JPH05236708A - 金属黒鉛質ブラシ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電気損および機械損を低減すると共に、長寿命
化を可能とする。 【構成】黒鉛ａと導電性金属とを原料とする金属黒鉛質
ブラシで、導電性金属に導電性金属短繊維例えば銅短繊
維ｂを用いること特徴とする。 【効果】銅量を少なくして比抵抗が小さくできるように
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属黒鉛質ブラシに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】回転電機用ブラシを使用原料で分類する
と炭素質と金属質とに２分される。炭素質ブラシは、油
煙、黒鉛あるいはコークス等一般に炭素系の物質を主原
料とするもので、主に大形発電機や電動機に用いられ
る。金属質ブラシは金属粉と黒鉛とを主原料とするもの
で一般に金属黒鉛質ブラシと呼称され、大電流、低電圧
の自動車用スタータモータ、低電圧発電機等に多用され
ている。

【０００３】金属黒鉛質ブラシの一般的な製法は、図５
に示す製造工程で行われる。次にその製法の概略につい
て述べる。

【０００４】金属黒鉛質ブラシの主原料は黒鉛と金属粉
とを主に用いている。金属粉は主に銅粉を用いており、
銅粉には電解銅粉、還元銅粉およびスタンプ銅粉があ
る。これらの銅粉は形状、粒径等若干の相違はあるが、
数十μｍ以下の粉体に加工して使用する。

【０００５】黒鉛は天然黒鉛（うろこ状黒鉛）または人
造黒鉛を用い、これを粉砕、ふるい分けして金属粉と同
様に数十μｍ以下の微粉にして使用する。

【０００６】これらの主原料を所定の粒径にふるい分け
し、次に銅粉量を５０〜８０重量％、黒鉛を２０〜５０
重量％の範囲で目的にあった配合量を選定して混合、成
形する。この場合、黒鉛の量が多くなる場合には粒間結
合が悪くなるので、適当量の熱硬化性樹脂を入れてブラ
シの強度を上げている。

【０００７】成形法には熱圧法および冷圧法がある。熱
圧法は銅粉、黒鉛を混合した予備的な成形を行い、焼成
炉で成形しながら焼成して製品ブロックを得る。この方
法は押圧型の損傷があるため、最近は冷圧法が多用され
ている。冷圧法は常温で加圧成形して、これを焼成炉に
いれ６００〜９００℃で焼成して製品ブロックを得てい
る。

【０００８】ところで、自動車用スタータモータを例に
金属黒鉛質ブラシへの要求特性について説明する。スタ
ータ用モータは高出力化、ブラシの長寿命化への要求が
強く、これらに対してブラシの電気損と機械損とを低減
し、かつ良好な整流を保持し得るブラシ材の必要性が年
々高まっている。

【０００９】ブラシの電気損を低減するためには、ブラ
シの比抵抗を低くして接触電圧降下を小さくする必要が
ある。ブラシの比抵抗を小さくするには金属黒鉛質ブラ
シの場合、黒鉛の量に比して銅粉の量を多くすると銅粉
の抵抗は小さいのでブラシとしての抵抗を小さくでき
る。しかし銅量を多くすると金属に近い性質となり、強
度が上がりブラシの耐摩耗性は改良されると考えられる
が、素材の硬さが硬く、しかもブラシの弾性率も大きく
なるので、ブラシが振動しやすくなり、摺動特性が悪く
なる。

【００１０】機械損を低減するためには、ブラシの摺動
特性を良好にしてブラシ加圧力をできるだけ低い値に保
持するか、またはブラシ素材の摩擦係数を小さい値にし
なければならない。これらについても銅粉の量を多くす
ると摺動特性が悪くなるためにブラシ加圧力の低減は難
しく、また銅（銅粉）と銅（整流子）の接触に近くなる
ので、摩擦係数が大きくなり、機械損の低減は困難であ
る。

【００１１】これらからブラシの抵抗を小さくするため
銅量を多くすることは必ずしも得策とは云えない。すな
わち銅量をできるだけ少なくして比抵抗を小さくできれ
ば、黒鉛の潤滑性によりブラシの摺動特性が改善でき、
ブラシの低損失化および長寿命化を可能にできる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では金属
黒鉛質ブラシの電気損および機械損を低減すると共に、
ブラシの長寿命化を行うために、ブラシの主原料である
銅粉を多くして対応してきた。しかし、この場合、ブラ
シの抵抗は小さくなるが硬さが硬く弾性率が高くなるた
め、座乗性が悪く接触抵抗が大きくなり、電圧降下も大
きい値となる。そのため電気損は銅量を増加した割には
低減しない。また金属と金属とに近い接触になり、摩擦
係数の変動や値が高くなり、機械損が増大する等の問題
が発生し、銅粉の増量にも限界があった。

【００１３】本発明は以上の点に鑑みなされたものであ
り、電気損および機械損を低減すると共に、長寿命化を
可能にした金属黒鉛質ブラシを提供することを目的とす
るものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、導電性金属
に導電性金属短繊維、または炭素繊維の長手方向の表面
に導電性金属膜を設けた複合短繊維、または導電性金属
短繊維と炭素繊維の長手方向の表面に導電性金属膜を設
けた複合短繊維とを用いることにより、達成される。

【００１５】

【作用】上記手段を設けたので、銅量を少なくして比抵
抗が小さくできるようになる。

【００１６】

【実施例】次に本発明を実施例により具体的に説明す
る。

【００１７】〔実施例 １〕図１には本発明の一実施例
が示されている。黒鉛ａと導電性金属とを原料とする金
属黒鉛質ブラシにおいて、本実施例では導電性金属に導
電性金属短繊維例えば銅短繊維ｂを用いた。このように
することにより、銅量を少なくして比抵抗が小さくでき
るようになって、電気損および機械損を低減すると共
に、長寿命化を可能にした金属黒鉛質ブラシを得ること
ができる。

【００１８】すなわち同図は主原料に黒鉛ａと銅短繊維
ｂとを用いた場合の組織説明図であるが、この銅短繊維
ｂは勿論、本実施例で使用する導電性金属短繊維は金属
質でポーラス部のない金属短繊維である。黒鉛ａは天然
黒鉛（うろこ状黒鉛）か人造黒鉛のいずれを用いてもよ
い。これらの粒径は１μｍ〜１００μｍで、作るブラシ
材によって適正な粒径を選定できる。

【００１９】導電性金属短繊維は導電性金属であれば
金、銀、銅等どの材料でもよい。導電性金属短繊維は従
来の線引き加工によって得られる繊維を任意の長さに切
断することは加工の難しさ等から容易に製造することは
できない。そこで導電性金属短繊維は最近、文献（粉末
冶金による鋳鉄−炭素系自己潤滑材料（炭素：Ｖｏｌ．
３６／Ｎｏ２／１９９１））でも紹介されているが、び
びり振動切削法により製造されたものが供給されてきて
いる。金属繊維も短繊維であれば粉末と同様な扱いで圧
縮成形ができ、繊維のアスペクト比（長さ／直径）が１
０程度であればほぼ完全に粉末と同様な流動性を示し、
またこの値が６０〜１５０程度でも使用可能であり、製
造上は全く問題にならない。

【００２０】このような導電性金属短繊維をびびり振動
法により製造する場合、径φ１〜１００μｍ、長さ１０
μｍ〜３ｍｍの任意の寸法の範囲が最も製造しやすく、
しかもブラシとして成形する場合も支障が少ない。この
ようにブラシ材の特性の目的にあわせ、黒鉛ａの粒径や
導電性金属短繊維の大きさを適正に選定してふるい分
け、配合、混合する。

【００２１】配合量は黒鉛ａの量を７０〜３０重量％、
導電性金属短繊維を３０〜７０重量％の範囲でブラシの
比抵抗、強度や材質の特徴をどこに置くかによってそれ
ぞれ決める。次に配合、混合された原料は扁平な小形の
素材を得るために押型にいれ、縦型プレスを用いて１〜
４（ｔ／ｃｍ²）の圧力で成形する。成形も前述したよ
うに、銅粉の場合と全く同様に問題なく成形できる。導
電性金属短繊維に銅短繊維ｂを用いた本実施例は、同図
に示すように成形前は黒鉛ａに対して銅短繊維ｂの並び
方は比較的ランダムであるが、加圧成形した後は図２に
示すように、層状に黒鉛ａの層と銅短繊維ｂとが整列し
ている。これは加圧することにより銅短繊維ｂの径と長
さとの比が大きいため、加圧力によって変位して整列す
るためである。

【００２２】次に成形した素材を焼成焼結して製品ブロ
ックを完成する。焼成の条件は一般に６００〜９００℃
の範囲で行われる。温度の条件は原料の種類、配合量お
よび物理特性等を考慮して決定する。

【００２３】以上、主原料に黒鉛ａと導電性金属短繊維
とを用いた場合の金属黒鉛質ブラシの製法について概略
を述べてきたが、次に具体的な製造条件および製法の一
例について説明する。

【００２４】主原料は天然黒鉛とびびり振動法で得た銅
短繊維ｂとを用いた。天然黒鉛の粒径は１０〜１００μ
ｍ、銅短繊維ｂはφ４０〜８０μｍ、長さ４〜６ｍｍ範
囲のものを用いた。

【００２５】黒鉛粉と銅短繊維ｂとの配合割合は、黒鉛
粉／銅短繊維ｂ：７５／２５、６５／３５、５０／５０
重量％の３種の組合せで製造した。この場合も銅短繊維
の量が少なく、黒鉛量が多くなった場合は従来製法と同
様、適当量の熱硬化性樹脂を入れて、ブラシ強度を上げ
る方策をとる必要がある。成形加圧力を２ｔ／ｃｍ²、
焼成温度を７００℃の条件で、他は図５に示す製造方法
と同一条件で行った。

【００２６】以上の製法で得られた金属黒鉛質ブラシの
銅配合量とブラシ比抵抗との関係を図６に示す。同図で
実線表示の曲線イは従来の銅粉を用いた場合の特性であ
り、点線表示の曲線ロは本実施例の銅短繊維を用いた場
合の特性である。同図から明らかなように、本実施例の
場合同じブラシ比抵抗を得るに要する銅量が従来より少
なくてすむ、すなわち従来の銅量より少ない銅量でブラ
シ比抵抗が下げられるのである。

【００２７】また、加圧成形することにより図２に示す
ように金属繊維である銅短繊維ｂの結合性（並び）をし
やすくしたこと、更に焼成したこと等が作用したもので
ある。これらから黒鉛と銅粉とを用いた場合の銅粉量よ
り銅短繊維を用いた場合が、銅量を少なくしてもブラシ
の比抵抗を小さくできることが明らかである。ブラシの
比抵抗は加圧方向、側圧方向によっても相違する。本実
施例のブラシも同様であり、ブラシの電流を流すには図
２の電流方向ｉのように抵抗の小さい側圧方向が望まし
く、加圧方向に対して直角方向に切削加工することによ
り実現できる。

【００２８】これらから黒鉛の量を増すことができるの
で、黒鉛の潤滑性によりブラシの摺動特性が安定して良
好となり、そのため摩擦特性が改善できる。

【００２９】ブラシの低抵抗化によりブラシの電気損の
低減、黒鉛が増量できることにより摩擦特性の改善がで
き、ブラシの機械損の改善およびブラシの長寿命化が可
能になる。

【００３０】このように本実施例によれば、次に述べる
ような効果を奏することができる。

【００３１】（１）主原料に黒鉛と銅短繊維を用い、こ
の銅短繊維間の結合によりブラシの比抵抗を低抵抗にで
きる。

【００３２】（２）主原料に黒鉛と銅短繊維を用い加圧
成形して銅短繊維の並びをしやすくし、更に焼成するこ
とにより銅短繊維間結合を容易にして低抵抗にできる。

【００３３】（３）これらから黒鉛と銅粉を用いた場合
の銅粉量より銅短繊維を用いた場合が、銅量を少なくし
てもブラシの比抵抗を小さくできることが明らかであ
る。

【００３４】すなわち銅量に対して黒鉛の量を増すこと
ができるので、黒鉛の潤滑性によりブラシの摺動特性が
安定して良好となり、摩擦特性が向上する。

【００３５】ブラシの低抵抗化によりブラシの電気損の
低減、黒鉛が増量できることにより摩擦特性の改善がで
き、ブラシの機械損の改善およびブラシの長寿命化が可
能になる。

【００３６】〔実施例 ２〕図３に本発明の他の実施例
が示されている。本実施例は導電性金属短繊維に炭素繊
維ｃの長手方向の表面に金、銀、銅等の導電性の金属膜
ｄを設けた複合短繊維を用いた。この複合短繊維は製造
上の制約から径がφ１０μｍ〜１ｍｍ、長さ１０μｍ〜
３ｍｍにした。導電性金属短繊維にこのような複合短繊
維を用いることにより、銅量を少なくして比抵抗が小さ
くでき、しかも、炭素繊維の潤滑性により、ブラシの摺
動特性がさらに安定するとともに、前述の場合と同様な
作用効果を奏することができる。

【００３７】〔実施例 ３〕図４には本発明の更に他の
実施例が示されている。本実施例は導電性金属短繊維ま
たは複合短繊維を撚り合わせたもので、銅短繊維ｂを撚
り合わせたものを使用した。この場合も単体を用いた場
合と同様に銅量を少なくして比抵抗が小さくできるよう
になって、前述の場合と同様な作用効果を奏することが
できる。

【００３８】なお、本実施例では導電性金属に導電性金
属短繊維、または複合短繊維をそれぞれ単独に用いた場
合について説明したが、導電性金属に導電性金属短繊維
と複合短繊維とを併用しても同様な作用効果を奏するこ
とができる。

【００３９】

【発明の効果】上述のように本発明は、導電性金属に導
電性金属短繊維、または炭素繊維の長手方向の表面に導
電性金属膜を設けた複合短繊維、または導電性金属短繊
維と炭素繊維の長手方向の表面に導電性金属膜を設けた
複合短繊維とを用いたので、銅量を少なくして比抵抗が
小さくできるようになり、電気損および機械損を低減す
ると共に、長寿命化を可能にした金属黒鉛質ブラシを得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の金属黒鉛質ブラシの一実施例の組織説
明図（成形前）である。

【図２】同じく一実施例の組織説明図（成形後）であ
る。

【図３】本発明の金属黒鉛質ブラシの他の実施例の複合
短繊維の斜視図である。

【図４】本発明の金属黒鉛質ブラシの更に他の実施例の
銅短繊維を撚り合わせた導電性金属短繊維の斜視図であ
る。

【図５】金属黒鉛質ブラシの製造工程を示す説明図であ
る。

【図６】本実施例と従来例との銅量とブラシ比抵抗との
関係を示す特性図である。

【符号の説明】

ａ…黒鉛、ｂ…銅短繊維、ｃ…炭素繊維、ｄ…金属膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 庄 靖彦 茨城県日立市鮎川町３丁目３番１号 日立 化成工業株式会社茨城研究所内 (72)発明者 高橋 身佳 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】黒鉛と導電性金属とを原料とする金属黒鉛
   質ブラシにおいて、前記導電性金属に導電性金属短繊維
   が用いられたものであることを特徴とする金属黒鉛質ブ
   ラシ。
2. 【請求項２】黒鉛と導電性金属とを原料とする金属黒鉛
   質ブラシにおいて、前記導電性金属に炭素繊維の長手方
   向の表面に導電性金属膜を設けた複合短繊維が用いられ
   たものであることを特徴とする金属黒鉛質ブラシ。
3. 【請求項３】黒鉛と導電性金属とを原料とする金属黒鉛
   質ブラシにおいて、前記導電性金属に導電性金属短繊維
   と炭素繊維の長手方向の表面に導電性金属膜を設けた複
   合短繊維とが用いられたものであることを特徴とする金
   属黒鉛質ブラシ。
4. 【請求項４】前記導電性金属短繊維が、径がφ１〜１０
   ０μｍ、長さが１０μｍ〜６ｍｍである請求項１または
   請求項３記載の金属黒鉛質ブラシ。
5. 【請求項５】前記複合短繊維が、径がφ１０μｍ〜１ｍ
   ｍ、長さが１０μｍ〜６ｍｍである請求項２または請求
   項３記載の金属黒鉛質ブラシ。
6. 【請求項６】前記金属黒鉛質ブラシが、前記黒鉛に人造
   黒鉛または天然黒鉛を用い、その量を７０〜３０重量
   ％、前記導電性金属短繊維または複合短繊維を３０〜７
   ０重量％の割合で配合し加圧成形、焼成、焼結されたも
   のである請求項１または請求項２記載の金属黒鉛質ブラ
   シ。
7. 【請求項７】前記導電性金属短繊維または複合短繊維
   が、複数個撚り合して使用するようにされたものである
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属黒鉛質ブラ
   シ。
8. 【請求項８】前記導電性金属短繊維が、金、銀、銅等の
   いずれかである請求項１または請求項３記載の金属黒鉛
   質ブラシ。
9. 【請求項９】前記複合短繊維が、炭素繊維の長手方向の
   表面に金、銀、銅等の導電性金属膜が施されたものであ
   る請求項２または請求項３記載の金属黒鉛質ブラシ。
10. 【請求項１０】前記金属黒鉛質ブラシが、加圧成形方向
    に対して直角方向にブラシの長さ方向ができるように切
    削加工されたものである請求項１〜３のいずれか１項に
    記載の金属黒鉛質ブラシ。
11. 【請求項１１】前記金属黒鉛質ブラシが、電装用スター
    タモータに用いられるものである請求項１〜３のいずれ
    か１項に記載の金属黒鉛質ブラシ。