(57)【要約】【課題】整流子モータ、ＤＣモータの高速・小型化に対して摺動接点材の摩耗によるモータ寿命の低減が課題である。【解決手段】摺動接点材に、カーボンナノチューブ１を混合することによって、整流特性を改善し、電気的摩耗を低減することができ、また微細なカーボンナノチューブが均一に分散させることにより、機械的摩耗の低減を可能とした摺動接点材を使用した電動機を用いることで、電動機の小型化、更には長寿命化の実現が可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノチューブに結合材を混合した摺動接点材。
【請求項２】
黒鉛にカーボンナノチューブを混合し、結合材に混合した摺動接点材。
【請求項３】
結合材が、エポキシ樹脂およびフェノール樹脂である請求項１または請求項２記載の摺動接点材。
【請求項４】
カーボンナノチューブの配向を摺動接触面に対して、垂直方向に制御した請求項１から請求項３のいずれかに記載の摺動接点材。
【請求項５】
固体潤滑剤を混合した請求項２から請求項４記載のいずれかに記載の摺動接点材。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の摺動接点材を用いた電動機。
【請求項７】
請求項６に記載の電動機を使用した電気機器。
【請求項８】
請求項６に記載の電動機を使用した圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電機子に流れる電流を整流するための電気機械用摺動接点材及びそれを用いた電動機及び前記電動機を使用した掃除機・電動工具等の電気機器ならびに前記電動機を使用した圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
直流モータ、整流子モータに用いられる電気機械用摺動接点材（以下摺動接点材と呼ぶ）は、近年、小型化、高出力化、高速回転化、高電圧化への技術開発が進んできている。そのため、高電流密度下でも摺動接点材が小型で、摩耗が少なく、温度上昇が小さく、整流性能の良いものが、要求されるようになってきた。
【０００３】
しかしながら、従来の黒鉛系摺動接点材または黒鉛系樹脂摺動接点材では、高電流密度、高速回転の条件下では整流特性が悪化するため、電気的な摺動接点材の摩耗が大きくなり、さらに摺動接点材の温度も上昇してしまい、モータの小型化に反して、摺動接点材の小型化は、進んでいないのが現状であった。
【０００４】
この対策として、特開昭６３−２１８１７８号公報では摺動接点材と整流子の間の摩擦抵抗を向上させるために、０．５重量％未満の灰分を有する天然グラファイトと０．３重量％の割合で炭素繊維を有する電動機用の摺動接点材が公知である。
【０００５】
高速での摺動特性を改善するために、電気黒鉛質などの摺動接点材の場合は、特開平２−２１９４３９号公報に示されるようにフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂を含浸して粒子間の結合力を補強する方法や特開平３−４９５４６号公報に示されるようにヤシ油、桐油等の有機質潤滑剤を含浸して潤滑性を向上する方法、又は熱硬化性樹脂と有機質潤滑剤を共存する方法が知られている。さらに、摺動特性を改善するために固体潤滑材を含有させることにより、固体潤滑材として二硫化モリブデンまたは窒化ホウ素を混合させ、該混合物をプレスで成形し、摺動接点材の形に焼成させたものが知られている。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６３−２１８１７８号公報
【特許文献２】
特開平２−２１９４３９号公報
【特許文献３】
特開平３−４９５４６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に知られているように、整流子電動機に抵抗率の高い摺動接点材を使用すると、整流が安定する。これは、抵抗の大きい摺動接点材を使用すると摺動接点材を経由して隣り合う整流子片間に流れる短絡電流が抑制されるためである。
【０００８】
しかしながら、近年のモータの高電流密度化により、抵抗の大きい材質を用いた場合は、モータ効率の低下を招き、さらに摺動接点材の抵抗による発熱により摺動接点材自身が発熱し、摺動接点材の温度が上昇する。このため、整流子表面が黒鉛皮膜で過剰な状態になり、整流火花（アーク火花）が増大し、さらなる摺動接点材の温度上昇と摺動接点材の摩耗の増大を招き、モータ寿命がさらに短くなるという問題があった。
【０００９】
そこで本発明は、高電流密度の条件下での高速摺動でも、長寿命な摺動接点材を提供するものであり、前記摺動接点材を用いた整流子電動機及び電気機器及び圧縮機の長寿命化を達成することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明による電動機用の摺動接点材は、従来の樹脂系摺動接点材、金属黒鉛系摺動接点材、炭素繊維含有摺動接点材に比して、微細なカーボンナノチューブ粉末を結合材に均一に分散させることにより、黒鉛としての摺動特性を落とさず、さらに得られた成形体が高い弾性率を得ることができることにより耐摩耗性が向上したものである。また、黒鉛に比べ結合材内にカーボンナノチューブの良電のマトリックス相を形成するため、整流特性を落とさずに高い電気伝導率を得ることができる。前記の整流特性とは、直流モータまたは交流モータの運転中、摺動接点材がチャタリングし、摺動接点材と整流子表面の間にアーク放電が発生する。アーク放電が大きくなるとモータ寿命が短くなり、モータ特性も極端に悪化する。さらに整流子片短絡時の後縁にも整流火花が発生することが良く知られているが、接点摺動面のカーボンナノチューブがアーク発生時にアーク抑制作用をもつため、摺動接点材および整流子の摩耗が大きく抑制させることができる。
【００１１】
さらに、微細なカーボンナノチューブが微細なマトリックスを形成するため摺動接点材の比抵抗を低減させ、摺動接点材の表面にメッキをしなくても摺動接点材の温度を低減することが可能となる。
【００１２】
さらにアーク火花が発生しても耐熱性の高いカーボンナノチューブが存在することで、熱分解を抑制し、さらに電気的な摩耗を抑制することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本願請求項１に記載の発明は、カーボンナノチューブに結合材を混合したことを特徴とする摺動接点材であり、機械的、電気的摩耗を飛躍的に向上することができる。製造プロセスとしては、カーボンナノチューブと結合材を混合し、混練したうえで、加熱し、有機溶剤を蒸発させた後、粉砕する。これによりカーボンナノチューブの周りに均一に結合材をつけることができる。前記混合物を金型内で圧縮成形し、焼成することにより、摺動接点材成形体内部に均一にカーボンナノチューブを分散させた摺動接点材を得られる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、黒鉛とカーボンナノチューブを混合し、結合材と混合した摺動接点材で、電気抵抗を自在に調整することができ、安価な摺動接点材を得ることができる。またさらに黒鉛粉末間にカーボンナノチューブの良電層ができ、摺動接点材の抵抗を下げることができ、発熱を抑えることができる。製造プロセスとしては、黒鉛とカーボンナノチューブを均一に混合した上で、結合材を混合、混錬した上で、有機溶剤を蒸発させ、粉砕後、成形し、焼成する。この方法により、黒鉛中にカーボンナノチューブが均一に分散し、黒鉛とカーボンナノチューブが強固に結合するため、高速摺動時の摩耗を大きく低減することができる。
【００１５】
なお、本発明における摺動接点材基材の黒鉛は、天然黒鉛、膨張黒鉛、人造黒鉛等が例示できる。中でも、結晶化度の余り高くない、人造黒鉛が特に好ましい。また、灰分が３％以下のものを用いることにより、整流特性が良くなる。
【００１６】
請求項３記載の発明は、結合材が、エポキシ樹脂およびフェノール樹脂である請求項１または請求項２記載の摺動接点材であり、耐熱性を向上することができる。特にエポキシ樹脂を用いた方が、黒鉛とカーボンナノチューブの結合力が大きくなり、高速摺動時の摩耗が小さくなるうえ、振動吸収作用が大きくなり、更に良い。
【００１７】
請求項４記載の発明は、配合したカーボンナノチューブの配向性を摺動接触面に対して、垂直方向に制御した請求項１から請求項３のいずれかに記載の摺動接点材であり、これにより、カーボンナノチューブの筒状の端面が整流子表面に垂直に接するために耐摩耗性、整流特性が向上する。このとき、使用するカーボンナノチューブは単層型、および多層型どちらを用いても良い。製造プロセスとしては、成形方向を整流子接触面に対して垂直方向から成形することにより、結合材内のカーボンナノチューブの配向性を整流子接触面に対して垂直に制御することができ、摺動接点材の摩耗を低減することができる。
【００１８】
請求項５記載の発明は、固体潤滑剤を用いた請求項２から請求項４のいずれかに記載の摺動接点材であり、高温時の摺動特性をより良化することができる。黒鉛の潤滑では摺動面が１００℃以上になると潤滑性が極端に落ちる。そこで、固体潤滑材として、二硫化モリブデンや二硫化タングステン等を添加することにより、高温条件下でも摺動性を悪化させることがなく、カーボンナノチューブとの組み合わせにより、より摺動性が改善され、摩耗を低減することができる。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の摺動接点材を用いた電動機であり、摺動接点材の摩耗量を大きく低減することができ、電動機の寿命も大きく伸ばすことができる。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項６に記載の電動機を使用した電気機器であり、電機機器の長寿命化を図ることができる。
【００２１】
請求項８の発明は、請求項６に記載の電動機を使用した圧縮機であり、圧縮機の長寿命化を図ることができる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の具体例により本発明を具体的に説明するが本発明は、これらの実施例によって限定されるものではない。
【００２３】
（実施例１）
図１は、カーボンナノチューブ１と結合剤２を混合し、カーボンナノチューブ１の配向を摺動接触面に対して、垂直方向に制御し成形した成形した摺動接点材を示したものである。前記記載の摺動接点材（以下、「実施例１」と示す）は、径が５００ｎｍ以下のカーボンナノチューブとアセトンに溶解させたエポキシ樹脂（結合材）および硬化剤を混錬し、その後、樹脂の硬化温度以下でアセトンを乾燥蒸発させて、粉砕する。粉砕した粉末を２００〜３００ＭＰａの圧力で成形し、２００℃〜２４０℃で硬化し、比抵抗が５００〜１００、０００μΩｃｍに調整したものである。
【００２４】
なお、従来例として、黒鉛粉末４を結合材５で成形した図３の摺動接点材（以下、「比較材１」と示す）を実施例１と同様な方法で作製した。なお、比較材１の比抵抗は、実施材１の比抵抗と同一になるように調整した。実施例１と比較材１を用いた整流子電動機を搭載した掃除機用整流子電動機の定格運転において、各摺動接点材における摩耗量と摺動接点材の温度を測定したので、その評価結果を表１に記載する。
【００２５】
なお、評価方法として各摺動接点材の摩耗量は、定格運転で２００時間運転させた後の摺動接点材の摩耗量を測定した。また、摺動接点材の温度は、熱電対を摺動接点材の摺動部より２ｍｍのところに取り付け、記録計により温度を測定した。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表１の結果より、実施例１を用いた整流子電動機を搭載した掃除機用整流子電動機は、比較材１を用いた整流子電動機を搭載した掃除機用整流子電動機と比較して、摩耗量が約１５％向上し、摺動接点材の温度上昇が１５℃低減する。
【００２８】
カーボンナノチューブを混合した摺動接点材は、飛躍的に機械的摩耗量が抑制され、その熱分解温度の高さからと電流特性により、スパーク時の摺動部の欠損が大幅に改善することができる。また、微細なカーボンナノチューブのマトリックスを形成するため、電気的導電性も向上させることができ、摺動接点材としては非常に良い。
【００２９】
成形圧力やカーボンナノチューブの含有量によって、目的の比抵抗のものを作成することもできるため、様々な用途の電動機に使用が可能である。
【００３０】
（実施例２）
図２は、カーボンナノチューブ１と黒鉛３を結合材２と混合し、カーボンナノチューブ１の配向を摺動接触面に対して、垂直方向に制御し成形した摺動接点材である。前記記載の摺動接点材（以下、実施例２と示す）は、灰分が３％以下の人造黒鉛を径が５００ｎｍ以下のカーボンナノチューブとアセトンに溶解させたエポキシ樹脂（結合材）および硬化剤を混錬し、その後、樹脂の硬化温度以下でアセトンを乾燥蒸発させて、粉砕する。粉砕した粉末を２００〜３００ＭＰａの圧力で成形し、２００℃〜２４０℃で硬化し、比抵抗が５００〜１００、０００μΩｃｍに調整したものである。
【００３１】
摩耗量と摺動接点材の温度を実施例１と同様の方法で測定した結果を表２に記載する。結果より、実施例２用いた整流子電動機を搭載した掃除機用整流子電動機は、比較材１を用いた整流子電動機を搭載した掃除機用整流子電動機と比較して、摩耗量が約３０％向上し、摺動接点材の温度を１０℃低減する。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
実施例２は、耐摩耗性を落とさず、コスト的に安価で、幅広い比抵抗の摺動接点材を得ることができる。また、黒鉛の潤滑性が、カーボンナノチューブの剛性に対して、摺動性を向上させる役割があり、さらに摺動接点材として良い。
【００３４】
（実施例３）
摺動接点材の結合材を、熱硬化性であるフェノール樹脂と不飽和ポリエステル樹脂を用いて、実施例２と同様の方法で摺動接点材を作製した（以下、「比較材２」「比較材３」とする）。各接点摺動材を実施例１と同様の方法で摩耗量と摺動接点材の温度を測定し、比較した。その結果を表３に示す。
【００３５】
表３よりエポキシ樹脂を用いた実施例２の摺動接点材を用いた整流子電動機を搭載した掃除機用整流子電動機は、比較材２および比較例３を用いた整流子電動機を搭載した掃除機用整流子電動機と比較して、摩耗量が約６％および約２１％向上する。したがって、結合材としてはエポキシ樹脂を使用するのが好ましい。
【００３６】
【表３】
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【００３７】
（実施例４）
次に摺動接点材の成形方向を変化させ、摺動接触面に対して平行方向に制御した摺動接点材を作製した（以下「比較材４」と示す）。成形方向以外は、作製方法については実施例２と同様に行い、実施例１と同様な方法で摩耗量と摺動接点材温度を測定した。その結果を表４に示す。
【００３８】
【表４】
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【００３９】
表４より、比較材４と比較して、成形方向が摺動接触面に対して垂直方向に行なう実施例２は、摩耗量が約１３％、摺動接点材の温度が５℃低減する。
【００４０】
これは、カーボンナノチューブの筒状の端面が整流子表面に垂直に接するために耐摩耗性、整流特性が向上することがわかる。また、温度低減は、カーボンナノチューブの垂直方向に配向を制御することにより、導電性が改善したためである。
【００４１】
（実施例５）
固体潤滑材として二硫化モリブデンを混合し、実施例２と同様の方法で摺動接点材（以下、「実施例５」と示す）を作製し、実施例１と同様な方法で摩耗量と摺動接点材の温度を測定した。
【００４２】
その結果を表５に示す。表５より、実施例２の摺動接点材と比較して、実施例５の摺動接点材は、摩耗量が約６％向上し、摺動接点材の温度を５℃さらに低減することができる。
【００４３】
【表５】
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【００４４】
高温化・高速化での摺動面において、黒鉛の潤滑性は１００℃までである。そのため、高温化・高速化でも潤滑性をもつことができる二硫化モリブデンは、カーボンナノチューブの剛性による相手材への損傷を低減し、さらに摺動特性および整流特性を改善することができる。なお、固体潤滑材としては、二硫化タングステン、窒化ホウ素、フッ素樹脂でもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上の様に本願記載の発明に係る電気機械用摺動接点材及びそれを用いた電動機及び前記電動機を使用した掃除機・電動工具等の電気機器ならびに前記電動機を使用した圧縮機は、高速条件下、高電流密度条件下においても、摺動接点材の機械的な摩耗とスパークによる電気的な摩耗を低減することができるため、長寿命化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１摺動接点材を示す図
【図２】本発明の実施例２の摺動接点材を示す図
【図３】本発明の実施例１別の摺動接点材を示す図
【符号の説明】
１  カーボンナノチューブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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