(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁吸引力を発揮するソレノイドコイルと、
このソレノイドコイルの内周側に配設された筒状部材である黄銅製からなるスリーブと、
このソレノイドコイルに吸引されてこのスリーブの内周面に外周面で摺接しつつ移動する可動鉄心と、
を有する電磁スイッチにおいて、
前記可動鉄心の前記外周面に、黄銅製からなるスリーブよりも硬く融点が４００℃以上である金属薄膜が形成されており、
この金属薄膜は、ニッケルメッキ層とその上に形成されたクロムメッキ層とをもつことを特徴とする電磁スイッチ。
【請求項２】
前記金属薄膜の表面は、十点平均粗さでＲｚ１Ｚ以下の平滑度を有する、
請求項１記載の電磁スイッチ。
【請求項３】
前記金属薄膜の表面硬度は、ビッカース硬度でＨｖ４００以上である、
請求項１記載の電磁スイッチ。
【請求項４】
前記金属薄膜は、前記可動鉄心の前記外周面の上に電気メッキの連続行程により形成されたニッケルメッキ層とその上に形成されたクロムメッキ層からなる装飾クロムメッキ層である、
請求項１記載の電磁スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁スイッチの技術分野に属し、より詳しくはエンジンスタータ用に好適な電磁スイッチの技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術としては、特許２６４６８９３号に、可動鉄心と金属スリーブとの摺動面の摺動耐久性および耐腐食性に優れたエンジンスタータ用の電磁スイッチが開示されている。この電磁スイッチの特徴は、可動鉄心の外周面に、金属スリーブの外周面よりも柔らかく、金属スリーブとの電位差が小さくなる金属膜が形成されている点である。より具体的には、軟鋼からなる可動鉄心の外周面に、錫または錫合金からなるビッカース硬度がＨｖ３０程度の柔らかい金属薄膜が形成されており、可動鉄心はこの金属薄膜で黄銅またはステンレス鋼からなるスリーブの内周面に摺接する。摺接時には、この柔らかい金属薄膜が潤滑層として作用して優れた摺動耐久性が得られると共に、可動鉄心を形成する軟鋼の表面を錫で覆うことにより金属スリーブとの電位差を低減して、浸水時にも電解腐食が生じにくくなっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エンジンスタータ用の電磁スイッチには、自動車の狭いエンジンルーム内に収容できるように小型化の要求が高く、小型高出力化が要求される。そのうえに、単にスイッチを開閉するだけではなく、ドライブレバーを介してスタータモータのピニオンギヤを突出させる駆動装置としても使用されるので、より大きな電磁吸引力が要求される。さらに、ドライバーの中には長時間スタータモータを回し続ける人もいるので、ソレノイドコイルから発生するジュール熱により、電磁スイッチの温度がかなりの高温にまで昇温することがある。
【０００４】
より具体的には、可動鉄心と金属スリーブとの摺接面が２５０℃以上になることもあり、前述の従来技術では錫の融点が２１２℃と比較的低いので、耐熱性の面で不足する恐れがあった。
そこで本発明は、可動鉄心と金属スリーブとの摺接面での摺動耐久性に優れるばかりではなく、過酷な作動状態で起きる高温下においても同摺動耐久性が損なわれることがない電磁スイッチを提供することを解決すべき課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、発明者らは数々の試作品を製作して多数の実験を行い、錫に代えてクロムの金属薄膜を電気メッキで可動鉄心の外周面に形成すると良好な試験結果が得られることを発見した。発明者らはさらに、追試によってその発見を確認すると共に、各種測定を行って同発見について考察を重ねた結果、以下の手段を発明するに至った。
【０００６】
（第１手段）
本発明の第１手段は、請求項１記載の電磁スイッチである。
すなわち、第１手段の電磁スイッチは、電磁吸引力を発揮するソレノイドコイルと、ソレノイドコイルの内周側に配設された筒状部材であるスリーブと、ソレノイドコイルに吸引されてスリーブの内周面に外周面で摺接しつつ移動する可動鉄心とを有する。第１手段の特徴は、可動鉄心の外周面とスリーブの内周面とのうち一方に、他方よりも硬く融点が４００℃以上である金属薄膜が形成されていることである。
【０００７】
本手段において、金属薄膜の融点を４００℃以上と限定した根拠は、スタータ用の電磁スイッチでは、可動鉄心とスリーブとの摺接面での温度が現状の電磁スイッチでは最大で３００℃にも及ぶという事実にある。そこで、将来の電磁スイッチのさらなる小型高出力化に備えて、なお１００℃の安全マージンを与えるものとすると、金属薄膜の融点は４００℃以上である必要があると発明者らは考えた。
【０００８】
次に、硬い金属薄膜が形成されるものと限定した理由は、柔らかい自己潤滑性のある材料（たとえばテフロンや二硫化モリブデン）では、摩滅していずれはなくなってしまうので、長期間に渡る運用には向かず耐久性に欠けるからである。それゆえ、短期間では摩滅しない材料として、硬い金属薄膜を採用する必要性があった。
【０００９】
さらに金属薄膜が他方の材料よりも硬いとした理由は、摺動面の一方と他方との硬度差が大きいほど、そして硬いほど、金属接触面の凝着摩耗が小さくて済み、凝着摩耗によって生じる摩擦力が小さくなるからである。摩擦力が大きいと、なおいっそう凝着摩耗が進むので、凝着摩耗による摩擦力を生じにくく、摩耗も少ない硬い材料であることが、耐久性に優れた金属薄膜の条件である。すなわち、凝着摩耗によって摩擦力が発生することを防止することが、摺動耐久性を満足させるための要諦であることを発明者らは発見し、確認して本発明をするに至った。
【００１０】
それゆえ、可動鉄心の外周面とスリーブの内周面とのうち一方に、他方よりも硬く融点が４００℃以上である金属薄膜が形成されていれば、可動鉄心とスリーブとの摺接面での摺動耐久性に優れるばかりではなく、過酷な作動状態で起きる高温下においても同摺動耐久性が損なわれることがないという条件を満足させることが可能になる。
【００１１】
したがって、本手段の電磁スイッチによれば、可動鉄心とスリーブとの摺接面での摺動耐久性に優れるばかりではなく、過酷な作動状態で起きる高温下においても同摺動耐久性が損なわれることがないという効果がある。
（第２手段）
本発明の第２手段は、請求項２記載の電磁スイッチである。
【００１２】
本手段では、金属薄膜の表面は、十点平均粗さでＲｚ１Ｚ以下の平滑度を有するので、金属薄膜の表面はほとんど凹凸がない鏡のような光沢面で仕上げられており、相手部材と微細な凹凸をもって接触をすることがない。それゆえ、金属薄膜と相手部材との摺接面においてさらに摩擦力が低減され、凝着摩耗がよりいっそう起きにくくなっているので、摺接面の耐久性はさらに良好に保たれる。
【００１３】
したがって本手段によれば、前述の第１手段の効果に加えて、可動鉄心とスリーブとの摺接面において、よりいっそう優れた摺動耐久性が得られるという効果がある。
（第３手段）
本発明の第３手段は、請求項３記載の電磁スイッチである。
【００１４】
本手段では、金属薄膜の表面硬度は、ビッカース硬度でＨｖ４００以上であるので、摺接面での相手部材が黄銅であるとすれば、相手部材との硬度差が数倍にも達する。前述のように摺動耐久性に優れるためには凝着摩耗が少ないことが肝要であるが、凝着摩耗は硬度が同等程度の摺動部材の間で起きやすいことが、発明者らの試験により明らかにされている。それゆえ、摺接面において相手部材の数倍にも達する硬度差があれば、凝着摩耗が起きにくく、凝着摩耗による摩擦力も抑制されるので、優れた摺動耐久性が得られる。
【００１５】
したがって本手段によれば、前述の第１手段の効果に加えて、可動鉄心とスリーブとの摺接面において、よりいっそう優れた摺動耐久性が得られるという効果がある。
（第４手段）
本発明の第４手段は、請求項４記載の電磁スイッチである。
【００１６】
本手段では、金属薄膜は、クロムおよびクロム合金のうちいずれかからなるので、極めて高い融点と十分に硬い硬度とを備えているうえに、電気メッキなどの手段により極めて高い平滑度の表面をもつ金属薄膜を形成することが容易である。すなわち、クロムの融点は１８６０℃と非常に高く、ニッケルクロム合金等のクロム合金もクロムに準ずる高い融点をもっているので、従来技術で使用した錫などと比較すると、耐熱性が抜群に高い。また、クロムからなる金属薄膜の硬度は、ビッカース硬度でＨｖ５００程度と高く、クロム合金もクロムに準ずる（またはクロム以上の）硬度を有するので、クロムやクロム合金は硬度の点から言っても申し分ない材料である。さらに、クロムやクロム合金を電気メッキするなどの手段や、装飾クロムメッキを施すなどの手段により、鏡面仕上げに近い高度な平滑度が得られるので、クロムやクロム合金は仕上げ面の平滑度から言っても非常に優れている。
【００１７】
したがって本手段によれば、前述の第１手段の効果に加えて、融点・硬度・表面平滑度のいずれの点でも優れた金属薄膜が形成されうるので、可動鉄心とスリーブとの摺接面において、極めて優れた高温下での摺動耐久性が得られるという効果がある。
（第５手段）
本発明の第５手段は、請求項５記載の電磁スイッチである。
【００１８】
本手段では、金属薄膜は、メッキ、真空蒸着およびスパッタリングのうちいずれかの形成手段により形成されており、各形成手段によってそれぞれ異なる優れた特性の金属薄膜が得られる。すなわち、メッキによれば、安価かつ容易に金属薄膜を形成することができ、生産性に優れるのでコストダウンの効果が得られる。真空蒸着によれば、極めて清浄で平滑度が高い表面が得られるという利点がある。スパッタリングによれば、上記真空蒸着の利点に加えて、精密に設定した通りの組成の合金からなる薄膜の形成が容易になるという利点がある。また、真空蒸着やスパッタリングによれば、より容易にアモルファス合金からなる金属薄膜を形成することができるという効果がある。
【００１９】
したがって本手段によれば、前述の第１手段の効果に加えて、それぞれの形成手段に特有の利点が得られるという効果がある。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の電磁スイッチの実施の形態については、当業者に実施可能な理解が得られるよう、以下の実施例で明確かつ十分に説明する。
［実施例１］
（実施例１の構成）
本発明の実施例１は、自動車のエンジンスタータ用の電磁スイッチであって、図１に示すように、コイル部１と、鉄心部２と、スイッチ部５とから構成されている。
【００２１】
コイル部１は、ボビン１３に巻装されたソレノイドコイル１２と、ボビン１３の内周面に嵌装されている黄銅からなるパイプ状のスリーブ１４と、ソレノイドコイル１２を覆う略円筒状のケースである軟鋼製のスイッチフレーム１１とを有する。ソレノイドコイル１２の一端（図中左端）は、スイッチフレーム１１の端部によって覆われており、ソレノイドコイル１２の他端（図中右端）は、軟鋼製の固定鉄心４１のフランジ４１１によって覆われている。固定鉄心４１のフランジ４１１とスイッチ部５の樹脂製のカバー５１の段差部５１１とは、スイッチフレーム１１の端部１１１のカシメにより一体に固定されている。すなわち、コイル部１とスイッチ部５とは、互いに一体的に固定されており、本実施例の電磁スイッチの外形を形成している。
【００２２】
鉄心部２は、軟鋼からなり外周面に金属薄膜２１ａが形成されている可動鉄心２１と、可動鉄心２１の一端（図中左端）に固定されている鋼鉄製のフック２２と、可動鉄心２１と固定鉄心４１との間に配設されている戻しスプリング３１とを有する。フック２２は、図示しないドライブレバーを介してスタータモータが駆動するピニオンギヤを駆動軸に沿って突出させる目的で、可動鉄心２１をドライブレバーの一端に連結するための連結部材である。戻しスプリング３１は、ソレノイドコイル１２の電磁力で可動鉄心２１が吸引された後、ソレノイドコイル１２の電磁力が消失した際に、可動鉄心２１をコイル部１から突出した元の位置に戻すための付勢力を発揮するコイルスプリングである。
【００２３】
可動鉄心２１の他端（図中右端）からは、可動鉄心２１と同軸に形成されている略円筒状のシャフト２３が突出しており、固定鉄心４１の中央の貫通孔を貫通している。シャフト２３の先端部は、スイッチ部５のカバー５１の内部空間に突出しており、絶縁ブッシュ６２および絶縁ワッシャ６３を介して銅合金からなる可動接点６１を保持している。シャフト２３の中間部には段付き部２４があって、シャフト２３の直径は、段付き部２４で変化して先端側が細くなっている。段付き部２４にはワッシャ６６が嵌められており、絶縁ブッシュ６２を介して可動接点６１を固定接点５２１側に押圧付勢している接点圧スプリング６５の一端をシャフト２３に固定している。シャフト２３の先端部（図中右端部）は、段差をもって一段と細くなっており、同先端部に可動接点６１等の可動範囲を規制する平ワッシャ６４がカシメ部２５によりシャフト２３に固定されている。
【００２４】
スイッチ部５は、シャフト２３の先端部および可動接点６１を水密に覆う樹脂製のカバー５１と、カバー５１の底部にカシメワッシャ５３によって固定されている一対の端子ボルト５２とから構成されている。カバー５１の内部空間に突出した各端子ボルト５２の一端には、それぞれ固定接点５２１が形成されている。すなわち、本実施例の電磁スイッチは、電磁吸引力を発揮するソレノイドコイル１２と、ソレノイドコイル１２の内周側に配設された筒状部材であるスリーブ１４と、ソレノイドコイル１２に吸引されてこのスリーブ１４の内周面に外周面で摺接しつつ移動する可動鉄心２１とを有する。スリーブ１４は、摩擦係数が低く安定していて熱伝導性が高い黄銅製であり、可動鉄心２１は軟磁性である軟鋼から形成されている。
【００２５】
本実施例の電磁スイッチの主な特徴は、スリーブ１４の内周面と摺接する可動鉄心２１の外周面には、スリーブを形成する黄銅よりも硬く、融点が４００℃以上である金属薄膜２１ａが形成されていることである。金属薄膜２１ａは、電気メッキの連続工程により形成された装飾クロムメッキ層であり、可動鉄心２１の外周面を形成している軟鋼の精密機械仕上げ面の上に、ニッケルメッキを施し、さらにその上にクロムメッキを施したものである。この装飾クロムメッキ層のうち、ニッケルメッキ層の厚さは１０〜３０μｍ程度であり、その上に形成されたクロムメッキ層の厚さは０．１〜０．６μｍ程度であって、金属薄膜２１ａ全体の厚さは１０〜３０μｍ程度である。
【００２６】
装飾クロムメッキによる金属薄膜２１ａのうち、ニッケルメッキ層を形成しているニッケルの融点は約１４５０℃であり、クロムメッキ層を形成しているクロムの融点は約１８６０℃である。それゆえ、金属薄膜２１ａの融点は４００℃を遥かに超えており、金属薄膜２１ａは極めて高い耐熱性を有する。
可動鉄心２１の外周面を形成している軟鋼の精密機械仕上げ面の表面粗さは、図２に示すように、装飾クロムメッキ前には十点平均粗さでＲｚ３Ｚ程度であり、摺接面として十分に平滑であるとは言い難い。しかしながら、可動鉄心２１の外周面に装飾クロムメッキが施されて金属薄膜２１ａが形成されると、図３に示すように、金属薄膜２１ａの表面粗さは十点平均粗さでＲｚ０．５Ｚ程度にまで収まり、金属薄膜２１ａの表面は十点平均粗さがＲｚ１Ｚ以下の平滑度を有するに至る。
【００２７】
金属薄膜２１ａの表面硬度は、ビッカース硬度でＨｖ５００程度であり、ビッカース硬度でＨｖ４００以上の硬さが得られている。一方、摺接する相手部材であるスリーブ１４を形成している黄銅の表面硬度は、ビッカース硬度でＨｖ１００程度である。それゆえ、可動鉄心２１の外周面の表面硬度は、スリーブ１４の内周面の表面硬度に対して、ビッカース硬度で約５倍の硬度を有している。なお、スリーブ１４を形成している黄銅は、鏡面のように滑らかな（平滑度が高い）表面を形成しており、また、高温での耐腐食性を向上させるためにアルミニウムやニッケルが添加された特殊黄銅である。
【００２８】
（実施例１の作用効果）
本実施例の電磁スイッチは、以上のように構成されているので、以下のような作用効果を発揮する。
先ず、導線１２１を通じてソレノイドコイル１２に所定の電流が流されると、ソレノイドコイル１２はその周囲にドーナツ状の強力な磁場を生じる。ソレノイドコイル１２が形成する磁束は、軟磁性体であるスイッチフレーム１１、固定鉄心４１および可動鉄心２１を通じて閉磁路を形成しようとするので、固定鉄心４１は磁気吸引力によってソレノイドコイル１２の内部空間へと吸引される。その際、固定鉄心４１と可動鉄心２１との間に強力な磁気吸引力が作用し、可動鉄心２１は戻しスプリング３１の付勢力に反して固定鉄心４１に吸着されるので、フック２２を介して図示しないドライブレバーが駆動される。
【００２９】
可動鉄心２１が固定鉄心４１に吸着される際に、可動鉄心２１の一部であるシャフト２３が移動し、接点圧スプリング６５の付勢力によって可動接点６１が両固定接点５２１に押圧力をもって当接する。その結果、両固定接点５２１の間で導通が取られ、両端子ボルト５２の間に形成されたスイッチが閉じる。
次に、ソレノイドコイル１２に電流が流されなくなると、戻しスプリング３１の付勢力によって可動鉄心２１が通電前の元の位置に（すなわち図１の状態に）復帰し、これに伴ってドライブレバーも元の位置に復帰する。また、可動接点６１が両固定接点５２１から離れるので、両端子ボルト５２の間に形成されたスイッチが再び開く。
【００３０】
以上の動作の際に、可動鉄心２１の外周面はスリーブ１４の内周面に摺接し、可動鉄心２１の外周面に形成された金属薄膜２１ａの表面は、黄銅製のスリーブ１４の内周面に摺接する。この際、スリーブ１４と金属薄膜２１ａとは、ソレノイドコイル１２が発するジュール熱に起因する３００℃程度までの高温に曝されるが、前述のように金属薄膜２１ａの融点が十分に高く、黄銅製のスリーブ１４も十分な耐熱性を備えているので、溶融する恐れが全くない。
【００３１】
ここで、本発明者らが研究を重ねたところ、摺動面における摩擦によって生じる摩耗の形態には、アブレッシブ摩耗（機械摩耗）と凝着摩耗とがあり、従来技術の電磁スイッチでは、凝着摩耗による摩耗が支配的であることが明らかになった。また、発明者らは、金属摺接部の相手部材との硬度差が大きい方が、すなわちスリーブ１４に比べて金属薄膜２１ａの表面硬度がより硬い方が、凝着摩耗が起きにくいことをも発見した。
【００３２】
凝着摩耗は、図４に示すように、摺接面の互いの凹凸の突部が相手部材の表面に当接して凝着し、凝着部が摩擦運動により剪断することによって表面が摩耗する現象である。金属間の真実接触面積をＡとし、凝着部の剪断強さをＳとすると、凝着摩耗によって生じる摩擦力Ｆは、Ｆ＝Ｓ・Ａで表され、摺接面の摩耗量は摩擦力Ｆに比例する。それゆえ、摩擦力の発生を抑制することは、摺接面の摩耗量を抑制することにもなる。
【００３３】
本発明の電磁スイッチにおいては、可動鉄心２１の外周面とスリーブ１４の内周面とからなる摺接面の摩擦力を低減し、摺動耐久性を向上させることが課題になっているので、この課題を解決するためには凝着摩耗を防止することが肝要である。また、摩擦力を低減させることが大切である理由は、単に摩耗を低減して摺動耐久性を向上させるためだけではなく、電磁スイッチを駆動するバッテリの電圧が定格の１２Ｖから８Ｖ程度にまで低下しても、電磁スイッチを正常に作動させることが要求されるからでもある。
【００３４】
それゆえ、前述のように金属薄膜２１ａが、鏡面のように滑らかな極めて高い表面平滑度と、相手部材の黄銅に比べて数倍程度の高い表面硬度とを有するので、凝着摩耗が起こりにくく、極めて高い摺動耐久性が得られる。この摺動耐久性は、前述のように過酷な運用条件下で起こる高温にさらされていても、ほとんど変わることなく保たれる。この摺動耐久性は、装飾クロムメッキによって形成された金属薄膜２１ａと、前述のような特殊黄銅からなるスリーブ１４との摺接により、よりいっそう強化されているだけではなく、高温下での耐蝕性も向上している。
【００３５】
したがって、本実施例の電磁スイッチによれば、装飾クロムメッキの金属薄膜２１ａと特殊黄銅製のスリーブ１４との間で、常温下だけではなく高温下でも十分に高い摺動耐久性が得られるという効果がある。また、本実施例の電磁スイッチは、特殊黄銅製のスリーブ１４と装飾クロムメッキされた可動鉄心２１とを採用しているので、摺接面の耐蝕性も格段に向上しており、雨水や泥水等がかかりやすい自動車のエンジンスタータ用の用途に好適である。さらに、上記摺接面での摩擦力が低減されているので、起電力がある程度低下した自動車用バッテリによっても駆動が可能であるという効果もある。
【００３６】
併せて、本実施例の電磁スイッチによれば、前述のように金属薄膜２１ａが電気メッキによって一貫工程で形成されるので、金属薄膜２１ａを形成する工数が少なくて済み、比較的安価に製造することができるという効果もある。
（実施例１の各種変形態様）
本実施例の各種変形態様として、たとえば、スリーブ１４の材料を黄銅に代えてステンレス鋼とした変形態様の実施が可能である。また、金属薄膜２１ａがクロムのみからなる変形態様の実施も可能である。さらに、金属薄膜２１ａの形成方法として、電気メッキの代わりに、真空蒸着やスパッタリング等の他の方法を用いて金属薄膜２１ａを形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例１としての電磁スイッチの構成を示す断面図
【図２】  実施例１の可動鉄心の金属薄膜形成前の表面粗さを示す拡大図
【図３】  実施例１の可動鉄心の金属薄膜形成後の表面粗さを示す拡大図
【図４】  金属摺接部の凝着摩耗の概念を模式的に示す断面図
【符号の説明】
１：コイル部
１１：スイッチフレーム    １１１：カシメ部
１２：ソレノイドコイル    １２１：導線
１３：ボビン    １４：スリーブ（黄銅製）
４１：固定鉄心    ４１１：フランジ
２：鉄心部
２１：可動鉄心（軟鋼製）    ２１ａ：金属薄膜（装飾クロムメッキ）
２２：フック    ２３：シャフト    ２４：段付き部
２５：カシメ部
３１：戻しスプリング
６１：可動接点    ６２：絶縁ブッシュ    ６３：絶縁ワッシャ
６４：平ワッシャ    ６５：接点圧スプリング    ６６：ワッシャ
５：スイッチ部
５１：カバー（樹脂製）    ５１１：段差部
５２：端子ボルト    ５２１：固定接点
５３：カシメワッシャ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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