JP2008125320A - 金属黒鉛質材料及びその製造方法並びに金属黒鉛質材料を用いた直流モータ用ブラシ - Google Patents

Abstract

【課題】 少ない銅量で電気伝導性に優れた金属黒鉛質材料及びその製造方法を提供すると共にブラシ付直流モータにおいて接触電圧降下が低くてモータの効率が高く、かつ摺動性が良好で摩擦変動を少なくでき、高負荷、高温下における摩耗の少ない直流モータ用ブラシを提供する。
【解決手段】 黒鉛粉末と銅微粒子とを混合、造粒、成形後、焼成して得られる黒鉛と銅を主成分とした金属黒鉛質材料において、黒鉛粉末の表面の一部に銅微粒子を接触させて固着し、銅微粒子により黒鉛粉末同士を電気的に結合させて、黒鉛粉末同士間の導電通路を形成させた金属黒鉛質材料及びその製造方法並びに金属黒鉛質材料及びその製造方法で製造された金属黒鉛質材料を用いた直流モータ用ブラシ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、黒鉛と銅とを主成分とする金属黒鉛質材料及びその製造方法並びに金属黒鉛質材料を用いた直流モータ用ブラシに関する。

近年、自動車電装用をはじめとする各種モータは、積載重量低減のためモータの小型化の要請が強く、小型でかつ出力の大きいモータの用途が増えている。ブラシ付き直流モータでは、回転子、マグネット等は構造上の工夫と最適化によって小型化が可能であるものの、摩耗代を見込まなければならないブラシは、寸法形状の縮小化に制約がある。

また、モータ出力の上昇により使用温度の上限設定を高くせざるをえないため、高温でのブラシ摩耗を抑制しなければならなくなっている。
他方で、自動車電装用モータは車内の静音化のニーズが強く、モータの摺動音を極力低減することが求められている。

従来、直流モータ用のブラシは、金属黒鉛質材料が使われており、銅粉と樹脂などの結合剤をコーキングした天然黒鉛を主として、鉛、錫、亜鉛、各種の合金粉末等の金属添加物を配混合して成形した後、焼成して得られていた。

一般にモータ出力を上げるためにブラシ中の銅の配合量を増やしてブラシの電気抵抗を下げ、ブラシと整流子間の接触電圧降下を低減することが行われている。
しかし、この方法ではブラシ中の銅と、整流子の銅との接触によって摺動性が悪くなり、ブラシ、整流子共に摩耗が増えてしまうという問題点がある。

また、比較的高い温度での耐摩耗性を向上させるために、二硫化モリブデン、二硫化タングステン等の硫化金属粉を少量添加したものなどがあるが、さらにブラシ温度が高くなると、これらの硫化金属の酸化などによる変性によって研削性の性質が現れるようになり、潤滑が不足してブラシ摩耗が増大するとともに比抵抗が増加して、電気損失が増大する欠点があった。

ブラシ摩耗の他の原因となる火花放電による摩耗を低減するために、銅微粒子が黒鉛粒子をまたがって分散させ、銅微粒子の孤立した構造ではなく電荷を伝える連続的な銅粒子の導電通路を形成する粒子構造とし、この方法として銅錯塩の溶液を黒鉛粒子の表面に塗布し、塗膜を形成した黒鉛粒子の集合体を酸素含有雰囲気で焼成した後、還元雰囲気中で加熱する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−０１２９５７号公報（第４−第６頁）

しかしながら、ブラシの電気抵抗を下げるためには、銅微粒子同士の連続的な接触が必要となり、銅微粒子の量が相対的に増えてしまう。これは図２に示すように、電気伝導性の悪い非晶質炭素３をバインダとして銅微粒子１を黒鉛粒子２に固着させるため、非晶質炭素３によって銅微粒子１と黒鉛粒子２間の導電通路が遮断される構造になっているためである。その結果、銅粒子量を増やさざるをえないため金属黒鉛質材料の摩擦係数が高く摩耗が増えてしまう。

本発明は、少ない銅量で電気伝導性に優れた金属黒鉛質材料及びその製造方法を提供するものである。
また、本発明は、ブラシ付直流モータにおいて接触電圧降下が低くてモータの効率が高く、かつ摺動性が良好で摩擦変動を少なくでき、高負荷、高温下における摩耗の少ない直流モータ用ブラシを提供するものである。

本発明は、黒鉛粉末と銅微粒子とを混合、造粒、成形後、焼成して得られる黒鉛と銅を主成分とした金属黒鉛質材料において、黒鉛粉末の表面の一部に銅微粒子を接触させて固着し、銅微粒子により黒鉛粉末同士を電気的に結合させて、黒鉛粉末同士間の導電通路を形成させた金属黒鉛質材料に関する。
また、本発明は、銅微粒子を固着した黒鉛粉末同士を、非晶質炭素をバインダ−として固着した組織を有する前記の金属黒鉛質材料に関する。

また、本発明は、銅錯塩を溶解した溶液と黒鉛粉末が互いに分散するように混合し、得られた混合物を脱溶媒して乾燥させた後、不活性雰囲気中で予備焼成して銅錯塩から銅微粒子を析出させ、析出した銅微粒子を黒鉛粉末に固着させることを特徴とする金属黒鉛質材料の製造方法に関する。

また、本発明は、銅錯塩を溶解した溶液と黒鉛粉末が互いに分散するように混合し、得られた混合物を脱溶媒して乾燥させた後、不活性雰囲気中で予備焼成し銅錯塩から析出した銅微粒子を黒鉛粉末に固着させる工程、固着した銅、黒鉛粉に樹脂バインダを加えて造粒粉を形成する工程及びこの造粒粉を金型で成形した成形体を非酸化性雰囲気で加熱して焼成することを特徴とする金属黒鉛質材料の製造方法に関する。

また、本発明は、銅錯塩を含む溶液と黒鉛粉末を混合する際に界面活性剤を添加することを特徴とする前記の金属黒鉛質材料の製造方法に関する。
また、本発明は、銅錯塩が酢酸銅である前記の金属黒鉛質材料の製造方法に関する。

また、本発明は、混合粉を不活性雰囲気中で予備焼成する温度が、２５０℃〜４００℃である前記の金属黒鉛質材料の製造方法に関する。
また、本発明は、成形体を非酸化性雰囲気中で焼成する温度が、３５０℃〜１０００℃である前記の金属黒鉛質材料の製造方法に関する。

さらに、本発明は、前記の金属黒鉛質材料若しくは前記の方法で製造された金属黒鉛質材料を用いた直流モータ用ブラシに関する。

本発明は、少ない銅量でも電気伝導性に優れた金属黒鉛質材料を得ることができる。
また、本発明は、整流子との接触抵抗が低く、モータの接触電圧降下を低減でき、モータの効率を高めることができると共に黒鉛の配合量を相対的に増やすことができるので、摺動性に優れ、機械摩耗の少ない長寿命の直流モータ用ブラシを得ることができる。
さらに、本発明で得られる直流モータ用ブラシは、一次黒鉛の粒子に微細な銅微粒子が分散して固着しているため、整流子の摺動痕跡が均一で異状摩耗がなく、摩擦変動の小さい安定した摺動が得られる。

本発明は、黒鉛粒子を導電媒体として積極的に作用させるために、黒鉛粒子と黒鉛粒子間に少量の銅微粒子を介在させ、銅微粒子があたかも個々の黒鉛粒子の電極であるかのように黒鉛粒子同士を電気的に結合させる。

黒鉛の結晶構造は六方晶系で、そのｃ軸に垂直な面、いわゆるグラフェンシートの面内では炭素の電子がπ共役しており、このため高い電気伝導性を示すが、ｃ軸方向の電気伝導性は極めて低い。このために結晶軸がランダムに向いた黒鉛粒子間の電気伝導性を確保するためには、各黒鉛粒子のグラフェンシート同士を電気的に繋がなくてはならない。

本発明ではあらかじめ銅錯塩の溶液を黒鉛粒子表面に十分に接触させた状態で、不活性雰囲気中で加熱して銅錯塩から銅微粒子を直接黒鉛粒子の表面に析出させる。これによって黒鉛粒子のグラフェンシートの表面の一部に少なくとも１個以上の銅微粒子を固着させる。

このため析出する銅微粒子は黒鉛粒子の粒径よりも小さい方が望ましく、金属黒鉛質材料中の銅の単位重量当たりの効果が大きい。
本発明で形成される銅微粒子の粒径は、０．０１〜２０μｍが好ましく、０．１〜５μｍがより好ましい。一方、黒鉛粒子の粒径は、１〜２００μｍが好ましく、５〜１００μｍがもっとも本発明の効果を顕著し易いのでより好ましい。

また、全組成物中の銅粒子量は、５〜５０重量％が好ましく、１０〜４０重量％が本発明の効果を顕現し易いのでより好ましい。５０重量％を超えると摩擦係数が高くなり摩耗が増える傾向がある。また５重量％未満では、金属黒鉛質材料として電気伝導性を十分低減できない傾向がある。

なお、本発明の製造方法で析出した銅微粒子の全てが黒鉛粒子のグラフェンシートの表面や端部に析出する必要はなく、部分的に銅微粒子同士が凝集しても効果は失われない。
本発明では、図１に示すように黒鉛粒子２と銅微粒子１が直接接触して、電気伝導性を保持することが必要である。このため本発明では、熱分解によって過渡的な中間化合物を経ることなく、銅が直接析出する銅錯塩を用いるのが望ましい。図１において、３は非晶質炭素である。

直接、銅が析出する銅錯塩としては、銅カルボン酸塩が挙げられ、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、シュウ酸、マロン酸、グルタン酸等の銅錯塩が用いられる。これらの銅錯塩は熱分解によって金属銅の微粒子が直接析出し、銅の酸化物や水酸化物などを経ないで分解する。これらの銅錯塩は水又はアルコールに溶解し、これを黒鉛に加えて、よく分散させる。このとき、水又はアルコールに界面活性剤を加えると銅微粒子が分散して析出し易い。

銅錯塩を溶解した溶液と黒鉛粉末の混合の際に加える界面活性剤としては非イオン性界面活性剤を用いることができ、その添加量は、銅錯塩を溶解した溶液に対して０．００１〜０．５％が好ましい。

非イオン性界面活性剤としては、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンセチルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル、ポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンミリスチルドデシルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルドデシルエーテル、アルキレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンスチレン化フェニルエーテル、ポリオキシエチレンジスチレン化フェニルエーテル、ポリオキシエチレントリスチレン化フェニルエーテル、ポリオキシエチレンベンジルフェニルエーテル、ポリオキシエチレン誘導体、ポリオキシエチレンポリプロピレングリコール等を用いることができるが、多芳香環型ポリオキシエチレン系エーテルがもっとも本発明の効果を顕現し易く、特に、ポリオキシエチレンスチレン化フェニルエーテル、ポリオキシエチレンジスチレン化フェニルエーテル、ポリオキシエチレントリスチレン化フェニルエーテル、ポリオキシエチレンベンジルフェニルエーテルが好ましい。

銅錯塩を溶解した溶液中の黒鉛の分散は、混合物を十分に撹拌することが必要であるが、外部から超音波を付加すると分散させ易い。この混合物をエバポレータで３５〜７５℃のサーモバス中で脱水又は脱アルコールさせた後、減圧下又は窒素、アルゴン等の不活性雰囲気中１００〜１２０℃で乾燥させる。さらに不活性雰囲気の電気炉中、３００〜３５０℃で焼成し、脱カルボン酸又はカルボン酸を分解させる。

本発明で得られた銅微粒子が黒鉛粒子に固着して一体化した粉体は、銅微粒子と黒鉛粒子のたんなる混合物とは性状が違っている。即ち本発明で作製した粉体は、粉体の混合や成形などの単位操作の工程で生じる振動などによっても銅微粒子と黒鉛粒子が分離し難い性状をもっている。

乾燥させた粉体は、樹脂バインダ及び樹脂バインダが溶解する溶媒を加えて捏か機でよく混合した後、容器に移し、６０〜１２０℃で乾燥させて溶媒を蒸発させる。
樹脂バインダとしては、レゾールフェノール樹脂、ノボラックフェノール樹脂、変性ノボラックフェノール樹脂、フラン樹脂等を用いることができる。

溶媒は、メタノール、エチルアルコール、プロパノール等の脂肪族系の低沸点のアルコール及びアセトン、メチルエチルケトン等のケトン類並びにフルフリルアルコール、フェノール、クレゾール等の高沸点の芳香族系アルコール又はこれらの混合溶媒が用いられる。

乾燥した混合物は篩にかけて分級した後、分級した粉末を所定の比率で配合する。この粉末を金型に入れ、成形機で加圧して成形体を形成し、その後、不活性雰囲気又は還元性雰囲気の焼成炉中で焼成する。不活性雰囲気としては窒素、アルゴン等を、還元性雰囲気としては水素、プロパン変性ガス等を用いることができる。焼成温度は４００〜１０００℃が望ましい。

上記では、銅微粒子を黒鉛粒子に固着した粉体だけを用いて、これにバインダを加えて成形体、焼成体を得る方法について述べたが、バインダを加えずに成形し焼成してもよい。即ち乾燥時の水分量などを調整することによって樹脂バインダを加えずに、銅微粒子が黒鉛粒子に固着した粉体そのものを成形し、焼成することによっても焼成品を得ることができる。

さらに、銅微粒子が黒鉛粒子に固着した粉体に、別の新たな黒鉛粉末、カーボン粉末等又は電解銅、搗砕銅粉等の銅粉、さらには二硫化モリブデン、二硫化タングステン、金属、金属化合物等の添加物を加えて組成を調整し、焼成体を得ることができる。上記の添加物などの他の物質は、銅微粒子が黒鉛粒子に固着した粉体を作製する際に加えてもよく、後からバインダを加える際に加えることができる。

以下、本発明の実施例を説明する。
実施例１
フラスコに、市販の酢酸銅（ＩＩ）水和物Ｃｕ（ＣＨ_３ＣＯＯ）_２・Ｈ_２Ｏを重量で１１倍の水に溶解し、０．０５ｗｔ％の界面活性剤（花王製、商品名エマルゲンＡ−５００、ポリオキシエチレンジスチレン化フェニルエーテル）を加えて、８ｗｔ％程度の酢酸銅水溶液を作製した。

この溶液に、最終的に銅の重量組成が２０％になるように黒鉛粉末を加え、よく混合した。十分な混合のために超音波装置に２０分かけた後、アスピレータを付けたエバポレータを用いて減圧にし、フラスコ中の試料をサーモバスで５５±２０℃に加熱して水分を十分蒸発させた。

さらにフラスコに入った粉末を減圧乾燥機中、１００℃、０．１Ｐａで３時間乾燥させた後、この粉末をボートに入れて管状の電気炉中、３３０℃で１時間、窒素雰囲気中で仮焼成した、

他方、ノボラックフェノール樹脂を少量のメタノールに溶かしてペースト状にし、このペーストと上記で仮焼成した脱酢酸後の粉体とを乳鉢中で混合した。
次に、混合物を容器に移して、恒温槽中６０℃で３時間放置し、メタノールを蒸発させて混合粉を得た。

この混合粉を６３μｍ、１２６μｍ及び４２５μｍの篩で篩い分けし、６３μｍ以下の粉末：６３超〜１２６μｍ間の粉末：１２６超〜４２５μｍ間の粉末を１：１：１の重量比率で配合した。この配合粉を金型に入れて１９６ＭＰａ（２ｔ／ｃｍ^２）で矩形の成形体を作製した。この成形体を電気炉の中にセットし、窒素ガスを流しながら７００℃で１時間、焼成した。その後、成形体から５ｍｍ×７ｍｍ×１０ｍｍの試験片を切り出して摺動試験に供した。

実施例２
窒素ガスを流した電気炉中、１０００℃で１時間焼成する以外は実施例１と同様の工程を経て試験片を作製した。

実施例３
窒素ガスを流した電気炉中、１１００℃で１時間焼成する以外は実施例１と同様の工程を経て試験片を作製した。

実施例４
窒素ガスを流した電気炉中、１１００℃で３時間焼成する以外は実施例１と同様の工程を経て試験片を作製した。

比較例１
フラスコに、市販の酢酸銅（ＩＩ）水和物Ｃｕ（ＣＨ_３ＣＯＯ）_２・Ｈ_２Ｏを重量で１１倍の水に溶解し、８％程度の酢酸銅水溶液を作製した。続いて固体のノボラックフェノール樹脂を少量のメタノールに溶かし、これを先に調製した酢酸銅水溶液と混合した。

さらに０．０５ｗｔ％の界面活性剤（花王製、商品名エマルゲンＡ−５００、ポリオキシエチレンジスチレン化フェニルエーテル）と黒鉛粉末を加えて十分に混合した後、超音波装置に２０分かけて攪拌を行った。

調製した試料は、アスピレータを付けたエバポレータを用いて減圧にし、フラスコ中の試料をサーモバスで５５±２０℃に加熱してメタノールと水分を十分蒸発させた。粉末を磁製容器に移し、管状の電気炉中、窒素ガスを流しながら３３０℃で１時間仮焼成し、脱酢酸した。

次にこの粉末を金型に入れて１９６ＭＰａ（２ｔ／ｃｍ^２）で矩形の成形体を作製し、７００℃で１時間、窒素雰囲気中で焼成した。その後、成形体から５ｍｍ×７ｍｍ×１０ｍｍの試験片を切り出して試験に供した。

比較例２
比較例１において、エバポレータを用いてメタノールと水分を蒸発させた粉末を１６．７×１０^３Ｐａ（０．１７Ｋｇ／ｃｍ^２）の圧力で成形し、成形体を管状の電気炉中、窒素ガスを流しながら３３０℃で１時間仮焼成し、脱酢酸した。それ以外は比較例１と同様の工程を経て試験片を作製した。

比較例３
比較例１において、エバポレータを用いてメタノールと水分を十分蒸発させた後、さらに減圧乾燥機中１１０℃で１時間乾燥させ、この粉末を管状の電気炉中、窒素ガスを流しながら３３０℃で１時間仮焼成し、脱酢酸した。これ以外は比較例１と同様の工程を経て試験片を作製した。

次に、上記実施例１〜４及び比較例１〜３で得た試験片を用いて以下に示す比較試験を行った。その結果を表１及び表２に示す。
比抵抗は４端子法で測定した。寸法が、厚さ５ｍｍ×幅７ｍｍ×長さ１０ｍｍの試験片の両側に金属電極板を押し付けた状態で、一定電流を流し、試験片の上面に２触針（触針間距離：１０ｍｍ）を接触させて２触針間の電圧をマルチメータで測定した。これより比抵抗を求めた。

曲げ強度は、金属黒鉛質粉末の成形時の加圧方向が試験片の厚さになるように設定し、金属黒鉛質成形体を厚さ（Ｈ）４．５ｍｍ、幅（Ｗ）７．２ｍｍ及び長さ１７ｍｍに切り出して試験片とし、この試験片をオートグラフ曲げ試験機を用いて荷重の支点間距離（Ｌ）を１０ｍｍに設定し、２．３ｍｍ／ｍｉｎの定速度荷重で試験して、抗折荷重（Ｐ）を測定した後、次式により算出した。

硬度は、今井精機製のショア式Ｃ型硬度試験機を使って測定した。
摩耗試験は、回転数１４２０ｍｉｎ^−１（７．４ｍ／ｓ）の銅製スリップリングに対して対向するように２個のブラシ（試験片）を対峙させ、ブラシをバネで一定圧力４．５Ｎ（４５０ｇ）／ブラシをかけて接触させ、４５時間運転した後、無通電時及び通電時（８Ａ）の試験片の摩耗量を測定した。通電は、銅製スリップリングを介した２個のブラシ（試験片）をそれぞれ±極とし、その間に８Ａ通電した。無通電時及び通電時の摩耗量は１００時間当たりの値として算出した。
また、通電時に、ブラシと銅製スリップリングとの間の電圧降下（接触電圧降下）を測定した。

表１に示されるように、実施例１、２、３及び４で得た金属黒鉛質材料は、比較例１、２及び３で得た金属黒鉛質材料に比較して、比抵抗、曲げ強度に優れていることが明らかである。

表２に示されるように、実施例１、２、３及び４で得た金属黒鉛質ブラシは、比較例１、２及び３で得た金属黒鉛質ブラシに比較して、無通電時及び通電時の摩耗量共に低く、かつ電圧降下に優れていることは明らかである。

本発明の実施例になる金属黒鉛質材料の構造の模式図である。 従来の金属黒鉛質材料の構造の模式図である。

符号の説明

１ 銅微粒子
２ 黒鉛粒子
３ 非晶質炭素

Claims (9)

1. 黒鉛粉末と銅微粒子とを混合、造粒、成形後、焼成して得られる黒鉛と銅を主成分とした金属黒鉛質材料において、黒鉛粉末の表面の一部に銅微粒子を接触させて固着し、銅微粒子により黒鉛粉末同士を電気的に結合させて、黒鉛粉末同士間の導電通路を形成させた金属黒鉛質材料。
2. 銅微粒子を固着した黒鉛粉末同士を、非晶質炭素をバインダ−として固着した組織を有する請求項１記載の金属黒鉛質材料。
3. 銅錯塩を溶解した溶液と黒鉛粉末が互いに分散するように混合し、得られた混合物を脱溶媒して乾燥させた後、不活性雰囲気中で予備焼成して銅錯塩から銅微粒子を析出させ、析出した銅微粒子を黒鉛粉末に固着させることを特徴とする金属黒鉛質材料の製造方法。
4. 銅錯塩を溶解した溶液と黒鉛粉末が互いに分散するように混合し、得られた混合物を脱溶媒して乾燥させた後、不活性雰囲気中で予備焼成し銅錯塩から析出した銅微粒子を黒鉛粉末に固着させる工程、固着した銅、黒鉛粉に樹脂バインダを加えて造粒粉を形成する工程及びこの造粒粉を金型で成形した成形体を非酸化性雰囲気で加熱して焼成することを特徴とする金属黒鉛質材料の製造方法。
5. 銅錯塩を含む溶液と黒鉛粉末を混合する際に界面活性剤を添加することを特徴とする請求項３又は４記載の金属黒鉛質材料の製造方法。
6. 銅錯塩が酢酸銅である請求項３、４又は５記載の金属黒鉛質材料の製造方法。
7. 混合粉を不活性雰囲気中で予備焼成する温度が、２５０℃〜４００℃である請求項３〜６のいずれかに記載の金属黒鉛質材料の製造方法。
8. 成形体を非酸化性雰囲気中で焼成する温度が、３５０℃〜１０００℃である請求項４、５又は６記載の金属黒鉛質材料の製造方法。
9. 請求項１又は２に記載の金属黒鉛質材料若しくは請求項３〜８のいずれかに記載の方法で製造された金属黒鉛質材料を用いた直流モータ用ブラシ。

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