JP3631990B2

JP3631990B2 - スリップリング及びスリップリング一体化モータ

Info

Publication number: JP3631990B2
Application number: JP2001310842A
Authority: JP
Inventors: 昌雄今村
Original assignee: TSUBAME RADIO CO.,LTD
Current assignee: TSUBAME RADIO CO.,LTD
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2021-10-09
Also published as: JP2003116249A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転しても配線が捩れない配線接続手段であるスリップリング（ロータリーコネクタとも称する。）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スリップリングは、固定側と回転側との配線接続を連続回転や反転に対しても常時保ち通電することのできる所謂ロータリーコネクタであり、配線の複雑な引き回しや疲労による断線を避けるために、産業用ロボットの関節部のような曲げまたは回転動作部や搬送装置、検査機器等に多用されている。
【０００３】
従来のスリップリングの一般的構造を図１１の（ａ）側面側構造図と（ｂ）平面構造図に示される在来のスリップリング５０の内部構造図を例に説明する。
【０００４】
スリップリング５０は、回転軸５１に複数の集電環５２を固定した回転軸部５３と、ケース５４に導電ブラシ５５及び端子５６を接続した固定部５７から構成されている。そして、絶縁体５８を介して回転軸５１に固定された集電環５２には、リード線５９の一端が接続され、他端は回転軸５１の中に空けられた挿通孔６１を通して外部に引き出された構造である。前記固定部５７の端子５６に接続された各導電ブラシ５５は相手方の各集電環５２の外周面とそれぞれ常時摺動接触しているため、回転軸側リード線５９とケース５４側の端子５６間は電気的に接続していることになる。
【０００５】
一般に使用されるスリップリング５０には、前述の集電環５２と導電ブラシ５５の組合せが、それぞれ電気的に独立して回転軸５１に連ねて複数個組み付けられており、この集電環５２と導電ブラシ５５の組合せの数を極数と呼ぶ。図１１のスリップリング５０は３極のスリップリングである。
【０００６】
上記スリップリング５０は、導電ブラシ５５と集電環５２との接触面積を大きくし、更に導電ブラシ５５の材質をカーボンとすることにより許容電流を大きくとれるが、接触抵抗が高く、微小電流（ｌｍＡ以下）での使用に適さず、接触不良を防ぐために接触抵抗値を極力小さく抑える必要があり、ブラシの接触圧が高く寿命は一般に数百万回転が限度で、導電ブラシ５５の接触圧が大きいため回転トルクが大きく、ブラシの形状が大きく且つ複雑になるため製品も大形となるといった短所があると云われる。
【０００７】
次に、図１２の（ａ）側面側構造図と（ｂ）平面構造図に示されるスリップリング６０は、上記スリップリング５０の短所を鑑みて登場した小電流（１Ａ以下）での使用に適したタイプであり、集電環５２及び導電ブラシ６５に銀等の貴金属を使用することで接触抵抗値を小さくして数μＡという微小電流での使用を可能とし、導電ブラシ６５を低接触圧で使用できるため高寿命となり、導電ブラシ６５の接触圧を低くして回転トルクを小さくし、導電ブラシ６５の形状が単純であるため比較的小型にできるといった特徴を備えるとされる。
【０００８】
尤も、基本的構造は前記スリップリング５０と同じであり、スリップリングの回転軸を駆動するモータとの駆動機構は別途設計されなければならない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来のスリップリング５０、６０の構造では、多極になるほど回転軸５１方向に集電環５２が継ぎ足されて長くなるので回転軸方向の低背化が難しいのであるが、産業界からはモータとの組み合わせの点からスリップリングの低背化の要請が強い。特にロボットの関節や監視用ビデオカメラ等に使用する場合には、モータとの組み合わせが小型化として重要になる。
【００１０】
また、在来のスリップリング５０、６０は、図１１、図１２に示されるように、回転軸５１の軸受けにベアリング６２が使われているが、これは小型化及び低コスト化の障壁となっており、ベアリング６２を使わない構成が望まれる。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、特に小型化（主として低背化）、低コスト化に優れており、且つモータとの組み合わせに最適な全く新しい構造のスリップリングとこれをステッピングモータと一体化した構造のスリップリング一体化モータを提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、
（１）表側に同心円の導電環の薄膜パターンが複数配設されるとともに前記各導電環が端子に至る裏側に設けられた配線パターンとスルーホールで接続された両面プリント基板と、前記両面プリント基板の表側の導電環を覆うように取り付けられた上面中央部に貫通円孔を備えるケースと、前記ケース内に収納されて前記両面プリント基板の表側にロータ部が載置されるとともに前記ケースの貫通円孔にシャフト挿通孔と配線挿通孔が設けられた中空軸部が挿通された回動自在の中空軸ロータと、前記中空軸ロータのロータ部の底面側に取り付けられるとともに前記各導電環とそれぞれ接触導通する複数の導電ブラシと、前記各導電ブラシと導電接続される半田付けパターンが形成された中空軸ロータへの取り付け部とそれに続くリード線を形成するリード線パターン部からなるフレキシブルプリント基板と、を備えて、前記フレキシブルプリント基板の前記取り付け部に前記導電ブラシが半田接続され、前記中空軸ロータのロータ部の底面に前記取り付け部が固定され、前記リード線パターン部が前記中空軸ロータの中空軸部の配線挿通孔を通してケースの上面側に導出されていることを特徴とするスリップリングを提供する。
（２）また、上記（１）に記載のスリップリングの中空軸ロータの中空軸部のシャフト挿通孔にステッピングモータのシャフトが嵌挿されるとともにケースと両面プリント基板が前記ステッピングモータに対して位置固定されていることを特徴とするスリップリング一体化モータを提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図面を基に本発明に係るスリップリングとスリップリング一体化モータの実施の形態を説明する。
【００１４】
図１は本発明に係る６極のスリップリングの平面図であり、図２はその側面図である。図３は両面プリント基板の表側、裏側を示す図である。図４はケースの外形状及び断面構造を示す図である。図５は中空軸ロータの外形状及び断面構造を示す図である。図６は導電ブラシの形状を示す図である。図７はフレキシブルプリント基板の構造を示す図である。図８の（ｂ）は本発明に係るスリップリングの両面プリント基板を外した状態の底面側を示す図であり、（ａ）はＤ−Ｄ′線断面図である。図９はスリップリング一体化モータの構成を示す平面図であり、図１０はその側面図である。
【００１５】
図１、図２に示される本発明に係るスリップリング４０は６極タイプであり、図３のように表側Ａに同心円の導電環２の薄膜パターンが複数配設されるとともに前記各導電環２がそれぞれの端子４に至る裏側に設けられた配線パターン５とスルーホール３で接続された両面プリント基板７と、前記両面プリント基板７の表側Ａの導電環２を覆うように取り付けられた図４に示されるような上面中央部に貫通円孔１１を備えるケース１２と、図５に示されるような前記ケース１２内に収納されて前記両面プリント基板７の表側Ａにロータ部１３が載置されるとともに前記ケース１２の貫通円孔１１に中心にシャフト挿通孔１４とその周りに２つの配線挿通孔１５が設けられた中空軸部１６が挿通された回動自在の中空軸ロータ１８と、図６に示されるような前記中空軸ロータ１８のロータ部１３の底面側に取り付けられるとともに前記各導電環２とそれぞれ接触導通する複数の導電ブラシ２０と、前記各導電ブラシ２０と導電接続されるとともに前記中空軸ロータ１８の中空軸部１６の配線挿通孔１５を通してケース１２の上面側に導出された複数のリード線２１と、を備える構造である。
【００１６】
上記各部材を詳述すると、図３の両面プリント基板７は両面銅箔張りフェノール樹脂基板の表側Ａの円孔８を中心とする６個の各々絶縁された導電環２とそれらのスルーホール３及び裏側Ｂの端子４及び配線パターン５を残してエッチングし、導電環２間の隙間箇所に延設された前記スルーホール３に銀等のスルーホールメッキまたは導電性膜の印刷（導電ペイントをシルクスクリーン等で印刷する。）が施されて表側Ａの各導電環２と対応する各端子４を導通させ、中央部にはシャフト挿通用の円孔８が設けられるとともに所定の外形状に打ち抜いて作成されている。前記スルーホール３は導通処理によって多少盛り上がって平坦でなくなるので、導電ブラシ２０に接触して引っ掛からないように導電環２の中ではなく、図３に示されるように各導電環２の外側または内側に延設しておくのが好ましい。なお、図３ではスルーホール３が各導電環２に１つ配置されているが、各導電環２に数個のスルーホールを設けて裏側Ｂの端子４の配線パターン５との導通を確実にしつつ接触抵抗を下げるようにすることも好ましい。
【００１７】
次に、図４に示されるケース１２は両面プリント基板７の表側Ａの導電環２を覆う下面側の領域が開口したプラスチック成形品の絶縁箱体であり、その側面に設けられたバネ性を持たせた掛止突起１０にて前記両面プリント基板７の対応する位置の掛止凹部９の箇所に嵌めて掛止固定される。
【００１８】
次に、中空軸ロータ１８はプラスチック成形品であり、ロータ部１３は底面側に周壁部１９と上面側にケース１２の内側と接する円環状の突起１７を２本備える円柱形であって、その底面側には導電ブラシ２０をかしめ固定するための小突起２３が複数配設され、また、回転側の前記リード線２１を通すための配線挿通孔１５が中空軸部１６に１乃至２個設けられている。なお、ロータ部１３の底面側には回転側のリード線２１を撓めて前記配線挿通孔１５に挿通させ易くするための比較的大きな開口２４が設けられている。
【００１９】
次に、導電ブラシ２０は図６のような形状にバネ性を有する金属薄板を打ち抜き成形したものであり、導電環２に接触導通する接点はバネ性を持たせつつ二股になって接点を確実にしている。また、中空軸ロータ１８のロータ部１３の底面側の小突起２３に嵌合してかしめ固定するための小孔２２が３箇所設けられている。
【００２０】
以上の構造を備えるスリップリング４０は回転側のリード線２１が中空軸ロータ１８の中空軸部１６の配線挿通孔１５を通しているので、ロータ部１３の回転とともに回転し、且つ導電ブラシ２０を介して固定側の両面プリント基板７の導電環２と導通して固定側の端子４に半田接続された固定側のリード線１と常時導通するのである。
【００２１】
ところで、スリップリング４０は高耐久性が要求されるが、中空軸ロータ１８のロータ部１３にかしめ等の手段で固定する導電ブラシ２０は本数が多くなると隣同士が接触したり正確な位置に取り付けられないと組み立てたときに各々の対応する導電環２から脱線をする恐れがあるが、この導電ブラシ２０に後付けで一本一本回転側のリード線を繋げてはんだ付けをしたのでは、熱による緩みが起き易いので、精度と取り付け強度の向上が課題となる。
【００２２】
本発明ではこの課題を鑑みて、特に、上記スリップリング４０においては、回転側のリード線２１として、図７に示されるような複数の導電ブラシ２０の半田付けパターン２５が形成された円形の中空軸ロータ１８への取り付け部２６と、それに続くリード線２１を形成するリード線パターン部２７からなる絶縁コーティングされたフレキシブルプリント基板２８が使用されており、図８に示されるようにその取り付け部２６の半田付けパターン２５に前記導電ブラシ２０の半田付け部２９が半田接続され、前記中空軸ロータ１８のロータ部１３の底面側に前記取り付け部２６がそこに配置された複数の小孔３０（導電ブラシ２０の小孔２２と位置対応）に嵌合するロータ部１３側の小突起２３によってかしめ固定され、前記リード線パターン部２７が前記中空軸ロータ１８のロータ部１３の開口２４を通しつつ中空軸部１６の配線挿通孔１５を通してケース１２の上面側に導出されている構造となっている。
【００２３】
上記リード線パターン部２７は６極の場合には幅が７ｍｍ程度になり、極数が増えるとさらに幅広になってそのままでは配線挿通孔１５に挿通しずらくなってしまう。そこで、上記フレキシブルプリント基板２８では、リード線パターン部２７を半分の幅寸法になるように縦に取り付け部２６に至るまで中央に折り目またはスリット３１を設けて、配線挿通孔１５に３本ずつリード線パターン２７を重ね合わせて（または別々に他方の配線挿通孔１５に）挿通できるように工夫されている。
【００２４】
以上の構成を備える上記６極のスリップリング４０は図１または図２において、シャフト挿通孔１４の直径を５ｍｍとする場合では、その全体寸法が回転軸方向の高さＨ＝１０ｍｍ、縦寸法Ｙ＝４０ｍｍ、横寸法Ｘ＝３５ｍｍ程度に収まる非常に低背なものとなっている。そして上記シャフト挿通孔１４の形状は一般的な小型のモータのシャフト断面形状（円弧断面）またはギアのシャフト断面形状に合わせてあり、直接に回転側の装置の回転駆動モータまたはギアのシャフトが挿通できるようになっている。
【００２５】
即ち、本発明のスリップリング４０は中空軸ロータ１８の中空軸部１６のシャフト挿通孔１４の寸法形状を適用対象の装置の回転側の駆動モータのシャフトまたはモータと組み合わせたギアのシャフト断面形状に合わせることでモータと一体化またはモータとその組み合わされたギアとの一体化が可能になり、装置全体としての小型化に資することになるのである。なお、嵌挿するシャフトと軸受けとしての中空軸部１６とケース１２の貫通円孔１１との間に若干の隙間を設けて嵌挿するときにセンターが正しく出るようにすればスリップリング４０に側圧が掛からないので、摩擦がなく長寿命（１０００万回転以上）が得られる。
【００２６】
図９及び図１０に示されるスリップリング一体化モータ３５は、上記視点に立ってスリップリング４０と既存のステッピングモータ３４が一体として製品化されたものである。その構造は前記スリップリング４０の中空軸ロータ１８の中空軸部１６のシャフト挿通孔１４にステッピングモータ３４のシャフト３２が嵌挿されるとともに、ケース１２と両面プリント基板７が前記ステッピングモータ３４に対して四隅がネジ止めにて位置固定されている構造であり、スリップリング４０の中空軸ロータ１８はステッピングモータ３４のシャフト３２でダイレクトドライブされる。図１０から判るようにスリップリング４０の中空軸を通して突出するステッピングモータ３４のシャフト３２の先には例えば監視用ビデオカメラの設置のための雲台３９が取り付けられて、図示されないビデオカメラがこの雲台３９にネジ止め固定されるようになっている。回転側のリード線２１はこのビデオカメラの制御ラインや電源供給ラインとして接続される。
【００２７】
なお、図１０の符号３６はステッピングモータ３４の電源ラインであり、図９の符号４１はシールド板である。
【００２８】
上記構造から判るように、本発明に係るスリップリング４０の構造及び製造手順はプラスチックケースの回転型可変抵抗器の形態に類似しており、部品点数が少なく、使用部材の低コストと相俟って製品の低コスト化が容易となることが判る。
【００２９】
【発明の効果】
本発明に係るスリップリング及びスリップリング一体化モータは上記のように構成されているため、以下に記載するような効果を有する。
（１）低背であり且つ小型なので占有容積が小さい。
（２）駆動モータまたはギアのシャフトを軸受けとして利用できる。
（３）高い信頼性（１０００万回転以上の長寿命）が得られる。
（４）低コストである。
（５）スリップリングとステッピングモータが一体化しているので、小型で取り扱いが容易であり、ロボットの関節や監視用カメラの設置台等に最適である。
【００３０】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る６極のスリップリングの平面図である。
【図２】前記スリップリングの側面図である。
【図３】本発明に係るスリップリングの両面プリント基板の（ａ）表側、（ｂ）裏側を示す図である。
【図４】本発明に係るスリップリングのケースの外形状及び断面構造を示す図であり、（ａ）平面図、（ｂ）側面図、（ｃ）底面図、（ｄ）一部断面図である。
【図５】本発明に係るスリップリングの中空軸ロータの外形状及び断面構造を示す図であり、（ａ）平面図、（ｂ）側面図、（ｃ）断面図、（ｄ）底面図である。
【図６】本発明に係るスリップリングの導電ブラシの形状を示す（ａ）側面図、（ｂ）平面図である。
【図７】本発明に係るフレキシブルプリント基板の構造を示す平面図である。
【図８】本発明に係るスリップリングの内部構造を示す（ａ）縦断面図、（ｂ）両面プリント基板を外した底面側から見た図である。
【図９】本発明に係るスリップリング一体化モータの構成を示す平面図である。
【図１０】前記スリップリング一体化モータの構成を示す側面図である。
【図１１】在来の一般的なスリップリングの内部構造図である。
【図１２】在来の小電流での使用に適したタイプのスリップリングの内部構造図である。
【符号の説明】
１（固定側の）リード線
２導電環
３スルーホール
４端子
５配線パターン
７両面プリント基板
８円孔
１１貫通円孔
１２ケース
１３ロータ部
１４シャフト挿通孔
１５配線挿通孔
１６中空軸部
１８中空軸ロータ
２０、５５、６５導電ブラシ
２１（回転側の）リード線
２５半田付けパターン
２６取り付け部
２７リード線パターン部
２８フレキシブルプリント基板
３２ステッピングモータのシャフト
３４ステッピングモータ
３５スリップリング一体型モータ
３６ステッピングモータの電源ライン
３９雲台
４０、５０、６０スリップリング

Claims

表側に同心円の導電環の薄膜パターンが複数配設されるとともに前記各導電環が端子に至る裏側に設けられた配線パターンとスルーホールで接続された両面プリント基板と、前記両面プリント基板の表側の導電環を覆うように取り付けられた上面中央部に貫通円孔を備えるケースと、前記ケース内に収納されて前記両面プリント基板の表側にロータ部が載置されるとともに前記ケースの貫通円孔にシャフト挿通孔と配線挿通孔が設けられた中空軸部が挿通された回動自在の中空軸ロータと、前記中空軸ロータのロータ部の底面側に取り付けられるとともに前記各導電環とそれぞれ接触導通する複数の導電ブラシと、前記各導電ブラシと導電接続される半田付けパターンが形成された中空軸ロータへの取り付け部とそれに続くリード線を形成するリード線パターン部からなるフレキシブルプリント基板と、を備えて、前記フレキシブルプリント基板の前記取り付け部に前記導電ブラシが半田接続され、前記中空軸ロータのロータ部の底面に前記取り付け部が固定され、前記リード線パターン部が前記中空軸ロータの中空軸部の配線挿通孔を通してケースの上面側に導出されていることを特徴とするスリップリング。
請求項１記載のスリップリングの中空軸ロータの中空軸部のシャフト挿通孔にステッピングモータのシャフトが嵌挿されるとともにケースと両面プリント基板が前記ステッピングモータに対して位置固定されていることを特徴とするスリップリング一体化モータ。