(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンを主成分とする２つの基材と、その間に介在する絶縁性の接着層とを備える電気機械用カーボンブラシであって、
前記接着層は、不織布、織布、紙、樹脂フィルムより選ばれる芯材と、前記芯材の両面を熱反応性接着シートで形成されており、
前記２つの基材に接するように形成された１つの穴へリード線が取付けられている電気機械用カーボンブラシ。
【請求項２】
カーボンを主成分とする２つの基材と、その間に介在する絶縁性の接着層とを備える電気機械用カーボンブラシであって、
前記接着層は、不織布、織布、紙、樹脂フィルムより選ばれる芯材と、前記芯材の両面を熱反応性接着シートで形成されており、
前記電気機械用カーボンブラシに前記接着層を跨ぐ位置に形成された１つの穴へリード線が取付けられている電気機械用カーボンブラシ。
【請求項３】
前記絶縁性の接着層の圧縮剪断強度が０．３ＭＰａ以上であり、層間の抵抗が１ｋΩ以上である請求項１又は２に記載の電気機械用カーボンブラシ。
【請求項４】
前記絶縁性の接着層の厚みが、２００μｍ以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気機械用カーボンブラシ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気機械用カーボンブラシに関し、特に洗濯機や、真空掃除機や、電動工具や、ジューサーミキサー等に使用される交流整流子電動機や、電動フォークリフトや、電動ゴルフカート等に使用される直流整流子電動機のカーボンブラシに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気機械用カーボンブラシ（以下ブラシという）が用いられている整流子電動機において、例えば真空掃除機は近年特に高入力化、高速回転化が進んできている。また、電動工具の電動機はロック運転の様な苛酷な条件で用いられる。さらに整流子電動機を用いる洗濯機や電動フォークリフトの駆動用等の可逆回転で運転する電動機では単一方向に運転する電動機と比較して整流が悪い傾向にある。
【０００３】
整流子電動機においては−般的には、ブラシが整流子片をまたいだ状態で装着されるため整流子片間の電位差により短絡電流が流れる。この短絡電流が電機子の回転により遮断される際に火花が発生するが、この火花によってブラシの電気的摩耗が発生すると共に整流子の表面が荒されることにより、ブラシの機械的摩耗も増大する。電動機の入力が増大したり、電動機の過負荷時のロック運転などによって、この整流子片間の短絡電流が増大する。苛酷な条件下でも火花をおさえ整流を良くし、ブラシの寿命を長くするには、整流子片間の短絡電流を抑制することが必要である。
【０００４】
また、整流子電動機を用いる洗濯機や、電動フォークリフトなどの可逆運転する電動機では、磁束分布の中性点が正転と逆転で移動するため、ブラシを最適位置に取り付けることが困難であり、結果として一方向回転の電動機と比較して、整流が悪くなる。この場合にも整流子片間の短絡電流をおさえて、火花の発生を防ぐことが重要となる。
【０００５】
そこで、ブラシを整流子の回転方向に対して前後に２枚もしくはそれ以上に分割する分割ブラシが知られている。しかし、単純に分割しただけでは分割した各基材間は絶縁されておらず短絡電流の抑制について不充分である。また、分割面を接着剤で接着した貼り合わせブラシもあるが、一般に、液体の接着剤を接着面に均一に塗布するのは非常に手間がかかる。さらに、接着面をいくら平滑に加工しても接着面で分割した基材の一部が接触する点があるので貼り合わせた接着面を有するブラシの抵抗率は高くはなるが、完全に絶縁接着を行うことは困難であった。
【０００６】
また、特開昭６２−１９６０４８号公報には、絶縁紙のノーメックス紙をブラシ基材で挟み込み、ブラシ基材の一端にキャップ式のホルダーを被せることによって、絶縁層を中央部に設け、整流子間の短絡電流を抑制する分割ブラシについて開示されている。
【０００７】
しかしながら、この分割ブラシでは中央部に挟み込んだ絶縁紙が各ブラシ基材に完全に密着しておらず、そのため使用時に絶縁紙が脱落するおそれがある。また、絶縁層が厚いため、整流子に形成される潤滑被膜に影響を与え、整流子摩耗の増大やブラシ摩耗の増大、整流の悪化を招く等のおそれがある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明では上記問題点に鑑み、簡単かつ確実に製作でき、整流が良くて摩耗が小さく、長時間の使用によっても剥がれ等の問題が発生せず、厚い絶縁層の影響による整流子摩耗の増大や整流の悪化が発生せず、小型化も可能で、高入力、高速回転、可逆運転などの苛酷な運転条件に適応できる複数の基材を貼り合わせた電気機械用カーボンブラシを提供することを目的とする。
【０００９】
前記目的を達成するための本発明の請求項１の発明は、カーボンを主成分とする２つの基材と、その間に介在する絶縁性の接着層とを備える電気機械用カーボンブラシであって、前記接着層は、不織布、織布、紙、樹脂フィルムより選ばれる芯材と、前記芯材の両面を熱反応性接着シートで形成されており、前記２つの基材に接するように形成された１つの穴へリード線が取付けられている電気機械用カーボンブラシである。また、本発明の電気機械用カーボンブラシは、カーボンを主成分とする２つの基材と、その間に介在する絶縁性の接着層とを備える電気機械用カーボンブラシであって、前記接着層は、不織布、織布、紙、樹脂フィルムより選ばれる芯材と、前記芯材の両面を熱反応性接着シートで形成されており、前記電気機械用カーボンブラシに前記接着層を跨ぐ位置に形成された１つの穴へリード線が取付けられている。
【００１０】
熱反応性の接着シートを用いることによって、複数のブラシ基材を簡単にかつ確実に接着でき、さらに加熱により硬化するのでブラシの使用時の温度または、経時変化による剥がれ等の問題が発生しない。また、絶縁層が接着層を兼ねているため、各基材と同程度の強度を有する一体物に形成でき、接着層の厚みも必要以上の厚さにならない。
【００１２】
熱反応性の接着シートの芯に不織布等の弾力性のある絶縁物の芯があるので、ブラシの貼り合わせ面を加熱接着する際に接着層に圧力をかけることにより、薄く変形して硬化する。このことによって、非常に薄い絶縁層が形成される。さらに、接着する貼り合わせ面の表面に多少の凹凸があっても高い絶縁性を確保することが出来る。
【００１３】
請求項３の発明は、前記絶縁性の接着層の圧縮剪断強度が０．３ＭＰａ以上であり、層間の抵抗が１ｋΩ以上である請求項１又は２記載の電気機械用カーボンブラシである。
【００１４】
小型のブラシでは貼り合わせブラシの各基材ごとにリード線をとりつけることが困難だが、圧縮剪断強度が０．３ＭＰａ以上、好ましくは１ＭＰａ以上と大きければ、従来の一体物のブラシと同じ構造にすることができ、小さく薄いブラシヘの適用が可能となる。また、基材間の抵抗を高くし、絶縁性を高めることによって、整流子の短絡電流を抑制することが可能となる。
【００１５】
請求項４の発明は、前記絶縁性の接着層の厚みが、２００μｍ以下である請求項１乃至３いずれか記載の電気機械用カーボンブラシ。
【００１６】
接着層の厚みは２００μｍ以下、好ましくは１０〜１００μｍであることが好ましい。２００μｍを越える場合は、整流子に形成される膜を汚損して整流を悪化させたり、逆に整流子を切削して整流子摩耗を引き起こすため好ましくない。
【００１７】
ここで、本発明に使用される基材は、天然黒鉛粉末や人造黒鉛粉末などをバインダーと混練し成形したあと炭化焼成または硬化したものや、コークスやカーボンブラックの粉末をバインダーと混練し成形焼成黒鉛化したものを用いることができる。さらに低電圧で使用されるブラシには、原料に抵抗率を下げるために、銅などの金属粉を加えたものを用いることもできる。また、整流子の被膜の調整や整流子またはブラシ摩耗低減のために研削剤や固体潤滑剤を配合してもよく、整流子電動機の運転される条件によって基材を適宜選択すればよい。
【００１８】
ここで、低電圧で使用されるブラシの抵抗率を下げるために加える金属粉としては、銅以外に、金や、銀等が例示できる。また、整流子の被膜調整用の研削剤としては、アルミナ、シリカ、炭化ケイ素等を使用することができ、固体潤滑剤としては、二硫化モリブデンや二硫化タングステン等を使用することができる。
【００１９】
また、接着シートによる接着層の圧縮剪断強度は、接着剤の圧縮剪断接着強さ試験法（ＪＩＳ  Ｋ  ６８５２−１９９４）に準じて求めた。
【００２０】
また、接着層の層間抵抗は、接着層を通して通電した場合の電流と電圧を測定し、電圧降下法により求めた。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しつつ本発明を具体的に説明する。
【００２２】
図１は本発明におけるブラシの概略斜視図、図２は図１の断面図である。なお、図中の１は基材、２は接着層、３はリード線、４はリード線の接合部である。
【００２３】
図１において、基材１には、前述した人造黒鉛粉末をバインダーと混練したあと、成形硬化したもの若しくは、人造黒鉛粉末と、固体潤滑剤である二硫化モリブデン又は二硫化タングステンと、研削剤であるアルミナ、シリカ、炭化ケイ素のいずれか若しくは２以上を混合したものを混練、成形硬化したものの内のどちらかを基材とする。次にこの基材をブラシのサイズに見合ったサイズの板状に加工し、接着後の接着層２の厚みが２００μｍ以下になるような絶縁性の熱反応性の接着シートを基材１で挟み込み両側より圧力をかけ、昇温して接着する。このように、各ブラシのサイズに見合った厚さの板状に加工し、熱反応性の接着シートを用いることにより、液状の接着剤を塗布するよりも簡単にムラ無く確実に接着することできる。
【００２４】
接着シートには、芯材として不織布、織布、紙、樹脂フィルムを有するもの若しくは前記芯材を有しないものの何れでも使用することができる。芯材を使用していない接着シートのみのものの場合は、接着する面が平滑でなかったり、接着シートが薄すぎる場合、十分に絶縁できないことがあるので、接着面を予め湿式加工等で十分に平滑にしておく必要がある。一方、不織布、織布、紙、樹脂フィルム等の芯材を内部に有する接着シートは、可撓性を有するだけでなく、接着面に多少の凹凸があっても、また接着シートが薄くても十分にブラシ基材１間の絶縁を確保することができる。
【００２５】
接着後、基材１の整流子との摺動面に当たる面を、整流子の直径に合わせたＲ加工を行う。そして、その反対側の面の接着面を跨ぐ位置に穴４をあける。この穴に銅粉を埋め、リード線３を挿入し取り付け、ブラシとすることができる。
【００２６】
以上のようにして形成されたブラシによって、短絡電流による火花の発生が抑制でき、安定した整流状態を維持できるようになる。これによって整流子が正転、逆転を繰り返す洗濯機用電動機やジューサーミキサー用電動機や、フォークリフト用電動機、電動ゴルフカート用電動機への適用が可能となる。また、入力の高い掃除機用電動機や負荷により整流子の回転がロックされるような苛酷な整流条件での使用も可能となる。
【００２７】
貼り合わせブラシについては同一の基材を貼り合わせてもよいし、異なる材質の基材を貼り合わせることも出来る。例としては整流子の回転に対して後ろ側の基材に抵抗率の高い材質を用いればさらに整流を良くすることが出来る。また、回転方向に対して前側、または３枚を貼り合わせるブラシの中央の層を抵抗率の低い材質にすればブラシの抵抗損の低減や温度上昇の低減もできる。なお、ブラシ片同志を全面接着する以外に、予めブラシの摩耗代を接着しないような部分接着をする場合もある。
【００２８】
【実施例】
以下に実施例を挙げ本発明を具体的に説明する。
（参考例１）
かさ密度１．４５ｇ／ｃｍ３ 、抵抗率３６０μΩ・ｍの人造黒鉛をフィラーとした樹脂結合質の基材で厚さを４ｍｍの薄板状にスライスし、接着面を湿式加工により平滑切削し、乾燥したものを基材とした。次にこの基材にプリント基板の接着に用いられる厚さ３０μｍの加熱反応型の接着シート（フィルム状接着剤）を挟み、圧力をかけて加熱し、接着硬化せしめた。接着層の厚みは１０μｍであった。ついでこのブロックを両側均等に切削して真空掃除機電動機用の６．３×１１．３×３７ｍｍに加工したのち、整流子の直径に合わせたＲ加工を行い、さらにブラシの頭部の張り合わせ面をまたぐ位置に穴をあけ、リード線を銅粉によって取り付け供試体とした。
【００２９】
（比較例１）
比較用に参考例１の材質とサイズで単一構造のブラシを製作し、供試体とした。
【００３０】
（評価試験１）
参考例１及び比較例１で製作したブラシを真空掃除機用電動機に取り付け、以下の条件で試験を行い、摩耗率、推定寿命を測定した。尚、推定寿命はブラシの使用長さをブラシの摩耗率で除して算出した。
【００３１】
（試験条件）
電圧            ：ＡＣ１１０Ｖ  ６０Ｈｚ
ブラシサイズ    ：６．３×１１×３７．５ｍｍ
ブラシの使用長さ：３０ｍｍ
運転条件        ：吸い込み口開放にて  連続運転
ブラシの初期圧力：３７ｋＰａ
負荷            ：１１Ａ
【００３２】
表１に上記試験の結果を示す。
【００３３】
【表１】
0004361167.tif 000002
【００３４】
表１においてブラシ摩耗率と推定寿命は整流子の回転方向に対して前側／後側のブラシの測定値を表示している。火花は目視で整流子の回転に対して出口側の火花を号数で表示したもので、数字が大きくなるほど火花が大きく整流が悪いことを示している。整流子摩耗率は評価試験の前後の整流子の直径を測定し、試験時間で割って１００時間あたりの摩耗率を算出した。
【００３５】
表１において、参考例１のブラシは比較例１の単一構造のブラシと比較して整流が良く、ブラシ摩耗も小さくなった。また、従来の貼り合わせブラシまたは絶縁紙をはさんだ貼り合わせブラシでは絶縁層により整流子の潤滑皮膜が削られて整流子摩耗が増加したが、参考例１のブラシの整流子摩耗は単一構造のブラシと同程度であった。
【００３６】
（実施例１）
かさ密度１．５７ｇ／ｃｍ3 、抵抗率２２５μΩ・ｍの炭素黒鉛質の材質を厚さ４ｍｍの薄板状にスライスしたものを基材とした。この材質は接着面の表面が荒いので不織布を中芯とし、その両面に接着材が塗布されている平均厚さ１００μｍの熱反応性の接着シート（フィルム状接着材）を用い、これを基材の薄板の間にはさんで、参考例１と同じく圧力をかけて加熱し、接着した。接着層の厚みは３０μｍであった。完成した接着材料を電動工具のブラシサイズに合わせて６×９×１２ｍｍのサイズに加工し、供試体とした。
【００３７】
（比較例２）
実施例１の材質とサイズで単一構造のブラシを製作し供試体とした。
【００３８】
（評価試験２）
実施例１及び比較例２におけるブラシをディスクグラインダーに取り付け、以下の条件で試験を行い、摩耗率、推定寿命を測定した。推定寿命は評価試験１と同様である。
【００３９】
（試験条件）
電圧            ：ＡＣ１２０Ｖ  ６０Ｈｚ
ブラシサイズ    ：６×９×１２ｍｍ
ブラシの使用長さ：９ｍｍ
運転条件        ：電流１２Ａの連続運転
ブラシの初期圧力：３６ｋＰａ
【００４０】
表２に上記試験の結果を示す。
【００４１】
【表２】
0004361167.tif 000003
【００４２】
表２にて測定方法は評価試験１と同様である。回転数は砥石取りつけ軸部分の回転を測定している。
【００４３】
表２に示したように実施例１のブラシでも、比較例２の単一構造のブラシと比較して整流が良くブラシ摩耗も小さくなる効果を確認出来た。
【００４４】
（実施例２）
かさ密度１．５８ｇ／ｃｍ３ 、抵抗率５５０μΩ・ｍの炭素黒鉛質の材質を基材とし、実施例１と同様の方法で接着ブロックを製作し、洗濯機用の電動機用に５×１２．５×３５．５ｍｍに切削加工し、リード線を取り付けて供試体とした。なお、接着層の厚みは実施例１と同じ３０μｍであった。なお、この接着層の厚みは試験終了後、切削し、その断面の接着層を測定したものである。
【００４５】
（比較例３）
実施例２の材質とサイズで単一構造のブラシを製作し供試体とした。
【００４６】
（評価試験３）
実施例２及び比較例３におけるブラシをドラム型の洗濯機に使用されるモータに取り付け、以下の条件で試験を行い、摩耗率、推定寿命を測定した。推定寿命の算出方法は評価試験１と同様である。
【００４７】
（試験条件）
電圧            ：ＡＣ２３０Ｖ  ６０Ｈｚ
ブラシサイズ    ：５×１２．５×３５．５ｍｍ
ブラシの使用長さ：２８ｍｍ
運転条件        ：１０秒  ０Ｎ−６秒  ０ＦＦで正転、逆転の繰り返し
ブラシの初期圧力：３７ｋＰａ
回転数          ：６００ｒｐｍ
負荷            ：４．５Ａ
【００４８】
表３に上記試験の結果を示す。
【００４９】
【表３】
0004361167.tif 000004
【００５０】
回転数はモータの軸部分の回転を測定している。
【００５１】
表３の試験結果では、単一構造のブラシと比較して摩耗率が４割以上小さくなり、可逆運転のモータで本発明のブラシが非常に有効であることが確認出来た。
【００５２】
なお、参考例１及び実施例１，２と同一材、同一の接着シートで圧縮剪断強度測定用の試験片を製作し、測定したところ１ＭＰａ以上であった。また、上記の評価試験終了後のブラシにはいずれも接着面のはがれなどは見られなかった。
【００５３】
また、参考例１及び実施例１，２の接着ブロックの両面に１０Ｖの電圧を印加し、電流が流れず絶縁されていることを確認した。
【００５４】
【発明の効果】
２以上の基材が組み合わされ、各基材が絶縁層を介して接着されているため短絡電流を防止でき、短絡電流により発生していた火花の発生を抑制することが可能となった。また、熱反応性の接着シートを用いて接着しているので、液体の接着剤を均一に塗布する必要が無く、必要最低限の厚さで絶縁層をもうけることが出来る。また、加圧接着しているので非常に強力に接着でき、これまでの−体物のブラシと同程度の強度をもたせることも可能となり、より小さいサイズのブラシへ適用出来る。絶縁層が非常に薄いので、絶縁紙を挟んだもののように整流子表面を荒らして整流子摩耗の増加や整流の悪化がなく、安定した整流特性を維持し、ブラシの寿命が伸びる効果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるブラシの−実施例の概略斜視図である。
【図２】図１の断面図である。
【符号の説明】
１  基材
２  接着層
３  リード線
４  リード線接合部
【図１】
0004361167.tif 000005
【図２】
0004361167.tif 000006