2012/5/16

2012年度ポジショニング特別セミナー

ケーエスエス株式会社(カテゴリ：位置決め技術の応用事例)

技術部 技術課
上本武司

概要・主旨
ミニチュアボールねじは位置決め機械要素部品として使用されるケースが多い。
しかしながら、ミニチュアボールねじは位置決め要素部品の1つにすぎず、ボールねじ単体で超精密位置決めを実現するのは不可能である。
実使用の際は位置決めテーブル(位置決め機構)の1つの要素として機能する。
(主に動力伝達を担う)。
今講演ではミニチュアボールねじ単体がユニット・テーブル化した際でのを中心に報告・解説する。

Copyright(C) KSS Co.,Ltd. All Rights Reserved～目次～ Index
まとめ）ボールねじ機能と位置決め・姿勢関連精度

KSS会社紹介 ・・・1 ページ

・・・24ページ(ミニチュア) ボールねじについて・ミニチュアボールねじとは？ ・・・2ページ

ボールねじと位置決め精度を取り巻く状況

・・・25ページ・ミニチュアボールの特徴

ミニチュアボールねじに対する取り組み

・・・26ページ

・・・3～4ページ

・ミニチュアボールのバリエーションと用途(例) ･･･5～7ページ

位置決めテーブルとボールねじ総括・位置決めテーブルの基本構造と役割

・・・8ページ

・ミニチュアボールの位置決め出力・・・9ページ・・・27ページ

位置決め関連精度・姿勢関連精度の種類と定義
・・・10～12ページ

位置決め・姿勢関連精度に関与するボールねじ機能
・位置決め・姿勢関連精度とボールねじ機能 ・・・13ページ
・リード精度と位置決め精度影響・・・14～15ページ

・軸方向剛性と位置決め精度影響

・・・16ページ・軸の振れ回りと位置決め・姿勢関連精度

・・・17～18ページ

・軸の振れ回りと位置決め・姿勢関連精度（実測例） ・・・19ページ
・ボールねじ温度変化と位置決め精度影響
・ボールねじトルクと位置決め精度影響･･･20ページ

・・・21ページ・走行距離と位置決め精度影響（&実測例）

・・・22～23ページ

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1

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1ページ

ケーエスエス株式会社とは？～紹介～
ミニチュアボールねじの専門メーカで、ボールねじの他、送りねじ、樹脂ナットねじ、更にこれら単品と複合商品(ユニット)を製造・販売。
製造拠点を新潟県小千谷市に構える。

精密ﾎﾞｰﾙねじ、転造ﾎﾞｰﾙねじ

精密送りねじ樹脂(レジン)送りねじ
ﾓｰﾀ直結型ﾎﾞｰﾙねじ(MoBo)
各種ｱｸﾁｭｴｰﾀ

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2ページ(ミニチュア)ボールねじとは？
▼ボールねじ基本概要▼
ボールねじの構成

軸

ボール

循環部

ナット

図例：
リターンガイド方式ボールねじ

循環部

軸～転がり要素系に属す～
ねじのピッチ(リード) ：軸を1回転した場合にナットが移動する長さ
例：ピッチ1㎜ならば軸1回転でナットが「1㎜」移動する

ボールねじの主要な役割

ボール

ナット等間隔(ピッチ)の“らせん”溝の持つ軸とナットの間に多数のボール(鋼球)の転がりにより動作するをに変換すること

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3ページ(ミニチュア)ボールねじの特徴
ボールねじは、球の転がり接触・伝達により、動作効率に秀でている。
(↑面接触系のすべり・台形ねじと比べて)以下に動力変換における効率グラフを示す。

μ:（摩擦係数）μ:（摩擦係数）

リード0.5～2.0㎜

リード角(deg)
リード角(deg)

リード角(deg)

逆効率：ナット → ねじ軸の動力伝達

正効率：ねじ軸 → ナットの動力伝達

すべりねじと比べて駆動トルクは1／3以下
スムース＆なめらかな動作が可能
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4ページ(ミニチュア)ボールねじの特徴 ～続き適正な予圧を付与することにより、軸方向すきまをゼロにすることができ、動剛性を高めることが可能。← バックラッシュの除去、送り精度の向上＜予圧方式について ＞(スペーサボール仕様)
ｵｰﾊﾞｰｻｲｽﾞ球

ナット大大

小

スペーサ球

小大

ねじ軸
軸-ナット溝の球空間容積より大きめの球を組み込む

弊社ではオーバーサイズボール予圧を採用
ミニチュアボールねじの省スペース性を重視

スペーサ球を用いてオーバーサイズ球同士の競り合いを無くし、作動感(なめらかな動作)を維持。

寿命予測の計算式が定義されており、 走行寿命予測が可能(目安程度)
球の転がり駆動である為、すべりねじと比べて(遙かに)摩耗しにくい製品の品質寿命が長い
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32012/5/165ページ「ミニチュアボールねじ」 と その「バリエーション」▼「ミニチュア」ボールねじの定義について▼
軸外径φ60㎜

弊社では軸外径φ16以下のボールねじを「ミニチュア」ボールねじと呼称している。
(特に明確な定義があるわけではない)
軸外径φ4㎜
ミニチュアボールねじ

軸外径

リード(位置決め用途)

リード(高速駆動用途)＜軸外径－リード＞

φ40.5,

1,23,*バリエーション

φ60.5,

1,26, 10,12(＊一例)

φ80.5,

1,210,12

φ10

1,2,320, 25,

30

φ121,2,310

φ15(φ14)

1,2,310, 20,

位置決め用途X

高速駆動用途
単位：mm4,1030

Copyright(C) KSS Co.,Ltd. All Rights Reserved「ミニチュアボールねじ」 の用途

6ページ

おもな使用用途：半導体、液晶などの製造、検査装置
光学顕微鏡、X-Yステージ、医療機器

ＫＳＳ主要納入業種 (ミニチュアボールねじ)

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7ページ「ミニチュアボールねじ」 の用途例(主にテーブル関係)(φ1.8mm)を使用した超小型 ﾍﾟﾝ型ｱｸﾁｭｴｰﾀ

当社最小のボールねじ(φ1.8mm)を使用した
超小型 1軸ステージ

ﾄﾗﾆｵﾝ付き超小型ﾎﾞｰﾙねじ(軸径；φ2.0mm、ﾘｰﾄﾞ；0.5mm)

極小ボールねじφ1.8～3.0
φ1.8ボールねじ

軸径（mm）

ﾘｰﾄﾞ（mm）

1.80.52.00.53.00.5、1.0

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位置決めテーブルの基本構造とボールねじの役割

8ページ・モーター(駆動源)
役割：回転動力･カップリング
役割：モーターシャフトとボールねじ軸を繋げる

可動テーブル・ナット・ボールねじ
役割：回転運動を直線運動に変換する
種類：滑り、転がり・ガイド(案内機構)
役割：直線方向に案内する
種類：滑り、転がり

ｶｯﾌﾟﾘﾝｸﾞ、軸受、ｶﾞｲﾄﾞ、ボールねじが総合して位置決め精度が決定する

稼働テーブルとﾎﾞｰﾙねじナットは連結固定されており、ボールねじ直線運動 → テーブル移動の関係がある(←位置決め)

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9ページ「ミニチュアボールねじ」 と 位置決めテーブル出力について
下図のテーブル機構にて(簡略化の為、案内機構、固定支持機構の描画は省略) 、ＩＮＰＵＴ：動力源であるパルスモータ(ステップ角0.72ﾟ)に1250パルスを与え、2.5回転させる。

ＯＵＴＰＵＴ ：リード1㎜のボールねじはモータからの2.5回転に倣い、ナットと固定されたテーブルは2.5㎜ 移動する(図中の赤●を仮想基準点とした)。

(ステップ角0.72ﾟ)

2.5回転

仮想基準点

モータ
リード1㎜のボールねじモータCopyright(C) KSS Co.,Ltd. All Rights Reserved「位置決め関連精度」・「姿勢関連精度」について

絶対位置決め精度

ピッチング

繰返し位置決め精度

ヨーイング

ロストモーション

ローリング

10ページ

反射鏡

当然ながら、これらの位置決め関連精度(姿勢精度含む)は、ボールねじ単体では測定できない。
ステージ(位置決めテーブル)として組上げて、初めて測定できる項目。

●主にレーザ測長機を用いて測定●

位置決めテーブルを組んだ際、重要となる性能(or指標)

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11ページ「位置決め関連精度」の種類と定義について①位置決め精度

目標位置と実際に移動した位置との誤差＋位置決め動作（アクチュエータを目標の点で止める動作）を行ない、目標点と実際の停止位置との差の絶対値を求める。
この測定を原点から最大ストロークの範囲内の各点で行ない、求めた値の最大値を示したもの。

+方向と-方向の最大フレ幅0－

性質： 位置決め精度、

絶対位置決め精度

基準位置②繰り返し位置決め精度
任意の一点へ同じ動作方向からの位置決め（アクチュエータを目標の点で止める動作）を7回繰り返して停止位置を測定し、停止位置の最大値と最小値の差（最大差）を1/2したもの。

性質： 再現性、＋方向と-方向の最大振れ幅

1st
2st
3st
4st
基準位置

片方向再現性③ロストモーション－

目標位置

0＋両方向から同一目標へ位置決めした場合の差遊びや、機械系の剛性と摩擦力などの関係によって出力されない運動。
任意の一点へ正の向きでの位置決めと、負の向きでの位置決めによる両停止位置の差。

性質： 再現性、両方向再現性

基準点A

基準点B
目標位置

Copyright(C) KSS Co.,Ltd. All Rights Reserved「姿勢関連精度」の種類について
テーブル

12ページ

真上視点

真横視点
テーブル

：ヨーイング：ピッチング：ローリング

真正面視点
テーブル

これら姿勢関連精度は主にテーブルの傾き(角度)を評価する項目。

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72012/5/1613ページ

位置決め・姿勢関連精度に関与するボールねじ機能・項目
以下に(ミニチュア)ボールねじのスペックがテーブルの位置決め関連精度に与え得る代表的な要因を示す。

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14ページ

ボールねじ「リード(移動量)精度」について▼リード(移動量)精度とは？▼
リード1㎜のボールねじ軸ナットの有効移動量、またはねじ軸のねじ部有効長さに対する代表移動量の誤差とその変動のこと。

仮に、3回転分を、規定リード1㎜間隔で展開すると、呼びリード(規定リード)

更にねじ部有効長さ間にて任意に取った300㎜及び1回転に対する変動で規定される。
(JIS B1192より)

Vu：変動
代表移動量に平行に引いた2線で挟んだ実移動量の最大幅
V300：変動(300㎜間)
任意にとった300㎜間での実移動量の最大幅
V2π：変動(2π)
任意の1回転に対する実移動量の最大幅

1㎜

1㎜

1.00?㎜

1.00?㎜

0.99?㎜

誤差は累積・・・

実測のリードには多少なりとも誤差が存在する▼リード(移動量)誤差線図(定義図)▼
ねじ部有効長さ＋呼び移動量0La－リード(移動量)誤差

T：基準移動量の目標値
基準移動量をあらかじめ＋or－しておく場合の目標値
Ls：基準移動量
基準リードに従って任意の回転数を経たときの移動量
La：実移動量 (実測値)
任意のねじ軸回転角に対するナット実移動量
Lm：代表移動量
実移動量の曲線を最小二乗法を用いて直線化
ep：代表移動量誤差
代表移動量から基準移動量を引いた値

実リード(実測リード)

1㎜

Lm

LsT

V300

ep
V2π2π

Vu

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2012/5/16「リード(移動量)精度」が位置決め関連精度に与える影響

15ページ▼ 精密ボールねじ(位置決め用：Ｃ系列)の代表移動量誤差(±ep)と変動(Vu)の許容値 ▼(JIS B1192より )C0

精度等級(ｍｍ)
ねじ部有効長さC1C3C5超え以下±ep

Vu

±ep

Vu±ep

Vu±ep

Vu

100200315400500630
800

100200315400500630
800
1000

33.5456678333.53.544563.54.56789101155555678810121315161821888101012131518202325273035401818182020232527

単位：μｍ▼ 精密ボールねじ(位置決め用：Ｃ系列)における300㎜及び1回転の変動(V300) (V2π)▼ (JIS B1192より )
精度等級
変動項目
許容値(μm)

C0V300
3.5C1V2π3V300
5C3V2π4V300
8C5V2π6V300
18V2π8単位：μｍ

追記1 ：上記精度等級表より、リード(移動量)精度許容値の“表記”分解能はμオーダーである(最小0.5μm)。
故に、テーブル位置決めにて、ボールねじが有効ねじ長内で受け持つ精度範囲もせいぜいμオーダーが(規定上での)最小範囲となる。
追記2 ：リード精度類はボールねじナットの歩み精度という形で出力されるが、ナットが介在することにより平均化効果が作用し、リード精度類(特に変動)は“ならされる”。
これによりねじ軸のみのリード誤差・変動の実測値よりも(最終出力は)低い傾向となる。
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16ページ「軸方向剛性(すきま含む)」が位置決め関連精度に与える影響▼ ボールねじ動剛性簡略モデル▼ (固定支持部、動力伝達部は省略)

直進出力
回転入力

ねじ軸－ナット間剛性 :Kn

テーブル

ねじ軸剛性 :Ks省略

ナット－テーブル間剛性

モータ
剛性の単位系：[N/μｍ]

ねじ軸剛性:Ks と ねじ軸-ナット間剛性:Kn の和がボールねじ自身の剛性となる。
上記図より、モータ動力がボールねじ軸に作用しても、ボールねじ自体が一種のバネ系の振る舞いをし、テーブルに対しての直進出力に空白区間(伝達ロス)を生じさせる。
特に回転速度の変化、回転の切り替り時において、それが顕著となる(剛性≑バネ特性)。

追記1 ：上述、「バネ系の振る舞い」では、速度変化、回転切り替り時だけでなく、テーブル負荷からも影響を受ける。またねじ軸剛性は「軸のストローク位置」によって剛性値(バネ特性)が変わることに注意。
(剛性が関係しているが故に、ロストモーション等は送り条件、負荷条件によっても異なってくる)。
追記2 ：軸方向すきま(予圧無し)については、剛性の問題(バネ特性)よりまず先に、「遊び」の問題が色濃く影響する。これは繰り返し位置決め精度、ロストモーション(=>バックラッシ)に悪影響を与える。
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92012/5/16「軸の振れ回り」が位置決め・姿勢関連精度に与える影響

17ページ▼ ボールねじ軸の振れが姿勢関連精度に与えうる影響▼
ボールねじ軸芯線(理想状態)
テーブルには軸振れによる負荷(抵抗)は一切作用しない
ボールねじ軸振れ部分

実際は大なり小なり振れがある(軸の曲がり)。
軸振れがあると走行時、その振れ箇所近辺にて、テーブルに対し負荷抵抗が作用する。

負荷抵抗→ ボールねじからの“突き上げ”や“引き込み”作用

テーブルに傾き等の姿勢状態の変化が発生し得る
テーブルブロックは直動ガイドに拘束されてはいるが、実際はボールねじ軸振れからの負荷により直動ガイドは変形・変位(微少量)する。←(テーブルの姿勢変化を招く)
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18ページ

姿勢関連精度が位置決め関連精度に与える影響▼ テーブルにおいて姿勢変化が発生した場合▼
例としてテーブルにヨーイング角が生じたと仮定すると、その角度とテーブルの幾何的変位の関係は以下のよう表現される。

dｙ

角度－変位量 関係式

dｙ ： 変位量 mm
L ： ボールねじ中心からの距離 mm

L↑ヨーイング角 発生前

θθ ： ヨーイング角ﾟ

d ｙ ＝ L ×tanθ
上記関係により、姿勢変化により生じた変位量ｄｙは

追記1 ：上記図例はヨーイング角での変位量ｄｙであるが、ピッチングに対しても同様に変位量ｄpが生じる。
これは位置決め出力において変位量dyとdpの合成変位量として位置決め誤差影響になり得る。
追記2 ：テーブル上の任意の位置に観測基準点をおいた場合、その位置によって変位量は変化する。
(観測基準点がボールねじ軸中心から離れる程、ヨーイングから生じた変位量は大きくなる)。
また、上記図はテーブル進行方向(軸方向)変位のみを対象としており、ボールねじ中心距離Lについても(ヨーイングによる)幾何的変位が生じることに注意。
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10

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19ページ

ボールねじ軸「振れ」が位置決め精度に与える影響 (検証例)
測定(検証)目的 ： ボールねじ軸振れ(曲がり)による位置決め精度(＆姿勢精度)劣化の確認
測定対象品 ： 弊社標準アクチュエータ 「FAS-G010-020」(使用ボールねじ外径φ6 リード1㎜、精度等級C5、軸方向すきま (5μｍ以内)品)

測定の概要 ： 先に振れが低い状態で位置決め・姿勢精度類を測定した後、アクチュエータからボールねじのみ外し、意図的にボールねじ軸に曲がりを付与した後、再組付け→再測定。
(再組付け時に組立て再現性に悪影響が出ぬよう、アクチュエータ自体に脱着機構を専用に授けた)

▼結果▼
0.020

位置決め誤差(mm)

0.015

A：振れ小
B：振れ大
0.010

Bに振れ回りによる波打ち挙動が発生？
0.005

0.000
0.00 1.25 2.50 3.75 5.00 6.25 7.50 8.75 10.0011.2512.5013.7515.0016.2517.5018.7520.00

測定位置(mm)-0.005

結果として、軸振れが大きいと姿勢精度影響→位置決め精度に悪影響を及ぼすことが確認できた。
Copyright(C) KSS Co.,Ltd. All Rights Reserved「ボールねじ温度変化」が位置決め精度に与える影響について

20ページ▼ ボールねじ軸熱影響による位置決め精度劣化▼
走行時においてボールねじ軸の温度が上昇すると軸自体が伸び、それに伴ってボールねじリードも伸びて（変化して）しまう。これにより、位置決め関連精度の低下を招き得る。

ボールねじ軸の材質はSCM材（通称：クロモリ材）という鉄鋼材料が主として使われており、軸の伸び（変化量）は以下の式によって算出が可能。
（↑ステンレス材軸も有り）
温度変化－変位量 関係式

dL ＝ α ×dT × L
α ： 線膨張係数
鉄鋼材は約1.2×10 ^‐5 /dT ： ねじ軸の温度変化
L ： ねじ部長さ ㎜
dL ： ねじ軸変位量 ㎜

例として、100㎜の軸(SCM材)に1℃の温度上昇が生じた場合、軸方向に1.2μｍの伸びが生ずる。

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21ページ「ボールねじトルク」が位置決め精度に与える影響について▼ ボールねじトルクと位置決め精度 ▼ボールねじトルク(予圧付与)の「瞬間的な変動」、もしくは駆動時における「トルクむら」は、位置決め制御系において「溜りパルス」(位置偏差)の変動を引き起こす要因となる。
これは結果として位置決め関連精度に対し、良からぬ影響を与えてしまう。
上記理由により、ボールねじトルクは、なるだけ「なめらか」＆「一定」であることが望ましい。
これらを実現する1つの手段(方法)として、本稿4ページ目にて紹介・解説した、が効果的である。
(スペーサボール仕様)
スペーサ球
ナット

Torque Voltage (V)Troque Comparison Load Balls & Spacer Balls
スペーサ球有り無しによるボールねじトルク波形比較グラフ

ｵｰﾊﾞｰｻｲｽﾞ
球87

Torque spikes

大6小大大小5

ねじ軸

4321

φ10‐2
Travel：140mm60rpm
Lub.：Oil

スペーサボール仕様のトルク波形(緑線)はスペーサ無しのトルク波形(赤線)と比較して、トルクスパイク(瞬間的トルク変動) が抑えられているのが確認できる。

AllLoad Balls
Spacer Balls

0TravelCopyright(C) KSS Co.,Ltd. All Rights Reserved22ページ走行距離を経ての位置決め関連精度の変化▼MoBo ｱｸﾁｭｴｰﾀ走行距離における位置決め関連精度の変化▼

軸外径φ6 リード2㎜
走行条件
走行 ： ｽﾃｰｼﾞ状態で測定（写真参照）
姿勢 ： 垂直
速度 ： 20mm/s
荷重 ： 1.5~3kgf【絶対位置決め精度の変化】
Absolute positioning trend during Durability Test
Absolute positioning (um)

■ 使用送りねじ 3種 ■・精密ﾎﾞｰﾙねじ・転造ﾎﾞｰﾙねじ
・樹脂ﾅｯﾄすべりねじ

4035.73529.13026.4

25 23
Precision

20Rolled

15Resin

10 5.86.9

6.55 1.6

1.8

00100

200

300

400500Distance (km)Precision：精密ボールねじ

Rolled：転造ボールねじ Resin：樹脂ナットすべりねじ

MoBoアクチュエータ外観
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122012/5/1623ページ

走行距離を経ての位置決め関連精度の変化【繰り返し位置決め精度の変化】【ロストモーションの変化】

Repeatability trend during Durability Test

Lost motion trend during Durability Test
Lost motion (um)

Repeatability (um)

17.9

18Precision

16Rolled

14Resin

12
1050

4645

Precision

40Rolled

35

Resin

30
25

8206

154

1.8
2 0.5
0.1

1.6

102.2
1.7

1.20.3

5 2.5
10.6

022.7
11.3
0.4

00

100

200300400500Distance (km)0100200300

400

500

Distance (km)

MoBoねじ種類別 位置決め関連精度の目安

単位：mm

精密ﾎﾞｰﾙねじ

転造ﾎﾞｰﾙねじ

樹脂滑りねじ繰り返し位置決め精度±0.005±0.01±0.05ﾛｽﾄﾓｰｼｮﾝ

0.005

0.010.05

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24ページまとめ) ボールねじ機能 と 位置決め・姿勢関連精度の関係
ボールねじ機能関係する位置決め・姿勢関連精度制御など介さず、純粋にボールねじのみで持ちうる位置決め精度レベルは軸のリード精度にほぼ依存し、ナットとの組合わせによる平均化効果を考慮するとせいぜい1～2ミクロンオーダーと推察する(←あくまで推測による参考値です)。
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132012/5/16

25ページ(ミニチュア)ボールねじ と 位置決め精度 を取り巻く状況

しかしながら、実使用においてボールねじを用いた位置決めテーブル系は、なんらかの制御系でもって精度を補償している。
下図に示したチャートは各メーカが位置決め制御にて用いている制御方式の割合であり、近年にいたってはクローズド制御が大半を占めている。
クローズド制御において、ボールねじ単体で持ちうる位置決め精度類は大抵が補償されるのが現状である。

“超”精密位置決めの認識

精密位置決めの認識(全平均位置)(全平均位置)

回答者分布 ％( )近年の位置決め精度認識アンケート結果（精密工学会資料-右図）より、精密位置決めを1um前後、超精密位置決めを1～10nmと認識している傾向にあるのがわかる。
上述の認識を今現在の位置決め業界での指標と念頭に置いて、ボールねじ単体における位置決め精度能力を鑑みるに、ボールねじ単体は、“かろうじて”精密位置決め精度(認識)に属する、と判断できる。

00.01

0.1

110100um

0.0001 0.001 0.01

0.1

110um

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弊社における(ミニチュア)ボールねじに対する取組み概要
ｺﾝﾊﾟｸﾄ化
超小型化

長尺化

26ページ

複合化
サブユニット化
短納期化

ミニチュア
ボールねじ低価格化

特殊環境対応ﾒﾝﾃﾅﾝｽﾌﾘｰ
低騒音化

低トルク化
（なめらかさ）

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142012/5/16

27ページ

総 括結論としては、近年、位置決め精度向上を目的としてﾎﾞｰﾙねじ単品への要求はおおきなウェイトを占めなくなってきている。
現状の動向としては位置決め精度要求より、高速、高加減速要求の方が多くなってきている。
今後は、位置決め精度をﾎﾞｰﾙねじに依存する率は徐々に低くなり、その変わりとして、ﾎﾞｰﾙねじには違った機能（高速化、低騒音化、低価格化など）の要求が増加すると思われる。
(ミニチュアボールねじの現状・現況)

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http://www.kss-superdrive.co.jp

ご清聴ありがとうございました。
Thank you for paying your attention.

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