WO2014024569A1 - 接点部材及び電動機 - Google Patents

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contact
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brush
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紘敬 三輪
南部　俊和
義貴 上原
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日産自動車株式会社
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • H01R39/18—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush
    • H01R39/26—Solid sliding contacts, e.g. carbon brush

Definitions

  • the present invention relates to a contact member and a motor.
  • JP 2002-25346 A discloses a conductive member whose surface is coated with conductive diamond-like carbon to improve the strength.
  • the conductive member is less likely to be abraded, so that there is a possibility that the conformability between the members is poor and the contact area between the members remains small.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to improve the conformability of a contact member to another contact member.
  • a contact member slidably in contact with another contact member.
  • the contact member includes a base material containing conductive hard carbon, and a layered material formed on the surface of the base material and in sliding contact with the other contact members and having a lower hardness than the base material. .
  • FIG. 1 shows a motor suitable for using the contact member according to the invention.
  • FIG. 2A is an enlarged view of a portion IIA of FIG.
  • FIG. 2B is a view showing a state in which the contact member and another contact member are in contact with each other after an operation time has elapsed from the state of FIG. 2A.
  • FIG. 3 is a view for explaining the thickness of the layered material of the contact member.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of a contact element according to the invention.
  • FIG. 5 shows a third embodiment of a contact element according to the invention.
  • the motor 1 is a direct current motor.
  • the electric motor 1 has an electric motor function of generating mechanical power when supplied with electric energy, and has a generator function of generating electric energy with supplied mechanical energy.
  • the motor 1 shown in FIG. 1 includes a case 10 and a rotor 20.
  • the case 10 is substantially cylindrical. A pair of bearings 11 are coaxially fitted on both end faces 10 a of the case 10. A magnet 12 is provided on the inner wall surface 10 b of the case 10. Further, the case 10 is provided with a plurality of brushes 14 as contact members via the elastic body 13.
  • the rotor 20 includes a rotor shaft 21, a rotor core 22, and a commutator 23 as another contact member.
  • the rotor shaft 21 is a rotating shaft of the rotor 20.
  • the rotor core 22 is provided around the rotor shaft 21.
  • the rotor core 22 is formed by laminating a large number of electromagnetic steel plates in the axial direction of the rotor shaft. Further, a coil 22 a is formed on the rotor core 22.
  • the commutator 23 is fixed to the rotor shaft 21.
  • the brush 14 is pressed by the elastic body 13 to the commutator 23.
  • the brush 14 is in sliding contact with the commutator 23 and is energized.
  • the brush 14 is provided with the base material 14a containing electroconductive hard carbon, and the layered material 14b which is formed in the surface of the base material 14a, and is in sliding contact with the commutator 23, as shown to FIG. 2A.
  • the base 14a is formed of a material containing conductive diamond as conductive hard carbon.
  • the conductive diamond is a diamond semiconductor doped with an impurity (such as boron B).
  • the substrate 14a is formed by a powder deposition method in which a powder material consisting of particles of conductive diamond and particles of impurities is deposited by spraying with helium gas.
  • a powder deposition method in which a powder material consisting of particles of conductive diamond and particles of impurities is deposited by spraying with helium gas.
  • the substrate 14a can be easily and inexpensively manufactured.
  • the base material 14a is manufactured also by plating method, sintering method, chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD) or the like. It is possible.
  • the substrate 14a is formed to have high hardness and high elasticity by containing conductive diamond.
  • the base material 14a is hard to wear, so it was difficult to apply processing for improving the conformability in advance. Therefore, in the brush 14, the layer material 14b is coated on the surface of the base material 14a.
  • the layered material 14 b is formed to have low hardness as compared to the base material 14 a.
  • the layered material 14b is formed of a material containing conductive diamond, as with the base 14a.
  • the layer material 14 b which is formed to have low hardness and is likely to be worn is brought into sliding contact with the commutator 23 to wear the brush 14 and the commutator 23.
  • the familiarity between is improved.
  • the brush 14 can ensure good wear resistance because the base 14 a contains conductive diamond of high hardness. Therefore, the motor 1 having excellent maintainability (maintenance free) can be obtained.
  • the layered material 14 b is formed to have low elasticity as compared to the base material 14 a. That is, the layered material 14b is easily elastically deformed as compared with the base material 14a. Therefore, as compared with the case where the base material 14 a is in direct sliding contact, the conformability is improved by the amount that the layered material 14 b is easily elastically deformed when the brush 14 is in sliding contact with the commutator 23.
  • the layered material 14 b is formed to have a lower specific resistance than the base material 14 a.
  • the specific resistance is the magnitude of the electrical resistance per unit volume. This prevents the layered material 14 b from blocking the flow of electricity between the base 14 a and the commutator 23.
  • the layered material 14b is formed by the powder deposition method in the same manner as the base material 14a, but the density of the conductive diamond is lower than that of the base material 14a by adjusting the ratio of the conductive diamond and the impurities. Formed as.
  • the layered material 14b can be formed so as to have low hardness, low elasticity, and low specific resistance as compared to the base material 14a.
  • the thickness t of the layered material 14b is formed to be equal to or greater than the maximum depth Ry of the unevenness on the surface of the base material 14a. Even if the layered material 14b is worn due to the sliding contact between the brush 14 and the commutator 23, the wear of the layered material 14b will stop when the base material 14a is exposed. At this time, if the thickness t of the layered material 14 b is formed to be equal to or greater than the maximum depth Ry of the unevenness on the surface of the base material 14 a, the noncontact portion is exposed between the layered material 14 b and the commutator 23 There is nothing to do. Therefore, the brush 14 and the commutator 23 come in full contact with each other, and the conformability is improved.
  • the layered material 14b which is low hardness compared with the base material 14a is formed in the surface of the base material 14a. Therefore, as compared with the case where the base material 14a is in direct sliding contact with the commutator 23, the brush 14 and the commutator 23 are formed by the layer material 14b which is formed to have low hardness and is easily worn away by sliding contact with the commutator 23. The familiarity between is improved.
  • the layered material 14 b is formed of a material containing conductive diamond.
  • the layered material 214b covers the surface of the substrate 14a with conductive diamond like carbon (Diamond Like Carbon: hereinafter referred to as "conductive DLC"). It is formed by
  • the conductive DLC forming the layered material 214 b is an amorphous (amorphous) structure in which a diamond structure (SP3 crystal structure) and a graphite structure (SP2 crystal structure) are mixed.
  • the conductive DLC has a low hardness as compared to the base 14 a containing conductive diamond.
  • the layered material 214 b which is formed to have low hardness and is easily worn is brought into sliding contact with the commutator 23 and worn. Therefore, the conformability between the brush 214 and the commutator 23 is improved as compared with the case where the base material 14 a is in sliding contact with the commutator 23 directly.
  • the coefficient of friction of conductive DLC is higher than that of conductive diamond but lower than that of metal materials and the like.
  • the drag loss between the brush 214 and the commutator 23 is reduced. Therefore, the energy efficiency of the motor 1 is improved and the wear resistance is improved.
  • the brush 314 is formed by covering the surface of the substrate 14a with a layer material 314b formed of a metal material. It is different from the form.
  • the layered material 314 b is a metal material containing at least one of copper, aluminum, nickel, titanium, zinc, cobalt, gold, and silver. Each of these metal materials is a metal material having a low hardness as compared to the substrate 14a containing conductive diamond.
  • the layered material 314 b which is formed to have low hardness and is easily worn is brought into sliding contact with the commutator 23 and worn as in the embodiment described above. Therefore, the conformability between the brush 314 and the commutator 23 is improved as compared with the case where the base material 14 a is in sliding contact with the commutator 23 directly.
  • the above-mentioned metal material has a low specific resistance and low elasticity as compared with conductive diamond and conductive diamond-like carbon. Therefore, the energy efficiency of the motor 1 is further improved, and the compatibility between the brush 314 and the commutator 23 is further improved.
  • the structure of the contact member of the present invention is applied to the brushes 14, 214, 314 of the motor 1 in the above embodiment, the structure of the contact member of the present invention is not limited thereto, and is applied to the commutator 23 of the motor 1. You may In this case, the brushes 14, 214, 314 become other contact members.
  • the electric contact of the motor was raised and demonstrated in the said embodiment, it is not restricted to this.
  • the present invention is applicable to various electrical contacts for conducting electricity while in sliding contact with a mating member, such as pantographs and movable contacts of switches.

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Abstract

　接点部材は、他の接点部材に摺接して通電するものである。接点部材は、導電性硬質炭素を含む基材と、前記基材の表面に形成されて前記他の接点部材と摺接し、前記基材と比較して低硬度である層状材とを備える。

Description

接点部材及び電動機
　本発明は、接点部材及び電動機に関するものである。
　従来から、電動機（電気モーター／ジェネレーター）やパンタグラフには、他の接点部材に対して加圧された状態で摺接する接点部材が用いられる。ＪＰ２００２－２５３４６Ａには、表面が導電性ダイヤモンドライクカーボンによって被覆されて強度が向上された導電部材が開示されている。
　しかしながら、導電部材の表面の強度を向上すると、導電部材が摩耗しにくくなるため、部材間のなじみ性が悪く、部材間の接触面積が小さいままであるという可能性があった。
　本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、接点部材の他の接点部材に対するなじみ性を向上させることを目的とする。
　本発明のある態様によれば、他の接点部材に摺接して通電する接点部材が提供される。この接点部材は、導電性硬質炭素を含む基材と、前記基材の表面に形成されて前記他の接点部材と摺接し、前記基材と比較して低硬度である層状材と、を備える。
　本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
図１は、本発明による接点部材を用いるのに好適な電動機を示す図である。 図２Ａは、図１のＩＩＡ部の拡大図である。 図２Ｂは、図２Ａの状態から運転時間が経過して接点部材と他の接点部材とがなじんだ状態を示す図である。 図３は、接点部材の層状材の厚さについて説明する図である。 図４は、本発明による接点部材の第二の実施の形態を示す図である。 図５は、本発明による接点部材の第三の実施の形態を示す図である。
　（第一の実施の形態）
　以下、図１から図３を参照して、本発明の第一の実施の形態に係る接点部材について説明する。
　まず、図１を参照して、接点部材を用いるのに好適な電動機１について説明する。
　電動機１は、直流電動機である。電動機１は、電気的エネルギーが供給されれば機械的動力を発生する電気モーター機能を有するとともに、機械的エネルギーが供給されれば電気的エネルギーを発生するジェネレーター機能を有するものである。
　図１に示される電動機１は、ケース１０と、ローター２０と、を含む。
　ケース１０は、略円筒形である。ケース１０の両端面１０ａには、一対のベアリング１１が同軸に嵌合される。ケース１０の内壁面１０ｂには、マグネット１２が設けられる。またケース１０には、弾性体１３を介して接点部材としての複数のブラシ１４が設けられる。
　ローター２０は、ローターシャフト２１と、ローターコア２２と、他の接点部材としてのコミュテーター２３と、を含む。
　ローターシャフト２１は、ローター２０の回転軸である。
　ローターコア２２は、ローターシャフト２１の周囲に設けられる。ローターコア２２は、多数の電磁鋼板がローターシャフトの軸方向に積層されて形成される。またローターコア２２には、コイル２２ａが形成される。
　コミュテーター２３は、ローターシャフト２１に固設される。このコミュテーター２３に、ブラシ１４が弾性体１３によって押圧される。
　次に、図２Ａから図３を参照して、ブラシ１４について説明する。
　ブラシ１４は、コミュテーター２３に摺接して通電するものである。ブラシ１４は、図２Ａに示すように、導電性硬質炭素を含む基材１４ａと、基材１４ａの表面に形成されてコミュテーター２３と摺接する層状材１４ｂとを備える。
　基材１４ａは、導電性硬質炭素として導電性ダイヤモンドを含んだ材料で形成される。ここで導電性ダイヤモンドとは、不純物(ボロンＢなど)がドーピングされたダイヤモンド半導体である。
　基材１４ａは、導電性ダイヤモンドの粒子と不純物の粒子とからなる粉末素材をヘリウムガスとともに噴射して堆積させるパウダーデポジション法によって形成される。このようなパウダーデポジション法を利用することで、容易かつ安価に基材１４ａを製造することができる。このパウダーデポジション法に代えて、メッキ法，焼結法，化学気相成長法(Chemical Vapor Deposition；ＣＶＤ)，物理気相成長法(Physical Vapor Deposition；ＰＶＤ)などによっても、基材１４ａを製造可能である。
　基材１４ａは、導電性ダイヤモンドを含むことで、高硬度かつ高弾性に形成される。基材１４ａは、摩耗しにくいため、なじみ性向上のための加工を事前に施すことは困難であった。そこで、ブラシ１４では、基材１４ａの表面に層状材１４ｂを被覆することとした。
　層状材１４ｂは、基材１４ａと比較して低硬度となるように形成される。層状材１４ｂは、基材１４ａと同様に、導電性ダイヤモンドを含んだ材料によって形成される。
　図２Ａに示す状態から電動機１を運転し、ローターシャフト２１が回転して、ブラシ１４とコミュテーター２３とが摺動すると、図２Ｂに示すように、ブラシ１４の層状材１４ｂが摩耗してゆく。このように、経時的には、ブラシ１４とコミュテーター２３とがなじんで、両者の接触面積が増加する。
　したがって、基材１４ａが直接コミュテーター２３に摺接する場合と比較すると、低硬度に形成されて摩耗しやすい層状材１４ｂがコミュテーター２３と摺接して摩耗することで、ブラシ１４とコミュテーター２３との間のなじみ性が向上する。
　その後、更に電動機１の運転時間が経過しても、ブラシ１４は、基材１４ａに高硬度の導電性ダイヤモンドが含まれるため、良好な耐摩耗性を確保することができる。よって、メンテナンス性に優れる（メンテナンスフリーな）電動機１を得ることができる。
　また、ブラシ１４とコミュテーター２３との間のなじみ性が向上すると、両者の接触面積が増加するため、電動機１のエネルギー効率が良好になる。また、ブラシ１４とコミュテーター２３との間を流れる電流が局所的に集中することが避けられるため、発熱によって耐摩耗性が低下することを防止できる。
　層状材１４ｂは、基材１４ａと比較して低弾性となるように形成される。つまり、層状材１４ｂは、基材１４ａと比較して弾性変形しやすい。よって、基材１４ａが直接摺接する場合と比較すると、ブラシ１４がコミュテーター２３と摺接する際に、層状材１４ｂが弾性変形しやすい分だけなじみ性が向上する。
　層状材１４ｂは、基材１４ａと比較して比抵抗が小さくなるように形成される。比抵抗とは、単位体積あたりの電気抵抗の大きさである。これにより、基材１４ａとコミュテーター２３との間の電気の流れを層状材１４ｂが妨げることが防止される。
　層状材１４ｂは、基材１４ａと同様にパウダーデポジション法によって形成されるが、導電性ダイヤモンドと不純物との割合を調整することで、基材１４ａと比較して導電性ダイヤモンドの密度が低くなるように形成される。これにより、基材１４ａと比較して低硬度，低弾性，かつ比抵抗が小さくなるように層状材１４ｂを形成することができる。
　また、図３に示すように、層状材１４ｂの厚さｔは、基材１４ａの表面における凹凸の最大深さＲｙ以上となるように形成される。ブラシ１４とコミュテーター２３との摺接によって層状材１４ｂが摩耗しても、層状材１４ｂの摩耗は、基材１４ａが露出したところで止まることとなる。このとき層状材１４ｂの厚さｔを、基材１４ａの表面における凹凸の最大深さＲｙ以上となるように形成しておけば、層状材１４ｂとコミュテーター２３との間に非接触部位が露出することはない。よって、ブラシ１４とコミュテーター２３とが全面接触することとなり、なじみ性が向上する。
　以上の実施の形態によれば、以下に示す効果を奏する。
　基材１４ａの表面に基材１４ａと比較して低硬度である層状材１４ｂが形成される。よって、基材１４ａが直接コミュテーター２３に摺接する場合と比較すると、低硬度に形成されて摩耗しやすい層状材１４ｂがコミュテーター２３と摺接して摩耗することで、ブラシ１４とコミュテーター２３との間のなじみ性が向上する。
　また、ブラシ１４とコミュテーター２３との間のなじみ性が向上すると、両者の接触面積が増加するため、電動機１のエネルギー効率が良好になる。また、ブラシ１４とコミュテーター２３との間を流れる電流が局所的に集中することが避けられるため、発熱によって耐摩耗性が低下することを防止できる。
　（第二の実施の形態）
　以下、図４を参照して、本発明の第二の実施の形態に係る接点部材としてのブラシ２１４について説明する。なお、以下に示す各実施の形態では、前述した第一の実施の形態と同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。
　上述した第一の実施の形態のブラシ１４では、層状材１４ｂが導電性ダイヤモンドを含んだ材料で形成された。これに対して、第二の実施の形態のブラシ２１４では、層状材２１４ｂは、基材１４ａの表面に導電性ダイヤモンドライクカーボン（Diamond Like Carbon：以下、「導電性ＤＬＣ」と称する。）を被覆することによって形成される。
　層状材２１４ｂを形成する導電性ＤＬＣは、ダイヤモンド構造(ＳＰ３結晶構造)とグラファイト構造(ＳＰ２結晶構造)とが混在したアモルファス(非晶質)構造である。この導電性ＤＬＣは、導電性ダイヤモンドが含まれる基材１４ａと比較して低硬度である。
　よって、第一の実施の形態と同様に、低硬度に形成されて摩耗しやすい層状材２１４ｂがコミュテーター２３と摺接して摩耗する。したがって、基材１４ａが直接コミュテーター２３に摺接する場合と比較すると、ブラシ２１４とコミュテーター２３との間のなじみ性が向上する。
　また、ブラシ２１４とコミュテーター２３との間のなじみ性が向上すると、両者の接触面積が増加するため、電動機１のエネルギー効率が良好になる。また、ブラシ２１４とコミュテーター２３との間を流れる電流が局所的に集中することが避けられるため、発熱によって耐摩耗性が低下することを防止できる。
　また、導電性ＤＬＣの摩擦係数は、導電性ダイヤモンドと比較すると高いが、金属材料等と比較すると低い。よって、ブラシ２１４とコミュテーター２３との間の引きずり損失が低減する。したがって、電動機１のエネルギー効率が良好となるとともに、耐摩耗性が向上する。
　（第三の実施の形態）
　以下、図５を参照して、本発明の第三の実施の形態に係る接点部材としてのブラシ３１４について説明する。
　第三の実施の形態は、図５に示されるように、ブラシ３１４が、基材１４ａの表面に金属材料によって形成される層状材３１４ｂを被覆して形成される点で、これまでの実施の形態とは相違する。
　層状材３１４ｂは、銅，アルミニウム，ニッケル，チタン，亜鉛，コバルト，金，及び銀のうち少なくともいずれか一つを含む金属材料である。これらの金属材料は、いずれも、導電性ダイヤモンドが含まれる基材１４ａと比較して低硬度な金属材料である。
　よって、上述した実施の形態と同様に、低硬度に形成されて摩耗しやすい層状材３１４ｂがコミュテーター２３と摺接して摩耗する。したがって、基材１４ａが直接コミュテーター２３に摺接する場合と比較すると、ブラシ３１４とコミュテーター２３との間のなじみ性が向上する。
　また、ブラシ３１４とコミュテーター２３との間のなじみ性が向上すると、両者の接触面積が増加するため、電動機１のエネルギー効率が良好になる。また、ブラシ３１４とコミュテーター２３との間を流れる電流が局所的に集中することが避けられるため、発熱によって耐摩耗性が低下することを防止できる。
　また、上記の金属材料は、導電性ダイヤモンドや導電性ダイヤモンドライクカーボンと比較して比抵抗が小さく、かつ低弾性である。したがって、電動機１のエネルギー効率が更に良好となるとともに、ブラシ３１４とコミュテーター２３とのなじみ性が更に向上する。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
　例えば、上記実施形態では、本発明の接点部材の構造を電動機１のブラシ１４，２１４，３１４に適用したが、これに限らず、本発明の接点部材の構造を電動機１のコミュテーター２３に適用してもよい。この場合、ブラシ１４，２１４，３１４が他の接点部材となる。
　また上記実施形態では、電動機の電気接点を掲げて説明したが、これには限られない。たとえば、パンタグラフやスイッチ類の可動接点などのように、相手部材に対して相対的に摺動接触しながら通電をするための各種電気接点に適用可能である。
　本願は、２０１２年８月８日に日本国特許庁に出願された特願２０１２－１７６０１３に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (9)

  1. 　他の接点部材に摺接して通電する接点部材であって、
    　導電性硬質炭素を含む基材と、
    　前記基材の表面に形成されて前記他の接点部材と摺接し、前記基材と比較して低硬度である層状材と、を備える接点部材。
  2. 　請求項１に記載の接点部材であって、
    　前記層状材は、前記基材と比較して低弾性である接点部材。
  3. 　請求項１又は２に記載の接点部材であって、
    　前記導電性硬質炭素は、導電性ダイヤモンドである接点部材。
  4. 　請求項１から３のいずれか一つに記載の接点部材であって、
    　前記層状材は、前記基材の前記表面における凹凸の最大深さ以上の厚さに形成される接点部材。
  5. 　請求項１から４のいずれか一つに記載の接点部材であって、
    　前記層状材は、前記基材と比較して比抵抗が小さい接点部材。
  6. 　請求項１から５のいずれか一つに記載の接点部材であって、
    　前記層状材は、導電性ダイヤモンドを含む接点部材。
  7. 　請求項１から５のいずれか一つに記載の接点部材であって、
    　前記層状材は、導電性ダイヤモンドライクカーボンである接点部材。
  8. 　請求項１から５のいずれか一つに記載の接点部材であって、
    　前記層状材は、銅，アルミニウム，ニッケル，チタン，亜鉛，コバルト，金，及び銀のうち少なくともいずれか一つを含む金属材料である接点部材。
  9. 　請求項１から８のいずれか一つに記載の接点部材がブラシ又はコミュテーターに適用される電動機。
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