으로부터, 상기 금속층 111에서 동과 주석의 중량비는 본 실시 형태와 같이 98.0:2.0∼86.5: 13.5 범위로 설정되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 95.0:5.0∼90.0:10.0 범위로 설정된다.

한편, 이와 같은 탄소 정류자 101을 제조하는 경우에, 본 실시 형태의 제조 방법에서는 탄소 분말과 탄소, 동 및 주석의 혼합 분말을 층상으로 압축 분말 성형하여 라이저편 소판 121을 구비한 압축 분말 성형체 129를 형성하고, 이 압축 분말 성형체 129를 825 ℃ 전후에서 소결하여 소결체 130으로 하고, 세그먼트 103…으로 성형하고 있는데, 이 때의 소결 온도가 지나치게 낮으면 상술한 액상 소결이 충분히 촉진되지 않아 합금화에 의한 세그먼트 103과 라이저편 104의 양호한 접합성이 손상될 우려가 생긴다. 또, 역으로 소결 온도가 지나치게 높으면 용융된 주석의 액상에 녹아 들어가는 동 성분이 증대하여 액상의 양이 많게 되어, 소결 중에 라이저 소편 123을 따라 유출되거나, 탄소의 골재로서의 효과에도 관계 없이 소결체 130의 형상 자체를 유지할 수 없게 되거나 할 우려가 생긴다. 이 때문에, 본 실시 형태의 제조 방법과 같이 탄소 분말층 126과 혼합 분말층 127을 갖는 압축 분말 성형체 129를 소결하여 세그먼트 103을 얻는 경우에, 그 소결 온도는 상술한 바와 같이 800∼850 ℃ 범위로 설정되는 것이 바람직하다.

이와 같은 압축 분말 성형체 129를 형성하는 경우에는, 상술한 바와 같이 먼저 압축 분말 성형틀 125에 상기 탄소 분말층 126 및 혼합 분말층 127의 한 쪽(본 실시 형태에서는 탄소 분말층 126)을 형성하고 이것을 예비 가압하면서 그 층의 두께를 균일하게 한 후에, 다른 쪽(본 실시 형태에서는 혼합 분말층 127)을 형성하여 압축 분말 성형하는 것이 바람직하고, 이와 같은 구성을 채택하는 것에 의해 소결 후에 세그먼트 103의 탄소층 110 및 금속층 111의 층 두께를 균일화할 수 있게 되므로, 예를 들어 브러시와의 접동부로 되는 상기 세그먼트 103의 선단면 103a에 마모가 생기는 경우 등, 탄소층 110의 두께의 불균일에 의해 금속층 111이 부분적으로 노출되어 버리는 등의 사태를 미연에 방지할 수 있고, 이와 같은 금속층 111의 노출에 의해 탄소 정류자 101의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다.

본 실시 형태에서는 처음에 탄소 분말층 126을 형성하여 예비 가압한 후에 혼합 분말층 127을 형성하고 있지만, 예를 들어 압축 분말 성형틀 125의 저면 측에 상기 라이저편 소판 121을 배치하여 두고 최초로 탄소, 동 및 주석의 혼합 분말을 충전하여 혼합 분말층 127을 형성하고 이것을 예비 가압하면서 층 두께를 균일하게 한 후에 탄소 분말 등을 충전하여 탄소 분말층 126을 형성하고 압축 분말 성형하도록 하여도 좋다. 또, 본 실시 형태에서는 라이저 소편 123의 주위에 혼합 분말층 127을 형성하였지만, 라이저 소편 123의 탄소 분말층 126 측의 면에만 혼합 분말층 127을 형성하여 금속층 111을 형성하도록 하여도 좋고, 이와 같이 하는 것에 의해 세그먼트 103을 보다 얇게 형성할 수 있다는 이점이 얻어진다.

본 실시 형태의 제조 방법에서는 상술한 바와 같이 라이저 소편 123…이 연결된 라이저편 소판 121에 원환상으로 압축 분말 성형체 129를 압축 분말 성형하여 소결하고, 이렇게 하여 얻어진 원환상의 소결체 130에 절연 수지제의 보스부 102를 가압 성형한 위에 슬릿 107…을 형성하는 것에 의해 서로 절연된 세그먼트 103…을 성형하도록 하고 있지만, 예를 들어 처음부터 독립된 라이저 소편 123에 부채형 블록상으로 압축 분말 성형체 129를 성형하고, 이것을 소결한 세그먼트 103을 간격을 두고 복수 환상으로 배열한 위에 절연성 수지를 가압 성형하여 보스부 102를 형성하여, 이들 세그먼트 103…을 일체화하여 탄소 정류자 101을 제조하도록 하여도 좋다. 또, 원환상의 압축 분말 성형체 129를 소결하여 원환상의 소결체 130을 얻는 대신, 중실의 원판상의 압축 분말 성형체로부터 중실 원판상의 소결체를 소결하고 그 중앙에 관통구멍을 형성하는 동시에 부채형으로 분할하여 세그먼트 103…을 형성하도록 하여도 좋다.

한편, 본 실시 형태의 탄소 정류자 101에 있어서는 세그먼트 103의 후단면 103b로부터 라이저편 104의 타단부 104c가 수직으로 돌출하여 보스부 102의 선단면 102a에 파고들어가서 이것에 의해 보스부 102와 세그먼트 103의 접합 강도가 확보되고 있지만, 보스부 102의 가압 성형 전에 이 타단부 104c를 예를 들어 외주 측에 경사지게 절곡하는 등으로 하면 접합 강도의 향상을 도모할 수 있다. 또, 이와 같이 라이저편 104의 타단부 104c를 돌출시키지 않거나, 또는 이에 더하여 보스부 102의 성형 전에 세그먼트 103…의 내외주 측면에 오목홈을 형성한다든가, 또는 이들 내외주 측면과 세그먼트 103의 선단면 103a와의 능선부의 면을 취하는 것을 실시하거나 한 위에, 수지를 가압 성형하여 보스부 102를 형성하는 것에 의해, 이 오목홈이나 면을 취한 부분에 수지가 돌아들어가게 하여 세그먼트 103이 보스부 102에 걸리도록 해서 한층 접합 강도의 향상을 촉진할 수 있다.

본 실시 형태의 탄소 정류자 101에서는 세그먼트 103의 탄소층 110과 금속층 111이 각각 세그먼트 103 두께의 약 1/2의 층 두께로 2 층으로 나누도록 하여 형성되고 있지만, 예를 들어 금속층 111을 라이저편 104의 주위에만 형성하도록 한다든가, 탄소층 110과 금속층 111 사이에 중간층을 설치한다든가, 탄소층 110 측으로부터 금속층 111 측을 향하여 금속층 111의 탄소에 대한 동 및 주석의 비율이 크게 되도록 형성한다든가 하여도 좋다. 또, 본 실시 형태에서는 본 발명의 탄소 정류자를 인탱크식의 연료 펌프 모터에 이용하는 경우에 대하여 설명하였지만, 이와 같은 것에 한정되지 않고 다른 종류의 모터의 정류자로서 사용하는 것도 물론 가능하다. 더우기, 본 실시 형태의 탄소 정류자 101은 편평형 구조를 이루고 있지만, 일반적인 원주형의 정류자에 본 발명을 적용하는 것도 물론 가능하다.

(제 3 실시 형태)

도 20 및 도 21은 본 발명의 탄소 정류자의 일 실시 형태를 나타낸 것이다. 본 실시 형태의 탄소 정류자 201은 예를 들어 상술한 바와 같은 인탱크식의 연료 펌프 모터에 이용되는 것으로 편평형 구조를 이루고 있는데, 절연성의 수지에 의해 대략 원반상으로 형성된 보스부 202와, 이 보스부 202의 원형을 이루는 선단면 202a에 원주 방향으로 등간격을 두고 환상으로 배열된 복수(본 실시 형태에서는 8 개)의 세그먼트 203…으로 구성되어 있고, 이들 세그먼트 203…의 선단면 203a가 모터의 브러시에 회전 접촉하는 접동부로 되어 있다. 각 세그먼트 203에는 도전성 단자 부재로서 라이저편 204가 부착되어 있고, 이 라이저편 204의 일단부 204a는 상기 보스부 202의 외주에 돌출되어 있다.

상기 보스부 202의 선단면 202a에는 그 중앙부에 내벽부 205가, 또 외주측에는 외벽부 206이 서로 동축의 원통상으로 각각 형성되는 한편, 개개의 세그먼트 203은 도 20에 나타낸 바와 같이 상기 선단면 203a가 부채형을 이루는 블록상으로 형성되어 있고, 이와 같은 세그먼트 203…이 각각 그의 내외주 측면을 상기 내외벽부 205, 206에 밀착시켜 내벽부 205를 중심으로 한 방사상을 나타내도록 보스부 202의 선단면 202a에 환상으로 배열되어 있다. 또, 보스부 202의 원주 방향으로 서로 인접한 세그먼트 203, 203 사이에는 상기 내외벽부 205, 206을 절결하여 보스부 202의 직경 방향으로 연장되고, 상기 선단면 202a로부터 한 단계 오목한 오목홈 202b를 형성하도록 슬릿 207이 형성되어 있고, 이 슬릿 207에 의해 상기 서로 인접한 세그먼트 203, 203 끼리는 서로 절연된 상태로 되어 있다. 또, 상기 내벽부 205의 내주부는 보스부 202의 타단면 측으로 관통하고 있어, 당해 탄소 정류자 201을 모터의 회전축에 고정하기 위한 축구멍 208로 되어 있다. 내벽부 205의 선단면 205a는 세그먼트 203의 선단면 203a에 대하여 한 단계 후퇴하는 위치에 형성되는 한편, 외벽부 206의 선단면 206a는 상기 선단면 203a와 같은 면 상에 있도록 형성되어 있다. 또, 보스부 202의 선단면 202a와 상기 외벽부 206의 내주면이 이루는 구석부에는 단차부 209가 형성되어 있다.

한편, 본 실시 형태에서 세그먼트 203에 부착되어 도전성 단자 부재로 되는 상기 라이저편 204는 동 또는 동 합금에 의해 형성된 판상 부재로, 도 21에 나타낸 바와 같이 세그먼트 203의 후단면 203b로부터 약간 선단면 203a 측에 접근한 위치에 매설되고, 보스부 202의 직경 방향에서 세그먼트 203의 대략 중간 정도로부터 외주측으로 연장되어 상기 외벽부 206을 관통하여 후단측에 L자형으로 굴곡되는 동시에 외벽부 206의 외주면을 따라 연장된 광폭부 204b를 개재하여 상기 일단부 204a에 이르고, 이 일단부 204a는 후단측에 연장된 설편이 선단측을 향하여 V자상으로 절곡된 형상으로 되어 있다. 또, 이 라이저편 204의 내주측의 타단부 204c는 상기 세그먼트 203의 후단면 203b로부터 보스부 202의 상기 선단면 202a로 수직으로 파고들어가도록 돌출되어 있다.

본 실시 형태의 탄소 정류자 201에서는 상기 세그먼트 203의 접동부로 되는 선단면 203a 측 부분이, 탄소에 적절한 결합제를 혼합하여 이루어진 탄소층 210으로 되는 동시에, 상기 라이저편 204 주위의 후단면 203b 측 부분은 동 및 도전성 단자 부재인 라이저편 4와 합금화 가능하고 라이저편 4 보다도 융점이 낮은 물질, 예를 들어 주석으로 이루어진 금속층 211로 되고, 이들 탄소층 210과 금속층 211 사이에는 탄소 및 동으로 이루어지는 중간층 212가 개재되어 장착되어 있다. 더욱 상세하게는, 상기 금속층 211에서는 동 및 주석이 액상 소결되는 것에 의해 동과 주석의 합금, 즉 청동이 석출되고, 이 합금화는 동 또는 동 합금으로 이루어지는 라이저편 204에도 미치고 있어, 이에 의해 라이저편 204는 상기 탄소층 210 및 금속층 211, 즉 세그먼트 203과 일체화되어 있다. 이 금속층 211에서는 그 동 성분과 주석 성분의 중량비가 98.0:2.0∼86.5:13.5 범위, 보다 바람직하게는 95.0: 5.0∼90.0:10.0 범위로 설정되어 있는데, 본 실시 형태에서는 90.0:10.0으로 되어 있다. 또한, 상기 중간층 212에서는 탄소의 함유율이 10∼40 중량% 범위로 설정되는 것이 바람직한데, 본 실시 형태에서는 탄소와 동의 체적 비율이 1:1 전후로 되도록 20 중량%로 설정되어 있다. 금속층 211 중에 함유되는 주석의 전량 또는 일부 대신에 아연, 안티몬, 납 등으로부터 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 사용하여도 좋다.

다음에, 이와 같은 구성의 탄소 정류자 201을 제조하는 경우의 본 발명의 제조 방법의 일 실시 형태에 대하여 도 22 내지 도 26에 의해 설명한다. 먼저, 이러한 탄소 정류자 201을 제조하는 경우에는, 도 22에 나타낸 바와 같은 각 세그먼트 203…과 일체화되는 라이저편 204…의 원형으로 되는 라이저편 소판 221이 준비된다. 이 라이저편 소판 221은 동판 또는 동 합금판으로부터 외형 원판상으로 형성되는 것으로, 본 실시 형태에서는 두께 0.6 ㎜의 무탄소동판으로부터 프레스 성형에 의해 형성되어 있고, 제조된 탄소 정류자 201의 외경 보다도 충분히 큰 내경을 갖는 원환판상의 링형상부 222의 내주에 상기 라이저편 204…와 같은 수의 라이저 소편 223…이 일체로 연결된 구성으로 되어 있다. 여기에서, 이들 라이저 소편 223…은 라이저편 204의 상기 타단부 204c로 되는 내주단부 223a가 미리 절곡되어 있는 이외에는, 상기 라이저편 204를 평판상으로 연장한 형상으로 형성되어 있는 동시에, 제조된 탄소 정류자 201에서 환상으로 배열되는 세그먼트 203… 내의 라이저편 204…와 마찬가지로 방사상으로 배열 설치되어 있고, 이 라이저편 204의 상기 일단부 204a로 되는 외주단부 223b가 상기 링형상부 222에 일체로 연결되어 있다.

다음에 도 23a에 나타낸 바와 같이, 이 라이저편 소판 221을 상기 세그먼트 203의 치수에 대하여 소결시의 수축을 고려한 치수의 원환상의 캐비티 224를 갖는 압축 분말 성형틀 225에 동축적으로 설치하고, 도 23b에 나타낸 바와 같이 이 캐비티 224 내에 세그먼트 203의 선단면 203a로 되는 측(캐비티 224의 저면측)에 탄소 분말과 결합제의 혼합 분말을 충전하여 탄소 분말층 226을 형성하고, 다음에 이 탄소 분말층 226의 위에 탄소 및 동의 혼합 분말을 충전하여 제 1 혼합 분말층 227을 형성하고, 그 위에 세그먼트 203의 후단면 203b 측으로 되는 상기 라이저편 소판 221의 라이저 소편 223…의 주변에 동 및 주석의 혼합 분말을 충전하여 제 2 혼합 분말층 228을 형성한다.

본 실시 형태에서는 상기 탄소 분말층 226을 형성하는 혼합 분말로서 천연 흑연과 인조 흑연을 혼합한 탄소 분말에 페놀계의 결합제를 가하고, 이것을 혼련, 건조, 분쇄한 후에 분급하여 입도가 약 500 ㎛ 이하로 되도록 조정한 것이 이용되고 있다. 또, 상기 제 2 혼합 분말층 228을 형성하는 혼합 분말로서는 전해 동분과 분쇄 주석분을 상술한 소정의 중량비로 되도록 배합하고 V형 혼합기에서 혼합한 것이 이용되고 있다. 상기 제 1 혼합 분말층 227을 형성하는 혼합 분말로서는 상기 탄소 분말층 226을 형성하는 탄소 분말 및 결합제의 혼합 분말과, 제 2 혼합 분말층 228을 형성하는 전해 동분을 상술한 소정의 탄소 함유율로 되도록 배합한 것이 이용되고 있다.

이들 탄소 분말층 226 및 제 1, 제 2 혼합 분말층 227, 228을 형성하는 경우에는, 먼저 캐비티 224의 저면측에 탄소 분말과 결합제의 혼합 분말을 충전하여 탄소 분말층 226을 형성한 후, 일단 이 탄소 분말층 226을 예비 가압하여 형틀 등에 의해 약하게 가압하여 그 두께가 균일하게 되도록 하는 것이 바람직하다. 다음에 이 탄소 분말층 226 위에 탄소 및 동의 혼합 분말을 충전하여 제 1 혼합 분말층 227을 형성한 후에, 이 제 1 혼합 분말층 227을 예비 가압하여 형틀 등에 의해 다시 약하게 가압하여 균일화하고, 그후 이 제 1 혼합 분말층 227 위에 동 및 주석의 혼합 분말을 충전하여 제 2 혼합 분말층 228을 형성하는 것이 바람직하다.

이와 같이 캐비티 224 내에 충전된 탄소 분말층 226 및 제 1, 제 2 혼합 분말층 227, 228을 도 23c에 나타낸 바와 같이 유압 프레스 등을 이용한 가압 경화 형틀 229A, 229B에 의해 3 t/㎠ 정도의 큰 성형압으로 가압하여 라이저편 소판 221 마다 압축 분말 성형하여, 도 24에 나타낸 바와 같이 탄소 분말층 226 및 제 1, 제 2 혼합 분말층 227, 228로 되는 3층 구조의 원환상의 압축 분말 성형체 230를 형성한다. 이 압축 분말 성형의 경우, 상기 라이저 소편 223의 절곡된 내주단부 223a는 상기 제 2 혼합 분말층 228로부터 돌출하여 상기 가압 경화 형틀 229A에 형성된 오목소 229a 내에 수용된다. 이렇게 하여 성형된 압축 분말 성형체 230은 라이저편 소판 221 마다 상기 압축 분말 성형틀 225로부터 빼내어진다.

다음에, 이 압축 분말 성형체 230을 소결로에 장입하여 소결 고화하는 것에 의해 도 25 및 도 26에 나타낸 바와 같이 상기 세그먼트 203…의 원형으로 되는 원환상의 소결체 231을 소결하는 것인데, 이 때 상기 탄소 분말층 226에서는 탄소 분말이 결합제를 개재하여 결합되어 상기 탄소층 210이 형성되는 동시에, 상기 제 1 혼합 분말층 227에 있어서도 탄소 분말이 결합제에 의해 결합하는 것에 따라 탄소 분말과 혼합된 동 분말도 결합되어 중간층 212가 형성된다. 또, 상기 제 2 혼합 분말층 228에서는 상술한 바와 같이 액상 소결이 일어나 상기 라이저 소편 223의 표면 및 동 분말과 주석 분말이 합금화하고, 이에 의해 라이저 소편 223과 일체로 접합된 상태에서 상기 금속층 211이 형성된다.

이 압축 분말 성형체 230의 소결시에는 상기 탄소 분말층 226의 탄소 분말과 제 1 혼합 분말층 227에 함유된 탄소 분말이 결합제를 개재하여 결합되는 것에 의해, 상기 탄소층 210과 중간층 212이 일체로 소결되는 한편, 제 2 혼합 분말층 228에서 주석 분말의 동 분말과의 액상 소결은 제 1 혼합 분말층 227에 함유된 동 분말에도 미치고, 이에 따라 상기 금속층 211과 중간층 212도 일체로 소결된다. 따라서, 이렇게 하여 소결된 소결체 231에 있어서는 세그먼트 203…의 접동부로 되는 상기 선단면 203a 측의 탄소층 210으로부터 중간층 212를 거쳐 후단면 203b 측의 금속층 211 까지가 라이저편 204로 되는 라이저 소편 223과 전기적, 기계적으로 일체로 접합되게 된다. 상기 압축 분말 성형체 230을 소결하여 소결체 231을 형성하는 경우의 소결 온도는 800∼850 ℃ 범위로 설정되는 것이 바람직한데, 본 실시 형태에서는 825 ℃ 전후로 되어 있다.

다음에, 이 소결체 231에, 절연성을 갖는 수지에 의한 가압 성형법(몰딩법)에 의해 보스부 202를 일체 성형한다. 즉, 도 26에 나타낸 바와 같이 소결된 상기 소결체 231에 있어서는, 원환상의 소결체 231의 외주면에 라이저 소편 223의 일단부(라이저편 204의 일단부 204a 및 광폭부 204b로 되는 부분)가 돌출되는 동시에, 그 외주에는 라이저편 소판 221의 링형상부 222가 일체로 연결된 채로 있고, 또 세그먼트 203…의 후단면 203b로 되는 상기 금속층 211 측의 단면으로부터는 라이저 소편 223의 내주단부 223a가 돌출되어 있다. 여기에서, 이 소결체 231의 외경 보다도 상기 보스부 202의 외벽부 206의 두께분 만큼 큰 외경의 원반상 캐비티를 갖고 상기 축구멍 208의 위치에 원주부를 구비한 몰드형틀에, 당해 소결체 231을 상기 금속층 211 측의 단면을 캐비티 측을 향하여 동축으로 설치하고, 다음에 이 캐비티 내에 용융된 상기 수지를 유입시켜 가압, 냉각하는 것에 의해 상기 내외벽부 205, 206 및 축구멍 208을 구비하고 그 선단면 202a에 상기 라이저 소편 223의 내주단부 223a가 파고들어간 보스부 202를 이 소결체 231에 일체로 성형하는 것이다.

이렇게 하여 보스부 202가 소결체 231에 일체로 성형된 후에도 보스부 202의 외주로부터는 상기 라이저편 소판 221이 돌출한 채로 있기 때문에, 먼저 이 라이저편 소판 221의 라이저 소편 223의 상기 외주단부 223b와 링형상부 222의 사이를 절단하여 각 라이저 소편 223을 독립시키고, 다음에 상기 광폭부 204b를 후단측으로 절곡하는 동시에 외벽부 206의 외주면을 따라 만곡시키고 또 상기 외주단부 223b를 V자상으로 절곡하여 상기 형상의 라이저편 204로 성형한다. 그리고, 원주 방향으로 서로 인접한 각 라이저편 204, 204 사이에 상기 소결체 231로부터 보스부 202의 상기 선단면 202a에 거의 파고들어간 깊이의 슬릿 207…을 원환상의 소결체 231의 직경 방향을 따라 상기 외벽부 206의 외주면으로부터 축구멍 208에 도달하도록 절삭 가공 등에 의해 형성하고, 소결체 231을 부채형의 블록상으로 분할하여 서로 절연된 세그먼트 203…으로 하는 것에 의해 상기 구성의 탄소 정류자 201이 제조된다.

이와 같이 하여 제조된 탄소 정류자 201에 있어서는, 브러시와의 접동부로 되는 세그먼트 203…의 선단면 203a가 탄소층 210에 의해 형성되어 있기 때문에, 알콜 함유량이 높은 연료의 인탱크식 연료 펌프 모터에 사용하여도 세그먼트 203이 침식된다든가, 연료가 변질된다든가 하는 일이 없다. 한편으로는, 도전성 단자 부재로서의 라이저편 204의 주위에 설치된 세그먼트 203의 금속층 211이 동 및 주석을 소결하여 되는 것으로, 이 금속층 211이 상술한 바와 같이 액상 소결을 이루어 라이저편 204와 합금화한다. 그리고 이 금속층 211과 상기 탄소층 210 사이에는 탄소 및 동으로 이루어진 중간층 212가 설치되어 있어, 상술한 바와 같이 이 중간층 212의 탄소가 탄소층 210과 결합하는 동시에 금속층 211의 액상 소결이 당해 중간층 212의 동에까지 미치는 것에 의해, 탄소층 210과 금속층 211이 중간층 212를 개재하여 일체화되기 때문에, 세그먼트 203과 라이저편 204를 전기적, 기계적으로 확실하고 강고하게 일체 접합할 수 있다.

또한, 이렇게 하여 금속층 211이 액상 소결하는 것에 의해 그 용해 재석출 과정에서 입자의 재배열이 생기고, 이에 의해 라이저편 204(라이저 소편 223)의 열팽창에 의한 응력이 완화되는 동시에, 이 라이저 소편 223의 열팽창이나 수축에 관계 없이 액상이 항상 라이저 소편 223 주위의 극간을 메우도록 작용한다. 한편으로, 이 금속층 211과 상기 탄소층 210 사이에 개재되어 장착된 상기 중간층 212에 의해, 예를 들어 상기 압축 분말 성형체 231의 소결 중에 탄소층 210과 금속층 211의 수축 팽창 비율의 차이에 의해 양자 사이에 열응력이 생기거나 하여도 이것을 중간층 212에 의해 완화할 수 있기 때문에, 탄소층 210과 중간층 212 사이나 중간층 212과 금속층 211 사이에 박리 등이 생기는 것을 방지할 수 있다. 이것은 특히 상기 소결 온도가 850∼900 ℃ 정도의 비교적 높은 경우에 유효하다. 따라서, 상기 구성의 탄소 정류자 201에 의하면 이와 같이 소결 온도가 높은 경우에도 종래와 같은 불완전한 접합에 의해 세그먼트 203… 사이에서 전기적 저항치에 벗어남이 생긴다든가, 사용중에 세그먼트 203과 라이저편 204 사이에 접촉 불량이 생긴다든가 하는 등의 사태를 방지할 수 있고, 상술한 바와 같은 알콜을 함유하는 연료 등에 있어서도 정류자로서 장기간에 걸쳐 안정하고 우수한 성능을 얻는 것이 가능하게 된다.

본 실시 형태에서는 상기 중간층 212에서 탄소의 함유율을 10∼40 중량% 범위로 하고 있는데, 이 중간층 212의 탄소 함유율이 지나치게 작으면 소결시 탄소층 210과 결합하는 중간층 212의 탄소 성분도 작게 되기 때문에 이들 탄소층 210과 중간층 212 사이에서 박리가 생기기 쉽게 되고, 역으로 중간층 212의 탄소 함유율이 지나치게 많아 동의 함유율이 작게 되면 상기 금속층 211과 액상 소결하는 중간층 212의 동 성분도 작게 되기 때문에 이들 금속층 211과 중간층 212 사이에 박리가 생기기 쉽게 된다. 예를 들어, 도 27은 이 중간층 212에서 탄소 함유율 이외에는 상기 실시 형태의 세그먼트 203과 마찬가지로 소결한 도 28에 나타낸 바와 같은 시험편 241을 도면 중에 화살표 방향으로 인장한 경우 탄소층 210과 중간층 212 사이, 또는 금속층 211과 중간층 212 사이에 박리가 생긴 때의 인장 하중(박리 강도)을, 상기 중간층 212에서 탄소 함유율을 변화시켜 측정한 것이다. 이 시험편 241에서 부호 242로 나타낸 것은 라이저편으로 본 동판이다.

도 27에 나타낸 바와 같이, 중간층 212에서의 탄소 함유율이 10∼40 중량%에서 박리 강도가 증대하고 있다. 여기에서, 이 탄소 함유율이 10 중량% 이하의 경우에는 탄소 함유율이 증대하는데 따라 박리 강도도 증대하지만, 탄소 함유율이 10 중량% 이상의 경우에는 탄소 함유율이 증대하는데 따라 박리 강도는 완만하게 감소하는 경향을 보이고 있다. 또, 탄소 함유율이 적은 중에는 탄소층 210과 중간층 212 사이에 시험편 241이 박리하고 있는 것에 대하여, 탄소 함유율이 증대하면 금속층 211과 중간층 212 사이에서 박리가 생기는 것이 확인되었다. 따라서, 상기 도 27의 결과로부터도 중간층 212에서 탄소의 함유율은 본 실시 형태와 같이 10∼40 중량% 범위로 하는 것이 바람직하다.

본 실시 형태에서는 상기 금속층 211에서 동과 주석의 중량비를 90:10으로 하고 있는데, 이 중량비에서 주석 성분의 비율이 지나치게 크게 되면 소결 중에 동과 주석의 금속간 화합물 같은 깨지기 쉬운 상이 금속층 211에 형성되어 버리고 이에 의해 세그먼트 203과 라이저편 204의 확실한 접합이 저해될 우려가 있는 동시에, 소결 온도에 따라서는 금속층 211의 주석 성분 농도가 동 주석 합금계에서 안정한 α 고용체 중의 주석 농도 상한을 넘어버릴 우려가 있다. 또한, 역으로 주석 성분의 비율이 지나치게 작게 되어도 용융된 주석이, 입경이 작고 합금화하기 쉬운 동 분말 입자와 우선적으로 합금화하여 버리고 그만큼 라이저 소편 223과 합금화하는 비율이 적게 되어 역시 세그먼트 203과 라이저편 204의 양호한 접합성이 손상될 우려가 있다. 이와 가은 탄소 정류자 201에서 세그먼트 203과 라이저편 204 사이에 부여되어야 할 충분한 박리 강도와, 동 주석 합금에서 액상 소결을 형성하는 800 ℃ 부근에서 안정한 α 고용체의 주석 성분 농도의 상한치는 13.5 중량%인 것으로부터, 상기 금속층 211에서 동과 주석의 중량비는 본 실시 형태와 같이 98.0:2.0∼86.5:13.5 범위로 설정되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 95.0:5.0∼90.0:10.0 범위로 설정된다.

한편, 이와 같은 탄소 정류자 201을 제조하는 경우에, 본 실시 형태의 제조 방법에서는 탄소 분말로 이루어진 탄소 분말층 226과, 탄소 및 동의 혼합 분말로 이루어진 제 1 혼합 분말층 227과, 동 및 주석의 혼합 분말로 이루어진 제 2 혼합 분말층 228을 층상으로 압축 분말 성형하여 라이저편 소판 221을 구비한 압축 분말 성형체 230를 형성하고, 이 압축 분말 성형체 230를 825 ℃ 전후에서 소결하여 소결체 231로 하고, 세그먼트 203…으로 성형하고 있는데, 이 때의 소결 온도가 지나치게 낮으면 상술한 액상 소결이 충분히 촉진되지 않아 합금화에 의한 세그먼트 203과 라이저편 204의 양호한 접합성이 손상될 우려가 생긴다. 또, 역으로 소결 온도가 지나치게 높으면 용융된 주석의 액상에 녹아 들어오는 동 성분이 증대하여 액상의 양이 많게 되어, 소결 중에 이 액상이 라이저 소편 223을 따라 유출되든가 하여 소결체 231의 형상 자체를 유지할 수 없게 되든가 할 우려가 생긴다. 이 때문에, 본 실시 형태의 제조 방법과 같이 탄소 분말층 226과 제 1, 제 2 혼합 분말층 227, 228을 갖는 압축 분말 성형체 230을 소결하여 세그먼트 203을 얻는 경우에, 그 소결 온도는 상술한 바와 같이 800∼850 ℃ 범위로 설정되는 것이 바람직하다.

본 실시 형태의 탄소 정류자 201에서는 상기 중간층 212에 의해 소결시의 탄소층 210과 금속층 211 사이의 열응력이 완화되기 때문에, 예를 들어 상기 제 2 혼합 분말층 228의 탄소와 동의 배합비(탄소의 함유율)를 조정하는 등으로 소결체 231의 형상을 충분히 유지할 수 있는 조건으로 한 경우에는 850∼900 ℃ 정도의 고온에서 압축 분말 성형체 230을 소결하여 소결체 231을 얻는 것도 가능하고, 이와 같이 고온에서 소결된 소결체 231에서는 금속층 211의 액상 소결이 촉진되어 라이저편 204(라이저 소편 223)와의 접합성이 향상되는 것은 물론, 중간층 212와 탄소층 210 및 금속층 211과의 접합성의 향상과, 상술한 중간층 212에 의한 열응력의 완화 효과에 의해 박리 강도를 더욱 증강시키는 것이 가능하게 된다. 덧붙여서, 상기 실시 형태에서 성형된 압축 분말 성형체 230과, 이것과 동일한 조성의 탄소 분말층 226과 제 2 혼합 분말층 228을 중간층 212로 되는 제 1 혼합 분말층 227을 개재하지 않고 직접 적층한 압축 분말 성형체를 상술한 바와 같은 조건에서 850 ℃로 소결한 경우, 후자의 압축 분말 성형체를 소결한 소결체의 박리 강도는 6.6 ㎏f인 것에 대하여, 상기 압축 분말 성형체 230의 소결체의 박리 강도는 15.7 ㎏f로, 박리 강도의 대폭적인 향상이 확인되었다.

이와 같은 압축 분말 성형체 230을 형성하는 경우에는, 상술한 바와 같이 먼저 압축 분말 성형틀 225에 상기 탄소 분말층 226 및 제 2 혼합 분말층 228의 한 쪽(본 실시 형태에서는 탄소 분말층 226)을 형성하고 이것을 예비 가압하면서 그 층의 두께를 균일하게 하고, 다음에 그 위에 상기 제 1 혼합 분말층 227을 형성하고 다시 예비 가압하는 것에 의해 층 두께를 균일하게 하고, 그런 다음 상기 탄소 분말층 226 및 제 2 혼합 분말층 228의 다른 쪽(본 실시 형태에서는 혼합 분말층 228)을 형성하여 압축 분말 성형할 것이 요망된다. 이와 같은 구성을 채택하는 것에 의해, 소결 후 세그먼트 203의 탄소층 210 및 금속층 211의 층 두께를 균일하게 할 수 있기 때문에, 예를 들어 브러시와의 접동부로 되는 상기 세그먼트 203의 선단면 203a에 마모가 생기는 경우 등, 탄소층 210 두께의 불균일에 의해 금속층 211이 부분적으로 노출되어 버리는 등의 사태를 미연에 방지할 수 있고, 이와 같은 금속층 211의 노출에 의해 탄소 정류자 201의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다. 본 실시 형태와 같이 먼저 형성된 탄소 분말층 226을 예비 가압하여 층 두께를 균일하게 한 경우에는, 이에 의해 소결후 탄소층 210의 두께도 균일하게 되기 때문에, 그 후의 제 1 혼합 분말층 227의 예비 가압은 생략하여도 좋다.

본 실시 형태에서는 처음에 탄소 분말층 226을 형성하여 예비 가압한 후에 제 1, 제 2 혼합 분말층 227, 228을 형성하고 있지만, 예를 들어 압축 분말 성형틀 225의 저면 측에 상기 라이저편 소판 221을 배치하여 두고 최초로 동 및 주석 분말을 충전하여 제 2 혼합 분말층 228을 형성하고, 이것을 예비 가압하면서 층 두께를 균일하게 한 후에 탄소 및 동 분말을 충전하여 제 1 혼합 분말층 227을 형성하고, 다음에 그 위에 탄소 분말 등을 충전하여 탄소 분말층 226을 형성하고 압축 분말 성형하도록 하여도 좋다. 또한, 본 실시 형태에서는 라이저 소편 223의 주위에 금속층 211로 되는 제 2 혼합 분말층 228을 형성하였지만, 라이저 소편 223의 탄소 분말층 226 측의 면에만 이 제 2 혼합 분말층 228을 형성하고 금속층 211을 형성하도록 하여도 좋고, 이와 같은 구성을 채택하는 것에 의해 세그먼트 203을 보다 얇게 형성할 수 있다는 이점이 얻어진다.

본 실시 형태의 제조 방법에서는 상술한 바와 같이 라이저 소편 223…이 연결된 라이저편 소판 221에 원환상으로 압축 분말 성형체 230을 압축 분말 성형하여 소결하고, 이렇게 하여 얻어진 원환상의 소결체 231에 절연 수지제의 보스부 202를 가압 성형한 위에 슬릿 207…을 형성하는 것에 의해 서로 절연된 세그먼트 203…을 성형하도록 하고 있지만, 예를 들어 처음부터 독립된 라이저 소편 223에 부채형 블록상으로 압축 분말 성형체 230을 성형하고, 이것을 소결한 세그먼트 203을 간격을 두고 복수 환상으로 배열한 위에 절연성 수지를 가압 성형하여 보스부 202를 형성하여, 이들 세그먼트 203…을 일체화하여 탄소 정류자 201을 제조하도록 하여도 좋다. 또, 원환상의 압축 분말 성형체 230을 소결하여 원환상의 소결체 231을 얻는 대신, 중실의 원판상의 압축 분말 성형체로부터 중실 원판상의 소결체를 소결하고 그 중앙에 관통 구멍을 형성하는 동시에 부채형으로 분할하여 세그먼트 203…을 형성하도록 하여도 좋다.

한편, 본 실시 형태의 탄소 정류자 201에 있어서는 세그먼트 203의 후단면 203b로부터 라이저편 204의 타단부 204c가 수직으로 돌출하여 보스부 202의 선단면 202a로 파고들어가서 이것에 의해 보스부 202와 세그먼트 203의 접합 강도가 확보되고 있지만, 보스부 202의 가압 성형 전에 이 타단부 204c를 예를 들어 외주 측에 경사지게 절곡하는 등으로 하면 접합 강도의 향상을 도모할 수 있다. 또, 이와 같이 라이저편 204의 타단부 204c를 돌출시키지 않거나, 또는 이에 더하여 보스부 202의 성형 전에 세그먼트 203…의 내외주 측면에 오목홈을 형성한다든가, 또는 이들 내외주 측면과 세그먼트 203의 선단면 203a와의 능선부의 면을 취하는 것을 실시하거나 한 위에 수지를 가압 성형하여 보스부 202를 형성하는 것에 의해, 이 오목홈이나 면을 취한 부분에 수지가 돌아들어가게 하여 세그먼트 203이 보스부 202에 걸리도록 해서 한층 접합 강도의 향상을 촉진할 수 있다.

본 실시 형태의 탄소 정류자 201에서는 상기 중간층 212를 탄소 함유율이 균일한 하나의 층으로 하여 형성하고 있지만, 예를 들어 이 중간층 212에서 탄소 함유율을 금속층 211 측으로부터 탄소층 210 측을 향함에 따라 점차 연속적으로 많게 되도록 하거나, 또는 이 중간체 212를 금속층 211 측으로부터 탄소층 210 측을 향함에 따라 탄소 함유율이 단계적으로 많게 되는 복수의 층에 의해 구성하도록 하여도 좋다. 이와 같은 구성을 채택하는 것에 의해, 탄소 함유율이 높은 중간층 212의 탄소층 210 측에서는 소결시 탄소 끼리의 접합성이 향상되는 한편, 탄소 함유율이 낮은, 즉 동의 함유율이 높은 중간층 212의 금속층 211 측에서는 금속층 211에서 액상 소결이 보다 넓게 중간층 212로 확산되기 때문에, 탄소층 210, 금속층 211 및 중간층 212를 보다 확실히 일체화할 수 있다. 또, 본 실시 형태에서는 본 발명의 탄소 정류자를 인탱크식의 연료 펌프 모터에 이용하는 경우에 대하여 설명하였지만, 이와 같은 것에 한정되지 않고 다른 종류의 모터의 정류자로서 사용하는 것도 물론 가능하다. 더우기, 본 실시 형태의 탄소 정류자 201은 편평형 구조를 이루고 있지만, 일반적인 원주형의 정류자에 본 발명을 적용하는 것도 물론 가능하다.

본 발명에 의하면, 세그먼트의 접동부가 탄소층에 의해 형성되어 있어, 알콜을 함유하는 연료 중에서도 세그먼트의 침식 등을 방지할 수 있는 한편, 상기 탄소층과 도전성 단자 부재 사이에는 동 및 도전성 단자 부재와 합금화 가능한 물질, 예를 들어 주석을 소결하여 되는 금속층이 설치되어 있어, 이 금속층을 소결하는 경우 동 및 주석이 액상 소결을 일으켜 탄소층 및 도전성 단자 부재와 전기적, 기계적으로 확실히 일체 접합되기 때문에, 세그먼트 끼리 전기적 저항치에 벗어남이 발생한다든가 세그먼트와 도전성 단자 부재가 접촉 불량을 일으킨다든가 하는 것을 방지하여, 장기간에 걸쳐 안정하고 우수한 성능을 발휘하는 탄소 정류자를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 세그먼트의 접동부가 탄소층에 의해 형성되어 있어, 알콜을 함유하는 연료 중에서도 세그먼트의 침식 등을 방지할 수 있는 한편, 상기 탄소층과 도전성 단자 부재 사이에는 탄소, 동 및 도전성 단자 부재와 합금화 가능한 물질, 예를 들어 주석을 소결하여 되는 금속층이 설치되어 있어, 이 금속층을 소결하는 경우 동 및 주석이 액상 소결을 일으켜 탄소층 및 도전성 단자 부재와 전기적, 기계적으로 확실히 일체 접합되기 때문에, 세그먼트 끼리 전기적 저항치에 벗어남이 발생한다든가 세그먼트와 도전성 단자 부재가 접촉 불량을 일으킨다든가 하는 것을 방지하여, 장기간에 걸쳐 안정하고 우수한 성능을 발휘하는 탄소 정류자를 제공할 수 있다. 또, 금속층에 함유된 탄소에 의해 탄소층과의 사이에 앵커 효과가 발휘되는 동시에, 소결시 금속층에서 열응력이 완화되기 때문에 금속층과 탄소층 및 도전성 단자 부재와의 박리 등을 확실히 방지하여 전기적, 기계적 접합성의 일층 향상을 도모할 수 있다. 더우기, 이렇게 하여 금속층 중에 탄소가 함유되는 것에 의해 세그먼트에 슬릿 가공 등을 행하는 경우 가공성의 향상도 도모되는 동시에, 소결의 경우 동 및 주석이 상술한 바와 같이 액상을 형성하여도 소결체의 형상을 안정시킬 수 있다.

더우기, 본 발명에 의하면 세그먼트의 접동부가 탄소층에 의해 형성되어 있어, 알콜을 함유하는 연료 중에서도 세그먼트의 침식 등을 방지할 수 있는 한편, 상기 탄소층과 도전성 단자 부재 사이에는 동 및 도전성 단자 부재와 합금화 가능한 물질, 예를 들어 주석을 소결하여 이루어지는 금속층이 설치되어 있어, 이 금속층을 소결하는 경우 동 및 주석이 액상 소결을 일으켜 도전성 부재와 전기적, 기계적으로 확실히 일체 접합되기 때문에, 세그먼트 끼리 전기적 저항치에 벗어남이 발생한다든가, 세그먼트와 도전성 단자 부재가 접촉 불량을 일으킨다든가 하는 것을 방지하여, 장기간에 걸쳐 안정하고 우수한 성능을 발휘하는 탄소 정류자를 제공할 수 있다. 그리고, 이 금속층과 상기 탄소층 사이에는 탄소 및 동으로 이루어지는 중간층이 개재되어 장착되어 있어, 소결시 이 중간층의 탄소가 상기 탄소층과 결합하는 동시에 금속층의 액상 소결이 중간층의 동에까지 미치고, 또한 탄소층과 금속층 사이에 작용하는 열응력이 이 중간체에 의해 완화되기 때문에, 세그먼트에서 박리 등을 확실히 방지하여 일층 안정한 전기적, 기계적 접합성을 확보할 수 있다.

Claims (23)

1. 일단이 브러시와의 접동부로 되고 타단측에는 도전성 단자 부재가 고착된 복수의 세그먼트가 절연성의 보스부에 서로 절연된 상태로 환상으로 배열되고, 상기 세그먼트의 접동부 측에는 탄소층이 형성되는 한편, 상기 탄소층과 도전성 단자 부재 사이에는 상기 도전성 단자 부재의 주성분으로 되는 물질 및 당해 물질과 합금화 가능한 물질을 소결하여 이루어지는 금속층이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속층이 상기 도전성 단자 부재의 주성분으로 되는 물질과 당해 물질보다도 융점이 낮은 물질을 소결하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 금속층이 동 및 주석을 소결하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 금속층에서 동과 주석의 중량비가 98.0:2.0∼ 86.5:13.5 범위로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 금속층에서 동과 주석의 중량비가 95.0:5.0∼ 90.0:10.0 범위로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자.
6. 제 1 항에 기재된 탄소 정류자의 제조 방법에 있어서, 상기 탄소층을 형성하는 탄소 분말과 상기 금속층을 형성하는 물질의 혼합 분말 중 한 쪽을 압축 분말 성형틀에 충전한 후에 다른 쪽을 충전하여 압축 분말 성형하는 것에 의해 압축 분말 성형체를 형성하고, 이 압축 분말 성형체를 소결하여 상기 세그먼트를 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자의 제조 방법.
7. 제 1 항에 기재된 탄소 정류자의 제조 방법에 있어서, 상기 탄소층을 형성하는 탄소 분말과 상기 금속층을 형성하는 동 및 주석의 혼합 분말을 압축 분말 성형한 압축 분말 성형체를 800∼850 ℃로 소결하는 것에 의해 상기 세그먼트를 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자의 제조 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 금속층이 탄소, 상기 도전성 단자 부재의 주성분으로 되는 물질 및 당해 물질과 합금화 가능한 물질을 소결하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 금속층이 탄소, 상기 도전성 단자 부재의 주성분으로 되는 물질 및 당해 물질 보다도 융점이 낮은 물질을 소결하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 금속층이 탄소, 동 및 주석을 소결하여 이루어지는 금속층인 것을 특징으로 하는 탄소 정류자.
11. 제 8 항에 있어서, 상기 금속층에서 탄소의 함유율이 2∼25 중량% 범위로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자.
12. 제 8 항에 있어서, 상기 금속층에서 탄소의 함유율이 10∼20 중량% 범위로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자.
13. 제 8 항 내지 제 12 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 금속층에서 동과 주석의 중량비가 98.0:2.0∼86.5:13.5 범위로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자.
14. 제 8 항 내지 제 13 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 금속층에서 동과 주석의 중량비가 95.0:5.0∼90.0:10.0 범위로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자.
15. 제 8 항에 기재된 탄소 정류자의 제조 방법에 있어서, 상기 탄소층을 형성하는 탄소 분말과 상기 금속층을 형성하는 탄소, 상기 도전성 단자 부재의 주성분으로 되는 물질 및 당해 물질과 합금화 가능한 물질의 혼합 분말 중, 한 쪽을 압축 분말 성형틀에 충전한 후에 다른 쪽을 충전하여 압축 분말 성형하는 것에 의해 압축 분말 성형체를 형성하고, 이 압축 분말 성형체를 소결하여 상기 세그먼트를 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자의 제조 방법.
16. 제 10 항에 기재된 탄소 정류자의 제조 방법에 있어서, 상기 탄소층을 형성하는 탄소 분말과 상기 금속층을 형성하는 탄소, 동 및 주석의 혼합 분말을 압축 분말 성형한 압축 분말 성형체를 800∼850 ℃로 소결하는 것에 의해 상기 세그먼트를 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자의 제조 방법.
17. 제 1 항에 있어서, 상기 금속층과 상기 탄소층 사이에는, 탄소 및 상기 도전성 단자 부재의 주성분으로 되는 물질로 이루어지는 중간층이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 중간층에서 탄소의 함유율이 10∼40 중량% 범위로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자.
19. 제 17 항에 있어서, 상기 중간층에서 탄소의 함유율이, 상기 금속층 측으로부터 탄소층 측으로 향함에 따라 많게 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자.
20. 제 6 항에 있어서, 상기 탄소층을 형성하는 탄소 분말과 상기 금속층을 형성하는 물질의 혼합 분말 중 한 쪽을 압축 분말 성형틀에 충전한 후, 압축한 다음에 다른 쪽을 충전하는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자의 제조 방법.
21. 제 15 항에 있어서, 상기 탄소층을 형성하는 탄소 분말과 상기 금속층을 형성하는 탄소, 상기 도전성 단자 부재의 주성분으로 되는 물질 및 당해 물질과 합금화 가능한 물질의 혼합 분말 중 한 쪽을 압축 분말 성형틀에 충전한 후, 압축한 다음에 다른 쪽을 충전하는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자의 제조 방법.
22. 제 17 항에 기재된 탄소 정류자의 제조 방법에 있어서, 상기 탄소층을 형성하는 탄소 분말과 상기 금속층을 형성하는 상기 도전성 단자 부재의 주성분으로 되는 물질 및 당해 물질과 합금화 가능한 물질의 혼합 분말 중 한 쪽을 압축 분말 성형틀에 충전한 후, 상기 중간층을 형성하는 탄소 및 상기 도전성 단자 부재의 주성분으로 되는 물질의 혼합 분말을 충전하고, 다음에 탄소 분말과 상기 도전성 단자 부재의 주성분으로 되는 물질 및 당해 물질과 합금화 가능한 물질의 혼합 분말의 다른 쪽을 충전하여 압축 분말 성형하는 것에 의해 압축 분말 성형체를 형성하고, 이 압축 분말 성형체를 소성하여 상기 세그먼트를 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자의 제조 방법.
23. 제 22 항에 있어서, 상기 탄소층을 형성하는 탄소 분말과 상기 금속층을 형성하는, 상기 도전성 단자 부재의 주성분으로 되는 물질 및 당해 물질과 합금화 가능한 물질의 혼합 분말 중 한 쪽을 압축 분말 성형틀에 충전하여 압축한 후, 상기 중간층을 형성하는 탄소 및 상기 도전성 단자 부재의 주성분으로 되는 물질의 혼합 분말을 충전하여 압축하고, 다음에 탄소 분말과 상기 도전성 단자 부재의 주성분으로 되는 물질 및 당해 물질과 합금화 가능한 물질의 혼합 분말의 다른 쪽을 충전하는 것을 특징으로 하는 탄소 정류자의 제조 방법.