資料

印刷機用遊星ローラ式トラクションドライブ減速ユニットについて
Planetary Roller Type Traction Drive Unit for Printing Machine
河野晶彦

A. KAWANO

This paper describes the issues including the rotation unevenness, transmission torque and service life which should bestudied when applying traction drive speed reducer to printing machine. Specifically, comparison between conventional
gear type speed reducer was made to prove the advantageous characteristics such as efficiency, vibration and backlash. The
results show the possibility for traction drive unit to expand its practical applications in various fields in the future.
Key Words: traction drive, rotation unevenness, printing machine, speed reducer, planetary roller

1．はじめに

2．基本原理近年，デジタル画像処理技術の急速な進歩に伴

図2に示すようにトラクションドライブでは２い，印刷機はより高画質化へと進みつつあるが，つの圧接されたローラ間に介在する油膜によっその画像品質を支えるためには印刷紙を送る動力て，駆動側ローラから従動側ローラへ動力が伝達伝達部において非常に高い回転精度が必要であされる．

る．一般に動力伝達部で必要とされる回転速度は−1−1

ローラ間には微小な相対速度差が存在し，油膜数min 〜数十min であることが多く，駆動モーをせん断するため接線力（トラクション力）Ｔが発タ＋減速装置の組み合わせが一般的に使用され生する．

る．

トラクション力Ｔは式aで表される．

こうした用途においては，従来の歯車やベルトによる減速方式では限界があるため，新しい減速方式のニーズが高まってきている．
当社は以前より電動自転車やパワーステアリン
グ用途のトラクションドライブ（図1）がもつ高い回転精度に着目し，印刷機分野での実用化を進めている．
本報では当社での印刷機用途におけるトラクションドライブの考え方について解説する．

aＴ＝μＰ
μ：トラクション係数
Ｐ：ローラに発生する圧接力μはトラクション係数と呼ばれ，摩擦係数に類似するものである．
この係数が高い潤滑油を一般的にトラクションオイルと称している．
トラクションオイルは高圧力下でガラス転移することにより高いトラクション係数を発生することができる．
Ｐ

高粘度潤滑油図1 遊星ローラ式トラクションドライブ
Planetary roller type traction drive unit

トラクション力（転がり伝動力）Ｐ

図2 トラクション力発生原理
Principle of traction force

60

Koyo Engineering Journal No.165 (2004)

−印刷機用遊星ローラ式トラクションドライブ減速ユニットについて−る．駆動モータの種別は問わないが，ステッピン

3．印刷機への適用
3.1

グモータやサーボモータと組み合わせる例がもっ特徴とも多い．

印刷機は図3に示すとおり感光フィルムにレー

図4にトラクションドライブの構造例を示す．

ザー光を照射し，網点を打つことで文字や像を作
固定軸
遊星ローラ ステッピングモータ
ボールベアリング太陽軸

り出しているが，フィルムの送り速度が変動すると印刷にむらが生じてしまう．

偏光レンズ

φ110

ポリゴンモータ

レーザージェネレータ

133

トラクションドライブ

被印刷物
送りドラム

図3 印刷機の構造
Structure of printing machine

図4 トラクションドライブの構造（製版機向け）
Structure of planetary type traction drive unit (film feeder)

3.3

角速度変動率（回転むら）

実際には駆動モータを比較的速度変動が小さい

角速度変動率とは回転むらの尺度で，回転軸の高速領域で運転し，その回転を減速することで低角速度変動を回転角速度で除した値で定義する．

回転速度域の速度変動を抑制する使い方が一般的

これは印刷機の画質に直接影響を与える最も重である．
さて，一般にトラクションドライブには以下に示す特徴がある．
①高回転精度
転がり伝達であるので容易に高回転精度が得ら要な品質特性の一つであり，可能な限り小さいことが望ましい．
図4のトラクションドライブを測定すると図5のような角速度変動データが得られ，さらにこれを周波数解析すると図6に示すスペクトルデータれるとなる．これらピークの発生周波数から，ある程②高効率度回転むらの要因が推測できる．

動力損失が少なく高い効率が得やすい③低騒音・低振動
歯車のようなかみあいによる振動や騒音がない④低バックラッシ
転がり伝達であるので容易にバックラッシを低減できる異なる場合が多い．
これは測定装置自体の剛性や回転体の慣性モーメントにより共振等の振動成分の影響度合が変わるため注意を要する．
0.5

基本構造

当社では，遊星ローラ式トラクションドライブ構造を採用しており，太陽軸からの入力を遊星ローラの公転出力として取り出す減速方式としている．
当構造のトラクションドライブ減速ユニットの採用理由を以下に示す．
①構造が単純であり，信頼性が高い②圧接力を与えやすく，その圧接力は内部で吸収される

角速度変動率，％rms

3.2

一方，トラクションドライブにおける回転むらは同一の製品を測定しても測定装置により結果が0.25
0−0.25−0.50510152025

測定時間，sec

図5 角速度変動波形（測定例）
Waveform of angular velocity fluctuation (measured sample)

また，ユーザーでの取り扱いを簡易化するため駆動モータと一体化したユニット製品としていKoyo Engineering Journal No.165 (2004)61角速度変動率，％ｐ−ｐ−印刷機用遊星ローラ式トラクションドライブ減速ユニットについて−0.1

この位置誤差が運用上問題となる場合は，駆動0.08

モータにトラクションドライブの出力信号を入力して制御する必要がある．

0.06
0.04

3.50.02減速比

本構造における減速比は式dで表される．

00100200300400d

Ｎ＝（Ｄ／ｄ）＋１500

周波数，HzＮ：減速比

図6 角速度変動率の周波数解析結果
Result of frequency analysis on angular velocity
fluctuation ratio

Ｄ：固定輪内径
トラクションドライブでは構造上，遊星ローラの個数は３個以上が必要である．

3.4

伝達トルク

遊星ローラの個数から最大減速比を算出するにトラクションドライブの伝達トルクTqは式sよは式fを用いる．

り得られる．
｛１−sin（π／Ｚ）｝
Nmax＝２／s

Tq＝μPZd／２

Nmax：最大減速比ｄ：太陽軸外径

表1 遊星ローラ減速比表
Maximum speed reducing ratio

トラクションドライブでは動力を転がり伝達す

遊星ローラ数最大減速比る構造であるため，運転中は常時微小な滑りをと

３14.928

もない，その滑り率は伝達トルクと密接に相関が４6.828ある．

５4.851６4.000７3.532

８3.239９3.039102.894Ｚ：遊星ローラ個数

滑り率と伝達トルクの関係の測定例を図7に示
す．
54
滑り率，％

f32このことから，１段当たりの最大減速比は表11に示すように約14.9となる．14.9以上の減速比が必要な場合は，トラクションドライブを直列に複

000.5

11.5

22.5

伝達トルク，N・m

図7 伝達トルクと滑り率の関係
Relation between transmission torque and slip rationin traction drive unit
図7では伝達トルク値で１〜1.5Ｎ・ｍ付近に傾きが大きく変化する箇所があるが，これはトラク数段組み合わせることで得る事ができる．
弊社で製品化されているものの多くは２段減速で，50〜100という減速比が多い．
構成部品である太陽軸，遊星ローラ，固定輪の軌道径は各々寸法公差をもっており，設定減速比に対して１％以下の誤差を有している．

3.6

効率

ションドライブのサイズや圧接力により変化する．
この傾きが変わる領域をこえるような伝達トル
クで用いると，滑り率が増加するため寿命に大きトラクションドライブの効率ηは式gにて算出できる．
／（T1・R1）
η＝100・（T0・R0）

gな影響を与える．
また，歯車減速と異なり滑り等により減速比がT0：出力トルク微小に変動するため，位置誤差（１回転当たりのR0：出力回転速度原点復帰精度）が累積していくという特徴を有し

T1：入力トルクている．

R1：入力回転速度

62

Koyo Engineering Journal No.165 (2004)

−印刷機用遊星ローラ式トラクションドライブ減速ユニットについて−

２）
軌道の油膜切れが原因で発生する

一段減速時の効率の測定例を図8に示す．

《油膜切れの主な原因》

伝達トルク等の使用条件の影響は受けるが，お・潤滑油の枯渇，供給不足

おむね90％以上の効率となる．

・軌道の接触面圧過大

100・軌道粗さ過大③グリース枯渇（軌道摩耗）

90

１）
グリース潤滑の場合にのみ適用
効率，％

80２）
グリース潤滑の場合は，一般的にこの形態で寿命に至る

70３）
負荷トルクすなわち軌道部の滑りが油膜を削り取っていき最終的に油膜切れとなる

60

製品化された印刷機用トラクションドライブでは要求性能上メンテナンスフリーとするため給脂

50
00.5

11.522.5伝達トルク，N・m

な使用方法であれば上述③のグリース枯渇で寿命

図8 効率
Efficiency of torque transmission

3.7

機構をもたないグリース潤滑が主流であり，適正に至る．
図10に印刷機用トラクションドライブの寿命促進試験例を示す．

振動

5トラクションドライブでは前述のように転がりい特徴がある．
同サイズの遊星歯車減速機と振動値を比較した

4
滑り率，％伝達であるので，他の減速方式よりも振動は小さ

3
耐久前
500ｈ
1 000ｈ1 170ｈ21

結果を図9に示す．

00●振動値……遊星歯車との比較

0.5

220
振動値，m/s

11.5

22.5伝達トルク，N・m

図10 寿命促進試験による伝達トルクの変化
Fluctuation of transmission torque by life prolonging test

1510

この例では図10のようにグリース枯渇が発生するまで（〜1 000ｈ）はほぼ初期の滑り曲線を維5持するが，グリース枯渇にともない軌道摩耗が発
0

1 000

2 000

3 000

4 000

5 000

−1

太陽ローラ回転速度，min

図9 振動値の比較
Comparison of vibration valve

3.8

寿命

トラクションドライブにおける寿命の考え方を下記に示す．
この中で最も短いものが実際の寿命となる．
①はく離寿命１）
軌道の転がり疲れによるはく離寿命２）軌道の面圧の調整により防止ができる
３）
ただし，エッジロード部および滑りが発生した場合は除く②軌道摩耗
１）
軌道の摩耗により法線荷重が低下し，トルク伝達できなくなる状態生し始めると短時間で寿命となる．
回転むらも同様で軌道摩耗が始まるまではほぼ初期のレベルを維持する．

3.9

バックラッシ

トラクションドライブでは転がり伝達のため原理的にバックラッシは存在しないが，遊星ローラ内の軸受隙間によりバックラッシを生じる．
図4に紹介する構造では軸受に予圧を与え隙間をなくすことにより3.9arc・s（ 角度・秒）を達成している．
この例ではバックラッシは認められておらず，ほとんどがヒステリシス成分である．
当社で同サイズのウォームギヤを測定した結果
では60arc・s以上であったことから，この値が非常に小さい値であることがわかる．
バックラッシがあまり重要ではない用途であれ
ば転がり軸受をころ軸受や滑り軸受にすることでKoyo Engineering Journal No.165 (2004)

63

−印刷機用遊星ローラ式トラクションドライブ減速ユニットについて−0.5−3出力軸ねじれ角，×10 radユニット全体の小型化を図ることができる．

0バックラッシ
3.9arc・s
出力軸ねじり剛性−30.95×10 rad/N・m−0.5−0.200.2

出力軸ねじりトルク，N・m

図11 バックラッシ
Traction drive unit backlash

3.10駆動モータ

トラクションドライブと組み合わせて使用する駆動モータには，特に制限はないが静粛性や高速回転が必要な用途ではサーボモータを低速回転で，高い駆動力が必要な場合はステッピングモータを採用する場合が多い．
駆動モータのもつ位置誤差量 ※はトラクションドライブの減速比分だけ低減されるが，回転むらは直接出力されてしまうので，できるだけ回転精度が高い駆動モータを使用し運転する必要がある．
※

位置誤差量：モータへの位置指令に対するモータ軸回転角度の理想量と実際との偏差を表したもの

4．おわりに高画質化がさらに進むと思われる，印刷機用途ではより回転むらが小さい減速機構の要望が，今後も増加すると推測される．
こうした用途でトラクションドライブを使用するにあたっては滑りが生じるという特性を理解した上で運用しなければならない．
また静粛性，バックラッシ，応答性等動力伝達以外にも歯車方式の技術限界をこえる新しい減速装置として広い分野に適用されることを期待す
る．

筆者

河野晶彦*
A. KAWANO*

64

軸受事業本部

ユニット技術部Koyo Engineering Journal No.165 (2004)