(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属硫化物固体潤滑剤を添加した銅黒鉛質のブラシ本体に、リード線を埋め込んだ金属黒鉛質ブラシにおいて、
少なくともブラシ本体とリード線との界面部にインジウムを添加したことを特徴とする、金属黒鉛質ブラシ。
【請求項２】
ブラシ本体のほぼ全体に、０.４〜８重量％濃度のインジウムを添加したことを特徴とする、請求項１の金属黒鉛質ブラシ。
【請求項３】
インジウムをブラシ本体でのリード線埋込部の付近に添加し、回転電機の整流子との接触部付近にはインジウムを無添加としたことを特徴とする、請求項１の金属黒鉛質ブラシ。
【請求項４】
前記リード線の少なくともブラシ本体への埋込部に、インジウム源を設けて、ブラシ本体とリード線との界面部にインジウムを供給するようにしたことを特徴とする、請求項１の金属黒鉛質ブラシ。
【請求項５】
金属硫化物固体潤滑剤を二硫化モリブデン及び二硫化タングステンからなる群の少なくとも一員とし、かつ金属硫化物固体潤滑剤の濃度を１〜５重量％としたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかの金属黒鉛質ブラシ。
【請求項６】
リード線に無メッキ銅素線を用いたことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかの金属黒鉛質ブラシ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の利用分野】
この発明は自動車電装モータ等に用いる金属黒鉛質ブラシに関し、特に金属黒鉛質ブラシを無鉛化することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車電装モータ用ブラシなどの低電圧動作のブラシとして、金属黒鉛質ブラシが用いられてきた。金属黒鉛質ブラシは、黒鉛と銅粉などの金属粉を混合し、成形・焼結して製造され、低電圧動作のため、黒鉛よりも低抵抗の金属粉を配合して抵抗率を低下させている。金属黒鉛質ブラシには、二硫化モリブデン、二硫化タングステンなどの金属硫化物固体潤滑剤や鉛がしばしば添加され、例えばスタータモータ用ブラシなどの負荷が大きいブラシには、ほとんどの場合に鉛と金属硫化物固体潤滑剤とが配合されている。
【０００３】
近年、環境負荷物質として鉛が注目されるようになり、鉛レスのブラシが求められるようになった。もちろん、従来からも鉛を含有しないブラシが有り、スタータモータ以外のモータなどに用いられてきた。またスタータモータ用ブラシでも、通常の使用環境であれば、単に鉛を除くだけでも使用に耐えるものもある。さらに鉛を除いた場合の潤滑性の改善のため、特開平５−２２６０４８号は、銅よりも低融点の金属を、銅と合金を作らないように配合することを提案している。しかしながら発明者らは、銅と黒鉛に金属硫化物固体潤滑剤を添加した金属黒鉛質ブラシでは、鉛を除くと高湿中でブラシの抵抗率やリード線取付抵抗が増大することを見出した。
【０００４】
【発明の課題】
この発明の基本的課題は、鉛を含有しない金属黒鉛質ブラシに対して、高湿中での、リード線取付抵抗の増大を抑制することにある（請求項１〜６）。
請求項２の発明での追加の課題は、リード線取付抵抗の他に、高湿中でのブラシ本体の抵抗率の増加を抑制することにある。
請求項３，４の発明での追加の課題は、少量のインジウムでリード線取付抵抗の増加を抑制することにある。
【０００５】
【発明の構成】
この発明は、金属硫化物固体潤滑剤を添加した銅黒鉛質のブラシ本体に、リード線を埋め込んだ金属黒鉛質ブラシにおいて、少なくともブラシ本体とリード線との界面部にインジウムを添加したことを特徴とする（請求項１）。
【０００６】
好ましくは、ブラシ本体のほぼ全体に、０.４〜８重量％濃度のインジウムを添加する（請求項２）。
【０００７】
また好ましくは、インジウムをブラシ本体でのリード線埋込部の付近に添加し、回転電機の整流子との接触部付近には無添加とする（請求項３）。
【０００８】
また好ましくは、前記リード線の、少なくともブラシ本体への埋込部にインジウム源を設けて、ブラシ本体とリード線との界面部にインジウムを供給する（請求項４）。
【０００９】
好ましくは、金属硫化物固体潤滑剤を二硫化モリブデン及び二硫化タングステンからなる群の少なくとも一員とし、かつ金属硫化物固体潤滑剤の濃度を１〜５重量％とする（請求項５）。
また好ましくは、リード線に無メッキ銅素線を用いる（請求項６）。
【００１０】
【発明の作用と効果】
発明者らの実験によると、高湿中でリード線取付抵抗が増大するのは金属硫化物固体潤滑剤の影響によるものであり、金属硫化物固体潤滑剤を加えなければ、高湿中でもリード線取付抵抗は実質的に増加しなかった。このことは鉛の有無と関係し、鉛添加の場合にはリード線取付抵抗の増加はほとんど生じなかった。また鉛レスのブラシでは、リード線取付抵抗の増加に対応して、高湿中でブラシ本体中の銅粉や埋め込んだリード線が酸化されやすくなっていた。
【００１１】
二硫化モリブデンや二硫化タングステンなどの金属硫化物固体潤滑剤は、ブラシ設計者の意図により添加の要否が決定されるが、長寿命を要求されるブラシには欠かせないものであり、仮に金属硫化物固体潤滑剤を添加しないと、著しい摩耗が発生することがある。特に従来から鉛が添加されていたスタータブラシなどではこの現象が顕著であり、鉛と金属硫化物固体潤滑剤とを同時に除くと、寿命が著しく低下する。したがって、鉛レスのブラシから金属硫化物固体潤滑剤を除くことは困難である。
【００１２】
高湿中で、金属硫化物固体潤滑剤が銅粉や埋め込んだリード線の酸化を促進するメカニズムを、発明者は以下のように推定した。ブラシに添加された金属硫化物固体潤滑剤からは、焼結の際にイオウが遊離し、銅表面と化合して硫化銅を生成する。高湿中で硫化銅に水分が作用すると、強酸性の硫酸銅が生成して、銅粉やリード線を著しく腐食する。
【００１３】
鉛がブラシ中の銅粉や埋め込んだリード線の酸化を防止するメカニズムは、正確には不明である。発明者の推定では、ブラシに含有された鉛は焼結の際に部分的に蒸発し、非常に薄い鉛層として銅の表面を被覆する。そしてこの鉛層が保護膜として作用し、保護膜の内部の銅を硫酸イオンなどから保護するものと考えられる。
【００１４】
発明者は、鉛に代わって、高湿中でのリード線取付抵抗やブラシ本体の抵抗率の増加を防止し得る材料を探索した。そして唯一インジウムが高湿中でのリード線取付抵抗やブラシ本体の抵抗率の増加の防止に有効であった。この発明では、少なくともブラシ本体とリード線との界面部にインジウムを添加するので、高湿中のリード線取付抵抗の増加を防止できる（請求項１）。
【００１５】
請求項２の発明では、ブラシ本体のほぼ全体にインジウムを添加し、リード線取付抵抗の他に、ブラシ本体の抵抗率の増加も防止する。またインジウム濃度を０.４〜８重量％とすると、リード線取付抵抗の増加や抵抗率の増加を充分に小さくできる。
請求項３の発明では、リード線埋込部の付近に局所的にインジウムを添加するので、インジウム使用量を少なくできる。
請求項４の発明では、リード線からインジウムを供給するので、インジウム使用量を少なくできる。
【００１６】
金属硫化物固体潤滑剤には例えば二硫化モリブデンや二硫化タングステンを用い、その添加量を１〜５重量％とすると、良好な潤滑作用が得られる（請求項５）。
またリード線に酸化されやすい無メッキの銅素線を用いた場合に、金属硫化物潤滑剤による酸化の防止が特に意味がある（請求項６）。
【００１７】
【実施例】
図１に、実施例の金属黒鉛質ブラシ２を示し、以下では金属黒鉛質ブラシを単にブラシと呼び、例えば自動車電装モータ用のブラシに用い、スタータモータ用のブラシなどに用いる。４はブラシ本体で、黒鉛と銅と金属硫化物固体潤滑剤とインジウムとを含み、６はリード線で、ここでは無メッキの銅素線の撚り線や編み線であるが、素線の表面などをニッケルなどでメッキした銅リード線でも良い。７は回転電機の整流子との接触面で、８はリード線埋込部である。ブラシ２は、配合粉中にリード線６の先端をモールドして成形し、還元雰囲気などで焼結して製造する。
【００１８】
金属硫化物固体潤滑剤は例えば二硫化モリブデンや二硫化タングステンなどからなり、ブラシ本体４での添加量は１〜５重量％が好ましく、１重量％未満では潤滑作用が不十分で、５重量％超ではブラシの抵抗率が増加する。ブラシ本体４は鉛を無添加で、金属硫化物固体潤滑剤により高湿中で抵抗率やリード線取付抵抗が増加することを防止するため、インジウムを添加する。インジウムの添加量は好ましくは０.４〜８重量％とし、０.３重量％でも抵抗率やリード線取付抵抗の増加を抑制する効果があるが、これらを充分に防止するには０.４重量％以上添加することが好ましい。またインジウムは高価な元素であり、８重量％超の添加は不経済である。
【００１９】
なおこの明細書で、無添加である、あるいは実質的に含まないなどというのは、鉛の含有量や金属硫化物固体潤滑剤の含有量が不純物レベル以下であることを意味し、鉛の不純物レベルは０.２重量％以下であり、金属硫化物固体潤滑剤の不純物レベルは０.１重量％以下である。インジウムは希な元素であり、不純物レベルは極めて低い。インジウムは原則として金属粉として添加するが、部分的に酸化されたものなどでも良く、添加量は金属換算で定める。
【００２０】
図２に変形例のブラシ１２を示す。このブラシ１２は、高価な元素であるインジウムをリード線６の埋込部８の付近にのみ添加し、整流子との接触面７側には添加しないようにして、インジウム試料量を減少させたものである。このブラシ１２では、高湿中でのリード線取付抵抗の増加を防止できる。図２において、１４は整流子側部材で、銅と黒鉛及び金属硫化物固体潤滑剤からなり、１６はリード線埋込部材で、銅と黒鉛及びインジウム、または銅と黒鉛とインジウム及び金属硫化物固体潤滑剤からなる。リード線埋込部材１６に金属硫化物固体潤滑剤を無添加の場合でも、整流子側部材１４からの硫酸イオンなどの回り込みや、リード線埋込部材１６での不純物レベルの金属硫化物固体潤滑剤の影響などがあり、インジウムの添加が必要である。
【００２１】
インジウムは少なくともリード線６の埋込部８の付近に添加し、例えば先端にインジウム添加の金属黒鉛質粉体を付着させたリード線を、インジウム無添加のブラシ材料中に取り付けて成形しても良い。このような場合、インジウムの添加領域が不明確になるので、リード線６とブラシ本体との界面付近での、ブラシ材料中でのインジウム濃度を、リード線埋込部でのインジウム濃度と定める。なお図１のブラシ２に関する記載は、特に指摘しない限り、図２のブラシ１２にも当てはまり、整流子側部材１６でのインジウム濃度は０.４〜８重量％が好ましい。
【００２２】
図２のブラシ１２は例えば図３のようにして製造し、固定型３０に対して例えば一対の下部可動型３１，３２を用意し、下部可動型３２でリード線埋込部材に相当する部分をブロックしておいて、第１のホッパ３３から、インジウム無添加の粉体材料３６を投入する。次いで下部可動型３２を後退させ、第２のホッパ３４から、インジウムを添加した粉体材料３８を投入する。そして、先端からリード線６を引き出した上部可動型３５を下降させて、リード線６の先端を埋め込んで一体成形する。このようにして整流子側部材とリード線埋込部材とを一体に成形し、同時にリード線の先端をモールドして、還元雰囲気などで焼結すれば、ブラシ２が得られる。
【００２３】
図４，図５に第２の変形例を示す。４２は新たな金属黒鉛質ブラシで、ブラシ本体４４の粉体材料はインジウム無添加とし、銅の撚り線や編み線を用いたリード線４６にスポット的に、クリーム状のインジウム半田をディスペンサやインクジェットプリンタのヘッドなどで塗布し、インジウム源４８とする。インジウム源４８は、リード線４６をブラシ本体４４に埋め込む位置に、例えばリード線４６に沿った長さ方向での位置を変えて、周面の複数箇所、例えば３〜４箇所に設ける。
【００２４】
インジウム源４８を設けたリード線４６を用いて、従来例と同様にブラシ４２を成形・焼結する。焼結の過程でインジウム源４８のクリーム半田が蒸発ないしは拡散して、リード線４６の表面を被覆すると共に、リード線４６との界面でブラシ本体中の金属黒鉛質にも拡散し、金属黒鉛質中の銅粉の表面を被覆する。この変形例では、少量のインジウムでリード線取付抵抗の増加を防止できる。なおこれ以外に、ブラシ本体への埋込部をインジウムメッキした銅リード線などを用いても良い。また図１のブラシ２に関する記載は、特に指摘しない限り、図４のブラシ４２にも当てはまる。
【００２５】
【試験例】
以下に試験例を示す。ブラシの形状は図１のものとし、ブラシ本体４の高さＨは１３.５ｍｍ，長さＬは１３ｍｍ，幅Ｗは６.５ｍｍである。リード線６はメッキ無しの銅素線の撚り線で、直径が３.５ｍｍ、埋込部の深さが５.５ｍｍである。
【００２６】
試験例１
天然の鱗状黒鉛１００重量部に対し、メタノール４０重量部に溶解したノボラック型フェノール樹脂を２０重量部混合し、ミキサーで均一に混練し、乾燥機でメタノールを乾燥させた後、衝撃型粉砕器で粉砕し、８０メッシュパスの篩（１９８μｍパスの篩）で篩い分けて、樹脂処理黒鉛粉体を得た。
【００２７】
この樹脂処理黒鉛粉体３０重量部に、平均粒径３０μｍの電解銅粉６６.５重量部、二硫化モリブデン粉３重量部、インジウム粉０.５重量部を加えて、Ｖ型混合機で均一になるまで混合し、配合粉を得た。配合粉をホッパから型内に投入し、リード線６の先端を埋め込むように、４×１０８Pa（４×９８００Ｎ／cm2）の圧力でモールド成形し、還元雰囲気の電気炉で７００℃で焼結し、試験例１のブラシを得た。
【００２８】
試験例２
前記の樹脂処理黒鉛粉体３０重量部に、前記の電解銅粉６２.１重量部、二硫化モリブデン粉３重量部、インジウム粉４.９重量部を加えて、他は試験例１と同様にして試験例２のブラシを得た。
【００２９】
試験例３
試験例１で用いた二硫化モリブデンを二硫化タングステンに変え、他は試験例１と同様にして、試験例３のブラシを得た。
【００３０】
試験例４
試験例１において、インジウムを０.３重量部、電解銅粉を６６.７重量部とし、他は試験例１と同様にして、試験例４のブラシを得た。
【００３１】
試験例５
試験例１で用いた樹脂処理黒鉛３０重量部に、前記の電解銅粉６５重量部、二硫化モリブデン粉３重量部、鉛粉２重量部を加えて、他は試験例１と同様にして試験例５のブラシを作成した。このブラシは従来の鉛添加ブラシである。
【００３２】
試験例６
試験例１で用いた樹脂処理黒鉛３０重量部に、前記の電解銅粉６７重量部、二硫化モリブデン粉３重量部を加えて、他は試験例１と同様にして試験例６のブラシを作成した。このブラシは一般的な鉛レスブラシである。
【００３３】
焼結後のブラシの組成は、焼結時にノボラック型フェノール樹脂が一部分解して減量するため、配合濃度に対して僅かに変化する。試験例１〜６のブラシでの、金属硫化物潤滑剤や鉛、インジウムの含有量を表１に示す。なお表１での含有量０％は含有量が不純物レベルであることを意味する。
【００３４】
【表１】
0003770476.tif 000002
【００３５】
試験例１〜６のブラシを、温度８０℃相対湿度８５％の恒温恒湿層に入れ、高湿度に１５日間曝して銅を強制的に酸化させ、定期的にリード線取付抵抗を測定した。高湿中でのリード線取付抵抗の変化を表２に示す。測定数は各１０個で算術平均値を取った。リード線取付抵抗の測定は、炭素協会規格ＪＣＡＳ−１２−１９８６「電気機械用ブラシのリード線取付抵抗試験方法」に示す方法で行った。また高温高湿試験の前後に、ブラシ本体の抵抗率を、４端子法でブラシ成形時の加圧方向と直角な方向に対して測定した。高温高湿試験の前後でのブラシ本体の抵抗率の変化を表３に示す。
【００３６】
【表２】
0003770476.tif 000003
【００３７】
【表３】
0003770476.tif 000004
【００３８】
試験例６の鉛レスブラシでは、高湿中でリード線取付抵抗やブラシ本体の抵抗率が著しく増大する。８０℃湿度８５％は加速試験としての条件であるが、室温でも高湿中にで長期間暴露するとブラシが酸化され、リード線取付抵抗や抵抗率が同様に上昇する。これに対してインジウムを添加すると、高温高湿中でのリード線取付抵抗やブラシ本体の抵抗率の増加を抑制でき、特にインジウムを０.５重量％以上添加した試験例１〜３では、リード線取付抵抗やブラシ本体抵抗の増加を充分小さくできた。
【００３９】
試験例では示さなかったが、リード線の埋込部の付近にのみ配合粉にインジウムを加えても、あるいはリード線からインジウムを供給しても、高湿中でのリード線取付抵抗の増加を防止できる。これ以外に鉛レスのブラシでは、高温中でリード線取付抵抗やブラシ本体の抵抗率が増加する問題がある。これは高湿中でのリード線取付抵抗等の増加と同様の機構によるものと考えられ、高湿中でのリード線取付抵抗やブラシ本体の抵抗率の増加を防止できれば、高温中でも同様にこれらの増加を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例の金属黒鉛質ブラシの斜視図
【図２】  変形例の金属黒鉛質ブラシの断面図
【図３】  変形例の金属黒鉛質ブラシの製造工程を模式的に示す図
【図４】  第２の変形例の金属黒鉛質ブラシの断面図
【図５】  第２の変形例で用いたリード線を模式的に示す図
【符号の説明】
２，１２，４２    金属黒鉛質ブラシ
４，４４          ブラシ本体
１４              整流子側部材
１６              リード線埋込部材
６，４６          リード線
３０              固定型
３３，３４        ホッパ
３１，３２        下部可動型
３５              上部可動型
２６，２８        粉体材料
４８              インジウム源
【図１】
0003770476.tif 000005
【図２】
0003770476.tif 000006
【図３】
0003770476.tif 000007
【図４】
0003770476.tif 000008
【図５】
0003770476.tif 000009