JP2011222463A

JP2011222463A - 回転電気コネクタ

Info

Publication number: JP2011222463A
Application number: JP2010100329A
Authority: JP
Inventors: Shigeji Yamaguchi; 重次山口; Yoshiaki Hamada; 吉昭濱田
Original assignee: Yamaguchi Seisakusho KK
Current assignee: Yamaguchi Seisakusho KK
Priority date: 2010-04-07
Filing date: 2010-04-07
Publication date: 2011-11-04

Abstract

【課題】電気的接触抵抗が変化せず、より安定した電流電圧を供給しながら動作することができる回転電気コネクタを提供する。
【解決手段】円形内周部を有する外筒２と、軸受保持部材６および軸受け８を介して前記外筒の内部に保持される回転軸１と、前記回転軸と前記外筒を電気的に接続する複数の通電パイプと、前記通電パイプを保持するためのパイプ保持部材とを備え、前記回転軸は前記軸受保持部材および前記軸受けによって前記円形内周部の中心軸と同軸上に回転可能な状態で保持され、前記回転軸の外周と前記円形内周部とで形成される環状の隙間よりも大きい直径を有した前記通電パイプを、その直径方向に圧縮して前記環状の隙間に複数配置し、前記通電パイプはそれぞれが干渉しないように前記パイプ保持部材によって規制保持され、前記回転軸または前記外筒の回転により前記通電パイプおよび前記保持部材を転動させて通電することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に表面処理用の給電ロールや熱圧着ロールなどの電流を遮断させることなく回転接続を行う回転電気コネクタに関するものである。

金属材料あるいは樹脂フィルム部材などに電気めっきなどの表面処理を行う場合、被めっき材を連続的に走行させながらめっき槽内に蓄えられためっき液中に浸漬させ、通電ロール部材との接触によってカソード極となる被めっき材と、めっき槽内に設けられたアノード極との間で電解表面処理を行うリールｔｏリールのフープめっき設備が用いられる。

また、短冊状に形成されたの金属材料などへ表面処理を行う場合も、進行方向へ複数準備された搬送用ローラーによって短冊状の金属材料を回転搬送しつつ、めっき槽内に蓄えられためっき液中に浸漬させ、通電ロール部材との接触によってカソード極となる被めっき材と、めっき槽内に設けられたアノード極との間で電解表面処理を行うローラー搬送式短冊めっき設備が用いられる。

このようなめっき設備において、被めっき材に対し電流を供給する通電ロール部材は、瞬時でも電流が遮断されることなく製品の搬送に同期しながら連続回転し、被めっき材との接触によってめっきに必要な電流を供給し続ける機能が求められる。そのため、めっき電源から供給された一次側の配線材と、二次側である通電ロール部材との間を回転電気コネクタで接続する方法が広く用いられており、先行文献においても回転電気コネクタに関する提案がなされている。

特開平１０−２２３３４６号公報

先行文献によると、一般的なスリップリングと呼ばれる回転電気コネクタでは回転側電極と固定側電極との間で電力の供給や信号の伝達を行うことによって回転部と固定部との間で電力の供給や信号の伝達を行うことができるものの、回転側電極に固定側電極を押し付け、互いの電極をスリップさせながら使用されるものであるので、回転側電極と固定側電極との接触部では摩擦が生じ、摩擦熱の発生や回転側電極及び固定側電極の摩耗により回転電気コネクタの回転寿命が十分ではなく、しかも、回転トルクが大きい等の不具合が生じているとしている。

そして、上記不具合を改善しようとすると、回転側電極と固定側電極との接触部の面積や接圧を小さくしなければならず、接触部の電気抵抗が大きくなると共に、接触部の断続による電気的ノイズが発生しやすくなるという不具合が生じ、また、比較的大きな電流を流すため、固定側電極の接触部に炭素接触子を取り付けた場合には、上述の不具合に加えて、炭素接触子の摩耗によって発生する炭素の粉をクリーニングするための定期的な保守点検をする必要があるとしている。

さらに、水銀を使用した回転電気コネクタの場合は、回転側電極と固定側電極との間に液体である水銀が介在しているため接触面積が大きく、接触部の電気抵抗が小さいという利点と、接触部の断続による電気的ノイズの発生がないという利点があるものの、回転側電極と固定側電極との間に介在する水銀をシール部材によってシールしているため、シール部材のシール面の摩擦力によって回転トルクが大きくなるという不具合が生じており、また、衝撃やシール面の小さな傷等によってシール部材から水銀が漏れた場合には、他の電極とショートする等の不具合が生じていると共に、水銀は、有害物質であるのでその取扱には十分に注意しなければならないとしている。

先行技術は、これらの問題点を解決するために、回転電気コネクタの回転寿命が長く、回転トルクが小さく、接触部の断続による電気的ノイズの発生がなく、かつ、接触部の電気抵抗が小さい回転電気コネクタを提供することであり、解決手段として、回転部に装着され、回転部と共に回転する回転側電極と、上記回転部を支持する固定部に設けられ、回転側電極と電気的接続をする固定側電極を備え、上記回転側電極と固定側電極間で電力の供給や信号の伝達を行う回転電気コネクタに於て、上記回転側電極１と固定側電極２との間にコロとして働く球形、円柱形あるいは円錐形の導電性金属材料よりなる複数の回転接触子４を配設して成り、上記複数の回転接触子４を回転側電極１と固定側電極２に接触させることによって、回転側電極１と固定側電極２間の電気的接続を行うことを特徴とする回転電気コネクタであるとしている。

これによって、回転電気コネクタを構成する回転側電極１と固定側電極２との間にコロとして働く複数の回転接触子４が配設されているものであるので、回転側電極１と固定側電極２との間の摩擦を減少させることができ、摩擦による摩擦熱の発生や回転側電極１及び固定側電極２の摩耗が防止され、回転電気コネクタの寿命を長くすることができると共に、回転電気コネクタの回転トルクが小さくなるとしている。

さらに、複数の回転接触子４が回転側電極１と固定側電極２との間に介在することで、回転側電極１と固定側電極２とが複数の接点で接触することとなり、接触部の電気抵抗が小さくなると共に、回転側電極１と固定側電極２とが複数の接点で接触することで、この回転電気コネクタの使用中に回転側電極１と固定側電極２との間の接触が断たれることはほとんどないと考えられるので、回転側電極１と固定側電極２との間の接点の断続による電気的ノイズの発生が防止されるものであるとしている。

近年、特に半導体部品において高信頼性を求められる機器については、その性能の向上とともに内部に搭載される電子部品の品質要求も高まっており、耐久性、電気特性、半導体素子実装性などを大きく左右するめっき処理については特に高い品質を求められている。中でもめっき処理プロセスにおいて、めっき皮膜の析出状態に大きく影響する電流制御の高精度化は特に重要であり、通電ロール部材に求められる電気接続の安定性、信頼性の向上が必須であるといえる。

以上のことを踏まえ、図６に示す先行技術文献の回転電気コネクタには次のような課題がある。
先行技術では、回転電気コネクタを構成する回転側電極１０１と固定側電極１０２との間にコロとして働く複数の回転接触子１０３が配設されているものであるので、回転側電極１０１と固定側電極１０２との間の摩擦を減少させることができ、摩擦による摩擦熱の発生や回転側電極１０１及び固定側電極１０２の摩耗が防止され、回転電気コネクタの寿命を長くすることができると共に、回転電気コネクタの回転トルクが小さくなるものであるが、回転側電極１０１と固定側電極１０２及びコロとして働く接触子１０３のそれぞれの接触圧力は、使用される状況や連結機器の構成によって成り行きの状態となっている。つまり、一般的な機械部品である軸受け（深溝玉軸受け、ころ軸受け）と同じ構成であるから、回転側電極１０１と固定側電極１０２に加わるラジアル方向やスラスト方向の荷重が変化（増減）すれば、当然接触子１０３と回転側電極１０１および固定側電極１０２にかかる接触圧力が変化する。軸受けの場合は荷重の変化によってその回転に生ずる摩擦が変化するだけであるが、先行技術のように回転電気コネクタとして使用する場合においては、固定側電極１０２から接触子１０３を介して回転側電極１０１へと電気回路を形成するので、それぞれの接触圧力が変化することによって、回転に生ずる摩擦だけでなく、電気的接触抵抗が同時に変化することが考えられる。この電気的接触抵抗の変化によって、電流電圧が変化することは容易に推測できるものであり、重要な条件管理項目である電流電圧の変化は、めっき皮膜の形成に多大な影響を与えるものであると考えられる。

また、分割された固定側電極を弾性部材によって回転側電極へと押さえつける構成も提案されているが、弾性部材の弾性限界を超えるラジアル方向やスラスト方向の加重が変化する場合においては、上記同様にそれぞれの接触圧力が変化し、固定側電極から接触子を介して回転側電極へと形成される電気回路の電気的接触抵抗も同様に変化すると考えられる。

また、スラストベアリングのような円錐ころを用いた回転電気コネクタも提案されているが、上記同様に回転電気コネクタに加わる荷重の変化によって接触圧力が変化し、固定側電極から接触子を介して回転側電極へと形成される電気回路の電気的接触抵抗が変化すると考えられる。
本発明は、これら先行技術における課題を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、
ラジアル方向、スラスト方向、あるいはその複合方向にかかる荷重が変化する場合であっても、電気的接触抵抗が変化せず、より安定した電流電圧を供給しながら動作することができる回転電気コネクタを提供することにある。

上記の課題を解決するために本発明の回転電気コネクタは、
回転関係にある２つの通電対象部材間を電気的導通状熊に連結するための回転電気コネクタであって、
円形内周部を有する外筒と、軸受保持部材および軸受けを介して前記外筒の内部に保持される回転軸と、前記回転軸と前記外筒を電気的に接続する複数の通電パイプと、前記通電パイプを保持するためのパイプ保持部材とを備えている。

前記回転軸は前記軸受保持部材および前記軸受けによって前記円形内周部の中心軸と同軸上に回転可能な状態で保持され、前記回転軸の外周と前記円形内周部に形成される環状の隙間よりも大きい直径を有した前記通電パイプを直径方向に圧縮して前記隙間に複数配置している。前記通電パイプはそれぞれが干渉しないように前記パイプ保持部材によって規制保持され、前記回転軸または前記外筒の回転により前記通電パイプおよび前記パイプ保持部材を転動させて通電する構成とする。
回転軸と外筒は軸受保持部材および軸受けによって同軸芯上に強固に位置規制されており、ラジアル方向やスラスト方向およびその複合方向の荷重が加わる場合においても前記回転軸の外周と前記外筒の前記円形内周部に形成される環状の隙間は、円周のどの位置でも一定の隙間を形成する構成としている。

さらに複数の通電パイプは、正確に形成された回転軸と円形内周部との隙間内にすべて同一の圧縮しろをもって挿入されているため、回転軸および円形内周部との接触圧力もすべて同一となるように構成されている。通電パイプは回転軸と円形内周部に押しつぶされるように挿入されることで、従来技術のように球体の接触子や円筒形、円錐形の接触子を用いた場合に形成される線接触や点接触などの微小な接点の集合ではなく、一定の範囲をもって形成される平面での接触とすることができるため、より電気抵抗の低い安定した通電が可能となる。

軸受け保持部材は絶縁性材料で形成されており、外筒から軸受けを介して回転軸へ回り込もうとする電流を遮断することができ、回転電気コネクタにかかる荷重変化に全く依存することなく、通電パイプのみを経由する安定した電気回路を形成することができるが、たとえ回転軸と外筒の固定に金属製の軸受け保持部材を使用したとしても、軸受けを介して流れる電流は、回転軸と通電パイプおよび円形内周部とで形成される接触平面に比べきわめて比率が小さくなるので、軸受けにかかるの荷重変化による電気的接触抵抗の変化は無視できる程度にすることができるものである。このような構成とすることで、外筒から通電パイプを介して回転軸へと形成される電気回路の電気的接触抵抗が常に一定となるように構成している。

以上のように本発明によれば、
ラジアル方向、スラスト方向、あるいはその複合方向にかかる荷重が変化する場合であっても、電気的接触抵抗が変化せず、より安定した電流電圧を供給しながら動作することができる回転電気コネクタを提供することができる。

本発明の回転電気コネクタを示す斜視図である。図１のａ−ａ´断面図である。図２のｂ−ｂ´断面図である。本発明の回転電気コネクタを搭載した機器の斜視図である。図４のｃ−ｃ´断面図である。従来の技術を示す代表図である。

以下本発明の実施例について、図１、図２、図３を参照しながら説明する。
回転軸１および外筒２は導電性の材料で形成されており、主に外筒２には一次側である整流器（図示せず）からの配線３を端子４などで接続し、回転軸１には二次側である通電ロールなどを接続する構造である。回転軸１および外筒２は、通電ロールなどにロスなく電流を供給するために、比較的電気抵抗の低い材質で形成されることが望ましく、本実施の形態においては銅系の材料を使用している。

外筒２には、円形内周部５が形成されており、外筒２の上端および下端には軸受け保持部材６がボルト７によって取り付けられ、さらに軸受け８が組み込まれている。軸受け保持部材６は、強度が高くかつ絶縁姓材料に優れる材料で形成することが望ましく、たとえばＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）やＰＣ（ポリカーボネート）などが適用される。これらの材料で形成された軸受け保持部材６に汎用である金属製の軸受け８が組み込まれている。軸受け８と外筒２に形成された円形内周部５の軸心は同一であり、さらにこれと同一軸心に回転軸１が取り付けられる。回転軸１は外筒２の上下に設けられた軸受け８によって、軸方向の移動を規制された状態で回転可能に保持されている。
回転軸１の外周面と外筒２の円形内周部５で形成される環状の隙間９は、どの位置においても±０．１ｍｍ程度の精度にて形成されている。

さらに、隙間９よりも大きい直径を有した通電パイプ１０が、その直径方向に径を圧縮されて隙間９に挿入されており、通電パイプ１０が元の直径に戻ろうとする力によって、弾性的に円形内周部５の内面と回転軸１の外周面に接触している。このとき、通電パイプ１０は直径方向に圧縮された分だけ、円形内周部５の内面と回転軸１の外周面へ平面で接触することとなり、球体や円筒形ころなどの点接触または線接触ではなく、効率的な面接触を構成することができる。通電パイプ１０は回転軸１、外筒２と同様に比較的電気抵抗の低い材質で形成されることが望ましく、また弾性復元力に優れた材質であることが望ましい。

通電パイプ１０はシームレス加工やプレスでの絞り加工で形成する方法が考えられる。通電パイプ１０の肉厚はできるだけ大きくすることで電気抵抗を低くすることができるが、直系方向への圧縮応力が増大するので、回転電気コネクタ１２のサイズによって適宜設定されることが望ましい。本実施の形態においては、外径φ６ｍｍの通電パイプ１０であって、肉厚は０．０３〜０．０５ｍｍ程度としている。このような構成とすることで、通電パイプ１０を介して形成される電気回路の電気抵抗を下げることと通電パイプ１０の圧縮による弾性復元力を両立させることができる。

通電パイプ１０は、回転軸１の外周面と外筒２の円形内周部５で形成される環状の隙間９の中に複数挿入されており、回転軸１の回転によって、回転軸１の外周面と円形内周部５の内面に接触した状態で、回転軸１の回転方向にそれぞれ転動する。その際、複数の通電パイプ１０同士が互いに干渉しないように、パイプ保持部材１１が設けられている。パイプ保持部材１１も通電パイプ１０と同様に、回転軸１の回転方向に回転可能に取り付けられている。パイプ保持部材１１は、通電パイプ１０や回転軸１、円形内周部５と摩擦しながら回転する構成であり、低摩擦材料で形成することが望ましく、本実施の形態においては、ナイロン系の樹脂材料を使用している。

以下、汎用のフープめっき設備の通電ロール部に、本発明の回転電気コネクタ１２を使用して被めっき品１３に通電する状態を図４、図５を参照しながら説明する。
整流器（図示せず）からの配線３は端子４などで外筒２に接続されている。外筒２には軸受け８に固定された回転軸１が設けられ、回転軸１には通電ロール１４が連結されている。本説明において、通電ロール１４などは回転軸１に直接取り付ける構造としているが、使用される状況によってはカップリングなどの連結部材（図示せず）で接続されることもある。通電ロール１４は被めっき品１３に確実に接触するように、バックアップロール１５を固定側として、被めっき品１３を挟み込むように押し付けられる構造となっている。このとき、通電ロール１４にかかる反作用によって、通電ロール１４が連結された回転軸１はラジアル方向に荷重を受けると同時に、ステンレスなどの金属で作られている通電ロール１４の自重によって、回転軸１は重力方向へスラスト方向の荷重を受けることになる。さらに、通電ロール１４をバックアップロール１５へと押し付ける調整次第で、回転軸１が受けるラジアル方向の荷重が変化する場合があり、また被めっき品１３の厚みや、形状によっても回転軸１が受ける荷重に変化が生じる可能性がある。また品種替えによって通電ロール１４の形状を変更したときは、通電ロール１４自体の重量が変化することで、回転軸１が受ける重力方向へのスラスト荷重に変化が生じる可能性がある。

従来の技術では、固定側電極１０２から接触子１０３を介して回転側電極１０１へと電気回路を形成する際に、それぞれの接触圧力が変化することによって、回転に生ずる摩擦だけでなく、電気的接触抵抗が同時に変化することが考えられる。この電気的接触抵抗の変化によって供給する電流電圧が変化することは容易に推測できるものであり、重要な条件管理項目である電流電圧の変化は、めっき皮膜の形成に多大な影響を与えるものである。

本発明の構成では、回転軸１に上記の複合的な荷重が加わっても、軸受け保持部材６と軸受け８によって強固に保持されているため、回転軸１外周面と外筒２の円形内周部５とで形成される環状の隙間９の寸法は変化することがない。よって、通電パイプ１０が直径方向へ圧縮されることによって得られる接触圧力は、回転軸に加わる荷重の影響を受けることがなく、常に一定の電気的接触抵抗を保っている。さらに、金属性の軸受け８を使用して回転軸１を保持したとしても、軸受け保持部材６を絶縁性材料で形成することによって、軸受け８を経由にて流れようとする電流を全て遮断することができ、安定した通電が可能となる。また仮に、金属製の軸受け保持部材６を使用したとしても、軸受け８を介して流れる電流は、回転軸１と通電パイプ１０および円形内周部５とに形成される接触面積に比べ、きわめて比率が小さくなるので、軸受け８にかかる荷重変化による電気的接触抵抗の変化は無視できる程度にすることができる。

このようにして回転軸１に伝えられた電流は、連結されている通電ロール１４へと流れ、被めっき品１３との接触により電解処理に必要な電流を供給することができる。
以上のように本発明の電気コネクタを使用すれば、
電気コネクタ自体に加わる、ラジアル方向、スラスト方向、あるいはその複合方向の荷重が変化する場合であっても、電気的接触抵抗が変化せず、常に一定の電流、電圧を供給しながら動作する回転電気コネクタを提供することができる。
これによって、重要な条件管理項目である電流、電圧を安定化させ、ひいては良質なめっき皮膜の形成に優れた効果を奏する。

なお、通電パイプ１０の内部に柔軟性のある導電材を挿入しておくこともできる。これによれば、通電パイプ１０に流せる許容電流値が増大し、さらに大容量の電流を安定して供給をすることができる。柔軟性のある導電材に限らず、導電性の粉体や球体を多数挿入しても同様の効果が得られる。
その他、各構成部品の材質や形状などは、上記に限定されるものではなく、本発明の思想に逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の回転電気コネクタは、ラジアル方向やスラスト方向、あるいはその複合方向にかかる荷重が変化する場合であっても、電気的接触抵抗が変化せず、常に一定の電流、電圧を供給しながら動作する回転電気コネクタが必要な場合に利用できる。

１回転軸
２外筒
３配線
４端子
５円形内周部
６軸受け保持部材
７ボルト
８軸受け
９隙間
１０通電パイプ
１１パイプ保持部材
１２回転電気コネクタ
１３被めっき品
１４通電ロール
１５バックアップロール

Claims

回転関係にある２つの通電対象部材間を電気的導通状態に接続するための回転電気コネクタであって、
円形内周部を有する外筒と、軸受保持部材および軸受けを介して前記外筒の内部に保持される回転軸と、前記回転軸と前記外筒を電気的に接続する複数の通電パイプと、前記通電パイプを保持するためのパイプ保持部材とを備え、
前記回転軸は前記軸受保持部材および前記軸受けによって前記円形内周部の中心軸と同軸上に回転可能な状態で保持され、前記回転軸の外周と前記円形内周部とで形成される環状の隙間よりも、大きい直径を有した前記通電パイプを、その直径方向に圧縮して前記環状の隙間に複数配置し、前記通電パイプはそれぞれが干渉しないように前記パイプ保持部材によって規制保持され、前記回転軸または前記外筒の回転により前記通電パイプおよび前記保持部材を転動させて通電することを特徴とする回転電気コネクタ。