(57)【要約】【課題】整流子の摩耗を抑制することができる直流モータを提供することにある。【解決手段】直流モータ４０であって、銅又は銅９９％以上の銅合金で形成された整流子２０と、整流子２０に対して押し付けられた状態で整流子２０に接触するブラシ３０と、を備え、ブラシ３０は、黒鉛と、銅粉とを含んだ焼結体によって構成されており、整流子２０及びブラシ３０の少なくとも一方に、銅又は銅合金並びに黒鉛及び銅粉よりも硬度の高い硬質化合物３３が、含有されており、少なくとも使用状態で整流子２０のブラシ３０との接触面２０Ａ又はその近傍に点在する。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅又は銅９９％以上の銅合金で形成された整流子（２０）と、
前記整流子に対して押し付けられた状態で当該整流子に接触するブラシ（３０）と、を備え、
前記ブラシは、黒鉛と、銅粉とを含んだ焼結体によって構成されており、
前記銅又は銅合金並びに前記黒鉛及び前記銅粉よりも硬度の高い硬質化合物（３３）が、前記整流子及び前記ブラシの少なくとも一方に含有されており、少なくとも使用状態で前記整流子の前記ブラシとの接触面（２０Ａ）又はその近傍に点在する直流モータ。
【請求項２】
前記硬質化合物が、前記ブラシに含有されている請求項１に記載の直流モータ（４０）。
【請求項３】
前記ブラシにおいて、前記整流子との接触面から所定の摩耗想定範囲において、前記硬質化合物が含有されている請求項２に記載の直流モータ。
【請求項４】
前記ブラシにおいて、前記整流子への押し付け方向に直交する面内における前記硬質化合物の占める面積割合が０．４％〜５％である請求項２又は請求項３に記載の直流モータ。
【請求項５】
前記ブラシにおいて、前記焼結体に含有されている前記硬質化合物の量は、１質量％以下である請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の直流モータ。
【請求項６】
前記ブラシには、金属硫化物固体潤滑剤が含有されている請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の直流モータ。
【請求項７】
前記硬質化合物が、前記整流子において、前記ブラシとの接触面又はその近傍に点在する請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の直流モータ。
【請求項８】
前記整流子の前記接触面又はその近傍に存在する前記硬質化合物の存在率は、前記整流子のブラシとの接触面の１００μｍ×１００μｍの範囲内に平均して１０個〜１００個存在する割合である請求項７に記載の直流モータ。
【請求項９】
前記整流子の前記接触面に露出している前記硬質化合物の露出面積の割合は、前記整流子の表面積に対し０．４％以上である請求項７又は請求項８に記載の直流モータ。
【請求項１０】
前記硬質化合物の大きさは、１〜６μｍである請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の直流モータ。
【請求項１１】
前記硬質化合物の抵抗率は、１６μΩｍ以下である請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の直流モータ。
【請求項１２】
前記整流子の外周面は、前記ブラシとの摺動方向と平行な凹凸形状を有している請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の直流モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流モータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、直流モータでは、整流子に対してブラシが押し付けられた状態で保持されることで、整流子とブラシとの間の電気的接触が確保される。この際に、整流子の回転によって、ブラシが摩耗する。直流モータの長寿命化のために、近年ブラシの摩耗対策として種々の方法が提案されている。一方、直流モータの長寿命化を図るために、整流子においても摩耗対策を施すことが望まれている。従来、整流子の摩耗対策として、整流子の表面に、スパッタリング法やイオンプレーティング法により、ＴｉやＴａの窒化物又は炭化物を主成分とする１μｍ〜２μｍの厚さの硬質被覆層を形成する技術が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５９−１８５１３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１の整流子の表面には、１μｍ〜２μｍしか硬質被覆層が形成されていない。そのため、耐久性に乏しく、長期間に亘って硬質被覆層を維持し続けることができない。つまり、整流子側が摩耗限界まで摩耗してしまうおそれがある。また、スパッタリング法やイオンプレーティング法では、生産性が低く、材料費が高いため、生産コストが高くなってしまう。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、整流子の摩耗を抑制することができる直流モータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の手段は、銅又は銅９９％以上の銅合金で形成された整流子（２０）と、前記整流子に対して押し付けられた状態で当該整流子に接触するブラシ（３０）と、を備え、前記ブラシは、黒鉛と、銅粉とを含んだ焼結体によって構成されており、前記銅又は銅合金並びに前記黒鉛及び前記銅粉よりも硬度の高い硬質化合物（３３）が、前記整流子及び前記ブラシの少なくとも一方に含有されており、少なくとも使用状態で前記整流子の前記ブラシとの接触面（２０Ａ）又はその近傍に点在する。
【０００７】
整流子又はブラシの少なくとも一方に、硬質化合物が含有されている。この硬質化合物が、少なくとも使用状態で整流子のブラシとの接触面又はその近傍に点在することで、整流子のブラシとの接触面（表面）には、硬質化合物よりなる硬質部分とそれ以外の非硬質部分とが存在することになる。そして、その硬質部分によって、非硬質部分、つまり整流子の銅又は銅合金の部分の摩耗を抑制できる。これにより、整流子の摩耗を抑制することができ、整流子の寿命を向上することができる。なお、使用状態とは、少なくともユーザに使用されている状態であって、使用を開始した以降の状態をいう。
【０００８】
第２の手段は、前記硬質化合物が、前記ブラシに含有されている。
【０００９】
ブラシ側に硬質化合物が含有されている場合には、ブラシと整流子との摺動によって、硬質化合物が整流子側に転写される。その結果、硬質化合物が整流子のブラシとの接触面又はその近傍に点在する。また、ブラシの摩耗に伴って、ブラシに含有されている硬質化合物が転写され続ける。そのため、整流子のブラシとの接触面から硬質化合物が欠落した場合でも、新たな硬質化合物が供給されることで、整流子のブラシとの接触面又はその近傍に硬質化合物が点在し続けることができる。
【００１０】
第３の手段は、前記ブラシにおいて、前記整流子との接触面から所定の摩耗想定範囲において、前記硬質化合物が含有されている。
【００１１】
ブラシには、整流子との接触面から所定の摩耗想定範囲において硬質化合物が含有されている。つまり、ブラシが摩耗する範囲には硬質化合物が含有されている。そのため、摩耗想定範囲のブラシが摩耗され、ブラシ寿命になるまで、硬質化合物を整流子のブラシとの接触面に供給できる。整流子のブラシとの接触面又はその近傍に硬質化合物が点在する状態を維持でき、整流子の摩耗を抑制できる。
【００１２】
第４の手段は、前記ブラシにおいて、前記整流子への押し付け方向に直交する面内における前記硬質化合物の占める面積割合が０．４％〜５％である。
【００１３】
ブラシ内の硬質化合物は全てが転写されるわけではなく、一部は転写されずに欠落してしまうため、ある程度の面積割合で含有されている必要がある。一方、硬質化合物の面積割合が大きくなりすぎると、黒鉛の割合が低くなり、黒鉛の潤滑機能が作用しにくくなるため望ましくない。そこで、ブラシにおいて、整流子への押し付け方向に直交する面内において、硬質化合物の占める面積割合が０．４％〜５％の場合には、整流子のブラシとの接触面に適切に硬質化合物を転写させつつ、潤滑性を保持することができる。
【００１４】
第５の手段は、前記焼結体に含有されている前記硬質化合物の量は、１質量％以下である。
【００１５】
焼結体（ブラシ）に含有されている硬質化合物の量が多くなると、硬質化合物が整流子を削ってしまったり、焼結体に含有されている黒鉛の量が減少して黒鉛の潤滑機能が作用しにくくなったりする。そこで、焼結体に含有される硬質化合物の量を１質量％以下に制限することで、硬質化合物によって整流子が削られたり、整流子とブラシとの間の潤滑性が下がったりすることを抑制できる。
【００１６】
第６の手段は、前記ブラシには、金属硫化物固体潤滑剤が含有されている。
【００１７】
整流子とブラシとの間の摺動により、ブラシの黒鉛が整流子に転写され、それに伴い整流子のブラシとの接触面上に黒鉛被膜が形成される。この際に、ブラシに金属硫化物固体潤滑剤が含有されていると、整流子のブラシとの接触面に形成される黒鉛被膜中にも金属硫化物固体潤滑剤が含有される。金属硫化物固体潤滑剤が含有された黒鉛被膜によって、良好な潤滑性が得られる。そのため、硬質化合物による摩耗抑制に加えて、金属硫化物固体潤滑剤による潤滑性によって、整流子のブラシとの接触面が保護される。
【００１８】
第７の手段は、前記硬質化合物が、前記整流子において、前記ブラシとの接触面又はその近傍に点在する。
【００１９】
整流子において、整流子のブラシとの接触面又はその近傍に相対的に硬度の高い硬質化合物が点在する。整流子において、使用前の状態から整流子のブラシとの接触面又はその近傍に硬質化合物が点在することで、整流子の摩耗を低減できる。また、ブラシからの転写ではなく、硬質化合物が整流子に予め点在することで、硬質化合物の点在する割合などをコントロールしやすくなる。
【００２０】
第８の手段は、前記整流子の前記接触面又はその近傍に存在する前記硬質化合物の存在率は、前記整流子のブラシとの接触面の１００μｍ×１００μｍの範囲内に平均して１０個〜１００個存在する割合である。
【００２１】
本願の発明者は、硬質化合物の存在率を変えて実験を繰り返した結果、１００μｍ×１００μｍの範囲内に硬質化合物が１０個以上あると、整流子の摩耗低減効果が向上することに気がついた。また、硬質化合物が１００個より多いと、ブラシに対して削る作用が大きくなりすぎてしまうことに気がついた。そこで、整流子のブラシとの接触面の１００μｍ×１００μｍの範囲内に、硬質化合物が１０個〜１００個存在する構成としている。これにより、整流子の摩耗を低減しつつ、ブラシが削れることを抑制できる。
【００２２】
第９の手段は、前記整流子の前記接触面に露出している前記硬質化合物の露出面積の割合は、前記整流子の表面積に対し０．４％以上である。
【００２３】
本願の発明者は、硬質化合物の露出面積の割合を変えて実験を繰り返した結果、整流子の表面積に対し０．４％以上硬質化合物が露出していると、整流子の摩耗低減効果が向上することに気がついた。そこで、整流子の表面積に対し０．４％以上硬質化合物が露出している構成としている。これにより、整流子の摩耗を低減することができる。
【００２４】
第１０の手段は、前記硬質化合物の大きさは、１〜６μｍである。
【００２５】
整流子とブラシとの間の摺動により、ブラシの黒鉛が整流子に転写され、それに伴い整流子のブラシとの接触面上に黒鉛被膜が形成される。この黒鉛被膜は、一般的に、平均でおおよそ１μｍの厚みを有している。そのため、硬質化合物の大きさが小さすぎると、黒鉛被膜に埋没してしまう。
【００２６】
一方、硬質化合物のサイズが大きすぎると、硬質化合物とブラシが摺動する際に、硬質化合物がブラシに対する摺動抵抗になってしまい、整流子のブラシとの接触面から脱落しやすくなる。また、摺動抵抗によってブラシ側が削られすぎてしまうおそれがある。
【００２７】
そこで、硬質化合物の大きさを１〜６μｍにしている。硬質化合物が１μｍより大きいことで、黒鉛被膜から露出しやすくなる。また、硬質化合物が６μｍより小さいことで、摺動抵抗を抑えることができる。これにより、ブラシと整流子とを適切に支持し、整流子の摩耗を低減できる。
【００２８】
第１１の手段は、前記硬質化合物の抵抗率は、１６μΩｍ以下である。
【００２９】
ブラシと整流子との間の電気的な接触抵抗は、整流子のブラシとの接触面上に形成される黒鉛被膜の接触抵抗に大きく依存する。この黒鉛被膜の接触抵抗は、主成分である炭素の抵抗率に依存しており、炭素の抵抗率はおおよそ１６μΩｍである。そのため、硬質化合物の抵抗率が炭素の抵抗率以下、つまり１６μΩｍ以下であれば、硬質化合物が点在していても、ブラシと整流子との間の接触抵抗が上昇するおそれがない。抵抗率が１６μΩｍ以下の硬質化合物を用いることで、モータの抵抗増加を抑制しつつ、整流子の摩耗を抑制できる。
【００３０】
第１２の手段は、前記整流子の外周面は、前記ブラシとの摺動方向と平行な凹凸形状を有している。
【００３１】
従来、整流子の外周面に、ブラシとの摺動方向と平行な凹凸形状を設けることで、ブラシの摺動接触状態を安定させることが行われる。しかしながら、一般的な整流子とブラシとでは、摺動を繰り返すうちに、凹凸形状が徐々に摩耗してしまい、接触状態を安定化させる効果も低下してしまう。
【００３２】
そこで、硬質化合物を整流子のブラシとの接触面又はその近傍に点在させることで、整流子の摩耗が抑制され、整流子の外周面の凹凸形状も保持される。これにより、ブラシとの摺動接触の安定化を長期間維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】スタータの一部切欠断面図
【図２】整流子の部分拡大断面図
【図３】ブラシと整流子との摺動状態を示す模式図
【図４】直流モータへ結線される始動回路の構成例を示す図
【図５】使用状態での整流子及びブラシの模式図
【図６】硬質化合物の存在率と整流子寿命との関係を示す図
【図７】硬質化合物の露出面積の割合と整流子寿命との関係を示す図
【図８】他の実施形態における整流子の模式図
【図９】他の実施形態における使用状態での整流子の模式図
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、車両のエンジンを始動するスタータとして具体化した構成について、図面に基づいて説明する。本実施形態のスタータは、アイドリングストップシステムを搭載した車両に用いられることが想定されている。
【００３５】
図１は、スタータＳの概略構成図である。スタータＳは、直流モータ４０と、直流モータ４０の回転を減速してピニオンギヤ７３に伝達する減速部５０と、直流モータ４０への電力の供給のスイッチとなるマグネットスイッチ６０とを備えている。減速部５０は、例えば、遊星歯車機構等により構成されている。
【００３６】
マグネットスイッチ６０は、スタータＳがエンジンのリングギヤを回転させる状態にするためのスイッチになっている。例えばユーザのキー操作によってＩＧスイッチがオン操作されると、マグネットスイッチ６０により、シフトレバー７１がピニオンギヤ７３を直流モータ４０とは反対側に押し出して、エンジンのリングギヤとピニオンギヤ７３とが噛合う。また、マグネットスイッチ６０を介して、直流モータ４０にも通電され、直流モータ４０の回転が、減速部５０及びワンウェイクラッチ７２を介してピニオンギヤ７３に伝達される。
【００３７】
直流モータ４０は、電機子である回転子１０を備えており、回転子１０には、その中心に設けられた回転軸１２と、回転軸１２を中心としてコイル１５が設けられている。回転軸１２には、コイル１５に接続される整流子２０が設けられている。また、直流モータ４０の界磁方式は、磁石界磁式となっており、界磁のための磁石１６がヨークの内周面に固定されている。そして、磁石１６の内側に回転子１０のコイル１５が配置されている。
【００３８】
図１及び図２を用いて、整流子２０について説明する。図２は、整流子２０の部分拡大断面図である。整流子２０には、周方向に等間隔で複数のセグメント２１が設けられており、各セグメント２１が各コイル１５に接続されている。また、整流子２０は、銅又は銅９９％以上の銅合金で形成されている。より具体的には、整流子２０は、銀入り銅やリン脱酸銅により形成されている。なお、整流子２０は、その露出する外周面及びその導通に係る部分、つまり各セグメント２１が、銅又は銅合金で形成されていればよい。
【００３９】
整流子２０には、ブラシ３０が押し付けられて摺接している。整流子２０の外周面には、凹凸形状を有する凹凸部２２が設けられている。凹凸部２２は、ブラシ３０との摺動方向、つまり整流子２０の回転方向と平行に形成されており、弧状の窪みと鋭利な突出とが交互に設けられた形状となっている。凹凸部２２の各溝の深さは、例えば０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度であって、突出同士の間隔は、１ｍｍ程度である。凹凸部２２によって、ブラシ３０側に凹凸部２２に嵌まる溝が形成され、ブラシ３０側と整流子２０側とが嵌まりあうことで、ブラシ３０の接触状態を安定させることができ、火花の発生を抑制することができる。
【００４０】
図３を用いて、ブラシ３０の構成について説明する。図３は、ブラシ３０と整流子２０との摺動状態を示す模式図である。図３の矢印は、ブラシ３０に対する整流子２０の摺動方向を示している。
【００４１】
ブラシ３０は、黒鉛及び銅等を含んだ焼結体によって構成されている。ブラシ３０は、その側面に外部に接続するピグテール３５が埋め込まれている。なお、図示は略すが、ブラシ３０は、整流子２０の逆側に設けられたばねにより、整流子２０に対して押し付けられている。
【００４２】
ブラシ３０は、整流子２０の回転方向に並べて配置された第１層３１と第２層３２とを有する多層ブラシである。整流子２０の回転時には、各セグメント２１に対して、第１層３１が先に接触し、それに続いて第２層３２が接触するようになっている。その場合に、各セグメント２１に第２層３２が最後に接触するようになっている。第１層３１は、銅の含有率が高く抵抗値が低い層である一方、第２層３２は、銅の含有率が第１層３１よりも低く第１層３１よりも抵抗値が高い層となっており、第２層３２は第１層３１よりも薄くなっている。具体的には、第１層３１の銅粉の量（以下、「銅量」と記す）が焼結体の３０〜６０質量％である一方、第２層３２の銅量が、焼結体の３０質量％より小さい。
【００４３】
次に、図１及び図４を用いて、直流モータ４０への電力供給のための回路について説明する。図４は、マグネットスイッチ６０を経由して直流モータ４０へ結線される始動回路８１の構成を示す図である。整流子２０には、ブラシ３０を介して蓄電池８０から電力が供給されており、ブラシ３０から供給された電力をコイル１５に供給する。コイル１５に電力が供給されることにより、回転子１０が回転する。この直流モータ４０は、例えば無負荷運転時における整流子２０が３０ｍ／ｓよりも速い周速で回転する。
【００４４】
従来、スタータＳへの電力供給は、１個の鉛蓄電池を用いることが多かった。１個の鉛蓄電池を用いた始動回路では、開放電圧が１１〜１４Ｖの範囲で、配線抵抗及び蓄電池の内部抵抗を合わせた回路抵抗は、６〜８ミリΩ程度が主流である。
【００４５】
一方、近年では、軽量化や充電効率を向上するために、蓄電池８０として、リチウムイオン蓄電池等を用いている。例えば、蓄電池８０として、図４（ａ）のようにリチウムイオン蓄電池（ＬｉＢ）を有する構成、図４（ｂ）のように２個の鉛蓄電池（ＰｂＢ）を並列に接続した構成、図４（ｃ）のようにリチウムイオン蓄電池と鉛蓄電池を並列に接続した構成等が用いられている。これらの蓄電池８０では、開放電圧が１１〜１４Ｖの範囲で、配線抵抗Ｒｗ及び蓄電池８０の内部抵抗Ｒｂを合わせた回路抵抗Ｒが５ｍΩ未満となる。そのため、これらの蓄電池８０を用いると、直流モータ４０への印加電圧が大きくなり、直流モータ４０の回転速度も上昇する。本実施形態の直流モータ４０として、例えば、常温始動時の印加電圧が１２Ｖ程度で、直流モータ４０作動時の電流として１００Ａ以上流れることがあるものを使用している。
【００４６】
図４に示すような回路構成で用いられる本実施形態の直流モータ４０では、火花による摩耗が発生しやすいおそれがある。一般的に、巻線磁界式よりも、本実施形態の直流モータ４０のような磁石磁界式の方が、整流子２０とブラシ３０との間の火花発生が多くなり、摩耗も多くなる。また、リチウムイオン蓄電池等を用いる始動回路８１では、直流モータ４０の回転速度が上昇するため、整流子２０とブラシ３０との間の火花発生が多くなり、摩耗も多くなる。
【００４７】
また、火花発生が多くなることによって、凹凸部２２が削れやすくなるおそれがある。一般的に、凹凸部２２は、整流子２０とブラシ３０との間の摺動によって、凹凸部２２が徐々に損耗し、それに伴いブラシ３０の摺動接触安定化の効果も徐々に低下する。特に、本実施形態のように、凹凸部２２の溝が薄く、また火花が発生しやすい構成では、早期に凹凸形状が損耗してしまい、ブラシ３０の摺動接触安定化の効果が早期に失われる。
【００４８】
そこで、本実施形態では、少なくともスタータＳの使用を開始した以降における使用状態で、図５に示すように、整流子２０のブラシ３０との接触面２０Ａ又はその近傍に硬質化合物３３が点在する構成としている。図５は、使用状態での整流子２０及びブラシ３０の模式図である。硬質化合物３３は、ブラシ３０に含有されており、ブラシ３０と整流子２０との摺動により転写されて、整流子２０の接触面２０Ａ又はその近傍に点在する。なお、近傍とは、整流子２０の接触面２０Ａから所定深さ、例えば２０μｍまでの間を示している。
【００４９】
整流子２０のブラシ３０との接触面２０Ａ上には、整流子２０とブラシ３０との間の摺動により、黒鉛被膜２５が形成されている。黒鉛被膜２５は、ブラシ３０に含有されている黒鉛が整流子２０の接触面２０Ａに転写されることで形成される。黒鉛被膜２５が形成されていることで、整流子２０の接触面２０Ａに潤滑性が得られる。この黒鉛被膜２５は、一般的に、平均でおおよそ１μｍ程度の厚みを有している。
【００５０】
また、ブラシ３０には、黒鉛及び銅粉の他に、金属硫化物固体潤滑剤が含有されている。金属硫化物固体潤滑剤として、例えば二硫化タングステンや二硫化モリブデンが用いられている。ブラシ３０に金属硫化物固体潤滑剤が含有されていると、黒鉛と同時に金属硫化物固体潤滑剤が転写され、黒鉛被膜２５中にもブラシ３０に含有されているのと同じ金属硫化物固体潤滑剤が含有される。そして、金属硫化物固体潤滑剤が含有された黒鉛被膜２５によって、良好な潤滑性が得られる。なお、ブラシ３０の第１層３１及び第２層３２の少なくとも一方に、金属硫化物固体潤滑剤が含有されていればよい。また、ブラシ３０の第１層３１と第２層３２とで、異なる金属硫化物固体潤滑剤が含有されていてもよい。例えば、第１層３１に二硫化タングステンが含有され、第２層３２に二硫化モリブデンが含有されていてもよい。
【００５１】
さらに、ブラシ３０には、硬質化合物３３が含有されている。硬質化合物３３は、整流子２０の母材である銅又は銅合金並びにブラシ３０に含まれる黒鉛及び銅粉等よりも高い硬度を有している。硬質化合物３３のビッカース硬度は、少なくとも５ＧＰａより大きく、望ましくは、１０ＧＰａよりも大きい。硬質化合物３３は、炭素の無機化合物（炭化物）であり、例えば、モリブデンカーバイド、タングステンカーバイド、ボロンカーバイド、シリコンカーバイドである。
【００５２】
硬質化合物３３の大きさは、１〜６μｍであることが望ましい。さらに望ましくは、硬質化合物３３の大きさは、４．５μｍ〜５μｍであるとよい。黒鉛被膜２５が平均でおよそ１μｍの厚みを有していることから、１μｍより小さいものは黒鉛被膜２５に埋没してしまう。また、６μｍより大きいもの、特に１０μｍより大きいものは、整流子２０の接触面２０Ａの硬質化合物３３とブラシ３０とが摺動する際に、硬質化合物３３がブラシ３０に対する摺動抵抗になってしまい、接触面２０Ａから脱落しやすくなる。また、摺動抵抗によってブラシ３０側が削られすぎてしまうおそれがある。なお、硬質化合物３３として、１μｍより小さいものや６μｍより大きいものが少量含有されていてもよい。
【００５３】
硬質化合物３３の抵抗率が炭素の抵抗率以下、つまり１６μΩｍ以下であることが望ましい。ブラシ３０と整流子２０との間の電気的な接触抵抗は、整流子２０の接触面２０Ａ上に形成される黒鉛被膜２５の接触抵抗に大きく依存する。この黒鉛被膜２５の接触抵抗は、主成分である炭素の抵抗率に依存しており、炭素の抵抗率はおおよそ１６μΩｍである。そのため、硬質化合物３３の抵抗率が炭素の抵抗率以下、つまり１６μΩｍ以下であれば、硬質化合物３３が接触面２０Ａに点在していても、整流子２０とブラシ３０との間の接触抵抗が上昇するおそれがない。
【００５４】
ブラシ３０に含有された硬質化合物３３は、ブラシ３０が整流子２０側に押し付けられた状態でブラシ３０と整流子２０とが互いに擦りあうことで、整流子２０の接触面２０Ａに転写される。つまり、硬質化合物３３は整流子２０及びブラシ３０に用いられる他の物質より硬く、またブラシ３０が整流子２０に押し付けられる力と摩擦による熱が作用することで、硬質化合物３３は整流子２０の接触面２０Ａ及びその近傍に点在するように埋め込まれた状態となる。
【００５５】
そして、硬質化合物３３が整流子２０の接触面２０Ａ及びその近傍に点在することで、整流子２０の接触面２０Ａには、硬質化合物３３よりなる硬質部分とそれ以外の非硬質部分とが存在することとなる。整流子２０側に押し付けられた状態のブラシ３０が硬質化合物３３により支持されることで、非硬質部分（硬質化合物３３以外の部分）に対するブラシ３０の押し付け力が軽減される。そのため、ブラシ３０が非硬質部分を強い力で擦ることが抑制され、非硬質部分、つまり整流子２０の母材が削れることが抑制できる。
【００５６】
次に、硬質化合物３３の存在の割合と、整流子２０の摩耗低減の度合いとの関係について、図６及び図７に基づいて検討する。図６は、硬質化合物３３の存在率と整流子２０の寿命との関係を示す図である。なお、存在率とは、所定範囲の面積に点在する硬質化合物３３の平均の数を示している。図７は、硬質化合物３３の露出面積の割合と整流子２０の寿命との関係を示す図である。なお、露出面積とは、硬質化合物３３が整流子２０の接触面２０Ａより突出している部分の表面積を示している。
【００５７】
本願の発明者は、硬質化合物３３の整流子２０の接触面２０Ａ中の存在率を変えて実験を繰り返し、どの程度の存在率があればよいか実験した。本願の発明者が存在率について実験を繰り返した結果、図６に示すように、整流子２０の接触面２０Ａの１００μｍ×１００μｍの範囲内に硬質化合物３３が１０個以上あると、整流子２０の摩耗低減効果が向上し、整流子２０の寿命、つまり整流子２０が摩耗限界に至るまでの期間が所望より長くなることを発見した。また、硬質化合物３３が整流子２０の接触面２０Ａの１００μｍ×１００μｍの範囲内に１００個より多いと、ブラシ３０に対して削る作用が大きくなりすぎてしまうことに気がついた。そこで、本実施形態では、整流子２０の接触面２０Ａの１００μｍ×１００μｍの範囲内に、硬質化合物３３が１０個〜１００個存在する構成としている。これにより、整流子２０の摩耗を低減しつつ、ブラシ３０が削れることを抑制できる。
【００５８】
なお、ブラシ３０から硬質化合物３３が転写される際に、硬質化合物３３の存在率が低い場合には、硬質化合物３３が転写されやすく、硬質化合物３３の存在率が高い場合には、整流子２０の接触面２０Ａの硬質部分が多いため、硬質化合物３３が転写されず欠落する可能性が高くなる。そのため、ブラシ３０からの転写される際に、適切な存在率になりやすい。
【００５９】
また、本願の発明者は、硬質化合物３３の露出面積の割合を変えて実験を繰り返した結果、図７に示すように、整流子２０の接触面２０Ａの表面積に対し０．４％以上硬質化合物３３が露出していると、整流子２０の摩耗低減効果が向上することに気がついた。そこで、本実施形態では、整流子２０の表面積に対し０．４％以上硬質化合物３３が露出している構成としている。これにより、整流子２０の摩耗を低減することができる。なお、適切な存在率で、適切な大きさの硬質化合物３３の場合には、硬質化合物３３の露出面積は、０．４％以上になっている。
【００６０】
このような硬質化合物３３の存在率や硬質化合物３３の露出面積にするためのブラシ３０に含有される硬質化合物３３の割合や量について検討する。ブラシ３０内の硬質化合物３３は全てが転写されるわけではなく、一部は転写されずに欠落してしまう。そのため、ブラシ３０において、整流子２０への押し付け方向に直交する面内において、硬質化合物３３がある程度の面積割合で含有されている必要がある。一方、硬質化合物３３の面積割合が大きくなりすぎると、黒鉛の割合が低くなり、黒鉛の潤滑機能が作用しにくくなるため望ましくない。そこで、本実施形態では、押し付け方向に直交する面内において、硬質化合物３３の占める面積割合が０．４％〜５％としている。硬質化合物３３の占める面積割合が０．４％〜５％の場合には、整流子２０の接触面２０Ａに適切に硬質化合物３３を転写させつつ、潤滑性を保持することができる。
【００６１】
また、焼結体であるブラシ３０に含有されている硬質化合物３３の量が多くなると、硬質化合物３３が整流子２０を削ってしまったり、焼結体に含有されている黒鉛の量が減少して黒鉛の潤滑機能が作用しにくくなったりする。そこで、本実施形態では、ブラシ３０に含有される硬質化合物３３の量を１質量％以下に制限することで、硬質化合物３３によって整流子２０が削られたり、整流子２０とブラシ３０との間の潤滑性が下がったりすることを抑制できる。
【００６２】
なお、金属硫化物固体潤滑剤及び硬質化合物３３は、黒鉛や銅粉と一緒に混ぜられて成形されている。そのため、ブラシ３０には、その整流子２０への押し付け方向の全域に亘って、金属硫化物固体潤滑剤及び硬質化合物３３が含有されている。つまり、ブラシ３０における整流子２０との接触面から所定の摩耗想定範囲において、硬質化合物３３が含有されている。これにより、摩耗想定範囲のブラシ３０が摩耗され、ブラシ寿命になるまで、硬質化合物３３を整流子２０の接触面２０Ａに供給できる。なお、摩耗想定範囲は、押し付け方向において、整流子２０側の端面からピグテール３５が出ている位置となっている。
【００６３】
上述の通り、所定の割合の硬質化合物３３が含有されたブラシ３０を、常温始動時の印加電圧が１２Ｖ程度で、作動時の電流として１００Ａ以上流れることがある直流モータ４０で用いる作動試験を実施した。作動試験において、数千回作動後には、整流子２０の接触面２０Ａ上に、１００μｍ×１００μｍの範囲内に、硬質化合物３３が１０個〜１００個存在する存在率で点在し、その露出面積０．４％以上になっていることが確認された。
【００６４】
このように、使用状態で整流子２０の接触面２０Ａに硬質化合物３３が点在することで、整流子２０の摩耗を抑制することができ、整流子２０の寿命を向上することができる。また、整流子２０の摩耗を抑制することで、整流子２０の偏摩耗による形状精度、すなわち、円筒整流子の場合には、真円度、フェイス整流子の場合には平面度の悪化も抑制できる。そのため、形状精度悪化による火花を抑制できるため、ブラシ３０側の寿命を延ばすこともできる。
【００６５】
また、硬質化合物３３が整流子２０の接触面２０Ａに点在されている。そのため、整流子２０の凹凸部２２の凹凸形状の損耗が大幅に抑制され、ブラシ３０の摺動接触安定化の効果を長期間維持することが可能となる。ブラシ３０の寿命向上効果も長期間維持することができる。
【００６６】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。
【００６７】
ブラシ３０に、硬質化合物３３が含有されている。この硬質化合物３３が、少なくとも使用状態で整流子２０のブラシ３０との接触面２０Ａ又はその近傍に点在することで、整流子２０の接触面（表面）２０Ａには、硬質化合物３３よりなる硬質部分とそれ以外の非硬質部分とが存在することになる。そして、その硬質部分によって、非硬質部分、つまり整流子２０の銅又は銅合金の部分の摩耗を抑制できる。これにより、整流子２０の摩耗を抑制することができ、整流子２０の寿命を向上することができる。
【００６８】
ブラシ３０に硬質化合物３３が含有されている場合には、ブラシ３０と整流子２０との摺動によって、硬質化合物３３が整流子２０側に転写される。その結果、硬質化合物３３が整流子２０の接触面２０Ａ又はその近傍に点在する。また、ブラシ３０の摩耗に伴って、ブラシ３０に含有されている硬質化合物３３が転写され続ける。そのため、整流子２０の接触面２０Ａから硬質化合物３３が欠落した場合でも、新たな硬質化合物３３が供給されることで、整流子２０の接触面２０Ａ又はその近傍に硬質化合物３３が点在し続けることができる。
【００６９】
ブラシ３０には、整流子２０との接触面から所定の摩耗想定範囲において硬質化合物３３が含有されている。つまり、ブラシ３０が摩耗する範囲には硬質化合物３３が含有されている。そのため、摩耗想定範囲のブラシ３０が摩耗され、ブラシ寿命になるまで、硬質化合物３３を整流子２０の接触面２０Ａに供給できる。整流子２０の接触面２０Ａ又はその近傍に硬質化合物３３が点在する状態を維持でき、整流子２０の摩耗を抑制できる。
【００７０】
ブラシ３０内の硬質化合物３３は全てが転写されるわけではなく、一部は転写されずに欠落してしまうため、ある程度の面積割合で含有されている必要がある。一方、硬質化合物３３の面積割合が大きくなりすぎると、黒鉛の割合が低くなり、黒鉛の潤滑機能が作用しにくくなるため望ましくない。そこで、本実施形態では、ブラシ３０において、整流子２０への押し付け方向に直交する面内において、硬質化合物３３の占める面積割合が０．４％〜５％の場合には、整流子２０の接触面２０Ａに適切に硬質化合物３３を転写させつつ、潤滑性を保持することができる。
【００７１】
焼結体（ブラシ３０）に含有されている硬質化合物３３の量が多くなると、硬質化合物３３が整流子２０を削ってしまったり、焼結体に含有されている黒鉛の量が減少して黒鉛の潤滑機能が作用しにくくなったりする。そこで、焼結体に含有される硬質化合物３３の量を１質量％以下に制限することで、硬質化合物３３によって整流子２０が削られたり、整流子２０とブラシ３０との間の潤滑性が下がったりすることを抑制できる。
【００７２】
整流子２０とブラシ３０との間の摺動により、ブラシ３０の黒鉛が整流子２０に転写され、それに伴い整流子２０の接触面２０Ａ上に黒鉛被膜２５が形成される。この際に、ブラシ３０に金属硫化物固体潤滑剤が含有されていると、整流子２０の接触面２０Ａに形成される黒鉛被膜２５中にも金属硫化物固体潤滑剤が含有される。金属硫化物固体潤滑剤が含有された黒鉛被膜２５によって、良好な潤滑性が得られる。そのため、硬質化合物３３による摩耗抑制に加えて、金属硫化物固体潤滑剤による潤滑性によって、整流子２０の接触面２０Ａが保護される。
【００７３】
また、黒鉛被膜２５は、一般的に、平均でおおよそ１μｍの厚みを有している。そのため、硬質化合物３３の大きさが小さすぎると、黒鉛被膜２５に埋没してしまう。一方、硬質化合物３３のサイズが大きすぎると、硬質化合物３３とブラシ３０とが摺動する際に、硬質化合物３３がブラシ３０に対する摺動抵抗になってしまい、整流子２０の接触面２０Ａから脱落しやすくなる。また、摺動抵抗によってブラシ３０側が削られすぎてしまうおそれがある。
【００７４】
そこで、本実施形態では、硬質化合物３３の大きさを１〜６μｍにしている。硬質化合物３３が１μｍより大きいことで、黒鉛被膜２５から露出しやすくなる。また、硬質化合物３３が６μｍより小さいことで、摺動抵抗を抑えることができる。これにより、ブラシ３０と整流子２０とを適切に支持し、整流子２０の摩耗を低減できる。
【００７５】
ブラシ３０と整流子２０との間の電気的な接触抵抗は、整流子２０の接触面２０Ａ上に形成される黒鉛被膜２５の接触抵抗に大きく依存する。この黒鉛被膜２５の接触抵抗は、主成分である炭素の抵抗率に依存しており、炭素の抵抗率はおおよそ１６μΩｍである。そのため、硬質化合物３３の抵抗率が炭素の抵抗率以下、つまり１６μΩｍ以下であれば、硬質化合物３３が点在していても、ブラシ３０と整流子２０との間の接触抵抗が上昇するおそれがない。抵抗率が１６μΩｍ以下の硬質化合物３３を用いることで、直流モータ４０の抵抗増加を抑制しつつ、整流子２０の摩耗を抑制できる。
【００７６】
整流子２０の外周面に、ブラシ３０との摺動方向と平行な凹凸形状を設けることで、ブラシ３０の摺動接触状態を安定させることが行われている。この際に、硬質化合物３３を整流子２０の接触面２０Ａ又はその近傍に点在させることで、整流子２０の摩耗が抑制され、整流子２０の外周面の凹凸形状も保持される。これにより、ブラシ３０との摺動接触の安定化を長期間維持することができる。
【００７７】
＜他の実施形態＞
本発明は、上記実施形態に限定されず、例えば以下のように実施してもよい。ちなみに、以下の別例の構成を、上記実施形態の構成に対して、個別に適用してもよく、また、任意に組み合わせて適用してもよい。
【００７８】
・硬質化合物３３が、図８に示すように、整流子２０において、ブラシ３０との接触面２０Ａ又はその近傍に点在するようにしてもよい。この場合には、整流子２０の表面（ブラシ３０との接触面２０Ａ）、又はその近傍を含む所定範囲において、硬質化合物３３を予め埋設させる。そして、整流子２０を真円にする研磨を行い、その後凹凸部２２を形成する。なお、硬質化合物３３の点在する範囲は、整流子２０の表面から整流子２０の摩耗限界に至る範囲であり、例えば表面から０．７ｍｍより小さい範囲であるとよい。
【００７９】
使用状態では、図９に示すように、整流子２０の非硬質部分が若干摩耗し、接触面２０Ａ上に黒鉛被膜２５が形成される。そして、整流子２０の接触面２０Ａで露出する硬質化合物３３が整流子２０とブラシ３０との間を支持する。なお、摩耗限界まで硬質化合物３３が埋め込まれていることから、整流子２０が摩耗したとしても、硬質化合物３３が整流子２０とブラシ３０との間を支持し続け、整流子２０の摩耗を抑制することができる。
【００８０】
整流子２０において、使用前の状態から整流子２０の接触面２０Ａ又はその近傍に硬質化合物３３が点在することで、使用開始当初から整流子２０の摩耗を低減できる。また、ブラシ３０からの転写ではなく、硬質化合物３３が整流子２０に予め点在することで、硬質化合物３３の点在する割合などをコントロールしやすくなる。なお、整流子２０側に埋め込んだ硬質化合物３３と同じ硬質化合物３３が、ブラシ３０側に含有されていることが望ましい。この場合には、予め埋め込まれた硬質化合物３３が欠落しても、新しい硬質化合物３３をブラシ３０からの転写により供給することができる。
【００８１】
また、予め埋め込まれた硬質化合物３３の存在率が、１００μｍ×１００μｍの範囲内に平均して１０個〜１００個存在する割合であるとよい。上記実施形態に記載の通り、整流子２０の接触面２０Ａの１００μｍ×１００μｍの範囲内に、硬質化合物３３が１０個〜１００個存在する構成では、整流子２０の摩耗を低減しつつ、ブラシ３０が削れることを抑制できる。
【００８２】
予め埋め込まれた硬質化合物３３の露出面積の割合は、整流子２０の表面積に対し０．４％以上であるとよい。上記実施形態に記載の通り、整流子２０の表面積に対し０．４％以上硬質化合物３３が露出している構成では、整流子２０の摩耗を低減することができる。
【００８３】
・整流子２０に対するブラシ３０の押し付け方向において、ブラシ３０における整流子２０側の端部の方が、反対側の端部に比べて硬質化合物３３の含有量が多くなっていてもよい。このようにすると、整流子２０の接触面２０Ａに硬質化合物３３が少ない状態で、硬質化合物３３の含有量が多い部分が摺接するため、硬質化合物３３が転写されやすくなる。また、整流子２０の接触面２０Ａに硬質化合物３３が点在する状態では、ブラシ３０側に含有される硬質化合物３３の量が少なく黒鉛の量が多くなっているため、必要な硬質化合物３３が転写された後は、潤滑性を向上することができる。
【符号の説明】
【００８４】
２０…整流子、２０Ａ…接触面、３０…ブラシ、３３…硬質化合物、４０…直流モータ、Ｓ…スタータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020171091.tif 000009
【図８】
2020171091.tif 000010
【図９】
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