JP4476458B2

JP4476458B2 - 電気機械用カーボンブラシ

Info

Publication number: JP4476458B2
Application number: JP2000269609A
Authority: JP
Inventors: 隆仁佐古田; 政幸詫間
Original assignee: Totan Kako Co Ltd
Current assignee: Totan Kako Co Ltd
Priority date: 2000-09-06
Filing date: 2000-09-06
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2020-09-06
Also published as: JP2002084715A

Description

【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、特に電気掃除機や電動工具等の整流子電動機用で、高出力、高速回転が要求される電気機械用カーボンブラシに関する。
【０００２】
【従来の技術】
整流子電動機に用いられる電気機械用カーボンブラシ（以下ブラシと呼ぶ）は、近年、特に小型化、高出力化、高速回転化が進んでいる。そのため、高電流密度の状況下でも小型で、摩耗が少なく、温度上昇の小さいブラシが要求されるようになった。
【０００３】
しかしながら、従来のブラシでは、高電流密度、高速回転の状況下では整流特性が悪化し、ブラシ摩耗が大きくなり、ブラシ温度も上昇する傾向があった。そのため、整流子の小型化に比して、ブラシの小型化は、それほど進んでいないのが現状である。
【０００４】
一般に知られているように、整流子電動機に抵抗率の高い基材からなるブラシを使用すると、整流が安定する。これは、抵抗の大きい基材からなるブラシを使用するとブラシを経由して隣り合う整流子片間に流れる短絡電流が抑制されるためである。しかしながら、抵抗の大きい材質を用いた場合は、抵抗発熱によりブラシ自身が発熱し温度が上昇する。さらに、電動機が高出力、小型化、高速回転化すると、整流子に流れる電流が大きくなり、整流子の温度も高くなる。このため、皮膜過剰により、スティック・スリップ（ｓｔｉｃｋ−ｓｌｉｐ）を生じる。これによって、整流火花が増大し、さらなる温度上昇とブラシ摩耗の増大を招いていた。
【０００５】
また、電気掃除機などのように回転数の高い電動機では、高速回転時においても整流が良好で、且つ電気掃除機本体の使用中にブラシ交換をしなくても良いように、寿命を長くしたいという要求から黒鉛粉を樹脂バインダーで結合せしめたレジンボンド系の材質が用いられていることがある。しかし、長時間使用すると温度上昇によって、ブラシ自身の潤滑性が低下し、さらに温度が上昇するという悪循環も生まれる。
【０００６】
そこで、本発明者らは、ブラシの基材周囲の外表面に電気の良導性金属、例えば、ニッケル、銅、金、銀等、特に、安価で電気良導性に優れた銅の皮膜をメッキにより形成することで、みかけの抵抗を下げ、温度上昇を抑える技術を特開平５−１８２７３３号公報で開示した。この特開平５−１８２７３３号公報の技術によって、ある程度の温度上昇の抑制は行えるようになった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、表面に施されたメッキによる銅の皮膜は、空気中で酸化しやすいため、長時間使用すると、表面が酸化してしまっていた。このため、形成された酸化膜によって電気抵抗が高くなり、ブラシの温度上昇を抑制する効果が低減し、ブラシの寿命の長命化という目的を達成できないという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、長時間の使用によっても、温度上昇が小さく、長時間に亘って安定した整流特性を可能とする高出力、高速回転が要求される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】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明者らは、ブラシの基材表面に形成された無電解メッキ法による銅メッキ膜の表面をトリアゾール誘電体であるトリアゾール、アルキルトリアゾール、ベンゾトリアゾール等、特にベンゾトリアゾール（以下、ＢＴＡという。）を含む溶液と接触させ、銅メッキ膜の表面上にＢＴＡによるキレート錯体を形成させることで、銅メッキ膜の酸化を防止し、高出力、高速回転で長時間使用しても、安定した整流特性のブラシとできることを見出し、本発明を完成した。
【００１０】
すなわち、本発明のブラシは、カーボン基材の表面に銅メッキ膜が形成されてなる電気機械用カーボンブラシにおいて、前記銅メッキ膜は、無電解メッキにより形成されるとともに成長した核が重なり合っており、前記核のそれぞれの表面に、トリアゾール誘導体によるキレート錯体である耐酸化性被覆層が形成されていることを特徴とする。また、前記基材の固有抵抗が、１００μΩ・ｍ以上であるものが好ましい。また、前記銅メッキ膜の厚みが０．１〜１００μｍで、無電解メッキによって形成されているものが好ましい。また、前記カーボン基材は、黒鉛粉をバインダーで混練し、硬化せしめたのものからなることが好ましい。これによって、銅メッキ膜の表面上にトリアゾール誘導体、特にＢＴＡによるキレート錯体を形成させることで、耐酸化性被覆層を形成することができ、ブラシの基材表面に無電解メッキ法によって形成された銅メッキ膜による効果を長時間に亘って維持することができる。
【００１１】
本発明における、ブラシの基材は、（１）いわゆる樹脂結合質（レジンボンド系）と呼ばれる、黒鉛粉を熱硬化性樹脂などのバインダーで混練し、硬化せしめただけのもの、（２）いわゆる炭素黒鉛質（ＣＧ系）と呼ばれる、黒鉛粉を熱硬化性樹脂又はピッチなどのバインダーで混練し、低温度で焼成して、バインダー成分を炭化したもの等が例示できる。
【００１２】
中でも、結晶化度の余り高くない、人造黒鉛粉を用い、バインダーとして熱硬化性樹脂を加えて混捏し、所定の大きさに成形したものが好ましい。このバインダーとして用いられる熱硬化性樹脂には、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、マラン樹脂等を使用することができる。そして、この生成段階において、混合条件や、焼成条件等を調整することによって、基材を所望の範囲の固有抵抗１００μΩ・ｍ以上とすることが可能となる。
【００１３】
なお、このブラシ基材中に、高温での潤滑性を安定的に維持するために、固体潤滑剤として二硫化モリブデンや二硫化タングステン等を添加することもできる。これら添加混合する固体潤滑剤の二硫化モリブデンや二硫化タングステン等は絶縁性であるため、単独で樹脂などに混合すると、静電気等の影響により凝集しやすく、樹脂内に均等に分散しにくい。しかしながら、最初に通電性を有する黒鉛原料と混合するため、静電気による凝集が非常に少なくなる。更に、バインダーを添加して混捏した上で、粉砕する。このため、メカノケミカル効果によりこれら固体潤滑剤は完全に分散し、バインダー及び黒鉛粉と強固に接着結合する。このようにして得られた黒鉛粉を主成分とする混合粉を成形し、硬化又は焼成して基材とする。
【００１４】
しかしながら、これら固体潤滑剤の二硫化モリブデンや二硫化タングステン等を含むブラシは、使用中に、整流子表面に皮膜を形成しやすい。この皮膜が厚くなりすぎると、剥離しやすくなり、部分的に剥離等を起こした場合、その部分に電流が集中してしまい、整流特性が悪くなる。場合によっては、整流子自身が損傷を負い、交換を余儀なくされる場合がある。そのため、添加する固体潤滑剤はブラシ基材全体の０．５〜１０質量部が望ましい。０．５質量部より少ないと、潤滑性が発揮されず、また、１０質量部より多いと整流子表面に形成される皮膜が過剰となり、整流特性が悪くなるためである。
【００１５】
また、この固体潤滑剤によって整流子表面に形成される皮膜を調整するために、ブラシ基材に研削剤を添加することが好ましい。この研削剤には、アルミナ、シリカ、炭化ケイ素等が使用される。この研削剤も量が多い場合や、粒径が大きすぎたり、均一に分散せずに、凝集したりした場合には、整流子表面を傷つける原因となる。そのため、添加する研削剤はブラシ基材全体の０．１〜１．５重量部が望ましい。０．１重量部より少ないと、皮膜調整機能が発揮されず、また、１．５重量部より多いと整流子表面を傷つける可能性が出てくるためである。また、この研削剤の粒径が、１００μｍよりも粗すぎると研削作用が強く、整流子表面が荒れる上に、整流子摩耗が多くなり、５μｍより細かいと整流子表面の皮膜の除去作用が低くなる。したがって、粒径は５〜１００μｍの範囲が好ましい。また、これら研削剤は、樹脂等との親和性、分散性が高いので、これらの添加は最初に潤滑剤と一緒に添加混合しても、黒鉛粉、バインダー及び潤滑剤の混捏、粉砕後に添加混合してもよい。
【００１６】
次に、図１に示すブラシの表面の整流子への押し当て方向に延在する側面１ａ〜１ｄに金属質皮膜として銅を、無電解メッキ法により形成、被覆する。この無電解メッキの方法は文献等により公知の方法が広く援用される。例えば、「無電解メッキ」（槇書店、神戸徳蔵著（１９８６））に詳細されており、本発明にかかるブラシの基材に対して、その表面に堅牢な皮膜を形成させることができる。
【００１７】
このようにして被覆される銅メッキ膜の厚さは、厚すぎると摺動時に相手摺動面を荒らし、ブラシ及び相手材（整流子）の摩耗が大きくなる傾向がある。また、逆に極端に薄いと、ブラシの基材の被覆効果が少なく、ブラシの抵抗が余り下がらず、ブラシの温度の上昇を抑制することが困難となる。従って、銅メッキ膜の厚さとしては０．１〜１００μｍ程度が好適である。
【００１８】
また、無電解メッキにより形成される銅メッキ膜は、生成した核が略均一に成長し、成長した核が積層して形成されたものである。そのため、一般的な製法で作製された銅とは異なり、それぞれの核が重なり合った状態となり、電気はそれぞれの核を伝播することで良導体となっている。したがって、核の表面が酸化してしまうと、電気の伝播がうまく行われず、一般の銅に比較して抵抗の上昇率が大きくなりやすい。
【００１９】
銅メッキ後、整流子２との接触面のメッキ膜を機械加工により除去する。また、整流子２の回転方向に直交する側面１ａ、１ｃのうち、整流子の回転方向に対して前面１ａ又は後面１ｃ若しくは両面１ａ、１ｃを機械加工によってメッキ膜を除去することが好ましい。側面１ａに形成されたメッキ膜を除去することで、ブラシが摩滅した時にその面１ａに形成されていたメッキ膜がブラシと整流子２間に入り込み、整流子２を傷つけることを予防することができる。また、側面１ｃに形成されたメッキ膜を除去することで、ブラシが摩滅した時にその面に形成されていたメッキ膜によって発生することがある整流子片間の短絡を予防することができる。なお、両側面１ａ、１ｃのメッキ膜を除去することで、これら両者の予防を行うことができる。
【００２０】
次に、この銅メッキしたブラシを、トリアゾール、アルキルトリアゾール、ＢＴＡ等のトリアゾール誘導体、好ましくはＢＴＡを水又はアルコールに溶解した溶液中に浸漬、若しくは該溶液を表面に任意の方法で塗布する。これによって、銅メッキ膜の表面を、ＢＴＡを含む溶液に接触させ、銅メッキ膜表面にＢＴＡによるキレート錯体が形成され、銅の表面に耐酸化性被覆層が形成される。なお、このＢＴＡによるキレート錯体の生成は、前述のブラシと整流子の接触面及び側面の銅メッキ膜の除去は、ＢＴＡによるキレート錯体の形成後であってもよい。
【００２１】
ＢＴＡによるキレート錯体は、無電解メッキによって形成された銅メッキ膜の銅のそれぞれの核の表面に形成される。このため、核の表面の酸化が防止できるため、核が重なり合って電気を伝播する無電解メッキ法によって形成された銅メッキ膜の抵抗の上昇を防止し、ブラシの温度上昇を防止することができる。
【００２２】
このように、固有抵抗が１００μΩ・ｍ以上という比較的高抵抗の基材からなるブラシの表面に、ＢＴＡを含む耐酸化性被覆層を形成することで、表面に形成された銅メッキ膜の特性を長時間に亘って維持することができ、ブラシの使用中による温度上昇を抑制することが可能となり、高出力、高速回転で長時間使用した場合であっても、安定した整流特性を発揮するブラシとできる。
【００２３】
【実施例】
以下に、実施例を挙げ、本発明を詳しく説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
平均粒径５０μｍ、灰分０．５％以下の人造黒鉛粉７５質量部にビスフェノール系エポキシ樹脂２５質量部と、アセトンを加えて常温で２時間混捏した。その後アセトンを乾燥蒸発させ、粒径が４０メッシュ以下になるように粉砕し、１００ＭＰａの圧力で７×１１×３１．５ｍｍの寸法に型押し成形し、１８０℃で硬化し、抵抗率が５００μΩ・ｍのブラシ基材を得た。このブラシ基材を水酸化ナトリウムと酒石酸カリウムを加えて錯化した硫酸銅溶液に浸漬し、還元剤としてホルマリンを加えて基材表面に銅の皮膜を１０μｍ形成した。次に、この表面に銅メッキ膜が形成されたブラシ基材をＢＴＡと水との混合液に１分間浸漬して、表面にＢＴＡによるキレート錯体を形成し、ブラシとした。
【００２４】
（比較例１）
銅メッキ膜の表面にＢＴＡによるキレート錯体を形成していない以外、実施例１と同様にしてブラシを作製した。
【００２５】
（比較例２）
銅メッキ膜の表面を酒石酸に１分間接触させ、表面に耐酸化性皮膜を形成した以外、実施例１と同様にしてブラシを作製した。
【００２６】
実施例１及び比較例１、２の各々のブラシについて、基材の表面に形成された銅メッキ膜の抵抗の変化及び、実機試験により推定寿命を測定した。
【００２７】
（抵抗の変化）
４０℃の飽和水蒸気圧に保った雰囲気内に実施例１及び比較例１、２に係るブラシを設置し、各ブラシの基材表面に形成された銅メッキ膜の酸化による抵抗の変化を測定した。
【００２８】
図２にその結果をまとめて示す。
【００２９】
図２に示すように、表面にＢＴＡによるキレート錯体を形成した実施例１のブラシは、６週間経過したあとでも、初期の抵抗が変わらず一定の抵抗を示した。一方、比較例１のブラシは３週間を過ぎた頃から赤く変色しはじめ、抵抗の上昇が見られた。また、比較例２のブラシは、４週間経過した時点で、抵抗の上昇が見られた。
【００３０】
また、６週間４０℃の飽和水蒸気圧の雰囲気内に設置した各々のブラシをＸＭＡによって、表面元素の定量分析を行った結果、各表面の酸素濃度は、実施例１のブラシは５．７５％、比較例１のブラシは１７．０５％、比較例２のブラシは１２．５５％であった。また、これらを、ＸＲＤによって表面の定性分析を行った結果、実施例１のブラシは、銅以外のものは検出されなかったが、比較例１及び２のブラシには、酸化銅（Ｃｕ₂Ｏ及びＣｕＯ）が検出された。
【００３１】
（推定寿命の測定）
推定寿命は試験時間とブラシの摩耗長さ、ブラシの有効摩耗長さから算出した。
【００３２】
表１に結果をまとめて示す。
【００３３】
【表１】

【００３４】
表１より、基材表面に形成された銅メッキ膜の表面にＢＴＡによるキレート錯体からなる耐酸化性被覆層を形成した実施例１のブラシは、推定寿命が従来の銅メッキのみをしたブラシに比較して、その推定寿命が約２５％上昇した。また、酒石酸によって耐酸化性被膜を形成した比較例２のブラシに比べて約１０％上昇した。
【００３５】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されており、基材表面に形成された銅メッキ膜の表面にトリアゾール誘導体、特にＢＴＡによるキレート錯体の耐酸化性被覆層を形成することにより、銅自身の酸化を抑制することができる。これによって、製品の変色防止、酸化による抵抗の上昇を抑制することができ、高出力、高速回転でも長時間に亘って、安定した整流特性を示す長寿命のブラシとできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るブラシの概略斜視図である。
【図２】飽和水蒸気圧中における基材表面に形成した銅メッキ膜の抵抗の変化を示す図である。
【符号の説明】
１ブラシ
２整流子

Claims

カーボン基材の表面に銅メッキ膜が形成されてなる電気機械用カーボンブラシにおいて、
前記銅メッキ膜は、無電解メッキにより形成されるとともに成長した核が重なり合っており、
前記核のそれぞれの表面に、トリアゾール誘導体によるキレート錯体である耐酸化性被覆層が形成されていることを特徴とする電気機械用カーボンブラシ。
前記基材の固有抵抗が、１００μΩ・ｍ以上である請求項１に記載の電気機械用カーボンブラシ。
前記銅メッキ膜の厚みが、０．１〜１００μｍ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。
前記カーボン基材は、黒鉛粉をバインダーで混練し、硬化せしめたのものからなる請求項１から３のいずれか１項に記載の電気機械用カーボンブラシ。