(57)【要約】【課題】鉛などの有害物質を用いることなく、電動機性能の低下を防止し、かつブラシの機械、電気火花による摩耗を低減して、耐久性に優れた積層ブラシを提供する。【解決手段】本発明の積層ブラシは、銅及び黒鉛を主成分とし、これに固体潤滑剤を含有した銅の含有量が多い高銅量部と銅の含有量が少ない低銅量部との２種類のブラシからなる積層ブラシにおいて、少なくとも高銅量部ブラシ中に亜鉛を０．１〜５重量％含有し、かつ亜鉛と銅が合金を形成して構成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅及び黒鉛を主成分とし、これに固体潤滑剤を含有した銅の含有量が多い高銅量部と銅の含有量が少ない低銅量部との２種類のブラシからなる積層ブラシにおいて、少なくとも高銅量部ブラシ中に亜鉛を０．１〜５重量％含有し、かつ亜鉛と銅が合金を形成してなる積層ブラシ。
【請求項２】
積層ブラシが、さらに低銅量部ブラシ中に亜鉛を０．１〜３重量％含有し、かつ亜鉛と銅が合金を形成してなる請求項１記載の積層ブラシ。
【請求項３】
積層ブラシが、さらに高銅量部ブラシ中にマンガン及び／又はニッケルを０．１〜３重量％含有してなる請求項１又は２記載の積層ブラシ。
【請求項４】
積層ブラシが、さらに低銅量部ブラシ中にマンガン及び／又はニッケルを０．１〜３重量％含有してなる請求項１、２又は３記載の積層ブラシ。
【請求項５】
高銅量部ブラシが、高銅量部ブラシ中に銅を３０〜８０重量％含み、低銅量部ブラシが、低銅量部ブラシ中に銅を１０〜４５重量％未満含むものである請求項１、２、３又は４記載の積層ブラシ。
【請求項６】
銅および黒鉛を主成分とし、これに固体潤滑剤を含有した銅の含有量が多い高銅量部と銅の含有量が少ない低銅量部との少なくとも２種類のブラシからなる積層ブラシにおいて、積層ブラシの高電流サイクル試験が直径８０ｍｍ（φ）の銅リングを有する試験機を用いて、電流密度１４０Ａ／ｃｍ２、ブラシ加圧力７Ｎ、回転数０〜７０００ｍｉｎ−１の繰り返し運転で、積層ブラシとリング間の電圧値を測定したものを電圧降下とし、初期と６時間試験後の変化値を電圧値とし、また、自動車用スタータモータの実機耐久試験が１．８リットルガソリンエンジンに１．４ｋＷスタータモータを取付けて、１万サイクル（２秒ＯＮ、２８秒ＯＦＦの繰り返し）で運転し、試験前寸法に対する試験後の寸法の差から整流子摩耗を算出したときに、電圧降下が０．３０−０．６５（Ｖ）、電圧降下の変化値が０．０１−０．１５（Ｖ）で、かつ整流子摩耗が８−１９０（μｍ）の範囲いずれかにあることを特徴とする積層ブラシ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電動機などに使用される回転電機用積層ブラシ、例えば、自動車のスタータ電動機に使用される積層ブラシに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の直流電動機は、高速、高電流密度化を行って小型軽量化を図っている。しかし、この種の電動機は、整流性能、出力特性等の低下が大きく、またブラシ摩耗も多くなり、耐久性が短くなっているのが現状である。これらを解決するためには、ブラシ素材の性能向上だけでは限界があるため、ブラシの構造を工夫して対応している。その一つとしてブラシ単体の形態から積層ブラシで解決している（特許文献１参照）。
【０００３】
積層ブラシは、ブラシを２分割又は３分割にして、短絡電流の抑制及び整流子に対し、入口側に比較して出口側抵抗を大きくすることで整流改善を行うことができる。
しかし、積層ブラシにおいても電動機を長時間運転していると整流子表面が黒化して、時間の経過に従って火花を抑制できなくなるばかりでなく、その火花によって整流子に凹凸が発生してブラシの摩耗が増大し、耐久性に影響を受ける。
【０００４】
また、自動車の電動機用ブラシは、耐久性、耐摩耗性、耐蝕性、電気損等が小さい事が要求され、しかも機内の温度が高く、ブラシ比抵抗が高いと温度も高温度になるため、低抵抗化を目的に銅粉、黒鉛、鉛、二硫化モリブデン、ノボラック型フェノール樹脂、フルフラール樹脂等を含む金属黒鉛質ブラシが用いられている（特許文献２参照）。
【０００５】
さらに、自動車の電動機用ブラシには、銅粉を多く含有したブラシがあるが、このようなブラシは高温、高湿になると銅が酸化して抵抗が大きくなり、電気損が増大して電動機の性能が低下（出力低下）するなどの問題が発生する。その対応策として鉛又は酸化鉛を添加したものが考案されている（特許文献３参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特公平０６−００７５０５号公報（第１−３頁、第１−２図）
【特許文献２】
特開平０７−２１３０２２号公報（第１〜５頁）
【特許文献３】
特公昭５８−０２９５８６号公報（第１〜３頁）
【０００７】
ところが、添加剤として用いる鉛又は酸化鉛は有害であり、環境面から使用禁止となってきている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、鉛などの有害物質を用いることなく、電動機性能の低下を防止し、かつブラシの機械、電気火花による摩耗を低減して、耐久性に優れた積層ブラシを提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、次のものに関する。
１．  銅及び黒鉛を主成分とし、これに固体潤滑剤を含有した銅の含有量が多い高銅量部と銅の含有量が少ない低銅量部との２種類のブラシからなる積層ブラシにおいて、少なくとも高銅量部ブラシ中に亜鉛を０．１〜５重量％含有し、かつ亜鉛と銅が合金を形成してなる積層ブラシ。
２．  積層ブラシが、さらに低銅量部ブラシ中に亜鉛を０．１〜３重量％含有し、かつ亜鉛と銅が合金を形成してなる項１記載の積層ブラシ。
３．  積層ブラシが、さらに高銅量部ブラシ中にマンガン及び／又はニッケルを０．１〜３重量％含有してなる項２記載の積層ブラシ。
４．  積層ブラシが、さらに低銅量部ブラシ中にマンガン及び／又はニッケルを０．１〜３重量％含有してなる項３記載の積層ブラシ。
５．  高銅量部ブラシが、高銅量部ブラシ中に銅を３０〜８０重量％含み、低銅量部ブラシが、低銅量部ブラシ中に銅を１０〜４５重量％未満含むものである項１、２、３又は４記載の積層ブラシ。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の積層ブラシは、図１に示すように高銅量部ブラシ２及び低銅量部ブラシ３の他にリード４線から構成され、使用するときは高銅量部ブラシ２を整流子の回転方向Ｎの入口側に、そして低銅量部ブラシ３を整流子の回転方向Ｎの出口側に設置することにより、火花による整流子表面の黒化皮膜の生成を低減して均一で黒化のない良好な皮膜を長時間できるようにして整流改善を行ったものである。なお、図１において１は積層ブラシである。
【００１１】
本発明において、固体潤滑剤としては、二硫化モリブデン、二硫化タングステン等が用いられ、これらの含有量は、高銅量部ブラシ及び低銅量部ブラシ中に１〜５重量％が好ましく、２〜４重量％がさらに好ましい。
【００１２】
また、高銅量部ブラシ中に含有する亜鉛の量は、高銅量部ブラシ中に０．１〜５重量％、好ましくは０．３〜４重量％、さらに好ましくは０．５〜３．５重量％の範囲とされ、０．１重量％未満であると出力低下が大きく、５重量％を超えるとブラシの寿命が短く、整流子の摩耗が増加する。
【００１３】
本発明の実施例になる積層ブラシは、銅及び黒鉛を主成分として、銅の含有量が多い高銅量部と銅の含有量が少ない低銅量部との２種類のブラシからなる積層ブラシにおいて、少なくとも高銅量部ブラシ中に亜鉛を０．１〜５重量％含有し、かつ亜鉛と銅が合金を形成しているが、本発明の実施例においてはさらに必要に応じて低銅量部ブラシ中に亜鉛が添加される。添加される亜鉛の量は、低銅量部ブラシ中に０．１〜３重量％が好ましく、０．２〜２．５重量％がより好ましく、０．５〜２重量％がさらに好ましい。
【００１４】
また、本発明の実施例になる積層ブラシは、銅の含有量によって高銅量部ブラシ及び低銅量部ブラシとしているが、このうち高銅量部ブラシ中に占める銅の割合は、高銅量部ブラシ中に３０〜８０重量％が好ましく、４５〜６５重量％がさらに好ましい。一方、低銅量部ブラシ中に占める銅の割合は、低銅量部ブラシ中に１０〜４５重量％が好ましく、１５〜４０重量％がさらに好ましい。
【００１５】
上記の高銅量部ブラシ及び低銅量部ブラシには、上記成分の他に必要に応じて寿命及び出力を向上させる点でマンガン、ニッケル等が添加される。マンガン、ニッケル等は一種で用いてもよく、二種以上混合して用いてもよい。マンガン、ニッケル等の含有量は、高銅量部ブラシ及び低銅量部ブラシのいずれも、それぞれのブラシ中に０．１〜３重量％が好ましく、０．３〜２重量％がさらに好ましい。なお、マンガン、ニッケル等は他の金属との混合粉、例えばＣｕ−Ｍｎ、Ｃｕ−Ｍｎ−Ｆｅ、Ｃｕ−Ｎｉ、Ａｇ−Ｎｉ等の混合粉を用いても差し支えない。
【００１６】
高銅量部ブラシ及び低銅量部ブラシの主成分となる銅は、出力向上及び機械的強度向上の点で平均粒径が７０μｍ以下の電解銅粉を用いることが好ましい。また黒鉛は、結晶がよく発達した潤滑性のよい天然黒鉛を用いることが好ましい。黒鉛の粒径についても特に制限はないが、通常平均粒径が３０〜２００μｍ程度の粒径のものを用いることが好ましい。なお、本発明の実施例において、平均粒径はレーザー回折法による一般的な粒度分布測定法で定めた方法で求めた。
【００１７】
積層ブラシは、高銅量部ブラシ及び低銅量部ブラシを得るために上記に示す各々の材料を所定量秤量し、混合機で均一に混合して高銅量部混合粉及び低銅量部混合粉を得た後、成形金型の所定の位置に前記の混合粉を別々に充填し、２００〜６００ＭＰａの圧力で成形し、その後還元雰囲気中で焼結し、次いで所定の寸法に機械加工して得られる。なお、亜鉛と銅は上記の焼結の過程で合金を形成する。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
実施例１〜３
平均粒径が３０μｍの電解銅粉（福田金属箔粉工業（株）製、商品名ＣＥ−２５）及び平均粒径が３０μｍの亜鉛を表１に示す割合に秤量し、混合機で１０分間一次混合した。
【００１９】
上記とは別に、平均粒径が３０μｍの天然黒鉛（日本黒鉛工業（株）製、商品名ＣＢ−１５０）８０重量％及びフェノール樹脂（日立化成工業（株）製、商品名ＶＰ１１Ｎ）２０重量％を混練、乾燥、粉砕して平均粒径が１５０μｍの樹脂混合黒鉛粉を得た。その後、上記で得た１０分間一次混合粉、樹脂混合黒鉛粉及び平均粒径が５μｍの二硫化モリブデンを表１に示す割合に秤量し、これらを混合機で１時間二次混合して高銅量部混合粉を得た。
【００２０】
一方、上記で用いた電解銅粉、樹脂混合黒鉛粉及び二硫化モリブデンを表１に示す割合に秤量し、これらを混合機で１時間混合して低銅量部混合粉を得た。
なお、表１において黒鉛の配合量は、フェノール樹脂を除いた天然黒鉛の配合量である（以下の実施例及び比較例についても同様である）。
【００２１】
次に、所望するブラシの形状に合わせ、粉体成形金型に上記で得た高銅量部混合粉及び低銅量部混合粉を所定の位置に別々に充填し、さらに所定の位置にリード線を設置した後３９２ＭＰａの圧力で成形し、還元性雰囲気中で７００℃まで３時間で昇温し、７００℃で１時間焼結した。次いで高銅量部ブラシが１６ｍｍ×１５ｍｍ×厚さ５ｍｍ及び低銅量部ブラシが１６ｍｍ×１５ｍｍ×厚さ２ｍｍの寸法になるように外形を機械加工して１６ｍｍ×１５ｍｍ×厚さ７ｍｍの積層ブラシを得た（以下の実施例及び比較例についても同様の寸法の積層ブラシを得た）。
【００２２】
実施例４〜６
実施例１〜３と同様の工程を経て高銅量部混合粉を得た。
一方、実施例１〜３で用いた電解銅粉及び亜鉛を表１に示す割合に秤量し、混合機で１０分間一次混合した。その後、一次混合粉、実施例１〜３で得た樹脂混合黒鉛粉及び実施例１〜３で用いた二硫化モリブデンを表１に示す割合に秤量し、これらを混合機で１時間二次混合して低銅量部混合粉を得た。
以下、実施例１〜３と同様の工程を経て積層ブラシを得た。
【００２３】
実施例７〜１０
実施例１〜３で用いた電解銅粉及び亜鉛を表１に示す割合に秤量し、混合機で１０分間一次混合した。その後、一次混合粉、実施例１〜３で得た樹脂混合黒鉛粉及び実施例１〜３で用いた二硫化モリブデン並びに平均粒径が４０μｍのマンガン粉を表１に示す割合に秤量し、これらを混合機で１時間二次混合して高銅量部混合粉を得た。
一方、実施例４〜６と同様の工程を経て低銅量部混合粉を得た。
以下、実施例１〜３と同様の工程を経て積層ブラシを得た。
【００２４】
実施例１１〜１３
実施例１〜３で用いた電解銅粉及び亜鉛を表１に示す割合に秤量し、混合機で１０分間一次混合した。その後、一次混合粉、実施例１〜３で得た樹脂混合黒鉛粉及び実施例１〜３で用いた二硫化モリブデン並びに平均粒径が３０μｍのニッケル粉を表１に示す割合に秤量し、これらを混合機で１時間二次混合して高銅量部混合粉を得た。
一方、実施例４〜６と同様の工程を経て低銅量部混合粉を得た。
以下、実施例１〜３と同様の工程を経て積層ブラシを得た。
【００２５】
実施例１４〜１５
実施例７〜１０と同様の工程を経て高銅量部混合粉を得た。
一方、実施例１〜３で用いた電解銅粉及び亜鉛を表１に示す割合に秤量し、混合機で１０分間一次混合した。その後、一次混合粉、実施例１〜３で得た樹脂混合黒鉛粉、実施例１〜３で用いた二硫化モリブデン及び実施例７〜１０で用いたマンガン粉を表１に示す割合に秤量し、これらを混合機で１時間二次混合して低銅量部混合粉を得た。
以下、実施例１〜３と同様の工程を経て積層ブラシを得た。
【００２６】
比較例１
実施例１〜３で用いた電解銅粉、実施例１〜３で得た樹脂混合黒鉛粉及び実施例１〜３で用いた二硫化モリブデン並びに鉛を表１に示すように異なる二種類の割合に秤量し、これらを混合機で１時間混合して亜鉛を含有しない高銅量部混合粉及び低銅量部混合粉を得た。
以下、実施例１〜３と同様の工程を経て積層ブラシを得た。
【００２７】
比較例２
実施例１〜３で用いた電解銅粉、実施例１〜３で得た樹脂混合黒鉛粉及び実施例１〜３で用いた二硫化モリブデンを表１に示すように異なる二種類の割合に秤量し、これらを混合機で１時間混合して亜鉛を含有しない高銅量部混合粉及び低銅量部混合粉を得た。
以下、実施例１〜３と同様の工程を経て積層ブラシを得た。
【００２８】
比較例３
実施例１〜３と同様の工程を経て高銅量部混合粉及び低銅量部混合粉を得た。
以下、実施例１〜３と同様の工程を経て亜鉛を６重量％含有した積層ブラシを得た。
【００２９】
次に、実施例１〜１５及び比較例１〜３で得られた積層ブラシの高電流サイクル試験（電圧降下、電圧降下の変化値）と該積層ブラシを用いて自動車用スタータモータの実機耐久試験（ブラシ寿命、出力劣化率、整流子摩耗）を行った。その結果を合わせて表２に示す。なお、各々の評価は下記の通りである。
【００３０】
積層ブラシの高電流サイクル試験は、直径８０ｍｍ（φ）の銅リングを有する試験機を用いて、電流密度１４０Ａ／ｃｍ２、ブラシ加圧力７Ｎ、回転数０〜７０００ｍｉｎ−１の繰返し運転において、積層ブラシとリング間の電圧値を測定したものを電圧降下とし、初期と６時間試験後の変化値を電圧降下の変化値とした。
また、自動車用スタータモータの実機耐久試験は、１．８リットルガソリンエンジンに１．４ｋｗスタータモータを取付けて、１万サイクル（２秒ＯＮ、２８秒ＯＦＦの繰返し）運転し、ブラシ寿命は、試験前寸法に対する試験後の寸法の差から算出し、出力劣化率は、上記の寿命試験前後の出力特性値の差からもとめたものを百分率で表示した値であり、整流子摩耗は、上記の寿命試験前後の摩耗の差から求めた値である。
【００３１】
【表１】
2004242383.tif 000003
【００３２】
【表２】
2004242383.tif 000004
【００３３】
表２に示されるように実施例１〜１５の積層ブラシは、電圧降下及びその変化値が小さく、かつ比較例１の鉛を添加した従来の積層ブラシと同様にブラシ寿命及び出力劣化率に優れ、また整流子の摩耗が少なく全て評価値を満足していることが明らかである。これに対し比較例２の亜鉛を添加しない積層ブラシは、電圧降下の変化値が大きいと共に出力劣化率が１５％と著しく悪く、また比較例３の高銅量部ブラシ中に亜鉛を６重量％含有せしめた積層ブラシは、電圧降下の変化値が大きいと共に寿命が２８０００回と短く、整流子の摩耗が４５０μｍと多いことが確認された。
以上のように、前述した高電流サイクル試験および実験耐久試験で求めた各種データに関して電圧効果が、０．３０−０．６５（Ｖ）、電圧降下の変化値が０．０１−０．１５（Ｖ）で、かつ整流子摩耗が８−１９０（μｍ）の範囲のいずれかにある積層ブラシが提供される。さらに寿命試験前後の出力特性値の差から出力劣化率を求めたとき、当該出力劣化率が２−９％の範囲のいずれかにある積層ブラシが提供される。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の積層ブラシは、鉛を用いることなく、火花による整流子表面の黒化皮膜の生成を低減して電動機性能の低下を防止し、かつブラシの機械、電気火花による摩耗を低減し、耐久性に優れ、工業的に極めて好適な積層ブラシである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例になる積層ブラシの断面図である。
【符号の説明】
１…積層ブラシ、２…高銅量部ブラシ、３…低銅量部ブラシ、４…リード線、
Ｎ…整流子の回転方向。
【図１】
2004242383.tif 000005