(57)【要約】【課題】機械的損失及び電気的損失を低減することができる金属黒鉛質ブラシ及び金属黒鉛質ブラシを備えたモータを提供する。【解決手段】モータ１０のロータ２に設けられるコア９に巻回されたコイル１７に対して、給電を行う金属黒鉛質ブラシ１において、金属黒鉛質ブラシ１は、表面及び内部に気孔を有する焼結体からなり、前記気孔内に水の沸点より高い沸点を有する導電性の液体を含浸した。【選択図】図１
2006067702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータのロータに設けられるコアに巻回されたコイルに対して、給電を行う金属黒鉛質ブラシにおいて、
該金属黒鉛質ブラシは、表面及び内部に気孔を有する焼結体からなり、前記気孔内に水の沸点より高い沸点を有する導電性の液体を含浸した金属黒鉛質ブラシ。
【請求項２】
前記導電性の液体は、水の沸点より高い沸点を有する液体を溶媒とし、電解質を溶質とした請求項１に記載の金属黒鉛質ブラシ。
【請求項３】
前記電解質は、金属塩を有する請求項２に記載の金属黒鉛質ブラシ。
【請求項４】
前記電解質は、金属石鹸及び陰イオン性界面活性剤の少なくともいずれかである請求項２に記載の金属黒鉛質ブラシ。
【請求項５】
前記溶媒は、沸点がそれぞれ異なる複数種類の液体の混合物を有する請求項２〜４のいずれか１項に記載の金属黒鉛質ブラシ。
【請求項６】
前記溶媒は、吸湿性を有する水溶性のグリコール類、及び吸湿性を有する水溶性のグリコールエーテル類から選ばれる少なくとも１種類を有する請求項２〜５のいずれか１項に記載の金属黒鉛質ブラシ。
【請求項７】
前記導電性の液体は、ｐＨが７〜１１の範囲にある請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属黒鉛質ブラシ。
【請求項８】
ハウジングと、
ハウジング内に配設されるマグネットと、
該マグネットに対向して配設され、コアに巻回されたコイルを有し、ハウジン
グ内で回転自在なロータと、
該ロータを前記ハウジングに対して支持するシャフトと、
前記ロータに設けられ、前記コイルに対して給電を行う整流子と、
該整流子に摺接する金属黒鉛質ブラシと、
を備えたモータにおいて、
前記金属黒鉛質ブラシを、表面及び内部に気孔を有する焼結体で構成し、前記気孔内に水の沸点より高い沸点を有する導電性の液体を含浸してある金属黒鉛質ブラシを備えたモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータのロータに給電を行う金属黒鉛質ブラシ、特に機械的損失及び電気的損失を低減させた金属黒鉛質ブラシ、及び金属黒鉛質ブラシを備えたモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ブラシ付きのモータは、ブラシが整流子に摺接して給電がなされるものである。そして、整流子には、ロータに設けられるコアに巻回されたコイルが接続され、コイルに対して通電がなされると、ロータはハウジング内部にロータと対向して配設された永久磁石との吸引／反発力によって回転する。
【０００３】
上記構成を有するブラシ付きモータでは、ブラシと整流子とは互いに固体であるため、それぞれの表面の粗さの状態に応じて摺接する。摺接は微視的には３点の接触によるものであり、接触点は摺接によってその都度変化していく。このため、ブラシ付きモータでは、ブラシと整流子との摺接による磨耗等の機械的損失や、接触電圧降下による電気的損失が少なからず発生することが知られている。
【０００４】
一方、ブラシ付きのモータを車両用として適用する場合には、モータのブラシとして、黒鉛粒子と銅粒子とを接合溶剤を用いて混合し、焼成する金属黒鉛質ブラシが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
金属黒鉛質ブラシの製造方法の一例としては、天然の黒鉛粒子をベース、溶解フェノール樹脂溶液をバインダーとして捏和し、二硫化モリブデンを潤滑材として加えて、窒素雰囲気中で７００〜８００℃で焼結することが知られている。この場合、黒鉛粒子の表面に被膜として形成した溶解フェノール樹脂は、還元焼結によって炭化して非晶質炭素になり、非晶質炭素がバインダーとなって黒鉛粒子を結合させる。そして、この焼結によって溶解フェノール樹脂溶液の有機物質は二酸化炭素や水蒸気として昇華するため、焼結体の表面及び内部には多数の気孔が形成される。上記製法により作製された金属黒鉛質ブラシは、ブラシを形成する黒鉛粒子の吸湿性によって、大気中に存在する水分を気孔内に取り込むことができる。
【０００６】
このような金属黒鉛質ブラシをモータに取り付けた場合、金属黒鉛質ブラシが動作すると、金属黒鉛質ブラシと整流子との摺接面が昇温され、金属黒鉛質ブラシの摺接面に近い内部気孔から水分が蒸発する。そして、蒸発した水蒸気が金属黒鉛質ブラシと整流子との摺接面に介在することによって滑り摩擦係数が小さくなるという、所謂気体潤滑作用により、金属黒鉛質ブラシの磨耗量を低減させることができる。
【０００７】
しかし、上記金属黒鉛質ブラシ付きのモータを車両用に適用する場合には、車両のエンジンルームではエンジンの発熱等の影響により、金属黒鉛質ブラシと整流子との摺接面が１００℃以上の高温に達することがある。この場合、金属黒鉛質ブラシの気孔内に取り込まれた水分は常温時に比べ、非常に早く蒸発するため、モータは、金属黒鉛質ブラシと整流子との摺接面を介在する水蒸気がない状態で動作することになり、摺接面の滑り摩擦係数が大きくなる。このため、特に１００℃以上の高温下で使用する場合には、金属黒鉛質ブラシが磨耗し易くなり、ブラシ付きモータの寿命が短くなるという問題があった。
【０００８】
上記問題に対しては、金属黒鉛質ブラシの焼結体の表面及び内部に有する気孔内に水の沸点より高い沸点を有する液体を含浸する技術が提案されている（例えば、特許文献２）。この技術によれば、モータの使用温度が１００℃以上になっても、金属黒鉛質ブラシの気孔内の液体は完全に蒸発することがなく、黒鉛質ブラシと整流子との摺接面に介在する液体の蒸気がなくならないため、摺接面の滑り摩擦係数を小さくでき、磨耗量を減らすことができる。
【０００９】
また、ブラシ付きモータの電気的損失に関しては、特にブラシとして金属黒鉛質ブラシを用いる場合には、従来の金属ブラシを用いる場合に比べて接触電圧降下が大きくなるという問題があった。例えば、銅粉が６０重量％以上を占める比較的電流密度が高い金属黒鉛質ブラシにおいても、ブラシの接触抵抗は約５０ｍΩとなり、整流子との間には０．４〜０．５Ｖの接触電圧降下が発生する。
【００１０】
上記問題に対しては、銅粉の代わりに、導電性金属短繊維や、炭素繊維の長手方向の表面に導電性金属膜を設けた複合短繊維、導電性金属短繊維と炭素繊維の長手方向の表面に導電性金属膜を設けた複合短繊維を用いることにより、ブラシの接触抵抗を小さくすることが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−２９８９１３号公報（第１頁）
【特許文献２】特開２００４−１７３４８６号公報（第２−４頁）
【特許文献３】特開平５−２３６７０８号公報（第２−３頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、上記のような金属黒鉛質ブラシの気孔内に水の沸点より高い沸点を有する液体を含浸する技術は、気体潤滑作用により、１００℃以上の高温状態においてもブラシの機械的磨耗を低減することができるという優れた効果を有するものの、電気的損失に関しては考慮されていなかった。特に気孔内に含浸する液体として、グリコール類やグリコールエーテル類を使用する場合には、絶縁性であるため、これらの気体を摺接面に介在させると電気的損失はむしろ大きくなるという問題があった。
【００１３】
また、摺接面に絶縁体を介在させることによって電気抵抗も大きくなるため、金属黒鉛質ブラシから火花放電が発生し易くなり、火花放電による機械的磨耗が大きくなることも懸念される。
【００１４】
一方、銅粉の代わりに導電性金属短繊維等を用いた金属黒鉛質ブラシについては、従来の金属黒鉛質ブラシに比べて、機械的損失及び電気的損失が向上するものの不十分であった。
【００１５】
本発明は上記問題に鑑み案出されたものであり、機械的損失及び電気的損失を低減することができる金属黒鉛質ブラシ及び金属黒鉛質ブラシを備えたモータを提供することを解決すべき課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の金属黒鉛質ブラシの第１特徴構成は、モータのロータに設けられるコアに巻回されたコイルに対して、給電を行う金属黒鉛質ブラシにおいて、該金属黒鉛質ブラシは、表面及び内部に気孔を有する焼結体からなり、前記気孔内に水の沸点より高い沸点を有する導電性の液体を含浸した点にある。
【００１７】
つまり、この構成によれば、水の沸点より高い沸点を有する液体を表面及び内部に気孔を有する焼結体の気孔内に含浸させることにより、金属黒鉛質ブラシと整流子との摺接面が１００℃以上の高温状態になっても、金属黒鉛質ブラシの気孔内の液体は完全に蒸発することがなく、金属黒鉛質ブラシと整流子との摺接面に介在する液体の蒸気がなくならない。このため、気体潤滑作用により摺接面の滑り摩擦係数を小さくでき、磨耗による機械的損失を減らすことができる。なお、この場合、焼結体に形成された気孔内への液体の含浸は、低圧含浸により行うことができる。
【００１８】
さらに、水の沸点より高い沸点を有する液体を導電性の液体とすることにより、摺接面の昇温に伴い気孔内から滲み出た液体が摺接面に介在し、その導電性によって金属黒鉛質ブラシと整流子との間の接触抵抗を低下させることができる。このため、電気的損失も低減させることができる。また、金属黒鉛質ブラシと整流子との間の接触抵抗の低下により、火花放電も発生し難くなるため、火花放電による機械的損失も低減させることができる。
【００１９】
したがって、金属黒鉛質ブラシの機械的損失及び電気的損失を低減させることができる。
【００２０】
本発明の金属黒鉛質ブラシの第２特徴構成は、前記導電性の液体は、水の沸点より高い沸点を有する液体を溶媒とし、電解質を溶質とした点にある。
【００２１】
つまり、この構成によれば、絶縁性もしくは導電性の低い液体であっても、電解質を溶質として溶解させることによって導電性の液体とすることができるため、溶媒として任意の液体を選択することができる。これにより、溶媒として、導電性を有しなくても優れた気体潤滑作用を有する液体を用いることができるため、電気的損失を低減させつつ、機械的損失をより低減させることができる。
【００２２】
本発明の黒鉛質ブラシの第３特徴構成は、前記電解質は、金属塩を有する点にある。
【００２３】
つまり、この構成によれば、金属塩は溶媒に対する溶解度が高く、溶解した後の溶液の電気伝導度を高めることができるため、電気的損失をより低減することができる。
【００２４】
本発明の黒鉛質ブラシの第４特徴構成は、前記電解質は、金属石鹸及び陰イオン性界面活性剤の少なくともいずれかである点にある。
【００２５】
つまり、この構成によれば、上記第３特徴構成による効果と同様に電気的損失をより低減することができる。
【００２６】
本発明の黒鉛質ブラシの第５特徴構成は、前記溶媒は、沸点がそれぞれ異なる複数種類の液体の混合物を有する点にある。
【００２７】
つまり、この構成によれば、金属黒鉛質ブラシの気孔内の溶媒が異なった温度で、蒸発するため、モータを幅広い温度範囲で使用しても、常に金属黒鉛質ブラシと整流子との摺接面に液体の蒸気を介在させることができ、磨耗による機械的損失を低減することができる。
【００２８】
本発明の黒鉛質ブラシの第６特徴構成は、前記溶媒は、吸湿性を有する水溶性のグリコール類、及び吸湿性を有する水溶性のグリコールエーテル類から選ばれる少なくとも１種類を有する点にある。
【００２９】
つまり、この構成によれば、熱安定性が良好であるため、モータの使用温度が高温であっても、熱分解することなく、所定の温度で蒸発できる。また、水溶性を有するため、８０℃までの低温領域で蒸発する液体として、水を用いることができる。さらに、複数種類の液体の混合物として用いる場合には、それぞれが相溶性を有するため均一に混合することができる。また、吸湿性を有するため、黒鉛質ブラシの気孔内に大気中の水分を取り込むことができる。したがって、より幅広い温度範囲において、磨耗による機械的損失を低減させることができる。
【００３０】
本発明の金属黒鉛質ブラシの第７特徴構成は、前記導電性の液体は、ｐＨが７〜１１の範囲にある点にある。
【００３１】
つまり、この構成によれば、腐食等の整流子に及ぼす化学的な影響を小さくすることができるため、金属黒鉛質ブラシを備えたモータの寿命を長くすることができる。この場合、ｐＨが９前後の弱アルカリ溶液とすると、腐食等の化学的な影響をさらに少なくし、金属黒鉛質ブラシの寿命をさらに長くすることができる。
【００３２】
本発明の金属黒鉛質ブラシを備えたモータの特徴構成は、ハウジングと、ハウジング内に配設されるマグネットと、該マグネットに対向して配設され、コアに巻回されたコイルを有し、ハウジング内で回転自在なロータと、該ロータを前記ハウジングに対して支持するシャフトと、前記ロータに設けられ、前記コイルに対して給電を行う整流子と、該整流子に摺接する金属黒鉛質ブラシと、を備えたモータにおいて、前記金属黒鉛質ブラシを、表面及び内部に気孔を有する焼結体で構成し、前記気孔内に水の沸点より高い沸点を有する導電性の液体を含浸してある点にある。
【００３３】
つまり、この構成によれば、機械的損失及び電気的損失が低い金属黒鉛質ブラシを備えているため、モータの寿命を長くし、その出力効率を増大させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明に係る金属黒鉛質ブラシは、モータのロータに設けられるコアに巻回されたコイルに対して、給電を行う金属黒鉛質ブラシにおいて、該金属黒鉛質ブラシは、表面及び内部に気孔を有する焼結体からなり、前記気孔内に水の沸点より高い沸点を有する導電性の液体を含浸したものである。これにより、機械的損失だけでなく、電気的損失をも低減させることができる。
【００３５】
すなわち、表面及び内部の気孔内に水の沸点より高い沸点を有する液体を含浸させることにより、金属黒鉛質ブラシと整流子との摺接面が１００℃以上の高温状態になっても、金属黒鉛質ブラシの気孔内の液体は完全に蒸発することがなく、金属黒鉛質ブラシと整流子との摺接面に介在する液体の蒸気がなくならない。このため、気体潤滑作用により摺接面の滑り摩擦係数を小さくでき、磨耗による機械的損失を減らすことができる。そして、それに加え、水の沸点より高い沸点を有する液体を導電性の液体とすることにより、摺接面の昇温に伴い気孔内から滲み出た液体が摺接面に介在し、その導電性によって金属黒鉛質ブラシと整流子との間の接触抵抗を低下させることができる。このため、電気的損失も低減させることができる。また、金属黒鉛質ブラシと整流子との間の接触抵抗の低下により、火花放電も発生し難くなるため、火花放電による機械的損失も低減させることができる。
【００３６】
さらに、従来の金属黒鉛質ブラシと整流子との接触では上記の通り３点接触であるのに対し、摺接面に液体を介在させて摺接面の表面の凹凸に入り込ませることにより接触点を増やすことができ、液体による潤滑性を向上させることによっても、磨耗による機械的損失を低減させることができる。
【００３７】
そして、本発明に係る金属黒鉛質ブラシを備えたモータは、ハウジングと、ハウジング内に配設されるマグネットと、該マグネットに対向して配設され、コアに巻回されたコイルを有し、ハウジング内で回転自在なロータと、該ロータを前記ハウジングに対して支持するシャフトと、前記ロータに設けられ、前記コイルに対して給電を行う整流子と、該整流子に摺接する金属黒鉛質ブラシと、を備えたモータにおいて、前記金属黒鉛質ブラシを、表面及び内部に気孔を有する焼結体で構成し、前記気孔内に水の沸点より高い沸点を有する導電性の液体を含浸してあるものである。これにより、金属黒鉛質ブラシの機械的損失及び電気的損失を低減させることができるため、黒鉛質ブラシを備えたモータの寿命を長くし、モータの出力効率を増大させることができる。
【００３８】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、ロータ２に対して給電を行う金属黒鉛質ブラシ（以下、単に「ブラシ」とも称する）１を用いたモータ１０の構造を示す断面図であり、この図１を参照して、最初に、モータ１０の構成について簡単に説明する。
【００３９】
図１に示すモータ１０は、ハウジング７の中でロータ２が回転を行う構成となっている。ロータ２は円筒状を呈する金属製のハウジング７の中に回転自在に収められ、ハウジング７はハウジング１３に対してボルト等の締結部材１４により固定されハウジング１３と一体となっている。ロータ２はシャフト４によって支持され、シャフト４の一方の端部（図１に示す右側）には２つの平行な面を互いに有する二面幅が設けられている。この二面幅に対して、被駆動装置の被駆動シャフト１６が軸方向から挿嵌されて結合されており、モータ１０の回転を被駆動シャフト１６から外部出力できる構成となっている。
【００４０】
ロータ２には、コア９を構成する複数の鉄板が軸方向に積層された状態で、コア９の中央にシャフト４が圧入されて一体で取り付けられ、ロータ２とシャフト４とは一体回転する。シャフト４の他端は、ハウジング７の奥に圧入されたベアリング（第１ベアリング）１２の内輪に圧入され、ハウジング７に対してベアリング１２によって回転自在に軸支される。一方、円筒状となったハウジング７の内面には、周方向において複数の円弧状を呈するマグネット１１が、接着剤等によって貼り付けられている。
【００４１】
また、ハウジング７が取り付けられるハウジング１３には、ロータ２が取り付けられるモータ取付け面に凹部１３ａが形成されている。この凹部１３ａにベアリング５の外輪５ａが圧入により取り付けられ、シャフト４はベアリング５を介して軸支される。これにより、ロータ２を軸支するシャフト４は、２つのベアリング５，１２によって、両持ちで回転自在に軸支される。この場合、ベアリング１２が圧入される方向とは反対側のシャフト４の他端には、ベアリング５の内輪５ｂにシャフト４が圧入されている。このベアリング５の外輪５ａは、ハウジング１３に形成された凹部１３ａの内径に圧入されて配設される。また、ハウジング１３内において、モータ１０のハウジング１３とベアリング５との間には、スプリング３が配設される。
【００４２】
スプリング３は、バネ性（バネ定数）の高い平板上の円盤形状を呈する金属から成り立っており、中央にシャフト４が貫通する孔３ｄを有する。スプリング３は中心から１２０度の位置より外径から内径に向かって周方向に３つのスリットが形成され、軸方向に対して三次元的に曲げられ、支持部３ａから連続的に付勢部３ｂが形成されている。スプリング３は支持部３ａにて凹部１３ａの段部に周状に当接して係止され、付勢部３ｂにてベアリング５の外輪５ａの側面に当接して、ベアリング５を軸方向（図１に示す左方向）に付勢する。
【００４３】
一方、ベアリング５のロータ側にはホルダ６が配設される。ホルダ６は樹脂より成り、ハウジング７と同軸で配設される。また、ホルダ６はロータ側に設けられたコア９に巻回されるコイル１７に対して整流子８から給電が成され、この整流子８に当接するブラシ１を２つ有する（図１では一つのみ表わす）。また、ホルダ６には外部からブラシ１を介してロータ側に給電を行うコネクタ１５が一体で形成される。このコネクタ１５に対し、図示しない外部コネクタを接続することにより、ブラシ１３を介してロータ２のコア９に巻回されたコイル１７に給電を行うことができる。コイル１７に給電が行われると、ロータ２とマグネット１１との間で電磁的な吸引／反発力が働き、ロータ２が回転する。
【００４４】
この様な構成及び動作を成すモータ１０における、ブラシ１について、以下に詳しく説明する。この実施形態におけるブラシ１は、図２の模式図に示す如く、天然黒鉛粒子１８をベースにした焼結体２２から成り立っており、焼結体２２の表面及びその内部に多数の気孔１９を有するものを用いている。そこで、図３を参照して、ブラシ１となる焼結体２２の製造工程の一例について、最初に説明する。
【００４５】
ブラシ１の製造では、ブラシ１に天然の黒鉛粒子（粒径：５〜１５０μｍ）を用意し、黒鉛粒子に対して体積比率で２〜３重量％の粒状ペレットから成るノボラック構造（または、レゾール構造）のフェノール樹脂を用意する（Ｓ１）。そして、ノボラック構造（レゾール構造）のフェノール樹脂をケトン類によって溶解させ、溶解フェノール樹脂溶液を作る（Ｓ２）。ここで使用するケトン類は、例えば、アセトンを使用すると良い。この場合、上記したフェノール樹脂の溶解にケトン類を用いなくても、アルコール類（例えば、メタノール等）を用いても良い。即ち、Ｓ２におけるアセトンによる溶解では、黒鉛粒子１８に対して加える溶解フェノール樹脂の粘度によって黒鉛粒子の表面に形成されるフェノール樹脂の皮膜の厚さが決定される。その後、天然の黒鉛粒子１８に対して、アセトンにてフェノール樹脂が溶解した溶解樹脂をスプレー塗装する（Ｓ３）。Ｓ３におけるスプレー塗装では、黒鉛粒子１８の表面に均一な溶解樹脂による皮膜が得られる様、塗布が行われる。
【００４６】
そして、表面に溶解樹脂が塗布された黒鉛粒子を捏和する（Ｓ４）。ここでの捏和は、黒鉛粒子１８を混練装置によって、所定時間の間（例えば、３〜５時間程）均一に混練する。その後、大気中にて３０分程の間、自然乾燥させた後に、所定形状、例えば直径が０．５ｍｍで長さが２ｍｍ程度の大きさに押し出し成形する（Ｓ５）。
【００４７】
そして、押し出し成形により得られた黒鉛粒子（造粒粒子）に対して、モータ駆動時にブラシ１に流す電流量を所定の電流密度に抑える為、ブラシ１に流す電流量に応じて銅粉を一緒に配合する（Ｓ６）。また、ここで、整流子８との滑りを良くする為に、二硫化モリブデンの配合も一緒に行うと良い。この様な工程により、銅粉及び二硫化モリブデンがそれぞれ均一になる様、混合される（Ｓ７）。その後、プレス装置により加圧成形（例えば、プレス成形）が行われ（Ｓ８）、ブラシ１の所望形状となる様に成形される。そして、プレス成形により得られた成形品を窒素雰囲気中で７００〜８００℃の温度で２〜３時間の間、還元焼成を行う（Ｓ９）ことによって、フェノール樹脂が還元焼成され、これによって生成された非晶質炭素が黒鉛粒子同士を結合し、ブラシ形状をした焼結体２２が出来上がる。この様にして出来上がった焼結体２２の表面及び内部には、図２の模式図に示す如く、隣接する黒鉛粒子１８との間に多数の気孔１９が形成される。
【００４８】
次に、図４を参照して、図３の様な工程を経て出来上がった焼結体２２に形成される気孔１９に液体２１を含浸させる工程の一例について、以下に説明する。
【００４９】
ブラシ１の気孔１９内に含浸させる液体２１は、水の沸点（１００℃）より高い沸点を有し、かつ導電性を有する液体を用いる。液体２１は、水の沸点より高い沸点を有する導電性の液体であれば、特に制限はなく、１種類の溶媒が水の沸点より高い沸点と導電性とを併せ持つものであっても、水の沸点より高い沸点を有する液体を溶媒とし、電解質を溶質として有するものであってもよい。したがって、絶縁性の溶媒であっても、その溶媒に電解質を溶解させることにより、導電性を有する液体とすることができるため、溶媒は、電解質を溶解できるものであれば、任意に選択することができる。また、その際、溶媒は１種類に限らず、複数種類の液体の混合物を有していてもよく、ブラシ１と整流子８との摺接面が１００℃以上になる場合には、ブラシ１の摺接面付近の温度より高い沸点を有する液体を有することが好ましい。このような観点から、液体２１の好ましい一例を示すと、気体潤滑作用に優れたグリコールエーテル類やグリコール類を溶媒として有する導電性溶液が挙げられる。
【００５０】
そこで、焼結体２２の気孔１９内に液体２１を含浸させる工程について、グリコールエーテル類の導電性溶液を含浸させる場合について説明する。この工程では、最初にグリコールエーテル類を用意する（Ｓ１１）。次に、電解質をグリコールエーテル類に溶解させる（Ｓ１２）。
【００５１】
次に、還元焼成により作られたブラシ１と成る焼結体２２を用意し（Ｓ１３）、Ｓ１２において調製したグリコールエーテル類の導電性溶液の中に浸漬させる（Ｓ１４）。そして、焼結体２２を浸漬させた状態で、１３３Ｐａ程度の減圧下で、所定時間（例えば、１〜２分程度）放置して、気孔１９内の大気を吸引して容器外に放出した後、気孔１９内の大気をグリコールエーテル類の導電性溶液で置換して、気孔１９内へグリコールエーテル類の導電性溶液を含浸させる（Ｓ１５）。焼結体２２の気孔１９の内部に入り込んでいた水分を含む大気を完全にグリコールエーテル類の導電性溶液と置換した後に常圧に戻すことによって、焼結体２２の表面及び内部の気孔１９内にグリコールエーテル類の導電性溶液が含浸した本発明の金属黒鉛質のブラシが完成する（Ｓ１６）。
【００５２】
上記した工程の如く、液体２１をブラシ１の焼結体２２に形成された気孔１９の内部に含浸させて、水よりも高い沸点（１００℃以上）を有し、かつ導電性を有する液体２１を、焼結体２２の内部に形成された気孔１９内に保持させることによって、水よりも高沸点の導電性の液体２１が焼結体の気孔１９内に大気に置き換わって形成される。上記工程では、１種類の液体２１を含浸させる場合について説明したが、液体２１が複数種類の液体の混合物であっても、同様の工程で含浸させることができる。すなわち、Ｓ１１において、複数種類の液体を所定の割合で配合した液体２１を用意することによって、本発明の金属黒鉛質ブラシ１を作製することができる。
【００５３】
本発明の金属黒鉛質ブラシ１を使用することによって、モータ駆動時（つまり、ブラシ１の摺接時）には、ブラシ１と整流子８との摺接面に液体２１の蒸気が介在する気体潤滑作用によって、摺接面の滑り摩擦係数を下げることができる。そして、ブラシ１が１００℃を越える動作状態になっても、液体２１の沸点以下では、液体２１は完全に蒸発することがなく、摺接面に介在する液体２１の蒸気はなくならない。このため、磨耗による機械的損失を低減させることができる。
【００５４】
ここで、一般的に沸点をもつ液体は、沸点に近い温度になるとその液体の蒸気圧は急激に上昇し、沸点において１気圧の蒸気圧をもつ。このためブラシ１の気孔１９内に低圧含浸された液体２１は、ブラシ１の摺接面に近い気孔１９の温度が、液体２１の沸点に近い温度にならないと、多くの量の蒸気が蒸発しない。また、前述の通り、沸点に近い温度で使用した場合は、蒸気圧が大きいため液体２１の消費量が多く、長時間に亘って蒸気をブラシ１の摺接面に供給できない。
【００５５】
また、モータ１０は自動車の電動化に伴い、機関系部品や制動系部品にも使用されており、特に、ウォータポンプやオイルポンプ等のような機関系部品は、電動ウィンドウシステム等の車体系部品に比べ、モータ１０の連続動作時間が著しく長く、連続動作時間は数時間にまで及ぶ。このモータ１０の連続動作時間の延長によって、ブラシ１の摺接面における平均温度が１５０℃から２５０℃近辺まで上昇する可能性がある。そして、モータ１０をどの温度雰囲気下で使用したとしても、摺接面には液体２１の蒸気を有していることが好ましい。
【００５６】
液体２１を構成する液体は、水の沸点より高い沸点を有する液体であれば、特に限定はなく、任意に選択可能であるが、１００℃以下の低温領域でも気体潤滑作用を得るためには、液体２１と共に水を含浸することが好ましく、このため、液体２１は水溶性であることが好ましい。さらに液体２１は吸湿性を有するものであれば、ブラシ１は大気中の水分を気孔１９内に取り込んで、補給することが可能となり、より好ましい。また、複数種類の液体を混合させる場合には、それぞれが相溶性を有し、所定の温度範囲でそれぞれの液体が蒸発するように、モータ１０の使用温度範囲においては、熱分解しないことが好ましい。また、気体潤滑作用の媒体となる液体の分子量は大きい方が、摺接面における体積当たりの気体分子が占める割合が多くなり、気体潤滑作用の効果は大きくなるため好ましい。
【００５７】
このような観点から、液体２１は上記の通りグリコールエーテル類またはグリコール類、特に水溶性及び吸湿性を有するものが好ましく、複数のグリコールエーテル類またはグリコール類を混合させる場合であっても、互いに水溶性を有するものであれば、相溶性を有するためより好ましい。
【００５８】
他方、本発明の金属黒鉛質ブラシ１は、モータ駆動（ブラシ１の摺接）により摺接面が昇温し、気孔１９内に含浸してある液体２１が体積膨張して、ブラシ１の摺接面に滲み出る。そして、液体２１の導電性能により、整流子８との接触抵抗を低下させて電気的損失を低減させることができる。また、接触抵抗の低下に伴い、摺接面における火花放電の発生も抑えることができるため、火花放電による機械的磨耗も低減させることができる。
【００５９】
モータ駆動時（ブラシ１の摺接時）において、常時、ブラシ１の摺接面に導電性の液体２１を存在させるためには、液体２１を金属黒鉛質ブラシ１の表面の気孔１９だけでなく、内部の気孔１９にまで低圧で含侵させることが好ましい。すなわち、金属黒鉛質ブラシ１と整流子８との摺接においては、一般的にブラシ１の方が磨耗されるため、ブラシ１の摺接面の磨耗により、内部の気孔１９が摺接面に現れ、そこから液体２１が滲み出させることができる。
【００６０】
なお、液体２１を摺接面に滲み出させるためには、液体２１の体積膨張率は大きい方が好ましい。そこで、１００℃以上の高温状態において優れた気体潤滑作用をもたらすグリコールエーテル類及びグリコール類の体積膨張率の一例を示すと、表１の通り０．６〜１．０×１０−３/℃程度の数値を有し、黒鉛粒子や銅粉の固体の体積膨張率に比べると３桁ほど大きい。このため、体積膨張率はブラシ１の摺接面を構成する固体よりも、グリコールエーテル類やグリコール類の方がはるかに大きく、内部気孔１９に低圧含浸された液体２１がグリコールエーテル類やグリコール類の場合には、確実に滲み出させることができる。そして、黒鉛質ブラシ１の内部気孔１９に含浸されたグリコール類やグリコールエーテル類は、モータの稼動時において、金属黒鉛質ブラシ１と整流子８との接触点に近い部位ほど温度が上がるため、体積が膨張し、含浸されたグリコール類あるいはグリコールエーテル類が摺接面に滲み出る。例えば、室温で低圧含浸されたグリコールエーテル類及びグリコール類は、ブラシの摺接面の平均温度が１５０℃になった時点では、約１０％の体積膨張率を有する。
【００６１】
【表１】
2006067702.tif 000003
【００６２】
但し、グリコールエーテル類及びグリコール類は、絶縁性の液体であるため、これらの液体を摺接面介在させたとしても、電気的損失は低減せず、却って大きくなることが懸念される。さらに、摺接面における電気抵抗が増大するため、金属黒鉛質ブラシ１から火花放電が起き易くなり、火花放電による機械的磨耗も増大する可能性もある。このため、グリコールエーテル類もしくはグリコール類を液体２１として使用する場合には、別途、液体２１に導電性を付与することが好ましい。
【００６３】
グリコールエーテル類あるいはグリコール類のような絶縁性もしくは導電性の低い液体に導電性を付与するためには、上記の通り電解質を溶質として溶解させることによって達成することができる。電解質としては、溶媒に対し溶解し易く、かつ溶解した後の溶液の電気伝導率が高い物質が望ましく、また溶解した後の溶液の蒸気圧の温度特性が、溶媒の蒸気圧の温度特性と略同一であって、気体潤滑作用を損なわないものが望ましい。そして、電解質の一例としては、金属塩を有することが好ましい。中でも金属塩は水に対する溶解度が高いものが好ましく、これにより水溶性のグリコールエーテル類及びグリコール類等の溶媒への溶解度が高くなるため、溶解した後の溶液の電気伝導度を高めることができる。金属塩の水に対する溶解度の一例は表２に示す通りである。これらの金属塩の中で、相対的に水に対する溶解度が高く、金属イオンを高濃度で析出する金属塩としては酢酸カリウムと酢酸ナトリウムが挙げられる。
【００６４】
【表２】
2006067702.tif 000004
【００６５】
また、液体２１は、ブラシ１が摺接する整流子８に対して、化学的な影響がないことが好ましい。すなわち、一般に整流子８は無酸素銅にごくわずかな銀を混合させた金属を用いるため、液体２１は、無酸素銅及び銀と反応する物質を有さない方が好ましい。すなわち、ハロゲンイオンや硫酸イオンなどの腐食性イオンや、銅と塩化物、塩化水和物や水酸化物などを形成するものを含有しない方が好ましい。
【００６６】
ここで、銅の腐食について説明する。銅は、Ｃｕ２＋との平衡電位Ｅは，水素極基準で、Ｅ＝+０.３３７＋０．０２９５ｌｏｇ〔Ｃｕ２＋〕で表され、水素より貴な不活性金属の一種である。銅の腐食図は図５に示す通りであり、銅は酸化剤が無ければ腐食しない。
【００６７】
溶媒としてグリコールエーテル類あるいはグリコール類を使用する場合には、酸化剤としては、唯一僅かな溶存酸素が考えられる。この極微量の溶存酸素で銅が侵されたとした場合、中性からｐＨが１３までの弱アルカリまでの領域では、酸化被膜あるいは水酸化被膜により不動態化して、耐食性を持つことになる。さらに、酸化剤で銅が酸化された場合でも、銅の酸化物、水酸化物のｐＨによる溶解度の変化を示した図６のようにｐＨが９〜１３では、ＨＣｕＯ２―となるものの、その溶解度は極めて小さいため不溶と想定しても支障はない。
また、一般に「銅管の蜂の巣状腐食」と称される腐食孔が肉眼では発見し難い微小な局部腐食に対しても、中性から弱アルカリ性の溶液が好ましい。
以上により、銅の腐食性を考慮すると、液体２１はｐＨが７〜１１の溶液であることが好ましく、９前後の弱アルカリ溶液であることがより好ましい。
【００６８】
水に対する溶解度の高い金属塩として、表２に示した酢酸ナトリウム及び酢酸カリウムを例にとると、無水酢酸ナトリウム５０ｇを純水２００ｃｃに溶解させた時のｐＨの値は８．２〜８．８であり、無水酢酸カリウム５０ｇを純水５００ｃｃに溶解させた時のｐＨの値は７．８〜９．０である。また、溶解させる量を変えたとしても、ｐＨの変化は極僅かである。例えば、無水酢酸カリウム１００ｇを純水５００ｃｃに溶解させても、ｐＨの上昇は僅かに０．１程度である。
その他、表２に示した炭酸水素塩の水溶液も弱アルカリ性であり、例えば炭酸水素ナトリウムの水溶液は、ｐＨは８．２程度である。
したがって、上記金属塩は、水に対する溶解度が高く、かつ溶解した後の水溶液のｐＨは８前後であるため、本発明に使用する電解質として、より好ましい一例である。
【００６９】
上記の金属塩の水溶液の導電性について、表３に当量導電率として示した。当量導電率とは、電解質の導電率を定義する性質である。代表的な電解質溶液である水酸化カリウム及び塩酸に比べて、当量導電率は遜色ない値を示し、良導電性であることが分かる。
【００７０】
【表３】
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【００７１】
また、上記の金属塩の他に、水溶液のｐＨが９前後の値を示す物質として金属石鹸及び界面活性剤が挙げられる。その一例を表４に示した。中でも、水に対する溶解度が相対的に高く、かつ水溶液のｐＨが１０以下の脂肪酸アルカノールアミン塩、脂肪酸アンモニウム塩、脂肪酸トリエタノールアミン塩等が好ましく適用することができる。ここで脂肪酸塩とは、主鎖炭素数が６以上の直鎖脂肪酸であって、カリウムまたはナトリウムの塩である。
【００７２】
【表４】
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【００７３】
上記の通り、気体潤滑作用を有する溶媒と電解質とを組み合わせた溶液を金属黒鉛質ブラシの表面及び内部の気孔１９の全体に含浸させることにより、金属黒鉛質ブラシの摺接面においては、内部気孔１９から低圧含浸させた導電性の液体２１が滲み出ると共に、摺接面の温度に応じて液体２１を構成する溶媒が蒸発する。そして、整流子８に悪影響を及ぼすことなく、金属黒鉛質ブラシ１の電気的損失と磨耗及び火花放電による機械的損失とを低減させることができる。特に電気的損失の低減が改善されるため、金属黒鉛質ブラシ１を備えるモータ１０においては、その出力効率を増大させることができる。
【実施例】
【００７４】
以下、液体２１をそれぞれ金属黒鉛質ブラシ１の表面及び内部の気孔１９内に低圧含浸し、このブラシ１をモータ１０に装着してモータ１０を稼動させた時の作用について、実施例に基づいて説明する。なお、試験は４．５ｍｍ×９．０ｍｍの大きさの金属黒鉛質ブラシ１を用い、ブラシ１の整流子８に対する荷重を７８．５ｋＰａ、モータ１０の回転速度を３．６ｍ／ｓとして、ブラシ１と整流子との間に１０Ａの電流を流し、モータ１０を回転させた。モータ１０は、１００℃の雰囲気温度で連続１００時間回転させた。
液体２１は、水溶液とした時のｐＨの値が１０以下の弱アルカリ性を示し、当量導電率が相対的に大きい物質を溶質として、吸湿性が高く、水溶性のグリコールエーテルであって、沸点が２４８.４℃で、２３０℃近辺まで昇温させても熱分解し難い、トリエチレングリコールモノメチルエーテル（ＴＭ）に溶解させたものを使用した。各実施例で用いた溶質の種類、溶解量は表５に示す通りである。
【００７５】
【表５】
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【００７６】
その結果、表６に示すように、いずれの実施例においても、接触抵抗は現行品の５０ｍΩより低減することが分かった。また、接触抵抗は、溶質の溶解度と当量導電率とに依存するものであるが、特に当量導電率に対する影響の方が大きい結果となった。また、ブラシの磨耗量もさらに低減することが分かった。
【００７７】
【表６】
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【００７８】
以上の通り、本発明の金属黒鉛質ブラシ１の内部気孔１９全体に、導電性の液体２１を含浸したことにより、気体潤滑作用に加えて、摺接時の火花放電の抑制、及び液体の潤滑作用の相乗効果が得られ、金属黒鉛質ブラシ１の磨耗量が低減できる。また、ブラシ１と整流子８との接触抵抗を低下させることができるため、モータ１０の出力が増大する効果も得られる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の金属黒鉛質ブラシを備えたモータは、車両のエンジンを冷却するウォータポンプを駆動するモータ、冷却ファンを廻すモータ、エンジンのオイルポンプを駆動するモータ等の車両用途や、その他さまざまな用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の一実施形態における金属黒鉛質ブラシを用いたモータの構成を示す断面図である。
【図２】金属黒鉛質ブラシの組成を示す模式図である。
【図３】金属黒鉛質ブラシの製造工程を示す工程図である。
【図４】金属黒鉛質ブラシにアルコールを含浸させる工程図である。
【図５】銅の腐食図である。
【図６】銅の酸化物及び水酸化物の溶解度のｐＨによる変化を示す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１  金属黒鉛質ブラシ（ブラシ）
２  ロータ
４  シャフト
７，１３  ハウジング
８  整流子
９  コア
１０  モータ
１７  コイル
１９  気孔
２１  液体
２２  焼結体
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006067702.tif 000011
【図４】
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【図５】
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【図６】
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