JP5241180B2 - 先端に繊維を備えて接触させる技術を組入れた小型スリップ・リング - Google Patents

Description

本願は２００４年６月１８日付けで出願された米国特許出願第１０／８７１０９０号の部分継続出願である。

本発明は一般にローター（回転体）およびステーター（静止体）の間で電力および（または）信号（複数を含む）を伝達するためのスリップ・リング、特に先端に繊維を備えて電気的に接触させる技術を組入れた小型スリップ・リングに関するものである。

ローターとステーターとの間で電力および（または）信号（複数を含む）を伝達するために、電気的スリップ・リングが使用されている。これらの装置は多くのさまざまな軍事用および民事用の適用装置、例えば太陽光アレー駆動機構、航空機およびミサイルのガイド・プラットフォーム、海中ロボット、ＣＡＴＳＣＡＮシステム等に使用されている。それらの適用装置の幾つかにおいて、スリップ・リングは他の回転要素、例えばトルク・モーター、リゾルバおよびエンコーダと一緒に使用されている。電気的スリップ・リングはプラットフォームの回転軸線上に配置されるように設計されるか、電気接点を軸線から外して配置する開放穴を有するように設計されねばならない。したがって、これらの呼称をそれぞれ「オン−アクシス」および「オフ−アクシス」のスリップ・リングとする。スリップ・リング・モーターの直径は数ミリメートル〜数メートル（数分の１インチ〜数フィート）の範囲であり、角速度は１回転／日〜約２００００回転／分の範囲で変化される。それらの適用装置の全てにおいて、ローターとステーターとの間の電気接点は、（１）高表面速度において断続することなく電力および（または）信号（複数を含む）を伝達すること、（２）長期の磨耗寿命を有すること、（３）電気的ノイズを低レベルに維持すること、および（４）多数の回路を最小限の体積にパッケージできる物理的寸法であること、でなければならない。

電気的および機械的な接触の物理現象を最も効果的に管理することで、ほとんどの要求条件に合致できるようになる。例えば、適用装置が、ＣＡＴＳＣＡＮガントリー（骨組み）内のＸ線管を患者の身体の回りに回転できるようにするオフ−アクシス式スリップ・リングであるならば、電気接点は約１００〜２００アンペア（サージ（瞬間電流）は数百アンペアとなる）を流すことができ、大体１３００センチメートル（５００インチ）／秒の表面速度で作動でき、１億回転の耐久性があり、また、ガントリー内で最小限の体積しか占有しないように設計されねばならない。直径が約１８０センチメートル（約６フィート）の装置で１億回転の要求条件に合致するには、摩擦熱を最小限に抑えるために、また、ブラシとリングとの間に多数の接点を維持して要求電流密度を得るために、ブラシ作用力は小さくなければならない。

ローターとステーターとの間の電気的な接点の４つの形式には、（１）片持ち式ばねに取付けられた複合固形材料ブラシ、（２）ローターと接線方向に係合する単繊維合金ブラシ、（３）束ねられてローターと接線方向に係合する複数の個別繊維を有する繊維ブラシ、および（４）ブラシとローターとの間の繊維先端による接点が含まれる。各形式の接点に関する接触力、表面速度および潤滑方式は表１に概説されている。表１は、ブラシ作用力が１グラム重を超える場合に接触摩擦熱を減少させるために必要な潤滑方式も示している。

＊ 犠牲グラファイト・フィルムでは、ブラシおよびリング表面がブラシからリングへ与えられるグラファイトの膜によって潤滑される。磨耗した材料はブラシからのグラファイトで置き換えられる。
＊＊ 境界潤滑では、境界面の潤滑膜が接点部材間の荷重の一部を支える。金属の複数点が接点部材間の残りの荷重を支え、電流担持能力を与える。
＊＊＊ 偶然発生フィルムとは、軽荷重のもとで接点部材間の摩擦係数を減少させることのできる材料の非常に薄い膜である。

電気接点の摩擦特性と、適用装置の要求条件に合致させる潤滑の正しい選択とが極めて重要である。例えば、接点が宇宙での応用装置に使用されるならば、潤滑は地上で使用される装置の要求条件の全てに合致しなければならず、また、低い蒸気圧を有するものでなければならない。接点が長寿命の要求条件を有するならば、接触領域に塵、磨耗屑および他の汚染物が蓄積して寿命と信号伝達とに問題を生じることになり得る。しかしながら、電気接点部材が約１グラム重以下の作用力を与えられるならば、潤滑剤およびそれに関連した複雑さは避けられる。

数年にわたり、潤滑剤を使用せずに高い表面速度に合致させるために、リングに対して接線方向に配向される繊維ブラシが満足に使用されてきた。

直径が１２０〜１８０センチメートル（４〜６フィート）の範囲のスリップ・リングを製造するとき、連続リング工法（アプローチ）が使用されるならば、リング材料のコスト、ならびにリングを支持する誘電材料を鋳造するために使用される器材にかかわるコスト、支持構造を機械加工するために必要な器材のコスト、リング上に貴金属をメッキするために使用される器材のコストは劇的に高まる。大径リングは、通常、適当な寸法の板材料またはチューブ材から機械加工される。他に選択できる方法は、要求された横断面を有する金属ストリップを形成し、それを環状体すなわちリングとなるように曲げ加工し、向き合わされた端部を溶接することである。この場合、リング内径および外径に関して保たれるべき寸法公差が連続リングをきわめて高価なものにしている。さらに、１８０センチメートル（６フィート）径のリングに金属を電着させるために必要な浴槽は、セグメントに分割された同じ直径のスリップ・リングを製造するために使用される１２０゜弧長用に必要とされる浴槽よりも５〜６倍も高価である。

記載内容の全てを本明細書の記載として援用される米国特許第５０５４１８９号は、外周面に形成された多数の電気リングを備えている電気的スリップ・リング組立体の環状誘電基部を製造する方法を教示している。これらのリングは、適当な横断面形状および外形を有する導電性金属ストリップで形成される。各リングが基部の周面に巻きつけられるとき、対面される端部は互いに突合わされるように意図される。しかしながら、基部外径の寸法変化および導電リングを形成するために使用されるストリップの長さ寸法変化により、対面する端部がしばしば適正に突合わされない。実際に、リングの長さは対面するリング端部の間に常に間隙が存在するように調整される。この間隙は約５．０８ｍｍ〜約１０．１６ｍｍ（約０．０２０インチ〜約０．０４０インチ）の範囲で変化する。このリング構造と共に使用されるブラシ技術は接線方向ブラシであり、機械的および（または）電気的に断絶することなくその間隙上を容易に移動できる。１０年を越える経験によれば、スリップ・リングが回転するとき、ブラシおよびリングの磨耗屑および他の粒状汚染物質は間隙内部に堆積する。その間隙上をブラシが連続して移動すると、微細に砕かれた粒状物質がリング表面を引きずられて、電気的絶縁フィルムを形成する。したがって、電気信号の伝達で問題が生じる。このような問題が生じると、限りなくリングが回転し続け得る。

従来のスリップ・リング技術により、また先端に繊維を備えて電気的に接触させる技術により低コストで長寿命、高電流密度および高いローター表面速度を達成できるようにする改良された小型スリップ・リングを提供することが一般に望まれる。

本発明は、単に図解のためであって限定するものではない開示される実施例の対応する部品、部分または表面を付随的に参照して、ステーターおよびローターの間に電気的な接触を形成するための改良された小型のスリップ・リングを総括的に提供する。

この改良されたスリップ・リング（２０）は、一端（２８）がステーター（２１）に取付けられるとともに先端（３４）を有している導電性単繊維即ち導電性モノフィラメント（２４）と、その先端に隣接して単繊維の端部に取付けられて固定されたスリーブ（２５）と、長手方向軸線（３９）を有する繊維束（２６）であって、一方の端部はスリーブ内に受入れられて固定され、他端は長手方向軸線がローター表面と接する位置でローターに対して接線方向の仮想線に実質的に直角となるようにローターと係合している繊維束（２６）とを含む。

単繊維は実質的に円形の横断面を有し、約０．３８ｍｍ（０．０１５インチ）の直径を有する。この単繊維は、約０．１２７ｍｍ／１グラム重（０．００５インチ／１グラム重）のばねコンプライアンス（すなわち、ばね定数の逆数）を有する。単繊維はベリリウム銅で形成される。

スリーブはスエージ加工、捲縮または溶接によって先端に隣接させて単繊維の端部に固定される。繊維束の一端部はスエージ加工または捲縮によってスリーブに固定される。単繊維の先端は繊維束の一端に当接する。

繊維束には約２５本〜約１５０本の個別の繊維が含まれる。個別の繊維は貴合金または適当な銅基合金のような耐食性および耐磨耗性の材料で形成される。

スリップ・リングの幅（すなわち、紙面に直角な方向の幅）は少なくとも１．０１６ｍｍ（０．０４０インチ）である。

コリメーターがスリーブの一部を取囲み、スリーブを越えて延在される。コリメーター・チューブの下端は、ローターがステーターに対して回転するとき、繊維束の繊維の下端部の横方向の動きを制限するようになされる。コリメーターはスリーブと一体に形成することができる。

スリーブはエルボーのような形状とされる。スリーブの内面は、金や金合金のような適当な非酸化皮膜を備えられる。

したがって、本発明の一般的な目的は、小型スリップ・リングを提供することである。

他の目的は、先端に繊維を備えて電気的な接触を行う技術を小型スリップ・リングに備えることである。

これらの、および他の目的および利点は、前述および後述する明細書、図面および添付の特許請求の範囲で明白となるであろう。

最初に、この詳細な説明は本明細書と一体の部分であり、要素、部分または表面は明細書全体を通してさらに記載されて説明されるが、図面を通して同じ符合は一貫して同じ構造要素、部分または表面であるとみなすように意図されていることを明確に理解しなければならない。別段指示がなければ、図面は明細書と一緒に読まれること（例えば、クロスハッチング、部品の配置、比率、度合い等）、および本発明の明細書全体の一部とみなすべきことを意図されている。以下の説明で使用されるように、「水平」「垂直」「左」「右」「上」「下」という用語、並びにそれらの形容詞形および副詞形の派生語（例えば、「水平に」「右方向に」「上方向に」等）は、その特定の図面が読者に向けられた状態での図示構造の配向を単純に示している。同様に、「内側」および「外側」という用語は、適当な長手方向の軸線または回転軸線に対する表面の配向を一般に示している。

図面、特にその中の図１を参照すれば、本発明は先端に繊維を備えて電気的に接触させる技術を組入れた改良された小型スリップ・リングを総括的に提供する。

図１において、符号２０で示された２個のスリップ・リングは、全体を符号２１で示されたステーターと全体を符号２２で示されたローターとの間に作動的に取付けられて図示されている。ローター２２は、双方向矢印２３で示されるように何れかの角度のある方向へ移動するようになされている。

各スリップ・リングはローター部分とステーター部分との間に電気的な接触を形成するために配置されている。当業者は、スリップ・リングがローターをステーターに単に連結するものでないことを容易に認識するであろう。むしろスリップ・リングは、ステーターとローターとの間の回転インターフェースを介してそれらの各種回路の間の電気的な連絡路を確立するように、ローター上の特定の回路をステーター上のそれと協働する回路に連絡する。２個のスリップ・リングはここに説明する点を除いて同じであり、ローターに対して異なる角度位置で図示されている。これにより、一方のスリップ・リングのみ明瞭に説明し、同じ符号が他のスリップ・リングの同じ部品、部分および表面を示すことは理解されるであろう。

最初に留意したように、本発明は小型スリップ・リングを提供するのであり、このスリップ・リングはローターとステーターとの物理的間隔が比較的小さい場合に使用される。従来の特許出願第１０／８７１０９０号では、開示されたスリップ・リングの形状は、ＣＡＴＳＣＡＮ機等に使用されているような大径ローターに使用することが特に適当であるとされている。前述の説明は最初の出願の特許請求の範囲を制限することを意図しているのではない。しかしながら、対比として、本発明はローターとステーターとの間隙がより一層制限されている場合に使用することが特に適している。したがって、本発明は小型スリップ・リングであると考えられる。再び述べるが、これは好ましいということであって、この説明が特許請求の範囲の記載に対する制限であると考えてはならない。

図１を説明すれば、全体を符号２４で示される導電性単繊維と、スリーブ２５と、全体を符号２６で示される繊維束とを総括的に含むものとして改良されたスリップ・リングが示されている。

単繊維即ちモノフィラメント２４は適当な導電性材料、例えばベリリウム銅で形成される。好ましい実施例では、単繊維は実質的に約０．３８１ｍｍ（０．０１５インチ）の直径の円形横断面を有する。しかしながら、好ましい実施例を示しているのであって、他の横断面形状を同様に有することができることを明確に理解しなければならない。例えば単繊維は、四角形、三角形、楕円形、または他の幾つかの横断面形状または輪郭を有することができる。

図示形状では、単繊維は多少Ｓ字形またはそう見えるように折曲げられた一体形成要素である。さらに詳しくは、単繊維は電気的に導通するようにステーターに固定された１つの端部２８を有し、そこから下方へ延在する１つの端部２９を有し、屈曲部３０を有し、中間部３１を有し、第２の屈曲部３２を有し、また、円形端面３４で終端する先端部３３を有している。理想的には、単繊維は図示形状に適当に曲げて形成される。図１において左側に示されている実施例では、湾曲部分３０，３２は約９０゜の基準内角を有する。図１の右側の実施例では、単繊維はローターとの接触を保持するようにしてローターに対して移動されて示されている。換言すれば、右側の実施例の角度部分３２は約９０゜であるのに対して、角度部分３０は９０゜よりも大きい鈍角を含む。

スリップ・リングはベリリウム銅のような適当な材料で形成され、典型的には約０．１２７ｍｍ／１グラム重（０．００５インチ／１グラム重）の程度のばねコンプライアンスを有する。本明細書で使用されるように、ばねコンプライアンスはばね定数の逆数である。当業者には、ばね力の式はＦ＝ｋｘで、Ｆが力、ｋがばね定数、ｘが伸びであることを容易に認識するであろう本明細書で使用されるように、「ばねコンプライアンス」という用語は１／ｋである。

図面について説明すれば、スリーブ２５は単繊維の先端３４に隣接してその端部に取付けられ、固定される。さらに詳しくは、図示形状では、スリーブは多少エルボーのように形成される。スリーブは適当な導電性材料で形成され、その１つ以上の表面が金のような非酸化材料でメッキされる。スリーブの上側端部はスエージ加工、捲縮または溶接によるなどして単繊維の先端部に適当に固定される。図面において、チューブの上側端部は符号３５で示される環状凹部を有して示されており、これはスエージ加工または捲縮の結果である。これに替えてスリーブは電気的または超音波的にスリーブに対して適当に溶接することができる。

スリーブの他端は個別の繊維の束２６を受入れるものとして示されている。これらのファイバーの上端面は単繊維の先端面３４に対して電気的に接触するように突き当てられて示されている。示されるように、繊維束の上側端部はスリーブの下側開口端に受入れられている。繊維束をこの位置に保持するために、スリーブは捲縮またはスエージ加工されるように適当に変形されることができる。図面で、スリーブはスエージ加工または捲縮によって生じた環状凹部３６を有して示されている。繊維の下側端部はスリーブの下端面３８を越えて下方へ延在し、また、ローター外面と連続した接触状態にある。さらに詳しくは、繊維束の基準中心線３９は接点に対して接線方向の仮想線（図示せず）に実質的に直角となるように保持される。したがって、改良されたアクチュエータにより、個別の繊維の先端はローターの外面と接触状態に保持される。繊維束は約２５本〜約１５０本の個別の繊維で形成される。

図示実施例は、右側の実施例が左側スリーブの基準端面よりも下方へ延在する一体形成されたコリメーター部分４０を有して示されていることが相違する。このコリメーターの目的は、ステーターに対してローターが回転したときに束に含まれる繊維の下側端部における横方向への動きを制限することである。好ましい形状においては、このコリメーターはスリーブと一体形成される。しかしながらこれは変更できないということではない。

したがって本発明は、ローターとステーターとの間の電気的な接触を形成する特に小さな空間に使用するのが適当な改良されたスリップ・リングを総括的に提供する。改良されたスリップ・リングは、ステーターに取付けられた一端および先端を有する導電性単繊維と、単繊維の先端に隣接して端部に取付けられ且つ固定されたスリーブと、長手方向軸線を有し、一端がスリーブに受入れられて固定され、他端は長手方向軸線がローター表面との接触点においてローター表面に対する接線方向の仮想線に実質的に直角となるようにローターと係合する繊維束とを総括的に含む。

（変更例）
本発明は多くの変形例および変更例の得られることを予想する。例えば、本発明は小さな空間に使用するのが特に適しているとはいえ、ローターの相対的な寸法および直径は特に重要とはみなされない。

ステーターに対する単繊維の取付けまたは固定の方法は重要とみなされず、変更できるが、単繊維は導電性材料で形成されねばならない。ベリリウム銅はそのような１つの材料であり、他の種類の導電性材料を代用することもできる。既に説明したように、単繊維の横断面形状も同じである。同様に、単繊維は特に図示された以外の形状を有するように曲げや他の成形を行うことができる。

スリーブはエルボー形状に曲げることができ、または、同様に他の何れかの形状を有することができる。繊維束の上側端部はスリーブの開口に受入れられることが好ましく、捲縮やスエージ加工などの方法で適当に固定される。同様に、スリーブは捲縮、スエージ加工または溶接されて単繊維に固定されることが現在好ましいとされている。

ローターはシリンダ形状とされるか（図示されるように）、パンケーキのような形状とされる。パンケーキ式のローターについては、例えば、米国特許第５９０１４２９号および同第６２２２９７号を参照されたい。

したがって、改良されたスリップ・リングの現在好ましいとされる形状を図示して説明し、また、幾つかの変更例を説明したが、以下の特許請求の範囲で定義され、違いを明確化されたように、当業者はさまざまなさらなる変化および変更が本発明の精神から逸脱せずになし得ることを容易に認識するであろう。

ステーターに取付けられ、ローターに対して２つの異なる相対角度位置で係合された２個の別々のスリップ・リングを示している、改良された小型スリップ・リングの概略図である。

符号の説明

２０ スリップ・リング
２１ ステーター
２２ ローター
２３ 矢印
２４ 単繊維
２５ スリーブ
２６ 繊維束
２８，２９ 端部
３０ 屈曲部
３１ 中間部
３２ 第２の屈曲部
３３ 先端部
３４ 円形端面すなわち先端
３５ 環状凹部
３６ 環状凹部
３８ 下端面

Claims (14)

1. ステーターとローターとの間に電気的な接触を形成する小型スリップ・リングであって、
   前記ステーターに取付けられた一端部を有し、また、先端を有する導電性の単繊維であって、前記導電性の単繊維は、略Ｓ字形であり、前記一端部に隣接し前記ステーターから延在する一端部隣接部分を有し、第１の屈曲部を有し、中間部分を有し、第２の屈曲部を有し、前記先端で終端する先端隣接部分を有する、導電性の単繊維と、
   前記単繊維の前記先端隣接部分に取付けられ、固定されたスリーブと、
   長手方向軸線を有する繊維束であって、その一端部が前記スリーブに受入れられて固定され、他端は、ローター表面と前記長手方向軸線との接触点にて前記ローター表面の接線方向の仮想線に対して、前記長手方向軸線が実質的に直角となるようにローターと係合している繊維束とを含む小型スリップ・リング。
2. 前記単繊維が実質的に円形の横断面形状を有する請求項１に記載された小型スリップ・リング。
3. 前記単繊維が約０．３８ｍｍ（０．０１５インチ）の直径を有する請求項２に記載された小型スリップ・リング。
4. 前記単繊維が、約０．１２７ｍｍ／１グラム重（０．００５インチ／１グラム重）のばねコンプライアンスを有する請求項３に記載された小型スリップ・リング。
5. 前記単繊維がベリリウム銅で形成される請求項３に記載された小型スリップ・リング。
6. 前記スリーブがスエージ加工、捲縮または溶接によって前記先端に隣接させて前記単繊維の前記先端隣接部分に固定される請求項１に記載された小型スリップ・リング。
7. 前記繊維束の一端部がスエージ加工または捲縮によって前記スリーブに固定される請求項１に記載された小型スリップ・リング。
8. 前記単繊維の先端が前記繊維束の一端に当接する請求項１に記載された小型スリップ・リング。
9. 前記繊維束には約２５本〜約１５０本の個別の繊維が含まれる請求項１に記載された小型スリップ・リング。
10. 前記小型スリップ・リングの幅が少なくとも１．０１６ｍｍ（０．０４０インチ）である請求項１に記載された小型スリップ・リング。
11. 前記スリーブの一部を取囲み、スリーブを越えて延在するコリメーターをさらに含み、コリメーター・チューブの下側端部は、前記ローターが前記ステーターに対して回転するとき、前記繊維束の繊維の下側端部の横方向の動きを制限するようになされている請求項１に記載された小型スリップ・リング。
12. 前記コリメーターが前記スリーブと一体に形成されている請求項１１に記載された小型スリップ・リング。
13. 前記スリーブがエルボーのような形状である請求項１に記載された小型スリップ・リング。
14. 前記スリーブの内面が非酸化皮膜を備えた請求項１に記載された小型スリップ・リング。

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