住友重機械技報 200
No.

巻頭言

2019

多様化する顧客ニーズに応える PTC

田中利治

パワートランスミッション・コントロール特集
論文・報告

修，山本泰三

１

南雲稔也

５

安藤

学

９

精密制御用サイクロ減速機 F４C- DAシリーズの開発

阿部

瞬

11

分散制御用インバータ DF-520シリーズ

小松幹生

13

ギヤモータ状態監視システムの開発

鈴木幸太

15

桒田泰伸，山中一真，市川智子

19

製造，材料活用，設計技術の融合による高効率誘導モータの開発
振動計測によるはすば歯車減速機のかみ合い伝達誤差の推定

技 術 解 説 精密小型減速機 ECYシリーズの開発

ギヤボックスの故障診断

中﨑

新製品紹介 シンガポール向けIE３効率規制対応モータ

21

BBB-Hシリーズ小型領域への対応

22

論文・報告
IMPT用患者QAツールの開発

水谷昌平，山口喬

23

Sumitomo Heavy Industries
Technical Review

No.

PTC Responding to Diversifying Customer Needs

200

2019

Toshiharu TANAKA

Special Issue for Power Transmission & Controls
T / P APERS

Development of High Efficiency Asynchronous Motor by Combining Design Technique, Processing
Technique and Material Utilization Technique1

Estimation of Loaded Static Transmission Error Using Vibration Measurement in Helical Gear
Reducer

5

Osamu NAKAZAKI，Taizo YAMAMOTO

Toshiya NAGUMO

T/INVITATIONSDevelopment of High Precision Small Gearboxes : ECY Series
Manabu ANDOH

Development of FINE CYCLO F4C-DA Series
Shun ABE

Decentralized Inverter DF-520 Series
Mikio KOMATSU

Development of Gearmotor Condition Monitoring System
Kota SUZUKI

Failure Diagnosis of Gearbox
Yasunobu KUWADA，Kazuma YAMANAKA, Tomoko ICHIKAWA

NEW PRODUCTS IE３ Efficiency Motor for Singapore

11
13
15
19
21

Bevel BUDDYBOX H Series Small Range

T / PAPERS

９22

Development of Patient Specific QA Tool for Intensity Modulated Proton Therapy
Shohei MIZUTANI, Takashi YAMAGUCHI

23

パワートランスミッション・コントロール特集の発行に当たって多様化する顧客ニーズに応えるPTC
取締役専務執行役員
P T C事 業 部 長

田

中

利

治

パワートランスミッション・コントロール特集号の発行に当たり，日頃より当社の変減速機事業発展に対しご支援・ご協力をいただいている皆様に心より御礼と感謝の意を表します。
動力伝達装置の歯車機構は紀元前から存在しており，長い歴史のなかで技術進化がなされ，今日に至っても技術開発に各社が競っています。当社がドイツ・サイクロ社と技術提携し，戦前の1939（ 昭和14）
年にサイクロ減速機の国内生産をスタートしてから，今年で80周年という節目の年を迎えました。200＃，4 000＃，6 000＃の開発とともにサイクロ減
速機は性能を向上させてきました。サイクロ減速機とともに事業を拡大してきた当社のパワートランスミッション事業は，現在では，そのラインアップを数W程度の小型汎用ギヤモータから数千kW用の超大型特殊ギヤボックスまで拡大しています。また，いち早く海外展開することで，世界に通用するパワートランスミッションのグローバルメーカーとなりました。
現在，私たちが直面している世界を俯瞰してみますと各国の政治的思惑，イデオロギーの対立により，世界経済は不確実で先行きが見通しにくい不透明なVUCAの時代となっています。一方，第４次産業革命と称される各種技術革新も急速に進展し，私たちの日常生
活に浸透，ライフスタイルが急激に変化しています。標準品が大量生産，大量消費された時代のビジネスモデルから一変し，インターネットで飛び交う多様なニーズに素早く，きめ細かく対応できる企業が勝者となる世の中となりつつあります。このような大変革の時
代に，動力源としてのモータ，制御，変減速機コンポーネントメーカーの役割は，高品質な製品を安定生産するだけでなく，社会・生活のあらゆる場面を動かし支える優れた製品を提供できるよう，幅広い製品ポートフォリオを有した商品開発の強化に取り組むことと強く感じています。
本特集号にてご紹介する論文は，当社の活動の一部を紹介するものです。精密制御用減速機，高効率モータ，故障診断技術等々，多様なニーズやさまざまなアプリケーションへのご要求に応じた製品を中心に取り上げております。対象製品，市場，地域などの広がりとともに技術開発競争はさらに強くなりますが，市場ニーズを先取りした開発を行うことで多様化する顧客ニーズに応えることを期待し，巻頭のご挨拶といたします。
※「サイクロ」および「サイクロ減速機」は，住友重機械工業株式会社の登録商標です。

パワートランスミッション・コントロール特集 論文・報告

製造，材料活用，設計技術の融合による高効率誘導モータの開発

製造，材料活用，設計技術の融合による高効率誘導モータの開発
Development of High Efficiency Asynchronous Motor by Combining Design Technique, Processing Technique and Material Utilization Technique
●中

﨑

修＊

山

Osamu NAKAZAKI

本

泰

三＊＊

Taizo YAMAMOTO

高効率誘導モータ試作機
Prototype of high efficiency induction motor

地球環境問題に対して産業用モータの高効率規制が定められてきた。現在のIE３規制に加えて，IE４およびIE５などのさらなる高効率規制が将来実施される可能性がある。このことから，多くのモータ製造メーカーは高効率モータの開発を継続して行っており，従来機の誘導モータから同期モータへ変更することで，次世代の効率
クラスに対応したモータの製品化を進めている。一方，
IE４に対応した誘導モータに関する技術報告は同期モータに比べ非常に少ない。当社は，高効率誘導モータに着目し，製造技術，材料活用技術，設計技術を融合させることにより，IE３モータと同等体格のIE４誘導モータの試作に成功したので紹介する。

１

誘導モータに代表される一般産業用途のモータに対しては ，

まえがき

ラインドライブ（電源直入駆動）を要求されることや，従来機

近年，地球温暖化などの全世界的な環境問題から，エネルとの互換性を求める声が多く寄せられる。そこで我々は，タギーの有効活用に対する要求が国際的に高まっている。とりーゲットをラインドライブ誘導モータに絞り高効率化の実現

わけ，電力消費全体に対する割合が大きい電動機に対しては可否の検討を行った。

その効率レベルがIEC規格で規定されており ，効率クラス⑴

としてIE１（標準効率）
からIE５まで定められている。国内においても，IE３に準じた販売規制である通称トップランナー

２

対象機種の選定と目標設定

2.1 対象機種の選定と目標設定
誘導モータの損失は，ステータコイルに電流が通電される制度が2015年に開始した。
国内外各社が実施したIE３への対応策としては，１次銅損ことで発生する１次銅損，ロータ側の導体バーに電流が流れ源である巻線抵抗値の削減，鉄損削減を目的とした電磁鋼板ることにより発生する２次銅損，コアの磁界変動により発生，自冷ファンの小型高する鉄損，ベアリングの摩擦やファンの風損で発生する機械

材料の変更や鋼板の加工応力緩和⑵〜⑹

効率化と体格の増加があげられる。次世代の効率クラス（IE４，

損と，漂游負荷損（全損失と前記４損失の差）に分けられる 。

IE５）へ向けた対応策は，前述のIE３方策の技術更新や，同

図１に，代表的な３つの容量のモータについての損失割合。現段階においては，同期モーを示す。出力が異なる機種では損失割合も異なっており，小タの新しい電磁材料と設計・製造技術を組み合わせた高効率

容量帯では１次銅損が損失の50 %以上を占め支配的であるの期モータへの変更である⑺〜⒀，IE４向け高効率誘導モータに関に対し，55 kWでは１次銅損は34 %となっている。したがっしての技術報告数は少ない。このことから，当社はIE４向けて小容量帯では，主にステータ巻線の抵抗値の削減手段が高の誘導モータについての検討を行った。

効率化の開発方針となる。これに比べ11 kW以上の容量帯で化が検討されているが1

Due to global environmental issues, high efficiency
regulations have been implemented for industrial
motors. In addition to the current IE３ regulations,further high efficiency regulations such as IE４ andIE５may start in the future. Therefore, many motor
manufactures continue to develop high efficiency
motors, and commercialize them corresponding to thenext-generation efficiency class by changing from theconventional induction motors to synchronous ones.
On the other hand, there are few technical reportsof IE４ induction motors. Therefore, we focused onhigh efficiency induction motors and succeeded intrial manufacture of IE４ motor which is same sizeas conventional IE３ motor by combining design
technique, processing technique and material
utilization technique.

＊ PTC事業部＊＊技術本部⒁⒂

住友重機械技報 No.200 2019

論文・報告

３

100

損失内訳
（%）

11

コア焼鈍
材料活用技術

14

17

20

43

0.75
１次銅損

15
モータ出力
（kW）
２次銅損

製造技術

コイルの高密度化

設計技術

パラメータ最適化探索

34

表２

０

漂遊負荷損

55
鉄損

機械損

各要素技術の効率測定結果
Efficiency measurement results of each elemental technology

要素技術
コア焼鈍モータ

図１

フレーム焼嵌め締め代緩和
電磁鋼板変更

15

40
55

方策

25

12

20

要素技術一覧
Elemental technologies list
要素技術

24

２

60

表１

５

20

80

製造，材料活用，設計技術の融合による高効率誘導モータの開発

当社IE３誘導モータの損失バジェット
Budget of IE３ motor losses（50 Hz）

は特定の損失が支配的ではなく，高効率化するには各損失を締め代緩和モータ
低鉄損材モータ

項目

50 Hz/200 V 60 Hz/200 V

損失削減割合
（%）

△3.0

効率増加分
（%）

0.2

△4.1
0.3

損失削減割合
（%）

△0.9

△2.2

効率増加分
（%）

0.1

0.1

損失削減割合
（%）

△7.0

△7.1

効率増加分
（%）

0.5

0.5

地道に削減していくことが必要であり，全体損失の削減難易度は高い。今回は試作時の取扱いや測定を考慮して，検討対

ス成分で補うバランス設計を行うが，これには豊富な経験や象を15 kWとした。

知識が必要となる。詳細は後述するが，本検討ではパラメー

2.2 開発目標の設定

タの最適化探索設計を導入して解決を図った。

本開発の目標設定を次に示す。

３① 制約条件・モータ外形：当社IE３と同等以下
・始動電流：当社IE３相当

要素技術の目的と実施内容

各要素技術の目的と実施内容について説明する。実行手順の概略は次の通りである。まず，要素的に各技術単体の評価② 効率目標を行うことで，おのおのの効果を見積もる。次に，これらの・50 Hz 200 V：93.9 %以上

効果を複合させた高効率モータ設計を行う。複合設計を行う

・60 Hz 200 V：94.1 %以上場合は，各要素技術から得られる単純な効果だけでなく，損・60 Hz 220 V：94.1 %以上

失の置換効果や副次的な効果も狙っている。

効率目標は，IE４規格値である。
式
（1）
～
（3）
に，誘導モータの等価回路から求められる１次を示す⒄。
電流 I（A）
1
1 ＝

1

2

1 ＝ 0 ＋ 2×

レーム形状の検討に代表される発熱に関する検討，機械損低減を目標としたベアリング摩擦損の低減，自冷ファンの小型＋ 1 2 ………………………………………………
（1）

1 ＝ 0 ＋ 2×

表１に，実施した要素技術を示す。この技術以外にも，フ

1＋

/

2
2

……………………………
（2）2（ 1 ＋ 2/ ）＋（ 1＋ 2 ）
1＋ 2
2

2

（ 1＋ 2 ）（ 1 ＋ 2/ ）＋……………………………
（3）

化・最適化などが存在するが，今回は，モータ設計のベース技術となる磁気特性に注目した検討であることから，これらの要素技術は対象外とした。
3.1 コア焼鈍
コアを形成する電磁鋼板の歪取り焼鈍によって鉄損の改善（A）
I1w：１次電流の有効成分

や鉄の透磁率改善が可能となることは，古くから知られてい（A）
I1l ：１次電流の無効成分

る。今回は焼鈍パターンをいくつか変更し，残留応力の測定（A）
I0w：無負荷励磁電流の有効成分と損失低減効果をモータ効率にて比較した。

（A）
I0l ：無負荷励磁電流の無効成分

3.2 フレーム焼嵌め締め代緩和（A）
I2 ：２次電流

フレーム焼嵌めの目的は，モータの最大トルク反力印加時（Ω），r 2 ：２次抵抗（Ω）
r 1 ：１次抵抗のコアの回転抑制が主である。設計では，焼嵌め締め代とコ（Ω），x 2 ：２次リアクタンス（Ω）
x 1 ：１次リアクタンス

アーフレームの摩擦力の関係を用いて保持力を計算する。実

始動電流Isは，式（1）〜（3）においてすべりs =1を代入すれ際には，この値に図面公差や温度上昇によるフレームの線膨ば求められる。ただし，始動電流は無負荷励磁電流に比べて張や製品の安全率を勘案して設計を行うのが通例である。従非常に大きい値となることから，無負荷励磁電流分は無視す

来の設計では，機械強度維持の観点から過剰な安全率設計をる。すなわち，始動電流は次の式（4）で示される。

行っており，結果として締め代を高く設定していた。今回は ，

＝

1

（

…………………………………………
（4）

2
2（ 1＋ 2 ）1＋ 2 ）＋

高効率化を実現するには，式（4）の分母成分，特に抵抗値成分を減少させる必要があり，つまりは始動電流を増加させ

焼嵌め応力の構造解析を用いて適正な加圧力を求め，最低限必要な締め代へ変更し，このときの損失低減効果をモータ効率にて比較を行った。
3.3 電磁鋼板変更

ることに等しい。始動電流の増加は，現場配線上のブレーカ

電磁鋼板の応力 - 磁気特性変化は，材料によって大きく異や配線径などの見直しが必要となることから敬遠される傾向なる。このことから，対象の電磁鋼板の応力 - 磁気特性を取にある。実際の設計においては，抵抗の減少分をリアクタン

得し，設計ツールの材料データベースへフィードバックした 。
住友重機械技報 No.200 20192

論文・報告R 方向残留応力

θ方向残留応力R方向
焼鈍 - 未処理品（現行製品）

Mean（−）：−24 MPa
Min：−76 MPa

θ方向

Mean
（＋）：＋37 MPa
Max：＋74 MPa

表３

94.4
94.3
効率（％）

焼鈍条件

製造，材料活用，設計技術の融合による高効率誘導モータの開発

94.2

Mean（−）：−15 MPa
Min：−31 MPa
図２Mean（＋）：＋ ４MPa
Max：＋13 MPa

電磁鋼板の残留応力測定結果
Results of remaining stress in iron core plate（カタログ値） 目標値 設計値 実測値

93.8
0.80

0.85 0.90 0.95 1.00
始動電流変化率（p.u.）（%） （%） （%）

50 Hz/200 V

92.4

93.9

94.2

94.3

60 Hz/200 V

93.0

94.1

94.1

94.2

60 Hz/220 V

93.4

94.1

94.6

94.6

1.05

最適化設計の一例
Example of optimization design

また，この電磁鋼板を用いたモータを製作し，効率改善効果

35 %削減しつつも，作業時間（コイル巻取りと挿入の合計時も測定した。

間）
は７%の微増であった。

3.4 コイルの高密度化

4.5 パラメータ最適化探索結果

コイルの高密度化は，銅の占積率の改善とコイルエンドの各要素技術の効果を設計条件へ反映した。使用したソフト

短縮化である。銅の占積率向上は１次銅損低減だけでなく，は，Siemens PLMソフトウェア社のHEEDSである。変更しスロット面積の減少によるステータコア幅の増加も可能であたパラメータは，１次，２次側のスロット形状およびステー

り，ティースの磁束密度低減による透磁率改善や鉄損低減の

タ内外径比，巻線数などである。制約条件は，始動電流，銅効果も期待できる。

占積率，ギャップ長，コイルエンドを含むモータ軸長とし，コイルエンドの短縮化は，１次銅損の低減だけでなく，モ

目的関数は効率に設定した。

ータ軸方向の長さ短縮効果も得られ，デッドスペースの削減

図３に，最適化した場合の始動電流と効率の関係の一例をにつながる。これにより，有限体積内のコア占有率を高める示す。破線値は，制約条件として与えている始動電流変化率ことが可能となり，コアの磁束密度の低下のほか１次，２次のラインである。最適化探索後，最適解付近のパラメータを銅損および鉄損の改善効果も期待できる。しかしながら，コ

選択し，その後実現性が高いと思われる形状へ修正を行い，イルの高密度化は作業者の技術熟練度に依存することが多く，試作機の形状を決定した。

過度な高密度化はモータの生産台数の制限や品質の不安定化

4.6 試作機の設計方針を引き起こしかねない。したがって，今回は高密度化を図り

表３に，試作機の効率測定結果を示す。設計では，おおむ

ながらも，技術難易度が比較的低い巻線工法の開発を行った。

ね目標をクリアしている。なお，コアの焼鈍に関しては，今3.5 パラメータ最適化探索回の試作では不採用とした。今回はコア重量を増加させるこ

各要素技術の結果を鑑み，採用する技術を選定した。これとで，磁束密度の低下も図っている。これは単純な鉄損低下

らの効果を等価回路法へ取り込み，等価回路計算ツールと市の効果だけではなく，低鉄損材料を使用した際の副次的な効

販の最適化探索ソフトを紐付け，パラメータの最適化探索を果を狙っている。今回は磁束密度を低下させることで，低鉄実施した。

損材の透磁率変化を緩和する設計方針としている。

４

要素技術検証の結果

表２に，コア焼鈍，フレーム焼嵌め締め代緩和，電磁材料

５

試作機評価結果設計した試作機の測定結果について説明する。表３に，現変更のモータ損失および効率の試作評価結果を示す。

行IE３（カタログ値）と試作機の目標値，設計値，実測値を示

4.1 コア焼鈍の効果す。また，図４に効率測定結果，図５に各損失成分の測定結

図２に，コア焼鈍の有無による電磁鋼板の応力測定結果を

果，表４に現行IE３と試作機の始動電流測定結果の変化割合示す。焼鈍により，ステータティース部のR方向の圧縮応力を示す。表３，表４，図４に示すとおり，国内３定格と呼ばが76 MPaから31 MPaへと大きく低減し，効率は0.2～0.3 %向れる３条件においてIE４効率達成と始動電流の不変の両立を上した。

確認した。また，設計と実測の整合性は非常に高い。試作機

4.2 フレーム焼嵌め締め代緩和の効果

は現行IE３と同じ外形のフレームおよびフランジを用いてお

今回は安全率を見直し，締め代をおよそ1/3として試作機

り，モータ外形としても不変である。

を製作した。これにより，ステータコアバックのθ方向の

図５より，おおむね目標としてきた損失の削減は得られて

圧縮応力は30 MPaから20 MPaへ減少し，効率として0.1 %向いるが，漂游負荷損のみ増加の傾向が見られた。これは，モ上することが判明した。

ータの特性計算に等価回路法を用いたことで高調波損失を考

4.3 電磁鋼板変更の効果

慮せずに最適化設計を実行した結果と推測する。特に今回は ，電磁鋼板を低鉄損材に変更することにより，効率が約0.5 %

3

（%）

94.0

図３

試作機

現行IE３

94.1
93.9

焼鈍 - 実施

試作機の効率測定結果
Measured efficiency results ofprototype

スロット形状も設計変更したことにより，高調波成分が従来向上することが判明した。

機より増加した可能性が高い。最適化探索後の修正設計時に4.4 コイルの高密度化結果

FEMなどによる空間分解の高いモデルにて計算を行う方法

今回開発したコイル製造技術は，従来機
（IE３）
に比べ，ス

や，あらかじめ高調波損失の要因である寸法パラメータを最ロット内の銅の占積率を11 %増加させ，コイルエンド高さを適化の制約条件とすることで，この現象の改善または，さら
住友重機械技報 No.200 2019

論文・報告

効率
（%）

95.0
94.5
94.0
93.5
93.0
92.5
92.0
91.5

図４

IE４規格値

IE３製品値

220

損失変化割合（p.u.）

効率
（%）

95.0
94.5
94.0
93.5
93.0
92.5
92.0
91.5

IE４設計値

240

損失変化割合（p.u.）

IE４実測値

●

●

●

190

190

200

210
電圧（V）
（a）試作機効率測定結果（50 Hz）

200

210
220
230
電圧（V）
（b）試作機効率測定結果（60Hz）

IE３実測値

IE４実測値

1.2 1.00
1.00
1.00 1.04 1.00
1.00 0.91
1.0
0.83
0.73
0.8
0.60
0.6
0.4
0.2
０
１次銅損 ２次銅損 漂游負荷損 鉄損
機械損
（a）
損失比較
（50 Hz）

試作機の効率測定結果
Measured efficiency results of prototype

1.2 1.00
1.00
1.001.09 1.00
1.00 1.00
1.0
0.84
0.78
0.8
0.66
0.6
0.4
0.2
０
１次銅損 ２次銅損 漂游負荷損 鉄損
機械損

始動電流測定結果の変化割合
Measured starting current
results

表４

現行機

試作機

50 Hz/200 V

1.0

1.03

60 Hz/200 V

1.0

1.04

60 Hz/220 V

1.0

1.03

（b）
損失比較（60 Hz）

図５なる高効率化も可能であると考えている。

６

製造，材料活用，設計技術の融合による高効率誘導モータの開発

むすび

本報では，誘導モータの製造技術，材料活用技術，設計技術を融合することで，従来機種との互換性を有したモータの高効率化開発の事例を紹介した。
（1）誘導モータの各要素技術の単体評価を行い，おのおのの技術の効率改善効果を試作機にて確認した。
（2）各要素技術の効果を複合させた高効率モータ設計を行い，IE３モータと同等体格および同等始動電流にてIE４
規格効率の達成を確認した。
（3）今後は他容量への展開や，いまだ取り入れていない要
素技術の取込み，１次元等価回路設計の欠点である高調波計算への対応などを行い，さらなる誘導モータの高効率化を図っていく予定である。
産業用誘導モータは容量ごとに損失の割合が異なり，おの試作機の損失比較
Loss comparison between conventional
motor and prototype
ィクス研資, MAG-03-191 (2003).
(5)

榎園正人, ベクトル磁気特性技術と設計法, 科学情報出版 (2015).

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ディングファクター評価法の適用, 日本AEM学会誌, Vol.26, No.3,
pp.454-459 (2018).
(7)

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Aníbal.T.de Almeida, Fernando.J.T.E.Ferreira, Ge.Baoming,

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IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.50, Issue.3,
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(11)

H.Amano, Y.Enomoto, M.Ito, H.Itabashi, R.Masaki, Examinationof Applying Amorphous Rolled Core to Permanent Magnet
Synchronous Motors, IEEJ Trans. IA, Vol. 130, No. 5, pp. 632-638(2010) (in Japanese).

おのの機種で損失低減方策の重要度が異なることから，特定天野寿人, 榎本裕治, 伊藤元哉, 板橋弘光, 谷川茂穂, 正木良三, アモルフの技術だけでは全体機種の高効率化は困難である。したがっァス巻き鉄心の永久磁石モータへの適用検討, 電学論D, 130, No.5, pp.

て，各要素技術個別の探求を基盤として，これら技術を包括的に取り込み，設計，生産へ反映する技術が非常に重要であると考える。それには，自社内での継続的な製造技術改善，
材料動向，材料活用技術，設計ツール動向など，多方面の技術に対し，広く目を向け続ける必要がある。
最後に，本開発は工場の現場関係者，技術研究所の協力により実現した成果であることを付け加え，結びとする。

632-638 (2010).
(12)

竹内活徳, 松下真琴, 橋場豊, 高効率の同期リラクタンスモータ, 東

芝レビュー, vol.70, no.5, pp.20-23 (2015).
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D.Misu, K.Takeuchi, Study of eddy current loss due to motor

core end structure, The Papers of Joint Technical Meeting on Static
Apparatus and Rotating Machinery, IEE Japan, SA-17-78 and RM17-107, pp.65-69 (2017) (in Japanese).
三須大輔, 竹内活徳, モータ端構造に起因する渦電流損失の検討〜固定
子鉄心端の鉄心押え板に生じる渦電流損失に関する基礎検討〜, 静止器 回転機合同研資, SA-17-78 RM-17-107, pp.65-69 (2017).

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MLU/MLKシリーズ, 富士電機技報, vol.86, no.4 (2013).

佐藤光彦, 金子清一, 冨田睦雄, 道木慎二, 大熊繁, 焼嵌めによる損失を

(1)
(2)

(3)

K.Yamamoto, E.Shimomura, K.Yamada, T.Sasaki, Effects ofExternal Stress on Magnetic Properties in Motor Cores, T.IEEJ,
Vol.117-A, No.3, pp.311-316 (1997) (in Japanese).
山本健一, 下村英二, 山田一夫, 佐々木堂, 電動機鉄心の磁気特性に及ぼす外部応力の効果, 電学論 A, Vol.117, No.3, pp.311-316 (1997).
(4)

Y.Tani, A.Daikoku, H.Arita, N.Nakano, S.Yamaguchi, Y.Toide,

T.Yoshioka, C.Fujino, Measurement of magnetic characteristic underVol.127, No. 1, pp. 60-88 (2007-1) (in Japanese).
低減するための電磁鋼板の特性を用いた固定子形状の改善, 電学論D,
Vol.127, No.1, pp. 60-68 (2007-1).
(15)

西川幸男, 小島徹, 瀬川彰継, 谷本健司, 小川登史, 金城賢治, 超低鉄損軟磁性体を用いた高効率モータ, Panasonic Technical Journal,
Vol.62, No.2 (2016).
(16)

T.Kinoshita, K.Moritani, X-ray residual stress measurement ofpunching ekectromagnetic steel sheets, The Papers of Technicalstress of magnetic steel sheets, The Papers of Technical Meeting

Meeting on Magnetics, IEE Japan, MAG-14-12 (2014) (in Japanese).

on Magnetics, IEE Japan, MAG-03-191 (2003) (in Japanese).

木下創, 守谷幸次, X線残留応力測定による打抜き鉄心の応力評価, 電気

谷良浩, 大穀晃裕, 有田秀哲, 中野正嗣, 山口信一, 都出結花利, 吉岡孝, 藤
野千代, 電磁鋼板の応力化における磁気特性の測定, 電気学会マグネテ

学会マグネティクス研資, MAG -14 -12 (2014).
(17)

坪島茂彦, 誘導電動機, 東京電機大学出版, pp.90 -100 (1979).

住友重機械技報 No.200 20194

パワートランスミッション・コントロール特集 論文・報告

振動計測によるはすば歯車減速機のかみ合い伝達誤差の推定

振動計測によるはすば歯車減速機のかみ合い伝達誤差の推定
Estimation of Loaded Static Transmission Error Using Vibration Measurement in Helical Gear Reducer
●南

雲

稔

Toshiya NAGUMO

也＊

モータ
負荷装置
歯車

負荷トルク

伝達荷重

歯車諸元

かみ合い部の
剛性変動

部品の精度
部品の精度

軸
軸受
歯車箱

組付け精度
部品間の隙間実歯面形状の
理論歯面に
対する偏差

かみ合い
伝達誤差

振動
騒音

各部品の変形
各部品の精度，
負荷による変形がかみ合いに影響

図１

手法を２段減速のはすば歯車減速機に適用した。この手法は，歯車に起因する装置の振動が，かみ合い伝達誤差と周波数応答関数により決まることをもとにしている。
かみ合い伝達誤差は，周波数領域で周波数応答関数と計測された振動との比により算出される。周波数応答関数
は，計測された周波数応答特性と振動モデルの数値解析
による周波数応答関数とを連続的に接続することで求められる。かみ合い伝達誤差の推定結果は，ロータリエン
コーダにより直接計測された結果と比較された。本研究の推定手法は，減速機内部のそれぞれのギヤに起因する
かみ合い伝達誤差を正確に評価できることを明らかにし
た。

まえがき

In t his study, an estimation met hod of t heloaded static transmission error (STE) waveform byvibration measurement under operating conditions
was applied to a two-stage helical gear reducer.
This method is based on the understanding thatvibration is determined by the loaded STE andfrequency response function (FRF). The loaded STE
is calculated as the ratio of the measured vibration
to the FRF in the frequency domain. The FRF is
derived from continuously combining the measured
frequency response curve with the calculated FRF
using a dynamic model. Estimated loaded STE wascompared with direct measurement results using
rotary encoders. Our findings confirmed that our
proposed method can accurately estimate the loaded
STE attributed to each gear in the gearbox.

転速度で運転している状態での駆動歯車に対する被動歯車の相対回転遅れの周期的変動の波形として表される。図１に，トルク密度（トルク/重量）の向上は，産業用の歯車減速機

歯車のかみ合い伝達誤差およびその要因と振動・騒音を示す。

において基本的な技術課題の一つである。重量を減らすには歯車の諸元や伝達トルクに加えて実機運転時における各部の減速機各部の薄肉化が要求されるが，それにより剛性が低下

精度や隙間，負荷による歪みといった要因がμm単位でかみしやすく振動・騒音が増大し，静粛性の悪化につながるとい合い伝達誤差に影響を与える。

うリスクがある。これらの性能を両立させるには振動・騒音

これらの要因は設計時に考慮されるが，減速機が実際に運の発生源である歯車のかみ合い起振力を小さく抑えることが転しているときの状態をμm単位ですべて予測することは困重要である。

難である。このことから，実機でのかみ合い伝達誤差はあまかみ合い起振力の評価指標として，かみ合い伝達誤差がよく用いられている 。これは，一定のトルクかつ準静的な回
⑴

5

装置全体が
起振される

歯車のかみ合い伝達誤差およびその要因と振動・騒音
Causes of gear noise and vibration

運転条件下の振動計測によるかみ合い伝達誤差の推定

１

歯のかみ合い

＊技術本部

り詳細には把握できないものであり，これが起振力の低減に対する課題と言える。
住友重機械技報 No.200 2019

論文・報告ハウジング

かみ合い伝達誤差と振動の関係＾ = （ 2πm ）
＾
Z Δ
振動

周波数対応 かみ合い関数
伝達誤差

推定手法の手順

伝達誤差

①

振動計測

②

周波数応答関数の取得③

かみ合い伝達誤差の推定
log | |

軸受

２Z②ａ

周波数応答特性の取得②ｂ

周波数応答関数の計算②ｃ

周波数応答関数の接続

振動

図２

３Z

Z

log | |

軸

周波数応答関数の取得

log |＾|

歯車かみ合い部からの振動伝達

振動計測によるはすば歯車減速機のかみ合い伝達誤差の推定

周波数

振動計測によるかみ合い伝達誤差の推定
Loaded STE estimation by vibration measurement

この課題に対して，我々は運転条件下の振動計測によるか

本推定手法は，振動Xがかみ合い伝達誤差ΔSTEと周波

み合い伝達誤差の推定手法を提案している⑵。専用の試験機

数応答関数H（ω）の積により表されるという式（2）の関係を必要とする負荷かみ合い伝達誤差の計測に比べて，運転条をもとに，減速機の運転時に計測した振動からかみ合い

件下での加速度ピックアップを用いた振動計測は簡単に実施

伝達誤差を推定する。しかしそれには，かみ合い部からできるという利点がある。本研究では，産業用の減速機とし振動計測点までの周波数応答関数H（ω）を取得する必要て代表的な構造である２段減速のはすば歯車減速機に対してがある。本手法では次に記す②a～②cまでのステップに提案した推定手法を適用し，得られた結果に対して検証を行

より周波数応答関数H（ω）
を取得する。

った。

２②a 周波数応答特性の取得

かみ合い伝達誤差の推定手法⑵2.1 歯のかみ合いに起因する振動のモデル
起振力の指標となる負荷時のかみ合い伝達誤差ΔSTE（ t）は，式（1）で表される。
Δ （ ）
＝

＋（ ）
…………………………………………
（1）（ ）ここで，Wは伝達荷重，F（t）は相対歯面偏差による起振

（t）
はか
式
（1）
に示したように，かみ合い伝達誤差ΔSTE
み合い剛性k（t），相対歯面偏差による起振力F（t）
および
伝達荷重Wを含むが，これらは回転速度の影響を受けな
い変数である。このことからかみ合い伝達誤差の複素振̂STEmは，負荷トルクが一定であれば回転速度を変化
幅Δさせても複素数の定数とみなすことができる。したがって，負荷トルクを一定に保持しながら回転速度をスイープさせたときの振動を計測し，計測結果からかみ合い整数次成分X̂mを取り出して周波数に対して表示すれば，周波数応答関数の形を表す曲線が得られる。図２ - ②ａ

力，k（t）
はかみ合い剛性を表す。
運転時の振動を想定すれば，振動モデルを線形時不変系とし比較的高い精度で加工された動力伝達用はすば歯車の負荷に，振動計測結果から取り出したかみ合い整数次成分の
̂ STEmとの例を示す。しかしこれだけでは起振源であるΔて扱うことができる。これにより，歯のかみ合いに起因する間の校正ができていないので，本手法ではこれらを周波成分について周波数領域で振幅と位相からなる複素振幅を用̂ STEm，周波数応答
いて表せば，振動X̂m，かみ合い伝達誤差Δ

数応答特性と呼ぶことにしている。

関数H
（ω）
の関係は式
（2）
で表される。

＾ = （ 2πlog | ＾ | =log| （ 2πarg ＾ =arg （ 2π＾ΔZ）②ｂ 周波数応答関数の計算
図２-②ａの周波数応答特性から周波数応答関数H（ω）
を求めるためには，起振源を基準にして校正を行う必要
̂ STEmががある。しかし，本手法ではかみ合い伝達誤差Δ＾|＋log|Δ
Z）
＾
＋argΔ
Z）

| ………………………
（2）

推定対象となっている。これにより起振源が未知である
ので，起振源の信号を基準に用いることで周波数応答関数を校正するという振動実験で通常行われる方法を使う

2.2 推定の手順
本推定手法は次に示す①〜③のステップにより構成される。

ことができない。
そこで，数値解析により周波数応答関数を計算し，そ① 振動Xの計測の結果をもとに校正を行う。数値解析で計算する周波数② 周波数応答関数H（ω）の取得の範囲は，振動計測結果から得られる周波数応答特性の③ かみ合い伝達誤差ΔSTEの推定一部と重複して代表的な共振峰が含まれていればよく，
住友重機械技報 No.200 20196

論文・報告表１

振動計測によるはすば歯車減速機のかみ合い伝達誤差の推定

歯車の諸元
Gear parameters

ブレーキ
高速段

低速段

ピニオン

ギヤ

モジュール
（mm）

1.75

圧力角
（°）

20

歯数

試験減速機

ピニオン

モータ
ギヤ

3.00
20

9

52

10

50

ねじれ角
（°）
，向き

30，LH

30，RH

15，RH

15，LH

歯先円直径
（mm）

22.3

107.6

38.7

161.1

歯幅
（mm）

22

20

35

33

中心距離
（mm）

61.5

94.0

かみ合い率

3.03

2.26

図３

実験装置
Test rig

高速段歯車対低速段歯車対
加速度ピックアップ
モータ

スリップリング

カップリング
光電式回転検出器
ロータリエンコーダ
カップリング

図４

実験装置の模式図
Schematic diagram of test rig

したがって低次の振動モードが現れる低い周波数の範囲

合い整数次成分のレベルを調節するという操作は，かみに限定できる。これにより解析精度の悪化を避けること

合い整数次成分の複素振幅に複素数の定数を積算するこができ，また比較的小規模の振動モデルを使用できる。

とに対応している。

図２- ②ｂに，周波数応答関数の計算結果の例を示す。
周波数応答関数の数値解析では，線形時不変系の多自由度運動方程式で減速機を含む振動系を表し，かみ合い部に単位振幅の正弦波による強制変位を入力して振動計
測点における応答を計算する。
質量行列と剛性行列は，部分構造合成法により歯車箱

３

実験方法

3.1 実験装置
本研究で使用した２段減速のはすば歯車減速機は，一般の汎用減速機として広く用いられている構造を模擬して製作されたものである。表１に，内部の歯車の基本諸元を示す。

の有限要素モデルと回転軸系の集中質量モデルを合成し図３に実験装置，図４に模式図を示す。実験装置は，試験て作成する。歯車かみ合い部，軸受，カップリングなど

減速機を駆動する三相誘導モータ，前記試験減速機，前記試の接触部や結合部を含む伝動機構の剛性は，運転中の実験減速機に負荷を与えるパウダーブレーキ，負荷運転中の振機における詳しい値の予測は困難である。そこでこれら動を計測する振動計測系，準静的条件において入力軸と出力に対しては，数値解析による周波数応答関数が振動計測

軸の回転角度からかみ合い伝達誤差を直接計測するかみ合い

結果から得られる周波数応答特性に最も適合するように伝達誤差計測系を備えている。

最適化することでパラメータの詳しい値を決める。減衰3.2 振動計測系

行列には比例減衰を採用し，伝動機構の剛性と同様にパラメータ最適化によって値を決める。
②ｃ 周波数応答関数の接続

7

ブレーキ

振動計測系は，入力軸の回転を検出する光電式回転検出器，出力軸のねじり振動を検出する加速度ピックアップ，加速度ピックアップからの信号を取り出すスリップリング，光

数値解析による周波数応答関数を基準にして，振動計

電式回転検出器および加速度ピックアップの出力を同時に記測結果から取り出した周波数応答特性を縦軸方向に位置

録するデータロガー，記録された出力データを解析する計算

調節し振幅のレベルを合わせる。その後にこれらを連続装置を備えている。

的に接続すれば，図２- ②ｃに示すように周波数応答関

出力軸のねじり振動については，分割フランジを介して接数の振幅｜H（ω）｜を取得できる。図２では，振幅につい

線方向に取り付けられた２つの加速度ピックアップを用いてのみ示しているが，位相についても同様の手順を行て，これらの出力信号を加算することで半径方向の振動が打う。ここで振幅と位相のそれぞれについて，振動のかみち消されて回転方向の振動を検出している。
住友重機械技報 No.200 2019

論文・報告

低速段

Z2

2 Z2

高速段 Z1

4 000

2 Z1

2 000
1 000

0

500

1 000
周波数
（Hz）

1 500

2 000

・計算された振動のウォーターフォール図・スペクトルの高さは試験減速機の出力軸の回転方向の加速度を表す
・負荷トルク：160 N・m

図５振動からの推定結果
負荷トルク：320 N・m

0

3 000

0

直接計測結果3
かみ合い伝達誤差（μm）

モータ回転速度（r/min）

5 000

振動計測によるはすば歯車減速機のかみ合い伝達誤差の推定

ねじり振動の計測結果のウォーターフォール図
Waterfall plot of torsional vibration measurement results

本実験では，計測した振動信号に対し，各歯車に起因する振動を正確に分析すべく同期平均⑶を適用した。また，入力-33240 N・m0-3
3

160 N・m0-3
3

80 N・m

0
-3
0

9

0

１回転
（1div.＝歯のピッチ）

10（a）
高速段ピニオン

図６

20

30

40

50

１回転
（1div.＝歯のピッチ）
（b）
高速段ギヤ

かみ合い伝達誤差の推定結果と直接計測結果
Estimated and measured results of the loaded STE

５

むすび

軸の回転検出器によるトリガ信号を使用して，各歯車対の歯数（1）産業用の減速機として代表的な構造である２段減速の比をもとに中間軸と出力軸に対応するトリガ信号を仮想的にはすば歯車減速機に対して，振動計測によるかみ合い伝

生成し，これらを用いて各歯車に起因する信号を分析した。

達誤差の推定手法を適用し，得られた結果に対して検証

3.3 かみ合い伝達誤差計測系を行った。

かみ合い伝達誤差計測系は，入力軸および出力軸の回転角（2）本推定手法は，多段減速の減速機であっても振動成分

度をそれぞれ検出する２つのロータリエンコーダ，ロータリの周波数をもとに各成分を分離することで，個々の歯車

エンコーダからの出力を同時に記録するデータロガー，記録ごとに切り分けてかみ合い伝達誤差を評価できることをされた出力パルスのデータを解析してかみ合い伝達誤差を計算する計算装置を備えている。

４

結果と考察

4.1 振動計測結果
負荷トルクは，80 N･mから320 N･mまでの間で４段階のレベルに設定した。図５に，負荷トルク160 N･mでのねじり振確認した。
（3）本手法による推定結果は，ロータリエンコーダにより直接計測した結果とほぼ一致し，かみ合い伝達誤差をμm単位で正確に推定できることを確認した。
本研究を行うに当たり，ご指導いただいた東京工業大学
北條春夫名誉教授，東京工業大学未来産業技術研究所 松村
茂樹准教授に心より感謝申し上げる。

動計測結果をウォーターフォール図で示す。各スペクトルの高さは，試験減速機の出力軸における接線方向加速度の振幅（参考文献）

を表示している。歯車のかみ合い周波数成分
（fz）
およびその

(1) 吉川和男, 谷裕文, 樽谷一郎, 鈴木章, 牧泰希, 上田泰史, はすば歯車

高調波（2fz，3fz）
が斜めの実線（高速段歯車対）と破線（低速段歯車対）によって示されている。ここでは振動が比較的大きい高速段歯車対に着目する。
4.2 かみ合い伝達誤差の推定結果
提案手法を振動計測結果に適用し，高速段歯車に起因する
かみ合い伝達誤差を推定した。一方でロータリエンコーダをのかみあい伝達誤差の計測と解析法の改良, 日本機械学会論文集 C編,
Vol.63, No.609 (1997), pp.1775-1782.
(2) 南雲稔也, 松村茂樹, 北條春夫, 運転条件下の振動計測によるはすば
歯 車のかみ合 い 伝 達 誤 差 の 推 定 , 日本 機 械 学 会 論 文 集 , Vo l . 8 2 ,No.844 (2016), p.16-00429.
(3) Houjoh, H., Ratanasumawong, C. and Matsumura, S.,Utilizationof synchronous avera ging for inspection of tooth sur faceu n d ulatio n s o n g e a r s (lo c aliz atio n of n o nmes h h a r mo nic

用いて準静的条件でのかみ合い伝達誤差を直接計測した。図components to individual gear), Transactions of the ASME,

６に，推定されたかみ合い伝達誤差と直接計測の結果の比較

Journal of Applied Mechanics, Vol.74, No.2 (2007), pp.269-278.

を示す。横軸の区間は各歯車の１回転分の長さとして，ピニオンとギヤで１かみ合い分の長さをそろえて表示している。
図６を見ると，直接計測したかみ合い伝達誤差と提案した手法による振動からの推定結果は，極めて良い一致を示している。これにより，我々の提案している手法は，実際の歯車減速機に対してかみ合い伝達誤差をμm単位でかなり精度良く推定できることを確認した。また，各減速段の個々の歯車に起因する成分を切り分け，１歯ごとのばらつきまでを含めたかみ合い伝達誤差の評価が可能であることも確認した。
住友重機械技報 No.200 20198

パワートランスミッション・コントロール特集 技術解説

精密小型減速機ECYシリーズの開発

精密小型減速機 ECYシリーズの開発
Development of High Precision Small Gearboxes : ECY Series
●安

藤

学＊

Manabu ANDOH

固定枠

偏心体用軸受出力枠

偏心高速軸

曲スプライン

ECYシリーズ
ECY Series

１

はじめに

偏心高速軸は入力回転を支持する高速軸軸受を備え，出力

近年，人手不足や製品品質の安定化などを目的とした工場

枠は出力部材を支持するクロスローラ軸受を備えている。まの自動化のニーズが増加しており，それに伴い産業用ロボッ

た，
入出力軸にオイルシールを備えた密閉構造となっており，

トの需要が急増している。なかでも小型ロボットの需要増加

ロボット関節部へ容易に組み込むことができる。

は目覚ましく，人の代替作業を行う組立て搬送ロボットや，さらに本シリーズは中空貫通構造となっており，コネクタ

人と同じ空間で作業を行う協働ロボットは，今後も継続的なやケーブル類を容易に通すことができるという面でも，組込需要増加が予想される⑴。

み性に非常に優れていると言える。

これらの用途で使用される減速機に対しては，より小さな
質量・体積でより大きなトルクを伝達するコンパクト化への

３

作動原理

要求が高い。また，精密制御用として，高い回転精度と剛性

図２に，ECYシリーズの基本減速部と作動原理を示す。

が求められることは言うまでもない。

基本減速部は，偏心体用軸受ユニット，曲スプライン，固当社のロボット用精密減速機事業においても，これらの市定枠および出力枠の４つの部品により構成される。

場要求に対応すべくECYシリーズを開発した。ECYシリー

作動原理を説明する。

ズは，当社の精密制御用サイクロ減速機で培った設計技術を・楕円状に撓められた偏心体用軸受ユニットを曲スプライ

撓みかみ合い式歯車装置に適用した新しい構造の減速機であンへ挿入することで，曲スプラインを楕円状に変形させる。

る。
本報ではECYシリーズの特徴について解説する。

２構造

・楕円状に変形した曲スプラインは，その長軸部近傍で固定枠および出力枠の内歯車とかみ合う。
・固定枠を固定した状態で偏心体用軸受ユニットが時計方

図１に，ECYシリーズの構造を示す。本シリーズは，楕円向に１回転すると，曲スプラインを弾性変形させながら状の偏心高速軸が偏心体用軸受を介して薄肉の外歯車（曲ス

長軸が１回転する。このとき曲スプラインと固定枠にはプライン）を撓み変形させることで内歯車（固定枠，出力枠）と歯数差があり，歯数差分だけ曲スプラインが半時計方向のかみ合いを行う，撓みかみ合い式歯車機構である。

に回転する。つまり入力回転に対して曲スプラインが歯サーボモータなどからの入力回転は偏心高速軸に入力され，内部の減速機構によって減速された回転は，出力枠から9取り出されロボットの先端側の部材などに伝達される。

＊ PTC 事業部

数差分だけ逆方向に減速回転したことになる。
・同時に曲スプラインは出力枠ともかみ合う。曲スプライ
住友重機械技報 No.200 2019

技術解説

表1
クロスローラ

精密小型減速機ECYシリーズの開発

主要仕様
Major specifications

低速軸オイルシール
形式

スラスト
プレート

外カバー

ECY103減速比
偏心体用軸受高速軸オイル
シール
偏心高速軸
高速軸軸受
内カバー

曲スプライン

出力枠

図1

100

ロストモーション（arcmin）

50

80

100

50

80

100

１arcmin 以内

定格トルク（N･m）（入力 2000r/min 時）

16

22

24

25

34

40

39

63

67

許容ピークトルク
（N･m）

34

43

54

56

74

82

98

137

157

アウター
レース

中空径（mm）

19

21

25.5

固定枠

減速機外径（mm）

74

84

95

曲スプライン０°４80

ECY107ECYシリーズ構造図
Construction of ECY series

出力枠（曲スプラインと同歯数）

図250

ECY105

固定枠（曲スプラインより歯数が2歯多い）

偏心体用軸受ユニット

120°

240°

360°

基本減速部と作動原理
Basic structure & operating principle

ンと出力枠には歯数差がないことから，曲スプラインのい式歯車のウイークポイントである曲スプラインの高強度化減速された回転が同じ速度で出力枠に伝達
（取出し）
され

・高剛性化に加え，偏心体用軸受にコロ軸受を採用することる。

で高負荷容量化・高剛性化を実現している。

特徴

曲スプラインは外周に外歯車を有した円筒部材であり，楕円の長軸近傍で固定枠および出力枠と同時にかみ合う。このことから，曲スプラインには軸方向に２列分の外歯車が形成されている必要があり，２列分の歯形形状は部品製作上の制約から同一の形状であることが望ましい。この制約に対して

５

主要仕様

表１に主要仕様を示す。

６

おわりに

（1）小型ロボット向け減速機としてECYシリーズを開発した。

本シリーズでは，当社において設計ノウハウの豊富なエピト（2）独自の歯形形状および構造を採用することで，業界最ロコイド平行曲線を曲スプラインの歯形形状に採用した。こ

高レベルの高トルク化，コンパクト化を達成した。

れにより単一の歯形形状である外歯車と歯数の異なる固定枠

・許容ピークトルク 34～157 N･m

および出力枠とをかみ合わせる際に，同時かみ合い率の高い・中空径 19～25.5 mm

かみ合いが可能となり，高トルク・高位置決め精度を実現し・減速機外径 74～95 mmている。
また，従来の精密位置決め用の撓みかみ合い式歯車では，薄肉の外歯車の外観形状にカップ型やシルクハット型が用いられるが，本シリーズでは上記歯形の採用により，単純な円筒形状を用いることが可能となった。これにより撓みかみ合（参考文献）(1) 富士経済，2018ワールドワイドロボット関連市場の現状と将来展望.
※「サイクロ」および「サイクロ減速機」は，住友重機械工業株式会社の登録商標です。
住友重機械技報 No.200 201910

パワートランスミッション・コントロール特集 技術解説

精密制御用サイクロ減速機F４C-DAシリーズの開発

精密制御用サイクロ減速機 F４C-DAシリーズの開発
Development of FINE CYCLO F４C-DA Series●阿部

Shun ABE

瞬＊

クランクシャフト
ω２
遊星歯車
（歯数P）
固定太陽内歯車(歯数S)

図1

内接式遊星歯車の機構
Internal planetary gearing

図2

等速度内歯車の機構
Constant speed internal gearing

図3

サイクロ減速機の機構
Structure of CYCLO DRIVE

内ピン

Op

c

Os

遊星歯車
（曲線板）
2e

外ピン
曲線板
c

F４C - DAシリーズ
F４C-DA Series

１

はじめに

日本国内における労働人口の減少および世界的な人件費の偏心体e（偏心量）
内ピン（内ローラ付）２

基本減速機構精密制御用サイクロ減速機は，次の機構を有する⑴⑵。

高騰を背景に，産業用ロボットによる作業自動化の波は広が（1）内歯車に円弧歯形を，遊星歯車にはエピトロコイド平りを見せている。産業用ロボットは，これまで自動車や電子

行曲線を採用しており，歯先干渉がなく多数の同時かみ

機械といった限られた分野でしか活用されてこなかったが，合いを持つ内接式遊星歯車機構である（図１）。

今後はこれまで普及が進まなかった分野での活用も期待さ（2）高速で公転しながら，同時に低速で自転している遊星

れ，より一層の成長が見込まれる。ロボットが普及していく

歯車の自転だけを円弧歯形（内ピン）で取り出す等速度内

うえで，重要な要素となるのがコンパクト化である。ロボッ

歯車機構である（図２）。また，内ピンはクランク軸（高トのコンパクト化には，減速機のコンパクト化（高トルク密速軸）の中心と同心円上に配置されているので，高速軸度化）が重要な役割を果たす。

と低速軸が同心となっている。

当社は，ロボット用減速機として精密制御用サイクロ減速

DAシリーズは，この２つの機構を組み合わせ，内ピンに機を市場投入しているが，そのなかでもDシリーズは当社のローラを装着して転がり接触することで，高いギヤ効率が得主力機種である。Dシリーズは１段減速機構であり，コンパられるようにした減速機である（図３）。

クトなサイズ（高トルク密度）を強みとしている。さらにDシ
リーズは，出力側フランジの取合い自由度の高さから顧客が装置の設計をしやすいこと，入力軸が減速機内部で支持されているのでモータ連結が容易であることなど，使いやすさを特長としており，市場で好評を得ている。
今回，従来のDシリーズの使いやすさを維持したまま，ト３構造および開発技術

図４に，DAシリーズの構造および開発技術を示す。
DAシリーズは次の開発技術を適用することで，高トルク化および高モーメント化を実現した。
（1） 曲線板の歯形最適化設計

ルク密度をさらに向上させたDAシリーズを新たに開発した。

 曲線板歯形の数μmの形状の違いは，かみ合いに大き本報では，DAシリーズの開発技術および製品の特長につな影響を及ぼすことから，歯形の最適化設計は，減速機いて報告する。

の性能を左右する重要な技術といえる。本開発では，歯形のわずかな形状の違いによる減速部の応力分布や剛性

11＊ PTC 事業部

住友重機械技報 No.200 2019

精密制御用サイクロ減速機F４C-DAシリーズの開発

技術解説

主軸受
(アンギュラ玉軸受)

枠

主軸受強度アップ

出力側フランジ
(低速軸)

キャリア

内ピン強度アップ

内ローラ

偏心高速軸
(高速軸)

高速軸支持軸受

偏心体用軸受曲線板

偏心高速軸軸受の長寿命化

曲線板の歯形最適化設計外ピン

図4

DAシリーズの構造
Configuration of DA series

くりこみ群分子動力学（RMD）
法による減速部応力分布
Evaluation by renormalization molecular dynamics（ RMD）
method

図5

4 000
4 000

4 000
4 000

36％UP
DA50
DA50 36％UP

NEW
DA45
DA45 NEW
D45D452 000
2 000
D35D35
D30D30

1 000
1 000

D25D250

図60

D15D15
Dシリ
Dシ
ーズ
リーズ
（従来品）
（従来品）

46％UP
DA40
DA40 46％UP
60％UP
DA35
DA35 60％UP

2 000
2 000

D45D45

DA40
DA40 38％UP
38％UP

D35D35

29％UP
DA35
DA35 29％UP

D30D30
D25D25
D15D15

47％UP
DA15
DA15 47％UP

0

DAシ
DAシ
リーズ
リーズ

への影響度を評価すべく，高精度な解析が可能であるく

3 000
3 000

1 000
1 000

DA25
DA25 17％UP
17％UP

（3）
許容ピークトルク
Allowable peak torque

NEW
DA45
DA45 NEW

許容モーメント
（N・m）

3 000
3 000

許容モーメント（N・m）

許容ピークトルク（N・m）

許容ピークトルク
（N・m）

DA50
DA50 25％UP
25％UP

図7

0

Dシリ
Dシ
ーズ
リーズ
（従来品）
（従来品）

DA25
DA25 41％UP
41％UP

DA15
DA15 Equal
Equal
DAシ
DAシ
リーズ
リーズ

（3）
許容モーメント
Allowable moment（3）製品ラインナップの拡充

りこみ群分子動力学（RMD）法を用いて減速部全体の解 DAシリーズは，従来シリーズ対して枠番および低減

析評価を実施した（図５）。この解析方法により，曲線板

速比ラインナップを追加したことで，機種ラインナップの歯形の最適化設計が試作前に可能となり，高トルク化

数が従来シリーズの14種類から27種類に増加した。製品

および高剛性化が実現し，開発のフロントローディング

ラインナップが充実したことで，顧客の装置に最適な機により開発期間の短縮につながった。

種の選定が可能となった。

（2） 内ピン強度向上
 内ピン径と内ピン本数の設計を見直すことで内ピン強度が向上した。
（3） 偏心高速軸の長寿命化

５

おわりに

（1）ロボット用減速機として使用される精密制御用サイク
ロ減速機DAシリーズを開発した。

 偏心高速軸の熱処理を工夫し，さらに軸受ころのクラ（2）DAシリーズは，従来品に比べ許容ピークトルクが最ウニングを最適設計とすることで従来品に対して長寿命

大60 %，許容モーメントが最大41 %向上したことに加化を実現した。

え，機種ラインナップの拡充を達成した。

（4） 主軸受の寿命強度向上

４ 主軸受の設計諸元見直しにより主軸受の寿命強度が向（参考文献）

上し，高モーメント化につながった。

(1) 山本章，サイクロ減速機6000#シリーズの開発，住友重機械技報，

製品特長（1）高トルク化
 同一外径の枠番同士を比較した場合，従来シリーズに対して許容ピークトルクが最大60 %向上した（図６）。
（2）高モーメント化

no.156，2004.
(2) 梅田和良，精密制御用サイクロ減速機F4C - Dシリーズの開発，住友重機械技報，no.168，2008．
(3) 住友重機械工業株式会社カタログ，精密制御用サイクロ減速機DAシリーズ，F2006 -1.0．
※「サイクロ」，「サイクロ減速機」，「CYCLO」，「CYCLO DRIVE」は，
住友重機械工業株式会社の登録商標です。

 同一外径の枠番同士を比較した場合，従来シリーズに対して許容モーメントが最大41 %向上した（図７）。
住友重機械技報 No.200 201912

パワートランスミッション・コントロール特集 技術解説

分散制御用インバータ DF-520シリーズ

分散制御用インバータ DF-520シリーズ
Decentralized Inverter DF-520 Series
●小

松

幹

Mikio KOMATSU

生＊

分散制御用インバータ DF- 520シリーズ
Decentralized inverter DF-520 series

１

はじめに

従来，ファクトリーオートメーション（FA）の分野においら，作業者の人員確保も容易となる。
3.2 モジュール化ては，インバータなどの制御装置を制御盤に収めて集中制御

図２に，分散制御によるコンベヤシステムのモジュール化する方式が主流であった。しかし，近年IoTやIndustrie4.0なの例を示す。モジュール化により，出荷時や現地での試運転

どの技術的潮流から，FA分野でも工場のスマート化を目的

調整作業などをモジュールごとに実施できるので，出荷検査に，制御の分散化やインテリジェント化が進んでいる。このや現地立上げ作業の大幅な効率化が可能である。また，シスような分散制御システムでは，分散配置された各種制御機器

テムの拡張・変更にも柔軟に対応できる。

をオープンフィールドネットワークを介して接続することに

3.3 必要周辺機能のパッケージ化

より，柔軟でシンプルな構成を実現している。
これらのトレンドに対応すべく，分散制御用インバータ
DF-520シリーズを開発した。
図１に，集中制御と分散制御のシステム構成比較を示す。

２

DF-520シリーズの仕様

DF-520シリーズは，インバータとモータ駆動制御に必要な周辺機能をパッケージ化している。主な内蔵機能を次に示す。
（1）オープンフィールドネットワーク通信
フィールドネットワークは，コントローラ（PLCなど）とフィールド機器（インバータなど）間の通信ネットワー

DF-520シリーズは，配送センターや空港搬送設備を代表クである。そのなかでも，さまざまなベンダーの制御機とする大規模搬送システム，自動車や飲料などの生産ライン

器を接続できるオープンフィールドネットワークの普及で使われるコンベヤなどをターゲットに200 V/400 V級が，FA現場の省配線・インテリジェント化を目的に進0.75 kW，2.2 kWのシリーズ展開を計画している。

んでいる。DF-520シリーズは，主要なオープンフィー

表１に，DF-520シリーズの主要仕様を示す。

ルドネットワークであるPROFIBUS-DP，EtherNet/IP，３

DF-520シリーズの特長

3.1 省配線･省スペース
従来の集中制御方式では，インバータと必要周辺機器を制AS-iに対応予定である。また，通信用の制御電源は，主電源とは別にDC24 V電源を外部より供給することから，主電源をOFFにしても通信は継続可能となっている。
（2）センサ入力

御盤に収納し，各機器間は端子台などを使って配線されていオープンコレクタ出力タイプのセンサを接続可能な入る。分散制御用インバータDF-520シリーズは，インバータ

力を４チャンネル内蔵している。
（1）のフィールドネッと必要周辺機器を防塵防水構造（保護構造：IP65）の筐体にパトワークを介して入力されたセンサ情報を上位コントロッケージ化しているので，制御盤なしでコンベヤなどの機器

ーラに送信することにより，インバータをフィールドで側に配置でき，現場での盤内配線作業も不要となる。また，の情報収集端末として活用することができる。

すべての主回路および制御配線は，インバータ前面に配置さ

13

ほか，熟練度の低い作業者でも設置・配線が可能なことか（3）エンコーダ入力

れたコネクタでの配線となっていることから，配線作業やチ

オープンコレクタまたは電圧出力型エンコーダの接続

ェックが容易で誤配線も防止できる。これらのことにより，が可能な入力を２チャンネル（A相/B相）内蔵している。

設置・配線を含めたトータルコストを削減することができる

上位コントローラでエンコーダ信号を監視することによ＊ PTC 事業部

住友重機械技報 No.200 2019

技術解説

従来の制御
（集中制御）
集中制御盤にインバータと周辺制御機器を収納し，集中制御している。
●

集中制御盤の設置スペースが必要

インバータ～モータ間の配線が長い（サージおよびノイズトラブルのリスクあり）●

Ｉ/Ｏ制御＋端子台配線が主流となる（配線工数大や配線ミスのリスクあり）●●

ラインやレイアウトの変更が煩雑

表１

主要仕様
Main specifications

導入でこのようなメリットが！
● 省スペース
インバータと周辺制御機器を防塵
防水構造のケースにパッケージ化● 省配線インバータ～モータ間の配線が短く、サージおよびノイズトラブルが減る● ワンタッチ配線
すべての配線がコネクタ配線となり、配線工数削減と配線ミスの回避が可能
●

制御方式
V/F制御
（出荷値）
，センサレスベクトル制御選択可
フィールドネットワーク PROFIBUS-DP， Ethernet I/P, AS-i
センサ入力：４チャンネル，セーフティ入力（STO），
エンコーダ入力（A相 / B相）

制御入力
スイッチ

その他
内蔵機能

Comparison of system configurations between Centralized control
and Decentralized one

り，コンベヤなどの位置決めが可能である。また，本入自動/手動切替SW，正転/逆転SW，停止SW
３桁７セグLED（周波数, エラーコード），センサ入力モニタ，
通信状態モニタほか

その他

パラメータバックアップ機能

標準

EMCノイズフィルタ（EN61800-３ C３），制動抵抗用トランジスタ
ブレーキ制御回路（半導体SW急制動）

オプション 主電源スイッチ，リモートオペレータ，配線保護カバー

海外規格

UL，cUL，CE，Safety規格

使用環境

使用温度：−10～50 ℃（40 ℃以上は電流低減），耐振：２G以下

寸法/質量

495
（W）
×172
（H）
×132.5（D）mm/6.0kg（保護構造：IP65）

フィールドネットワーク(PROFIBUS-DP, EtherNet/IP, AS-i)
モジュール化

モジュール化

モジュール化

モータ/ブレーキ

モータ/ブレーキ

モータ/ブレーキ

ギヤモータ（IM，PM） センサ

ギヤモータ（IM，PM） センサ

ギヤモータ（IM，PM） センサ

モジュール化が可能
ライン・レイアウトの変更に柔軟対応

図１ 集中制御と分散制御のシステム構成比較

DF-520シリーズ仕様

項目

電圧クラス/適用モータ容量（kW） 400 Vクラス/0.75 kW, 2.2 kW（200 Vクラス計画中）

本体
表示
オペレータ

分散制御用インバータ
周辺制御機器を組み込んだインバータを機側に配置し，フィールドネットワークで接続し分散制御する。

分散制御用インバータ DF-520シリーズ

図２

力を前述のセンサ入力２チャンネルとしても使用するこコンベヤシステムのモジュール化（例）
Modularization example of conveyor systemsとができる。
（4）EMCノイズフィルタ

しており，日本語と英語の表示が可能な液晶画面を使っインバータの普及および使用されている主回路スイッてマニュアル運転，パラメータの設定およびコピー，異チング素子の高速化に伴い，インバータから発生するノイズが周辺機器に与える悪影響が問題になっている。

常履歴の確認などを簡単に行うことができる。
（7）ブレーキ制御回路

こ の こ と か ら 欧 州 で は ， E M C（ E l e c t r o m a g n e t i c

ブレーキ制御回路を内蔵していることにより，ブレー

Compatibility）指令により，インバータなどの電子機器

キ付きモータの駆動時に従来必要であった電磁接触器やから発生するノイズに規制がかけられている。DF-520

整流器が不要となる。また，半導体スイッチによる急制シリーズはこれらの状況を配慮し，欧州のEMC規格

動回路の採用により，電磁接触器などの機械式接点のメEN61800-３（Category C３）に対応したノイズフィルタ

ンテナンスが不要となり，ブレーキ動作の応答速度や停を内蔵することで，ノイズの発生レベルを規格値以下に止精度の向上も図られている。

抑えている。
（5）メンテナンススイッチ（主電源スイッチ）

４

おわりにオプションの主電源ON/OFFスイッチを内蔵すること（1）FA分野における制御の分散化やインテリジェント化

により，インバータの主電源を個別に遮断できるので，の流れに対応し，分散制御用インバータDF-520シリー

試運転やメンテナンス作業などの効率化が可能である。

ズを開発した。

また，主電源スイッチのON/OFFの状態をフィールドネ

（2）分散制御による省配線・省スペース・モジュール化にットワークを介して上位コントローラ側で監視することより，設置・配線・試運転調整などの現地作業工数を大ができる。

幅に削減することができ，システムの拡張や変更にも柔（6）パラメータバックアップ機能付きオペレータ

軟な対応が可能である。

インバータ前面に装着されたオペレータにより，マニ（3）インバータをフィールドでの情報収集端末として使用

ュアル運転操作が可能である。また，オペレータ上のできることから，FAシステムのインテリジェント化に

７seg -LEDや各種LEDランプにより，出力周波数，エラも貢献することができる。

ーコード，ネットワーク通信やセンサ入力の状態などを制御の分散化やインテリジェント化は今後も進んでいくも確認できる。インバータの設定パラメータは，オペレーのと思われる。IoTやIndustrie4.0などの技術的潮流に対応しタ内に保存されていることから，インバータ交換作業なて情報収集端末機能を強化するなど，今後も多様化する市場

どの際は，オペレータの付替えによりパラメータを移植

ニーズに応えるべく，製品やサービスの改良に努める所存ですることができ，作業時間の大幅な短縮が可能となる。

ある。

また，オプションで外付けのリモートオペレータを準備
住友重機械技報 No.200 201914

パワートランスミッション・コントロール特集 技術解説

ギヤモータ状態監視システムの開発

ギヤモータ状態監視システムの開発
Development of Gearmotor Condition Monitoring System
●鈴

木

幸

Kota SUZUKI

太＊

装置（ギヤモータ）側

顧客PLC

検知ユニット

振動センサ
振動センサ

上位監視側

DI/DO

振動
データ

通信I/F
外部電源
DC24V

・診断結果受信診断結果

・データ処理
・簡易診断

振動
データ

・通信制御
ギヤモータ

振動センサ外観

診断
結果

・測定指令

顧客パソコン

検知ユニット外観

PC専用ソフト・診断結果モニタ・診断パラメータ設定
・測定指令

図1

１

システム構成System configuration

はじめに

近年のIoT，Industrie4.0，Smart Factoryに代表される製造業のデジタル化の潮流により，生産設備を監視・診断するとくくりに振動診断といっても，診断の対象となる生産設備によって，求められる診断レベルやコストは一様ではな
い（1）。

技術や装置への注目は一層高まってきている。生産設備の状例をあげると，風力発電装置のような非常に大型で高額な態を監視・診断する主目的は，設備の保全を行うことで生産設備の場合は，故障した修理部品を入手するリードタイムも効率や製品品質の向上につなげることである。なかでも，生長く高所にあることから，急なメンテナンスの実施も困難で産設備内で使われる減速機やモータは，設備を動かす根幹とある。よって，診断は「なるべく早期の段階で，どの部位がなるコンポーネントであることから，その故障は生産効率の損傷しているか」を判定する高いレベルの精密診断が望まれ低下に直結しやすい。よって，減速機やモータの監視・診断る。診断コストについては，応答周波数の高い振動センサやは，突発的な故障によるダウンタイムの防止，定期的なメン

周波数分析を行う機能が必要となることから診断装置が比較

テナンス時期の把握，メンテナンス費用の削減といった目的的高額となるが，故障時の大きな損失費用と比較すれば許容から，顧客の需要が特に高まってきている。

できる。また，周波数分析で故障部位を特定するには，診断

このニーズに対応すべく，特に使用台数が多い中・小型ギ

対象の部位ごとの諸元情報（ギヤの歯数やベアリングの玉のヤモータを対象としてギヤモータ状態監視システムの開発を数など）を診断パラメータとして入力する必要があり，ユー行った。本報では，このギヤモータ状態監視システムの特長

ザ側の装置設定が煩雑になることが課題となっている。

について解説する。

２

監視・診断装置の現状

減速機・モータをはじめとする回転機の診断は，振動によ15視システムも，振動を監視して状態を診断する。しかし，ひこれに対して，生産設備や搬送設備で使われる中・小型ギヤモータが故障した際にはギヤモータを本体ごと交換する場
合が多く，交換に要するリードタイムも比較的短いので停止に至る前に検知ができれば，比較的末期の損傷でも保全可能

るものが主流となっている。その理由の一つとして，振動はである。また，特定部位だけ修理することも少ないことか

ほかの診断要素（温度等）
よりも比較的早期に損傷による変化

ら，損傷部位を特定する必要性も低く，簡易診断レベルが適が現れるということがあげられる。当社のギヤモータ状態監している。しかし，特に小型ギヤモータは製品価格自体が安＊ PTC 事業部

住友重機械技報 No.200 2019

技術解説

表１

ギヤモータ状態監視システムの開発

振動センサ仕様Specifications of vibration sensor
項目

仕様

センサ方式

MEMS※加速度センサ内蔵

振動測定レンジ

±16 G

外形寸法

φ20×12.8 mm（コネクタ部除く）※MEMS：Micro Electro Mechanical Systems
微小な電気要素と機械要素を，一つの基板などの上に微細加工技術によって集積化したデバイス

図２

振動センサ外観Appearance of vibration sensor

表２

検知ユニット仕様
Specifications of detection unit
項目

図３

仕様

診断方法

振動実効値/振動ピーク値の相対値判定

診断基準値

オートキャリブレーション機能付き

振動センサI/F① Max.12チャンネル② Max.４チャンネル

上位通信I/F

Ethernet/（Wi-Fi オプション）

デジタル入出力D I 端子：計測トリガ用（チャンネル数）＋アラームリセット用（２チャンネル）DO端子：診断結果アラーム用（チャンネル数×２［注意/警告］）

外形寸法（突起部除く）① 175×175×75 mm② 175×125×60 mm

検知ユニット外観
Appearance of detection unit

価であり，ユーザや用途によっては数百台レベルで使用する

必要性能を
（1）
，
（2）
のスペックに絞ることで，安価な設備もあり，ギヤモータ１台に対して診断コストをあまり掛

小型ギヤモータにも適用できる低価格なシステムとする。

けることができないという課題がある。

３

製品開発コンセプト

４

開発製品の仕様と特長

図１に，開発製品のシステム構成を示す。システムは振動

当社のギヤモータ状態監視システムは，２章で述べた小型

センサ，検知ユニット，PC用ソフトウェアから構成され，ギヤモータの診断に対する課題を踏まえ，次に示す３つのコ振動センサで測定したギヤモータの振動データを検知ユニッ

ンセプトのもと開発した。

ト内で診断し，その結果を上位のPCまたはPLCでモニタリ（1）
	 診断アルゴリズム・パラメータ設定ングする。構成品それぞれの特長を次に示す。

歯車やベアリングなどの機械部品の諸元入力など，煩雑なパラメータ設定が必要となる周波数分析は行わず（1）	 振動センサ
図２に外観を，表１に仕様を示す。センシングはMEMSに，診断アルゴリズムやパラメータ設定がシンプルな簡方式の振動加速度センサの採用により，低価格化を実現

易診断システムとした。

した。

（2）
	 故障検知レベル（2）	 検知ユニット

中・小型ギヤモータの保全における故障検知レベル

図３に外観を，表２に仕様を示す。診断方法は，振動は，「末期損傷」で運用上は十分と考え，その診断レベの実効値とピーク値だけを使うことで，設計諸元情報もルに見合ったスペックとする。

必要としないシンプルなアルゴリズムとし，CPUやメモ（3）
	 装置価格

リなどの仕様を最低限に抑えることで低価格化を図っ
住友重機械技報 No.200 2019

16

技術解説

ギヤモータ状態監視システムの開発

簡易診断結果トレンド表示波形表示

図４

ソフトウェア画面
Software screen

た。診断のしきい値は，振動の絶対値ではなく初期状態（振動基準値）からの相対的な変化率を係数として設定す性を持たせている。

ることから，ギヤモータの機種や個体差，使用環境差に（3）
	 PCソフトウェア

よらず設定が容易となる。振動基準値はオートティーチ
ング機能により，現状値の自動設定を可能とした。

図４に画面例を，表３に仕様を示す。ソフトウェアでは，診断パラメータの設定と診断結果のモニタを行う。

また，１台の検知ユニットに複数チャンネルのセンサ

診断開始のトリガ設定により，連続運転だけでなく間欠を接続できるようにし，ギヤモータ１台当たりの診断コ

運転しているギヤモータの安定動作区間の抽出を可能とストを抑える構成とした。顧客のシステム規模により，している。また，フィルタや平均化処理により，外乱振４チャンネルと12チャンネルの２種類をラインナップす動の抑制も行うことが可能である。

る予定である。

17

トウェアで周波数解析による精密診断を行うなど，拡張診断結果は，最新の結果を棒グラフの高さと色で表す

加えて上位のPCには，診断結果（状態の良否判定）だ

簡易診断結果，保存データを時系列表示するトレンド表

けでなく，振動生データを送信する機能を持たせた。こ示，振動生データの波形を表示する波形表示の３つをモれにより，PC側で振動波形を確認したり，市販のソフ

ニタすることが可能である。
住友重機械技報 No.200 2019

技術解説

ギヤモータ状態監視システムの開発

ＰＣソフトウェア仕様
Specifications of PC software

表３

項目

仕様
計測開始トリガ：周期起動 / 外部信号起動
計測時間関連：計測時間，診断周期，遅延時間など

診断パラメータ設定
診断基準 / しきい値：基準に対する係数設定
補正・フィルタ機能：LPF，HPF，平均化処理① 簡易診断結果
診断結果モニタ② トレンド表示③ 波形表示

14

2

振動実効値
（ｍ/s ）

12
10
8
6
4
2
0

図５

ピニオンギヤの損傷
Failure of pinion gear

５

検証試験結果完成したシステムの効果検証をギヤモータの寿命試験で行

図６

初期値

損傷後

振動値比較結果
Comparative result of vibration（参考文献）(1) 陣山鵬，機械設備の異常検知と状態判定基準について，日本信頼性
学会誌，信頼性，37(3), 104 -110, 2015.

った。試験機種には当社の小型ギヤモータであるハイポニッ
クなどを用い，過負荷寿命試験を行うことでギヤ歯面やベアリングなどを損傷させた。
図５に，ピニオンギヤの損傷の一例を示す。この状態は，本システムが狙いとしている末期損傷のレベルであるが、ギヤモータの駆動に問題はなく，すぐに停止に至るものではない。効果検証は，初期状態からこの損傷状態に至るまでの振動値を計測した。
図６に，本システムで計測した初期と損傷後の振動値の比較を示す。システムで振動値の顕著な変化が確認され，この損傷レベルは，本システムで検知可能であることが確認でき
た。

６

おわりに

（1）当社の中・小型ギヤモータの保全に対する顧客ニーズに沿った特長を持つ，低価格なギヤモータ状態監視シス
テムを開発した。
（2）今後も顧客の多種多様なニーズに対応すべく，シリー
ズの拡張・改良開発を行っていく所存である。
住友重機械技報 No.200 201918

パワートランスミッション・コントロール特集 技術解説

ギヤボックスの故障診断

ギヤボックスの故障診断
Failure Diagnosis of Gearbox
●桒

田

泰

伸＊

山

Yasunobu KUWADA

中

一

真＊＊

市

Kazuma YAMANAKA

川

智

子＊＊

Tomoko ICHIKAWA

自動診断
データロガー

計測PC

１

GB故障診断システム ３
専用サーバ
データ処理・
判定

データ収集
加速度
センサ

サービスマン
振動データ

２

４

データ
アップロード

報告書・
提案書

５

SHI-GB

顧客・サービス拠点・サービス店

診断サービス
Diagnostic service

１

報告書
ダウンロード診断時間の短縮が可能となっている。また，故障診断を実施

はじめにするには，ギヤボックスに使われている歯車や軸受の情報が住友重機械ギヤボックス株式会社（SHI-GB）が製造・販売必要であるが，これらの情報は社内基幹システムに保存してするギヤボックスは，動力を伝達するコンポーネントとしている情報を利用することで，入力の手間を大幅に削減するこ

さまざまな分野で使われており，ギヤボックスの故障・停止とができる。さらに本システムは，クラウド上のサーバで分が，設備の操業に大きな影響を及ぼすことがある。そのよう

析・診断を行うことにより，振動データや診断結果を一元管

な故障・停止に至る前に運転中のギヤボックスの状態を把握理することが可能となり，システムによる診断結果と内部点することができれば，あらかじめ必要な部品を準備し修理計

検結果をもとにしたアルゴリズム改良や，診断の対応範囲の画を立てることが可能となり，設備停止期間（ダウンタイム）

拡大など，継続的な改善ができるようになった（図１）。

の削減という価値を顧客に提供できると考えている。このことからSHI-GBでは，2013年10月からギヤボックス精密診断

３

故障診断アルゴリズム（振動診断）
サービスを提供している。しかし，現状はベテラ

故障診断アルゴリズムに関して概要を説明する。先行開発

ンが経験にもとづいて判定する方法であり，要望が増えるとしてきた風力発電用ギヤボックスの故障診断技術を応用し，対応しきれない可能性がある。そこで，ベテランの経験に頼特定の１機種を対象に診断手法の目処付けを行った。その後，

ることのないギヤボックスの自動診断システムを2015年度か

多機種に適用可能な診断手法を検討し，MTシステムと振動ら2017年度にかけて開発した。本システムの特長は，SHI -法にもとづく独自の判定ロジックを組み合わせた状態判定手

GBの製品であるパラマックス減速機（もしくは相当する平行法および部位特定手法を開発した。MTシステムとは，多次軸ギヤボックス）について，状態監視のような継続測定によ

元情報データによるパターン認識や予測・推定を目的としたる変化点監視ではなく，ある時点の振動データから，軸受と情報処理技術である。本アルゴリズムの開発段階では，ギヤ歯車の損傷の有無および損傷部位をこれまでより高い精度でボックスに模擬損傷品を組み込み，ベンチ試験を実施した

判定するということである。このシステムは，2017年12月に（図２）。

フィールド投入し，検証を行っているところである。本報では，この故障診断システムの概要と特長について解説する。

２

故障診断システムの概要

図３に，本システムの診断フローを示す。診断フローの各
項目について次の①～⑤で説明する。
① センシング ギヤボックスの軸受近傍に加速度センサを設置し，振故障診断のプロセスは，振動データ収集→データ処理→判

動加速度の時系列データを収集する。顧客の稼働条件や定→報告書作成という流れとなる。判定のなかには，状態判

主要機種の情報をもとに，軸受や歯車などのギヤボック

定と部位特定が含まれる。現行の振動診断では，測定した振スを構成する全パーツの特徴を捉えられるように，サン

動データを作業者の手で分析し報告書を作成しているのに対プリング周波数と収集時間を設定している。

し，本システムでは一連のプロセスを半自動化することで，
19＊住友重機械ギヤボックス株式会社＊＊技術本部

住友重機械技報 No.200 2019

技術解説

診断
PC

判定
ログイン

ギヤボックスの故障診断

報告書作成
ギヤボックス故障診断システム

メニュー
データ登録画面
振動データ
登録

データロガー

診断判定
データ選択

履歴確認

診断情報
入力

センサ位置
写真
設定
アップロード設定

診断書
表示

診断書
出力

マスタ登録

センサ

ユーザ管理
権限管理
クラウド
サーバ
CSV

CSV

GB 情報管理
DB

図1

診断管理
DB

システム構成Diagnostic system

①
センシング
②

波形処理

振動加速度
時系列波形
FFT/
エンベロープFFT

図2

時系列波形
sec

FFT波形
Hz

センサ設置数が異なるが，どの段数のギヤボックスにおエンベロープFFT波形

いても同一手法で診断できるようにし，汎用性を確保している。状態監視のように，トレンドを評価することがHz

できず，また診断対象のギヤボックスにおける過去の良

稼働条件、ギヤボックス情報
③

特徴量算出

好状態時のデータがないことを想定した運用であること

診断特徴量から，状態判定において正常データの定義が重要となる。

入力軸
④

状態判定

MTシステム正常⑤

部位特定良好状態である正常データにおいても稼働条件やばらつきを考慮した複数条件のデータを取得した。今後もフィ

出力軸
例：ギヤボックス（平行２段）

ールドデータを蓄積し，改善・更新することでロバスト

判定ロジック
異常部位

図3

このことから，ベンチ試験の際に異常データと併せて，

軸受
歯車
異常

ベンチ試験の様子
Bench test

性を確保していく。
⑤ 部位特定 本システムでは，状態判定で異常と判断された場合，

診断フロー
Diagnostic flow

部位特定のフローへ移行し，振動法にもとづく独自の判定ロジックにより，最も可能性の高い損傷部位を推定す② 波形処理る。判定条件に使用する診断特徴量とその閾値を適切に 振動加速度の時系列データに対して，FFT処理とエンベロープFFT処理を実施する。エンベロープFFT処理とは，時系列データに対してローパスまたはバンドパスフ

設定することで，高精度な部位特定が可能となる。

４

おわりに

ィルタを通し，全波整流処理後に包絡線をとった波形に（1）本診断システムの運用により，ベテランでなくても高対してFFTを実施する処理である。稼働条件や損傷部位

精度な診断が可能となるだけでなく，診断に要する時間

によって捉える必要のある周期が異なることから，包絡も大幅に削減できることから，顧客の要求に対し，これ線の算出方法を工夫し，最適なエンベロープFFT波形をまで以上に迅速な対応が可能になることが期待される。

創出することで検知精度の向上を図っている。
③ 特徴量算出（2）現在は，通信速度やデータサイズの制約から，事務所に持ち帰りクラウドサーバにデータを送信しているが，

 主に軸受や歯車から発生する異常振動成分をもとにし今後はモバイルネットワーク技術の進歩や，データのエ

た診断特徴量を採用している。また，軸受や歯車の情報

ッジ処理などを活用することにより，訪問先で診断結果が不要な信号処理による汎用的な診断特徴量なども併せを提供することを可能にする予定である。

て利用している。いずれもベンチ試験から得た，さまざ（3）近年，IoT技術の進歩により，センサの小型化・低価

まな損傷部位における異なる損傷レベルの異常データお格化技術開発が進んでいる。これに伴い，これまでの予よび実機で想定される故障モードの特徴をもとに，物理

防保全（Preventive Maintenance）の考え方から，予知保全

的な裏付けも検討したうえで診断特徴量を選定した。

（Condition Base Maintenance）
への要求が増えてくると④ 状態判定予想される。予知保全の実現には，常時監視型の状態監

 故障診断を行う際，簡易診断→精密診断のステップで視システムが必要となるが，これについても故障診断シ行うことが一般的であるが，簡易診断の情報量では軽微

ステム開発で培った技術やノウハウを活用しつつ開発をな損傷を検知することは困難である。本システムでは，進めている。SHI-GBでは，特定の診断システムだけで精密診断で用いるような多数の情報を使ってギヤボック

なく，豊富な診断システムのラインナップを準備するこスの状態（正常/異常）を判定する。複数の判定器を保有とで，多様化する顧客のニーズに対応する商品を提供しすることで，検知精度の向上を図っている。段数によりていく所存である。
住友重機械技報 No.200 201920

パワートランスミッション・コントロール特集 新製品紹介

シンガポール向けIE３効率規制対応モータ

シンガポール向けIE３効率規制対応モータ
IE３ Efficiency Motor for Singapore

世界の電力消費量は年々増加しており，同時にエネルギー
資源の消費量増加や温室効果ガス排出による地球温暖化などの問題も年々拡大している。このことから，幅広い分野で省エネルギー化・高効率化が推進されている。
世界で使用される全電力の40～50 %はモータが占めており，モータの効率向上が求められている。
日本や欧米では，すでにIE３効率の規制が開始されており，その他の国にも広がっている。

耐熱クラス

特

155
（F）

長

（1）モータ銘板に製造年，IEコード，負荷率（100 ％，75％，
50％）の公称効率値を記載しており，使用者が管理しやす
くなっている。
（2）当社製の各種減速機との組み合せが可能である。
（3）ブレーキ付き仕様への対応が可能である。

シンガポールでは，2018年10月１日より省エネルギー法（the Energy Conservation Act：ECA）においてIE3効率規制が施行された。IE３効率を満たさないモータをシンガポール※「サイクロ」および「サイクロ減速機」は，住友重機械工業株式会社の登録商標です。

国内で製造，または国内に輸入されることを制限している。
当社はIE３効率規制の認証を取得し，2018年９月より発売を開始した。サイクロ減速機をはじめとする多彩な減速機に直結することが可能で，電磁ブレーキ付きなどのさまざまな仕様に対応することができる。
今後も，顧客が海外展開する際に安心して当社のモータを使用できるよう，各国の規制および規格の改訂に対応してい
く。

主要仕様
容量範囲

0.75～55 kW ４P

電源

三相 230 V/400 V 50 Hz（0.75～4.0 kW）
三相 400 V 50 Hz（5.5〜55 kW）

効率クラス IE３
保護形式
21

IP55

屋外型

（PTC事業部

村尾駿太）

住友重機械技報 No.200 2019

パワートランスミッション・コントロール特集 新製品紹介

BBB-Hシリーズ小型領域への対応

四校

BBB-Hシリーズ小型領域への対応
Bevel BUDDYBOX H Series Small Range

当社では，中・小型ギヤモータの直交軸タイプの減速機として，ベベル・バディボックス減速機４シリーズおよび５シ
リーズとハイポニック減速機をラインナップしており，幅広いモータ容量と減速比をカバーしている。直交軸タイプとルギー化を重要視しており，BBB-Hシリーズは市場要求に適合した減速機であると考える。

主要仕様

は，モータ軸と出力軸が直交しているタイプの減速機であり，減速機タイプ 直交軸中空軸タイプ

直交歯車機構を有するものを指す。ベベル・バディボックス

減速比

５～30比

減速機４シリーズおよび５シリーズは効率に優れるベベル歯

モータ出力0.75～1.5 kW

車機構を有し，ハイポニック減速機は静音性に優れるハイポ

モータ電源

三相 200 V 50 Hz/60 Hz，220 V 50 Hz/60 Hz
三相 400 V 50 Hz/60 Hz，440 V 50 Hz/60 Hz

イド歯車機構を有する。
これらの減速機は，宅配・運送業務や荷物集配の物流シス
テムに使用されているが，近年では物流システムの高速化が進み低減速比へのニーズが高まっている。同時に，省エネル
ギー化・高効率化を重要視する設備メーカーも増えてきてい

潤滑方式

特

グリース潤滑長（1）高効率減速機構

る。当社は，これらの要求に応えるべく2017年に低減速比に領域を低減速比に絞り，ベベル歯車＋平歯車の２段減特化した直交軸タイプのベベル・バディボックス減速機Hシ速機構とすることで高効率を実現し，市場要求である省

リーズ（BBB-Hシリーズ）を商品化した。このBBB-Hシリー

エネルギー化に対応している。

ズは，ハイポニック減速機の構造をもとにしたベベル歯車を（2）減速部のコンパクト性有する減速機であり，ハイポニック減速機の持つ信頼性に加２段減速機構に加え，出力軸タイプを中空軸のみとす

えて高効率を実現した減速機である。このBBB-Hシリーズ

ることにより減速部ケースのコンパクト性を実現した。

は，主にスタッカークレーン走行用に商品化したものであり（3）長寿命かつ高信頼性

2.2～11 kWのモータ容量領域をカバーしているが，今回，空メンテナンス性を考慮し，ハイポニック減速機で実績

港設備向け搬送コンベヤ用として需要の多い小型領域（0.75のある長寿命グリースを使用することにより高い信頼性～1.5 kW）
までモータ容量を拡大する。

を確保した。

空港設備メーカーは，乗り継ぎ時間短縮を目的として搬送
コンベヤの高速化を進めており，使用減速機の低減速比化への要求が高まっている。また，大規模な空港設備では省エネ※「バディボックス」および「ハイポニック」は，住友重機械工業株式
会社の登録商標です。
（PTC事業部長尾祐樹）

住友重機械技報 No.200 201922

論文・報告IMPT用患者QAツールの開発

IMPT用患者QAツールの開発
Development of Patient Specific QA Tool for Intensity Modulated Proton Therapy
●水

谷

昌

平＊

Shohei MIZUTANI

山

口

喬＊

Takashi YAMAGUCHI

開発したQAツールを使用した
患者QA方法のイメージ

従来の患者QA方法のイメージ
陽子線
２次元線量計で測定される線量分布

陽子線ドーズモニタフラットネスモニタ

QAツールで計算される線量分布

ファントム、２次元線量計を
設置しない
ファントム
２次元線量計陽子線を照射し、ファントム内の２次元線量分布を測定するモニタで検出した照射実績データから、
ファントム内の３次元線量分布を計算する開発したQAツールを使用した患者QA方法のイメージ
New patient specific QA using our developed QA tool.

陽子線治療の患者QA（ Patient Specific Quality
Assurance）は，均質ファントムに対して陽子線を照射し，複数層の深さの線量分布を測定している。また，治療機器の進歩により，IMPT（Intensity Modulated Proton
Therapy：強度変調陽子線治療）と呼ばれる腫瘍への線量
集中性に優れた照射が可能となった。しかし，IMPTは
その線量分布の複雑さから，患者QAに時間がかかるという問題がある。IMPTが標準的な照射法になることが望まれるが，長時間労働が社会問題となっている臨床現場において，今以上に患者QAによる現場への負担を増やすことはできない。効率的な患者QAを考え，物理士の負担を減らすことは重要な課題である。当社は，患者QAの省力化が期待できるツールを開発し，臨床利用を通じて，物理士の負荷低減という結果を得た。本報ではこれらの内容について報告する。

１

23

まえがき⑴

Patient Specific Quality Assurance (PSQ A) is
commonly per formed by using a homogeneous
phantom and by measuring the dose distributionof multiple layers. In addition, IMPT has enabled
irradiation with excellent dose concentration ont umo r s . Howeve r, IM P T h a s t h e p ro blem t h at
PSQA takes time due to the complexity of its dose
distribution. While we hope that IMPT becomes astandard irradiation, it is not acceptable to introduce
a process that will make clinical practitionaers'
working hour further longer in the real clinical sites
where their extremely long work hour has alreadybecome a special problem. It is an important issue toreduce the burden on physicists by coming up use amore efficient PSQA. We developed a tool that canbe expected to save labor for PSQA, and obtained
the results of reducing the burden on physicists
through clinical use. In this article, we report onthese contents.

れで，多くの場合は緩解や多少の延命が得られるのみである。たとえば，抗がん剤療法は治療効果の発現量と有害反応

世界保健機関（WHO：World Health Organization）によるとの発生量が近接し，効果を得るには有害反応は避けられない

死因の第１位はがんであり，日本でもがんによる死亡者数はことが多い。これは，患者にとって生活の質（QOL：Quality

年々増加している。がん治療として，手術は局所療法としてOf Life）の低下を意味し，大きな課題となっている。

優れるが，病変とともに周囲の正常組織が取り除かれること

放射線治療は，手術と同じ局所療法であるが，臓器の形態から，治療後の生活に障害を伴うという問題点がある。また，と機能を温存できるという最大の特長を有している。手術で化学療法は，進行がんや悪性リンパ腫などの血液性がんではは腫瘍の切除とともに周辺臓器および器官を欠損してしまう

有用性が高いが，固形がんに対しては根治に至るケースはまという欠点を避けられないが，放射線治療では腫瘍のみを消＊技術本部

住友重機械技報 No.200 2019

論文・報告IMPT用患者QAツールの開発

SFUD

1.2
6MV-X線

1.0

相対線量

0.8
0.6

陽子線

IMPT

0.4
0.2
0.0

0

5

10
15
水深（cm）

2025

図１ 陽子線とX線の水中深部線量分布の比較

Comparison of dose depth distribution of proton and that of
X-ray in water

図２

SFUDとIMPTの線量分布
Comparison of dose distributions between SFUD and IMPT

失させ，正常組織の構造を保持することができる。また，抗ビームを直接腫瘍に照射し，ブラッグピーク位置（スポット）

がん剤療法と比較して，効果も副作用も基本的には放射線のを３次元的に変化させ，適切なビーム強度で各照射位置に照照射範囲に限定され，照射範囲が大きくない場合は有害事象

射することで腫瘍の形状に沿った等線量面を作る方法であが軽度であることが多い。このように，ほかの治療法と比べる。この方法は，ビームライン上に配置する物質が少なく，非侵襲であることから，ほかの治療法が施行できない高齢者

陽子がそれを通過する際の中性子の発生量が少ないことからや合併症のある患者でも選択が可能な治療法である。がんの患者の中性子被曝を低減でき，全積分線量の低減とともに特治療法において放射線治療の果たす役割は大きく，WHOのに晩発性障害の発生が心配される小児がんの治療に対して極world cancer reportには，がん患者の50 %が何らかのかたち

めて有望と考えられている。スキャニング照射法は，SFUD

で放射線治療を受けていると書かれている。

（Single Field Uniform Dose）とIMPTの２つの線量分布形成

放射線の殺細胞効果は腫瘍以外の正常組織にも現れ得る

法に分けられる。一般的に陽子線治療は，腫瘍周囲の正常組

が，物理的に線量分布を制御し，線量をできるだけ腫瘍に集織を温存させるべく，複数の方向から照射する多門照射を行中させることで正常組織の副作用を軽減し，その機能を保全う。多門照射による合算線量分布は，腫瘍内で均一になるよ

することができる。この線量集中性が陽子線の大きなメリッ

うSFUD，IMPTともに治療計画を作成する。しかし，トである。図１に，陽子線とX線の水中深度線量分布を示

SFUDでは単門で腫瘍全体を均一に照射する線量分布を作るす。一般的な放射線治療であるX線は，浅部でビルドアップのに対して，IMPTは各門で腫瘍内の線量分布の不均一を許し，深部に進むにつれて指数関数的に減少するエネルギー付容する方法である。図２に，SFUDとIMPTの線量分布の違与を起こし，線量分布は明確な飛程を持たない。これに対しいを示す（2）。図中の青線で囲まれた標的領域に対して青矢印

陽子線は，その入射エネルギーに応じた深さにブラッグピーの方向から照射を行い，右端の図は合算した線量分布を表し

クと呼ばれる鋭いピークを持ち，そのすぐ後方では線量が急ている。SFUD，IMPTともに標的内に均一な合算線量を与激に低下する。この特徴的な深部線量分布はブラッグカーブ

えているが，黄線で囲まれた円領域のOARに対しては，と呼ばれ，X線と比べて腫瘍前方や後方部への線量を低減

IMPTはSFUDと比べてOARへの線量付与を避ける理想的なし，腫瘍に線量を集中させることができる。

線量分布を形成している。このことから臨床ではIMPTを使

2陽子線の照射野形成法⑴加速器から出力された陽子線は数mm程度の細さで，エネ
ルギーはほぼそろっている。一方で，腫瘍は３次元形状を持ち，存在する場所もさまざまなことから，この細いビームを用した治療が積極的に求められるが，IMPTはSFUDと比べて患者QAに時間がかかるという問題点があり，現在はSFUDが陽子線治療の標準的な照射法となっている。

3

患者QAの概要

拡大し腫瘍形状に合致した線量分布を形成することが必要と

陽子線治療では高い照射精度が要求されることから，治療なる。同時に，腫瘍周囲の正常組織および放射線感受性の高計画の正確性または機器設定に起因する線量分布の曖昧さがい重要臓器（OAR：Organ At Risk）
への線量付与をできる限問題となる。陽子線治療のQAでは，これらの差異を明らかり小さくする必要があり，このビーム整形過程を照射野形成にし，照射精度を維持する方策を示すことを重要な役割としという。特に脳幹，視神経，脊髄，心臓がOARとして知らている。表１は，米国６施設でのX線治療に対する陽子線治れ，これらのOARへの線量付与を避ける，あるいは過去の治療の各QA項目の作業時間比である（3）。そのなかで，陽子線療経験から見積もられている耐容線量以下に抑えることが緊治療の患者QAは施設ごとの時間比のばらつきが大きく，X線要である。

治療と比べて平均2.2倍の時間を要している。患者QAは，患

現在，陽子線治療で用いられている照射野形成法の一つに者ごとの治療計画の計算結果が照射装置により実現されるこ

スキャニング照射法がある。これは，加速器から取り出したとを均質ファントムで確認する作業である。現在の患者QA
住友重機械技報 No.200 201924

論文・報告X線治療と陽子線治療の各QA時間の比較
Comparison of each QA time of proton therapy and that of photon therapy

表１

IMPT用患者QAツールの開発

２次元線量計陽子線
QA Type

X線
施設１

施設２

施設３

施設４

施設５

施設６

平均

3

0.25

1.2

Daily
QA

1

1

1

1

1

Weekly
QA

1

N/A

N/A

N/A

N/A

N/A

Monthly
QA

1

2

1.5

1〜1.5

1

1

1.4

Annual
QA

1

1

1

1〜1.5

1

0.75

1.0

Patient
specific QA

1

均質ファントム3

4

0.25〜0.5

0.75

4

1

2.2

図３

現在の患者QAの方法
Patient specific QA setup

measured dose
calculated dose

Relative Dose
1.2
1

1.2

（A）IC−20 mm

1

1.2

（B）IC

1

0.8

0.8

0.8

0.6

0.6

0.6

0.4

0.4

0.4

0.2

0.2

0.2

0
-150 -100 - 50

図４

0

50

0
100 150 -150 -100 - 500

50

100 1500-150 -100 - 50

0

50 100 150
Position（mm）

線量分布の測定結果とQAツールの計算結果の比較
Comparison of dose distributions measured and those calculated by our QA toolは，図３に示された配置関係でファントム厚を可変し，測定記録される照射実績データを使用し，この照射実績データか

深を変えて複数層の線量分布を測定することで達成する。多ら算出され実際に照射される線量分布の結果が出力される。

門照射の場合，門数分だけこの作業を繰り返すことになるの

QAツールからは，医療分野で標準的なDICOM形式の線量分で現在の患者QAは時間がかかり，SFUDでは１患者当たり布の計算結果が出力されることから，市販の解析ソフトで容１～1.5時間を要している。また，一般的にIMPTは各照射門

易に線量分布の解析が可能である。

の線量分布が複雑であることが知られており，治療の質を保代表図は，QAツールを使用した患者QA方法のイメージで証すべくSFUDに比べ多くの層を測定する施設が多い。現在ある。従来の患者QA方法は，物理士がファントムや２次元IMPTで治療を行う施設からは，患者QAに１患者当たり３～線量計をセットアップし，実際に線量分布を測定することで４時間費やしているという報告もある。陽子線治療のさらな達成していたが，本開発成果物のQAツールを使用した患者

る発展にはIMPTが標準的な照射法になることが望まれる

QA方法では，それらのセットアップを必要としない。照射が，治療前に必ず行う患者QAに膨大な時間がかかっていて実績データから算出される線量分布で患者QAが達成されれはその実現は難しい。陽子線治療者数が今後増え続け，患者

ば，作業者の手間や時間を削減することができる。

QAが増大する一方では臨床の物理士の労働時間が増え現場

QAツールの計算結果は，これまで測定していた線量分布は疲弊するばかりなので，簡略化できるところは簡略化すべに代わり患者QAに用いられることから，その計算精度は重きである。臨床現場の人的資源や業務時間は有限であり，よ要である。また，計算精度が優れていても，その計算に数時り効率的な患者QAにより物理士の負担を減らすことは重要間を費やしては患者QAの効率化の障害となる。本開発では，な課題である。そこで当社は，国立がん研究センター東病院

計算精度と時間のバランスに優れ，陽子線治療業界で実績の（NCCHE：National Cancer Center Hospital East）との共同研

ある簡易モンテカルロ法を採用した（4）。

究を通じて，患者QAの高スループットが期待されるQAツールの開発に取り組んだ。

425（C）IC＋20 mm

QAツールの検討

5

QAツールの結果検証と開発効果

本開発のQAツールで出力される線量分布の計算精度を評価すべく，NCCHEで実測した合計82門の線量分布との比較

陽子線治療装置には，単位時間当たりの陽子線の線量や位を行った。図４に，線量分布の測定値とQAツールの計算値

置が記録されるモニタ（ドーズモニタ，フラットネスモニタ）を比較した一例を示す。赤点が測定値，青線がQAツールのが常時挿入されている。QAツールの入力は，照射中に必ず計算値を表し，両者はよく一致していることが分かる。そし住友重機械技報 No.200 2019

論文・報告図５

IMPT用患者QAツールの開発

治療計画の線量分布とQAツールの線量分布の比較
Comparison of dose distributions calculated by a TPS and those calculated by our QA toolて，計82門分の比較結果は99.9＋0.20 %（平均値＋標準偏差）の線量分布の一致率であり，QAツールで計算される線量分
布は実測を再現する結果を得た。また，QAツールの計算にとができる。

6

今後の展開

数時間を要すると臨床利用は望めないが，その計算時間は

QAツールを臨床で使用しているNCCHEからの高評価に加235±23秒で，４分かからずに計算が完了する。このようなえ，学会やユーザーズミーティングなどでの発表を通じて，結果を得て， NCCHEはQAツールが実臨床で十分利用可能

当社陽子線装置が導入された病院からQAツールの販売を要であると評価し，現在このQAツールの臨床利用を行ってい望されている。このことから，今後はQAツールの商品化にる。図５に，NCCHEにて行った市販の解析ソフトを用いた向けた課題に取り組む予定である。当社は，陽子線治療装置

治療計画の線量分布と，QAツールの線量分布の比較を示のハードウエアを顧客に提供するだけでなく，ソフトウエア

す。従来の患者QAにおいて２次元線量計で測定した一部をも併せて提供することが市場での競争力強化につながると考QAツールの計算結果に置き換えることにより，１患者当たえている。今後も対外発表を通して開発成果を積極的にアピ

り１～1.5時間費やしていたSFUDの患者QAが30分に短縮さールし，営業活動を継続していく所存である。

れたとNCCHEから報告されている。
また，陽子線のビーム使用量についてもNCCHEから高評価を受けている。2018年４月からの陽子線治療の前立腺がん
症例への保険適用を受けて，前立腺がん治療の患者数が増加
し，近年病院でのビーム使用量が問題となっている。ビーム
使用量の上限を超えると法令違反となるので，臨床ではビー

7

むすび（1）患者QAの省力化を目的としたQAツールの開発を行った。
（2）QAツールで出力される線量分布は，実臨床の患者QAにおいて使用可能という結果を得た。

ム使用量をいかに削減できるかが重要となる。QAツールの（3）NCCHEおいて従来は１患者当たり１～1.5時間かかっ

臨床利用により測定数を減らすことができたことで，約13 ％ていた患者QAが，QAツールを使用することで30分に短のビーム使用量削減という結果を得た。

縮された。

本課題を通じて，社会問題である医療従事者の労働時間改善に貢献できたと考えている。病院ではこれまで，患者QA（参考文献）

は治療が終了する夕方から夜中にかけて行い、かなりの人手(1) H. Paganetti, PROTON THERAPY PHYSICS,CRC Press, 2012.

と時間をかけて運用してきた。たとえば５人の物理士で３時(2) M. Pankuch, Modern Proton Treatment Planning(2), PTCOG57,
May 21-26, 2018.

間の時間を割いて患者QAを行う場合，物理士１人当たりの(3) C. Beltran, Workflow Efficiency, PTCOG57, May 21-26, 2018.

人件費を1.5万円/時間と仮定すると，22.5万円/日と計算され(4) R. Kohno, T. Sakae, Y. Takada, Simplified Monte Carlo Doseる。それに対し，QAツールを用いた患者QAにより作業時間

Calculation for Therapeutic Proton Beams, Jpn. J. Appl. Phys.

が半分に短縮されると，人件費も11.25万円/日となる。これ

41(2002), pp.L294-297.

は，病院当たり年間1 500万円の人件費削減につながり，この結果を当社陽子線治療装置が導入された７施設に拡大すれ
ば，年間10 500万円の人件費削減となる。さらに，諸外国で複数の治療室を持つ施設の場合は，患者数が多く物理士の作
業時間も長いことから，この見積り以上の効果を期待するこ
住友重機械技報 No.200 201926

住友重機械技報技術分類総目次（第19１号〜第200号 2016年８月～2019年12月）
題

名

号

頁

執

筆

可変時定数法による熱連成シミュレータの開発

191

1

技術本部

はすば歯車減速機の振動計測によるかみ合い起振力の推定

191

5

技術本部

ファン形状最適化によるサイクロ減速機温度上昇の低減

191

9

技術本部 PTC事業部

精密制御用サイクロ減速機 F４C-Cシリーズの開発

191

11

PTC事業部

サーボモータ用減速機 新IBシリーズ（大型，直交シリーズ）
の開発

191

13

PTC事業部

パラマックス減速機10シリーズ

191

15

PTC事業部

中国向けIE３効率（GB２級）
モータ

191

16

PTC事業部

チェーンコンベヤ用減速機

191

17

PTC事業部

小型インバータ用パソコン通信ソフトウェア

191

18

PTC事業部

小型インバータ用オプション製品

191

19

PTC事業部

製造，材料活用，設計技術の融合による高効率誘導モータの開発

200

1

PTC事業部 技術本部

振動計測によるはすば歯車減速機のかみ合い伝達誤差の推定

200

5

技術本部

精密小型減速機ECYシリーズの開発

200

9

PTC事業部

精密制御用サイクロ減速機F４C-DAシリーズの開発

200

11

PTC事業部

分散制御用インバータDF-520シリーズ

200

13

PTC事業部

ギヤモータ状態監視システムの開発

200

15

PTC事業部

ギヤボックスの故障診断

200

19

住友重機械ギヤボックス株式会社 技術本部

シンガポール向けIE３効率規制対応モータ

200

21

PTC事業部BBB-Hシリーズ小型領域への対応

200

22

PTC事業部

成形に次の先進性をもたらす SEEV-A

194

1

プラスチック機械事業部

小型射出成形機による型締力０tf成形

194

5

プラスチック機械事業部

アップグレーディング, ダウンサイジング SEEV-A-HD

194

9

プラスチック機械事業部

Zero-moldingを利用した最新射出成形機の機能

194

11

プラスチック機械事業部

住友射出成形機のIoT

194

13

プラスチック機械事業部

住友射出成形機のソリューション−１ 品質管理パッケージ

194

15

プラスチック機械事業部

住友射出成形機のソリューション−２ 生産完了パッケージ

194

17

プラスチック機械事業部

LIM（液状シリコーン樹脂成形）
パッケージ

194

19

プラスチック機械事業部

199

5

メカトロニクス事業部

日本における石炭混焼によるバイオマス高効率利用について

197

1

エネルギー環境事業部

持続可能なエネルギー社会の実現に向けて（Sumitomo SHI FW社）

197

5

エネルギー環境事業部

嫌気性処理を活用した再生エネルギー化事例

197

9

住友重機械エンバイロメント株式会社

省エネルギー・省メンテナンス型旋回流式沈砂分離機の開発

197

13

住友重機械エンバイロメント株式会社

耐硫酸性樹脂チェーンフライト式汚泥かき寄せ機 SRノッチ

197

17

住友重機械エンバイロメント株式会社

事業所紹介 ─ 熊本阿蘇事業所 ─

197

21

住友重機械エンバイロメント株式会社

変減速機・インバータ

プラスチック加工機械

電子機械
ナノ秒パルスレーザの特長とアプリケーション紹介
エネルギー・環境

題

名

号

頁

執

筆

X線天文衛星「ASTRO-H」搭載軟X線分光検出器（SXS）
冷却系の開発191

21

産業機器事業部

超電導単一光子システム冷却用小型２KGM冷凍機の開発

191

9

技術本部

高周波プラズマ数値シミュレーション技術開発

192

21

技術本部 住友重機械イオンテクノロジー株式会社

リアルタイム中性子モニタを用いたBNCT用QAシステムの開発

194

27

技術本部

X線天文衛星「ひとみ（ASTRO-H）」搭載軟X線分光検出器の寒剤フリー冷却

199

23

産業機器事業部

CYPRIS HM-10用金属元素放射性核種製造システム

199

21

産業機器事業部

IMPT用患者QAツールの開発

200

23

技術本部

199

1

メカトロニクス事業部

クロスレール固定門形平面研削盤 KSL-F８シリーズ

199

17

住友重機械ファインテック株式会社

立軸円テーブル形平面研削盤 SVR80

199

22

住友重機械ファインテック株式会社

精密平面研削盤 KSH-870

199

23

住友重機械ファインテック株式会社

クロスレール固定門形平面研削盤 KSL-F22150
（U）

199

24

住友重機械ファインテック株式会社

クロスレール固定門形平面研削盤 KSL-F2560
（U）

199

25

住友重機械ファインテック株式会社

住友の産業用クレーン

192

1

住友重機械搬送システム株式会社

フリーサイズケース自動倉庫

192

9

住友重機械搬送システム株式会社

重錘油圧式200 m グラブ浚渫船

192

13

住友重機械搬送システム株式会社

RTGの遠隔自動システム

192

15

住友重機械搬送システム株式会社

通信販売業界向け出荷荷揃えシステム

192

17

住友重機械搬送システム株式会社

対面フェイスピッキング自動倉庫システム

192

19

住友重機械搬送システム株式会社

新型バッテリ式フォークリフト FB0.9〜3.5 t

192

21

住友ナコ フォークリフト株式会社

フィールドビューモニター２の開発

196

1

技術本部

ICT施工対応油圧ショベル SH200 -７ MG・MC仕様

196

7住友建機株式会社

ホイール式アスファルトフィニッシャ HA60W-10

196

11

住友建機株式会社

350 tづりクローラクレーン SCX3500-３

196

13

住友重機械建機クレーン株式会社

バッテリ式フォークリフトの旋回速度制御

196

17

住友ナコ フォークリフト株式会社

くりこみ群分子動力学法を用いた高分子シミュレーション

194

21

技術本部

非平衡分子動力学法による超音速ノズル流と凝集の解析

196

19

技術本部

STAF
（Steel Tube Air Forming）
プロセスの開発

196

23

技術本部 産業機器事業部

連続３点式真直度測定システムの開発

199

13

技術本部

医療機器・量子機器・精密機器・極低温装置

制御システムRoll to Roll用高精度エアダンサユニット ADU-ASシリーズ
鍛圧機械・工作機械

運搬荷役機械

3

建設機械・フォークリフト－単眼カメラの画像認識による油圧ショベルの周辺確認サポート機能－

その他

住友重機械技報第200号発行に当たり

住友重機械技報第200号をお届け致します。

本誌は，当社が常々ご指導いただいている方々へ，最近の新製品，新技術をご紹介申し上げ，
より一層のご理解とご協力をいただくよう編集したものです。
本誌の内容につきましては，さらに充実するよう努めたいと考えますが，なにとぞご意見キ

賜りたく，今後ともよろしくご支援下さるよう，お願い申し上げます。

リ

なお，貴組織名，ご担当部署などについては，変更がございましたら裏面の用紙にご記入
トのうえ，FA X でお知らせいただきたくお願い申し上げます。また，読後感や不備な点を簡単

リに裏面用紙にご記入願えれば幸いに存じます。

線

2019 年 12 月

〒 141-6025 東京都品川区大崎 2丁目1番1号（ThinkPark Tower）
住友重機械工業株式会社
技術本部

技報編集事務局

（宛先）

（発信元）
貴組織名
担当部署
氏
名
TEL No.
FAX No.

住友重機械工業㈱技術本部 技報編集事務局 行
FAX 横須賀 046 − 869 − 2358

住友重機械技報第200号の送付先の確認と読後感などの件
送付先
変（旧送付先）（新送付先）

送付番号

送付番号

組織名称

組織名称

担当部署

担当部署

所 在 地

所 在 地

更

キ

〒

〒

リ

新

ト

規

新しい部署ができた場合ご記入下さい。

リ

組織名称
送

線

担当部署

付

所 在 地

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1 ．本号で，一番関心を持たれた記事は。

読 後 感

2 ．本号を読まれたご感想をお知らせ下さい。
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）

に つ い

1

興味深かったその理由をお聞かせ下さい。

2

特に興味なし部て主要営業品目
変減速機，インバータ● 機械式減速機：［同心軸］サイクロ減速機，サイクロギヤモータ
アルタックス，精密制御用サイクロ減速機，コンパワー遊星歯車
減速機，［平行軸］パラマックス減速機，ヘリカルバディボックス，
プレストギヤモータ，［直交軸］パラマックス減速機，ハイポニッ
ク減速機，アステロ直交ギヤヘッド，ベベルバディボックス，ライタックス減速機，HEDCON ウォーム減速機，小形ウォーム減速機 ● 変速機：［機械式変速機］バイエル無段変速機，バイエル ･
サイクロ可変減速機，［電気式変速機］インバータ，インバータ搭
載ギヤモータ，サーボドライブ，DC ドライブ

金属加工機械
● 鍛圧機械：フォージングプレス，
油圧プレス，
フォージングロール，
クーラント処理装置 ● SPS（放電プ
超高圧発生装置 ● 工作機械，
ラズマ焼結機）プラスチック加工機械● プラスチック加工機械：射出成形機，射出吹込成形機，ディスク
フィルム製
成形機，
セラミックス成形機 ● フィルム加工機：押出機，造装置，ラミネート装置 ● IC 封止プレス ● 成形システム ･ 金型：
射出成形用金型，PET システム，
インジェクションブロー成形システム，
インモールドラベリング成形システム

船舶海洋● 船舶：油槽船，
石油製品運搬船

サイクロ，アルタックス，コンパワー，パラマックス，バディボックス，プレスト，
ハイポニック減速機，
アステロ，
ライタックス，HEDCON，
バイエルおよびバイエル・
サイクロは，住友重機械工業株式会社の登録商標です。

レーザ加工システム● レーザドリル装置と加工システム●レーザアニーリング装置●

YAG レーザ

物流・パーキングシステム● 自動倉庫システム● 高速自動仕分システム
テム ● 無人搬送システム ● 機械式駐車場●

FMS/FA シス

運搬荷役機械
連続式アンローダ，港湾荷役クレーン（コンテナクレーン，タイヤマ
ウント式ジブクレーン，タイヤマウント式 LLC）
，トランスファクレーン，
ジブクレーン，ゴライアスクレーン，天井クレーン，製鋼クレーン，
自動クレーン，コイル搬送台車，ヤード機器（スタッカ，リクレーマ，
スタッカ／リクレーマ），シップローダ，ベルトコンベアおよびコン
ベアシステム，リフティングマグネット装置，コークス炉移動機械

化学機械，プラント● 一般プラント：紙・パルプ製造装置，
化学装置，原子力装置 ● 圧
力容器：リアクタ，
塔，槽，熱交換器 ● 撹拌混合システム：マック
スブレンド撹拌槽， スーパーブレンド（同心２軸型撹拌槽）， バイ
ボラック（横型２軸反応装置）

半導体・液晶関連機器● イオン注入装置● 成膜装置：（太陽電池，タッチパネル，
有機EL用）プラズマ薄膜形成システム ● 精密位置決め装置 XY ステージ● モーションコーポネント● ライン駆動用制御システム● マ
イクロマシン ● レーザアニーリング装置 ● ウエハ研削装置

マックスブレンドおよびバイボラックは，住友重機械プロセス機器株式会社の登録

環境施設● 環境 ･ エネルギー関連プラント：循環流動層（CFB）
ボイラ，ロー
タリーキルン式産業廃棄物処理施設 ● 大気関連プラント：電気集下水処理施
塵装置，灰処理装置 ● 水関連プラント：上水処理施設，設，
浸出水処理施設 ● 産業廃水処理装置

タービン，ポンプ
蒸気タービン，
プロセスポンプ

加速器，医療機器，精密機器，極低温機器，超電導磁石● イオン加速器：サイクロトロン，
ライナック，シンクロトロン ● 電
子線照射装置 ● 医療機器：PET診断用サイクロトロン ･CYPRIS，
標識化合物合成装置，陽子線治療システム ● 冷凍機：パルス
チューブ冷凍機，4KGM 冷凍機，MRI 用冷凍機，クライオポンプ● 人工衛星搭載観測装置冷却システム● 超電導磁石：ヘリウム
フリー超電導マグネット

商標です。

建設機械，フォークリフト
油圧式ショベル，
杭打機，
道路舗装機械，クローラクレーン，
基礎機械，
フォークリフトその他
航空用機器，
精密鍛造品，
防衛装備品（各種機関銃，機関砲およびシステム）

CYPRIS は，住友重機械工業株式会社の登録商標です。

※文章中のソフトウェア等の商標表示は，省略しております。

事業所
本
社
関西支社
中部支社
九州支社
田無製造所
千葉製造所
横須賀製造所
名古屋製造所
岡山製造所
愛媛製造所
新居浜工場
西条工場

〒 141-6025〒 530-0005〒 461-0005〒 812-0025〒 188-8585〒 263-0001〒 237-8555〒 474-8501〒 713-8501

技術研究所 〒 237-8555 神奈川県横須賀市夏島町19番地
技術研究所 〒 792-8588 愛媛県新居浜市惣開町5番2号

東京都品川区大崎2丁目1番1号（ThinkPark Tower）
大阪市北区中之島 2丁目3番33号（大阪三井物産ビル）
名古屋市東区東桜1丁目10番24号（栄大野ビル）
福岡市博多区店屋町 8 番 30号（博多フコク生命ビル）
東京都西東京市谷戸町2丁目1番1号
千葉市稲毛区長沼原町731番 1号
神奈川県横須賀市夏島町19番地
愛知県大府市朝日町6丁目1番地
岡山県倉敷市玉島乙島 8230番地（新居浜）

本号に関するお問い合わせは，技術本部技報編集事務局
（電話番号
は下記）
宛お願い致します。

〒 792-8588 愛媛県新居浜市惣開町5番2号〒 799-1393 愛媛県西条市今在家1501番地

住友重機械工業株式会社のホームページ http://www.shi.co.jp/

技報編集委員
委

員

見上 孝一
大西 良孝
平田
徹
井上 千晶
梶谷 純平
長部 洋介
有吉 政博
石川 賢治
諏訪 義和
鈴木雄一郎

伊藤
晃
阿部 昌博
岡林 明伸
藤本 典之
山田 森夫
小住 幸広
坂根
剛
石倉 武久
蟹
伸章
大谷 賢一
事 務 局 技術本部
編集協力 （株）千代田プランニング委住 友 重 機 械 技 報

員

第200号

非売品

2019年12月10日印刷
発

発

行

12月20日発行

行

住友重機械工業株式会社〒 141-6025 東京都品川区大崎2丁目1番1号（ThinkPark Tower）
お問い合わせ電話 横須賀 046-869-2306

人

冨田

良幸
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