JP2005295747A

JP2005295747A - 小型モータ用電気接点機構

Info

Publication number: JP2005295747A
Application number: JP2004110362A
Authority: JP
Inventors: Hirotomo Watanabe; 大智渡邉; Kazuya Nakamura; 一也中村
Original assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd
Current assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2005-10-20
Also published as: WO2005096474A1

Abstract

【課題】機械的摩耗および電気的摩耗が低減され、電気接点の耐久性の向上が可能である、小型モータ用電気接点機構を提供する。
【解決手段】小型モータ、特に駆動電圧、あるいは消費電力の比較的大きい小型モータの電気接点機構において、その接点材の材質に炭素系材料を用い、その炭素系材料を互いに絡束し、その長さを数１００μｍ〜数ｍｍとし、更にその形態は刷毛状とすることにより、機械的摺動摩耗を低減し、更に、アークの発生を抑制することができ、電気的摩耗（電蝕）を低減することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、小型モータ用電気接点機構において、機械的摩耗及び電気的摩耗の低減が可能となる電気接点機構に関する。

従来、小型モータの電気接点、特にブラシの接点材としては、複数以上の貴金属多元合金、黒鉛及びＣｕを主成分とした加圧・焼成体などが広く用いられている。これらの材料は、モータ駆動電圧、消費電力等により、選定されるのが一般的である。また、当接摺動する整流子材料は、ブラシ材料あるいは駆動条件により、適宜選定される。しかしながら、小型モータの電気接点は、モータ駆動時における摺動のため、機械的摺動摩耗が発生してしまう。この機械的摺動摩耗の低減による、電気接点の耐久性を向上させる手段として図４、図５を示す。

図４においては、少なくとも最外層が導電性をもつカーボンナノファイバーまたはカーボンナノチューブからなる炭素繊維を含み、加圧・焼成されてなるブラシ（黒鉛含有によりさらに好適）により、電気伝導率の向上、材料粒子間へのカーボンナノファイバーまたはカーボンナノチューブ充填によるブラシ表面粗さの改善に起因した機械的摺動摩耗及び対整流子間接触抵抗の低減、耐食性の向上が提案されている（特許文献１）。

また、図５においては、接触子を、一端が可動体に固定され、他端の自由端が電極に対向する複数のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブ束で形成することにより、電気接点の機械的摺動摩耗の低減、耐食性の向上、弾性の調整が可能となることが提案されている（特許文献２）。
特開２００４−０３２９６３特開２００３−２８４３０４

一般的に、消費電力が比較的大きい場合には、アークエネルギーが大きく、電気的摩耗（電蝕）が主体的になる傾向にある。この電気的摩耗の原因となるアークは、ブラシ−整流子の電気的接続遮断時に発生する。電気的接続遮断時に整流しきれずに残存している残留電流Ｉｅが、材料固有値である最小アーク電流Ｉｍｉｎ以上となるとアークが発生する。また、ブラシ摩耗と相関があるとされるアークエネルギーＥａは、Ｌｃをコイルインダクタンスとすると、

（数１）
Ｅａ＝Ｌｃ（Ｉｅ^２−Ｉｍｉｎ^２）／２

にて示される。残留電流の減少に伴い、アークエネルギーが減少するため、特に電気的摩耗に起因したブラシ摩耗が抑制されると考えられている。

残留電流を減少させるためには、ブラシ−整流子間通電時に出来る限り広範囲で常に安定して両者が接触していることが望ましい。

しかしながら、上記特許文献１、２は共にこの電気的摩耗（電蝕）に対する改良がなされていない。特許文献１では、固形カーボンブラシにカーボンナノチューブを充填する構造であるため、形状は従来のカーボンブラシと変わらない。即ち、整流子に接点材が追従しきれないため、アークが飛びやすい形状であることは否めない。また、特許文献２ではカーボンナノチューブがカーボン原子の共有結合のみからなる単結晶で筒状に形成されているが、その長さは最大でも数１００μｍであるため、回転する整流子に常に接触させることが困難である。また密度を変えることによるカーボンナノチューブ束全体の剛性を可変することができる構造を有している一方、ナノオーダーの径に対する全長が数１０μｍから数１００μｍという高アスペクト比の構造となる際に生じやすいカーボンナノチューブ自由端近傍での不意な屈曲に対して十分に配慮しているとは言えず、結果として配向させることによる特長を十分に生かすことができなくなってしまう。

これらの電気接点機構を小型モータに実装すると、その接点部分は消費電力が大きいほど、電気的摩耗による影響が顕著になる。よって、この接点部分が融着や焼損等を生じ、、小型モータとしての寿命を迎えることが多い。

本発明は、小型モータ、特に駆動電圧、あるいは消費電力の大きい小型モータの電気接点に適した材質・形態、また、モータ運転時のアークの発生そのものを抑制する構造を得るものである。

本発明者らは、導電性を有する弾性材に接点材が固定されたブラシとして、炭素系材料を繊維状にし、弾性材固定面に対して略垂直に配向する電気接点機構を形成することによって課題を解決することが可能であると見出した。本発明の小型モータ用電気接点機構は耐摩耗性や耐熱性に優れるばかりでなく、アークの発生そのものを抑制する構造を有することを特徴とする。

本発明における接点材に用いられる炭素系材料は、黒鉛繊維体、ＣＮＴ（ＳＷＮＴ、ＭＷＮＴ）、ピーポッドナノチューブ、ＣＮＦ（ＣａｒｂｏｎＮａｎｏＦｉｂｅｒ）、ＦＮＷ、フラーレンシェルチューブ、カーボンアモルファスチューブ（グラッシーカーボンチューブ）を総称したものである。これら炭素系材料は耐熱性が高いため、機械的摺動時に発生する摩擦熱、アークエネルギーに関連した発熱、あるいはブラシ−整流子間接触抵抗に起因したジュール熱による、ブラシ摺動面の脆弱化を抑制できる。また、熱伝導度が良好であることから、ブラシ‐整流子摺動面から各種熱を効率よく分散でき、相手材に対する摩擦係数も小さいため、発熱を抑制することができる。

請求項１記載の発明は、導電性を有する弾性材に接点材が固定されたブラシが整流子と当接摺動し、整流子に接続された電機子へ転流する小型モータ用電気接点機構において、前記接点材に炭素系材料を用い、且つその炭素系材料が互いに絡束されて、繊維状を形成し、その繊維状炭素系材料が、弾性材の接点材固定面に対し、略垂直に配向していることを特徴とした小型モータ用電気接点機構である。

炭素系材料は結晶層の面方向の電気伝導率に対し、結晶の層間方向の電気伝導率が著しく小さい異方性が有るため、接点材固定面に対し、略垂直に配向することにより、有効な電気伝導率を維持できるが、繊維状に絡束されることから、炭素系材料の自由端近傍で生じる不意な屈曲を炭素系材料で抱束し、確実に配向効果が得られる接点材を有する小型モータ用電気接点機構を形成できる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の小型モータ用電気接点機構において、前記接点材の炭素系材料を繊維状に形成することにより、その長さが数１００μｍ〜数ｍｍとすることを特徴とした小型モータ用電気接点機構である。

小型モータ用電気接点機構における、ブラシの接点材として、繊維状を形成した炭素系材料の長さが数１００μｍ〜数ｍｍとなることにより、導電性を有する弾性材の一端に刷毛状形態で固定したブラシを構成することができる。このため、この接点材は耐食性に優れ、フレキシブル性に富み、ブラシの整流子片間通過時、あるいは整流子の真円度、偏心、回転数等に関係して発生する整流子振動時であっても、接点材は整流子の曲面に確実に追従し、ブラシと整流子は常に広範囲で安定して接触することが可能となる。

請求項３記載の発明は、請求項１乃至請求項２記載の小型モータ用電気接点機構において、炭素系材料としてＳＷＮＴ（ＳｉｎｇｌｅＷａｌｌＮａｎｏＴｕｂｅ）、ＭＷＮＴ（ＭｕｌｔｉＷａｌｌＮａｎｏＴｕｂｅ）、ＦＮＷ（Ｆuｌｌeｒｅｎe ＮａｎｏＷｈｉｓｋeｒ）、あるいはそれらの誘導体のうち、少なくとも一種以上の分子を互いに絡束されることにより繊維状に形成される接点材を有することを特徴とした小型モータ用電気接点機構である。

炭素系材料として、ＣＮＴ、ＦＮＷ、あるいはそれらの誘導体（置換基付与体などの化学的誘導体やフラーレンシェルチューブ、カーボンアモルファスチューブ（グラッシーカーボンチューブ）などの物理的誘導体）のうち少なくとも一種以上の分子を用いることにより、熱伝導による放熱特性はダイヤモンドに匹敵する値を示すほか、電流容量は最大１０^９A／ｃｍ^２、電気伝導度は最大１０^−４Ω／ｃｍを示し、駆動電圧、あるいは消費電力の比較的大きい小型モータにおいて理想的な接点材を形成できる。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項２記載の小型モータ用電気接点機構において、炭素系材料としてＳＷＮＴ、ＭＷＮＴ、ＦＮＷ、あるいはそれらの誘導体のうち、少なくとも一種以上の分子が網目状に互いに絡み合わされ、且つ略一方向に配向せしめられ、薄葉シート状に形成され、その配向方向が略一定になるように積層される接点材を有することを特徴とした小型モータ用電気接点機構である。

炭素系材料を網目状に絡ませ、且つ配向させ、薄葉シート状にして積層させる本発明形態では原材料が綿状の状態であっても最も簡単に小型モータ用電気接点機構を作製することが可能となり、生産性の面で有利となる。また、薄葉シート状であるため、整流子の曲面に確実に追従するフレキシブル性を維持したまま、不意な屈曲が最も起こりにくく確実に配向効果が得られる接点材を有する小型モータ用接点機構を形成できる。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至２記載の小型モータ用電気接点機構において、炭素系材料としてＳＷＮＴ、ＭＷＮＴ、ＦＮＷ、あるいはそれらの誘導体のうち、少なくとも一種以上の分子を互いに絡束される、繊維状に形成される接点材と、網目状に互いに絡み合わされ、薄葉シート状に形成される接点材の複合体で、且つ、接点材固定面に対し、略垂直に配向される接点材を有することを特徴とした小型モータ用電気接点機構である。

本発明が炭素系材料が繊維状に形成される接点材と薄葉シート状に形成される接点材の何れか一方の構造に限定されず、これらの構造の複合体となっても全く問題はない。

請求項６記載の発明は、請求項３乃至５記載の小型モータ用電気接点機構において、ＳＷＮＴ、ＭＷＮＴ、ＦＮＷ、あるいはそれらの誘導体が、球状フラーレンあるいは金属内包球状フラーレンを内包していることを特徴とした小型モータ用電気接点機構である。

球状フラーレンがＳＷＮＴ、ＭＷＮＴ、ＦＮＷ、あるいはそれらの誘導体に内包されることにより、電気伝導度の向上を図ることができる。さらに、球状フラーレン同士を重合させた後に内包することにより、重合時に開放された電子が伝導性を付与し、電気伝導度が向上するため、より好ましい。また、電気伝導性を有する金属を内包させた球状フラーレンを内包することにより、金属原子が有する伝導電子が電気伝導度を向上させるため、より好ましい。

請求項７記載の発明は、請求項１乃至６記載の小型モータ用電気接点機構において、炭素系材料に金属を介在させていることを特徴とした小型モータ用電気接点機構である。

本発明は、炭素系材料表面への金属の介在および炭素系材料への金属の内包による介在のどちらか一方あるいは両方を有しており、炭素系材料表面に金属を介在させることにより、金属の高電気伝導性と、炭素系材料が持つ耐熱性や放熱性、耐アーク性を併せ持つ接点材が実現できる。さらに、炭素系材料に金属を内包させた場合は、金属原子が有する伝導電子が炭素系材料の電気伝導度のさらなる向上効果を生む。電気伝導度を重視する場合はＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌを基材とした金属、あるいはそれらを含む合金であることが使用上好ましく、また、熱的性質や耐アーク性を重視する場合はＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの高融点元素を基材とした高融点金属、あるいはそれらを含む合金であることが好ましい。

請求項８記載の発明は、請求項１乃至７記載の小型モータ用電気接点機構において、炭素系材料と弾性材、あるいは炭素系材料同士が、金属を用いることで電気的に接合することを特徴とした小型モータ用電気接点機構である。

材料の接点間には接触抵抗が必ず存在するため、材料間の接触状態によって接点材の見かけ上の抵抗は著しく変化する。本発明では、炭素系材料−接点間あるいは炭素系材料同士間で、金属炭素化合物を形成することにより、電気的に接合する。電気伝導性の良好な金属炭素化合物を接合材として用いることで、接触抵抗が低下する。さらに、炭素系材料を金属へ埋没させることによって接触面積を大きくさせると接触抵抗は低下し、より円滑な電子の供受を行うことが可能となる。特に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉなどの炭素と相性の良い元素を基材とした金属、あるいはそれらを含む合金であることが好ましい。

以上より、本発明の小型モータ用電気接点機構を適用することにより、炭素系材料の自由端近傍で生じる不意な屈曲を炭素系材料で抱束し、確実に配向効果が得られ、また、フレキシブル性を有するブラシが、整流子の曲面に確実に追従し、ブラシと整流子が広範囲で安定して接触することからアークの発生が抑制されて電気的摩耗が低減し、機械的摺動摩耗の抑制や、耐熱性、耐食性の向上はもとより、電気的摩耗（電蝕）の低減、且つ電気伝導性に優れた接点材を有する小型モータ用電気接点機構を形成できる。

本発明は、小型モータ、特に駆動電圧、あるいは消費電力の比較的大きい小型モータの電気接点のブラシ構造において、その材質に繊維状炭素系材料を用い、その繊維状炭素系材料の長さが数１００μｍ〜数ｍｍで形成され、更にその形態は刷毛状形態であるブラシ構造であることにより、機械的摺動摩耗を低減し、更に、アークの発生を抑制することができるため、電気的摩耗を低減することが可能である。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態としての小型モータの接点機構の接点材１の模式図を図１に示す。この前記接点材１は、炭素系材料を繊維状に形成し、長さＬが数１００μｍ〜数ｍｍとし、接点材固定面に対し、略垂直に配向させる。

次に、この第１の実施の形態の繊維状炭素系材料の製法について説明する。まず、綿状に絡み合った種々の炭素系材料を、適宜選択されたポリマー、溶剤などの有機溶媒が入った硝子容器内に流し込み、有機溶媒内に炭素系材料を分散させた混合液体とした。炭素系材料の液体中での分散に際しては、炭素系材料が偏存することの無い様十分に撹拌あるいは練解した。

そして、この得られた混合液体を先端孔径１０μｍ、先端長さ約５ｍｍのノズルに流し込み、ノズル内部を加圧し、射出することによって、射出方向に配向した繊維状炭素系材料を得ることができた。この繊維状炭素系材料を２ｍｍ（Ｄ）×０．１ｍｍ（Ｗ）の面に略垂直方向に配向させ、長さ０．３ｍｍに調整し、前記接点材１とした。尚、残存する有機溶媒は溶剤を用いて除去した。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態としての小型モータの接点機構の接点材３を図２に示す。この前記接点材３は、炭素系材料が互いに絡み合わされ、薄葉シート状に形成されているものである。この薄葉シート状の炭素系材料を積層し、接点材固定面に対し、略垂直に配向させることにより前記接点材３を形成する。

次に、この第２の実施の形態の繊維状炭素系材料の製法について説明する。まず、綿状に絡み合った種々の炭素系材料を、適宜選択されたポリマー、溶剤などの有機溶媒が入った硝子容器内に流し込み、有機溶媒内に炭素系材料を分散させた混合液体とした。炭素系材料の液体中での分散に際しては、炭素系材料が偏存することの無い様十分に撹拌あるいは練解した。

そして、この得られた混合液体を孔径１μｍのフィルタ上に流し込み、濾過を行い、フィルタ上の堆積物を剥離して薄葉シート状炭素系材料を形成した。さらに形成した薄葉シート状炭素系材料を一軸方向に引張応力を加えることにより、引張方向に配向したシートを得ることができた。これらを接点材固定面に対して略垂直方向に配向させ、積層して、２ｍｍ（Ｄ）×０．１ｍｍ（Ｗ）×０．３ｍｍ（Ｈ）である直方体形状の前記接点材３とした。尚、残存する有機溶媒は溶剤を用いて除去した。

上記の製法により得られた前記接点材１、３と、導電性を有する弾性材２、４との間に金属炭素化合物を形成し固定させてブラシ形状とした。テスターを用いて前記接点材−前記弾性材間の通電を確認した。

例えば、従来の貴金属ブラシやカーボンブラシを小型モータに実装し、駆動電圧を１２Ｖ、駆動モードを無負荷正転連続運転とした寿命試験を行うと、従来の貴金属ブラシを実装した小型モータは、激しい焼損が発生して８０〜１００時間で停止してしまう。

また、カーボンブラシを実装した小型モータは、ブラシの摩耗により、接点不良を起こし、約９０時間で停止してしまう。従来カーボンブラシは、摺動時に摩耗を生じやすく、大きな体積を持たせることによって摩耗の影響を補い、寿命を確保しているが、小型化に伴い、確保することができる体積が減少し、その結果として、小型モータの寿命が大幅に低下した。

一方、本発明の繊維状炭素系材料を接点材として用いることにより、従来の電気接点機構と比べて数倍〜数１０倍の寿命向上が期待できる。これは接点材に炭素系材料を用いることから、高消費電力に耐えられ、且つ、その構造がフレキシブル性を有することから、機械的摩耗が少なく、また接点材が確実に整流子に追従し、アークの発生を抑制して、電気的摩耗を低減できたことによるものである。

以上より、本発明における小型モータ用電気接点機構が、小型モータ、特に駆動電圧あるいは消費電力の大きい小型モータに適した形態であり、また、モータ駆動時のアークの発生そのものを抑制する、極めて有効な構造であるといえる。

以上の構造を有する電気接点機構を用いることにより、機械的摺動摩耗の抑制や、耐食性の向上はもとより、電気的摩耗、即ち電蝕の直接の原因となるアークの発生を抑制することが可能となる。以上の効果を確実に得るためには、その長さが数１００μｍ〜数ｍｍであることが実用上より好ましい。

本発明は、互いに絡束、配向し、構成される、繊維状炭素系材料を、小型モータ用電気接点機構における、ブラシの接点材に使用することにより、機械的摺動摩耗だけでなく、電気的摩耗が低減され、電気接点の耐久性の向上が可能である。

本発明の第１の実施の形態を示す模式図本発明の第２の実施の形態を示す模式図図１のａ部の拡大図特許文献１における、従来のブラシの断面の模式図特許文献２における、従来の接触子が組込まれた電気接点装置の概略構成を示す模式図

符号の説明

１、３接点材
２、４導電性を有する弾性材

Claims

導電性を有する弾性材に接点材が固定されたブラシが整流子と当接摺動し、整流子に接続された電機子へ転流する小型モータ用電気接点機構において、
前記接点材に炭素系材料を用い、且つその炭素系材料が互いに絡束されて、繊維状を形成し、その繊維状炭素系材料が、弾性材の接点材固定面に対し、略垂直に配向していることを特徴とした小型モータ用電気接点機構。
請求項１記載の小型モータ用電気接点機構において、前記接点材の炭素系材料を繊維状に形成することにより、その長さが数１００μｍ〜数ｍｍとすることを特徴とした小型モータ用電気接点機構。
請求項１乃至請求項２記載の小型モータ用電気接点機構において、炭素系材料としてＳＷＮＴ（ＳｉｎｇｌｅＷａｌｌＮａｎｏＴｕｂｅ）、ＭＷＮＴ（ＭｕｌｔｉＷａｌｌＮａｎｏＴｕｂｅ）、ＦＮＷ（Ｆuｌｌeｒｅｎe ＮａｎｏＷｈｉｓｋeｒ）、あるいはそれらの誘導体のうち、少なくとも一種以上の分子が互いに絡束されることにより繊維状に形成される接点材を有することを特徴とした小型モータ用電気接点機構。
請求項１乃至請求項２記載の小型モータ用電気接点機構において、炭素系材料としてＳＷＮＴ、ＭＷＮＴ、ＦＮＷ、あるいはそれらの誘導体のうち、少なくとも一種以上の分子が網目状に互いに絡み合わされ、且つ略一方向に配向せしめられ、薄葉シート状に形成され、その配向方向が略一定になるように積層される接点材を有することを特徴とした小型モータ用電気接点機構。
請求項１乃至２記載の小型モータ用電気接点機構において、炭素系材料としてＳＷＮＴ、ＭＷＮＴ、ＦＮＷ、あるいはそれらの誘導体のうち、少なくとも一種以上の分子が互いに絡束される、繊維状に形成される接点材と、網目状に互いに絡み合わされ、薄葉シート状に形成される接点材の複合体で、且つ、接点材固定面に対し略垂直に配向される接点材を有することを特徴とした小型モータ用電気接点機構。
請求項１乃至５記載の小型モータ用電気接点機構において、ＳＷＮＴ、ＭＷＮＴ、ＦＮＷ、あるいはそれらの誘導体が、球状フラーレンあるいは金属内包球状フラーレンを内包していることを特徴とした小型モータ用電気接点機構。
請求項１乃至６記載の小型モータ用電気接点機構において、炭素系材料に金属を介在させていることを特徴とした小型モータ用電気接点機構。
請求項１乃至７記載の小型モータ用電気接点機構において、炭素系材料と弾性材、あるいは炭素系材料同士が、金属を用いることで電気的に接合されていることを特徴とした小型モータ用電気接点機構。