JPH0234154B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般に、相対的に回転する部材の間で
電流を転送する電流転送装置の改良に関するもの
であり、そのような装置の一般的な分類はスリツ
プリングと称する。具体的に本発明は、宇宙航空
技術において利用される相対的に回転する部材の
間などの固定子部材と回転子部材の間で電流を送
る電流転送装置の改良に関するものであり、これ
は相対的に回転する部材の軸方向の長さに沿つて
比較的短い距離を非常に多くの回路から電流を転
送する場合、高度の信頼性と長い寿命の期待値を
必要とする場合である。

回転する電気導体組立体は一般には新規ではな
く、これまでより一般的なスリツプリングおよび
ブラシ組立体の代りとして使用されてきた。たと
えば本出願人による米国特許第4098546号には、
ジヤイロスコープ等の検出装置の相対的に回転す
る部材の間で電流を送る実質的に摩擦がゼロの全
回転自由度の電気導体組立体が記載されている。
この組立体の各電気転送装置は一対の軸方向に同
心的であり同じ平面上にあり連続した凹型導体リ
ングを有し、一方は相対的に固定された部材の上
に装置され、他方は相対的に回転する部材の上に
装着され、リング間の相対的な直径によつてその
間に実質的に環状の半径方向ギヤツプを構成して
いる。この半径方向ギヤツプの中に可撓性の連続
した導電性フイラメント状ループが配置され、そ
の全体として平坦な外側表面は導体リングの凹面
と接触してその上で回転する。このループまたは
導体インタフエースは自己捕捉力および保持力を
与え、回転部材に摩擦トルクを生ずることなくす
べて振動および（または）衝撃の多い環境のもと
でリンク間のどんな不整合にも、また半径方向ギ
ヤツプ内のループの動きにも適応することができ
る。

上に述べた発明の大きな欠点は、相対的に回転
する部材の軸方向の長さに沿つて測つた比較的短
い距離を転送できる電流の本数が限られてしまう
ことである。軸方向の長さが増して相対的に回転
する部材の間で転送すべき電流に必要な回路の数
が増えると、長さが増したために熱および振動の
問題が発生し、これはかさばるとともに組立てが
困難になり、多くの使用状況には適さない不安定
になる恐れのある構造となる。相対的に回転する
部材の間で高密度の電気回路から電流を転送する
問題を解決するすべての公知の従来の試みは不成
功に終り、相対的に回転する部材の軸方向に長さ
を増すことに集中していた。相対的に回転する部
材の間で高密度電気回路から電流を転送すること
に関連する装置の大きさがふえる問題の他に、航
空および人工衛星の応用分野では一般的な悪い条
件のもとで効率的に動作することができる非常に
信頼性の高いかつ環境に強い装置に対するニーズ
もあつた。信頼性と共に保守の容易さも必要な条
件である。したがつて相対的に回転する部材にわ
たつて高密度電気回路から電流を転送しジヤイロ
スコープ装置などの衛星構体および（または）測
定装置の効率的で信頼性のある動作が航空応用技
術において特徴的な時としてきびしい環境条件の
もとで得ることができるように問題を解決するこ
とが航空宇宙産業では必要である。本発明を実施
すれば、相対的に回転する部材の軸方向の長さに
沿つて測つた13インチ（33.0cm）の距離にわたつ
て200程の回路から効率的に電流を転送すること
ができる環境的に丈夫な電気導体組立体を宇宙航
空産業に提供することができる。

本発明によれば、相対的に回転する部材の間で
高密度電気回路の電流を転送することに関する上
述の問題点は本発明を実施することによつて非常
に大きく緩和される。本発明は、固定子部材およ
び回転子部材に形成され半径方向に間隔をおいた
環状の開口の中において固転子部材および回転子
部材に固定された同心の導電性リングの間に半径
方向に間隔をおいた環状のギヤツプを複数形成し
た電気導体組立体を提供する。環状の半径方向ギ
ヤツプの幅よりも大きな自由半径をもつ可撓性の
フイラメント状導電性ループをギヤツプの中に配
置し、これは導電性リングの平行な表面と接触し
てその上で回転する。導体ループに対して半径方
向の環状ギヤツプを１つだけしか有さない従来技
術の電気導体組立体とは異なり、本発明は同心の
環状半径方向ギヤツプを複数有し、したがつて環
状の半径方向ギヤツプの数を増やせば非常に多数
の電気回路を収容することができる。より具体的
には、この環状の半径方向ギヤツプは相対的に回
転する部材の表面から伸びる垂直な壁によつて画
成される。これらの垂直な壁は封入包囲体を形成
し、その中で電気導体ループが導電性リングの表
面の上を回転しながら接触する。導電性リングは
電気導体に結合されているので、そうでなければ
非常に多数の回路を収容するのに必要であつたで
あろう軸方向の長さが増大するために生ずる振動
および熱の問題を引き起こすことなく、非常に多
数の電気回路に対して固定子部材および回転子部
材を通つて電気的な連続性を確立することができ
る。

第１図を参照すると、ジヤイロスコープのジン
バル支持装置が部分拡大断面図で示されており、
具体的に例を示すと、ジンバル１０、すなわち回
転部材とベースまたはハウジング１１、すなわち
固定部材との間の支持に関連する電流転送装置の
断面が示されている。図示のように対象軸を有す
る固定ハウジング１１は前記対象軸と共通の軸１
４の回りに回転するようにジンバル１０に装着さ
れたトラニオン１３を通して精密ボールベアリン
グ１２の中にジンバル１０を支持しており、固定
電気装置から本発明の導体組立体への導体４５の
ための通路を有する。トラニオン１３は円筒形で
あり、本発明の電気導体組立体からジンバル組立
体に支持された電気装置への電気リード４６の通
路を構成する。トラニオン１３はたとえば取付ボ
ルト１５などの適当な手段によつてジンバル１０
に取り付けられている。ベアリングの保持リング
およびクランプネジ１６はボールベアリング１２
の位置を固定する。したがつてこの相対的に回転
する部材は半径方向に間隔をおいた複数の環状の
壁１１′，１１″および１３′を有し、これらは軸
１４と平行に伸び、これらは相互間に半径方向に
間隔をおいた複数の同心開口３６，３７を形成し
ている。本発明は当然ジヤイロスコープなど以外
の装置にも適用できることは明らかであり、たと
えば、衛星のスピン構体と非スピン構体との間や
衛星のポインテイングシステム軸の間などのよう
な宇宙船の相対的に回転する構体の間で電流を転
送する場合に非常によく適応できる。

本発明の電気導体組立体は、対象軸を有する固
定ハウジング１１と相対的に回転するジンバル１
０との間で機械的な摩擦や結合トルクを実質的に
ゼロとしたまま複数の電力および（または）信号
を転送する機能を有する。一般にこの導体組立体
は、固定の外側円筒ハウジング１１と、壁１１′
によつて形成される一体型凹型円筒支持体と、同
じ軸方向に伸びた外側円筒表面２０及び内側円筒
表面２１を有する。ハウジング１１の表面２０お
よび２１に沿つて均等にかつ軸方向に複数組の導
電性リング２２および２３が配置され、これは同
一平面上にあつて環状をなし凹面を有する。ここ
では導電性リング２２を外側ハウジング導体リン
グと称し、導電性リング２３を内側ハウジング導
体リングと称する。ハウジング２２，２３は第３
図に詳細に示すが適当な導電性材料からなり、そ
のような応用例に通常使用される金の合金を前述
の特許に記載のようにハウジングリングの凹面に
被着させる。円筒トラニオン部材１３は外側表面
３０および内側表面３１を有し、これらはそれぞ
れ対応する表面２０および２１と軸方向に同じ方
向に伸びている。トラニオン１３の内側表面３１
および外側表面３０に沿つて均等に同様な複数組
の円形凹面導電性リング３２および３３が配置さ
れている。以後導電性リング３２は外側トラニオ
ン導体リングと称し、導電性リング３３は内側ト
ラニオン導体リングと称する。トラニオン導体リ
ング３２，３３はリング２２および２３と同様に
製作する。リング２２，２３，３２および３３
は、プラスチツクまたはその他の適当な絶縁材料
からなる適当な絶縁ウエーフアまたは分離壁４０
によつてたがいに分離されている。各内側ハウジ
ング導体リング２３はハウジング１１の中におい
て、トラニオン１３と関連する対応の内側トラニ
オン導体リング３３と同一平面上にあるように正
確に軸方向に配置されている。リング２３，３３
の半径方向の寸法によつて実質的に環状の半径方
向ギヤツプ３７が形成される。同様に、各外側ハ
ウジング導体リング２２はハウジング１１の中に
おいて、トラニオン１３に関連する対応の外側ト
ラニオン導体リング３２と正確に軸方向に一致す
るように配置されている。リング２２，３２の半
径方向の寸法によつて実質的に還状な半径方向の
ギヤツプ３６が形成される。これらの同心の半径
方向に間隔をおいたギヤツプ３６，３７のそれぞ
れの中には、少なくとも１つの可撓性フイラメン
ト状導体ループが配置され、これは導体リング２
２，３２および２３，３３の凹型接触面と接触
し、これの上で回転する。導体リングとフイラメ
ント状導体ループとの間の接触インタフエースは
前述の特許に記載のものと同じかまたは実質的に
同じであり、ループはリングの間で自己捕捉さ
れ、自己整列する。分離壁４０はたがいに各導体
ループを効果的にシールする個々の包囲体を形成
し、たとえいずれかのループが折れるような起り
えない場合においても、他の導体から分離され、
他の導体を破損したり短絡したりすることがな
い。分離壁４０はさらに導体ループがモジユール
組立中破損するのを保護している。スペーサ４０
の半径は、スペーサが環状半径方向ギヤツプ３６
および３７の中へ伸び、スペーサ間にわずかな環
状のクリアランスが残つてこれらのループのおの
おのごとにシールされた包囲体を形成するように
なされている。同様に、エンドキヤツプ４１，４
２がそれぞれ端部でギヤツプ３６，３７を横切つ
て半径方向に伸び、ギヤツプ３６および３７が汚
染されないようにラビリンスシールを形成するよ
うな形状にしてもよい。

実際上、一般的に上に述べた電気導体は別々の
部品から構成され、ボルトなどの適当なフアスナ
によつてたがいに組み立てられ、のちに説明する
ような環状モジユール組立体を形成する。つぎに
このモジユールをハウジングおよびトラニオン環
状スペースの中に挿入して固定し、全体の導体組
立体を形成する。たとえばこれらの同心モジユー
ルをハウジングの凹型円筒状部分のネジ部３４お
よびナツト３５、ならびに円筒状トラニオン１３
およびハウジング１１に固定された適当なリング
リテイナ２９によつて位置を固定する。もちろ
ん、この電気導体組立体は上述の米国特許第
4098546号に記載されたモールドプラスチツク技
術を使用して構成してもよい。

ジンバルすなわち回転子１０を通してドリルで
穴を開け、電気導体４６，４７のための通路を設
け、これはこのジンバルによつて支持される電気
部品まで伸びている。また同様な穴をハウジング
１１の中にドリルで設け、このハウジングに関連
する固定電気部材まで伸びる電気導体４５，４８
の通路を形成することにも注意すべきである。第
１図の実施例からわかるように、図示の電気導体
組立体は全部で16の別々の回路を収容することが
できる。しかし非常に高い信頼性が必要な場合
は、各導体リードを交差ストラツプし、１回路あ
たり２つの導体／ループ接点を設けるようにして
もよい。たとえば、第２図の電気リード４７，４
８は１組の導体リング３２，２２に結合され、そ
れぞれ電気リード４６，４５に接続してもよい。
これらは対応する一組の導体リング３３，２３に
結合され、回転子部材と固定子部材との間に複数
の並列な導体／ループ回路を構成する。この冗長
な回路構成は冗長な回路が望まれる宇宙技術では
非常に有利であることがあり、たとえ１つのフイ
ラメント状導体ループが障害を起こしても他方の
導体ループが電気的な連続性を維持する。または
この代りに導体リング３２，３３を専用の別なリ
ングとしてではなく一体的なリングとして形成し
てもよい。

つぎに第２図を参照すると、本発明の封入接点
組立体の端面図が示されており、これは環状半径
方向ギヤツプ３６および３７の中に円筒状フイラ
メント導体ループ４４を典型的にはランダムに配
置したものである。前述の特許に記載のように、
導電性連続フイラメントループ４４は環状の半径
方向ギヤツプ３６の中に少なくとも一組のリング
あたり１ループ配置され、その断面は全体として
矩形をなし、その外側の端面が好ましくは角が取
れて丸みを帯び導電性を増すようになし、同心リ
ング２２および３２の向う凹面と接触してその上
を回転し、これによつてリード４８と４７の間の
ループを保持する機械的な力および導電性を与え
るようになつている。同様に、可撓性の導電性連
続フイラメント状ループ４４を環状の半径方向ギ
ヤツプ３７の中に複数配置し、すなわちリングの
組２３，３３ごとに１つのループ４４を配置して
その外側の全体的に平坦な表面が同心リング２
３，３３の凹面と接触してその上を回転するよう
にしている。

可撓性フイラメント状導体ループの設計パラメ
ータを決めるために考えなければならない主なこ
とは与えられた動作期間にわたつてループ導体イ
ンタフエースにおける実効接触抵抗を最小にし、
大きな結合トルクを生ずることなく衝撃と振動の
多い環境においてリングの間でループが自己保持
する可能性を最小にし、ループ／導体リングイン
タフエースの導電性を最大にし、本組立体の信頼
性および寿命を最大にすることである。第２図か
らわかることは、導体ループ４４ならびに導体リ
ング２２，２３，３２および３３はすべて組立体
ハウジング１１の内側にあり、したがつて使用中
隣接する装置から保護され、通常の使用状態にお
いては露出して障害物とふいに接触したりするこ
とはないことである。

第３図を参照すると、本発明の電気導体組立体
の拡大部分断面図が示されており、導体／ループ
環状モジユールの好ましい形状を詳細に示すもの
である。モジユール５０の中には標準的なループ
４４／外側ハウジング導体リング２２インタフエ
ース、ならびに標準的なループ４４／外側トラニ
オン導体リング３２インタフエースがある。導体
リング２２，３２の対向する凹面はその間に圧縮
されたループ４４の自己捕捉および保持力を与
え、空洞の深さは、前述の特許に記載のようにジ
ヤイロスコープを使用する衝撃および振動の多い
環境の苛酷さに応じて選定する。また、リングの
組２２，３２の隣接するリング間に配置された絶
縁体スペーサ４０は半径方向の環状ギヤツプ３６
を横切つて伸び、好ましくは数ミルのオーダの非
常に小さいギヤツプを残すようにする。絶縁スペ
ーサ４０は導体ループ４４ごとに個々に環状の包
囲体または包囲室を形成し、前述のように摩耗し
た破片で他のループを汚すことのないようにして
いる。また、エンドキヤツプ４１，４２も環状半
径方向ギヤツプ３６を横切つて伸び、ラビリンス
状シール５１を形成するような形をとつているこ
とがわかる。外側ラビリンスシール５１は好まし
くは0.010インチ（0.25mm）のオーダの小さなギ
ヤツプをエンドキヤツプ４１，４２の間に形成
し、これによつて本組立体を使用中その内部を汚
染する侵入物を阻止し、またこのモジユールをハ
ウジングの中にたがいに組立てた状態を維持して
そのような組立ての前後を通じて導体ループ４４
が破損しないような附加的な機能も有する。特に
宇宙の応用技術においては、エンドキヤツプ４
１，４２の中に大きな穴をドリルで開け、減圧中
や汚染が一般に重要な問題とはならない軌道飛行
中の排気を容易にしている。

ある応用例では導電性リング２２，２３のアー
チ状表面はその環境の苛酷さに応じて導電性リン
グの１つの上にのみ形成する必要があることを理
解すべきである。好ましくは、導電性リング２
２，２３は銅の合金から製造して所望の凹型形状
に機械加工し、つぎに続けてロジウム、ニツケル
および金、または他の適当な材料の組合せからな
る合金をその上にメツキまたは被着させ、凹型の
導電性リングを仕上げる。または米国特許第
4098546号に記載のように凹型の溝をプラスチツ
クハウジング１１およびトラニオン１３の表面の
上に所望の半径および深さで機械加工または他の
方法で形成し、つぎにこれらを適当にマスクして
金の合金をその溝すなわち凹面の上に所望の厚さ
まで被着させる。導体ループ４４もメツキして導
体組立体の導電特性を高める。

第３図に示すように環状モジユール組立体はリ
ング３２，２２および絶縁ウエーフア４０をモジ
ユール壁５３，５４の中で絶縁被覆ボルト２４の
上に続けて重ね合わせることによつて構成する。
でき上つたモジユールをハウジング１１とジンバ
ル１０の間の環状スペースの中へ挿入し、以下に
述べるようにその場所へ取り付ける。たとえば、
モジユール壁５３，５４の下側のフランジの中に
ドリルで穴を開け逆向きの組立ボルト２６を受け
入れる。つぎに絶縁スペーサ４０ならびに導電性
リング２２および３２の第１の組を絶縁ボルト２
４の上に置いて、つぎにフイラメント状導体ルー
プ４４をリング２２と３２の間に圧縮する。絶縁
スペーサ４０および導電性リング２２，３２の第
２の層を第１の層およびリング間に圧縮された導
体ループ４４の上に置く。この手順はモジユール
がいつぱいとなるまで繰り返す。つぎにエンドキ
ヤツプ４１，４２を最上部ウエーフア４０の上に
置く。つぎに締め付けナツト２５を組立ボルト２
５の上にねじ込みモジユール５０をたがいに保持
する。なおラビリンスシールはこの組立体をハウ
ジングに組立中モジユールの一体性を保持する機
能を有する。

さて第４図を参照すると別な特徴を示す電気導
体組立体の拡大部分端面図が示されている。リン
グの周囲を切り欠いてエンドキヤツプ４１，４２
からモジール壁５３，５４の内面に沿つて伸びる
軸方向チヤネル５２を設け、これをリード４７お
よび４８の通路とする。外側トラニオン導電性リ
ング３２の各部分はモジユール壁５３と当接し、
外側ハウジング導電性リング２２の各部分はモジ
ユール壁５４ならびに当接スペーサ４２と当接
し、チヤネル５２がモジユール壁の底部からエン
ドキヤツプ４１，４２へ伸びるように切り欠いて
ある。導体４７および４８はそれぞれ導電性リン
グ３２および２２の中へドリルで穴を開けた穴に
ハンダ付けされている絶縁線である。これらのリ
ードは組立体より先にリングへハンダ付けしてモ
ジユールを形成することが好ましい。

つぎに第５図を参照すると、本発明のさらに好
ましい実施例を構成する電気導体組立体の部分断
面図が示されている。この実施例は同じ軸方向に
ある回路の数が非常に多い。第１図〜第４図の実
施例に示した２つの環状の半径方向ギヤツプの代
りに３つの環状半径方向ギヤツプ５３，５４およ
び５５が設けられている。３つの環状の半径方向
ギヤツプ５３，５４，５５を有する電気導体組立
体の構成は実質的に第１図〜第４図の実施例の構
成と同じである。なお別なトラニオンシリンダ、
別な１組のトラニオン導電性リング５６およびハ
ウジング導体リング５７、ならびにこれを関連す
る各部品が必要である。必要な実際上の条件に応
じて導体組立体を半径方向に続けて拡張してもよ
いことは明らかである。

本発明をその好ましい実施例について説明して
きたが、ここで使用した表現は説明のためのもの
であつて制限を意味するものではなく、本発明の
広い態様における真の範囲および精神から逸脱す
ることなく特許請求の範囲の記載の中で変更を加
えてもよいことを理解されたい。

本発明を要約すると、実質的に摩擦がなく完全
にまたは部分的に回転する電気導体組立体は一対
の相対的に回転する部材の間で最小の軸方向間距
離で多数の電気回路の電流を流すことができる。
複数の半径方向に間隔を置いた同心環状ギヤツプ
を回転部材に固定した凹面を有する対応の同心導
電性リングの間に形成し、軸方向の長さの短い組
立体の中に非常に多くの回路を収容できるように
する。可撓性のフイラメント状導体ループを導電
性リングとループの間に配置し、導電性リングの
凹面と接触してその上を回転し、これによつて捕
捉される。したがつて相対的に回転する部材の間
に電気的な連続性が得られる。これらの導体ルー
プを個々の構造包囲体の中に封入して、環境的に
清潔で丈夫な組立体が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はジヤイロスコープ装置のジンバル軸の
一つに取り付けた本発明の説明のための電気導体
組立体の断面図、第２図は第１図の線２−２から
見た本組立体の部分断面図、第３図は第１図の電
気導体組立体モジユールの一つの拡大部分断面
図、第４図は第３図の線４−４に沿つて見たその
モジユールの拡大部分断面図、第５図は第１図お
よび第２図に示したような二つの環状半径方向ギ
ヤツプの代りに三つ環状半径方向ギヤツプを有す
る本発明の他の実施例を示す部分断面図である。 １０……ジンバル、１１……ハウジング、１３
……トラニオン、１４……共通軸、２０……外側
円筒面、２１……内側円筒面、２２，２３，３
２，３３……導電性リング、３６，３７……同心
開口、４０……分離壁、４５，４６，４７，４８
……電気リード。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 軸の回りに相対的に回転する一対の部材の間
   で電気的エネルギーを送る回転電気導体組立体に
   おいて、該組立体は、 前記第１の相対的に回転する部材に固定され、
   異なつた直径を有する複数の同心の導電性リング
   と、 前記第２の相対的に回転する部材に固定され、
   前記第１の相対的に回転する部材に固定され同心
   導電性リングの間に平行になり前記第１の回転部
   材に固定された前記同心導電性リングと前記第２
   の回転部材に固定された前記同心導電性リングと
   の間に複数の環状の半径方向ギヤツプを形成する
   異なつた直径を有する複数の同心の導電性リング
   と、 前記平行な同心導電性リングおよび回転部材に
   よつて形成された環状の半径方向ギヤツプの中に
   配置され、環状の形状を有し、ループが配置され
   る環状の半径方向ギヤツプの幅よりも大きい自由
   な直径を有する複数の可撓性フイラメント状導電
   性ループと、 前記平行な同心導電性リングおよび回転部材に
   よつて形成された半径方向ギヤツプの中に前記ル
   ープを保持する手段とを含み、これによつて前記
   ループは前記第１の回転部材に固定された前記導
   電性リングから前記第２の回転部材に固定された
   導電性リングへ電気的エネルギーを送ることを特
   徴とする電気導体組立体。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の電気導体組立体
   において、前記第１の回転部材に固定された前記
   同心の導電性リングは少なくとも２つの異なつた
   直径を有し、前記第２の回転部材に固定された前
   記同心の導電性リングは少なくとも２つの異なつ
   た直径を有し、それらの間に少なくとも２つの環
   状の半径方向ギヤツプを形成することを特徴とす
   る電気導体組立体。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の電気導体組立体
   において、前記第１の回転部材に固定された前記
   同心の導電性リングは少なくとも３つの異なつた
   直径を有し、前記第２の回転部材に固定された前
   記同心の導電性リングは少なくとも３つの異なつ
   た直径を有し、それらの間に少なくとも３つの半
   径方向の環状ギヤツプを形成することを特徴とす
   る電気導体組立体。 ４ 特許請求の範囲第２項または第３項記載の電
   気導体組立体において、前記ループを保持する手
   段は、前記導電性リングの上の複数の凹面と、前
   記回転部材の少なくとも１つから垂直に伸びて前
   記ループを封入する環状包囲体を形成する複数の
   壁とを含むことを特徴とする電気導体組立体。 ５ 特許請求の範囲第４項記載の電気導体組立体
   において、前記保持手段はさらに、 ラビリンス状シールを形成する穴をその中に有
   する端部壁手段を含むことを特徴とする電気導体
   組立体。