(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅粉を含む第一の混合粉末と、該第一の混合粉末よりも高い含有率で銅粉を備えた第二の混合粉末とを、非圧縮の集積状態で該第一の混合粉末上に該第二の混合粉末を保持する工程と、
該第二の混合粉末上から撚り線よりなる導線を差し込む工程と、
該導線が差し込まれた状態の各該混合粉末を圧縮して成形する工程と、
成形体に熱処理を施す工程と、
が施されてなり、
該第一の混合粉末により形成される摺動面を区画する摺動本体部と、
該第二の混合粉末により形成され、該導線と該摺動本体部が直接接触しないように該導線の外周を囲包する導線保持部と、
を有する回転電機用ブラシであって、
該導線が差し込まれる方向で、該第二の混合粉末の厚さが該導線が差し込まれる長さの１５〜５０％であることを特徴とする回転電機用ブラシ。
【請求項２】
前記導線が差し込まれる方向で、各前記混合粉末の合計の厚さに対する該第二の混合粉末の厚さが１５〜６０％である請求項１記載の回転電機用ブラシ。
【請求項３】
非圧縮の集積状態の各前記混合粉末は、成形型内に保持される請求項１〜２のいずれかに記載の回転電機用ブラシ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機用ブラシを用いてなることを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機に用いられるブラシおよび回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両には、スタータなどのモータやオルタネータなどの発電機等の回転電機が搭載されている。回転電機には、押しつけるようにして接触し、通電することを目的としたブラシが用いられている。ブラシは、耐摩耗性を確保するために黒鉛などの軟質の導電性材料が用いられていた。
【０００３】
しかし、回転電機などに用いられるブラシでの電気的損失は、回転電機全体の効率に大きな影響を及ぼすものとなっている。このため、高出力及び高効率が求められる回転電機においては、ブラシの電気的損失は極力低い方が望ましいとされている。ブラシの電気的損失を低減する手段としては、ブラシ中に銅等の導電性の金属を含有させることで、ブラシ本体の電気抵抗を下げることが進められている。
【０００４】
近年では、スタータ用のブラシにおいては、高出力が優先されたために、より多くの銅を含有させてきている。
【０００５】
しかしながら、近年の環境問題意識の高まりに伴って、車両のエコラン始動に対する要求も考慮する必要が生じてきた。この要求に基づいて、ブラシ自身の長寿命化が検討されている。ブラシの長寿命化に対しては、ブラシに含まれる銅の含有量を少なくする方法がある。ブラシに含まれる銅の含有量を少なくすると、銅と黒鉛の界面が増加し、電気的損失が大きくなるという問題が発生していた。
【０００６】
このような問題に対するブラシが、たとえば、特許文献１に開示されている。
【０００７】
特許文献１には、高抵抗層（黒鉛）、中抵抗層（銅）及び低抵抗層（導線との接合層）を含む３層構造を有し、かつ摺動面が高抵抗層（黒鉛）及び中抵抗層（銅）が積層した構成となっているブラシが開示されている。このブラシでは、低抵抗層と導線とが接合されている。
【０００８】
しかしながら、このような複数層のブラシでは、それぞれの層の熱膨張率の差により焼結後に界面に剥離やクラックが発生するという問題が発生していた。特に、摺動面が高抵抗層と中抵抗層の界面に剥離が生じると、摺動面にクラックが存在することとなり、相手材との摺動抵抗が増加するという問題も発生していた。
【特許文献１】特開２００５−１９８４７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、導電性および耐久性に優れた回転電機用ブラシを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明者らは回転電機用ブラシについて検討を重ねた結果、本発明をなすに至った。
【００１１】
すなわち、本発明の請求項１に記載の回転電機用ブラシは、銅粉を含む第一の混合粉末と、第一の混合粉末よりも高い含有率で銅粉を備えた第二の混合粉末とを、非圧縮の集積状態で第一の混合粉末上に第二の混合粉末を保持する工程と、第二の混合粉末上から撚り線よりなる導線を差し込む工程と、導線が差し込まれた状態の各混合粉末を圧縮して成形する工程と、成形体に熱処理を施す工程と、が施されてなり、第一の混合粉末により形成される摺動面を区画する摺動本体部と、第二の混合粉末により形成され、導線と摺動本体部が直接接触しないように導線の外周を囲包する導線保持部と、を有する回転電機用ブラシであって、導線が差し込まれる方向で、第二の混合粉末の厚さが導線が差し込まれる長さの１５〜５０％であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の回転電機用ブラシは、請求項１に記載のブラシにおいて、導線が差し込まれる方向で、各混合粉末の合計の厚さに対する第二の混合粉末の厚さが１５〜６０％であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項３に記載の回転電機用ブラシは、請求項１〜２のいずれかに記載のブラシにおいて、非圧縮の集積状態の各混合粉末は、成形型内に保持されることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の回転電機は、請求項１〜４のいずれかに記載の回転電機用ブラシを用いてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の回転電機用ブラシは、第一の混合粉末と第二の混合粉末とが保持されたところに導線が差し込まれた後に圧縮成形および熱処理が施されてなることで、第一の混合粉末より形成される摺動面を区画する摺動本体部と、導線の外周部に形成され第二の混合粉末より形成される導線保持部とが形成されている。導線保持部は、銅の含有量が調節されており、導線との界面での接触抵抗の増加が抑えられている。また、調節された銅の含有量により、導線保持部と導線との界面での経時変化による剥離が抑えられたものとなっている。これにより、本発明の回転電機用ブラシは、長寿命化のために摺動本体部の銅の含有量を少なくしても、導電性及び耐久性に優れたものとなっている。
【００１６】
本発明の回転電機は、高い導電性及び耐久性をもつ回転電機用ブラシをブラシに用いてなる回転電機であり、導電性及び耐久性にすぐれた回転電機となっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（回転電機用ブラシ）
本発明の回転電機用ブラシは、銅粉を含む第一の混合粉末と、第一の混合粉末よりも高い含有率で銅粉を備えた第二の混合粉末とを、非圧縮の集積状態で第一の混合粉末上に第二の混合粉末を保持する工程と、第二の混合粉末上から撚り線よりなる導線を差し込む工程と、導線が差し込まれた状態の各混合粉末を圧縮して成形する工程と、成形体に熱処理を施す工程と、が施されてなる。
【００１８】
これらの各工程が施されてなる本発明の回転電機用ブラシは、摺動面を形成する銅が分散した摺動本体部と、摺動本体部と電気的に接続される導線の外周部に形成され導線を保持する銅が分散した導線保持部と、を備えた構成の回転電機用ブラシとなる。すなわち、本発明の回転電機用ブラシは、第一の混合粉末により形成される摺動面を区画する摺動本体部と、第二の混合粉末により形成され、導線と摺動本体部が直接接触しないように導線の外周を囲包する導線保持部と、を有する。
【００１９】
第二の混合粉末に撚り線よりなる導線を差し込むと、第二の混合粉末が撚り線に巻き込まれながら差し込まれる。差し込まれた導線の外周部に第二の混合粉末が位置することとなり、この状態が保持されたまま、成形・熱処理が施される。この結果、差し込まれた導線の外周部に導線保持部が形成される。
【００２０】
導線保持部は摺動本体部よりも銅の含有率が高いため、導線保持部において導線と銅との接触量が増加し、電気伝導性が向上する。また、銅以外の材質と導線との接触量が減少し、経時変化（導線の界面での剥離）が生じにくくなる。つまり、本発明の回転電機用ブラシは、導線保持部を形成することで高い導電性及び耐久性をもつ回転電機用ブラシとなっている。
【００２１】
そして、本発明の回転電機用ブラシでは、導線が差し込まれる方向で、第二の混合粉末の厚さが導線が差し込まれる長さの１５〜５０％である。第二の混合粉末の厚さが、差し込まれる導線の長さに対して所定の範囲内となることで、製造されたブラシにおいて導線保持部が十分な厚さをもつこととなる。第二の混合粉末の厚さが１５％未満では、導線保持部が十分な厚さを確保できなくなり、導線保持部を形成する効果を得られなくなる。第二の混合粉末の厚さが５０％を超えると、導線保持部の厚さが過剰に厚くなり、相対的に摺動本体部が減少し、ブラシの有効な摩耗代が十分に確保できなくなる。第二の混合粉末の厚さが導線が差し込まれる長さの２０〜４５％であることがより好ましく、２０〜４０％であることが更に好ましい。
【００２２】
本発明の回転電機用ブラシにおいて、導線が差し込まれる方向で、各混合粉末の合計の厚さに対する第二の混合粉末の厚さが１５〜６０％であることが好ましい。第二の混合粉末の厚さが、混合粉末全体の厚さに対して所定の範囲内となることで、ブラシを製造するときの熱処理（焼成）時の形状変化を抑えることができる。第二の混合粉末の厚さが１５％未満では、導線保持部が十分な厚さを確保できなくなり、導線保持部を形成する効果を得られなくなる。第二の混合粉末の厚さが６０％を超えると、第一の混合粉末と第二の混合粉末の界面における熱処理（焼成）による寸法変化が大きくなりすぎて、剥離が生じやすくなる。第二の混合粉末の厚さが混合粉末全体の厚さの１５〜５５％であることがより好ましく、２０〜５０％であることが更に好ましい。
【００２３】
本発明の回転電機用ブラシにおいて、非圧縮の集積状態の各混合粉末は、成形型内に保持されることが好ましい。各混合粉末が成形型内に保持されたことで、その後の圧縮成形を簡単に行うことができるだけでなく、成形型内の積層深さを各混合粉末の厚さとすることができる。
【００２４】
本発明の回転電機用ブラシにおいて、第一の混合粉末から製造される摺動本体部は、回転電機用ブラシが回転電機に用いられたときに整流子と摺接する摺動面を区画する部分である。摺動本体部は、電気良導性金属として銅が分散している。銅が分散したことで、ブラシと整流子の間での電気的損失が小さくなる。
【００２５】
本発明において第一の混合粉末に含まれる銅量については特に限定されるものではなく、従来公知の銅量とすることができる。たとえば、摺動本体部全体の質量を１００ｍａｓｓ％としたときに、７０ｍａｓｓ％前後とすることができる。また、２５〜６５ｍａｓｓ％とすることが好ましく、３０〜５０ｍａｓｓ％とすることがより好ましい。
【００２６】
第二の混合粉末から製造される導線保持部は、導線の外周に形成され、導線を保持する部分である。導線保持部に導線が保持されることで、導線がブラシに対して保持・固定される。導線保持部は、導線の外周部に形成されている。つまり、導線の外周が導線保持部に囲包された構成となっており、導線と摺動本体部とが直接接触を生じなくなる。
【００２７】
導線保持部に保持される撚り線よりなる導線は、ブラシと外部の電源等の装置（回路）とを接続する電気伝導性をもつ部材である。この導線は、ブラシを介して整流子に通電することができる。この導線は、従来公知の導線を用いることができる。この導線としては、たとえば、軟銅撚り線をあげることができる。
【００２８】
本発明の回転電機用ブラシは、上記した構成以外の構成は、従来公知の構成とすることができる。つまり、回転電機用ブラシを構成する材質は、従来公知の材質を用いることができる。
【００２９】
摺動本体部、中間層および導線保持部は、黒鉛に銅が分散した構成とすることができる。また、適宜、固体潤滑剤を含有していてもよい。
【００３０】
本発明の回転電機用ブラシは、その製造方法が限定されるものではなく、従来公知の製造方法を用いて製造することができる。たとえば、原料粉末を秤量して各部を成形し、熱処理（焼成）することで製造できる。
【００３１】
（回転電機）
本発明の回転電機は、上記の回転電機用ブラシをブラシとして用いてなる回転電機である。上記の回転電機用ブラシが高い導電性及び耐久性をもつブラシであることから、このブラシを用いてなる本発明の回転電機でも、すぐれた回転特性と長寿命な回転電機となる。
【００３２】
本発明の回転電機は、上記の回転電機用ブラシを用いた以外は、従来公知の回転電機と同様な構成の回転電機である。
【００３３】
本発明の回転電機としては、たとえば、ヨークの内周に界磁コイルを有する界磁手段と、電機子コイルを有する電機子と、この電機子に設けられる整流子と、この整流子に摺接するブラシを備えるスタータモータをあげることができる。
【実施例】
【００３４】
以下、具体的な実施例を用いて本発明を説明する。
【００３５】
本発明の実施例として、回転電機用ブラシを製造した。
【００３６】
（実施例）
まず、平均粒径が３０μｍの電解銅粉及び添加剤である平均粒径が３０μｍの亜鉛を表１に示す割合（質量比）に秤量し、混合機で数十分間一次混合した。
【００３７】
上記とは別に、平均粒径が３０μｍの天然黒鉛を混練、乾燥、粉砕して平均粒径が１５０μｍの黒鉛粉を得た。その後、上記で得た数十分間一次混合粉、黒鉛粉及び平均粒径が５μｍの（固体潤滑剤）を表１に示した割合に秤量し、これらを混合機で１時間二次混合して第二の混合粉末を得た。
【００３８】
【表１】
0005136841.tif 000002
一方、上記で用いた電解銅粉、黒鉛粉及び固体潤滑剤を表１にあわせて示した割合に秤量し、これらを混合機で１時間混合して第一の混合粉末を得た。
【００３９】
次に、所望するブラシの形状に合わせ、略角柱状のキャビティをもつ粉体成形金型に上記で得た第一の混合粉末及び第二の混合粉末を図１に示した所定の位置に別々に非圧縮の集積状態で充填した。このとき、角柱状のキャビティの軸方向の一方側の端部には第一の混合粉末のみが、他方側の端部には第一の混合粉末上に第二の混合粉末が位置している。
【００４０】
本実施例においては、第一の混合粉末と第二の混合粉末の合計の厚さに対する他方側の端部での第二の混合粉末の厚さの割合を変化させた（０，５，１０，２０，３０，４０，５０，６０％とした）各試料を製造した。
【００４１】
つづいて、第二の混合粉末上の所定の位置にリード線（軟銅撚り線）を、所定の深さで挿入した。このリード線の挿入される所定の深さは、第一の混合粉末と第二の混合粉末の合計の厚さに対して９０％であった。
【００４２】
所定の深さでリード線が挿入された状態で、加圧成形し、還元性雰囲気中で７００℃前後で３時間で昇温し、１０００℃で１時間焼結した。次いで焼結体を所定の外形に成形して本実施例の回転電機用ブラシが製造できた。
【００４３】
本実施例の回転電機用ブラシ１の構成を図２に示した。
【００４４】
本実施例の回転電機用ブラシ１は、摺動本体部２と、導線保持部３と、リード線４と、を備えている。
【００４５】
摺動本体部２は、略角柱状のブラシ１の外形を形成している。そして、摺動本体部２は、角柱状の軸方向の一方の端面をブラシ１の摺動面１ａとなるように区画している。摺動本体部２は、表２に示したように、銅粉が黒鉛質の基材に均一に分散している。また、摺動本体部２は、固体潤滑剤も銅と同様に黒鉛質の基材に均一に分散している。
【００４６】
リード線４は、軟銅撚り線よりなり、その端部４０がブラシ１の他方の端部側にブラシ１の軸方向に垂直な状態で挿入された状態で固定されている。
【００４７】
導線保持部３は、ブラシ１の他方の端部側に摺動本体部２と一体に形成されている。導線保持部３は、リード線４の挿入された端部４０の外周部に形成され、リード線４の端部４０を保持・固定する。導線保持部３は、表２に示したように、銅粉が黒鉛質の基材に均一に分散している。また、導線保持部３は、摺動本体部２よりも銅の含有率が高くなっている。
【００４８】
（評価）
実施例において製造された各試料の回転電機用ブラシ１の評価を行った。
【００４９】
回転電機用ブラシ１の各試料の評価は、常温で２００Ａで通電を行い、通電終了の１０秒後の摺動面１ａとリード線４との間での接触部電圧降下量を測定することでなされた。測定結果を図３に示した。
【００５０】
図３に示したように、第二の混合粉末を設けることで、接触部電圧降下が小さくなっている。そして、第二の混合粉末の厚さが混合粉末の合計の厚さの２０％以上で接触電圧降下がほぼ一定となっている。
【００５１】
また、実施例において製造されたブラシ１のリード線４近傍の写真を撮影し、図４及び５に示した。
【００５２】
図４は、第一の混合粉末と第二の混合粉末の合計の厚さに対する第二の混合粉末の厚さの割合が２０％の試料である。図４に示されたように、リード線４の外周部に十分な厚さの導線保持部３が形成されていることが確認できる。
【００５３】
図５は、第一の混合粉末と第二の混合粉末の合計の厚さに対する第二の混合粉末の厚さの割合が５％の試料である。図５に示されたように、十分な導線保持部３が形成されず、リード線４が摺動本体部２と直接接していることが確認できる。
【００５４】
このように、第一の混合粉末と第二の混合粉末の合計の厚さに対する第二の混合粉末の厚さの割合が２０％以上の各試料の回転電機用ブラシ１は、十分なすぐれた導電性と長い寿命を備えたブラシとなっていることがわかる。
【００５５】
（回転電機）
上記の各実施例の回転電機用ブラシ１は、回転電機のブラシとして利用することができる。このような回転電機の一例として図６にスタータモータ６を示した。
【００５６】
図６に示したように、スタータモータ６は、ヨーク６０の内周に界磁コイル６１を有する界磁手段と、電機子コイル６３を有する電機子６４と、この電機子６４に設けられる整流子６５と、この整流子６５に摺接するブラシ１を備えている。
【００５７】
このスタータモータ６は、スタータ６６のフロントハウジング６７に電磁スイッチ６８と共に取り付けられ、モータ回路に設けられるメイン接点（ 図示せず） が電磁スイッチ６８により閉操作されると、車載バッテリより電力の供給を受けて電機子６４に回転力を発生し、その回転力がピニオンギヤ６９に伝達される。
【００５８】
界磁コイル６１は、ヨーク６０の内周に固定される界磁鉄心７０の周囲に巻き付けられて、一端側がモータリード線７１を介して電磁スイッチ６８のモータ端子に接続され、他端側が正極側のブラシ１に接続されている。
【００５９】
電機子コイル６３は、４極以上の電機子鉄心７２に重ね巻きされ、両端部がそれぞれ整流子６５を構成するセグメント６５ａに接続されている。
【００６０】
整流子６５は、電機子鉄心７２が固定される電機子軸７３の一端側に設けられ、その電機子軸７３の周囲に絶縁材７４を介して複数のセグメント６５ａを円筒状に配置して構成される。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】実施例の回転電機用ブラシの製造時の混合粉末の配置状態を示した図である。
【図２】実施例の回転電機用ブラシの構成を示した図である。
【図３】混合粉末の割合とブラシの電圧降下の関係を示したグラフである。
【図４】実施例の第二の混合粉末の厚さが２０％の試料の回転電機用ブラシのリード線近傍の拡大写真である。
【図５】実施例の第二の混合粉末の厚さが５％の試料の回転電機用ブラシのリード線近傍の拡大写真である。
【図６】実施例のブラシを使用したスタータモータの構成を示した図である。
【符号の説明】
【００６２】
１：回転電機用ブラシ
２：摺動本体部
３：導線保持部
４：リード線
５：中間層部
６：スタータモータ                ６０：ヨーク
６１：界磁コイル                  ６３：電機子コイル
６４：電機子                      ６５：整流子
６６：スタータ                    ６７：フロントハウジング
６８：電磁スイッチ                ６９：ピニオンギア
７０：界磁鉄心                    ７１：モーターリード線
７２：電機子鉄心                  ７３：電機子軸
７４：絶縁材
【図１】
0005136841.tif 000003
【図２】
0005136841.tif 000004
【図３】
0005136841.tif 000005
【図４】
0005136841.tif 000006
【図５】
0005136841.tif 000007
【図６】
0005136841.tif 000008