(57)【要約】  カーボンブラシは、圧縮及び適宜の焼結によってカーボン材料から製造される基体と、圧縮及び可能な焼結によって基体の外表面に付加される金属層とからなる。金属層は溶接又は半田付けにより金属キャリアに連結可能である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボン材料から形成される基体（１）と、前記基体の外表面に形成され、溶接又は半田付けによって金属キャリアに連結可能な金属層（２）とを備え、前記金属層（２）は、圧縮及び適宜焼結により金属粉から形成されて基体（１）に取り外し不能に接合されるカーボンブラシであって、
前記金属層（２）は、ベース金属（Ａ）と、前記ベース金属（Ａ）よりも延性が大きくて低融点の少なくとも１つの追加金属（Ｂ）を含み、前記追加金属（Ｂ）は、少なくとも、主としてベース金属（Ａ）から分離する金属層として存在し、圧縮及び適宜の焼結によりベース金属（Ａ）に接合されるが、そこでは主として合金を形成することがないことを特徴とするカーボンブラシ。
【請求項２】
前記追加金属（Ｂ)は、液相での焼結温度でベース金属（Ａ）を濡らすが、ベース金属には散乱しないか、散乱しても僅かであるように選択したことを特徴とする請求項１に記載のカーボンブラシ。
【請求項３】
前記追加金属（Ｂ）は、錫、インジウム、ビスマス、あるいは、これらの合金からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のカーボンブラシ。
【請求項４】
前記追加金属（Ｂ）は、４００℃を超えない融点と、５％以下の破断伸びを有することを特徴とする請求項１に記載のカーボンブラシ。
【請求項５】
前記追加金属（Ｂ）は、金属層（２）の１．５重量％と１５重量％の間の割合で存在することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のカーボンブラシ。
【請求項６】
前記金属層（２）は、さらに、非金属、有機及び／又は非有機材料の添加物（Ｃ）を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のカーボンブラシ。
【請求項７】
前記非金属添加物（Ｃ）は、エステル、グラファイト、タルカム、シリコンカーバイト、あるいは、アルミナを含有することを特徴とする請求項６に記載のカーボンブラシ。
【請求項８】
前記金属層（２）は、溶接又は半田付けによって金属のキャリア（３）に連結されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のカーボンブラシ。
【請求項９】
前記キャリアはリーフスプリング（３）であることを特徴とする請求項８に記載のカーボンブラシ。
【請求項１０】
粉末状の主金属（Ａ）、及び、主金属よりも延性が大きくて低融点の粉末添加金属（Ｂ）からなり、前記主金属（Ａ）は銅又は銅合金からなり、前記添加金属（Ｂ）は錫、インジウム、ビスマス、あるいは、これらの合金からなるカーボンブラシの溶接及び／又は半田付け可能な層を製造するための材料。
【請求項１１】
非金属、有機及び／又は非有機材料の粉末添加物（Ｃ）を含むことを特徴とする請求項１０に記載の材料。
【請求項１２】
前記添加金属（Ｂ）は、粉末混合物の１．５から１５容量％の割合で存在することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の材料。
【請求項１３】
カーボン材料の基体と、そこに分離不能に接合される金属層とからなるカーボンブラシを製造する方法であって、
ａ）粉末状のカーボンを含有する材料の圧縮及び焼結により基体を製造する工程、
ｂ）工程ａ）と同時又は工程ａ）に続いて、粉末金属材料を圧縮及び焼結することにより、基体に分離不能に接合される金属層を形成する工程、
を備え、
ｃ）前記粉末金属材料は、ベース金属Ａと、ベース金属Ａよりも延性が高くて低融点の追加金属Ｂの混合物を含み、
ｄ）前記追加金属Ｂ及び焼結温度は、焼結中、液相の追加金属がベース金属Ａを濡らすが、ベース金属内には分散しないか、分散しても僅かであるように選択され、前記追加金属Ｂは、少なくとも殆ど、金属層がベース金属Ａから分離し、そこでは殆どが合金化されないように存在する、
カーボンブラシを製造する方法。
【請求項１４】
前記ベース金属Ａは銅又は銅合金からなり、前記追加金属Ｂは錫、インジウム、ビスマス、又は、これらの合金からなることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンブラシ、カーボンブラシの製造方法、及び、カーボンブラシに用いる材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気モータあるいは発電機用のカーボンブラシは、整流子等に必要な圧力を付与することを保証し、カーボンブラシの装着に応じた続く動作を可能とするように支持部に固定しなければならない。構成が簡単で、安価で、軽量であるので、特に、カーボンブラシに適したキャリアは、支持及びガイド機能に加えて導電機能をも発揮可能なリーフスプリングである。しかしながら、一方では長期に亘る使用で必要とされる機械的強度が保証され、他方では大電流の通電が保証されるように、カーボンブラシにリーフスプリングを固定しなければならないという問題が発生する。
【０００３】
ドイツ特許公開第102 07 406号公報から、請求項１の前文に係るカーボンブラシは、溶接又は接合によってキャリアとして機能する、リーフスプリングに固定されるものとして公知であり、この目的のために、キャリアへの連結表面に、錫めっき、ニッケルめっき、あるいは、他の手法で金属コーディンが施されている。
【０００４】
ドイツ特許公開第40 40 002号公報から、カーボンブラシは、キャリアとして機能する、リーフスプリングに接合される燃料ポンプのモータ用として公知であり、この目的のため、銅層及び錫層からなる接合層を有する。しかしながら、そのような金属被覆を備えていても、電気めっきによって形成される金属層として、長期に亘る使用のために十分な機械的、熱的、及び電気的負荷容量を備えた、カーボンブラシとリーフスプリングとの間の溶接又は接合による連結を得ることは困難である。特に、カーボンブラシとリーフスプリングとの間の応力集中には、弾性率及び熱膨張係数が相違するという問題がある。
【０００５】
ドイツ特許公開第24 44 957号公報から、粉末状のカーボンを含有する金属層、及び、金属粉の層を一緒に圧縮した後、熱処理を施すことにより、溶接又は接合金属層を提供してカーボンブラシを製造することが公知である。
【０００６】
米国特許第3,601,645号公報から、金属及びカーボン材料からなる基体と、基体及び金属粉のための粉末金属カーボン材料を圧縮して焼結することにより前記基体に分離不能に連結される金属層とを有し、金属層は銅、鉄又は合金から構成できる電気接続ブッシュを製造することが公知である。
【０００７】
ドイツ特許第32 17 217号公報から、金属コーティングされたカーボンファイバー束を圧縮することにより接続ブッシュを製造することが公知であり、カーボンファイバーの金属コーティングは、特に、銅、アルミニウム、錫、鉄、又は、合金で構成できる。
【特許文献１】ドイツ特許公開第102 07 406号公報
【特許文献２】ドイツ特許公開第40 40 002号公報
【特許文献３】ドイツ特許公開第24 44 957号公報
【特許文献４】米国特許第3,601,645号公報
【特許文献５】ドイツ特許第32 17 217号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、カーボンブラシ、カーボンブラシの製造方法、及び、カーボンブラシに用いる材料を提供する際の問題を解決するためのものであり、高い機械的及び電気的負荷に耐えることのできるリーフスプリングを簡単に接合することを可能とする。
【０００９】
カーボンブラシをリーフスプリングに溶接することには、１５アンペア以上の大電流を流すことができ得るような接合を可能とするという理由から商業的な関心が寄せられている。これにより、より安価なデザインを、ブロッキングテスト又は連続使用での電流の強さに関する高い要求のため、このコンセプトを使用して製造できないと従来考えられていたようなタイプのモータ用として使用可能となる。このタイプのモータは、小型のカーボンブラシで大電流を流さなければならず、例えば、電気自動車のアクチュエータや、窓用リフター、シート調整機構、サンルーフ、ミラー調整機構等のための駆動機構に採用される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るカーボンブラシは、圧縮及び焼結されたカーボン材料の、通常１又は多層の基体から分離して設けられ、カーボンブラシの溶接性あるいは半田ぬれ性を保証する、少なくとも１つの金属材料の外表面層を備え、この金属層は同様に圧縮及び焼結によって形成され、前記基体に接合される。
【００１１】
カーボンブラシを溶接又は半田付けするため、適切な溶接方法（例えば、超音波溶接、レーザ溶接等）又は半田付け方法が利用され、さらに溶接金属層を有するカーボンブラシを製造するため、材料は、一方ではカーボンブラシの基体のカーボン材料に合った粉末冶金法による接合に適していなければならず、他方では選択した材料に容易に溶接又は半田付けできなければならない。純銅及びその合金は、鉄や鋼と同様に、焼結方法で、それらの熱膨張率及び弾性率がカーボンブラシの基体のカーボン材料の熱膨張率及び弾性率と合致しないため適切でないことが理解される。カーボンブラシの基体のカーボン材料と同様な材料は、そこに含有されるグラファイト成分により溶接できないため使用不可能である。
【００１２】
本発明において、ベースメタル成分Ａ、高延性、低融点の金属成分Ｂ、及び、追加可能な添加物Ｃの混合粉末状態の金属材料は、同時に２つのことが要求されることが理解される。すなわち、一方は、カーボンブラシの基体の機能的なカーボン材料を圧縮及び焼結することにより良好な接合であり、他方は良好な溶接性又は半田ぬれ性である。
【００１３】
本発明において、成分Ａは主成分であり、材料の８０％以上であるのが好ましく、例えば、銅、又は、銅と、錫、鉛、ニッケルあるいは銀との合金で構成されるのが好ましい。成分Ａは、１５から２５μｍの平均径Ｄ５０を有する粉末状であるのが好ましい。
【００１４】
成分Ｂは、成分Ａよりも高延性、低融点を有する追加金属である。融点は４００℃以下で、破断伸びが５％以上であるのが好ましい。成分Ｂは、錫、又は、錫と、例えば、銅、銀、アンチモン、亜鉛、ガリウム、インジウム、ビスマスあるいは鉛との合金であるのが好ましい。また金属成分Ｂはインジウム及び／又はビスマス、あるいは、インジウム又はビスマスの合金であってもよい。前記材料の混合粉末での割合は、１．５から１５重量％であるのが好ましい。追加金属Ｂは１５から３５μｍの平均粒径Ｄ５０であるのが好ましい。
【００１５】
さらに、前記材料は、粉末状で１以上の非金属の有機及び／又は非有機の添加物Ｃを含有するのが好ましい。この種の可能な添加物は、例えば、エステル、グラファイト、タルカム、シリコンカーバイト、あるいは、アルミナである。これらの平均粒径Ｄ５０は２０μｍ以下であるのが好ましい。
【００１６】
材料の分の好ましい例（重量％で示す）は次の通りである。
Ａ：９２％  銅（Ｄ５０  １５−２５μｍ）
Ｂ：７．５％  錫（Ｄ５０  １５−５５μｍ）
Ｃ：０．５％  グラファイト（Ｄ５０  ２０μｍ以下）
【００１７】
示された金属材料は、圧縮及び焼結により非常にうまく粉末冶金製造可能であり、優れた溶接及び半田付け特性を有する金属層を形成できるように、カーボンブラシの機能層（基体）に非常にうまく接合される。圧縮及び焼結において、低融点で、延性を有する材料Ｂがベース金属Ａをぬらすが、ベース金属Ａの内部には拡散しないか、あるいは、僅かに広がるだけであることが理解される。
【００１８】
この結果、金属Ｂの大部分は、焼結後、金属Ａと合金化されない。しかし、そのままの形態で存在する結果、金属層に所望の延性を得ることができる。金属の延性のため、カーボンブラシの基体１と、一方では溶接可能な金属層２との間、他方では金属層２に溶接されたリーフスプリングとの間で応力を補正することが可能となる。
【００１９】
換言すれば、ベース金属Ａを圧縮及び焼結することによって形成される焼結金属層２と、他の金属Ｂの大部分とが、圧縮及び焼結により互いに密接に連結されているにも拘わらず、実質的に合金化されていない２つの分離した金属層を形成する。
【００２０】
熱処理、すなわち金属層の焼結は、ベース金属Ａの融点よりも低いが、追加金属Ｂの融点よりは高い温度で実行される。この結果、追加金属Ｂが液層となるが、ベース金属Ａは固形の粉体相となる。ベース金属Ａが銅であり、追加の金属Ｂが錫であるならば、焼結温度は３００から７００℃、好ましくは４００から５００℃の範囲であるのが有効である。
【００２１】
非金属の有機又は非有機の添加物Ｃは焼結工程において金属Ｂによって濡らされることがなく、この結果、金属Ｂがベース金属Ａ内の希望しない広い範囲で拡散することが防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明に係る実施形態について添付図面を参照して説明する。
カーボンブラシは、通常の手法で、従来のカーボン材料、特に、圧縮及び加熱（焼結）処理によって添加物を含有するグラファイトの混合物から１以上の層で形成される基体１を備える。非常に優れた溶接又は半田付け可能な金属層２は、同様に圧縮及び可能な焼結により、本発明に係る、後述する粉末材料から形成され、基体１に分離不能に連結又は接合される。基体１及び溶接可能な金属層２は同時に形成し、圧縮及び焼結により接合してもよいし、あるいは、基体１を組み立て、実質的に圧縮及び焼結により溶接可能な金属層２を形成するようにしてもよい。
【００２３】
簡単に溶接可能な金属層２により、カーボンブラシの全体を、溶接、例えば、スポット溶接４や、連続したシーム溶接によってリーフスプリング３に固定可能である。
【００２４】
焼結金属層２の厚さは、リーフスプリング３に連結するために選択された溶接又は半田付け技術の要求に依存する。金属層２の厚さは、０．２から５ｍｍの範囲であるのが好ましい。一般に、リーフスプリング３への半田接合のため、１ｍｍ以下、特に、０．２から０．５ｍｍの範囲での金属層２の厚みであれば十分である。一般に、溶接接合のため、少なくとも１ｍｍ、例えば、２から４ｍｍの範囲の厚みが有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本実施形態に係るカーボンブラシの概略断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１…基体
２…金属層
３…リーフスプリング（キャリア）
４…スポット溶接
【図１】
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【国際調査報告】
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