JP2005124331A - 回転集電装置および回転対陰極ｘ線管 - Google Patents
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Abstract
【課題】集電子をガラス状炭素で作ることにより，集電子とブラシの摩耗量を少なくする。
【解決手段】集電環１０は円筒形である。ブラシ保持リング１４の内面には，３個のブラシ保持バネ１６がネジ１８で固定されていて，その先端にブラシ１２が固定されている。ブラシ１２は，ブラシ保持バネ１６の弾性復元力によって，集電環１０の外周面に押し付けられている。集電環１０が回転すると，ブラシ１２は集電環１０の外周面に対して滑り接触する。ブラシ１２は，銅が７０重量％，黒鉛が３０重量％の金属黒鉛質でできている。集電環１０は，その全体がガラス状炭素でできている。集電環１０をガラス状炭素にしたことにより，この集電環に接触するブラシの摩耗量が減少し，発塵の少ない長寿命の回転集電装置となった。
【選択図】図１
【解決手段】集電環１０は円筒形である。ブラシ保持リング１４の内面には，３個のブラシ保持バネ１６がネジ１８で固定されていて，その先端にブラシ１２が固定されている。ブラシ１２は，ブラシ保持バネ１６の弾性復元力によって，集電環１０の外周面に押し付けられている。集電環１０が回転すると，ブラシ１２は集電環１０の外周面に対して滑り接触する。ブラシ１２は，銅が７０重量％，黒鉛が３０重量％の金属黒鉛質でできている。集電環１０は，その全体がガラス状炭素でできている。集電環１０をガラス状炭素にしたことにより，この集電環に接触するブラシの摩耗量が減少し，発塵の少ない長寿命の回転集電装置となった。
【選択図】図１
Description
本発明は、集電子とブラシとを備える回転集電装置に関し，特に，集電子の材質に特徴のある回転集電装置に関する。また，本発明は，そのような回転集電装置を備える回転対陰極Ｘ線管に関する。
回転集電装置の代表的なものとして，モータ等における整流子とブラシの組み合わせや，回転軸部への電気供給のための，集電環とブラシの組み合わせがある。整流子や集電環は回転する部材であり，これらを集電子と呼ぶ。一方，ブラシは静止している部材であって，集電子の外周面に対して滑り接触する。集電子とブラシの間では，滑り接触をしながら電気が流れる。
集電子とブラシは導電性材料で作られている。比較的大電流を流すような用途では，集電子は金属系材料で，ブラシは黒鉛系材料で作られることが多い。回転集電装置の寿命は，集電子とブラシの摩耗量に依存しており，寿命を長くするには，滑り接触をするときの電気抵抗が小さくて，かつ，摩耗量の少ない材質を選ぶのが大切である。従来，回転集電装置の摩耗量を小さくするための技術は数多く開発されているが，その中で，ガラス状炭素に着目したものとして，次の特許文献１が知られている。
特開平６−１５３４５９号公報
この特許文献１は，黒鉛及び銅を主成分とする金属黒鉛質のブラシを製造するときに，黒鉛粉末と銅粉末に，１０重量％以下のガラス状炭素の粉末を添加して，これらを焼成している。このようなブラシを用いることで，ブラシ及び整流子の摩耗量を減らしている。
上述の特許文献１の技術によれば，金属黒鉛質のブラシにガラス状炭素を少量混ぜることで，ブラシと整流子の摩耗量を減らしている。しかし，摩耗量の減少は十分ではなく，特に，整流子に比べてブラシの摩耗量が１桁近く多い。
本発明の目的は，集電子とブラシの摩耗量が少ない回転集電装置を提供することにある。また，本発明の別の目的は，そのような回転集電装置を備える回転対陰極Ｘ線管を提供することにある。
本発明は、回転集電装置の集電子をガラス状炭素で形成したことに特徴がある。すなわち，本発明は，円筒面の少なくとも一部からなる外周面を備えている回転可能な集電子と，前記集電子の前記外周面に対して滑り接触するブラシとを有する回転集電装置において，前記集電子の少なくとも前記外周面をガラス状炭素で形成したことを特徴としている。集電子が集電環であるときは，集電子の外周面は円筒面となり，集電子が整流子であるときは，集電子の外周面は円筒面の一部となる。
ガラス状炭素は，従来，機械部品の材料としては，ほとんど用いられてこなかったが，本発明は，これを集電子の材料として採用したことに特徴がある。ガラス状炭素は，自己潤滑性の乏しい材料であって，機械的な摺動部品には適さないとされているが，発明者らの着想と実験により，回転集電装置の集電子の材質として優れていることが明らかとなった。
回転集電装置の集電子およびブラシの材質に求められる性質としては，摩擦係数が小さいこと，電気抵抗が小さいこと，耐食性があること，が挙げられるが，ガラス状炭素はこれらの性質を満たしている。また，ガラス状炭素は発塵が少なく，これも回転集電装置にとって有利である。そして，ガラス状炭素からなる集電子と，黒鉛質または金属黒鉛質のブラシとの組み合わせは，酸化被膜ができないこと，耐食性があること，接触電気抵抗が小さいこと，摩擦係数が小さいこと，発塵が少ないこと，という特性を備えており，回転集電装置として優れた性能を発揮する。このような回転集電装置は，回転対陰極Ｘ線管に組み込むことができる。
本発明の回転集電装置は，集電子をガラス状炭素で形成したので，従来のものに比べて，この集電子に接触するブラシの摩耗量が減少し，発塵の少ない長寿命の回転集電装置となった。
以下，図面を参照して，本発明の実施例を詳しく説明する。まず，回転集電装置の形状を説明する。図１は本発明の回転集電装置のひとつの実施例の横断面図であり，図２はその斜視図である。図１において，この回転集電装置は集電環１０とブラシ１２を備えている。集電環１０は外径が２０ｍｍの円筒形であり，その外周面がブラシ１２との滑り接触面になっている。ブラシ保持リング１４は，集電環１０よりも大径の円筒形をしていて，その内面には，３個のブラシ保持バネ１６が３等配になるようにネジ１８で固定されている。図２に示すように，ブラシ保持バネ１６の先端は二つに分かれていて，そのそれぞれにブラシ１２が固定されている。ブラシ１２は，ブラシ保持バネ１６の弾性復元力によって，集電環１０の外周面に押し付けられている。集電環１０が回転すると，ブラシ１２は集電環１０の外周面に対して滑り接触する。
この実施例では，この回転集電装置は回転対陰極Ｘ線管に組み込まれている。図３は，図１の回転集電装置を回転対陰極Ｘ線管に組み込んだ状態を示す縦断面図である。回転対陰極の回転シャフト２０は軸受２２によってハウジング２４に回転可能に支持されている。回転シャフト２０の先端（図３の上方）には対陰極がある。回転シャフト２０とハウジング２４の間は，磁性流体シール装置２６によって気密に封止されている。
回転シャフト２０には集電環１０が固定されており，一方，ハウジング２４にはブラシ保持リング１４が固定されている。ブラシ保持リング１４のブラシ保持バネに固定されたブラシ１２は集電環１０に滑り接触する。このような回転集電装置を介して，回転シャフト２０はハウジング２４に電気的に接続している。ハウジング２４は接地されている。Ｘ線管の対陰極にはフィラメントからの電子ビームが照射されるが，この対陰極に流れ込んだ電流は，回転集電装置を介してハウジング２４に流れていく。
次に，集電環とブラシの材質を説明する。図１において，ブラシ１２の材質は，銅が７０重量％，黒鉛が３０重量％の金属黒鉛質である。集電環１０は，その全体がガラス状炭素でできている。この集電環１０は，市販のブロック状のガラス状炭素をワイヤ放電加工機でリング状に加工したものである。この集電環１０を回転シャフト２０（図３を参照）の外周面に圧入することで，集電環１０を回転シャフト２０に固定している。固定作業を具体的に説明すると，回転シャフト２０を液体窒素に浸漬して液体窒素温度まで冷却してから，集電環１０を回転シャフト２０に嵌め込み，その後，これを常温に戻す。これにより，圧入が完了する。ブロック状のガラス状炭素を製造するには，例えば，３次元網目構造をもつ樹脂を非酸素雰囲気で焼成する。この実施例で使用したガラス状炭素は，純度が９９．９％以上のものである。
集電環１０は，少なくともその外周面がガラス状炭素で作られていれば，本発明の目的を達する。したがって，集電環１０は，例えば，金属製の円筒状のベースの外周面にガラス状炭素の層を形成したものであってもよい。その層の厚さは，例えば１ｍｍ程度で十分である。
次に，この回転集電装置の摩耗実験について説明する。３種類の実験を行った。ブラシの材質は上述の金属黒鉛質であり，これは，３種類の実験において共通している。集電環の材質は次のとおりである。実験１では，ベリリウム（Ｂｅ）が１．９〜２．１５重量％，残部が銅（Ｃｕ）のベリリウム・銅合金である。これは比較例である。実験２と実験３では，集電環の材質はガラス状炭素である。３種類の実験に共通の条件は次のとおりである。図３に示すように回転集電装置を回転対陰極Ｘ線管に組み込んで，Ｘ線管の管電流（回転集電装置を流れる電流に等しい）を０．３Ａに，回転シャフト２０の回転速度を６０００ｒｐｍにして，Ｘ線管の連続運転を行った。このときの集電環１０の外周面の周速は７．７ｍ／秒である。
次の表１に，３種類の実験について，摩耗量の測定結果を示す。
実験１は，７７０時間の連続運転を行った。運転後の集電環の摩耗量は０．０４ｍｍであった。これを単位時間当たりの摩耗量に換算すると，０．０５μｍとなる。一方，ブラシの摩耗量は，６個のブラシ（図２を参照）の平均で，０．８２２ｍｍであった。これを単位時間当たりの摩耗量に換算すると，１．０７μｍとなる。実験２は，１１８０時間の連続運転を行った。運転後の集電環の摩耗量は０．０４ｍｍであった。これを単位時間当たりの摩耗量に換算すると，０．０３μｍとなる。ブラシの摩耗量は，６個のブラシの平均で，０．０４ｍｍであった。これを単位時間当たりの摩耗量に換算すると，０．０３μｍとなる。実験３は，５８０時間の連続運転を行った。運転後の集電環の摩耗量は０．０３ｍｍであった。これを単位時間当たりの摩耗量に換算すると，０．０５μｍとなる。ブラシの摩耗量は，６個のブラシの平均で，０．０１ｍｍであった。これを単位時間当たりの摩耗量に換算すると，０．０２μｍとなる。
単位時間当たりの摩耗量で比較すると，集電環の摩耗量は，実験１（比較例）と，実験２及び３（本発明）とで，大きな差はない。いずれも，きわめて少ない値である。一方，ブラシの摩耗量は，実験１（比較例）と比較して，実験２及び３（本発明）では数十分の１に減少している。集電環をガラス状炭素にしたことにより，この集電環に接触するブラシの摩耗量が劇的に減少した。これにより，本発明では，比較例と比べて，ブラシ交換が必要になるまでの使用可能時間が数十倍に延びたことになる。
連続運転の最初と最後において回転集電装置の電気抵抗を記録したが，３種類の実験のいずれも，電気抵抗に大きな変化はなかった。
ブラシの材質として，金属黒鉛質の代わりに黒鉛質を用いた場合でも，集電環をガラス状炭素にすれば，ブラシ摩耗量の減少が期待できる。
回転対陰極Ｘ線管において，集電環の材質として，従来，上述のベリリウム・銅合金の代わりに，ステンレス鋼も使用しているが，この場合も，ブラシの摩耗量は多く，これと比較しても，本発明はきわめて優れている。
１０ 集電環
１２ ブラシ
１４ ブラシ保持リング
１６ ブラシ保持バネ
１８ ネジ
２０ 回転シャフト
２２ 軸受
２４ ハウジング
２６ 磁性流体シール装置
１２ ブラシ
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２６ 磁性流体シール装置
Claims (3)
- 円筒面の少なくとも一部からなる外周面を備えている回転可能な集電子と，前記集電子の前記外周面に対して滑り接触するブラシとを有する回転集電装置において，
前記集電子の少なくとも前記外周面がガラス状炭素で作られていることを特徴とする回転集電装置。 - 前記ブラシの材質は黒鉛質または金属黒鉛質であることを特徴とする請求項１に記載の回転集電装置。
- 請求項１または２に記載の回転集電装置を備える回転対陰極Ｘ線管。
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