JP2016100954A - 摺動接点部材 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の摺動接点部材では、使用可能な材料の種類が限られたり、コスト高になるなどの問題点があった。
【解決手段】相手部材との接触側に導電性炭素を含む表層部１を有する導電性の第１基材１０と、第１基材１０の表層部１の反対側に接合する導電性の第２基材２０とを備え、第１基材１０と第２基材２０が、互いに係合してかしめ接合される接合凹部１１及び接合凸部２１を相対的に有している摺動接点部材Ａ１とした。第２基材２０に耐熱温度の低い材料を用いることができ、しかも、第１基材１０と材２基材２０との接合を常温で行えるので、耐熱温度の低い材料であっても基材の大半に使用することが可能になり、低コスト化などを実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、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のに利用される摺動接点部材に関するものである。

この種の摺動接点部材としては、例えば、導電部材の名称で特許文献１に記載されているものがある。特許文献１の導電部材は、ブラシ給電電極による摺動接点を構成するもので、導電性ＤＬＣで被覆され且つブラシ状に束ねられた弾性線材と、導電性基体とを備えている。また、コミュテータ側は、導電性基体の表面に、導電性ホウ素ドープダイヤモンド膜を設けた構成である。これにより、上記導電部材は、耐酸化性や耐摩耗性を向上させたものとしている。

特開２００２−２５３４６号公報

ところが、上記したような従来の摺動接点部材にあっては、接点部分に導電性ＤＬＣや導電性ホウ素ドープダイヤモンド膜をＣＶＤ法で成膜することから、弾性線材や導電性基体にはＣＶＤ法による成膜時の高温に耐え得る材料を用いる必要があり、その結果、使用可能な材料の種類が限られたり、コスト高になるなどの問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、相手部材に対して摺動接触しながら通電をするための摺動接点部材において、耐熱温度の低い材料であっても基材の大半に使用することが可能になり、低コスト化などを実現することができる摺動接点部材を提供することを目的としている。

本発明の摺動接点部材は、相手部材に対して摺動接触しながら通電をするための摺動接点部材である。そして、摺動接点部材は、相手部材との接触側に導電性炭素を含む表層部を有する導電性の第１基材と、第１基材の表層部の反対側に接合する導電性の第２基材とを備え、第１基材と第２基材が、互いに係合してかしめ接合される接合凹部及び接合凸部を相対的に有していることを特徴としている。なお、上記構成における摺動接触とは、相手部材と当該摺動接点部材とが接触した状態で相対的に移動（回動）していることであり、相手部材及び摺動接点部材のいずれか一方又は双方が動く場合が含まれる。

本発明の摺動接点部材は、上記構成を採用したことから、とくに、第２基材に耐熱温度の低い材料を用いることができ、しかも、第１基材と材２基材との接合を常温で行えるので、耐熱温度の低い材料であっても基材の大半に使用することが可能になり、低コスト化などを実現することができる。

本発明に係わる摺動接点部材の第１実施形態を説明する接合前の正面図（Ａ）、第１基材の側面図（Ｂ）、及び接合後の正面図（Ｃ）である。 焼結法により形成した表層部を有する第１基材の要部の断面図（Ａ）、パウダーデポジション法により形成した表層部を有する第１基材の要部の断面図（Ｂ）、ＣＶＤ法により表層部を形成した第１基材の要部の断面図（Ｃ）及び（Ｄ）である。 摺動接点部材と相手部材との配置関係を示す斜視図（Ａ）、及び相手部材に対する摺動接点部材の摺動方向を示す斜視図（Ｂ）である。 本発明に係わる摺動接点部材の第２実施形態を説明する正面図である。 本発明に係わる摺動接点部材をブラシに適用した回転機を説明する断面図である。

〈第１実施形態〉
図１に示す摺動接点部材Ａ１は、相手部材に対して摺動接触しながら通電をするものであって、具体的には直流モータのブラシである。したがって、相手部材は、コミュテータ（整流子）である。

摺動接点部材Ａ１は、相手部材との接触側（図１中では上側）に導電性炭素を含む表層部１を有する導電性の第１基材１０と、第１基材１０の表層部１の反対側に接合する導電性の第２基材２０とを備えている。図示例の摺動接点部材Ａ１は、全体として扁平な直方体であって、扁平な長方形が現れる一面（図１中で上面）を摺動接触面としており、その大半が第２基材２０で構成されている。

摺動接点部材Ａ１は、第１基材１０と第２基材２０が、互いに係合してかしめ接合される接合凹部１１及び接合凸部２１を相対的に有している。また、摺動接点部材Ａ１は、接合凹部１１が、一方向に連続する溝状を成していると共に、接合凸部２１が、溝状の接合凹部１１に対応したリブ状（突条）を成している。

この実施形態における摺動接点部材Ａ１は、第１基材１０に、３個の接合凹部１１が等間隔で形成してあると共に、第２基材２０に、３個の接合凸部２１が等間隔で形成してある。そして、各接合凹部１１は、摺動接点部材Ａ１の扁平な厚さ方向（図１Ｂ中で左右方向）に連続する溝状を成しており、その両端部が開放されたものとなっている。各接合凸部２１は、同じく摺動接点部材Ａ１の扁平な厚さ方向に連続するリブ状を成している。

また、接合凹部１１は、開放端の幅Ｗ１よりも閉塞端の幅Ｗ２が大きいものとなっている。これに対して、接合凸部２１は、接合凹部１１の深さに相当する高さを有し、接合凸部１１の開放端の幅Ｗ１よりも僅かに小さい幅Ｗ３を有している。接合凹部１１と接合凸部２１との寸法差は、図１（Ｃ）に示す如く接合凹部１１にかしめ接合した際に充分な接合強度を確保し得る大きさである。

さらに、第１基材１０は、表層部１を除く厚さＴ１が、接合凹部１１の深さＤ１よりも大きいものとなっている。なお、第１基材１０の表層部１を除く厚さＴ１は、接合凹部１１の深さＤ１よりも若干大きい程度であり、表層部１を形成するための平面が確保でき且つ所定の強度を維持できる必要最小限の大きさである。

ここで、第１基材１０の表層部１は、導電性炭素を含むものであり、より具体的には、導電性ダイヤモンド若しくは導電性ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）である。この表層部１は、より好ましい実施形態として、少なくとも銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、シリコン（Ｓｉ）、ボロン（Ｂ）、鉄（Ｆｅ）、及びチタン（Ｔｉ）のうちのいずれかを含むものとすることができる。このような表層部１は、焼結法、パウダーデポジション法、及びＣＶＤ法のいずれかにより形成することができる。

図２（Ａ）は、焼結法により形成した表層部１を有する第１基材１０の要部の断面図である。この場合、表層部１は、ダイヤモンドの粉末材料１Ａと、結合材１Ｂ（又は導電材料）で形成されており、充分な耐摩耗性を得ることができる。また、図２（Ｂ）は、パウダーデポジション法により形成した表層部１を有する第１基材の要部の断面図である。この場合にあっても、表層部１は、ダイヤモンドの粉末材料１Ａと、結合材１Ｂ（又は導電材料）で形成されており、焼結法に比べて粉末材料１Ａの分布が若干粗になるが、充分な耐摩耗性を得ることができる。

図２（Ｃ）は、ＣＶＤ法により表層部１を形成した第１基材１０の要部の断面図である。この場合、表層部１は、導電性ＤＬＣから成るものとすることができ、充分な耐摩耗性を得ることができるうえに、図２（Ｄ）に示すように、表層部１の厚さを大幅に小さくすることができる。

第１基材１０は、第２基材２０の硬度よりも高い硬度を有しているものであることが望ましく、その材料がとくに限定されるものではないが、一例として導電性を有する超硬金属である。他方、第２基材２０は、表層部及び第１基材１０よりも比抵抗の小さい金属材料から成るものであることが望ましく、その材料がとくに限定されるものではないが、一例として銅（Ｃｕ）である。

また、本発明に係わる摺動接点部材Ａ１は、より望ましい実施形態として、第１基材１０及び第２基材２０のうちの相対的に硬度が高い方の基材に接合凹部１１を設け、相対的に硬度が低い方の基材に接合凸部２１を設けた構成としている。この実施形態では、上述したように、第１基材１０の硬度が第２基材２０の硬度よりも高いので、第１基材１０に接合凹部１１を設けると共に、第２基材２０に接合凸部２１を設けている。

さらに、本発明に係わる摺動接点部材Ａ１は、より望ましい実施形態として、第１基材１０及び第２基材２０のうちの相対的に硬度が高い方の基材が、相手側の基材との接合面に、頂部を鋭角にした突起部を有する構成としている。この実施形態では、上述したように、第１基材１０の硬度が第２基材２０の硬度よりも高いので、第１基材１０が、第２基材２０との接合面、すなわち接合凹部２１を除く接合面（図１Ａ，Ｂ中で下面）に突起部１２を有している。

図示例の突起部１２は、溝状の接合凹部１１の連続方向に交差する方向に連続した突条を成しており、摺動接点部材Ａ１の扁平な厚さ方向（図１Ｂ中で左右方向）において、所定間隔で３本形成されている。なお、突起部１２の数は限定されるものではない。

上記した第１基材１０の接合凹部１１及び突起部１２や、第２基材２０の接合凸部２１は、加工方法が限定されるものではないが、より好ましい実施形態として、引き抜き加工、切削加工、研磨加工、放電加工、及びワイヤーカット加工の少なくとも１つの加工により形成することができる。

上記構成を備えた摺動接点部材Ａ１は、図１（Ａ）に矢印で示すように、表層部１を有する第１基材１０の接合凹部１１と、第２基材２０の接合凸部２１とを互いに係合させつつ所定の圧力でかしめ接合することにより、図１（Ｃ）に示すように両基材１１，１２を一体化させる。

上記の摺動接点部材Ａ１は、図３（Ａ）に示すように、直流モータのブラシとして用いられ、相手部材であるコミュテータ５７に対し、扁平な厚さ方向がコミュテータ５７の回転方向に向く状態にして１８０度異なる２カ所に配置される。したがって、コミュテータ５７に対する摺動接点部材Ａ１の摺動方向は、図１（Ｂ）及び図３（Ｂ）中に矢印で示すように、扁平な厚さ方向である。なお、摺動接点部材Ａ１は、一方向に回転するコミュテータ５７に接触した状態で固定されているので、その摺動方向は、コミュテータ５７の回転方向に対する相対的な方向である。

上記の摺動接点部材Ａ１は、とくに、第２基材２０に耐熱温度の低い材料を用いることができ、しかも、第１基材１０と材２基材２０とのかしめ接合を常温・常圧で行えるので、耐熱温度の低い材料であっても基材の大半に使用することが可能になり、低コスト化などを実現することができる。また、摺動接点部材Ａ１は、第１基材１０が、導電性炭素を含む表層部１を有しているので、耐摩耗性も良好であり、相手部材の長寿命化をも実現することができる。

さらに、摺動接点部材Ａ１は、接合凹部１１が、一方向に連続する溝状を成していると共に、接合凸部２１が、溝状の接合凹部１１に対応したリブ状を成しているので、互いの接合面を大きく確保して、充分な接合強度を得ることができる。また、接合凹部１１と接合凸部２１とを凹凸の連続方向に係合してかしめ接合することも可能である。

さらに、摺動接点部材Ａ１は、開放端の幅Ｗ１よりも閉塞端の幅Ｗ２が大きい接合凹部１１としたので、第１基材１０と第２基材２０とを充分な強度でかしめ接合することができる。しかも、摺動接点部材Ａ１は、第１基材１０の表層部１を除く厚さＴ１を接合凹部２１の深さＤ１よりも大きくしたので、第１基材１０の充分な強度を確保したうえで、第１基材１０と第２基材２０とを充分な強度でかしめ接合することができる。

さらに、摺動接点部材Ａ１は、第１基材１０及び第２基材２０のうちの相対的に硬度が高い方の基材（第１基材）に接合凹部１１を設け、相対的に硬度が低い方の基材（第２基材）に接合凸部２１を設けたことから、高硬度側である接合凹部１１の内部で、低高度側である接合凸部２１が変形しつつ両基材１０，２０のかしめ接合が行われることとなり、両基材の１０，２０の接合強度がより向上する。

さらに、摺動接点部材Ａ１は、第１基材１０及び第２基材２０のうちの相対的に硬度が高い方の基材（第１基材）が、相手側の基材（第２基材）との接合面に、頂部を鋭角にした突起部１２を有することから、両基材１０，２０をかしめ接合する際に、高硬度側である突起部１２が、低硬度側である第２基材２０の接合面に食い付く状態となり、両基材１０，２０の接合強度がより一層向上する。これにより、手動接点部材Ａ１は、図１（Ｂ）及び図３（Ｂ）に矢印で示す摺動方向（相手部材に対する相対的な摺動方向）に対する抵抗力が増大し、第１基材１０の脱落を防止する。

さらに、摺動接点部材Ａ１は、第２基材２０が、表層部１及び第１基材１０よりも比抵抗の小さい金属材料から成るものとしたので、図示例の如く大半を第２基材２０で構成することにより、全体の電気抵抗を大幅に低減することができ、直流モータのブラシに適用すれば、直流モータの効率向上に貢献することができる。

さらに、摺動接点部材Ａ１は、第１基材１０の表層部１が、導電性ダイヤモンド若しくは導電性ＤＬＣであるものとし、また、少なくとも銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、シリコン（Ｓｉ）、ボロン（Ｂ）、鉄（Ｆｅ）、及びチタン（Ｔｉ）のうちのいずれかを含むものとしたので、表層部１の耐摩耗性をより一層高めることができ、相手部材の長寿命化をも実現する。

〈第２実施形態〉
図４は、本発明に係わる摺動接点部材の第２実施形態を説明する図である。なお、第２実施形態においては、第１実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の摺動接点部材Ａ２は、導電性炭素を含む表層部１を有する導電性の第１基材１０と、第１基材１０の表層部１の反対側に接合する導電性の第２基材２０とを備え、第１基材１０の接合凹部１１と第２基材２０の接合凸部２１とを互いに係合してかしめ接合したものである。そして、この実施形態の摺動接点部材Ａ２は、第１基材１０と第２基材２０との接合面間に導電材料２を設けたものとなっている。

導電材料２は、第１基材１０と第２基材２０とを接合して、双方の微視的な空隙を埋めることにより機械的強度を高めるだけでなく、双方の間の導電性をも向上させるものである。このような導電材料２としては、とくに限定されるものではないが、はんだやろう付けで使用される銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、スズ（Ｓｎ）及びニッケル（Ｎｉ）などが挙げられる。

上記構成を備えた摺動接点部材Ａ２は、先の実施形態と同様に、第２基材２０に耐熱温度の低い材料を用いることができ、しかも、第１基材１０と材２基材２０とのかしめ接合を常温・常圧で行えるので、耐熱温度の低い材料であっても基材の大半に使用することが可能になり、低コスト化などを実現することができる。

また、摺動接点部材Ａ２は、第１基材１０の表層部１によって良好な耐摩耗性が得られるうえに、導電材料２により両基材１０，２０間の界面抵抗を減少させることができる。これにより、摺動接点部材Ａ２は、全体の電気抵抗も低減することができ、直流モータのブラシに適用すれば、直流モータの効率向上に貢献することができる。

図５は、本発明の摺動接点部材を適用した直流モータを説明する断面図である。直流モータＭは、モータケース５１の内側に、ベアリング５２により回転自在に保持した電機子５３と、電機子５３のコイル５４に対抗するマグネット５５を備えている。そして、モータケース５１側に、複数のブラシ５６を備えている。各ブラシ５６は、電機子５３に同軸状に設けたコミュテータ（整流子）５７に対して摺動接触しながら通電をする。なお、直流発電機にあっても同様の構成である。

上記の各実施形態で説明した摺動接点部材Ａ１，Ａ２は、図５に示す直流モータや直流発電機といった回転機において、ブラシ５６及びコミュテータ５７の少なくとも一方を構成する。これにより、回転機の部品の低コスト化、長寿命化及び性能向上を実現することができる。また、本願発明の摺動接点部材Ａ１，Ａ２は、表層部１を有する第１基板１０及び第２基板２０で構成されているので、樹脂と一体化したコミュテータ側に適用することも極めて容易である。

本発明の摺動接点部材は、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成を適宜変更することが可能である。また、上記各実施形態では、表層部を有する第１基材に接合凹部を設けると共に、第２基材に接合凸部を設けた場合を説明したが、凹凸の配置関係を逆にすることも可能である。さらに、第１基材に接合凹部及び接合凸部の両方を設け、第２基材に、第１基材の接合凹部及び接合凸部に互いに係合する接合凸部及び接合凹部を設けることも可能である。さらに、直流モータのブラシに摺動接点部材を適用した場合を説明したが、例えば、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導電体に適用可能である。

Ａ１，Ａ２ 摺動接点部材
１ 表層部
２ 導電部材
１０ 第１基材
１１ 接合凹部
１２ 突起部
２０ 第２基材
２１ 接合凸部

Claims (14)

1. 相手部材に対して摺動接触しながら通電をするための摺動接点部材であって、
   相手部材との接触側に導電性炭素を含む表層部を有する導電性の第１基材と、第１基材の表層部の反対側に接合する導電性の第２基材とを備え、
   第１基材と第２基材が、互いに係合してかしめ接合される接合凹部及び接合凸部を相対的に有していることを特徴とする摺動接点部材。
2. 接合凹部が、一方向に連続する溝状を成していると共に、接合凸部が、溝状の接合凹部に対応したリブ状を成していることを特徴とする請求項１に記載の摺動接点部材。
3. 接合凹部は、開放端の幅よりも閉塞端の幅が大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動接点部材。
4. 第１基材は、表層部を除く厚さが、接合凹部の深さよりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の摺動接点部材。
5. 第１基材と第２基材との接合面間に導電材料を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の摺動接点部材。
6. 第１基材及び第２基材のうちの相対的に硬度が高い方の基材に接合凹部を設け、相対的に硬度が低い方の基材に接合凸部を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の摺動接点部材。
7. 第１基材及び第２基材のうちの相対的に硬度が高い方の基材が、相手側の基材との接合面に、頂部を鋭角にした突起部を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の摺動接点部材。
8. 第１基材が、第２基材の硬度よりも高い硬度を有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の摺動接点部材。
9. 第２基材が、表層部及び第１基材よりも比抵抗の小さい金属材料から成ることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の摺動接点部材。
10. 第１基材の表層部が、導電性ダイヤモンド若しくは導電性ＤＬＣであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の摺動接点部材。
11. 第１基材の表層部が、少なくとも銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、シリコン（Ｓｉ）、ボロン（Ｂ）、鉄（Ｆｅ）、及びチタン（Ｔｉ）のうちのいずれかを含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の摺動接点部材。
12. 第１基材の表層部が、焼結法、パウダーデポジション法、及びＣＶＤ法のいずれかにより形成されていることを特徴とする請求項１〜１１に記載の摺動接点部材。
13. 接合凹部、接合凸部、及び突起部が、引き抜き加工、切削加工、研磨加工、放電加工、及びワイヤーカット加工の少なくとも１つの加工により形成されていることを特徴とする請求項６〜１２に記載の摺動接点部材。
14. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の摺動接点部材をブラシ及びコミュテータの少なくとも一方に用いたことを特徴とする回転機。

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