JP2015146282A - ロータリコネクタ - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンスの負担が少なく、且つ環境負荷物質を使用しないロータリコネクタを提供する。
【解決手段】回転側端子１１および固定側端子２１を備えたロータリコネクタＷであって、回転側端子１１に装着され且つ回転側端子１１と電気的に接続されている第１マグネット電極１６と、固定側端子２１に装着され且つ固定側端子２１と電気的に接続されている第２マグネット電極２６とを有し、第１マグネット電極１６及び第２マグネット電極２６は相互の端面同士が相対向し且つ所定の空隙部Ｓが形成されるように離間して配置されており、空隙部Ｓには磁性粉末により形成された磁性流体４０が充填され、磁性流体４０が、１マグネット電極１６と第２マグネット電極２６との間に形成される磁力線に沿って流動し両電極間１６・２６の間を結ぶ針形状に形成され、両電極間１６・２６を電気的に接続させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転側と固定側との間で電力や信号を授受するロータリコネクタに関する。

従来から、回転側と固定側との間で電力や信号を授受する電気機構部品として、回転接続用コネクタ（スリップリング、ロータリコネクタ）が用いられている。例えば、特許文献１には、回転接続用コネクタであるスリップリングが提案されている。このスリップリングは、回転側の機構に電気的に接続された金属製リングに、固定側の機構に電気的に接続されたブラシ（カーボンブラシや金属製ブラシ）を押し当て摺動させることで、回転側と固定側とを通電させるようになっている。

具体的には、特許文献１に記載のスリップリングは、本体ケースの内側に軸受を介して回転自在に支持された中空パイプ状のシャフトと、集電環（金属製リング）と絶縁環とを交互に積層して構成されシャフトに一体かつ同心状に設けられた集電体と、各集電環に対応して設けられそれぞれの基部が本体ケースに一体的に支持されると共にそれぞれの先端部が各集電環の周面に摺動自在に接触される複数のブラシとを有する構成となっている。

特開２０１２−９９３７６号公報

しかしながら、上述した従来技術（特許文献１に記載のスリップリング）は、以下に示す技術的課題を有している。
具体的には、上述した従来技術は、金属製リングにブラシが点接触した状態で摺動する構造であるため、通電時の抵抗発熱が大きくなるという技術的課題を有している。その結果、上記のスリップリングの摺動部は、摩耗し易く耐久性が低かった（定期的に摺動部（金属製リング及びブラシ）を交換する必要があった）。
また、上述した従来技術の構造では、金属製リング表面に形成されたマイクロギャップをブラシが通過する際、ブラシの摺動が不安定になることがあり、導通が安定しないという技術的課題も有している。また、ブラシの不安定な摺動は、信号エラーの発生要因になると共に、摺動部の摩耗原因にもなっている。

なお、上述したスリップリングのように、金属製リングにブラシを摺動させて通電させるものではなく、常温で液状態になる水銀を用いて、回転側と固定側とを通電させる方式のもの（説明の都合上、「水銀式ロータリコネクタ」という）もある。この水銀式ロータリコネクタによれば、大電流の通電が可能であると共に定期的な部品交換が不要になる。
しかし、水銀式ロータリコネクタは、環境負荷物質である水銀を用いており、その使用が制限されている。
そのため、環境負荷物質を使用していない構成であると共にメンテナンスの負担が少ない回転接続用コネクタ（スリップリング、ロータリコネクタ）が求められている。

本発明は、上記技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、メンテナンスの負担が少なく、且つ環境負荷物質を使用しないロータリコネクタを提供することにある。

上記技術的課題を解決するためになされた本発明は、回転側端子および固定側端子を有するロータリコネクタであって、前記回転側端子に装着され且つ該回転側端子と電気的に接続されている第１マグネット電極と、前記固定側端子に装着され且つ該固定側端子と電気的に接続されている第２マグネット電極とを備え、前記第１マグネット電極及び前記第２マグネット電極は、相互の端面同士が相対向し且つ所定の空隙部が形成されるように離間して配置されており、前記空隙部には磁性粉末により形成された磁性流体が充填されており、該磁性流体が、前記第１マグネット電極と前記第２マグネット電極との間に発生する磁力線に沿って流動して該第１マグネット電極から該第２マグネット電極まで延びる凸形状に形成され、該両電極間が電気的に接続されるようになっていることを特徴とする。
なお、第１マグネット電極から該第２マグネット電極まで延びる凸形状とは、一端部が第１マグネット電極に当接し、他端部が第２マグネット電極に当接している針形状或いは鱗片形状等のことをいう。

このように、本発明によれば、第１マグネット電極と第２マグネット電極との間に働く磁力により、両電極の間の空隙部に充填された磁性流体が流動して第１マグネット電極から該第２マグネット電極まで延びる凸形状に形成され、両電極間が電気的に接続されるようになっている。すなわち、回転側端子に装着された第１マグネット電極が、回転側端子の回転にともない回転しても、両電極間に働く磁力により、磁性流体が流動して順次両電極間を電気的に接続するため、連続的に電気的な接続状態が維持される。
また、本発明では、通電に伴う摺動が磁性粉末により形成された磁性流体の移動（流動）によるものだけであり、摩擦や摩耗が少ない構成になっている。すなわち、本発明は、定期的な交換が必要な「金属製リング及びブラシ」が用いられていないため、従来技術と比べてメンテナンスの負担が軽減される。
また、本発明は、第１マグネット電極と前記第２マグネット電極との間に充填された磁性流体が流動して両電極間を電気的に接続するものであるため、従来技術のスリップリングのように「金属製リング表面に形成されたマイクロギャップ等の影響によりブラシの摺動が不安定になる」ことがない。したがって、本発明は、上述した従来技術と比べて導通の信頼性が向上すると共に、信号エラーの発生が防止される。
なお、本発明は、水銀等の環境負荷物質を使用しない構成であるため、水銀式ロータリコネクタのように使用が制限されることがない。

また、前記磁性粉末の表面には貴金属メッキが施されていることが望ましい。
このように構成することにより、磁性粉末同士の接触抵抗を低下させることができる。

また、前記磁性流体は、前記磁性粉末にオイルを混入し形成されたものであることが望ましい。
この構成より、磁性流体の流動性が向上して、両電極間の電気的接続が安定する。

また、前記磁性流体は、液体金属に前記磁性粉末を混入して分散させたものであることが望ましい。また、前記液体金属は、ガリウム、インジウム及びスズの合金であることが望ましい。
このように、磁性流体として液体金属に磁性粉末を混入して分散させたものを用いることにより導電性を高めることができる。

本発明によれば、メンテナンスの負担が少なく、且つ環境負荷物質を使用しないロータリコネクタを提供することができる。

本発明の実施形態のロータリコネタの全体構成を説明するための模式図である。 本発明の実施形態のロータリコネクタの回転側ユニットを示した模式図である。 本発明の実施形態のロータリコネクタの固定側ユニットを示した模式図である。 本発明の実施形態のロータリコネクタのハウジングを示した模式図である。 本発明の実施形態のロータリコネクタの構成部品を分解して示した模式図である。 本発明の実施形態のロータリコネクタのマグネット電極間に充填された磁性流体が磁力線に沿って凸状の起立することを説明するための模式図である。

以下、本発明の実施形態について図１〜６を用いて説明する。
なお、図１は、本実施形態のロータリコネタの全体構成を説明するための模式図であり、図２は、本実施形態の回転側ユニットを示した模式図であり、図３は、実施形態の固定側ユニットを示した模式図であり、図４は、本実施形態のロータリコネクタのハウジングを示した模式図である。また、図５は、本実施形態のロータリコネクタの構成部品を分解して示した模式図であり、図６は、本実施形態のロータリコネクタのマグネット電極間に充填された磁性流体が磁力線に沿って凸状に起立することを説明するための模式図である。また、図１では、図面を見易くするために、マグネット電極１６・２６間の空隙部に充填された磁性流体を省略している。

図１に示すように、本実施形態のロータリコネクタＷは、回転側の機構（図示せず）に電気的に接続されている回転側端子１１を有する回転側ユニット１０と、固定側の機構（図示せず）に電気的に接続されている固定側端子２１を有する固定側ユニット２０と、回転側ユニット１０及び固定側ユニット２０を支持するハウジング１と、回転側端子１１を支持し位置決めする円筒状のカラー３０とを備えている。また、回転側端子１１及び固定側端子２１の間には、１対のマグネット電極１６・２６が設置されている。

具体的には、回転側端子１１及び固定側端子２１は、相対向して配置された状態でハウジング１に支持されている。また、１対のマグネット電極１６・２６のうちの一方のマグネット電極（第１マグネット電極）１６が回転側端子１１の一端部に設置され、他方のマグネット電極（第２マグネット電極）２６が固定側端子２１の一端部に設置されている。
また、マグネット電極１６及びマグネット電極２６は、相互の端面同士が相対向し且つ所定の空隙部Ｓ（例えば、０．０５ｍｍ〜２ｍｍの寸法の空隙部Ｓ）が形成されるように離間して配置されており、両電極１６・２６間には連続的に磁力が働くようになっている。
なお、マグネット電極１６は、マグネット電極２６との対向面がＮ極（或いはＳ極）になり、マグネット電極２６は、マグネット電極１６との対向面がＳ極（或いはＮ極）になるように設置されている。

また、上記の空隙部Ｓには磁性粉末により形成された磁性流体４０（図６参照）が充填されており、磁性流体４０が、マグネット電極１６とマグネット電極２６との間に発生する磁力線に沿って流動して、両電極１６・２６間の間を結ぶ凸形状（針形状、鱗片状）に立設し、両電極１６・２６間が電気的に接続されるようになっている。
以下、本実施形態のロータリコネクタＷの各構成を順に説明する。

図２に示すように、回転側ユニット１０は、略棒状の回転側端子１１と、回転側端子１１を回転自在に支持するボールベアリング１３と、永久磁石により形成されたマグネット電極１６と、マグネット電極１６を収容しているマグネットカバー１５とを有している。また、上記の回転側端子１１の一端部には、マグネットカバー１５に収容されたマグネット電極１６がボルト１７で固定されており、マグネット電極１６が回転側端子１１と共に回転するようになっている。
なお、回転側端子１１、ボールベアリング１３及びボルト１７は、金属により形成されており、マグネットカバー１５は合成樹脂により形成されている。また、回転側端子１１とマグネット電極１６とは、ボルト１７を介して電気的に接続されるようになっている。

また、回転側端子１１は、一端部側に周方向に拡径したフランジ部１１ａが形成されており、フランジ部１１ａの一方側（図２に示す下方側）にマグネットカバー１５に収容されたマグネット電極１６が設置され、フランジ部１１ａの他方側（図２に示す上方側）にボールベアリング１３が設置されている。また、回転側端子１１の一端部側に形成されたフランジ部１１ａの中心部には、ボルト１７の軸部と螺合するネジ穴１１ｂが穿設されている。

また、ボールベアリング１３は、外周面に断面が円弧状に凹んだ内輪軌道を有する内輪１３ａと、内周面に断面が円弧状に凹んだ外輪軌道を有する外輪１３ｃと、内輪軌道と外輪軌道との間に転動自在に設けられた複数のボール１３ｂとを有している。
また、ボールベアリング１３は、内輪１３ａの内周面が回転側端子１１の側面に固定され、回転側端子１１を回転自在に支持している。

また、マグネット電極１６は、略円板状に形成されていると共に、その中心部にボルト１７の軸部を挿通させる貫通孔が形成されている。
また、マグネットカバー１５は、一方が開放され且つ他方に底部を有する円筒状に形成されていると共に底部の中心部には、ボルト１７の軸部を挿通させる貫通孔が形成されている。

また、マグネットカバー１５にマグネット電極１６を収容すると、マグネット電極１６の一方面（図２に示す上面）が、マグネットカバー１５の底部に覆われ、マグネット電極１６の側面が、マグネットカバー１５の側面部に覆われると共に、マグネット電極１６の他方面（図２に示す下面）が開放された状態になる。
また、マグネットカバー１５は、側面部の高さ寸法が、マグネット電極１６の高さ寸法より大きく形成され、マグネットカバー１５にマグネット電極１６を収容すると、マグネットカバー１５の側面部が、マグネット電極１６の他方面から突出するようになっている。

また、図３に示すように、固定側ユニット２０は、略棒状の固定側端子２１と、永久磁石により形成されたマグネット電極２６と、マグネット電極２６を収容しているマグネットカバー２５とを有している。また、固定側電極２１の一端部には、マグネットカバー２５に収容されたマグネット電極２６がボルト２７により固定されている。
なお、固定側端子２１及びボルト２７は、金属により形成されており、マグネットカバー２５は合成樹脂により形成されている。固定側端子２１と第２マグネット電極２１とは、ボルト２７を介して電気的に接続されるようになっている。

また、固定側端子２１の一端部側には、周方向に拡径したフランジ部２１ａが形成され、フランジ部２１ａの中心部には、ボルト２７の軸部と螺合するネジ穴２１ｂが穿設されている。また、フランジ部２１ａの外周面には、ハウジング１の下端部に固定するためのネジ孔２１ｃが形成されている。

また、マグネット電極２６は、略円板状に形成されていると共に、その中心部にボルト２７の軸部が挿通される貫通孔が形成されている。
また、マグネットカバー２５は、一方が開放され且つ他方に底部を有する円筒状に形成されていると共に底部の中心部には、ボルト２７の軸部が挿通される貫通孔が形成されている。

そして、マグネットカバー２５にマグネット電極２６を収容すると、マグネット電極２６の一方面（図３に示す下面）が、マグネットカバー２５の底部に覆われ、マグネット電極２６の側面が、マグネットカバー２５の側面部に覆われると共に、マグネット電極２６の他方面（図３に示す上面）が開放された状態になる。
また、マグネットカバー２５は、側面部の高さ寸法が、マグネット電極２６の高さ寸法より大きく形成され、マグネットカバー２５にマグネット電極２６を収容すると、マグネットカバー２５の側面部が、マグネット電極２６の他方面から突出する。

また、図１、４に示すように、ハウジング１は、上面部１a及び側面部１ｂを備え、且つ下方が開放された中空円筒状に形成されている。また、上面部１aの中心部には、回転側端子１１が挿通される貫通孔１a１が設けられている。また、側面部１ｂの下端部には、固定側端子２１のフランジ部２１ａを固定するためのネジ孔１ｂ１が形成されている。

また、カラー３０は、両端が貫通している中空円筒状に形成されており、下端部がハウジング１に固定されたフランジ部２１ａに載置され、上端部に、回転側ユニット１０のベアリング１３が載置される。
また、カラー３０は、ベアリング１３を支持し位置決めすると共に、回転側端子１１に装着されたマグネット電極１６と、固定側電極２１に装着されたマグネット電極２６との間に所定の空隙部Ｓを形成するためのスペーサ（間隔保持部材）として機能している。

また、マグネット電極１６とマグネット電極２６との間の空隙部Ｓに充填される磁性流体４０は、強磁性粉末により構成されている。なお、磁性粉末には、鉄・コバルトなどの強磁性粉末を用いることが望ましい。
また、磁性粉末の表面に低抵抗な貴金属メッキを施し、磁性粉末同士の接触抵抗を抑えるようにしても良い。
また、磁性流体４０には、鉄・コバルトなどの磁性粉末にオイルを混練したものを用いるようにしても良い。この構成により、磁性流体４０の流動性が向上するため、両電極１６・２６間の電気的な連続接合が安定する。また、上記オイルにカーボン系のフィラーを添加したものを用いて、オイル自体に導電性を付与するようにしてもよい。

上記のように構成された各構成部品は、以下のように組み立てられる。
先ず、回転側ユニット１０及び固定側ユニット２０を組立てる。具体的には、回転側端子１１の側面を、ボールベアリング１３の内輪１３ａの内周面に固定すると共に、回転側端子１１の一端部にマグネットカバー１５に収容されたマグネット電極１６を載置してボルト１７で固定することにより、回転側ユニット１０を組立てる。また、固定側電極２１の一端部にマグネットカバー２５に収容されたマグネット電極２６を載置してボルト２７で固定することにより固定側ユニット２０を組み立てる。
次に、回転側ユニット１０のマグネット電極１６の端面（図５に示す下面）に磁性流体４０を適量付着させる。また、固定側ユニット２０のマグネット電極２６の端面（図５に示す上面）に磁性流体４０を適量付着させる。
上記作業を終えると、固定側ユニット２０のフランジ部２１ａの上方（図５に示す上方）にカラー３０を設置する。

次に、回転側端子１１の一端部に装着されたマグネット電極１６を、固定側端子２１の一端部に装着されたマグネット電極２６と相対向させて配置すると共に、フランジ部２１ａの上方に設置されたカラー３０の上端部に回転側ユニット１０のベアリング部１３を載置する。これにより、マグネット電極１６の端面と、マグネット電極２６の端面とが相対向し、且つ互いの端面同士の間に所定の空隙部Ｓが形成されると共に、マグネット電極１６と、マグネット電極２６との間に形成された空隙部Ｓに、磁性流体４０が充填された状態になる。
なお、両電極１６・２６同士を相対向して配置した際に、マグネット電極１６を収容したマグネットカバー１５と、マグネット電極２６を収容したマグネットカバー２５とが当接せずに非接触になるように、マグネットカバー１５、２５の側面の長さ寸法が設計されている。

次に、ハウジング１の上面部１ａの貫通孔１ａ１に回転側端子１１を挿通させ、ハウジング１の下端部を、固定側端子２１のフランジ部２１ａに載置し、フランジ部２１ａのネジ孔２１ｃとハウジング１の下端部のネジ孔１ｂ１とを位置合わせし、ネジ孔２１ｃ、１ｂ１にネジを螺合する。これにより、固定側ユニット２０がハウジング１に固定され、回転側ユニット１０のボールベアリング１３がカラー３０とハウジング１に挟持・固定されて、回転側端子１１がハウジング1に回転自在に支持されているロータリコネクタＷが形成される。

上記のロータリコネクタＷは、回転側端子１１に装着されたマグネット電極１６と、固定側端子２１に装着されたマグネット電極２６との間の空隙部Ｓに充填された磁性流体４０が、両電極１６・２６の間に働く磁力により、両電極間１６・２６間を架渡すように立設して両電極間１６・２６間を電気的に接続させる。

具体的には、図６に示すように、回転側端子１１に電気的に接続されたマグネット電極１６と、回転側端子２１に電気的に接続されたマグネット電極２６との間の空隙部Ｓに充填された磁性流体４０は、両電極１６・２６の間に形成される磁力線に沿って流動して略針状に立設した針形状部４０ａ（複数の針形状部４０ａ）を形成する。針形状部４０ａは、一端部がマグネット電極１６に当接し、他端部がマグネット電極２６に当接している。
この構成によれば、回転側端子１１に装着されたマグネット電極１６が、回転側端子１１の回転にともない回転しても、両電極１６・２６間には磁力が働き続けているため、両電極間１６・２６の間に充填された磁性流体４０が順次両電極間１６・２６を電気的に接続する。その結果、両電極間１６・２６は、連続的に電気的な接続状態が維持される（すなわち、回転側端子１１と、固定側端子２１との間の電気的接続状態が維持される）。

このように、本実施形態のロータリコネクタＷでは、通電に伴う摺動は、磁性粉末により形成された磁性流体４０の移動によるものだけであり、摩擦や摩耗が少ない構成になっている（本実施形態は、従来技術のスリップリングのように「金属製リング及びブラシ」が用いられていない）。その結果、本実施形態によれば、「金属製リング及びブラシ」交換が不要になり、メンテナンスの負担が大幅に軽減される。

また、本実施形態では、回転側のマグネット電極１６と、固定側のマグネット電極２６との間に充填された磁性流体４０が順次両電極１６・２６間を電気的に接続する構成であるため、従来技術のスリップリングのように「金属製リング表面に形成されたマイクロギャップ等の影響によりブラシの摺動が不安定になる」という問題が生じない。その結果、本実施形態では、上述した従来技術と比べて導通の信頼性が向上すると共に、信号エラーの発生が防止される。
なお、本実施形態は、水銀等の環境負荷物質を使用しない構成であるため、水銀式ロータリコネクタのように使用が制限されることがない。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲において種々の変更が可能である。

例えば、磁性流体４０に、液体金属に磁性粉末を混入して分散させたものを用いてもよく、前記液体金属は、ガリウム、インジウム及びスズの合金であってもよい（ガリウム、インジウム及びスズの合金が、例えば、ガリンスタンであってもよい）。
このように、磁性流体４０に、液体金属に磁性粉末を混入して分散させたものを用いることにより導電性を高めることができる。

また、上述した実施形態では、両電極１６・２６の間の空隙部Ｓに充填された磁性流体４０が、両電極１６・２６の間に形成される磁力線に沿って流動して略針形状に立設することにより、両電極１６・２６間を電気的に接続しているが、この針形状は一例に過ぎない。例えば、磁性流体４０が、両電極１６・２６の間を結ぶ鱗片形状に形成されるものであってもよい。

Ｗ…ロータリコネクタ
１…ハウジング
１ａ…上面部（ハウジング）
１ａ１…貫通孔（ハウジング）
１ｂ…側面部（ハウジング）
１ｂ１…ネジ孔（ハウジング）

１０…回転側ユニット
１１…回転側端子（回転側ユニット）
１１ａ…フランジ部（回転側ユニット）
１１ｂ…ネジ穴（回転側ユニット）
１３…ボールベアリング（回転側ユニット）
１３ａ…内輪（回転側ユニット）
１３ｂ…ボール（回転側ユニット）
１３ｃ…外輪（回転側ユニット）
１５…マグネットカバー（回転側ユニット）
１６…マグネット電極（回転側ユニット）
１７…ボルト（回転側ユニット）

２０…固定側ユニット
２１…固定側端子（固定側ユニット）
２１ａ…フランジ部（固定側ユニット）
２１ｂ…ネジ穴（固定側ユニット）
２１ｃ…ネジ穴（固定側ユニット）
２５…マグネットカバー（固定側ユニット）
２６…マグネット電極（固定側ユニット）
２７…ボルト（固定側ユニット）

３０…カラー

４０…磁性流体
４１…針形状部（磁性流体）

Claims (5)

1. 回転側端子および固定側端子を有するロータリコネクタであって、
   前記回転側端子に装着され且つ該回転側端子と電気的に接続されている第１マグネット電極と、
   前記固定側端子に装着され且つ該固定側端子と電気的に接続されている第２マグネット電極とを備え、
   前記第１マグネット電極及び前記第２マグネット電極は、相互の端面同士が相対向し且つ所定の空隙部が形成されるように離間して配置されており、
   前記空隙部には磁性粉末により形成された磁性流体が充填されており、該磁性流体が、前記第１マグネット電極と前記第２マグネット電極との間に発生する磁力線に沿って流動して該第１マグネット電極から該第２マグネット電極まで延びる凸形状に形成され、該両電極間が電気的に接続されるようになっていることを特徴とするロータリコネクタ。
2. 前記磁性粉末の表面には貴金属メッキが施されていることを特徴とする請求項１記載のロータリコネクタ。
3. 前記磁性流体は、前記磁性粉末にオイルを混入し形成されたものであることを特徴とする請求項１又は２記載のロータリコネクタ。
4. 前記磁性流体は、液体金属に前記磁性粉末を混入して分散させたものであることを特徴とする請求項１又は２記載のロータリコネクタ。
5. 前記液体金属は、ガリウム、インジウム及びスズの合金であることを特徴とする請求項４記載のロータリコネクタ。

Images