(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電剤の組成と固体潤滑剤の組成とから成る焼結体として一体的に形成される立体の一面に摺動接触面を備えている摺動接触体と、上記摺動接触体の摺動接触面に対して、相対摺動接触自在に接触する摺動接受面を備えている導電性の摺動接受体とを含んで成り、上記摺動接触体の周辺領域での導電剤組成の粒子ないし粒状塊の密度が、該摺動接触体の中央領域での導電剤組成の粒子ないし粒状塊の密度に対して相対的に高くなるように、該導電剤組成の粒子ないし粒状塊が分布し、上記摺動接触体の中央領域での固体潤滑剤組成の粒子ないし粒状塊の密度が、該摺動接触体の周辺領域での固体潤滑剤組成の粒子ないし粒状塊の密度に対して相対的に高くなるように、該固体潤滑剤の粒子ないし粒状塊が分布していることを特徴とする摺動接触構造体。
【請求項２】
上記摺動接触体の導電剤の組成が、銅・ニッケル合金（Ｃｕ−Ｎｉ）、錫（Ｓｎ）、チタニウム（Ｔｉ）を含んでおり、上記摺動接触体の固体潤滑剤の組成が、窒化ホウ素（ＢＮ）、グラファイト、２硫化タングステン（ＷＳ２）、マイカ（Ｓｉ、Ａｌ、Ｋ）を含んでいる請求項１記載の摺動接触構造体。
【請求項３】
上記摺動接触体が、上記焼結体で形成される円柱体の一端面に摺動接触面を備えている請求項１記載の摺動接触構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、典型的には、電動機中のブラシとスリップリングの例に見られるように、相対運動する２つの部材間での機械的な相互摺動機能と、電気的な相互接続機能の双方を同時的に確保するための摺動接触構造体に関連し、特に、そのような摺動接触構造体の両機能のうちの専ら電気的な相互接続機能の良否を支配する摺動接触面での電気抵抗の逓減改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従前のこの種の構造体に関しては、銅・ニッケル合金（Ｃｕ−Ｎｉ）、錫（Ｓｎ）、チタニウム（Ｔｉ）などの金属粒子を含む導電剤の組成と、窒化ホウ素（ＢＮ）、グラファイト、２硫化タングステン（ＷＳ２）、マイカ（Ｓｉ、Ａｌ、Ｋ）などの素材粒子を含む固体潤滑剤の組成とが全体に一様分布して成る焼結体で形成された円柱状の摺動接触体が、例えば、電動機のブラシ用の摺動接点部材として多用されており、このような円柱状の焼結体の一端面に摺動接触面が形成されていて、この摺動接触面に対して、例えば、電動機のスリップリング用として多用されている銅製のリングやその他の産業機械の摺接部材として多用されている金属製の平板などのような導電性の摺動接受体が相対摺動自在に摺接するように構成された摺動接触構造体が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従前の摺動接触構造体にあっては、電気的な相互接続機能を支配する接触抵抗、即ち、摺動接触面での電気抵抗が、金属どうしの接触抵抗に比べて、すこぶる高く、例えば、銅製の摺動接受体の採用下で、８．５ｍｍφの円形の摺動接触面に対して、例えば、１８ｍΩ程度の値を呈するのが普通である。この種の摺動接触構造体の摺動接触体としての焼結体に形成された摺動接触面上には、導電剤の組成と固体潤滑剤の組成とが、１００ミクロンオーダーの粒子ないし粒状塊の一様分布の形態で露出しており、これにより、導電剤の粒子ないし粒状塊によりもたらされるところの、摺動接触面での電気抵抗の逓減という形での電気的な相互接続機能の増強が、固体潤滑剤の粒子ないし粒状塊によりもたらされるところの、摺動接触面での摩擦係数の逓減という形での機械的な相互摺動接触機能の増強の犠牲の下に実現される訳で、そこでは、電気抵抗の逓減と摩擦係数の逓減という背反二律の要請の調和が図られているのである。よって、本来的には、金属どうしの摺動接触面での電気抵抗との相対では、高抵抗を呈する傾向にあると言える。
【０００４】
その上、さらに、摺動接触面での電気抵抗に関しては、摺動接触面に一様分布する導電剤組成の粒子ないし粒状塊に点的に集中して流れる電流の相互依存作用によってもたらされる相互抵抗の発生メカニズムが、グリーンウッド（Ｇｒｅｅｎｗｏｏｄ）の理論（出典：Ｊ．Ａ．Ｇｒｅｅｎｗｏｏｄ，”Ｃｏｎｓｔｒｉｃｔｉｏｎ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ａｎｄ  ｔｈｅ  ｒｅａｌ  ａｒｅａ  ｏｆｃｏｎｔａｃｔ”，Ｂｒｉｔ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，ｖｏｌ．１７，ｐｐ．１６２１−１６３２，１９６６）として、明らかにされているところであるが、本願発明者は、この理論の焼結体摺動接触面での電気抵抗の発生メカニズムへの適用に関し、実証的研究を鋭意継続した結果、摺動接触面上の中央領域に一様に分布する導電剤の粒子ないし粒状塊は、摺動接触面全体の導電剤の粒子等に点的に集中する電流からの全体的な相互作用により、相対的に大きな相互抵抗を生成し、かかる相互抵抗が、摺動接触面上での電気抵抗を実質的に支配するのに対し、摺動接触面上の周辺領域に一様に分布する導電剤の粒子等は、専ら、周辺領域内で隣接する導電剤の粒子等に点的に集中する電流からの相互作用により、相対的に小さな相互抵抗を生成するに過ぎないことから、こうした周辺領域の導電剤の粒子等に対して、摺動接触面上の電流が集中することを実証的に解明した（出典：Ｙ．Ｗａｔａｎａｂｅ，Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｃｏｎｔａｃｔ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｉｎ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｆｏｒＳｌｉｄｉｎｇ  Ｃｏｎｔａｃｔｓ，ＩＥＩＣＥ  Ｔｒａｎｓ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｊａｐａｎ  ｖｏｌ．Ｅ８３−Ｃ  Ｎｏ．９．ｐｐ．１４０９−１４１３Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  ２０００）。本願発明者の実証的解明によれば、焼結体の摺動接触面上に発生するグリーンウッドの相互抵抗は、そこでの摩擦係数逓減のための固体潤滑剤の粒子ないし粒上塊の混在による代償分の電気抵抗を越える超過要素の電気抵抗であるので、勢い、摩擦係数の逓減の割りには、摺動接触面全体に発生する電気抵抗が大きなものとなり、その面から、従前のこの種の摺動接触構造体の用途範囲が制約を受けるという問題点があった。
【０００５】
そこで、かかる超過要素の相互抵抗起因の電気抵抗を最小限度のものに抑制することで、固体潤滑剤の粒子ないし粒状塊の混在による摩擦係数の逓減作用を犠牲にすることなしに、焼結体の摺動接触面上での全体的な電気抵抗の大幅逓減を図るようにした摺動接触構造体を提供することが請求項１〜３記載の発明の課題である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記従前構造体における摺動接触面上での大きな電気抵抗による用途範囲の制約という問題点に鑑み、上記請求項１〜３記載の発明は、相互抵抗の発生の少ない摺動接触面上の周辺領域で、導電剤の組成を高密度に分布させ、逆の観点からすれば、相互抵抗の発生の顕著な摺動接触面上の中央領域で、固体潤滑剤の組成を高密度に分布させることによって、上記問題点を解決して、焼結体の摺動接触面上での摩擦係数の逓減作用を犠牲にすることなしに、そこでの全体的な電気抵抗の大幅逓減を図るようにした優れた摺動接触構造体を提供するものである。
【０００７】
【作用】
請求項１記載の発明は、摺動接触体が、導電剤の組成と固体潤滑剤の組成とから成る焼結体で形成されていて、それの立方体の一面に摺動接触面を備えており、導電性の摺動接受体が、上記摺動接触体の摺動接触面に対して、相対摺動自在に摺接する摺動接受面を備えており、上記摺動接触体の摺動接触面上の周辺領域での導電剤の組成の密度が、該摺動接触面上の中央領域での導電剤の密度に対して相対的に高くなるように分布しており、これにより、周辺領域での相対的に高密度の導電剤組成の粒子ないし粒状塊に対して電流が集中することで、該摺動接触面上を相対的に逓減された相互抵抗に抗して電流が通過し、中央領域での相対的に高密度の固体潤滑剤組成の粒子ないし粒状塊が、専ら、該摺動接触面上での摩擦係数を逓減するように作用する。
【０００８】
請求項２記載の発明は、上記摺動接触面の導電剤の組成としての、銅・ニッケル合金（Ｃｕ−Ｎｉ）、錫（Ｓｎ）、チタニウム（Ｔｉ）の粒子ないし粒状塊が、摺動接触面上の周辺領域に相対的に高密度に分布していて、そこに、電流が集中し、上記摺動接触体の固体潤滑剤の組成としての、窒化ホウ素（ＢＮ）、グラファイト、２硫化タングステン（ＷＳ２）、マイカ（Ｓｉ、Ａｌ、Ｋ）の粒子ないし粒状塊が、上記摺動接触面上の中央領域に相対的に高密度に分布していて、そこでの摩擦係数を逓減するように作用する。
請求項３記載の発明は、上記摺動接触体が焼結体で形成される円柱体であって、その一端面が摺動接触面として作用する。
【０００９】
【実施の形態】
図１〜図３を参照しつつ請求項１〜記載の発明を支持する実施の形態を以下に説明する。図１の要部抽出の斜視図に示されるように、摺動接触構造体Ｐは、摺動接触体Ａと摺動接受体Ｂとで構成されており、摺動接触体Ａに固定的に接続されている図示外の給電系から供給された電流が、該摺動接触体Ａを介して、これに対して相対摺動自在に対向配置された摺動接受体Ｂに固定的に接続されている図示外の負荷系に流入する。摺動接触体Ａは、周辺領域の外套部分ｃ１と該外套部分で囲まれた中央領域のコア部分ｃ２における後述の混合物に対し一体的な焼結処理が施されて形成される円柱状の焼結体ｃ３により構成されている。上記摺動接触体Ａには、該摺動接触体としての円柱の一端面に形成された摺動接触面ｃ４が備えられている。一方、上記摺動接触体Ａに対抗配置された摺動接受体Ｂは、中心開口ｂ１に連結する図示外の回転駆動機構により駆動されて、図中反時計方向に回転する導電性の円盤、典型的には、銅（Ｃｕ）製の円盤ｂ２で構成されており、円盤ｂ２の表面上には、平面に形成された摺動接受面ｂ３が備えられている。そして、この摺動接受面ｂ３が、摺動接触体Ａ側の摺動接触面ｃ４に対して相対摺動自在に摺接していて、摺動接触体Ａと摺動接受体Ｂとの間の機械的な相互摺動機能と、同両者間の電気的な相互接続機能の双方が同時的に確保されている。こうした構成における摺動接触体Ａの円柱状の焼結体ｃ３の周辺領域の外套部ｃ１と、該焼結体の中央領域のコア部分ｃ２には、領域別に異なる密度で導電剤組成ないし固体潤滑剤組成の粒子ないし粒状塊が分布しおており、導電剤組成に含まれる銅（Ｃｕ）等の粒子ないし粒状塊により、電気抵抗の低減作用が確保され、かつ、固体潤滑剤組成の１００ミクロン・オーダーの粒子ないし粒状塊から擦り出される２硫化タングステン（ＷＳ２）、グラファイト等が、対向摺動する摺動接受面ｂ３側にも移動して、該摺動受接面と摺動接触面ｃ４と間に潤滑皮膜を形成することで、両面間での機械的摩擦（摩擦係数）の低減作用が確保される。これにより、摺動接触体Ａの摺動接触面ｃ４と摺動接受体Ｂの摺動接受面ｂ３の間では、機械的摩擦を伴う圧接摺動状態下で、低い電気抵抗を伴う通電が確保されるものである。
【００１０】
図２の部分断面に明瞭に示されているように、摺動接触体Ａの円柱状の焼結体ｃ３の周辺領域の外套部分ｃ１と、該焼結体ｃ３の中央領域のコア部分ｃ２には、固体潤滑剤の組成としての窒化ホウ素（ＢＮ）、グラファイト、２酸化タングステン（ＷＳ２）、マイカ（Ｓｉ、Ａｌ、Ｋ）等と導電剤の組成としての銅（Ｃｕ）の粒子ないし粒状塊の混合物ｃ１、ｃ２、が、両部分ｃ１、ｃ２ごとに異なる密度で混在しているものである。
【００１１】
即ち、図２に示される実施態様の具体的構成にあって、柱状の焼結体ｃ３は、柱状の中心線沿いに延在し、一端面の摺動接触面ｃ４上で周辺領域として、図１の摺動接受面ｂ３に対し対向露出する外套部分ｃ１と、該外套部分に囲まれて該中心軸沿いに延在し、摺動接触面ｃ４上で、中央領域として、該摺動受接面ｂ３に対し対抗露出するコア部分ｃ２とが円柱体を形成するように、一体的に焼結されたものであり、外套部分ｃ１では、導電剤組成の粒子ないし粒状塊が、固定潤滑剤組成のそれとの相対で高密度に分布しているのに対し、コア部分ｃ２では、固体潤滑剤組成の粒子ないし粒状塊が、導電剤組成のそれとの相対で高密度に分布している。これにより、上記摺動接触体Ａの摺動接触面ｃ４上での電導剤組成の粒子ないし粒状塊の密度が該摺動接触面ｃ４の上記外套部分ｃ１対応の周辺領域において、該摺動接触面ｃ４の上記コア部分ｃ２対応の中央領域のそれとの相対で高くなるように上記焼結体ｃ３が製作される。
【００１２】
コア部分ｃ２と外套部分ｃ１との間の半径方向に直交する境界付近の緩衝領域での導電剤組成の粒子ないし粒状塊の分布密度の変遷は、図２に示される実施態様の構成のように、離散的（ステップ状）であってもよいが、図示外のように、連続的であってもよい。また、図２に示されている焼結体ｃ３の外套部分ｃ１における導電剤組成は、銅（Ｃｕ）に限られる訳ではなく、一般的には、銅・ニッケル合金（９０Ｃｕ−１０Ｎｉ）、錫（Ｓｎ）、チタン（Ｔｉ）などの導電剤組成を含有するマトリックス材も好適に採用される。
【００１３】
【実施例】
図３の斜視図に示されているのは、従前の摺動接触体Ａとしての焼結体ｄ３であり、導電剤組成と固体潤滑剤組成の粒子ないし粒状塊を一様分布で含有する円柱体に形成されていて、その一端面に摺動接触面ｄ４が設けられている。このような従前の複合材料の焼結体ｄ３であって、下記の諸元の下に製作されたもの（ＣＭＭＬ−１）を本願発明の実施例の焼結体ｃ３に関する性能評価のための参照標本として用意した。
［形状寸法］
直径：８．５ｍｍφの円柱体
［焼結体ｄ３の全体の導電剤の組成（Ｗｔ％）］
銅・ニッケル合金（９０Ｃｕ−１０Ｎｉ）：８０．７４８
錫（Ｓｎ）：７．０９９
チタニウム（Ｔｉ）：０．８８７
［焼結体ｄ３の全体の固体潤滑剤の組成（Ｗｔ％）］
窒化ホウ素（ＢＮ）：０．２２９
グラファイト：２．３６４
２硫化タングステン（ＷＳ２）：７．６０９
マイカ：１．０６４
【００１４】
図３のものと同様の外観を呈する銅（Ｃｕ）製の円柱体であって、その一端面に摺動接触面の設けられているものも摺動接触体Ａとして多用されている。このような従前の金属材料の摺動接触体Ａであって、下記の諸元の下に製作されたもの（Ｃｕ）を本願発明の実施例の焼結体ｃ３に関する性能評価のための参照標本として用意した。
［形状寸法］
直径：８．５ｍｍφの円柱体
［全体の導電剤の組成（Ｗｔ％）］
銅（Ｃｕ）：１００
［全体の固体潤滑剤の組成（Ｗｔ％）］
なし。
【００１５】
上記２つの参照標本との対比において、性能評価されるべき、実施例の標本の焼結体ｃ３として、下記の諸元のもの（ＣＭＭＬ−１Ｗ）を製作した。
［形状寸法］
外径：  ８．５ｍｍφ、内径５．０ｍｍφのスリーブ
直径５．０ｍｍφのコア部分
［外套部分ｃ１の導電剤の組成（Ｗｔ％）］
銅・ニッケル合金（９０Ｃｕ−１０Ｎｉ）：７８．６６９
錫（Ｓｎ）：６．９１６
チタニウム（Ｔｉ）：０．８６４
但し、固体潤滑剤の組成は含有されていない。
［コア部分ｃ２の潤滑剤の組成（Ｗｔ％）］
窒化ホウ素（ＢＮ）：０．２７６
グラファイト：２．８４３
２硫化タングステン（ＷＳ２）：９．１５２
マイカ：１．２８０
但し、導電気剤の組成は含有されていない。
【００１６】
ここで性能評価されるべき実施例の標本（ＣＭＭＬ−１Ｗ）の焼結体ｃ３は、単位軸長（単位体積）当りの含有組成の重量％配分において、前掲の複合材料の参照標本（ＣＭＭＬ−１）の焼結体ｄ３との同一性が保たれているものである。従って、複合材料の参照標本（ＣＭＭＬ−１）の焼結体ｄ３中に一様に分布している導電剤組成と固体潤滑剤組成のうちの導電剤組成の方だけを外套部分ｃ１内に集結させて、残りの潤滑剤組成の全部をコア部分ｃ２に集結させた構成のものが、実施例の標本（ＣＭＭＬ−１Ｗ）の焼結体ｃ３であると言うことができる。
【００１７】
ここで再び図１に戻って、摺動接受体Ｂとして回転駆動されている銅（Ｃｕ）製の円盤ｂ２上の摺動接受面ｂ３に対して、複合材料の参照標本（ＣＭＭＬ−１）と金属材料の参照標本（Ｃｕ）と本願発明の実施例の標本（ＣＭＭＬ−１Ｗ）の各別の摺動接触面を、１００ｇの押圧力の下、相対回転速度１０ＲＰＭ（相対周速度０．０１０５ｍ／ｓｅｃ）で摺動運動させることで、標本の参照標本に対する電気的性能を実証的に対比評価すべく、摺動接触面と摺動接受面との間の接触抵抗（電気抵抗）を円盤ｂ２の累積回転回数（５００回まで）ごとの総平均値として計測して、摺動接触面と摺動接受面との間を通過する電流量ごとにプロットした電気的特性図が図４であり、同様にして、標本の参照標本に対する機械的性能を実証的に対比評価すべく、摺動接触面と摺動接受面との間の摩擦係数を円盤ｂ２の累積回転回数（５００回まで）ごとの総平均値として計測して、摺動接触面と摺動接受面との間を通過する電流量ごとにプロットした機械的特性図が図５である。図４の電気的特性図によれば、本願発明の実施例の標本（ＣＭＭＬ−１Ｗ）の接触抵抗は、１０Ａ以下の通過電流量域で、３〜４ｍΩ程度の低値を示しており、５Ａ以下の通過電流量域で略１８ｍΩを示す複合材料の参照標本（ＣＭＭＬ−１）のそれに比べて顕著に低く、１０Ａ以下の通過電流量域で、１〜２ｍΩを示す金属材料の参照標本（Ｃｕ）に概匹敵していると言える。
【００１８】
さらに、図５の機械的特性図によれば、本願発明の実施例の標本（ＣＭＭＬ−１Ｗ）の摩擦係数は、１０Ａ以下の通過電流量域で、０．２〜０．３程度の低値を示しており、同じ通過電流量域で、１．２〜１．８を示す金属材料の参照標本（Ｃｕ）よりも格段に低く、しかも、同じ通過電流量域での複合材料の標本（ＣＭＭＬ−１）の値に対しても逓減改善が認められる。以上のように、図４の電気的特性図と図５の機械的特性に基づいて、本願発明の摺動接触構造体は、固体潤滑剤組成の粒子ないし粒状塊の混在による摩擦係数の逓減作用を全く犠牲にすることなしに、焼結体の摺動接触面上での全体的な電気抵抗の大幅逓減を達成するものであり、摺動接触面での電気的な相互接続機能の増強と機械的な相互摺動接触機能の増強という背反二律の要請に適うものであることが実証された。
【００１９】
、なお、上述の実施の形態として例示されている摺動接触体Ａの焼結体ｃ３は、円柱体に形成されており、一端面に断面円形の摺動接触面ｃ４が備えられているものであるから、摺動接触面ｃ４は、対向摺接する摺動接受面ｂ３との間で機械的な相互摺動機能と電気的な相互接続機能を確保すれば足りるので、断面円形のものに限られることはなく、断面三角形の三角柱や断面四角形の長方体も適宜に採用可能であり、敷衍するならば、これらの全てを包含し、３次元空間で閉じた輪郭をもつという意味での立体であれば足りる。
【図面の簡単な説明】
図１〜図２及び図４〜図５は、この発明の実施の形態に関するものである。
【図１】は、摺動構造体Ｐの要部を抽出して示す斜視図である。
【図２】は、摺動接触体Ａの構造の一例を示す部分断面斜視図である。
【図３】は、従来の摺動接触体Ａの構造の一例を示す斜視図である。
【図４】は、摺動接触面ｃ４、ｄ４と摺動接受面ｂ３との間の電気抵抗を示す電気的特性図である。
【図５】は、摺動接触面ｃ４、ｄ４と摺動接受面ｂ３のとの間の摩擦係数を示す機械的特性図である。
【符号の説明】
Ａ    摺動接触体
Ｂ    摺動接受体
Ｐ    摺動接触構造体
ｃ１    円菅様の外套部分
ｃ２    円筒様のコア部分
ｃ３、ｄ３    混合物の焼結体
ｃ４、ｄ４    摺動接触面
ｂ１    中心開口
ｂ２    導電性の円盤
ｂ３    摺動接受面
【図１】
0004991983.tif 000002
【図２】
0004991983.tif 000003
【図３】
0004991983.tif 000004
【図４】
0004991983.tif 000005
【図５】
0004991983.tif 000006