JP5224272B2 - スリップリング装置 - Google Patents

Description

この発明は、導電部材からなる回転リングと、回転リングの摺接面に電気的に結合しているブラシとを備えたスリップリング装置に関するものである。例えば、人工衛星に搭載される回転体に取り付けられ、回転側と固定側と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ものである。

スリップリング装置は従来から知られており、一般的には、適当なブラシホルダー中にマウントされた導電部材からなるブラシと、ブラシに接触する導電部材からなる回転リングを備えている。最もよく知られている宇宙用スリップリング装置として、二硫化モリブデンを代表例とする真空用固体潤滑剤を混入した銀系合金ブラシ（コンポジットブラシ）と、銀めっきを施すなどした銅などの卑金属製回転リングとの組合せがある。

しかしながら、上記二硫化モリブデンを代表例とする真空用固体潤滑剤は層状半導体であるため、ブラシと回転リングとの摺接に伴い、回転リングの摺接面に固体潤滑剤が層状に付着し、ブラシと回転リングとの間の導通性を低下させ、高電気抵抗や高電気ノイズ発生の原因となる。

そこで、この問題点を改良する手段として、近年では、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、貴金属めっきを施すなどした銅などの卑金属製回転リングに摺接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、１ブラシあたりの回転リングとの接触箇所において、複数点の接触点を確保することが可能であるため、１ブラシあたりの電気ノイズの発生を抑制し、低電気抵抗を実現することができる。このため、コンポジットブラシタイプのスリップリング装置と比較して、小さいブラシ接触荷重で必要な電気性能が実現できる。更に、層状半導体の真空用潤滑剤を用いないため、電気性能の低下を抑えられるという利点がある。

しかしながら、スリップリング装置の回転動作時における摩擦抵抗は、できるだけ低いことが望ましい。例えば、人工衛星に搭載されるスリップリング装置は、太陽電池パドル駆動機構などに組み込まれ、発電源である太陽電池と衛星本体を電気的につなぐ部分に用いられている。このスリップリング装置の摩擦抵抗はそのまま太陽電池パドル駆動機構の動作抵抗となるため、摩擦抵抗が大きいと機構の動作信頼性を低下させることになり、大型の駆動モータ等を必要とするばかりか、万一摩擦抵抗の異常増大時には、駆動機構の動作不能に陥り電力が確保できなくなる。このため、継電装置であるスリップリング装置での摩擦抵抗の増大は、人工衛星の性能に深刻な影響を与える。

また、人工衛星などに搭載されるスリップリング装置は、一度打ち上げると二度と補修、修理ができない環境に置かれた状態で、５〜１５年程度の長期間、故障なく動作しなければならないため、スリップリング装置の動作寿命や耐久性は人工衛星の運用期間の長短に大きな影響を与える。ここで、導電部材からなるブラシや回転リング摺接面の金めっきは、摺接動作に伴い磨耗が進行するため、動作寿命や耐久性の要求に見合った耐磨耗性が求められる。特に、回転リングの金めっき被膜には、要求に見合う被膜硬度と被膜厚さが必要となる。

ファイバーブラシタイプのスリップリング装置の動作寿命や耐久性に大きな影響を及ぼす金めっき被膜について述べる。通常の例えばコバルトやニッケルで硬化処理された金めっきの被膜は、硬く層状の結晶構造を持ち硬化型金めっき特有の光沢を持った被膜となる。この通常の硬化型金めっきを使用したコネクタなどの電気接点では、金めっき被膜の厚みは通常０．数μｍ程度であるが、被膜の厚みが約１μｍ程度を超えるとマイクロクラックと呼ばれる微細な亀裂が被膜に生じやすくなる。このため、スリップリング装置の回転リング摺接面の金めっき被膜に適用した場合、動作寿命や耐久性の要求に見合うまで被膜を厚くできず、また被膜のマイクロクラックも耐久性を低下させるという問題がある。このため、通常の光沢表面の硬化型金メッキは、人工衛星用のスリップリング装置に対しては、適当ではないという問題があった。

一方、純金めっきは、１０μｍオーダーもしくはそれ以上の厚い被膜を形成できるが、上記の硬化型金めっきと比較して、被膜の硬さがこれらの半分以下でしかなく、摺接時の磨耗量が多い。そのため、スリップリング装置の回転リング摺接面の金めっき被膜に適用した場合、動作寿命や耐久性の要求により更に厚い純金めっき被膜が必要となり、コストの面で不利という問題があった。また、純金は、一般に真空中での摺接摩擦抵抗が大きいという問題もある。

特開２００２−１７０７３号公報

低電気抵抗、低電気ノイズを実現する、従来の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、（ａ）ブラシと回転リングの摺接の摩擦抵抗が大きく、スリップリング装置を組み込んだ人工衛星用の太陽電池パドル駆動機構などの動作信頼性を低下させる、（ｂ）人工衛星用のスリップリング装置としての動作寿命や耐久性の要求により、電気特性を損なうことなく必要な耐摩耗性を満足できる厚みと硬さを持ち合わせた金めっき被膜が従来存在しない、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、潤滑剤を用いることなく、低電気抵抗、低電気ノイズ、低摩擦抵抗を、より長い期間にわたって実現することのできる、スリップリング装置を提供するものである。

この発明に係るスリップリング装置は、導電部材からなる回転リングと、回転リングの摺接面に電気的に結合しているブラシとを備えたスリップリング装置であって、摺接面は、無光沢処理されたニッケル硬化型金めっき被膜によって被覆されていることを特徴とするものである。

また、この発明に係るスリップリング装置は、導電部材からなる回転リングと、回転リングの摺接面に電気的に結合しているブラシとを備えたスリップリング装置であって、摺接面は、厚みが１０μｍ以上のニッケル硬化型金めっき被膜によって被覆されていることを特徴とするものである。

この発明に係るスリップリング装置は、導電部材からなる回転リングと、回転リングの摺接面に電気的に結合しているブラシとを備えたスリップリング装置において、摺接面が無光沢処理されたニッケル硬化型金めっき被膜によって被覆されることにより、摩擦抵抗を小さくすることができる。

また、この発明に係るスリップリング装置は、導電部材からなる回転リングと、回転リングの摺接面に電気的に結合しているブラシとを備えたスリップリング装置であって、摺接面は、厚みが１０μｍ以上のニッケル硬化型金めっき被膜によって被覆されているので、長期間にわたって低電気抵抗、低電気ノイズといった良好な電気性能を実現できる。

実施の形態１．
以下、この発明に係る実施の形態１について説明する。図１は、実施の形態１によるスリップリング装置の構成を示す斜視図である。このスリップリング装置は、人工衛星のような宇宙用電子機器に搭載されて宇宙用途に用いられるのが好適だが、用途はこれに限るものではない。
図において、スリップリング装置は、導電部材からなるブラシ１と、導電部材からなる回転リング３から構成される。ブラシ１は可撓性のあるワイヤ２からなる。図の例では、複数本のワイヤ２を一列に並列させたものを示している。回転リング３は円筒状をなしていて回転軸Ｏ−Ｏを中心に回転する。回転リング３の円筒形をした外周面は、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おり、回転リング３とブラシ１は摺接面を介して電気的に結合している。回転リング３を構成する円筒の両端面には、絶縁バリア４が固着されている。ブラシ１は、例えば層状半導体を含む真空用潤滑剤が介在することなく、回転リング３の摺接面に接触している。

ブラシ１を構成する材料の中で、回転リング３との摺接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。ファイバーブラシタイプのスリップリング装置におけるブラシでは、ワイヤ２の可撓性によって所定の摺接面の接触荷重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、他の銅合金（例えば真鍮、青銅など）や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が好適である。

回転リング３の母材は、電気抵抗が少なく、かつブラシ１と接触する摺接面に導電性と耐磨耗性を目的とした金めっきを施しやすいものが望ましい。この観点から、銅系合金が望ましいが、中でも、機械加工が容易で、かつ金めっき処理を容易に行うことができる、ＪＩＳ規格番号Ｃ３６００の真鍮が更に好適である。

次に、回転リングの摺接面の構造について説明する。
図２は、実施の形態１による回転リングの摺接面に施された金めっきの断面図であり、図２（ａ）はめっきの層構成を示す断面図、図２（ｂ）は金めっき被膜表面を上から見た状態を示す模式図、図２（ｃ）は図２（ａ）のめっき層断面図を更に拡大した模式図である。
図２（ａ）において、回転リング３の摺接面は、回転リング３の母材２１を被覆する金めっき下地処理被膜２２と、金めっき下地処理被膜２２を被覆する金めっき被膜２３が施されている。図中、符号２４は金めっき被膜の厚みを示している。ここでの金めっき被膜の厚み２４は、金めっきの下地処理層の表面粗さ部分の中央線から、金めっき被膜表面の粗さ部分の中央線までの距離を指す。
回転リング３の母材２１は上述したように銅系合金が用いられることが望ましい。金めっき下地処理被膜２２は、金めっき被膜２３を施す前に下地として形成される被膜である。例えば、図２（ｃ）に模式的に示すように、母材２１に対して０．１〜０．２μｍの銅めっきを施した後、１〜２μｍのニッケルめっきを施すことによって、金めっき下地処理被膜２２が形成される。この際、下地処理被膜２２は、図に示すように上層面の粗さが適度に荒れた状態となっているのが良い。

回転リング３に施された金めっき被膜２３は、無光沢処理されたニッケル硬化型金めっきであり、その厚み（符号２４）は１０μｍ以上が好ましい。この際、無光沢処理されたことによって回転リング３の金めっき被膜２３の表面粗さは、最大粗さＲｍａｘにおいて、１〜３μｍの範囲を示すものが望ましい。
ここでの無光沢処理されためっきとは、「電気めっきのＪＩＳ」における「めっきのタイプ」に規定されるように、放散および反射しない表面仕上げを意味する。これに対して光沢処理されためっきとは、高い反射率をもった均一で方向性のない平滑な表面仕上げを指す。

なお、同じく硬質金めっきとして用いられる、硬化型の金めっき処理被膜には、コバルト硬化型金めっきが存在する。しかし、コバルト硬化型金めっきは、高温環境における電気特性において、高ノイズ、高抵抗を示す傾向が一般的に知られている。このため、＋１００℃以上にもなる高温環境に曝露される、人工衛星に搭載されるスリップリング装置には不適当である。ゆえに、人工衛星用のスリップリング装置に対しては、ニッケル硬化型金めっきが望ましい。

無光沢処理されたニッケル硬化型金めっきによって金めっき被膜２３を形成すると、金めっきの結晶構造が層状のものではなく、図２（ｂ）、（ｃ）に模式的に示すように、柱状もしくは粒子状の結晶構造となる。そのため、金めっき被膜表面によって光が乱反射し、一般的に認識される金特有の光沢はなくなるものの、金めっき被膜の厚みが約１μｍ程度を超えてもマイクロクラックが発生せず、硬い金めっきを厚く被膜することが可能となり、ゆえに特に人工衛星用のスリップリング装置に要求される、硬くかつ厚い金めっき被膜の形成を実現できる。
このように、無光沢処理されたニッケル硬化型金めっきを施すことにより、実例として厚さ１０μｍ以上の金めっき被膜を形成することができ、延いては厚さ４０μｍ乃至５０μｍ以上の金めっき被膜を実現することも可能となる。

更に、無光沢処理されたニッケル硬化型金めっき被膜の柱状結晶構造によって形成される被膜表面は、摺接部分の摩擦抵抗を低減する効果を発揮する。特に、被膜の厚みが１０μｍ以上で、更に表面粗さが最大粗さＲｍａｘにおいて１〜３μｍを示す場合、顕著に効果を発揮する。図３は、実施の形態１による金めっき種類と摩擦抵抗の関係を示すグラフである。横軸はブラシ荷重を、縦軸は摩擦抵抗値を示している。なお、それぞれの値は相対値で示している。また、黒丸は厚み１０μｍの純金めっきの場合を、白四角は厚み５μｍのコバルト硬化型金めっきの場合を、黒色下三角は厚み１０μｍの無光沢処理されたニッケル硬化型金めっきの場合を示している。図３に示すように、厚み１０μｍの無光沢処理されたニッケル硬化型金めっき被膜の摩擦抵抗は、純金めっきやコバルト硬化型金めっきの摩擦抵抗よりも小さい。これにより、スリップリング装置の摩擦抵抗は、純金めっきを使用した場合の約１／３、コバルト硬化型金めっきを使用した場合の約半分となり、低摩擦抵抗のスリップリング装置を実現できる。

金めっき被膜２３を構成する、無光沢処理されたニッケル硬化型金めっきの成分は、質量比が０．２％から０．５％までのニッケル原子を含んでいる。このニッケル原子は、金めっきの硬化剤として作用する。硬化剤を含まない厚み１０μｍの純金めっき被膜が、ビッカース硬さで５０から８０の値を示すのに対し、無光沢処理された厚み１０μｍのニッケル硬化型金めっき被膜は、ビッカース硬さで１６０以上の値となり、例えばビッカース硬さ１６０から２２０の値を示す。これによって、金めっき被膜の耐摩耗性が向上し、長寿命のスリップリング装置が実現できる。

人工衛星の回転回数は、最も回転回数の少ないとされる静止衛星の場合でも、設計運用年数を１５年とすると回転数はおよそ６千回転近くに達する。また、回転回数の比較的多い、低軌道を周回する人工衛星の場合、設計運用年数を７年とした場合、４万回転近くになる。例えば、熱真空環境下で４本のブラシによる４万回転の摺接を受けた無光沢処理されたニッケル硬化型金めっき被膜は、約４から５μｍ程度摩耗する。したがって、厚み１０μｍ以上の当該金めっき被膜は、人工衛星用のスリップリング装置に求められる動作寿命や耐久性の要求条件を十分に満たすものとなり、例えば、スリップリング装置を４万回転以上使用しても、耐磨耗性を十分に担保することができる。

以上、述べてきたように、導電部材からなる回転リングと、回転リングの摺接面に電気的に結合しているブラシとを備えたスリップリング装置であって、摺接面は、無光沢処理されたニッケル硬化型金めっき被膜によって、例えば厚みが１０μｍ以上の金めっきで被覆されているので、摩擦抵抗を小さくしつつ、低電気抵抗、低電気ノイズといった良好な電気特性を長期間にわたって実現することができる。

実施の形態２．
図４は、この発明に係る実施の形態２によるブラシの斜視図である。なお、図において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。また、明細書全文に表れている構成要素の形容は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。

実施の形態１では、ブラシ１の形態は、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、これに限られず、例えば、図４に示すようにブラシ１は複数のワイヤ２を１つに束ねた集合ワイヤ６を用いた形態とし、摺接面はこの束ねた形態の集合ワイヤ６を接触させる構成とすることもできる。

実施の形態３．
図５は、この発明に係る実施の形態３による回転リング上でのブラシ配置図である。実施の形態１では、回転リング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５に示すように、回転リング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５の例では、一つの回転リング３につき４本のブラシを回転対称に配置している。すべ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、ブラシと回転リング摺接部の接触電気抵抗とブラシ本体の電気抵抗はおよそ１／４となり、スリップリング装置全体の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回転リング３に配置されているものについて示したが、これに限られず、一つの回転リング３の円周方向に２本、または３本でもよく、更に５本以上配置されてもよく、同様の有利な効果を得ることができる。

実施の形態４．
図６は、この発明に係る実施の形態４による回転リング上でのブラシの配置図である。実施の形態３では、４本のブラシが一つの回転リング３に回転対称に配置されているものについて示したが、これに限られず、図６に示すように一つの回転リング３の中心線に対して、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、回転リング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が一つの回転リング３に配置されているものについて示したが、これは２本、３本でもよく、更には５本以上配置されてもよく、同様の有利な効果を得る。

この発明に係る実施の形態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。 この発明に係る実施の形態１による金めっき被膜を示す図であり、（ａ）めっきの層構成を示す断面図、（ｂ）金めっき被覆表面を上から見た模式図、（ｃ）断面図（ａ）を更に拡大した断面模式図である。 この発明に係る実施の形態１による金めっき種類と摩擦抵抗の関係を示すグラフである。 この発明に係る実施の形態２によるブラシの斜視図である。 この発明に係る実施の形態３による回転リング上でのブラシの配置図である。 この発明に係る実施の形態４による回転リング上でのブラシの配置図である。

符号の説明

１ ブラシ、２ ワイヤ、３ 回転リング、４ 絶縁バリア、２１ 母材、２２ 金めっき下地処理被膜、２３ 金めっき被膜、２４ 金めっき被膜の厚み。

Claims (4)

1. 導電部材からなる回転リングと、
   前記回転リングの摺接面に電気的に結合している導電部材からなるブラシとを備えたスリップリング装置であって、
   前記摺接面は、柱状もしくは粒状の結晶構造を有しビッカース硬さが１６０以上となる無光沢処理されたニッケル硬化型金めっき被膜によって被覆されていることを特徴とするスリップリング装置。
2. 前記回転リングの摺接面におけるニッケル硬化型金めっき被膜は、上層面の粗さが適度に荒れたニッケルめっきを施した金めっき下地処理皮膜、及び柱状もしくは粒状の結晶構造を有しビッカース硬さが１６０以上となる金めっき皮膜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. 前記回転リングの摺接面におけるニッケル硬化型金めっき被膜は、厚みが１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のスリップリング装置。
4. 宇宙用であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のスリップリング装置。

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