JP6046796B2 - 改善された先端繊維接点設計ブラシ・アセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、ロータとステータとの間に、電力、及び／又は、１つ又は複数の信号を伝えるための電気接点技術、とりわけ、先端繊維を備えたブラシ・アセンブリ（fiber-on-tip (FOT) brush assembly）を、現在のＦＯＴ技術よりも、より高速のロータ表面速度で、及び、より安価なコストで、寿命をより長く、及び、摩擦熱をより少なくすることができるようにする、電気接点技術での改善に関わる。

ＦＯＴブラシ・アセンブリを使用している先行技術スリップ・リングの種々の配置と構成が、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、及び、特許文献５に代表的に示され、及び、記述されている。これらの先行技術の参照文献は、本出願の承継人に譲渡され、本明細書に参照によって取り込まれている。

ＵＳ７ １０５ ９８３ Ｂ２ ＵＳ７ ３３９ ３０２ Ｂ２ ＵＳ７ ４２３ ３５９ Ｂ２ ＵＳ７ ４９５ ３６６ Ｂ２ ＵＳ７ ５４５ ０７３ Ｂ２

Pitney, Kenneth E.; Ney Contact Manual: Electrical Contacts for Low Energy Uses; Bloomfield: The J.M. Ney Company (1973) at p. 23. Rabinowicz, Ernest; "The Temperature Rise at Sliding Electrical Contacts"; Advances in Electrical Current Collection; Ed. I.R. McNab. New York: Elsevier/North-Holland Inc.; (1982), at pp. 30 and 31 Shobert, Erie; Carbon Brushes: The Physics and Chemistry of Sliding Contacts; Chapter 4, Fig. 4.7, "Mechanical Considerations in Brushes and Collectors"; (1965); at p. 87.

電気接点は、ロータとステータとの間に、電力、及び／又は、１つ又は複数の信号を伝えるために使用される。これらのデバイスは、太陽電池駆動機構、航空機及びミサイル誘導プラットフォーム、風力エネルギーシステム、コンピュータ断層撮影（ＣＴスキャン）システムなどの、多くの種々の軍用及び商業用の用途に使用される。これらの用途のいくつかにおいては、スリップ・リングが、トルクモータ、レゾルバ、及び、エンコーダなどの他のコンポーネントと共に使用される。電気的スリップ・リングは、回転のプラットフォーム軸上に位置するように設計されるか、又は、軸外電気接点を決める、オープン・ボア（open bore）と共に設計する必要がある。それ故、呼称はそれぞれ、「軸上」及び「軸外」のスリップ・リングと称される。

スリップ・リングの直径は、わずかのインチから、数フィートに及んでよく、ロータとステータとの間の相対角速度(ω)は、１日あたり１回転から、１分あたり２０，０００回転（ｒｐｍ）程度に変化してよい。これらの種々の用途のすべてにおいて、ロータとステータとの間の電気接点は、（１）高速の相対的表面速度にて、継続的に電力、及び／又は、１つ又は複数の信号を伝えることが可能であり、（２）長い磨耗寿命を有し、（３）電気的雑音が小さく、及び、（４）複合回路を最小体積内にパッケージすることを可能にする物理的大きさでなければならない。

ブラシ・アセンブリとロータとの間の電気的及び機械的接点の物理的特性の適正な管理は、厳しい要求を満たすことを可能にする。例えば、もしも、用途が、患者の身体の周りにＣＴスキャンのガントリ内のＸ線管を回転させる、軸外スリップ・リングであるならば、電気接点は、約１００〜２００アンペア（数百アンペアのサージの可能性があり）を伝え（carry）、毎秒１５メートル（ｍ／ｓｅｃ）のオーダーの表面速度で作動し、１億回転の間持続し、そしてガントリ内で最小の体積を占めるように設計さする必要がある。直径約６フィート（１．８２８８メートル「ｍ」）であるデバイスに対する、１億回転の要求を満たすために、ブラシ力（即ち、ブラシ先端が、ロータに押しつけられる（urged against）力）は、摩擦熱を最小にするために低くなければならず、さらに、必要な電流密度を実現するために、ブラシとロータとの間の多数の接点を維持しなければならない。

近年は、繊維状金属ブラシの使用に新たな関心がもたれている。繊維状金属ブラシは、より高い表面速度での運転の間、より高い電流密度をもたらし、より小さな電気的雑音を有し、より長い寿命を有する能力を有する。これらのパラメータの各々は、コンポジット・ブラシ（composite brushes）の場合よりも、ブラシとロータ・リングとの間の接点がより多いこと、繊維あたりの力がより小さいこと、及び、摩擦熱がより小さいことに関連している。繊維先端とロータ・リングとの間の接点のエリア（area）は、接点の「界面」エリアとして知られている。コンポジット・ブラシの面とロータとの間の、実際の接点のエリアは、その幾何学的エリアよりもずっと小さいことが知られている。それ故に、場合によっては、個別の小径の繊維である要素に、ブラシを細分する理由である。

用途における要求を満たすために、電気接点のトライボロジー特性（tribological properties）、及び、潤滑剤の適正な選択は極めて重要である。例えば、もしも、接点が、宇宙での用途に使用されることになっているならば、潤滑剤は、地上ベースの用途の要求事項の全てを満たすのみならず、低い蒸気圧力をも有しなければならない。もしも、接点が長寿命の要求を有するならば、粉じん、磨耗残屑、及び、他の混入物質が、接点ゾーンに蓄積し、寿命及び信号伝達に問題を起こす可能性がある。

それ故、ロータとステータとの間の、電力、及び／又は、１つ又は複数の信号を伝えるための、改善された電気接点を提供することが、強く望まれる。

かかるスリップ・リングに使用するために、改善された繊維ブラシ・アセンブリを提供することも強く望まれる。

ＦＯＴ技術を使用する、及び、ブラシ・アセンブリに、現在のＦＯＴ技術を用いるよりもより高速のロータ表面速度で及びより安価なコストで、より長い寿命を持たせることを可能にする、改善されたスリップ・リングを提供することも強く望まれる。

（発明の開示）
単に説明のために、制限のつもりでなく、開示の実施態様の、対応する部分、一部、又は、外見（surface）を説明的に参照して、本発明は、ロータとステータとの間の電気接点を提供するように適合された電気接点の改善を広範に提供する。

改善されたスリップ・リングは、ステータ上に取り付けられたブラシ・チューブ（brush tube）を有し、及び、いくつかの個別の繊維から成る繊維束を有するブラシ・アセンブリを含む。繊維の第１の、又は、上部の周縁端部分は、ブラシ・チューブ内に受け入れられる。繊維の第２の、又は、下部の周縁端部分は、ブラシ・チューブを越えて、ロータに向かって伸びる。

改善は、ブラシ・チューブの下でロータに向かって伸びている繊維が、束の縦方向中心線を横断する平面内から見たとき、アニュラス（annulus）であるように、ブラシ・チューブの下で除去された繊維の中央部分を広範に含み；及び、ここで、ロータとのその接点で、繊維束の接線コンプライアンス（tangental compliance）が、中央部分が除去されていなかったならば、繊維束の接線コンプライアンスの２倍より大きい。

ブラシ・チューブの一部分は、繊維の第１の又は上部の周縁端部分を、そこに保持するために、クリンプ加工、又は、スエージ加工されてもよい。

ロータとのその接点で、繊維束の接線コンプライアンスは、もしも、中央部分が除去されていなかったならば、繊維束の接線コンプライアンスの２．５倍より大きくてよい。

中央部分は、束の繊維本数の約半分を含んでよい。

このように、例えば、繊維束は、約２０００本の個別繊維を有してよく、及び、中央部分は、約１０００本の繊維によって占められる空間を構成してよい。

アニュラス部は、束の縦方向中心線を横断する平面から見たとき、実質的に一定の半径方向厚さを有してよい。

各繊維は、０．００２〜０．００５インチ（０．０５０８〜０．１２７０ミリメートル「ｍｍ」）の範囲の直径を有してよい。一つの形態では、繊維は、約０．００３インチ（０．０７６２ミリメートル「ｍｍ」）の公称直径を有する。

チューブを越えて、ロータに向かって伸びている各繊維の長さは、０．３〜０．７インチ（７．６２〜１７．７８ｍｍ）の範囲であってよい。一実施態様においては、この長さは、約０．４０インチ（１０．１６ｍｍ）である。

中央部分の横断面積は、繊維束の横断面積の２／３より大きくてよい。

繊維束の接線コンプライアンスは、ロータとのその接点で、約０．００６３５０インチ／グラム（０．１６１２９ｍｍ／ｇ）であってよく、しかるに、中央部分が除去されなかった繊維束のコンプライアンスは、ロータとのその接点で、約０．００１３９インチ／グラム（０．０３５３０６ｍｍ／ｇ）であってよい。

ロータとのその接点で、繊維束の接線コンプライアンスは、もしも、中央部分が除去されなかったならば、ロータとのその接点で、繊維束の接線コンプライアンスの４．５倍より大きくてよい。

改善はさらに、繊維束と流体連通している、ブラシ・チューブより上のリザーバ、及びリザーバ内に潤滑剤を含んでよい。

リザーバは、繊維間のスペースを通じて、繊維束と流体連通していてよく、スペースを通る潤滑剤の流れは、スペースの大きさの関数である。スペースを通る潤滑剤の流れは、接点の界面エリアに到達し、摩擦係数を減らし、従って、界面温度を下げるであろう。

改善はさらに、繊維束をロータに向かって強く押す弾力的手段を含んでよい。弾力的手段は、ニゲーターばね（negator spring）、及び／又は、片持ちばね（cantilever spring）を含んでよい。

繊維束は、実質的に一定の力で、ロータに向かって強く押されてよい。

それ故、本発明の一般的目的は、ロータとステータとの間に、電力、及び／又は、１つ又は複数の信号を伝えるための、改善されたスリップ・リングを提供することである。

他の目的は、改善されたスリップ・リングにおいて使用するための改善されたブラシ・アセンブリを提供することである。

さらに他の目的は、ＦＯＴ技術を使用する、現在のＦＯＴ技術を使用するよりも、より高速の表面速度で、及び、より安価なコストで、ブラシ・アセンブリがより長い寿命を有することを可能にする、改善されたスリップ・リングを提供することである。

これら、及び、他の目的、及び、効果は、上述の及び進行中の明細書、図面、及び、添付請求項から明白になるであろう。

２つの固体間の、接合部、又は、接点の略図であり、これは本明細書に引用されたテキストから再現されている。 高速の摺動速度で解析されたシステムが、大きな物体と絶えず接触している小さな物体を考慮する概略図であり、これは本明細書に引用されたテキストから再現されている。 先行技術のスリップ・リング上の磨耗痕跡の走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。 図１Ｃに示されたスリップ・リング磨耗の一部分の拡大図を示しているＳＥＭである。 銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）がブラシからロータへ移動したことを示している、図１Ｄに示された表示点のエネルギー分散Ｘ線解析（ＥＤＡＸ）である。 図１Ｃに示された磨耗痕跡を作り出した、３つの完全充填の、先行技術ブラシの２つのブラシ・ブロック（block）（即ち、１つは前縁（leading）、及び、１つは後縁（trailing））の写真である。 Ａｇ／ＣｕブラシのＳＥＭである。 参照として挙げられた、図１Ｇに示されたＡｇ／Ｃｕブラシの、表示点のＥＤＡＸ解析である。 直径が大きいロータ上のリング１の磨耗痕跡を示しているＳＥＭである。 銀及び銅がブラシからロータ・リングへ移動したことを示している、図２Ａにて矢印で表示された磨耗痕跡の一部分のＥＤＡＸ解析である。 ほぼ普通角（near-normal angle）で撮られた、その上の磨耗パターンを示している、図２Ａに示された磨耗痕跡を作り出した前縁ブラシの写真である。 斜めの角度で撮られているが、図２Ｃに示された前縁ブラシの別の写真である。 ほぼ普通角で撮られた、図２Ａに示された磨耗痕跡を作り出した後縁ブラシの写真である。 斜めの角度で撮られているが、図２Ｅに示された後縁ブラシの別の写真である。 大きな直径のロータのリング２上の磨耗パターンを示しているＳＥＭである。 銀及び銅が、ブラシからロータへ移動したことを示している、図３Ａに示された表示矢印での、リング組成のＥＤＡX解析である。 銀及び銅が、ブラシからロータへ移動したことを示している、図３Ａに示された表示矢印での、リング組成のＥＤＡX解析である。 銀及び銅が、ブラシからロータへ移動したことを示している、図３Ａに示された表示矢印での、リング組成のＥＤＡX解析である。 銀及び銅が、ブラシからロータへ移動したことを示している、図３Ａに示された表示矢印での、リング組成のＥＤＡX解析である。 ほぼ普通角で撮られた、図３Ａに示された磨耗痕跡を作り出した、前縁ブラシ上の磨耗パターンを示している写真である。 斜めの角度で撮られた、図３Ｆに示された前縁ブラシの写真である。 ほぼ普通角で撮られた、図３Ａに示された磨耗痕跡を作り出した、後縁ブラシ上の磨耗パターンを示している写真である。 斜めの角度で撮られた、図３Ｈに示された後縁ブラシの写真である。 肉厚がすべての半径方向で実質的に一定であるように、２つの仮想的同心円の間に画成された環状断面を有する、改善されたＦＯＴブラシ・アセンブリの端部の写真である。 ブラシ・アセンブリのコンプライアンスを検査するための装置の写真であり、この図は、改善されたブラシ・アセンブリの遠位端に近接して加えられている垂直方向の力（即ち、ブラシ・アセンブリの長手方向の軸に、実質的に垂直な力）を示している図である。 変位（縦軸）対、力（横軸）のプロットであり、改善された中空ブラシ・アセンブリのコンプライアンス、及び、先行技術の完全充填の（即ち、中空でない）ブラシ・アセンブリのコンプライアンスを示す。 改善されたブラシ・アセンブリの繊維の間の間質性空間に、潤滑剤を供給するように効果的に配置された流動潤滑剤リザーバを有する、改善されたブラシ・アセンブリの概略図である。 小さい直径の繊維を有する改善された繊維束の概略的横断面図であり、繊維間の間質性空間の数と大きさを示す。 大きい直径の繊維を有する改善された繊維束の概略的横断面図であり、繊維間の間質性空間の数と大きさを示す。 片持ちばねを介して、５０グラムの力が負荷された改善されたブラシ・アセンブリについての、温度（縦軸）対、速度及び電流（横軸）のプロットであり、並びに、負荷が加えられた及び無負荷の、改善されたＦＯＴブラシ・アセンブリの温度対速度特性を示している。 ３つの異なった電流レベルで、片持ちばねを介して、５０グラムの力が負荷された先行技術のブラシ・アセンブリについての温度（縦軸）対、速度（横軸）のプロットである。 片持ちばねを介して、５０グラムの力が負荷された、改善されたブラシ・アセンブリ及び先行技術のブラシ・アセンブリについての、温度（縦軸）対速度及び電流（横軸）のプロットであり、並びに、熱電対の位置をも示している。 片持ちばねの振動を示している概略図であり、これは明細書中の引用されたテキストから取られている。 コンポジット・ブラシをロータ表面に向かって、実質的に一定の力で、押しつけるように配置された、ステンレス鋼ニゲーターばねを示している概略縦断面図である。 複数の潤滑にされたＦＯＴブラシ・アセンブリを、ロータに向かって強いて動かすように配置された、ニゲーターばねを有する、改善されたブラシ・アセンブリの高電流密度設計の概略縦断面図である。 図１１Ａに示されたそれと別の設計の概略縦断面図であ、この設計は、改善されたＦＯＴブラシ・アセンブリを、ロータに向かって強いて動かすように配置された、ニゲーターばねをも有する。 潤滑にされた（lubricated）ＦＯＴブラシ・アセンブリを、ロータに向かって強いて動かすように配置された、ハイブリッドの片持ち／ニゲーターばねを有する、別の設計の概略図である。 潤滑にされた、改善されたＦＯＴブラシ・アセンブリを、ロータに向かって強いて動かすように配置された、ニゲーターばねを有する、さらにもう１つの設計の概略図である。 プリント基板上に取り付けられた、複数の先行技術のＦＯＴブラシ・アセンブリを示している写真である。 潤滑にされた、改善されたＦＯＴブラシ・アセンブリを、ロータに向かって強いて動かすように効果的に配置されている、ニゲーターばねを示している概略図である。 片持ちばねについて、及び、同一設計の２つの異なったニゲーターばねについての、潤滑にされた、改善されたＦＯＴブラシ磨耗（縦軸）対、運動距離（travel）（横軸）のプロットである。 片持ちばねで検査した後の、潤滑にされた、改善されたＦＯＴブラシ上の磨耗パターンを示している、ほぼ普通角で撮られた写真である。 ブラシの上の磨耗パターンの高い及び低い点を示している、図１５Ａに示されたブラシの合成写真である。 ニゲーターばねで検査した後の、潤滑にされた、改善されたＦＯＴブラシの磨耗パターンを示している、斜めの角度で撮られた写真である。 ブラシの上の磨耗パターンの高い及び低い点を示している、図１６Ａに示されたブラシの合成写真である。

（好ましい実施態様の説明）
最初に、当然のことながら、この詳細な記述が不可欠な部分である、要素、部分、又は、外見が、全ての記述された明細書によって、さらに、記述、又は、説明し得るように、同様の参照番号は、いくつかの図面番号を通じて一貫して、同じ構造要素、部分、又は、外見を特定するつもりである。別段の指示が無い限り、図面は、本明細書と一緒に読むように（例えば、クロスハッチング、部品の配置、割合、角度など）意図されており、そして、この発明の全ての記述の一部分であると見なされるべきである。以下の記述において使用されているように、用語「水平の」、「垂直の」、「左の」、「右の」、「上」、及び、「下」は、それらの、形容詞の、及び、副詞の派生語も（例えば、「水平方向に」、「右方向に」、「上方向に」など）同様に、特定の図面番号が読者に向いているとき、単に、図示された構造の方向を言及している。同様に、用語「内向きに」、「外向きに」は一般的に、必要に応じて、その伸長軸、又は、回転軸に対する面の方向を言及している。

ＦＯＴブラシ設計は、より長い寿命、より速い表面速度、及び、より高い電流の要求事項を満たすように開発されてきた。しかし、最近の研究によると、過酷な条件下で、より良い性能をもたらす改善を、既存のＦＯＴブラシ設計に加えることができる。

例えば、同一の公称表面速度で作動しているが、５倍異なるロータ直径を有する、２つの電気接点システムを考えてみよう。同一の表面速度を（即ち、V=ωr, ここで、Ｖは表面速度、ωはステータに対するロータの角速度であり、ｒはロータの半径である）有するためには、小さい直径のロータを備えたシステムは、大きな直径のシステムのそれより、５倍大きい回転速度を有する必要がある。

知られているように、小さい直径のシステムは、接点が外来性膜（adventitious film）の吸着によって潤滑されているとき、「ｒｐｍ効果」として知られている現象を示すことができる。（例えば、非特許文献１を参照のこと）外来性膜（例えば、湿気）及び、空気中を浮遊する汚染物質（例えば、炭化水素）は、軽い負荷の下で、接点部材間の摩擦係数を減らすことが可能な材料の極薄い膜である。「ｒｐｍ効果」は、次の表面遭遇（surface encounter）が起こる前に、表面変化のために使用可能な時間を左右する。（同上文献）境界潤滑剤が関与するとき、ロータの同量の運動距離に対して、増大した表面積の故に、大きな直径のロータを有するシステムは、より多量の潤滑剤を必要とする。

１人の解析者によると、（非特許文献２）、及び、この論文から再現された図１Ａ、及び、１Ｂに示されるように、以下のことが示された。
『低速摺動が起こり、摩擦により加熱が生じる状況をまず考えると、もしも、滑り面の間の、円形の接点領域があるならば、平均の温度上昇θは次式で与えられる：
θ = fLv / (4Jr(k₁+K₂))
ここで、Ｊは熱の仕事当量（熱の熱量単位から力学単位への換算係数）、ｒは接合部の半径、ｆは摩擦係数、Ｌは接合部での常用負荷、ｋ_１は物体１の熱伝導率、ｋ_２は物体２の熱伝導率、及び、ｖは速度である。
この関係は、熱が接合面（interface）で始まり、次いで２つの隣接物体に伝導されると想定している。何故、温度上昇が速度に比例するかの理由は、単位時間当たりの熱の発生速度は、それ自身、速度に比例しているからである。
摺動が大きくなるとき、この関係は、もはや適用できない。物体１が小試験片であり、一方、物体２が拡大面を有している、最も単純な場合を考えてみよう。その場合には、小試験片は、連続的に接点しており、大試験片の新しいエリア上をいつも滑ることになる。その場合に対しては、温度上昇は次式となる：
θ = fLv^1/2 / 3.6J(p₂c₂r³k₂)^1/2
ここで、ｆ、L、ｖ、ｒ、J、及び、K_２は、上記のものと同じ定義を有し、ｐ_２ｃ_２は、拡大面の容積比熱である。
この関係は、２つの点で、前のものとは異なっている。第１に、上面と底面に関して、それは非対称である、なぜならば、上面は小さく、連続的に接触しており、すぐに熱くなるが、一方、底面は、いつも新しく、より冷たいからであり、それゆえ、本質的に、全ての熱は、その内部に伝わり（travel）、従って、その熱的特性のみが重要である。
第２に、速度の１／２乗が式に表れていることに気が付かれるであろう。これは、速度を上げると、加熱速度を上げるので生じているのであるが、この熱を消散できる冷たい底部材料の量をも増やしている。従って、温度上昇はｖと共に増えると予期するのは論理的であるが、一乗に従う程急速ではない。』

界面加熱を最小にするために、滑り電気接点間の摩擦係数を減らすことは重要である。この前述の解析者が言及していることであるが、もしも界面での温度が高くなりすぎたならば、材料は軟化する、又は、溶融さえする、又は、さもないと、過度の酸化が起こり得る。（同文献Ｐ２９）

予備的磨耗検討が、実質的に一定の法線力を、９インチ（０．２３ｍ）のリングに提供するように、ニゲーターばね（即ち、変位の所定範囲にわたって、実質的に一定の力を加えるばね）を使用して、共通ホルダー内の多数の先端繊維（ＦＯＴ）先行技術のブラシを用いて実施された。接点は、潤滑油を差されなかった。法線力は１３５グラムであり、ロータは、ステータに対して、約１４．４ｍ／ｓｅｃの角速度で回転した。円形ブラシは中央部で摩耗し、及び、同時に、一部のブラシ材料は、リングに移動し付着した。このことは、ブラシ磨耗パターン、及び、リング磨耗痕跡外観から決定された。走査型電子顕微鏡／エネルギー分散型Ｘ線解析（ＳＥＭ／ＥＤＡＸ）により、ブラシ材料がリングに移動したことが確認された。

図１Ｃは、（０．２３ｍ）リング上の、先行技術ブラシからの磨耗痕跡のＳＥＭである。図１Ｄは、図１Ｃに示されたリングの一部分の拡大図を示しているＳＥＭである。図１Ｅは、銀、及び、銅がブラシからロータへ移動したことを示している、図１Ｄに示された指し示された点のＥＤＡＸ解析である。図１Ｆは、図１Ｃに示された磨耗痕跡を作り出した３つの完全充填の先行技術ブラシの２つのブラシ・ブロック（前縁及び後縁）の写真である。図１Ｇは、Ａｇ／Ｃｕブラシ材料のための、ＥＤＡＸ参照として提供された、Ａｇ／Ｃｕ繊維のＳＥＭである。図１Ｈは、Ａｇ／Ｃｕブラシ材料のための、ＥＤＡＸスペクトルである。

この先行技術のＦＯＴ構成は、従来の金属−黒煙コンポジット・ブラシの代替品として開発された。３つの先行技術のＦＯＴアセンブリは、コンポジット・ブラシと同じ形状の金属ベース内に置かれた。多数の先行技術のＦＯＴブラシの目的は、１２００ｒｐｍで高電流密度性能を提供することであった。この試験の間に起こったブラシ磨耗は、もしも、界面温度が大き過ぎるならば、材料は溶融若しくは軟化する可能性があり、又は、酸化が起きる（同文献）という、Ｒａｂｉｎｏｗｉｔｚによって言及されたステートメントの典型的な例であった。

さらなる磨耗検討が、表面速度が約１４，５ｍ／ｓｅｃで、約５５インチ（１．３９７ｍ）の直径を有する、大きな直径のリング上で行われた。約５０グラムのロータに対して、ブラシの法線力を継続するように、片持ちばねが使用された。潤滑剤が、ブラシ及びリングに加えられた。これらの検討によっても、界面温度は、ブラシ材料にとっては十分高く、長時間かけてリングを軟化し、リングに移動した。

上記リング（即ち、リング１）に対する、リング磨耗痕跡外観、及び、ブラシ磨耗パターンが、図２Ａ〜２Ｆに示されている。図２Ａは、ロータ上のリング１の磨耗痕跡を示しているＳＥＭである。図２Ｂは、銀及び銅がブラシからロータへ移動したことを示している、図２Ａにて矢印で示された磨耗痕跡の一部分のＥＤＡＸ解析である。図２Ｃは、その上の磨耗パターンを示している、ほぼ普通角で撮られた（即ち、ブラシ及び束の縦軸と実質的に整列した方向で見ている）、前縁ブラシの写真である。図２Ｄは、斜めの角度で撮られているが、図２Ｃに示された前縁ブラシの別の写真である。図２Ｅは、ほぼ普通角で撮られた、後縁ブラシの写真である。図２Ｆは、斜めの角度で撮られているが、図２Ｅに示された後縁ブラシの別の写真である。

別のリング（即ち、リング２）に対する、ブラシ磨耗パターン、及び、リング磨耗痕跡外観が図３Ａ〜３Ｉに示されている。図３Ａは、ロータのリング２上の磨耗パターンを示しているＳＥＭである。図３Ｂ〜３Ｅは、銀及び銅がブラシからロータへ移動したことを示している、図３Ａに示された指し示された矢印での、リング組成のＥＤＡＸ解析である。図３Ｆは、ほぼ普通角で撮られた、前縁ブラシ上の磨耗パターンを示している写真である。図３Ｇは、斜めの角度で撮られた、図３Ｆに示された前縁ブラシの写真である。図３Ｈは、ほぼ普通角で撮られた、後縁ブラシ上の磨耗パターンを示している写真である。図３Ｉは、斜めの角度で撮られた、図３Ｈに示された後縁ブラシの写真である。
（中央が除去された改善されたＦＯＴブラシ（図４〜５））

界面加熱によって、ブラシからロータに移動した材料の問題の解決は、本出願の焦点の１つの領域である。付着磨耗問題への解決が見出されたと同時に、非貴金属を使用することができるので、コストを削減するという、改善された接点設計が開発されてきた。同様に、以前の設計によるものよりも、パッケージのための要求スペースが４〜５分の１である、より小型なブラシ及びばね構成が開発されてきた。さらにその上、僅かに、片持ちばねでは、０．０２５インチ（０．６３５ｍｍ）の磨耗、及び、ニゲーターばねでは、０．０１０インチ（０．２５４ｍｍ）の磨耗である、リング運動距離が５０億インチ（１．２７億ｍ）を上回っての磨耗寿命が明示された。どちらの場合も、寿命末期ではなかった。ニゲーターばねは、片持ちばねを用いた場合のようには、ばね力が減少しないので、さらに５０〜１００億インチのリング運動距離が可能であろう。

円形ＦＯＴブラシ構成においては、最高の界面温度は、ブラシの中央部であろうと予測される。この理由により、先行技術のＦＯＴブラシ設計は、約５０パーセントの繊維が中央部から除去されるように変更された。これにより、ブラシの端から軸方向を見るとき、アニュラス横断面を有する改善されたブラシ・アセンブリがもたらされた。図４参照のこと。この形状において、アニュラスは、２つの仮想的同心円の間に画成された。しかし、望ましいことではあるが、この配置は不変ではない。他の環状の形状及び構成が使用されてもよい。この改善されたアブラシ・アセンブリは、摩擦熱を減らし、及び同時に、接線コンプライアンスを増やす効果を有する（即ち、ばね定数の逆数、又は、Ｃ＝ｘ／Ｆ、ここで、Ｃは接線コンプライアンスであり、ｘは変位であり、及び、Ｆはその変位を作り出した力である）。シグナルインテグリティ（signal integrity）が重要であるとき、と特に高速の表面速度では、高い接線方向ブラシ・コンプライアンスは、リングに軸方向（パンケーキタイプ・スリップ・リング）、又は、半径方向（ドラムタイプ・スリップ・リング）振れ（run out）がある場所で、電気接点を保持するのに不可欠である。

図５は、このブラシ設計の接線コンプライアンス、及び、ブラシの接線コンプライアンスを測定するために使用される装置を示す。なお、ブラシ・チューブは、固定具内に置かれ、力Ｆは、ブラシ軸に垂直な変位を作り出すために、ブラシの遠位端の方向に加えられた。

ブラシ中央部の繊維が除去されているものと、ないものとの、ＦＯＴブラシの接線コンプライアンスの比較が図６に示されている。なお、改善されたＦＯＴブラシ・アセンブリの接線コンプライアンスは、中央部繊維が除去されなかった先行技術のＦＯＴブラシ・アセンブリのそれより実質的に大きい。接線コンプライアンスは、繊維直径を減らすことにより、繊維の自由長（即ち、チューブの端部から繊維の先端までの繊維長）を増やすことにより、及び／又は、ブラシ・アセンブリの中央部における開口部の直径を増やすことにより増やすことができる。

多数の試験において、界面接点エリアは、ブラシ材料が軟化又は溶融し、そしてリングに付着するような温度に到達できることが示された。接点界面に連続的に潤滑剤を加える能力は、摩擦係数を減らすために極めて重要である。潤滑剤の性質と配合は、長期の電気接点寿命を達成するための主要因子である。種々の電気接点潤滑剤が試験された。これらには、ジエステル、フッ化炭素、ハロカーボン、炭化水素、及び、ポリフェニルエステルが挙げられる。

潤滑剤用チャンバーが、接点の界面エリアに潤滑剤の連続的流れを提供するブラシ・チューブの中に組み込まれた（図７参照）。リザーバから接点界面への潤滑剤の流れは、繊維間の断面間質空間を、及び従って、潤滑剤が接点界面に流れるための断面積を決定する繊維直径によって、コントロールすることができる。用途次第であるが、繊維の直径は、０．００２〜０．００５インチ（０．０５０８〜０．１２７０ｍｍ）で変わる。図８Ａと図８Ｂを参照のこと。図８Ａは、多数の小さな直径の繊維を有する改善されたＦＯＴブラシの遠位端を示す。図８Ｂは、より少数の大きな直径の繊維を有する改善されたＦＯＴブラシの遠位端を示す。図８Ａと図８Ｂは、繊維間の間質性空間は、繊維直径と共に増えるが、かかる間質性空間の数は、繊維直径に反比例して変わることを示している。

接点の界面エリア内への潤滑剤の連続的流れはまた、接点の界面エリアでの酸化を最小にし、及び従って、非貴金属をより容易に使用することができる。銀及び金の合金は、ブラシ材料として使用されてきており、及び、銅又はスズのリングの上に電着された銀又は金は、ここ何年かの間、広く使用されてきた。電着物がリング上に使用されるとき、繊維ブラシ材料の選択は、電着材料に適合しなければならず、さもないと、早期の磨耗が、ブラシ及び電着材料の双方に起こり得る。なお、下層のリングが露出するように、電着材料が磨耗するとき、リング及びブラシは、より早い速度で摩耗し、双方にとって、寿命末期は両者ともに近い。もしも、電着材料がリング上に使用されないならば、そのときは、繊維材料、潤滑剤及びブラシ力は、ブラシ・アセンブリの寿命の間、良好な接点を作ることができるようでなければならない。摩擦係数を減らすこと並びに非貴金属接点表面上の酸化程度を最小にすることに基づいて、潤滑剤を、選択及び配合することができる。銀合金、金合金、銅合金（例えば、真鍮、ベリリウム銅、ブロンズなど）を、繊維ブラシのために使用することができ、そして、リング材料を、不活性の電着物なしで、銅、及び、銅合金から製造することができる。これらの選択により、著しいコスト削減の基盤がもたらされる。

明らかにされたことは、従来のＦＯＴブラシの中央部から、約５０パーセントの繊維を除去することは、摩擦熱を著しく減らし、及び、図１Ｃ〜３Ｉに参照された、付着磨耗を取り除いたことである。表面速度１４．４ｍ／ｓｅｃで動く、９インチの直径のロータ上での計測は、改善されたＦＯＴブラシの電流密度能力が著しく改善されたことを示した。この検討は、１４．４ｍ／ｓｅｃで動くとき「ｒｐｍ効果」を示すロータを用いて実施された。１つの試験プラットフォームからの摩擦熱と電気加熱試験と、別のものからのものとを比較するとき、前の式に対して、別の項を導入する必要がある（同文献３１〜３２にて）
θ = i²R / 4Jr(k₁+k₂)
ここで、ｉは接合部により伝えられる電流であり、及び、Ｒは電気抵抗である。

このように、高速で作動するとき、温度上昇への複合効果は次式で与えられる：
θ = fLv+i²R / 3.6J(r³k₂p₂c₂v)^1/2= 1 / 3.6J(r³k₂p₂c₂v)^1/2* fLv^1/2+i²R/v^1/2

１つの試験プラットフォームからのブラシ温度上昇測定値と、別のものからのものとを比較するとき、いくつかのリング・パラメーターを考慮に入れる必要がある。表１は、改善されたブラシを試験するための予備磨耗検討において使用されたロータ用の関連するパラメータを、先行技術のブラシを試験するために使用された、より大きい直径のロータ用の対応するパラメータと比較している。

双方の場合において、ロータの質量と比較すると、ブラシの質量は小さく、従って、ロータと連続的に接触しているとき、ブラシはより熱くなり、その理由により、熱が、ブラシからロータに流れる。このように、ロータの熱特性は大変重要である。表１は、改善されたＦＯＴブラシを試験するために使用されたロータは、ロータ温度を１℃増やすために３．３カロリを必要とし、しかるに、先行技術のブラシを試験するために使用されたロータは、ロータ温度を１℃増やすために１０１カロリを必要とすることを示す。図９Ａ及び９Ｂは、１４ｍ／ｓｅｃまでの速度で、電流を増やすのに対して、改善されたＦＯＴブラシ設計対先行技術の設計についての温度上昇を比較している。図９Ｃは、表面速度に対して、改善されたＦＯＴ設計と先行技術の設計のブラシについての摩擦熱を比較している。表２は、図９Ａ、９Ｂ、及び、９Ｃから取られた摩擦及び電気試験の結果の比較である。

改善されたＦＯＴブラシは、これらの結果に基づき、先行技術のブラシよりも著しく小さい摩擦、及び、電気加熱を発生させ、及び従って、ブラシの中央部から１０００本の繊維を除去することは、ブラシの性能を損なわずに、そうではなく、事実、その性能を大幅に改善した。これらの結果は、界面温度は、ブラシ材料が軟化し、及び、リングに移動するほど高いことを示した先行技術のブラシ試験と一致している。（上記の、パラグラフ［００８３］を参照のこと）

片持ちばねは、機械的不安定性により、連動することが難しいことが知られている。（非特許文献３を参照のこと）
『もしもばねが、ブラシが１つの方向に動くとき、ばね力を解放し、それを他の方向に増やすように振動することができるならば、びびり振動が、片持ちばねのブラシに起こり得る。＊＊＊このびびり振動を、（１）ブラシをできるだけ短く保つこと；（２）負荷を受けているとき、事実上真っ直ぐであるようにばねを設計する；及び、（３）図４：７ｂに示すように、ばねを先細にすることにより、最小化できる。先細にすることは、自然周期が共鳴振動に使用可能である可能性を減らす。』
上記テキスト中の参照図面は、図９Ｄとして、本明細書に再現されている。

また、片持ちばねは、ブラシ力（Ｆ）がブラシ磨耗（ｘ）と共に減り、最終的にブラシの寿命が、全ての電気的要求事項を満たすのに必要な最小法線力によって制限されるという問題を有する。もしも、適切なブラシ力が無ければ、シグナル・ブラシ（signal brush）は、容認可能な電気ノイズ・レベルで動作しないであろう、そして、パワー・ブラシ（power brush）は、アーク放電を受ける可能性がある。これは、何十億インチものリング運動距離が可能なブラシに対する重要な因子である。ニゲーターばねは、ブラシの寿命の間中ずっと、所定の変位範囲をに亘って、実質的に一定の力を保持し、それ故、ブラシ寿命は、ブラシ磨耗と共に減少する力によっては、制限されない。同様に、ニゲーターばねは、固有の減衰メカニズムを提供し、及び、それ故、ブラシばねの「びびり振動」は除かれる。
（ニゲーターばね設計を備えたＦＯＴブラシ）

通常は、ニゲーターばねは、良好な導電体でないステンレス鋼のような材料から製造される。その理由により、コンポジット・ブラシの電気的接続は、編組リード線及びシャント（shunt）を用いて作られている。図１０を参照のこと。ニゲーターばねが、コンポジット・ブラシとともに使用されるとき、ニゲーターばねの主目的は、広い範囲のブラシ変位に亘って、一定の力を提供することである。もしも、コンポジット・ブラシが０．２０〜０．３０インチ（５．０８〜７．６２ｍｍ）だけ磨耗するならば（磨耗プラス機械的振れ）、法線力は一定に保持される。ＦＯＴブラシを備えた多数のニゲーターばね設計が、図１１Ａ〜１１Ｄに図示されている。図１１Ａは、電気接続を作るための、及び、潤滑剤リザーバである手段を提供することができる、共通金属ホルダー内の、多数のＦＯＴブラシを示す設計である。これらのブラシの各々は、図７に示された設計と同一である。多数のＦＯＴブラシが、高電流密度の要求のために提供されている。図１１Ｂは、電気接点、及び、潤滑剤リザーバを作る、代替の手段を図示する。図１１Ｃは、片持ちばねとニゲーターばねを有し、電気的導電性があり、及び、潤滑剤リザーバを含むハイブリッド設計である。図１１Ｄは、ニゲーターばね、及び、潤滑剤リザーバを有する装置のもうひとつの設計である。
（ＦＯＴブラシ回路基板設計）

図１２は、片持ちばねと共に取り付けられた、多数の先行技術のＦＯＴブラシを備えたプリント基板の写真である。示された基板の巾と長さは、ほぼ３．７５ｘ１３インチ（９．５２５ｘ３３．０２ｃｍ）である。

図１３に示されたニゲーターばね設計のためのプリント基板は、片持ちばねを使用した場合の、４〜５分の一の大きさになり得る。これは、パッケージングのためのスペースが限られているとき、重要な要素となり得る。
（改善されたＦＯＴ寿命試験）

長時間寿命試験が、このブラシ設計の性能を検証するために、高い接線コンプライアンスのＦＯＴブラシで行われた。試験は、片持ちばね、及び、ニゲーターばねで行われた。図１４、及び、表３はデータの編集物である。

図１５Ａ〜１５Ｂ、及び、１６Ａ〜１６Ｂは、片持ちばね及びニゲーターばねについて、それぞれ、４．２２ｘ１０^９及び５．５ｘ１０^９インチ［１０．７１８８ｘ１０^９及び１３．９７ｘ１０^９ｃｍ］のリング運動距離後の、高コンプライアンス・ブラシの条件を示す。なお、リングの総運動距離後に、ブラシが極めて良好な形状を保っていること；即ち、最小の総磨耗量、及び、付着磨耗メカニズムによって除去されるブラシ材料の兆候がない。図１５Ｂ、及び、１６Ｂは、それぞれ、図１５Ａ、及び、１６Ａに示すブラシの側面図である。なお、ニゲーターばねで試験されたブラシの条件に基づき、これらの試験は、さらに５０〜１００億インチ（１２７〜２５４億ｃｍ）延ばすことができよう。これが可能であることの主な理由は、界面接点エリアへ連続的に潤滑剤を供給する能力、及び、ブラシの減衰、及び、ニゲーターばねが、寿命を通じて一定の力を提供する能力のためである。

改善されたＦＯＴブラシ設計のパラメータは、太陽電池駆動メカニズム、航空機、及び、ミサイル誘導プラットフォーム、風力エネルギーシステム、コンピュータ断層撮影（ＣＴスキャン）システム等の、種々の軍用、及び、商用用途に対する、広範囲のブラシ、及び、スリップ・リング要求事項を満たすように組み合わせることができる。１つの又は複数の改善されたＦＯＴブラシ設計の、設計パラメータ、及び、それらの１つの、又は、複数の効果が、表４に纏められている：

（変更）

本発明は、多くの変化、及び、変更が行われる可能性を予期する。

例えば、アニュラス部は２つの同心円の間に形成され得る。あるいは、アニュラス部は他の幾何学的形状、及び、形態の間に形成される可能性がある。ブラシ材料は、要望通りに変えられ得る。潤滑剤は、記述された種類のものであってよく、又は、他の潤滑剤が使用されてもよい。潤滑剤は、ジエステル、フッ化炭素、ハロカーボン、炭化水素、ポリフェニルエステルであってよく、ある他の種類であってもよい。潤滑剤リザーバは、ブラシを受けるため、並びに、潤滑剤を蓄え、及び、分注するために多数の形態であり得る。潤滑剤リザーバは、いくつかの異なった電気的接続を可能にする。ある（しかし、すべてではない）別の電気的接続に対して、例えば、図１０〜１１Ｄを参照のこと。潤滑剤リザーバの体積、又は、容積は変っても、又は、変化してもよい。リザーバは、要望通りに、時々潤滑剤で補充されてよい。

上述したように、銀合金、金合金、及び、銅合金（例えば、真鍮、ベリリウム銅、ブロンズなど）を、繊維ブラシのために使用してよい。他の種類の材料を使用してもよい。同様に、リング材料を、銅、及び、銅合金から製造してよいが、他のリング材料も使用してよい。

改善されたスリップ・リングの独自の特徴は、もしも潤滑剤が界面接点エリアに連続的に供給されるならば、リング上に、電着物なしでも作動することが可能である。

ニゲーターばねは、広範囲のブラシ力を提供する、ブラシ・アセンブリの寿命を通じて、一定の力を提供する、及び、ブラシ振動を減衰する能力を提供する。

それ故、本発明はスリップ・リングのための改善された電気接点を提供し、いくつかの変更が議論されたが、当業者には容易に理解されるように、以下の請求項に規定、及び、差別化されているように、本発明の精神から逸脱することなく、種々の別の変化、及び、変更がなされてよい。

Claims (26)

1. ステータとロータとの間の電気接点を提供するように適合されたスリップ・リングであって、
   該スリップ・リングは、該ステータの上に取り付けられたブラシ・チューブを有し、及びいくつかの個別繊維からなる繊維束を有するブラシ・アセンブリを含み、該繊維の１つの周縁端部分は、該ブラシ・チューブ内に受け入れられ、上記繊維の他の周縁端部分は、上記ブラシ・チューブを越えて上記ロータに向かって伸びて上記ロータに接触していて：
   上記ブラシ・チューブの下で上記ロータに向かって伸びて上記ロータに接触する繊維がアニュラスの形状であるように、上記繊維の中央部分が上記ブラシ・チューブの下で、除去されたことを含んでなり、
   上記ロータと上記ステータとの間の相対的回転速度が、上記繊維の材料の上記ロータへの付着を生じさせないように増大させることができるように、上記アニュラスの形状の繊維の先端と上記ロータの間の接点の界面エリアは減少させられ、そして
   上記ロータとのその接点で、上記繊維束の接線コンプライアンスが、もしも、上記中央部分が除去されなかったならば、上記繊維束の接線コンプライアンスの２倍より大きい、
   上記スリップ・リング。
2. 前記繊維束の接線コンプライアンスが、前記繊維の直径、前記ブラシ・チューブの端部から前記繊維の先端に向かって、前記繊維の自由長、及び、前記中央部分のエリアの関数として変え得る、請求項１に記載のスリップ・リング。
3. 前記ブラシ・チューブの一部分が、前記繊維の１つの前記周縁端部分の一部をその中に保持するために、クリンプ加工又はスエージ加工されている、請求項１に記載のスリップ・リング。
4. 前記ロータとのその接点で、繊維束の接線コンプライアンスが、もしも、前記中央部分が除去されていなかったならば、前記繊維束の接線コンプライアンスの２．５倍より大きい、請求項１に記載のスリップ・リング。
5. 前記繊維束が約２０００本の個別繊維を有する、請求項１に記載のスリップ・リング。
6. 前記中央部分が、約１０００本の繊維を含む、請求項５に記載のスリップ・リング。
7. 前記中央部分が、前記繊維束において約半分の繊維数を含む、請求項１に記載のスリップ・リング。
8. 前記アニュラス部が、実質的に一定の半径方向厚さを有する、請求項１に記載のスリップ・リング。
9. 前記繊維が、０．００２〜０．００５インチの範囲の直径を有する、請求項１に記載のスリップ・リング。
10. 各繊維が、約０．００３インチの直径を有する、請求項９に記載のスリップ・リング。
11. 前記チューブを越えてそして前記ロータに向かって伸びている前記繊維の長さが、０．３〜０．７インチの範囲である、請求項１に記載のスリップ・リング。
12. 前記チューブを越えて、前記ロータに向かって伸びている前記繊維の長さが、約０．４０インチである、請求項１１に記載のスリップ・リング。
13. 前記中央部分の横断面積は、前記繊維束の横断面積の２／３より大きい、請求項１に記載のスリップ・リング。
14. 前記繊維束の接線コンプライアンスが、前記ロータとのその接点で、約０．００６３５０インチ／グラムである、請求項１に記載のスリップ・リング。
15. 前記中央部分が、前記ロータとのその接点で、除去されていなかった繊維束の接線コンプライアンスが、約０．００１３９インチ／グラムである、請求項１４に記載のスリップ・リング。
16. 前記ロータとのその接点での、繊維束の接線コンプライアンスが、もしも、前記中央部分が除去されていなかったならば、前記ロータとのその接点での繊維束の接線コンプライアンスの４．５倍より大きい、請求項１に記載のスリップ・リング。
17. さらに、前記ブラシ・チューブより上の、前記繊維束と流体連通しているリザーバ；及び、該リザーバ内に潤滑剤を含んでなる、請求項１に記載のスリップ・リング。
18. 前記潤滑剤が、ジエステル、フッ化炭素、ハロカーボン、炭化水素、及び、ポリフェニルエステルの少なくとも１つを含む、請求項１７に記載のスリップ・リング。
19. 前記リザーバが、前記繊維の間のスペースを通じて、前記繊維束と流体連通している、請求項１７に記載のスリップ・リング。
20. 前記スペースを通る潤滑剤の流量が、前記スペースの大きさの関数である、請求項１９に記載のスリップ・リング。
21. さらに、前記繊維束を前記ロータに向かって強く押すための、弾力的手段を含んでなる：請求項１に記載のスリップ・リング。
22. 前記繊維束が、実質的に一定の力で、前記ロータに向かって強く押される、請求項２１に記載のスリップ・リング。
23. 前記弾力的手段が、ニゲーターばねを含む、請求項２１に記載のスリップ・リング。
24. 前記弾力的手段が、片持ちばねを含む、請求項２１に記載のスリップ・リング。
25. 前記ロータ及びステータの前記の他の一方が、電着材料を有していない、請求項１に記載のスリップ・リング。
26. 前記繊維が、銀合金、金合金、及び、銅合金の少なくとも１つから形成される、請求項１に記載のスリップ・リング。