(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メソカーボンマイクロビーズ及びグラファイトからなる炭素製品であって、
前記メソカーボンマイクロビーズは重量％で５０〜９９％、前記グラファイトは重量％で１〜５０％であり、
密度が１．６〜１．８ｇ／ｃｍ3の範囲内、抵抗率が２０００〜８０００μΩ・ｃｍの範囲内にあることを特徴とする炭素製品。
【請求項２】
前記メソカーボンマイクロビーズは重量％で７０〜８０％、前記グラファイトは重量％で２０〜３０％であることを特徴とする、請求項１に記載の炭素製品。
【請求項３】
前記炭素製品は、カーボンブラシ、カーボンベアリング、カーボンシール、又は整流子のブラシ接触面であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の炭素製品。
【請求項４】
絶縁材料からなるベースと、
前記ベースに固定された導電部材であって、前記導電部材は複数のバーを備え、前記バーは、それぞれ、電気モータのリード線を接続するための爪を有する導電部材と、
ブラシ接触面を形成する接触部材であって、前記接触部材は複数のセグメントを備え、前記セグメントは、それぞれ、対応するバーに電気的に接続される接触部材と、
を備える、電気モータのための整流子であって、
前記接触部材はメソカーボンマイクロビーズ及びグラファイトを含み、
前記接触部材は、その密度が１．６〜１．８ｇ／ｃｍ3の範囲内、抵抗率が２０００〜８０００μΩ・ｃｍの範囲内にある、
ことを特徴とする整流子。
【請求項５】
前記接触部材において、前記メソカーボンマイクロビーズは重量％で５０〜９９％、前記グラファイトは重量％で１〜５０％であることを特徴とする、請求項４に記載の整流子。
【請求項６】
前記接触部材において、前記メソカーボンマイクロビーズは重量％で７０〜８０％、前記グラファイトは重量％で２０〜３０％であることを特徴とする、請求項４に記載の整流子。
【請求項７】
前記メソカーボンマイクロビーズの直径は１５０μｍ未満であることを特徴とする、請求項４、５又は６に記載の整流子。
【請求項８】
メソカーボンマイクロビーズと電気グラファイトとを混合する工程と、
前記混合したメソカーボンマイクロビーズ及び電気グラファイトをアイソスタティックプレス加工して、ブランクを形成する工程と、
前記ブランクを焼結する工程と、
前記焼結したブランクをグラファイト化する工程と、
前記グラファイト化したブランクを機械加工して、所定の形状の炭素製品を形成する工  程とを含み、
前記ブランクを焼結する行程は、前記焼結したブランクの密度が１．６〜１．８ｇ／ｃｍ3の範囲内、抵抗率が２０００〜８０００μΩ・ｃｍの範囲内となるように前記ブランクを焼結することを含むことを特徴とする、炭素製品の製造方法。
【請求項９】
更に、前記混合工程の前に、前記メソカーボンマイクロビーズを篩分して、所定の大きさ未満の大きさを有するメソカーボンマイクロビーズを選別する工程を含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
メソカーボンマイクロビーズ粉末とカーボグラファイト粉末とを混合する工程と、
前記混合したメソカーボンマイクロビーズ粉末及びグラファイト粉末を混練する工程と、
前記混合粉末を圧縮して、ブランクを形成する工程と、
前記ブランクを焼結する工程と、
前記焼結したブランクを機械加工して、炭素製品を形成する工程と、
を含み、
前記ブランクを焼結する行程は、前記焼結したブランクの密度が１．６〜１．８ｇ／ｃｍ3の範囲内、抵抗率が２０００〜８０００μΩ・ｃｍの範囲内となるように前記ブランクを焼結することを含むことを特徴とする、炭素製品の製造方法。
【請求項１１】
更に、前記混練工程の後、且つ、前記圧縮工程の前に、前記粉末を篩分する工程を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
更に、前記篩分工程の後、且つ、前記圧縮工程の前に、前記篩分された粉末を混合する工程を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素製品の製造方法、及び永久磁石直流（ＰＭＤＣ）モータのための炭素製品、特に、炭素セグメントを有する整流子に関する。
【背景技術】
【０００２】
市販されている既存の製品（カーボンブラシ、グラファイトディスク、カーボンベアリング等）は、電気グラファイト（ＥＧ）材料、カーボングラファイト（ＣＧ）材料、及び樹脂結合グラファイト（ＲＧ）材料からなる。
【０００３】
ＥＧ材料は、カーボグラファイト材料（carbographite materials）を２５００℃を超える温度でグラファイト化して、基本となるアモルファス炭素を人造グラファイトに転換させたものである。原料として、石油コークス、カーボンブラック、石炭コークス、バインダとしてピッチが挙げられる。
【０００４】
ＣＧ材料は、コークス粉末とグラファイト粉末との混合物をピッチ又は樹脂で凝集したものからなる。この粉末をブロック状に成形し、これらのブロックを約１０００℃の温度で焼成して、バインダをコークスに変態させる。この段階のものはグラファイト化されていない。原料として、天然／人造グラファイト、石油コークス、カーボンブラック、石炭コークス、バインダとしてピッチ／フェノール樹脂が挙げられる。
【０００５】
ＲＧ材料は、粉末状の天然グラファイト又は人造グラファイトと熱硬化樹脂とを混合したものである。そして、この混合物を約２００℃の好適な硬化温度で加圧及び重合する。原料として、天然／人造グラファイト、石油コークス、カーボンブラック、石炭コークス、バインダとしてピッチ／フェノール樹脂又はエポキシ樹脂が挙げられる。
【０００６】
既存のＥＧ、ＣＧ及びＲＧ製品の主な問題は、長時間且つ複雑な処理工程を要するため、材料及び製造コストが上がることである。既存のＥＧ、ＣＧ及びＲＧ製品の他の問題は、強度が低く、寿命が短いことである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、処理工程が簡易化された炭素製品が必要とされている。更に、強度が向上した炭素製品が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
したがって、本発明は、その一態様において、メソカーボン(mesocarbon)マイクロビーズ及びグラファイトからなる炭素製品であって、前記メソカーボンマイクロビーズは重量％で５０〜９９％、前記グラファイトは重量％で１〜５０％である炭素製品を提供するものである。
【０００９】
前記メソカーボンマイクロビーズは重量％で７０〜８０％、前記グラファイトは重量％で２０〜３０％であることが好ましい。
【００１０】
前記炭素製品は、密度が１．６〜１．８ｇ／ｃｍ3の範囲内、抵抗率が２０００〜８０００μΩ・ｃｍの範囲内にあることが好ましい。これは、特に、グラファイトがＣＧの場合の製品に適している。
【００１１】
代替例として、前記炭素製品は、密度が１．８５〜１．９５ｇ／ｃｍ3の範囲内、抵抗率が５００〜２０００μΩ・ｃｍの範囲内にあることが好ましい。これは、特に、グラファイトがＥＧの場合の製品に適している。
【００１２】
前記炭素製品は、カーボンブラシ、カーボンベアリング、カーボンシール、又はブラシ接触面であることが好ましい。
【００１３】
本発明は、第２の態様において、絶縁材料からなるベースと、前記ベースに固定された導電部材であって、前記導電部材は複数のバーを備え、前記バーは、それぞれ、電気モータのリード線を接続するための爪を有する導電部材と、ブラシ接触面を形成する接触部材であって、前記接触部材は複数のセグメントを備え、前記セグメントは、それぞれ、対応するバーに電気的に接続される接触部材とを備える、電気モータのための整流子であって、前記接触部材はメソカーボンマイクロビーズ及びグラファイトを含む整流子を提供するものである。
【００１４】
前記接触部材において、前記メソカーボンマイクロビーズは重量％で１％超〜１００％未満、前記グラファイトは重量％で９９％未満であることが好ましい。
【００１５】
前記接触部材において、前記メソカーボンマイクロビーズは重量％で５０〜９９％、前記グラファイトは重量％で１〜５０％であることが好ましい。
【００１６】
前記接触部材において、前記メソカーボンマイクロビーズは重量％で７０〜８０％、前記グラファイトは重量％で２０〜３０％であることが好ましい。
【００１７】
前記グラファイトは、天然グラファイト又は人造グラファイトであることが好ましい。
【００１８】
前記メソカーボンマイクロビーズの直径は１５０μｍ未満であることが好ましい。
【００１９】
本発明は、第３の態様において、メソカーボンマイクロビーズと電気グラファイトとを混合する工程と、前記混合したメソカーボンマイクロビーズ及び電気グラファイトをアイソスタティックプレス加工して、ブランクを形成する工程と、前記ブランクを焼結する工程と、前記焼結したブランクをグラファイト化する工程と、前記グラファイト化したブランクを機械加工して、所定の形状の炭素製品を形成する工程とを含む、炭素製品の製造方法を提供するものである。
【００２０】
前記方法は、前記混合工程の前に、前記メソカーボンマイクロビーズを篩分して、所定の大きさ未満の大きさを有するメソカーボンマイクロビーズを選別する工程を含むことが好ましい。
【００２１】
本発明は、更に別の態様において、粉末状のメソカーボンマイクロビーズと粉末状のカーボグラファイトとを混合する工程と、前記混合したメソカーボンマイクロビーズ粉末及びグラファイト粉末を混練する工程と、前記混合粉末を圧縮して、ブランクを形成する工程と、前記ブランクを焼結する工程と、前記焼結したブランクを機械加工して、炭素製品を形成する工程とを含む、炭素製品の製造方法を提供するものである。
【００２２】
前記混練工程の後、且つ、前記圧縮工程の前に、前記粉末を篩分することが好ましい。
【００２３】
前記篩分工程の後、且つ、前記圧縮工程の前に、前記粉末を混合することが好ましい。
【００２４】
前記焼結したブランクの密度が１．６〜１．８ｇ／ｃｍ3の範囲内、前記焼結したブランクの抵抗率が２０００〜８０００μΩ・ｃｍの範囲内になるように、前記ブランクを焼結することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】炭素のブラシ接触面を組み込んだ、電気モータの例示的な整流子を示す。
【図２】メソカーボンマイクロビーズの微細構造を示す写真である。
【図３】炭素製品の製造方法を示すブロック図である。
【図４】別の炭素製品製造方法を示すブロック図である。
【図５】炭素製品の一例として、電気モータの例示的なカーボンブラシを示す。
【図６】炭素製品の他の例として、例示的なカーボンベアリングを示す。
【図７】炭素製品の更に他の例として、例示的なカーボンシールを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
ここで、添付図面の図を参照して、例示として本発明の好ましい実施形態を説明する。図において、複数の図に現れる同一の構造体、要素又は部品は、一般に、それらが現れる全ての図において同じ符号で表記される。図内に示される構成部品及び構造部の寸法は、一般に、便宜のため及び提示の明確さのために選択されたものであり、必ずしも縮尺通りではない。
【００２７】
説明を簡単にするため、本発明の炭素製品の一例として、電気モータの整流子を挙げる。
【００２８】
図１は、本発明の一実施形態による電気モータの整流子１０を示す。この整流子は、フェノール樹脂などの絶縁材料からなるベース３０と、ベース３０に固定された導電部材５０と、モータのブラシと摺接するように構成されているブラシ接触面を形成する接触部材７０とを備える。導電部材５０は複数の離間したバー５２を備え、バー５２は、それぞれ、モータのリード線を接続するように構成されている爪を有する。接触部材７０は、整流子１０の円周方向に配置されている複数の離間したセグメント７２を備える。各セグメント７２は、導電部材５０の対応するバー５２に電気的に接続される。図示の整流子は平面状のブラシ接触面を有するが、本発明は、円筒状のブラシ接触面を有する整流子にも適用可能である。
【００２９】
接触部材７０は、メソカーボンマイクロビーズ及びグラファイトからなる。メソカーボンマイクロビーズは重量％で１〜９９％、グラファイトは重量％で１〜９９％であることが好ましい。メソカーボンマイクロビーズは重量％で７０〜８０％、グラファイトは重量％で２０〜３０％であることがより好ましい。
【００３０】
図２は、メソカーボンマイクロビーズの微細構造を示す写真である。本発明の実施形態では、メソカーボンマイクロビーズは微細な大きさであり、ピッチから得ることができる。ピッチを約２００℃に加熱すると、溶融体になり、温度により分子に作用する変換エネルギは凝集エネルギよりも高い。その結果、均質核形成相が新たに形成され、これは中間相と呼ばれる。表面エネルギを最小にするため、成長中間相は球形状である。中間相が成長すると、マイクロビーズになる。
【００３１】
グラファイトは、自然界に存在する鉱物状のグラファイトである天然グラファイトとすることができる。天然グラファイトは、採掘、処理され、様々な用途（例えば、潤滑剤、シール、絶縁、充填剤、耐火物）に用いられる。
【００３２】
代替例として、グラファイトは、非グラファイト状炭素を２５００℃を超える温度で熱処理することによって生成される人工的な人造グラファイトにすることができる。最も一般的な人造グラファイトは、通常、以下のような複合材料として形成される。すなわち、粉砕した石油コークスをコールタールピッチと混合してペースト状にした後、仮焼工程で、約１２００〜１４００℃で熱処理して、ピッチを炭化させ、石油コークスから全ての揮発性物質を除去する。更に２５００〜３０００℃に加熱することによって、炭素原子を配向させ、混合物を真のグラファイトにグラファイト化する。人造グラファイトは、通常、鋼を溶融する炭素アーク炉、バッテリの電極、原子炉に用いられる大規模電極に用いられる。
【００３３】
図３は、炭素製品の製造方法を示す。この方法は、
メソカーボンマイクロビーズの粉末と電気グラファイトの粉末とを混合する工程と、
混合したメソカーボンマイクロビーズ及びグラファイトをアイソスタティックプレス加工、ブランクを形成する工程と、
ブランクを焼結する工程と、
焼結ブランクをグラファイト化する工程であって、グラファイト化ブランクの密度が好ましくは１．８５〜１．９５ｇ／ｃｍ3の範囲内、グラファイト化ブランクの抵抗率が好ましくは５００〜２０００μΩ・ｃｍの範囲内になるようにする工程と、
グラファイト化ブランクを機械加工して、整流子の環状ディスク形状の接触部材などの最終製品を形成する工程とを含む。
【００３４】
前記方法は、更に、混合工程の前に、メソカーボンマイクロビーズを篩分して、所定の大きさのメソカーボンマイクロビーズを選別する工程を含むことが好ましい。本実施形態では、選別したメソカーボンマイクロビーズの直径は１５０μｍ未満である。
【００３５】
図４は、別の炭素製品製造方法を示す。この方法は、
メソカーボンマイクロビーズの粉末とカーボグラファイトの粉末とを混合する工程と、
混合したメソカーボンマイクロビーズ粉末及びグラファイト粉末を混練する工程と、
混合粉末を圧縮してブランクを形成する工程、好ましくは、金型で混合粉末を圧縮して、最終製品の所定の形状を有するブランクを形成する工程と、
ブランクを焼結する工程であって、焼結ブランクの密度が好ましくは１．６〜１．８ｇ／ｃｍ3の範囲内、焼結ブランクの抵抗率が好ましくは２０００〜８０００μΩ・ｃｍの範囲内になるようにする工程と、
焼結ブランクを機械加工して、整流子の環状ディスク形状の接触部材などの最終製品を形成する工程とを含む。
【００３６】
前記方法は、更に、混練工程の後、粉末を篩分する工程を含むことが好ましい。前記方法は、更に、篩分工程の後、粉末を混合する工程を含むことが好ましい。
【００３７】
本発明において、整流子の接触部材は、グラファイト及びメソカーボンマイクロビーズからなる。メソカーボンマイクロビーズは、メソカーボンマイクロビーズの表面にバインダとしてβ樹脂を含有するので、自己焼結が可能である。したがって、追加のバインダは必要ない。更に、本発明の炭素製品は、メソカーボンマイクロビーズを用いるので、化学安定性、熱安定性、導電性、熱伝導性に優れ、且つ、強度が向上している。
【００３８】
本発明の炭素製品は、図５に示すようなカーボンブラシ１２、図６に示すようなカーボンベアリング１４、又は、図７に示すようなカーボンシール１６にしてもよいものと理解される。図７に示すカーボンシール１６はリングシールであるが、他の形態のカーボンシールも可能である。
【００３９】
本出願の説明及び請求項において、動詞「備える（comprise）」、「含む（include）」、「含む（contain）」及び「有する（have）」、並びにその変形形態は、説明する要素又は特徴の存在を規定するために包括的な意味で使用され、追加の要素又は特徴の存在を排除するものではない。
【００４０】
明確にするために別個の実施形態に関連して説明されている本発明の特定の特徴は、１つの実施形態において組み合わせて提供してもよいものと理解される。逆に、簡潔にするために１つの実施形態に関連して説明されている本発明の種々の特徴を、個別に又はそれらを適当に組み合わせて提供してもよい。
【００４１】
上記の実施形態は単なる例示であり、請求項に定義する本発明の範囲から逸脱することなく、他の様々な修正が可能であることは、当業者にとって明らかである。
【符号の説明】
【００４２】
１０  整流子
１２  カーボンブラシ
１４  カーボンベアリング
１６  カーボンシール
３０  ベース
５０  導電部材
５２  バー
７０  接触部材
７２  セグメント
【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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