(57)【要約】【課題】ブラシと整流子との接触面の電流整流による火花損傷を防止し、かつ、ブラシ及び整流子を低抵抗化することで、より長寿命で高効率のブラシ及び整流子を提供する。【解決手段】整流子モータに用いるブラシ又は整流子であって、このブラシと整流子との接触面の全体を構成する高抵抗層と、前記高抵抗層の比抵抗より低く、電源に接続される低抵抗層とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
整流子モータに用いるブラシであって、このブラシと整流子との接触面の全体を構成する高抵抗層と、この高抵抗層の比抵抗より低く、電源に接続される低抵抗層とを含むことを特徴とするブラシ。
【請求項２】
前記接触面に垂直な方向における前記低抵抗層の厚さが、前記接触面に垂直な方向における前記高抵抗層の厚さ以上であることを特徴とする請求項１記載のブラシ。
【請求項３】
前記高抵抗層は、炭素を主成分とし、粉末状炭素をバインダーとともに混練し、成形後に焼成した材料で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のブラシ。
【請求項４】
前記高抵抗層の比抵抗が２０〜２００μΩｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のブラシ。
【請求項５】
前記粉末状炭素が不定形炭素を含むことを特徴とする請求項３又は４に記載のブラシ。
【請求項６】
前記不定形炭素で形成された不定形炭素部の焼成後における硬さが平均で２〜６ＧＰａであることを特徴とする請求項５記載のブラシ。
【請求項７】
前記不定形炭素で形成された不定形炭素部の直径が平均５〜３００μｍであることを特徴とする請求項５又は６に記載のブラシ。
【請求項８】
前記不定形炭素で形成された不定形炭素部の前記接触面における面積占有率が５〜３０％であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載のブラシ。
【請求項９】
前記低抵抗層の比抵抗が０．２〜２０μΩｍであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のブラシ。
【請求項１０】
前記接触面の表面抵抗が接触面と接触面の反対側の面との間で測定した見かけの比抵抗の１．５倍以上であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のブラシ。
【請求項１１】
整流子モータに用いる整流子であって、この整流子とブラシとの接触面の全体を構成する高抵抗層と、この高抵抗層の比抵抗より低く、コイル接続線に接続される低抵抗層とを含むことを特徴とする整流子。
【請求項１２】
前記接触面に垂直な方向における前記低抵抗層の厚さが、前記接触面に垂直な方向における前記高抵抗層の厚さ以上であることを特徴とする請求項１１記載の整流子。
【請求項１３】
前記高抵抗層は、炭素を主成分とし、粉末状炭素をバインダーとともに混練し、成形後に焼成した材料で形成されていることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の整流子。
【請求項１４】
前記高抵抗層の比抵抗が２０〜２００μΩｍであることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の整流子。
【請求項１５】
前記粉末状炭素が不定形炭素を含むことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の整流子。
【請求項１６】
前記不定形炭素で形成された不定形炭素部の焼成後における硬さが平均で２〜６ＧＰａであることを特徴とする請求項１５記載の整流子。
【請求項１７】
前記不定形炭素で形成された不定形炭素部の直径が平均５〜３００μｍであることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の整流子。
【請求項１８】
前記不定形炭素で形成された不定形炭素部の前記接触面における面積占有率が５〜３０％であることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の整流子。
【請求項１９】
前記低抵抗層の比抵抗が０．２〜２０μΩｍであることを特徴とする請求項１１〜１８のいずれか一項に記載の整流子。
【請求項２０】
前記接触面の表面抵抗が接触面と接触面の反対側の面との間で測定した見かけの比抵抗の１．５倍以上であることを特徴とする請求項１１〜１９のいずれか一項に記載の整流子。
【請求項２１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載のブラシを用いることを特徴とする整流子モータ。
【請求項２２】
請求項１１〜２０のいずれか一項に記載の整流子を用いることを特徴とする整流子モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、整流子及びブラシに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関やタービンエンジンなど、燃料を燃焼させることで動力を得る機関の多くは、燃料を供給するための燃料ポンプを具備している。例えば、自動車などのエンジンに燃料タンクからガソリン等の燃料を汲み出して供給する燃料ポンプは、ポンプのシャフトとモータとを直結し、単一のケースに収めて小型化されている。このポンプのモータは、燃料液に浸漬されており、直流ブラシモータの整流子（コンミテータ又はコミュテータとも呼ぶ。）と電機子（ブラシ）との接触部は燃料液中で摺動する。
【０００３】
従来、整流子又はブラシ材は、銅を主成分とする材料が用いられている。しかしながら、銅などの金属材料は、燃料中の腐食成分や劣化成分或いはアルコール燃料の配合により腐食しやすいという問題がある。現在では、耐食性及び導電性を考慮して、特許文献１〜２に示されるカーボン材を用いたブラシが用いられるようになってきている。
【０００４】
また、整流子についても、耐食性の面から特許文献３に示されるように、カーボンベース材料が提案され、実用化されている。
【０００５】
ブラシ及び整流子の耐食性は、主に接触部の摩擦により金属表面の不導体膜が剥ぎ取られることにより腐食が加速されるため、接触面について特に考慮されるべきである。
【０００６】
一方、ブラシ及び整流子による電流の供給においてモータ損失を低減させるため、特許文献４に示されるように、ブラシの接触面は、高抵抗材と低抵抗材とが同時又は交互に接触する工夫がなされている。
【０００７】
さらに、特許文献５に示されるように、回転方向の下流側に向けて順次接触部の抵抗を大きく変化させることにより整流電流波形を最適化し、モータの出力低下を抑制する方法がある。
【０００８】
特許文献６には、成層刷子における少なくとも一つの層が膨張黒鉛シートからなる電刷子が開示されている。
【０００９】
一般に、摺動接触部は、液体中で摺動する場合に、摺動速度の増加とともに境界部に液体が流入して層流が形成され、押し付け力が軽荷重であるほど低速から乖離、固体同士の接触がなくなる、すなわち、流体潤滑状態となる。燃料などの液中で用いられる燃料ポンプ用ブラシは、整流子との接触面に燃料液の層流が発生して液膜が形成されやすくなり、固体接触すなわち電気接点が得られず、整流子及びロータコイルへの電力供給に支障を及ぼす可能性がある。層流は液体の粘度が低いほど形成されにくく、ガソリンや軽油などの燃料液は潤滑油に比べて低粘度であるが、モータ回転数の高速化に伴い、ブラシと整流子との接触部に燃料の液膜が形成されることが、発明者等の研究でわかってきた（非特許文献１）。
【００１０】
さらに、この液膜は、常にブラシと整流子との接触面の間に存在し、かつ、電流が流れる程度に薄く形成されていることから、整流後期にモータのコイルに発生する高い電圧、すなわち火花電圧が液膜中に火花を発生させる。この火花はブラシ及び整流子の接触面に損傷を与え、火花摩耗を引き起こす。火花による損傷部は火花痕と呼ばれている。
【００１１】
火花痕は、摩擦面の損傷により次第に深くなり、ギャップが拡大して液膜が厚く介在することにより、ブラシと整流子との接触面の摩擦方向に拡大する。モータの回転に必要な通電部は次第に狭くなり、整流電流波形が歪んでモータ効率を低下させる要因となる。火花痕の拡大は、液体中の摺動だけでなく、大気中で用いられるモータでも見られるが、液体中の方が早くなる。
【００１２】
火花痕の拡大を防止するには、火花が発生しにくくなるようにブラシ及び整流子の比抵抗を大きくすることが有効である。しかし、ブラシ及び整流子の抵抗を大きくすることは、すなわち、電流を流れにくくすることであり、モータ全体としての損失を増やすことになる。従来の低抵抗材と高抵抗材との組み合わせでは、通電の抵抗を小さくすることができるが、接触面での腐食が無視できない環境で用いる場合、前述の火花痕の拡大や低抵抗の金属配合部が接触摩擦するため、腐食摩耗が進行しやすく、所望の寿命を確保することが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平１０−１６２９２３号公報
【特許文献２】特開２００６−４２４６３号公報
【特許文献３】特開２００６−１２１８０１号公報
【特許文献４】特開平７−１８４３５６号公報
【特許文献５】特開平６−２３３４９８号公報
【特許文献６】特開昭６１−２５９４７１号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】トライボロジー学会予稿集、東京２００８−５、ｐｐ．４９〜５０（２００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、ブラシと整流子との接触面の電流整流による火花損傷を防止し、かつ、ブラシ及び整流子を低抵抗化することで、より長寿命で高効率のブラシ及び整流子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明のブラシは、整流子モータに用いるブラシであって、このブラシと整流子との接触面の全体を構成する高抵抗層と、この高抵抗層の比抵抗より低く、電源に接続される低抵抗層とを含むことを特徴とする。
【００１７】
本発明の整流子は、整流子モータに用いる整流子であって、この整流子とブラシとの接触面の全体を構成する高抵抗層と、この高抵抗層の比抵抗より低く、コイル接続線に接続される低抵抗層とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ガソリン、軽油又はアルコール系燃料などの液体燃料中で整流を行うブラシと整流子との間の火花発生を抑制し、通電経路の抵抗を低減することで通電効率を高め、さらに材料の損傷を抑えて長寿命化を図ることができる。
【００１９】
また、本発明によれば、整流子モータに起因する電波ノイズを低減する効果を得ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明のブラシを模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明による実施例１の摺動部材の断面組織を示す模式図である。
【図３】本発明によるブラシの接触面における表面抵抗と火花痕拡大速度及び摩耗速度との関係を示すグラフである。
【図４】本発明によるブラシに含まれる不定形炭素の平均粒径と火花痕拡大速度及び摩耗速度との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の積層ブラシ材における高抵抗層の厚さとブラシの接触面における表面抵抗との関係を示すグラフである。
【図６】本発明によるブラシとフラット整流子との接触状態を模式的に示す斜視図である。
【図７】本発明によるブラシとフラット整流子との接触状態におけるフラット整流子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図８】本発明による変形実施例のブラシと整流子との接触状態を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明は、液体燃料中に浸漬して用いるモータにおいて、整流子に接触させて摺動、整流することを目的とするブラシ及び整流子であって、例えば燃料ポンプ中のガソリン等の液中で使用されるブラシに関する。また、本発明の材料は、相手方の整流子にも用いることができる。
【００２２】
ブラシの火花放電は、ブラシが整流子から徐々に離れる際に、電流変化に伴ってモータコイルに発生する高電圧が整流子を介してブラシと整流子との接触部に印加されて発生する。また、この高電圧による電流は、２つの整流子に跨ってブラシが接触する際に整流子からブラシを介して別の整流子に火花電流が流れるため、この電流を循環電流又は短絡電流と呼んでいる。
【００２３】
我々は、電源に接続せず整流子のみに接触するブラシを観察したところ、ブラシを介して２個の整流子の間に流れる火花電流がブラシ及び整流子に火花損傷を与えることを確認し、この電流が、ブラシの表面抵抗又は整流子の表面抵抗を大きくすることで抑制できることを見出した。
【００２４】
ブラシを格納し、整流子の接触面の反対側からバネ等の押し付け力を与えるブラシホルダを有するモータに用いるブラシは、接触姿勢を安定させるために接触面幅の２倍程度の長さ（厚さ）が必要である。また、ブラシに通電するためのリード線接続部が必要で、整流子への接触に不要な部分がある。
【００２５】
一方、火花電流を抑制するために有効な大きな表面抵抗を担う高抵抗層の厚さは、少なくとも１ｍｍ以上であればよいことがわかった。したがって、接触部の摩耗により高抵抗層が失われても、想定する寿命時間に到達した時点で、高抵抗層が有効に残存すればよく、整流子への接触に不要な部分は抵抗が低くなるようにすれば、ブラシ全体として接触部とリード線との間の抵抗を小さくでき、ひいてはモータ全体の抵抗損失が軽減することができる。
【００２６】
ブラシ又は整流子を保持するための長さが規定されている場合、高抵抗層の厚さは、ブラシ又は整流子の厚さの１／２以下であれば、全体の抵抗が高抵抗層のみの場合と低抵抗層のみの場合との加算平均以下に小さくすることができる。高抵抗層は薄いほどモータ効率が改善されるが、使用時間が長く寿命の予測が難しい場合は、ブラシの保持安定性或いは整流子の形状安定性並びに効率改善を優先してブラシ又は整流子の厚さの１／２を高抵抗層厚さの上限とする。これは、整流子とブラシとの接触面に垂直な方向における保持部（低抵抗層）の厚さが、この接触面に垂直な方向における高抵抗層の厚さ以上である、と言い換えることもできる。
【００２７】
耐食性があり、かつ、火花を抑制するための抵抗を付与した接触面の高抵抗層を得るためには、黒鉛質又は炭素黒鉛質或いは炭素質のカーボン材料が有効である。カーボンフィラーをピッチバインダーとともに成形・焼成して黒鉛化した材料の比抵抗は１０μΩｍ（マイクロオーム・メートル）程度の低抵抗である。この材料を用いたブラシ又は整流子を使用し、自動車用バッテリーでモータを駆動した場合の印加電圧１２〜１４Ｖでは、ブラシ又は整流子に形成される火花痕が拡大しやすい。特に、整流子が低抵抗である場合にブラシの火花痕は速やかに全面に拡大する。一方、樹脂バインダーを用いた材料の比抵抗は、調整が容易であり、焼成条件によっても高抵抗化が図れる。
【００２８】
我々は、火花の発生を抑制する高抵抗材の比抵抗が、少なくとも２０μΩｍ以上であることを実験的に確認した。比抵抗が大きいほど火花抑制効果が大きいが、一方で、比抵抗が２００μΩｍを超えると、抵抗損失が増大するだけでなく、比抵抗を大きくするため、材質面で密度の低下が生じ、構造体としての強度が低下し、後述する火花による破壊損傷を受けやすくなるため、ブラシ又は整流子として好ましくない。
【００２９】
このため、高抵抗材の比抵抗は、２０〜２００μΩｍとすることが望ましい。さらに、実用的には４０〜１００μΩｍで最も火花損傷を受けにくい。
【００３０】
比抵抗を大きくするために、焼成温度を低くしていくと、カーボン材料の見かけ密度が低くなり、火花損傷を受けやすくなる。
【００３１】
そこで、比抵抗を大きくしながら火花損傷を受けにくくするために、火花により破壊されにくい粒子を添加する。すなわち、上述の高抵抗層は、炭素を主成分とし、粉末状炭素をフィラーとして樹脂バインダーとともに混練し、成形後に焼成した材料で形成する。
【００３２】
この粒子（粉末状炭素）は高抵抗であり、添加することで高抵抗層の比抵抗を調整することができる。さらに、火花の衝撃でも脱落しないような粒径とすることが好ましい。また、火花に破壊されにくい粒子（耐火花性を有する粒子）は硬質であり、火花以外にも機械的接触による摩耗を防止する効果（耐摩耗性）もある。
【００３３】
導電性及び耐食性を考慮すると、不定形炭素を添加することが有効である。ここで、不定形炭素とは、炭素の同素体のうち、ダイヤモンド・黒鉛以外のものをいう。
【００３４】
不定形炭素は、上述の耐摩耗性や耐火花性に優れたものが好ましく、その物性として硬さが指標となる。
【００３５】
不定形炭素で形成された不定形炭素部の焼成後における硬さは、ＩＳＯ規格１４５７７１に準拠したナノインデンタによる測定法を用いて押込み荷重３ｍＮで測定した押込み硬さが平均で２〜６ＧＰａの範囲が好ましい。粒子は、硬さが２ＧＰａ未満では火花のエネルギーにより容易に破壊され、火花摩耗が避けられず、硬さが６ＧＰａを超えると不定形炭素自体の耐摩耗性は向上するが、相手材の表面を過度にアブレシブ（切削）摩耗させるため好ましくない。
【００３６】
硬質の不定形炭素は、異方性の強い炭素粒子で前述のナノインデンタにより平均押込み硬さは２ＧＰａ程度で、異方性が弱くなるほど硬くなる。ダイヤモンドライクカーボンと呼ばれる非晶質の炭素やカーボンナノチューブも２〜８ＧＰａの硬さを有しており、以下の粒子の要件を満足することができれば、本発明の効果を得ることができる。
【００３７】
添加する粒子（添加粒子とも呼ぶ。）以外の黒鉛質を中心とする基材部（カーボン基材とも呼ぶ。）の押込み硬さは１ＧＰａ以下であり、硬い添加粒子はこの基材に囲まれて材料中に保持されている。不定形炭素の硬質な添加粒子のみでは成形が困難であり、かつ、抵抗が大きくなるため、高抵抗層の比抵抗を２０〜２００μΩｍにするためには、抵抗の低い黒鉛質基材と複合化する必要がある。基材の単独の比抵抗は１〜２０μΩｍであり、後述する添加粒子の大きさを考慮した不定形炭素の添加量は５〜３０体積％になる。すなわち、この場合に、高抵抗層の接触面における不定形炭素の面積占有率は５〜３０％となる。
【００３８】
添加粒子の機能を充分に発揮させるためには、この柔軟な基材が添加粒子を強固に保持する必要がある。添加粒子の粒径が小さい場合は、添加粒子が受ける火花や摩擦のエネルギーが基材に伝達しやすく、添加粒子が脱落しやすい。一方、添加粒子が大きいと火花損傷を受けにくくなるが、大きすぎると機械的な摩耗を起こしやすくなる。すなわち、硬く大きな添加粒子の摩耗が少ない分、接触部の表面が平滑になりにくく添加粒子が大きな突起となって相手材を摩耗させる、又は大きな添加粒子が脱落して接触界面に残存することにより、自身（ブラシ又は整流子）及び相手材にアブレシブ摩耗を引き起こすことになる。
【００３９】
異方性の強い、ナノインデンタの平均押込み硬さ２ＧＰａの不定形炭素は、異方性であるために、楕円体状、直方体状又は針状になっている。このため、基材による保持性が高く、粒子の最長部が５μｍ以上の場合、基材から脱落しにくくなる。さらに、粒子の最長部が２０μｍ以上の場合、基材からほとんど脱落しなくなる。
【００４０】
以上より、火花や摩擦によって脱落しない添加粒子の大きさ（不定形炭素の直径）は、平均粒径で５〜３００μｍが必要であり、平均粒径で２０〜１５０μｍであることが望ましい。
【００４１】
一方、ブラシ又は整流子の通電抵抗を下げるための低抵抗層は、銅又は銅合金を用いることができる。更に耐食性が必要な場合は、黒鉛質若しくは黒鉛炭素質のカーボン材を用いる。
【００４２】
銅を低抵抗層として用いる場合は、この銅又は銅合金の比抵抗は小さいほど好適である。金属焼結材として用いる場合の比抵抗は０．２μΩｍ程度である。実質、高抵抗層よりも比抵抗が小さいことが必要であり、０．２μΩｍ未満でも性能上問題は無い。
【００４３】
カーボン材を低抵抗層として用いる場合は、焼成温度を高くして約１０μΩｍの低抵抗層を得ることができる。黒鉛炭素質では、固体潤滑材成分、例えば、タルク、セリサイト、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、鉛などを添加することは、ブラシの場合にホルダとの摩擦抵抗の低減に有効であり、この場合も、比抵抗が２０μΩｍを超えると、高抵抗層との差が少なくなり、全体の抵抗を下げる効果が少なくなる。
【００４４】
このため、低抵抗層の比抵抗は、０．２〜２０μΩｍとすることが望ましい。また、低抵抗層が、少なくとも高抵抗層の１／２以下の比抵抗を持つように調整することが望ましい。低抵抗層のカーボン材は、生産性を向上させるために、高抵抗層の添加粒子以外の基材と共通とすることもできる。
【００４５】
カーボン材を低抵抗層として用いる場合、添加粒子の平均粒径を５〜３００μｍとし、バインダーの混合割合を１０〜３０重量％とすることが望ましい。
【００４６】
以上の構成により、ブラシ又は整流子の接触面における表面抵抗は、接触面と接触面の反対側の面との間で測定した見かけの比抵抗の１．５倍以上とることが望ましい。表面抵抗が大きいことは、循環電流による火花の発生を抑制する。また、見かけの比抵抗が小さくなることは、通電抵抗を軽減し、モータの効率の向上に寄与する。
【００４７】
低抵抗層の材料として用いることが可能な上記以外の金属粉としては、真鍮、白銅、洋白、青銅、ニッケル銅、銀メッキ銅粉、ニッケルメッキ銅粉、ＳＵＳ粉、りん銅及びニッケルがある。
【実施例１】
【００４８】
ブラシの製作に際しては、ブラシと整流子とが接触する面側、すなわち、ブラシの高抵抗層側となる材料の成形粉（高抵抗層用成形粉）を得るために、粒径４０μｍの天然黒鉛４５重量％に、バインダーであるフェノール樹脂（日立化成工業（株）製）２５重量％及び平均粒径４０μｍの不定形炭素２０重量％を加え、さらに、溶媒としてメタノールを１０重量％配合し、５０℃で３０分混練した。混練後、９０℃で６時間乾燥した後、衝撃粉砕機で平均粒径が１００μｍ以下となるように粉砕した。粉砕後の平均粒径は、４０〜８０μｍとすることが望ましい。また、バインダーには、フェノール樹脂、フラン樹脂、ピッチ及びタールから適宜選択し、配合量としては１５〜５０重量％が望ましい。
【００４９】
一方、ブラシと整流子とが接触する面の反対側、すなわち、リード線が接続される低抵抗層側となる材料の成形粉（低抵抗層用成形粉）を得るために、高抵抗層用成形粉４０重量％に真鍮粉６０％を配合し、Ｖ型ブレンダーで撹拌混合した。
【００５０】
そして、メカプレスに５ｍｍ×５ｍｍの金型を装着し、高抵抗層用成形粉を充填後、治具を用いて充填粉の表面を均し、続いて、低抵抗層用成形粉を充填した後、４００ＭＰａの条件で加圧してカーボンの積層成形品を得た。成形品の全体の厚みは１０ｍｍとし、うち高抵抗層の厚みを３ｍｍ、低抵抗層の厚みを７ｍｍとした。
【００５１】
上記の成形品を分解アンモニアガスによる還元ガス雰囲気中で１時間に５０℃の昇温速度で７００℃まで昇温し、７００℃で１時間保持した後、冷却し、カーボンのブラシ材を得た。
【００５２】
このブラシ材の低抵抗層側にリード線を埋設し、試験用ブラシを得た。
【００５３】
図１は、本発明のブラシを模式的に示す斜視図である。
【００５４】
本図において、ブラシ３は、低抵抗層１及び高抵抗層２を含む構成を有し、高抵抗層２の下面が整流子との接触面４（整流子接触面とも呼ぶ。）となっている。また、低抵抗層１の上部にはリード線５が接続してあり、外部の電源から電力の供給を受けることができるようになっている。ここで、高抵抗層２は、ブラシ３と整流子との接触面４の全体を構成している。すなわち、低抵抗層１は、接触面４の構成に含まれていない。
【００５５】
別途積層しない状態で製作した高抵抗層２、すなわち、単独の高抵抗層２の比抵抗は５８μΩｍであり、単独の低抵抗層１の比抵抗は０．６μΩｍであった。
【００５６】
図２は、本発明による実施例１の摺動部材の断面組織を模式的に示す部分拡大図である。
【００５７】
本図において、ブラシ３は、カーボン基材１１（基材部）に不定形炭素１２が分散された構成となっている。
【００５８】
上記の高抵抗層用成形粉を用いて、メカプレスに外径φ２０ｍｍの金型を装着し、成形後の厚さが７ｍｍになるように４００ＭＰａの条件で加圧成形し、ブラシと摺動する相手材となる整流子の成形品を得た。得られた略円盤形状の成形品を、分解アンモニアガスによる還元ガス雰囲気中で１時間５０℃の昇温速度で７００℃まで昇温し、７００℃で１時間保持した後、冷却し、カーボンの整流子材を得た。
（比較例）
実施例１と同様の成形手順により、高抵抗層となる材料に添加する不定形炭素の平均粒径を５〜２００μｍに変化させたブラシ材及び不定形炭素の添加量を５〜５０重量％に変化させたブラシ材を種々作製し、リード線を埋設した比較試験用ブラシを得た。さらに、比較例として不定形炭素を添加しないブラシ材も作製した。
【００５９】
以上の実施例１及び比較例によるブラシ及び整流子の評価は、ブラシ通電摩擦試験機を用いて行った。
【００６０】
この試験機は、モータの整流を模擬しており、８セグメントの整流子を整流子に電流を供給するためのスリップリングを装備したシャフトに取り付け、モータで回転させる。回転する整流子に電源に接続したブラシ及び電源に接続しないブラシを押し付ける。スリップリングには、モータのロータ回路を模擬したコイル及び抵抗を介して電源が接続される。
【００６１】
電流は、電源から抵抗、コイル及びスリップリングを通り、整流子の各セグメントに供給され、整流子に接触するブラシに流れる。また、電流は、ブラシ及び整流子により整流され、断続する際にコイルのインダクタンスの影響を受け、ブラシと整流子との接触部に高電圧が印加される。この高電圧は、ブラシと整流子との接触部に形成される狭いギャップに作用し、雰囲気の放電電圧を超えると火花が発生する。
【００６２】
コイルに流れる電流波形とスリップリングの電位（電圧）を同期させて観測することにより、コイルで発生する電圧に起因する急峻な電圧ピーク及びその時刻から、ブラシにおける火花の発生位置を特定することができる。
【００６３】
整流波形において、整流終了時刻と火花発生時刻との差が大きいほど、火花痕、すなわち火花による損傷範囲が広い。火花痕は、試験開始初期から時間が経過するとともに次第に拡大する。材質の違いによる耐火花性は、拡大速度を比較することで評価することができる。拡大速度が遅くなるほど耐火花性が優れている。一方、耐摩耗性は、時間あたりのブラシ高さの減少、或いは整流子表面の窪みで評価する。
【００６４】
図３に実施例１と比較例の各種ブラシ材を評価した結果から火花痕拡大速度及びブラシと整流子との摩耗をブラシ接触面の表面抵抗で整理した例を示す。
【００６５】
ブラシ接触面の表面抵抗は、不定形炭素の添加量が多くなるほど大きくなる。表面抵抗が大きくなるほど、火花痕拡大速度は遅くなるが、表面抵抗が１００μΩｍを超えるとブラシ材の高抵抗層の密度が小さくなり、火花損傷を受けやすくなるため、火花痕拡大速度が若干大きくなる。ブラシの摩耗は添加剤を増やし、結果的に表面抵抗が大きくなるほど少なくなるが、硬い添加粒子が増えるため、整流子の摩耗は増大する。
【００６６】
相手材の摩耗及び火花損傷を抑制するためには、表面抵抗を適正範囲とする必要がある。
【００６７】
図４に火花痕拡大速度及び摩耗に対する不定形炭素の平均粒径の影響を検討した例を示す。
【００６８】
不定形炭素を添加することにより、ブラシの摩耗が抑制され、同時にブラシ接触面の表面抵抗が増大するとともに、添加した不定形炭素が火花痕の拡大を抑制する効果が現れている。耐火花性は、不定形炭素の平均粒径が大きくなりすぎると、基材による粒子の保持が不十分となり、平均粒径１５０μｍを極小として悪化する。
【００６９】
これらの耐火花性や摩耗特性は接触面近傍の現象であるから、長時間使用しても必要な厚さが確保されていれば良い。
【００７０】
図５は、表面抵抗と高抵抗層の厚さとの関係を示したものである。
【００７１】
表面抵抗は、ブラシの接触面の幅を５等分した位置に４本の電極針を接触させ四短針法により測定した。高抵抗層及び低抵抗層の厚さはそれぞれ１０ｍｍとして積層した。高抵抗層及び低抵抗層の比抵抗はそれぞれ５０μΩｍ、０．５μΩｍである。高抵抗層の厚さは、ブラシの摩耗を想定して１５００番のエメリー紙で高抵抗層を徐々に削り取ることにより調整した。
【００７２】
高抵抗層側の表面抵抗は、厚さ２ｍｍに減少した時点から下がり始め、厚さ１ｍｍでは削る前の約７５％に減少し、更に薄くなると急速に減少する。このことから、図３に示す有効な表面抵抗を得るためには、少なくとも高抵抗層の厚さを１ｍｍ以上にすること、及び、この必要な高抵抗層の厚さを長時間使用において維持するためには、上記の１ｍｍに、摩擦及び火花損傷による不可避的な摩耗の速度を実機の目標時間に勘案した厚さが必要であることがわかる。
【００７３】
図３〜５とは別の観点として、高抵抗層と低抵抗層との境界面における付着力の問題がある。
【００７４】
高抵抗層と低抵抗層との境界面は、ブラシと整流子との接触面に略平行となっている。このため、ブラシと整流子との接触面における摩擦力により、高抵抗層と低抵抗層との境界面に力が加わり、この境界面においてブラシが破断する可能性がある。
【００７５】
この破断を防止するためには、高抵抗層と低抵抗層との境界面における付着力を高める必要がある。
【００７６】
実験的な検討の結果、低抵抗層の成分として真鍮粉を用いた場合、破断防止の観点から、真鍮粉の割合を１０〜９５重量％（もう一つの成分である高抵抗層用成形粉の割合を９０〜５重量％）とすることが可能であることがわかった。また、真鍮粉の割合は、５０〜９０重量％（高抵抗層用成形粉の割合を５０〜１０重量％）とすることが望ましい。さらに、真鍮粉の割合は、７０〜８５重量％（高抵抗層用成形粉の割合を３０〜１５重量％）とすることが更に望ましい。最も望ましいのは、真鍮粉の割合を８０重量％（高抵抗層用成形粉の割合を２０重量％）とすることである。
【００７７】
図６は、本発明によるブラシとフラット整流子との接触状態を模式的に示す斜視図である。また、図７は、本発明によるブラシとフラット整流子との接触状態におけるフラット整流子の構成を模式的に示す斜視図である。
【００７８】
これらの図において、整流子４３は、８個のセグメント４４から構成されている。そして、それぞれのセグメント４４の間には、絶縁のためのギャップ４７が設けてあり、それぞれのセグメント４４の下部にコイル接続線４５が接続してある。また、整流子４３は、樹脂モールド４６で側面を覆われている。さらに、整流子４３の８個のセグメント４４はそれぞれ、低抵抗層４１及び高抵抗層４２を有し、この高抵抗層４２とブラシ３の高抵抗層２とが接触面を構成するようになっている。
【００７９】
フラット整流子の場合も、低抵抗層４１及び高抵抗層４２の厚さ、材質、比抵抗などの構成は、ブラシの構成と同様である。
【００８０】
図８は、本発明による変形実施例のブラシと整流子との接触状態を模式的に示す断面図である。
【００８１】
本図において、ブラシ３は、低抵抗層１及び高抵抗層２を含む構成を有し、高抵抗層２の下面が整流子との接触面（整流子接触面とも呼ぶ。）となっている。また、低抵抗層１の上部にはリード線５が接続してあり、外部の電源から電力の供給を受けることができるようになっている。
【００８２】
この変形実施例においては、ブラシ３の低抵抗層１の大部分（下面及び側面）が高抵抗層２で覆われた構成となっている。低抵抗層１がリード線５に接続してあれば、低抵抗層１の上面も含めた全体が高抵抗層２で覆われた構成としてもよい。
【００８３】
整流子４３は、複数個のセグメント４４から構成されている。そして、それぞれのセグメント４４の間には、絶縁のためのギャップ４７が設けてあり、それぞれのセグメント４４の下部にコイル接続線４５が接続してある。さらに、整流子４３の複数個のセグメント４４はそれぞれ、低抵抗層４１及び高抵抗層４２を有し、この高抵抗層４２とブラシ３の高抵抗層２とが接触面を構成するようになっている。
【００８４】
この変形実施例においては、ブラシ３と同様に、整流子４３の低抵抗層４１の大部分（下面及び側面）が高抵抗層４２で覆われた構成となっている。低抵抗層４１がコイル接続線４５に接続してあれば、低抵抗層４１の上面も含めた全体が高抵抗層４２で覆われた構成としてもよい。
【００８５】
この変形実施例においては、上記の接触面に垂直な方向における高抵抗層２の厚さは、低抵抗層１が上記の接触面に垂直な方向において最大の厚さを有する部分における低抵抗層１の下面と上記の接触面との距離と定義する。同様にして、上記の接触面に垂直な方向における高抵抗層４２の厚さは、低抵抗層４１が上記の接触面に垂直な方向において最大の厚さを有する部分における低抵抗層４１の上面と上記の接触面との距離と定義する。
【実施例２】
【００８６】
実施例１のブラシ及び整流子を自動車２０００ｃｃクラスのエンジン用のガソリンタンク内で用いられる燃料ポンプモータ（整流子モータ）に装着し、効率及び摩耗耐久性を測定した。初期の効率は、従来のブラシ及び整流子を用いた場合と比較して５％向上した。さらに、３年相当の加速試験では８％に向上した。すなわち、高抵抗層が摩耗するに従って効率は向上することを確認した。
【００８７】
また、摩耗速度は、従来材を用いた場合に比較して１／１０に低減することができた。さらに、火花発生が抑制されるため、ＡＭラジオ及びＦＭラジオに影響を及ぼす電磁ノイズを半減することができた。
【実施例３】
【００８８】
１００％アルコール燃料やこのアルコール燃料が劣化した場合、液体の腐食性（燃料による腐食性）が高まるため、材料の耐食性も向上させる必要がある。
【００８９】
実施例１のブラシにおいては、低抵抗層に銅粉を配合していたが、低抵抗層の耐食性を高めるため、低抵抗層に銅粉を配合せず、さらに、低抵抗層への不定形炭素の添加量を３重量％とした。低抵抗層の比抵抗は３５μΩｍに調整した。
【００９０】
このブラシのリード線と整流子接触面との間で測定した抵抗は、高抵抗層のみで作製したブラシの７０％程度であり、したがって、３０％の抵抗損失の低減が図れる。このブラシ及び整流子を自動車２０００ｃｃクラスのエンジン用のガソリンタンク内で用いられる燃料ポンプモータに装着し、効率及び摩耗耐久性を測定した。初期の効率は、従来のブラシ及び整流子を用いた場合と比較して２％向上した。
【００９１】
以上より、本発明の積層ブラシは、高抵抗層の整流子接触面の比抵抗が低抵抗部（低抵抗層）の比抵抗に対して１．５倍以上であれば、ポンプモータの効率を向上できることがわかった。本発明のブラシであることは、接触面の比抵抗と接触面の反対側の比抵抗とを四探針法で比較測定することにより容易に確認できる。
【符号の説明】
【００９２】
１：低抵抗層、２：高抵抗層、３：ブラシ、４：接触面、５：リード線、１１：カーボン基材、１２：不定形炭素、４１：低抵抗層、４２：高抵抗層、４３：整流子、４４：セグメント、４５：コイル接続線、４６：樹脂モールド、４７：ギャップ。
【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】
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【図８】
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