(57)【要約】【課題】耐酸化性に優れ、経時による入力変化が小さく、長寿命化および低ノイズ化を図ることができ、鉛フリー化に対応し得る銅カーボン質の電刷子およびその製造方法を提供する。【解決手段】粒径１０μｍ以上１００μｍ以下の電解銅粉に、該銅粉に対して３重量％以上５０重量％以下の銀をメッキする鍍銀処理工程と、黒鉛粉１４重量％以上６９重量％以下をバインダ処理した黒鉛造粒粉と、電解銅粉３０重量％以上８０重量％以下と、ＭｏＳ2、ＷＳ2またはＢＮのうちの少なくともいずれか１種を１重量％以上６重量％以下とを、前記鍍銀処理工程で得られた鍍銀銅粉を前記混合原料全量に対して１重量％以上１０重量％以下を添加して混合する原料調製工程と、前記工程で調製された原料を２ｔ／ｃｍ2以上５ｔ／ｃｍ2以下で加圧成型する工程と、前記工程による成型品を４００℃以上８００℃以下で焼成する工程とを経る製造方法により、電刷子を得る。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
１４重量％以上６９重量％以下の黒鉛と、３０重量％以上８０重量％以下の銅粉と、１重量％以上６重量％以下の二硫化モリブデン、二硫化タングステンまたは窒化ホウ素のうちの少なくともいずれか１種と、これらの全量に対して１重量％以上１０重量％以下の鍍銀銅粉とが配合されてなることを特徴とする電刷子。
【請求項２】
前記鍍銀銅粉は、粒径１０μｍ以上１００μｍ以下の銅粉に、該銅粉に対して３重量％以上５０重量％以下の鍍銀が施されたものであることを特徴とする請求項１記載の電刷子。
【請求項３】
粒径１０μｍ以上１００μｍ以下の電解銅粉に、該銅粉に対して３重量％以上５０重量％以下の銀をメッキする鍍銀処理工程と、
黒鉛粉１４重量％以上６９重量％以下をバインダ処理した黒鉛造粒粉と、電解銅粉３０重量％以上８０重量％以下と、二硫化モリブデン、二硫化タングステンまたは窒化ホウ素のうちの少なくともいずれか１種を１重量％以上６重量％以下とを、前記鍍銀処理工程で得られた鍍銀銅粉を前記混合原料全量に対して１重量％以上１０重量％以下を添加して混合する原料調製工程と、
前記工程で調製された原料を２ｔ／ｃｍ2以上５ｔ／ｃｍ2以下で加圧成型する工程と、
前記工程による成型品を４００℃以上８００℃以下で焼成する工程とを備えていることを特徴とする電刷子の製造方法。
【請求項４】
前記原料調製工程において、炭化タングステン、二ケイ化チタン、炭化チタン、シリカまたはアルミナの少なくともいずれか１種を前記混合原料全量に対して０．１重量％以上３．０重量％以下添加することを特徴とする請求項３記載の電刷子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機、モータ等の電気機械に用いられ、鉛フリー化に対応し得る銅カーボン質の電刷子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電機またはモータ等の回転電機においては、カーボン粉末と導電性を付与するための金属粉末とを主成分とした金属カーボン質電刷子が一般に使用されており、その中でも、電解銅粉とバインダで造粒した黒鉛とを主成分とするものが主流である。
また、低ノイズ化を図るために、バインダを使用せず、鍍銅処理を施した黒鉛原料粉末を用いたり、均一な研磨性を付与するために、添加される研磨材に鍍銅処理を施した銅カーボン質電刷子も知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
上記のような金属カーボン質電刷子においては、仕様に応じて、潤滑剤や研磨材が添加され、特に、金属高含有電刷子の場合には、耐酸化性および潤滑性向上のために、通常、鉛が１．０〜１．５重量％程度添加されている。
【０００４】
ところが、近年、ＥＵによるＲｏＨＳ／ＥＬＶ指令（電気電子機器における特定有害物質使用規制／廃自動車指令）により、環境負荷物質の全廃が迫られており、電刷子についても、鉛フリー化が要求されるようになった。
しかしながら、従来の銅カーボン質電刷子において、鉛フリーとすると、高温高湿環境下で使用される場合、経時により、トルクおよび回転数が低下し、入力が低下するという問題が生じていた。
このため、入力低下を抑制するために、鉛の代替となる材料によって、電刷子の耐酸化性を向上させることが必要であった。
【特許文献１】特開２００４−７１１７７号公報
【特許文献２】特開平２−２８５９５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者らは、上記鉛フリー化の対応策として、金属粉の酸化を防止するための鉛の代替材料として、比較的酸化しにくい銀を用いることを考えた。
そこで、従来の銅カーボン質電刷子において、鉛に替えて、銀粉を少量添加したところ、経時による電刷子における入力低下についての改善は認められた。
しかしながら、銀粉は、弾性率が高く、しかも、非常に凝集しやすいため、電刷子中で凝集塊を生じ、これにより、相対する整流子が削られ、それとともに、電刷子自身の磨耗量も増大し、ノイズが高くなるという課題が生じた。
【０００６】
したがって、銅カーボン質電刷子において、鉛フリーとした場合においても、耐酸化性の向上を図り、経時による電刷子における入力低下を抑制することができ、しかも、電刷子の磨耗を増大させることのない材質とすることが求められていた。
【０００７】
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、耐酸化性に優れ、経時による入力変化が小さく、長寿命化および低ノイズ化を図ることができ、鉛フリー化に対応し得る銅カーボン質の電刷子を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、上記のような電刷子を好適に製造する方法を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る電刷子は、１４重量％以上６９重量％以下の黒鉛と、３０重量％以上８０重量％以下の銅粉と、１重量％以上６重量％以下の二硫化モリブデン、二硫化タングステンまたは窒化ホウ素のうちの少なくともいずれか１種と、これらの全量に対して１重量％以上１０重量％以下の鍍銀銅粉とが配合されてなることを特徴とする。
鉛フリーとした場合においても、鍍銀銅粉を添加することにより、銅カーボン質電刷子において、耐酸化性を向上させることができ、経時による電刷子における入力低下の抑制および耐摩耗性の向上も図ることができる。
【０００９】
前記電刷子においては、鍍銀銅粉は、粒径１０μｍ以上１００μｍ以下の銅粉に、該銅粉に対して３重量％以上５０重量％以下の鍍銀が施されたものであることが好ましい。
電刷子原料中における均一分散性、電刷子の均一研磨性等の観点から、上記のような鍍銀銅粉を用いることが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係る電刷子の製造方法は、粒径１０μｍ以上１００μｍ以下の電解銅粉に、該銅粉に対して３重量％以上５０重量％以下の銀をメッキする鍍銀処理工程と、黒鉛粉１４重量％以上６９重量％以下をバインダ処理した黒鉛造粒粉と、電解銅粉３０重量％以上８０重量％以下と、二硫化モリブデン、二硫化タングステンまたは窒化ホウ素のうちの少なくともいずれか１種を１重量％以上６重量％以下とを、前記鍍銀処理工程で得られた鍍銀銅粉を前記混合原料全量に対して１重量％以上１０重量％以下を添加して混合する原料調製工程と、前記工程で調製された原料を２ｔ／ｃｍ2以上５ｔ／ｃｍ2以下で加圧成型する工程と、前記工程による成型品を４００℃以上８００℃以下で焼成する工程とを備えていることを特徴とする。
上記製造方法によれば、本発明に係る電刷子を好適に得ることができる。
【００１１】
前記原料調製工程においては、均一な研磨性を得るための研磨材として、炭化タングステン、二ケイ化チタン、炭化チタン、シリカまたはアルミナの少なくともいずれか１種を前記混合原料全量に対して０．１重量％以上３．０重量％以下添加することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
上述のとおり、本発明によれば、発電機、モータ等の電気機械に用いられる銅カーボン質電刷子において、耐酸化性に優れ、経時による入力変化（トルク、回転数の低下）が小さく、長寿命化および低ノイズ化を図ることができ、鉛フリー化に対応することができる。
また、本発明に係る製造方法によれば、上記のような本発明に係る銅カーボン質の電刷子を好適に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明に係る電刷子は、１４重量％以上６９重量％以下の黒鉛と、３０重量％以上８０重量％以下の銅粉と、１重量％以上６重量％以下の二硫化モリブデン（ＭｏＳ2）、二硫化タングステン（ＷＳ2）または窒化ホウ素（ＢＮ）のうちの少なくともいずれか１種と、これらの全量に対して１重量％以上１０重量％以下の鍍銀銅粉とが配合されてなるものである。
すなわち、銅とカーボンを主成分とするものであり、潤滑剤としてＭｏＳ2、ＷＳ2またはＢＮが添加され、さらに、鍍銀銅粉が添加された銅カーボン質電刷子である。
前記鍍銀銅粉の添加により、銅カーボン質電刷子において、鉛フリーとした場合においても、耐酸化性の向上が図られ、経時による電刷子における入力低下を抑制することができ、耐摩耗性および低ノイズ化の向上も図ることができる。
【００１４】
前記電刷子における黒鉛の含有量が１４重量％未満であり、銅粉の含有量が８０重量％を超え、さらに、ＭｏＳ2、ＷＳ2またはＢＮのうちの少なくともいずれか１種の含有量が１重量％未満である場合は、電刷子の摺動潤滑性が劣るため、火花が生じやすく、ノイズが高くなり、実用性に欠ける。
一方、黒鉛の含有量が６９重量％を超え、銅粉の含有量が３０重量％未満であり、さらに、ＭｏＳ2、ＷＳ2またはＢＮのうちの少なくともいずれか１種の含有量が６重量％を超える場合、電刷子と整流子との接触抵抗が大きくなり、鍍銀銅粉の添加の有無に関わらず、モータのトルク、回転数が低下しやすい。
また、前記鍍銀銅粉の含有量が１０重量％を超える場合は、銀の集合部面積が大きくなり、整流子を傷つけ、その結果、電刷子の磨耗量が大きくなり、ノイズが高くなる。
【００１５】
上記のような本発明に係る電刷子は、銅粉の鍍銀処理工程、各電刷子原料を混合する原料調製工程、成型工程、焼成工程を経ることにより得ることができる。
まず、銅粉の鍍銀処理工程においては、粒径１０μｍ以上１００μｍ以下の銅粉に、該銅粉に対して３重量％以上５０重量％以下の銀をメッキする。
【００１６】
前記鍍銀銅粉は、銅粉に銀メッキ（鍍銀処理）を施したものである。
銀は、銀粉としてそのまま原料中に添加した場合は、凝集しやすいが、銅粉表面にメッキすることにより、薄膜状に存在させることができる。このため、鍍銀銅粉の添加により、銀を均一に分散させることが可能となり、銅粉表面にメッキする銀の量を適宜調整した場合においても、電刷子原料中における銀の均一分散性を維持することができる。
しかも、銀粉そのままの状態で、電刷子原料中に添加する場合に比べて、少ない添加量でも、耐酸化性向上効果を得ることができる。
【００１７】
前記鍍銀銅粉に用いられる銅粉は、高純度であることが好ましいことから、電解銅粉が好適に用いられる。また、その粒径は、１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
前記銅粉の粒径が１０μｍ未満である場合、均一な鍍銀処理を施すことが難しく、また、粒径が小さすぎると、銅粉の取扱いが困難であり、作業性に劣る。
一方、前記銅粉の粒径が１００μｍを超える場合は、粒子が大きすぎて、均一研磨性に劣り、電刷子から脱落するおそれがある。
【００１８】
また、前記銅粉の表面にメッキされる銀の量は、該銅粉に対して３重量％以上５０重量％以下であることが好ましい。
前記銀の量が３重量％未満である場合は、銀の添加による耐酸化性向上効果が十分に得られない。
一方、前記銀の量が５０重量％を超える場合は、銀の量が多すぎ、電刷子原料中において鍍銀銅粉同士が凝集するおそれがあり、均一な分散性を保持することが困難となる。
【００１９】
次に、原料調製工程においては、黒鉛粉１４重量％以上６９重量％以下をバインダ処理した黒鉛造粒粉と、電解銅粉３０重量％以上８０重量％以下と、ＭｏＳ2、ＷＳ2またはＢＮのうちの少なくともいずれか１種を１重量％以上６重量％以下との混合原料に、前記鍍銀処理工程で得られた鍍銀銅粉を外率で１重量％以上１０重量％以下添加して混合する。
【００２０】
上記のように、鍍銀銅粉の添加量は、黒鉛と、銅粉と、ＭｏＳ2、ＷＳ2またはＢＮのうちの少なくともいずれか１種との混合原料全量に対して１重量％以上１０重量％以下とする。
前記鍍銀銅粉の添加量が１重量％未満である場合、鉛の代替添加剤としての上述したような鍍銀銅粉効果は得られない。
一方、前記鍍銀銅粉の添加量が１０重量％を超える場合、銀の集合部面積が大きくなり、整流子を傷つけ、その結果、電刷子の磨耗量が大きくなり、ノイズが高くなる。
【００２１】
前記黒鉛造粒粉とされる黒鉛には、天然黒鉛そのまま、あるいはまた、薬品処理や熱処理を施した天然黒鉛もしくは人工黒鉛を用いることができる。これを、該黒鉛に対して１重量％以上２０重量％以下、好ましくは、５重量％以上１５重量％以下のフェノール系バインダと混練した後、粉砕、篩分し、所望の粒度の黒鉛造粒粉を得る。
【００２２】
前記黒鉛粉の電刷子原料中の配合量は、１４重量％以上６９重量％以下であることが好ましく、より好ましくは、５重量％以上１５重量％以下である。
また、前記電解銅粉の電刷子原料中の配合量は、３０重量％以上８０重量％以下であることが好ましく、より好ましくは、３０重量％以上５０重量％以下である。
【００２３】
さらに、ＭｏＳ2、ＷＳ2またはＢＮは、潤滑剤として添加されるものであり、これらは単独でも、複数種類を組合わせて用いてもよい。
前記潤滑剤の配合量は、電刷子原料中１重量％以上６重量％以下であることが好ましく、より好ましくは、２重量％以上４重量％以下である。
【００２４】
前記黒鉛の配合量が１４重量％未満であり、銅粉の配合量が８０重量％を超え、さらに、ＭｏＳ2、ＷＳ2またはＢＮのうちの少なくともいずれか１種の配合量が１重量％未満である場合、電刷子の摺動潤滑性が劣るため、火花が生じやすく、ノイズが高くなり、実用性に欠ける。
一方、前記黒鉛の配合量が６９重量％を超え、銅粉の配合量が３０重量％未満であり、さらに、ＭｏＳ2、ＷＳ2またはＢＮのうちの少なくともいずれか１種の配合量が６重量％を超える場合、電刷子と整流子との接触抵抗が大きくなり、鍍銀銅粉の添加量に関係なく、モータのトルク、回転数が低下しやすい。
【００２５】
さらに、電刷子の長寿命化のために、電刷子原料混合時に、研磨材として、炭化タングステン（ＷＣ）、二ケイ化チタン（ＴｉＳｉ2）、炭化チタン（ＴｉＣ）、シリカ（ＳｉＯ2）またはアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を添加してもよい。これらは、単独でも、複数種類を組合わせて用いてもよい。
前記研磨材の添加量は、少なすぎる場合には、その効果が十分に得られず、一方、多すぎる場合には、整流子に対する摺動性が低下する。このため、前記電刷子原料全量に対して、外率で０．１重量％以上３．０重量％以下であることが好ましく、より好ましくは、１．０重量％以上２．０重量％以下とする。
【００２６】
次に、前記原料調製工程において混合された電刷子原料は、２ｔ／ｃｍ2以上５ｔ／ｃｍ2以下の圧力で、所定の電刷子形状に加圧成型した後、該成型品を４００℃以上８００℃以下で焼成し、適宜仕上げ加工を施すことにより、所望の銅カーボン質電刷子が得られる。
前記成型時の加圧は約３ｔ／ｃｍ2とし、焼成温度は６００℃程度で焼成することがより好ましい。
【実施例】
【００２７】
以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
粒径１０μｍ以上１００μｍ以下の電解銅粉に、該銅粉に対して５０重量％の銀をメッキして、鍍銀銅粉を得た。
次に、黒鉛粉４６重量％をこれに対して１０重量％のフェノール系バインダで処理した黒鉛造粒粉と、電解銅粉５０重量％と、潤滑剤としてＭｏＳ2４重量％とを混合した原料の全量に対して、上記により得られた鍍銀銅粉を３重量％添加し、混合して、電刷子原料を調製した。
前記電刷子原料を３ｔ／ｃｍ2で加圧成型し、該成型品を６００℃で焼成し、電刷子を作製した。
【００２８】
上記により得られた電刷子について、入力変化率、耐久性（ライフ）およびノイズの評価を行った。
入力変化率は、８０℃、湿度９０％で２４０時間放置した前後におけるトルクを測定し、下記計算式により算出した。
入力変化率（％）＝（ 経時後のトルク − 初期トルク ）／ 初期トルク × １００
また、耐久性（ライフ）の評価は、ＤＣ１３Ｖ安定化電源、負荷４．９ｍＮ・ｍにて、ＣＷ（時計回り）０．５秒ＯＮ→２．０秒ＯＦＦ→ＣＣＷ（反時計回り）０．５秒ＯＮ→２．０秒ＯＦＦを１サイクルとした条件下での使用可能サイクル数を求めることにより行った。
上記各評価結果を表１に示す。
【００２９】
［参考例］
従来の銅カーボン質電刷子として、電刷子原料中に鉛を１．５重量％（外率）添加して、実施例１と同様にして、電刷子を作製し、各種評価を行った。
これらの評価結果を表１に示す。
【００３０】
［比較例１］
ブランクとして、電刷子原料中に、鉛、銀粉および鍍銅銀粉のいずれも添加せずに、実施例１と同様にして、電刷子を作製し、各種評価を行った。
これらの評価結果を表１に示す。
【００３１】
［比較例２，３］
電刷子原料中に鍍銀銅粉を添加せず、銀粉を添加（外率）した場合の電刷子について、実施例１と同様にして、作製し、各種評価を行った。
これらの評価結果を表１に示す。
【００３２】
［実施例２および比較例４〜９］
表１の実施例２および比較例４〜９に示すような電刷子原料配合組成として、それ以外については、実施例１と同様にして、電刷子を作製し、各種評価を行った。
これらの評価結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】
2007097244.tif 000002
【００３４】
表１に示したように、従来添加されていた鉛に替えて、所定量の鍍銀銅粉を添加することにより（実施例１，２）、鉛を添加しない場合（比較例１）に比べて、経時による入力変化が抑制され、従来の鉛添加品（参考例）と同等レベルのライフおよび低ノイズの電刷子が得られることが認められた。
また、銀粉を添加した場合（比較例２，３）に比べて、電刷子の長寿命化、低ノイズ化を図ることができることが認められた。