JP4372657B2 - スリップリング装置 - Google Patents

Description

この発明は、スリップリング装置に関し、より詳しくは、例えば人工衛星に搭載される回転体に取り付けられ、回転側と固定側の電気的結合に用いることができるスリップリング装置に関する。

スリップリング装置は従来知られており、一般的には、適当なブラシホルダー中にマウントされた回転しないブラシと接触する、回転する導体リングを備えている。最もよく知られているブラシ−リング系として、二硫化モリブデンを代表例とする固体潤滑剤を混入させた銀系合金ブラシ（コンポジットブラシ）と、貨幣銀などの銀系合金を用いた導体リングとの組合せがある。

しかし、上記銀系合金ブラシ（コンポジットブラシ）に混入されている固体潤滑剤は不導体であるため、ブラシと導体リングとの摺接に伴い、導体リング面に固体潤滑剤が付着し、ブラシと導体リングとの間の導通を阻害し、高抵抗やノイズ発生の原因となる。

この問題点を改良するための手段として、近年では、金系合金ワイヤを複数束ねたものをブラシとし、このブラシを金めっきを施した銅などの卑金属製導体リングに接触させることで導通を得る、ファイバーブラシタイプのスリップリング装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

ファイバーブラシタイプのスリップリング装置では、導体リング表面の金めっきの豊富な延性が固体潤滑剤としての役割を果たすため、不導体潤滑剤が不要であり、コンポジットブラシタイプのスリップリングと比較して、低ノイズの状態が長期間維持できるとされている。

しかし、ファイバーブラシタイプのスリップリング装置では、複数の各導体リング間を絶縁するための絶縁バリアとブラシの接触が問題となる。ブラシが絶縁バリアと接触する場合、一般的にエポキシ、ポリイミド、ＡＢＳなどの樹脂で構成されている絶縁バリアの摩耗粉が発生する。

この絶縁バリアの摩耗粉が導体リングのブラシとの摺接面に落下すると、ブラシと導体リング間に挟み込まれ、その結果、ノイズの発生を引き起こす可能性がある。こうしたブラシと絶縁バリア間の接触を防止するために、ブラシを構成するすべてのワイヤが溝の内部に納まるように、リングとブラシとの接触面にＵ字、Ｖ字あるいは半円型などの溝を設けた技術がある（例えば、特許文献２参照）。

しかし、こうした溝、特にＵ字、半円型の溝では、ブラシの接触圧力がブラシを構成しているそれぞれのワイヤにおいて異なるため、導体リングにおけるブラシとの摺接面の摩耗度合いが不均質となり、表面に初期状態では存在しなかった凹凸を発生させる。この凹凸が発生すると、導体リングに対するブラシの接触は、極端に小さい接触面積での接触によりなされることとなり、瞬間的にはノイズの発生、長期的には抵抗値の増加を招くことになる。

また、スリップリング装置を小型化すると、導体リングの幅はおのずから小さくなる。例えば、人工衛星搭載用のスリップリングでは、導体リング幅は２ｍｍ以下となるが、このように幅の小さい導体リングについて上記特許文献２に開示されたような所定の溝加工をすることは非常に難しい。

溝加工を容易にするには、鉄などの硬い金属を用いる必要があるが、鉄は固有抵抗値が高く、発熱量が大きくなる。また固有抵抗値の小さい銅を用いると硬さが不十分であり、加工が困難あるいは加工コストが大きくなってしまう。こうした状況を回避するために、ファイバーブラシの先端を束ねた構造も提案されているが、これはファイバーブラシが持つ各接点の自由可動性を阻害し、ファイバーブラシの特長を消去することになってしまう。

特開２００２−１７０７３号公報 特公平２−３４１５５号公報

従来のスリップリング装置において、（ａ）溝を設けた場合、導体リングの回転に伴って発生する微小な凹凸によって導体リングとブラシの接触面積が著しく低下し、その結果、ノイズが発生する、（ｂ）ファイバーブラシタイプのスリップリング装置において、絶縁体バリアとブラシが接触することによるバリア摩耗粉の発生に起因してノイズおよび高抵抗となる、（ｃ）これらのノイズや高抵抗は、一度打ち上げると、二度と補修、修理ができない人工衛星に搭載されるスリップリング装置において特に回避しなければならない、などの課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、溝を設けることなく、ブラシと絶縁バリアとの接触に起因するノイズや高抵抗を回避することのできるスリップリング装置を提供することを目的とする。

この発明に係るスリップリング装置は、絶縁バリアのブラシと摺接する領域を含むようにして導体層を設け、導体リングのブラシとの摺接面に貴金属めっきを施すようにした。この導体層は貴金属めっき、好ましくは金めっきがよい。また、ブラシに接触して回転する導体リングのブラシとの摺接面に貴金属めっき、好ましくは金めっきを施し、この金めっきは厚さ７〜１０μｍ、最大表面粗さＲｍａｘ＝０．５μｍ以下とした。

この発明によれば、ブラシと絶縁バリアの接触、摺接によって発生する、不導体である絶縁バリアの摩耗粉が導体リングのブラシとの摺接面、ブラシ表面に付着し、電気ノイズの発生や高抵抗となることを防ぐことができる。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１を説明する。
図１は本発明の実施の形態１によるスリップリング装置を示す図である。図において可撓性のあるブラシ１は多数のワイヤ２からなる。導体リング３は円筒状をしていて回転軸Ｏ―Ｏを中心に回転する。導体リング３の円形をした外周面はブラシ１との摺接面を構成し、ブラシ１はこの摺接面に接線方向から接触している。

ブラシ１は、導体リング３が回転しているとき、導体リング３との接触を維持して、導体リング３と電気的に結合する。導体リング３にはその回転軸Ｏ−Ｏ上に他の導体リングが隣接して設けられる。そこで、別の導体リングとの間で絶縁を図るために、絶縁性の絶縁バリア４で仕切られている。絶縁バリア４は導体リング３より大径の円盤状をしていて導体リング３と同心に回転軸方向の両端部にそれぞれ固定されている。

ブラシ１は、導体リング３の摺接面と接触する接触部分を構成するワイヤ２自身が撓むことによって所定の接触圧力で、導体リング３に対して接触するように図示しない手段でその基端部が固定されている。ワイヤ２は電気伝導性が良好な部材を用いて構成される。例えば、金、銀、プラチナなどの貴金属を含む合金や、アルミ、銅などの卑金属を含む合金である。また、クラッド材と呼ばれる、比較的安価な卑金属（多くは銅、または銅合金）をめっきなどの手法によって貴金属（多くは金）またはその合金で被覆した材料を用いてもよい。

図２はブラシ１の構造の一例である。ワイヤ２の基端部が、金属製の円柱材３２に一列に配置されて保持固定されている。従来用いられてきたワイヤを束ねただけのファイバーブラシと通称されるブラシでは、ブラシを構成するワイヤのうち４０％近くが導電経路として機能しない可能性があったが、円柱材３２にワイヤ２を一列に保持固定した本実施の形態によるブラシ１では、図１に示したように一列に配列した複数のワイヤ２がそれぞれが他のワイヤに拘束されることなく独立して動くことができ、導体リング３の摺接面に並列に個々に接触することで全てのワイヤが導体リング３に摺接する。これにより全ての金属ブラシ２が導電経路として機能し、かつブラシをまとめる円柱材３２は断面積を大きくすることができ、電気抵抗に起因する発熱を抑制することができる。

ワイヤ２を円柱材３２に固定する方法は、特に限定するものではないが、円柱材３２にワイヤ２よりもわずかに広い幅の孔を開け、その孔にワイヤを差し込んだ後、固定する方法が最も簡便である。開ける孔は、ワイヤ２と同じ形状（一般的には円形）であってもよく、またワイヤ２の幅よりもやや広い矩形孔でもよい。

固定のための加工方法も特に限定するものではない。例えばカシメでもよいが、金属によるロウ付けが好ましく、銀もしくは金によるロウ付けがさらに好ましい。なお、本実施の形態では、図２において５本のワイヤ２によって構成されたものについて示したが、ワイヤ２は２本以上の複数本であればよく、導体リング３の幅とワイヤ２の径によって決定されるべきものである。

ブラシ１を構成する材料の中で、導体リング３との接触部分を構成するワイヤ２に関しては、銅合金の一種であるベリリウム銅が好適である。本実施の形態におけるブラシ１ではワイヤ２が可撓性が可撓性を有するので撓みによって所定の接圧力を維持する必要があるため、適切な弾性率を持つ必要がある。この観点から、貴金属および銅単体のワイヤは好ましくない。

また、スリップリング装置は継電装置であるから、できるだけ電気抵抗が少ないことが望ましい。この観点から、アルミ系合金や、他の銅系合金（例えば真鍮、青銅、燐銅など）、貴金属合金は固有抵抗値がベリリウム銅と比較して大きく、好ましくない。ベリリウム銅は、ＪＩＳ規格記号のＣ１７２０やＣ１７５０が好適であり、電気伝導性のより優れたＣ１７５０がさらに好適である。

一方、ブラシ１を構成するもう一方の要素である、円柱材３２はワイヤ２と比較すると、その径が２〜１０倍以上大きくなるため、円柱材３２がバネとして作用し、接触圧力を付与する機能はほとんど期待できない。
以上から、円柱材３２については、単純に導電性の高い材料が好適である。中でも、導電性が最も低く、かつ安価な材料である銅が好適であり、ＪＩＳ規格記号におけるＣ１１００に代表される無酸素銅が、さらに好適である。

導体リング３の母材は、電気伝導度が大きく、かつブラシ１と接触する摺接面に導電性と耐食性を目的としためっきを施しやすいものが望ましい。具体的には、安価で加工が容易であり、電気伝導度の大きい銅系合金（例えば真鍮、青銅、燐銅など）が好ましい。さらに好ましくは、ＪＩＳ規格記号におけるＣ１１００の無酸素銅を用いる。無酸素銅は、材料内部の残留酸素が極めて少なく、表面にめっきを施した後に、酸素が銅から脱することで発生する、めっき上の微小穴が発生することを防止できる。

導体リング３のブラシ１（ワイヤ２）との摺接面に施すめっきは、良好な導電状態を長く維持させるなど、その目的から貴金属めっきが好ましく、金めっきがさらに好ましい。金めっきは、導電性、耐食性に優れる上、その柔らかさゆえに固体潤滑材として機能する。そのため、別の固体潤滑材、あるいは液体系のオイル、グリースなどの潤滑材が不要となる利点がある。

図３において、導体リング３に施された金めっき２３の厚さは、４〜１０μｍが好ましく、７〜１０μｍがさらに好ましい。また、導体リング３のめっき後の表面粗さは最大粗さＲｍａｘは１０μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以下がさらに好ましい。導体リング３の表面に施すめっきの厚さと表面粗さとは、密接な関係をもつ。

金めっき２３を厚く、かつ表面を滑らかに仕上げるためには、短い時間のめっき浴を所定の厚さになるまで繰り返す必要がある。しかし、この方法では、コストが非常に高くなる上に、めっきが層状に施されるため、めっき各層間の密着強度が弱く、摺接中に摩耗、剥離しやすくなるという欠点がある。

一方で例えば、厚さ３５μｍの金めっきを一度のめっき浴で行うと、金の結晶粒が大きくなってしまい、めっき後の仕上げ表面の表面粗さがＲｍａｘで２０μｍ以上になってしまう。こうした表面の粗さは、稼動初期における高抵抗や回転中におけるノイズの原因となる。厚さ１０μｍのめっきであれば、一度のめっき浴でも表面粗さを０．５μｍ以内とすることができ、稼動初期から低抵抗を維持し、かつ回転中のノイズ発生を抑制できる。また、厚さ１０μｍを超えると、下地の銅リング面の仕上げに関わらず、金めっき表面の凹凸の大きさがＲｍａｘ＝０．５μｍを超えるようになる。

金めっき２３の厚さが４μｍ未満であると、ブラシの摺接による摩耗に耐久し切れなくなる。例えば、最も回転数の少ないとされる静止衛星の場合でも、耐用年数１５年とすると回転数はおよそ６０００回転近くに達するが、その回転数に対しても金めっきの剥離、破壊が発生する。また、金めっきの厚さが７μｍ未満であると、ブラシの摺接回数が１００００回以下で下地の銅が露出し、接触抵抗が大きくなってしまう。
したがって、金めっき２３の厚さの上限は１０μｍ、下限はめっきの耐久性から４μｍ未満、より好ましくは７μｍ未満がよいといえる。

図１、図３において、導体リング３において回転軸Ｏ―Ｏ上での側面に対向するようにして円盤状をした２つの絶縁バリア４が設けられている。絶縁バリア４は隣接する導体リング間の電気的絶縁を確保するためだけではなく、ブラシ１が隣接する導体リング３に接触するブラシ１と接触して、短絡を起こすのを防止する目的としても機能する。

図３に示すように、これら２つの絶縁バリア４の各内側対向面にはブラシ１のワイヤ２が接触する。ブラシ１はその構造上、導体リング３と接触する側の拘束が緩いため、また、小型化との兼ね合いから、ワイヤ２と絶縁バリア４の接触は不可避である。かかる接触があると、絶縁バリアとブラシが接触することによるバリア摩耗粉の発生に起因してノイズおよび高抵抗となるので、絶縁バリア上、ワイヤ２と当接する領域を含むようにして導体層を設けてワイヤ２と絶縁バリア４の接触を断つことにした。

上記導体層として本例では貴金属めっきが施される。貴金属めっきを施すことによって、ブラシ１との接触、摺接による絶縁体の摩耗粉の発生が抑えられる。絶縁バリア４に施す貴金属めっきは、導体リング３に施したものと同じ材料であることが望ましく、具体的には、金めっきが望ましく、その厚さは１〜１０μｍ程度が望ましく、２〜３μｍがさらに望ましい。

各絶縁バリア４の内側対向面へのワイヤ２の接圧力は、導体リング３への接圧力の１/１０程度であるため、金めっきの摩耗は少なく、図３において、上記導体層としての金めっき２４の厚さも導体リング３に施す厚さの１/１０程度で十分である。

貴金属めっき、好ましくは金めっきを施す位置、つまり、絶縁バリアのブラシと摺接する領域の位置について説明する。図３、図４に示すように絶縁バリア４について貴金属めっきされる部分の内径は導体リング３の外周径に相当する小径１１である。また、貴金属めっきされる部分の外径は導体リング３の外周径１１にワイヤ２の径の１〜３倍を付加した大径１２である。これら内径と外径とに囲まれた、図４にクロスハッチングで示した帯状の領域に貴金属めっきが施される。

絶縁バリア４の材料は、絶縁性および機械的強度から、ガラス繊維を含んだエポキシ樹脂やポリイミド樹脂、アルミナなどのセラミックス材料を用いてもよい。こうした材料の中で、さらに好ましくは、多孔質のセラミックス材料に樹脂を含浸させた、樹脂複合セラミックスが良好である。樹脂複合セラミックスは、セラミックスの硬さと樹脂の柔軟性を兼ね備えており、樹脂複合セラミックスを用いることで、セラミックスで懸念される耐振動性、割れが発生しない利点がある。さらに通常の樹脂材料では難しい金属めっきが可能であり、金などのめっきを容易に実施できる利点がある。

上記のような構成によれば、導体リング３表面の金めっきの凹凸および不均質な摩耗を防止し、さらに絶縁バリア４とブラシ１の接触による絶縁体摩耗粉の発生を防止でき、稼動初期における高抵抗、回転中におけるノイズ発生、抵抗値の増大を防止することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、ブラシ１が複数のワイヤ２を一列に並列させたものについて述べたが、ブラシ１の形態はこれに限られず、導体リング３に対してブラシ構成要素であるワイヤが自由に独立している形態のブラシを用いたものであればよい。例えば、丸い径のワイヤの代わりに図５に示したように金属製の角材状をしたワイヤを並列に並べたものを用いてもよい。

一列に配列したこれら複数の角材状のワイヤ２０がそれぞれが隣接するワイヤ拘束されることなく独立して動くことで、絶縁バリア４に形成した貴金属めっき層が破壊された場合でも絶縁バリアとブラシの接触によって生じる絶縁体摩耗粉の発生をある程度抑制することができる。

実施の形態３．
上記実施の形態１、２では、ブラシ１の形態は、ブラシ１が複数のワイヤ２、或いはワイヤ２０を一列に並列させたものについて述べたが、これに限られず、例えば、図６に示すように、ブラシ１は複数のワイヤ２を１つに束ねた如き形態とし、摺接面にこの束ねた如き形態の集合ワイヤを接触させる構成とする。

複数のワイヤ２は円筒材６に挿入し、固定する。こうしたブラシ１を用いた場合でも、絶縁バリア４に形成した貴金属めっき層が破壊された場合でも絶縁バリアとブラシの接触によって生じる絶縁体摩耗粉の発生をある程度抑制することができる。なお、この本実施の形態では、７本のワイヤ２を丸く束ねた構成で示したが、ワイヤ２は２本以上の複数本であればよい。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４を説明する。
上記実施の形態１では、導体リング１個に対してブラシ１を１本備えたものについて説明したが、図７に示すように、導体リング３の円周方向に、ブラシ１を複数配置するようにしてもよい。図７の例では、導体リング３につき４本のブラシを回転対称に配置している。全てのブラシは電気的に並列接続になるように、図示せぬ導線によって接続されている。このため、上記実施の形態１と比較して接触電気抵抗値とブラシの抵抗値はおよそ１／４となり、電気抵抗に依存する発熱を抑制することができる。

なお、この実施の形態４では、４本のブラシが一つの導体リング３に配置されているものについて示したが、これに限らず、導体リング３の円周方向に２本、または３本でもよく、さらに４本以上配置されてもよく、同様の利益を得ることができる。

実施の形態５．
この発明の実施の形態５を説明する。
上記実施の形態４では、４本のブラシが一つの導体リング３に回転対称に配置されているものについて示したが、これに限らず、図８に示すように、導体リング３中心線に対して、４つのブラシ１を線対称に配置してもよい。この配置によって、導体リング３の回転方向が正転、逆転のいずれであっても電気特性が平均化される利点がある。なおこの実施の形態５では、４本のブラシ１が一つの導体リング３に配置されているものについて示したが、これは２本でもよく、さらには４本以上配置されてもよく、同様の利益を得る。

実施の形態１によるスリップリング装置の全体を示す斜視図である。 ブラシの斜視図である。 絶縁バリアに金めっきを施しワイヤと絶縁バリアの接触を回避したことを説明した断面図である。 絶縁バリアに施す金属めっきの位置を説明した図である。 実施の形態２によるブラシの斜視図である。 実施の形態３によるブラシの斜視図である。 実施の形態４による導体リング上でのブラシの配置図である。 実施の形態５による導体リング状でのブラシの配置図である。

符号の説明

１ ブラシ、３ 導体リング、４ 絶縁バリア、２４ （絶縁バリアに施された）金めっき。

Claims (8)

1. ブラシに接触して回転する導体リングの回転軸方向の端部に他の導体リングとの絶縁を図る絶縁バリアが設けられたスリップリング装置において、
   上記絶縁バリアの前記ブラシと摺接する領域を含むようにして導体層が設けられ、
   上記導体リングの上記ブラシとの摺接面に貴金属めっきが施されていることを特徴とするスリップリング装置。
2. 上記導体層が貴金属めっきからなることを特徴とする請求項１記載のスリップリング装置。
3. 上記摺接面に施された貴金属めっきが金めっきであり、この金めっきは厚さ４〜１０μｍ、最大表面粗さＲｍａｘ＝０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載のスリップリング装置。
4. 上記絶縁バリアは、多孔質のセラミックス材料に樹脂を含浸させた樹脂複合セラミックスからなることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のスリップリング装置。
5. 上記ブラシがワイヤ複数本による可撓性のあるブラシであり、上記摺接面に接線方向で接触し、上記ブラシがベリリウム銅からなることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のスリップリング装置。
6. 上記ブラシは複数の独立したワイヤを一列に配列し、上記摺接面に並列に接触させていることを特徴とする請求項５記載のスリップリング装置。
7. 上記ブラシは複数のワイヤを１つに束ねた如き形態とし、上記摺接面に上記束ねた如き形態の集合ワイヤを接触させていることを特徴とする請求項５記載のスリップリング装置。
8. 上記導体リングの円周方向上の複数箇所に上記ブラシを配置したことを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載のスリップリング装置。

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