WO2015093181A1

WO2015093181A1 - 回転電機のブラシ装置および回転電機

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Publication number: WO2015093181A1
Application number: PCT/JP2014/079662
Authority: WO
Inventors: 良浩神山; 利一小林
Original assignee: 日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2015-06-25
Also published as: JP2017034730A

Abstract

　ブラシをさらに長くして、ブラシの使用期間の延長を図るとともに、整流子に対して十分な面圧を確保する。　回転電機のブラシ装置は、巻きバネの中心部を固定するバネ固定部と、ブラシを回転電機の径方向に摺動自在に保持するブラシ保持部とを備え、巻きバネの端部をブラシに接触させてブラシを回転電機の整流子に向けて押圧する、回転電機のブラシ装置において、ブラシは、整流子との接触面の反対側に、巻きバネの中心部から離れるにしたがって回転電機の回転軸中心からの距離が長くなるように傾斜する傾斜面を有し、ブラシが摩耗していない初期状態において、ブラシが所定量だけ摩耗した使用限界状態での傾斜面に対する巻きバネの端部の接触点が巻きバネのどの部分よりも回転電機の径方向外側に位置するように、傾斜面が形成されている。

Description

回転電機のブラシ装置および回転電機

　本発明は、回転電機のブラシ装置および回転電機に関する。

　渦巻きバネの先端部がブラシに当接され、渦巻きバネによりブラシが整流子に付勢されている回転電機が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の回転電機では、ブラシの摩耗量を大きくするために、渦巻きバネの先端部が当接されるブラシの端面が、渦巻きバネ側に向かうにしたがって回転子に近づく向きに傾斜した傾斜面とされている。

実登２５３０９８９号公報

　上記特許文献１に記載のブラシのように傾斜面を設けることで、ブラシの有効長さを増加させ、ブラシの使用期間（寿命）を延ばすことができる。しかしながら、使用期間を延長するために、上記特許文献１に記載のブラシにおける回転電機の径方向の長さを、さらに長くすると、たとえば図８に示すように、ブラシが摩耗していない初期状態において、巻きバネの押圧点がブラシの傾斜面から外れる。その結果、巻きバネによる回転電機の径方向へのモーメント分力ＭＢが不足し、整流子に対して必要なブラシの面圧を確保できないおそれがある。

　請求項１に記載の回転電機のブラシ装置は、巻きバネの中心部を固定するバネ固定部と、ブラシを回転電機の径方向に摺動自在に保持するブラシ保持部とを備え、巻きバネの端部をブラシに接触させてブラシを回転電機の整流子に向けて押圧する、回転電機のブラシ装置において、ブラシは、整流子との接触面の反対側に、巻きバネの中心部から離れるにしたがって回転電機の回転軸中心からの距離が長くなるように傾斜する傾斜面を有し、ブラシが摩耗していない初期状態において、ブラシが所定量だけ摩耗した使用限界状態での傾斜面に対する巻きバネの端部の接触点が巻きバネのどの部分よりも回転電機の径方向外側に位置するように、傾斜面が形成されている。
　請求項２に記載の回転電機のブラシ装置は、巻きバネの中心部を固定するバネ固定部と、ブラシを回転電機の径方向に摺動自在に保持するブラシ保持部とを備え、巻きバネの端部をブラシに接触させてブラシを回転電機の整流子に向けて押圧する、回転電機のブラシ装置において、ブラシは、整流子との接触面の反対側に、巻きバネの中心部から離れるにしたがって回転電機の回転軸中心からの距離が長くなるように傾斜する傾斜面を有し、ブラシが摩耗していない初期状態での傾斜面における巻きバネの端部の接触点と、巻きバネの中心部とを結ぶ直線よりも回転電機の径方向外側で、巻きバネの端部が傾斜面に接触するように、傾斜面が形成されている。

　本発明によれば、ブラシをさらに長くして、ブラシの使用期間の延長を図ることができ、かつ、整流子に対して十分な面圧を確保することができる。

本実施の形態に係るスタータを側面から見た部分断面図。図１のＩＩ－ＩＩ線断面図。スタータの電気回路図。（ａ）は、ブラシがセットされた初期状態を示す図、（ｂ）はブラシを示す図、（ｃ）はブラシと渦巻きバネとの位置関係を示す図。ブラシが摩耗していく様子を説明する図。（ａ）は初期状態を示す図、（ｂ）は初期状態と使用限界状態の間の状態を示す図、（ｃ）は使用限界状態を示す図。傾斜面上における渦巻きバネの接触領域を示す図。（ａ）は渦巻きバネによるモーメントＭと、径方向のモーメント分力ＭＢを説明するための模式図、（ｂ）は（ａ）に示すバネ角度θと、モーメントＭおよびモーメント分力ＭＢとの関係を示す図。従来技術に係るブラシ装置のブラシの径方向長さを延長させた場合のブラシを示す図。変形例１に係るブラシ装置を示す図。変形例２～４に係るブラシ装置を示す図。変形例５～７に係るブラシ装置を示す図。

　以下、図面を参照して、本発明による回転電機のブラシ装置の一実施の形態を説明する。
　図１は本実施の形態に係るスタータを側面から見た部分断面図である。

　図１に示すように、スタータは、スタータモータ１と、マグネットスイッチ２と、クラッチ機構３とを備えている。マグネットスイッチ２は、バッテリ（不図示）とスタータモータ１とを電気的に接続する接続位置と、バッテリ（不図示）とスタータモータ１との電気的な接続を遮断する遮断位置との間で動作するスイッチ装置である。

　スタータモータ１は、バッテリ（不図示）からマグネットスイッチ２を介して供給される電流で、回転子７を回転させる直流整流子電動機であり、エンジン（不図示）を始動させるための回転駆動力を発生する。回転電機であるスタータモータ１は、円筒状のヨーク１ａと、ヨーク１ａの内部に保持された固定子９とを備えている。

　固定子９の内周側には、回転子７が隙間を介して回転可能に保持されている。回転子７は、外周部にスロット５が複数形成された回転子鉄心と、各スロット５に挿入された回転子巻線６とを備えている。回転子７の一端側（図示左側）には、回転子巻線６に接続された整流子２０（コンミテータとも呼ばれる）が設けられている。整流子２０は、回転子巻線６に流れる電流を切り替える部材であり、回転子鉄心の端面に沿って配設された回転子巻線６の端部に接合されている。

　回転子鉄心および整流子２０は、回転軸４に固定されている。回転軸４の両端は、軸受４ａ，４ｂによって回転自在に支承されている。回転軸４のクラッチ機構３側の端部には、駆動歯車１０が形成されている。回転子巻線６には、ブラシ１７１および整流子２０を介してバッテリから電流が供給される。回転子巻線６に電流が供給されると、回転子７には、周方向に複数の磁極が形成される。回転子７の外周側には、磁気回路を構成する円筒状の固定子９が配置されている。回転子巻線６に電流が通電されると、固定子９に対して回転子７および回転軸４が一体的に回転する。

　クラッチ機構３は、筒状の一方向クラッチ１２と、この一方向クラッチ１２の内周において回転軸４の中心軸ＣＬｒに平行な方向（以下、単に軸方向と記す）に移動可能に設けられたピニオンシャフト１３と、エンジンのクランクシャフト（不図示）に動力を伝達するためのリングギヤ１４とを備えている。ピニオンシャフト１３の先端には、ピニオン１５が設けられている。一方向クラッチ１２の外周には、スタータモータ１の回転軸４の駆動歯車１０に噛み合う従動歯車１１が形成されている。クラッチ機構３は、ピニオンシャフト１３が軸方向一方に移動すると、ピニオン１５がリングギヤ１４と噛み合う構成とされている。

　一方向クラッチ１２は、外周に従動歯車１１が形成されたアウタークラッチ部１２ａと、このアウタークラッチ部１２ａの内側に配置されたインナークラッチ部１２ｂと、アウタークラッチ部１２ａとインナークラッチ部１２ｂとの間に配置された複数のローラ１２ｃとを備える。一方向クラッチ１２は、アウタークラッチ部１２ａからインナークラッチ部１２ｂへの回転は伝達されるが、インナークラッチ部１２ｂからアウタークラッチ部１２ａへの回転は伝達されない構成とされている。アウタークラッチ部１２ａの軸方向両端は、軸受としての一対のボールベアリング１６ａ，１６ｂで回転自在に支持されている。

　インナークラッチ部１２ｂの内周には、ピニオンシャフト１３が軸方向に移動可能に配置されている。ピニオンシャフト１３の外周には、インナークラッチ部１２ｂの内周に設けられたヘリカルスプライン１７ａと係合してスタータモータ１の回転駆動力をピニオンシャフト１３に伝達するヘリカルスプライン１７ｂが設けられている。ヘリカルスプライン１７ａ，１７ｂは、インナークラッチ部１２ｂの回転速度がピニオンシャフト１３の回転速度よりも大きかった場合にピニオンシャフト１３がリングギヤ１４側に移動し、ピニオンシャフト１３の回転速度がインナークラッチ部１２ｂの回転速度よりも大きかった場合にピニオンシャフト１３がリングギヤ１４と離れる方向に移動するように傾斜している。

　このため、エンジンを始動させる前の状態では、ピニオンシャフト１３がリングギヤ１４側に移動してピニオンシャフト１３とインナークラッチ部１２ｂは一体的に回転する。エンジンを始動させた後のように、ピニオンシャフト１３の回転速度よりもリングギヤ１４の回転速度の方が速い場合には、一方向クラッチ１２の摺動部に生じるフリクションとヘリカルスプライン１７ａ，１７ｂの作用によってピニオンシャフト１３がリングギヤ１４から離れる方向にゆっくりと移動する。なお、ピニオンシャフト１３は、ピニオンシャフト１３の端部に固定された受け部１８とインナークラッチ部１２ｂとの間に配置された付勢部材としてのコイルスプリング１９によってリングギヤ１４から離れる方向に付勢されている。

　スタータモータ１とマグネットスイッチ２との間には、レバー２３が揺動可能に配設されている。後述するように、イグニッションキー２４（図３参照）がオンされ、可動鉄心２７が固定接点２１ａ，２２ａ（図３参照）側に吸引されると、レバー２３が揺動し、レバー２３の端部がピニオンシャフト１３の受け部１８を押圧する。レバー２３により受け部１８が押圧されると、ピニオンシャフト１３が移動し、ピニオン１５とリングギヤ１４とが係合する。

　スタータモータ１の一端部（図示左側端部）には、ブラシ装置１００が設けられている。図２は、ブラシ装置１００を軸方向から見た図であり、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿う平面で切断した断面図である。図２に示すように、ブラシ装置１００は、正極側のブラシ１７１ｐおよび負極側のブラシ１７１ｎ（総称する場合は、ブラシ１７１と記す）と、各ブラシ１７１を整流子２０に向けて付勢する渦巻きバネ１６１と、各ブラシ１７１および各渦巻きバネ１６１を保持する保持部材１５１が固着された保持板１５３とを備えている。

　保持板１５３は、環状の板であり、図１および図２に示す有底円筒状のリヤブラケット４１の底部にねじ止め固定されている。なお、本実施形態のスタータモータ１では、図１に示すように、リヤブラケット４１の開口部とヨーク１ａの一端の開口部とが係合され、フロントブラケット４２の一端の開口部とヨーク１ａの他端の開口部が係合され、リヤブラケット４１とフロントブラケット４２とがボルトで締結されている。これにより、リヤブラケット４１、ヨーク１ａおよびフロントブラケット４２が連結されている。

　図２に示すように、保持板１５３には、周方向に等間隔となるように４つの保持部材１５１が取り付けられている。正極側の２つのブラシ１７１ｐのそれぞれを保持する保持部材１５１は、絶縁材１５２を介して保持板１５３に取り付けられ、負極側の２つのブラシ１７１ｎのそれぞれを保持する保持部材１５１は、直接、保持板１５３に取り付けられている。保持部材１５１は、断面形状がパルス波形状の板材であって、保持板１５３に固着される一対の取付片１５１ａと、各取付片１５１ａから固定子９側に９０度屈曲した側板１５１ｂ，１５１ｃと、側板１５１ｂ，１５１ｃの端部で他方の側板１５１ｂ，１５１ｃに向かって９０度屈曲し、一対の側板１５１ｂ，１５１ｃ同士を連結する連結板（不図示）とを備えている。

　保持部材１５１は、一対の側板１５１ｂ，１５１ｃと、連結板（不図示）と、保持板１５３とでブラシ１７１を収容する立方空間を画成している。この空間にはブラシ１７１が配置され、保持板１５３、一対の側板１５１ｂ，１５１ｃ、および、連結板（不図示）により、ブラシ１７１が、スタータモータ１の周方向（以下、単に周方向と記す）へ移動すること、および、軸方向へ移動することが規制される。一方、ブラシ１７１がスタータモータ１の径方向（以下、単に径方向と記す）へ移動することは許容される。つまり、保持部材１５１は、ブラシ１７１を径方向に摺動自在に保持している。なお、一対の側板１５１ｂ，１５１ｃのうちの一方の側板１５１ｃには、後述するピグテール１８１が径方向に移動できるように、径方向外側が開放され、径方向内側が底面とされたＵ字状の溝が形成されている。

　ブラシ１７１は、導電性を有するカーボンを主成分とする直方体状の部材であり、バッテリから供給された電流を整流子２０に供給する。ブラシ１７１は、回転軸４側の端面が整流子２０に接触する接触面１７９とされ、接触面１７９とは反対側の端面が渦巻きバネ１６１の押圧部１６３によって押圧される押圧面とされている。押圧面の形状の詳細は後述する。

　渦巻きバネ１６１は、薄板を渦巻き状に巻いた機械要素であり、一端に平板状の固着部１６２が設けられ、固着部１６２を中心に渦巻き状に巻かれ、他端がブラシ１７１側に凸になる半円弧状の押圧部１６３とされている。円弧状の押圧部１６３は、外周面がブラシ１７１に接触する面とされている。一対の取付片１５１ａのうちの一方の端部には、軸方向に平行に固定子９に向かって突出する平板部１５１ｄが設けられている。平板部１５１ｄは、渦巻きバネ１６１の中心開口部に配置され、平板部１５１ｄの一面に渦巻きバネ１６１の固着部１６２が固着されている。つまり、平板部１５１ｄは、渦巻きバネ１６１の中心部を固定する固定部材である。このように、渦巻きバネ１６１の一端を保持板１５３に対して固定し、渦巻きバネ１６１の他端をブラシ１７１の押圧面に接触させる構成とすることで、渦巻きバネ１６１の弾性力によりブラシ１７１が整流子２０に向かって押圧される。

　図３は、スタータの電気回路図である。図３に示すように、マグネットスイッチ２は、バッテリＢに電気的に接続される外部入力端子２２と、正極側のリード線３１ｐを介して正極側のブラシ１７１ｐに電気的に接続されるＭターミナル２１とを備えている。図示しないが、正極側のリード線３１ｐの一端に設けられた端子部はＭターミナル２１にねじ止め固定されている。マグネットスイッチ２は、可動鉄心２７と、可動鉄心２７を駆動させるコイル２６とを有するソレノイド２５を備えている。可動鉄心２７には、Ｍターミナル２１と外部入力端子２２とを接続または遮断可能な可動接点２７ａが設けられている。

　図２に示すように、リヤブラケット４１には貫通孔が設けられ、貫通孔には絶縁性を有するブッシュ３５が装着されている。正極側のリード線３１ｐは、ブッシュ３５を介して、リヤブラケット４１の外側からリヤブラケット４１内に挿通される。図示しないが、正極側のリード線３１ｐは正極側のピグテール１８１ｐに接続されている。図２に示すように、正極側のピグテール１８１ｐは正極側のブラシ１７１ｐに固着されている。負極側のブラシ１７１ｎには負極側のピグテール１８１ｎが固着され、負極側のピグテール１８１ｎは保持板１５３を介してリヤブラケット４１（アース）に電気的に接続されている。なお、正極側のピグテール１８１ｐおよび負極側のピグテール１８１ｎについて、総称する場合には、ピグテール１８１として説明する。

　図３を参照して、スタータの動作について説明する。
　図３に示すように、イグニッションキー２４がオンされると、バッテリＢからソレノイド２５のコイル２６に電流が通電され、可動鉄心２７がＭターミナル２１の固定接点２１ａおよび外部端子２２の固定接点２２ａ側に吸引される。可動鉄心２７が固定接点２１ａ，２２ａ側に吸引され、可動接点２７ａがバッテリ側の固定接点２２ａとモータ側の固定接点２１ａに接触すると、バッテリ側の固定接点２２ａとモータ側の固定接点２１ａとが可動接点２７ａを介して導通状態となる。

　バッテリＢからスタータ内に導入された電流は、マグネットスイッチ２のＭターミナル２１→正極側のリード線３１ｐ→正極側のピグテール１８１ｐ→正極側のブラシ１７１ｐ→整流子２０のうち正極側のブラシ１７１ｐに接するセグメント→回転子巻線６（図３において不図示）へ流れる。回転子巻線６に導入された電流は、整流子２０のうち負極側のブラシ１７１ｎに接するセグメント→負極側のブラシ１７１ｎ→負極側のピグテール１８１ｎ→リヤブラケット４１（アース）へ流れる。

　これにより図１に示す回転子７に回転力が発生し、発生した回転力は回転軸４を介してピニオン１５に伝達され、エンジンが始動する。エンジンが始動した後はイグニッションキー２４を戻すことでマグネットスイッチ２の接点が開き、電流が遮断されてスタータは停止する。

　図４（ａ）は、ブラシ１７１がセットされた状態を示す図であり、ブラシ１７１が磨耗していない初期状態を示している。図４（ｂ）はブラシ１７１を示す図であり、図４（ｃ）はブラシ１７１と渦巻きバネ１６１との位置関係を示す図である。図４（ａ）および図４（ｃ）は、図２の部分拡大図である。なお、正極側の構成と負極側の構成とはほぼ同じであるため、正極側の構成について代表して説明し、負極側の構成については説明を省略する。

　ブラシ１７１は、径方向に延在して配置される。以下、説明の便宜上、図４（ａ）に示されるブラシ１７１の長さ方向をｙ軸方向、回転軸４の中心軸ＣＬｒ（図１参照）に平行な方向をｚ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向のそれぞれに直交する方向をｘ軸方向として説明する。

　図４に示すように、ブラシ１７１はｙｚ平面に平行な一対の側面１７５ａ，１７５ｂを有し、径方向内側の面が整流子２０に接触する接触面１７９とされ、この接触面１７９の反対側には径方向外側へ突出する突出部１７８が設けられている。

　ブラシ１７１は、整流子２０に接触する接触面１７９の反対側に、ｘｚ平面に平行な内側平面１７２と、ｘｚ平面から角度αだけ傾斜した傾斜面１７３と、ｘｚ平面に平行な外側平面１７４とを有している。つまり、上記した突出部１７８は、傾斜面１７３と外側平面１７４とを有している。内側平面１７２は、側面１７５ａにおけるリヤブラケット４１の周壁に近い側の端部から傾斜面１７３に向かって延在している。傾斜面１７３は、内側平面１７２から外側平面１７４に向かって延在し、内側平面１７２から離れるにしたがってリヤブラケット４１の周壁に近づくように傾斜している。

　渦巻きバネ１６１の中心点をＯ１、回転軸４の中心点をＯ２、傾斜面１７３における任意の位置をＴとしたとき、傾斜面１７３は、渦巻きバネ１６１の中心点Ｏ１から任意の位置Ｔまでの距離Ｏ１Ｔが長くなるにしたがって、すなわち中心点Ｏ１から離れるにしたがって、回転軸４の中心点Ｏ２から位置Ｔまでの距離Ｏ２Ｔが長くなるように傾斜している。外側平面１７４は、傾斜面１７３におけるリヤブラケット４１の周壁に近い側の端部から側面１７５ｂに向かって延在している。

　ブラシ１７１が摩耗していない初期状態において、押圧部１６３は、内側平面１７２とＱ点で接触し、傾斜面１７３とＰ点で接触している。つまり、内側平面１７２および傾斜面１７３は、渦巻きバネ１６１の押圧部１６３が接する押圧面とされている。本実施の形態では、渦巻きバネ１６１の押圧部１６３をブラシ１７１に対して２点で接触させることで渦巻きバネ１６１を安定して配置させることができ、初期位置への位置決めを容易に行うことができる。

　ピグテール１８１は、ブラシ１７１の側面１７５ｂに接続されている。ピグテール１８１は、ブラシ１７１内で固着される固着部１８２と、固着部１８２からブラシ１７１の外側に延在する露出部１８３とを有する。ピグテール１８１の固着部１８２は、突出部１７８に配置されている。

　図５を参照して、ブラシ１７１が摩耗していく様子を説明する。図５（ａ）はブラシ１７１が摩耗していない初期状態を示している。図５（ｃ）はブラシ１７１が所定量だけ摩耗した使用限界状態を示している。図５（ｂ）は、初期状態と使用限界状態との間の状態を示している。

　図示するようにブラシ１７１は、渦巻きバネ１６１の押圧部１６３により整流子２０に向かって押圧され、整流子２０との接触により摩耗し、徐々に径方向長さが短くなっていく。図５（ａ）に示すように、渦巻きバネ１６１の押圧部１６３は、初期状態において内側平面１７２と傾斜面１７３とに接している（Ｑ点、Ｐ点）が、図５（ｂ）に示すように摩耗が進行すると渦巻きバネ１６１の押圧部１６３は傾斜面１７３のみに接する（Ｐ点）。同様に、図５（ｃ）に示すように、使用限界状態では、渦巻きバネ１６１の押圧部１６３は傾斜面１７３にのみ接触し、内側平面１７２には接触していない。

　傾斜面１７３上における渦巻きバネ１６１の接触点Ｐは、初期状態からブラシ１７１の摩耗が進行するにしたがって、渦巻きバネ１６１の中心点Ｏ１に対向する側面１７５ａ側から側面１７５ａの反対側の側面１７５ｂ側に向かって移動する。

　図５（ａ）に示すように、初期状態において、ピグテール１８１における固着部１８２と露出部１８３との境界断面１８１ｂは、傾斜面１７３に対する渦巻きバネ１６１の押圧部１６３の接触点Ｐを通るｘｚ平面に平行な仮想平面Ｖ上に位置している。

　摩耗が進行すると、図５（ｂ）に示すように、ピグテール１８１は、側板１５１ｂに設けられたＵ字状の溝に沿って整流子２０側に向かって移動する。図５（ｃ）に示すように、Ｕ字状の溝の底面にピグテール１８１が当接すると、それ以上径方向内側に向かってブラシ１７１が移動することが規制される。この状態を使用限界状態と定義する。つまり、Ｕ字状の溝によって、ブラシ１７１の摩耗量が所定量に規制される。使用限界状態において、ピグテール１８１の境界断面１８１ｂは、傾斜面１７３に対する渦巻きバネ１６１の押圧部１６３の接触点Ｐよりも径方向内側に位置している。つまり、仮想平面Ｖよりも径方向内側にピグテール１８１の境界断面１８１ｂが位置している。

　図６は、傾斜面１７３上における渦巻きバネ１６１の接触点Ｐが、初期状態から使用限界状態までの間に移動する領域、すなわち渦巻きバネ１６１の接触領域１７３ａを示す図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＤ部を拡大した図である。図６において、Ｐｓは初期状態における傾斜面１７３に対する押圧部１６３の接触点Ｐであり、Ｐｅは使用限界状態における傾斜面１７３に対する押圧部１６３の接触点Ｐである。なお、図６ではピグテール１８１の図示、ならびにブラシ１７１の断面を示すハッチングの図示を省略している。

　図６において太線で模式的に示すように、傾斜面１７３における接触領域１７３ａは、渦巻きバネ１６１の中心点Ｏ１と初期状態における接触点Ｐｓとを結ぶ直線Ｎｓよりも径方向外側に位置している。換言すれば、直線Ｎｓよりも径方向外側で、渦巻きバネ１６１の押圧部１６３が傾斜面１７３に接触するように、傾斜面１７３のｘｚ平面に対する角度αが定められており、傾斜角度αは、直線Ｎｓとｘｚ平面とのなす角θｓよりも大きい（α＞θｓ）。

　使用限界状態における接触点Ｐｅは、傾斜面１７３の最頂部であり、傾斜面１７３と外側平面１７４とが交差する点である。本実施の形態では、初期状態において、使用限界状態での傾斜面１７３に対する渦巻きバネ１６１の押圧部１６３の接触点Ｐｅが渦巻きバネ１６１のどの部分よりも径方向外側に位置するように、傾斜面１７３が形成されている。つまり、図示するように、渦巻きバネ１６１の全体が、回転軸４の中心点Ｏ２を中心とした円Ｃの内側に位置している。

　図７（ａ）は渦巻きバネ１６１によるモーメントＭと、径方向のモーメント分力ＭＢを説明するための模式図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）に示すバネ角度θと、モーメントＭおよびモーメント分力ＭＢとの関係を示す図である。バネ角度θは、渦巻きバネ１６１の中心点Ｏ１と傾斜面１７３上の接触点Ｐとを結ぶ直線Ｎと、ｘｚ平面とのなす角である。なお、バネ角度θは、渦巻きバネ１６１によるモーメントＭとｙｚ平面とのなす角とも定義することができる。モーメント分力ＭＢは、モーメントＭのｙ成分である。

　渦巻きバネ１６１によってブラシ１７１を整流子２０に向けて押圧するブラシ装置では、バネ角度θが９０度に近づきすぎると、すなわちバネ角度θが大きすぎると、モーメント分力ＭＢが小さくなり、整流子２０の接触面におけるブラシ１７１の面圧（以下、単に面圧とも記す）が不足する。一方、モーメントＭは、バネ角度θの減少にしたがって小さくなるため、バネ角度θが小さすぎる場合にもブラシ１７１の面圧が不足する。

　本実施の形態では、ブラシ１７１の面圧が初期状態から使用限界状態まで、ほぼ一定となるように、バネ角度θの範囲が設定されている。初期状態において、バネ角度θは、θｓ（たとえば、約３９度）であり、使用限界状態において、バネ角度θは、θｅ（たとえば、約１６度）である。初期状態から使用限界状態の間におけるモーメント分力ＭＢの最小値は、バネ角度θがθｓのときの値Ｍｍｉｎ１であり、最大値はバネ角度θがθｘのときの値Ｍｍａｘである。Ｍｍｉｎ１は、十分な整流効果を得ることのできる面圧を発生させることのできるモーメント分力よりも大きい値である。ブラシの面圧は、大きすぎると回転子７の回転抵抗が増加し、回転に必要な電力が増加してしまう。このため、Ｍｍａｘは、回転抵抗が所定値よりも小さくなるように設定されている。本実施の形態では、ＭｍａｘとＭｍｉｎ１との差が小さく、初期状態から使用限界状態にかけて、面圧をほぼ一定に保つことができる。

　図８は、特許文献１に記載の技術（以下、従来技術と記す）に係るブラシの径方向長さを本実施の形態と同程度まで延長させたブラシ９７１を示しており、初期状態において側面１７５ｂの径方向長さが、本実施の形態と同じ長さに設定されている。

　従来技術のブラシを本実施形態のブラシ１７１と同じ長さにすると、図８に示すように、初期状態において渦巻きバネ１６１の接触点Ｐがブラシ９７１の傾斜面９７３から外れてしまう。このとき、バネ角度θはθｃｓ（たとえば、約５３度）であり、図７（ｂ）に示すように、モーメント分力ＭＢはＭｍｉｎ２となる。Ｍｍｉｎ２は、Ｍｍｉｎ１よりも小さく、ＭｍａｘとＭｍｉｎ１との差（Ｍｍａｘ－Ｍｍｉｎ１）をΔＭＢとしたとき、ＭｍａｘとＭｍｉｎ２との差（Ｍｍａｘ－Ｍｍｉｎ２）はΔＭＢの約４．６倍となった。Ｍｍｉｎ２によって得られる面圧は、本実施の形態に比べて非常に小さいため、整流効果が大きく悪化する。

　このように、従来技術のブラシの径方向長さを延長させた場合、初期状態において、渦巻きバネ１６１によるモーメント分力ＭＢが不足し、整流子２０に対して必要な面圧を確保できない。

　上述した本実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）ブラシ１７１は、整流子２０との接触面の反対側に、渦巻きバネ１６１の中心点Ｏ１から離れるにしたがって回転軸４の中心点Ｏ２からの距離が長くなるように傾斜する傾斜面１７３を有している。ブラシ１７１が摩耗していない初期状態において、ブラシ１７１が所定量だけ摩耗した使用限界状態での傾斜面１７３に対する渦巻きバネ１６１の端部の接触点Ｐｅが渦巻きバネ１６１のどの部分よりも径方向外側に位置するように、傾斜面１７３の角度αが設定されている。また、傾斜面１７３における初期状態での渦巻きバネ１６１の端部の接触点Ｐｓと、渦巻きバネ１６１の中心点Ｏ１とを結ぶ直線Ｎｓよりも径方向外側で、渦巻きバネ１６１の端部が傾斜面１７３に接触するように、傾斜面１７３の角度αが設定されている。
　このようにして、ｘｚ平面と傾斜面１７３とのなす角αを従来技術に比べて大きく設定することで、初期状態において、渦巻きバネ１６１のバネ角度θを図８に示すブラシ９７１に比べて小さくすることができる。その結果、特許文献１に記載のブラシ装置に比べて、ブラシの有効長（すなわち、初期状態から使用限界状態までに摩耗する部分の長さ）を増加させることができ、かつ、初期状態から使用限界状態まで、整流子２０とブラシ１７１との間の面圧をほぼ一定に保つことができる。つまり、本実施の形態によれば、特許文献１に記載のブラシ装置に比べて、使用期間を延長することができ、かつ、長期間に亘って安定した整流効果を得ることができる。
　また、本実施の形態によれば、ブラシ装置１００以外の構成部品（たとえば、ヨーク１ａやリヤブラケット４１等）を変更することなく、ブラシ１７１の有効長を延長することができる。

（２）ブラシ１７１は、整流子２０との接触面の反対側に、内側平面１７２と、内側平面１７２に対して傾斜する傾斜面１７３とを有している。初期状態では、渦巻きバネ１６１の端部が内側平面１７２および傾斜面１７３のそれぞれに接触し、使用限界状態では、渦巻きバネ１６１の端部が傾斜面１７３には接触し、内側平面１７２には接触しないように、内側平面１７２および傾斜面１７３が形成されている。
　渦巻きバネ１６１の端部をブラシ１７１に対して２点で接触させることで渦巻きバネ１６１を安定して配置させることができ、初期位置への位置決めを容易に行うことができる。その結果、組立作業性を向上することができ、作業工数、生産コストの低減を図ることができる。

（３）傾斜面１７３を有する突出部１７８にピグテール１８１を固着した。ピグテール１８１における固着部１８２と露出部１８３との境界断面１８１ｂは、初期状態において、傾斜面１７３に対する渦巻きバネ１６１の端部の接触点Ｐｓを通るブラシ１７１の長さ方向に直交する仮想平面Ｖ上に位置している。突出部１７８は、整流子２０に接触する部分ではない、すなわち摩耗する部分ではないため、突出部１７８にピグテール１８１を固着すれば、ブラシ１７１の有効長に影響を与えることがない。つまり、突出部１７８にピグテール１８１を固着する本実施の形態によれば、突出部１７８よりも径方向内側でピグテール１８１を固着する場合に比べて、リヤブラケット４１の径を大きくすることなく、ブラシ１７１の有効長を長く設定することができる。

　次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
（変形例１）
　上述した実施の形態では、押圧面が内側平面１７２と傾斜面１７３とで構成される例（図４（ｂ）参照）について説明したが、本発明はこれに限定されない。たとえば、図９に示すように、内側平面１７２を形成せずに、側面１７５ａの端部から外側平面１７４に亘って傾斜面２７３を形成してもよい。なお、傾斜面２７３のｘｚ平面に対する傾斜角度は、上述した傾斜面１７３の傾斜角度αと同じである。

　この変形例１によれば、上述の実施の形態で説明した（１）および（３）と同様の作用効果を奏する。なお、上述した実施の形態のように、内側平面１７２を設けることで、初期位置の設定を容易に行うことができるため、内側平面１７２を設けることが好ましい。さらに、図９（ｂ）に示すように、変形例１に係るブラシ２７１では、使用限界状態において、ブラシ２７１の側面１７５ａの端部が保持部材１５１の側板１５１ｂから外れ、使用中にがたつきが発生するおそれがある。したがって、変形例１では、側板１５１ｃのＵ字状の溝の底面の高さを、上述した実施の形態よりも径方向外側に位置させることが好ましい。

（変形例２）
　整流子２０に接触する接触面１７９の反対側の面は、上述した実施の形態や変形例１の形状に限定されない。図１０（ａ）に示すように、内側平面１７２および外側平面１７４を省略して、側面１７５ａから側面１７５ｂに亘って傾斜面３７３を形成してもよい。なお、上述した実施の形態の外側平面１７４を形成することにより、使用限界状態での渦巻きバネ１６１の端部の接触点Ｐｅよりも径方向外側に突出する部分を取り除くことによって、リヤブラケット４１の径を小さくすることができる。すなわち、スタータモータ１のコンパクト化を図ることができる。
（変形例３）
　図４に示すｘｚ平面に平行な内側平面１７２に代えて、図１０（ｂ）に示すように、ｘｚ平面に対して傾斜する内側平面４７２を設けてもよい。初期状態において、渦巻きバネ１６１の端部が、内側平面４７２とＱ点で接触し、傾斜面１７３とＰ点で接触する構成とすることで、初期位置の設定を容易に行うことができる。
（変形例４）
　図４に示すｘｚ平面に平行な内側平面１７２に代えて、図１０（ｃ）に示すように、径方向外側に膨らむ湾曲面５７２を設けてもよい。
　初期状態において、渦巻きバネ１６１の端部が、湾曲面５７２とＱ点で接触し、傾斜面１７３とＰ点で接触する構成とすることで、初期位置の設定を容易に行うことができる。

（変形例５）
　図４に示す傾斜面１７３に代えて、たとえば、図１１（ａ）に示すように、径方向外側に膨らむ湾曲面６７３を設けてもよい。
（変形例６）
　図４に示す傾斜面１７３に代えて、たとえば、図１１（ｂ）に示すように、径方向内側に凹む湾曲面７７３を設けてもよい。

（変形例７）
　上述した実施の形態では、初期状態において渦巻きバネ１６１が接する内側平面１７２と傾斜面１７３とが連続する例（図４参照）について説明したが、本発明はこれに限定されない。図１１（ｃ）に示すように、初期状態において渦巻きバネ１６１が接する第１平面８７２と第２平面８７３との間に渦巻きバネ１６１が接しない中間部８７７を設けるようにしてもよい。また、図示しないが、初期状態において渦巻きバネ１６１の端部を３点以上で接触させるようにしてもよく、たとえば、初期状態において渦巻きバネ１６１の端部を第１平面８７２および第２平面８７３および中間部８７７のそれぞれに接触させてもよい。

（変形例８）
　上述した実施の形態では、ブラシ１７１を押圧する巻きバネとして、渦巻きバネ１６１を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。巻きバネは、バネ中心のまわりに回転モーメントを発生させることのできる弾性体であればよく、渦巻きバネの他、たとえば、ねじりコイルばね（トーションバーばね）であってもよい。

（変形例９）
　上述した実施の形態では、ブラシ装置が適用される回転電機としてスタータモータ１を採用した例について説明したが本発明はこれに限定されない。また、直流整流子電動機に限定されることもなく、交流整流子電動機に本発明を適用してもよい。

　本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１　スタータモータ、１ａ　ヨーク、２　マグネットスイッチ、３　クラッチ機構、４　回転軸、７　回転子、９　固定子、２０　整流子、３１ｐ　リード線、４１　リヤブラケット、１００　ブラシ装置、１５１　保持部材、１５１ａ　取付片、１５１ｂ，１５１ｃ　側板、１５１ｄ　平板部、１５２　絶縁材、１５３　保持板、１６１　渦巻きバネ、１６２　固着部、１６３　押圧部、１７１　ブラシ、１７２　内側平面、１７３　傾斜面、１７４　外側平面、１７５ａ，１７５ｂ　側面、１７８　突出部、１７９　接触面、１８１　ピグテール、１８２　固着部、１８３　露出部、２７１　ブラシ、２７３　傾斜面、３７３　傾斜面、４７２　内側平面、５７２　湾曲面、６７３　湾曲面、７７３　湾曲面、８７２　第１平面、８７３　第２平面、８７７　中間部、９７１　ブラシ、９７３　傾斜面

Claims

　巻きバネの中心部を固定するバネ固定部と、ブラシを回転電機の径方向に摺動自在に保持するブラシ保持部とを備え、前記巻きバネの端部を前記ブラシに接触させて前記ブラシを前記回転電機の整流子に向けて押圧する、回転電機のブラシ装置において、
　前記ブラシは、前記整流子との接触面の反対側に、前記巻きバネの中心部から離れるにしたがって前記回転電機の回転軸中心からの距離が長くなるように傾斜する傾斜面を有し、
　前記ブラシが摩耗していない初期状態において、前記ブラシが所定量だけ摩耗した使用限界状態での前記傾斜面に対する前記巻きバネの端部の接触点が前記巻きバネのどの部分よりも前記回転電機の径方向外側に位置するように、前記傾斜面が形成されている回転電機のブラシ装置。
　巻きバネの中心部を固定するバネ固定部と、ブラシを回転電機の径方向に摺動自在に保持するブラシ保持部とを備え、前記巻きバネの端部を前記ブラシに接触させて前記ブラシを前記回転電機の整流子に向けて押圧する、回転電機のブラシ装置において、
　前記ブラシは、前記整流子との接触面の反対側に、前記巻きバネの中心部から離れるにしたがって前記回転電機の回転軸中心からの距離が長くなるように傾斜する傾斜面を有し、
　前記ブラシが摩耗していない初期状態での前記傾斜面における前記巻きバネの端部の接触点と、前記巻きバネの中心部とを結ぶ直線よりも前記回転電機の径方向外側で、前記巻きバネの端部が前記傾斜面に接触するように、前記傾斜面が形成されている回転電機のブラシ装置。
　請求項１または２に記載の回転電機のブラシ装置において、
　前記ブラシは、前記整流子との接触面の反対側に、少なくとも第１の面と、前記第１の面に対して傾斜する第２の面とを有し、
　前記第２の面は、前記傾斜面であり、
　前記初期状態では、前記巻きバネの端部が前記第１の面および前記第２の面のそれぞれに接触し、
　前記ブラシが所定量だけ摩耗した使用限界状態では、前記巻きバネの端部が前記第２の面には接触し、前記第１の面には接触しないように、前記第１の面および前記第２の面が形成されている回転電機のブラシ装置。
　請求項１または２に記載の回転電機のブラシ装置において、
　前記ブラシの側部には、前記ブラシ内で固着される固着部と、前記固着部から前記ブラシの外側に延在する露出部とを有するピグテールが接続され、
　前記ピグテールにおける前記固着部と前記露出部との境界断面は、前記初期状態において、前記傾斜面に対する前記巻きバネの端部の接触点を通る前記ブラシの長さ方向に直交する仮想平面上に位置している回転電機のブラシ装置。
　請求項４に記載の回転電機のブラシ装置において、
　前記ピグテールにおける前記固着部と前記露出部との境界断面は、前記ブラシが所定量だけ摩耗した使用限界状態において、前記傾斜面に対する前記巻きバネの端部の接触点よりも前記回転電機の径方向内側に位置している回転電機のブラシ装置。
　請求項１または２に記載の回転電機のブラシ装置と、
　前記整流子を備えた回転子と、
　前記回転子の外周側に配置された固定子と、
　前記固定子を保持する筒状のヨークと、
　前記バネ固定部および前記ブラシ保持部が固定される有底筒状のブラケットとを備え、　前記ブラケットの開口部と前記ヨークの一端の開口部とが連結されている回転電機。