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JP2895793B2 - 摺動接点材料及びクラッド複合材ならびにそれらからなるコンミテータ及びそのコンミテータを使用した直流小型モータ - Google Patents

摺動接点材料及びクラッド複合材ならびにそれらからなるコンミテータ及びそのコンミテータを使用した直流小型モータ

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JP2895793B2
JP2895793B2 JP8032786A JP3278696A JP2895793B2 JP 2895793 B2 JP2895793 B2 JP 2895793B2 JP 8032786 A JP8032786 A JP 8032786A JP 3278696 A JP3278696 A JP 3278696A JP 2895793 B2 JP2895793 B2 JP 2895793B2
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alloy
sliding contact
commutator
balance
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JP8032786A
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功 渋谷
俊哉 山本
敬雄 麻田
哲也 中村
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Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
Mabuchi Motor Co Ltd
Original Assignee
Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
Mabuchi Motor Co Ltd
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気的、機械的摺
動部に使用する接点材料に係わり、具体的には、CDス
ピンドル用として使用した時に十分な長寿命と低始動電
圧を有する直流小型モータ、及びそれらに使うコンミテ
ータ、更にはコンミテータを作る前のクラッド複合材、
及び摺動接点材料に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、電子工業等の分野において、摺動
接触をともなう機器類が増加してきており、新しい摺動
接点材料の開発や摩耗に関する研究が盛んに行なわれて
きている。摺動接点材料に関しては、この摩耗と接触抵
抗とが問題となるが、この摩耗現象は複雑で学問的に未
解明な点も多い。
【0003】通常、接触材料の金属表面はかなり平滑に
仕上げたつもりでも、ミクロ的な観察をすると完全な平
面ではなく微妙な凹凸が存在している。二つの金属の接
触状態をみると、みかけは広い面積で接触しているよう
にみえるが、実際は幾つかの凹凸が存在し孤立した突起
でのみ接触していることになる。
【0004】摩擦に対する摩耗は、基本的には接触する
力の大きさに比例し、硬さに反比例する。その他、温
度、湿度、腐食性成分、有機質蒸気、埃などは摩耗や電
気的特性(接触抵抗)に変化をもたらす要因となる。
【0005】摺動接点材料における摩耗の仕方は、大別
して凝着摩耗と、引っかき摩耗とがある。凝着摩耗と
は、真の接触部即ち突起部において金属同士の溶着が起
こり、軟らかい方の金属が引き裂かれて硬い方の金属に
移行することによって起こる摩耗である。
【0006】引っかき摩耗とは、硬さの大きく異なる材
料が擦り合わされる場合、或るいは軟らかい金属同士で
も一方に硬い粒子などを含んでいるような場合に惹起さ
れる摩耗である。
【0007】摺動接点材料は、アースリング、ロータリ
ースイッチその他の機器に広く利用されるものである
が、本発明では、特にCDスピンドル用直流小型モー
タ、更に直流小型モータに使用するコンミテータ、それ
らに使うクラッド複合材、そして摺動接点材料を含む。
そして従来よりCDスピンドル用直流小型モータに使用
するコンミテータとして、表面層がAg40重量%、残
部AuのAuAg合金、中間層がCu4重量%、Ni
0.5重量%、残部AgのAgCuNi合金、ベース層
がNi9.5重量%,Sn2.5重量%、残部CuのC
uSnNi合金の三層張りクラッド複合材が知られてい
た。
【0008】また、関連する先行技術としては、例え
ば、Cu2〜10重量%、Pd2〜10重量%、残部A
gのAgPdCu合金をコンミテータとする整流装置が
開示されている。しかし、Pdに起因して黒粉が発生
し、接触抵抗の増大又は不安定化する点や、電気的ノイ
ズの発生等、特に高温域での環境下における性能改善が
求められていた。
【0009】そして、近年オーディオ機器の小型化に伴
い、直流小型モータも増幅器などの発熱体の近くに取り
付けられようになり、通常の使用でもモータの温度は7
0℃にも達する。特に車載用として用いた場合、真夏の
炎天下ではそれ以上の温度になる場合がある。
【0010】一般に、刷子つき直流小型モータは、高温
環境下ではその寿命が予想外に短くなり、従前のモータ
も温度25℃、湿度60%の環境下では6000時間程
度の寿命があるのに、温度70℃、湿度5%の環境下で
はモータが200時間程度で止まってしまう場合があ
る。つまり、それら高温下においても耐久性を失わない
直流小型モータの開発が要求されていた。
【0011】そして、その原因が如何なるところにある
か詳細に調査した結果、高温環境下におけるコンミテー
タと刷子の摺動時に、コンミテータ材料が刷子によって
削られ、刷子表面に移着して突起状の堆積物が生成し、
この突起物が恰も刃のような働きをしてコンミテータ材
料を細長く削り取ってしまうことに因ることが判明し
た。
【0012】このようにして出来た細長い針状摩耗粉
は、分割された円筒をなすコンミテータの間隙を埋めて
導通短絡させ、その結果としてモータが回らなくなった
のである。
【0013】また、コンミテータ間の導通が起こらない
までも、前記高温下での摩耗速度は温度25℃、湿度6
0%の条件下に比べて大きく、殆ど全てのモータは50
0時間以内でベース層のCu合金まで達してしまい、接
触抵抗が増大するばかりでなく、露出したCuはCuO
となり通電に支障を来たし、モータとしての機能が停止
した。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、−3
0℃〜70℃の広い温度範囲で2000時間以上の寿命
を有するCDスピンドル用直流小型モータ、それに使用
するコンミテータ、更にはコンミテータを作る前のクラ
ッド複合材、及び摺動接点材料を提供することを課題と
している。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明の解決手段は下記
の通りである。1 電気的、機械的摺動部の摺動接点に用いるAuAg
Cuからなる合金で、Ag35〜40重量%、Cu0.
1〜5重量%、残部Auとしたことを特徴とする摺動接
点材料。 2 電気的、機械的摺動部の摺動接点に用いるAuAg
PdCuからなる合金で、Ag10〜60重量%、Pd
0.1〜7重量%、Cu0.1〜7重量%、残部Auと
したことを特徴とする摺動接点材料。 3 電気的、機械的摺動部の摺動接点に用いるPtAu
AgCuからなる合金で、Pt0.1〜7重量%、Ag
10〜60重量%、Cu0.1〜7重量%、残部Auと
したことを特徴とする摺動接点材料。4 表面層が、Ag35〜40重量%、Cu0.1〜5
重量%、残部AuとしたAuAgCuからなる摺動接点
材料で、中間層が、Pd0.1〜1.5重量%、Cu3
〜10重量%、Ni0.1〜1重量%、残部Agとした
AgPdCuNiからなる摺動接点材料で、ベース層
が、Cu又はCu合金の三層張りとしたことを特徴とす
るクラッド複合材。 5 表面層が、前項2、3のいずれかに記載の摺動接点
材料で、中間層が、Pd0.1〜1.5重量%、Cu3
〜10重量%、Ni0.1〜1重量%、残部Agとした
AgPdCuNiからなる摺動接点材料で、ベース層
が、Cu又はCu合金の三層張りとしたことを特徴とす
るクラッド複合材。 6 表面層が、Ag35〜40重量%、Cu0.1〜5
重量%、残部AuとしたAuAgCuからなる摺動接点
材料で、中間層が、Pt0.1〜1.5重量%、Cu3
〜10重量%、Ni0.1〜1重量%、残部Agとした
PtAgCuNiからなる摺動接点材料で、ベース層
が、Cu又はCu合金の三層張りとしたことを特徴とす
るクラッド複合材。 7 表面層が、前項2、3のいずれかに記載の摺動接点
材料で、中間層が、Pt0.1〜1.5重量%、Cu3
〜10重量%、Ni0.1〜1重量%、残部Agとした
PtAgCuNiからなる摺動接点材料で、ベース層
が、Cu又はCu 合金の三層張りとしたことを特徴とす
るクラッド複合材。 8 前項1〜3のいずれかに記載の摺動接点材料、又は
前項4〜7のいずれかに記載のクラッド複合材からなる
ことを特徴とするコンミテータ。 9 前項8に記載のコンミテータを使用したことを特徴
とする直流小型モータ。
【0016】
【発明の実施の形態】本発明に係わる摺動接点材料及び
クラッド複合材は、AuAg合金にCuを添加すること
により、さらにPd又はPtを添加することによりAu
Ag合金の優れた接触安定性を維持しつつ、凝着移転に
良好な特性を発揮し、もってコンミテータからの刷子へ
の移着がなくなり、針状摩耗粉の発生が抑えられた。当
然摩耗速度も減少し、耐溶着性が向上した。
【0017】このことは、未解明な摩耗理論の中にあっ
て、モータの始動電圧を低く抑え、かつ経時変化を少な
くするために設けられた表面層の極めて薄いAuAg系
合金までが、十分な耐摩耗性を有するという、非常に画
期的な結果をもたらした。しかも、Cuを添加したこと
による、更にPd又はPtを添加することによるモータ
の始動電圧の上昇は許容範囲内であった。
【0018】また、主として耐摩耗性を受け持っている
AgCu合金、もしくはAgCuNi合金のCu含有量
を多くしたり、Pd又はPtを添加したりすることで、
これらの合金から刷子への移着もなくなり、針状摩耗粉
の発生を抑える事が出来た。当然、摩耗速度も減少し、
従来より遙かに長寿命化を可能とした。それにも拘ら
ず、Cu含有量を多くしたり、Pd又はPtを添加した
りしたことに因るモータの始動電圧の上昇は許容範囲内
であった。
【0019】請求項1〜7に記載のとおり、組成限定し
た理由は下記の通りである。 AuAgCu合金 AuAgCu合金は、従来のAuAg合金に少量のCu
を添加することで、接触抵抗、耐硫化性を維持したま
ま、耐摩耗性を向上させた合金である。 そのため、Ag
含有量は、10重量%未満だと硬度が低いため凝着摩耗
を起こし易く、60重量%を超えると特に耐硫化性に劣
ることとなり、経時特性が劣化する。Cu含有量は、
0.1重量%未満だと耐摩耗性を向上させる効果が無
く、7重量%を超えると、接触抵抗が増大しモータとし
た場合の始動電圧が上昇する。 なお、Agは30〜50
重量%、Cu添加量は3〜6重量%、残部をAuとする
のが最も効果的である。
【0020】 AuAgPdCu合金 AuAgPdCu合金は、AuAgCu合金に少量のP
dを添加することで、接触抵抗、耐硫化性を維持したま
ま、さらに耐摩耗性を向上させた合金である。そのた
め、Ag、Cuの効果はAuAgCu合金と同様であ
り、Pdの添加量は、0.1重量%未満だとAuAgC
u合金にPdを添加した効果が無く、7重量%を超える
と黒粉が発生し易くなり接触抵抗が不安定になる。な
お、Agは30〜50重量%、Cuは3〜6重量%、P
dの添加量は0.5〜3重量%、残部をAuにするのが
最も効果的である。
【0021】 PtAuAgCu合金 PtAuAgCu合金は、AuAgCu合金に少量のP
tを添加することで、接触抵抗、耐硫化性を維持したま
ま、さらに耐摩耗性を向上させた合金である。そのた
め、Ag、Cuの効果はAuAgCu合金と同様であ
り、Ptの添加量は、0.1重量%未満だとAuAgC
u合金にPtを添加した効果がなく、7重量%を超える
と黒粉が発生し易くなり接触抵抗が不安定になる。な
お、Agは30〜50重量%、Cuは3〜6重量%、P
tの添加量は0.5〜3重量%、残部をAuにするのが
最も効果的である。
【0022】AgPdCuNi合金 AgPdCuNi合金は、従来のAgCuNi合金に少
量のPdを添加することで、接触抵抗、耐硫化性を維持
したまま、耐摩耗性を向上させた合金である。そのた
め、Pdの添加量は、0.1重量%だとAgCu合金も
しくはAgCuNi合金にPdを添加した効果がなく、
1.5重量%を超えると、黒粉が発生し易くなり接触抵
抗が不安定になる。Cu量は、3重量%未満だと添加の
効果が低く凝着摩耗を起こし易く、10重量%を超える
と、接触抵抗の増大及びモータの始動電圧の上昇をもた
らす。AgPdCuNi合金におけるNi量は、0.1
重量%未満だと機械的特性、特に硬さの向上効果に乏し
く、1重量%を超えると、Niの酸化による接触抵抗の
不安定さや、加工性に課題を残す。なお、AgPdCu
Ni合金は、Pdの添加量0.3〜1重量%、Cuは3
〜5重量%、Niは0.3〜0.5重量%、残部をAg
とするのが最も効果的である。
【0023】PtAgCuNi合金 PtAgCuNi合金は、従来のAgCuNi合金に少
量のPtを添加することで、接触抵抗、耐硫化性を維持
したまま耐摩耗性を向上させた合金である。そのため、
Ptの添加量は、0.1重量%未満だとAgCuNi合
金にPtを添加した効果がなく、1.5重量%を超える
と、黒粉が発生し易くなり接触抵抗が不安定になる。C
u量は、3重量%未満だと添加した効果がなく凝着摩耗
を起こし易く、10重量%を超えると、接触抵抗の増大
及びモータの始動電圧を高める。PtAgCuNi合金
におけるNi量は、0.1重量%未満だと機械的特性、
特に硬さの向上効果に乏しく、1重量%を超えると、N
iの酸化による接触抵抗の不安定さや加工性に課題を残
す。
【0024】なお、PtAgCuNi合金は、Ptの添
加量は0.3〜1重量%、Cuは3〜5重量%、Niは
0.3〜0.5重量%、残部をAgにするのが最も効果
的である。以上のPt、又はPt添加の効果は、他の白
金属元素(Ru,Rh,Os,Ir)の添加によっても
同様の効果が得られる。
【0025】また、請求項1に記載のAuAgCu合金
においては、三元合金としての固溶合金材に限らず、例
えば、特開平6−260255号に開示されているAu
へのAg及びCuの拡散によるAuAgCu合金(Au
へのAg、Cuの拡散材)であっても同様の効果が得ら
れる。請求項2に記載のAuAgPdCu合金、及び請
求項3に記載のPtAuAgCu合金についても、当然
固溶合金材に限らず拡散材であっても同様の効果が得ら
れる。
【0026】更に、本発明は、直流小型モータ用コンミ
テータ材に限らず、スリップリング用、コネクタ用等の
摺動接点全般に有効なものである。次に、本発明の詳細
を実施例に基づいて説明する。なお、実施例中元素の%
はことわり無いかぎり重量%である。
【0027】
【実施例1】中間層となるAgPd1%Cu4%Ni
0.5%合金のテープ表面に、表面層となるAuAg3
5%Cu5%合金を接合してクラッドテープ材を得た。
更に、それをベース層となるCuSn2.3%Ni9.
5%合金材にインレイ接合してクラッド複合材を得た。
そしてこのクラッド複合材を750℃で熱処理し、圧延
を3回繰り返して、総厚0.3mm、幅19mmの表面
層が厚さ5μm、中間層が厚さ20μm、そしてベース
層から成る三層クラッド複合材を得た。
【0028】このクラッド複合材を、外径3.3mm、
長さ2.4mmの三極コンミテータに加工し、CDスピ
ンドル用直流小型モータに組込んだ。
【0029】尚、試験条件は次の通りである。 試験温度 :70℃ 湿 度 :5%RH 試験時間 :96H 負 荷 :実際のCD 回転モード :1Hに1回の割合で、始動・停止を含む 回転数 :500rpm 刷子材質 :AgPd50% 接触荷重 :2gf 試験台数 :10台
【0030】試験終了後は、針状摩耗粉などによりコン
ミテータ導通を起こし、回転不能になったモータ台数
(導通台数)を調べ、回転するモータについては始動電
圧を測定し、試験前の値との差を始動電圧変化として記
録した。更にモータを分解し、コンミテータ及び、刷子
に付着している摩耗粉、黒粉の量を調べ、針状摩耗粉の
数を数えた。次に、コンミテータ摩耗面積、摩耗深さを
測定した。それぞれの結果は、別添の図1〜4に示し
た。更に、コンミテータの表面硬さを参考値として記載
した。
【0031】尚、評価基準は次の通りとした。そしてこ
の基準は全ての試験について統一した。
【0032】また、図1〜4における「合金組成/合金
組成/合金組成」とある「/」は、三層で構成するクラ
ッド複合材を意味し、三層構成における表面層と中間層
およびベース層との界面を意味する。 これを具体的に図
面の斜視図で説明すると、図5、6は一条張り、図7は
二条 張りの実施の形態で、いずれも表面層1、中間層
2、ベース層3からなる三層クラッド複合材で、図5、
7は中間層2の全面を表面層1で被覆したもので、図6
は中間層2を表面層1で部分被覆し、中間層2の両側は
中間層露出部2’である実施の形態を示すものである。
【0033】
【従来例1】実施例1と同様の工程にて、表面層がAu
Ag40%合金(厚さ2μm)、中間層がAgCu4%
Ni0.5%合金(厚さ20μm)、ベース層がCuS
n2.3%Ni9.5%合金の三層クラッド複合材を得
た。その他モータへの組み込み、試験条件は実施例1と
同様に行い、結果は別添の図1に示した。
【0034】
【実施例2】実施例1と同様の工程にて、表面層がAu
Ag37%Cu3%合金(厚さ5μm)、中間層がAg
Pd1.5%Cu4%Ni0.5%合金(厚さ20μ
m)、ベース層がCuSn2.3%Ni9.5%合金の
三層クラッド複合材を得、モータへ組込んだ。試験条件
は実施例1と同じに行ない、結果は別添の図1に示し
た。
【0035】
【実施例3〜7及び比較例1、比較例2】実施例1と同
様の工程にて、表面層が、それぞれ実施例3がAuAg
37%Pd0.5%Cu3%合金、実施例4がAuAg
37%Pd5%Cu3%合金、実施例5がAuAg35
%Pd0.5%Cu5%合金、実施例6がAuAg35
%Pd5%Cu5%合金、実施例7がPt5%AuAg
35%Cu5%合金、及び比較例1がAuAg35%C
u5%合金、比較例2がAuAg40%Pd5%合金、
中間層は全てAgPd0.5%Cu4%Ni0.5%合
金で、ベース層がCuSn2.3%Ni9.5%合金の
三層クラッド複合材を得た。結果は図2に示す。
【0036】
【実施例8、9及び従来例2、3】試験時間を実施例
8、9とも500Hとし、試験温度は実施例8が70
℃、実施例9が−30℃で実施した他は何れも実施例1
と同様に実施した。従来例2、3は従来例1と同材質の
クラッド複合材をコンミテータに加工し、直流小型モー
タに組み込んで試験を行った。それらの結果は、図3、
4に示す。
【0037】これらの材料は性能が向上したため、試験
時間を96Hの2倍の192Hとし、それ以外はモータ
の組込みを含めて実施例1と同条件で試験を行なった。
その結果は別添の図2に示した。
【0038】更に、図2から明らかなように実施例3〜
7においては、比較例1に比べて性能の向上が著しいこ
とが判る。しかし、三層張りクラッド複合材の表面層に
Cuが含まれない比較例2では、10台中4台のモータ
が試験中に停止し、このことは、表面層のAuAg合金
に、Cuを添加して更にPdを添加することが重要であ
り、Cuを添加せずにPdだけを添加したのでは十分効
果が期待できないことを意味する。
【0039】
【発明の効果】上述の通りこの発明によれば、三層張り
クラッド複合材の表面層であるAuAg合金にCuを添
加することにより、更にPd又はPtを添加することに
より、従来の低始動電圧を維持したまま、刷子への移着
が抑御され、針状摩耗粉の発生が抑えられた。また、三
層張りクラッド複合材の中間層AgCuNi合金にPd
又はPtを添加することにより、同様に刷子への移着が
抑制され、針状摩耗粉の発生も抑えられた。更に、本発
明におけるPd、又はPtの添加は、他の白金属元素
(Ru,Rh,Os,Ir)の添加によっても同様の効
果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】クラッド複合材を直流小型モータに組み込んだ
実機の温度70℃、時間96Hでの試験結果を示す。
【図2】クラッド複合材を直流小型モータに組み込んだ
実機の温度70℃、時間192Hでの試験結果を示す。
【図3】クラッド複合材を直流小型モータに組み込んだ
実機の温度70℃、時間500Hでの試験結果を示す。
【図4】クラッド複合材を直流小型モータに組み込んだ
実機の温度−30℃、時間500Hでの試験結果を示
す。
【図5〜7】三層クラッド複合材の斜視図
【符号の説明】
1 表面層 2 中間層 2’中間層露出部 3 ベース層
フロントページの続き (72)発明者 麻田 敬雄 神奈川県平塚市新町2番73号 田中貴金 属工業株式会社技術開発センター内 (72)発明者 中村 哲也 神奈川県平塚市新町2番73号 田中貴金 属工業株式会社技術開発センター内 (56)参考文献 特開 昭63−111147(JP,A) 特開 昭58−104139(JP,A) 特開 昭58−104137(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C22C 5/02 C22C 5/06 H01H 1/02 H01R 39/20 H02K 13/00

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電気的、機械的摺動部の摺動接点に用い
    るAuAgCuからなる合金で、Ag35〜40重量
    %、Cu0.1〜5重量%、残部Auとしたことを特徴
    とする摺動接点材料。
  2. 【請求項2】 電気的、機械的摺動部の摺動接点に用い
    るAuAgPdCuからなる合金で、Ag10〜60重
    量%、Pd0.1〜7重量%、Cu0.1〜7重量%、
    残部Auとしたことを特徴とする摺動接点材料。
  3. 【請求項3】 電気的、機械的摺動部の摺動接点に用い
    るPtAuAgCuからなる合金で、Pt0.1〜7重
    量%、Ag10〜60重量%、Cu0.1〜7重量%、
    残部Auとしたことを特徴とする摺動接点材料。
  4. 【請求項4】 表面層が、Ag35〜40重量%、Cu
    0.1〜5重量%、残部AuとしたAuAgCuからな
    る摺動接点材料で、中間層が、Pd0.1〜1.5重量
    %、Cu3〜10重量%、Ni0.1〜1重量%、残部
    AgとしたAgPdCuNiからなる摺動接点材料で、
    ベース層が、Cu又はCu合金の三層張りとしたことを
    特徴とするクラッド複合材。
  5. 【請求項5】 表面層が、請求項2、3のいずれかに記
    載の摺動接点材料で、中間層が、Pd0.1〜1.5重
    量%、Cu3〜10重量%、Ni0.1〜1重量%、残
    部AgとしたAgPdCuNiからなる摺動接点材料
    で、ベース層が、Cu又はCu合金の三層張りとしたこ
    とを特徴とするクラッド複合材。
  6. 【請求項6】 表面層が、Ag35〜40重量%、Cu
    0.1〜5重量%、残部AuとしたAuAgCuからな
    る摺動接点材料で、中間層が、Pt0.1〜1.5重量
    %、Cu3〜10重量%、Ni0.1〜1重量%、残部
    AgとしたPtAgCuNiからなる摺動接点材料で、
    ベース層が、Cu又はCu合金の三層張りとしたことを
    特徴とするクラッド複合材。
  7. 【請求項7】 表面層が、請求項2、3のいずれかに記
    載の摺動接点材料で、中間層が、Pt0.1〜1.5重
    量%、Cu3〜10重量%、Ni0.1〜1 重量%、残
    部AgとしたPtAgCuNiからなる摺動接点材料
    で、ベース層が、Cu又はCu合金の三層張りとしたこ
    とを特徴とするクラッド複合材。
  8. 【請求項8】 請求項1〜3のいずれかに記載の摺動接
    点材料、又は請求項4〜7のいずれかに記載のクラッド
    複合材からなることを特徴とするコンミテータ。
  9. 【請求項9】 請求項8に記載のコンミテータを使用し
    たことを特徴とする直流小型モータ。
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