**表紙.qxp_レイアウト 1 2018/10/15 18:43 ページ 1

For New Technology NetworkR

TECHNICAL REVIEW No.86
特集
特集

October 2018

ロボット・センシング商品，工作機械
corporation

環境保護のため再生紙を使用しています。

ロボット・センシング商品，工作機械

ISSN 0915-0528 OSAKA, JAPAN

**表紙.qxp_レイアウト 1 2018/10/15 18:43 ページ 2

自然エネルギー商品を用いた新たな施策

NTNは、2018年3月に創業100周年を迎え、2018年4月からは新中期経
営計画「DRIVE NTN100」をスタートさせました。次の100年の持続的成長に向けた諸施策を推進する中で、これまで培った研究開発と生産技術、販売の総合力を活かし、新たな領域における事業展開を進めています。自然エネルギー分野
においては、高効率で静粛性の高い翼を活用した小形風力発電装置や小水力発電装置の製造・販売を開始しています。
風力と太陽光で発電する小形風力発電装置「NTNハイブリッド街路灯」は、独立電源として、災害時や無電化地域など、電気が使えない時、電気が無い場所
で、電力を供給できます。NTNは、再生可能エネルギーの普及と防災・防犯に役立てていただくことを目的に、これまでに「NTNハイブリッド街路灯」を国内5地域に寄贈しました。
また、新たな取組みとして国立大学法人大阪大学(以下、大阪大学)および関連組織とともに、「ITを用いた防災・見守り・観光に関する仕組みづくりの共同研究」を開始しました。本共同研究は、大阪大学が開発した災害救援・防災マップ▲ NTNハイブリッド街路灯を用いた実験機と、みまもりカメラ機能を持つWi-Fiステーション「みまもりロボくんⅢ」を連携させるもので、実験機の駆体および独立電源として「NTNハイブリッド街路灯」を採用いただきました。防災・災害時支援に関する情報網として、また、高齢者や子供の見守り、観光等の情報インフラ構築を目的に、各種の実験に取り組んでいます。
小水力発電装置である「NTNマイクロ水車」は、独自の翼形状により、用水路に設置するだけで流水のエネル
ギーを高効率で電力に変換できます。水位の落差を利用する従来の小水力発電装置とは異なり、導入時の落差工事が不要であり、工事費用を大幅に削減できるほか、同一水路への直列・並列配置が可能なため、台数に応じた発電量を見込める点も大きなメリットです。さらに、発電した電力を系統に

NTN TECHNICAL REVIEW No.86

送電し、売電が可能な「系統連系用NTNマイクロ水車」の販売を本年より開始しました。

NTNは、これらの自然エネルギー商品を用いた新たな施策に印 刷・発 行より、地産地消型エネルギーの提案を進め、低炭素化社会の実
現や、安心・安全なまちづくりを通して地域社会に貢献してま▲ 同一水路に直列配置されたNTNマイクロ水車

いります。

編 集 人
発 行 人

発行所

寺阪 至徳
持 田 陽一郎

2018年 10月31日【禁無断転載】大阪市西区京町堀1丁目3番17号

印刷所

NTN株式会社

日本写真印刷コミュニケーションズ株式会社

京都市中京区壬生花井町3

*01-目次-巻頭言_*01/目次/巻頭言 18/10/18 18:07 ページ 1

NTN TECHNICAL REVIEW No.86
ロボット・センシング商品，工作機械

巻頭言「ロボット・センシング商品，工作機械」特集号に寄せて

常務取締役

寺阪至徳

大阪大学 大学院工学研究科 機械工学専攻 教授

高谷裕浩

予測型生産システムとスマート加工・計測機械の展望【 寄稿文 】

【展

特集号 ● 目 次

転がり軸受とIoT −NTNのIoTへの取組み−

望】

常務執行役員 研究部門担当● ロボット・センシング商品

産業機械事業本部

文】i-WRISTTMのロボット手首関節への応用
説】ロボット用軸受の技術動向と特長
産業機械事業本部

22

野瀬賢蔵／坂田清悟／丸井直樹／佐藤直彦

28

適用技術部

大胡

34

誠／國米広道／林【商品紹介】風力発電装置用状態監視システム（CMS）の開発と適用例
産業機械事業本部

商品開発研究所
産業機械事業本部

康由／辻橋将人
航40

小池孝誌／福島靖之／澁谷勇介
伊藤浩義

45

ロボティクス・センシング技術部【商品紹介】高精度絶対角検出用複列磁気リングの開発● 工作機械

16

浩／御堂前 純／志村祐紀／小原正行

数野恵介／磯部

商品開発研究所

【解

2

小特集

【商品紹介】手首関節モジュール『i-WRISTTM』の開発
【論

江上正樹

1

宮﨑

誠／畠山

ロボティクス・センシング技術部

小特集【商品紹介】工作機械主軸用センサ内蔵軸受ユニットの開発

産業機械事業本部 適用技術部 橋爪翔平
商品開発研究所 福島靖之／澁谷勇介
産業機械事業本部 製品設計部 山本庸平

50

【商品紹介】高速・重切削工作機械主軸用アンギュラ玉軸受

産業機械事業本部 適用技術部 竹ヶ鼻 仁／古山峰夫
産業機械事業本部 製品設計部 神野晃治／田中雄也【商品紹介】工作機械主軸用空冷間座付グリース潤滑軸受

産業機械事業本部 適用技術部 那須惠介
産業機械事業本部 製品設計部 岡本直也／田中雄也
先端技術研究所 小畑智彦

【商品紹介】ULTAGE精密標準アンギュラ玉軸受72Uシリーズ
産業機械事業本部

製品設計部【商品紹介】工作機械案内面用樹脂すべりシート
複合材料商品事業部

精密樹脂技術部

北野誉幸／山本庸平

石井卓哉／福澤覚／宗田法和

56

62

68
74

● 論文・商品紹介【論文】トランスミッション向け玉軸受用低フリクションシールの潤滑メカニズム水貝智洋
佐々木克明／和久田貴裕

78

商品開発研究所 石原教雄／大場浩量／伊東貴志
自動車システム開発工学科 石橋満憲／山門 誠／狩野芳郎／安部正人

84

先端技術研究所
自動車事業本部【論

自動車軸受技術部

文】車両運動性能を向上させるステアリング補助機能付ハブベアリング
神奈川工科大学【商品紹介】早期異常検知機能付円すいころ軸受

産業機械事業本部 適用技術部 山本直太
産業機械事業本部 製品設計部 内村宙史／東穂翔太【商品紹介】風力発電装置主軸用「左右列非対称自動調心ころ軸受」 産業機械事業本部

瀨古一将
山本貴志

96

伊藤隆志／木村寛太／金村泰成

102

産業機械事業本部【商品紹介】系統連系用NTNマイクロ水車
自然エネルギー商品事業部

技術部

91

適用技術部
製品設計部

●受賞案件の紹介《2017年

超

モノづくり部品大賞 自動車部品賞受賞》

自動車用ULTAGE(アルテージ)円すいころ軸受
自動車事業本部

108

自動車軸受技術部《日本材料学会 「第51回X線材料強度に関するシンポジウム

論文賞」受賞》

低Λ条件でのスラスト玉軸受の転動疲労寿命
新商品紹介

崇／藤掛泰人／石川貴則／宮入進

最優秀発表賞」受賞》

転がり軸受のピーリング損傷におよぼす残留応力の影響《2017年度「日本トライボロジー学会

川井

先端技術研究所 嘉村直哉／藤田 工
金沢大学 人間科学系 佐々木 敏彦
先端技術研究所

藤田工／長谷川直哉／嘉村直哉
佐々木 敏彦

金沢大学 人間科学系

109

110

111

*01-目次-巻頭言_*01/目次/巻頭言 18/10/18 18:07 ページ 2

NTN TECHNICAL REVIEW No.86
CONTENTS
Preface

For Robotics and Sensing Products and Machine Tool
1

Yoshinori TERASAKA

Strategic Vision for Smart Machining Tool and Measuring Instrument
Contribution

Perspective

Yasuhiro TAKAYA

Professor, Department of Mechanical Engineering,
Graduate School of Engineering, Osaka University

Rolling Bearing and IoT – NTN’s Approach to IoT Masaki EGAMI

2

16● Special Issue for Robotics and Sensing Products
Development of『i-WRISTTM』wrist joint module
Keisuke KAZUNO, Hiroshi ISOBE, Jun MIDOUMAE, Yuuki SHIMURA and Masayuki OHARA

Application of i-WRISTTM to the Robot Wrist Joint
Kenzou NOSE, Seigo SAKATA, Naoki MARUI and Naohiko SATOU

Technical Trend and Features of the Bearing for Robot
Makoto OEBISU, Hiromichi KOKUMAI, Yasuyoshi HAYASHI and Masato TSUJIHASHI

Application of Condition Monitoring System for wind turbines
Makoto MIYAZAKI and Wataru HATAKEYAMA

Development of Multi Track Magnetic Ring for High Accuracy Absolute Angle Detection
Takashi KOIKE, Yasuyuki FUKUSHIMA, Yusuke SHIBUYA and Hiroyoshi ITOUI

22

28

34

40

45

● Special Issue for Machine Tool
Development of Sensor Integrated Bearing Unit for Machine Tool Spindles
Shohei HASHIZUME, Yasuyuki FUKUSHIMA, Yusuke SHIBUYA and Yohei YAMAMOTO

Angular Contact Ball Bearings for High-Speed and Heavy-Cutting Machine Tools
Jin TAKEGAHANA, Mineo KOYAMA, Kouji JINNO and Yuya TANAKA

Machine Tool Main Spindle Bearings with Air Cooling Spacer for Grease Lubrication
Keisuke NASU, Naoya OKAMOTO, Yuya TANAKA and Tomohiko OBATAULTAGE Precision Standard Angular Contact Ball Bearing, 72U Series
Takayuki KITANO and Youhei YAMAMOTO

Plastics Sliding Sheet Used Slide Guide of Machine Tools
Takuya ISHII, Satoru FUKUZAWA and Norikazu MUNEDA

50

56

62

68

74

● Technical Papers and New Products
Lubrication Mechanism of Low Friction Seal of Ball Bearing for Transmission
Tomohiro SUGAI, Katsuaki SASAKI and Takahiro WAKUDA

Hub Bearing with Steering Function that Improves Vehicle Dynamic Performance78

Norio ISHIHARA, Hirokazu OOBA, Atsushi ITOU, Mitsunori ISHIBASHI, Makoto YAMAKADO, Yoshio KANO and TMasato ABE

84"Tapered Roller Bearings" with Early Failure Detection Sensor

91

Naota YAMAMOTO, Hiroshi UCHIMURA and Shota TOHO

Asymmetrical Spherical Roller Bearings for Wind Turbine Main Shafts
Kazumasa SEKO and Takashi YAMAMOTO

Grid Connectable NTN Micro Hydro Turbine

96

102

Takashi ITOU, kanta KIMURA and Yasunari KANAMURA● Award Winning Products“Cho” MONODZUKURI Innovative Parts and Components Award 2017, Automotive Components AwardULTAGE Tapered Roller Bearing for Automotive Application

108

Takashi KAWAI, Yasuhito FUJIKAKE, Takanori ISHIKAWA and Susumu MIYAIRIThe Society of Materials Science, Japan “The 51st symposium on X-ray material strength” Best Presentation Award

Effect of Residual Stress on Peeling of Rolling Bearings

109

Naoya KAMURA, Takumi FUJITA and Toshihiko SASAKI“The Japanese Society of Tribologists 2017 ” Outstanding Paper Award

Rolling Contact Fatigue of Thrust Ball Bearing under Low Lambda Condition

110

Takumi FUJITA, Naoya HASEGAWA, Naoya KAMURA and Toshihiko SASAKI

Our Line of New Product111

*01-目次-巻頭言_*01/目次/巻頭言 18/10/18 18:07 ページ 3

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）[ 巻頭言 ]

「ロボット・センシング商品，工作機械」特集号に寄せて

常務取締役

寺阪 至徳

日本の生産年齢人口の減少が業種を問わず大きな社会問題として取り上げられる中、今後の少子高齢化の進行による人手不足への対応が強く求められています。協働ロボットは多種多様な製造現場で人の代わりにハンドリングや組立、検査などの作業を行うことができ、今後の市場拡大が期待される分野のひとつです。一方、人手不足を背景として産業機械への状態監視機能の付与を求める声が一段と高まり、IoTの普及も相まって、センシング技術の活用によるさらなる無人化や省人化を目指す取組みが活発に議論されています。

NTNは製造現場での人手不足や品質向上の課題に対し、当社独自のリンク機構を採用した手首関節型モジュール“ iーWRIST ”とカメラを組み合わせた、コンパクトで高速動作が可能な外観検査装置を開発し、新事業の創出に向けた取組みのひとつとして推進しています。
また、 NTNの基盤商品である軸受は、身の回りのあらゆる機器の回転部分に使用されており、各種センサを内蔵しセンシング機能を持たせることで、データ収集の起点となる機械要素として、一層の高機能化が要求されています。 NTNは大阪大学と共同で、軸受に多機能センサを内蔵し、軸受運転時の傾向管理や破損の未然防止を可能にする研究技術開発に取り組んでいます。
今般「未来へつなぐ、技術の大樹」
をテーマとした、
第29回日本国際工作機械見本市（JIMTOF2018）が11月1日から11月6日に開催されるのを機に、テクニカルレビューNo.86「ロボット・センシ
ング商品、工作機械」特集号を発行する運びとなりました。当社の基盤技術である材料、熱処理、トライボロジー技術などを活用した基盤商品のひとつとして、産業ロボット用軸受があり、これらの技術動向と特長を解説するほか、新たに開発した工作機械主軸用センサ内蔵軸受ユニットや高速化に対応する空冷間座付グリース潤滑軸受、高速・重切削に対応する工作機械主軸用新アンギュラ
玉軸受などを紹介いたします。

NTNは2018年3月に創業100周年を迎えました。2018年4月からは新たな3年間で中期経営計画「DRIVE NTN100」に取り組み、次の100年に向けて、事業構造の変革を加速します。企
業理念「新しい技術の創造と新商品の開発を通じて国際社会に貢献する（For New Technology
Network：新しい技術で世界を結ぶ）」の下、経済社会の持続的成長を目指すため、他にない優位性を持った基盤事業の強化とコアコンピタンスを活用した新事業の創出を両輪として、新たな100年を支える研究技術開発を進めてまいります。

-1-

*02-寄稿文new_*02/寄稿文 18/10/18 18:09 ページ 1

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）[ 寄稿文 ]

予測型生産システムとスマート加工・計測機械の展望
Strategic Vision for Smart Machining Tool and Measuring Instrument

高谷 裕浩

Yasuhiro TAKAYA大阪大学 大学院工学研究科 機械工学専攻 教授『非平衡／戦略の時代』において，カスタマイズ製造，革新的な製品や付帯するサービスの創出など，新たな価値を創造することを戦略とする，イノベーション駆動型ものづくりへの変革が求められている．イノベーション駆動型ものづくりの基盤となる予測型生産システムでは，プロダ
クション・クオリティ管理を実現するためのスマートインプロセス／機内・機上計測と，異なる
計測原理の統合とマルチスケールのデータ融合に基づいたホリスティック計測が重要な役割を担う．生産システムに自己認識能力をもたらすスマートインプロセス／機内・機上計測ネットワー
クは，イノベーション駆動型ものづくりを具現化する第4次産業革命のキーテクノロジでもある．

Establishment of the innovation driven manufacturing, which enables new value creation such as customized products
and innovative products with services, is expected in the age of non-equilibrium and strategy. The holistic measurement
based on integrating different measurement principles and multi-scale data fusion as well as smart in-process and onmachine measurement technologies will play an important role in the predictive control type manufacturing system. The
connected smart in-process and on-machine measurement systems that give self-recognition ability to the manufacturingsystem is also the key technology in Industry 4.0 to establish the innovation driven manufacturing.

1. はじめに

2. イノベーション駆動型ものづくり『平衡の社会』から『非平衡の社会』へ，グローバ『平衡／戦術の時代』における，これまでの効率駆ルな規模で拡散・浸透する社会・経済の構造や課題そ

動型ものづくりでは，生産システムの高精度，高効率のものの根本的変化（パラダイムシフト）は，図1に化などによって，製品の高付加価値化を達成すること示すような“戦術の時代”から“戦略の時代”への遷を戦略とし，それを実現するための戦術が重視されて移として捉えられる．持続可能社会，環境対応，グロきた．その戦術とは，生産システムの高度化を迅速にーバルスタンダードなどの新しい価値観と社会・経済推進することである．そのため，加工技術，計測技術

環境の変化とともに，ものづくりも変化している．そおよびCAD/CAE/CAM/CATなどの製造技術を，生の様相は，“線形の社会・鉄道の時代”から“非線形の産システムを構成する要素技術（生産ツール）として社会・大航海の時代”に例えられている 1) ．予見や予切り分け，それぞれ個別の課題解決を図ることが主た測が可能な目的地（Product）から，それが困難な到る関心事であり，またそれによって大きな成果が得ら着地（Market）や行き方（Process）に関心が移るれた．従って，図2に示すように，計測技術は生産ツとともに，改良や改善（戦術）によるより高い付加価ール（計測＝検査）のひとつとして，その役割が重視

値の追求よりも，根本的に考えること（戦略）によるされ，「もの」（プロダクト）に与えられる高品質，低価値の創造が重視されるようになってきた．これらの価格，短納期といった目標を達成するための戦術とし動向に伴って，従来の考え方の延長では解決できないて利活用されてきた．ものづくりのプロセスが長期に課題が急速に増えている．科学から社会・経済に至るわたって“平衡状態”にあるときは，生産ツールとし包括的変革の動きは着実で迅速であり，近年では加速ての“「もの」づくりの計測”が十分な役割を果たしさえしている．そのひとつである大きなものづくり変てきた．

革，すなわち第4次産業革命を駆動する戦略的計測の一方，『非平衡／戦略の時代』における，イノベー

潜在的なパワーを明らかにし，予測型生産システムとション駆動型ものづくりでは，新たな高付加価値化のスマート加工・計測における今後の展開について探る．

考え方に加え，カスタマイズ製造，革新的な製品や付-2-

*02-寄稿文new_*02/寄稿文 18/10/18 18:09 ページ 2

予測型生産システムとスマート加工・計測機械の展望

20 世紀【構造と課題の変化】

21 世紀（パラダイムシフト）

非平衡の社会【戦略の時代】平衡の社会【戦術の時代】行き方に関心行き先に関心社会【鉄道の時代】経済・早く着くためには速度をあげればよい・海の状況は刻々と変化

・たくさんの人，荷物を運ぶためには車両増と頻度増で・多様化と複雑化，様々な要因の影響

予測が容易
線形の社会
（Linear Society）

予測が困難
非線形の社会（Nonlinear Society）【大航海の時代】

企業

・状況は常に安定・目的地（Product）が主な関心

・状況は常に変化
・到着地（Market）と行き方（Process）が主な関心

生産・どのようにして造るか？何を造るか？

・なぜ，そのような活動をするのか？
・「手段」としての価値
・プロダクション・クオリティ（生産品質）（ものづくり） ・「目的」としての価値
・プロダクト・クオリティ（品質）工学

・代数的アプローチ
・知識（knowledge）
・境界条件を与えれば問題解決

・組合せ的アプローチ・知（wisdom）
・構造化された知識は役にたたない・1 次元，2 次元，小規模 3 次元計測
・オフライン計測
・プリプロセス，ポストプロセス計測

・大規模 3 次元，多次元計測

計測

科学

・支配方程式が明確
・初期条件を与えれば予測が可能
・平衡物理・決定論的モデル・組合せを主体にする知識；知が重要
・非平衡物理／複雑系科学
・ネットワークモデル

・オンマシン / インプロセス計測
・ホリスティック計測

図1 鉄道の時代から大航海の時代へ
Railway era to the age of discovery

り，多様化する目標を達成するための戦略そのものを生 産 ツ ー ル：計測＝検査
マーケット

担うことが求められる．このように，ものづくりのプ

プロダクト
プロセス
生産工程

ロセスが“非平衡状態”に変遷する現在では，情報の源泉（リソース）である計測は，戦略ツールとしての「もの」“「こと」づくりの計測”として，その革新的進展が不戦術「もの」づくりの計測可欠となる．

【目標】（高品質，低価格，短納期）効率駆動型ものづくり

平衡状態
時

間
マーケットA

図2 平衡の時代；（戦術）生産ツールとしての計測
Equilibrium era: Measurement technology as production tools

ライフサイクル
プロダクト

戦略ツール：計測

マーケットB
プロダクト

予測

「もの」
情報

プロセス

帯するサービスの創出など，新たな価値を創造するこ

「もの」
情報
プロセス

とを戦略とし，戦術よりも戦略が重視される．時間変戦化する戦略に対応するための戦術として，予測型生産

略
プロセス

システムの実現が必要となる．従って，図3に示すよ

「もの」
情報

ライフサイクル

うに，計測技術の役割は，予測型生産システムへの適

マーケット
プロセス

用性に加え，これまでと大きく異なってくる．計測技

プロダクト

術には，情報と強く結びついた「もの」（プロダクト）【目標】（多様化，価値創出）
マーケットC
ライフサイクル
プロダクト
予測「こと」づくりの計測

イノベーション駆動型ものづくり

非平衡状態
時

間

図3 非平衡の時代；戦略ツールとしての計測
The age of non-equilibrium: Measurement technology as
strategic toolsとそのライフサイクルを通して，マーケット，プロダ
クト，プロセスなどの「こと」づくり全体と深く関わ-3-

*02-寄稿文new_*02/寄稿文 18/10/18 18:09 ページ 3

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

加工精度（誤差）は，直接“見る”ことができない．

3. 新たなプロダクション・クオリティ（生産品質）の考え方

そこで，“計測の窓”をとおした“見える化”について理解する必要がある．図5 3)は，測定の「不確かさ」4)

3. 1 加工精度と工程能力評価の大きさの違いによって，加工能力指数がどのように評

谷口は1983年の論文によって，精密加工技術の精価されるのかを示している．許容公差がT のとき，LSL

密加工限界 2 )は，2000年には0.1μmに達すると予測とUSLはそれぞれ加工仕様値の下限値と上限値を示す．

した．機械加工技術はめざましい発展を遂げ，現在では簡単のために加工値（加工寸法など）の平均がT の中心

普通加工限界の領域に到達しようとしている．加工プロの値をとり，加工のバラツキを示す標準偏差がσであセスは，工作機械，工具，工作物，加工条件，作業環境るとする．例えば，真の加工能力指数がCp（またはCpk）

および製品などの多数の要素による総合技術である．加=1.33であるとき，Cpは“計測の不確かさの窓”を通工誤差は，工作機械の位置決め精度や熱変位，工具の幾して見ていることになり，加工能力評価を不確かさU =何精度や摩耗特性，工作物の材質や硬度，高速加工，ド0.1T の計測によって行った場合（図5（a））はCp（Cpk ）ライ加工や作業スキルなどの加工条件，温度や振動など=1.24と評価される．これに対し，不確かさU = 0.2Tの作業環境，製品の高精度化や複雑化など，それぞれのの場合（図5（b））は，Cp（Cpk ）=1.04となり，より低要素がもつ様々な要因が複雑に重畳されて生ずる．誤差い加工能力として評価される．また，計測の不確かさをの伝播則に従って，最も安定した要因が，不安定な要因含んだ全体の不確かさU ’は，σよりも大きくなっていを補完することによって，加工プロセス全体としての精ることがわかる．従って，計測の信頼性を表す指標であ度が向上することは期待できない．すなわち，加工プロ

る不確かさの大きさが，加工精度の保証に対する信頼性

セス中に不安定な要因がひとつでもあれば，最終的な精を大きく左右する．計測の不確かさは，加工能力評価に度はその要因に左右され，低下してしまう．

基づいた高効率な加工プロセス管理を行う上で重要な指機械加工の精度は，精密さと正確さに分離して考え標であり，“価値を生み出す”戦略的な計測によって，ることができる．さらに，機械加工には，基準寸法と許

高精密・高精度加工を保証するためには，信頼性の高い

容公差を満足する加工能力が求められる．図4は加工精（不確かさの小さい）計測を用いることが必要である．

度と工程能力の考え方を示している．加工仕様値の下限

以上のように，加工精度の向上には，加工工程にお値と上限値をLSLとUSL，許容公差をT とし，簡単のたいて発生する加工誤差，すなわち絶対値のかたより誤めに加工値（加工寸法など）の平均がT の中心の値をと差とばらつき誤差を低減し，工程能力の向上を図るこり，標準偏差がσである場合，限界加工精度 pおよび加とが求められる．そのためには，加工プロセス中の全工能力指数Cpk またはCp は，それぞれ図4中に示した評ての要因を計測対象と考え，加工プロセスの要素全体

価式によって算出される．例えばCp≧1.33のとき，加を精査し，最も不安定な要因に適用することによって工品の99.1%が許容公差の1/1.33=0.75以内に入る．

高い効果が得られる．

確率密度（頻度）
許容公差 T
許容加工誤差ε＊加工工程において発生する加工誤差には，絶対値のかたより誤差とばらつき誤差が含まれる．このとき，加工機が部品の要求精度を満足する加工能力をもっているかどうかの判定方法は以下の評価値による．

ε
平均値μかたより誤差 d【 工程能力指数 Cpk 】
Cpk = min

ばらつき誤差σ

限界加工精度 p：

下限規格値

基準寸法

3σ

3σ

＊平均μがT の中心の値をとる場合

σ

Cp =

p=d+σ

LSL

USL−μ , μ−LSL

USL−LSL
6σ

=

T

6σ

寸法値 X

USL

上限規格値

（＊LSL: Lower Specification Limit, USL: Upper Specification Limit）

図4 加工精度と工程能力指数（CpkまたはCp）
Process capability index (Cpk, Cp) for evaluating the machining accuracy-4-*02-寄稿文new_*02/寄稿文 18/10/18 18:09 ページ 4予測型生産システムとスマート加工・計測機械の展望

加工精度

測定精度

+

工程能力評価=測定精度

U = 0.1T

Cp = 1.24（または Cpk）

加工精度
工程能力評価確率密度（頻度）

Cp = 1.33（または Cpk）

+
U

LSL

平均値

LSL

平均値
測定量
U : 不確かさ

U

USL

=
U
T

(a) 不確かさ :U = 0.1T の場合

USL

U’ = σ 2+U 2

測定精度

U = 0.2T

測定量

測定量

U

Cp = 1.04（または Cpk）

加工精度

許容公差 T

工程能力評価

LSL

+
U

U

測定量

USL

=

(b) 不確かさ :U = 0.2T の場合

U

U

測定量

T

図5 工程能力評価による加工精度の評価方法；（参考文献3) Weckenmann et al., Precision Engineering (2000)の概要を再構成）
Importance of measurement uncertainty to evaluate process capability index

3. 2 プロダクト（品質）からプロダクション・となる環境において，加工誤差における系統誤差の要

クオリティ（生産品質）へ

因が変化することに加え，従来の統計的な考え方に基

加工精度には，工作機械や加工物の特性，加工環境，

づいた品質管理を適用するためには慎重な検討が必要

加工手順などの様々な予期できない要因によって変化となる．さらに加工数が極めて少なく，プロセスが変する加工誤差が複雑に重畳される．加工誤差に含まれ化する場合は，図4に示した統計的仮定の妥当性を検る偶然誤差（accidental error）は，その原因が特定証することが困難となる．

できないため，補正できないが，繰返し測定によって

そこで，従来の統計的工程管理手法の課題を解決し，推定することができる．そのため，同じ部品加工が繰

少量生産やカスタマイズあるいは一品生産にも適用で返し行われる（確率的試行回数が多い）大量生産におきる新たな生産管理および品質管理手法として，図7

いては有効性を発揮する．従って，加工精度はゆらいに示すプロダクション・クオリティ 6)（生産品質）のでいる統計的な量，すなわち確率的に変動する量とみ考え方が提案されている．この手法は，品質を計る指なすことができるため，従来の効率駆動型ものづくり

標として，工作物の幾何学量だけではなく“製造に関における，大量生産で活用されてきた品質管理手法は，

わるあらゆるプロセスを情報化する”ことによって，統計的な考え方に基づいた加工精度評価に基づいていプロセスを重視した品質・機能保証を基本的な考え方

る．

としている．すなわち，膨大な情報（インダストリア

一方，発電用タービンなどのエネルギー関連設備，

ル・ビッグデータ）を活用した革新的で統合されたプ

カスタマイズ製品などの需要の高まりとともに，近年

ロダクション・クオリティの定義，それに基づいた生では，図6 5)に示すように，航空機部品の世界的な需産物流から保守にいたる製品のライフサイクル全体の要が急速に増加しており，我が国における品質管理のデザイン，ビッグデータの新たなマネジメント／コン

厳しい大型精密部品の生産も増加している．新たな品

トロール手法の導入，およびそれらを具現化するため

質管理の考え方や生産システムの基盤となる戦略的加の先進技術によってプロダクション・クオリティ管理

工計測が求められる，これらの少量生産や一品生産あを確立するものである．そのために求められる技術革

るいはカスタマイズ生産では，製品毎のライフサイク

新として，製品検査技術，加工監視技術，マルチセン

ルによる経年変化や戦略の変化とともにプロダクトだ

サデータ融合技術など，図7(a)〜(h)が提示されていけでなくプロセスも大きく変化する．このような場合，る．これらの技術は，言い換えると，加工物の幾何特

温度変動や機械精度の経年変化などが精度変動の要因

性（加工精度）だけでなく，工具，工作機械，加工環-5-

*02-寄稿文new_*02/寄稿文 18/10/18 18:09 ページ 5

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

境，および加工・計測作業など，測定対象が加工精度

は，少量生産やカスタマイズあるいは一品生産などが増を直接支配する広範な要素（加工特性）におよぶ，イ

えてくると予想される．従って，インプロセス／機内・

ンプロセス／機内・機上測定技術が不可欠であること

機上計測を基盤とするプロダクション・クオリティ管理を示唆している．さらに，革新的な製品の創出によってが必須であり，また，それは予測型生産システムを実現

新たな価値を創造することを戦略とする，『非平衡／戦するキー・テクノロジーでもある．

略の時代』におけるイノベーション駆動型ものづくりで（億円）

16,000100%

14,000

装備品

12,00075%

10,000
8,000

50%

6,000
4,000

ボーイング／スピリット（米）35％
日本 35％
ポート（米）／アレニア（伊）26％
その他 4％

25%

2,000
0

0%

エンジン
部品
エンジン
本体
機体
部品
機体
本体

H26
H20
H21
H22
H23
H24
H25
（見通し）
出展：日本航空宇宙工業会「平成 26 年度航空機生産・輸出・受注額（改訂）見通し」（平成 26 年 8 月）

出展：（一財）日本航空機開発協会（b）航空機生産額の推移（a）ボーイング 787 の期待分担

ジェット旅客機の運航機材構成予測

機数
40000

予測

実績

35000
30000

26814

25000

A340
A330

DC10,MD11
L1011

15000

13802

10234 DC8,707

A300

10000

747
787
A330
A310
A321 757

A320,MD80/MD90
727-200,737-300/400

需要

1997

2002

2007

A319/A320
737-700/800

737-600,A318

120-169 席

CS100/300 100-119 席

ARJ21,SSJ100,MRJ
ERJ170/190,CRJ700/900/1000

717,727-100,737-100/200/500,TRIDENT,DC80
BAC111/F28/F70/F100,DC8

310-399 席

787
767
230-309 席
A350

残存機

5000
0
1992

400 席以上
777

737-900 170-229 席
A321

18590

20000

34359

A380
747

60-99 席

328JET,ERJ130/145,ORJ200

2012

2017

2022

2027

2032

20-59 席

出展：（一財）日本航空機開発協会（C）ジェット旅客機の運航機材構成予想

図6 航空機産業における世界的な需要増加 5)
Increasing demand for high-precision parts in aerospace industry【従来の品質管理（Quality Control）の考え方】(1) 大量生産（Mass production）(2) 統計的工程管理（Statistical process control）(3) 歩留まり管理（Yield management）【新たなプロダクション・クオリティ（Production Quality）の考え方】(1) 少量生産，カスタマイズor一品生産（Small batch, Customized, or even one-of-a-kind products）(2) 新たなパラダイム（New paradigm beyond six sigma approach）(3) 欠陥のない製造（Zero defect manufacturing）【統合的なプロダクション・クオリティ管理のための主要素】
・革新的で統合されたクオリティ

・生産物流と保守のデザイン

・管理と統御の手法

・具現化のための先進技術（Innovative and integrated quality） （Production logistics and maintenance design）（Management and control methods） （Advanced technological enablers）（＊ICT: Information andCommunication
Technology）【プロダクション・クオリティの確立に求められる技術革新】(a) 製品検査技術（Product inspection technology）(b) 加工監視技術（Process monitoring technology）(c) マルチセンサデータ融合技術（Multi-sensor data fusion technology）(d) 学習および認知情報処理技術（Learning techniques and cognitive computing methods）

図7(e) 自動保守管理技術（E-maintenance technology）(f) 製品のトレーサビリティー管理技術（Product traceability technology）(g) 生産工程監視技術（Production monitoring technology）(h) ICT対応のデジタルマニュファクチュアリング技術（ICT and digital manufacturing technology）

プロダクション・クオリティ（生産品質）とは；（参考文献 7) Colledani et al., CIRP annals (2014)の概要を再構成）
Fundamental scheme of production quality control and the required innovative technologies to establish it-6-

*02-寄稿文new_*02/寄稿文 18/10/18 18:09 ページ 6

予測型生産システムとスマート加工・計測機械の展望

業環境や加工／計測作業に及ぶ加工要因とインプロセ

4. ホリスティック計測による
プロダクション・クオリティ管理

ス／機内・機上計測の関係を示している．まず，基本

4. 1 インプロセス／機内・機上計測の現状

る．例えば，工程能力の基準となる公差範囲を十分な計測特性として特に重要なのは，正確さと精密さであ生産管理を目的とした加工計測の役割は，ものづく

精度で評価できる正確さや精密さを満足しているか，りの「情報化」である．多様で膨大な生産情報を駆使

あるいは加工のかたより誤差が評価可能な絶対測定をした高度な生産システムにおいては，加工計測は製品行う必要があるか，などの基礎的検討が重要である．

や加工状態に関する主要な情報源として重要な役割を

なお，加工中（インプロセス）の測定評価を行う場合

果たしている．加工計測の最も基本的な目的は，生産は，過渡応答や周波数応答などの動特性も影響する．

管理，生産の自動化および検査の自動化の3つである．

さらに，インプロセス／機内・機上計測特有の特性もインプロセス／機内・機上計測は，加工の直接的なモ求められる．特に，測定機を工作機械に実装する際にニタリングと制御を担い，最も効率的で効果的な加工求められる環境要因や，ハードウェアおよびソフトウ

計測技術である．高再現性を有する工作機械では，温ェア要因などが挙げられる．例えば，光学式コンパレ

度変化による機械の変形や変位，工具熱膨張，工具たータを利用した機上3次元形状計測の場合，振動特性

わみ，工具摩耗など，実加工時における加工要因によやコンパクト性，スティッチング処理などが要求されって時間的に変化する加工誤差の評価と，それに基づる．インプロセス／機内・機上計測のメリットは，加いた再加工による誤差補償が可能な場合もある．

工精度の向上や安定化に留まらず，加工／計測段取り

近年，インプロセス／機内・機上計測機を搭載したの高効率化などにも波及する．以上のように，計測対工作機械が次々と実用化されており，その役割はます

象は空間−時間的に工作物から加工状態へと拡がり，ます重要性を増している．このような動向の背景には，加工要因の数値化によって，「加工工程の見える化」

計測目的の多様化がある．さらに，プロダクション・を実現する．

クオリティの管理においても，インプロセス／機内・

繰返し加工の間その値を定値に保っている加工誤差

機上計測は中心的な役割を果たす．図8は，インプロ

は，同じように影響を与え，偶然誤差には反映されな

セス／機内・機上計測技術に求められる基本計測特性

い．そのため，加工精度に一定のかたより（bias）をと特有の特性，および工作機械，工具，工作物から作与える誤差となる．一般に，このような繰返し測定で［環境要因］【機内・機上計測特有の特性】

・温度，湿度・振動・塵埃など

・機械座標系（幾何誤差）の補正［工作機械］ ・運動精度の評価

・ワーク基準原点と工具の加工・原点の高精度な一致［ハードウェア要因］
・測定基準（独立性／非独立性）
・非接触式／接触式
・測定速度・コンパクト性【基本計測特性】

母平均
絶対基準（マスターの値）［静特性］
正確さ
・正確度（絶対精度）

計測機
工作機械

・精密度（繰返し精度）
・レンジ
・直線性
・トレーサビリティ 下限値
［動特性］
・過渡応答
・周波数応答［作業環境］

・計測データ処理（誤差解析モデル，
補正データ生成，
スティッチングなど）

上限値
精密さ
測定量

加工（製品）の許容公差［ソフトウェア要因］

・測定戦略（逐次3点法，
測定経路生成，
反転法など）［工・工具長，工具径，工具刃先測定・計測プローブと工具先端の相対座標量の検出具］ ・工具摩耗量評価
・工具たわみ，加工力の評価
・砥石の動バランス調整

・加工精度をリアルタイムで検証
・補正加工の高精度化［工作物］ ・加工プロセスの効率化
・ワーク変形量評価

・温度環境変化，外部振動による加工状態の変化をリアルタイムで補正・加工／計測のプリチェック［加工／計測作業］・加工／計測段取りの高効率化（工具，工作物の位置合わせ）
・計測作業の効率化（工具経路，プローブ経路ソフトウェアの共通化など

図8 加工計測の基本特性と機内・機上計測の役割
Fundamental properties of measuring technology in machining process and roles of on-machine measurement-7-

*02-寄稿文new_*02/寄稿文 18/10/18 18:09 ページ 7

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

は知ることができない，系統誤差（systematic error）

加工プロセスの高精度化のみならず，高速化，多機能の評価は難しく，またその存在を見つけることさえ困

化，知能化などの複雑で高度な要求に対する適応性が難な場合が多い．しかし系統誤差の要因をあらかじめ求められている．加工プロセスの複雑化とともに，工特定し，その大きさが明らかである場合は補正によっ

具・工作物・工作機械の相互作用もプロセス中において除去可能である．従って，複数のインプロセス／機て複雑に変化するようになり，それらの境界領域にお内・機上測定によって，加工誤差の要因を実時間で特けるインプロセス／機内・機上計測の課題も多様化・定することを可能とする知能化工作機械は，従来の効高度化している．

率駆動型ものづくりにおける生産システムの要素技術

高度機能部品の実用化に必要不可欠な3次元自由曲として重要な概念であるといえる．包括的なマルチセ

面形状，マイクロ複雑形状，ナノ微細表面パターンなンサを利用した加工プロセス監視，認識や予測を可能

ど新たな次元の超精密加工に対する精度向上の要求にとする，知能化工作機械の基礎的概念は，森脇 7) に加え，工作機械の多軸化・複合化，加工プロセス全体

よって1993年頃に提示されている．それ以来，実用の知能化などを背景として，インプロセス／機内・機的なシステム化をめざすインプロセス／機内・機上計

上計測の測定対象は幾何学量から状態量の多岐にわた

測—加工制御に関する研究開発が活発になり，Tool

り，さらにその課題は多様化とともに拡大している．

Condition Monitoring（TCM）におけるセンサの高図9に，工具・工作物・工作機械を主要要素とするオ度化，信号処理法，意思決定戦略など，応用分野へのンマシンシステムにおける，インプロセス／機内・機展開・拡張事例が増えている．インプロセス／機内・上計測技術の位置づけと拡がりを総括した．各要素の機上計測の技術課題におけるこのような研究動向は，境界領域と計測技術の関係性を示すとともに，加工プ

加工プロセスの主要な要素である工具・工作物・工作

ロセス中において時間変化する現象を短周期，中程度

機械の各要素を対象とした個別の課題解決に加え，この周期および長周期に分け，それぞれの時間スケール

れらの要素間の相互作用によって生ずる境界領域の課における位置づけを示した．インプロセス／機内・機題が着目されていることを示すものである．すなわち，

上計測の関係性は，2つの要素を結ぶ輪帯と3つの要

インプロセス／機内・機上計測の実用性の観点から，

素に及ぶ輪帯を示してあるが，前者は要素間の相互作・工具摩耗の機上計測（1976 年）：直接的／間接的インプロセス計測手法
・プロセス監視用機上計測（1983 年）：ＡＥセンサ，加速度計，スピンドルモータ出力など

加工雰囲気（環境変動）

・鏡面加工形状の機上計測（1992〜1999 年）：フィゾー干渉，ゾーンプレート干渉，
ラジアルシェア干渉など

動的応答

複雑

な振

動挙

動

形

変

・工具状態モニタリング TCM（1995 年）：光学式表面計測センサ，加速度計，ＡＥセンサなど

熱

切削，研削の動特性【工 作 物】【工 具】

・円筒面の表面微細形状計測（2006 年）：光学式角度センサ［寸法，形状，
表面性状，応力，温度など］［寸法，位置，振動，加工力，摩耗，温度など］

業

作
因

要

［空間誤算，
振動，運動精度，
熱変位，摩耗
など］

拘束

動

形

変

的

動

要

因

駆

業

測

計

・加工中における工具位置の評価（2010 年）：工具長，直径の撮像式計測
・5 軸加工機の運動精度評価（2010 年）：改良型 DBB による幾何誤差解析

構機【工作機械】

工
作

構・刃先運動とワーク形状の加工中評価（2009 年）：レーザ変位センサ

加

機
動

駆

・工具切れ刃形状の機上計測（2009 年）：AFM による 3 次元計測

中程度の周期で変化する現象

静的
変形

束

把持・

・ワーク非球面形状の機上計測（2009 年）：高精度接触式プローブ【オンマシンシステム】

急激な変化，短周期で変化する現象把持・拘・５軸工作機械の運動精度計測（2008 年）：新測定原理（２軸スケールタイプ）

摩 耗・工作物ー工具間距離の計測（1998 年）：インプロセス計測加工精度補償

・ワーク形状の機上計測（2010 年）：レーザ変位センサ
・工具たわみ量と切削負荷計測（2010 年）：カメラ画像計測
・切削力の直接的評価（2011 年）：切削力検出スピンドルの開発
・機上加工表面粗さ計測（2014 年）：接触式プローブ（表面粗さゲージ）

加工動特性の評価
加工状態監視幾何学量計測（寸法，形状，変位など）

図9 加工プロセスにおける機内・機上計測の拡がり
Spreading roles of on-machine measuring technologies in machining process-8-長周期で変化する現象

*02-寄稿文new_*02/寄稿文 18/10/18 18:09 ページ 8予測型生産システムとスマート加工・計測機械の展望用を，後者は3つの要素が関与する複雑な相互作用のによって，異なる物理量の特徴を活用し加工監視にお領域を表す．また，全体を取り囲む輪帯は加工雰囲気

ける検知能力を向上することができる．長時間を要すや人手による作業を表す．さらに，計測目的を加工動る加工プロセスにおいて，それぞれのセンサによって特性の評価，加工状態監視および寸法，形状，変位な得られる計測情報（時間変化する物理量）を実時間でどの幾何学量計測に分類し，研究開発事例の動向を年統合する．時間周波数解析に基づいて，異常と相関す

代順に[a]から[ p]で表している．例えば，[a]工具摩耗る特徴量を高い感度で検知する高度な信号処理法を駆の機上計測（1976年）の場合，工具と工作機械の境

使し，加工監視における適応的な閾値管理が可能とな界領域において，長期間で変化する加工状態監視を目る．その高い環境適応性と異常兆候検知能力によって，的とする機内・機上計測技術として位置づけされる．

びびりや工具損傷などのプロダクション・クオリティ

なお，要素間の相互作用以外の課題解決に相当するイに関わる危険性を低減し，欠陥のないプロセスを実現

ンプロセス／機内・機上計測技術については，今後のするための最重要な計測戦術である．また，将来的に課題として要因のみを示してある．

は，切削現象，工具経路，工具・工作物形状などの多岐にわたる解析技術や不確かさを考慮した推定手法と4. 2 新たなインプロセス／機内・機上計測戦略

加工監視情報を統合し，プロセスモデルに基づいた加マルチセンサによる新たなインプロセス／機内・機工条件の最適化を図ることにより，プロダクション・

上計測の基本的な考え方として，「マルチセンサ融合」

クオリティの維持と工程能力向上の両立も可能となると「マルチセンサ協調」による計測情報の高度化の例

ことが期待される．

を図10に示す．大型精密部品の製造工程では，製造

図10(b)は，幾何学量の高精度計測を目的としたマ

現場の工作機械に対してインプロセス／機内・機上計

ルチセンサ協調型機内・機上計測の考え方を示してい測システムを適正に実装・配置する戦略が求められる

る．同じ幾何学量（寸法，形状，姿勢，位置など）をため，「マルチセンサ融合」および「マルチセンサ協調」

測る目的の複数の構成要素を最適化し，それぞれの計の考え方に基づいて，それぞれ加工監視システム8) 9)，

測要素に応じた役割分担によって測定の高精度化を図およびオンマシン寸法計測システムが構築され，工作る．大型精密部品加工用の大型CNC旋盤に統合され機械に実装されている．

たオンマシン寸法計測システムの例では，レーザ干渉計，

図10(a)は，加工状態監視を目的としたマルチセン

レーザトラッカ，タッチトリガプローブおよびブロック

サ融合型機内・機上計測の考え方を示している．複数ゲージから構成され，絶対長さ校正が可能な高精度なマのセンサの特徴量を組み合わせて状態推定を行うこと

ルチセンサ協調型機内・機上計測が実現されている．

マルチセンサ協調：同じ幾何学量を測る目的の構成要素を最適化

マルチセンサ融合：異なる物理量の特徴を活用し検知能力を向上

位置検出
プローブ

電流計

レーザ変位
センサ

光センサ
モータ電流
音波

AE センサ振動［加工異常，
工具摩耗・折損，動的特性など］
加速度

加速度計

熱変位

加工状態の監視

レーザ
トラッカ

発光

幾何学量の高精度計測［寸法，形状，位置，姿勢，表面性状，変位，運動精度など］

応力

温度

ひずみ
ゲージ
校正用
ゲージ

熱電対

(a) マルチセンサ融合型機内・機上計測

表面粗さ
スタイラス

(b) マルチセンサ協調型機内・機上計測

図10 マルチセンサによるスマート機内・機上計測
The smart on-machine measurement system using multi-sensor fusion and cooperation

-9-

レーザ干渉
測長機

*02-寄稿文new_*02/寄稿文 18/10/18 18:09 ページ 9

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

蒸気タービンロータの加工工程では，ワークを工

サ協調」をより高度に発展させ，異なった計測原理

作機械から測定機へ移動する作業そのものが困難での統合とマルチスケールのデータ融合に基づいたホあるため，従来，大型のマイクロメータなどによるリスティッ ク計測（Holistic measurements）11)

手動の機上計測が行われてきた．そのため，計測工によって，“ものづくりに関わるあらゆるプロセスの程数が多く，不確かさが増大するという問題があっ情報化”を実現することである．ホリスティック計

た．そこで，製造工程の効率化と加工品質保証を実測を実現するためには，新しい不確かさ評価の理論現するため，高精度な機上計測システムが開発されや校正技術から従来の計測原理を包括する新しい計た．図11に大型CNC旋盤上における蒸気タービンロ

測原理とそれらの間の互換性に関する幅広い研究がータ（最長10m以上，直径1m以上，寸法公差求められる．

0.1mm以下）を対象とした，「マルチセンサ協調」

具体例として，知能化されたマルチセンサCoordinate

による大型構造部品の機内・機上計測システムの一Measuring Machine（CMM）の基本概念が示されて例を示す．プロービング測定方式によって，蒸気タいる 12)．ホリスティック計測は，メトロロジーＸ線

ービンロータのホイール位置，および軸の直径を大CT（ボリューム計測）を搭載するマルチセンサCMM

型CNC旋盤上で絶対測定するシステムの構成10)を示などの新たな計測技術を駆使し，CAD/CAE/CAM/している．レーザトラッカを用いたインライン測長

CATとの高度な連携による計測データ融合技術の高計が外部座標系として導入され，工具移動台に無線度化を進めることによって，相互にインターネット

式タッチトリガプローブが実装されている．また，につながった測定システムが高度なプロダクショ

部品・機械要素ともに収縮・膨張の影響を受ける(ロン・クオリティ管理の基盤を構成する．この計測融ータが20℃ から10℃変化すれば1mあたり約合技術の概念をインプロセス／機内・機上計測に展0.1mmの影響)ため，ブロックゲージを用いた絶対開した新たな戦略的加工計測が，実時間性，広域性，長さの校正方法を備え，かたより誤差の補正を行っ

多点同時性などの環境適応型計測を担うスマートイている．

ンプロセス／機内・機上計測である．図12に示すよ
うに，Ｘ線を含む広義の光学式非接触式測定技術は急速に発展しており，表面微細形状，3次元形状，3

工作物(突き出した円筒部：ホイール)

次元内部構造までを包括できる測定技術が開発されレーザトラッカ
ブロックゲージ

基準面ている．特にメトロロジーX線CTの技術は急速に進ホイール面間最大距離

んでおり，インラインでの活用や組立工程チェックへの適用も提案されている 13)．これらの計測技術を駆使したマルチセンサCMMを構築する場合，マイク

工具/反射鏡/プローブ
往復台

ロから大型に至る複雑な3次元形状からボリューム計

0.001mm単位でXZ平面内位置決め

測データを融合する3次元測定データ融合技術が必要Zとなる．すでに，計測データ融合技術開発14) の取り

X

組みも進んではいるが，一方で，より複雑で膨大なO

図11 蒸気タービンロータの大型CNC旋盤機上計測システム
The developed on-machine measuring system
for a steam turbine rotor on CNC turning machine

情報量へと拡張された3次元測定データを構築するためには，不確かさや標準，校正法などの計測データのクオリティや，計測の基本量である1次元の長さや変位，角度からスケールが異なる2次元の表面微細形

4. 3 ホリスティック計測の考え方

状などのマルチスケールのデータ融合に関連する技

イノベーション駆動型ものづくりの基盤となる予術課題などが残されている．

測型生産システムでは，プロダクション・クオリテ
ィ管理を実現するための加工計測技術革新，すなわ
ち戦略ツールとしてのスマートインプロセス／機内・機上計測への展開が求められる．その基盤となる計測戦略は，「マルチセンサ融合」や「マルチセン-10-*02-寄稿文new_*02/寄稿文 18/10/18 18:09 ページ 10予測型生産システムとスマート加工・計測機械の展望

測定データ量●3次元内部構造測定技術◆3次元形状測定技術※表面粗さ測定技術

大きい
ホリスティック計測（3次元測定データ融合）(研究レベル)●X-線 CT

体積◆モアレ縞法※光散乱法
3-D※コヒーレンス
走査型干渉法※縞画像投影法

曲面(実用レベル)

2-D
線
1-D
小さい

点

◆格子縞投影法◆ステレオ画像法◆デジタルホログラフィ法◆写真計測法（Photogrametry）※共焦点顕微鏡※焦点位置検出法※位相シフト干渉法
遅い◆光切断法◆三角測量法
◆光干渉法

測定速度

早い

1/time

図12 3次元計測技術の展開
Rapid progress in three dimensional measurement technologies for industrial measurement

ル・ビッグデータ，およびそれ利用したサイバー・フ

5. スマート加工・計測機械の将来展望と課題

ィ ジ カ ル ・ シ ス テ ム （ CPS: Cyber-Physical
System）が中心的役割を果たす 15) ．また，情報の5. 1 第4次産業革命と予測型生産システム
ドイツではIndustry4.0，アメリカではインダスト

リソースとしての役割を果たす計測技術に戦略ツール

リアル・インターネットが推進されており，情報処理としての変革が要求される．特にスマートインプロセ

技術の急速な技術革新によって，製造プロセスだけでス／機内・機上計測技術は、コントローラやネットワ

はなく，製品ライフサイクル全般に及ぶ大きな革新がークシステムと共に生産情報の重要で高品質な情報源期待される点で，これまでの産業革命とは一線を画すであり、測定機にも自己認識、自己予測など、戦略ツる破壊的変革性を有している．第4次産業革命の最終ールとしての技術革新が求められる。

目標は，製造プロセスの全体最適化や効率化，予知保

5. 2 スマートインプロセス／機内・機上計測

全などの発展に基づく，新たな予測型生産システムのネットワーク実現である．すなわち「目に見えない価値」のギャッ
プを満たす革新的な製品による新たな価値創出や，大マルチセンサを利用した機内・機上計測による工作量生産から完全なカスタマイズ生産（一品生産）への機械の知能化というアプローチは，スタンドアローン展開である．このような従来とは全く異なったしくみの工作機械を対象とする概念である．知識ベース化やの製造プロセスにおいては，大量生産で活用されてき機械への組み込みによる個別の加工・計測システムのた品質管理手法よりプロダクション・クオリティの適効率化を目的とするものであり，あくまでも効率駆動合性が高い．さらに，第4次産業革命の基本概念では，

型ものづくりの範疇にある．これに対し，イノベーシ

まず，製造システムのメンバーである製品及び個々のョン駆動型のものづくりでは，環境適応型のインプロ製造設備などに，自己認識，自己保全，自己予測など

セス／機内・機上計測の知能化，すなわちスマートイの自律性を本質とするスマート化が求められ，自己認

ンプロセス／機内・機上計測との融合によるオープン

識能力による予測型生産システムの構築が鍵となる．

な知能化工作機械が求められている．ホリスティック

スマート化のメカニズムとして，センサ技術，プロセ

計測を基盤とするマルチセンサ融合やマルチセンサ協

ッサの小型化・高速化，およびクラウドの普及などに調の構成が，計測コンテンツ（測定環境，測定条件，

より，すべてのモノをデータ化してインターネットに

測定量，測定対象，加工条件，要求精度，公差，不確

つなぐ，モノのインターネット（IoT: Internet of

かさなどの情報）に応じて実時間で変化することによThings）とIoTによって集積されるインダストリアって高度な予測を実現する．その仕組みは，図13に-11-

*02-寄稿文new_*02/寄稿文 18/10/18 18:09 ページ 11

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

どの加工機で加工した？

いつ，どこで測定した？

加工

Volume（量）Velocity（速度）Variety（多様性）
Veracity（信頼性）

条件

は？

RFID

製品
インダストリアル・
ビッグデータ（仮想空間）

？
定環境は

測

さは？

Visibility（可視性）

IoT

公差は？

不確か

Value（値）

の
機械
どの
？
部品

スマート機内・
機上計測
サイバー・フィジカル・シス
テム（CPS）による自律化(ビッグデータ，AI，IoTの活用）＊RFID(Radio Frequency IDentiﬁer); IC タグ

図13 仮想空間でつながるスマートインプロセス／機内・機上計測
Connecting data of smart in-process/on-machine measurement in cyber physical space

示すような，仮想空間でつながるスマートインプロセ

高品質な情報源としてのスマートインプロセス／機ス／機内・機上計測のネットワークに基づいている．

内・機上計測の重要性がますます高くなっていくと考すなわち，IoTに繋がった知能化工作機械を通して計えられる．さらに，最新のデジタル技術を使うことに測コンテンツや計測情報を共有し，プロダクション・

よるソリューションは，図15に示す「エンジニアリ

クオリティを管理する予測型生産システムを稼働す

ングチェーン」と「サプライチェーン」であるとされる．スマートインプロセス／機内・機上計測には，そており，スマートインプロセス／機内・機上計測デーのもたらす計測情報が，量，速度，多様性，信頼性のタを迅速にフィードバックすることによって，それら条件を十分に満足できる能力が要求され，予測型生産のチェーンを効率化するしくみも示されている．一方，システムにおける自己認識，自己保全，自己予測など

融合化・複雑化・大規模化する計測データの信頼性向の機能はCPSによって獲得される．

上や高品質化など，スマートインプロセス／機内・機上計測への要求もますます高度になってきており，ビッグデータ，AI，IoTなどを駆使した予測型生産シス

6. まとめテムへの適用性の向上が急務の課題であるといえる．

最新の「2017ものづくり白書」16) では，第4次産

図16は第4次産業革命に至るまでの加工計測技術

業革命へ向けた我が国製造業の取り組みや対応についの発展と，プロダクション・クオリティ管理の基盤とて報告されている．その中で，ネット空間での活動かなる戦略的加工計測への変革を示している．加工計測

ら生ずるバーチャルデータの利活用は，データの「量」

技術はこれまで，検査の自動化，生産管理，生産の自での勝負となっており，すでに米国IT系企業の独壇場動化などの要求を満足する生産システムの要素技術ととなっているのに対し，工場設備の稼動データなど，しての役割を担ってきた．その過程で測定精度・速度

実世界での活動についてセンサなどを通じて取得されの向上，1次元から3次元計測への高度化など，測定るリアルデータの利活用については，データの「質」

能力の革命的向上が進められてきた．しかし，第4次での勝負となる可能性があり，今後の対応次第では製産業革命に求められる測定技術は，従来技術の延長で造業企業が主導権を握ることができる可能性がある，はなく，根本的な変革が必要とされている．すなわち，と述べられている．実際，図14に示した，生産プロ

知能化されたインプロセス／機内・機上測定による，

セスのデータ収集に関する調査結果においても，個別

実時間ホリスティック計測を基盤として，IoT，イン工程の機械から，ライン，生産工程全般の稼動状態のダストリアル・ビッグデータ，CPSなどを駆使した「見える化」，トレーサビリティ管理，海外工場におけ予測型生産システムは，スマート化による生産要素のる生産プロセスデータ等の収集に関する取り組みの推自己認識という究極のプロダクション・クオリティ管

移が全て活発化する傾向となっていることから，今後，理を実現すると考えられる．
-12-

*02-寄稿文new_*02/寄稿文 18/10/18 18:09 ページ 12予測型生産システムとスマート加工・計測機械の展望【国内工場で何らかのデータ収集を行っているか】2016 年【データ収集の「見える化」やトレーサビリティ管理等の生産プロセス改善・向上などへの活用】（n=4566）
個別工程の機械の稼働状態について「見える化」を行い，プロセス改善に取り組む

いいえ，
33.4％

はい，
66.6%

【2016 調査】（n=3966）

15.5%

7.2%

【2015 調査】（n=3507）

18.1%

4.6% 12.3% 1.4%

【2016 調査】（n=3980）

13.9%

7.5%

【2015 調査】（n=3518）

16.3%

5.0% 13.7% 1.7%

【2016 調査】（n=3970）

9.1% 7.1%

ライン，生産工程全般の機械の稼働状態について「見える化」を行い、プロセス改善に取り組む

ラインや生産工程に関わる人員の稼働状態も「見える化」して，プロセス改善に取り組む

資料：経済産業省調べ（16 年 12 月）【2015 調査】（n=3510） 10.2% 5.6%

2015 年（n=3751）

いいえ、
59.4％

自社の工場内もしくは取引先企業との間で，製造物・部材のトレーサビリティ管理を行う

はい、
40.6%

海外工場においても、生産プロセスにかかるデータ等の収集・活用といった取組みを行う【海外拠点あり】

実施している

17.8%

4.0%

14.7% 3.2% 11.8% 6.6%
10.0% 6.8%

【2015 調査】（n=626）

11.5% 7.0%

実施する計画がある

8.9%

10.0%

16.4%

39.1%
63.7%

38.9%

可能であれば実施したい

38.4%
63.5%

24.1%

21.9%

38.3%
63.3%

2.9%

【2015 調査】（n=3496）

38.4%
63.5%

35.4%

16.4%

【2016 調査】（n=720）

8.9%

31.4%

【2016 調査】（n=3897）

資料：経済産業省調べ（16 年 12 月）

資料：経済産業省調べ（15 年 12 月）

30.0%

16.7%
8.1%

27.6%
51.4%

実施予定なしデータ収集を行っていない※昨年に比べ、アンケート回答数が約 2 割増加している等，昨年調査結果との単純比較が必ずしも馴染まない点に留意

図14 生産プロセスのデータ収集に関する調査結果16)
Research results on data collection of production process

サプ

ライ

チェ

受発注

ーン

共同受注

（顧客の利活用等データを迅速にサプライチェーンに反映）

顧客

デジタルツールを用いた
データ利活用の拡大・迅速化

生産管理
生産最適化
多品種少量化※

自社における最適化や効率化等を通じた生産性や付加価値の向上

技能継承（匠の技のデジタル化）

製品設計

生産
（加工組立）

流通・販売

予知保全（社内）

物流最適化

予知保全（顧客）

遠隔保守（社内）

販売予測

遠隔保守（顧客）運用最適化（社内）

運用最適化（顧客）

設計支援

商品企画
企画支援

全く新たなサービス

デジタルツールを用いたン
データ利活用の拡大・迅速化
ーチェ（顧客の利活用等データをング
リ
迅速に企画や設計に反映）
ニア

研究開発
R&D 支援保守
アフターサービス等

※

ジ

エン

生産性の向上

新たな付加価値創出

図15 第4次産業革命への対応状況 16)
Effective utilization of IOT in Industry 4.0-13-

直接的な顧客価値の向上

*02-寄稿文new_*02/寄稿文 18/10/18 18:09 ページ 13

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

測定能力（加工計測）の革命的向上：標準化，高精度化，3 次元化 / 自動化

測
定
デ
ー
タ
量
・
測
定
精
度
・
測
定
速
度

Industry4.0

Industry3.0

産業用 X 線 CT
マルチセンサ CMM

Industry2.0
Industry1.0

レーザー干渉測長機
ノギス，マイクロメーター
2 次元計測（輪郭形状）

ブロックゲージ（1896）・メートル条約（1875）

1 次元計測（寸法）・手動測定・国際単位系（1960）

第一次産業革命18 世紀後半

光学式 3 次元測定機
三次元座標測定機 :CMM（1970）
3 次元計測（3 次元形状）

ボリューム計測（3 次元体積）・座標計測，点群計測
・自動測定，コンピュータ制御
・高自由度，汎用測定・オフライン計測

・CAD/CAM/CAE 統合計測
・複合計測（マルチセンサ融合，
マルチセンサ協調）・インプロセス / 機内・機上計測

第二次産業革命

第三次産業革命20 世紀初頭

20 世紀後半1900

ホリスティック計測（3 次元測定データ融合）

1970 （1980 年代以降）

第四次産業革命

現

在

2000

図16 第4次産業革命と戦略的加工計測への変革
Revolution of strategic measurement technology in production inspired by Industry 4.0

参考文献

8) Masahiro Uekita, Yasuhiro Takaya, Tool
condition monitoring for from milling of large
parts by combining spindle motor current andacoustic emission signals, International
Journal of Advanced Manufacturing
Technology, Vol.89, Combined 1-4, (2017),
65-75.
9) Masahiro Uekita, Yasuhiro Takaya, Tool
condition monitoring technique for deep-hole
drilling of large components based on chatter
identification in time–frequency domain,
Measurement, Vol.103, (2017), 199-207.
10)Masahiro Uekita, Yasuhiro Takaya，Onmachine dimensional measurement of large
parts by compensating for volumetric errorsof machine tools, Precision Engineering, 43,(2016), 200-210.
11)A. Weckenmann, THE ROLE OF METROLOGYIN THE EXCHANGE OF GOODS AND IN THE
DEVELOPMENT OF MANUFACTURINGTECHNOLOGIES, Proceedings of the10th
International Symposium on Measurement
and Quality Control 2010, (2010), 1-4.
12)A. Weckenmann, X. Jiang, K. –D. Sommer, U.
Neuschaefer-Rube, J. Seewig, L. Shaw, T.
Estler, Multisensor Data Fusion in
Dimensional Metrology, CIRP Annals Manufacturing Technology, Vol.58/2,(2009), 701-721.

1) 福田収一, 「価値創造学」, 丸善，2005.
2) Taniguchi, N., Current Status in, and Future
Trends of, Ultraprecision Machining andUltrafine Materials Processing, Annals of
CIRP, Vol. 32/2, 1983), 2.
3) A. Weckenmann, M. Rinnagl, “Acceptance ofprocesses: do we need decision rules?”,
Precision Engineering, Vol.24, (2000), 264269.
4) International Organization forStandardization, “Guide to Expression ofUncertainty of Measurement”, JCGM 100,
(2008).
5) 経済産業省，厚生労働省，文部科学省，2015年版
ものづくり白書概要；平成26年度ものづくり基盤技術の振興施策（概要），(2015)6) Marcello Colledani, Tullio Tolio, Anath Fischer,
Benoit Iung, Gisela, Lanza, Robert Schmitt,Józef Váncza，Design and management of
manufacturing systems for production
quality，CIRP Annals - Manufacturing
Technology，Vol.63/2, (2014), 773-796.
7) Byrne G, Dornfeld D, Inasaki I, Ketteler G,
König W, Teti R, Tool Condition Monitoring(TCM) — The Status of Research andIndustrial Application, Annals of CIRP, Vol.
44/2, (1995), 541–567.

-14-*02-寄稿文new_*02/寄稿文 18/10/18 18:09 ページ 14

予測型生産システムとスマート加工・計測機械の展望

13)L. De Chiffre, S. Carmignato, J.-P. Kruth, R.
Schmitt, A. Weckenmann，Industrial
applications of computed tomography，CIRP
Annals - Manufacturing Technology，
Vol.63/2, (2014), 655-677.
14)A. Weckenmann, X. Jiang, K. –D. Sommer, U.
Neuschaefer-Rube, J. Seewig, L. Shaw, T.
Estler，Multisensor Data Fusion in
Dimensional Metrology，Annals of the CIRP，Vol.58/2, to be published, 2009.
15)ジェイ・リー，「インダストリアル・ビッグデータ
第４次産業革命に向けた製造業の挑戦」，日刊工業新聞社, 2016．
16)経済産業省，厚生労働省，文部科学省，2017年版
ものづくり白書概要；平成28年度ものづくり基盤技術の振興施策（概要），(2017)〈著者紹介〉

高 谷 裕 浩（たかや やすひろ）
大阪大学 大学院工学研究科

機械工学専攻教授

博士（工学）

1992年3月

北海道大学 大学院工学研究科 精密工学専攻 博士後期課程

1992年4月〜1995年6月

大阪大学 工学部 産業機械工学科

助手

1995年7月〜1997年6月

大阪大学 工学部 産業機械工学科講師

1997年7月〜2006年3月

大阪大学 大学院工学研究科

機械システム工学専攻

2006年4月〜現在

大阪大学 大学院工学研究科

機械工学専攻

助教授

教授【専門分野】
精密加工計測，光応用ナノ計測，光応用ナノ・マイクロ加工【主な学会・団体等の活動】
公益社団法人

精密工学会：知的ナノ計測専門委員会委員長

一般社団法人

日本機械学会：フェロー，生産加工・工作機械部門

公益社団法人砥粒加工学会

国際生産工学アカデミー（CIRP）：Fellow
国際計測連合会議（IMEKO）：TC14 Chair
一般社団法人型技術協会：理事（副会長）

公益財団法人

三豊科学技術振興協会：顧問

ほか多数

-15-

修了

第１企画委員会委員長

工学博士

*03_展望_*03_展望new 18/10/19 9:31 ページ 1

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）[展

望]

転がり軸受とIoT －NTNのIoTへの取組み－
Rolling Bearing and IoT – NTN’s Approach to IoT -江 上 正 樹*Masaki EGAMI

IoTの普及に伴い，さまざまな機器からデータが収集・解析され，サービスや生産性の向上，適切なメンテナンスによる機会損失の低減などに活用されている．転がり軸受は輸送機器，家庭電化製品，産業機械など，身の回りのあらゆる機器に使用されており，データ収集の要素として最適なもののひとつとしてとらえることができる．本稿では転がり軸受を起点としたセンシングに焦点を当て，NTNのIoTへの取組みについて展望する．

With advancement of IoT, big data collected from various types of equipment are utilized to improve service
and productivity, to reduce opportunity loss by providing appropriate maintenance and so on. Rolling bearings
are integrated and used in many familiar applications such as transportation vehicles, electrical products, andindustrial machinery. Therefore, rolling bearings are considered as one of the most suitable data collecting
elements. This report introduces NTN’s approaches to IoT and future prospects, focusing on sensing
technologies related to rolling bearings.

NTNでは，1990年代の初めに回転センサを組み

1. はじめに込んだ転がり軸受ユニットを開発し，産業機械に使用

近年，ドイツではIndustrie 4.0を，アメリカではいただき，最近では，回転センサの分解能を従来比Industrial Internetを起点に，Internet of Things

40倍に高めたものや，絶対角度の検出が可能なセン（IoT）が急速に普及している．日本でも，「超スマーシングシステムを開発し，ロボット分野を中心に応用

ト社会」を未来の姿として描き，政府主導でSociety

展開している．

5.0が提唱・推進されている1-2)．IoTでは，あらゆる振動による機械の異常検出に関しては，振動加速度

機器からデータを収集し，ビッグデータとして解析すの実効値の評価から始まり，最近では機械学習などのることにより，当初は製造業の生産性の向上やメンテ

人工知能（AI：Artificial Intelligence）の活用によ

ナンスの適正化による機会損失の低減などに主眼が置る異常検知の高度化を図っている．

かれていたが，人々の生活の質の向上をはじめ，さままた，機器の異常診断システムとしては，2012年

ざまな分野で活用しようとする動きが進められていに風力発電装置用のCondition Monitoring System

る．

（CMS）として“Wind Doctor ®”を開発し，日本国内の発電設備に取り付け，ダウンタイム削減などを目

転がり軸受は機械要素として，自動車，鉄道車両，的に活用いただいている．

航空機などの輸送機器，建設機械，工作機械，ロボットなどの産業機械，コンピュータ，プリンタなどの情

本稿では， NTNにおけるIoT関連の取組みとして，

報・事務機器，冷蔵庫，エアコン，洗濯機などの民生

これらの技術について紹介すると共に，今後の展望を用電気製品など，ありとあらゆる機械に組み込まれ，述べる．ここで取り上げる技術や商品の一部についてさまざまな回転運動を支えている．

は別稿で詳細解説されており，重複する点，ご了承い
ただきたい．

*常務執行役員

研究部門担当-16-

*03_展望_*03_展望new 18/10/19 9:31 ページ 2

転がり軸受とIoT －NTNのIoTへの取組み－

Sensor Bearing（ASB ®）”の商品名で製品化した

2. NTNの回転検出技術と応用商品もので，現在も自動車用ABSのデファクトスタンダードとしてグローバルで幅広く採用されている．

2. 1 回転センサ付軸受
回転検出には，光学式と磁気式のセンサが多く用い

2. 2 高分解能回転センサ

られ，用途によって使い分けられている．光学式は検出感度に優れる半面，価格が高く，汚れなど，耐環境

NTN-SNRでは，2.1項の着磁リングを用いながら性が弱いため，NTNでは転がり軸受の使用環境を考慮

回転検出分解能を従来比40倍に高めた高分解能回転

し，磁気式のセンシングシステムの応用を進めてきた．

センサを開発した6)．センサの構造と測定原理を図3

転がり軸受に，N極，S極を多極着磁した磁気リングに示す．本センサは，複数の磁気センサ素子と信号処と，磁気センサICを対向させて取付けることで，回転理回路を集積した専用ICにより，磁極間隔以下の細か速度と回転方向が検出可能な，インクリメンタル方式

な角度を最大40倍まで逓倍して検出することが可能の「回転センサ付軸受」を量産している 3-4)．図1はである．本センサを転がり軸受と組み合わせた例を図

産業機械用の回転センサ付軸受の例で，フォークリフ

4に示す．

トの駆動モータの速度や回転方向の検出などに実用さ

本センシングシステムは，実用化されつつある自動れている．他に，油圧ショベルのブームの回転角度検車の運転支援システムにおいて，車両の周辺の障害物

出用にユニット化した製品もある5)．

の検知に用いられるLight Detection and Ranging

図2は自動車のハブベアリングにアンチロックブレ（Lidar）に採用された．本システムではレーザ光をミーキシステム（ABS）の回転検出用着磁リングを組

ラーでスキャンさせて，障害物に反射したレーザ光をみ込んだもので，着磁リングを軸受シールと一体化し検出することにより障害物を検知する．本センシングている．材質はゴムで，磁性粉末が練り込まれている．

システムはミラーの回転機構に組み込まれ，正確な角

この着磁リングに磁気センサICを対向させて回転を度制御の実現に貢献している．

検 出 す る が ， 本 シ ス テ ム は NTN-SNR が “ Active
NS

ホールセンサ
0

π

θ

2π

ホール素子

磁気バイパス
リング

ASIC

磁気
エンコーダ

エンコーダ

側板

（48 極対）

S

48 極対

従来出力

分解能 7.5°

開発品出力

分解能 0.18°（48 パルス）

図1 回転センサ付軸受
Rolling bearing with rotational sensor

N（1920 パルス）

図3 高分解能回転センサ素子
Sensing element for high resolution rotational sensor

Lidarのミラー回転検出に実用化

図2 磁気エンコーダ内蔵ハブベアリング
Hub bearing with magnetic encoder

図4 高分解能回転センサ付軸受
Ball bearing with high resolution rotational sensor-17-*03_展望_*03_展望new 18/10/19 9:31 ページ 3

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

本システムを自動車のABSのセンシング部に組み

ゴム磁性体

副トラック(Ｎ-1極対)込み，実車試験によりタイヤの回転を検出した例を図

主トラック(N極対)5に示す7)．図には従来のABSセンサの信号も併記した．図左端の時間帯において，本システムでは発進時のタイヤの回転がより詳細に検出されていることがわかる．今後普及が予想される自動運転においては，路面状態やタイヤの回転状態を精緻に測定する必要があり，本センシングシステムの適用が期待される．

Rotation speed s-1

0.25

（a）外観

High-Resolution Sensor
ABS Sensor

0.2

シートを貼って着磁パターンを見える化した状態

芯金

この間を分割

0.15
0.1

センサ1

N

S

N

S

センサ2

N

S

N

S

たとえば
32 対極
S
N

N
N

S

複列磁気エンコーダ

31 対極

検出信号の例（NS磁極間を細分割）

0.050（b）着磁パターン

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Time s

0.6

0.7

0.8

0.9

センサ1

1

32周期
31周期

図5 実車試験での発進時の回転信号
Rotational signal when staring a vehicle

センサ2
位相差
0°

シャフトの回転角

360°（c）絶対角度の検出原理（例：32-31 極対）2. 3 複列磁気リングによる絶対角度センシング

図6 複列磁気リング：ラジアル着磁タイプ
Multi track magnetic ring --- Radial type

NTNでは，これまで培った磁気式回転センサ技術をもとに，専用の磁気センサICと組み合せることにより，新たに回転軸の絶対角を高分解能かつ高精度に検出できる「複列磁気リング」を開発した8)．これは円アキシアルタイプ

環状芯金に，磁性材料を混錬した未加硫ゴム材料を加硫接着したもので，ゴム磁性体部に2つの磁気トラックを形成している．
図6はラジアル着磁タイプの例である．図6 (b)に配線がリング内を貫通示すように，二列にそれぞれ異なる数の磁極を等間隔に位相差を設けて着磁する．二つの磁気パターンの位

ラジアルタイプ

相差から角度位置を正確に演算（バーニヤ原理）し，360度範囲の絶対位置を検出する．これについては別稿で詳細に解説している．
複列磁気リングは，薄型省スペース設計が可能で，

図7

ロボットアームモデルの関節に組み込んだ
複列磁気リング
Multi track magnetic ring installed in joint of robot

かつ中空構造により内部に配線ケーブルなどを通すことが可能である．今後，実用化が急速に進むことが予想される協働ロボットの関節部の角度やトルク検出への応用が期待されている（図7）．

-18-*03_展望_*03_展望new 18/10/19 9:31 ページ 4

転がり軸受とIoT －NTNのIoTへの取組み－

そこで， NTNでは，異常診断の高度化を目的とし

3. 転がり軸受の異常検知技術て，東京大学，産業技術総合研究所（産総研）などと発電設備，プラント設備や鉄道車両など，大型で高ともにNEDOのプロジェクトに参画して，大型風力発

い信頼性や安全性が求められる分野では，周辺の機械

電装置用軸受の損傷検出に取り組んでいる．本プロ

部品を含めた運転状態のモニタリングが必要とされジェクトでは，東京大学の指導の下，国内各所の風車

る．回転軸の振動状態，回転速度，温度などをセンシに NTN製コンディションモニタリングシステム”
Wind

ングするために，軸受もしくは軸箱にセンサが組み込

Doctor ®”を設置して長期間にわたり振動を計測，収まれる．検出した回転速度と振動周波数から振動源を集した．通常のモニタリングで検出した事例について，

推定，振動増加の兆候を検知し，故障の可能性を早期

さらに早期の兆候をつかむため，産総研が独自開発しに警告する予防安全機能が実現されている．

たAIによって信号を分析している．図9は，産総研の現在行われている転がり軸受の異常検知は，振動加助言を受けて NTNが開発したAIを援用することによ

速度の実効値の評価やAcoustic Emission（AE）をり，従来手法に比べ，異常検知のタイミングを早期化利用したものなどが代表的である9)．転がり軸受の正できた事例である．
また，風車に限らず，軸受の損傷が社会的損失をもす 10)．軸受が正常な状態（ステージⅠ）では軸受周たらすアプリケーションは多々あり，初期の損傷ある辺の振動加速度は低いレベルで推移し，損傷が発生す

いはその予兆の検出と同時に，使用不可となるまでのると上昇する（ステージⅡ）．その後，損傷が一定の期間が予測できれば，計画的なメンテナンスが可能とサイズに達すると，しばらくは振動加速度レベルが停なり，稼働率の低下を最小限に抑えることができる．

滞する（ステージⅢ）．損傷がさらに進展すると振動

現在，NTNでは，2017年9月に大阪大学に開設した

加速度が増加し（ステージⅣ），やがて急激に上昇しNTN次世代協働研究所を通じて，損傷の進展状況を予て機能停止に至る．

測するAIを開発中である．

振
動
加
速
度

損傷（振動）
ステージ

Ⅰ
正常

Ⅲ
停滞

Ⅱ
初期
進展

Generator_Input_RMS_e [m/s2]

常状態から破損に至る振動加速度の推移を図8に示

Ⅳ
末期
進展

警告しきい値

28.0
20.0
16.0
12.0
8.0
4.0

時間

図8 転がり軸受の損傷による振動の推移
Vibration transition of rolling bearing with damage growth

しきい値

0.0

1.0
0.9
0.8
0.7
異 0.6
常 0.5
率 0.4
0.3
0.2
0.1
0.0

注意しきい値

従来技術による
検知時期

24.0

時間

AIによる
検知時期

時間

図9 AIによる異常検知の早期化事例
Example of early detection of failure by utilizing AI

図8の例では，振動加速度の実効値にしきい値を設けて，注意および警告信号を出す単純なモデルを示しているが，従来手法では，一時的な振動上昇やノイズ

4. NTNのIoTへの取組みの紹介の影響をキャンセルするために，初期の暗振動より十4. 1 風力発電機向け状態監視システムCMS

分大きい値をしきい値とする必要がある．信号の実効値が大きくなった時点ではすでに相応のサイズの損傷

NTNでは，2012年に風力発電装置の稼働率向上が生じており，損傷の進展速度によっては，使用停止

をバックアップするための状態監視装置としてまでの期間が短く，メンテナンス計画に支障をきたす“Wind Doctor ®”を開発し11)，日本国内で展開を進恐れもある．

めている．風力発電装置のナセル内に各種の計測セン
サとデータ収集装置を設置する（図10）．

-19-

*03_展望_*03_展望new 18/10/19 9:32 ページ 5

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

4. 2 自然エネルギーとIoT

計測センサ

NTNでは，2016年に自然エネルギー商品事業部（振動，ほか）を設立し小型発電装置の事業展開に取り組んでいる．
風力と太陽光の二つの自然エネルギーを利用したNTN
ハイブリッド街路灯およびNTNマイクロ水車（小水力発電装置）の販売を開始した．三重県桑名市の先端技術研究所敷地内の「グリーンパワーパーク」はその取組みの一環として設立した（図13）12)．NTNが開発

運転情報（回転速度・発電出力）

LAN

したNTN垂直軸風車を3基，NTNマイクロ水車を1基，データ収集装置

NTNハイブリッド街路灯を3基設置しており，パーク

図10“Wind Doctor ®”におけるナセル内の設置機器
Installation equipment of “Wind Doctor ®”in wind turbine nacelle

内で，これらを活用して発電したエネルギーを電気自動車（EV）や野菜工場（グリーンパワーファーム）など
へ循環させるエネルギー循環型モデルを紹介している．
敷地内にはIoTルーム（モニタリング＆コントロー“Wind Doctor ®”のシステム構成を図11に示す．

ルセンタ）があり，「発電・蓄電・消費」それぞれの収集したデータはインターネット上の専用サーバに記情報をモニタリングする．本施設のIoTを利用し，高録され，各種の信号処理やトレンド分析により，装置効率を追求したエネルギーマネジメントシステムの開の異常や部品の損傷検出結果が通知される．3項でも発にも取り組んでいる．

述べたとおり，今後はAIを活用した異常検知アルゴリ

また，大阪大学との「ITを用いた防災・見守り・観ズムを適用して診断能力を向上させ，より綿密な計画

光に関する仕組みづくりの共同研究」において，「独的保全が実現できるようにシステム全体を進化させて

立電源通信網みまもりロボくんⅢ」の実験機（図14）

いく（図12）．

を大阪大学に設置させていただき，実証試験を行って自然エネルギーの循環型モデル
グリーンパワー
ファーム

NTN垂直軸風車（10kw）

NTN垂直軸風車（4kw）

追尾型太陽光
発電装置

IoTルーム①風力発電装置内センサ＋②データ収集装置＋③専用サーバ＋④解析・診断①主軸受，増速機，発電機に約10個のセンサを取り付ける
NTN垂直軸風車（2kw）②各センサ信号をデータ収集装置で2時間おきに計測する
NTNマイクロ水車③インターネット回線で専用サーバにデータを送信，蓄積するNTNハイブリッド街路灯

電気自動車
体験スペース④データ群を解析して正常／異常を診断する

図13

図11“Wind Doctor ®”のシステム構成
Components of “Wind Doctor ®” system

グリーンパワーパーク
Green power park

現状AI

⑤予防保全の高度化（2）AI技術導入によるさらなる高精度，早期③予防保全の高度化（1） 検知，省力化，無人化
高精度，早期検知②データ収集
①装置販売

傾向管理
予防保全

④他分野への展開
鉄道車両，
工作機械等

図12 NTNにおけるCMSの将来像
Future image of NTN’s CMS

図14 みまもりロボくんⅢの実験機
Mimamori Robokun Ⅲ experimental device-20-*03_展望_*03_展望new 18/10/19 9:32 ページ 6

転がり軸受とIoT －NTNのIoTへの取組み－いる．本装置は，風力と太陽光をエネルギー源とする

参考文献「NTNハイブリッド街路灯」に，防犯カメラ，Wi-Fi通1) P. C. Evans and M. Annunziata：インダストリア
ル・インターネット－人と機械の境界が融合する－，
GE Reports Japan（2012）2) 木村好次：トライボロジーにおける計測と寿命評価，
トライボロジー研究会 第29回講演会 前刷（2018）1．
3) 伊藤浩義，小池孝誌：回転センサ付軸受について，
NTN TECHNICAL REVIEW No.69（2001）
108.
4) 小池孝誌，石河智海，伊藤浩義，水谷憲義：回転セン
サ付軸受の耐漏洩磁束性向上，NTN TECHNICALREVIEW No.71（2003）74．
5) 糸見正二，伊藤浩義，建設機械向けセンサユニットの紹介，NTN TECHNICAL REVIEW No.76（2008）
118．
6) 伊藤浩義，高橋亨，P. Desbiolles，C. Peterschmitt，
上野新太郎：原点信号出力タイプ高分解能回転センサ
付軸受，NTN TECHNICAL REVIEW No.78（2010）70.
7) 西川健太郎，高橋亨，C. Duret：高分解能回転セン
サ内蔵ハブベアリング，NTN TECHNICALREVIEW No.81（2013）52．
8) 小池孝誌，福島靖之，澁谷勇介：ロボット関節の絶対角検出に適用可能な高精度絶対角センサ，機械設計第62巻第3号（2018）55．
9) 間野大樹：転がり軸受におけるIoT展開，機械設計第62巻第2号（2018）46．
10)高橋亨，堀径生：風力発電装置用軸受の技術動向と状態監視システム，トライボロジスト 第62巻第11号（2017）691．
11)竹内彰利，長谷場隆，池田博志：風力発電装置へのコンディショニングモニタリングの適用，
NTN TECHNICAL REVIEW No.80（2012）15．
12)森夏比古：自然エネルギー事業とグリーンパワーパー
クの紹介，NTN TECHNICAL REVIEW No.84（2016）14．
13)https://www.ntn.co.jp/japan/news/press/new
s201700086.html

信機器，非常電源を搭載したもので，地域の子供たちなどの見守り機能に加え，災害時の通信設備として活用できる（図15）．本実験機と「未来共生災害救援マップ（災救マップ）」との接続実験，発電・蓄電量の確認，Wi-Fi通信機器の稼働実験，通信遮断時の自動接続実験などを行っている．これらの実験で得た通信や信号処理のノウハウは，今後の軸受異常診断の要素
技術として活用していく計画である．

災害時

被害の甚大な地域

被災地でアプリユーザーが被災状況報告

みまもりくんロボⅢ（Wi-Fi）

独立電源なので停電時でも可能（特定小電力無線）
迂回ルート

未来共生災害救援マップ（大阪大学）
メッシュ・コグニティヴ通信（自動で接続可能通信網を構築）支援する人たちが投稿情報を活用

未来共生災害救援マップ管理画面（大阪大学）

（LTE）

通常ルート
（特定小電力無線）

Internet

通信網・情報のつながり

平常時（Wi-Fi）（LTE）

観光情報サイト（例：観光局）（LTE）Internet（特定小電力無線）（特定小電力無線）

観光アプリ（例：今井町観光局）
協定○○地域見守りサイト
協定

地域見守りサイト（仮称）（自治会・寺社等向け）

大阪大学オムニサイト（大阪大学）

図15

ITを用いた防災・見守り・観光に関する
仕組みづくり：全体イメージ13)
Creation of mechanisms regarding disaster prevention,
monitoring, and tourism through use of IT

5. おわりに
転がり軸受は，もの造りの現場はもちろんのこと，
衣食住や移動など，人々の生活に関わる様々な機器に組み込まれて，膨大な数が使用されている．これらの軸受にセンサを組み込めばIoTのデータ収集の要素として最適なものになると考えられる．それにはセンサ

執筆者近影の小型化や電源の確保，通信の手段などの課題を解決しなければならない．IoTを通して自然環境の保全，
人々の生活の水準や安全の向上に貢献するため，最大限努力して課題解決に取り組んでいく．

江上正樹

常務執行役員
研究部門担当-21-

*04_*15 18/10/19 9:33 ページ 1

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）[ 商品紹介 ]手首関節モジュール『i-WRISTTM』の開発
Development of『i-WRISTTM』wrist joint module

数 野 恵 介* Keisuke KAZUNO
御堂前 純* Jun MIDOUMAE
小 原 正 行* Masayuki OHARA磯部浩* Hiroshi ISOBE
志 村 祐 紀* Yuuki SHIMURANTNでは，等速ジョイントの一種であるパラレルリンク機構を応用した角度制御装置を開発してきた1)-7)．このたび，本装置を外観検査用途に展開するため，可動角度範囲を
折れ角45°から90°に拡大し，半球面全方向の任意の姿勢に対して高速に位置決めできる手首関節モジュールを開発した．従来の『パラレルリンク型高速角度制御装置』から『i-WRISTTM』に名称を変更し，量産を開始した．

NTN has developed the angle control equipment applying a parallel link mechanism which is a type of constantvelocity joint. In order to expand this equipment for appearance inspection application, we expanded themovable bending angle range from 45˚ to 90˚ and developed a wrist joint module which can be positioned toward
any posture in all hemispherical directions at high speed. We changed the name from the conventional “Parallel
Link High Speed Angle Control Equipment” to “i-WRISTTM” and started mass production.

本稿では， NTNが外観検査の用途に適応するため

1. はじめにに開発した折れ角90°仕様の『i-WRISTTM』の構成と特長，システム構成例，動作パターンの設定方法，外製造現場の生産性向上を目的とした自動化・省力化

観検査の用途への展開などについて紹介する．

のニーズにより，産業用ロボットがグローバルで急速に普及している．例えば，垂直多関節ロボットは，重量物のハンドリングや溶接・塗装ラインのような過酷

2. i-WRISTTMの構成と特長

環境下などでの現場を中心に広く使用されている．また，水平多関節ロボットやパラレルリンクロボット

図 1に i-WRIST TM の 概 略 図 を 示 す ． i-WRIST TM

も，高速ハンドリングが要求される工業製品や食品なは，独自のパラレルリンク機構とその姿勢を制御する

どの搬送作業などで活用されている．

駆動機構から構成され，3つのモータを同期制御して一方，日本では，少子高齢化による労働力不足が課

2自由度の先端姿勢（折れ角θ，旋回角φ）を位置決

題になっている 8)．特に，技能を必要とされる作業工

めできる手首関節モジュールである．その主な特長を程の人手不足は深刻であり，各企業はこれまで人手で以下に示す．

行っていた繊細な作業についてロボット化に取り組み① 高速動作始めている．

細かい姿勢変更時に0.1s/point以下 ※の高速動作

NTNは2012年に独自のパラレルリンク機構を応を実現．

用した角度制御装置を発表して以来，従来のロボット② 広い可動角度範囲が苦手としてきた細かい姿勢変更を高速に行うことが最大折れ角 90°，旋回角360°×n（無限大）要求されるグリース塗布や洗浄用途への展開を図って③ 全方向にスムーズな動き

きた．近年，新たなニーズとして，これまで人手作業に頼ってきた自動車部品や電子電気部品の外観検査用

球面リンク構造を採用し，可動角度範囲内に特異途への展開も進めている．

点を持たない．

*産業機械事業本部-22-*04_*15 18/10/19 9:33 ページ 2

手首関節モジュール『i-WRISTTM』の開発

駆動機構

基端側
第 1 リンク系

第 3 リンク系

先端側

パラレル
リンク機構

第 2 リンク系

折れ角

旋回角

図1

i-WRISTTM の概略図
Schematic of i-WRISTTM④ リンク機構の内部空間にエンドエフェクタを配置
エンドエフェクタ取付時の慣性モーメントを低減
し，高速動作を実現．また，内部空間にエンドエ（折れ角，旋回角）

フェクタへの配線を通すことができ，旋回動作をZ ステージ

繰り返してもケーブルが捻じれない．
※10mm間隔の7×7のマトリクス上のポイントに対する位置
決め動作時の速度である．

3. システム構成例
Y ステージRz ステージ

X ステージi-WRISTTM は，図2に示すように直動アクチュエー
タやRzステージと組み合わせた構成で使用できる．

図2 i-WRISTTM を用いた構成

その制御システム構成を図3に示す．赤枠で示した①

Configuration example

i-WRISTTM ，②専用コントローラ，③専用コンソー
ルを標準仕様として NTNが提供する．青枠（赤枠除②専用コントローラく）で示したサーボドライバや直動アクチュエータな③専用コンソール

I/O（外部インターフェイス）

どは，NTNが型番やシリーズ（仕様）を指定させていただく部品である．一方，黒枠内は，お客様にて自由

ユーザ側
コントローラエンドエフェクタ
（カメラ関係など）に選定いただける部品である．

サーボ系ドライバ① i-WRISTTM

ケーブル関係3つの減速機付モータを含む手首関節モジュール．

② 専用コントローラ

M E

M E M E

M E

M E

M E

M1
モータ

M2
M3
モータ モータRz
XY
モータ モータ モータ

Z
モータ

M E

i-WRISTTM 単体だけでなく，i-WRISTTM と直動ア

架台

クチュエータ（XYZ軸）やRzステージとを組み合①

わせたシステム構成（図3）でも使用することをRz ステージ

直動
直動
アクチュエータ アクチュエータ（XY 軸）（Z 軸）

XYZRz ステージ

想定したソフトウェアが実装されている．

③ 専用コンソール

図3 制御システム構成
Control system configuration

i-WRISTTM や直動アクチュエータの動作をティーチングするために使用する．

-23-

*04_*15 18/10/19 9:33 ページ 3

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）
表2 専用コントローラの主な仕様
Specification of proprietary controller

4. 主な仕様項

4. 1 i-WRISTTM

目

サイズ
付属ユニット図4に今回開発した折れ角90°仕様のi-WRISTTM

諸元

Ｗ65×Ｄ110×Ｈ130 mm
I/Oユニット（入力：32点，出力：32点）の外観写真を，表1にはその主な仕様を示す．高速動

定格電圧DC24V±20%

作を可能にするため，各回転対偶部にアンギュラ玉軸

制御対象

i-WRISTTM，Xステージ，Yステージ，
Zステージ, Rzステージ

受を採用し，適正な予圧を付与することで，i-WRISTTMの剛性を確保した．また，パラレルリンク機構の内部

4. 3 専用コンソール

空間にエンドエフェクタを配置することにより，エン表3に専用コンソールの主な仕様を示す．市販のハ

ドエフェクタ取付時の慣性モーメントの増加を抑制でードウェアに，NTNが制作した操作画面を表示させてきる構成とした．

おり、手で持って操作できるハンディタイプである．
専用コンソールは，i-WRISTTM だけではなく，図3

W 331mm（システム構成例）に示す直動アクチュエータや回転機構（Rz軸）の動作条件や動作パターンを設定でき
D 286mmる．また，複数の動作パターンを登録できるため，段取り替えを容易に行うことができる．

H 202mm

表3 専用コンソールの主な仕様
Specification of proprietary console（a）折れ角 0°
の姿勢

項

目

諸

元

外形寸法
表示デバイス

W224×L174×H107 mm

表示サイズ

W115.2×L86.4 mm

カラー

質量

0.96 kg以下

定格電圧

DC24V±20%

登録可能な動作パターン数

50パターン（1つの動作パターンに対して最大100ポイント登録可能）（b）折れ角 90°の姿勢

図4 i-WRISTTM の外観写真
External view of i-WRISTTM

5. 動作パターンの設定

表1 i-WRIST の主な仕様
Specification of i-WRISTTM
TM

項

目

諸

ような専門知識が必要だが，i-WRISTTM に使用する

元

サイズ
質 量

W331×D286×H202 mm

自由度

2
折れ角：90°可動角度範囲一般的なロボットの動作設定には，ロボット言語の専用コントローラは，各動作パターンとして登録した

5.4 kg

ポイントを順番に実行させるだけであり，専門知識がなくても容易に動作パターンを設定できる．

旋回角：360°
× n（無限大）5. 1 ティーチング

繰り返し位置決め精度 ±0.05°以下
可搬質量（許容慣性モーメント）
モータ出力

ティーチング方法は，参照する座標系により異な

1.0 kg（0.025 kgm2）

り．システム全体を基準とする“ベース座標系”とワ50 Wークを基準とする“ワーク座標系”に大別できる．以下，座標系別にティーチング方法を記載する．

4. 2 専用コントローラ

5. 1. 1 ベース座標系

表2に専用コントローラの主な仕様を示す．市販のハードウェアに，NTNが独自に開発したソフトウェア

図5（a）にベース座標系の概念図を示す．図6に示を実装している．専用コントローラが座標変換などのす専用コンソール画面のジョグボタンを操作し，Xス

複雑な計算を行うため，専門知識を必要とせず，直感

テージ，Yステージ，Zステージ，i-WRISTTM ，Rzス

的な操作を可能とした．

テージのそれぞれを所望の位置や角度に移動させ，そ-24-

*04_*15 18/10/19 9:33 ページ 4

手首関節モジュール『i-WRISTTM』の開発の位置や姿勢（Sx，Sy，Sz，θ，φ，Rz）を登録する

ティーチング作業を効率よく実施できる．

方法である．座標系を意識することなく，直感的に操図7に示すような開発したポイントデータ編集ソフ

作して動作パターンを設定できる．

トにより，パソコン画面上でワークの3Ｄモデル上の5. 1. 2 ワーク座標系

座標（ワーク座標）を確認しながら作業点の位置座標

図5（b）にベース座標系の概念図を示す．作業を行と作業方向を編集でき，その編集データを専用コンソ

いたいワーク上の実際の作業位置（XYZ座標）と作ールに一括して書き込むことができる．また，専用コ

業方向（θ’，φ’）を指定する方法である．

ンソールの動作パターンデータを，パソコンにバック

i-WRISTTM 先端からエンドエフェクタの作業位置

アップデータとして保管することもできる．

までの距離Lと，ベース座標系とワーク座標系の位置関係を事前に専用コンソール上で設定すれば，専用コ

位置座標・作業方向入力部

ントローラが作業データからi-WRISTTM の姿勢や直動アクチュエータの位置を自動計算する．そのため，

3D モデル（折れ角θ，旋回角φ）

操作画面
Z ステージ（Sz）

Z

動作条件入力部

図7

Y

ベース座標系

ポイントデータ編集ソフト
Point data edit softwareX

5. 2 その他の機能
Y ステージ（Sy）

表4に示すように，ポイントごとに，各アクチュエ

Rz ステージ X ステージ
（回転角 Rz）（Sx）

ータの位置や角度の指令値を入力するだけではなく，（ａ）ベース座標系

以下のような条件も設定できる．

①動作モード登録したポイントで停止するPTP(Point To

アプローチ方向（θ, φ）（Wx, Wy, Wz）
ワーク

Point）動作と，i-WRISTTM と他の構成部品（直動アZ ステージ

クチュエータなど）が同期して連続的に移動するCPZ（Continuous Path）動作を設定できる．

Y
X②JOBコード

ワーク座標

JOBコードとは，ユーザ側コントローラへ出力すY ステージRz ステージ

る番号（0〜63）である．ポジションごとにJOBコ

X ステージードを設定すると，ユーザ側コントローラでポイントごとの作業内容などを判断できる．例えば，ユーザが（b）ワーク座標系「 JOBコ ー ド が “1”の と き は カ メ ラ で 撮 影 し ，

図5 座標系の概念図
Conceptual diagram of the coordinate system“2”のときは何もしない」などと定義できる．
表4 その他の機能
Other function
位置・角度
No. ステージ座標 i-WRISTTM Rzステージ
Sx Sy Szθφ

50 10 30

90

45

0

0

0

1

2 200 150 100

45

150

90

0

0

1

3 100 140 80

90

90

−90

0

0

1

4 150 150 100

90

180

0

0

0

1

5

45

45

180

0

0

1

1

ジョグ
ボタン

図6 専用コンソールの操作画面
Operation screen of proprietary console

-25-

①
②
③
動作 JOB 速度
モード コード レシオ

50 100 90Rz*04_*15 18/10/19 9:33 ページ 5

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）③速度レシオ

表5 繰り返し位置決め精度
Measurement results of repeated positioning accuracy

設定したポイントへの移動速度を減速させる機能でポイントある．例えば，複数ポイントの中で数ポイントだけ整

繰り返し位置決め精度

P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
P8
P9

定時の振動を抑制し，作業を確実に実施させたい場合に設定すると，タクトタイムを大幅に遅らせることなく，所望の安定動作を実現できる．

6. 評価試験[°]±0.008±0.007±0.006±0.010±0.005±0.009±0.003±0.009±0.006

ここでは，i-WRISTTM の基本性能試験方法とそのなお，測定方法や測定条件は，JIS B 8432（産業結果について紹介する．

用マニピュレーションロボット－性能項目及び試験方法）に基づいて決定した．

6. 1 繰り返し位置決め精度
図8に繰り返し位置決め精度の測定装置を示す．

6. 2 信頼性試験

i-WRISTTM の先端に2軸周りの傾斜角を計測する高自動車部品の生産ラインで使用されることを想定し精度の傾斜角センサを搭載し，そのセンサ出力信号よて算出したi-WRISTTM の2年間のトータル稼働時間

り一方向の繰り返し位置決め精度を算出する．
図9に示すように，i-WRISTTM の代表的な9姿勢を(5,000ｈ)を目標時間に設定して連続運転を実施し測定ポイントに定め，各測定姿勢に対して30サイク

た．その結果，連続運転後も繰り返し位置決め精

ル計測し，その平均値に対するばらつき±3σを一方度±0.05°以下であり，外観上も異常がないことを向の繰り返し位置決め精度とした．その結果の一例を確認した．なお，連続運転はグリースアップ等のメン

表5に示す．繰り返し位置決め精度は仕様値の±0.05°

テナンスを行わずに実施した．

以下となった．

7. 外観検査用途への展開

架台

図10に，これまで展開を図ってきたi-WRISTTM の特長を生かせる用途例を示す．その中で，自動化の要
求が急速に高まっている外観検査にターゲットを絞って開発を行った．
現在の外観検査の多くは，作業者がワークを手に持ち，ワークの姿勢を様々な方向に変えながら目視検査を行っている．図11には，NTNがこの作業工程を自動温湿度計化するために試作した外観検査装置の構成例を示す．

傾斜角センサ

本構成では，下部のXYZ＋Rz（回転軸）ステージ

図8 繰り返し位置決め精度の測定装置
Measuring device of repeated positioning accuracyを用いてワークを移動させると同時に，i-WRISTTMに搭載したカメラと照明の姿勢を変更する．最大折れ角を90°に拡大したことで，ワークに対して真横からの検査が可能となる．また，ワークを回転させる
Rzステージを追加したことで，XYステージのストロークを短縮させ，装置全体のコンパクト化を図った．
表6に試作機の主な仕様を示す．対象ワークの形状
やサイズ，画像処理システムの処理速度にもよるが，φ100×高さ100mm程度のワークに対して，60カ

図9 繰り返し位置決め精度の測定ポイント
Measuring posture of repeated positioning accuracy

所を8秒程度で検査することが可能である．
-26-

*04_*15 18/10/19 9:33 ページ 6

手首関節モジュール『i-WRISTTM』の開発

ロボットの手首関節（組立）溶接

グリース塗布8. まとめ2012年に独自のパラレルリンク機構を応用した角度制御装置を開発して以来，グリース塗布や洗浄用途

洗浄へ展開し，製品技術の改良を重ねてきた．今回，その特外観検査長を最大限に生かすべく，外観検査向けのi-WRISTTMを開発した．
今後，労働人口の減少に伴い，これまで人手に頼っワークてきた外観検査などの自動化への需要が急速に拡大す
直動アクチュエータ

ることが予想される．外観検査の用途に限らず，生産図10 i-WRISTTM の用途例
Application examples of i-WRISTTM

現場の自動化や省人化，生産性や品質のさらなる向上に寄与するロボティクス製品の開発を継続し，社会に貢献していく所存である．

参考文献

カメラ＋照明1）曽根啓助，磯部浩，山田耕嗣，高角アクティブリンク装置, NTN TECHNICAL REVIEW, NO.71，（2003）
70-73．
2）磯部浩，西尾幸宏，パラレルリンク型高速角度制御装
置，NTN TECHNICAL REVIEW，No.80，（2012）42-47．
3）磯部浩，西尾幸宏，曽根啓助，山田裕之，藤川芳夫，パラレルリンク型高速角度制御装置，2013年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集，（2013）809810．
4）磯部浩，西尾幸宏，坂田清悟，小長井直哉，山田裕之，
藤川芳夫，パラレルリンク型高速角度制御装置-グリー
ス塗布への応用-，2014年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集，（2014）1087-1088．
5）小長井直哉，磯部浩，坂田清悟，野瀬賢蔵，山田裕之，
藤川芳夫，パラレルリンク型高速角度制御装置，2015
年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集，（2015）605-606．
6）野瀬賢蔵，磯部浩，坂田清悟，丸井直樹，小長井直哉，
パラレルリンク型高速角度制御装置-改良による性能向上-，2016年度精密工学会春季大会学術講演会講演論
文集，（2016）483-484．
7）野瀬賢蔵，磯部浩，坂田清悟，パラレルリンク型高速角度制御装置の高速化，NTN TECHNICALREVIEW,No.84，（2016）96-101．
8）日本ロボット工業会，ここが知りたい！ ロボット活用
の基礎知識

ワーク

Rz ステージ

Y ステージ
Z ステージX ステージ

図11 外観検査装置の構成例
Configuration example of appearance inspection equipment
表6 試作機の主な仕様
Specification of prototype model
項

目

サイズ
搭載可能な
ワークサイズ諸元

W800×D850×H2000 mm
φ100×H100ｍｍ程度

タクトタイム（参考） 約8秒／60箇所

執筆者近影

数野

恵介

産業機械事業本部

磯部浩

産業機械事業本部

御堂前

純

産業機械事業本部

-27-

志村

祐紀

産業機械事業本部

小原正行

産業機械事業本部

*05_*15 18/10/19 9:33 ページ 1

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）[論文]

i-WRISTTMのロボット手首関節への応用
Application of i-WRISTTM to the Robot Wrist Joint

野 瀬 賢 蔵* Kenzou NOSE
丸 井 直 樹* Naoki MARUI

坂 田 清 悟* Seigo SAKATA
佐 藤 直 彦* Naohiko SATOU

近年，労働人口が減少している中で，産業分野では人による手作業の領域にロボットが用いら
れ，人とロボットが協働で作業する状況が進展しつつある．その中で，限られた空間において，組立作業のような人の手作業に相当する細かい動作を，安全かつ高速で実現できるロボッ
トが求められている．
グリース塗布や外観検査などで実績のある『i-WRISTTM』（旧名称：パラレルリンク型高速角度制御装置）のロボットの手首関節への応用について紹介する

While the working population is decreasing, in the industrial field, robots come into use for operation of hand
work by human, and to work in cooperation with human there. In such case, the robots are required to perform
delicate hand work in a safe manner and at a sufficient speed.
This report introduces the application of i-WRISTTM (Parallel Link High Speed Angle Control Equipment) thathas proven in a grease dispensing and external inspection to a wrist actuator of robot arm.

材の間に，基端側アーム，中央リンク，先端側アーム

1. はじめにからなる3列（図1の第1〜第3）のリンク系を並列にこれまで産業用ロボットは，製造業における工場自配置し，リンク系の各部材の連結部を回転対偶とする動化に貢献し，生産性の向上および生産量の拡大に大構成である．回転対偶部には予圧を与えたアンギュラ

きく寄与してきた．また，生産工場において，ロボッ

玉軸受を用いており，摩擦を軽減すると共に連結部のト，専用機，人をそれぞれ適材適所に配置すること

遊びを無くす構成としている．

で，生産ラインの高効率化が図られてきた．しかし，先端部材の姿勢は，基端部材の中心軸に対する先端

労働人口の減少に伴い，従来のロボットでは困難だっ部材の中心軸の傾斜角である折れ角θと，基端部材のた，細かい手作業の自動化が求められている．

中心軸方向から見た先端部材の中心軸の旋回角φで定義される．

NTNは，独自のパラレルリンク機構を採用し，小形で広い可動範囲を備え，高速・高精度で2自由度の角度位置決めができる『i-WRISTTM』（旧名称：パラレ
ルリンク型高速角度制御装置 1)-5)）を開発し，直動ア

折れ角θ

旋回角φ

クチュエータと組み合わせた構成で用途展開を図っている．本稿では，i-WRISTTMのロボットの手首関節用

φ=0°
第 3 リンク系

先端部材の
中心軸

アクチュエータへの適用について紹介する．

先端側アーム
第 2 リンク系

先端部材

中央リンク

2. パラレルリンク機構の概要

第 1 リンク系

基端側アーム基端部材

2. 1 基本構成
図1に，i-WRISTTM のパラレルリンク機構（以下，

基端部材の中心軸リンク機構）の概念図を示す．リンク機構は，ベース

図1となる基端部材とエンドエフェクタを取付ける先端部

リンク機構の概念図

Conceptual diagram of i-WRISTTM mechanism*商品開発研究所-28-

*05_*15 18/10/19 9:33 ページ 2

i-WRISTTMのロボット手首関節への応用⑤ケーブルやチューブなどの取り回しが容易

各リンク系の内2つの基端側アームの姿勢を決定することで，先端部材の姿勢（θ，φ）が決定される．

先端部材に搭載するハンドやグリッパ等のエンドエ

i-WRISTTM では3台のモータを用いて同期制御するこフェクタの配線・配管をリンク機構の内部空間に通すとで，繰り返し位置決め精度と剛性を向上させていことができるため，ケーブルやチューブの取り回しをる．

容易に行うことができる．また，その状態で一方向に旋回動作を繰り返してもケーブル等が捩れることがな

2. 2 特長

いという特長を持つ．

リンク機構をロボットの関節用アクチュエータに適

2. 3 他形式ロボットとの比較用した場合の主な特長を以下に示す．

①広い可動範囲

表1に，i-WRISTTM と直動アクチュエータを組み合

最大折れ角θは90°，旋回角φは360°×n（無限わせたロボットと，一般的な垂直多関節ロボットおよ大）と非常に広い可動範囲をとることができ，対象物

びパラレルリンクロボットとの比較を示す．

に対して様々な角度からのアプローチが可能である．

図2に一般的な垂直多関節ロボットの手首関節（先②高速・高精度な動作端3軸）を示す．

多関節ロボットとの比較において，特に微小な姿勢
変更時に高速・高精度な動作が可能である．

③可動部が軽量・コンパクト

旋回軸

曲げ軸

駆動部を基端側に集中させることで，可動部の軽量化と慣性モーメント低減を実現し，高速動作時の位置
決め精度の向上を図った．また，リンク機構がコンパクトになり，広い可動範囲でも装置の干渉を避けるこ
回転軸とができる．

図2 垂直多関節ロボットの手首関節
Wrist joint of ordinary vertical articulated robot④可動範囲内に特異点がない
特異点を意識する必要がないため，ティーチング作
業を比較的簡易に行うことができる．

表1 他形式ロボットとの比較
Comparison of other type robot

構成

A

+
直動アクチュエータ

B

垂直多関節ロボットC

パラレルリンクロボット

機能

得意分野
利

課

点

題

非接触作業，小物の組立

など

溶接，搬送

・微小な姿勢変更時の位置決め動作が速い． ・可動範囲が広い．
・可搬質量が大きい．
・可動範囲内に特異点がない．
・ケーブルをリンク内部空間に配置できる． ・不使用時の占有面積が小さい．
（旋回動作を繰り返してもケーブルが捩れない） （ロボットアームを折りたためる）
・不使用時でも一定の占有面積が必要．
・可搬質量が小さい．

搬送（ピック & プレース）
・並進動作が速い

・微小な姿勢変更時の位置決め動作が遅い
・可動範囲に対し装置サイズが大きい．
（姿勢による）．
・不使用時でも一定の占有面積が必要．
・特異点がある（ティーチング作業時に専門知識や経験が必要）．

-29-

*05_*15 18/10/19 9:33 ページ 3

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

垂直多関節ロボット（表１B）は，可動範囲が広3. ロボットの手首関節への展開

く，可搬質量が大きいというメリットがあるが，微小な姿勢変更であっても複数の関節が大きく動作するた

3. 1 手首関節用アクチュエータめ，微小な動作のタクトタイム短縮が難しい．垂直多ロボットの手首関節用として，図3に示すアクチュ

関節ロボットの手首関節は旋回軸，曲げ軸，回転軸のエータ（以下，本アクチュエータ）を試作した 6)．表2

3つの回転関節で構成されており，先端の微小な姿勢に試作機の諸元を示す．

変更に対して，姿勢によっては旋回軸を大きく動かす

図3に示す本アクチュエータは，i-WRIST TM の径必要があるため，なめらかで素早い動作は不得意であ方向寸法をコンパクト化して軽量化を図りつつ，る．そのため，細かい組立作業を高速で行うような用

i-WRISTTM 全体を回転させる1自由度を追加した構成

途には適さない．

である．i-WRIST TM 全体を回転させる回転機構部にまた，可動範囲内に特異点が存在するため，ティーは同心軸型の減速機構を用いているため，ギヤドライ

チング作業時に専門知識や経験を有する作業者が必要

ブ型（以下，GD型）と呼称する．

となる．さらに，協働型ロボット以外の速度や力が大ま た ， リ ン ク 機 構 の 最 大 折 れ 角 は 90°で あ り ，

きいロボットは，安全性を確保するために可動範囲全i-WRIST TMの旋回角φと回転機構部の回転角θz の協体を柵で囲う必要があり，占有面積が大きくなる．

調動作により，回転機構部の回転を，任意の折れ角に一般的なパラレルリンクロボット（表１C）は，並おける先端部材の回転軸まわりの回転に等角度で変換

進動作を高速に行うことができるため，主にピック＆できる．

プレース用途で用いられているが，可動範囲に対して駆動機構部を含めた装置全体のサイズが大きくなり，
先端部材の回転軸

占有面積が大きい．
上記の理由から，これらのロボットで組立作業等の先端部材

人手作業を代替する場合，既存スペースに収めることリンク機構ができないケースが多い．

伝達機構

が提案するi-WRISTTM と直動アクチュエータ

NTN

基端部材

を組み合わせたロボット（表１A）は，微小な姿勢変回転角θz

更の位置決め速度が速く，全体の動作量が小さい．

駆動機構部

i-WRISTTM は，先端側のパラレルリンク機構が小型回転機構部回転軸

軽量で2自由度を持つため，どの方向にもなめらかに
図3

i-WRISTTM を用いた手首関節用アクチュエータ（ギヤドライブ型）
Wrist joint actuator featurung i-WRISTTM (with gear drive)

素早く動作できることが特長である．垂直多関節ロボ
ットの手首関節は，より根元の旋回軸を大きく動かさないと位置決めできないが，i-WRISTTM は全方向に高速で動作させることが可能であり，垂直多関節ロボ

表2 手首関節用アクチュエータ試作機諸元Specification of wrist joint actuator with GD

ットの手首関節と比較してタクトタイムを短縮することができる．これは垂直多関節ロボットでは可動軸を項 目直列配置しているため，根本の関節（手首関節の旋回

サイズ

φ145 ×278 mm（全体）軸）を大きく動作させる場合，慣性モーメントが大きく（外径×高さ）

φ102 ×115 mm（リンク）なり高速で動作させることができないが，i-WRISTTM
ではコンパクトなパラレルリンク機構で慣性モーメン

諸 元

質 量

3 kg

自由度

3
折れ角：90°トを低減したため，高速でなめらかな動作を実現でき

可動角度範囲旋回角：360°× n（無限大）
回転角：350°（-175°〜175°）

る．また，設置スペースを比較的小さくすることがで繰り返し位置決め精度 ±0.05°以下

きるため，これまで人手で行っていた工程の自動化に可搬質量適していると考えられる．

モータ出力

-30-

0.5 kg
30 W×3（リンク部）
50 W×1（回転機構部）

*05_*15 18/10/19 9:33 ページ 4

i-WRISTTMのロボット手首関節への応用

図4に，基端部材と基端側アームの回転対偶部周りの構造を示す．基端側アームは，出力側回転連結体を介して，基端部材に固定された減速機ユニットの出力
リンク機構
姿勢制御用モータ

軸に固定される．歯車やベルト等の伝達機構を通して減速機ユニットの入力軸に伝達される姿勢制御用モー
タの回転は，減速機ユニットで減速され，出力側の回転連結体を介して基端側アームに伝達される．基端側

回転機構部ベルト

アームに固定された入力側回転連結体は，減速機ユニ
ットの入力軸に軸受を介して回転自在に連結されてい回転制御用モータる．このように，基端側アームの構成内に減速機ユニットを収め，基端側アームの回転軸の両端を支持する
図5構成とし，基端側アームの支持剛性を向上させながら，コンパクトな構成を実現した．また，伝達機構をベルト駆動型手首関節用アクチュエータ
Wrist joint actuator with belt drive

減速機ユニットの入力側に配置することで，伝達機構

3. 2 直動型双腕ロボットに存在するバックラッシ等の影響を低減させることが図6に，本アクチュエータと直交3軸の直動アクチできる．
GD型の回転機構部は高減速の減速機構をコンパクト

ュエータ（XYZステージ）を組み合わせ，それらを2に配置できるという利点がある．しかし，回転機構部回組配置した直動型双腕ロボットを示す．人手作業の自転軸が基端部材の中心軸と一致するように回転角制御用動化を想定しているため，本アクチュエータを鉛直軸

モータを配置したため，駆動機構部は中空ではない．そ（Z軸）に対して内側に45°ずつ傾けて配置し，両腕のため，ケーブルやチューブをリンク機構の内部空間にの協調作業を行いやすくしている．この直動型双腕ロ

通すことができるという特長が生かされていない．

ボットは，本アクチュエータでエンドエフェクタの姿

ベルト駆動を採用したタイプ（BD型）は，回転機

勢を，XYZステージでエンドエフェクタの位置をそ

構部のモータを，ベルトを用いて回転機構部中心かられぞれ制御する．姿勢を保持したままでXYZの移動

オフセットして配置できるため，大きな中空径を取るを行う動作（非同期動作）と，本アクチュエータとことができるようになる．BD型の構成を図5に示XYZステージを同期させて行う動作（同期動作）をす．BD型はリンク機構にもベルトを用いることで姿作業内容に応じて使い分けることで様々な作業を行う

勢制御用のモータを減速機ユニットの入力軸と平行にことができる．

オフセット配置できるため，リンク機構の高さを低減

非同期動作は，把持したワークの姿勢を本アクチュさせることができる．さらに，リンク機構の姿勢制御

エータで制御してアプローチ姿勢を決め，XYZステ用モータのケーブルも駆動機構部の中空部を通すこと
XYZ ステージ

で，回転角の可動範囲をより広くとることができ，かつ非常に容易に配線作業を行うことができる．

基端側アーム
入力側回転連結体
出力側回転連結体

入力軸

出力軸

伝達機構

軸受

減速機ユニット

手首関節用アクチュエータ

図4 基端部材と基端側アームの回転対偶部
Revolute pairs serving as connections between proximal
end side link hubs and proximal end link member

図6 i-WRISTTM を用いた直動型双腕ロボット
Liner motion type dual arm robot featuring i-WRISTTM-31-

*05_*15 18/10/19 9:33 ページ 5

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

ージで大きく水平方向に移動させることができるため，ティーチング作業時に作業者がロボットアームの動作を予測しやすく，組立作業に適している．図7にシャフトの挿抜動作例を示す．この動作は，ワークに開けられたさまざまな角度の穴に対してシャフトを挿抜させるもので，穴に対するシャフトの姿勢を本アクチュエータで決定し，挿抜の直線方向の動作をXYZステージで行う．
同期動作は，エンドエフェクタ先端の細かな動きがO リング

可能で，その適用例として，曲面へのシール貼りを図8に，Ｏリングの取り付け，取り外し作業を図9に示す．

図9 Ｏリング取り付け・取り外し作業
Operation for installing and removing O-ring

これらの例では，これまで自動化が困難であった，曲面・平面上の三次元のならい動作を，本アクチュエー
タおよびXYZステージを協調させた軌跡制御で行っており，パラレルリンク機構と直動アクチュエータの組

4. おわりに

み合わせによって曲線的な動作を実現している．
このように，現在 NTNは，i-WRISTTM をロボット

回転2自由度の独自のパラレルリンク機構を採用し手首関節へ応用し，組立作業への適用を検討していたi-WRISTTM に回転1自由度を追加したロボット手首

る．

関節用アクチュエータを試作し，人の手首関節に近い形状および動作を実現した．一方，このアクチュエー
タと3軸の直動アクチュエータを組み合わせた直動型

ハンド（エアチャック）

双腕ロボットを試作し，垂直多関節ロボット，パラレルリンクロボットとの違いを検証しながら，i-WRISTTM
独自のなめらかで素早い動きを活かした細かい手作業を実現するロボットを目指して開発を進めている．
今後は，本アクチュエータ単体およびシステム全体の更なるコンパクト化を図ると共に，衝突検知機能な

ワーク（シャフト）

どを追加し，人とロボットの協働作業の実現を試みる．そして，小物部品の組立など，従来のロボットでは困難だった人手作業の代替等，もの造り分野におけワーク（穴）

る自動化・ロボット化の進化に貢献していく．

図7 シャフト挿抜動作
Operation for inserting and removing shaft

曲面の
添付対象
シール

図8 シール貼り動作
Operation for put a seal on a curved surface-32-

*05_*15 18/10/19 9:33 ページ 6

i-WRISTTMのロボット手首関節への応用

参考文献
1）磯部浩，西尾幸弘，パラレルリンク型高速角度制御
装置，NTN TECHNICAL REVIEW，No.80，（1988）42-47．
2）磯部浩，西尾幸宏，曽根啓助，山田裕之，藤川芳夫，パラレルリンク型高速角度制御装置，2013年
度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集，（2013）809-81．
3）磯部浩，西尾幸宏，坂田清悟，小長井直哉，山田裕之，藤川芳夫，パラレルリンク型高速角度制御装置グリース塗布への応用-，2014年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集，（2014）10871088．
4）小長井直哉，磯部浩，坂田清悟，野瀬賢蔵，山田裕之，藤川芳夫，パラレルリンク型高速角度制御装
置，2015年度精密工学会春季大会学術講演会講演
論文集，（2015）605-606．
5）野瀬賢蔵，磯部浩，坂田清悟，丸井直樹，小長井直哉，パラレルリンク型高速角度制御装置-改良による性能向上-，2016年度精密工学会春季大会学術講演
会講演論文集，（2016）483-484．
6）野瀬賢蔵，磯部浩，坂田清悟，丸井直樹，志村祐紀，パラレルリンク型高速角度制御装置-ロボット用
手首関節アクチュエータへの応用-，2017年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集，（2017）761-762．

執筆者近影

野瀬

賢蔵

商品開発研究所

坂田清悟

商品開発研究所

丸井直樹

商品開発研究所

-33-

佐藤

直彦

商品開発研究所

*06_*15 18/10/19 9:34 ページ 1

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）[解説]

ロボット用軸受の技術動向と特長
Technical Trend and Features of the Bearing for Robot

大 胡 誠* Makoto OEBISU
國 米 広 道* Hiromichi KOKUMAI
林 康 由* Yasuyoshi HAYASHI 辻 橋 将 人* Masato TSUJIHASHI

近年，ロボット市場は活発化し，需要は日増しに拡大している．ロボットには減速機をはじめ，さまざまな機器が装着されており，多数の軸受が使用されている．NTNでは，多くのロボット用軸受を製造しており，その特長をロボットの技術動向と合わせて解説する．

Recently, the robotics market has become very active, and demand is expanding each and every day.
Various types of mechanical equipment, such as reduction gears, are incorporated into robotics, and many
bearings are used. NTN manufactures a wide variety of bearings for robotics applications, and in this section, thefeatures of bearings used for robotics will be explained based on the technical trends in the industry.

1. はじめに

産業用ロボット

ロボットは産業用ロボットとフィールドロボット，
サービスロボットに大きく分類される（図1）．

フィールドロボット（例）建設ロボット
農業ロボット
防災ロボット
水中作業ロボット

サービスロボット（例）清掃ロボット
生活支援ロボット
福祉ロボット

産業用ロボットは自動車や電気・電子機器をはじめとした多くの生産工場で使用され，これまでは比較的簡単な繰返し作業が求められていたが，より高度な生産とその自動化を目指す取組みが望まれるようになっ（例）組立ロボット
搬送ロボットている．産業用ロボットは日本企業の競争力が高く，
図1 ロボットの分類

この強みを活かした今後の展開が期待される．また，Classification of robot

フィールドロボットは農地，海上，災害現場など屋外で活動するため，現場に投入し十分に活躍できるロボット開発が期待される．サービスロボットは福祉，医療，介護をはじめ，家庭や職場で人と交流する環境で

2. 産業用ロボットの市場ニーズ

使用される．近年，サービス産業の生産性向上，医療
介護サービス現場における働き手の確保など，ユーザ

産業用ロボットには，決められた位置の対象物をつ

ニーズを的確に捉えることで急激な導入が予測され，かみ正確に作業する基本機能に加え，産業分野に広く

次世代ロボットとして活躍の場が広がることが期待さ浸透するために，①コストパフォーマンスに優れる，れている．

②対象作業に適合した精度や動きが得られ，ティーチ

このように，ロボットは人間の代わりに作業を行う

ングや補正操作が容易（精度と操作性），③小型・軽機械として世界中に普及し，今後の発展が大きく期待量で設置スペースが小さい（省スペース化），④ライ

される分野である．NTNでは，多くのロボット用軸受

ン高稼働率の維持（信頼性・保守性）などが求められを製造しており，本稿では，特に産業用ロボットにおる．
近年，産業分野では製造現場での人手不足の補填やける軸受の技術動向，適用部位とその特長について解

製品品質を安定化させるため，ロボットを活用した自説する．

*産業機械事業本部

適用技術部

-34-

*06_*15 18/10/19 9:34 ページ 2

ロボット用軸受の技術動向と特長

動化のニーズが高まっている．例えば，スマートフォ

B 軸：手首曲げン，自動車関連産業やIoT（Internet of Things）関連の需要増加による電子部品関連産業への設備投資を
T 軸：手首回転中心に，組立や搬送工程におけるロボット需要が増加

R 軸：手首旋回している．さらに，人とともに作業する協働ロボットの需要も増加傾向にあり，産業用ロボットの市場規模は拡大している．これらを背景に，産業用ロボットにU 軸：上腕は今まで以上に，①タクトタイム短縮による生産性の向上，②ロボットの剛性を高め，ワーク搬送時の位置

バランサ部

決めや繰返し精度を向上させた緻密な作業性，③ロボットをコンパクト化し，設置面積を縮小することによL 軸：下腕る作業領域の確保，④メンテナンス間隔の延長によるS 軸：旋回保全性の向上などが市場ニーズとして高まっている．
表1に近年，産業用ロボットで要求される性能の市場トレンドを示す．

図2 垂直多関節6軸ロボット

産業用ロボットには，減速機やガスバランサなどの

6 axis articulated robot

機器が装着され，可動部には軸受が使用される．これ
らの市場トレンドを背景に，軸受には今まで以上にコ

3. 2 産業用ロボット減速機と軸受適用部位

ンパクト化，高剛性化，高負荷容量化，長寿命化が強

近年，ロボットサイズは多様化し，精密減速機は大く要求されるようになっている．

型と小型で使い分けられることがある．本稿では大型用として①偏心差動方式減速機，小型用として②波動

表1 産業用ロボットの市場トレンド
Market trend of industrial robot
要求性能

歯車式減速機を例とし，軸受適用部位を説明する．

近年の市場ニーズ

コストパフォーマンス
（ロボット生産性）

・タクトタイム短縮

高精度と操作性（緻密な作業）・位置決めの高精度化
・繰返し精度の向上

製の精密減速機RVが挙げられる．図3に精密減速機

・コンパクト化

RVの構造を示す．この減速機は平歯車の１段減速部

省スペース化（作業領域の確保）
高信頼性と保守性①偏心差動方式減速機
偏心差動方式減速機の一例として，ナブテスコ㈱殿とピン歯車機構を有した偏心揺動型の２段減速部から・メンテナンス間隔の延長構成される．クランク軸が１回転した場合，RVギヤ
は偏心運動し，内歯車との歯数差分だけ入力方向とは逆方向に回転し，これを出力として取り出す機構であ

3. 産業用ロボットの構造と軸受適用部位

る．本機構は，同時噛合い歯数が多いため，軽量で剛3. 1 産業用ロボットの構造性も高く過負荷に強い特長があり，低バックラッシで振動が小さく，滑らかで正確なトルク伝達を得ること

産業用ロボットは多くの種類があるが，人間の肩かができる．

ら手首までと同じ動きをする垂直多関節ロボットが代本減速機には，クランク軸の偏心部に針状ころ軸

表的である（図2）．
重量物を持った状態でロボットを運転するとき，各受，ジャーナル部には円すいころ軸受が使用されてお関節駆動部には大きなトルクが必要となるため，サーり，各軸受には高い剛性と大きな負荷容量が必要とさボモータの出力トルクを増幅させる機器として減速機れる．また，主軸受には薄肉アンギュラ玉軸受が対向が組み込まれる．特に大型ロボットではサーボモータ

して使用されており，ロボットの重要特性である位置の動力を補助し，省電力に寄与する機器として，重力決め精度を確保するために高い剛性（モーメント剛

負荷に対して逆方向にバランス力を発生させるバラン性）が必要となる．

サが組み込まれる．
-35-

*06_*15 18/10/19 9:34 ページ 3

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

シャフト

内歯車

主軸受（薄肉アンギュラ玉軸受）

薄肉弾性歯車薄肉弾性玉軸受
針状ころ軸受楕円軸
スパーギア

インプットギア
クランク軸

RV ギア

ピン

図4 波動歯車式減速機の構造模式図
Structure of strain wave gearing

円すいころ軸受
楕円軸

内歯車

精密減速機RVの構造 1)

図3
Structure of precision reduction gears RV

0°

180°

②波動歯車式減速機
波動歯車式減速機は小型の減速機構（外径100mm

薄肉
弾性歯車

以下）として主に使用される．図4に構造模式図を示す．薄肉かつ柔軟な金属円環を歯切りした薄肉弾性歯

薄肉弾性玉軸受（楕円形状に弾性変形）

車に，薄肉弾性玉軸受が挿入された楕円軸を組み込

図5 動作原理
Operating principle

み，厚肉かつ剛性のある内歯車と長軸側で接触させており，弾性変形を巧みに利用した独特な減速機構である．動作原理は図5に示すように，内歯車を固定した

3. 3 産業用ロボットバランサと軸受適用部位

場合，楕円軸が時計回りに1回転すると，薄肉弾性歯
車と内歯車の歯数差（例えば，薄肉弾性歯車が2枚少図6にロボット用バランサ構造の一例を示す．ロボない）分だけ，薄肉弾性歯車が反時計回りに回転し，ットのアーム伸縮時に，サーボモータの動力を補助

これを出力として取り出す機構である．なお，図5

し，省電力化を図るため，本機器が適用される．近は，楕円軸が半回転し，薄肉弾性歯車が1枚分反時計

年，コンパクト化の要求によりバランサはコイル式か回りに移動した状態である．本減速機は同軸で構造がらガス式へ移行し，コンパクトでかつ高負荷容量の性

シンプル，かつコンパクトである特長に加え，1/30能が要求される．さらに，高稼働率の要求によりメン〜1/320の大きな減速比を得ることができる．さらテナンス間隔の延長が要求される．

に，くさびのように入り込む両歯面が同時に噛み合

このバランサのロッドシリンダ支持部には組込性をい，バックラッシがなく，噛合い率も大きいことか考慮して自動調心ころ軸受が使用されることがある．

ら，歯車誤差が平均化され，角度伝達精度が高く，ト

本用途では荷重が大きく，揺動角度が小さいため，油ルク容量も大きい特長がある．

膜形成が困難であり，大きな負荷容量に加え，異常摩耗やフレッチング損傷に配慮した軸受選定が必要とな

薄肉弾性玉軸受には，外輪外径面に引張圧縮の応力る．

振幅が繰り返し作用するとともに，内部では楕円状の変形に伴う予圧荷重に加え，トルク伝達による噛合い
反力が作用する．薄肉弾性玉軸受の設計においては，
外輪の割れ疲労強度と転動疲労寿命を両立させることが重要である．また，軌道輪は高い応力振幅に耐え得る最適な肉厚や熱処理仕様を選定の上，角部の形状，
表面粗さ，表面の残留応力などに配慮が必要である．

-36-

*06_*15 18/10/19 9:34 ページ 4

ロボット用軸受の技術動向と特長

部の自動調心ころ軸受には長寿命化が要求される．

コイル式

NTNでは，近年の技術動向に対して，さまざまな軸受の設計開発を行い，市場ニーズに対応している．

表2 産業用ロボット軸受の要求性能
Required performance of bearing for industrial robot
軸受適用部位
主軸
ロボット用
減速機

ガス式

クランク軸

ロボット用バランサ（ロッドシリンダ支持部）

要求性能
・コンパクト（薄肉）
・高剛性
・長寿命
・コンパクト（省スペース）・高剛性・高負荷容量・長寿命・高負荷容量・長寿命

コンパクト

4. 2 アンギュラ玉軸受のコンパクト化
NTNでは，精密減速機主軸用として，コンパクト化した薄肉アンギュラ玉軸受を設計，製造し，市場展

図6 バランサの構造模式図
Structure of balancer

開している．
図7に79シリーズ標準品との断面比較を示す（各軸
受は外径寸法は統一した設計である）．薄肉アンギュ

4. 産業用ロボット軸受の技術動向と特長

ラ玉軸受は，断面比として径方向に約30％，軸方向

4. 1 産業用ロボット軸受の技術動向に約25％の省スペース化，質量比として約55％の軽前述のように，産業用ロボット軸受の適用部位は主量化を達成し，大幅なコンパクト化を達成した．

に，減速機とバランサである．これらの軸受には，このコンパクト化には軌道輪の薄肉化が必要不可欠「コンパクト化」，「高剛性化」，「高負荷容量化」，

であるが，製造時の軌道輪の変形（歪み，反り）が大「長寿命化」が要求される．特に，軸受のコンパクト

きな課題となる．NTNでは，変形を抑制する熱処理条化は重要であるが，それは同時に断面積の低減に伴う件の最適化を含めた加工技術を確立することで，薄肉転動体のサイズダウンを意味するため，剛性，負荷容アンギュラ玉軸受の量産化に成功した（図8）．

量および寿命の低下を招くことになる．つまり，コン
パクト化と高剛性化，高負荷容量化，長寿命化はトレードオフの関係にあり，剛性，負荷容量，寿命を低下させずにコンパクト化を図ることが軸受として重要である．ここで，表2に産業用ロボット軸受の要求性能を示す．
ロボット用減速機では，高い剛性や高い出力トルクの確保，高効率などが要求される反面，コンパクト化が要求される傾向があり，主軸用アンギュラ玉軸受には剛性，寿命を確保した上での薄肉化，クランク軸用
針状ころ軸受には，その軸受形式による省スペース化

79シリーズを図るとともに，高剛性化，高負荷容量化が求められ

主軸用
薄肉アンギュラ玉軸受

図7 薄肉アンギュラ玉軸受の断面比較
Cross-view comparison of Ultra thin angularcontact ball bearing

る．また，ロボット用バランサでは，コンパクト化に加え，高い信頼性が求められ，ロッドシリンダ用支持-37-

*06_*15 18/10/19 9:34 ページ 5

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

HWT (J) タイプと標準仕様（PKタイプ）比較を表3に示す．HWT(J)の大きな特長は，保持器内径側の柱をなくすことで，PKタイプに比べころ本数を増やすことが可能であり，これにより高剛性化と高負荷容量化，長寿命化を達成した（表4）．
さらに，ころ表面に浸炭窒化処理を行うことで，潤滑油中に混入した異物噛込みや転走面の油膜切れに伴う表面損傷への耐性を強化し，信頼性や軸受寿命の向上にも寄与する．
図8 薄肉アンギュラ玉軸受
Ultra thin angular contact ball bearing

表3 高負荷容量仕様の針状ころ軸受
High load capacity needle roller bearing

また，トレードオフとなる剛性（モーメント剛性）

標準仕様

高負荷容量仕様

PKタイプ（削り保持器）HWTタイプHWTJタイプ（削り保持器） （プレス保持器）

内径側に柱があり，ころ
本数の増加は限定的である

内径側に柱がなく，ころ
本数を多く配置できると寿命（転動疲労寿命）については，モーメント剛性を高めるため軸受の作用点距離を大きくするとともに，軸受内部の接触応力を抑制し寿命が低下しない最適設計技術を確立した．図9に予圧比に対するモーメ
ント剛性比と寿命比の関係を示す．薄肉アンギュラ玉
軸受は79シリーズ標準品に比べ，コンパクトであるにもかかわらず，転動疲労寿命は同等で，モーメント
剛性が約40％向上していることがわかる．

薄肉アンギュラ玉軸受̲モーメント剛性

79シリーズ̲モーメント剛性

薄肉アンギュラ玉軸受̲計算寿命

79シリーズ̲計算寿命

項 目
ころ本数
基本静定格荷重
基本動定格荷重
転動疲労寿命剛 性

88モーメント剛性
約40％UP

7
6

7
6

モ
ー 5
メ
ン 4
ト
剛 3
性
比

5

寿

4 命
3

2

2

1

1

0

表4 標準仕様（PKタイプ）との性能比較 2）
Comparison of performance for PK type

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

比 較
20〜30%UP
20〜35%UP
15〜25%UP
1.5〜2倍15〜25%UP比

4. 4 自動調心ころ軸受の長寿命化
NTNでは，ロボット用バランサのロッドシリンダ

0

支持部用自動調心ころ軸受として「アルテージ」シリ

予圧比

ーズ「EAタイプ」を市場展開している．

図9 予圧比に対するモーメント剛性比と寿命比
Moment stiffness and lifetime ratio at loading preload「EAタイプ」は当社従来品に比べ，最大で65%の負荷容量（基本動定格荷重）を向上させ（図10），
世界トップレベルを達成した（図11）．
さらに，「アルテージ」シリーズには，両側にシー

4. 3 針状ころ軸受の高剛性化と高負荷容量化

ルを配置した密封形（WAタイプ）もラインナップし

NTNでは，精密減速機クランク軸用として，高剛ており（図12），耐摩耗性や耐フレッチング性に優性化，高負荷容量化した針状ころ軸受（HWT (J) タ

れた特殊グリースを封入して出荷することが可能で，イプ）を市場展開している．

メンテナンス性や軸受寿命の向上にも寄与する．
-38-

*06_*15 18/10/19 9:34 ページ 6

ロボット用軸受の技術動向と特長

5. まとめNTNで は ， 多 く の ロ ボ ッ ト 用 軸 受 を 製 造 し て おり，本稿では，産業用ロボットに適用される軸受の技
術動向と特長について解説した．
EAタイプ

従来品

今後，ロボットはサービス分野の大きな発展に伴う，需要の拡大が予測されており，我々の身近な存在

基本動定格荷重
従来比最大 65％UPとしてますますの活躍が期待されている．

図10 アルテージ自動調心ころ軸受（EAタイプ）3)
ULTAGE Spherical roller bearing (Type EA)

NTNは引き続き，ロボット業界の発展に貢献できるようロボット用軸受の商品開発および改良に努めていく所存である．

120

参考文献

110

1）ナブテスコ株式会社，ナブテスコカタログ，精密減速機RV CAT.180420,（2018年）表紙.
2）阿部克史，新高負荷容量プレス保持器付き針状ころ,
NTN TECHNICAL REVIEW, No.71,（2003年）
52-55.
3）津森幸久，新型自動調心ころ軸受 "ULTAGE(アルテージ)"シリーズEA・EMタイプ，NTN TECHNICALREVIEW, No.77,（2009年）78-82.
4）NTN株式会社，シール付自動調心ころ軸受（ULTAGE WAタイプ）, NTN TECHNICAL REVIEW,
No.79,（2011年）138.

基
本
動 100
定
格
荷 90
重
kN

80
70

NTN

EA タイプA社

B社

C社

図11 負荷容量比較
Comparison of load capacity

シール

シール

従来品

図12

EAタイプ

密封形アルテージ自動調心ころ軸受 4)ULTAGE Spherical roller bearing

執筆者近影

大胡

誠

産業機械事業本部
適用技術部

國米 広道
産業機械事業本部
適用技術部

林

康由

産業機械事業本部
適用技術部

-39-

辻橋

将人

産業機械事業本部
適用技術部

*07_*15 18/10/19 9:35 ページ 1

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）[ 商品紹介 ]風力発電装置用状態監視システム（CMS）の開発と適用例
Application of Condition Monitoring System for wind turbines

宮﨑畠山

誠* Makoto MIYAZAKI
航* Wataru HATAKEYAMANTNでは，センシング技術と振動診断技術を応用した状態監視システム（CMS）を開発し，風力発電装置を中心に状態監視および診断のサービスを展開している．本稿では，風力発電装置用CMSの診断方法と実証試験での適用例，ならびに今後の展開について解説する．

NTN has developed Condition Monitoring System using sensing technology and vibration diagnosis
technology, and provides information services dedicated to the maintenance of wind turbines． This article
introduces some of the diagnostic methods used in the CMS and results obtained in validation tests, and gives aperspective of CMS for wind turbines．

稼働状態にある設備に設置したセンサの計測データ

1. はじめにを監視することができれば，故障の兆候を見つけやす1. 1 背景

くなる．そのため，センサの計測データを送信し，オ

世 界 風 力 会 議 （ GWEC2017） の 報 告 1） に よ る

ンラインでの状態監視や診断を目的とする状態監視シと，2017年の風力発電設備容量は前年比10.6%増

ステム（Condition Monitoring System : CMS）が求の529.1GWであり，今後も増加が予想されている．

められている．CMSを用いることで，遠隔地から状

陸上には，風力発電に適した場所が少なくなり，低風態監視が可能になるため，メンテナンスの工数が削減

速地域に適用させるための風力発電装置の高効率化やされる．さらに，損傷箇所を早期に検出することで，洋上風車への取組みが加速している．また，風力発電

処置のための準備期間を確保し，設備利用率の向上に事業の拡大とともに売電価格の低下が進んでおり，メ

つなげることができる．加えて，設備状態の変化を把ンテナンスコストの削減や風力発電装置の設備利用率

握することにより，最適なタイミングで計画的な補修の向上が一層求められている．そのため，設備の状態作業を実施して，逸失電力を抑えた効率的な設備運用を常時的確に把握して高度なメンテナンスを実施し，が可能になる．

NTNでは，これまで培ったセンシング技術と振動故障による長期停止を未然に防ぐ運用方法が必要とさ診断技術を応用したCMSを開発し，Wind Doctor®

れている．

（図1）として販売している 2）3）．

1. 2 CMSの概要
風力発電装置の状態監視の手法として，定期的な振動測定や異音の確認，グリースや潤滑油の分析がなされてきた．しかし，安全上の問題から稼働状態にある設備に対して作業を行うことができないため，運転中の振動や異音を確認するのは難しい．その結果，停止状態での点検が中心となり，故障の兆候を見逃す恐れがある．計画外の補修作業が必要となった場合には，交換部品が故障停止に間に合わず，停止期間が長期化

図1

し，利益が失われてしまうことになる．
*産業機械事業本部

ロボティクス・センシング技術部-40-

Wind Doctor®データ収集装置 2) 3)
Data acquisition module*07_*15 18/10/19 9:35 ページ 2

風力発電装置用状態監視システム（CMS）の開発と適用例

2. 2 監視・分析手法

本稿では，Wind Doctor®によるデータ分析の手法やその適用例を解説する．

機械設備の変化や傾向を監視するためには，一定の運転状態下でデータを計測するのが望ましい．しかし，自然を相手にする風力発電装置では，風速や風向

2. CMSの構成と分析方法などの運転環境が刻々と変化する．Wind Doctor®で

2. 1 システムの構成

は，運転環境の変化による影響を低減するために，セWind Doctor®のシステム構成を図2に示す 4） ．

ンサ信号とともに運転状態を記録し，類似した条件のデータ収集装置は監視対象に設置したセンサを用い計測データを抽出して設備状態の診断に用いている4）．

て定期的に計測し，インターネット上のサーバに計診断によって異常が認められた際には，異常の発生

測データを保存する．計測用センサには，振動，変原因を推定するために，振動データの周波数解析が行位，温度などのさまざまなセンサを使用することがわれる．しかし，風速や風向の変化により軸回転速度

できる．データ管理ソフトは計測データをサーバ上が大きく変化する場合には周波数解析の精度が低下しのデータベースで管理し，異常を検出したときにはて，原因推定が困難になることがある．その対策としアラーム情報を発信する．状態監視ソフトはサーバて，Wind Doctor®の状態監視ソフトの分析ツールにとの通信機能を兼ね備えたグラフィカルユーザイン

は，軸回転速度の変動分を補正する機能があり，分析

ターフェース（GUI）である．監視対象の状態を視覚

精度の低下を抑制することが可能である．補正の前後的に確認できるだけでなく，計測データに対してフにおける周波数スペクトルを図3に示す．補正後(b)ィルタ処理やエンベロープ処理，周波数解析などのの周波数スペクトルは補正前(a)よりピークが明瞭で分析を実施することができる．

あり，精度の高い分析が可能である．

②データ管理ソフト①データ収集装置③状態監視ソフト

計測センサ（振動，ほか）

専用サーバ

運転情報
（回転速度・発電出力）

データ収集装置

ユーザ／ NTN

図2 Wind Doctor®の構成 4)
System configuration of Wind Doctor®

150000Power

200000150000Power

200000100000100000

50000
0

50000
0

1000

2000

3000
4000
5000
Frequency Hz

6000

7000

0
0

8000

（a）補正前の周波数スペクトル

1000

2000

3000
4000
5000
Frequency Hz

6000（b）補正後の周波数スペクトル図3 補正前後での周波数スペクトル
Frequency spectrum．(a) Raw data, (b) Corrected data

-41-

7000

8000

*07_*15 18/10/19 9:35 ページ 3

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

理を施した振動波形に包絡線処理を施し，周波数解析

3. 最新の適用例したもので，損傷による振動成分を分析する際に用いNTNは，2013年度よりNEDO（新エネルギー・

られる．計測点Aでのエンベロープスペクトルには，産業技術総合開発機構）が実施する風力発電高度実用

転動体の1点が内輪および外輪に接触する周波数であ化研究開発（スマートメンテナンス技術研究開発）にる転動体損傷周波数（2fb）のピークおよびその両側

東京大学ほかと参画し，国内の風力発電装置の設備利に転動体公転周波数の変調成分（2fb±fc）の側帯波用率向上を目的として，日本各地の風力発電装置にが観測された．この特徴から，軸受の転動体に損傷がWind Doctor ®を 設 置 し て メ ン テ ナ ン ス に お け るあり，その損傷により発電機振動が増加したことが推CMSの活用に関する実証試験を行った．以下に，観定された．
計測点Aからさらに振動が増加した点である計測点

測データの例を示す．

Bのエンベロープスペクトル（図6）には，転動体損
傷周波数（2fb）に加えて，内輪損傷周波数（f i）お3. 1 発電機軸受の損傷事例
図4に発電機駆動側に設置した振動センサから得らよび外輪損傷周波数（fo）のピークが観測されることれたデータを示す．グラフの横軸は日付，縦軸は振動から，損傷が進展し，転動体に加えて内輪および外輪のレベルである振動実効値を示す．グラフには風力発の軌道面に損傷が発生したことが推定された．
計測点Bの時点で事業者によって設備状態が確認さ電装置が定格回転速度の85%以上で稼働している運

れ，異音の発生が認められた．その後，事業者により転状態の計測データを抽出して表示した．
計測点Aの1ヶ月前より，振動実効値が上昇をはじ

軸受が交換され，取り外された軸受の分解調査を行っ

め，計測点Aで注意しきい値を超える値となった．計た．軸受の内輪および外輪の軌道面には，電食による測点Aにおける計測データのエンベロープスペクトル損傷が認められた（図7）5）．

を図5に示す．エンベロープスペクトルはフィルタ処

警告しきい値50

B30

A
注意しきい値

20

10
0
2/1

3/3

図4

4/2

5/2

6/1

7/1

7/31

8/30

4.0

4.0

振
動 3.0
加
速
度 2.0

m/s2

m/s2

12/28

1/27

周波数 Hz

周波数 Hz

図6

計測点Aでのエンベロープスペクトル
Envelope spectrum at A

-42-

計測点Bでのエンベロープスペクトル
Envelope spectrum at B

500

450

400

350

300

250

200

0

150

1.0
0.0

500

450

400

350

300

250

200

150

100

50

1.0

0

11/28

5.0

振
動 3.0
加
速
度 2.0

図5

10/29

発電機駆動側軸受付近に設置した振動センサの振動実効値のトレンドグラフ
Trend graph of RMS value at generator drive end

5.0

0.0

9/29

100

m/s2

軸受交換

40

50

振
動
加
速
度
の
実
効
値

*07_*15 18/10/19 9:35 ページ 4

風力発電装置用状態監視システム（CMS）の開発と適用例

いる運転状態の計測データを抽出して表示した．
CMS設置直後である計測点Cのエンベロープスペ
クトル（図9）には，中速軸軸受の内輪損傷周波数（fi）のピークおよびその両側に中速軸回転周波数の変調成分（fi±fr，2fi±fr）の側帯波が観測されたため，CMS
設置直後より軸受の内輪に損傷があることが推定された．しかし，振動実効値は比較的低い水準であったた

図7 電食による外輪軌道面の損傷 5)
Outer raceway failure of electrical pitting

め，経過観察することにして，最初の1ヵ月のデータを基に仮の注意しきい値を定めた．
CMS設置以降，振動実効値は一定のレベルで推移

本事例においては，CMSの利用によって現地の事していたが，設置から半年後の計測点Dで振動実効値

業者が異常を感じるよりも2ヵ月早く，故障の兆候をが上昇をはじめ，計測点Eで注意しきい値を超えた．

検知した．そのため，報告を受けた事業者は余裕を持

計測点Eでのエンベロープスペクトル（図10）にはって準備を進め，風が強くなる冬期に入る前のタイミ

内輪欠陥周波数（fi ）およびその変調成分（f i±f r ）ングで軸受を交換し，発電に適した時期の運転停止をの側帯波が計測点Cと比較して強く観測されることか防止することができた．

ら，軸受の内輪に発生した損傷の進展が推定された．
計測点Eで事業者に軸受内輪の損傷が進展している

3. 2 増速機軸受の損傷事例ことを報告した．その後，事業者によって内部点検と図8に増速機遊星部に設置した振動センサから得ら軸受交換が実施された．取り外された軸受内輪の軌道れた振動実効値のトレンドグラフを示す．グラフには

面には，軸方向のき裂が複数認められ，き裂から進展

風力発電装置が定格回転速度の85%以上で稼働してしたと考えられるはく離も確認された（図11）5）．

0.6

0.4
0.3
0.2
0.1
0
5/1

5/31

6/30

7/30

図8

8/29

9/28

10/28 11/27 12/27

1/26

2/25

3/26

8/23

9/22

10/22 11/21 12/21

周波数 Hz

周波数 Hz

図10

図9 計測点Cでのエンベロープスペクトル
Envelope spectrum at C

-43-

計測点Eでのエンベロープスペクトル
Envelope spectrum at E

500

450

400

350

300

0

250

1.0
0.0

500

450

400

350

300

250

200

150

100

50

1.0

2.0

200

m/s2

3.0

150

2.0

0

7/24

4.0

振
動
加
速
度

3.0

0.0

6/24

5.0

4.0

m/s2

5/25

増速機遊星部に設置した振動センサの振動実効値のトレンドグラフ
Trend graph of RMS value at gearbox planetary

5.0

振
動
加
速
度

4/25

100

m/s2

軸受交換

D

C 注意しきい値

50

振
動
加
速
度
の
実
効
値

0.5

E

*07_*15 18/10/19 9:51 ページ 5

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

5. おわりに
本稿では，CMSによるデータ分析の手法，およびNEDO事業でのスマートメンテナンス技術研究開発の中で得られたWind Doctor®の適用例を紹介した．
今後も風力発電事業のメンテナンスコスト削減および設備利用率の向上に貢献するため，CMS技術の高度化を推進していく．
図11

中速軸軸受の内輪損傷5)
Inner raceway failure

参考文献

本事例においては，設置当初の診断で損傷の兆候を

1）GLOBAL WIND ENERGY COUNCIL，GLOBAL
WIND Report 2017，(2018)．
2）竹内，長谷場，池田, 風力発電装置へのコンディショ
ンモニタリングの適用，NTN TECHNICAL REVIEW
No. 80，(2012) 15-18．
3）橋爪，竹内，田中，状態監視システム（CMS）の取組み，NTN TECHNICAL REVIEW No. 82，(2014) 74-77．
4）畠山航，風力発電機向け状態監視システムの最新適用状況，月刊トライボロジー，356，(2017) 3841．
5）NEDO, 平成29年度最終成果報告書「風力等自然エネルギー技術研究開発/風力発電高度実用化研究開発/スマートメンテナンス技術研究開発（分析）（リスク解析等）」，(2018)．

発見し，その後の継続監視によって，損傷の進展も正確に検知した．事業者はCMSによる分析結果の報告を受け，計画的に準備を行い，適切なタイミングで軸受を交換することができた．

4. 今後の課題
補修作業にともなう停止時間を最小限に抑え，逸失
電力およびメンテナンスコストを低減するためには，構成部品の運用限界を的確に把握し，適切な時期に補修作業を計画する予測技術が重要となってくる．しかし，風力発電装置においては，風況などの運転環境の違いによって故障に至る経過が大きく異なるため，余寿命を正確に予測することが難しいという課題がある．また，主軸受をはじめとする低速回転軸部では，損傷の進展が遅く，故障に至るまでのデータを十分に収集するには長期間の観測が必要である．
今後も精度の高い余寿命予測の実現に向けて，デー
タの収集と実機データの分析を継続するとともに，低速回転軸部の異常検知技術を向上させることが重要で
ある．
執筆者近影

宮﨑

誠

産業機械事業本部
ロボティクス・センシング技術部

畠山

航産業機械事業本部
ロボティクス・センシング技術部-44-

*08_*15 18/10/19 9:35 ページ 1

NTN TECHNICAL REVIEW No. 86（2018）[ 商品紹介 ]高精度絶対角検出用複列磁気リングの開発
Development of Multi Track Magnetic Ring for High Accuracy Absolute Angle Detection

小 池 孝 誌* Takashi KOIKE
福 島 靖 之* Yasuyuki FUKUSHIMA
澁 谷 勇 介* Yusuke SHIBUYA 伊 藤 浩 義** Hiroyoshi ITOU
産業用ロボットの導入拡大とともに，ロボットはますます緻密な作業が求められている．
そのためロボットアームの各関節の角度を高精度に検出するニーズがある．当社が保有する精密着磁技術を応用して．高精度な絶対角検出を低コストで実現できる「複列磁気リング」を開発した．

As the introduction of industrial robots progresses, more accurate work is
required. Therefore, it is necessary to detect the angle of each joint of the robot
arm with high accuracy. NTN has developed a "Multi-track magnetic ring" thatcan realize absolute angle detection with high accuracy at low cost by applying
our precise magnetization technology.

1. はじめに

2. 角度の検出方式

近年，モノがインターネットとつながる IoT（Internet

一般に角度検出機器（以下，角度センサと呼ぶ）

of Things）をロボットに適用する動きが進んでいは，検出方式や出力方式の違いにより図1のように大る．また，中国をはじめとする新興国では，人件費の別される．検出方式として，発光素子からの光をスリ

高騰，世界規模での価格競争力強化や，品質向上を目ット板に透過させたり，反射板に反射させたりして受的とした産業用ロボットの導入が拡大している．日本

光素子で検出する光学式や，角度変化に対し磁界の向では，少子高齢化に伴う生産年齢人口の減少と人手不きや強さの変化を検出する磁気式などがある．また，足が深刻化し，生産現場だけでなく，医療，介護・福出力方式として，角度変化に対して繰り返しの信号が祉，物流，警備などの分野でサービスロボット市場の出力され，相対的な角度が検出できるインクリメンタ

成長が見込まれている1)．

ル方式と，現在の角度情報が出力され，絶対的な角度

日本はこれまで数多くの産業用ロボットを世界に供が検出できるアブソリュート方式がある．ロボットの給しており，減速機，サーボモータ，各種センサなど用途には，初期化が不要なアブソリュート方式の角度の構成部品も同様に数多く生産されている．近年，産センサが適している．特に，近年発展が目覚ましい多業用ロボットは，人工知能（AI：Artificial Intelligence）
を活用して，より複雑かつ高度な作業ができるよう開検出方式

発が進められており，構成部品に対する要求もますま

インクリメンタル方式

す高度化している．特に緻密な作業では，ロボットア

光学式

ーム先端部の位置決め精度が重要であり，各関節の角アブソリュート方式

角度検出機器度を高精度に検出する必要がある．

NTNは 上 記 の よ う な 産 業 界 の 背 景 ， ニ ー ズ に 鑑

磁気式

み，当社が保有する精密着磁技術を応用して，高精度な角度検出を実現できる「複列磁気リング」を開発し

図1

た2)．
**商品開発研究所**産業機械事業本部

出力方式

インクリメンタル方式
アブソリュート方式

角度検出機器の分類

Classification of angle sensor

ロボティクス・センシング技術部-45-

*08_*15 18/10/19 9:35 ページ 2

NTN TECHNICAL REVIEW No. 86（2018）

関節ロボットでは，高分解能かつ高精度の角度センサ

大40倍のインクリメンタル出力が可能である．更が望まれており，現在は，これらの点で優れる光学式に，N極，S極を特殊なパターンで多極着磁した磁気の角度センサ（ロータリエンコーダ）とモータが一体

リングを用いる事により，原点位置信号も出力できるとなった，サーボモータが多く利用されている．

「原点信号出力タイプ高分解能回転センサ付軸受」も開発した 5)．
一方，鉄製鋳物やアルミダイキャスト製のハウジン

3. 磁気式角度センサ

グ内に，永久磁石と磁気センサICをアキシアル対向さ

アブソリュート方式の磁気式角度センサの構成は，せて検出する，アブソリュート方式の「角度センサユ

図2に示すようなN極，S極の1極対からなる永久磁石ニット」を開発し、建設機械向けに生産している 6)．

を回転軸端に配置し，同軸線上で対向するように磁気

自動車用ハブベアリングの回転速度検出 7-8) で培わセンサを固定側に配置することが知られている．磁気れたセンサ技術は，サーボモータの回転速度制御，スセンサとしては，ホール素子やMR（Magneto

テアリングの角度検出などに適用が広がっている．しresistance 磁気抵抗）素子が利用されている．

かしながら，高精度な角度検出が要求されるロボット

一般に，永久磁石と磁気センサを用いる構成は，光の関節部などの用途への適用には至っていない．

学式の角度センサ（ロータリエンコーダ）に比べて分そこで， NTNがこれまでに開発した磁気センサ技

解能や精度で劣るが，安価で，油，塵，埃等の使用環術を基盤として，専用の磁気センサIC（5.2項参照）

境の影響を受けにくい利点がある．よって，分解能やと組み合わせることで，回転軸の絶対角を高分解能か精度を向上することにより，ロボットなどへの適用がつ高精度に検出できる「複列磁気リング」を新たに開大きく広がる．

発した．
磁気センサ

5. 複列磁気リングについて
5. 1 概要

磁石

今回開発した「複列磁気リング」の外観を図3 (a)に示す．
複列磁気リングは，薄板鋼板をプレス成形した芯金と，磁性材料を混錬したゴム材料を，芯金の円環外周軸

図2 磁気式アブソリュート方式の角度検出
Angle detection of magnetic absolute method

副トラック (63 極対 )主トラック (64 極対 )ゴム磁性体

4. 回転／角度センサの開発経緯
NTNでは，深溝玉軸受に，N極，S極を多極着磁しシートを貼って着磁パターンを観察した状態（b）着磁パターン

た磁気リングと，磁気センサICを取付けることで，回転速度と回転方向が検出可能な，インクリメンタル方
式の「回転センサ付軸受」を産業機械向けに生産している 3-4)．

芯金

また，深溝玉軸受に，N極，S極を多極着磁した磁気リングと，複数のホール素子を内蔵した磁気センサ（a）外観

ICを取り付けることで，「回転センサ付軸受」よりも高分解能な「高分解能回転センサ付軸受」を開発し（c）着磁パターンのイメージ

た．これは，磁気センサ内部でN極，S極の1極対を

図3

最大40逓倍することにより，着磁極対数に対して最複列磁気リング：ラジアル着磁タイプ
Multi Track Magnetic Ring-radial type-46-

*08_*15 18/10/19 9:35 ページ 3

高精度絶対角検出用複列磁気リングの開発

5. 2 絶対角検出原理と分解能部に加硫接着したゴム磁性体で構成されている．ゴム
磁性体部の外径面円周上には2つの磁気トラックが形

図5に複列磁気リングによる絶対角検出原理を示成されており，図3 (b) 及び (c) に示すように，主トす．複列磁気リングに対向配置する磁気センサICは，

ラックではN極S極64極対が，副トラックでは63極

各磁気トラックに対向する2つの検出部（検出部1，対が着磁されている．

検出部2）と絶対角演算部を内蔵しており，iC-Haus

図3に示した「ラジアル着磁タイプ」の複列磁気リ社のIC（iC-MU）9）を使用することもできる．

ングの他に，図4に示すように「アキシアル着磁タイ表1に示す複列磁気リングでは，その１回転に対しプ」の複列磁気リングも開発した．それらの主な仕様て，検出部1からは64極対，検出部2からは63極対を表1に示す．

の着磁極対に相当する周期の出力信号が得られ，それらの位相差が1回転で0°から360°となることを利用
して絶対角を検出する．つまり，64極対の磁気トラ

芯金ックにおいて，何極対目に位置しているのかを検出できる．さらに，この磁気センサは，磁極間の磁気強度を正確に読み取ることで，12bitの逓倍が可能である．このため，1極対分の角度情報を212分割するこ
ゴム磁性体

図4

（a）外観

とが可能であり，64極対数（26）を考慮すると，（b）着磁パターンのイメージ

18bit（分解能 約0.0014°）の角度情報を出力する

複列磁気リング：アキシアル着磁タイプ
Multi Track Magnetic Ring-axial typeことができる 6）．なお，磁気センサICのパラメータ
設定によっては，最大20bit（分解能 約0.00034°）の出力も可能である．

表1 複列磁気リングの主な仕様
Main specification for Multi Track Magnetic Ring
品番

このように高い分解能を実現するため， NTNでは独自の着磁技術を開発し，複列磁気リングの各磁極の

MTR64

MTA64

着磁タイプ

ラジアル

アキシアル

外径（mm）

Φ51.5

Φ56

内径（mm）

Φ44

Φ41

5. 3 特長

幅（mm）

8.2

4.0

質量（g）

10.7

9.8

1）高分解能・高精度

項目

着磁極対数

幅を非常に高精度にコントロールしている．

前述のように，最大20bit（分解能 約0.00034°）

64/63極対（主トラック128極，副トラック126極）の角度情報を出力することができる．

磁

石

ゴム磁石

図6は，複列磁気リングと5.2項に記載の磁気セン

芯

金

SPCC（圧延鋼板）厚さ 0.6mm

サICを組み合わせた角度センサの角度誤差を測定した

使用温度範囲（℃）−40〜＋110

磁気センサ

複列磁気リング

検出部 1

S

N

S

N

S

N

検出部 2

S

N

S

N

S

N

S

N
S

S
N

N
S

S

N

64 極対

N

S

63 極対

検出部 1
検出部 2
検出部１ 位相検出部 2 位相
位相差
0°

回転角度

図5 絶対角検出原理
Absolute angle detection principle

-47-

360°

*08_*15 18/10/19 9:35 ページ 4

NTN TECHNICAL REVIEW No. 86（2018）

例である．本例は，取付け誤差を極力小さくした理想

複列磁気リングは，回転軸に圧入等で固定するた的なアライメントではあるが，角度誤差±0.025°

め，省スペースで搭載可能であり，関節部の小型化にを実現している．

貢献する．また，複列磁気リングの採用により，従来

2）中空形状＝軽量・コンパクトのロータリエンコーダより取付けスペースを小さくす

中空かつ大口径であるため，ロボットの関節部などることができる．コンパクトであるため，回転軸の数に適用した場合，内径側に配線ケーブル等を通すことが多いロボットなどでは，設計自由度の向上に貢献すができる．よって，ロボットなどのコンパクト化や軽る．

量化などに貢献する．

3）耐環境性

図7に，複列磁気リングと磁気センサICをロボット

複列磁気リングは磁気式であるため，振動，高温，の関節部に適用した場合のイメージを示す．

塵埃，油ミスト等に対する耐環境性に優れており，光減速機の出力段に複列磁気リングを固定し，磁気ト学式エンコーダでは対応できない環境でも使用するこ

ラックに対向する位置に磁気センサICを実装したプリとができる．

ント基板を配置する．

0.15
0.1

角
度
誤
差

0.05
0

°

-0.05
-0.1
-0.15

0

60

120

180

240

300

360

回転角度（位置） °図6 複列磁気リングと専用磁気センサICを組み合わせた場合の角度精度測定結果
Angular accuracy measurement result when combining the Multi Track Magnetic Ring and dedicated magnetic sensor IC

複列磁気リング
モータ

減速機
プリント基板（磁気センサ IC）

図7 複列磁気リングのロボット関節への適用例
Application example of the Multi Track Magnetic Ring to robot joint-48-

*08_*15 18/10/19 9:35 ページ 5

高精度絶対角検出用複列磁気リングの開発

6. トルクセンサへの適用事例

7. 今後の展望開発した複列磁気リングは，前述のようなロボット

今回開発した複列磁気リングは，64／63極対のラ関節部の絶対角検出用途の他に，トルクセンサへの応

ジアル着磁タイプと，アキシアル着磁タイプの2種類用も想定している．

である．今後は，極対数が小さい32／31極対着磁の複列磁気リングを用いることで，18〜20bitの高分

小口径タイプの開発を進めている．

解能で角度の検出ができるため，トーションバーの両端

設計自由度の向上や，様々なロボットでの適用を視にそれぞれ複列磁気リングと磁気センサICを配置し，野に，更なる高分解能化，高精度化，軽量化，薄型化

各磁気センサICの出力角度差からトーションバーの捩など，市場の要求に応えることができるよう，引き続じれ量を算出することで，トルク検出が可能である．

き商品開発に取り組んでいく．

図8に，複列磁気リングを実際のロボットに搭載した例を紹介する．東京ロボティクス㈱様が開発した7

参考文献

軸のロボットアーム（TOROBO ARM）の各関節に

1）独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機
構，NEDOロボット白書(2014)．
2）小池，福島，澁谷，ロボット関節の絶対角検出に適用可能な高精度絶対角センサ，機械設計，第62巻第3号（2018）55．
3）伊藤，小池：回転センサ付軸受について，NTN
TECHNICAL REVIEW No. 69，（2001）108〜116．
4）小池，石川，伊藤，水谷，回転センサ付軸受の耐漏洩磁束性向上，NTN TECHNICAL REVIEW No.
71，（2003）74〜79．
5）伊藤，高橋，Pascal DEBIOLLES，Cyril
PETERSCHMITT，上野新太郎，原点信号出力タイ
プ高分解能回転センサ付軸受，NTN TECHNICALREVIEW No. 78，（2010）70〜76．
6）糸見，伊藤，建設機械向けセンサユニットの紹介，
NTN TECHNICAL REVIEW No. 76，（2008）
118〜125．
7）Pascal DESBIOLLES，Achim FRIZ，回転速度及び位置測定用高分解能センサ素子MPS40Sと複列磁気リングの開発，NTN TECHNICAL REVIEW
No. 75，（2007) 36〜41．
8）西川，高橋，Christophe DURET，高分解能回転セ
ンサ内蔵ハブベアリング，NTN TECHNICALREVIEW No. 81，（2013）52〜57．
9）iC-Haus GmbH，iC-MU off-axis nonius
encoder with integrated hall sensors

64/63極対着磁の複列磁気リングが搭載され，絶対角度とトルクの検出に利用されている．複列磁気リングの中空径が大きく設計自由度が高いことや角度精度がこの用途に適合していると考える．

図8 複列磁気リングの適用事例
Application example of the Multi Track Magnetic Ring
ロボットアーム（TOROBO ARM）
（写真ご提供：東京ロボティクス（株）様）

執筆者近影

小池

孝誌

商品開発研究所

福島靖之

商品開発研究所

澁谷勇介

商品開発研究所

-49-

伊藤

浩義

産業機械事業本部
ロボティクス・センシング技術部

*09_*09 18/10/19 9:36 ページ 1

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）[ 商品紹介 ]工作機械主軸用センサ内蔵軸受ユニットの開発
Development of Sensor Integrated Bearing Unit for Machine Tool Spindles

橋 爪 翔 平* Shohei HASHIZUME澁 谷 勇 介** Yusuke SHIBUYA

福 島 靖 之** Yasuyuki FUKUSHIMA
山 本 庸 平*** Yohei YAMAMOTO

近年の工作機械は，「高速，高剛性，高精度」に加え，信頼性向上のための状態監視機能やIoTへの対応が強く求められている．NTNは，外輪間座に温度，熱流，振動の各種センサを内蔵し，軸受軌道面の近傍での状態検出を可能とした「工作機械主軸用センサ内蔵軸受ユニット」を開発した．本稿では，開発したユニットの特長や構造，性能試験結果を紹介する．

Recently, machine tools are required not only high speed, high rigidity and super precision, but also condition
monitoring function and the "Connected Industries" related technology strongly for higher reliability. To realize theabove mentioned machine tools, NTN has developed the "Sensor Integrated Bearing Unit for Machine Tool Spindles"
to detect the various conditions like temperature, heat flux and vibration from the bearings. The unit has the various
sensors inside the outer spacer beside the bearings. This report introduces the features, mechanism andperformance of the unit.

1. はじめに工作機械は，自動車，航空機，医療，ITをはじめと旋盤主軸する各種産業のもの造りを支え，市場要求はますますマシニングセンタ主軸
軸受ユニット
実装部

多様化している．近年，NC装置の多機能化や状態監

軸受ユニット実装部

視機能の付与など，新たな機能やコンセプトを持つ工作機械が次々と開発されている．1）2）
特に近年の工作機械は，少子高齢化による人手不足を背景として，より高度な状態監視技術と制御技術，
IoTを活用した，さらなる無人化や省人化，生産性向上が求められている．このため，工作機械の主軸やそれを支える主軸用軸受の異常を早期に検知し，突然の予期せぬ損傷やそれに伴う生産停止，主軸交換などの損害を防ぐことが強く望まれている．
上記の課題を解決する機能商品として，「工作機械主軸用センサ内蔵軸受ユニット」を新たに開発した．
本ユニットは，外輪間座に各種センサを内蔵し，軸受
軌道面の近傍での状態検出を可能とし，図1に示す旋盤
図1 工作機械と主軸（左：旋盤、右：マシニングセンタ）
Machine tools and spindles(Left : Lathe, Right : Machining center)やマシニングセンタに適用することができる．本軸受ユニットの特長や構成，評価結果を以下に紹介する．

***産業機械事業本部***商品開発研究所***産業機械事業本部

適用技術部
製品設計部

-50-

*09_*09 18/10/19 9:36 ページ 2

工作機械主軸用センサ内蔵軸受ユニットの開発

2. 工作機械主軸用軸受の損傷形態と開発品の特長

3. センサ内蔵軸受ユニットの構造

工作機械主軸用軸受は，他の産業機械用軸受に比べ，本軸受ユニットの構造を図3に示す．アンギュラ玉

軽荷重で使用される．このため，材料の疲れによるフ軸受背面組合せ（DB）の間に組み込んだ外輪間座にレーキング 3）が生じることはほとんどなく，主に，3種類のセンサを内蔵している．以下に各センサにつ「（a）潤滑不良による面荒れ，ピーリング，焼損」や「（b）

いて説明する．

主軸と加工物の衝突による圧こん」が発生する（図2）．
外輪間座

センサ基板
（温度センサ，熱流センサ，振動センサ）（a）潤滑不良による面荒れ，ピーリング，焼損
写真は，アンギュラ玉軸受の焼損（内輪軌道面）
エアオイルの供給不足で焼損発生

図3 センサ内蔵軸受ユニットの構造
The sensor integrated bearing unit

【温度センサ】
主軸の回転や切削負荷により生じる軸受の発熱を検出する．運転中の軸受温度を測定する場合，センサの取付け易さから，ハウジング外周面の温度を測定するのが一般的だが，軸受とハウジング外周面の間には，冷却流路が存在するため，軸受温度を直接測定した場（b）主軸と加工物の衝突による圧こん合と比べ温度が低くなる．また，熱容量が大きいハウ

写真はアンギュラ玉軸受の内輪軌道面に発生したボールピッチ
で生じた圧こん（真円度測定結果，矢印で図示した部分）

ジングの温度を測定するため，軸受に急激な発熱が発生しても，温度上昇を検出するまでに時間を要する．

図2 工作機械主軸用軸受の損傷事例
Damage example of machine tool spindle bearing

そのため，軸受の急激な発熱を即時に把握することが困難であった．本軸受ユニットは，軸受に隣接する外今回開発した軸受ユニットは、軸受に隣接する外輪

輪間座の温度を測定するため，ハウジング外周面での間座に各種センサを内蔵している．これにより，一般測定に比べ，軸受の温度をより正確に測定できる．

的な主軸の外周面での計測に比べ早期の検出を可能と【熱流センサ】

した．また，さらに応答性を向上させるため，新たに主軸用軸受は，主軸の回転に伴い，内輪と外輪の間

熱流センサを採用した．
「（a）面荒れ，ピーリング，に温度差（以下，内外輪温度差）が発生する．これ焼損」は，温度センサ，熱流センサ，および振動セン

は，内輪と外輪の放熱性の違いが主な要因であり，放サによって検出可能であり，「（b）圧こん」は，振動

熱し難い内輪が外輪より高い温度を示す．内外輪温度センサで検出できるようにした（表1）．

差は軸受が高速回転するほど大きくなり，それに伴い，軸受内部の予圧荷重や転がり面の接触面圧が増加

表1 工作機械主軸軸受の主要な損傷形態と測定項目
Major damage mode of machine tool spindle bearingsand measurement items（a）潤滑不良による面荒れ，ピーリング，焼損の検知（b）主軸と加工物の衝突による圧こんの検知する．また，内外輪温度差は，潤滑不良やそれによる軸受内部の損傷，焼損が生じる際にも増加する．今回

温度

熱流

振動

採用した熱流センサは，通常の温度センサより微小な

○

○

○

変化を捉え，相対的に温度の高い内輪から外輪に向かう熱流束を測定し，内外輪温度差に起因する異常検知○に使用している．
-51-

*09_*09 18/10/19 9:36 ページ 3

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）④⑤【振動センサ】「（a）面荒れ，ピーリング，損傷」と「（b）圧こん」の両方の異常検知に用いる．一般的に運転中の軸⑥受振動を測定する場合，前述の温度センサと同様，設置のし易さから，ハウジングの外周面に振動計を取り付けて測定することが多い．しかし，運転中の軸受振

駆動
モータ

動をハウジングを介して測定するため，軸受に起因す⑦

る振動は減衰する．そのため，軸受異常が進行して，振動レベルが大きい状態でなければ検出は難しい．こ① ②③

れに対して，本軸受ユニットは，軸受に隣接する外輪
間座に振動センサを内蔵しており，異常の初期段階，
振動レベルの小さな状態でも，感度良く測定すること【センサ内蔵軸受ユニット】① 温度センサ② 熱流センサ③ 振動センサが可能である．

4. 性能評価試験【一般的な測定方法】④ ハウジング外周面の温度（熱電対）⑤ ハウジング外周面の振動⑥ 軸受外輪外径面の温度（熱電対）⑦ 軸受内輪内径面の温度（熱電対）

4. 1 試験条件、試験機構造工作機械主軸スピンドルを模した試験機を図4に示す．開発した軸受ユニットを組み込み，状態検出性能

図4 試験機の構造，測定項目，測定位置
Test spindles, measurement items and pointsを評価した，試験条件を表2に示す．試験軸受はセラ
ミックボール入り超高速アンギュラ玉軸受（HSEタ40イプ）を用いた．工作機械の主軸を想定し，軸受配列
は2列背面組合せ（DB）とした．また，本軸受ユニ

温度ットに内蔵したセンサに加え，比較検証用として，一℃30

般的な測定位置であるハウジング外周面にもセンサを

1.5

熱
流
束

設置した．合わせて，軸受外輪外径面の温度も測定した（図4）．

試験軸受

0.5

0〜16,000min-1

潤滑方式

エアオイル潤滑

給油量0.03mL/10min

潤滑油

-40

回
転 16000
速度 8000min -1

ISO VG32

潤滑エア流量30NL/min

外筒冷却あり，室温同調軸姿勢

横軸③振動センサ24000

定位置予圧 (組込み後予圧750N)

回転速度

-0.5

0

m/s 2

(セラミックボール入り超高速アンギュラ玉軸受)

予圧方式

0.0
40

振
動

φ70×φ110×20
5S-2LA-HSE014相当品②熱流センサ

1.0

kw/m 2表2 性能評価試験条件
Conditions of functional tests①温度センサ

20

0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

運転時間 h

図5

4. 2 試験結果

基本性能確認試験結果※1
Fundamental test result

また，本軸受ユニットと4.1項に記載の一般的な測性能評価試験（表2，図4）での軸受ユニットの各定方法を比較した．温度，振動の測定結果を図6，図種 セ ン サ 出 力 を 図5に 示 す ． 低 速 域 か ら 超 高 速 域

7に示す．軸受に隣接する外輪間座に内蔵した開発ユ（dmn値144万）まで，いずれのセンサも正常に動作

ニットの温度センサは，主軸のハウジング外周面でのすることを確認した．

計測よりも軸受外輪外径面の温度に近いことを確認し-52-

*09_*09 18/10/19 9:36 ページ 4

工作機械主軸用センサ内蔵軸受ユニットの開発

45

45①温度センサ40④ハウジング外周面

35⑥軸受外輪外径面

40
35

温

温 30
度

度

25

℃

①温度センサ④ハウジング外周面⑥軸受外輪外径面
回転速度

℃

30
25

20

20

16000 回

15

15

8000 速

10

0

10

図6

0

5000

10000

回転速度 min-1

15000

20000

温度測定結果（測定位置と温度の関係）※1
Temperature measurement result(measurement point comparison)

20

10

0

30

40

50

運転時間 min

60

70

80

③振動センサ⑥ハウジング外周面
回転速度

15
10

振

動2 0

動

m/s -5m/s -5502-1016000 回

-1016000 回

-15

8000

-15

8000

-20

0

図7

2

4

6

運転時間 h

8

10

0

転
速
度
min-1

-20

振動測定結果（測定位置と振動の関係）※1
Vibration measurement result(measurement point comparison)

0

10

20

30

40

50

運転時間 min

60

70

80

0

転
速
度
min-1

図9 加減速試験での振動測定結果（測定位置と振動の関係）※1
Vibration measurement result in the frequent cycle test
(measurement point comparison)

た．また，振動についても，ハウジング外周面での計45測より高い値を示すことを確認した．

40

さらに，回転速度を一定周期で変動させる加減速試

温度

験でも同様に比較した．温度，振動の測定結果を図℃8，図9に示す．加減速試験でも，外輪間座に内蔵し2.00⑥軸受外輪外径面②熱流センサ

1.50

熱
流
束
0.50
kw/m 2

35

1.00

30

0.00

45
25

た開発ユニットの温度センサは，主軸のハウジング外

-0.50

20

周面での計測よりも軸受外輪外径面の温度に近く，ま

内
外
輪
温
度
差

た，振動センサもハウジング外周面での計測より高い値を示すことを確認した．
加減速試験での熱流センサの出力を図10に示す．

℃

1.55

熱電対（⑦−⑥）②熱流センサ

15

1.05

熱
流
0.55 束kw/m 2

10
5

0.05

-0.45

0

熱流センサは回転速度の加減速や，それに伴って生じ

24000

回
転 16000
速度 8000min -1 0

る内外輪温度差の増減に対する応答性が良く，異常検知の精度を高めることができる．ここで内外輪温度差
は，軸受内輪内径面の温度と軸受外輪外径面の温度の
差である．

※1

20

20

5

振

10

度
min-1

図8 加減速試験での温度測定結果（測定位置と温度の関係）※1
Temperature measurement result in the frequent cycle test
(measurement point comparison)③振動センサ⑤ハウジング外周面
回転速度

15

転

0

10

20

30

運転時間 min4050

図10 加減速試験での測定結果（熱流束と回転速度，内外輪温度差，温度の関係）※1
Measurement result in the frequent cycle test (heat flux,
temperature and temperature deference between IR and OR)

各項目の測定位置は図4を参照のこと．

-53-

*09_*09 18/10/19 9:36 ページ 5

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

4. 3 軸受焼損再現試験

過負荷になると，リミッターが作動し，試験機を自動停止するよう設定した．

軸受が焼損する際の兆候検知を試みるため，軸受焼損の再現試験を実施した．試験条件を表3に示す．基

熱流束と温度，内外輪温度差，振動の関係を図11

本性能評価試験，加減速試験と同様，図4の試験機をに示す．モータ過負荷検出時の運転時間を図11に青破使用した．本試験では，主軸組立時にごく少量の潤滑線で示す．試験結果より，熱流束は，温度や内外輪温油を軸受に注入することで，試験軸受が焼損しやすい

度差，振動よりも早い段階で出力値の上昇が認められ状況にした．また，試験軸受の焼損に伴ってモータがており，焼損の兆候の早期検出に有効と考えられる．
なお，図11では，過負荷検出後に試験機が自動停止したにもかかわらず，振動値が増大したのは，軸受

表3 軸受焼損再現試験条件
Conditions of the bearing seizure test

焼損の状態で，モータおよび主軸が惰性回転したため

φ70×φ110×20
5S-2LA-HSE014相当品

試験軸受

である．

(セラミックボール入り超高速アンギュラ玉軸受)

4. 4 圧こん軸受試験

定位置予圧 (組込み後予圧750N)

予圧方式
回転速度

18,000min-1 一定

主軸と加工物の衝突によって生じる軌道面の圧こん

潤滑方式

主軸組立時に潤滑油を数滴注入（主軸運転中には給油しない）

に対し，振動センサを使用した異常検知を試みるた

外筒冷却あり，室温同調

め，軸受軌道面に擬似圧こんを形成し，運転試験を実

軸姿勢

横軸

施した．試験条件を表4に示す．基本性能評価試験，
加減速試験と同様，図4の試験機を使用した．また，

55①温度センサ④ハウジング外周面②熱流センサ

50

温
度
℃

内
外
輪
温
度
差
℃

m/s 2

今回軸受軌道面に形成した擬似圧こんを図12に示す．

4.0

試験軸受の1,800min-1時の軸受強制振動数の計算

40
35

1.0

30
50

0.0
4.0

熱電対（⑦ー⑥）②熱流センサ40

般的な測定方法での振動出力の周波数解析結果 4）を図13に示す．試験結果より，圧こん深さ60μmでは，軸受に隣接する外輪間座に内蔵した開発ユニットの振動センサと主軸のハウジング外周面での計測は，いずれも外輪の損傷に起因する周波数を検出した．

3.0

30

2.0

20

1.0

10
600

0.0
4.0

③振動センサ④ハウジング外周面②熱流センサ熱流
束kw/m 2

表4 圧こん軸受試験条件
Conditions of the running test of dent bearing

2.0

-300

1.0

-600
24000

0.0

φ70×φ110×20
5S-2LA-HSE014相当品

試験軸受(セラミックボール入り超高速アンギュラ玉軸受)

予圧方式

3.0

0

回 18000
転速 12000
度 6000min -10

結果を表5に示す．本軸受ユニットと4.1項記載の一

熱
流
束
2.0
kw/m 2
3.0

45

300

振
動

5.0

定位置予圧 (組込み後予圧750N)
1,800min-1

回転速度

熱
流
束
kw/m 2

擬似圧こん深さ

外輪軌道面1箇所
60μm (1.5mm×3.8mm)

形成した擬似圧こん

0

10

20

30

40

50

運転時間 s

図11 軸受焼損再現試験での測定結果（熱流束と回転速度，温度，内外輪温度差，振動の関係）※1
Measurement result in the seizure test
(heat flux, temperature and temperature deference
between IR and OR, vibration)

圧こん軸受の 3D イメージ

圧こん軸受の拡大写真

図12 軸受軌道面に形成した擬似圧こん
Dent on the bearing raceways-54-*09_*09 18/10/19 9:36 ページ 6

工作機械主軸用センサ内蔵軸受ユニットの開発

一方，市場で主軸と加工物の衝突によって軸受軌道

5. まとめ面に発生する圧こんは，数μmから数十μm程度であることが多いため，引き続き，圧こんの深さや大きさ

工作機械は，市場ニーズの多様化や社会構造の変化を変えて評価試験を実施する．

に伴い，状態監視機能のさらなる強化やIoTへの対応が強く求められている．このニーズに応えるため，今回新たに「工作機械主軸用センサ内蔵軸受ユニット」

表5 1,800min-1時の軸受強制振動数計算結果
Calculation result of bearing frequency in 1800min-1
1次

2次

3次

4次

5次

外輪に対する341
転動体通過数（Hz）

682

1023

1364

1705

を開発した．
一般的な主軸の外径面での計測に対し，高感度な特性検出を実現した．また，新たに熱流センサを採用
し，状態監視の応答性を高めた．
引き続き，さらなる性能向上と実用化に向けた改良を進める．加えて，荷重などその他の状態検出や，AI

4(m/s 2Rms) 2

技術を活用した状態監視機能の強化に取り組む予定で③振動センサ

3

342Hz

2

ある．

684Hz

1026Hz1

1368Hz

1710Hz参考文献

01）松森直樹・植田敬一：工作機械用精密軸受の技術動
向 NTN TECHNICAL REVIEW，No.84（2016）40．
2）植田敬一：工作機械用精密軸受の技術動向 ベアリ
ング＆モーション・テック 2016年9月号
No.002 33．
3）NTN カタログ 転がり軸受 総合カタログA-17．
4）橋爪啓介・竹内彰利・田中弓弦：状態監視システム（CMS）の取組みNTN TECHNICAL REVIEW，No.82（2014）74．

0.03⑤ハウジング外周面(m/sRms) 22

1710Hz0.02
1026Hz

0.01
0

342Hz
0

500

684Hz

1368Hz
1000

周波数

1500

2000

Hz

図13 圧こん軸受の周波数解析結果 ※1
Vibration frequency analysis of dent bearing

執筆者近影

橋爪

翔平

産業機械事業本部
適用技術部

福島

靖之

商品開発研究所

澁谷勇介

商品開発研究所

-55-

山本

庸平

産業機械事業本部
製品設計部

*10_*09 18/10/19 10:49 ページ 1

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）[ 商品紹介 ]高速・重切削工作機械主軸用アンギュラ玉軸受
Angular Contact Ball Bearings for High-Speed and Heavy-Cutting Machine Tools

竹 ヶ 鼻 仁* Jin TAKEGAHANA
神 野 晃 治** Kouji JINNO

古 山 峰 夫* Mineo KOYAMA
田 中 雄 也** Yuya TANAKA

工作機械の加工工程のさらなる集約や複合化など，新たなトレンドに応えるため，「高速・重切削工作機械主軸用アンギュラ玉軸受」を開発した．開発品は，従来品の高速アンギュラ玉軸受「HSEタイプ」をベースに内部設計を最適化し，高速性を維持しつつ，負荷容量と許容アキシアル荷重を約30％高めた．本稿
は，開発品の特長と評価結果を紹介する．

NTN has developed new angular contact ball bearings, well suitable for machine tool spindles especially taking
advanced multi-tasking which is the latest trend of the manufacturing field. The bearings perform 30% higher basic
load rating and higher allowable axial load through internal design optimization. Thus the bearings support the wellbalanced machine tools show high-speed and heavy-cutting capability. In this document, we introduce the design
points and test data.

主軸用軸受には，この衝突による衝撃荷重が負荷され1. はじめにるが，その荷重の大きさによっては，軸受の内輪や外輪の軌道面に圧こんが生じ，主軸の円滑，かつ高精度

近年，工作機械は各種産業の多様なニーズに応えるな回転が阻害される．圧こんの発生を防止・軽減すべため，さらなる性能向上が要求されている．
①「チタンなどの難削材加工や超硬切削の増加とそ

く，主軸用軸受には高い耐荷重性も求められている．

れに対応するための主軸のさらなる高剛性化」，②

これらのトレンドや要求に応えるため，NTNは高速「加工物を高効率に加工するための加工工程の集約，

アンギュラ玉軸受「HSEタイプ」をベースに高速回複合化」，③「複雑な形状を高精度に加工するための転や重切削に対応可能な主軸用軸受を開発した．
本稿では，開発品の特長と評価試験結果を紹介する．

5軸化」，④「加工物のサイズに合わせた工作機械の小型化」が代表的なトレンドであり，これに応えるため，
主軸の中低速回転域での重切削から高速回転域での仕上げ切削までを，1台の工作機械が担うワンチャック
全加工が求められている．その結果，工作機械主軸用②工作機械の工程集約や複合化③工作機械の5軸化

軸受は，トレードオフの関係にある高速性と高剛性をより高いレベルで両立する必要がある（図1）1）．

①難削材加工，超硬切削に対応するための主軸のさらなる高剛性化④工作機械の小型化

ワンチャック全加工
中低速回転域（重切削）から
高速回転域（仕上げ切削）まで
1 台で実施また，工作機械の重要課題である「生産性のさらなる向上」に向け，非切削時間をより短縮する取組みが進められており，主軸やテーブルの送り速度は高速化の傾向にある．加えて，加工物形状もより複雑化して高速性と高剛性をより高いレベルで両立する軸受が求められている

いる．以上を背景に，近年は主軸先端に取り付けた工
具と加工物が予期せぬ衝突をする事象が増えている．

**産業機械事業本部**産業機械事業本部

図1 工作機械，および主軸用軸受の技術動向1)
Technical trend of machine tools and spindle bearings

適用技術部
製品設計部

-56-

*10_*09 18/10/19 9:36 ページ 2

高速・重切削工作機械主軸用アンギュラ玉軸受

NTNでは，以下の項目のいずれかに至る荷重で定義し2. 開発背景ている2）．

NTNの工作機械主軸用高速アンギュラ玉軸受HSE● 転動体と軌道面との間に形成される接触楕円の端部

タイプは高速から超高速領域まで幅広く使用することが内輪，外輪いずれかの軌道面からはみ出し，肩にができ，長年，工作機械主軸用として数多く採用され達する（図4）● 軌道面の接触面圧が内輪，外輪いずれかで3,650ている．工作機械は，今後もさらに生産性を高めるた

MPa ※2 に達する

め，主軸回転速度の一層の高速化が進むことが予想される．このような中，HSEタイプは今後も採用が拡

圧こんの発生を防止・軽減するためには，許容アキ

大すると考えられる．

シアル荷重（静止時）を高め，衝突に対する耐性を強生産性向上に向けたもう一つのアプローチとして，化する必要がある．

加工工程の集約や複合化，重切削を積極的に取り入れる工作機械が近年増加傾向にある．この場合の主軸回転速度はdmn値 ※1120万前後であり，主軸用軸受には，高速性はもちろんのこと，高速性とトレードオフの関係にある剛性も求められる．したがい，図2に示すように，主軸用軸受は高速性と高剛性をより高いレベルで両立する必要がある．

衝撃荷重

工作機械のさらなる生産性向上に向けて
主軸，および主軸用軸受には
高速・重切削の両立が求められている．

高軌道面に圧こんが発生
工具と加工物との予期せぬ衝突

重切削

主
軸
剛
性

図3
複合加工機
マシニングセンタ

工作機械の現状の対応領域
低主軸先端に取り付けた工具と加工物との予期せぬ衝突，
およびそれに伴う軸受軌道面の圧こん発生のイメージ
Image of the unexpected collision between tool and workpiece, and the resulted dent on the bearing raceways
caused by the collision

旋盤

0

50

高速切削
研削盤
100

金型加工機
150

200

250

高

n 値）×104

主軸高速性（dm

図2 工作機械の主軸と主軸用軸受に対する新たなニーズ
New needs for main spindles and spindle bearingsof machine tools
Fa

また，工作機械の主軸，および主軸用軸受は，停止

2aH

H : 軸受の肩高さ
a : 接触楕円の長軸半径Fa : アキシアル荷重

中の工具交換時のアンクランプ荷重や主軸先端に取り付けた工具と加工物との予期せぬ衝突により，衝撃荷重

図4 転動体の肩乗上げ
Overflow of the contact ellipse from the raceway（大きなアキシアル荷重）が加わる場合がある（図3）．
衝撃荷重がその軸受の許容限度を超えると，軌道面に圧こんが生じ，主軸の円滑，かつ高精度な回転が阻害されるなどの不具合が発生する．この限界のアキシ
アル荷重を許容アキシアル荷重（静止時）といい，※1 dmn値は，軸受の回転性能を表す値である． dm（転動体中心径 mm）× n（回転速度 min-1）※2 接触面圧3,650MPaは，転動体径の0.00002〜0.00005倍の永久変形量を生ずる値である．

-57-

*10_*09 18/10/19 9:36 ページ 3

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

この荷重は，転動体の「進み遅れ」の大きさや転動

3. 開発品の特長

体に作用する荷重（以下，転動体荷重）の大きさによって変化する．今回の開発品は，前述のとおり，従来

3. 1【重切削への対応①】 負荷容量の向上
開 発 品 は ， 前 項 記 載 の HSEタ イ プ （ 以 下 ， 従 来

品より大径の転動体を使用しており，転動体荷重が大品）の持つ高速性を維持しつつ，重切削にも対応する

きくなりやすい．また，重切削の際は，比較的大きなため，転動体径を大きくするなど，内部設計の最適化

加工荷重が作用するため，保持器にも大きな荷重が作を図った．これにより，開発品は従来品と比べ，定格用する可能性がある．そこで，保持器の強度面の信頼荷重を約30％高め，負荷容量を向上させた（図6）．

性を高めるため，従来品よりも断面積が大きい強化型保持器とした（図7）．

開発品

従来品（HSE タイプ）

図5 従来品（HSEタイプ）と開発品
Conventional design and developed design

80
70
60

定
格 50
荷 40
重

基本動定格荷重
従来品

断面積
2倍以上

従来品

基本静定格荷重

開発品（強化型）

図7 保持器の断面の比較
Cross section of cage
（Comparison of conventional design and developed design）

開発品

約 30％向上
約 30％向上30kN 20

3. 3 許容アキシアル荷重（静止時）の向上

10
0

φ70

φ100

φ120

φ70

φ100

開発品は内部設計の最適化により，従来品と比べ，φ120許容アキシアル荷重（静止時）を約30％高めている

軸受内径 mm（図8）．これにより，衝撃荷重が作用した際，軸受軌

図6 従来品と開発品の定格荷重（セラミックボール，接触角20°）
Basic load rating of conventional design and developed design（ceramic balls, contact angle 20˚）

道面の圧こんの発生を防止，軽減することができる．

許
容
ア
キ
シ
ア
ル
荷
重
︵
静
止
時
︶

3. 2【重切削への対応②】 保持器強度の向上
転がり軸受の転動体は，その軸受の持つ形状精度，
軸やハウジングへの取付精度，外部荷重などにより，微小な速度相互差，いわゆる「進み遅れ」を生じながら公転する．このうち，公転速度が相対的に速い転動
体は，保持器ポケットの前方面（進行方向側）に寄kNる．また，公転速度が相対的に遅い転動体は，保持器

90
80

従来品
従来品

70

開発品
開発品

約約30％向上
30％向上

60
50
40
30
20
10
0

φ70

φ100

φ120

軸受内径 mm

ポケットの後方面（進行方向と逆側）に寄る．その結図8 静止時の許容アキシアル荷重（セラミックボール，接触角20°）
Static allowable axial load（ceramic balls, contact angle 20°）

果，転動体は保持器ポケットと接触し，保持器に荷重が作用する．
-58-

*10_*09 18/10/19 9:36 ページ 4

高速・重切削工作機械主軸用アンギュラ玉軸受

4. 2 試験結果

4. 開発品の評価試験

試験結果を図10，図11に示す．開発品は負荷容量を高めつつ，従来品と同等の温度上昇を示しており，

4. 1 試験条件

図2で示したdmn値 120万前後の領域を超え，dmn値

開発品の高速運転試験を実施した．試験機の構造を162万（18,000min-1）まで運転可能であることを

図9，試験条件を表1に示す．

確認した（図10）．また，C列以外の軸受も安定した温本試験は，マシニングセンタの主軸で多く採用され度上昇を示すことを確認した（図11）．

る内輪内径70mmの軸受を用いた．重切削など，高剛性が求められる主軸を想定し，4列背面組合せ（DTBT）の定位置予圧とし，軸受の主軸組込み後の20

予圧は，従来品の中予圧を上回る1,400Nに設定した．また，開発品の保持器は図7の強化型とし，材質
はフェノール樹脂を用いた．

試験軸受 4 列背面組合せ（DTBT）
外筒冷却 IN

A列 B列

C
列
軸
受
の
外
輪
温
度
上
昇

18

℃

2

16
14
12
10
6
4
0

0

5,000

0

0.5

10,000回転速度 min-1

15,0001.0

20,0001.5

dmn 値 ×106

1.8

図10 高速運転試験結果 （C列軸受）
High-speed running test result (C-row bearing)

外筒冷却 OUT20

図9 高速運転試験機
High-speed running test spindle

外 15
輪
温
度 10
上
昇

表1 試験条件
Test conditions
試験軸受

開発品は負荷容量を高めつつ，従来品と同等の温度上昇を達成している．

8

モータ

C列 D列

高速・重切削領域（dmn 値90〜150万）

従来品
開発品

φ70×φ110×20×4列 (DTBT)
5S-2LA-HSE014相当品℃

A列 B列 C列 D列

A列 B列 C列 D列

従来品

開発品

5

（セラミックボール，接触角20°）

保持器仕様

従来品

開発品

予圧方式

定位置予圧

組込み後予圧

1,400N

回転速度

0〜18,000min-1

潤滑方式

エアオイル潤滑

給油量0.03mL/8min

エア量

0フェノール樹脂保持器

図11 15,000min-1時の軸受外輪の温度上昇
Outer ring temperature rise in spindle rotation speed
15,000min-1

4. 3 許容アキシアル荷重（運転時）35NL/min

前述の試験で得られた温度データを基に，dmn値

潤滑油

ISO VG32

外筒冷却あり

120万前後の領域でそれぞれの軸受の許容アキシア

軸姿勢

横軸

ル荷重（運転時）を計算した．その結果，dmn値 117
万（13,000min-1）では，従来品がFa=6.8kNであるのに対し，開発品はFa=9.8kNであり，主軸に負荷できる外部荷重を約30％高めることを確認した．また，dmn値 135万（15,000min-1）でも同様の結果であった（図12）．
-59-

*10_*09 18/10/19 9:36 ページ 5

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）（18,000min-1）まで運転可能であることを確認し

14

従来品

許
容 12
ア
キ 10
シ
ア
ル 8
荷
重 6
︵
運 4
転
時
︶ 2

kN

開発品

た（図13）．加えて，C列以外の軸受も安定した温度上昇を示すことを確認した（図14）．また，本試

約 30％向上験では，一般的なポリアミド樹脂（以下，PA）の保持器を組み込んだ従来品も評価した．その結果，dmn
値 135万（15,000min-1）で温度上昇が不安定となり，高速・重切削領域（dmn値 90～150万）に対応することはできなかった．開発品については，高融点

013,000min-1(dmn値 117万)

PA製保持器の採用も検討の上，量産化を図る．

15,000min-1(dmn値 135万)

図12 運転時の許容アキシアル荷重（セラミックボール，接触角20°）
Dynamic allowable axial load（ceramic balls, contact angle 20˚）

表3 試験条件
Test conditions
φ70×φ110×20×4列 (DTBT)
5S-2LA-HSE014相当品

試験軸受（セラミックボール，接触角20°）5. 射出成形樹脂保持器の適用

従来品
保持器仕様

5. 1 樹脂保持器の材料

開発品

PF保持器
PA保持器

高融点PA保持器

前項では，開発品が内部設計の最適化により，従来品と同等の温度上昇を示すことを確認した．この試験では，保持器にフェノール樹脂（以下，PF）を用い

C
列
軸
受
の
外
輪
温
度
上
昇

た．フェノール樹脂は熱硬化性であることから，軸受の高速回転に伴う昇温への耐性が高いという長所を持
つ．一方，切削加工で製作するため，生産性やコスト面に配慮する必要がある．本項では，生産性やコスト面で有利な射出成形保持器の採用も検討する．
射出成形保持器の高速化に関しては，表2に示す高℃

融点ポリアミド樹脂（以下，高融点PA）を用いた研

20
16

材

料

フェノール
（PF）

分

類

熱硬化性

融

5.2

熱可塑性

10
8
6
4

切削加工

15,000min-1で
温度不安定

2
0

0

5,000

0

0.5

10,000回転速度 min-1
1.0

dmn 値 ×106

15,00020,000

1.5

1.8

20

58˚C

158˚C

点

（高融点 PA 保持器）

12

図13 高速運転試験結果（C列軸受）
High-speed running test result (C-row bearing)

ポリアミド
（PA）

158˚C

ガラス転移温度
生産方法

高融点
ポリアミド
（高融点PA）

開発品

14

究が行われている 3）．
表2 樹脂保持器材料の特性
Characteristics of resin cage material

従来品（PF 保持器） 高速・重切削領域（dmn 値90〜150万）
従来品（PA 保持器）

18

260˚C
射出成形

評価試験

高融点PAで図7の強化型保持器を製作し，表3の条件の下，開発品の高速運転試験を実施した．試験条
件は，保持器仕様が異なる以外は表1の条件と同じで

外
輪
温
度
上
昇

15

℃

5

試験の結果，高融点PA製保持器を組み込んだ開発

A列 B列C列 D列

A列 B列C列 D列

10

0

ある．

A列 B列C列 D列

温度は低いものの
不安定

従来品
(PF)

従来品
(PA)

開発品
（高融点PA）

図14 15,000min-1時の軸受外輪の温度上昇
Outer ring temperature rise in spindle rotation speed
15000min-1

品も従来品と同等の温度上昇を示しており，図2で示したdmn値 120万前後の領域に加え，dmn値 162万-60-

*10_*09 18/10/19 9:36 ページ 6

高速・重切削工作機械主軸用アンギュラ玉軸受

6. まとめ工作機械の加工工程のさらなる集約や複合化など，
新たなトレンドに応えるため，「高速・重切削工作機
械主軸用アンギュラ玉軸受」を開発した．開発品は，従来品の高速アンギュラ玉軸受「HSEタイプ」をベースに内部設計を最適化し，高速性を維持しつつ，負荷容量と許容アキシアル荷重を約30％高めた．また，開発品には，生産性やコスト面で有利な高融点ポ
リアミド樹脂（高融点PA）の採用を検討し，今後はグリース潤滑での性能評価も実施する．
工作機械のさらなる高機能化を支えるため，今後も軸受の性能向上に取り組む．

参考文献
1）松森直樹，植田敬一：工作機械用精密軸受の技術動向，NTN TECHNICAL REVIEW，No.84，（2016）
40.
2）NTNカタログ 精密転がり軸受，CAT. No. 2260Ⅶ/J, 16.11.03 21.
3）徳田篤史，林工：アンギュラ玉軸受の高速化に対する樹脂保持器の耐熱性の影響，トライボロジー学会
トライボロジー会議2017秋 高松.

執筆者近影

竹ヶ鼻

仁

産業機械事業本部
適用技術部

古山

峰夫

産業機械事業本部
適用技術部

神野 晃治

田中 雄也

産業機械事業本部
製品設計部

産業機械事業本部
製品設計部

-61-

*11_*09 18/10/19 9:39 ページ 1

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）[ 商品紹介]工作機械主軸用空冷間座付グリース潤滑軸受
Machine Tool Main Spindle Bearings with Air Cooling Spacer for Grease Lubrication

那 須 惠 介* Keisuke NASU
田 中 雄 也** Yuya TANAKA

岡 本 直 也** Naoya OKAMOTO
小 畑 智 彦*** Tomohiko OBATA

近年の工作機械は，加工内容や加工物が多様化し，これに伴い，主軸や主軸用軸受は，トレードオフの関係にある高速性と剛性をより高いレベルで実現する必要がある．また，設備の簡素化や環境負荷低減の観点から，グリース潤滑を用いた主軸用軸受も増えている．
これらの市場要求に対し，NTNは独自の空冷技術を用いた「工作機械主軸用空冷間座付軸受」のグリース潤滑への適用を試みた．

Recently, machine tools are required multitasking for various processes and works. Though high speed and highrigidity of spindle bearings are trade-off relationship each others, they are demanded to achieve higher level
performance coinstantaneously. And the application of grease lubricated spindle bearings has been increasing in thelast years because of the strongly trend of the simplification of devices and systems and environmental concerning.
NTN has been developing the application of the air cooling spacer to the grease-lubricated spindle bearings to meet
the above mentioned two requirements.

「工作機械主軸用空冷間座付軸受」は，NTNが開発

1. はじめにした独自の空冷技術であり，これまでエアオイル潤滑で実用化している．

工作機械主軸の必要特性は，加工内容や加工物で異なり 1），難削材や複雑な形状の部品加工では高剛性

本稿では，「工作機械主軸用空冷間座付軸受」をグと高精度が要求される．一方，機械部品の金型や医療

リース潤滑に適用した場合の冷却効果を主とした機能分野で使用される部品を加工する場合，高速かつ高精評価と実用化に向けた取組みを紹介する．

度の回転が求められる．このため，近年は1台で複数の加工機能を持つ5軸加工機や複合加工機の需要が増

2. エアオイル潤滑空冷間座の構造と冷却メカニズム

え，主軸や主軸用軸受には，より高いレベルでの高速と高剛性の両立と低発熱が要求されている 2）．
また，設備の簡素化や環境負荷低減のため，グリー「工作機械主軸用空冷間座付軸受」の基本構造と冷ス潤滑を用いた主軸用軸受の要求が増えている．グリ却メカニズムについて，前述のエアオイル潤滑での実ース潤滑の場合，発熱はグリースの劣化を早め，潤滑用例を基に説明する．

寿命に大きな影響を及ぼす 3）．したがい，軸受の回アンギュラ玉軸受背面組合せの間に組み込んだ外輪

転中の発熱を低減することが重要となる．この課題に間座に空冷ノズルを設けている（図1）．このノズル

対し，高速・耐熱性に優れたグリースの適用や軸受は，軸芯よりオフセットした位置にあり，ノズルから

内部設計の最適化など，種々の取組みが図られてい噴射する常温の空冷エアが内輪回転方向に旋回し，内るが 4），今回，新たなアプローチとして，「工作機

輪間座と外輪間座の間，および軸受内を通過する．そ械主軸用空冷間座付軸受」1）をグリース潤滑に適用すの際，空冷エアは，内輪間座の表面から熱を持ち去ることを試みた．

り，内輪間座を冷却する．

***産業機械事業本部***産業機械事業本部***先端技術研究所

適用技術部
製品設計部

-62-

*11_*09 18/10/19 9:39 ページ 2

工作機械主軸用空冷間座付グリース潤滑軸受

図2の流体解析結果が示すように，空冷エアを内輪輪の方が高温になるため，熱膨張差により予圧が増大

間座へ垂直に噴射すると（左図），空冷エアがすぐにする．本冷却技術では，内輪を冷却することで，軸受軸方向へ拡散してしまい，ほとんど冷却に寄与しな

内輪と軸受外輪の温度差（以下，内外輪温度差）を小い．これに対し，空冷ノズルをオフセットした場合

さくすることができる．これにより，予圧や軌道面の（右図），空冷エアが内輪間座の表面付近に滞留する

接触面圧の増大を抑えることができ，高速性と剛性を時間が長く，内輪間座の表面の熱を持ち去る時間が長より高いレベルで両立することが可能となる．工作機

くなる分，内輪間座の冷却効果も高まる．

械主軸用空冷間座付軸受の試験結果の一例 1） を表
1，および図3に示す．

内輪間座が冷却されることで，隣接する軸受の内輪も冷却される．通常，軸受が回転する際，外輪より内

空冷ノズル

空冷間座
（外輪間座）

空冷間座付軸受

空冷ノズル

オフセット

空冷間座
（外輪間座）

空冷エア（入口）

内輪間座

環境対応型
エアオイル潤滑ノズル
内輪間座

内輪回転方向空冷エア（出口）

空冷エア（出口）矢視

AA

図1 工作機械主軸用空冷間座付軸受の構造（エアオイル潤滑）1）
Machine tool main spindle bearings with air cooling spacer (for air oil lubrication)
空冷ノズル

空冷ノズル

オフセット

外輪間座内径表面

内輪間座外径表面

空冷ノズル

内輪回転方向内輪回転方向

空冷ノズル
空冷ノズル

空冷ノズル
遅

流速

速

遅

流速

速

空冷ノズルをオフセットしない場合

空冷ノズルをオフセットした場合

空冷エアは，空冷ノズルから噴射された直後に内輪間座と垂直に衝突し，軸方向に拡散する．そのため，内輪間座の表面に留まる時間は短く，十分な冷却効果が得られない．

空冷ノズルが軸芯よりオフセットした位置にあることで，内輪回転方向に空冷エアが旋回し，内輪間座の表面に長く留まる．その分，空冷エアが内輪間座の表面から熱を多く持ち去り，内輪間座，および内輪の冷却効果が高まる．

図2

内輪間座と外輪間座の間の空間における空冷エアの流れ（流体解析結果）1）
Cooling air flow between inner and outer spacers (Fluid analysis results)-63-*11_*09 18/10/19 9:39 ページ 3

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

図3の試験結果より，空冷間座付エアオイル潤滑軸

表1

工作機械主軸用空冷間座付軸受 高速運転試験条件（エアオイル潤滑）1）
Test conditions for high speed running test of the machine tool
main spindle bearings with air cooling spacer (air oil lubrication)

受は，低速回転から高速回転まで空冷エアによる冷却効果を確認するとともに，空冷エアの供給量が多いほ

φ70×φ110×20
5S-2LA-HSL014相当品

試験軸受

ど冷却効果が高いことを確認した．

(セラミックボール入り環境対応型
エアオイル潤滑アンギュラ玉軸受)

3. グリース潤滑空冷間座の構造

定位置予圧 (組込み後予圧 0N)

予圧方式
回転速度

0〜23,000min-1

潤滑方式

エアオイル潤滑

次に，工作機械主軸用空冷間座付軸受をグリース潤

給油量0.03mL/10min

滑に適用した場合の構造を図4に示す．グリース潤滑

ISO VG32

潤滑油

シール付アンギュラ玉軸受を背面組合せで用い，その潤滑エア流量30NL/min

外筒冷却あり，室温同調 (21±1℃)

軸姿勢

横軸

4. グリース潤滑空冷間座の冷却効果

30

内
外
輪
温
度
差
℃

間に組み込んだ外輪間座に空冷ノズルを設けている．

空冷エア なし

25

空冷エア 100NL/min

20

空冷エア 300NL/min

工作機械主軸用空冷間座付軸受をグリース潤滑に適空冷エア 200NL/min

用した場合の冷却効果の確認のため，高速運転試験を実施した．試験条件を表2，試験機構造を図5に示す．
本試験では，空冷エアの供給量は実用面を考慮し，

15

150NL/minを上限とした．なお，ノズルのオフセッ

10

ト量は，これまでの試験結果を基に内輪間座外径部半

5径の80％とした 5）．

0-5高速運転試験の結果を図6に示す．最高回転速度
0

5,000

10,00015,000

回転速度

min-1

20,00020,000min-1時 （ dmn値 180万 ） の 内 外 輪 温 度 差

25,000は，空冷エアを供給しない場合に比べ，空冷エアの供
給 量 150NL/minで 約 2.5℃低 下 す る こ と を 確 認 し

図3

工作機械主軸用空冷間座付軸受 高速運転試験結果（エアオイル潤滑）1）
Result of high speed running test of the machine tool main
spindle bearings with air cooling spacer (air oil lubrication)

空冷ノズル
空冷間座付軸受

空冷間座（外輪間座）

た．この内外輪温度差の低下により，20,000min-1
時における軸受軌道面の最大接触面圧を約10％低減

空冷ノズル

オフセット

空冷間座
（外輪間座）

空冷エア（入口）

内輪間座

内輪間座

内輪回転方向空冷エア（出口）

空冷エア（出口）矢視

AA

図4 工作機械主軸用空冷間座付軸受の構造（グリース潤滑）
Machine tool main spindle bearings with air cooling spacer (for grease lubrication)-64-

*11_*09 18/10/19 9:39 ページ 4

工作機械主軸用空冷間座付グリース潤滑軸受できる．これにより，以下の効果を得ることができ

14

る．①空冷エアを供給しない場合の18,000min-1時

空冷エアなし12の温度と，空冷エアを150NL/min 供給した場合の20,000min-1時の温度が同等となり，約10%の高できる（図7）．また，潤滑の耐久性の向上も期待でき

内
外
輪
温
度
差

る．この点についても引き続き検証を進める．

℃

速化が可能となる．②軸受の主軸組込み後の予圧を高め，主軸アキシアル剛性を約10%向上させることが空冷エア 150NL/min

10
8
6
4
2
0

表2

工作機械主軸用空冷間座付軸受 高速運転試験条件（グリース潤滑）
Test conditions for high speed running test of the machine tool
main spindle bearings with air cooling spacer (grease lubrication)

試験軸受

回転速度

0〜20,000min-1

潤滑方式

グリース潤滑SE-1

外筒冷却あり，室温同調 (21±1℃)

軸姿勢

横軸

15,00020,000min-1

工作機械主軸用空冷間座付軸受 高速運転試験結果（グリース潤滑）
Result of high speed running test of the machine tool main
spindle bearings with air cooling spacer (grease lubrication)

50

グリース

10,000図6(セラミックボール入りグリース潤滑
シール付高速アンギュラ玉軸受)

定位置予圧 (組込み後予圧40N)

5,000

回転速度

φ70×φ110×20
5S-2LA-BNS014LLB相当品

予圧方式

0

Fa =1.0kNでアキシアル剛性約10％向上

40

軸
方
向
変
位
量

30
20

µm
空冷エア（入口）

空冷間座付軸受

10
0
0.0

間座排気孔

空冷エア 150NL/min
0.2

0.4

0.6

アキシアル荷重

駆動
モータ

空冷エア（出口）

空冷エアなし

0.8

1.0

kN

図7

空冷エアの供給量とアキシアル剛性の関係（グリース潤滑空冷間座）
Relation between cooling air amount andaxial rigidity (grease lubricated air cooling spacer)

空冷エア（出口）

図5 試験機構造図（グリース潤滑空冷間座）
Structure of test spindle (grease lubricated air cooling spacer)

5. グリース潤滑空冷間座の実用化への課題
前項の結果より，工作機械主軸用空冷間座付軸受
は，グリース潤滑に対しても，冷却効果を示すことを確認した．一方，高速運転試験後の軸受を観察すると，図8に示すように，空冷エアを供給した軸受は，シールすきま部にグリースが付着しており，軸受幅面から若干のグリースの漏洩が認められた．
軸受の潤滑耐久性を高めるためには，軸受内部により多くのグリースを保持することが望ましく，軸受幅
面からのグリースの漏洩を最小限に抑える必要があ-65-

*11_*09 18/10/19 9:39 ページ 5

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

外輪

これらの仕様変更を盛り込んだ改良間座を図10

外輪（a）に示す．改良間座は，標準間座より内輪に対するエアの付着時間と付着量が増えるため，冷却効率の向上も期待できる．図10（b）の解析結果に示すよう

内輪

内輪

空冷エアの供給なし

空冷エアを 150NL/min 供給した
試験後軸受に，内輪の接線方向へ円滑な空冷エアの流れが発生しており，軸受側への流入の低減を確認した．
表4に標準間座と改良間座における軸受内部と排気( 軸受幅面から観察した状態 )外輪孔に流れた空冷エアの割合と熱伝達量比を示す．標準間座では，供給したエアの50%以上が軸受内を通過

外輪するのに対し，改良間座では約10%まで低減している．また，熱伝達量も50％向上している．グリース
潤滑では改良間座を用いることで，グリース漏洩を防
内輪

内輪

空冷エアの供給なし

空冷エアを 150NL/min 供給した
試験後軸受止しつつ，冷却効率の向上が期待できる．

グリースが排出されている

表3 流体解析条件
Fluid analysis conditions( シールを外し軸受幅面から観察した状態 )図8高速運転試験後の軸受内部のグリース状況
Grease status inside the bearing
after the high speed running test

内輪回転速度

19,100min-1

エア圧力0.2MPa（エア供給量150NL/min相当）

温る．グリース漏洩の原因として，空冷エアの軸受内部

内輪 50℃，その他 27℃

度

空冷間座（外輪間座）

への流入が考えられ，できる限り軸受内部に流入しな

軸方向へ拡散しているいよう，つまり，空冷間座に設けた排気孔から排出されるよう間座形状の変更を検討した．
表3に示す流体解析条件で，空冷エアの流れをシミュレーションした．
図9（a）は，図5で評価した標準間座形状の拡大図

内輪間座である．図9（b）に解析結果を示す．標準間座のノズ

図9（a）標準間座形状Standard designed spacer
shape

ルに空冷エアを供給すると，空冷エアは内輪間座に衝突したのち，周方向の流速を保ちつつ，流速が大きい
状態で軸方向へも拡散する．噴射された空冷エアの一

図9（b）標準間座での空冷
エアの流れ
Cooling air flow ofStandard designed spacer(Fluid analysis results)

部は，外輪間座に設けた排気孔に到達するが，一部は軸受内に流入する．軸受内に流入したエアの影響によ

内輪の接線方向へ
流れている

空冷間座
（外輪間座）

り，グリースが排出されたと推察する．

内輪間座
2分割

空冷エアは，ノズルと内輪間座のすきまを大きくすることで軸方向への流れを抑制できる．ノズルの開口部に十分な空間を設けることで，エアは噴射された方すきま拡大向，すなわち内輪の接線方向の流速を維持しつつ，内輪に付着して流れることができる．
また，内輪間座の両端面部に傾斜の大きいスロープ

スロープを設け，エアを軸方向に流さず，排気孔に導くこと

図10（a）改良間座形状
Development designed
spacerで，軸受内への流入を抑制できる．なお，スロープを設けたことにより，内輪間座を2分割にし，組立性に支障のない仕様としている．
-66-

図10（b）改良間座での空冷エアの流れ
Cooling air flow ofdevelopment designed spacer(Fluid analysis results)

*11_*09 18/10/19 9:39 ページ 6

工作機械主軸用空冷間座付グリース潤滑軸受

参考文献

工作機械主軸の構造は多様にあり，駆動方式や排気

1）那須惠介・岡本直也・吉野真人：工作機械主軸用空
冷間座付軸受，NTN TECHNICAL REVIEW，No.84，（2016）52．
2）松森直樹・植田敬一：工作機械用精密軸受の技術動向，NTN TECHNICAL REVIEW，No.84，（2016）40．
3）川村隆之：高速軸受用グリースの潤滑機構の研究，
NTN TECHNICAL REVIEW，No.76，（2008）
39 機械設計，第60巻 第1号，（2016年1月号）
28．
4）NTNカタログ 精密転がり軸受，CAT. No. 2260Ⅶ/J，16.11.03 82.
5）恩田裕士・深田貴久夫・山本庸平・吉野真人：工作
機械主軸用空冷間座付軸受，NTNTECHNICALREVIEW，No.82，（2014）38．

により，空冷エアの流れは変化する．そのため，本改
良間座を試作評価し，引き続き優位性を検証する．

表4

標準間座と改良間座の流体解析結果
Fluid analysis results ofstandard spacer and development spacer

空冷エアの 排気孔
流量
軸受内部

標準間座

改良間座

41%
59%

87%
13%

1

熱伝達量比

1.5

6. まとめ工作機械のさらなる高機能化や環境負荷低減に向け，今後もグリース潤滑を用いた主軸用軸受のニーズの拡大が予想される．新たなアプローチとして，NTN
独自の空冷技術を用いた「工作機械主軸用空冷間座付軸受」をグリース潤滑に適用することを試み，その効果を確認した．引き続き，さらなる性能向上への取組みを図るとともに，グリース保持性の確保など，実用化に向けた改良を進める．

執筆者近影

那須

惠介

産業機械事業本部
適用技術部

岡本

直也

産業機械事業本部
製品設計部

田中

雄也

産業機械事業本部
製品設計部

-67-

小畑

智彦

先端技術研究所

*12_*09 18/10/19 10:46 ページ 1

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）[ 商品紹介 ]ULTAGE精密標準アンギュラ玉軸受72Uシリーズ
ULTAGE Precision Standard Angular Contact Ball Bearing, 72U Series

北 野 誉 幸* Takayuki KITANO
山 本 庸 平* Youhei YAMAMOTO

工作機械を中心とした産業機械の生産性向上や消費エネルギーの削減に応えるた
め，ULTAGE精密標準アンギュラ玉軸受に新しく72Uシリーズを追加した．本軸受には，新形状のフェノール樹脂保持器を採用している．
本稿では，耐荷重性，高速性および潤滑性を高め，一新した「ULTAGE精密標準
アンギュラ玉軸受72Uシリーズ」の特長と評価試験結果について紹介する．

NTN has developed the new ULTAGE precision standard angular contact ball bearing, the 72U series for
productivity improvement and energy reducing consumption of industrial machinery with a focus on machine tool. The
newly developed bearing has adopted the new phenol resin cage. We introduce the design points and results of theabove mentioned tests of the “NTN’s ULTAGE precision standard angular contact ball bearing 72U series” that havecreated a new epoch in the areas of load resistance, high-speed and lubrication performance in this paper.

る 2）．これらの実績と市場動向を踏まえ，今般新たに

１. はじめに寸法系列「72」のアンギュラ玉軸受についても高機能仕様の72Uシリーズを開発した．

近年，工作機械をはじめとする産業分野では，少子高齢化による労働人口の減少や環境問題などの社会的課題を背景に，さらなる生産性向上や消費エネルギー

2. 開発品の特長の削減が求められており，これらに応えるため一層の精密標準アンギュラ玉軸受は，小径の転動体を採用

高出力化や高効率化が要求されている．
軸受は，産業機械を構成する基幹部品の1つであした高速仕様のアンギュラ玉軸受 3）に比べ，負荷容

り，「産業のコメ」とも言われる．機械の回転部に数量や剛性が優れる反面，その適用範囲には速度面で制多く使用されており，機械の発熱，効率，出力などに約があった．
今般，適用範囲の拡大を目的に，70U/79Uシリ大きな影響を及ぼすことから，機械の性能向上を実現

ーズよりも負荷容量が大きく剛性に優れる72系列のするためには軸受の性能向上が鍵となる．

内部設計を見直し，相反関係にある剛性と高速性を両

アンギュラ玉軸受は，代表的な玉軸受である深溝玉立しつつ，負荷容量をさらに高めた．

軸受に比べ，負荷容量や剛性が高く，また高速回転にも適していることから，幅広い産業分野で多くの機械

2. 1 耐荷重性に用いられている．
当社は工作機械の主軸用軸受に多用される寸法系新開発した72Uシリーズでは，内部設計の見直し

列「70」と「79」のアンギュラ玉軸受の性能を高め，により，従来品を上回る基本動定格荷重：約1.1倍，高機能商品群「ULTAGE」（アルテージ）※1 の１つ

基本静定格荷重：約1.2倍となり，基本定格寿命は従として，70U/79Uシリーズをすでに市場展開してい来比約1.3倍を達成した（図1，図2）．

*産業機械事業本部

製品設計部※1 ULTAGE（アルテージ）とは，究極を意味する【ULTIMATE】とあらゆる場面での活躍を意味する【STAGE】を組み合わせた造語で，精密軸受の究極を求めるNTNの考えを表現している1）．

-68-

*12_*09 18/10/19 9:40 ページ 2

ULTAGE精密標準アンギュラ玉軸受72Uシリーズ

また，工作機械の主軸および主軸用軸受には，停止● 軌道面の接触面圧が内輪，外輪いずれかで3,650

MPa ※2 に達する．

中の工具交換時のアンクランプ荷重や主軸先端に取り付けた工具と加工物との予期せぬ衝突により，衝撃荷※2 接触面圧3,650MPaは，転動体径の0.00002〜0.00005
倍の永久変形量を生ずる値である．

重（大きなアキシアル荷重）が加わる場合がある．
衝撃荷重がその軸受の許容限度を超えると，軌道面に圧こんが生じ，主軸の円滑，かつ高精度な回転が阻害されるなどの不具合が発生する．この限界のアキシ
アル荷重を許容アキシアル荷重（静止時）といい，

NTNでは，以下の項目のいずれかに至る荷重で定義しFaている 4）．

2aH

H : 軸受の肩高さ
a : 接触楕円の長軸半径Fa : アキシアル荷重● 転動体と軌道面との間に形成される接触楕円の端部が内輪，外輪いずれかの軌道面からはみ出し，肩に

図3 転動体の肩乗上げ
Overflow of the contact ellipse from the raceway

達する（図3）．

200

50
基
本
動
定
格
荷
重

40

倍

基 150
本
動
定
格 100
荷
重

30
20

kN 10
0

基
本
静
定
格
荷
重

1.1

0

開発品

従来品

倍

kN 50

47kN

43kN

1.1

149kN

165kN

従来品

開発品

【開発品】7210UC【従来品】7210C
軸受品名
φ50mm ×φ90mm ×20mm
接触角15˚，鋼球仕様【開発品】7220UC【従来品】7220C
軸受品名
φ100mm ×φ180mm ×34mm
接触角15˚，鋼球仕様

図1（a）基本動定格荷重比較（7210C）
Basic dynamic load rating (7210C)

図1（b）基本動定格荷重比較（7220C）
Basic dynamic load rating (7220C)

50

200

40

基 150
本
静
定
格 100
荷
重
50
kN

倍
1.2

30
20

kN 10
0

31kN

37kN

従来品

開発品

0

1.2

倍

127kN

147kN

従来品

開発品

【開発品】7210UC【従来品】7210C
軸受品名
φ50mm ×φ90mm ×20mm
接触角15˚，鋼球仕様【開発品】7220UC【従来品】7220C
軸受品名
φ100mm ×φ180mm ×34mm
接触角15˚，鋼球仕様

図2（a）基本静定格荷重比較（7210C）
Basic static load rating (7210C)

図2（b）基本静定格荷重比較（7220C）
Basic static load rating (7220C)-69-

*12_*09 18/10/19 9:40 ページ 3

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）の最適化に加え，潤滑時の給排油にも配慮する必要が新開発した72Uシリーズでは，肩高さ寸法をはじある．

めとする内部設計の見直しにより，従来品を大幅にまた，グリース潤滑で使用する場合には，発熱など

上回る約2.5倍の許容アキシアル荷重を達成した（図4，図5）．

によるグリースの劣化，つまりグリース寿命が重要であるため，グリースの保持性能を高めた内部設計が必
要である．

50
許
容
ア
キ
シ
ア
ル
荷
重

40

kN

10

従来品では，ポリアミド樹脂保持器を採用しているが，新開発した72Uシリーズでは，エアオイル潤
滑，グリース潤滑の両方でより高速性に優れるフェノ

.7

倍

30

2

ール樹脂保持器を採用し，潤滑性を高める新設計の形

200状を適用した．ポイントについて次項に示す．

15kN

41kN

従来品

開発品

2. 2. 1 新形状フェノール樹脂保持器
新形状フェノール樹脂保持器（以下，新形状保持器）では，以下の2つの効果を狙って，保持器内径面【開発品】7210UC【従来品】7210C
軸受品名
φ50mm ×φ90mm ×20mm
接触角15˚，鋼球仕様

図4に設けた溝を標準設計より深くした（図6）．
（1）転動体と保持器ポケットの接触位置を工夫し，保持器が外輪に積極的に案内されるように改良することで，保持器の挙動をより安定化させる．

許容アキシアル荷重比較（7210C）
Allowable axial load (7210C)（2）グリースを保持する空間を拡げることで，グリースの保持性能を高め，グリース寿命を延伸さ
せる．

200

kN

倍

150

ポリアミド樹脂.4100

保持器【従来品】

2

許
容
ア
キ
シ
ア
ル
荷
重

フェノール樹脂保持器【標準形状】

【新形状】

50

0

67kN

162kN

従来品

開発品

【開発品】7220UC【従来品】7220C
軸受品名
φ100mm ×φ180mm ×34mm
接触角15˚，鋼球仕様

図5

図6（a）樹脂保持器の外観
Appearance of resin cage

許容アキシアル荷重比較（7220C）
Allowable axial load (7220C)

ポリアミド樹脂保持器【従来品】

2. 2 高速性（潤滑性）

フェノール樹脂保持器【標準形状】【新形状】

エアオイル潤滑では軸受内部への潤滑油の供給はもとより，軸受外部への潤滑油の排出も重要となる．給排油が円滑に行われなければ，軸受内部で潤滑油が滞＜内径溝の狙い＞
・保持器挙動の安定化
・グリースの保持性能の向上

留し排熱されにくくなり，昇温大や焼付きなどが生じる恐れがある5），6）．高速条件下で安定した温度を維

図6（b）樹脂保持器の内径形状
Bore diameter shape of resin cage

持するためには，転動体や軌道面形状などの内部設計-70-

*12_*09 18/10/19 10:17 ページ 4

ULTAGE精密標準アンギュラ玉軸受72Uシリーズ

2. 2. 2 内輪形状の変更

図7，図8に標準形状と新形状保持器の高速運転試
験の結果を示す．エアオイル潤滑およびグリース潤滑新開発した72Uシリーズの荷重負荷側である内輪

ともに，今回新しく採用した新形状保持器の軸受外輪

外径（正面側）は許容アキシアル荷重に関係するた温度（図中○）は，標準形状保持器（図中□）と比較しめ，肩高さ寸法などの見直しを行った．一方で，反負て，同等以下であることを確認した．

荷側である内輪外径（背面側）については，従来品よりも低く設計し，前述の新形状保持器と組み合せるこ

30
外
輪
温
度
上
昇

とにより，保持器と内輪軌道面間への潤滑油の供給お新形状フェノール樹脂保持器

25

よびグリースの封入を容易にした．特にエアオイル潤

標準形状フェノール樹脂保持器

20滑の場合，従来品では不可能であった斜め方向からの15

潤滑油の供給（ノズルの狙い）が可能となるため，軸10℃

受間にノズル付間座を設ける場合に寸法上の制約が緩

50

和され，軸受周辺構造の設計自由度を向上させること
0

5,000

10,000035

70

15,00020,00025,00030,000

105

140

175

210

回転速度 min-1

dmn 値 ×104

【試験条件】

ができる（図9）．

従来品

7210UCDB
φ50mm ×φ90mm × 20mm ×2 列
接触角15˚，鋼球仕様

軸受品名
組込み後予圧荷重

1,275N（定圧予圧方式）

潤滑方法
エア量
オイル供給量
油種
外筒冷却

エアオイル潤滑
40NL/min0.03 mL/5min /1 ショット
ISO VG32

内輪外径
（正面側）

内輪外径
（背面側）

あり

開発品

図7

標準形状と新形状保持器の温度上昇比較（エアオイル潤滑）
High-speed test of standard and new cage (air-oil lubrication)30

新形状フェノール樹脂保持器

25

内輪外径
（正面側）

標準形状フェノール樹脂保持器

外
輪 20
温
度 15
上
昇
10
℃

・内輪外径（背面側）を従来品よりも低く設計
・新形状保持器との組み合せにより，潤滑油の供給
およびグリースの封入空間を大幅拡大

5
0

内輪外径
（背面側）

0

5,000

0

35

【試験条件】
軸受品名

10,000回転速度 min-1

dmn 値 ×104

図9 ULTAGE精密標準アンギュラ玉軸受
72Uシリーズ断面図
Section of ULTAGE precision standard
angular contact ball bearing 72U series

15,00070

1057210UCDB
φ50mm ×φ90mm × 20mm ×2 列
接触角15˚，鋼球仕様

組込み後予圧荷重

980N（定圧予圧方式）

潤滑方法
グリース銘柄外筒冷却

グリース潤滑

SE-1

あり

図8

標準形状と新形状保持器の温度上昇比較（グリース潤滑）
High-speed test of standard and new cage (grease lubrication)-71-

*12_*09 18/10/19 10:17 ページ 5

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

2. 3 剛性3. 運転試験結果

新開発した72Uシリーズでは，相反関係にある剛性と高速性を両立させるため，転動体や軌道面形状な新開発した72Uシリーズと従来品の定圧予圧におどの内部設計が剛性に及ぼす影響を確認し，大きく影ける運転試験結果を図12，図13に示す．エアオイル

響する項目は最小限の変更に留めることにより，剛性

潤滑およびグリース潤滑ともに，開発品の軸受外輪温を維持した．

度（図中○）は，従来品（図中△）と比較して同等以開発品と従来品の剛性比較結果を図10，図11に示下であった．

す．開発品の剛性は，従来品よりもわずかに低下する

本開発品は，負荷容量と許容アキシアル荷重を向上

ものの，ほぼ同水準を維持している．

した．一方で，本開発品の剛性は従来品と同水準を維持したまま，前項の新形状保持器を組み合せることにより，従来品と同等以下の安定した温度で高速性を維

Fa = 3kNでの変位量の差：約0.8μm

持し，エアオイル潤滑では従来比約1.6倍のdmn値 ※340180万，グリース潤滑では従来比約1.1倍の dmn値

開発品
軸 30
方
向
変
位 20
量

100万（ともに接触角15°，鋼球使用時）を達成した．

従来品※3 dmn 値は，軸受の回転性能を表す値である，
dm（転動体中心径 mm）×n（回転速度 min-1）

µm 10
0

0

1
2
アキシアル荷重 kN

3

30

組込み後
予圧荷重

開発品

25

【開発品】7210UCDB【従来品】7210CDB
軸受品名
φ50mm ×φ90mm × 20mm ×2 列
接触角15˚，鋼球仕様

従来品

外
輪 20
温
度 15
上
昇 10
℃
5

GN予圧（定位置予圧方式）

0

図10 アキシアル剛性比較（7210CDB）
Axial rigidity (7210CDB)

Fa = 5kNでの変位量の差：約0.4μm

0

5,000

10,00003570【試験条件】

40

開発品
軸
方
向
変
位
量

30

µm

10

軸受品名

従来品

20

0

0

1

2
3
アキシアル荷重 kN

45【開発品】7220UCDB【従来品】7220CDB
軸受品名
φ100mm ×φ180mm × 34mm ×2 列
接触角15˚，鋼球仕様
組込み後
予圧荷重

15,00020,000回転速度 min-1

105

dmn 値 ×104

25,00030,000

175

210

140

【開発品】7210UCDB【従来品】7210CDB
φ50mm ×φ90mm × 20mm ×2 列
接触角15˚，鋼球仕様

組込み後予圧荷重

1,275N（定圧予圧方式）

潤滑方法
エア量
オイル供給量
油種

エアオイル潤滑
40NL/min
0.03mL/5min /1 ショット
ISO VG32

外筒冷却あり

図12 運転試験結果（エアオイル潤滑）
Running test (air-oil lubrication)

GN予圧（定位置予圧方式）

図11 アキシアル剛性比較（7220CDB）
Axial rigidity (7220CDB)-72-

*12_*09 18/10/19 9:40 ページ 6

ULTAGE精密標準アンギュラ玉軸受72Uシリーズ

30
25
外
輪
温
度
上
昇

20

℃

5

5. まとめ開発品
従来品

今回開発したULTAGE精密標準アンギュラ玉軸受
72Uシリーズは，従来品よりも耐荷重性を向上さ

15せ，剛性を維持したまま従来品と同等以上の高速性を

10

0

達成した．
本開発品は，今後さらなる高機能化が求められる精
0

5,000

0

10,000回転速度 min-1

35dmn 値 ×104

【試験条件】

軸受品名

15,00070密軸受の1つとして，工作機械や他の産業機械の市場ニーズを満足した商品である．
今後も標準シリーズを含めた精密級のアンギュラ玉

105

軸受に対して，既存シリーズの高機能化および新シリーズの開発に取り組んでいく．

【開発品】7210UC【従来品】7210C
φ50mm ×φ90mm × 20mm ×2 列
接触角15˚，鋼球仕様

組込み後予圧荷重

980N（定圧予圧方式）

潤滑方法
グリース銘柄グリース潤滑

SE-1

外筒冷却

あり

参考文献
1）瀧内 博志，小杉 太，工作機械用精密軸受“ULTAGE（アルテージ）”シリーズ，NTN TECHNICALREVIEW，No.72，（2004）26頁.
2）植田 敬一，ULTAGE 標準アンギュラ玉軸受
79U/70Uタイプ，NTN TECHNICAL REVIEW,
No.72，（2004）30頁.
3）多湖 浩史，田中 康続，工作機械用軸受の技術動向，
NTN TECHNICAL REVIEW，No.78，（2010）
8頁.
4）NTNカタログ 精密転がり軸受，CAT. No. 2260Ⅶ/J, 16.11.03，（2016）21頁.
5）植田 敬一，工作機械用軸受の技術動向：環境対応技術, 月刊トライボロジ，No.188（2003.4）19頁.
6）植田 敬一，工作機械用精密軸受の技術動向，NTN
TECHNICAL REVIEW, No.84（2016）40頁.

図13 運転試験結果（グリース潤滑）
Running test (grease lubrication)

4. シリーズ構成
新開発した72Uシリーズの構成を表1に示す．軸受
サ イ ズ は 内 径 10〜 130mmと し ， 接 触 角 は 3種 類
（15°
，25°
，30°
）を設定した．また，転動体は鋼球に加え，セラミックボールを追加した．

表1 ULTAGE精密標準アンギュラ玉軸受72Uシリーズの構成
ULTAGE precision standard angular contact ball bearing
72U series
鋼球仕様

セラミックボール仕様

接触角15°

72XXUC接触角25°

72XXUAD接触角30°

72XXU（A）

接触角15°

5S-72XXUC

接触角25°

5S-72XXUAD

接触角30°

5S-72XXU（A）

執筆者近影

対応軸受サイズ：内径10〜130mm（両仕様共通）

北野誉幸

産業機械事業本部
製品設計部

-73-

山本

庸平

産業機械事業本部
製品設計部

*13_*09 18/10/19 9:40 ページ 1

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）[ 商品紹介]工作機械案内面用樹脂すべりシート
Plastics Sliding Sheet Used Slide Guide of Machine Tools

石 井 卓 哉*福澤覚*
宗 田 法 和*Takuya ISHII
Satoru FUKUZAWA
Norikazu MUNEDA

工作機械には高速化，高加工精度化が求められており，切削抵抗が大きい場合でも低振動で加工精度に優れる，案内面に樹脂すべりシートを使用した方式の機種が増えている．案内面のすべり性能は工作機械の性能に大きく影響するため，樹脂すべりシートには低摩擦特性，耐摩耗性が求められる．本稿では，四フッ化エチレン樹脂に特殊充填材を配合した工作機械案内面用のNTN樹脂すべりシートについて紹介する．

Machine tools are required to operate at high speed, high precision. The models of using plastics sliding sheet inguide are increasing. When cutting resistance is high, the models are superior in processing precision by low
vibration. Low friction properties and wear resistance are required to plastics sliding sheet. In this report, characteristicof sliding sheet formed from PTFE and special filler is introduced.

１）

1. はじめに

2. 各種案内方式の特長

工作機械は工具と工作物を相対運動させることによ各種案内方式の特長を表1に示す．ころがり案内方って工作物を加工するため，工具または工作物を移動

式は摩擦抵抗が低く，工具または工作物を高速で移動する案内面の性能は加工精度に大きく影響する．このすることができ，スティックスリップが発生し難いの

案内面には，ころがり案内方式とすべり案内方式があで加工精度も高い．しかし，ころによる線接触で接触

り，用途によって使い分けられている．ころがり案内

面積が小さいため剛性が低く，負荷が高くなると振動は，リニアガイドのように，ころを介して工具またはが発生するので，切削抵抗の大きな加工には不向きで工作物を移動させる方式である．すべり案内には案内ある．

面間に潤滑油を供給し，金属同士をすべらせる方式

すべり案内方式は面接触で接触面積が大きいので剛と，一方の金属に樹脂すべりシートを接着固定し，樹性が高く，切削抵抗の大きな加工に適している．案内

脂と金属をすべらせる方式がある．案内面のすべりシ

面に樹脂すべりシートを使用することで，金属同士のートには，低摩擦特性で耐焼付き性に優れる四フッ化

すべりよりも低摩擦抵抗でスティックスリップが発生

エチレン樹脂（以下，PTFE）が使用されている．すし難く，振動減衰性も高くなる．また，希薄潤滑状態

べり面は混合潤滑状態であるため，樹脂すべりシートになった場合にも焼付きを起こさない．

の性能が重要になる．

工作機械すべり案内方式の概略図を図1に示す．近

本稿では，PTFEに特殊充填材を配合することで，年，炭素繊維強化プラスチック等の難切削材を加工す

混合潤滑状態での摩擦摩耗特性を向上させたベアリーる事例も増加しており，切削抵抗が大きい場合でも低FL3307からなる工作機械案内面用すべりシートに振動で加工精度に優れる樹脂すべりシートを使用したついて紹介する．

すべり案内方式の機種が増えている．

*複合材料商品事業部

精密樹脂技術部-74-

*13_*09 18/10/19 9:40 ページ 2

工作機械案内面用樹脂すべりシート

擦抵抗が大きくなるので，樹脂すべりシートには耐摩表1 工作機械案内方式の特長
Characteristic of guide type in machine tools

樹脂すべり

金属すべり

ころがり
案内方式
(リニアガイド)

摩擦抵抗

○
◎
○

○
○
△

△
△
◎

スティック
スリップ

○

△

◎

項

目

剛

性

すべり案内方式

振動減衰性

◎：優

〇：良

耗性，耐圧縮クリープ特性が必要である．
工作機械には加工サイクルタイムを短縮するために，工具または工作物の移動の高速化が要求されている．そのため，樹脂すべりシートは起動時の静摩擦係数，動摩擦係数が低く，面圧および速度依存性が低い方が好ましい 3）．

△：可

4. PTFE樹脂すべりシートの特長と製造工程
工具または工作物を固定する移動体

PTFEは摩擦係数が低く，高い非粘着性を有し，連続使用温度が260℃と高耐熱性である．耐薬品性，案内面

耐候性も優れているので，潤滑油やクーラントと接触する案内面において長期間の使用が可能である．しかし，PTFE単独では耐摩耗性，耐圧縮クリープ特性に劣り，線膨張係数が大きいため，ガラス繊維，炭素繊

図1 工作機械すべり案内方式の概略図
Slide guide type of machining tools

維，青銅粉，黒鉛等の充填材を配合し使用されている．充填材の種類，配合比によって摩擦摩耗特性等が異なるため，用途に合った材料配合が重要となる．
工作機械案内面用すべりシートの製造工程を図3に

3. 樹脂すべりシートへの要求性能示す．PTFEは溶融粘度が高く，射出成形が出来ない

すべり案内方式の案内面には，潤滑膜を形成し易くため，圧縮成形による成形素材をスカイブ加工して厚するために油溝が設けられる．また，均一な接触状態

さ0.8〜1.5ｍｍの樹脂シートを製造する．スカイブにし，数十μｍの微小な窪みを形成するために，きさ

加工とは，成形素材を回転させ刃物でスライスしてシげ加工も施される 2）．ベアリーFL3307樹脂すべり

ート状にする工法である．

シートのきさげ加工前後の表面状態を図2に示す．きPTFEは非粘着性が高く，そのままでは接着できな

さげ加工は選定された技能者により手作業で行われいため，処理液にて表層を化学的にエッチングし接着る．樹脂すべりシートは，金属と比較してきさげ加工可能にする．NTNでは，潤滑油やクーラントに耐性がし易い利点がある．

あり，鋳鉄などの案内面に樹脂シートを接着できる専

きさげ加工による案内面の微小窪みは，すべり面で用の接着剤を用意している．この接着剤による鋳鉄との潤滑油の保持性を高め，摩擦抵抗を低く安定させる

ベアリーFL3307樹脂すべりシートの引張せん断接効果がある．樹脂すべりシートが摩耗，あるいは荷重により変形すると，すべり面の窪みが小さくなり，摩原料混合（PTFE と充填材）
圧縮成形（室温で加圧）焼成（380〜400℃）
スカイブ加工圧縮成形

化学的エッチング処理
カット
10mm

加工前

出荷検査・包装

きさげ加工後

図2 きさげ加工面
Hand scraper surface of plastics sliding sheet

スカイブ加工幅 300mm, 長さ 30m

図3 樹脂すべりシートの製造工程
Manufacturing process of plastics sliding sheet-75-

*13_*09 18/10/19 9:40 ページ 3

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

5. 2 動摩擦係数の面圧・速度依存性

着強さは6MPaで，使用面圧と摩擦係数から算出した
摩 擦 せ ん 断 力 0.06MPa（ 面 圧 1MPa， 摩 擦 係 数

表3に示す試験条件で面圧，速度を各々変化させて0.06の場合）に対して，充分な安全率がある．

動摩擦係数を測定した．面圧と動摩擦係数の関係を図5，速度と動摩擦係数の関係を図6に示す．
面圧の増加に伴い動摩擦係数は低下する傾向にあ

5. NTN樹脂すべりシートの性能

る．面圧依存性試験では，NTN品の動摩擦係数は比較

ベアリーFL3307（以下， NTN品），PTFEにガ

品よりやや低く，0.3MPaより高い面圧では依存性がラス繊維（GF）配合（以下，比較品A），炭素繊維

小さい．速度依存試験でも，NTN品の動摩擦係数は比（CF）と青銅粉を配合（以下，比較品B）の3種類の較品と同等以下で，速度依存性が小さい．

樹脂すべりシートの性能比較を行った．性能比較を

NTN品，比較品Aの樹脂すべりシートの走査型電子表2に示す．

顕微鏡による観察写真を図7，8に示す．樹脂シート

NTN品は比較品に対して，引張強さ，伸びともにのすべり面には充填材が露出している．

高く，摩擦摩耗特性，圧縮クリープ特性にも優れる．

比較品Aでは，すべり面に対する繊維状充填材の方

摩擦摩耗特性，圧縮クリープ特性の試験方法と結果の向はランダムで，繊維の端部のみが露出しているもの

詳細を以下に示す．
表3 動摩擦試験条件
Test condition of dynamic friction

表2 工作機械案内用樹脂すべりシートの性能比較
Comparison of features plastics sliding sheets
項

目

シート材料
物 引張強さ
性 伸び
静摩擦特性
摩 動摩擦係数の
擦 面圧依存性
特性 動摩擦係数の速度依存性
圧縮クリープ特性

項目

面圧依存性試験

NTN品

比較品A

比較品B

面

圧

0.1〜1.0MPa

0.5MPaベアリー
FL3307

GF配合
PTFE

CF,青銅粉配合PTFE

速度

30m/min10〜50m/min

20MPa

15MPa

13MPa

220%

200%

180%

○

△

△

○

△

△

○

○

△

○

△

△

〇：良

ストローク

±100mm

潤滑油

工作機械用潤滑油
室 温

温

度

0.10

比較品 B

比較品 A
NTN 品

0.08

動
摩
擦
係
数

△：可

5. 1 摩擦摩耗試験方法
摩擦摩耗試験には，工作機械の案内面と類似運動形

0.06
0.04
0.02

態の図4に示す往復動試験機を用いた．樹脂すべりシ

0.00
0.0

ートを接着した角柱金属試験片に鉛直荷重を負荷し，

0.2

0.4

ートには，きさげ加工を施さないが油溝を設けた．金

0.8

1.0

図5 面圧と動摩擦係数の関係
Coefficient of dynamic friction versus surface pressure

属相手材は高周波焼入れし，すべり方向に研磨した表面粗さRa0.25μｍのミーハナイト鋳鉄である．すべ

0.10

り面には工作機械用潤滑油を塗布した．

比較品 B

0.08

摩擦係数は，相手材に取り付けたロードセルにより

比較品 A
NTN 品

動
摩 0.06
擦係 0.04数測定した摩擦力を鉛直荷重で除して算出した．

金属相手材

0.6

面圧 MPa

金属相手材を往復運動させた．接着後の樹脂すべりシ

負荷

速度依存性試験角柱試験片（30×30×10mm）

0.02

樹脂すべりシート（厚さ 1mm）

0.00

図4 往復動試験の概略図
Diagram of reciprocating motion test

0

10

20

30

40

速度 m/min5060

図6 速度と動摩擦係数の関係
Coefficient of dynamic friction versus velocity-76-

*13_*09 18/10/19 9:40 ページ 4

工作機械案内面用樹脂すべりシート

表4 摩耗試験条件
Wear test condition

特殊充填材

項

目

内

面

圧

0.5MPa容速度

10m/min, 30m/min

ストローク±100mm

潤滑油

工作機械用潤滑油

温

度

室

時

間

100h

温

X10-8 10

図7 NTN品の表面
Surface of NTN plastics sliding sheet

8

比
摩
耗
量

ガラス繊維

6
4

mm /(N・m)
3

2
0

10m/min

30m/min

図9 NTN品の比摩耗量
Specific wear of NTN Plastics sliding sheet

6. まとめ
図8 比較品Ａの表面
Surface of comparative-A plastics sliding sheet

本稿では，工作機械のすべり案内面に使用されるベアリーFL3307樹脂すべりシートを紹介した．用途もある．繊維状充填材は，摩擦せん断を受けたときそに適した材料配合にしているので，低摩擦，低摩耗特の形状から脱落し難いが，端部のエッジの抵抗により性で圧縮クリープ変形率も小さく，工作機械の高速摩擦係数を増加させる．比較品Ｂに配合している炭素化，高加工精度化に貢献している．

繊維も同様である．NTN品ではすべり面に充填材が点

今後も低摩擦化，低摩耗化の材料配合技術力を高在し，この充填材は繊維状でないため異方性がなく，め，様々な分野で高機能化，省エネルギー化に対応し摩擦係数を増加させ難い。

た商品を開発していく所存である．

すべり面は油溝，きさげ加工の微小窪みにより油膜

参考文献

形成し易いが，部分的には樹脂すべりシートと相手金

1）社団法人日本トライボロジー学会：トライボロジーハン
ドブック，第1版，養賢堂，（2001）343．
2）坂本治久：工作機械におけるトライボロジー技術とその動向，月刊トライボロジー，No.331，（2015）18-20.
3）木幡文雄：低摺動摩擦係数・高耐びびり性すべり直動案
内の研究開発，イノベーションジャパン 2009---大学
見本市，講演番号PM-08.

属が接触した混合潤滑状態にある．この接触が面接触状態になると，潤滑油が排出されるので摩擦係数は高くなる．NTN品では露出した充填材が点での接触状態となり，接触面に潤滑油が介在し潤滑状態が良くな
り，摩擦係数が低いと考える．

執筆者近影

5. 3 摩耗特性
NTN品を表4に示す試験条件で摩耗試験し，そのときの比摩耗量を図9に示す．比摩耗量は試験前後の摩耗量から算出した単位すべり距離当たり，単位荷重当たりの摩耗体積であり，比摩耗量が小さいほど，耐摩性に優れる．

NTN品の比摩耗量は，いずれの速度においても非石井卓哉

複合材料商品事業部
精密樹脂技術部

常に小さく，耐摩耗性に優れている．
-77-

福澤

覚

複合材料商品事業部
精密樹脂技術部宗田

法和

複合材料商品事業部
精密樹脂技術部

*15_*09 18/10/19 9:41 ページ 1

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）[論文]

トランスミッション向け玉軸受用低フリクションシールの潤滑メカニズム
Lubrication Mechanism of Low Friction Seal of Ball Bearing for Transmission

水 貝 智 洋* Tomohiro SUGAI
佐々木 克明** Katsuaki SASAKI
和久田 貴裕** Takahiro WAKUDA
自動車のトランスミッション向けに開発した玉軸受用低フリクションシールは，シールリップの軸受内輪との摺動面に円弧断面形状の微小突起を複数個設け，突起部でのくさび作
用により軸受内輪との間に潤滑油の油膜を形成し，低フリクション化を実現している．
本稿では，油膜形成のメカニズムと摩擦抵抗をソフトEHL（弾性流体潤滑）解析により調べた結果を報告する．

A low friction seal for use in ball bearings developed for automotive transmissions has arc-shaped (half-cylindricalshaped) micro bumps on the sliding surface of the seal lip. This generates a lubrication oil film between the seal lip
and inner ring by a wedge effect in the bump area, thereby achieving low friction.
This article reports the mechanism of fluid film formation and friction resistance by soft EHL (ElastoHydrodynamic
Lubrication) analysis.

なシールは，混合潤滑または流体潤滑状態と考えられ

1. はじめにているが 2, 3)，粗さ突起によるミクロなEHL（弾性自動車のトランスミッション用軸受では，トランス

流体潤滑）のため形成される油膜厚さは粗さのオーダ

ミッション内に発生するギアの摩耗粉など，硬質異物

ー以下と非常に薄く，流体潤滑であってもせん断抵抗の侵入による軸受寿命の低下を抑制するため，接触タは大きい．本シールは，内輪に付着して円周方向に流イプシールを適用することがある．しかし，シール部

れる潤滑油に対し，シールおよび内輪の表面粗さと比が軸受内輪に接触するため，回転時の摩擦トルクが大較して大きな微小突起によりくさび作用を発生させ，きくなる課題がある．さらに，近年のEVやHEVなど

シールリップと軸受内輪との摺動面間に積極的に潤滑の高速回転が要求される用途では，シール部の周速限

油の油膜形成を図り流体潤滑状態とし，回転トルクの界の制約により，接触タイプシールの適用は困難であ低減と周速限界の向上を実現している．

る．自動車のトランスミッション用軸受はさらなる低

本稿では，突起部を含むシール全体の弾性変形と潤トルク化が求められているが，低トルク性とシール性

滑油の流体圧力とを連成させて解くソフトEHL解析には相反する性質のため，シール性を確保しながら大幅

よって，油膜形成のメカニズムと摩擦抵抗を調べた結に低トルク化を達成することは，これまで困難であっ果を報告する．

た．
上記課題の解決のため，シールリップの軸受内輪と2. ソフトEHL解析の摺動面に円弧断面形状の微小突起を等間隔に設けた

2. 1 解析モデルおよびプログラム

トランスミッション向け玉軸受用低フリクションシー
ルを開発した 1)．本シールは，潤滑油中の異物粒径と図1に開発シールを示す．左の図はシールを装着し軸受寿命の関係に基づき，突起高さを軸受寿命に大きた軸受の断面図，右の図はシールを円周方向に一部切な影響を及ぼす異物サイズより小さくすることで，要り出した斜視図である．軸受内輪との摺動面に円弧断求寿命を満足しつつ，低トルク化を達成した．一般的面形状の微小突起を等間隔に設けている．突起はアキ**先端技術研究所**自動車事業本部

自動車軸受技術部-78-

*15_*09 18/10/19 9:41 ページ 2

トランスミッション向け玉軸受用低フリクションシールの潤滑メカニズム

一般に，転がり軸受などの油膜解析では弾性変形量が小さいため，形状を計算する構造解析では半無限弾性体近似を用いる．一方，ゴムシールでは弾性変形量が大きいため半無限弾性体近似が成り立たず，非線形構造解析を行う必要がある 4)．ただし，発生した圧力によってシールが大きく変形することで圧力の増加は小さくなるため，圧力による潤滑油特性の変化は考慮しない．突起部を含むシールの変形は有限要素法によ

円弧断面形状の微小突起

図1

低フリクションシール
Low friction seal

る汎用の非線形構造解析ソフトウェアを用いて計算
し，油膜圧力は潤滑面での粘性流体の運動を記述する
次のReynolds方程式を解いて計算する 5)．

シアル方向にも曲率を持っており，図2に示すように

∂
∂x

（

軸受装着時には内輪摺動面と点接触となる．図3に示すように，摺動面には潤滑油が存在し突起部では摺動ρh3 ∂p∂ ρh）∂ ρh3 ∂p（+
= u0
∂ y 12η ∂ y∂x12η ∂x） （）

面間の距離が円周方向，すなわち流れ方向に徐々に小ここで，x：流れ（円周）方向座標，y：流れ直交（回さくなっていくため，回転時にはくさび作用により流転軸）方向座標，ρ：密度， h：油膜厚さ，η：潤滑

体圧力が発生し，シール摺動面と内輪間に油膜が形成

油粘度，p：圧力，u 0：摺動面速度である．また，x方される．摺動面間に十分な油膜が形成されれば流体潤向の流速 u は膜厚方向座標 z の関数であり，次式で表滑となり，突起のない従来のシールと比較して摩擦トされる．

ルクの低減が期待できる．シールリップと軸受内輪間
u=−の油膜厚さおよび流体粘性抵抗によるシールの摩擦ト
ルクを油膜圧力とシールの変形を連成させて解くソフz1 ∂pz h−z）+ 1−（
2η ∂ xh（）u0

右辺第1項は圧力差によって誘起されるPoiseuille

トEHL解析により計算する．

流れ，右辺第2項は壁面の移動によって誘起される
Couette流 れ で あ る ． キ ャ ビ テ ー シ ョ ン 条 件 は ，Swift-Steiberの条件 6) を用いた．また，軸対称問題とし，周期境界条件を用いた．
構造解析と流体解析の繰り返し計算を行い，収束解を得る．油膜圧力はわずかな油膜厚さの変化で大きく変化し，シールはわずかな圧力の変化で大きく変形するため，連成解析では強い非線形性により収束性が悪内輪化する場合がある．Reynolds方程式を緩和法 7) で解微小突起く際の一反復計算における緩和量を収束状況に応じて

点接触（a）変形前適切に制御することにより，図4に示すように収束性（b）軸受装着時の良い計算を可能とした．また，計算は次の2ステッ

図2 軸受装着時のシールリップ先端変形形状
Deformed shape of the seal lip mounted in bearing

プで行った．
第1ステップ：内輪と外輪で構成される軸受にシール

圧力分布を組み付けた状態を構造解析のみで計算する．無シール

回転時のシールの状態に相当する．
第2ステップ：第1ステップの計算結果を初期条件と油の流れ

して，流体との連成解析を行う．回転時の状態に相当する．初期油膜厚さは，第1ステップで計算

内輪
回転方向

した無回転時のシール形状で，油膜圧力による負図3 微小突起部のくさび作用
Wedge action at the micro bump

荷容量と緊迫力が釣り合う内輪位置を探索し設定-79-

*15_*09 18/10/19 9:41 ページ 3

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

する．本ステップの前半では，内輪位置を所定位

表1

置へ戻す操作を行う．

開発シールの仕様および運転条件
Properties and conditions
シール材料

トルクの計算は，シールリップ摺動面と内輪の間は油膜により十分に隔てられ，流体潤滑状態である場合

64

突起半径 mm1.5を想定し，潤滑油の粘性抵抗によるトルクを考慮する．

アクリルゴム

軸受内輪外径 mm
突起高さ μm

40

突起数

180

潤滑油動粘度（40 ℃） mm2/s

26

回転速度 min-1

1500

1.E+2
MPa

1.E+1

差

1.E-1

0.20

起

1.E+0

突

残

0.15

1.E-2
1.E-3

0

50

100

150

200

250

300

内輪（図示せず）
回転方向

350

0.10

収束計算の反復回数

0.05

0.005

0.00

0.004

ト
ル
ク
N・m

MPa

0.003

0.20

0.002

0.15

0.001
0.000

0

50

100

150

200

250

300

0.10

350

収束計算の反復回数0.05

図4 計算の収束性
Convergence of calculation

0.00

2. 2 計算条件と計算結果

図5 油膜圧力分布（120℃）
Calculation result of oil film pressure distribution

検討した開発シールの仕様と運転条件を表1に示す．ゴム剛性および潤滑油粘度は温度の関数とし，ゴムの熱膨張を考慮した．表面粗さ，ゴムの応力緩和，

25

トランスミッション内での流油量によるリップシール
への圧力，シャフトの芯ぶれなどの影響は本稿では考20

り，上の図はシールリップ摺動面を内輪側から見た図

油
膜 15
厚
さ
h 10

である．突起部で油膜圧力が生じている．図6は，最μm

慮していない．図5，図6に計算結果の一例を示す．
図5はシールリップ摺動面の油膜圧力分布を示してお

小油膜厚さ位置における流れ方向の油膜形状および圧
小油膜厚さは約1μmである．摺動面の合成粗さは，

圧力 p

0.20

油膜厚さ h

圧
0.15
0.10

5
0

力分布である．最大約0.22MPaの圧力が生じた．最

0.25

0.05

-300

-200

-100

0

100

200

300

0.00

流れ方向座標 X μm

Rq 0.22μm程度であり，粗さと比較して十分な油図6 油膜形状および圧力分布（120℃）
Oil film thickness and pressure distribution

膜が形成されており，流体潤滑状態である．図7は温度と最小油膜厚さの関係である．高温ほど油膜厚さが小さくなるが，150℃でも最小油膜厚さは約1μmで

-80-

力
p
MPa

*15_*09 18/10/19 11:04 ページ 4

トランスミッション向け玉軸受用低フリクションシールの潤滑メカニズム

あり，粗さと比較して十分な油膜が形成されている．

温ほどトルクは低下し，120 ℃で約0.007N∙mであ

図8に温度とシールトルクの関係を示す．トルクは軸る．突起部のCouette流れがトルクの主要因である．

受１個に使用するシール2枚分の値である．また，ト次に突起数とトルクの関係を図9に示す．突起数がルク要因を突起部でのPoiseuille流れに起因するトル少ない場合には，非突起部のCouette流れによるトル

ク，突起部でのCouette流れに起因するトルクおよびクが増加する．これは，非突起部の摺動面面積が増加

突起間の摺動面である非突起部でのCouette流れに起することに加え，非突起部の摺動面間すきまが小さく因するトルクの3つに分類し，色分けしている．ななるためである．摺動面間すきまが小さくなると，せお，非突起部での圧力の増加は微小なため，非突起部

ん断抵抗が増加しシールトルクが増加する．突起数がのPoiseuille流れに起因するトルクは微小である．高少ない，すなわち突起と突起間の距離が長くなると，緊迫力により非突起部の摺動面が弾性変形し内輪摺動面に近づき，摺動面間すきまが小さくなる．弾性変形

5した形状の模式図を図10に示す．図11に突起数と停

4

最
小
油 3
膜
厚 2
さ

止時の非突起部中央すきまの関係を示す．図中の非突起部中央すきまは，突起高さに対する比である．本検討仕様の場合，突起数100個程度以下では非突起部
中央すきまが0となり，非突起部摺動面が内輪と接触

μm 10

する．ただし運転時には，非突起部のすきまが小さい
20

40

60

80

100

120

場合には，突起部と同様にくさび作用により油膜圧力

140

温度 ℃

が発生し油膜が形成されるため，直接接触は生じな
い．

図7 温度と最小油膜厚さの関係
Relationship between temperature andminimum film thickness

突起数が多い場合には，突起部のCouette流れによるトルクが増加する．突起数が多いほど突起1個当たりの緊迫力が低下するため突起部の最小油膜厚さは0.04
Poiseuille流れ（突起部）

シ 0.03ール
ト 0.02ルク

Couette流れ（突起部）
突起部 非突起部

Couette流れ（非突起部）
シール

突起N・m 0.01
0.00

シールリップ
摺動面
20

40

60

80

100

温度 ℃

120

非突起部
中央すきま

140

非突起部
摺動面間すきま図10 非突起部弾性変形の模式図
Schematic drawing of elastic deformation of non-bump area

図8 温度とシールトルクの関係
Relationship between temperature and seal torque

100

0.020

非
突 80
起
部 60
中
央
す 40
き
ま

Poiseuille流れ（突起部）
Couette流れ（突起部）

シ 0.015
ール
ト 0.010
ルク

Couette流れ（非突起部）

N・m 0.005

％

20
0

0.000

内輪

80

100

120

180

50

100

150

200

250

300

350

突起数

240

突起数

図11 突起数と停止時の非突起部中央すきまの関係
Relationship between number of bumps and gaps in the
middle between bumps under non-operating condition

図9 突起数とシールトルクの関係
Relationship between number of bumps and seal torque-81-

*15_*09 18/10/19 9:41 ページ 5

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

増加するが，突起部の摺動面積の合計が増加するため

2.0

トルクも増加する．本検討条件では，突起数100個程度が最も低トルクとなる．

1.5

実験（11mN）

実験（22mN）

解析（11mN）

解析（22mN）

油
膜
厚 1.0
さ

3. 検証実験μm

3. 1 油膜厚さ

0.5
0.0

シール突起部の油膜厚さを顕微赤外分光法で測定した．赤外分光法は，物質に赤外線を照射し，透過または反射した光を分光し，得られたスペクトルから試料

0.0

0.2

0.0

0.3

0.4

滑り速度 m/s

0.5

0.6

0.7

図13 油膜厚さの実験と解析の比較
Comparison of experimental results with analysis ones offilm thicknessの構造解析や定量を行う分析手法である．赤外線が物質中を通過すると物質固有のある周波数域の光が物質に吸収され，通過した光の強度が低下する．この通過

3. 2 軸受トルクした光の強度と物質中を通過する光路長との間には相関がある．測定装置の模式図を図12に示す．アクリ

開発シールをトランスミッション用軸受に適用し，ルゴムは赤外光を吸収するため，ゴム表面で光が反射軸受のトルクを測定した．シールの仕様，試験条件はするように表面に金を0.3μm真空蒸着した．回転可表1と同じである．潤滑方法は，最下端転動体上面を能なサファイアディスクに突起部１個を模擬した試験

油面とする油浴潤滑である．また，軸受にはラジアル

片を押し当て，ディスクの反対面から赤外光を照射す

荷重を754N負荷した．測定結果を，突起のない従来

る．油膜を通過した後突起表面で反射した光の強度をの接触タイプシールおよび非接触タイプシールを適用測定することで，油膜厚さを推定する．Zステージにした軸受の測定結果と合わせて図14に示す．
突起のない従来の接触タイプシールを適用した軸受

よって押し付け荷重を制御した．また本実験では，荷と比較して，トルクが最大80%低減した．従来の接重と速度をパラメータとした．
測定結果とソフトEHL解析による計算結果を図13

触タイプシールでは，固体接触を伴う混合潤滑状態まに比較する．両者は傾向，オーダーが一致しており，

たは流体潤滑状態と考えられているが，粗さ突起によ1μm程度の油膜を確認した．ただし，油膜厚さが小るミクロなEHLのため形成される油膜厚さは粗さのオさい領域では解析結果より測定結果が大きい．この要ーダー以下と非常に薄く，流体潤滑であってもせん断因として，測定範囲の影響とサファイアディスクの面

抵抗は大きい．一方，開発シールでは突起部で十分な振れの影響が考えられる．解析結果は最小油膜厚さで油膜が形成され流体潤滑状態となったことが，摩擦トあるが，測定結果は，30×30μmの平均値であるのルクが低減した要因の１つと推測する．さらに，図9で，油膜厚さが大きく測定された可能性がある．まに示すように突起数が過少でない場合には，非突起部

た，ディスクの回転に伴う平面振れが約0.35μmあのCouette流れによるトルクは，突起部のCouetteり，油膜厚さが大きく測定された可能性がある．

流れによるトルクと比較して小さいことから，開発シ
0.4

突起付シール

顕微赤外分光光度計
サファイアディスク
サファイア
ディスク

従来接触タイプシール

軸 0.3
受
ト
ル 0.2
ク

油膜厚さ
ゴム突起

従来非接触タイプシール

N・m 0.1

精密 Z ステージ
0.0

荷重検出器

図12 油膜厚さ測定装置模式図
Schematic drawing oil film thickness measuring device

20

40

60

80

軸受温度 ℃

100

120

図14 軸受トルクの実験結果
Experimental results of bearing torque

-82-

140

*15_*09 18/10/19 9:41 ページ 6

トランスミッション向け玉軸受用低フリクションシールの潤滑メカニズムールでは，非突起部の摺動面間距離が増加したことも

参考文献

摩擦トルクが低減した要因と考える．

1）佐々木, 和久田，水貝, トランスミッション用超低フ
リクションシール付玉軸受, NTN TECHNICALREVIEW, No.85, (2017) 62-66.
2）水田, 回転用オイルシールの潤滑機構の解明と摩擦低減に関する研究, 博士論文 (2013)3）兼田, シールの密封理論, トライボロジスト, Vol.43,
No.2, (1998), 125-1304）兼田, ソフトEHLの解析, トライボロジスト, Vol.38,
No.10, (1993), 890-894.
5）山本, 兼田, トライボロジー, 理工学社, (2007)
6）中原，流体油膜の挙動，潤滑，Vol.26, No.3,(1981), 146-152.
7）C.H.VENNER, A.A.LUBRECHT, MULTILEVELMETHODS IN LUBRICATION, ELSEVIER,(2000)

また，従来の非接触タイプシールを適用した軸受と比較すると，トルクの増加は0.01N∙m程度である．
非接触タイプシールのシールトルクは微小と推測できることから，開発シールのシールトルクは0.01N∙m程度と見積もられ，図8，図9に示す計算結果と同程度である．

4. おわりに
シールリップの軸受内輪との摺動面に円弧断面形状の微小突起を等間隔に設け，シールリップと軸受内輪との摺動面間に油膜の形成を図ったシールについて，油膜形成のメカニズムと摩擦抵抗を調べるため，油膜解析プログラムを開発した．本稿で評価した条件の範囲では，開発シールは突起部の流体潤滑効果により油膜形成が容易であり，従来の接触タイプシールより低トルクとなることがわかった．
本稿では言及していないが，シールの締め代，突起高さおよびゴム物性のばらつき等もトルクに影響を与える．本プログラムにより開発シールのトルクの予測，突起仕様の最適化が可能である．

執筆者近影

水貝

智洋

先端技術研究所

佐々木克明

自動車事業本部
自動車軸受技術部

和久田貴裕

自動車事業本部
自動車軸受技術部-83-

*16_03 18/10/19 9:41 ページ 1

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）[論文]

車両運動性能を向上させるステアリング補助機能付ハブベアリング
Hub Bearing with Steering Function that Improves Vehicle Dynamic Performance

石原 教雄* Norio ISHIHARA
石橋 満憲** Mitsunori ISHIBASHI
安部 正人** Masato ABE

大場 浩量* Hirokazu OOBA
山門 誠** Makoto YAMAKADO

伊東 貴志* Atsushi ITOU
狩野 芳郎** Yoshio KANO

ハブベアリングに転舵角調整機構を組み込むことにより，車両の運動性能を向上させることが可能なステアリング補助機能付ハブベアリングを開発した．本開発品は，ドライバーの運転状
況に応じて，左右の車輪を独立に補正転舵することが可能である．
本報では，左右輪の角度を同期させるモードで，車両運動のシミュレーションモデル，および実車試験で運動性能を確認した結果について報告する．

NTN has developed a hub bearing with a next generation steering function capableof improving the motion performance of the vehicle by incorporating the steering angle
adjustment mechanism in the hub bearing.
In this developed product, it is possible to independently correct and steer the left
and right wheels according to the driving situation of the driver, but in this report wereport on the result of the implementation in the mode to synchronize the left and right.

1. まえがき

sHUB
（左輪）

sHUB
（右輪）

ハブベアリングと転舵角調整機構を複合化した『スエスハブ

テアリング補助機能付ハブベアリング（以下sHUBとする）』を開発している．図1に示すように，従来の既存のステアリング装置

前輪転舵装置・懸架装置に取り付け，車両情報をもとにコントローラから出力される指令信号によって，左ハンドル

コントローラ

右の車輪を独立して補正転舵することができる．
sHUBは，車両の直進安定性の向上，燃費改善に有効であるとともに，コーナリング時の走行安定性の向図1 sHUBの車両搭載イメージ
Image of Vehicle with sHUBs

上，スリップなどの非常時の危険回避が可能なシステ
ムであり，将来の自動運転技術では回避動作などへの適用も期待できるシステムである．
sHUBを組み込んだ車両シミュレーションに取り組

補助転舵軸

ナックル

み，本システムが車両のヨーレイトと横加速度の応答性を改善することを確認した．
また，この解析結果にもとづいて，sHUBの仕様を決定し，試作品を製作した．試作品（右輪用）の外観を図2に示す．

アクチュエータ

この試作品の台上試験を行い，基本性能が目標値をハブベアリング

満足していることを確認した．また，実車試験により本制御則の効果も確認した．

図2 sHUBの試作品
Prototype of sHUB

本稿ではこれらの試験結果について報告する．
**商品開発研究所**神奈川工科大学

自動車システム開発工学科-84-

*16_03 18/10/19 9:41 ページ 2

車両運動性能を向上させるステアリング補助機能付ハブベアリング

1+ Tβsδ(s)δh (s)2ζss2 δh1+ ωn + ωn2（2）

1+ T r sδ(s)δh (s)2ζss2 δh1+ ωn + ωn2

（3）

lr
I
s2
s+
δ
V
2lK
r
ÿ (s) =Gδ (0)(s)δh (s)2ζss2 δh1+ ωn + ωn2（4）β(s) =Gδβ(0)2. 車両運動制御則
2. 1 前輪転舵による車両運動制御
神奈川工科大学の山門・狩野研究室で開発している

r (s) =Gδr (0)Matlab/Simulink® 車両運動シミュレーションモデ
ル 1） を前輪の左右にsHUBを搭載した車両モデルに改良適用し，本車両の運動性能が向上する可能性を確ÿ認した．また，このシミュレーションモデルを用いて最適な制御パラメータの設定を検討した．

1+

なお，本シミュレーションモデルはタイヤの前後，横力に対しサスペンションのリンク機構によるアンチ式(1)は，車両のヨーレイトと横加速度の応答性をダイブ，スクワット効果を考慮しているため，車体の改善するために車両のタイヤ角を決定する制御則であ姿勢変化を再現することができる．2）3）4）

り，この値からハンドル転舵によるタイヤ転舵角を引いた値をsHUBの補正転舵角とする．この制御則を式(2)，(3)，(4)に代入し，α1，α2，α3 の各パラメータ

2. 2 転舵の応答性を改善する制御
ドライバーの転舵に対して，車両のヨーレイトと横を調整することで，横すべり角β，ヨーレイト r，横加速度の応答性を改善する制御則を以下に示す．ここ加速度 ÿの応答性を改善できる．このときα1，α2，α3で，各記号は次のように定義する．

の各パラメータは，それぞれ，減衰比ζ，固有振動数n：ステアリングギヤレシオ

ωn，横加速度ÿに対応した値である．本シミュレーシ

V

：車両速度

ョンは，ドライバーの転舵速度が速くなる，または，I：車両のヨー慣性モーメント

横加速度が増加するほど，転舵に対する車両運動性能l：ホイールベース（ヨーレイトと横加速度の応答性）が低下するなど，

lr：車両重心点と後輪車軸間の距離

基本的な車両運動が再現できている．

Kr：後輪1輪あたりのタイヤコーナリングパワー

実際のシミュレーションは二輪モデル（左右輪を同じ角度で制御する．）で行いα1，α2，α3 の各パラメー

β(s) ：車両重心の横すべり角βのラプラス変換
r (s)タが転舵応答性に与える影響について調査した．その：ヨーレイトr のラプラス変換

結果をもとにパラメータを検討した 5）．

δ(s) ：前輪のタイヤ角δのラプラス変換

図3に，0.5Hzの正弦波状の転舵でレーンチェンジ

δh (s) ：ハンドル角δh のラプラス変換（約4.0m幅）を行う場合の解析結果を示す．

ÿ (s)：横加速度ÿ のラプラス変換

ωn：ステアリング転舵に対する車両応答の固有sHUBの制御パラメータ α1，α2，α3 は上記検討により決定した値を用いた．上から(a)ハンドル角，(b)振動数
ζ

前輪転舵角，(c)sHUBの作動角速度，(d)車両のヨー：ステアリング転舵に対する車両応答の減衰比Gδβ (0)，Gδr (0)，Gδÿ (0)レイト量，(e)車両の横加速度を示す．それぞれ赤線
がsHUBにより補正転舵を行った場合，青線は補正な：ステアリング転舵に対する車両応答パラメータ

しの場合に対応する．どちらの場合もハンドル角変化

δ
(s)
δh

量は等しい．
前輪転舵角の解析結果から，sHUBは補正転舵開始

2ζ
1
1+ ωn s + ωn2 s2

1
= n

1+

2ζ(1+α1)
1
s+ 2s2
ωn (1+α2)2
ωn (1+α2)()

時にタイヤ転舵角の切り増しを行い，ハンドルの戻し

×

l
I s2
l
1+ α3 r + (1−α3) r s +
Vβ=0
V
2lKr
lr
l
1+
s+
s2
2lKr
V

開始時にはsHUBの補正転舵角がゼロとなるように制御されている．なお，図3 (b)に示す前輪転舵角の赤（1）線（sHUB付車両）と青線（通常車両）の差がsHUBの転舵角に相当する．
本制御によって，ヨーレイトおよび横加速度の立ち上がりが速くなり，ドライバーの転舵に対するヨーレ-85-

*16_03 18/10/19 9:41 ページ 3

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

イトと横加速度の位相遅れが小さくなり，応答性が改

3. sHUBの構造

善されていることが確認できる．
また，一般的に想定される範囲で速度，横加速度を

3. 1 構成要素変えて実施した解析結果にもとづいて，車両のヨーレ

図4にsHUBの構成要素を示す．sHUBはハブベア

イトと横加速度の応答性を改善するために必要なリング部，ナックル部，アクチュエータ部の3要素でsHUBの仕様を検討した．表1に検討結果を示す．最構成されている．それぞれの役割について次に示す．

大転舵角は±3deg，最大角速度は10deg/sの性能

・ハブベアリング部 ：タイヤを回転支持，ナックルを満たせば，車両応答性の改善効果が期待できる．

に対して補助転舵軸回りの回転を支持
・ナックル部

ハ
ン
ド
ル
角
deg

前
輪
転
舵
角
deg

100

・アクチュエータ部 ：ナックルに固定され，ハブベ

50

アリング部を転舵駆動

0
-50
-100

0

0.5

1

1.5

10

2
2.5
3
(a) ハンドル角

3.5

4

4.5

5

ナックル

0
-5
-10

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

sHUB の 5
作動角 0
速度
-5
deg/s
-10

モータ
0

0.5

1

1.5
2
2.5
3
3.5
(c) sHUB の作動角速度

4

4.5

5

0

0.5

1

1.5

4

4.5

5

減速機

10
20
0
-20

deg/s -40

台形ねじ
2

2.5

3

3.5

アクチェータ(d) 車両のヨーレイト量
1

G

補助転舵軸

アクチェータ

10

横
加
速
度

ハブベアリング5(b) 前輪転舵角

ヨ
ー
レ
イ
ト
量

：車両の懸架装置と連結

ハブベアリング

図4 sHUBの構成要素
Components of sHUB

0.5
0
-0.5
-1

ナックル

補正なし
0

0.5

1

1.5

2

2.5
時間 s

3

3.5

4

補正あり
4.5

アクチュエータ部のモータは，車両の車速やハンド

5ル角を入力条件としてコントローラで制御される．こ(e) 車両の横加速度

図3のモータの回転運動を，減速機を介して台形ねじのナシミュレーション結果
Simulation Results

ットに伝達し，直進運動に変換している．この台形ねじの直動部がハブベアリング部に設けたアームの端部

表1項

sHUBの目標スペック
Target Spec of sHUB

目

最大転舵角
最大転舵角速度数を駆動することで，転舵軸を中心にタイヤが転舵される．

値±3 degタイヤからの逆入力は，この台形ねじのセルフロッ

10 deg⁄s

ク機能により防止される．したがって，モータの消費電力を削減することができる．

-86-

*16_03 18/10/19 9:41 ページ 4

車両運動性能を向上させるステアリング補助機能付ハブベアリング

3. 2 sHUBのスペックに示す指令値（破線）をコントローラに与えsHUBを

表1の仕様を満足し，かつ，試験車両のステアリン

転舵させ応答速度を求めた．応答速度は,sHUBの転舵

グジオメトリを変更することなく搭載可能な試作品の角（図7：実線）の最大立ち上がり速度とした．図8に仕様を表2に示す．質量は原型車両のノーマル品（ナ

負荷トルクに対するsHUBの転舵最大角速度を示す．
負荷トルクが増加すると最大角速度は減少するが，ッ ク ル と ハ ブ ベ ア リ ン グ ） に 対 し て ＋ 5kg以 下 の目標を満足する十分な角速度を確認した．

13.8kgとした．
表2 試作品のスペック
Specifications of sHUB Prototype

4

値

3

最大転舵トルク
電源電圧

350 Nm2

最大転舵角±3.5 deg

最大転舵角速度16 deg⁄s

質量13.8 kg

目

数

24 V

転舵角 deg

項

1
-4

-3

-2

-1

0
-1

0

1

2

3

4

-2
-3

4. 台上試験結果-4

モータ指令値 deg

4. 1 特性試験機

図6 モータ指令値と転舵角の関係
Relationship between Motor Command Value andSteering Angle

試験機の構成を図5に示す．試作品のナックル部を試験機に固定し，転舵軸から120mm離れたフランジ
端面の1点にエアシリンダで負荷を与え，タイヤからの反力を模擬した．

4

また，sHUBが動作している時に，実際にフランジ3面にかかる荷重をロードセルで測定した．

ロードセル

転
舵
角
120mm

エアシリンダ

2

指令値

1
0

deg -1
-2

実測値

-3
-4

図5 sHUBの試験装置
Test equipment of sHUB

時間s

図7 指令値と転舵角
Input Value and Steering Angle

4. 2 モータ指令値と転舵角の関係
図6に，モータ指令値に対する転舵角の関係を示す．

25

転舵角は実測したハブフランジ面の角度とした．

ここで，タイヤはハブフランジ面にボルト固定され

転 20
舵
最
大 15
角
速 10
度

るため，ハブフランジ面の角度とタイヤ角は等しい．

deg/s 5

本試作品は指令値に対して線形に作動していることを確認した．

00

4. 3 応答速度
ハブベアリングにステアリングトルクを負荷（エア

100

200

300

負荷トルク N・m

400

500

図8 負荷トルクと転舵最大角速度の関係
Maximum Angular Speed on Steering Torque

シリンダで120mmの位置に負荷）した状態で，図7-87-

*16_03 18/10/19 9:41 ページ 5

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

20ms程度の遅れがあったが，走行試験においては，

5. 実車試験結果

問題ないレベルであった．

5. 1 パラメータの設定

α1，α2，α3 の各パラメータの値は，sHUBを搭載

5. 3 転舵過渡応答試験

した試験車両のシングルレーンチェンジ試験，および

本制御則で制御されるsHUBによる車両の応答性のスラローム走行試験における感応評価の結果にもとづ改善を確認するため，「乗用車の操だ過渡応答試験方き決定した．

法(JASO Z110：2003)」の“パルス操だ入力”試
験を実施した 6)．試験場の広さの制限により，試験条
件は車速80km/h，パルス幅0.5sとした．図11にハ5. 2 応答試験

ンドルの操作方法を示す．ドライバーのハンドル操作

本システムを試験車両に搭載し，指令値に対するで三角波を入力する．

sHUBの機械的な応答性を確認した．
図9に示すシングルレーンチェンジのコースを車速本試験で得られたデータから，ハンドル角に対する80 km/hで走行した．路面はアスファルト（ドライ）ヨーレイト (a) と横加速度 (b) の周波数応答特性のである．

解析結果を図12に示す．赤線がsHUBによる補正転舵あり，青線が補正なしの結果であり，それぞれ3回

図10に，シングルレーンチェンジ時のsHUBへのずつ試験を実施し同様な傾向を確認した．

指令値を黒線で，実際の補正転舵角を赤線で示す．図10 (a)には試験全体のデータを，(b)は(a)の破線内

本制御を用いることで，ヨーレイト，横加速度ともを拡大したデータを示す．(b)に示すように最大でに，通常走行で使用するハンドル角の周波数（0.5〜
2.0Hz）域でピーク値の増加と位相遅れの改善傾向が見られ，車両の運動性能が高まった．これによりドラ

スタートポイントイバーは，ハンドル操作に対する車両の応答性が良く，

3.5m

思い通りの操作が実感できる．

2.5m

図9

ハンドル角

15m

15m

シングルレーンチェンジ試験コースレイアウト
Course Layout for Single Lane Change

パルス幅

1

図11 ハンドル入力条件
Input Steering Condition

sHUB 0.5
角度

deg

時間

1.5

0
-0.5

0

0.5

1

1.5

2

ヨ
ー
レ
イ
ト

-1
-1.5

時間 s

(a) 全データ

1/s

1
0.5

sHUB 0.25
角度
0

deg

-0.25 1.3

位

20ms

1.35

相
1.4

-0.5

1.45

0.2

横
加
速
度

1.5

0.1

1

90

位

30

相

0

deg
0.1

1

周波数 Hz(a) ヨーレイト

時間 s

0.1

0

10

60

-60
-90

0.15

m/s2/deg 0.05

deg -30

実測

-0.75
-1

90

指令値

0.75

0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0

10

0.1

1

10

1

10

60
30
0
-30
-60
-90

0.1

周波数 Hz(b) 横加速度補正なし(b) 一部拡大

図12 周波数応答特性の解析結果
Transient Response Characteristic

図10 シングルレーンチェンジ時の応答性
Mechanical Response Motion for Single Lane Change

-88-

補正あり

*16_03 18/10/19 9:41 ページ 6

車両運動性能を向上させるステアリング補助機能付ハブベアリング

5. 4 シングルレーンチェンジ走行試験

い通りの操作が可能になっていると考えられる．

車両の走行限界性能（一定車速条件の車両の挙動，

また，ドライバーのハンドル操作に対する車両のヨ

応答性，収束性など）を評価するため，シングルレー

ーレイト，横加速度ともにピークの遅れが小さく，応ンチェンジ試験を実施した．コースレイアウトは図9

答性が改善されている．
図14に本試験の走行軌跡を示す．sHUBにより補と同様である．

正転舵を行うことで，ハンドルの戻し時の膨らみを抑スタートポイントに車速80km/hで侵入し，スタ

えて走行できている．

ートポイント通過後，アクセルオフの状態で走行した．
図13に本試験結果を示す．赤線がsHUBによりタイヤ角の補正を行った場合，青線は補正なしの場合に5対応する．車速は補正の有無にかかわらず変化は見ら

4

Y 3
方
向 2

れなかった．
sHUBにより補正転舵を行うと，ドライバーのステ

1

距
離 0

アリング転舵量が全体的に小さくなるとともに，レー0m -0ンチェンジ後のドライバーの補正転舵量が小さくなっ

X 方向

km/h

25
0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

deg

70

補正あり

距離 m

施した．
本試験のコースレイアウトを図15に示す．スタート
ポイントに車速50km/hで進入して試験を実施した．

0

0.5

1

1.5

2

2.5

図16および，図17にハンドル角に対するヨーレイ

3

トと，横加速度の変化を示す．赤線がsHUBにより補10

正転舵を行った場合，青線は補正なしの結果である．

5sHUBを制御することで，ハンドル角が小さくなる

0とともに，ヨーレイト，横加速度は線形性が向上し，

-5
-10

60

操縦安定性の確認試験として，スラローム試験を実(b) ハンドル角
車
輪
転
舵
角

50

5. 5 スラローム走行試験
0(a) 車両速度
ハ 100
ン 50
ド
0
ル
角 -50
deg -10040

図14 車両の走行軌跡
Vehicular Swept Path

75
50

30

補正なし

-3

100

速

20

-2

ている． このためドライバーは運転がしやすく，思

車

10

0

0.5

1

1.5

(c) 車輪転舵角

22.5

ドライバーは運転操作がしやすくなっている．

3

50

ヨ
ー 25
レ
イ 0
ト -25
deg -50

横加
速度
G

スタートポイント

0

0.5

1

1.5

(d) ヨーレイト

2

2.5

3

15m

2

15m

15m

15m

図15 スラローム試験コースレイアウト
Course Layout for Slalom

1
0
-1
-2

15m

0

0.5

1

1.5
時間 s

2

2.5

3

(e) 横加速度
補正なし

図13

補正あり

試験結果（シングルレーンチェンジ）
Test Result-89-*16_03 18/10/19 9:41 ページ 7

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）60sHUBを試験車両に搭載し，上記制御則により車両

40

ヨ
ー
レ
イ
ト

の運動性能が向上することを確認した．

20

今後，左右のsHUBを独立して制御する制御則の検0deg/sec

討を進め，実車での効果を確認していく．

-20
-40
-60
-200

-150

-100

-50

0

補正なし

補正あり

50

150

100

追記
本記事は，原著論文（2018年自動車技術会春季大会学術講演
会予稿集 No.58-18 20185263『車両運動性能を向上させる前輪アクティブ転舵機能付ハブベアリング』）をもとに和訳，転載したものである．

200

ハンドル角 deg

図16 ハンドル角とヨーレイトの関係
Relationship between Steering Angle and Yaw Rate
1.5
1

横
加
速
度

参考文献

0.5

1）関谷拓磨，「車両モデルの高精度化による挙動再現性の向上に関する研究」，神奈川工科大学 卒業論文
16YKN02，(2016).
2）宮本勝祥，「基礎的な車両諸元と転舵特性に関する研究」，神奈川工科大学 卒業論文 12ABE05，(2012).
3）関谷拓磨，田中利緒，山門誠，狩野芳郎，安倍正人，「ばね上3次元車両運動の簡易な記述式車両運動モデ
ルによる運動評価」，2017年秋季大会学術講演会講
演予稿集20176253，(2017)，p1365-1369.
4）宮本勝祥，松本浩幸，桑山勲，狩野芳郎，安倍正人，「タイヤコーナリング特性に依存して車両の基本諸元
が転舵特性評価に及ぼす影響（第2報）」，2014年
学術講演会前刷集，2014753，No.122-14，(2017)，p1-4.
5）安部正人，『自動車の運動と制御』，第2版，東京電機大学出版局，(2012).
6）JASO Z110，2003「自動車規格 乗用車の操だ
過渡応答試験方法」.

0
-0.5

G

-1
-1.5

-200

-150

-100

-50

0

補正なし

補正あり

50

150

ハンドル角 deg

100

200

図17 ハンドル角と横加速度の関係
Relationship between Steering Angle and GY

6．まとめドライバーの操安性向上等を目的として,前輪左右のホイール内にそれぞれ配置されるステアリング補助機能付ハブモジュール（sHUB）を開発した．走行条
件に合わせて左右輪を適切に補正転舵することで，車両の運動性能を向上させることができた．以下に得られた結果を示す．
車両運動シミュレーションにより，転舵の応答性を改善し，理想的な車体姿勢を実現する制御則を示した．
上記シミュレーション結果から，sHUBの目標仕様を決定し，試作品による台上試験を行い，目標を満足する性能を確認した．

執筆者近影

石原

教雄

商品開発研究所浩量

伊東 貴志

商品開発研究所

大場

商品開発研究所

石橋

満憲

神奈川工科大学
自動車システム開発工学科

-90-

山門

誠

神奈川工科大学
自動車システム開発工学科

狩野芳郎

神奈川工科大学
自動車システム開発工学科

安部正人

神奈川工科大学
自動車システム開発工学科

*17_03 18/10/19 9:42 ページ 1

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）[ 商品紹介 ]早期異常検知機能付円すいころ軸受"Tapered Roller Bearings" with Early Failure Detection Sensor

山 本 直 太* Naota YAMAMOTO
内 村 宙 史** Hiroshi UCHIMURA
東 穂 翔 太** Shota TOHO
本稿では，軸受運転中に発生したはく離を早期に検出可能な「早期異常検知機能付円
すいころ軸受」について紹介する．
はく離した軸受を継続して使用すると，軸受の回転異常やはく離片の拡散により周辺部品への2次被害を引き起こすが，機械全体の振動や音に紛れ検出が困難である．
開発品は独自の分割型フィルタ付シールリング構造により，円すいころ軸受に磁気式
金属センサを取り付けることができ，はく離の検出とはく離片の軸受外への流出を防止することが可能である．

In this paper, we introduce "Tapered Roller Bearings" with early failure detection sensor, which can detectflaking that may occur on bearings during operation. Continuous use of bearings with flaking failure leads to a riskof damage to peripheral components such as the shaft and housing due to abnormal bearing rotation.
Furthermore, such flaking might also cause secondary damage such as damage to gear parts when flaking debris
from bearings is dispersed and becomes stuck in the gears. Therefore, when flaking occurs on bearings, it is best
to stop operation promptly. However, until now, it was difficult to detect flaking on bearings because it wasundetectable due to the vibrations or noise of the entire machine. The developed product utilizes a magnetic
sensor for the tapered roller bearing, with its own split type filter seal structure. Therefore the developed productcan detect failure and prevent flaking debris from flowing out of the bearings.

し，滑らかな回転が阻害される．また，はく離片が機

1. はじめに械内部に拡散すると，歯車などの他の機械要素を損傷

油潤滑で使用される建設機械用軸受は，ライフ･サさせる恐れがある．このため，LCC低減には，はく離イクル・コスト（LCC: Life Cycle Cost）低減のたの発生やその進展を早期に検出することが重要となる．

め，長寿命化や信頼性向上に加えて，損傷(はく離)の

本稿では，これらの取組みとして「早期異常検知機
能付円すいころ軸受」（以下，開発品）を紹介する．

早期検出が求められている．
はく離とは，軸受の転がり面がうろこ状にはがれる現象で，はく離が生じた軸受を継続して使用すると，2. 構造と特長

転がり面全体に進展し（図1），異音や異常振動を誘発

開発品は，建設機械をはじめ，重荷重条件で多く使用される円すいころ軸受と，磁気式金属センサを内蔵した「フィルタ付シールリング」（以下，シールリング）で構成される（図2）．シールリングは，軸受の通油性を確保しつつ，はく離片が軸受外部へ流出することを防ぐ．また，内蔵した磁気式金属センサは，はく離の発生を早期に検出することができる．

図1 はく離が進展した円すいころ軸受の内輪
Inner ring of tapered roller bearing which flaking had spread**産業機械事業本部**産業機械事業本部

適用技術部
製品設計部

-91-

*17_03 18/10/19 9:42 ページ 2

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

2. 2 フィルタ付シールリング

連結部品
磁気式金属センサ

循環給油では，歯車などの機械要素の潤滑を軸受と兼用することが多い．この場合，軸受がはく離すると，はく離片が潤滑油とともに機械内部に拡散し，他の機械要素を損傷させる恐れがある．このため，シールリ
ングを以下の仕様とし，軸受のはく離片の流出を防いでいる．
¡シールリングと内輪のすきまを小さくする（図5※1）．

フィルタ付シールリング

フィルタ

部品構成

¡シールリングに磁石を複数配置するとともに，捕獲
組立状態

したはく離片を保持するポケットを設けている．

図2 早期異常検知機能付円すいころ軸受"Tapered Roller Bearings" with early failure detection sensor¡通油性を確保するため，フィルタを複数箇所設けている（図6）．

2. 1 磁気式金属センサ

また，シールリングがはく離片を捕獲した様子を開発品は，はく離片の検出に磁気式金属センサを用

図7に示す．

いる．センサの回路図を図3に示す．基板上に２つの永久磁石を設置しており，その間にはく離片が付着し潤滑油の流れ（ポンプ作用）て導通することで，出力電圧が低下する．
(A)

フィルタ
磁石

センサ

フィルタ付シールリング

出力

GND

電源 5V

永久磁石

固定抵抗Ω

※1

すきま

図3 センサ回路図
Sensor circuit diagram

内輪大径側

内輪小径側

図5 開発品の断面図
Cross sectional view of developed product

この方法では，図3の2つの永久磁石の間の距離（A）
は，はく離片の検出感度に影響し，距離（A）が離れるほど，検出感度は低下する．一方，距離（A）が近摩耗粉保持ポケットフィルタ

づくと，はく離片よりも小さな摩耗粉も検出するため，
その結果，はく離片の検出精度が低下する（図4）．
そこで，開発品は距離（A）を最適化し，はく離片の検出精度を高めている．
A
磁石
金属粉（摩耗粉を想定したサイズ：大きさ約10µm）

A

A ー A 断面磁石

図6 フィルタと内蔵磁石
Filter and built-in magnet

金属片（初期のはく離片を想定したサイズ：大きさ約100µm）

検出する
検出しない

センサ感度

最適な (A) の設定値

近い

磁石間距離

はく離片

遠い

図7 磁石に捕獲されたはく離片（試験後）Magnet with flaking pieces

図4 磁石間距離とセンサ感度
Magnet distance and sensor sensitivity-92-

*17_03 18/10/19 9:42 ページ 3

早期異常検知機能付円すいころ軸受

シールリングは，機械への組込性を確保するため，定しないよう，安定稼働時に発生する振動値の2〜3

図2に示すように，2つの半円型部品からなる分割型

倍をしきい値とすることがある．この設定では，図としており，連結方法の違うAタイプとBタイプがあ11の上昇は異常と判定されず，はく離の発生後も機械る（図8）．円すいころ軸受とシールリングを同時には継続して運転されるため，はく離の進展や他の機械

軸受箱へ挿入する場合は，軸受箱内径面の溝に連結部要素の損傷を誘発する恐れがある．

品を挿入して固定するAタイプを用いる 1）．また，シ以上より，開発品は，一般的な異常検出方法よりもはく離片を早期に検出可能であることを確認した．

ールリングを軸受箱の肩部や端部にボルトで固定する
場合は，Bタイプを用いる．どちらのタイプもシール
リングは軸受箱に固定されており，運転中に外輪が回

ラジアル荷重転するクリープが発生したとしても，センサ用配線が切断されることはない．

振動センサ
取付位置

開発品

アキシアル
荷重

駆動モータ

図9 試験装置
Test equipment
連結部品Ａタイプ

連結部品Ｂタイプ

図8 連結部品の種類
Types of connected parts

表1 試験条件
Test Condition
軸受

円すいころ軸受

内径×外径×総幅

φ65×φ130×37 mm

3. 性能試験結果
3. 1 はく離片の検出性能
はく離片の検出性能を確認するため，図9，および

回転速度

2,000min-1

潤滑油

タービン油（VG46）

潤滑方法

循環給油

ラジアル荷重12.5kN

アキシアル荷重100kN
2,070MPa

最大接触面圧

表1に示す評価試験を行った．はく離を生じやすくするため，試験前の軸受のころ転動面に圧こんを付与した（図10）．
試験結果を図11に示す．試験開始から102時間後に，磁気式金属センサの出力電圧に低下が認められたため，試験機を停止し，軸受を観察したところ，１本のころ転動面にはく離が生じていることを確認した（図12）．

圧こんまた，本試験では，一般的な異常検出方法である軸10mm

受箱外周面での振動計測も実施し，磁気式金属センサとの比較を行った．その結果，軸受箱外周面での振動

図10 試験前のころ
Test bearing before the test

計測でも磁気式金属センサと同様，試験開始から102
時間後に振動値の変化が認められた．しかし，開発品の主要用途である建設機械は，軸受の外部から大きな振動が加わることがあるため，それを軸受の異常と判-93-

*17_03 18/10/19 9:42 ページ 4

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

16

40

振動値のしきい値

35

軸受箱外周面30

軸受箱外周面の計測では開発品（内蔵センサ） 異常と判定できない

振 25
動
値 20
m/s2 15

開発品は異常を検出した

10
5
0
95

96

97

98

99

100

101

運転時間

h

102

103

104

開

12 発

品
の
セ
8 ン
サ
出
力
電
4
圧
V

0
105

図14 継続試験で捕獲されたはく離片
Test bearing after the continuous test

図11 性能試験結果
Test result

4. 機能拡大に向けた取組み
本稿で紹介したはく離片の検出のほか，軸受温度や振動の計測による状態監視が行われている．軸受温度や振動の場合，センサの取付箇所の制約があり，軸受箱の外周面など，軸受から離れた場所で計測されるた
はく離

め，十分な感度や信頼性が得られない恐れがある．

10mm

また，機械の出力を制御するため，軸の回転速度の

図12 ころに発生したはく離
Test bearing after the test

計測も広く行われている．しかし，センサの取付け易さから，機械の外側に取り付ける場合は，外部環境が

3. 2 はく離片の捕獲性能

厳しく，早期に故障するという課題がある．
そこで，本開発品に温度と回転速度センサを追加す建設機械では，開発品がはく離片を検出した後も，ることを検討した（図15）．

継続して運転される場合がある．このため，シールリ
ングには，はく離片を捕獲し他の機械要素の損傷を防止することが求められる．3.1項の試験後軸受を再び磁気式金属センサ

図9の試験機に組み込み，表1に示す評価試験を継続

連結部品して行った．

温度センサ

その結果，試験開始後13時間でモータが過負荷となったため，試験機を停止し，軸受を観察したところ，
ころ転動面のはく離が進展していることを確認した（図13）．また，シールリングには多量のはく離片が捕獲されており，開発品がはく離片の流出を防ぐことを確認した（図14）．
フィルタ付シールリング

回転速度センサ

図15 試作品イメージ
Prototype image

10mm

図13 継続試験ではく離が進展したころ
Test bearing after the continuous test-94-

*17_03 18/10/19 9:42 ページ 5

早期異常検知機能付円すいころ軸受

4. 1 温度センサ試験結果

3,500

シールリングに温度センサを内蔵し，軸受内部を通3,000

過する潤滑油の温度を計測した．比較のため，軸受の2,500

外輪外径面で温度を計測した．

回
転 2,000
速度

3.2項のはく離片の捕獲性能試験で，試験機停止までの温度の計測結果を図16に示す．

min-1

シールリングに内蔵した温度センサの計測値は，外500程度の温度差が認められるが，8時間後には温度差が02℃以内になり，ほぼ同等であることを確認した．

0

50

100

運転時間

sec

150

200

図17 回転速度計測結果
Rotational speed instrumentation result

外輪外径面での計測
フィルタ付シールリングに内蔵したセンサ

5. おわりに

100

温
度
℃

1,500
1,000

輪外径面での計測値に対し，試験開始2時間後で5℃

120

試験機の主軸回転速度
開発品による保持器回転速度の計測値
主軸回転速度（換算値，保持器回転速度 × 係数）「早期異常検知機能付円すいころ軸受」の構造とその特長について紹介した．

80

本開発品は，軸受の早期損傷（はく離）を検出するとともに，はく離片の拡散による周辺部品への2次被
60

0

2

4

6

8

10

12

害を防止し，ライフ・サイクル・コストの低減が期待

14

運転時間 hできる．また，各種センサを搭載でき，マルチセンシ

図16 温度上昇試験結果
Temperature rise test result

ングやIoTへの活用が期待できる．
今後もより付加価値の高い商品開発に努める．

4. 2 回転速度センサ試験結果
潤滑油の中で使用可能な回転速度センサ 2) を，シールリングに内蔵し，保持器の回転速度を計測した．

参考文献
1）山本直太，内村宙史，東穂翔太：早期異常検知機能付円すいころ軸受，油空圧技術（2017）19-23.
2）内藤健一郎，山本直太，曽根克典：超大型ダンプト
ラック・ホイール軸受の動向と高機能化，NTN
TECHNICAL REVIEW，No.80（2012）78-82.

ここで，保持器と主軸の回転速度には相関があり，保持器回転速度の計測値を主軸回転速度へ換算すると，試験機の主軸回転速度と一致する結果が得られた（図17）．
今後，潤滑油中で使用可能な回転速度センサとして，開発品への実装が期待できる．

執筆者近影

山本

直太

産業機械事業本部
適用技術部

内村

宙史

産業機械事業本部
製品設計部

東穂

翔太

産業機械事業本部
製品設計部

-95-

*18_03 18/10/19 9:42 ページ 1

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）[ 商品紹介 ]風力発電装置主軸用「左右列非対称自動調心ころ軸受」
Asymmetrical Spherical Roller Bearings for Wind Turbine Main Shafts

瀨 古 一 将* Kazumasa SEKO
山 本 貴 志** Takashi YAMAMOTO
風力発電装置の主軸受に使用される自動調心ころ軸受では，風荷重による一方向のアキ
シアル荷重により片列負荷となる．また，自動調心ころ軸受特有の転がりすべりと潤滑不足による軌道面ところの金属接触により，外輪軌道面に摩耗が生じ，はく離や割れが発生することがある．

NTNは本事象の対策として左右列でころの長さと接触角が異なる，風力発電装置主軸用「左右列非対称自動調心ころ軸受」を開発したので紹介する．

Wind turbine main shaft bearings are subjected to axial loading caused by wind loads. The use of spherical roller
bearings for such applications results in one row being subjected to larger loads as compared to the opposite row.
Additionally, spherical roller bearings have a characteristic of rolling and sliding due to inherent internal geometry.
These conditions, combined with insufficient lubrication at the roller/raceway contact, lead to wear at the outer
raceway surface. As a result damage might occur particularly in the outer ring raceway surface.
NTN has developed “Asymmetrical Spherical Roller Bearings” for wind turbine main shafts that have an
asymmetrical design utilizing different length rollers and a different contact angle between internal left and rightroller rows in order to address these issues.

洋上機種の建設コストは陸上機種よりも大幅に増加

1. はじめにするため，1基あたりの発電容量を大きくした装置が風力発電は二酸化炭素を排出せず，環境への影響が採用されるようになり，12ＭＷまで開発が進んでいる．

少ないクリーンエネルギーの1つとして，これまでグ

一方で，風力発電装置は不具合が一旦発生すると軸受の交換に多大な費用が必要になるため，大型化や洋ローバルで飛躍的な発展を遂げてきた．

上化される風力発電装置用軸受には，より一層高い信世界風力会議（GWEC）の発表によると2017年

頼性が求められる．

末の風力発電装置累計導入量は約540ＧＷで，この10年間でおよそ5倍以上に増加している．また，同会議の今後5年間の市場予測では，約9〜10％の年成

1,000

実績

電装置メーカ各社が洋上機種の開発を本格化させてい

238

283

319

370

433

488

540

592

650

712

20
1

予測

図1 風力発電装置累計導入量の推移 1)
Global cumulative installed wind capacity

る．
適用技術部
製品設計部

-96-

774

841

1
20
12
20
13
20
14
20
15
20
16
20
17
20
18
20
19
20
20
20
21
20
22

198

20
10

07

20

発電効率および設備稼働率向上を目的として，風力発

159

08
20
09

0

また，陸上で適切な設置場所が減少していることや，

121
74 94
48 59
24 31 39
20

200

20

へと成長させようとする動きがある．

2

GW

01

国の補助なしで採算をとることができるエネルギー源

20の電力と競争させるために，補助金を徐々に削減し，

累
計 600
導
入
量 400

た．しかし，欧米では風力発電を火力や水力などの他

20
0

どの国の政策補助によって導入の促進が図られてき**産業機械事業本部**産業機械事業本部

累計導入量（実績）
累計導入量（予測）

800

20
05
20
06

これまで，風力発電は固定価格買取制度（FIT）な

03
20
04

長率で増加が想定されている（図1）．

*18_03 18/10/19 9:42 ページ 2

風力発電装置主軸用「左右列非対称自動調心ころ軸受」

100%

2. 風力発電装置の構造

単列円すいころ軸受 背面組合せ

使
用
割
合
︵
イ
メ
ー
ジ
︶

2. 1 軸受使用箇所
風力発電装置には水平軸，垂直軸の形式があるが，商業用大型機の主流である3枚ブレード（翼）の水平軸プロペラ型風車を紹介する．
図2に2ＭＷ程度の陸上機種で主流の誘導発電タイ

急勾配複列円すいころ軸受

円筒ころ軸受＋複列円すいころ軸受

自動調心ころ軸受

プのナセル部を示す．ブレードで風エネルギーを受け，0%

ロータが回転し，増速機で回転数を増速させた後，誘

1

2

3

4

5

6

7

8

発電容量 MW

図3

導発電機でこの運動エネルギーを電気エネルギーに変換する．

風力発電装置の発電容量と主軸受形式の関係 2)
Relationship between generation capacity
and type of main shaft bearings

軸受は，ロータ軸の支持部，増速機，発電機で使用されるほか，3枚のブレード付根の旋回部やタワー頂

3. 破損事例と対策部のヨー旋回部と，それらを駆動する減速機に使用される．軸受は１基あたり20〜30個使用される．

3. 1 市場の技術課題
前述のとおり，風力発電装置用軸受には高い信頼性

主軸受

ロータ

増速機

が要求されるが，軸受の計算寿命より短時間で主軸受発電機が破損する場合があり，特に現在主流となっている発
電容量2ＭＷ程度の風力発電装置の主軸受に多く使用される自動調心ころ軸受の長寿命化の要求がある．
風力発電装置の主軸受はロータやブレードなどの重量が垂直方向に作用するラジアル荷重に加えて，風荷

減速機
ブレード（翼）重が水平一方向に作用するアキシアル荷重を受けるた

ナセル

め，主流のアップウインド型 ※1風力発電装置では，

タワー

フロント列（ブレードに近い側）に比べてリア列（ブレ

図2 風力発電装置の構造
Internal structure of wind turbine

ードから遠い側）により大きな荷重が作用する（図4）．

2. 2 主軸受の種類

フロント列（ブレードに近い側）

ロータ軸を支持する主軸受は大型化の一途を辿って

リア列（ブレードから遠い側）

きたが，洋上風力発電装置では一般産業機械でも経験が少ない外径2ｍを超える大型サイズの軸受を使用す
る．その軸受形式も発電容量によって変化する．発電
容量が2ＭＷ程度の風力発電装置では，高負荷容量で取付誤差に対する許容能力に優れた自動調心ころ軸受

風荷重が多く使用されている．

アキシアル荷重

一方，2ＭＷ以上の機種では，風力発電装置の構造や発電方式がメーカ毎にさまざまであるため，使用さ

図4 主軸受に使用される自動調心ころ軸受の荷重負荷状態
Loading condition of SRB for main shaft bearings

れる軸受形式も単列円すいころ軸受の背面組合せや，
急こう配複列円すいころ軸受，円筒ころ軸受と複列円
すいころ軸受の組合せなど多岐にわたる．5ＭＷ以上の洋上機種では，接触角をもち，モーメント荷重の負荷に有利な円すいころ軸受が主流になりつつある．

※1 アップウインド型：風を受けるロータが風上側に位置

図3に発電容量と主軸受の軸受形式の関係を示す．

する風力発電装置．

-97-

*18_03 18/10/19 9:42 ページ 3

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

また，自動調心ころ軸受特有の転がりすべり ※2

PV 値の高い箇所から摩耗（図5）と潤滑不足（油膜切れ）による軌道面ところの金属接触により，PV 値※3の高い箇所から軌道面の二山摩耗が進行する．これにより，摩耗の発生しない
純転がり部に応力集中が起こり，特に大きな荷重が作用する外輪のリア列にはく離や割れが発生することがある（図6，図7 (a)〜(c)）．回転する内輪は，軌道面全周に均一に荷重が負荷されるが，外輪はハウジン
グに固定されるため荷重負荷域が特定の範囲に集中し繰り返し負荷されることで，損傷が発生する．
(a) 摩耗発生箇所
Area of wear occurrence
外輪側にも内輪側と同様の速度差が生じる

純転がり部に応力集中が発生

軌道輪の各位置の周速
ころの各位置の周速

す
べ
り
速
度

(b) 応力集中発生箇所
Area of stress concentration occurrence

A：ころの周速＜軌道輪の周速
B：ころの周速＞軌道輪の周速
C：ころの周速＝軌道輪の周速

図5

自動調心ころ軸受の転がりすべりの概略図
Image of rolling and sliding in SRB

応力集中によりはく離(c) はく離発生箇所
Area of flaking occurrence
図6

図7 二山摩耗破損のメカニズム
Mechanism of flaking on non-slip line

純転がり位置でのはく離
Flaking on non-slip line

※2 転がりすべり：ころと軌道輪の間に生じる回転方向の速度差に起因するすべり．
※3 PV 値：接触面圧(P)と転がりすべり速度(V )の積．

-98-

*18_03 18/10/19 9:42 ページ 4

風力発電装置主軸用「左右列非対称自動調心ころ軸受」

3. 2 非対称設計による対策のダウンサイジングが可能となり，風力発電装置全体のコンパクト化・軽量化に寄与する（図11）．

こ の よ う な 損 傷 へ の 対 策 と し て NTNが 開 発 し た「左右列非対称自動調心ころ軸受」（以下，開発品）は，また，本開発品は内輪に中鍔を有し，ころの姿勢をこうした風力発電装置特有の条件で使用するため，こ

内輪軌道面，外輪軌道面，内輪中鍔面の3点で支持すろの設計を見直し，寿命と耐摩耗性を向上させた．具る（図8）．これによりころのスキュー ※4を防止し，

体的には開発品の接触角を従来品に対し，フロント列

軌道輪ところの間のすべりを抑制する．

は小さく，リア列は大きくし，ころの長さはフロント
列よりリア列を長くすることで，風によるアキシアル
荷重をリア列で効率よく受け，ラジアル荷重をフロン

従来品
240/600B

ト列で積極的に受ける設計とした．これにより，フロ
ント列，リア列のころで荷重を適切に分担することができる（図8）．3）4）

開発品
240/600B

フロント列

L1

α1

0

リア列

従来品比

約 2.5 倍

0.5

1.5

1.0

2.0

2.5

3.0

寿命比

L2

図9 従来品と開発品の計算寿命の比較
Comparison result of calculation life of conventional SRB
and asymmetrical SRB

従来品
開発品

α2

中鍔

約 30％低減PV 値

α2 ＞α1
L 2 ＞ L1

中鍔側

図8 開発品の断面図
Cross section of Asymmetrical SRB

軸方向ころ長さ

小鍔側

図10 従来品と開発品のPV 値の比較（リア列）Comparison result of PV value on rear side row ofconventional SRB and asymmetrical SRB

本開発品は従来品と同じ主要寸法で設計可能で，既存の風力発電装置で使用中の従来品に対して置き換えることで，長寿命化と早期破損の抑制をもたらし，メンテナンスコストの削減にも寄与する．本開発品は風力発電装置主軸受特有の使用条件で，計算寿命が約

内径 11％減
質量 29％減

2.5倍，摩耗に影響する指標であるPV 値の約30％低従来品
240/600B減を実現した（図9，図10）．
さらに，本開発品は従来品と同等の寿命を持つ主軸

開発品
240/530B

図11 設計例（ダウンサイジング）
Example of design for down sizing

受を内径約10％減，質量約30％減で設計可能である．
例えば，従来品240／600B（φ600×φ870×幅272）と開発品240／530B（φ530×φ780×幅250）の寿命は同等である．風力発電装置の新規設※4 スキュー：ころ軸受において，ころが正規の自転軸に計時に本開発品を採用することで，従来品に対し軸受

対して傾くこと．

-99-

*18_03 18/10/19 9:42 ページ 5

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

図13に試験結果および各軸受の転動体荷重分布の4. 実機サイズ軸受による評価

計算結果を示す．試験結果を比較すると，開発品のリ

図12，表1に試験機および試験条件を示す．負荷

ア列の温度上昇は従来品と比較して2〜3℃低くなっ

荷重は，実際の風力発電装置の軸受荷重を平均化したており，フロント列とリア列の温度差も小さくなって

ラジアル荷重とアキシアル荷重の組合せとした．実機いる．この結果から開発品は転動体荷重分布の計算結で発生し得る回転数を含む3水準で運転温度を測定し果が示すとおり，風力発電装置の平均的な荷重条件下評価した．

において，従来品よりも左右列で効率的に荷重を分担しているといえる．
ラジアル荷重

表1 実機サイズ軸受試験の試験条件
Test condition of actual size bearing test
フロント列
温度測定位置リア列
温度測定位置

試験軸受

従来品

軸受サイズ（mm）
試験軸受上側

試験軸受

標準設計

軸受設計

アキシアル荷重10, 30, 50（ステップアップ）

試験時間（h）

各回転数 32392（0.06Cr）
115

ラジアル
アキシアル

図12 実機サイズ軸受試験の試験機
Testing machine for actual size bearings test

温度上昇

転動体荷重分布試験軸受上側50

50min -1

45
40

従来品

温 30
度
上 25
昇 20

N

40,00020,00010min -1

0

℃ 15

フロント列

10

フロント列
リア列

リア列

5
0

60,00030min -1

35

0

16

32

48

時間 h

64

80

96

試験軸受下側試験軸受上側50

60,00045
40

開発品

20,000

温 30
度
上 25
昇 20

0

℃ 15

フロント列

10

フロント列
リア列

リア列

5
0

N

40,000

35

0

16

32

48

時間 h

64

80

96

試験軸受下側図13 実機サイズ軸受の試験結果，転動体荷重分布計算結果
Test result and calculation result of load duration distribution with actual size bearings

-100-

非対称設計

回転数（min-1）

負荷荷重（kN）

試験軸受下側開発品

内径600×外径870×幅272

*18_03 18/10/19 11:38 ページ 6

風力発電装置主軸用「左右列非対称自動調心ころ軸受」

参考文献

5. まとめ風力発電装置の主軸受に使用される自動調心ころ軸
受では，風荷重による一方向のアキシアル荷重がリア列により作用することに加え，当該軸受特有の転がり
すべりと潤滑不足により，リア列の外輪軌道面に摩耗が生じ，はく離や割れが発生することがある．

NTNはこの対策として左右列でころの長さと接触角が異なる風力発電装置主軸用「左右列非対称自動調
心ころ軸受」を開発した．以下に開発品の特徴を示す．
・左右列のころの長さと接触角が異なる非対称設計
・計算寿命が2.5倍に向上（従来品比）＊
・PV 値が30％低減（従来品比）により，耐摩耗特性が向上＊
・従来品と同等寿命の主軸受を内径約10％減，質量約30％減で設計可能＊当社が算出した風力発電装置主軸受に作用する平均的な疲労荷重条件にて算出．

執筆者近影

瀨古

一将

産業機械事業本部
適用技術部

山本

貴志

産業機械事業本部
製品設計部

-101-

1）GWEC, GLOBAL WIND STATISTIC 2017，（2018年2月），3頁.
2）堀 径生，伊藤 夏海，静内 誠，高橋 亨，風力発電装
置の軸受技術動向，日本風力エネルギー学会40周年記念号，通巻123号（2017年11月），454頁．
3）瀨古 一将，NTN新商品，風力発電装置主軸用「左右列非対称自動調心ころ軸受」の紹介，クリーンエネ
ルギー，通巻307号，（2018年2月），67頁．
4）瀨古 一将，風力発電装置主軸用「左右列非対称自動調心ころ軸受」の開発，月刊トライボロジー，
No.368，（2018年4月），16頁．

*19_*09 18/10/19 9:43 ページ 1

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）[ 商品紹介]系統連系用NTNマイクロ水車
Grid Connectable NTN Micro Hydro Turbine

伊 藤 隆 志*木 村 寛 太*金 村 泰 成*Takashi ITOU
kanta KIMURA
Yasunari KANAMURA

地球温暖化やエネルギーミックスへの関心の高まりから，水力発電などの再生可能エネル
ギーの需要が急速に高まっている．NTNは，既存の農業用水路や工業用水路に設置して発電した電力をバッテリに充電し，電力系統が敷設されていない場所での電力利用を可能にするNTNマイクロ水車を商品化している．今回新たに電力系統に連系して，発電した電力を売電可能な「系統連系用NTNマイクロ水車」を開発した．
本稿では，開発品の特長や構造について紹介する．

Demand of renewable energy such as hydroelectric power generation is increasing rapidly from rise of global
warming and the interest to the energy mix. NTN already commercialized the NTN Micro hydro Turbine which is usedin existing agricultural canal and industrial canal and makes electric power available in the place where the no powersystem exists. NTN develops Grid Connectable NTN Micro hydro Turbine. This paper introduces the features and thestructure of the developed products .

自然災害などの非常時における電源確保も大きな課

1. はじめに題である．非常用電源として予備発電機の設置が行わ

持続可能な社会を実現するため，エネルギー問題はれているが，燃料の備蓄などの課題がある．再生可能

世界規模で取り組むべき課題である．主な取組みとしエネルギーは燃料の備蓄が不要で，非常用電源への活て，昨今の気候変動に関わる温室効果ガス排出の抑制用が期待されている．NTNは，太陽光発電と風力発電

および脱化石燃料化に向けた省エネルギー化，あるいの発電電力をバッテリに充電し，夜間の照明や非常用は再生可能エネルギーの利用推進によるエネルギーの電源として活用可能なグリーンパワーステーションを多様化が進められている．図1に東日本大震災前の電商品化している．

源構成の実績と2030年度の想定を示す．特に，再生水力発電は，太陽光発電や風力発電と比較して発電可能エネルギーは東日本大震災前の実績と比較して2量の変動が小さく安定して電力を供給することが可能

倍以上高く想定されており，今後の成長が期待されてである．NTNは，水路を流れる水の速度エネルギーをいる 1)．

利用した流水式の小水力発電装置，「NTNマイクロ水

100％
90％
80％
70％

省エネ

11％

再エネ

原子力

22％〜 24％程度

バイオマス
3.7 〜 9.1％

27％

原子力

風力 1.7％程度

20％〜 22％程度

60％
50％
40％

火力全体

30％

火力全体

62％

56％程度

震災前10年間平均

2030年度20％10％0％車」を開発し商品化している 2)． NTNマイクロ水車

地熱 1.0％程度

は，発電した電力をバッテリに充電して，電力インフラが整備されていない場所での電力供給や災害時の非常用電源などに利用する自家消費を想定した独立電源

太陽光
7％程度

タイプである．
一方，日本では再生可能エネルギーの普及を図るた

水力
8.8 〜 9.1％程度

め，2012年7月より電力固定価格買取制度（以下，FIT）が開始された．FITとは，再生可能エネルギーで発電した電力を電力会社が一定の価格で買い取ること

図1 2030年度想定の電源構成
The power supply construction in FY2030*自然エネルギー商品事業部を義務付けた制度である．この制度の導入により投資

技術部

-102-

*19_*09 18/10/19 9:43 ページ 2

系統連系用NTNマイクロ水車

回収が容易になるため，同じ再生可能エネルギーであ3. 系統連系用NTNマイクロ水車の構成

る太陽光発電は導入量が大きく伸びている．

NTNが行った市場調査では，水力発電に対する需要

NTNマイクロ水車の外観を図3に，仕様を表2に，は，FITを利用して売電が可能な系統連系タイプのも

系統連系用NTNマイクロ水車の構成を図4に示す．

のが多いことがわかった．また，表1に示すように

NTNマイクロ水車が発電した交流電力は，コントロ

200kW未満の水力発電の買取価格は2020年度まで

ーラにより直流電力に変換され，その後パワーコンデ

34円/kWhと，200kW以上より優遇されているたィショナに入力される．

め，今後200kW未満の水力発電の普及が進むと考え

パワーコンディショナは，直流電力を交流電力に変られる 3)．

換して電力系統に送電する機器である．このコントロ

本稿では，発電した電力の売電が可能な「系統連系ーラとパワーコンディショナを合せて系統連系システ

用NTNマイクロ水車」を開発したので，その構造や特ムと呼び，NTNマイクロ水車が発電した電力を安全に

長について紹介する．

効率よく系統に送電し，売電を可能にする．

表1

水力発電の買取価格(1kWh当たり)
FIT price of hydro turbine
1,000kW以上 200kW以上
5,000kW未満 1,000kW未満

2017年度
2018年度
2019年度

24円＋税

29円＋税

200kW未満

34円＋税

2020年度
買取期間20年間

2. 系統連系とは

図3 NTNマイクロ水車
NTN Micro Hydro Turbine

系統連系とは，図2に示すように太陽光発電や水力発電などの発電設備を電力会社の送電線または配電線

表2 NTNマイクロ水車仕様
Specification of NTN Micro Hydro Turbine（電力系統）に接続することである．発電設備を系統連系することで，発電した電力を電力会社に売電することが可能になる．

NTN
マイクロ水車

系統連系
システム

系統

水車翼径
mm

出力
kW

定格流速
m/s

600

0.4

2

幅 ：
水深：

900

1.0

2

幅 ：1,000
水深：1,000

1,300

2.0

2

幅 ：1,400
水深：1,400

電力会社

NTN
マイクロ水車

図2 系統連系のイメージ
Image of grid connection

推奨水路
mm 以上
700
700

系統連系システム

コントローラパワーコンディショナ

図4 系統連系用NTNマイクロ水車の構成
System configuration of Grid Connectable
NTN Micro Hydro Turbine

-103-

系統

*19_*09 18/10/19 9:43 ページ 3

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）③水車翼の回転速度がN3からN4に下がると発電電力

4. 系統連系システム構成機器の機能がP3からP4になる．

（1）コントローラ④発電電力がP4に減少したため，回転速度を上げてN3に戻す.

コントローラは，発電機が発電した電力を整流する⑤水車翼の回転速度がN3からN2に上がると発電電力

整流回路部と，系統連系用NTNマイクロ水車の制御をがP3からP2になる．

行う制御回路部から構成される．コントローラは以下⑥発電電力がP2に減少したため，水車翼の回転速度の機能を有している．

を下げてN3に戻す．

①発電機が発電した交流電力を直流電力に変換（整この制御を繰り返し，発電出力を最大化する．

流）し，パワーコンディショナに入力する．
②発電機の発電電力や回転速度を監視する．
③水車翼に巻き込まれた異物を水流により押し流すた発電電力の最大点⑥④⑤

めの水車翼の回転速度制御を行う 2)．

（2）パワーコンディショナ

P3
P2
発 P4
電
電
力

コントローラにより変換された直流電力を電力系統に送電可能な交流電力に変換し，電力系統へ送電する機器である．系統連系用NTNマイクロ水車の系統連系

③

②
①

P1

システムでは，発電電力を最大化する制御は最大電力
点 追 随 制 御 （ Maximum Power Point Tracking，以下，MPPT）を採用している．

N4 N3 N2 N1

水車翼回転速度5. 系統連系用NTNマイクロ水車の発電電力制御について

図5 MPPTの制御手順
Control Method of MPPT

MPPTは発電電力を自動で最大化する制御である．

しかしながらMPPTを水力発電制御に適用する場

水力発電の発電電力制御にMPPTを適用すること

合，以下により最大の発電電力が得られないことがあで，発電電力を常時測定しながら発電機の負荷を変えった．

て水車翼の回転速度を変化させ，最大の発電電力が得

水路の流速，流量が短時間に大きく変化し，られる水車翼の回転速度に制御する．系統連系用NTN

MPPTの最大電力点から大きく外れた場合，制御が追マイクロ水車は発電電力0.4kW，1kW，2kW用があ

従せず，発電機の負荷が上昇し続け，水流から発生す

り，MPPTの標準搭載は発電電力2kW以下の小水力る水車翼トルクが不足し，水車翼回転速度が低下する発電装置では業界初である．系統連系用NTNマイクロ場合がある．この現象は，図6に示す水車翼回転速度-

水車に搭載したMPPTは以下の利点がある．

水車翼トルク特性で，通常は①にある作動条件が①→②のようにストール領域に移動した場合に発生し，水・事前に設置する水路の水路幅，水位，流速を測定し車翼回転速度および水車翼トルクが低下して，最大発てコントローラを調整する作業が不要となり，設置電電力が得られなくなる．

工数・費用を大幅に削減できる．

系統連系用NTNマイクロ水車は，最大発電電力が得

・水路の水位や流速が変化しても最大電力で発電できられるよう水車翼回転速度と発電電力を常時比較し，る．

ストール領域に移動しないよう制御する．

MPPTの制御手順を以下に示す（図5）．

また，ストール領域に陥った場合でもこれを判定①水車翼の回転速度をN1からN2に下げて発電電力をし，MPPTが最大電力点に復帰する制御を組み込むこP1からP2に増加させる．

とで，これらの問題を解決した．

②水車翼の回転速度をN2からN3に下げて発電電力をP2からP3に増加させる．
-104-

*19_*09 18/10/19 9:43 ページ 4

系統連系用NTNマイクロ水車

転速度に比例)を変化させ，発電電力の推移を測定し流速 高①た．その測定結果を図9に示す．発電電力は最大749Wであった．

ストール領域水車
翼トルク

次に，図8（b）に示すように，パワーコンディショ
ナを接続し測定した．この実証試験では模擬電源負荷②を使用し，系統に接続した状況を再現した．
発電電力を測定した結果を図10に示す．発電電力
は平均738Wとなり，最大発電電力を良好に追従し
ている．

流速 低

（a）電子負荷接続時

水車翼回転速度NTN
マイクロ水車図6 水車翼回転速度-トルク特性例
Rotation speed of propeller vs torquecharacteristic diagram

6．実水路での実証試験

コントローラ電子負荷（b）パワーコンディショナ接続時
NTN
マイクロ水車開発した系統連系システムの実証試験を行い，性能

パワー
コンディショナ

コントローラ

模擬電源負荷評価を行った．実証試験の状況を図7に，実証試験条
件を表3に示す．実証試験では，パワーコンディショ
ナのMPPTによる最大発電電力の追従性能を検証し

図8 実証試験の構成図
Test lig layout of field test

た．なお，実証試験に使用した水路は水深が十分でなく，水車翼の一部が水面から出ている状態であった．

1000

まず，実証試験対象水路の発電電力の最大値を確認800するため，図8（a）に示すように，コントローラ出力
発電
電
力に電子負荷を接続し，発電機の発電電圧(水車翼の回

600

749W

400

W

200
0

0

100

200

300

400

発電電圧 V

図9 電子負荷接続時の最大発電電力の測定結果
Result of field test
1000
800

発
電
電
力
W

図7 実証試験
Field test目条

平均 738 W

400
200

表3 実証試験条件
Test condition
項

600

0

件

水車翼径

φ900

水 深
実証試験時流速

670 mm
2.0 m/s

図10

-105-

0

200

400

時間

秒

600

800

パワーコンディショナ接続時の発電電力の測定結果
Result of field test

*19_*09 18/10/19 9:43 ページ 5

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）

7. 簡単操作機構「イージーリフタ」

8. おわりに台風などの増水時に水路に流れる流木やゴミなどに

本稿では，NTNマイクロ水車で発電した電力を売電

より水車本体が損傷を受けるのを防ぐ必要がある．予することを可能にする「系統連系用 NTNマイクロ水め水車翼を水面より上方へ引き上げることができれ車」の機能や特長，NTN独自の高効率な系統連系用シば，より安全な稼働が可能である．NTNマイクロ水車

ステムのコントローラやパワーコンディショナの構成

は，これらの緊急時に一時的に水車翼を水流から引きや性能および一時的に水車翼を水流から引き上げ，引上げる機構「イージーリフタ」を装備可能である．

き下げることが可能な機構「イージーリフタ」について紹介した．

また，本機構により定期的な保守の際にもクレーンなどの大掛かりな設備が不要で，安全かつ容易に引上農業用水路などを利用した水力発電の市場はさらなげ，引下げができるので，保守点検作業の短縮と費用る拡大が期待されるが，投資回収年数の短縮やユーザの削減が可能となる．図11に NTNマイクロ水車の通にとって安全で使いやすい水力発電装置が求められて常稼働時，図12に引上げ時の状態を示す．

いる．今後，小水力発電の利用拡大に向け，さらなる高効率化とニーズの取込みを図っていく．

「イージーリフタ」の操作方法は．回転軸に固定された水車本体をNTNベアリングユニットで回転可能に

またNTNは，エネルギー供給源の多様化と持続可能支持し，操作レバーで手動操作するレバー式（図13）な社会の実現に貢献していくため，太陽光発電，風力と，電動モータが装着可能なウォームギヤ式（図14）

発電を含めた自然エネルギーを活用した関連商品の拡がある．

充にも取り組んでいる．
2016年より販売開始したNTNハイブリッド街路灯4)は，需要と用途が拡大している．大阪大学が開発した
日本最大級の災害救援・防災マップである「災救マップ」アプリと，一般社団法人「全国自治会活動支援ネット」が普及を進めている、みまもりカメラ機能を持つWi-Fiステーション「みまもりロボくんⅢ」の独立電源および駆体としてNTNハイブリッド街路灯が採用されている 5)．「みまもりロボくんⅢ」はLED照明に加え，監視カメラやWi-Fiなどの機器が標準装備され、比較的風況や日照状況が悪い環境においても安定

図11 通常稼働状態
Normal operation

した電源供給が必要であり，このためハイブリッド街

図12 水車翼引上げ状態
After lifting up blade unit

路灯を高発電容量化したグリーンパワーステーション
として新たに導入している．

操作用レバー

カップリング
固定梁

固定梁

ウォームギヤNTN
ベアリングユニット（両側）
NTN
ベアリングユニット（両側）
回転軸

図13 レバー式
Lever type

図14 ウォームギヤ式
Worm gear type

-106-

回転軸

*19_*09 18/10/19 9:43 ページ 6

系統連系用NTNマイクロ水車

今後もこれらの共同研究や，自然エネルギーを活用した商品の開発と販売を通じて，地域でエネルギーを創出し地域で消費する地産地消型エネルギーの提案を進め，低炭素化社会の実現にも貢献していく．また地
方自治体や自治会などへの需要喚起により，地域コミ
ュニティの安全・安心にも貢献していく．

参考文献
1）経済産業省，長期エネルギー需給見通し関連資料．
2）川合智哉，向井浩氣，後藤知美，マイクロ水車，
NTN TECHNICAL REVIEW , No.84,(2016) 29．
3）経済産業省ホームページ，なっとく！再生可能エネ
ルギー．
4）NTN新製品ニュース，静粛性の高いハイブリッド街
路灯の販売開始，
https://www.ntn.co.jp/japan/news/new_produ
cts/news201600058.html
5）NTN新製品ニュース，産官社学連携による「ITを用いた防災・見守り・観光に関する共同研究」に参画
https://www.ntn.co.jp/japan/news/press/new
s201700086.html

執筆者近影

伊藤

隆志

自然エネルギー商品事業部
技術部

木村

寛太

自然エネルギー商品事業部
技術部

金村

泰成

自然エネルギー商品事業部
技術部

-107-

*20_22受賞案件_*18,19_受賞案件 18/10/19 9:44 ページ 1

NTN TECHNICAL REVIEW No. 86（2018）

受賞案件の紹介2017年“超”モノづくり部品大賞 自動車部品賞受賞

自動車用ULTAGE※1(アルテージ)円すいころ軸受
ULTAGE※1 Tapered Roller Bearing for Automotive Application
川井崇

Takashi KAWAI

藤掛 泰人

石川 貴則

宮入 進

Yasuhito FUJIKAKE

Takanori ISHIKAWA

Susumu MIYAIRI(3) 世界最高水準の高速回転性能
許容回転速度 約10％向上(4) 許容傾き角（ミスアライメント量）
許容傾き角 最大で4倍

1. はじめに
世界最高水準の高負荷容量と高速回転性能を実現した「自動車用アルテージ円すいころ軸受」1)が，モノづくり
日本会議・日刊工業新聞社主催の2017年“超”モノづくり部品大賞自動車部品賞を受賞した．
理論に基づき軸受の最大寿命を得るために「軸受内部設計の新たな最適化設計技術」を構築し「独自のころ加工技術」を確立した点が独創的技術として評価された．

2. 構

軌道面軸方向断面での接触面圧分布の計算例を図2に示す．自動車用アルテージ円すいころ軸受では，特殊クラウ
ニングの適用により，接触領域端部の過大な圧力（エッジロード）を抑えつつ，接触面圧分布全体が最小化されることから，軸受寿命の向上に繋がる．

造

大

自動車用アルテージ円すいころ軸受の概略構造を図1に示す．
形状最適化により温度上昇を抑制

従来円すいころ軸受 2）
自動車用アルテージ円すいころ軸受

接
触
面
圧

ころ形状の最適化により接触面
圧を最小化

小ころ軌道面軸方向幅

外輪

図2 軌道面に生じる面圧分布
Contact stress distribution on raceway

保持器

内輪

ころ

4. まとめ図1 自動車用アルテージ円すいころ軸受の構造
Structure of ULTAGE Tapered Roller Bearing for Automotive Application

自動車用円すいころ軸受では使用条件は益々厳しくな3. 特る一方，小形化や長寿命化の要求が高まっている．これ

長ら要求に応える自動車用アルテージ円すいころ軸受を自従来円すいころ軸受2)との比較による自動車用アルテー
ジ円すいころ軸受の特長を以下に示す．

動車の省燃費化に貢献できる商品として幅広く市場に展開していきたい．

(1) 世界最高水準の高負荷容量
基本動定格荷重 1.3倍
(2) 長寿命（基本定格寿命比）
標準タイプ（軸受鋼,標準焼入れ）2.5倍以上
高機能タイプ（FA処理）
3.8倍以上参考文献
1）藤掛 泰人，石川 貴則，宮入 進：自動車用アルテージ円すいころ軸受，
NTN TECHNICAL REVIEW, No. 85，(2017)51-55．
2）NTN，転がり軸受総合カタログ，CAT. No. 2202-VII/J．

執筆者近影※1 ULTAGE ®（アルテージ）とは究極を意味する【Ultimate】とあらゆる場面での活躍を意味する【Stage】を組み合せた造語で，世界最高水準の
NTN新世代軸受のシリーズ総称です．

川井崇

自動車事業本部
自動車軸受技術部

藤掛泰人

自動車事業本部
自動車軸受技術部

石川

貴則

宮入

自動車事業本部
自動車軸受技術部-108-

進

自動車事業本部
自動車軸受技術部

*20_22受賞案件_*18,19_受賞案件 18/10/19 9:44 ページ 2

NTN TECHNICAL REVIEW No. 86（2018）

受賞案件の紹介
日本材料学会 「第51回X線材料強度に関するシンポジウム

最優秀発表賞」受賞

転がり軸受のピーリング損傷におよぼす残留応力の影響
Effect of Residual Stress on Peeling of Rolling Bearings
嘉村 直哉

藤田

工

佐々木 敏彦Naoya KAMURA

Takumi FUJITA

Toshihiko SASAKI

1. はじめに本研究では，ピーリング損傷に至る転動疲労の進行過程を，2次元検出器を有するX線残留応力測定装置を用いて調査し，転動疲労が残留応力，半価幅，残留オース
テナイトの変化だけでなく，結晶配向もともなう現象であることを明らかにした1),2)．
この度，日本材料学会主催の「第51回X線材料強度に関するシンポジウム」における本研究に関する発表が，若手研究者を対象として選考される「最優秀発表賞」を受賞した．本報では，その発表内容の概要を紹介する．

図1 試験前後のX線回折環
Diffraction rings before and after testing
18

浸炭窒化品
標準熱処理品16

要14

転動疲労試験には二円筒試験機を使用し，希薄潤滑条
件で転動疲労させた試験片表面のX線測定を実施した．
測定には2次元検出器を有するX線回折環分析装置を使用し，三軸応力解析理論を用いた残留応力測定と残留オ
ーステナイト測定，結晶配向を調査した．試験片にはSUJ2の標準熱処理品と浸炭窒化品を使用し，両者の転動疲労にともなうX線分析値の変化を調べた．図1に実験で得られたX線回折環の例を示す．
結晶配向の進行度を表すパラメータS/S0の変化を図2に示す．浸炭窒化品は標準熱処理品に比べて結晶配向の進行が遅くなることがわかった．これには残留オーステ
ナイトと固溶元素（主に窒素）が影響していると考えられる．

3. 今後の展開

12

S/S0

2. 概

（b）106 回負荷後
106 cycles（a）試験前Before testing

10
8
6
4
2
0

1

10

102

103

負荷回数

104

105

106

図2 結晶配向の進行度S/S0と負荷回数の関係
Relationships between progress of crystal orientation S/S0
and the number of loading cycles
S0：試験前の回折環の強度分布の標準偏差Standard deviation of intensity distribution of diffraction ring
before testing.
S：各負荷回数での回折環の強度分布の標準偏差Standard deviation of intensity distribution of diffraction ring
while testing.

参考文献

X線分析を用いた転動疲労度の推定は，転がり軸受の1）嘉村 直哉，藤田 工，佐々木 敏彦：転がり軸受のピーリング損傷におよぼす残留応力の影響(第2報) ，第51回X線材料強度に関するシンポジウム予稿集，(2017)109-112．
2）嘉村 直哉，藤田 工，佐々木 敏彦：X線回折環分析装置による転動
疲労の評価，NTN TECHNICAL REVIEW, No. 83，(2015) 67-74．

破損予知や転動疲労の迅速評価を可能にする重要な技術であり，今後も本研究に継続的に取り組む．

執筆者近影

嘉村 直哉

藤田 工

佐々木 敏彦

先端技術研究所

先端技術研究所

金沢大学 人間科学系-109-

*20_22受賞案件_*18,19_受賞案件 18/10/19 9:44 ページ 3

NTN TECHNICAL REVIEW No. 86（2018）

受賞案件の紹介2017年度「日本トライボロジー学会

論文賞」

受賞

低Λ条件でのスラスト玉軸受の転動疲労寿命
Rolling Contact Fatigue of Thrust Ball Bearing under Low Lambda Condition
工長谷川 直哉

嘉村 直哉

佐々木 敏彦Takumi FUJITA藤田

Naoya HASEGAWA

Naoya KAMURA

Toshihiko SASAKI

1000

1. はじめに

2. 概

100

実寿命 h

日本トライボロジー学会の学会誌「トライボロジスト」に投稿した首記論文1)が2017年度の論文賞を受賞した．
以下，本論文の内容について紹介する．

要

8

4

0.1
0.1

12

11

10

1

9

3
6

10

100

計算寿命 (a3×L10h）1000

図1 計算寿命（a3×L10h）と実寿命の関係
Correlation diagram between calculated life (a3×L10h) andestimated life from experimental results.
③②の結果と残留応力を考慮した真実接触部下の内部応力の推定④③の応力と寿命の関係（SN線図）の確立

3. 今後の展開
低Λ条件での転がり軸受の寿命推定方法の研究は，機械の高効率化の要請により潤滑油の低粘度化が進む昨今の状況において，転がり軸受の信頼性を決める重要な研究分野である．今後も，本論文で明らかになった本研究
分野の課題に継続して取り組み，当社の転がり軸受の信頼性向上につなげる．
参考文献
1）藤田工，長谷川直哉，嘉村直哉，佐々木敏彦： 低ラムダ条件でのスラスト玉軸受の転動疲労寿命，トライボロジスト，60，11(2015) 741-751．
2）藤田工，長谷川直哉，嘉村直哉，佐々木敏彦： 低ラムダ条件でのスラスト玉軸受の転動疲労寿命，NTN TECHNICAL REVIEW，
No. 84，(2016) 85-95．

執筆者近影

藤田 工

長谷川 直哉

嘉村 直哉

佐々木 敏彦

先端技術研究所

先端技術研究所

先端技術研究所

金沢大学 人間科学系

-110-

2

1

1

希薄潤滑条件（以下，低Λ条件）におけるスラスト玉軸受の転動疲労寿命試験の結果に基づいて，低Λ条件での転動疲労寿命に影響を与える様々な要因について考察した．具体的には，転動体と軌道輪の表面粗さ，荷重，
転動速度を系統的に変えた試験を行い，計算寿命と実寿命の関係を調査した（図1）．また，計算寿命と実寿命の関係性を，試験前後の表面粗さの変化（以下，なじみ）のデータとはく離形態の調査結果に基づいて検討した2)．
その結果，表面起点型のはく離形態が転動体と軌道輪の初期の表面粗さとなじみの状況の違いによって2種類（本論文では，転走跡幅に近い大きさのはく離をフレーキ
ング，数十μmの微小はく離の集合をピーリングと呼んで分類）現れることを見出した．また，運転条件によってなじみの挙動が変わること，はく離形態の違い（図1中のNo.1〜9とNo.10〜12のはく離形態はそれぞれフレーキングとピーリング）によって転動疲労寿命に及ぼす荷重の影響が異なることを明らかにした．
これらの知見に基づいた「低Λ条件での転がり軸受の転動疲労寿命の推定では，運転条件によって変わるなじ
みも考慮すべき」という本論文の主張は，従来の寿命推定式（ISOおよびJISの寿命推定式）に反映されていない考え方である．本論文の内容をふまえると，今後の低Λ
条件での転がり軸受の転動疲労寿命推定では，以下が今後の研究課題になると考えられる．
①潤滑条件と転動部品の材質によるなじみの推定②なじみを考慮した表面粗さと潤滑油の荷重分担の推定

7
5

10

*20_22受賞案件_*18,19_受賞案件 18/10/19 9:44 ページ 4

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）[ 新商品紹介 ]鉄道車両用小型密封式車軸軸受ユニット
車軸軸受ユニットの密封性の確保と軸方向寸法の短縮を実現

保持器

内輪

ころ

外輪
軸受幅寸法内に配置した
新開発オイルシール

特構

長① 車軸軸受ユニットの軸方向寸法を約15％短縮，
車軸たわみを約30％低減することで，車軸軸受の耐久性向上に貢献

造

新開発したオイルシールを軸受幅寸法内に配置すること
で，車軸軸受ユニットの密封性の確保と軸方向寸法の短縮を実現② 従来品と同等の定格荷重，高速性，グリース密
封性を実現

用

途

開発品

¡鉄道車両用車軸軸受

約 15％短縮（使用箇所）
車軸軸受ユニット

従来品

-111-

*20_22受賞案件_*18,19_受賞案件 18/10/19 9:44 ページ 5

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）[ 新商品紹介 ]プロペラシャフト用小型しゅう動式
等速ジョイント（HEDJ-P）
小型・軽量化を実現したプロペラシャフト用しゅう動式等速ジョイント

外輪

ボール

シャフト

ケージ

内輪

特

長

¡質

量

¡外輪外径

構

造

プロペラシャフト用等速ジョイントの必要機能に絞って軽量コンパクト化を達成：17％低減（従来品比）：6％低減（従来品比）¡強度，耐久性：従来品と同等

用

途¡プロペラシャフト用等速ジョイント

適用箇所

-112-

*20_22受賞案件_*18,19_受賞案件 18/10/19 9:44 ページ 6

NTN TECHNICAL REVIEW No.86（2018）[ 新商品紹介 ]※多目的オフロード車両 用超高角DOJ（DOJ-W）
作動角39度を実現したしゅう動式等速ジョイント
構

造
外輪

ボール

ケージ

シャフト

39 度

内輪

特

長

最大作動角と外輪外径¡最 大 作 動 角：39度（従来品：30.5度）

120¡強度，耐久性：従来品と同等¡外 輪 外 径：コンパクト設計で外径寸法の

110

外輪外径

用

mm

増加を8％以下へ

途

開発品
現行品

100
90
80

¡多目的オフロード車両用ドライブシャフト等

70
20

適用部位

25

30

最大作動角

35

40

度

※SSV（Side by Side Vehicle）やUTV（Utility Task Vehicle）あるいはROV（Recreational Off highway Vehicle）とも呼ばれ，米国を中心に，業務用からレジャー用まで幅広い用途で人気を博している丸ハンドルタイプの4輪バギー車の総称-113-