(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の導電性ファイバーおよびファイバーからなる複数の導電性撚り線の内の少なくとも１つを含む複数の導電性要素を備え、
前記複数の導電性要素は、不規則に長手方向に間隔を隔てた接触部で互いに接触した接触かみ合いを有し、該接触かみ合いが、前記導電性要素間で弾性応力を維持すると共に前記導電性要素間で不規則に長手方向に延びた空隙を維持する電気ファイバーブラシ用ブラシ・ストック。
【請求項２】
複数の導電性ファイバーおよびファイバーからなる複数の導電性撚り線の内の少なくとも１つを含む複数の導電性要素を備え、
前記複数の導電性要素は、前記導電性要素間で不規則に長手方向に延びた間隙を維持するように前記導電性要素の長手方向に延びた形状固定セグメントで相互接続された接触かみ合わせを有する、前記電気ファイバーブラシ用ブラシ・ストック。
【請求項３】
さらに、表面層、ケーシング、および前記ブラシの表面の少なくとも一部を覆う鎧装の内の少なくとも１つを具備する、請求項１または請求項２に記載のブラシ・ストック。
【請求項４】
前記表面層、前記ケーシングおよび前記鎧装の前記少なくとも１つの単位面積あたりの機械強さが、導電性要素および前記表面層と前記鎧装の内の少なくとも１つに隣接する前記間隙の単位面積あたりの平均機械強さを少なくとも１５％上回る、請求項３に記載のブラシ・ストック。
【請求項５】
前記表面層、前記ケーシング、および前記鎧装の内の前記少なくとも１つが  化学的な組成において、前記表面層、前記ケーシング、および前記鎧装の内の前記少なくとも１つに隣接する導電性要素と異なる、請求項３に記載のブラシ・ストック。
【請求項６】
前記表面層、前記ケーシング、および前記鎧装の内の前記少なくとも１つの平均導電性要素の機械的な剛性が、前記表面層、前記ケーシングおよび前記鎧装の内の前記少なくとも１つに隣接する対応する導電性要素の機械的な剛性より少なくとも１０％大きい、請求項３に記載のブラシ・ストック。
【請求項７】
少なくとも１つの部分を有する鋳型の形状と、を備える、請求項１または請求項２に記載のブラシ・ストック。
【請求項８】
前記ブラシ・ストックに形状を固定する前記導電性要素の間で提供される縫合と、
を備える、請求項１または請求項２に記載のブラシ・ストック。
【請求項９】
前記縫合が、金属ファイバーを備える、請求項８に記載のブラシ・ストック。
【請求項１０】
さらに、ブラシ・ストックの総断面面積に対する前記導電性要素の総断面面積の割合として定義される、２％から７０％の範囲内の、平均比質量偏差fを有する前記ブラシ・ストックと、
を備える請求項１または請求項２に記載のブラシ・ストック。
【請求項１１】
規則的または不規則な螺旋形パターン、規則的または不規則な波状パターン、規則的または不規則なぎざぎざパターン、規則的または不規則な三角形パターン、規則的または不規則な矩形パターン、および前記導電性要素の長さに沿って規則的または不規則なうねるパターンの内の少なくとも１つを定義する湾曲部を有する前記導電性要素と、
を備える、請求項１または請求項２に記載のブラシ・ストック。
【請求項１２】
前記湾曲部が、前記導電性要素の全長に沿ってあちこちに間隔をおいて配置される、請求項１１に記載のブラシ・ストック。
【請求項１３】
前記湾曲部が、前記導電性要素の全長に沿った前記導電性要素の５つの直径を上回る間隔で配置される、請求項１１に記載のブラシ・ストック。
【請求項１４】
前記導電性要素が０．２ｍｍを下回る直径を有する、請求項１または請求項２に記載のブラシ・ストック。
【請求項１５】
前記導電性要素が、少なくとも１つの金属、少なくとも１つの形式の炭素、少なくとも１つの半導体、および少なくとも１つの形式のプラスチックから成り立つグループから選択される材料を含む、請求項１または請求項２に記載のブラシ・ストック。
【請求項１６】
前記表面層、前記ケーシング、および前記鎧装の内の前記少なくとも１つが、前記表面層、前記ケーシング、および前記鎧装の内の前記少なくとも１つに隣接する導電性要素の平均比質量偏差を上回る平均比質量偏差を備える、請求項３に記載のブラシ・ストック。
【請求項１７】
前記表面層が染み込んだ物質を含む、請求項３に記載のブラシ・ストック。
【請求項１８】
前記染み込んだ物質が、金属、潤滑剤、および研磨剤から成り立つグループから選択される、請求項１７に記載のブラシ・ストック。
【請求項１９】
前記表面巣、前記ケーシング、および前記鎧装が、箔および金属薄箔の内の少なくとも１つを備える、請求項３に記載のブラシ・ストック。
【請求項２０】
前記表面層、前記ケーシング、および前記鎧装が、箔片、金属薄箔片、および金属ファイバーの内の少なくとも１つの少なくとも１回転を含む、請求項３に記載のブラシ・ストック。
【請求項２１】
前記箔が少なくとも部分的に金属から作られる、請求項１９に記載のブラシ・ストック。
【請求項２２】
前記金属が、カドミウム、銅、インジウム、鉄、ニッケル、ニオブ、錫、貴金属、カドミウム合金、銅合金、インジウム合金、鉄合金、ニッケル合金、ニオブ合金、貴金属合金および錫合金の内の少なくとも１つを含む、請求項２１に記載のブラシ・ストック。
【請求項２３】
前記箔片が、少なくとも部分的に金属から作られる、請求項２０に記載のブラシ・ストック。
【請求項２４】
前記金属が、カドミウム、銅、インジウム、鉄、ニッケル、ニオブ、錫、貴金属、カドミウム合金、銅合金、インジウム合金、鉄合金、ニッケル合金、ニオブ合金、貴金属合金、および錫合金の内の少なくとも１つを含む、請求項２３に記載のブラシ・ストック。
【請求項２５】
前記金属ファイバーが、カドミウム、銅、インジウム、鉄、ニッケル、ニオブ、錫、貴金属、カドミウム合金、銅合金、インジウム合金、鉄合金、ニッケル合金、ニオブ合金、貴金属合金、および錫合金の内の少なくとも１つを含む、請求項２０に記載のブラシ・ストック。
【請求項２６】
前記表面層、前記ケーシング、および前記鎧装の内の前記少なくとも１つが、さまざまな向きで前記ブラシ・ストックの回りに交互に巻き付けられる少なくとも２本のファイバーを備える、請求項３に記載のブラシ・ストック。
【請求項２７】
前記向きが、ブラシ・ストック縦軸に関して±２０度と±９０度の間の角度を含む、請求項２６に記載のブラシ・ストック。
【請求項２８】
前記表面層、前記ケーシング、および前記鎧装が、さまざまな向きで前記ブラシ・ストックの回りに交互に巻き付けられる少なくとも２つの箔片を備える、請求項３に記載のブラシ・ストック。
【請求項２９】
前記向きが、ブラシ・ストック縦軸に関して±２０度と±９０度の間の角度を含む、請求項２８に記載のブラシ・ストック。
【請求項３０】
前記少なくとも２本のファイバーが、カドミウム、銅、インジウム、鉄、ニッケル、ニオブ、錫、貴金属、カドミウム合金、銅合金、インジウム合金、鉄合金、ニッケル合金、ニオブ合金、貴金属合金、および錫合金から成り立つグループから選択されるファイバーを備える、請求項２６に記載のブラシ・ストック。
【請求項３１】
前記少なくとも２本のファイバーが、金属でメッキされたファイバーを含む、請求項２６に記載のブラシ・ストック。
【請求項３２】
前記表面層、前記ケーシング、および前記鎧装の内の前記少なくとも１つが、所定のサイズおよび形状を備える、請求項３に記載のブラシ・ストック。
【請求項３３】
前記導電性要素の前記接触かみ合いが、前記接触かみ合いをはんだつけ、溶接、電気メッキ、電気泳動、プラズマ噴霧、熱的に噴霧、照射、および加熱することから成り立つグループの内の少なくとも１つによって形成される接合された接触かみ合いを備える、請求項１または請求項２に記載のブラシ・ストック。
【請求項３４】
前記表面層、前記ケーシング、および前記鎧装の内の前記少なくとも１つが、前記接触かみ合いをはんだつけ、溶接、電気メッキ、電気泳動、プラズマ噴霧、熱的に噴霧、照射、および加熱することから成り立つグループの内の少なくとも１つによって形成される前記ブラシ・ストックの周辺層内の接合された接触かみ合いを備える、請求項３に記載のブラシ・ストック。
【請求項３５】
さらに、前記導電性要素間の充填材物質を含む、請求項１または請求項２に記載ブラシ・ストック。
【請求項３６】
前記充填材物質が、強化材、研磨材、潤滑材、および光沢材の内の少なくとも１つを含む、請求項３５に記載のブラシ・ストック。
【請求項３７】
前記充填材物質が、グラファイト、MoS2金属、半導体、プラスチックおよびそのあらゆる混合物から成り立つグループから選択される、請求項３６に記載のブラシ・ストック。
【請求項３８】
前記潤滑剤が、油およびコロイド・グラファイトの溶液の内の少なくとも１つを含む、請求項３６に記載のブラシ・ストック。
【請求項３９】
さらに、
前記導電性要素内で混合され、前記ブラシ・ストックを機械的に強化する前記導電性要素より実質的には堅いサポート・ファイバーと、
を備える、請求項１または請求項２に記載のブラシ・ストック。
【請求項４０】
前記導電性要素が、カドミウム・ファイバー、カドミウム合金ファイバー、銅ファイバー、銅合金ファイバー、銀ファイバー、銀合金ファイバー、銀メッキされた銅ファイバー、銀メッキされた銅合金ファイバー、カドミウム・メッキされた銀ファイバー、金メッキされた銅ファイバー、金メッキされた銅合金ファイバー、銅メッキされた銀ファイバー、銅メッキされた銀合金ファイバー、金ファイバー、銅メッキされた金ファイバー、銀メッキされた金ファイバー、ニッケル・メッキされた金ファイバー、銅メッキされた金合金ファイバー、銀メッキされた金合金ファイバー、ニッケル・メッキされた金合金ファイバー、ニッケル・メッキされた銅ファイバー、ニッケル・メッキされた銅合金ファイバー、ロジウム・メッキされた金ファイバー、ロジウム・メツキされた金合金ファイバー、プラチナ・メッキされた銅ファイバー、プラチナ・メッキされた銅合金ファイバー、ジルコニウム・メッキされた銅ファイバー、クロム・メッキされた銅ファイバー、および金ニッケル・メッキされた銅ファイバーの内の少なくとも１つを含む、請求項１または請求項２に記載のブラシ・ストック。
【請求項４１】
電気ファイバーブラシ用ブラシ・ストックを作成する方法において、
複数の導電性ファイバーおよびファイバーからなる複数の導電性撚り線のうち少なくとも１つを含む複数の導電性要素を準備し、
不規則に長手方向に隔てた接触部で互いに接触した接触かみ合いを有する前記複数の導電性要素を、前記接触かみ合いが前記導電性要素間で弾性応力を維持して前記導電性要素間で不規則に長手方向に延びた空隙を維持するように配列することを特徴とする方法。
【請求項４２】
電気ファイバーブラシ用ブラシ・ストックを作成する方法において、
複数の導電性ファイバーおよびファイバーからなる複数の導電性撚り線のうち少なくとも１つを含む、長手方法に延びた形状固定セグメントを有する複数の導電性要素を準備し、
前記得られた複数の導電性要素を、該要素の異なる前記形状固定セグメントが前記導電性要素の間で不規則に長手方向に延びた空隙を維持して前記導電性要素の形状固定セグメントで相互接続される接触かみ合いで互いに不規則な間隔となるように、配列することを特徴とする方法。
【請求項４３】
さらに、接触かみ合いで前記導電性要素の長さに沿って複数の湾曲部を有する導電性要素を提供することを含む、請求項４１または請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
さらに、弾性応力を受ける前記導電性要素を維持するために、表面層、ケーシング、および鎧装の内の少なくとも１つで、前記ブラシ・ストックの周辺表面の少なくとも一部を被覆することを含む、請求項４１または請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
さらに、前記導電性要素に保護被覆を提供するために、表面層、ケーシング、および鎧装の内の少なくとも１つで、前記ブラシ・ストックの周囲表面の少なくとも一部を被覆することを含む、請求項４１または請求項４２に記載の方法。
【請求項４６】
さらに、所定のサイズおよび形状の鋳型の中で前記配列された導電性要素を圧縮することを含む、請求項４１または請求項４２に記載の方法。
【請求項４７】
さらに、前記導電性要素を圧縮している間に、前記導電姓要素を同時に加熱することを含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項４８】
さらに、前記導電性要素を希望される形状にいっしょに縫合することを含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項４９】
前記導電性要素を圧着する、ねじる、波状化する、螺旋形化する、ひだ付けする、折りたたむ、およびカーリングすることによって形成される湾曲部を有する導電性要素を提供することを含む、請求項４１または請求項４２に記載の方法。
【請求項５０】
前記配列するステップが、
前記導電性要素の層を薄い金属箔上に配置することと、
前記導電性要素の前記層がその上に配置された該薄い金属箔を巻き上げることと、
を含む、請求項４１または請求項４２に記載の方法。
【請求項５１】
前記配列するステップが、
前記導電性要素を巻き上げることを含む、請求項４１または請求項４２に記載の方法。
【請求項５２】
前記配列するステップが、前記導電性要素を撚る、フェルトで覆う、縄になう、マントに編む、螺旋形化する、編む、織り込む、および連結するステップの内の少なくとも１つを含む、請求項４１または請求項４２に記載の方法。
【請求項５３】
さらに、前記導電性要素の間のスペースを、強化材、潤滑材、光沢材、および研磨材の内の少なくとも１つで部分的に充填することを含む、請求項４１または請求項４２に記載の方法。
【請求項５４】
さらに、前記表面層および前記鎧装の内の前記少なくとも１つの少なくとも１つの構成要素の融点温度まで前記ブラシ・ストックを加熱することを含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項５５】
さらに、前記ブラシ・ストックを所定のサイズおよび形状のケーシングの中に挿入することを含む、請求項４１または請求項４２に記載の方法。
【請求項５６】
さらに、前記ブラシ・ストックを、前記表面層、前記ケーシング、および前記鎧装の内の前記少なくとも１つの少なくとも２つの化学成分から形成される合金の融点温度まで加熱することを含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項５７】
さらに、前記ブラシ・ストックを金属共融混合物の成分を含む粉末-混合物の中に浸漬するか、転がすことと、
前記ブラシ・ストックを前記金属共融混合物の融点温度まで加熱することと、
前記ブラシ・ストックを冷却することと、
を含む、請求項４１または請求項４２に記載の方法。
【請求項５８】
さらに、前記ブラシ・ストックの外部の少なくと一部に強化材を噴霧することを含む、請求項４１または請求項４２に記載の方法。
【請求項５９】
さらに、前記ブラシ・ストックを加熱し、前記導電性要素の相互接続で、局所溶解または共晶形成を誘導することを含む、請求項４１または請求項４２に記載の方法。
【請求項６０】
さらに、前記ブラシ・ストックを照射し、前記導電性要素の相互接続で、局所溶解または共晶形成を誘導することを含む、請求項４１または請求項４２に記載の方法。
【請求項６１】
さらに、前記導電性要素の前記接触かみ合いを共晶的に接合することを含む、請求項４１または請求項４２に記載の方法。
【請求項６２】
さらに、前記ブラシ・ストックから希望の長さのブラシを切削することを含む、請求項４１または請求項４２に記載の方法。
【請求項６３】
さらに、前記ブラシ・ストックの端を希望の形状に整形することを含む、請求項４１または請求項４２に記載の方法。
【請求項６４】
さらに、前記ブラシ・ストックの前記端を、意図された回転子またはその他の基板表面の形状と同じになるように整形された研磨材に逆らって滑らせることを含む、請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
前記切削ステップが、
前記ブラシ・ストックの一方の端の少なくとも一部にhardenableまたは凍結可能な液体を染み込ませることと、
前記液体を硬化させるか、凍結することと、
前記ブラシ・ストックを切削することと、前記ブラシ・ストックから前記液体を融解または溶解し、削除することと、
を含む、請求項６２の方法。
【請求項６６】
前記配列ステップが、前記導電性要素の間でサポート・ファイバーを混合することを含む、請求項４１または請求項４２に記載の方法。
【請求項６７】
さらに、構成要素をブラシ・ストックの中に導入することと、
前記ブラシ・ストックを加熱し、前記構成要素を前記導電性要素の中に拡散させることと、
を含む、請求項４１または請求項４２に記載の方法。
【請求項６８】
前記構成要素が、箔および粉末の内の少なくとも１つを含む、請求項６７に記載の方法。
【請求項６９】
複数の導電性ファイバーとファイバーからなる複数の導電性ストランドのうち少なくとも１つを含む複数の導電性要素を備え、
前記導電性要素は、互いに接合された接触かみ合いを有し、前記接合された接触かみ合いは長手方向に不規則に間隔を隔れられかつ前記導電性要素間に長手方向に不規則にのびたボイドを維持している、電気ファイバーブラシ用ブラシ・ストック。
【請求項７０】
複数の導電性ファイバーとファイバーからなる複数の導電性ストランドのうち少なくとも１つを含む複数の導電性要素を備え、前記導電性要素の複数は長手方向に間隔を隔てられた形状固定セグメントを有しており、
前記導電性要素は、前記導電性要素の前記形状固定セグメントで相互接続された不規則かつ長手方向に間隔を隔てて接合された接触かみ合いを有し、前記導電性要素間に長手方向に不規則にのびたボイドを維持するものとなされている、電気ファイバーブラシ用ブラシ・ストック。
【請求項７１】
電気ファイバーブラシ用ブラシ・ストックの製造方法において、
複数の導電性ファイバーとファイバーからなる複数の導電性ストランドのうち少なくとも１つを含む複数の導電性要素を準備し、
前記複数の導電性要素を互いに接触かみ合い状態に配置させ、
前記接触かみ合いを、前記接合された接触かみ合いが長手方向に不規則に間隔を隔てられると共に前記導電性要素間に長手方向に不規則にのびたボイドを維持させるようにする、
ことを特徴とする、電気ファイバーブラシ用ブラシ・ストックの製造方法。
【請求項７２】
電気ファイバーブラシ用ブラシ・ストックの製造方法において、
複数の導電性ファイバーとファイバーからなる複数の導電性ストランドのうち少なくとも１つを含む複数の導電性要素を準備し、
前記複数の導電性要素を、前記導電性要素の前記形状固定セグメンツで相互接続された接触かみ合い状態に配置させ、
前記接触かみ合いを、前記接合された接触かみ合いが長手方向に不規則に間隔を隔てられると共に前記導電性要素間に長手方向に不規則にのびたボイドを維持するように接合させる、
ことを特徴とする、電気ファイバーブラシ用ブラシ・ストックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、米国海軍省によって提供された資金によって部分的になされた。したがって、米国政府が本発明に一定の権利を有する可能性がある。
説明
連続金属ファイバー・ブラシ
技術分野
本発明は、ファイバー・ブラシに関し、特に、その開示が参照してここに組み込まれる、共通して所有される米国特許第４，３５８，６９９号および第４，４１５，６３５号に開示される種類のファイバー・ブラシの設計および製造における改善に関する。
背景技術
グラファイト・ブラシおよび金属グラファイト・ブラシはほぼ１００年間の間電気ブラシの分野を支配してきたが、現在では、多くの用途にとって、典型的にはファイバーが金属から作られ、その理由から金属ファイバー・ブラシと呼ばれる、秀逸な形式の滑り電気伝導、つまり高性能ファイバー・ブラシが存在する。この新しい技術の最重要な候補には、高い電流密度、高い滑り速度、低い電気雑音、高い効率（低いブラシ損失）、コンパクトなサイズ、または長いブラシ耐用期間を必要とする滑り電気システムが含まれる。
特に、低電圧電気モータおよびジェネレータを、電流容量の増加、効率の上昇、および摩耗耐用期間の延長のため、より小型に、より強力により永続的にすることができる。これは、低電圧電力発電機だけではなく、電気式の車両および船舶の駆動装置に直接的に関係する。強力直線アクチュエータ、電磁ブレーキ、および電機子などの高電流を必要とするそれ以外の用途も同様に十分に適している。
電子センサおよびその他の変換器用の、回転式アンテナ、スリップ・リングおよびシャフト・ピックアップなどの多くの信号臨界電気デバイスは、金属ファイバー・ブラシの低い雑音および低圧落下特性から大いに恩恵を受けるだろう。新世代金属ファイバー・ブラシは、ユーザが選択する剛性で（例えば、結果として生じるブラシ圧縮の1ミリメートルあたりニュートン単位で、適用されるブラシ力で測定されるような）1ミリメートルの端数ほど小さい寸法で製造することができ、近傍多極スライド式ピックアップとして使用できるようになる。必要とされるブラシ力が典型的なグラファイトをベースにしたブラシの場合よりはるかに小さいため、それらは、また、繊細な回転計器にも優れている。ドリル、鋸、およびその他のパワーツールのような電気装置の広帯域電気「雑音」エミッション・スペクトルは、金属ファイバー・ブラシの使用によって大幅に削減し、それによって敏感な電子装置の近くで使用されるこれらのブラシを通した電気干渉を削減または排除することができる。
界面のように、金属ファイバー構造および材料が、大幅に削減された力での低損失接続を提供し、それによって高い効率、低力電気接点を提供する。これは、高圧で充電される可変電圧蓄電システムで遭遇されるような高電流、低圧切替にとっては、特に重要である。物理学の単純な法則に基づいて、ファイバー・ブラシの、相関的に運動中であるか休止している界面全体で電流を効率よく伝える能力には、同様に熱を伝達するその能力が匹敵する。したがって、ブラシは、冷却または加熱目的用の熱変換器として使用することもできる。金属ファイバー・ブラシの傑出した機能およびいくつかの示唆される用途が以下に説明される。
高電流容量
金属ファイバー・ブラシは非常に低い損失、結果的に低い熱進化率で動作できるため、グラファイト・ベースのブラシに比してより高い電流をより低い損失で伝導することができる。３１０  Ａ／ｃｍ2（２０００  Ａ／ｉｎ2）を超える連続電流密度が立証され、これは、決して上限を表すものではない。したがって、高い電流および低圧で動作する装置をさらに効率的にすることができ、多くの場合、より高い動力レベルで実行できる。この種の装置の例には、燃料電池および可燃性燃料の生産のための水の加水分解などの用途で使用されるもののような、電気自動車、鉄道、および船舶駆動装置、低圧発電機に用途を有する単極モーターと単極発電機が含まれる。同様に、直線アクチュエータ、および線形パルス発生器のような直線高電流デバイスがある。
低電気雑音
すでに言及されたように、金属ファイバー・ブラシは、従来のグラファイト・ベースのブラシに比してはるかに低い電気雑音レベルで動作できる。これが、２つの活動域で信号臨界装置にとっての劇的な利点を有する場合がある。第１に、回転式アンテナのような回転する接点または直線スライド式接点を必要とする計装は、グラファイト・ベースのブラシよりはるかに高い信号解像度を達成できる。第２に、機械の放つ電気雑音ははるかに少なく、したがって、金属ファイバー・ブラシが使用されると、敏感な変換器、検出器、およびその他の電子装置の至近距離に位置する場合に引き起こされる誘導干渉がはるかに少なくなる。
長い摩耗耐用期間
金属ファイバー・ブラシは、滑り経路の長さあたりで短縮するブラシの摩耗長で測定される低い微少な摩耗率を達成するだけではなく、非常に長い、場合によってはほぼ無制限な、許容摩耗長さで構築することができる。これは、きわめて長いブラシ耐用期間および大幅に延長された保守間隔になる。例えば、金属ファイバー・ブラシは、２ｘ１０-11という微小摩耗率を立証し、この率では、ブラシは、滑り経路の２．５ｘ１０9メートルつまり１５０万マイルで５ｃｍという摩耗長、摩耗することになる。明らかに、操作された装置は、金属ファイバー・ブラシのこの特徴から大いに恩恵を受けるだろう。
高滑り速度
高速モーターおよび発電機のような多くの用途では、高い滑り速度で動作できる電気ブラシが必要となる。金属ファイバー・ブラシは、毎秒７０ｍを超える速度で無事に操作されており、その理論的な限度はそれよりかなり高いところにある。
コンパクトなサイズ
移動する動力または信号結合への至近距離を必要とする電気システムまたはスペース臨界滑り接点は、これらのブラシを厚さや直径でミリメートルの端数までのサイズにすることができるため、この新世代の金属ファイバー・ブラシを使用することによりさらに縮小化できるだろう。これは、信号パワー、および衛星、航空機、潜望鏡、または回転子試験システムで発見されるような回転式シャフトからの制御回線ピックアップに関する用途を有する。
低い放熱
それらは低い負荷で動作し、非常に低い抵抗を有するため、金属ファイバー・ブラシは、高電流または高滑り速度の用途において典型的なブラシよりはるかに少ない熱を放散させる。これは、冷凍システムまたはコンパクトな回転式電子回路を取り入れるデバイスのような絶縁された装置または温度に敏感な装置において大いに役立つだろう。
清潔な動作
グラファイト・ベースのブラシと異なり、金属ファイバー・ブラシは、外観と清掃だけではなく、長期的な汚れとショートによる問題を引き起こすことがある、炭素埃を作り出さない。金属ファイバー・ブラシの摩耗くずは容易に閉じ込められたり、濾過されるのに十分に重く、そのためシステムを清潔に保つことをはるかに容易にする。
さらに、金属ファイバー・ブラシの優位点とは、グラファイト・ベースのブラシの摩耗くずと比較しておそらくより良好な摩耗くずの生産が少ないことである。従来の金属ファイバー・ブラシの予想される類似した微小摩耗率では、後者からの摩耗くず量の削減は、典型的にはブラシの８０％から９０％が空間であり、ｆが、摩耗くずを作り出さない、ファイバーによって占められる体積の「比質量偏差」であるという事実と組み合わされる、電流密度の増加を原因とする運転面積の縮小のためである。比質量偏差の極限は、１％と９０％の間の範囲となる。
発明の説明
ａ．一般的な考慮
過去の金属ファイバー・ブラシには、以下に示す問題があった。
−製造の困難さ
−微細なブラシ剛性と微細なファイバー・コンプライアンスの間で達成可能な関係性に対する制限
−製造の間に取り外し可能な構成物を使用する必要性に結び付いた問題点
−異なったエッチングの可能性または基質物質の溶解の必要性のための、ブラシで導体として使用できる金属の種類に対する制限
したがって、典型的にはまっすぐで、一定の断面を持っているが、必ずしもまっすぐで、一定の断面を持っていない、かなりの摩耗を引き起こすように長い時間期間の間end-onで動作されたとしても、導電面に対する界面での特性が変化しないように、局所的にロッドの中でファイバーを個々に柔軟にしておく、ロッド（ブラシ・ストック）の形式に組み立てられたファイバーが理想的である。
ｂ．ブラシ・ストックの一般特性
ファイバー・ブラシのもっとも重要な特徴とは、任意の瞬間に、電気的に電流源またはシンクに接続されている多数のファイバーが、反対の極に電気的に接続されている界面（回転子または基板）に触れるという点である。これには、ファイバー端が、基板の輪郭を「追跡調査」するために自由であるように、少なくともいくぶん独立して可動であることが要求される。したがって、ファイバー・ブラシの効率的な生産は、ファイバーが、ブラシ・ストックから切断されるブラシより短くない個々の長さの間ブラシ・ストックに沿って伸長し、実質的には特殊な用途の場合には最高７０％または最低２％の範囲となるが、より一般的には１０％と２０％の間で変化する比質量偏差をもって均等に間隔が空けられる、機械的に安定した設備で複数の電気的に伝導するファイバー（直径が０．２ｍｍ以下が好ましい）を取り入れる「ブラシ・ストック」を構築することによって可能である。過去の特許第４，３５８，６９９号および第４，４１５，６３５号では、さもなければ匹敵するブラシ・ストックは、その中にファイバーが埋め込まれ、ファイバーを露呈するためにエッチングして取り去られるか、溶解されなければならなかった基質物質を含んでいた。本発明は、基質物質、およびこれを達成するために必要である改善策の代わりに空の空間、つまり「空間」を使用する。
原則的には、基質物質の代わりにvoidageを必要とするこのようなブラシ・ストックを作るには、任意に組み合わされたトウ、フェルト、織布、縄、ファイバーの巻かれた層や組み紐、およびこれらを、力を課されなくても所定の空間性を含み、潰されなくても縦のブラシ圧力（典型的には、最大平方センチメートルあたり数ニュートン）に耐え、ブラシと回転子またはその他の基板の間の摩擦から生じるブラシ・ストックから作られるブラシ上の曲げ力に耐えられるほど機械的に強い、所定の形状のブラシ・ストックに整形することが必要とされる。これには、ブラシ・ストックからブラシを切削する手段およびファイバー端が個々に柔軟である作業面を作り出すことも必要になる。ただし、曲げに関する高い柔軟性は、ブラシ・ストックの長い部品が、適当な「ガイド」、つまり希望されるならば、ほぼ一定力ばねのように、それ自体の内部応力により接触する面に対して前方に押し付けられるように配列される隙間を通して誘導される場合には、利点となる可能性がある。
このようなブラシ・ストックは、その断面、つまりその外部シェルの断面が、それから切削されるブラシの意図される用途の状態に合うように整形されるという共通した特徴によって特徴付けられる。
ｃ．ファイバーの材料
ファイバーの基本要件とは、ファイバーが電気的に導電性であるという点である。つまり、ファイバーは、優れた熱導体でもあり、ブラシは電流の伝導の場合と同じように界面全体で熱伝達に使用される。ただし、指定されたブラシ・ストックの中のすべてのファイバーが電流を伝導しなければならないわけではなく、数本は、ブラシの機械的な安定性を高める目的を持つ可能性があり（「サポート・ファイバー」）、またそれ以外の多様な理由から、さまざまな物質から成るファイバー、断面形状、および直径が同じブラシで使用されることがある。
高電流密度を必要とする用途では、ファイバーは、従来の金属導体、具体的には、銅、銀、金、および技術で一般的に使用されているような黄銅、青銅、およびモネルメタルを含むそのさまざまな合金から作られるのが好ましい。低コストおよび低い固有の電気抵抗率のため、原則的には、アルミニウムが、特に物理的に大型のブラシには有効だろうが、それは高い膜抵抗率にさらされる傾向があり、大部分の目的に十分なほど薄いファイバー直径では商業的に入手できない。
コストがほとんど重要ではない要求が厳しい状態では、金、多様な貴金属、およびさまざまな割合での銀、金、ロジウム、パラジウムまたはプラチナ、あるいはそのすべてから成る金属合金の他に、市販されている多くのこれらが非常に有効だろう。母材の酸化および腐食を保護するためには、これらの貴金属のメッキは貴重である。液体金属、特に、室温で流体であるナトリウム−カリウム共晶とともに使用するためには、ニオブ・ファイバーが秀逸であり、これに代わるのは困難であろう。電流の方向を転換する用途では、カドミウムまたはカドミウム合金ファイバーの展望が優れており、鉄道輸送で使用するためには、鉄およびその合金、つまり鋼、さらに重要なことにはその中でもステンレス鋼が有効である。さらに、変色防止、摩擦の削減、基板または回転子表面用の保護層の提供、摩耗率削減、または合金形状固定または共晶接合（以下参照）の助長などのいくつかの目的では、ファイバーには、例えば、銅、銀、ニッケル、金、またはその他の適当な金属または非金属などの適当なメッキが提供される。また、炭素／グラファイトもファイバー材として使用されることがあり、グラファイト・メッキまたはダイヤモンド・メッキは、いくつかの用途には非常に貴重である。最後に、高温半導体、とりわけゲルマニウムおよびシリコンも使用できるだろう。
ｄ．ファイバー形状、内部ブラシ摩擦
ファイバーの断面は、通常は円形であるが、それらは、例えば楕円形、三角形、正方形、多角形、湾曲のあるまたは湾曲のない片のような、および１つまたは複数の穴のある管のようになるなど、任意に整形される場合があり、さまざまな目的に合うように、任意の外部断面を備えることがある。特に、その長い軸が滑り方向に平行となる向きの片のようなファイバーは、動作中滑り方向の反転を助長する可能性があり、穴には潤滑剤が入れられるか、冷却目的またはカバー・ガスの送達に使用されることがある。また、希望されるファイバーの所定の比質量偏差でのかなり均一な分布を確立し、維持する手段も必要とされる。
ｅ．共晶接合または合金形状固定、あるいはその両方による「内部」強化
大部分の場合、貴金属ファイバーの場合にコストを抑えるために希望されるような特に低い比質量偏差では、人が、内部摩擦を顧慮せずにブラシ・ストックを大きく堅くすることを望む可能性がある。事実上、ブラシ・ストックは、接触点、つまりジョイントを、局所的なはんだつけや溶接を通して定位置にセットすることにより大幅に強化できる。本発明に従って、これは、「共晶接合」によって特に効果的に達成される。内部摩擦を増加させずにブラシ・ストックを強化することは、「合金形状固定」によって達成され、その場合、ファイバーの瞬間的な形状は、再結晶温度で、または再結晶温度より上で焼きなましによって定位置に固定される。
ｆ．表面処理
発明者は、説明されるようなロッドのようなファイバー・アセンブリ、管のようなファイバー・アセンブリ、または片のようなファイバー・アセンブリが、ファイバーが境界線の周りで、および回転子表面でほぐれる傾向を打ち消すために、おそらく必ずしも「表面処理」を必要としないが、ふつう「表面処理」の恩恵を受けるだろうことを理解した。「表面処理」には、周辺のファイバーを内部ファイバーよりさらにしっかりといっしょに接合するか、あるいはなんらかの種類の「被膜」の強化を提供するためのあらゆるすべての処理が含まれる。このような表面処理の効果とは、微細なブラシ形状を、かけられた縦の力を受けてばらばらに広がらないように保護し、表面にあるファイバーが膨らんだり、ほどけたりしないようにし、ブラシ・ストックの、接線に沿って移動する回転子表面に対する摩擦を原因とする曲げのような課された力に対する抵抗を強めることである。
表面処理は、材料の外部ケーシング、またはその中にファイバーが挿入されるか、ファイバーの周りに形成される、ブラシ・ストックの構造とは異なる幾何学上の構造という形を取ることがある。表面層は、ブラシ・ストックに硬化する物質を塗布することなどの、ファイバーのもっとも外側の層の処理によって適用できる。鎧装は、共晶接合または合金形状固定（以下参照）あるいはその両方を表面層で誘発するためのそれ以降の熱処理を行う場合もあれば、行わない場合もある、ブラシ・ストックを適当な箔または金属薄片で包むことによって適用できる。代わりに、表面処理が、粉末またはスラリーの中で丸めること、液体に浸漬すること、または電着塗装や無電解溶着によって適用されることもある。具体的には共晶接合は、銀、銅、銀合金および銅合金ファイバーとともに、ＳｎまたはＩｎを適用することによって表面強化に使用できる。これは、例えば、（ＣｕまたはＡｇまたは黄銅の過去の実験での）ファイバーバンドルを、ＳｎまたはＩｎの箔で裏打ちされた銅または黄銅の箔から成る外部鎧装で包むことによって達成することができる。したがって、本質的には、鎧装は、ＳｎまたはＩｎの溶融温度まで加熱されたときに、ファイバーにはんだつけされる。
ｇ．ボイデージ（Voidage）の部分的または完全な充填
ファイバー・ブラシのさらなる改善のために、発明者は、グラファイトをファイバーと混合し、戸外大気で使用するための潤滑保護膜を提供することを考えた。しかしながら、それが銀および銅の共晶接合と干渉するため、ブラシ・ストックの製造の工程でグラファイト粉末の意図された混合で、問題に遭遇した。ただし、グラファイトは、完成後、スラリーとしてブラシの中に注入することができる。
ｈ．ブラシ負荷
金属ファイバー・ブラシの使用および動作でのさらなる考慮事項とは、使用中にブラシにかけられる機械的な負荷である。金属ファイバー・ブラシは、非常に高い電流密度を伝導できるが、従来の「モノリシック」なブラシよりはるかに軽い機械的な負荷を要求する。さらに、ブラシ力は、妥当に近い所定の範囲内で、ブラシ摩耗の長さに関係なく一定のままでなければならない。これは、１）従来のブラシに幅広く使用されている一定力ばねは、特にそれらが低負荷用に設計されている場合に、該目的には高すぎる抵抗を有するため、および２）必要とされる高い電流をブラシに伝導し、ブラシから伝導する従来の電流導線は堅く、意図された軽い機械負荷と干渉するため、問題を引き起こす。さらに、実際の質量用途では、ファイバー・ブラシは、最終的には、保管、出荷、および取扱い中にそれらを損傷から保護し、ほとんど電球やプリンタ・カートリッジのような、民間人または技能のない作業者によるきわめて簡単な設置用に設計されている実装された形で販売／流通されなければならないだろう。
米国特許第４，４１５，６３５号は、基質物質から突出し、ファイバー端がそれに対して軽く、機械的に押されている電気的に伝導する面に、（典型的にはブラシに対する相関的な動きで）電流を伝導する毛のような金属ファイバーから構成される金属ファイバー・ブラシを考えた。米国特許第４，３５８，６９９号は、フェルトで覆われるか、いっしょに織り込まれ、「サポート・ファイバー」を取り入れること、実質的にはより堅く、偶然の損傷からこれらを保護するように平均的なファイバーよりわずかに短い長さであるファイバーであることなどを含む、さまざまな方法で強化される、その長い面に沿って導体に接するファイバーを含む、毛のように細かいワイヤを電気ブラシで使用するという概念の考えられるさまざまな構成を大いに詳説した。ファイバーと向かい合う導通面の間のend-on接点以外の欠点とは、摩耗耐用期間が短すぎることである。すなわち、１本のファイバーの直径分の摩耗は、それがend-onで発生すると、ファイバーをほとんど短縮しないが、それが縦の面で発生する場合にはファイバー全長を遮断する。
発明の開示
したがって、本発明の１つの目的とは、従来の技術による金属ファイバー・ブラシに関連する問題を解決することである。
本発明の第２の目的は、それから電気ブラシを切削することができる、低い電気接触抵抗を有する新規の改善された電気ファイバー・ブラシ・ストック、およびそれと関連する低い界面発熱および低い滑り摩耗率を提供することである。
本発明の第3の目的とは、導通面に対する界面で、ファイバーが個々に柔軟である新規のファイバー・ブラシを提供することである。
本発明の第４の目的とは、金属ファイバー・ブラシを製造する新規の改善された方法を提供することである。
本発明の第５の目的とは、長い摩耗耐用期間を持ち、その特性を摩耗を通して変化させないファイバー・ブラシを提供することである。
本発明の第６の目的とは、サイズがコンパクトであるファイバー・ブラシを提供することである。
本発明の第７の目的とは、ほとんど電気雑音を発しない電気ブラシを提供することである。
本発明の第8の目的とは、高い電流密度で使用できる電気金属ファイバー・ブラシを提供することである。
本発明の第9の目的とは、新規の改善されたブラシ・ホルダーおよびブラシが摩耗する間一定のブラシ力を維持する装填デバイスを提供することである。
以上の目的およびそれ以外の目的は、複数の導電性要素およびファイバー・ブラシの意図された使用に従って整形された断面を有するブラシ・ストックを具備する新規の改善された金属ファイバー・ブラシを提供することによって、本発明に従って達成される。さらに、ファイバーを提供すること、およびファイバーがその中で互いに接触してかみ合わされ、ファイバーの間の間隙を維持する、ブラシ・ストックの中にファイバーをバンドルすることを含む、導電性ファイバー・ブラシを作る新規の改善された方法が提供される。これは、その中で関係するファイバー設備が抑制されるか圧縮される、あるいは希望されるブラシ・ストックの断面形態を作り出すように、その中にそれがが拡張することが許される適当なダイスまたは鋳型によって達成できる。ブラシ・ストックの整形は、商業的な生産においては、すべて最終的な希望されるvoidgeを生産する間に、押出し、連続圧延、またはその他の再整形方法で置き換えられる可能性がある。
本発明の別の面に従って、導電性ブラシを装着する静水制御式ブラシ・ホルダー、および電流をそれに導くだけではなく、ブラシに対する力の適用を制御するためのブラシ・ホルダーに対する圧力を受けて結合される導電性静水流体が提供される。
本発明の別の面において、ブラシ・ストックの弾性を使用して、ブラシ・ストックを前方に接触表面に逆らって誘導するブラシ・ホルダーが提供される。
【図面の簡単な説明】
本発明および付随するその優位点のさらに完全な理解は、同は、添付図面に関係して考慮されるときに、以下の詳細な説明を参照することによりさらによく理解されるようになるので、容易に得られるだろう。
図１ａは、本発明に従ったファイバー・ブラシの使用を図解する概略側面図である。図１ｂは、滑り方向に垂直な面で基板面に傾斜する片のようなファイバーを図解する。
図２は、本発明のブラシのねじれたファイバー塊の概略図解であり、ねじれ、波状化、螺旋形化などによって引きこされる複数の接触点を示す。これらの接触点により、ファイバーが、滑走中に全体としてこぶ状にならないようにする傾向があり、考えられる接合サイトとして役立つこともある弾性応力が生じる。
図３ａおよび図３ｂは、それぞれ、ねじれたファイバーを使用して作られた電気ファイバー・ブラシの１つの考えられる実施例の側面図および端面図である。図３ｃは、図３ｂのファイバーを取り囲むケーシングの透視図であり、図３ｄは三角形のケーシングの透視図である。典型的にではあるが、必ずしもではないが、ケーシングは、接合されたねじれた金属ファイバーから成り立つ。図３ｅは、幅Ｄの箔片を、ブラシ・ストックの軸に対して角度γの傾斜で、円筒形のブラシ・ストックの周りに巻き付けることによって適用されている過程にある鎧装を示す。箔の代わりに、鎧装は、ファイバーまたは逆に幅広い箔、あるいはこれらの任意の組み合わせを巻き付けることから成り立つ場合がある。図３ｆは、ブラシ・ストックを適当な媒質に浸漬するか、それを噴霧することにより作られた可能性のある表面層を具備する矩形のブラシ・ストックの断面を示す。代わりに、表面層は、ブラシ・ストックの平均の場合よりさらに密に間隔が空けられるように、あるいはさらに強くねじられるようにファイバーをブラシ・ストックの表面近くに配列することによるか、照射、電気泳動または電気メッキを含む手段によって接合されるジョイント形成されただろう。ブラシの滑らない端は、取付けプレートまたはスタブにはんだづけされ、強力にメッキされるか、完成したアセンブリを作り出すために圧着される場合がある。
図４ａから図４ｋは、それぞれ螺旋形化、不規則な螺旋形化、規則的な波状化、不規則な波状化、カーリング、規則的なぎざぎざ、不規則なぎざぎざ、矩形曲げ、規則的なＶ−圧着、不規則なＶ−圧着、および間隔を開けた波状化として、さまざまな種類のファイバー曲げの例を示す。図４ｌおよび図４ｍは、一方が3本、他方が4本のファイバーを具備する、波状化されたファイバー撚り線の図解である。図４ｎは、ブラシ・ストックが部分的にまたは全体的にそのそれぞれから構成される可能性がある２つまたは３つ以上の異なった金属から構成されることがある撚られたファイバーを示す。図４ｏは、いっしょに撚られた２本の異なる撚られた撚り線を示す。
図５ａは、その断面の形状が先端が切られた三角形である、ブラシの部品の三次元図である。図５ｂは、図５ａのブラシ本体が構成されている可能性がある平行の螺旋形をしたファイバー撚り線の考えられる配置の半概略的な断面図である。図５ｃは、図５ａのブラシ・ストックが図５ｂの配列で構成される可能性がある入れ子状の螺旋形化されたファイバーを示す。図５ｄは、波状片という形のブラシ・ストックを示す。
図６は、米国特許第４，３５８，６９９号で初めて導入された「サポート・ファイバー」を示す。
図７ａは、本発明の金属ファイバー・ブラシに適用される新規機械負荷を示す概略断面図である。図７ｂおよび図７ｃは、本発明の柔軟なブラシ・ストックを使用する装填デバイスの２つの異なる実施例を示す。図７ｄは、図７ｂおよび図７ｃのブラシ・ストックの自由な端を誘導するために使用されるガイドである。
図８ａは、細かい立体的な縦ひだが付けられたファイバーの層またはファイバー・フェルトを示す。図８ｂは、図８ｃの形の中に詰め込まれたとして、図８ａの細かい立体的な縦ひだが付けられたブラシ・ストック用に考えられるケーシングまたは鎧装またはその他の表面層を示す。図８ｄおよび図８ｅは、ひだの代替配置を示す。
図９は、将来、巻き上げたり、ひだを付けるために、巻き付けることによるファイバーまたは撚り線の層の作成を図解する。
図１０は、ブラシ・ストックを強化するために使用される縫合方法を示す。
図１１ａおよび図１１ｂは、ファイバー、撚り線、またはフェルトの１つまたは複数の層からブラシ・ストックを作る他の形式を図解する。
図１２ａは、図９と同様に、入れ子状の同心の螺旋形化したファイバーを作るための、巻くことによるファイバーまたは撚り線の層の作成を図解する。図１２ｂは、図１２ａでのファイバーまたは撚り線の方向を示す。図１２ｃは、ファイバーまたは撚り線の層をたばこの形状をしたブラシ・ストックに巻き上げ、左回りなどのすべて同じ左右像で入れ子状の螺旋形を生じさせることを図解する。図１２ｅは、図１２ｃと同じ方法を図解するが、左右像が交互になる、入れ子状の同心螺旋形を生じさせるために、相反する傾き（任意の傾斜角度にαとβというラベルが付けられる）の２つの層を使用することを図解し、図１２ｄは、図１２ｃでのようにファイバーまたは撚り線の層を巻き上げることから生じるたばこの形状をしたブラシ・ストックの例を説明する。
本発明を実施するための最良の形態
概要
本発明は、滑り界面で、過去に特許権が取得された金属ファイバー・ブラシと同じように動作するが、それらとは異なり、画家のスタイルではなく、ロッドの形状で、または任意の断面のある片の形状で「ブラシ・ストック」の無限の長さから切削され、前述されたような整形または表面処理やその他の処理、あるいはその両方の後、（基質物質がファイバーの中から除去されることを必要とした従来の技術とは対照的に）使用する準備が完了した連続面を備える金属ファイバー・ブラシを提供する。ブラシ・ストックは、その長さが少なくとも数ミリメートルであり、さらに典型的にはその全長ではなくてもブラシ・ストックのかなりの部分を通して伸長する、（＜０．２  ｍｍ、もっとも典型的には２５μｍｋら１００μｍの範囲内で約５０μｍ  の直径の）実質的には平行な細かい金属ファイバーから構成される。ファイバーは、潜在的に無制限な摩耗長さを通して、複数の個々に柔軟なファイバー端から構成される、特徴的な金属ファイバー・ブラシ連続面を保全するように構築される。膜抵抗率（つまり、膜の単位面積の抵抗率、臨界量）が低いならば、（ｉ）低い電気接触抵抗、（ｉｉ）低い電気雑音、（ｉｉｉ）高速で動作できる能力、（ｉｖ）高い電流密度で使用できる能力、および（ｖ）軽い機械圧力、したがって低い機械損失で運転する能力、実際には必要性という望ましい金属ファイバー・ブラシ特性を伝達する、つまりこれらの点のすべてで大幅に従来のグラファイト・ベースのブラシより性能が優れているのが、連続面のこの構造である。大部分のケースでは、ファイバーは金属から作られるが、特に高温での運転が希望される場合に、それらが炭素（グラファイト）またはゲルマニウムおよびシリコンのような半導体から作られる場合もある。例えば、図１は、典型的な作業モードでのブラシ（１）の概略側面図を示す。ブラシ（１）は無限長、回転子またはその他の基板（４）での界面、および表面層やケーシング（１０）を有する。
滑り界面では、使用中、ブラシは、複数の個々に可動であるファイバー端を介して電気接触がなされている（「回転子」または「基板」）側面に接触する。図１ａは、回転子表面に対する垂直向きのファイバー・ブラシを概略して示しているが、典型的には、ブラシは回転子表面に対し任意の角度で向けられ（例えば、後についていく向きでは１５°−２０°または滑り方向に垂直な平面では例えば最高４５°まで、あるいはその両方）、ブラシは回転子表面との連続的な接触を保証するように整形される。別の例として、図１ｂは、作業モードでの片のようなファイバー・ブラシ（８）を示し、この場合それは滑り方向に対して垂直な平面で基板表面（４）に向かって傾斜している。
ブラシの必須低摩耗率は、それらを（通常は自由大気中に存在し、存在しない場合には提供されなければならない）水分の進入路の下の弾性的な接触スポットでそれらを動作させることに依存している。単純なファイバー・ブラシ理論があてはまるならば、この目的のために、ブラシ圧力はＰtrans＝３ｘ１０-4ｆＨでなければならず、この場合Ｐtranaは弾性スポットと塑性接触スポットの間の遷移での臨界力であり、ｆは比質量偏差、つまりブラシ体積中の金属のフラクションであり、Ｈはファイバー材のマイヤー硬度である（「電気ファイバー・ブラシ−理論と所見」、Ｄ．Ｋｕｈｌｍａｎｎ−Ｗｉｌｓｄｏｒｆ、ＩＥＥＥ会報、ＣＰＭＴ第Ａ部、１９（１９９６）３６０−３７５ページとして再び印刷され、ここに参照して組み込まれる、「電気ファイバー・ブラシ−理論と所見」、Ｋｕｈｌｍａｎｎ−Ｗｉｌｓｄｏｒｆ博士、ＩＣＥＣ−ＩＥＥＥホルム９５、第91回電気接触に関するホルム会議、ＩＥＥＥ、モントリオール、カナダ、１９９５年１０月２−４日、２９５−３１４ページの同等な１０ｂを参照のこと）。好ましくは、ブラシ圧力は、さもなければ適切な運転条件下では１０-11範囲（引用された論文の図２を参照）の微小摩耗率につながる１／４＜β＜１／２で、ｐ＝βｐtransである。ブラシ圧力は、任意の単独ファイバーと回転子の間の典型的な接触スポット（複数の場合がある）が、弾性的にのみ変形されるが、塑性的には変形されないように調整される。弾性接触スポットのその条件は、個々のファイバーあたりの低い負荷に依存し、β＜１で達成される。相応じて、非常に細かいファイバーが望ましく、前述されるように、典型的には０．２  ｍｍ厚さを下回る。弾性接触スポットの条件が満たされると、弾性接触抵抗と滑り摩耗率の両方は、秀逸な電気ブラシには本質的であるように低くなる。（滑り界面の説明された性質は、吸収された水分の役割がまだ既知ではなかった点を除き、過去に特許権が取得されたブラシと同じである。）加えて、高い電流密度および高い滑り速度の場合、最適比質量偏差範囲は、執筆の時点では実験室で作られたブラシでは１２−１５％であるが、添付論文と一致して、それが商業的な生産ではほぼ２０％になることが予想される。
好まれるファイバー材
ファイバーに形成可能であるすべての導電性物質が、ファイバー・ブラシの潜在的な候補材料である。好まれる選択肢には、銅、銀、金および銅合金の中で黄銅、青銅およびモネルメタルを含むその合金を含む従来の技術的な金属導体、メッキが行われている、およびメッキが行われていない指定される金属ファイバー選択肢のすべて、これらの中でも特に金、銀、およびニッケルを含む。やはり好まれる物質は、ニオブ、ロジウム、プラチナ、および電気接触を戸外大気中で動作させるために市販されているような、概して貴金属合金、その中でもパリニー（Paliney）合金である。さらに、炭素（グラファイト）およびゲルマニウムとシリコンを含む半導体も好まれる物質である。選択肢は、目的、有用性、およびコストに依存する。例えば、金、プラチナおよびロジウムは、ほとんどすべての目的にとって優れたファイバー材であるが、非常に高価であり、ロジウム（およびさらに硬い貴金属合金）は、回転子またはその他の基板表面を切断する傾向がある。貴金属の中で、パラジウムは、より軽く、トロイ衡オンスあたりはるかに安価であり、さらにそれは他の金属の上によくメッキされるという優位点を備えるため、金の好まれる置換物である。主要な欠点として、最良の過去の実験室の経験によると、パラジウムは、存在する場合は膜抵抗率を許容できないほど高い水準まで上昇させる接触重合体の形成を引き起こす傾向がある。ニオブは、液体ＮａＫとともに使用するには、ほぼ取って代ることはできない。ニッケルおよびニッケル合金は非常に耐食性があり、優れた機械弾性を備える。さらに、下盤としてのニッケルは、特に薄い金メッキであるが、また多くのその他のメッキの下にある銅の中への拡散を防ぐ役割を果たす。ゲルマニウムおよびシリコンのような半導体は、高温では（その場合、おそらくロジウムやプラチナ・グループの合金のような硬い回転子表面を用いる高額な用途にとって）潜在的には貴重であるが、たとえイリジウムは非常に小規模で無事に試されていても、これらでの経験はまだ存在していない。さらに、使用されることがある導電性プラスチック材で研究が行われている。プラスチック材のより安価なコストおよびその環境上の侵襲に対する抵抗は、ファイバー・ブラシ・ストックで導電性プラスチック材を使用する上で主要な優位点となることが期待される。
ブラシ・ストック強度の接触点を通した制御
過去のブラシでのように、ブラシの望ましい動作が依存するファイバー端の個々の可動性は、ファイバーが巨視的なブラシ体積のほんの一部（「比質量偏差」）だけを占有するように、「空間」を含めることによって達成される。以前には、これは、ファイバーを基質物質から、典型的には、ファイバー直径の約１００倍の長さ分、突出させることによって達成されていた。しかし、画家のブラシ式の堅い基質物質から突出する平行なファイバーの使用には、（ブラシの巨視的な長さに比較して）すでに相関的に小さな摩耗長が、その連続特性を大きく変化させ、それによって相関的に短いブラシの耐用期間時間を生じさせるという不利な点がある。
本発明に従って、空のスペース、つまり「空間」が基質の代わりに使用され、適切な比質量偏差「ｆ」は、例えば「ロフト」を分け与えるように、規則的なパターンまたは不規則なパターンで、ファイバーを圧着したり、ねじったり、波状化したり、螺旋形化したり、カールしたりすることによって、ファイバーの全長に沿って個々のファイバーの中に湾曲部を提供することによって、制御されることがある。これは、希望されるファイバーのかなり均一な分布および使用されている圧縮力にも関わらず維持される、希望される一定の比質量偏差を助長する。効果は、隣り合う実質的には平行なファイバー、または交差点で相互に傾斜されたファイバーのような、例えばファイバーが機械的に接触する図２に図示されるように、接触点（つまり「ジョイント」）が確立されるためである。さもなければ同じファイバー形態および配置の場合、接触点の各ファイバーに沿った平均的な間隔は、ファイバーを歪ませることによって制御される。つまり、例えば、図４ａから図４ｋに図示されるように、ファイバーは、単独でまたは任意の組み合わせでの曲げること、ねじること、螺旋形化すること、波状化することなどによって修正することが可能であり、曲げることまたはねじることは、任意の振幅および波長のある任意の形状を分け与える。
ブラシ・ストックの構築でのさらなるツールは、個々のファイバーの代わりの、あるいは個々のファイバーと組み合わされるファイバー撚り線の使用である。ファイバー撚り線は、同時に使用される、例えば１つのスプールから外される２本または３本以上のファイバーのバンドルされた、あるいは撚られた任意の配合である。撚り線の使用の主要な優位点とは、コスト節約を生じさせるブラシ・ストックの構築の速度の上昇である。撚り線の別の優位点とは、それらがブラシ・ストックでの接触点の密度および性質を制御するためのさらなる手段として利用できるという点である。任意の１本の撚り線中のファイバーは、必ずしもすべて同じサイズ、形態または材料であることはない。図４ｌは、３本の個々に似たように波状化されたファイバーから構成されるバンドル化されたファイバー撚り線を示し、図４ｍは、４本のファイバーを含む撚り線を示す。個々のファイバーまたはファイバー撚り線ｂのどちらかを撚ることから作られるファイバー撚り線が、図４ｎに図示される。
ファイバーの直線性からの偏差の影響とは、毛や織物の繊維の場合とほとんど同じように「ロフト」を分け与えることである。これは、ファイバーの中の「接触点」つまり「ジョイント」が増加するためである。接触スポットの数は、その振幅、つまり直線性からの偏差の大きさだけではなく、ファイバーまたは撚り線の単位長さあたりの湾曲部の数に応じて増加する。接触点つまりジョイントの数は、撚り線あたりのファイバーの数に応じて減少する。幾何学的には、ファイバー・ジョイントの所定の分布は、さらに単独ファイバーのように加工される、例えばバンドル化されたり、巻かれたり、層化されるか、あるいは希望される場合２本または3本以上のバンドル化または撚られたファイバーがもう一度全体として撚られ、過程が縄作りを達成するために随意に繰り返される可能性がある、図４ｂに図示されるように、２本または３本以上のファイバーを全体として撚ることによって得られる可能性がある。このようにして、例えばさまざまな材料のファイバーの間での直径または形状のような、接触点の密度および分布のさらなる制御が達成される。それ以外には、所定の接触スポットは、任意の方法でカールされたか、波状化されたか、ねじられたファイバーをバンドル化、または層に配列することによって達成することができる。
希望される場合、接触点のだいたい均一な分布は、規則正しい自己完結型の弾性応力によって達成される。ここでは１つの例は、まっすぐなファイバーを織ることおよび編むことである。接触点のさらに低い密度による同じ効果は、例えば図５ｃに図示されるような、本質的にまっすぐなファイバーから作られる、中心から外側への同じまたは交互の回転の向き、あるいは回転の向きの任意のシーケンスのある、一連の入れ子状の格付けされた同心の螺旋形という形のブラシ・ストックで得られる。回転の向きが１つだけの螺旋形から構成されるブラシ・ストックは、ブラシ力がかけられたときに、縦の軸の周りで撚れる傾向がある。この影響は、図１２ｅの方法によって達成されるような交互の左右像の螺旋形化を利用する場合に回避される。同様に、ブラシ・ストックは、図５ｂに図示されるように単独のまたは入れ子状の螺旋形のセルから構成されることがあるか、あるいは関係するジオメトリでファイバーは接触スポットの低い密度を得るためにゆるやかに縄に作られる。これらのジオメトリのどれかでファイバーを圧着したり、ねじったり、波状化することは、相応じて接触点の密度を増加させる。
ブラシ・ストック内部摩擦の制御
接触スポットの効果とは、それらに対する通常の力によってファイバーをばらばらにしておき、それによってファイバーの均一な分布を助け、機械的にブラシ・ストックを強化することであるが、同時に局所的な摩擦を通して、接触点は、ファイバー間の縦の相関的な動きを妨げ、それによって基板輪郭を追跡調査するために必要とされる個々のファイバー端の移動性に干渉する。ファイバー端の移動性に干渉するそれらの好ましくない内部摩擦力は、ファイバーがいっしょに押される平均的な力だけではなく接触スポットの数に応じて上昇する。これらの両方とも、比質量偏差に応じて上昇する。したがって、実際では、ｆの上限は、適切なブラシ動作が個々のファイバー端移動性に依存する程度によって制御される。例えば、さらに高いｆは、粗い基板のためよりはむしろ滑らかの基板のため、低いブラシ圧力のためよりはむしろ高いブラシ圧力のために、高速でよりむしろ低速で使用される可能性がある。
前記に紹介された螺旋形化されたまたは縄になわれたファイバーを必要とするジオメトリのどれかの優位点とは、それらが、縦方向での高い可逆圧縮率と組み合わされる、相関的に少ない接触点のために削減された内部摩擦を示す点である。後者は、それが基板上でのファイバー端の「追跡調査」を助長するため有利である。ブラシ・ストックの曲げに対する剛性は、特殊な構造に依存し、縄圧くりの場合には明らかに低く、螺旋形セル構造の場合にははるかに高くなる。
曲げに対する剛性の欠如は、必ずしも不利な点ではないが、ブラシが、曲げにおいて増加するブラシ・ストックの柔軟性に応じて減少する距離での接触する面に関してその位置を固定する、開口を通して誘導されることを必要とする。
ファイバーの一定の形態、例えば「ロフト」を分け与えるためにある特定な方法でねじられるか、波状化されることを考えると、比質量偏差は依然として無関係に変化する可能性があるが、「ロフト」だけではなくｆの増加とともに、ブラシの巨視的な剛性は上昇する。同時に、平均的なファイバー先端の回転子表面と接触したままでいる能力は、増加する比質量偏差に応じて縮小するファイバーの間の平均的な自由なファイバー長を残すようにファイバーに沿って分布される「ジョイント」としての堅い接合または摩擦接合のどちらかによって、ファイバーの中での三次元接続部、つまり接触点の増加する数および三次元接続部での増加する力のために減少する。
これらの考慮事項と一致して、ファイバー間の摩擦を削減し、それによってブラシ・ストックの縦の弾性圧縮率だけではなく個々のファイバー端の柔軟性を改善するために、平均的な接触点での摩擦係数を削減することは、大部分の場合、有効である。これは、潤滑剤を使ったすすぎによって実行できる。希釈されたコロイド・グラファイト溶液は、この点で非常に適していることが判明した。平均的にはファイバー状での１μｍ層厚という小さな端数に達する、微小な量のこのような潤滑でさえ、内部ブラシ摩擦を削減するためには非常に効果的であり、ブラシと基板の間の摩擦を削減することができることも判明した。
ブラシ・ストックの整形および空間の部分的な充填の硬化の影響
ブラシ剛性は、ファイバーの間の空隙スペース（「空間」、つまりファイバー材によって占有されないブラシ体積のブラシのフラクション（１−ｆ））を、適当な充填材物質で全体的にまたは部分的に充填することによって高められる。これは内部摩擦を高め、このため大部分の場合好ましくないが、充填材物質が、さらに以下に説明されるように、回転子表面の潤滑剤、研磨剤、光沢剤、またはその他の表面調整剤として役立つように選択される可能性がある。
とにかく、縄になわれているか螺旋形化されていない限り、ブラシ・ストックは、通常、なんらかのモールドまたはダイスを介して整形される。その結果、本発明に従ったブラシは、過去のブラシと同じ望ましい特性のすべてを備えることがあるが、特性を変えることなく無限長まで摩耗される可能性がある。
すでに示されたように、摩擦接合の機械的な堅実さは、カーリング／ねじれの度合いに応じてだけではなく、比質量偏差に応じて上昇するため、制御可能である。例えば、非常に薄いファイバーの高い比質量偏差の場合（非常に低い接触抵抗の高性能ブラシの場合）、低い比質量偏差の場合（例えば、汎用低価格ブラシの場合のように）より少ないカーリングやねじれが使用されるだろう。ブラシ・ストックのさまざまな形状の例は、図５ａおよび図５ｄに図示される。図５ａは、三角形の形状をしたブラシ・ストックを示し、図５ｄは、波状片の形をしたブラシ・ストックを示す。
ブラシ・ストックの内部強化のための方法
ａ．共晶接合
過去の発明に従った、基質に埋め込まれたファイバーを備えるブラシ・ストックから作られたブラシには、しっかりと下に押さえられすぎると、まさに画家のブラシでの荒毛でのように、ファイバーがばらばらに広がる傾向があるというもう１つの不利な点があった。同様に、回転子または他の移動する面に対し押し付けられると、連続ファイバー・ブラシ・ストックから得られるブラシもばらばらに広がり、加えて曲る傾向があるだろう。過剰な曲げを防止するため、または界面でのファイバーを多かれ少なかれ巨視的な幾何学上のブラシ・ストックの輪郭内に入れるため、あるいはその両方のために、ブラシ・ストックは、典型的には少なくともその外辺部で強化される。本発明では、もっとも重要なことには、ファイバーが接触するファイバーの間の摩擦のため、あるいは充填材物質のために、接触点の制御によって達成される可能性のあるそれとは関係ない、またはそれを超えた設置または使用中のブラシの広がりの横方向の伸長に対する機械強さは、「内部接合」（つまり「内部強化」）によってまたは「表面処理」によって高めることができる。
空隙充填とは関係ないブラシ・ストックの体積全体での「内部強化」は、接触点、つまりジョイントでの堅実さの変化する度合いの接合によって達成されることがある。完全に堅い接合は、「共晶接合」を介するジョイントでのはんだつけや溶接に相当するものによって得られる可能性がある。この方法では、ファイバー、メッキ材または強化材、あるいはその両方から成る共融混合物が、ほぼ共融混合物の溶解温度で、あるいは共融混合物の溶解温度より上で形成することが許される。溶融共融混合物がファイバー接触点にある内曲した角の中に逃れると、それらは、共融混合物が冷却時に凝固するときに効果的にはんだつけされる。約８００℃で溶解する銅−銀共融混合物は、特に、この方法に適している。共晶接合は、共融混合物の構成要素の間での物理的な接触を必要とし、例えば銀メッキされた銅ファイバーの間、銅メッキされた銀ファイバーの間、または銀と銅が混合されたファイバーやこれらの金属のあらゆる適当な合金からなる混合ファイバーの間で発生する。ここでの不利な点とは、銀−銅共融混合物の高い溶解温度のため、必要な高い焼きなまし温度が、反対の面の表面輪郭を追跡調査する上でファイバー先端の弾性的な曲げのために必要とされるファイバーの「ばね」を破壊する傾向があるという点である。にもかかわらず、特に焼きなましの後に焼入れが続く場合、これは合金形状固定の基礎である同時合金形成によって打ち消される（以下の合金形状固定を参照のこと）。
銅と錫またはインジウムの低い溶解（約２００℃）の共融混合物は、この不利を被らない。ただし、それらは、相関的に高い濃度で、局所的に、例えばファイバー間に埋め込まれる錫またはインジウムを通して誘導されなければならない。これが、（熱力学的には、表面自由エネルギーは溶解温度にほぼ比例するため）低溶解共融混合物が低い表面張力を持つ傾向がある理由である。したがって、さらに高い溶解銅または銀で層化される場合、インジウムと錫は内曲した角の中に逃れ、それによってさらに高いエネルギーの銅または銀の面を露呈するより広がったままとなる。その結果、低溶解共融混合物は、共融混合物を形成する、つまり溶融共融混合物のかなりの過剰分が冷却前に存在するときを意味する過程で湿潤されるジョイントを固定させる傾向があるだけである。さらに、これまで発明者によって行われた実験は、ＳｎとＩｎの両方が、ブラシ・ストックに有害な相関的に高い抵抗のデポジットを残す可能性があることを示唆する。これは、同様に過熱を引き起こし、Ｓｎ（またはＩｎ）が、ブラシ表面を堅くするようにファイバー端を全体として溶解し、融合させ、跳ね返りを引き起こし、事実上ブラシを破壊する傾向がある。したがって、ブラシの使用目的に応じて、その上に錫とインジウムの共融混合物が使用されてはならない制限する濃度が存在すると考えられるが、依然として完全に調査されていない。
多様な割合での銀と銅などのさまざまな金属を含む、撚られた撚り線を、単独であるいはバンドル化された撚り線または純粋な金属のどちらかまたは両方から成る単独ファイバーといっしょに使用することによって、堅い結合の分布および濃度がブラシ柄の内部で制御できる。
直接的にファイバーを接合する代わりに、人が、銀粉末と銅ファイバー、またはその逆のようなファイバーと混合された金属粉末を使用することもあり、その場合共晶はんだつけは、（典型的には、液化するか、あるいは十分に高い温度では工程中に溶解する）金属粒子とそれらが接触するファイバーの間で発生する。粉末の代わりに、人が、同様に金属箔または金属薄膜をファイバーの間に散在させることがある。これらの方法のすべては、希望される場合、メッキ用のさまざまな金属、粉末および箔を必要とする、任意の組み合わせでいっしょに使用される可能性がある。
ｂ．合金形状固定
さもなければ銅ファイバー上の銀の薄箔のような共融混合物につながる２つの構成要素の内の１つの非常に小さい濃度の場合、光学顕微鏡検査では共融混合物の内曲した角への逃れは明らかにならないし、ジョイントは事実上まったく接合されていないが、使用される高い焼きなまし温度にも関わらず、処理によってファイバー・ジオメトリの「設定」およびファイバーの明白な強化が生じる。発明者は、（１）このファイバーの機械的な強化、および（２）それらの適所への設定は、同時に発生することがあるが、原則敵意は独立して使用できる２つの別個の影響のためであると結論付けた。第１に、機械的な強化は、低濃度構成物（この場合、銀）のファイバー（この場合、銅ファイバー）内への拡散を通して発生し、それによって対応するさらに硬い合金を形成する。一方、同時に、再結晶が発生し、現在でははるかに堅い品位が落とされたファイバーを押し付けられた「ブラシ・ストック」の構成に設定する。単純な算術が、本例では、第１の、例えば、ファイバーのｎ＜５の層だけが、例えば、ｆ＝０．２比質量偏差でそのように品位を落とされ、正味膜厚がｔ＝２  ｍｍである、ｄ＝５０  ｍｍファイバー直径が、ｃcu＝ｔ／（ｆｎｄ）＝４ｖｏｌ％という銅の中での銀の濃度、すなわちファイバーに大幅に高められた強度を授与するのに十分な合金化（alloying）を生じさせることを示唆する。同時再結晶を介した拡散の加速により、これはそのようであっただろうが、実際には、合金化がファイバーを通して均一に広がったかどうかは疑問がある。
前記は、メッキされたファイバーまたは金属薄箔または金属粉末と混合されたファイバーを、その再結晶温度または合金化温度のどちらか高い方で、メッキ薄箔または粉末のいくらかまたはすべてをファイバー内で溶解させるほど長く、焼きなますことによる、ファイバー・ブラシ・ストックを形成する改善された方法につながる。この同時の合金化と再結晶は、ファイバー強度／弾性を高めると考えられるが、それは、例えば図１２ｄおよび図１２ｅでのように、ブラシ・ストックの形で圧縮するか、丸められるか、撚られることによりファイバー上に現在課される形状を恒久的な位置に設定する。これ以外に、本発明は、同時にまたは後で、ファイバーで濃度傾度を確立したり、ファイバーの機械的な特性またはそれ以外の特性を改善するために焼き入れし、時効硬化させるなど、他の冶金技法を使用する可能性を含む。また、適所への設定は、拡散処理とは関係なく再結晶温度まで加熱することによって実行される場合があり、逆に、拡散処理は再結晶温度以下で、したがって瞬間的な形状を適所に設定しなくても可能である。銀の通常の厚さでメッキされた銅ファイバーを使用するような通常の共晶接合は、液体共晶層が非常に厚いので、低濃度構成物（例えば、銀）のファイバーの残り部分への重要な拡散が発生する前に、内曲した角に迅速に収縮したので、観察された合金強化にはつながらなかったと推量される。相応じて、合金形状固定の最適条件は、依然として調査を必要とする。
合金形状強化用の適当なメッキ済みのワイヤは、市販されており（すなわち（ｉｉ））、当方の独自の実験室でも容易に作成できるものの名前を挙げれば、（ｉ）銅メッキされた銀、（ｉｉ）銀メッキされた銅、（ｉｉｉ）ニッケルメッキされた銅、（ｉｖ）ニッケルの下盤を含む金メッキされた銅を含むと考えられる。導電率の最小の損失で最大の硬化を得るには、銅の上でのジルコニウム・プレートまたは銅の上でのクロム・プレートが望ましいだろう。前記説明によって暗示されるように、メッキ厚さおよび焼きなまし回数は、ファイバー内のメッキ物質の完全溶解時に最適合金を生じさせるため（例えば、酸化物形成を削減するように銀の中への（ｉ）銅の場合）、あるいは残余メッキを他の３つのケースでおそらく有利にするために、調整することができる。（ｉｖ）ニッケルの下盤を含む金メッキされた銅の特定の優位点とは、ニッケルによって銅を硬化し、銅−プレートを保持し、摩耗通路に薄い保護用の金の層を敷設することである。他の多くの組み合わせは疑いなく可能である。方法は２つの構成要素に制限されるのではなく、３つまたは４つ以上が活用される可能性がある。例えば、銅と銀が、銀合金ファイバー内に、同時にまたは連続して拡散されることがある。また、非金属も利用できる。例えば、炭素は、鉄ファイバーまたは鋼ファイバーの中に拡散できる。
ｃ．ファイバー層またはファイバー・フェルトの層化、巻上げ、またはひだ付け
内部共晶接合の不利な点とは、それが内部の摩擦を強める点である。したがって、前項に説明された拡散による合金化の代わりに、あるいは合金化に加えられる他の方法が、ブラシ・ストックの大部分を内部摩擦に対して少ない影響で機械的に強化するために使用されることがある。１つの方法は、ファイバーまたは撚り線の層を、必ずしもすべて平行ではなく、平坦な面に配置し、図１１ａに示されるように、それを巻き上げるか、あるいはそれをブラシ・ストックの希望の形状に折りたたむか、ひだを付けることから成り立つ。接触点の適当な濃度で接合される相互に誤った方向に向けられるファイバーの薄い層から成り立つファイバー・フェルトが、ファイバーの層の代わりになることができる。同様に、人は、ファイバー、フェルト、または箔あるいはそのすべてを互いの上で層化し、それらを巻き上げることがある。同様に、図８ａに示されるように、人はファイバー、フェルト、または箔（１３）あるいはそのすべてを、ブラシ・ストックの長い軸に平行に細かい立体的な縦ひだを付けること（１４）などによって希望の形態にひだ付ける場合があり、その場合個々のファイバーはその軸に対して例えば±３０°の所定の適度の角度で傾斜されることがある。図８ｃ、図８ｄ、および図８ｅは、異なったブラシ・ストックの形状を達成するためのひだの代替配置を示す。
これらの方法のどれかは、内部摩擦が、構造によっては低く保たれている間にも曲げに対してブラシを強化する。例えば、内部共晶接合または合金形状固定の代わりに、あるいは内部共晶接合または合金形状固定に加えて、人は、薄い共晶接合された被膜の上で、あるいは例えば０．１  ｍｍの厚さの適当な箔の上で、まっすぐな、またはねじられ波状化などされたファイバーまたはファイバー撚り線、あるいはその両方を広げ、アセンブリを巻き上げる（図１１ａ）か、あるいはそれを希望されるブラシ・ストックの形状に適切に折りたたむ（図１１ｂ）ことがある。それから、人は、被膜または箔による特別な強化硬化に依存するか、あるいは人は、ファイバーを適切に選択肢、共晶接合または合金形状固定熱処理を続行する可能性がある。さらに、図８ｂでは、一致したひだ（１４）での細かい立体的な縦ひだが付けられたブラシ・ストック（１）用の考えられるケーシング（１５）またはその他の表面処理は、箔またはバイアス向きのファイバーまたは撚り線の層から作られ、おそらくＡｇ、Ｃｕ、Ｃｕメッキ済み、Ａｇ−メッキ済みのファイバーの任意の組み合わせで共晶的に接合される可能性がある。代わりに、人が、例えばブラシ・ストックの内部に行くことになっている銅ファイバーに、厚さがわずか１μｍ以下の銀の薄箔を交互に挟み、合金形状固定処理を使用することがある。必要な加熱は、はんだつけおよび溶接がｒｆ誘導加熱、炉加熱またはそれ以外の適当な手段によって実行されるほどである。
ファイバーまたは撚り線を、将来の巻上げやひだ付けのために巻くことが図９に図解される。ファイバーまたは撚り線（１２）のスプールは、任意の形状の巻取り枠（１０）の周りに巻かれる。枠（１０）は、任意の向きに回転軸（１１ａ）を有し、バイアス巻きを作成するために代替回転軸（１１ｂ）に向かって回転される。共晶接合されたファイバーの薄い層などの硬化剤は、枠（１０）の向かい合う側でファイバーの間に差し込まれることがある。
希望される場合、ファイバーまたは撚り線は、図１２ａから図１２ｅに図示されるように、入れ子状の同心螺旋形にされる。左回りのような１つの単独の左右像の入れ子状の同心螺旋形化したブラシ・ストックを作成するために、例えば、人は、図１２ａに図示されるように枠（１０）上で巻き付けられる銅ファイバーまたは撚り線の層で開始する可能性がある。ファイバーの角度（α）は、1度から約80度のどこかで、機械的に作成できるものによってだけ制限されるが、５度と４０度の間の範囲でもっとも適している。次に、商業的な生産では、たばこの形状をしたブラシ・ストックは無限に長くなるだろうが、人が、銀の薄箔（例えば、厚さ０．５μｍ）をファイバーまたは撚り線の上に配置し、ファイバーまたは撚り線を、たばこの形状をしたブラシ・ストック（図１２ｄ）に丸めることがある（図１２ｃ）。図１２ｄに図示されるように、ファイバーまたは撚り線のすべては、「同じ向きのたばこ軸」の回りで螺旋形になり、そのためすべて同じ左右像、つまり図１２ｄでは左回りで、入れ子状の同心の螺旋形化したファイバーを作り出す。ファイバーのこの構成は、最小数の接触点（ジョイント）、つまり低内部摩擦、したがってブラシ・ストックの軸の方向で優秀な弾性圧縮率を有するファイバー端の優れた独立柔軟性を組み合わせる。すでに説明されたブラシ・ストックの、ブラシ力がかけられたときに撚れる傾向を縮小または回避するために、相反するファイバー傾きの２つまたは３つ以上の層がいっしょに巻き上げられ、図１２ｅに示されるようなバイアス角度αとβで特徴付けられ、交互に現れる左右像のある螺旋形の同心層を得ることがある。また、このような入れ子状の螺旋形（たばこの形状をした）を、図５ｂに図示されるように任意の断面のより直径が大きいブラシ・ストックを形成するために、平行な配置で組み合わすことができることにも注意する。ファイバーまたは撚り線をたばこの形状をした構成に丸めた後、ブラシ・ストックが解けないように、およびこのようなブラシ・ストックから切断された個々のブラシが解けないようにするために、表面処理が必要とされることがある。ただし、例えば銅と銀の共晶温度までまたは穏やかに下回るまで加熱することによって、銀は銅ファイバーの中で溶解し、それによりそれらを硬化し、その後ファイバーは焼きなましの間に再結晶し、それにより同心螺旋形の形状を固定する。それ以外には、何でも任意の材料を使用して、形状は、再結晶がかなりまたは完全に完了するまで、単に再結晶温度を保持することによって固定されることもある。その結果、選択される特定の処理に応じて、弾性的であり、硬いファイバーから構成され、表面処理を必要としないブラシ・ストックが達成できる。その他の材料は、図１２ａから図１２ｅの例で使用されたように、銅および銀の薄箔の他に使用してよい。
ｄ）接合されたジョイントの選択式格付け
ブラシ・ストック周辺部のジョイント間で短縮された距離が、それを、内部での距離に関して強化し、その結果曲げに対する剛性を高める。接合されたジョイントには、図４ｎの種類の複数の撚り線を全体としてきつく撚ることから、内部ファイバーがこぶ状にならないようにするために必要とされる可能性があるのと同じ程度多くの撚ること、縄になうこと、または螺旋形にすることだけを用いて中心で圧着されていないファイバーだけを使用することまで、撚られた撚り線の使用による所定の値を指定できる。任意の1本のファイバーまたは撚られた撚り線の全長に沿ったジョイントの間隔は、それによって、１つまたはいくつかのファイバー直径から1インチ以上に格付けできる。
ｅ）「サポート・ファイバー」の使用
大多数のファイバーより実質的に大きい剛性のファイバーを意味する「サポート・ファイバー」をブラシ・ストックの中に、均一にまたは希望される等級付けつまり分布で混合することは、相応じて、ブラシ・ストックを機械的に強化する。例えば、図６は、重荷が降ろされた（unloaded）状態でのサポート・ファイバー（９）および通常のファイバー（８）を示す。サポート・ファイバーは、規則正しいブラシ・ファイバーと同じ材料から成るが、さらに厚いか、それらはグラファイトのような非金属を含む任意の適当な材料であるか、あるいは非導通である可能性もある。つまり、それらは、まっすぐであるか、圧着されているか、螺旋形化されているか、波状化されているか、巨視的な強度をブラシ・ストックに分け与えるためにもっとも適していると見なされ、随意に個々のファイバー移動性との最小可能干渉、またはブラシ・ストックの軸の方向でのブラシ・ストックの最大の巨視的な弾性を備えることがあるすべてである可能性がある。ブラシ力がかけられると、サポート・ファイバーは、回転子または基板表面にわずかに軽く接触しなければならない。
ファイバーの幾何学上の配置によるそれ以外の強化は、周辺部の回りでの高レベル（おそらく最高７０％）から、例えば内部においてより表面で大きい比質量偏差１５％のような内部でのはるかに低い値まで、比質量偏差を格付けする形を取ることがある。代りに、人が、周辺部からブラシ・ストックの中心まで、例えば、ブラシ・ストックの軸から外に向かって進行する接合点の密度を増加させるために、２つの異なるファイバー・タイプの組織的な変動（つまり、別の材料の他方に対する一方の量のゆっくりとした増加、または厚さ、あるいはそのすべて）を作り出すことがある。
表面処理
表面処理は、以下の目的のどれかに使用される。作業面で、およびブラシ・ストックの表面の回りでファイバー配列がほぐれないようにする目的。ブラシ・ストックの幾何学上の形状を固定する目的。ブラシ・ストックを曲げに対して機械的に強化する目的。ブラシ・ストックおよびそれから切断されたブラシを、電気接点、物理的または化学的な汚染、または磁場を含む環境から隔離する目的。
ファイバー・ジオメトリの等級付け、またはジョイントの強化、あるいはその両方による、すでに言及された表面強化方法に加えて、以下が、ブラシ・ストックを、ブラシ・ストックの表面の一部またはすべてに適用される可能性のある、表面処理によって強化するための方法である。
ａ）図３ｂ、図３ｃ、図３ｄおよび図８ｂに図示されるような、ファイバーの大部分を取り囲む鎧装またはケーシングの使用。
ｂ）外部表面を包むこと。
ｃ）噴霧、浸漬、電気メッキ、電気泳動、プラズマ噴霧および照射
ｄ）図１０に図示されるような縫合
ａ）ケーシング
表面処理による強化は、前記の関連する点に従って、独立したケーシングに、バンドル化されるか、撚られるか、螺旋形化されるか、ねじられるか、編まれるか、織られるか、縄になわれるか、あるいはフェルトで覆われるか、これらのどれかの組み合わせによるファイバーまたは撚り線で満たすことによって達成されることがある。任意の所定の形状およびサイズのケーシングは、共晶的に接合されるか、合金形状固定または再結晶固定によって作られるファイバーから作られる可能性がある。例えば、図３ｄは、三角形の形状のケーシングを描き、図８ｂは、矩形の形状のケーシングを描く。
ｂ）包むこと
表面処理による機械的な強化の成功した形式は、ファイバーを、箔、片、フェルトまたはファイバーで任意の組み合わせで包み、任意の数の方法で包みを締めることを含む。締めることは、例えば、錫またはインジウムの薄い箔をさらに巻き付け、最低溶解構成要素の融点まで簡略に加熱することによって実行できる。
包装材料の寸法および種類は、自由に選択され、回転子表面が包みを通して許容できない損傷を被らない、あるいは、膜抵抗率や摩擦係数を増加するなどの許容できない方法でブラシ動作と干渉する残留物によって覆われないという要件によってだけ制約される可能性がある。逆に、包むことが、潤滑剤または穏やかな研磨剤を含有することなどによって、ブラシ動作を補助するために使用されることがある。片およびファイバーのケースでは、個々の湾曲部が、表面で圧着するまたは螺旋形化するファイバーの程度に依存するが、めったに２０°を下回らない、９０°から包みが依然として適所にとどまることを許すほど浅い角度までの任意の選択された角度でブラシの軸の縦軸に関して傾斜されることがある。好ましくは、このような包むことは、代りに例えばブラシ・ストックの縦軸に対して傾斜された±４５°の向きで偏向された、ファイバーまたはマット状に編まれるファイバーの２つまたは３つ以上の薄い層で行われるか、あるいはそれは薄い金属箔または金属の薄箔を用いて行われる。どちらのケースでも、合金形状固定、はんだつけ、または共晶接合が、補助的な強化、あるいは焼きなましが後に続く金属薄箔で包むケースでは、得られる唯一の重要な強化を得るために使用される可能性がある。
発明者は、銀の薄膜および銅または銀の箔のすでに示された選択の他に、銅ファイバー、銀ファイバー、および黄銅ファイバーの組み合わせでインジウムまたは錫を無事に使用した。発明者は、黄銅以外に、青銅およびモネルメタルを含むそれ以外の銅合金が適していることを疑わない。
ｃ）噴霧、浸漬、電気メッキ、電気泳動、および照射
その内のいくつかが使用され、成功の度合いはさまざまである、それ以外の表面処理は、ブラシ・ストックに金属粉末や薄片またはグラファイトか任意の適当な半導体のスラリー、あるいは穏やかな研磨剤やその他の表面調整剤などで噴霧することを含む。これらのスラリーは濃化される場合もあれば、寒天、珪酸ソーダ、またはコーンスターチまたはファイバーを適所に接着する効果を持つこのような液体の混合剤によって、自然熟成または後の穏やかな熱処理のどちらかで適所に設定されることがある。後者のどれかは、グラファイトやその他の粉末または薄片の添加を行ったり、行わずに使用されることがある。これらの表面処理の用途は、ブラシ・ストックを前記液体の中に浸漬することによっても同様に達成されることがある。ブラシ・ストックの表面の一部だけを処理することが希望される場合、残りの部分を一時的に覆うことができる。代りに、噴霧または浸漬によって塗布されるよりさらに粘性の構成物は、多様な粉末またはすでに前記に列記されているのと同じ種類のスラリーに当てはまるように、ブラシ・ストックをその中で丸めることによって塗布されることがある。丸めたり、軽くたたいたりなどして、ブラシ・ストックの表面を粉末またはドーなどで濃縮することは、おそらく、工程を加速するか、あるいはファイバー配列に損害を与えないようにするために、意図されるブラシの内側と外側の圧力差を適用することによって補助されるだろう。
また、非常に重要なことには、表面処理は、プラズマ噴霧、フレーム溶着またはその他を含む、熱噴霧によっても適用されることがある。また、それによってジョイントを適所に設定でき、空間をほぼ室温で、したがってファイバーを焼きなますことなく表面で削減することができる、電気メッキや電気泳動も使用されることがある。例えば、銅ファイバーのブラシ・ストックの電気銅メッキは、ほとんど他の影響をださずに表面を選択して強化するだろう。表面処理の目標の１つ、すなわち汚染因子からの保護、および部分的には化学的な侵襲からの保護は、金メッキにより達成できるだろう。電気泳動は、それによってブラシ・ストックの表面に溶着できる幅広い範囲の物質のため、特に優れた適用性を持つ可能性がある。
また、表面での局所的な融解によって、ジョイントをひとつに溶接し、新しいジョイントを作成したりすることができる。このための１つの方法が、高周波炉の使用であり、別の重要な方法はレーザーを使った照射である。
ｅ）縫合
例えば、布地や靴の製作に使用される方法での縫合が、内部接合のために、あるいは「表面処理」の１つの形として使用されることがある。縫合は、内部接合または表面処理の代りに利用されたり、内部接合または表面処理の他の形式を補い、他の表面処理または共晶接合または存在する場合は合金形状固定の前後に適用されることがある。例えば、図１０は、ブラシ・ストックまたは個々のブラシ（１）を強化するために使用される縫合の方法を示す。このような縫合での糸（１７）は、典型的には、単独金属ファイバーまたは金属ファイバーの撚り線であり、ファイバー材に関する糸材料の適切な選択により、共晶接合または合金形状固定を使って設定されることがある。縫合は、任意の向きとなり、ブラシ全体に分布されるか、あるいは、例えば連続面のような必要な箇所に集中されることがある。糸は、撚られているかどうかに関係なく、単独のファイバーまたは撚り糸とすることができる。
通常、前記処理のすべてが、ブラシ・ストック、またはケーシングによって被覆されないブラシ上で使用されるか、使用されることが意図されるが、随意にそれらはファイバーの挿入の前後にケーシング上でも使用できる。
外部層または外部層内の構成要素、あるいはその両方の一部またはすべてでの前記手段の内のどれかによる表面処理は一時的に使用され、ブラシ構造を完成する前、またはブラシの使用直前に除去されることがあることに注意する。このような除去は、機械的に、溶解、エッチング、またはそれ以外の手段によって実行されることがある。さらに、「表面処理」が、最終的なブラシに組み立てられる任意のパーツ（複数の場合がある）で使用されることにも注意する。例えば、発明者により構築された一連のブラシでは、ファイバー材の平行する層に、薄い箔が挟まれた。
空隙充填材による回転子表面調整
本発明の１つの実施例では、空隙スペースのすべてまたは一部が、大部分は、表面処理のための浸漬、噴霧および圧延に関してすでに列挙された種類のどれかの、後で適所で凝固する、スラリーの形で注入される適当な材料で充填される。結果は、やや低い比質量偏差の場合に望まれる可能性がある、ブラシ・ストックのかなりの強化である。この種のグラファイト充填物は、戸外の大気中で動作する場合に、回転子表面を（特にこれまで銀面を滑る銅ファイバーおよび銅面を滑る銀ファイバーの）酸化から保護するために無事に使用されてきた。他の有効な充填材が考えられる。グラファイトの他に、候補物質には、ＭｏＳ2およびグラファイトと同様に潤滑を提供し、電気的に導電性であるが、ＭｏＳ2は水分によって侵襲されるため乾燥した状態で最良に使用されなければならない関連硫化物（つまりモリブデン鉱）を含む。
随意に、その上をブラシが滑る回転子または他の表面を清掃するための光沢剤または穏やかな研磨剤が、それらの部分的な空隙充填材に追加されることがあるか、あるいは小さな濃度においてだけではあるが、表面に損傷を与えず、絶縁デポジットを残さないために、それらは単独で同じように使用されることがある。任意の組み合わせでのこのような混合剤の選択は、単独で、あるいはすでに説明された充填材と混合される、酸化アルミニウム、炭化珪素、コロイド・シリカ、およびダイヤモンド粉末を含む。
空隙充填材の欠点とは、それらが、優れたファイバー・ブラシ動作が依存するファイバー端移動性を強力に削減し、充填された空間のフラクションが増加するにつれて内部の摩擦のこの増加急激に上昇がするという点である。対照的に、内部の潤滑は、潤滑剤を用いたすすぎで達成できる。これは、接触抵抗の付随する削減に耐えられる場合には薄い油であるか、あるいはブラシ抵抗が気がつくほど増加しないで効果的であるコロイド・グラファイトの希釈溶液である可能性がある。その他の適当な潤滑剤はたぶん存在し、積極的に探索されている。
ファイバー・ジョイントを接合するか、強化する機械的な手段
すでに言及された多様な手段に加えて、接触点での接合は、例えば圧延ミルまたは「一種の長ほうき」およびその後の焼きなましでの成形によって達成されることがある。成形は空間とは相容れないため、最終的には除去される一時的な基質物質の使用を必要とする。一時的な基質物質の導入は、時間がかかる複雑さであり、限られた範囲の基質／ファイバー材の組み合わせだけに適用できる。
清潔な状態では、堅いファイバー・ジョイントは、成形を行わない拡散接合によって作られることがある。
湿度の役割
接触表面での吸収された水の層の存在は、粘着を妨げ、摩耗を長くするのにきわめて望ましい。戸外の大気中で酸化しないブラシ材を使用する場合、通常の大気湿度は、低電流密度および中電流密度には十分である。それ以外の場合、水分は提供されなければならない。したがって、金属ファイバー・ブラシに、必要に応じて、十分な水分を提供することは、本発明の別の面である。
必要とされる周囲湿度は、ブラシによって被覆される回転子または基板表面のパーセンテージに応じて、および局所的な加熱、つまり電流密度に応じても上昇する。通常は、連続的なスリップ・リングまたは回転子上で、水分の進入を可能にするために、ギャップがブラシの間に残されなければならない。極端なケースでは、水分または冷却、あるいはその両方が、ブラシ自体を通して、ブラシ空間または与えられた適当なファイバーのどちらかを通して、ファイバーのいくつかまたはすべてのチャネルを通って供給されなければならない可能性がある。「サポート・ファイバー」は、特にこの目的に適しているだろう。
ミニチュア・ブラシ
大部分の用途にとって、ファイバー・ブラシは、例えば特徴的な寸法が０．５  ｃｍから３ｃｍの中程度の大きさとなるだろう。平坦な形状の片の形を取るブラシ・ストックから作られるミニチュア・ブラシが本発明のさらなる面である。すでに説明された考慮事項のどれかが、容易に１／４  ｍｍまで下げられる小さな寸法を除き当てはまる。
ファイバー・ブラシ技術の大型用途
目盛りの他方の端では、大型の金属ファイバー・ブラシ・ストックが、特定の用途にカスタマイズでき、簡単な設備で容易に構築できる、堅牢で丈夫な高度に効率的なよりあわせケーブルおよび滑り電気接続に使用できる。具体的には、最高数百アンペアまでの電流を運ぶのに適している（例えば、将来の電気自動車の急速な充電または電車用の電流接点に必要とされる可能性のあるような）可撓ケーブルは、外部から絶縁され、理想的には５０μｍまたはそれより薄い金属ファイバーから構成され、比質量偏差が約ｆ＝１０％以下であり、内部摩擦削減のために最小の接触点および潤滑となるブラシ・ストックから作られるだろう。
代りに、またはバンドルファイバーと組み合わされ、意図された電流の流れの方向に平行に、優先的に向けられる長いファイバーから構成されるファイバー・フェルトの薄い層が使用できる。同様に、さまざまな場所に高電流を提供するための組織化されたバス（つまり、可動接合電流導体）もこの技術を使用するだろう。平均的な毛の細かさ  の直径、したがってきわめて柔軟である容器に入れられたファイバーの塊は、高い力に対するニーズを回避する。さらにまたは代りに、ジョイントは、摩擦力をジョイントが容易に回転できるようにするほど低く保ちながらも、適切に完全にまたは部分的に金属ファイバー・ベルベットまたは金属ファイバー・フェルトで被覆され、任意の１つのジョイントの相関的に移動するパーツ全体での低接触抵抗に備えることができる。適切な構造を使用すれば、ファイバー・フェルトまたはベルベットは、必要なときに容易に交換できるようにされるだろう。一般的には、ファイバー・フェルトは、随意に、フェルトをフェルト内での任意の向きで等しく電気的にどうでんせいにするための優先的なファイバー方向なしに、接触点の適当な濃度で接合される互いに誤った方向に向けられたファイバー材の薄い層から成り立っている。ファイバー・ベルベットは、ほとんど同じ構造となり、電気伝導率の改善のためにファイバー・ジョイントのいくつかまたは多くを接合するために提供が行われるという点を除き、布地のベルベットとほぼ同じように作成されなければならない。
回転用途と直線作動の両方の用途のための電気ブラシは、バンドル化されたファイバー、ファイバー・フェルトまたはファイバー・ベルベット、あるいはその両方から構築され、それによって高い電流機能、低い損失、および低い雑音を提供する。ファイバー・フェルトまたはベルベットは、希望されるときに既存の機械に改装できる。高電力、低圧、高電流のモータは、回転式アンテナ・スリップ・リング、マイク、ビデオ・カメラ、およびその他の電子デバイスと電気デバイスのような信号臨界デバイスのように、この技術にとっての特に優れた候補者である。
また、電気接触子は、特に通電されていない状態で接続される場合に、接触する面の１つの上でのこのフェルトの層から大いに恩恵を受けるだろう。この例は、充電用の高圧構成への接続によって、低圧、高電流動作構成からバッテリ・バンクを充電するバッテリ接触子だろう。
ファイバー・ブラシの予想される使用目的
ファイバー・ブラシは、米国特許第４，３５８，６９９号および第４，４１５，６３５号に開示される理論に基づき、さらに、「電気ファイバー・ブラシ−理論と所見」、Ｄ．Ｋｕｈｌｍａｎｎ−Ｗｉｌｓｄｏｒｆ、ＩＥＥＥ会報、ＣＰＭＴ第Ａ部、１９（１９９６）３６０−３７５ページとして再び印刷され、ここに参照して組み込まれる、Ｄ．Ｋｕｈｌｍａｎｎ−Ｗｉｌｓｄｏｒｆによる、ＩＣＥＣ−ＩＥＥＥホルム９５（第４１回電気接点に関するホルム会議、ＩＥＥＥ、モントリオール、カナダ、１９９５年１０月２−４日）論文「電気ファイバー・ブラシ−理論と観測」２９５−３１４ページで開発された。これは、休止しているまたは相関的に運動中の界面全体での熱伝達だけではなく電流を制御する一般的な理論であり、開示された構造は、微細な規模で界面での状態を最適化する。したがって、ファイバー・ブラシの適用性は、単独接触スポットの寸法を超えるサイズに関しては無制限であり、滑り速度に関しては空気力学または流体力学的な昇程だけの制限にさらされ、温度に関しては、ファイバーが固形でとどまるという要件だけによって制限され、電流および熱密度に関しては、界面が局所的に溶解する温度に関してだけである。したがって、ファイバー・ブラシは、一次元（例えばレール）または二次元的に拡張された基板上での無限滑走だけではなく、回転運動および往復運動を含む界面全体での電流または熱伝導の考えられるすべての状態に適用できる。したがって、ファイバー・ブラシは、依然として予想されていない、あるいは現在では、電流または熱伝導、あるいはその両方の適当な手段の欠如のために挫折している、技術的または科学的な発展を将来可能にするだろう。
具体的には、現在既知である用途に関して、ファイバー・ブラシは、例えば、電力装置において、特に複数の近傍滑り接点に提示される機能だけではなく秀逸な信号特性という点での電子装置において、電気自動車の用途において、発電システムと配電システムいおいて、および電気直線アクチュエータにおいて有用性がある。
ファイバーねじれを制御するための方法
本発明の連続金属ファイバー・ブラシ構造の重要な面とは、ねじれたファイバーの使用である。図３ａおよび図３ｂは、ねじれたファイバーを使用して作られるファイバー・ブラシの例である。ファイバーバンドルの緊密なパッキングに対する希望される弾性抵抗は、それによって、（共通結合によってまとめてはんだつけされているかどうかに関係なく）隣り合うファイバー間の局所的なジョイントの複数の相互摩擦点を介して作り出される。ファイバーの単位長さあたりのねじれの密度は、バンドルの「ロフト」を制御するために使用される。直径が５０μｍのファイバーの場合、ねじれは連続間隔、つまり、数ミリメートルの長さに及ぶそれぞれがほぼ２．５  ｃｍ離された鋭いねじれまで、さまざまな振幅および波長で「波状化される」ファイバーを作成することから使用され、振幅は、１ミリメートルの端数から数ミリメートルまで変化することがある。この技法の１つの実施例での実際的な理由のため、本発明はＶ−ねじれを使用し、事前に選択された張力を受けるファイバーを巻くことによってねじれの深度を制御した。これにより、張力が低いと、さらに深いねじれが提供されるが、張力がさらに高いと、さらに浅いねじれが提供される。ただし、例えばじぐざぐパターン、波打つパターン、ファイバーの波状化または「怠惰な」螺旋形化での連続ねじれだけではなく、幅広い範囲のその他のねじれ形状が同様に使用でき、初期のねじれプロファイルの深度が巻きの代りに使用できるのも本当である。大量生産の場合、巻かれた個々のファイバーをねじる代りに、連続トウであるのか、有限長さであるのかに関係なく、存在する場合は、撚る前または後に撚り線に適用されるねじり、カーリング、螺旋形化なども可能であり、実際には、大多数のケースでより費用効果が高いだろう。
ファイバー・ブラシ・ストックの整形
螺旋形にすること、撚ること、または縄になうことによって得られる以外の本発明のファイバー・ブラシは、それによって選択された表面処理が適用されるか、あるいはすでに適用された場合には、同時に「設定」される、焼きなましを行う場合もあれば、行わない場合もある、意図されるブラシ・ストックの形状および比質量偏差を生じさせる鋳型で、ファイバーを圧縮することにより実験室において作られてきた。実験室で使用される鋳型は、例えば、それによって圧縮が適用され希望される比質量偏差を分け与えることができるブラシ・ストックおよび一致する蓋の意図される形状の空洞を提供する、少なくとも１つの部品を含む。ブラシ・ストックの鋳型は、ステンレス鋼またはグラファイトで作られたが、（ｉ）それらが、ブラシ・ストックの材料の中で溶解しない、または溶解している、（ｉｉ）鋳型が、使用される焼きなまし処理に関係なくその形状を維持するという要件によって支配される、多岐に渡る金属およびセラミックスを含む、任意の他の適当な材料または材料の組み合わせを使用することができる。焼きなまし処理は、ブラシ・ストックの鋳型材料が酸化に耐性があり、ファイバーの酸化を阻止するために使用されるときにしっかりと閉じられる場合、戸外の大気中で実行することはできない。ブラシ・ストックの鋳型またはファイバー・ストック材料、あるいはその両方が、熱処理温度で酸化しやすい場合、またはなんらかの理由、例えば鋳型構成要素の間のギャップの回りでの漏れなどによって、鋳型がしっかりと閉じられないか、鋳型がその端の一方または両方で故意に開放されたままにされる場合、それらは、例えば水素などの保護大気を必要とするだろう。示されるような鋳型の考えられる使用目的に加えて、押出し、連続圧延、心棒での連続巻取り、または再整形がファイバー・ブラシの大規模生産に考えられる。
ブラシのブラシ・ストックからの切削および作業面の整形
本発明に従ったブラシの構築におけるさらなる重要なステップとは、個々のブラシを「ブラシ・ストック」から切削し、その意図された連続面を整形することである。いくつかのケース、特に小さい寸法および曲線のある輪郭の場合では、レーザー切削が費用効果が高いことが分かることがある。接触スポットまたはジョイントの間の平均的な間隔に匹敵するか、あるいは接触スポットまたはジョイントの間の平均的な間隔より小さい直径のブラシ・ストックによるプレーナー切削は、かみそりの刃で作成できる。比較的に大きな直径のブラシ・ストックの場合、切削は、その中の孔のサイズを縮小しないでスポンジを切削しようとするのにほとんど類似した問題を提示する。問題は、（必要ならば、上昇した温度で）ブラシ・ストックに固化液を染み込ませ、それを硬化させ（例えば、凍結するまでそれを冷却するか、あるいは当てはまるように、樹脂の場合にはそれを硬化させ）、ブラシ・ストックを切削するか、その中に硬化した液がある連続面を整形し、（必要ならば遠心分離器によって）再溶解または溶解し、液を除去し、最終的に必要ならば残留物をブラシから清掃することによって克服される。優れた結果は、切削または整形中、切削表面での表面上の溶解を削減するために、水を使用し、水を、単に冷蔵庫のフリーザー・コンパートメント内での、あるいは例えばドライアイスや液体窒素のさらに低い温度での、０℃をはるかに下回るまで冷却して達成された。使用される可能性のあるそれ以外の流体は、表面の湿潤を強めることを目的とした表面活性剤を含む水性の液体、低粘性の油、硬い凝固溶解可能ゲル、凍結された二酸化炭素、つまりドライアイス、または商業的な冶金学的埋込み樹脂を含む。
一時的に硬い物質で充填されたブラシ・ストックの実際の切削は、従来の手段で実行できるが、最適には、鋭いツールで、過度の加熱を回避するために迅速に実行されなければならない。一時的に硬い物質を空隙から切削し、除去した後、切削面にあるファイバーは、典型的にはいっしょに固められる。固められる場合、それらは、優先的には、意図された回転子または基板表面と同じ形状の物質上に載せられるなんらかの種類の研磨紙を使って強くない研磨によって自由にされなければならない。
ファイバー・ジョイントの共晶による合金形状固定およびはんだ−接合は、表面処理で利用されてきたが、ファイバーは、希望されるブラシ・ストック形状および比質量偏差を分け与えるために、ファイバー・ブラシ鋳型に入れられていた。例えば、銀ファイバーまたは銀被覆の銅ファイバーの意図されたブラシ・ストックは、０．５  ｍｍの厚さの銅箔を数回転巻き付けられた。銅ファイバーは０．５μｍの厚さの銀の薄箔を１回転または数回転巻き付けられたか、鋳型はファイバーを挿入する前に金属の薄箔で裏打ちされた。巻きの厚さは、ブラシ・ストックのサイズ、および希望される硬化層の深度に応じて選択される。それから、鋳型は、典型的には、酸素または化学的に侵襲性のある気体を含まないカバー・ガスを意味する保護大気中で必要とされる焼きなまし温度まで加熱された。
ブラシ負荷
金属ファイバー・ブラシが、従来のブラシよりはるかに高い電流密度を伝導することができ、一般的には伝導しなければならず、それらが従来のブラシよりはるかに軽い機械的な圧力を必要とすることにさらに注意する。事実上、これらは、それらがやがて従来の「モノリシック」なグラファイト・ベースの電気ブラシに取って代わることが予想されているため、金属ファイバー・ブラシの重要な優位点である。しかし、適切な運用のために、ブラシ力は、ブラシ摩耗の長さに関係なく、妥当に近い、所定の範囲内で、一定のままでなければならない。これは１）従来のブラシに幅広く使用される一定力ばねが通常一定の軽い負荷をかけるには堅く、不正確すぎるため、および２）必要とされる高い電流をブラシに、およびブラシから伝導する従来の電流リード線が堅く、意図された軽い機械的な負荷と干渉するため、問題を生じさせる。
さらに、実際の大量用途の場合、ファイバー・ブラシは、最終的には、保管、出荷、および取扱い中の損傷からそれらを保護し、ほぼ電球やプリンタ・カートリッジのような、熟練していない労働者によるきわめて簡単な設置用に設計されるパッケージ化された形式で販売／流通されなければならないだろう。
好まれる実施例においては、本発明は、さらに、すべてのタイプのブラシに有効で、特にブラシが摩耗する間に一定のブラシ力を維持するように設計された、新規の電気ブラシ・ホルダーおよび装填デバイスを含む。「安価な」用途では、人は、螺旋形ばね装填なしで済まし、その場合、ブラシ力は摩耗に伴いゆっくりと低下すある。さらに要求が厳しい用途の場合、人は、「一定力ばね」を使用する。これらは、通常、信頼できるが、決して理想的ではない。好まれる実施例では、ブラシの機械的な装填は、同時に電流をブラシに、およびブラシから伝導するために使用される液体金属によって静水的に実行される。図７ａの特定の設計では、各ブラシ（１０）は、少なくともブラシと同じ長さであるシリンダー（１）の中の金属ピストン（８）に（例えば、ネジ接続部を介して）しっかりと、金属的に固定される。ブラシから離れたピストンの側面では、シリンダーは、加圧された液体金属（６）で充填される。ブラシおよびその中でブラシが滑るシリンダーの、その端が、例えば解放することができる電気的に導電するブラシ付属装置（１１）による取付け用に設計されるピストンのこのような組み合わせが「ブラシ・ホルダー」を構成する。ピストン・ライナー（９）またはシリンダー・ライナー（７）あるいはその両方を、絶縁または低摩擦のために使用することが有利である可能性がある。代りに、ピストンおよびシリンダーが、液体金属とブラシの間の導電性プレートの提供以外、必ずしも金属から作られていないベローズで置き換えられることもある。
液体金属内の過圧がＤpである場合、ブラシにかけられる力は、典型的には取るに足りないピストンとシリンダーの間の摩擦が差し引かれたＰB＝ＡＤp3である。ここでは、Ａは、おそらく大部分の場合は円形断面であるが、あらゆる形状でのシリンダーやベローズの断面面積である。液体金属過圧が一定の値で保たれると、同じブラシ力は、摩耗長さには関係なく、ピストンが、ブラシが摩耗するのに伴い、シリンダー内で前進する間も維持されるか、あるいはベローズが使用される場合にはゆっくりとだけ低下する。
シリンダーの解放端は、例えば、スリップ・リング、整流器、またはレール（１５）のように、所定の隙間（１２）を使って、その上をブラシが滑る連続面に従うように整形される可能性がある。同様に、ガイドは、ベローズといっしょに使用されることがある。高速で移動する車両と接続しているなどの状態に応じて、ブラシを巻く力から遮蔽するために空隙を小さくすることが有利な場合がある。同様に、モーターまたは発電機では、ブラシを強磁性のシリンダーまたは被度（１６）によって磁力から遮蔽できる可能性がある。
好ましくは、ホルダー・シリンダーまたはベローズには、ピストンまたはベローズの前進を制限し、それによって接触面（例えば、回転子）が、ブラシが交換される前にうっかり摩耗してしまった場合に、ピストンまたはベローズの端によるひっかき傷や溝から保護されるように、最小ブラシ長さを設定するための止めを具備される。
複数の、おそらく数百のブラシを必要とする機械やその他のデバイスにおいては、ブラシ・ホルダーの任意の選択されたグループが、同じ液体金属タンクに接続されることがある。事実上、ブラシ力はシリンダーまたはベローズの断面面積に比例し、これは、通常、ブラシの断面面積よりは大きいが、ブラシの断面面積に近くなくてはならないため、同じ一般的な構造、したがって同じ弾性／塑性繊維圧力を持つが、任意の形状およびサイズである一連のブラシが同じタンクに接続されるだろう。
多岐に渡る形状とサイズのベローズおよび静水圧力シリンダーが大量に、複数の企業によって国内とそれ以外の場所の両方で製造されているので、適当なベローズまたは静水シリンダー、およびピストンは、直接的に市販されているか、あるいは、製造メーカからほぼ確実に調達できる。保管、販売および取扱いのため、ファイバー・ブラシは、軽い金属またはプラスチックの管の中に実装されることがる。これらは、対応するシリンダーまたはベローズの端に適当に整合されなければならない。多様な機械的な機構が、ピストン端がわずかにピストンから突出している間にあり継ぎの中に滑り込ませることによって、あるいはネジとネジ山の配置によって、ピストンにブラシを固定するために利用できる。そして、類似した接続をベローズの端に行うことができる。構造に応じて、ブラシ設置中の流体のシリンダーまたはベローズへの進入を制御するための１つまたは２つの単純な弁（５）が役立つことがある。ブラシ設置には、シリンダーまたはベローズが連続面から離れて滑走または旋回できるようにすることが同様に必要である可能性がある。これは、例えば、液体金属に可撓プラスチック管組織（４）を使用することによって容易に達成できる。どのような場合にも、電流は液体金属を通って伝導される。水分、潤滑剤、保護大気、冷却材などの供給のため、または排気目的のためのオプションの可撓ホース（１３）が有効なことがある。可撓ホース（１３）は、入口（１８）のシリンダーに取り付けることができる。潤滑剤、冷却材などの進入を制御するためのオプションの弁（１４）も役立つ可能性がある。さらに、リリースまたはジョイント（３）は、ブラシの設置をさらに容易にするために使用されることがある。同様に、ホース（１３）の解放のためのリリースまたはジョイント（１７）が、ブラシの設置をさらに容易にするために使用されることがある。シリンダーをスリップ・リング、整流器、レールなど（１５）に関して固定した位置に保つために、解放可能なまたは接合された付属装置（２）を使用することができる。
液体金属の最もありそうな選択肢が水銀（Ｈｇ）およびナトリウム−カリウム合金（ＮａＫ）である。それぞれがその優位点と不利な点を有している。環境上の考慮事項に関しては、特にこの液体合金での多くの経験がすでに入手できるため、ＮａＫが好まれる。使用前または使用開始時にすぐにそれらを加熱する手段があるならば、ガリウムなどの室温を超えて適度に溶解する金属も使用されることがある。
さらに、図７ｂに描かれるように、それ自体の弾性圧縮がブラシ負荷として役立つようにするために、ガイド（７）を通って基板（４）に向かって送られる弾性的に曲げられたブラシ・ストック（１）を利用するブラシ・ホルダーがある。図７ｃは、ブラシ・ホルダーが可撓ブラシ・ストック（１）、ブラシ・ストックを入れるために使用されるシェル（５）、回転可能な導電性接続（２）および電源（３）への接続を有する、本発明の依然として別の実施例を描く。さらに、締め金具（６）が、ブラシ・ストックを入れる鎧装を固定するために使用される。ブラシ・ストックは、シェル（５）内の開口部（７）を通して、基板（４）に向かって誘導される。図７ｄは、図７ｃのブラシ・ホルダーで使用できるガイド（７）の例を図解する。代りに、回転可能なブラシ接続（２）は省略することができ、好ましくはブラシ・ストック（１）のシェル（５）内での、適当な弾性t的なねじれを含む1回または2回以上の完全な回転が、ブラシ・ストックの作業端をガイド（７）を通して基板表面（４）に逆らって押しやるために、ブラシ・ストックに分け与えられた後に、代りにブラシ・ストックの入口端が直接電源（３）に接続される。
本発明で特に有利であるのは、回転子またはスリップ・リング表面と直接接触して使用された場合にそれらを不適当にしてしまう液体金属中のマイナーな汚濁物が容易に耐えられるはずであるという点である。さらに、使用される液体金属の総量は、比較的に少量に保つことができ、液体金属流量は、多くのブラシが同時に運転される可能性のある大型システムにおいてさえ低いから気づかれない程度だろう。
明らかに、本発明の数多くの修正および変化が、前記教示を鑑みて可能である。したがって、添付請求項の適用範囲内では、本発明が、特に本文中に説明される通り以外に実践されることがあることが理解されなければならない。
【図１Ａ】
0004004543.tif 000002
【図１Ｂ】
0004004543.tif 000003
【図２】
0004004543.tif 000004
【図３Ａ】
0004004543.tif 000005
【図３Ｂ】
0004004543.tif 000006
【図３Ｃ】
0004004543.tif 000007
【図３Ｄ】
0004004543.tif 000008
【図３Ｅ】
0004004543.tif 000009
【図３Ｆ】
0004004543.tif 000010
【図４Ａ】
0004004543.tif 000011
【図４Ｂ】
0004004543.tif 000012
【図４Ｃ】
0004004543.tif 000013
【図４Ｄ】
0004004543.tif 000014
【図４Ｅ】
0004004543.tif 000015
【図４Ｆ】
0004004543.tif 000016
【図４Ｇ】
0004004543.tif 000017
【図４Ｈ】
0004004543.tif 000018
【図４Ｉ】
0004004543.tif 000019
【図４Ｊ】
0004004543.tif 000020
【図４Ｋ】
0004004543.tif 000021
【図４Ｌ】
0004004543.tif 000022
【図４Ｍ】
0004004543.tif 000023
【図４Ｎ】
0004004543.tif 000024
【図４Ｏ】
0004004543.tif 000025
【図５Ａ】
0004004543.tif 000026
【図５Ｂ】
0004004543.tif 000027
【図５Ｃ】
0004004543.tif 000028
【図５Ｄ】
0004004543.tif 000029
【図６】
0004004543.tif 000030
【図７Ａ】
0004004543.tif 000031
【図７Ｂ】
0004004543.tif 000032
【図７Ｃ】
0004004543.tif 000033
【図７Ｄ】
0004004543.tif 000034
【図８Ａ】
0004004543.tif 000035
【図８Ｂ】
0004004543.tif 000036
【図８Ｃ】
0004004543.tif 000037
【図８Ｄ】
0004004543.tif 000038
【図８Ｅ】
0004004543.tif 000039
【図９】
0004004543.tif 000040
【図１０】
0004004543.tif 000041
【図１１Ａ】
0004004543.tif 000042
【図１１Ｂ】
0004004543.tif 000043
【図１２Ａ】
0004004543.tif 000044
【図１２Ｂ】
0004004543.tif 000045
【図１２Ｃ】
0004004543.tif 000046
【図１２Ｄ】
0004004543.tif 000047
【図１２Ｅ】
0004004543.tif 000048