TW201407907A - 金屬碳質刷及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明係藉由將碳粉及黏合劑混練而製作碳質材料。於對所製作之碳質材料進行造粒之後，對碳質材料之粒徑進行調整。藉由將粒徑經調整之碳質材料與金屬粉混合而製作碳質刷材料。藉由對所製作之碳質刷材料進行成形及熱處理，而製成碳質刷。於該情形時，在將碳質材料與金屬粉混合之前以碳質刷中之碳質材料之平均粒徑成為300 μm以上2000 μm以下之方式將碳質材料之粒徑調整於一定範圍內。又，調整為粒徑300 μm以上之碳質材料之體積相對於碳質刷之體積的比率為50%以上。

Description

金屬碳質刷及其製造方法

本發明係關於一種用於馬達之金屬碳質刷及其製造方法。

於各種家庭用及工業用電氣器具以及汽車等中，使用有具備碳質刷之馬達。作為直流馬達之碳質刷，有金屬碳質刷。金屬碳質刷係例如藉由將石墨粉與電解銅粉混合，並對其進行焙燒及加壓成形而製作(例如專利文獻1)。

[專利文獻1]日本專利特開2010-193621號公報

為提高直流馬達之輸出，而要求降低金屬碳質刷之電阻率。作為降低金屬碳質刷之電阻率之方法，有使金屬碳質刷所含有之金屬之比率增大的方法。然而，若增大金屬之比率，則金屬碳質刷與直流馬達之整流子之間的摩擦力會變大。因此，金屬碳質刷及整流子變得容易磨耗。

又，於金屬碳質刷與直流馬達之整流子之間的摩擦熱較大之情形時，或金屬碳質刷中之焦耳熱較大之情形時，金屬碳質刷之溫度上升。若於此種高溫之狀態下繼續使用金屬碳質刷，則由於金屬碳質刷所含之金屬產生氧化，故而金屬碳質刷會產生不可逆膨脹(以下，稱 作氧化膨脹)。其結果，會產生金屬碳質刷對其他構件之固著、或金屬碳質刷對整流子之壓抵不良等不良情況。

本發明之目的在於提供一種抑制磨耗並且降低電阻率之金屬碳質刷及其製造方法。又，本發明之目的在於提供一種抑制由金屬之氧化所導致之不可逆之膨脹的金屬碳質刷。

(1)符合本發明之一態樣之金屬碳質刷包括：碳質材料，其包含複數個碳質粒子；及良導通部，其設於複數個碳質粒子之間隙中，且包含金屬；且複數個碳質粒子之平均粒徑為300μm以上2000μm以下。

於該金屬碳質刷中，由於在形成於碳質粒子間之間隙中設有良導通部，故而可降低金屬石墨質刷之電阻率。於該情形時，由於複數個碳質粒子之平均粒徑為300μm以上，故而可容易地形成良導通部。又，由於複數個碳質粒子之平均粒徑為2000μm以下，故而可容易地進行碳質刷之成形。

又，由於不需要增大金屬之比率，故而金屬碳質刷與馬達之接觸部分之間的摩擦得到抑制。因此，金屬碳質刷之磨耗得到抑制。

(2)良導通部相對於碳質材料及良導通部之整體之比率可為10重量%以上70重量%以下。

於該情形時，由於良導通部之比率為10重量%以上，故而可充分地降低金屬碳質刷之電阻率。又，由於良導通部之比率為70重量%以下，故而可充分地抑制金屬碳質刷之磨耗。

(3)良導通部可使用電解銅粉而形成。於該情形時，可抑制成本之增大並且確保金屬碳質刷之導電性。

(4)符合本發明之其他態樣之金屬碳質刷的製造方法包括：藉由將碳質粉及黏合劑混合而製作碳質材料之步驟；對所製作之碳質材料 之粒徑進行調整之步驟；將粒徑經調整之碳質材料與金屬粉混合之步驟；使經混合之碳質材料及金屬粉成形之步驟；及對成形後之碳質材料及金屬粉進行焙燒之步驟；且於進行調整之步驟中，以成形及焙燒後之碳質材料之平均粒徑成為300μm以上2000μm以下之方式對碳質材料之粒徑進行調整。

於該製造方法中，在碳質材料之粒徑經調整之後，將碳質材料與金屬粉混合，藉此使成形及焙燒後之碳質材料之平均粒徑成為300μm以上2000μm以下。於該情形時，由於碳質材料之平均粒徑成為300μm以上，故而金屬粒子集中且連續地配置於形成於碳質粒子間之間隙中。因此，複數個金屬粒子變得容易相互接觸。進而，將相互接觸之金屬粒子燒結而使其一體化。藉此，可降低金屬碳質刷之電阻率。又，由於碳質材料之平均粒徑為2000μm以下，故而可容易地進行碳質刷之成形。

又，由於不需要增大金屬粉之比率，故而金屬碳質刷與馬達之接觸部分之間的摩擦得到抑制。因此，金屬碳質刷之磨耗得到抑制。

(5)於進行混合之步驟中，使用銅粉作為金屬粉，與碳質材料混合之銅粉之平均粒徑可為成形及焙燒後之碳質材料之平均粒徑的200分之1以上20分之3以下。

於該情形時，可充分地確保金屬碳質刷之導電性，並且可充分地抑制金屬碳質刷之磨耗。

(6)於進行混合之步驟中，亦可使用電解銅粉作為銅粉。於該情形時，可抑制成本之增大並且可充分地確保金屬碳質刷之導電性。

(7)電解銅粉之粒徑亦可為10μm以上40μm以下。於該情形時，可充分地確保金屬碳質刷之導電性。

(8)符合本發明之又一態樣之金屬碳質刷包括：碳質材料，其包含複數個碳質粒子；及良導通部，其設於複數個碳質粒子之間隙中， 且包含金屬；且粒徑300μm以上之複數個碳質粒子之體積相對於碳質刷之體積的比率為50%以上。

於該金屬碳質刷中，粒徑300μm以上之複數個碳質粒子之體積相對於碳質刷之體積的比率為50%以上。於該情形時，與氧氣接觸之良導通部之面積減少。因此，即便於金屬碳質刷為高溫之情形時，良導通部亦不易產生氧化。藉此，可抑制由良導通部之氧化所導致之金屬碳質刷的氧化膨脹。其結果，可防止產生金屬碳質刷對其他構件之固著、或金屬碳質刷對整流子之壓抵不良等不良情況。

(9)粒徑300μm以上之複數個碳質粒子之體積相對於碳質刷之體積的比率亦可為60%以上90%以下。

於該情形時，可使電阻率降低並且可使與氧氣接觸之良導通部之面積更加減少。藉此，可更加抑制由良導通部之氧化所導致之金屬碳質刷的氧化膨脹。

根據本發明，可降低金屬碳質刷之電阻率並且可抑制金屬碳質刷之磨耗。又，可抑制由金屬之氧化所導致之金屬碳質刷之不可逆之膨脹。

1‧‧‧碳質刷

2‧‧‧旋轉體

4‧‧‧導線

10‧‧‧直流馬達

G‧‧‧旋轉軸

P1‧‧‧碳質粒子

P2‧‧‧金屬粒子

P3‧‧‧良導通部

圖1係使用本實施形態之金屬碳質刷之直流馬達之模式性的立體圖。

圖2(a)及(b)係用以對碳質材料之粒徑與電阻率之關係進行說明的圖。

圖3(a)~(d)係表示藉由偏光顯微鏡觀察到之碳質刷之表面狀態的圖。

圖4係表示電阻率之測定結果之圖。

圖5係表示膨脹率之測定結果之圖。

以下，一面參照圖式一面對本發明之一實施形態之金屬碳質刷進行說明。

(1)碳質刷之構成

圖1係使用本實施形態之金屬碳質刷(以下，略記為碳質刷)之直流馬達之模式性的立體圖。圖1之直流馬達10包括碳質刷1及旋轉體2。旋轉體2係整流子，且設為可繞著旋轉軸G旋轉。於碳質刷1中連接有導線4。碳質刷1之一端與旋轉體2之外周面接觸。自未圖示之電源經由導線4將電流供給至碳質刷1中。藉由將該電流自碳質刷1供給至旋轉體2中，使旋轉體2繞著旋轉軸G旋轉。藉由旋轉體2產生旋轉，碳質刷1相對於旋轉體2滑動。

碳質刷1係藉由將碳質材料與金屬粉混合並使其成形而製作。於本實施形態中，所製作之碳質刷1中之碳質材料的平均粒徑為300μm以上2000μm以下。

再者，於本實施形態中，雖將碳質刷1用於直流馬達10，但並不限於此，亦可將碳質刷1用於交流馬達。

(2)碳質刷之製造方法

對碳質刷1之製造方法進行說明。首先，藉由造粒而製作碳質材料。具體而言，藉由將碳粉及黏合劑混練而製作碳質材料。作為碳粉，較佳為使用石墨粉。作為石墨粉，可使用天然石墨粉、人造石墨粉或膨脹石墨粉等，亦可將該等中之複數個混合而使用。作為黏合劑，可使用合成樹脂，亦可使用熱固性合成樹脂或熱塑性合成樹脂之任一者，或者亦可將該等混合而使用。作為黏合劑之較佳之例，可列舉：環氧樹脂、酚樹脂、聚酯樹脂、乙烯酯樹脂、呋喃樹脂、聚醯胺樹脂、或聚醯亞胺樹脂。

碳粉相對於碳粉及黏合劑之總量之比率例如為5重量%以上95重 量%以下，較佳為50重量%以上90重量%以下。

於碳粉及黏合劑之混練時，亦可添加鎢、碳化鎢、鉬及該等硫化物中之1種或複數種作為添加劑。添加劑相對於碳粉及黏合劑之總量之比率例如為0.1重量%以上10重量%以下，較佳為1重量%以上5重量%以下。

其次，對所製作之碳質材料進行造粒，並對經造粒之碳質材料之粒徑進行調整。例如，藉由使用篩網等自碳質材料中篩選出具有一定範圍內之粒徑之碳質粒子，而對碳質材料之粒徑進行調整。碳質材料之粒徑較佳為調整於大於300μm且1700μm以下之範圍內。又，亦可利用碳質材料之粉碎等其他方法將碳質材料之粒徑調整於一定範圍內。

其次，藉由將粒徑經調整之碳質材料與金屬粉混合而製作碳質刷材料。金屬粉相對於碳質刷材料之總量之比率例如較佳為10重量%以上70重量%以下。作為金屬粉，使用例如銅粉。又，作為銅粉，較佳為使用電解銅粉。電解銅粉之視密度較佳為0.70以上1.20以下，電解銅粉之粒徑較佳為10μm以上40μm以下。作為銅粉，亦可使用利用霧化法或標記法所製作之銅粉代替電解銅粉。又，既可使用電解銀粉、利用霧化法或標記法所製作之銀粉等銀粉代替銅粉，或者，亦可使用鍍銀銅粉等其他金屬粉代替銅粉。其次，將所製作之碳質刷材料加壓成形。藉此，碳質刷材料中之碳質材料之粒徑與成形前相比變小。於氮氣或氨氣還原氣氛下、或真空下，且於400℃以上900℃以下對成形後之碳質刷材料進行熱處理。藉此，製成碳質刷1。

圖2係用以對成形及焙燒後之碳質材料之粒徑(以下，稱作成形後粒徑)與電阻率之關係進行說明的圖。於圖2(a)中，表示碳質材料之成形後粒徑於相對較小之情形時之碳質材料及金屬粒子的狀態。於圖2(b)中，表示碳質材料之成形後粒徑於相對較大之情形時之碳質材料 及金屬粒子的狀態。

例如，於將碳質材料與金屬粉混合之前，在碳質材料被粉碎地過於細小之情形時，如圖2(a)所示，碳質材料之成形後粒徑變得相對較小(例如為100μm以下)。於該情形時，複數個碳質粒子P1及複數個金屬粒子P2分別分散地配置。因此，複數個金屬粒子P2難以相互接觸，碳質刷1之電阻率變高。

另一方面，於本實施形態中，於將碳質材料與金屬粉混合之前，以碳質材料之成形後粒徑之平均值(以下，稱作成形後平均粒徑)成為300μm以上2000μm以下之方式將碳質材料之粒徑調整為一定範圍內。如圖2(b)所示，由於碳質材料之成形後平均粒徑為300μm以上，故而複數個金屬粒子P2集中且連續地配置於形成於複數個碳質粒子P1間之間隙中。進而，藉由熱處理將相互接觸之金屬粒子P2燒結而使其一體化，藉此，形成良導通部P3。良導通部P3具有與由碳質材料構成之部分相比更高之導電性。藉此，碳質刷1之電阻率變低。

又，於碳質材料之成形後平均粒徑大於2000μm之情形時，碳質刷1難以成形。因此，藉由碳質材料之成形後平均粒徑為2000μm以下，可降低碳質刷1之電阻率並且可容易地進行碳質刷1之成形。

粒徑300μm以上之碳質材料之體積相對於碳質刷1之體積的比率為50%以上。藉此，可使與氧氣接觸之良導通部P3之面積減少。粒徑300μm以上之碳質材料之體積相對於碳質刷1之體積的比率較佳為60%以上90%以下。於該情形時，可使電阻率降低並且可使與氧氣接觸之良導通部P3之面積更加減少。

碳質材料之成形後平均粒徑更佳為400μm以上1500μm以下，進而較佳為800μm以上1500μm以下。藉此，可充分地降低碳質刷1之電阻率並且可進一步容易地進行碳質刷1之成形。又，於使用銅粉作為金屬粉之情形時，成形及焙燒前之銅粉之平均粒徑相對於碳質材料之 成形後平均粒徑，較佳為200分之1以上20分之3以下，更佳為50分之1以上5分之1以下。藉此，可充分地確保碳質刷1之導電性並且可充分地抑制碳質刷1之磨耗。

(3)效果

如此，於本實施形態中，由於碳質材料之成形後平均粒徑為300μm以上2000μm以下，故而可降低碳質刷1之電阻率並且可容易地進行碳質刷1之成形。

又，由於不需要增大碳質材料與金屬粉之混合物中之金屬粉的比率，故而碳質刷1與直流馬達10之旋轉體2之間的摩擦得到抑制。因此，碳質刷1之磨耗得到抑制。

又，由於作為金屬粉而使用之電解銅粉之比率為10重量%以上70重量%以下，故而可充分地降低碳質刷1之電阻率並且可充分地抑制碳質刷1之磨耗。

進而，於本實施形態中，藉由造粒可使粒徑300μm以上之碳質材料之體積相對於碳質刷1之體積的比率為50%以上。於該情形時，由於複數個金屬粒子P2配置於複數個碳質粒子P1間，故而與氧氣接觸之複數個金屬粒子P2之面積減少。因此，即便於碳質刷1為高溫之情形時，金屬亦不易產生氧化。藉此，可抑制由金屬之氧化所導致的碳質刷1之不可逆之膨脹(以下，稱作氧化膨脹)。其結果，可防止產生碳質刷1對刷座等其他構件之固著、或碳質刷1對旋轉體2之壓抵不良等不良情況。

又，於本實施形態中，可使複數個金屬粒子P2在不分散之情況下以相連結之狀態配置於複數個碳質粒子P1間。於該情形時，由於與氧氣接觸之複數個金屬粒子P2之面積更加減少，故而金屬更不易產生氧化。又，由於藉由相連結之複數個金屬粒子P2有效地形成有良導通部P3，故而碳質刷1之電阻率變低。藉此，可使金屬粉相對於碳質刷 材料之總量之比率變小。該等之結果，可更加減少碳質刷1之氧化膨脹。

(4)實施例及比較例 (4-1)實施例1

於天然石墨中添加酚樹脂作為黏合劑並且添加二硫化鉬作為添加劑，並將其於常溫下混練，藉此製作碳質材料，並利用熱風乾燥器對所製作之碳質材料進行乾燥。天然石墨之平均粒徑為50μm，天然石墨之灰分為0.5%以下。天然石墨相對於天然石墨及酚樹脂之總量之比率為85重量%，酚樹脂之比率為15重量%。二硫化鉬相對於天然石墨及酚樹脂之總量之比率為3重量%。

其次，藉由自乾燥後之碳質材料中篩選出具有大於710μm且1400μm以下之粒徑的碳質粒子，對碳質材料之粒徑進行調整。具體而言，使用造粒機篩選出穿過網眼為1400μm之篩網，且未穿過網眼為710μm之篩網的碳質粒子。將電解銅粉混合至粒徑經調整之碳質材料中並製作碳質刷材料，將所製作之碳質刷材料加壓成形。藉由在氨氣還原氣氛下、於800℃下對成形後之碳質刷材料進行熱處理而製作碳質刷1。電解銅粉之平均粒徑為20μm，視密度為1.00。電解銅粉相對於碳質刷材料之總量之比率(以下，稱作銅比率)設定為20重量%、30重量%、40重量%及50重量%。加壓成形時之壓力為2t/cm²。

(4-2)實施例2

除自造粒後之碳質材料中使用篩網篩選出具有大於1400μm且1700μm以下之粒徑的碳質粒子之點以外，與上述實施例1同樣地製作碳質刷1。

(4-3)實施例3

除自造粒後之碳質材料中使用篩網篩選出具有大於300μm且710μm以下之粒徑之碳質粒子之點以外，與上述實施例1同樣地製作碳質 刷1。

(4-4)實施例4

除自造粒後之碳質材料中使用篩網篩選出具有800μm之粒徑之碳質粒子之點以外，與上述實施例1同樣地製作碳質刷1。

(4-5)比較例1

比較例1與上述實施例1不同之點係以下之點。於比較例1中，利用粉碎機以平均粒徑成為70μm之方式將造粒後之碳質材料粉碎。其後，將電解銅粉混合至經粉碎之碳質材料中並製作碳質刷材料，於將所製作之碳質刷材料加壓成形後進行焙燒，藉此製作碳質刷1。

(5)評估 (5-1)表面狀態

圖3係表示利用偏光顯微鏡所觀察之碳質刷1之剖面之圖。於圖3中，表示實施例1~3及比較例1中所製作之碳質刷1之碳質粒子及金屬粒子之狀態。藉由對圖3所示之顯微鏡圖像進行解析，可知：實施例1中之碳質粒子之成形後平均粒徑為800μm，實施例2中之碳質粒子之成形後平均粒徑為1500μm，實施例3中之碳質粒子之成形後平均粒徑為400μm，比較例1中之碳質粒子之成形後平均粒徑為80μm。

如圖3所示，可知：於實施例1~3中，複數個銅粒子集中地配置於形成於複數個碳質粒子間之間隙中，藉由進一步將其燒結而使其一體化從而形成有良導通部。另一方面，可知：於比較例1中，複數個碳質粒子及複數個銅粒子分別分散地配置。

(5-2)電阻率

自實施例1~3及比較例1中所製作之碳質刷1製作5mm×5mm×40mm之試驗片，測定各試驗片之電阻率。圖4係表示電阻率之測定結果之圖。如圖4所示，於銅比率為20重量%之情形、30重量%之情形、40重量%之情形、及50重量%之情形之各者時，實施例1~3之 試驗片之電阻率均小於比較例1之試驗片之電阻率。又，於銅比率為20重量%之情形、30重量%之情形、40重量%之情形、及50重量%之情形之各者時，實施例1、2之試驗片之電阻率分別小於實施例3之試驗片之電阻率。

藉此，可知：由於碳質材料之成形後平均粒徑為300μm以上2000μm以下，故而碳質刷1之電阻率降低。又，可知：由於碳質材料之成形後平均粒徑為800μm以上1500μm以下，故而碳質刷1之電阻率更加降低。

(5-3)膨脹率

自實施例4及比較例1中所製作之碳質刷1中製作7mm×11mm×11mm之試驗片，測定各試驗片之氧化膨脹之膨脹率。

圖5係表示膨脹率之測定結果之圖。如圖5所示，於銅比率為20重量%之情形、30重量%之情形、40重量%之情形、及50重量%之情形之各者時，實施例4之試驗片之膨脹率小於比較例1之試驗片之膨脹率。

同樣地，自實施例1~3中所製作之碳質刷1中製作試驗片，測定各試驗片之氧化膨脹之膨脹率。其結果，實施例1~3之試驗片各者之膨脹率小於比較例1之試驗片之膨脹率。

此處，藉由對圖3所示之顯微鏡圖像進行解析，算出粒徑300μm以上之碳質材料之體積相對於實施例1~3中之試驗片之體積的比率。將結果示於表1中。

如表1所示，於實施例1中，於銅比率為20重量%之情形、30重量%之情形、40重量%之情形、及50重量%之情形下的粒徑300μm以上之碳質材料之體積之比率分別為85%、79%、77%及70%。於實施例2中，於銅比率為20重量%之情形、30重量%之情形、40重量%之情形、及50重量%之情形下的粒徑300μm以上之碳質材料之體積之比率分別為85%、81%、77%及71%。

於實施例3中，於銅比率為20重量%之情形、30重量%之情形、40重量%之情形、及50重量%之情形下的粒徑300μm以上之碳質材料之體積之比率分別為84%、79%、76%及68%。另一方面，於比較例1中，粒徑300μm以上之碳質材料幾乎不存在，或粒徑300μm以上之碳質材料之體積相對於碳質刷1之體積的比率小於50%。

自實施例1~3及比較例1之結果可知，由於粒徑300μm以上之碳質材料之體積相對於碳質刷1之體積的比率為68%以上85%以下，故而由金屬之氧化膨脹所導致之碳質刷1之膨脹確實地得到了抑制。

(6)技術方案之各構成要素與實施形態之各部分的對應關係

以下，對技術方案之各構成要素與實施形態之各部分的對應之例進行說明，但本發明並不限定於下述之例。

於上述實施形態中，碳質粒子P1為碳質粒子之例，金屬粒子P2為電解銅粉之例，良導通部P3為良導通部之例，碳質刷1為金屬碳質刷之例。

作為技術方案之各構成要素，亦可使用具有技術方案所記載之構成或功能之其他各種要素。

[產業上之可利用性]

本發明可有效地利用於各種馬達。

1‧‧‧碳質刷

2‧‧‧旋轉體

4‧‧‧導線

10‧‧‧直流馬達

G‧‧‧旋轉軸

Claims (9)

1. 一種金屬碳質刷，其包括：包含複數個碳質粒子之碳質材料；及設於上述複數個碳質粒子之間隙中，且包含金屬之良導通部；且上述複數個碳質粒子之平均粒徑為300μm以上2000μm以下。
2. 如請求項1之金屬碳質刷，其中上述良導通部相對於上述碳質材料及上述良導通部之整體之比率為10重量%以上70重量%以下。
3. 如請求項1或2之金屬碳質刷，其中上述良導通部係使用電解銅粉而形成。
4. 一種金屬碳質刷之製造方法，其包括：藉由將碳質粉及黏合劑混合而製作碳質材料之步驟；對所製作之碳質材料之粒徑進行調整之步驟；將粒徑經調整之碳質材料與金屬粉混合之步驟；將經混合之碳質材料及金屬粉成形之步驟；及對成形後之碳質材料及金屬粉進行焙燒之步驟；且於上述進行調整之步驟中，以成形及焙燒後之碳質材料之平均粒徑成為300μm以上2000μm以下之方式對碳質材料之粒徑進行調整。
5. 如請求項4之金屬碳質刷之製造方法，其中於上述進行混合之步驟中，使用銅粉作為上述金屬粉，且與碳質材料混合之銅粉之平均粒徑為上述成形及焙燒後之碳質材料之平均粒徑的200分之1以上且20分之3以下。
6. 如請求項5之金屬碳質刷之製造方法，其中於上述進行混合之步驟中，使用電解銅粉作為上述銅粉。
7. 如請求項6之金屬碳質刷之製造方法，其中上述電解銅粉之粒徑為10μm以上40μm以下。
8. 一種金屬碳質刷，其包括：包含複數個碳質粒子之碳質材料；及設於上述複數個碳質粒子之間隙中，且包含金屬之良導通部；且粒徑300μm以上之上述複數個碳質粒子之體積相對於碳質刷之體積的比率為50%以上。
9. 如請求項8之金屬碳質刷，其中粒徑300μm以上之上述複數個碳質粒子之體積相對於碳質刷之體積的比率為60%以上90%以下。