特集●工作機械用軸受・精機商品
October 2004

ISSN 0915-0528 OSAKA,JAPANR

TECHNICAL REVIEW
No.72 特集●工作機械用軸受・精機商品

工作機械用軸受・精機商品特集 ● 目 次

巻頭言

【寄

稿】

工作機械用軸受・精機商品特集号に寄せて

取締役

垣野技術研究所 所長
京都大学 名誉教授

NC工作機械主軸系の最新動向

加藤

修

1

垣野義昭

2

工作機械用軸受【論文】

工作機械用環境対応型ジェット潤滑アンギュラ玉軸受の開発
総合技術研究所 基礎技術研究部

赤松良信／森正継

赤松良信／森正継

エアオイル潤滑における供給油量の微少化

12

総合技術研究所 基礎技術研究部

高速長寿命グリースの開発 ―モータ軸受用グリース「ME-1」―
総合技術研究所 基礎技術研究部【製品紹介】

6

三上英信

工作機械用精密軸受 "ULTAGE（アルテージ）" シリーズ
産機商品本部 産機技術部

瀧内博志／小杉太

ULTAGE 標準アンギュラ玉軸受79U/70Uタイプ
産機商品本部 産機技術部

植田敬一

ULTAGE アキシアル荷重用アンギュラ玉軸受 HTA Uタイプ
産機商品本部 産機技術部

廣田泰之

ULTAGE 超高速・長寿命複列円筒ころ軸受
産機商品本部 産機技術部

山本直太／水谷守

高速サーボモータ用 次世代型深溝玉軸受
産機商品本部 産機技術部

片桐力／内藤健一郎

20

26

30

36

42

46

精機商品
【製品紹介】

カラーフィルタ用マルチリペア装置
精機商品事業部

52
プロダクトエンジニアリング部

猿田正弘

第6世代・7世代サイズ対応カラーフィルタ修正装置
精機商品事業部

56

プロダクトエンジニアリング部

山中昭浩／松島昌良

プロダクトエンジニアリング部

山崎

PDPリブ欠陥修正装置
精機商品事業部【解説】

静／矢田雄司ナノメートル領域におけるエアスピンドルの高精度化
精機商品事業部

プロダクトエンジニアリング部

藤川芳夫／原口隆／青野和幸／堀内照悦

ナノメートル位置決め技術
精機商品事業部

新製品紹介

プロダクトエンジニアリング部

1 FA円すいころ軸受
2 複列スラストニードル軸受
3 ロッカアーム用FAニードル軸受
4 超軽量 GEN3 ハブベアリング
5 GEN4 ハブジョイント
6 アブソリュート型回転センサ付き軸受
7 ゼロ速対応アクティブ型ワイヤレスABSセンサユニット
8 流体動圧軸受ユニット（モノづくり部品大賞受賞）
9 カラーフィルタ用マルチリペア装置（ADYグランプリ受賞）

中島明生

64

70

78

84
85
86
87
88
89
90
91
92

CONTENTS

Preface

Contribution

Bearings for
Machine Tools

Osamu KATO

Latest Trend of Main Spindle for NC Machine Tool
Yoshiaki KAKINO

Development of Eco - friendly Oil Jet Lubricated Angular Contact Ball Bearings for Machine Tool

1

2

6

Yoshinobu AKAMATSU and Masatsugu MORI

Minimizing Lubricant Supply in an Air-Oil Lubrication System

12

Yoshinobu AKAMATSU and Masatsugu MORI

Development of Long Life Grease for High Speed Application“ME-1” Grease for Motor Bearings

20

Hidenobu MIKAMI"ULTAGE" Series Precision Bearings for Machine Tools
Hiroshi TAKIUCHI and Futoshi KOSUGIULTAGE Standard Angular Contact Ball Bearings, 79U/70U type26

30

Keiichi UEDAHTA U Type ULTAGE Angular Contact Ball Bearings for Axial Loads

36

Yasuyuki HIROTAHigh Speed and Long Life Double-Row Cylindrical Roller Bearings

42

Naota YAMAMOTO and Mamoru MIZUTANINext generation deep groove ball bearing for high speed servo motor

46

Chikara KATAGIRI and Kenichiro NAITO

Precision
Apparatus
Products

Multi-Repair System for Color Filters52

Masahiro SARUTA

Repair system for the 6th and 7th generation LCD color filters

56

Akihiro YAMANAKA and Akira MATSUSHIMAPDP Rib Repair System

64

Shizuka YAMAZAKI and Yuji YADA

Improvement of the Accuracy of an Air Spindle in the Nano-meter Region- Improvement of Rotational Accuracy by Optimization of Feed Hole Positioning Yoshio FUJIKAWA, Takashi HARAGUCHI, Kazuyuki AONO and Teruyoshi HORIUCHI

Nanometer accuracy positioning system
Akio NAKAJIMA

Our Line of New Products

70

78

84

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）[ 巻頭言 ]

工作機械用軸受・精機商品特集号に
寄せて

取締役

加藤

修

環境の世紀と言われる21世紀にはいり、すでに4年目を迎えましたが、工業製品においても、安全性や人間性に配慮した設計が必要となっています。当社におきましても技術開発段階から「環境への調和」を念頭に環境管理の向上を目指した取り組みに努めており、自動車、産業機械の分野で、長寿命、低トルク、軽量化、省資源などを実現する環境に配慮した商品を顧客の皆様に提供しております。
2004年11月1日〜8日に「モノづくりで豊かな未来の実現」をテーマに第22回日本国際工作機械
見本市（JIMTOF2004）が開催されます。NTNも「もの造り新時代への提案」をテーマに、工作機械市場のニーズに応えた独自の提案を行います。これまでも当社は、開発の基本コンセプトを「環境との調和を図りながら、超高速、高精度、高信頼性を実現」とした新軸受をアルテージシリーズと名付け、グリース潤滑・シール付軸受やエアオイル潤滑・環境対応型ノズル付軸受などを市場に投入し、いずれも「人・環境に優しい軸受」として高い評価をいただいています。
今年開催されるJIMTOF2004でも現在から次世代の工作機までを対象とした使いやすく高機能かつ環境に優しい独創的な技術提案を行い、工作機械の高機能化への貢献を目指すとともに、お客様の作業
環境改善、環境負荷軽減のための商品紹介を予定しています。
本特集号では、これまでの新技術の変遷と今回新たに発表する新技術の一部を紹介いたします。

NTNは1918年の創業以来、転がり軸受の製造・販売を行ってきました。又、1963年より等速ジ
ョイントの生産・販売を開始し自動車メーカ及び各種の機械メーカへ製品を供給しつづけてきました。
さらに機械・電子技術を融合させた、メカトロ二クス技術を核とした精機商品の分野にも1985年より進出し、静圧軸受、磁気軸受、位置決めテーブルなどの要素商品とこれら要素商品をベースとし、画像処理機能やレーザー機能を付加した液晶・PDP・有機ELなどのFPD（フラットディスプレイ）修正装
置をシステム商品として製造・販売しています。この分野の成長はめざましく、要素商品では必要な精度が数ナノメーター、サブナノメーターに及ぶ先端商品が現れ、システム商品においても対象とする製造装置の更なる大型化への対応とより微細な加工技術が求められています。これまでの「より高速に」「より高精度に」「より高機能に」との技術課題に「先端分野で超への挑戦」を加え課題解決に取り組んでまいります。本特集号では、これらに関連した新型リペア装置、ナノメートル制御技術についても紹介いたします。

For New Technology Network（新しい技術で世界を結ぶ）の理念のもとNTNは軸受・等速ジョ
イント・精機商品の総合企業として更なる発展を目指し全力投球する所存です。

-1-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）[ 寄稿文 ]

NC工作機械主軸系の最新動向
Latest Trend of Main Spindle for NC Machine Tool

工作機械の主軸系の高速化の現状の展望を試みた。
工作機械の高速化は、工具の進歩が主導する加工技術の進展と素形材の変化によって生じた。この変化は当分継続するので、主軸系の高速化・高加速度化はますます進み、近い将来dmn値で400万

垣野 義昭
Yoshiaki KAKINO
垣野技術研究所 所長
京都大学 名誉教授に達するものと思われる。

This paper overviews today's technologies and future trends in high-speed spindles for machine tools. High-speed
machine tools have been popularized in order to meet the progress of machining technologies led by the technicalprogress in tools, and the progress in workpiece materials. We consider that such a progress will continue for a while,and that spindle systems will continue to get faster. The dmn value may reach as high as 4 million in near future.

1. はじめに

2. 切削加工技術の変化

現在工作機械メーカは，数年ぶりの好景気に沸き，切削加工技術の進歩は，基本的には新しい工具材料

空前の大量注文を抱えている．恐らく今年度の受注金（最近では新しいコーティング技術も含む）の開発に

額は昨年度の6割増には留まらないであろう．注文は，よって生じる．副次的には，エンドユーザにおける加複合工作機械や5軸制御マシニングセンタといった制工される素形材の材質と形状の変化によって生じる．

御軸数の多い複雑で高級な工作機械に留まらず，通常

例えば，焼入れ金型の製作法が10年ほど前から急激の2軸NC旋盤，立形マシニングセンタといった一般に変化してしまった．すなわち，それまではHRC25機まで拡がってきている．長く続いた需要の低迷から程度の生材を切削加工した後，熱処理をして硬くして脱して，国内メーカの設備投資がようやく本格的に盛から，切削加工できないので，放電加工で仕上げ加工

んになってきたことがこの大量注文の主たる原因であを行っていた．

る．

それが，（Al,Ti）Nコーティングされた超硬エンド

このような好景気になると技術開発はややトーンダ

ミル工具の登場によって高硬度材の切削加工が可能とウンして，作りやすい機械の生産を優先しがちである

なった．焼入れされたHRC53程度のダイス鋼が，1年前まではNC工作機械の技術革新はまことに目

SKD61をいきなり200m/minという高速で切削加覚しいものがあった．最初は主軸系の高速化で始まっ工する技術が開発され，金型加工用の工程と工作機械

たが，やがて送り系の高速化が追随しただけに留まらの構成が大きく変わった．さらに，放電加工による複ず，追い越してしまい，いまは逆に主軸系の高速化が雑な自由形状の仕上げ加工を，小径のボールエンドミ

それに引きずられる形で進行中である．

ル工具による切削加工によって代替えする動きも急速

以下，このような高速化のニーズを高めている根本に広まってきている．これは金型加工用マシニングセ原因である切削加工技術の変化を概観した後，主軸系ンタにおいて主軸回転の高速化を急激に進めた．

と送り系の高速化の最近の状況を紹介する．

また，部品加工においては省エネルギのために鉄鋼-2-

NC工作機械主軸系の最新動向

材料製の素形材から高速で加工できるアルミニウム系

それらを簡潔にいうと，「低速重切削型の加工からの素形材への変化が大いに進展した．この2つは中小

高速軽切削型の加工へ」という変化である．以上述べ型のマシニングセンタにおいて主軸回転の著しい高速てきた結果が相乗されて生じた各種材料の加工速度の化と送り系の高速・高加速度化をもたらした．

変遷を図1に示す．

：炭素鋼の高速加工領域

送り速度 F m/min

100■ フェイシング（粗）□ フェイシング（仕上げ）◆ エンドミル（インサートタイプ）◇ エンドミル（ソリッドタイプ）● ドリル◎ タップ（M10）○ ボーリング

10Synchronizedtapping

JIMTOF'96◆◆ EMO'93
EMO'97
Noris◎'96 ●■

'96
◎

■

1
'93

◎
'93

EMO'97'93

JIMTOF'96

'93

◆
'93

'93

JIMTOF'98

'96

◆ '98

●

'99

0.1
10

100

1000

10000

切削速度 Vc m/min（a）炭素鋼Carbon steel：アルミニウム合金の高速加工領域

送り速度 F m/min

100■ フェイシング（粗）□ フェイシング（仕上げ）◆ エンドミル（インサートタイプ）◇ エンドミル（ソリッドタイプ）● ドリル◎ タップ（M10）○ ボーリング

10

'95
'94

EMO'95
EMO'97
●
'94
●

'95

●

'94

'97

'93
'93
EMO'97
複合タップ

同期タップ
'93

1

'95
'94

'94

■
'93 ●

EMO'97 PCD

IMTS'94'96

EMO'97■■

EMO'95

'96
○
○
'93

0.1
10

100

1000

切削速度 Vc m/min（b）アルミニウム合金
Aluminum alloy

図1 切削条件の高速化
Improvement of cutting speed

-3-

10000

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

3. 主軸系の高速化の歴史
主軸の高速性能を示す指標として，dmn値がよく使

ラミックス球を使用した軸受が多く使用されだした．

われる．dmとは軸受の転動体の中心径をｍｍ単位で表

dmn値で150万以上はほとんどすべてセラミックス球

し，nは主軸の実現可能な最高回転数を/minで表したを使用しているといって過言ではない．

ものの積である．もちろん，dmn値の限界は潤滑法やまた一方の最近の動向としては，環境への負荷の少軸受形式によって異なる．

ない潤滑法が好まれる傾向にある．環境への負荷の少ここ20年間のNTNの主軸用軸受の高速化の歴史をない潤滑法は同時に低コストであることが多いので，

図2に示す．1990年ごろはエアオイル潤滑でdmn値

この動きはますます進むものと思われる．そのため，

で200万程度が限界であったのが，今では軸受内部比較的量の多いエアオイル潤滑法からグリース潤滑法

仕様の最適化が進み，dmn値で300万に達している．

が見直され， NTN ではシール付アンギュラ玉軸受に

前述のように，重切削が減ってきているので，低速ですることでグリース潤滑でdmn値140万まで，使用可しか使えない高剛性のころ軸受の需要はあまり増え能になった．鉄鋼材料製の部品加工用にはこれで十分ず，玉軸受しかも比重の小さいSi3N4セラミックス球

なことが多いので，増加しつつある．

を用いた軸受の使用が多くなってきた．当時はセラミ

高速化の先端を走っているエアオイル潤滑法においックス球は鋼球に比べて，高価で精度が悪いとされてても， NTN は環境対応型軸受で低騒音化およびエアきた．ところが，今では生産量が増えたことにより，量・オイル量の低減を図ることで環境負荷低減に貢献

品質は安定し，価格も非常に安くなってきたので，セ

している．

300

アンギュラ玉軸受
オレンジ色：アルテージシリーズ

200

エアオイル潤滑HSB CAEX1タイプ

許容dmn値 ×104

300
100

HSAタイプHSFタイプ
HSFLタイプ（環境対応型）

HSCタイプHSBタイプ

HSEタイプ
HSLタイプ（環境対応型）
70Uタイプ

70タイプ

200
0

グリース潤滑100

HSB CAEX1タイプ
HSBタイプHSAタイプ

70LLBタイプ（シール付）
70Uタイプ

70タイプ
0
1980

BNSタイプ（シール付）
HSEタイプ

1990

1996

2000

2004

（年）

300

円筒ころ軸受オレンジ色：アルテージシリーズ

200

N10HSRタイプ
エアオイル潤滑許容dmn値

×104

300

NN30HSRタイプ

100

NN30HSタイプ N10HSタイプ
NN30タイプ NNU49タイプ N10タイプ

200
0NN30HSRタイプ N10HSRタイプ

グリース潤滑100

NN30HSタイプ N10HSタイプ
NN30タイプ NNU49タイプ N10タイプ
0
1980

1990

1996

2000

2004

図2 NTN主軸用軸受の高速化
Improvement of NTN bearing speed for main spindle

-4-

（年）

NC工作機械主軸系の最新動向

4. 送り系の高速化

5. あとがき

前述のように，加工技術上は主軸系と送り系の高速

先に述べたように，主軸系の高速化は送り系の高速化は平行して進むのが望ましい．しかし，実際には技化と平行して進める必要がある．このところ，主軸系

術進歩の状況によっては，常に同調して進むとは限らの高速化は送り系に比べてやや遅れ気味である．

ない．最近では，送り系の高速・高加速度化がより著

NTN がこの現状を打破する主軸系の高速化技術を開しく進展している．これは，リニアモータの工作機械発されて，世界の工作機械業界をリードされることをへの導入がきっかけになって始まり，ハイリードボー

切に希望する．

ルねじの使用が後を追う形で進んでいる．その状況を図3に示す．また，案内を必要としないパラレルメカ
ニズムを用いたマシニングセンタさえ出現している．
これらによって，マシニングセンタにおいて最高送り速度60m/min，最大加速度１Gはいまや特に特筆すべき性能ではなくなってしまった（しかし，実用的にはこの性能で十分なことが多い）．100m/minを超える最高速度と，2Gに達する加速度も実機において実現している．10年ほど前には24m/min，0.1Gが標準的であったことを思えば，格段の進歩である．これに対応した主軸回転の高速化はBT40用の主軸で40,000/minということになるが，これはまだ試験段階に留まり，十分な実用域には達していないようで
ある．

120
早送り速度

送り速度

m/min

100

◆

切削送り速度

80

60

◆ ◆
◆

40
◆

20
◆
◆
◆

0
1955

◆

1960

1965

1970

1975

1980

1985

1990

1995

図3 マシニングセンタにおける送り速度の高速化
Improvement of feeding speed for machining center

-5-

2000

2005 年NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）[論 文]

工作機械用環境対応型ジェット潤滑アンギュラ玉軸受の開発
Development of Eco - friendly Oil Jet Lubricated Angular Contact Ball Bearings
for Machine Tool

赤 松 良 信*森

Yoshinobu AKAMATSU

Masatsugu MORI

正 継*

工作機械主軸用軸受の超高速化の達成を目的に，工作機械用環境対応型ジェット潤滑機構を開発し，内径70mmのアンギュラ玉軸受をdmn値500万の高速で運転することに成功した．

The lubrication system is critical for the high-speed operation of a machine tool. In 1992, NTN
developed a complex lubrication system with oil jet lubrication and an under-race lubrication system
for angular contact ball bearings with dmn ≤ 390 million (dm = ball pitch circle diameter, n = speed). In
order to increase the speed limit of an angular contact ball bearing, the “Eco-friendly Oil Jet
Lubrication System” was developed. In this paper, the Eco-friendly jet lubricated bearing and the
lubrication system are introduced. This document summarizes a test that measured the power loss
and temperature of bearings (70mm bore, dmn value = 500 million) using this new lubrication system.

1. まえがき
工作機械主軸の回転速度の高速化は被加工物の表面

面部の内径寸法を大きくしたスクープと呼ばれる円筒

品位の向上ならびに加工効率の向上のために必要であ面に潤滑油をジェット状で供給するもので，このスクり，そのキーテクノロジーは主軸を支える転がり軸受

ープが内輪の軸方向貫通孔および貫通孔から内輪の軌の高速化ならびに高精度化であると言える． NTN で道面に向けた潤滑油給油穴につながり潤滑油を供給すは予圧条件下の軸受部品精度と軸受振動との関係を解る．どちらの潤滑機構も軸受の潤滑効果と共に，ジェ

析する技術を既に確立しており1）2）3），軸受の振動低ット潤滑は外輪の冷却効果に，アンダーレース潤滑は減方法を検討することが可能である．工作機械主軸用

内輪の冷却効果に寄与している．

転がり軸受の回転速度の限界は潤滑方法に依存し，潤このようにジェット潤滑ならびにアンダーレース潤

滑方法として限界速度が低い方からグリース潤滑，エ滑の採用により軸受の高速化を達成したが，さらなるアオイル潤滑，ジェット潤滑，アンダーレース潤滑が高速化を図る場合，これら潤滑機構では軸受内部を通ある． NTN では1992年にジェット潤滑機構とアン

過する潤滑油量が多いために，軸受の動力損失が大き

ダーレース潤滑機構を併用して内径100mmのアンギ

くなり，駆動装置の大容量化が課題となる．本稿では

4）5）6）．具体的軸受の動力損失を低減することで環境負荷の低減に対には，ジェット潤滑機構として外輪間座から内輪軌道

応した新しいジェット潤滑機構を開発し，軸受の超高面に向けたノズルにより潤滑油をジェット状で供給し速化を達成した研究成果を報告する．

ュラ玉軸受でdmn値390万を達成した

た．アンダーレース潤滑機構は，外輪間座から内輪端*総合技術研究所 基礎技術研究部-6-

工作機械用環境対応型ジェット潤滑アンギュラ玉軸受の開発

2. 環境対応型ジェット潤滑機構
転がり軸受の高速化の技術課題は動力損失の低減な設定する円環部の図中右側の内径面に沿って流れる．

らびに予圧の変化の低減である．ジェット潤滑の場合，外輪間座はノズルを加工した軸受側間座と反軸受側間軸受の動力損失を低減するには，軸受の転動体の接触

座の2種類の部品から構成されている．図2に示すよ

面での摩擦トルク以外の転動体の公転運動に対するドうに，軸受側間座はノズル部のみが内径側に突き出し

ラッグの低減を行う必要がある．そのためには軸受内ており，その他はノズル部の内径寸法より大径の円環部への潤滑油量の制御技術が重要である．また，軸受となっているので，すきま設定円環部の内径面に沿っを高速で運転すると，軸受の発熱により外輪軌道面なて流れる潤滑油は図2に示すように反軸受側間座の方

らびに内輪軌道面が温度膨張する．加えて，遠心力に向に移動する．

より内輪軌道面の膨張が発生し，予圧が増大する．ジ

一般に工作機械主軸用軸受の潤滑には特別な潤滑装

ェット潤滑には外輪の冷却効果があるが内輪の冷却能置が設けられているが，図2に示すように，本潤滑シ力が低いため，内輪の冷却機構が必要である．

ステムでは潤滑装置に工作機械の外筒冷却装置を使用

これらの課題を解決するために，図1および図2にした．冷却油供給装置の油はフィルタを通して外輪間示す環境対応型ジェット潤滑機構を開発した．外輪間座に潤滑油として供給される．内輪を冷却した油は外座に供給された潤滑油はノズルから内輪端面に形成し輪間座側から排出ポンプで排出され，軸受の潤滑およたスクープに向かって噴射される．スクープ内では，

び外輪の冷却を行い軸受から排出した潤滑油は排油ポ

内輪の回転による遠心力で潤滑油がスクープ内径面にンプで油回収タンクに送られる．排出油は油回収タン付着する．付着した潤滑油は遠心力と表面張力とによクから冷却油供給装置に戻り，循環する．図2の潤滑って，内輪端面から内輪外径の円すい面に移動する．

システムはフィルタと排油ポンプの他は特別な潤滑装

内輪の円すい面には外輪間座の一部が，油の移動する置を必要としない．以上のように，本潤滑システムは

すきまを設定するために円環状に対向している．内輪

従来のジェット潤滑と比較して動力損失が少なく，付に付着した潤滑油は一部がすきまを通過して軸受内部帯設備にコストがかからないことから，環境対応型ジに供給され，残りの潤滑油は内輪を冷却後，すきまをェット潤滑機構といえる．

油の流れ

ノズル

フィルタ

外輪間座

外筒冷却

スクープ

冷却油供給装置

図1 軸受の潤滑構造
Bearing design

油回収タンク

外筒冷却戻り排油ポンプ

図2 環境対応型ジェット潤滑システム
Eco-friendly oil jet lubrication system-7-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

潤滑機構と比較するため，試験軸受をエアオイル潤滑

3. 試験結果とした場合の性能試験も行った．エアオイル潤滑の条件
は，オイル量が0.03cc/3min，エア量が30NL/min

3. 1 試験条件及び試験機である．

内径70mmのアンギュラ玉軸受を用いて，環境対主な試験条件は表1に示すとおりである．

応型ジェット潤滑機構の回転速度を変えた場合の軸受
外輪温度ならびにモータの動力損失を測定した．図3に試験スピンドルの構造を，写真1に試験機の外観を

表1 試験条件
Test conditions

示す．スピンドルの駆動にはビルトインモータを用いた．スピンドルは2個の試験軸受および2個のサポー
ト軸受で支持した．サポート軸受の内径寸法は35mmである．試験軸受の潤滑油を図3の上部のオレ
ンジ色の給油孔から供給し，下部のオレンジ色の排油

試験軸受

内径φ70×外径φ110×幅20

接触角

30°

潤滑油

工作機械用潤滑油ISO VG2

初期予圧

1ｋN

外筒冷却量

3L／min孔から排出した．また，外筒冷却油を，試験軸受部，

外筒冷却油温度

室温±１℃

モータ部，サポート軸受部の3箇所にそれぞれ給油し

レース材質

浸炭鋼，高速度工具鋼

た．サポート軸受の潤滑には環境対応型エアオイル潤

ボール材質

Si3N4

滑を用いた．負荷は定圧予圧で与えた．今回開発した

保持器材質

PEEK

試験軸受

サポート軸受給油孔

排油孔

図3 試験スピンドルの構造
Schematic construction of test spindle

写真1 試験機
Test spindle-8-工作機械用環境対応型ジェット潤滑アンギュラ玉軸受の開発

図5に環境対応型ジェット潤滑の場合の外輪の温度

3. 2 試験結果
試験スピンドルをインバータ制御したビルトインモ

上昇の測定値をエアオイル潤滑の場合と比較した結果

ータを用いて低速側から所定の回転速度に設定し，軸を示す．ジェット潤滑の供給油量は3L/minである．

受温度が安定した時のモータの動力損失ならびに外輪同図より，今回開発した環境対応型ジェット潤滑の場

温度を計測した．測定完了後，所定の回転速度に増速

合の外輪温度上昇がエアオイル潤滑より優れているこ

し，試験をdmn値500万まで継続した．エアオイル潤とがわかる．また，環境対応型ジェット潤滑のdmn値

滑の場合は最高速度dmn値250万で試験を終了した．

500万における外輪の温度上昇が60℃未満であることを確認した．

環境対応型ジェット潤滑の場合のモータ動力損失を
エアオイル潤滑の場合と比較した結果を図4に示す．

環境対応型ジェット潤滑の場合，軸受内部に供給す

ジェット潤滑の供給油量は3L/minである．動力損失

る潤滑油の量が軸受の摩擦トルクならびに外輪の冷却の測定値にはサポート軸受の摩擦トルクも含まれる能力を決定すると考えられる．図6に，環境対応型ジが，環境対応型ジェット潤滑とエアオイル潤滑の比較

ェット潤滑のジェット潤滑の供給量を変えた場合の動を行う場合には両者の差が試験軸受の潤滑方法の差と力損失の測定結果を示す，同図のジェット潤滑の供給なる．同図より，環境対応型ジェット潤滑の場合の動量はノズルからの供給量であり，軸受内部を通過する力損失はエアオイル潤滑の場合の動力損失と同程度と潤滑油量ではないが，軸受内部を通過する油量がノズ

言える．エアオイル潤滑の試験はdmn値250万で終了

ルからの潤滑量に比例すると仮定して測定結果を検討したが，測定値をdmn500万まで外挿した場合も，環する．図6より，軸受内部に供給した油量が増加する

境対応型ジェット潤滑はエアオイル並みの動力損失とと動力損失が増加することがわかる．また，回転速度

言える．サポート軸受は試験軸受と比較してサイズがが高い場合に油量の増加に伴う動力損失の増加量が大小さいことから動力損失を零と仮定した場合，環境対きくなる．

応型ジェット潤滑のdmn500万での動力損失は8kW未満である．

60

回転速度の上昇に伴う予圧変化量を定量的に議論す℃に内輪の遠心膨張量の計算値が必要であるが，ここで外輪温度上昇50

るためには，外輪温度および内輪温度の測定値ならび
は，環境対応型ジェット潤滑法による外輪の温度が実用的な温度範囲であることを実験により調査した．

40
30
20
環境対応型ジェット潤滑

100エアオイル潤滑

0

200

100

300

400

500

600

×104

dmn値

図5 潤滑方法が外輪温度に及ぼす影響
Affect of lubrication type on outer race temperature

8

kW

6

動力損失

動力損失

kW

8

4
環境対応型ジェット潤滑

20エアオイル潤滑

0

100

200

300

dmn値

400

dmn 90万
dmn 180万
dmn 270万
dmn 360万

6
エアオイル

4

2

500

0

600

×104

0

1

2

供給油量

図4 潤滑方法が動力損失に及ぼす影響
Affect of lubrication type on power loss

3

L/min

図6 供給油量が動力損失に及ぼす影響
Affect of amount of lubricant on power loss

-9-4

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

図7に，環境対応型ジェット潤滑のジェット潤滑の4. まとめ

供給量を変えた場合の外輪温度上昇を調査した結果を示す．外輪の温度上昇の値はジェット潤滑の供給油量

工作機械主軸用軸受の高速化に対応して，動力損失が増加すると低下することがわかる．回転速度が低い

が少なく軸受温度の変化が少ない環境対応型ジェット

場合には，ジェット潤滑の供給油量の増加に伴う外輪潤滑機構を開発した．内径70mmのアンギュラ玉軸

温度の冷却効果は鈍感であるが，回転速度が高くなる受に適用した結果dmn500万の運転に成功した．本潤とジェット潤滑の外輪冷却効果が大きくなることが確

滑機構が工作機械の高性能化に貢献できれば幸いであ認できる．図中にはエアオイル潤滑の場合のd mn90

る．

万ならびにdmn180万の測定値を供給油量を零に近いとして打点したが，ジェット潤滑の場合の測定値の外挿線上にほぼ存在していることから，軸受内部に供給する潤滑油の量が外輪の冷却効率を決定するといえ［参考文献］

る．

1）T. Sakaguchi and Y. Akamatsu, Simulation forBall Bearing Vibration, Proc. Int. Trib. Conf.
Nagasaki(2000)1795.
2）坂口智也・赤松良信：玉軸受の振動シミュレーショ
ン，NTN TECHNICAL REVIEW
No.69(2001)69．
3）赤松良信・坂口智也：円すいころ軸受の回転精度，（社）日本トライボロジー学会トライボロジー会議予稿集（東京 2004-5）383.
4）森 正継・新名正敏：工作機械用アンダーレース潤
滑軸受の開発，NTN TECHNICAL REVIEW
No.60(1992)41．
5）日比健治・森 正継・新名正敏：工作機械主軸用ア
ンダーレース潤滑アンギュラ玉軸受，（社）日本潤滑学会トライボロジー会議予稿集（東京1992-5）633.
6）藤井健次：転がり軸受設計とトライボロジ−−工作
機械主軸用転がり軸受の高速化技術−，JASTトラ
イボロジーフォーラム '98（1998）95．

ジェット潤滑の供給油量と軸受の摩擦トルクの関係
は冷却効率との関係と相反することから，ジェット潤
滑の供給油量を適正に選択することで，工作機械主軸用軸受の最適潤滑条件が決定できると考える．

60
dmn 90万
dmn 180万
dmn 270万
dmn 360万

エアオイル

外輪温度上昇

℃

50
40
30
20
10
0

0

1

2

供給油量

3

4

L/min

図7 供給油量が外輪温度に及ぼす影響
Affect of amount of lubricant on outer race temperature

執筆者近影

赤松

良信

総合技術研究所
基礎技術研究部

森正継

総合技術研究所
基礎技術研究部

-10-

-11-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）[論 文]

エアオイル潤滑における供給油量の微少化
Minimizing Lubricant Supply in an Air-Oil Lubrication System

赤 松 良 信*森

Yoshinobu AKAMATSU

Masatsugu MORI

正 継*工作機主軸で使用されるエアオイル潤滑アンギュラ玉
軸受の供給油量の微少化を目的に，既に開発した環境対応型軸受の潤滑機構を解明するとともに，潤滑油の供給・搬送方法の高性能化に影響を及ぼす要因を明らかにした．
Roller bearings for machine tool main spindles must have low vibration, low friction, and ability to operate at highspeed. NTN’s environment-friendly ULTAGE series HSL-type air-oil lubricated angular ball bearing meets all of theserequirements. The HSL-type bearing supplies lubricant via the inner ring surface by delivering an air-oil mixture to thecone-shaped counter bore of the inner ring. The traditional lubrication method of supplying the air-oil to the innerring/roller contact surface produces an air-piercing sound as the rollers cut through the flow of the air-oil mixture, andthis new structure successfully eliminates the air-piercing sound. It also successfully reduces the required amounts ofoil and air.
This paper describes the technology for minimizing the lubricant supply that was applied to the HSL-type angular ballbearing, and more specifically, evaluates the limit of the counter bore tilt angle and the swash clearance, lubricant
viscosity, effects of air flow rate, uniformity of oil, and the factors for the minimum required oil amount. It thenconcludes that the swash angle is determined by the dmn value and that smaller wettability of the tube results in more
uniform lubricant supply.

の直径を端面側から軌道側に増加させた円すい面形状

1. まえがきとし，そのカウンターボア面にエアオイルを供給する

工作機主軸の回転速度の高速化は被加工物の表面品

高性能エアオイル潤滑方法を開発した2）3）4）．これに位の向上ならびに加工効率の向上のために必要であより，従来の構造で騒音の原因となっていた転動体のり，そのキーテクノロジーは主軸を支える転がり軸受

通過によるエアオイルの風きり音がなくなり 2），dmnの高速化であると言える．工作機主軸用転がり軸受の値130万からdmn値265万の間で約10dBAの静粛化

回転速度の限界は潤滑方法に依存し，潤滑方法としてに成功するとともに，d mn値265万でのオイル量をはグリース潤滑，エアオイル潤滑，ジェット潤滑，ア

1/10に，エア量を1/4とした運転に成功した 1）4）．

ンダーレース潤滑に分類できる．現在，アンギュラ玉

この新しい軸受は環境対応型エアオイル潤滑軸受とし軸受のグリース潤滑での限界速度は軸径φ100mmのて提供している1）．

場合dmn値140万であり，20000時間以上の寿命を工作機主軸用転がり軸受では発熱を小さくすること

達成している1）．エアオイル潤滑のオイル使用量はジが望まれ，軸受のトルクを最小にする必要最少油量をェット潤滑やアンダーレース潤滑の場合の10万分の把握するとともに，潤滑油の供給技術の確立が必要で1と少なく潤滑油のかくはん抵抗による動力消費の問ある．本稿では環境対応型エアオイル潤滑軸受の供給

題がないが，近年，エアオイル潤滑方法においても消油量の微少化技術として，潤滑油を供給する内輪の斜費されるオイル量ならびにエア量の低減が求められて

面角度，斜面すきま，潤滑油粘度，エア量の影響，供きた． NTN では2000年に，内輪のカウンタボア面

給潤滑油の脈動の平滑化を検討した結果を報告する．

*総合技術研究所 基礎技術研究部-12-エアオイル潤滑における供給油量の微少化

2. エアオイル潤滑アンギュラ玉軸受の構造

省エネルギ化を目指して開発した環境対応型軸受の構

従来のエアオイル潤滑アンギュラ玉軸受は図1（a）

造である．低騒音軸受ではエアオイルのノズル出口部に示すように，エアオイルをノズルから転動体に噴射には圧力解放のための円周溝を形成しているが，エアする構造である．図1（b）はエアオイルの風きり音のの供給量を少なくするとノズル出口部の円周溝に溜ま低減を目的に開発した低騒音軸受であり，エアオイル

った潤滑油が軸受内部に流れ込み温度上昇を発生させを内輪カウンタボアの斜面に噴射し，遠心力により潤る現象が発生する事を確認した．環境対応型軸受では滑油を転動体に供給する機構である2）．騒音値の低減

ノズル出口の解放空間を回転輪である内輪側に形成すとともに潤滑油の供給能力が向上し必要油量及び最少ることによって円周溝部の潤滑油の滞留を解消し，転供給エア量の低減を達成した3）．図1（c）はさらなる動体への潤滑油の供給能力を高めた4）．

（a）標準軸受 HSBタイプ（b）低騒音軸受 SFタイプ（c）環境対応型軸受 HSLタイプ

図1 エアオイル潤滑アンギュラ玉軸受
Air-oil lubrication angular contact ball bearings

3. 内輪斜面角度の設計
低騒音軸受ならびに環境対応型軸受のエアオイル潤
滑機構においては，潤滑油は内輪カウンタボアの斜面に沿って遠心力の分力で転動体側に移動する．したがエッジ部から
潤滑油が飛散した跡って，斜面の角度が重要な設計因子となる．そこで，
内径φ100mm及びφ70mmの軸受を用いて，斜面の角度，斜面すきま，潤滑油粘度，回転速度を変えた

油付着紙実験を行い，潤滑油の斜面の付着流れに及ぼす要因を検討した．

3.1 試験方法
斜面の潤滑油の付着流れを確認するために，図2に示すように，回転軸に内輪を取り付け，内輪の外側に
図2 潤滑油の付着流れ試験
Test for oil flow on swash surface of inner ring

油付着紙（フィルタ）を設置したモデル試験を行った．
油付着紙はアクリル板によりハウジングに押し付けた．アクリル板を通して運転中の油の飛散箇所を観察することができる．図2には内輪に油が付着した場合の試験後の油付着紙の例を示したが，内輪に油が付着すると油は斜面エッジまで移動し遠心力によって飛散する．また，一部の油は内輪最外径面から遠心力で飛散する場合も観察された．
-13-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

試験機の構造を図3に示す．付着流れを観察する部

3.2 試験結果

品はエアオイル潤滑軸受で支持されたスピンドルの軸

3.2.1 斜面角度と潤滑油付着流れ

端に取り付けた．斜面の角度αの影響を調査するため，

内径寸法φ100mm及び内径寸法φ70mmの供試

内輪溝の斜面側肩寸法を一定として斜面の角度を変更

内輪を用いて，斜面角度を変えた場合の潤滑油の付着した．ノズル間座と斜面間の斜面すきまδ（ラジアル

流れ確認試験結果を図4及び図5に示す．両図から，

方向すきま）の影響も調査した．斜面すきまの調整は，斜面角度が大きく回転速度が小さいと付着流れが発生

シム厚さを変えることでノズル間座を軸方向に移動さしやすいことがわかる．この結果は，斜面角度を大きせて行った．

くすると遠心力の斜面方向の分力が大きくなるため付斜面端位置（溝との境界）
付着流れあり
アクリル板
油付着紙

シム

一定

δ

回転速度

α

ノズル間座

供試内輪

拡大

付着流れあり付着流れなし21

103min−1

付着流れなしエアオイル供給

24

18
15
12
9
6
3
0

5

0

油付着流れ
確認部分

10

15

斜面角度

20

°

図4 付着流れ限界回転速度と斜面角度の関係（内径寸法φ100mm）
Effect of swash angle and rotational speed on oil adhesion( d=100mm)

駆動側（条件）斜面すきまδ：0.16〜0.2mm，ノズル径：φ1.2，
エア量：20NL/min，
オイル量：0.01ｍL/5min間隔，
使用油：モービルベロシティNo.6（VG10）

図3 試験機の構造
Test equipment for lubricant flow observation

試験は，表1に示すように軸受サイズ，内輪斜面角

35

である．

表1 試験条件
Test conditions for lubricant flow observation
内径φ100mm

内径φ70mm

ノズル径
（mm）

軸

受

φ1.2

φ0.8

斜面角度α（°）

2〜16

10，12，14

斜面すきまδ（mm）

0.16〜1.0

0.1〜0.3

エア量（NL／min）

20

20

オイル量（ｍL／給油間隔min）
潤滑油粘度（ｍｍ2／ｓ）
回転速度（min−1）0.01/50.01/5

10，32，68

32〜21000〜30000103min−1

った．なお，ノズルの主軸中心に対する噴射角は30°

30

回転速度

度，斜面すきま，潤滑油銘柄・粘度などを変更して行

20

付着流れあり付着流れなし

25

15

10

0

4

8

12

斜面角度

16

20

°

図5 付着流れ限界回転速度と斜面角度の関係（内径寸法φ70mm）
Effect of swash angle and rotational speed on oil adhesion( d=70mm)（条件）斜面すきまδ：0.15mm，ノズル径：φ0.8，
エア量：20NL/min，
オイル量：0.01ｍL/5min間隔，
使用油：モービルDTEオイルライト（VG32）-14-

エアオイル潤滑における供給油量の微少化

着流れが発生しやすくなること，回転速度が大きくな

3.2.2 斜面すきまと潤滑油付着流れると回転軸周りの空気の旋回流の発達によりエアオイ

斜面すきま（δ）が付着流れに及ぼす影響を調査しルが付着しなくなることが原因である．両図から，た結果を図7に示す．試験には内径φ100mmの供試

dn値210万（dmn値263万）の場合の付着限界斜面角体を使用した．斜面角度を10，13，16°の3水準と度を読み取ると，約12.3°と同じとなる．このことした他の条件は同じである．斜面角度13，16°の供から，付着流れが成立する限界角度は周速（d mn値）

試体では，斜面すきまを１mmまで広げても油の付着に影響を受ける特性を持つものであることが推測でき流れが確認された．一方斜面角度10°の供試体では，る．図4，図5の斜面角度毎の付着限界速度を用いて，

傾斜すきま（δ＝0.19，0.52mm）によらず回転速

dmn値で整理しなおすと図6のようになる．

度 1 9 0 0 0 m i n −1以 上 で 付 着 流 れ が 発 生 せ ず ，
18000min−1以下では付着流れを確認した．これらの結果より，斜面すきま量が付着流れに及ぼす影響はないといえる．

20
d= 70
d=100
24

12

回転速度

油付着限界角度°

103min−1

16

8

21
18
15
12

斜面角16°
NG9

斜面角13°
OK6

斜面角13°
NG
斜面角10°OK

3
0

4

斜面角16°
OK

斜面角10°
NG

0

0.2

0.4

0.6

0.8

斜面間すきま（半径）

100

dmn値

200

1.2

mm

図7 斜面すきまと潤滑油付着流れの関係
Effect of swash angle, rotational speed and clearanceδ
on oil adhesion

0
0

1

300

×104

（条件）内径寸法：φ100mm，ノズル径：φ1.2，
エア量：20NL/min，
オイル量：0.01ｍL/5min間隔，
使用油：モービルベロシティNo.6（VG10）

図6 dmn 値と付着流れ斜面角度の関係
Relation between dmn value and swash angle-15-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

4. エアオイルの脈動の平滑化
エアオイル潤滑方法においてさらなるエア量ならび

4.2 試験結果にオイル量の低減を図る場合には，軸受に供給するオ

4.2.1

イル量の均質化技術が重要になる．以下にはエアオイ

オイルの流れ易さに及ぼすチューブ径・材
質の影響

ル潤滑方法における潤滑油の搬送特性に及ぼすエアオ

図9に1ショットのオイル量を0.03ｍLとし，ショイル配管チューブの材質とサイズ及びエアオイル供給

ット間隔5minの間欠給油を行った場合の各供試チュ

方法（間欠，連続給油）の影響をモデル試験で確認し，ーブのエアオイル供給開始からオイル吐出までの時間

エアオイルの削減を目的としたエアオイル供給システ

を，エア量との関係で比較した結果を示す．

ムのあり方を検討した結果を示す．

エアオイルは，チューブ内径が大きくなる程，そしてエア量が少なくなる程ノズルから吐出されるまでに4.1 試験方法

時間を要し，流れ難くなる．ポリウレタンφ4×φ6

試験は長さ2ｍのチューブの片方をエアオイルユニ

チューブにおいては，エア量を20NL/minまで増加

ットに接続し，他方をノズルに接続して，ノズルからさせたがオイル吐出までに40分以上必要であった

潤滑油が吐出するまでの時間の計測ならびに潤滑油の（40分にて試験は打ち切った）．テフロンφ2×φ4チ

吐出状況の観察を行った．図8に試験装置の構成を示

ューブは表面張力が小さく疎油性があるためオイル吐

す．潤滑油の吐出状態は記録計を用いて記録した．す出までの時間が最も短く，流れ易いことが判った．

なわち，記録紙を一定速度で移動させノズルから吐出した潤滑油の染み込み程度を調査した．ノズルはモデ
ル試験用に図8に示す形状とした．記録計にはレクチ
グラフを使用した．試験条件は表2に示すとおりであ

オイル量；0.03mL/5min

油吐出までの時間

min

る．

エアオイル

φ3

30

ノズル

46

チューブ

53

紙面

図8 エアオイル潤滑油の吐出状況試験装置
Equipment for oil flow observation

表2 試験条件
Test conditions for oil flow observation
チューブ材質ポリウレタン，テフロンチューブ内径×外径（mm） φ1.5×φ3.5，φ2.5×φ4，φ4×φ6
チューブ長さ（m）

2

エア流量（NL／min）

7.5〜20

オイル吐出間隔
（min）
オイル

50
40
30
20
10
0
0

5

10

15

エア流量

NL/min

図9 エア流量と油吐出時間
Air flow rate and oil travel time

記録紙

φ0.8

ポリウレタンφ4×φ6
ポリウレタンφ2.5×φ4
ポリウレタンφ1.5×φ3.5
ポリウレタンφ2×φ4

連続〜20
モービルDTEオイルライト（VG32）

-16-

20

25

エアオイル潤滑における供給油量の微少化

4.2.2

オイルの吐出むら

間欠給油方式のユニットを使用し，ノズルから吐出同じとして，オイルの給油時間を長くした場合は，同されるオイル量の時間的な変化（オイル吐出むら）を図（b），（c）に示すように，給油インターバルに対オイルの付着跡として記録紙に捉え，エアオイル供給

応してオイルが吐出され，インターバルが長いと吐出条件ならびに供試チューブがオイルの吐出むらに及ぼむらとなることがわかる．一方，ポリウレタンチュー

す影響を調査した．図10にオイルの付着跡の例を示ブを使用した場合は，同図（c），（d）に示すように，

す．テフロンチューブを用いてエア量を変えた場合は，チューブ内壁の抵抗が大きいためチューブ内でオイル

同図（a），（b）に示すように，エア量が少ないとオの停滞が発生し，給油インターバルを長くしても吐出イルを搬送する力が小さくなりオイルは塊状で移動すむらが少なくなる．

るため，吐出むらが発生することがわかる．エア量を2min（ａ）テフロンチューブφ2×φ4，エア量7.5NL/min，オイル量0.03ｍL/5min

2min（ｂ）テフロンチューブφ2×φ4，エア量12.5NL/min，オイル量0.03ｍL/5min

2min（ｃ）ポリウレタンチューブφ2×φ4，エア量12.5NL/min，オイル量0.03ｍL/15min2min（ｄ）ポリウレタンチューブφ2.5×φ4，エア量12.5NL/min，オイル量0.03ｍL/15min

図10 吐出オイルの付着跡観察例
Example of lubricant jet soak on recorder chart-17-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

4.2.3

連続給油と間欠給油の影響

微少量を連続で供給できる連続給油方式を用いてエ

図12，13にφ2×φ4テフロンチューブを使用しアオイルの流れ易さをφ2×φ4テフロンチューブでて連続給油した時の吐出オイルの付着むらを，付着跡調査した結果を図11に示す．連続給油においても間の最大値と最小値の差β（mm）と定義して示す．連欠給油の時と同様に，エア量が少なくなるとエアオイ

続給油の場合，オイル吐出むらに対して，エア量及びルが流れ難くなる傾向を示す．また，連続，間欠の両

オイル量の影響を受け難く，エア量が7.5NL/minに給油方式で，1時間当たりの吐出油量を同じにしてエ

おいても，間欠給油に比べオイル吐出むらは小さかっ

アオイルの流れ易さについて比較した場合，連続給油

た．

は間欠給油に比べオイル吐出までに時間を要し，流れ連続給油方式は，間欠給油方式と比較して配管チュ難くなる結果であった．これは配管チューブ壁面に付ーブ内のオイル搬送特性は悪くなるが，少量エアにお着するオイルの粒が小さくなるため，エアによる搬送

いてもオイル吐出むらが小さく，安定した潤滑油供給効率が悪くなるためと考えられる．

が期待できる．

10

10
5
0

間欠給油
mL/h

図12

連続給油と間欠給油のオイル吐出むらの比較（エア量7.5NL/min）
Variation β for intermittent and continuous oil supply(air 7.5NL/min)

40
35
30

20
15
10
5
0

間欠給油

0.09mL/h

25

0.12mL/h

連続給油方式のオイルの流れ易さ
Oil flow rate and oil travel time

0.18mL/h

図11

連続給油

0.4

0.36mL/h

油吐出量

0.3

0.03mL/20min

0.2

0.03mL/15min

0.1

0.01mL/1.7min

00.03mL/10min

00.09mL/h

150.12mL/h

200.18mL/h

20250.36mL/h30

油付着むら（最大幅―最小幅）mm

油吐出までの時間

4030

0.03mL/10min

535

油量：0.03mL/5min

min

50

min

10

40

0.01mL/1.7min

エア量12.5NL/min.連続給油
エア量12.5NL/min.間欠給油

間欠時の吐出間隔（0.03mL）
20 15

油付着むら（最大幅―最小幅）mm

エア量7.5NL/min.連続給油

油量：0.03mL/5min

テフロンチューブ
φ2×φ4使用

連続給油

図13 連続給油と間欠給油のオイル吐出むらの比較（エア量12.5NL/min）
Variation β for intermittent and continuous oil supply(air 12.5NL/min)-18-

エアオイル潤滑における供給油量の微少化

6. まとめ
工作機用転がり軸受の高速化は，軸受内部諸元の最適化に加え，潤滑技術の開発により達成される．本報では工作機主軸を支持するエアオイル潤滑転がり軸受の供給油量の微少化に関して，内輪のオイル供給傾斜
角度がdmn値で決定されること，オイルのノズルから軸受への吐出むらの削減にはチューブの潤滑油に対するぬれ性を小さくことが有効であることを示した．

［参考文献］
1）小杉 太：工作機械用軸受 "ULTAGE（アルテージ
TM）" シリーズ，NTN TECHNICAL REVIEW，No.71（2003）18-27.
2）藤井健次・森正継・太田好美：工作機械主軸用エア
オイル潤滑軸受の低騒音化，精密工学会2000年秋
季大会講演論文集（2000）449.
3）藤井健次・森正継・太田好美：工作機械主軸用低騒
音エアオイル潤滑軸受の潤滑条件，精密工学会
2001年春季大会講演論文集（2001）392.
4）藤井健次・森正継：環境対応型工作機械主軸用エア
オイル潤滑軸受，精密工学会2001年秋季大会講演
論文集（2001）561.

執筆者近影

赤松

良信

総合技術研究所
基礎技術研究部

森正継

総合技術研究所
基礎技術研究部-19-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）[論 文]

高速長寿命グリースの開発 ―モータ軸受用グリース「ME-1」―
Development of Long Life Grease for High Speed Application---- “ME-1” Grease for Motor Bearings ----

三 上 英 信*Hidenobu MIKAMI

長寿命グリースの開発は，いずれの用途でも共通の課題である．適切な酸化防止剤を用いることで，基油の酸化劣化を防止でき，グリースは長寿命化できる．本稿では，基油の劣化抑制について述べるとともに，新規に開発した「ME-1」
グリースの特徴について紹介する．

Electric motors are used in many household and industrial applications. They are essential to ourdaily lives. Motors are expected to be quiet and highly efficient. The motor bearings, too, shouldhave low noise and low torque. For these reasons, Li soap/ester greases are widely used in motor
bearings. They exhibit low torque and excellent acoustic characteristics. Several years ago, greases
having urea thickener and poly-α-olefin (PAO) or ester oils were developed to extend the life of
motor bearings, and today they are seeing increasingly wide use. The market, on the other hand, still
demands even longer bearing life. A new grease needs to be developed to meet this demand.
To extend the life of a grease, it is necessary to prevent oxidation of the base oil. Thermaloxidation stability of the base oil and oxidation inhibiting additives play a large role in extending thelife of the grease, so it is necessary to use the proper inhibitor. In this paper, the effectiveness ofoxidation inhibitors suitable for PAO and ester base greases is discussed. The paper also introduces
NTN’s “ME-1” long life grease electric motor grease that was recently developed based on thisknowledge.

1. はじめにモータは，家庭用，産業用などさまざまな用途で利工作機械においても，主軸の駆動用，送り装置にモ用されており，われわれの生活に必要不可欠なものでータが使用されており，長寿命化，高速化，高精度化ある．モータには静寂性，高効率化に対する要求が強などグリースに対する要求は厳しくなっている．

く，モータに使用される軸受においても，低騒音，低グリースの長寿命化を図るには，基油の酸化劣化をトルクが求められている．このようなことから，モー抑制する必要がある．これには，基油の熱酸化安定性

タ用軸受グリースには，従来から低トルクで音響特性

2) と基油に添加されている酸化防止剤が大きく影響に優れるLi石けん／エステル油グリースが幅広く使用

し，使用する基油に対して，適切な酸化防止剤を添加されている．最近は，モータ用軸受の長寿命化を図るする必要がある．本報では，酸化劣化を抑制するため，ため，ポリ-α-オレフィン油(PAO油)やエステル油を

PAO油，エステル油に適する酸化防止剤を調査し，基油とし，ウレア化合物を増ちょう剤とした長寿命グ

そこで得られた知見をもとに，モータ用長寿命グリー

リースの使用が増えている1)．しかしながら，軸受にス「ME-1」を開発したので紹介する．

は，さらなる長寿命化が要求されており，新しいグリースの開発が必要である．
*総合技術研究所 基礎技術研究部-20-高速長寿命グリースの開発 ―モータ軸受用グリース「ME-1」―

2. グリースの長寿命化
グリースは増ちょう剤，基油（潤滑油），添加剤か酸化防止剤は，作用機構から大きく分けて2種類あら成り，高温で長時間使用すると基油が酸化劣化する．

り，それぞれ，連鎖停止剤，過酸化物分解剤と呼ばれグリースの長寿命化を図るには，基油の劣化を抑制すている 3) ．酸化防止剤を鉱油に添加した場合の効果る必要があり，基油及び酸化防止剤の選定が重要とな

4),5)は報告されているが，PAO油，エステル油などのる．

合成油に添加した場合の効果については，不明な点が図1に潤滑油を高温で放置した場合の重量変化例を多い．その効果を確認するため，動粘度の異なるＰＡ

示す．潤滑油を高温で放置すると，時間とともに重量

Ｏ油，エステル油を選定して酸化防止剤を1wt%添加が減少し，潤滑油の酸化が始まるまでの期間（誘導期し，高温放置時の重量変化を測定した．エステル油に間）を過ぎると重量が急激に減少する．潤滑油が酸化は，従来からのポリオールエステル油に加え，耐熱性

されると，分解されて揮発しやすくなるため，重量がに優れる構造を有する特殊エステル油を選定した．選急激に減少すると考えられる．したがって，酸化防止

定した潤滑油，酸化防止剤を表1，表2にそれぞれ示

剤無添加の潤滑油は誘導期間が短く，酸化防止剤が添す．

加されている潤滑油は誘導期間が長い．酸化防止剤が添加されている場合でも，その効果が小さければ誘導期間が短くなる．
表1 試料合成油
Test oils
PAO-A

PAO-B

エステル-A エステル-B

潤滑油種類

PAO

PAO

ポリオール
エステル

特殊
エステル

動粘度

40℃

31

46

33

72

mm2/s 100℃

6

8

6

10

135

138

128

125

10

潤滑油：エステル油
温 度：120℃

重量減少

wt%

8
6

酸化防止剤添加なし

粘度指数

誘導期間

4

酸化防止剤添加あり

20

表2 酸化防止剤
Test antioxidants
0

200

400

時間

600

タイプ

h

A0-1

図1 潤滑油の重量減少（例）
Oil loss at high temperature

A0-2
A0-3
A0-4

-21-

連鎖停止剤
過酸化物分解剤

化合物名
アルキル化ジフェニルアミン
ヒンダードフェノール
アルキルジチオリン酸亜鉛
チオエーテルNTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

が異なり，アルキル化ジフェニルアミン（AO-1），ヒ

測定結果を図2〜5に示す．無添加の潤滑油は，短ンダードフェノール（AO-2）が効果的である．

時間で酸化劣化が始まり，いずれも誘導期間は数十時間である．それに対して，酸化防止剤を添加すると重酸化劣化を抑えるには，PAO油，エステル油など

量減少が低減され，誘導期間が長くなる．PAO油

潤滑油の種類にごとに，適切な酸化防止剤を添加する（図2，図3）は，アルキルジチオリン酸亜鉛（AO-3），

必要がある．PAO油には過酸化物分解剤，エステル

チオエーテル（AO-4）を添加すると誘導期間が長く

油には，連鎖停止剤を添加すると酸化劣化を抑制するなる．それに対して，アルキル化ジフェニルアミン

効果が大きくなることが判った．エステル-B（特殊エ（AO-1），ヒンダードフェノール（AO-2）は効果がステル油）に連鎖停止剤を添加すると耐酸化劣化性が小さい．エステル油（図4，図5）は，PAO油と傾向最も向上する．

20

10

30

20

0
0

200

400

時間

600

800

1000

0

40

600

800

1000

h

図3 PAO-B高温放置時の重量減少
Percent weight loss of PAO-B at high temperature

40

wt%
重量減少

30

400

時間

潤滑油：エステル-A
温 度：150℃

無添加
AO-1添加
AO-2添加
AO-3添加
AO-4添加200h

図2 PAO-A高温放置時の重量減少
Percent weight loss of PAO-A at high temperaturewt%

AO-1添加
AO-2添加
AO-3添加
AO-4添加

10

0

重量減少

潤滑油：PAO-B
温 度：150℃

無添加

wt%

30

40

潤滑油：PAO-A
温 度：150℃

無添加
AO-1添加
AO-2添加
AO-3添加
AO-4添加

重量減少

重量減少

wt%

40

20

10

無添加
AO-1添加
AO-2添加
AO-3添加
AO-4添加30

潤滑油：エステル-B
温 度：150℃

20

10

0

0
0

200

400

時間

600

800

1000

0

h

200

400

時間

図4 エステル-A高温放置時の重量減少
Percent weight loss of Ester-A at high temperature

600

800

1000

h

図5 エステル-B高温放置時の重量減少
Percent weight loss of Ester-B at high temperature-22-高速長寿命グリースの開発 ―モータ軸受用グリース「ME-1」―

3. モータ軸受用グリース
3. 3 高温耐久性

3. 1 従来グリース
モータ軸受用グリースには，低騒音，低トルク，長ME-1グリースについて，高温耐久試験（ASTM

寿命が要求されるため，表3に示すように，低粘度のD3336準拠）を実施した．市販グリースとME-1グ

エステル油を基油としたLi石けんグリースが広く用いリースの試験結果を図6に示す．ME-1グリースは，られている（市販グリースＡ）．また，広温度範囲，

市販グリースAと比較して5倍以上，ウレアグリース

高速長寿命が要求される用途には，ポリ-α-オレフィの市販グリースＢ, MP-1と比較しても1.5〜2倍の耐ン油（ＰＡＯ油）やエステル油を基油としたウレアグ

久性がある．ME-1グリースは，基油に特殊エステル

リースが使用されている（市販グリースＢ，MP-1）．

を採用し，適切な酸化防止剤を添加しているため，酸化劣化が抑制されて長寿命となっている．

3. 2 ME-1グリースの組成と性状「ME-1」グリースは，増ちょう剤にウレア化合物，基油に特殊エステル油とＰＡＯ油の混合油を使用している．基油の酸化劣化を抑制するため，適切な酸化防試験条件
軸受：6204軸受
温度：150℃

止剤を添加しており，長寿命化を図っている．ME-1
グリースの代表性状を表4に示す．

回転数：10000rpm
荷重：Fa=Fr=67N

焼付き寿命（平均値）

h

8000

表3 モータ軸受用グリースの例
Greases for motor bearings
市販グリース A 市販グリース B

MP-1

Li石けん

ウレア

ウレア

エステル

PAO

PAO＋エステル

40℃ 25〜30

46

40

220

250

増ちょう剤
基油
基油粘度 mm2/s

混和ちょう度 60W 25℃

250

6000

4000

2000

0

増ちょう剤
基油粘度 mm2/s

試験方法

ウレア

基油

エステル＋PAO
40℃

60

JIS K2220.23

混和ちょう度 60W 25℃

250

JIS K2220. 7

250以上

JIS K2220. 8

99℃, 22h

0.2

JIS K2220.10

離油度 mass % 100℃, 24h

0.0

JIS K2220.11

99℃, 100h30

JIS K2220.12

起動

300

回転

57

滴点 ℃
蒸発量 mass %酸化安定度 kPa

低温トルク mN・m −30℃

市販グリース
B

MP-1

図6 高温耐久性試験結果
Endurance test results

表4 ME-1グリースの代表性状
Typical properties of ME-1 grease
ME-1

市販グリースA

JIS K2220.18

-23-

ME-1

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

3. 4 音響特性

3. 5 回転トルク

モータ用軸受グリースには低騒音が要求されるた消費電力を低減するため，モータ用軸受には，回転め，グリース封入軸受の回転音響を測定した．測定結トルクが小さいことが要求される．

果を図7に示す．ME-1グリースの音響値は，市販グ

ME-1グリースの回転トルクを測定して市販グリー

リースAと同等であり，ウレアグリースの市販グリースと比較した結果を図8に示す．ME-1グリースは，

スＢより優れる．一般的にウレアグリースは，増ちょ

市販グリースAよりは，回転トルク性能で劣るものの，

う剤の微分散が困難であるため，Li石けんグリースよ市販グリースB, MP-1と同等レベルである．グリース

りも音響特性が劣るといわれている．しかし，ME-1の基油粘度が小さいほど回転トルクは小さくなる傾向

およびMP-1グリースは，増ちょう剤を微分散させてがある．ME-1グリースは，基油に従来よりも高粘度いるため，通常のウレアグリースより音響特性が向上の特殊エステル油を使用しているが，ME-1よりも低している．

粘度の基油を使用している市販グリースB，MP-1と同等レベルとなるよう回転トルクを抑えている．このため，実用的には，十分なトルク性能を有している．

試験条件
軸受：608軸受
荷重：Fa=19.6N

試験条件
軸受：6204軸受
荷重：Fa=39.6N

回転数：2200rpm

40

mN・m

50

回転トルク

dBA

30

音響値

回転数：8000rpm

20

10

40

30

20

10

0

市販グリースA

市販グリース
B

MP-1

0

ME-1

市販グリースA

市販グリース
B

MP-1

図8 回転トルク
Rotational torque of various greases

図7 音響特性
Noise levels of various greases

-24-

ME-1

高速長寿命グリースの開発 ―モータ軸受用グリース「ME-1」―

5. あとがきME-1グリースは，高温耐久性，音響特性に優れたグリースであり，実用的に十分な回転トルク性能を有している．モータは，今後も小型・軽量化，高効率化が進むと予想され，モータ軸受用グリースにおいても，長寿命化などの高性能化がますます要求される．本報で紹介した「ME-1」グリースが工作機を含む各種モータの高性能化へ寄与できれば幸いである．

［参考文献］
1) 岡村征二 月刊トライボロジ9 (2001) 47.
2) 大貫裕二，木村浩 トライボロジー会議予稿集（東京1998-5）3) 大勝靖一 トライボロジスト40, 4 (1995) 60.
4) 五十嵐仁一 日石レビュー32,3 (1990) 5.
5) 五十嵐仁一 日石レビュー32,3 (1990) 17.

執筆者近影

三上

英信

総合技術研究所
基礎技術研究部-25-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）[ 製品紹介 ]工作機械用精密軸受 "ULTAGE（アルテージ）" シリーズ"ULTAGE" Series Precision Bearings for Machine Tools

瀧 内 博 志*小杉

Hiroshi TAKIUCHI

Futoshi KOSUGI

太*

工作機械主軸における高速化・高効率化・高精度化 の市場ニーズに対応すべく，種々の軸受の開発・改良を行ない「ULTAGE（アルテージ）シリーズ」として再編成した．
本報では各軸受タイプの位置付けをわかり易く説明し「ULTAGE（アルテージ）シリーズ」の構成について紹介する．

To meet the market needs for faster, more efficient, and more precise machine tool main spindles,
NTN has created new bearing designs and recently reorganized our product line into “ULTAGE
Series” bearings.
The paper explains, various bearing types and their applications in plain terms. The paper also
describes the configurations of “ULTAGE Series” bearings.
ULTAGE is a term created by NTN combining ‘ULTIMATE’ and ‘STAGE’ to represent NTN’s pursuit
for the highest level of precision in machine tool bearings.

なおULTAGEの名称は究極を意味する「ULTIMATE」

1. はじめにと「STAGE」を結びつけた造語であり，工作機械用
精密転がり軸受の究極を追い続ける NTN の考えを表

工作機械主軸において，高速化・高効率化・高精度現したものである。

化 の市場ニーズに対応し，種々の軸受の開発・改良を行なってきた。この度，精密軸受に求められる「本来の軸受仕様とは」という考え方で，従来からの各シ

2. 工作機械用精密軸受の開発変遷

リーズの軸受仕様について見直し・開発を進め，工作機械用精密軸受の用途としては，大きく主軸用「ULTAGE（アルテージ）シリーズ」として再編成しと送り系用に分かれる。主軸用軸受としてはアンギュた。
前テクニカルレビューNo. 71に「ULTAGE（アルラ玉軸受（ラジアル荷重用およびアキシアル荷重用）

テージ）シリーズ」について紹介したが，今回新たにと円筒ころ軸受，送り系用軸受としてはボールねじ支

4タイプの追加と一部の軸受品名の変更を行ない，各持用軸受がある。

タイプの位置付けをわかり易く構成し直した。本報に表1に工作機械用精密軸受の変遷を年代順に示す。

て再度「ULTAGE（アルテージ）シリーズ」の構成（縦軸は高速化・高機能化の尺度を示す）また前述3形について紹介する。

式のこれまでの開発の変遷について簡単に紹介する。

*産機商品本部 産機技術部-26-

工作機械用精密軸受 "ULTAGE（アルテージ）" シリーズ

複列円筒ころ軸受

NN30xxHSRT6円
NN30xxHS
筒
NN30・NN49・NNU49
ころ
軸 単列円筒ころ軸受
受N10N10xxHSRT6・N10xxHSLT6

N10xxHS

ボールねじ支持用

2A-BSTxx-1BLXL・2A-BSTxx-1B

BSTxx-1E

BSTxx-1Bアン アキシアル荷重用
ギ
562xx・742xx
HTA・HTBュラ
玉 ラジアル荷重用シール付
軸
受

HTAxxxU

BNSxxxLLB
7xxxLLB

ラジアル荷重用

HSC

HSF・HSFL

HSBxxxCAEX1
HSA
7xxx

1980

HSE・HSLHSB
79xxU・70xxU

1990

1996

2000

2004

（年）

※赤字は
ULTAGEシリーズ

表1 工作機械用精密軸受の開発変遷
Development history of precision bearings for machine tools

2. 1 アンギュラ玉軸受

2. 1. 2 アキシアル荷重用アンギュラ玉軸受
アキシアル荷重用アンギュラ玉軸受としては，長い

2. 1. 1 ラジアル荷重用アンギュラ玉軸受

間複式スラストアンギュラ玉軸受（562xxx，742xxx

ラジアル荷重用アンギュラ玉軸受のベースとなる標タイプ）が主流であったが，1980年代後半の高速化

準アンギュラ玉軸受（7xxxタイプ）に対し，1980の流れの中で，単列アンギュラ玉軸受2列組合せの年代中頃に転動体径を小径としたHSAタイプ，80年

HTA，HTBタイプを発表した．その後現在国内では代後半にはHSAタイプに改良を加え低発熱とした

ほとんどがHTAタイプとなり現在に至っている．しHSBタイプを発表。その後工作機械主軸の一層の高かし，最近ではさらに高速化の要求があり，HTAタ

速・高剛性化の要求に対し，90年代初〜中頃からイプの仕様見直しを進め，今回HTAxxxUタイプの新HSBxxxCAEX1タイプや転動体径がHSBタイプより名称でアルテージシリーズの1つに加えた．

さらに小径のHSCタイプを追加した。

2. 2 円筒ころ軸受

2000年JIMTOFにおいては耐摩耗性・耐焼付き性を向上したHSEタイプおよび低騒音タイプ（HSLタ

円筒ころ軸受には，複列円筒ころ軸受（NN30，

イプの前身）を発表した。

NN49，NNU49タイプ）と単列円筒ころ軸受

さらに2002年JIMTOFにおいて，HSEタイプそ（N10xxHSタイプ）がある．

の他に長寿命化を目的としたシール付アンギュラ玉軸

2. 2. 1 複列円筒ころ軸受

受（BNSxxxLLBタイプ，7xxxLLBタイプ）および
低騒音，オイル・エア消費量の削減を目的とした環境

複列円筒ころ軸受については，NN30タイプが主対応型アンギュラ玉軸受（HSLタイプ）を「アルテ流であり，これまで保持器材質・形状の開発に取組んージシリーズ」として発表した。

できた．一部には樹脂保持器品（T2）を採用してい今回，新たに基本となる標準アンギュラ玉軸受

るが標準品は高力黄銅製保持器である．グリースの長7xxxタイプの高速化・高機能化を行ない，70xxU・寿命化のために樹脂保持器の採用が有効であり，新し79xxUタイプの新名称でアルテージシリーズの1つ

く樹脂保持器（T6）を開発し，今回高速 N N 3 0 x xに加えた。

HST6タイプおよび超高速NN30xxHSRT6タイプの新名称でアルテージシリーズの1つに加えた．
-27-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

表2 アルテージシリーズ一覧表
ULTAGE series【標準】
内部構造および樹脂保持器の最適化により，許容アキシアル荷重の向上
70Uタイプ，79Uタイプ と低温度上昇を実現．（内径φ10〜φ130が対象）（接触角15°20°30°）
セラミックボール仕様（5Ｓ）も対応．

【高速】
5S-2LA-HSEタイプ（接触角15°20°25°）【超高速】
5S-2LA-HSFタイプ（接触角25°）

主
軸
用

ア
ル
テ
ー
ジ

ア
ン
ギ
ュ
ラ
玉
軸
受

（接触角15°25°）【高速】
5S-2LA-BNS LLBタイプ（接触角15°20°25°）【アキシアル荷重用】
HTA Uタイプ（接触角30°,40°）

ボ
ー
ル
ね
じ
支
持
用

円
筒
こ
ろ
軸
受

主
軸
用

HSEタイプが持つ特徴に加え，小径セラミックボールの採用により，さらなる高速化・低温度上昇を実現．

≪環境対応型≫
耐摩耗性・耐焼付性を大幅に向上した特殊材料・表面改質を採用．
【高速】5S-2LA-HSLタイプ HSE・HSF両タイプに環境対応型ノズルを採用したエアオイル潤滑専用タイプ．
(接触角15°20°25°)【超高速】5S-2LA-HSFLタイプ 騒音，エア量・オイル消費量を削減し，作業環境の改善・省エネルギを実現．
高速HSLタイプには鋼球仕様（5Ｓなし）も対応．
（接触角25°）【標準】
70 LLBタイプ
79 LLBタイプ

シリーズ

特殊材料の採用，表面改質により，耐摩耗性・耐焼付性を大幅に向上．
内部仕様の最適化により，高速・高剛性・高信頼性を実現．
鋼球仕様（5Ｓなし）も対応．

【開放形】
2A-BSTタイプ（接触角60°）両側非接触シール，特殊グリースの採用に加え，内部構造の最適化に
より低温度上昇を実現したグリース潤滑専用タイプ．
セラミックボール仕様（5Ｓ）も対応．
耐摩耗性・耐焼付性を大幅に向上した特殊材料・表面改質を採用．
さらにグリースポケット，両側非接触シール，特殊グリースなど，内部構造の最適化を図り，グリースの長寿命化を実現したグリース潤滑専用
タイプ．鋼球仕様（5Ｓなし）も対応．
内部仕様の最適化を実施し，従来のHTAタイプの高剛性はそのままに許容アキシアル荷重の向上と高速化を実現した，アキシアル荷重用アンギ
ュラ玉軸受．セラミックボール仕様（5Ｓ）も対応．

軌道輪表面改質により，長寿命化・耐フレッティング性を向上させた
開放形軸受．

（接触角60°）軌道輪表面改質，さらに特殊グリースの封入により，長寿命化・耐フレ
ッティング性を大幅に向上．
また低トルク軽接触シールを設け防塵性・グリース保持性を強化．

【超高速】
N10HSRT6(K) タイプ

内部構造および樹脂保持器の最適化により，高速・低温度上昇を実現．
従来の単列円筒ころ軸受Ｎ10HSを上回る高速性を有する．

≪環境対応型≫【超高速】
N10HSLT6(K) タイプ

N10HSRT6タイプに環境対応型ノズルを採用したエアオイル潤滑専用タイプ．N10HSRT6の高速性はそのままに騒音，エア量・オイル
消費量を削減し，作業環境の改善・省エネルギを実現．

【高速】
NN30 HST6(K)タイプ【超高速】
NN30 HSRT6(K) タイプ

内部仕様の最適化と新型樹脂保持器（Ｔ6）の採用により，グリース潤
滑・エアオイル潤滑での高速化・低温度上昇を実現．

【軽接触シール形】
2A-BST LXLタイプ-28-

工作機械用精密軸受 "ULTAGE（アルテージ）" シリーズ

2. 2. 2 単列円筒ころ軸受

4. 精密転がり軸受カタログの発行と改訂について単列円筒ころ軸受については，もともと標準N10タ
イプがあり，精密軸受として1980年代後半から1990年代初に高速化の要求に対応し，転動体径が精密転がり軸受の総合カタログとして，2003年秋

N10タイプより小径の高速N10xxHSタイプを出した．

にアルテージシリーズの追加と技術内容の一部見直し

単列円筒ころ軸受についてもさらなる高速化の要求がを盛込み新たに発行した．（カタログNO.2260／J）

あり，2002年JIMTOFにおいて樹脂保持器を採用した

このカタログでは，単にアルテージシリーズの追加

超高速N10xxHSRT6タイプおよび低騒音化，オイル・等の軸受構成を変えただけではなく，以下の2項目に

エア消費量削減を可能とした環境対応型N10xxHSLT6ついて大きく変更した．

タイプの2タイプを主軸リア用として発表した．

1）各軸受の仕様見直しによる許容回転速度の変更と速度係数の採用．

2. 3 ボールねじ支持用軸受

2）アンギュラ玉軸受の許容アキシアル荷重の変更．

ボールねじ支持用軸受においても，1980年代後半

また，今回新しく追加したアルテージシリーズ4に油潤滑での高速化に対してBSTxx-1Bタイプの開発

タイプを盛込んだカタログ改定を進めているのを行い，1990年代前半に長寿命化を目的に転動体径で，詳細についてはカタログを参照してほしい．

を大きくしたBSTxx−1Eタイプを出した．その後，2000年JIMTOFにおいて，より高速・長寿命および5. おわりに

耐フレッティング性向上を目的に開放形2A-BSTxx1Bタイプおよび軽接触シール形2A-BSTxx-1BLXL

ここ4〜5年間において，工作機械用精密軸受の全タイプを発表した．

面的な改良および新規投入を進め，「ULTAGE（アルテージ）シリーズ」として形にしてきた．これにより，これからの工作機械主軸の信頼性向上と高機能化に十3. ULTAGE（アルテージ）シリーズの構成

分寄与できる最先端の精密軸受シリーズになったと考
アルテージシリーズの軸受構成については，前項にえている．

て記載したように今回新たに4タイプ（下記太字）を追

今後さらにユーザからの種々要求は高まるものと考加するとともにHSEタイプの品名見直しを行ない，えられ，精密軸受を供給しているメーカとしての責任

トータル14タイプとなった．そのシリーズ構成を前を果たすとともに良きパートナーとして「精密軸受の頁の表2に示す．

NTN 」を目指して今後も改良・開発に取組んでいき

ラジアル荷重用アンギュラ玉軸受は標準（7xxxUたい．

タイプ），高速（HSEタイプ），超高速（HSFタイプ）の3種類，シール付アンギュラ玉軸受も標準（7xxxLLBタイプ），高速（BNSxxxLLBタイプ）の2種類，および環境対応型アンギュラ玉軸受も高速（HSLタイプ），超高速（HSFLタイプ）の2種類とし，分かり易く構成し直した．
執筆者近影アキシアル荷重用アンギュラ玉軸受は標準（HTAxxx
Ｕタイプ）の1種類とした．
円筒ころ軸受は複列樹脂保持器品で高速（NN30xxHST6タイプ），超高速（NN30xxHSRT6タイプ）と単列樹脂保持器品で超高速（N10xxHSRT6タイプ），
環境対応型（N10xxHSLT6タイプ）の4種類とした．
ボールねじ支持用軸受は大きくオープン（BSTxx-

瀧内

1Bタイプ）とシール付（BSTxx-1BLXLタイプ）の博志

産機商品本部
産機技術部

2種類とした．
-29-

小杉

太

産機商品本部
産機技術部

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）[ 製品紹介 ]ULTAGE 標準アンギュラ玉軸受79U/70Uタイプ
ULTAGE Standard Angular Contact Ball Bearings, 79U/70U type

植 田 敬 一*Keiichi UEDA

工作機械の「高速化」，「長寿命化」，「作業環境への配慮」に応える主軸用軸受ULTAGE（アルテージTM）シリーズに優れた性能と豊富なバリエーションを持つ標準アン
ギュラ玉軸受「79U/70Uタイプ」を加えた。本稿では
高速性能，耐荷重性能および、潤滑性能を飛躍的に高め，「新世界標準」として生まれ変わったNTNの標準ア
ンギュラ玉軸受について特長を紹介する．

Machine tool bearings require high speed capability, long life, and consideration of the operating
environment. To meet such needs, NTN has developed a new standard angular contact ball bearing,the 79U/70U type, which has superb performance and adds rich variation to our ULTAGE Series
product line. This paper describes the features of NTN’s standard angular contact ball bearings thathave created a new epoch in the areas of high-speed, load resistance, and lubrication performance.
These improvements make the 79U/70U ULTAGE Series worthy of the title "The New World
Standard."

円筒ころ軸受を中心にシリーズの拡充を図ってきた

1. はじめにが，今般新たに標準アンギュラ玉軸受の高機能化を図り，ULTAGEへ新シリーズとして追加した．
（写真1）

マシニングセンタをはじめとする工作機械ではます
ます高速化・高効率化・高精度化が進められている．
現在金型加工を主用途とするマシニングセンタでは
dmn値350万（dm：転動体ピッチ円径mm，n：回転
速度min -1）の域まで到達している 1)．一方，旋削工
程を含む複数の加工工程を1台の機械に集約（複合化）することで生産性向上（非加工時間短縮による高効率化）を実現しようとする取組みも盛んに行われている．
加えて近年では切削油を使わない「ドライ加工」や極少切削油で加工を行う「セミドライ加工」などの環境負荷低減技術も実用化されており，「高速化」，「複合化」，「環境対応技術」が重要視されている．
このような市場動向に対応すべく， NTN は工作機
械用軸受「ULTAGE」をシリーズ化し，JIMTOF

写真1 ULTAGE標準アンギュラ玉軸受79U/70Uタイプ
ULTAGE standard angular contact ball bearing
79U/70U type

（日本国際工作機械見本市）2002にて発表した．以後，主軸用として高速性に優れるアンギュラ玉軸受や*産機商品本部 産機技術部-30-

ULTAGE 標準アンギュラ玉軸受79U/70Uタイプ

設計を採用した場合に比べて若干低下するものの，ほ2. 内部設計の最適化

ぼ同水準を維持している．

2. 1 高速・高剛性を可能にする最適設計の採用
2. 2 耐荷重性の向上

標準アンギュラ玉軸受は小径ボールを採用した高速仕様のアンギュラ玉軸受に比べ，剛性や負荷容量（転工作機械主軸用軸受には停止中の工具交換の際に大がり疲労寿命に対する耐性を示すパラメータ）の面できなアキシアル荷重が負荷される場合があり，その荷優れる反面，その適用範囲には速度的な制約があった．

重が軸受の持つ許容限度を越えると，軌道面上に圧痕

今回のモデルチェンジでは高速性を高めることによるが生じるなどの不具合が発生する．これらアキシアル

適用範囲の拡大を目標とし，内部設計の見直しを実施

荷重への限度を示す特性を「許容アキシアル荷重」とし相反関係にある高速性と剛性の両立（従来軸受が持いい，NTNでは，つ剛性レベルを維持しつつ，高速性を高める仕様の確¡軌道面の接触楕円の端部が内外輪いずれかの肩に達する．（転動体と軌道面との間に形成される接触楕立）を達成した．

円が軌道面からはみ出す状態；図3）

具体的には，転動体や軌道輪に関する各設計項目が¡軌道面の接触面圧が内外輪いずれかで3650MPa

剛性へ及ぼす影響度を確認した後，剛性への影響が少ない設計項目を積極的に変更し高速性を高めた．そのに達する．

一方で剛性に支配的影響を及ぼす項目の変更は最小限のいずれかに至る荷重で定義している．

に留めることで，剛性を維持した．ULTAGE標準ア
ンギュラ玉軸受79U/70Uタイプは，上記手法により高速・高剛性の両立を可能としており，後述する新型
樹脂保持器との組合せによって，グリース潤滑で従来比約1.5倍のd mn95万，エアオイル潤滑で従来比約Fa

H

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

2a1.8倍のdmn150万（ともに接触角15°，鋼球使用時）を実現した．
また，図1および図2は従来設計と新設計との剛性比較結果である．新設計を採用した場合の剛性は従来

図3 転動体の肩乗り上げ
Rolling elements protrude over the raceway shoulder

Fa=3.0kNでの変位量の差：約4μm

Fa=5.0kNでの変位量の差：約3μm

60

60

50

従来設計

軸方向変位量 μm

軸方向変位量 μm

新設計

新設計

40
30
20
10
0

50

従来設計

40
30
20
10

0

1

アキシアル荷重

軸受品名

組込み後
予圧荷重

2

0

3

0

1

kN

【新 設 計】7005UCDB【従来設計】7005CDB
φ25mm×φ47mm×12mm×2列
接触角15°［

2

3

アキシアル荷重

軸受品名

］

組込み後
予圧荷重

200N（定位置予圧方式）

図1 アキシアル剛性比較（7005CDB）
Axial rigidity (7005CDB)

4【新 設 計】7020UCDB【従来設計】7020CDB
φ100mm×φ150mm×24mm×2列
接触角15°［

880N（定位置予圧方式）

図2 アキシアル剛性比較（7020CDB）0
Axial rigidity (7020CDB)

-31-

5

kN

］

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

ULTAGE標準アンギュラ玉軸受79U/70Uタイプ

見直しによって，従来設計を大幅に上回る許容アキシでは，内部設計の最適化（前項記載）に際して，本特アル荷重（約2.5倍）を可能にした．
（図4，図5）

120

10

100

kN

12

8

許容アキシアル荷重

許容アキシアル荷重kN性の向上も考慮しており，肩高さ寸法をはじめとする

6
4
2
0

新設計

80
60
40
20
0

従来設計

新設計

従来設計

【新 設 計】7005UC
軸受品名 【従来設計】7005C［φ25mm×φ47mm×12mm，接触角15°］【新 設 計】7020UC
軸受品名 【従来設計】7020C［φ100mm×φ150mm×24mm，接触角15°］図4 許容アキシアル荷重比較（7005CDB）
Allowable axial load (7005CDB)

図5 許容アキシアル荷重比較（7020CDB）
Allowable axial load (7020CDB)

四隅にスリットを設置することで，内輪側から外輪側

2. 3. 潤滑に対する最適設計

への潤滑油の流路（潤滑油に作用する遠心力によってエアオイル潤滑では軸受内部への潤滑油供給はもと生じる流れ）を確保した．

より，軸受外部への潤滑油の排油（エアオイルの排気）もこれらの働きにより，潤滑油の滞留による攪拌抵抗重要となる．排油が円滑に行われなければ，軸受内部を抑制することが可能となる．

で潤滑油が滞留し攪拌抵抗が増大することにより，昇温大や焼付きなどの問題が生じる恐れがある1)．そのため，高速条件下において安定した温度上昇を可能にするためには，転動体や軌道面形状といった内部設計の最適化だけではなく，上記項目にも配慮する必要がある．
また，グリース潤滑で使用する場合には，発熱などによるグリースの劣化，つまり潤滑寿命が重要であるた＜内径のテーパ形状＞

め，グリース保持性能に優れた内部構造が有効となる．

【エアオイル潤滑】潤滑油の供給・排出が容易

ULTAGE標準アンギュラ玉軸受79U/70Uタイプ【グ リ ー ス 潤 滑】軸受内部へのグリース封入が容易

では，エアオイル潤滑，グリース潤滑の両方で潤滑信

図6(a) 新形状保持器（ポケット部断面）
New resin cage (section of the ball pocket)

頼性を高める設計を採用した．そのポイントについて
次にまとめる．

2. 3. 1 新形状の成型保持器（ポリアミド樹脂：図6(a)，図6(b)）(a) エアオイル潤滑における特長
転動体と軌道面との接触部近傍への潤滑油供給を容＜ポケット部四隅のぬすみ＞

易にするとともに（狙いやすく），軸受外部への排油を促進（排出されやすく）することを目的に保持器内【エアオイル潤滑】
潤滑油の排出が容易

径面をテーパ形状とし，軸受内部における潤滑油の供【グリース潤滑】
グリース保持性能が向上

給および排出空間を拡張した．
図6(b) 新形状保持器（外観）New resin cage (appearance)

さらに，ポケット部（転動体が配置される場所）の-32-

ULTAGE 標準アンギュラ玉軸受79U/70Uタイプ

図7は従来保持器と新形状保持器との高速運転試験

図8は従来保持器と新形状保持器との高速運転試験（エアオイル潤滑）での比較結果である．新形状保持（グリース潤滑）での比較結果である．新形状保持器器を採用した場合の軸受温度上昇は従来保持器を採用を採用した場合の軸受温度上昇は従来保持器を採用しした場合に比べ，低温度上昇であることが認められる．

た場合に対し，同等以下の温度上昇を示している．

(b) グリース潤滑における特長

なお，ULTAGE標準アンギュラ玉軸受79U/70U

グリース潤滑時にはポケット部のスリットがグリータイプでは，dmn値105万までの用途に本保持器を標スを保持する働きを持つ．また，テーパ形状の採用に準採用し，dmn値105万を越える高速用途（エアオイ伴う軸受空間の拡張（軸受幅面での間口拡大）により，ル潤滑）へは，超高速用途で数多くの実績を持つフェ軸受内部へのグリース封入が容易となるため，潤滑信

ノール樹脂もみぬき保持器を採用する．

頼性の向上および，取扱いの簡素化が可能となる．

20

30
25

℃

従来保持器

20

外輪温度上昇外輪温度上昇℃

新形状保持器1510

新形状保持器

15

従来保持器

10

5

5
0

0
0

5000

10000

回転速度
0

25

15000

20000

5000

50

75

dmn値

×104

10000

回転速度
100

0

125

25

15000

20000

min−1

50

75

dmn値

×104

100

125

【試験条件】【試験条件】
軸受品名

0

min−1

7010UCDB
φ50mm×φ80mm×16mm×2列
接触角15°［

軸受品名］

エアオイル潤滑
40NL/min
0.03mL/5min/1ショット
ISO VG32

外筒冷却

なし

［

］

組込み後予圧荷重 200N（定位置予圧方式）

組込み後予圧荷重 200N（定位置予圧方式）
潤滑方法
エア量
オイル供給量
油種

7010UCDB
φ50mm×φ80mm×16mm×2列
接触角15°

図7 従来保持器と新形状保持器との温度上昇比較（エアオイル潤滑）
High-speed test (air-oil lubrication)

潤滑方法
銘柄

グリース潤滑イソフレックスNBU15

外筒冷却

なし

図8 従来保持器と新形状保持器との温度上昇比較（グリース潤滑）
High-speed test (grease lubrication)-33-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

2. 3. 2 内輪形状の変更（図9）背面側内輪外径を従来軸受より低く設計。新形状保持器との組合せにより，潤滑油の給油空間を大幅拡大。

反負荷側である背面側内輪外径を従来軸受より低く設計し，前述の新形状保持器と組合せることで潤滑油の給油空間を大幅に拡大した．これにより，高速運転に適した（エアオイル潤滑時の給油性に優れた）保持

背面側内輪外径器−内輪間狙いが容易となる上，斜め方向からの潤滑油供給（ノズル狙い）が可能となるため，ノズル付間

図9 ULTAGE標準アンギュラ玉軸受79U/70Uタイプ
断面図
Section of 79U/70U type

座の寸法的制約が減少し軸受周辺構造の設計自由度を向上させることができる．

一方，エアオイル潤滑での評価（図11）では，グ

4. 高速運転試験結果

リース潤滑の場合と同様，新シリーズの温度上昇は外ULTAGE標準アンギュラ玉軸受79U/70Uタイプ

筒冷却有り無しともに現行軸受を下回っている．現行での評価試験結果（グリース潤滑）を図10に示す．

軸受がdmn値105万付近で不安定な温度上昇を示した

新シリーズの温度上昇は外筒冷却有り無しともに現行のに対し（図中○＊，△＊），新シリーズはd m n値

軸受を下回っており，dmn値95万を達成した．

150万での安定した温度上昇を示す．

ULTAGE（フェノール樹脂保持器）
ULTAGE（新型ポリアミド樹脂保持器）
従来軸受（ポリアミド樹脂保持器）

ULTAGE（新型ポリアミド樹脂保持器）
従来軸受（ポリアミド樹脂保持器）

℃

50

15

外輪温度上昇外輪温度上昇℃20

外筒冷却なし10
外筒冷却あり

5
0

40
30

2000

4000

6000

8000

回転速度
0

25

10000 12000 14000 16000

2000

4000

6000

50

0

100

×104

8000

10000

12000 14000

min−1
100

dmn値

150

×104

【試験条件】【試験条件】

軸受品名

0

回転速度
75

外筒冷却あり

＊

10

min−1

50

dmn値

外筒冷却なし20

0
0＊【ULTAGE】7010UCDB【現行軸受】 7010CDB
φ50mm×φ80mm×16mm×2列
接触角15°［

軸受品名］【ULTAGE】7020UCDB【現行軸受】 7020CDB
φ100mm×φ150mm×24mm×2列
接触角15°［

組込み後予圧荷重 200N（定位置予圧方式）

組込み後予圧荷重 150N（定位置予圧方式）

潤滑方法
銘柄

グリース潤滑イソフレックスNBU15

外筒冷却

あり，なし

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，なし

図10 高速運転試験（グリース潤滑）
High-speed test (grease lubrication)

図11 高速運転試験（エアオイル潤滑）
High-speed test (air-oil lubrication)

-34-

］

ULTAGE 標準アンギュラ玉軸受79U/70Uタイプ

5. シリーズ

6. まとめULTAGE標準アンギュラ玉軸受79U/70Uタイプ

ULTAGE標準アンギュラ玉軸受79U/70Uタイプのシリーズ構成を表1に示す．軸受系列は0系列およは，ますます厳しい環境下で使用される工作機械用軸び，9系列とし，各系列に接触角3種類（15°，25°，

受へのニーズに適合する商品であると考える．

30°）を設定した．軸受サイズ（軸径）はφ10mm

ULTAGEの基本思想である「人・環境に優しい軸受〜φ130mm（全シリーズ共通）とした．また，転動技術」はもちろん，「より高機能で使いやすい」も念

体材質は従来の鋼球に加え，セラミックボールを追加頭に置き，今後とも工作機械用軸受の改良・開発に取し，これら豊富なバリエーションを設けた．

組んでいく．

表1 ULTAGE標準アンギュラ玉軸受79U/70Uタイプのシリーズ構成
79U/70U Series［参考文献］

接触角15° 79xxUC/70xxUC
鋼球シリーズ1）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（2003.4）

接触角25° 79xxUAD/70xxUAD
接触角30° 79xxU/70xxU

接触角15° 5S-79xxUC/5S-70xxUC
セラミックボール
接触角25° 5S-79xxUAD/5S-70xxUAD
シリーズ
接触角30° 5S-79xxU/5S-70xxU
対応軸受サイズ（軸径）：φ10mm〜φ130mm（全シリーズ共通）

執筆者近影

植田

敬一

産機商品本部
産機技術部-35-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）[ 製品紹介 ]ULTAGE アキシアル荷重用アンギュラ玉軸受 HTA UタイプHTA U Type ULTAGE Angular Contact Ball Bearings for Axial Loads

廣 田 泰 之*Yasuyuki HIROTA

工作機械の中でも特に旋盤のような高剛性・耐荷重性を必要とする主軸の高速化に対応するため，新しいア
キシアル荷重用アンギュラ玉軸受を開発した．従来軸受の剛性，耐荷重性を維持しつつ，高速化を達成した
アキシアル荷重用アンギュラ玉軸受HTA Uタイプについて紹介する．

A new angular contact ball bearing has been developed for machine tool applications, particularly
lathes, that require a high-speed main spindle with high rigidity and load resistance. This paper
introduces the HTA U-type angular contact ball bearing for axial loads, which offers high-speed
performance while maintaining the rigidity and load resistance of traditional bearings.

1. はじめに

2. 旋盤の主軸構造と軸受

工作機械主軸用アキシアル荷重用アンギュラ玉軸受

図1に旋盤の主軸の一例を示す．アキシアル荷重用

は，旋盤をはじめ高剛性・耐荷重性が必要とされる主アンギュラ玉軸受は複列円筒ころ軸受と併用され，ラ軸に使用される軸受であり，回転速度としては主としジアル荷重は円筒ころ軸受，アキシアル荷重はアンギて低・中速域で使用される．しかし近年，マシニング

ュラ玉軸受とそれぞれ負荷荷重が分担されている．そセンタをはじめとする工作機械の高加工効率化，高精のためにアキシアル荷重用アンギュラ玉軸受HTAタ度化の要求に対応して，主軸の高速化が一段と進むな

イプは軸受外径寸法を複列円筒ころ軸受より小さく設

かで，旋盤などの高剛性仕様の主軸に対しても，高速

定し，アキシアル荷重のみを負荷するようになってい化の要求が増えてくると考えられる．今回，高速化のる．表1に軸受外径寸法許容差を示す．また，HTAタ

要求に対応するため，現行のアキシアル荷重用アンギ

イプは接触角が30°と40°の2種類の仕様を設定してュラ玉軸受HTAタイプの高速性能を向上させたHTA

おり，通常，主軸のアキシアル剛性を重視する場合はUタイプを開発した．本稿ではその特長及び評価試験

40゜
品を使用し，運転中の低温度上昇を重視する場合

結果について紹介する．

は30゜
品を使用する．

*産機商品本部 産機技術部-36-

ULTAGE アキシアル荷重用アンギュラ玉軸受HTA Uタイプ

フロント側

リア側

アキシアル荷重用
アンギュラ玉軸受

複列円筒ころ軸受

円筒ころ軸受図1 旋盤主軸構造例
Structure of main spindle for turning machine

表1 軸受外径寸法許容差
Outside diameter deviation
呼び軸受外径
mm

を超え

以下

30
50
80
120
150
180
250
315
400

50
80
120
150
180
250
315
400
500

外径の寸法差μm
HTAタイプ
円筒ころ軸受P4 L精度
P4精度
上限値
下限値
上限値
下限値
-25
-30
-36
-43
-43
-50
-56
-62
-68

-36
-43
-51
-61
-61
-70
-79
-87
-95

0
0
0
0
0
0
0
0
-

-6
-7
-8
-9
-10
-11
-13
-15
-

写真1 HTA U type
HTA U type

3. 特長
3. 1 許容回転速度
今回開発したHTA Uタイプ（写真1）は現行品に対し次の点が異なる．
¡高速領域での温度上昇を抑制した内部設計仕様（図

潤滑油の流れ2）¡油潤滑における排油性を向上した内外輪形状¡グリース潤滑時，およびエアオイル潤滑時の潤滑効
すきまを大きくした。

率を高めたポリアミド樹脂成型保持器の転動体との図2 潤滑油の流れ
Flow of lubricating oil

接触部形状
このような設計仕様とすることで高速化・低温度上昇が可能となり，表2に記載の許容dmn値を達成した．

表2 許容dmn値
Allowable dmn value

運転試験結果は4項に示す．
ただし，表中の許容d mn値125万（接触角30゜，

グリース潤滑

エアオイル潤滑

エアオイル潤滑時の値）はフェノール樹脂もみ抜き保接触角30゜100×104

持器仕様の値であり，HTA Uタイプの標準であるポ接触角40゜ 75×104 従来比30％UP 95×104 従来比10％UP

リアミド樹脂成型保持器仕様の許容dmn値は105万ま
でである．
-37-

従来比60％UP 125×104 従来比25％UP

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

3. 2 アキシアル剛性

3. 3 耐荷重性（許容アキシアル荷重）

HTA Uタイプは高速性能を向上させる内部仕様と軸受の許容アキシアル荷重はアキシアル剛性と同様したことで，アキシアル剛性に若干の低下が見られる．

に重要な特性である．現行HTAタイプとの比較を図4

しかし，図3に示すように現行HTAタイプとの差はアに示す．内部構造を見直すことで許容アキシアル荷重

キシアル荷重5kN負荷時にアキシアル方向変位1.5μm

はHTAタイプよりも，接触角30°で約1.3倍に，接触

以下(接触角30°)であり，現行HTAタイプのアキシア

角40゜
で1.2倍に向上した．

ル剛性とほぼ同等とみなすことができる．

【試験条件】軸

HTA020UADB，HTA020ADB
HTA020UDB，HTA020DB(φ100×φ150×22.5×2列)[α:30゜] 880N
[α:40゜] 1470N

受

組込後予圧量【計算条件】軸

HTA020UADB，HTA020ADB
HTA020UDB，HTA020DB(φ100×φ150×22.5×2列)

受

100

kN

HTA Uタイプ
HTA タイプ

HTA Uタイプ

80

許容アキシアル荷重

アキシアル方向変位 μm

15

10

α：30゜
5
α：40゜

71.3

60

HTAタイプ
53.5

40

31.9

25.7

20
0

0
0

1

2

3

アキシアル荷重

4

α＝30°

5

α＝40°

kN

図3 アキシアル剛性線図
Displacement in axial direction

図4 許容アキシアル荷重比較
Allowable axial load

4. 1 試験機構造4. 運転試験結果

試験機の構造を図5に示す．実際の使用状態と同様に試験軸受はラジアル荷重を負荷しない構造となって運転試験に用いた試験機の構造と試験結果を次に示

いる．

す．

試験軸受
アキシアル荷重は負荷せず，予圧荷
重のみである。

支持軸受

図5 試験機構造図
Test rig for measuring temperature rise-38-

ULTAGE アキシアル荷重用アンギュラ玉軸受HTA Uタイプ

4. 2 試験結果
グリース潤滑，エアオイル潤滑での運転試験結果をそれぞれ表2に示す許容d mn値まで安定した温度上それぞれ図6，7，8，9に示す．

昇を示す．

【試験条件】【試験条件】
軸受[α:30゜]

回転速度
組込後予圧量
潤滑方法
使用グリース
外筒冷却

HTA020UADBHTA020ADB(φ100×φ150×22.5×2列)〜8000min-1
880N
グリース潤滑
MP-1
あり，なし

軸受

HTA020UADBHTA020ADB(φ100×φ150×22.5×2列)〜10000min-1
880N
エアオイル潤滑
0.03mL/1ショット
オイルショット間隔5min
40NL/minあり，なし[α:30゜]

回転速度
組込後予圧量
潤滑方法
給油量
エア流量
外筒冷却
40

40
35

HTA020UA 冷却なし

35

HTA020UA 冷却なし

HTA020UA 冷却あり

30

HTA020UA 冷却あり

25℃

HTA020A 冷却なし
HTA020A 冷却あり

外輪温度上昇外輪温度上昇

℃

30

20
15
10

HTA020A 冷却なし
25

15
10
5

5
0

HTA020A 冷却あり

20

0
0

2000

4000

回転速度
0

25

6000

min

50

dmn値

0

8000

75

100

0

100

125

×104

【試験条件】[α:40゜]

HTA020UDBHTA020DB(φ100×φ150×22.5×2列)〜6000min-1
1470N
グリース潤滑
MP-1
あり，なし

軸受

HTA020UDBHTA020DB(φ100×φ150×22.5×2列)〜7500min-1
1470N
エアオイル潤滑
0.03mL/1ショット
オイルショット間隔5min
40NL/minあり，なし[α:40゜]

回転速度
組込後予圧量
潤滑方法
給油量

30
HTA020U 冷却なし

25

HTA020U 冷却なし℃

HTA020U 冷却あり
HTA020 冷却なし

20

外輪温度上昇

℃

75

10000

，エアオイル潤滑］
図7 運転試験結果［α：30゜Results of high-speed test (air-oil lubrication) (α:30˚)30

外輪温度上昇

50

25

エア流量
外筒冷却

HTA020 冷却あり

15
10
5
0

7500

min-1

dmn値

【試験条件】

回転速度
組込後予圧量
潤滑方法
使用グリース
外筒冷却

5000

回転速度

×104

図6 運転試験結果［α：30゜，グリース潤滑］
Results of high-speed test (grease lubrication) (α:30˚)

軸受

2500

-1

25

HTA020U 冷却あり
HTA020 冷却なし

20

HTA020 冷却あり

15
10
5

0

2000

4000

回転速度
0

25

dmn値

0

6000

0

2500

min-1
50

5000

0

75

×104

25

50

dmn値

図8 運転試験結果［α：40゜，グリース潤滑］
Results of high-speed test (grease lubrication) (α:40˚)

7500

min-1

回転速度

75

×104

図9 運転試験結果［α：40゜，エアオイル潤滑］
Results of high-speed test (air-oil lubrication) (α:40˚)-39-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

5. 標準シリーズ化

6. まとめ

工作機械主軸用アキシアル荷重用アンギュラ玉軸受

今回開発したHTA Uタイプは現行シリーズと同等

HTA Uタイプは現行HTAタイプと同様，接触角は水準の剛性，耐荷重性を維持しつつ，従来比ではグリ

30°と40°，直径系列は0系列と9系列を標準仕様とース潤滑時60％アップ，エアオイル潤滑時25％アッする．対応軸受サイズは0系列が内径φ50〜φ320，

プの許容dmn値の高速化を達成した．これにより近い

9系列が内径φ100〜φ320である．なお，転動体

将来増加すると予想される高速高剛性主軸への対応がは鋼球の他，セラミックボールの仕様も対応可能であ可能となった．今後はさらなる長寿命化や，取扱性向る．

上の開発に取り組んでいく．

執筆者近影

廣田

泰之

産機商品本部
産機技術部

-40-

-41-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）[ 製品紹介 ]ULTAGE 超高速・長寿命複列円筒ころ軸受
High Speed and Long Life Double-Row Cylindrical Roller Bearings

山 本 直 太*水谷

Naota YAMAMOTO

Mamoru MIZUTANI守*ULTAGE（アルテージTM）シリーズのひとつとして，新たに高速・長寿命の複列円筒ころ軸受（NN30xxHSRT6タイプ）を開発した．内部設計の最適化を進めるとともに，保持器を軽量・高強度のPEEK（樹脂）製とすることで高速化を可能とし，グリースポケットの採用により潤滑寿命延伸を図った．本稿にて開発概要を紹介する．

NTN has developed a new high-speed and long-life double-row cylindrical roller bearing(NN30xxHSRT6 type) for the ULTAGE Series product line. High-speed is accomplished by
optimization of the internal design and adoption of a light-weight and high-strength PEEK resin cage.
Furthermore, the addition of grease reservoirs inside the cage pockets extends the lubrication life.
This paper outlines the development process.

1. はじめに

2. 特 長複列円筒ころ軸受は，旋盤，マシニングセンタをは開発品では内部設計の最適化を進め，中でも保持器

じめ，高剛性，高精度を必要とする工作機械主軸に幅について大幅な見直しを行った．図1に開発品と従来広く使用されているが，最近の高機能，高効率化への品の概略図を示す．

動きに伴い，主軸軸受はさらなる高速化，長寿命化に対応する必要がある．
主軸軸受の潤滑としては，主にエアオイル潤滑，グリース潤滑があるが，従来の複列円筒ころ軸受はエア
オイル潤滑ではdmn120万，グリース潤滑ではdmn80
万程度が限界であり，これを上回る場合はアンギュラ
玉軸受や，単列円筒ころ軸受に変更する必要があった．
今回開発のアルテージシリーズ複列円筒ころ軸受は従来品

両潤滑条件において，従来品を大幅に上回る高速化，開発品

図1 従来品と開発品HSRT6タイプ
Conventional design and new design (HSRT6 Type)

長寿命化を狙いシリーズ化したものである．

*産機商品本部 産機技術部-42-

ULTAGE 超高速・長寿命複列円筒ころ軸受

1）軽量化
保持器材料を従来の高力黄銅製からPEEK樹脂製

端部には逃がし部（グリースポケットを兼用）を（ポリエーテル・エーテルケトン）とし，保持器設けた．

を1/4以下に軽量化した．これにより高速運転時の保持器と転動体の接触による発熱及び摩耗を抑えることができた．PEEK
は樹脂の中でも高剛性であり，耐熱性，耐摩耗性，耐加水分解性に優れている．

2）エアオイル潤滑を考えた超高速設計
保持器形状の最適化のため，超高速運
転時の遠心力による保持器の変形について，FEM解析を実施した．
（図2解析
例）
図3は特に変形に影響を与えるリング
厚さについての解析結果である．転動
体長さに対するリング厚さの比率が，30％を下回る領域では変形量が大きい
ため，超高速化に対応するためには30％以上に設定する必要がある．又，

図2 FEM解析例
FEM Analysis of deformation

転動体との異常接触が懸念される柱先

15％

内輪回転速度
20,000 min-1（dmn値 250万）
17,000 min-1（dmn値 200万）13％

14,000 min-1（dmn値 175万）
12,000 min-1（dmn値 150万）

変形量

転動体径に対する径方向変形量δ（半径分）の比率（％）

軸受サイズ：NN3020K（φ100×150×37）

δ

リング厚さ

10,000 min-1（dmn値 125万）10％

破線：変形前
実線：変形後
8％

5％

3％

0％
15％

従来設計
20％

25％

開発品 HSRT6タイプ
30％

35％

40％

転動体長さに対するリング厚さの比率（％）
図3 高速運転時のリング厚さと変形量の関係（FEM解析）
Relation between width of ring and deformation at high speed (FEM analysis of deformation)

-43-

45％

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

3）グリース潤滑を考えた長寿命設計

3. エアオイル潤滑試験結果

図4に開発保持器概略図を示す．保持器柱部にグリースポケットを設け，グリース保持性向上によ

図5にエアオイル潤滑での試験結果を示す．従来品

る潤滑寿命延伸を図った．

（高力黄銅製保持器）は，13000min −1で運転中に外輪温度の急昇温が見られたが，開発品（PEEK保持

グリースポケット器）は，15000 min−1（dmn値190万）の高速運転が可能であった．

4. グリース潤滑試験結果
図6にグリース潤滑での試験結果を示す．従来品（PA66保持器）と開発品（PEEK保持器）の比較か
ら，従来品は7000min−1を越えると外輪温度上昇が高くなり，8000min−1（dmn値100万）では，はっきりとした差が両者間に見られた．また，耐久試験において，従来品は1500時間で振動大となり停止した．

図4 保持器概略図
Drawing of the retainer30

大きな損傷等はないものの，転動面や保持器柱部に油開発品 HSRT6タイプ（PEEK保持器）

外輪温度上昇℃

25

従来品 高力黄銅製保持器

20
15
10
5
0
4,000

6,000

8,000

10,000

50

75

100

12,00014,00016,000

175

200

min−1

回転速度

125

150

《試験条件》[開発品 HSRT6タイプ（PEEK保持器）][従来品 高力黄銅製保持器]¡軸受サイズ: NN3020K（φ100×φ150×37）¡回転速度: 〜15,000min-1（dmn=190万）¡組込み後すきま : 0μm¡油量: 0.02mL/20min（VG32）¡エア量: 30NL/min
¡外筒冷却
: あり

×104

dmn値

図5 エアオイル潤滑性能試験結果
Temperature rise test results (air-oil lubrication)

外輪温度上昇℃

12

開発品 HSRT6タイプ（PEEK保持器）

10

従来品 樹脂保持器（PA66）

8
6
4
2
0
2,000

3,000

4,000

5,000

25

38

50

63

dmn値

6,000

7,000

8,000

75

88

100

min−1

回転速度

《試験条件》[開発品 HSRT6タイプ（PEEK保持器）][従来品 樹脂保持器（PA66）]¡軸受サイズ: NN3020K（φ100×φ150×37）¡回転速度: 〜8,000min-1（dmn=100万）¡組込み後すきま : −5μm
¡グリース
: MP-1
¡外筒冷却
: あり

×104

図6 グリース潤滑性能試験結果
Temperature rise test results (grease lubrication)-44-

ULTAGE 超高速・長寿命複列円筒ころ軸受

分がほとんど見られなかったため使用限界と判断し

5. 軸受構成

た．一方，開発品は2000時間運転後の保持器グリー
スポケットにグリース残存が確認され，さらに継続運

本開発軸受仕様は，NN3013〜NN3026（内径転が可能な状態であった．（写真1）

φ65〜φ130）に適用する．

現在，開発軸受の耐久性能を確認するため，
8000min−1（dmn値100万）での耐久評価試験を継6. まとめ続している．（図7）

今回開発したULTAGE複列円筒ころ軸受NN30xx
HSRT6タイプは，エアオイル潤滑及びグリース潤滑
での高速・長寿命化を達成し，旋盤主軸の高機能，高効率化に貢献できるものと考える．今後市場ニーズが増えていく高速，高剛性主軸の開発を可能にする商品であると考える．

グリースポケット
写真1 グリース残存状況（2000h運転試験後）
Grease remaining in the reservoirs after 2000(h)running test

No.1

継続試験中

No.2

継続試験中

従来品

開発品 HSRT6タイプ（PEEK保持器）
従来品 樹脂保持器（PA66）

0

2,000

4,000

連続運転時間6,000《試験条件》[開発品 HSRT6タイプ（PEEK保持器）][従来品 樹脂保持器（PA66）]¡軸受サイズ: NN3020K（φ100×φ150×37）¡回転速度: 8,000min-1（dmn=100万）¡組込み後すきま : −5μm
¡グリース
: MP-1
¡外筒冷却
: あり

8,000

h

図7 グリース潤滑耐久試験結果
Endurance test results
執筆者近影

山本

直太

産機商品本部
産機技術部

水谷

守

産機商品本部
産機技術部-45-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）[ 製品紹介 ]高速サーボモータ用 次世代型深溝玉軸受
Next generation deep groove ball bearing for high speed servo motor

片桐力*

Chikara KATAGIRI

内 藤 健一郎
Kenichiro NAITO

サーボモータは工作機械とロボット用途を中心に発展し，
最近では半導体・電子部品関連の製造装置，さらには一般
産業用機器の分野でも幅広く使用されている.使用装置の高性能，高機能化にはサーボモータの高速化，高精度化が不可欠であり，近年益々サーボモータの性能向上への要求が高まっている.
今般，工作機主軸用ACサーボモータをメインターゲット
として，dmn値=95万（dm：転動体ピッチ円径 mm，n：
回転速度 min-1）の高速回転を実現した『高速サーボモー
タ用 次世代型深溝玉軸受』を開発した.本稿ではその開発
軸受の概要を紹介する.
In the past, servo motors have been developed by focusing mainly on machine tool and robot use. Recently, servo motors
are being more widely used in general industrial apparatus and in manufacturing equipment for products such as
semiconductors or electronic parts.
Due of the growth of these applications in recent years, demand has increased for high-speed servo motors with highaccuracy. High-speed angular contact ball bearings are typically used in these servo motors. Since they are easier to handle
than angular contact ball bearings, the demand for deep groove ball bearings has also increased for high-speed applications.
Because of this increased demand, NTN has developed the “Next Generation Deep Groove Ball Bearing for High-speed
Servo Motor” that can be used in applications with dmn ≤ 950,000 (dm = ball pitch circle diameter, n = speed). In the past,
only angular contact ball bearings could be used at this high dmn value. This new bearing also has a longer life than theprevious deep groove ball bearing used in a servo motor application.
This report introduces the characteristics, including several test results, of NTN’s new design named the “Next Generation
Deep Groove Ball Bearing for High-speed Servo Motor.”

1. はじめに

2. 軸受構造

近年，工作機は高速化，高効率化，高精度化，コン

一般にモータ用の軸受には，密封形グリース封入タ

パクト化が進んでおり，主軸用サーボモータの高速化，

イプの深溝玉軸受が使用されている．その中で高速回高剛性化，長寿命化，高出力化や小型化の要求が極め転で使用されるモータ用軸受においてはボールを保持て厳しい．これらサーボモータの技術動向に対応するする保持器に大きな遠心力が作用するため，通常は剛為，軸受には高速化に伴う高 dmn値化対応の要求が強性の高い金属板から成る波型保持器が採用される．

く，従来はアンギュラ玉軸受が主に使われていた運転

しかし，金属板波型保持器はボールに対する保持器領域において，低コストで取り扱いが容易な深溝玉軸の衝突により，比較的大きな衝突音（保持器音）が発受での対応が求められている．

生する場合がある．

このような状況の中，NTNでは｢高速化｣，｢長寿命そこで近年，製作が容易で軽量，かつ自己潤滑性を化｣を実現した『高速サーボモータ用 次世代型深溝玉有する合成樹脂製の保持器が採用されるケースが多く軸受』を開発した．

なってきている．但し，合成樹脂製冠型保持器の場合，高速回転域においては遠心力による変形が発生し，保

本稿ではその開発軸受の概要を紹介する．
*産機商品本部 産機技術部-46-

高速サーボモータ用 次世代型深溝玉軸受

持器と他部品との干渉による軸受温度の上昇，回転ト

開発保持器は，金属板波型保持器の構造をヒントにルクの上昇という問題がある．

同一形状の2枚の樹脂成形された波型環状体を結合す今回開発した深溝玉軸受では，合成樹脂製冠型保持ることにより構成される（写真2参照）．

器における上記の問題点を解決することにより｢高速開発保持器は従来の冠型保持器と比較して開口部が化｣を図り，同時に封入グリースの耐久性向上によりないためポケット部の剛性が向上し，高速回転による｢長寿命化｣を図った．

遠心力が作用した場合の変形量を大幅に抑制することができる．

（１）開発保持器【開発保持器の特長】
1 高速化対応
2 潤滑改善3 生産性向上設計
1 高速化対応
従来の合成樹脂製冠型保持器（写真1参照）の場合，片側が開口している形状のため高速回転時に開口側爪部が遠心力により広がり変形が発生し（図1参照），

写真2 合成樹脂製開発保持器
Synthetic resin new design cage

ボールなどの他部品と干渉することによる軸受温度の上昇，回転トルクの上昇という問題があった．

【開発保持器の遠心力による変形FEM解析】
解析条件を表1に示す．
表1 FEM解析条件
Condition of FEM analysis
品名

6308
-1

写真1 合成樹脂製冠型保持器
Synthetic resin crown type cage

内輪回転数，min

15,000 (dn値=60万，dmn値=95万)

雰囲気温度，℃

60

材 質

PA66＋GF25％

密 度

1.32

材料の縦弾性係数，MPa

2200

材料の線膨張係数，/k7×10-5※ d：軸受内径mm，dm：転動体ピッチ円径 mm，n：回転速度min-1
外径側変形大【FEM解析結果】
解析はポケットおよび接合部１箇所について行った．保持器には高速運転による遠心力のみが作用する

内径側

ものとして計算している．

遠心力による変形後保持器変形の解析結果例を図2に示す．全体的に径変形前方向へ膨張しており，接合部すきま（組込み性を考慮

変形小し径方向に設定）の影響により接合部の変形が最も大部：計算上のボールとの干渉部位

きくなっているが，ポケット部の変形は抑制されてお図1

合成樹脂製冠型保持器の遠心力による変形FEM解析結果例
Example of FEM analysis under centrifugal force withsynthetic resin crown type cage

り，計算上，保持器と他部品との干渉は発生しないことを確認した．
-47-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

変位大

変位小

図2 合成樹脂製開発保持器の遠心力による変形FEM解析結果例（径方向変位）
Example of FEM analysis under centrifugal force with synthetic resin new design cage (displacement of radial direction)

3 生産性向上設計

2 潤滑改善開発保持器は，ポケット内にグリース溜まり（写真金属板波型保持器の場合，結合は鋲を加締める方法

3参照）を設けることにより，ポケット内の潤滑条件（図3参照）が一般的であるが，合成樹脂製開発保持が改善され，軸受寿命の向上，さらに軸受運転時の静器では2枚の波型環状体の結合爪部を互いに押し込む

粛性向上にも寄与している．

だけで容易に接合することが可能であり，組立て工数が削減できる．
また，結合部の形状を工夫することにより，2枚の波型環状体は全く同一形状であり，基本的に成形金型は1つで対応可能である（図4参照）．

鋲

写真3 グリースポケット
Grease groove
結合前

結合後

図3 金属板波型保持器結合部 断面形状
Cross section of pressed steel cage

結合前

結合後

図4 合成樹脂製開発保持器 結合部断面形状
Cross section of synthetic resin new design cage-48-

高速サーボモータ用 次世代型深溝玉軸受（2）開発長寿命グリース｢ME-1｣

3. 機能確認試験の結果（詳細は論文「高速長寿命グリースの開発」
本誌20ページ参照）（1）高速性グリースの長寿命化を図るため，酸化安定性を重視

高速性能を評価する目的で温度上昇試験を実施しした基油，および酸化劣化を最大限抑制することがでた．

きる酸化防止剤を選定することにより，従来 NTN 製

1 軸受仕様：表3参照

モータ用標準グリース（MP-1）の約2倍の長寿命性を達成した新長寿命グリース｢ME-1｣を開発，『高速表3 試験軸受
Test bearing

サーボモータ用 次世代型深溝玉軸受』に標準採用した．

軸受

封入グリース

封入量シール

1 ME-1グリースの組成と性状

合成樹脂製 開発グリース
6308（ME-1）
冠型保持器

静止空間
の80%

非接触型ゴムシール

同上

同上

ME-1グリースは増ちょう剤にウレア化合物，基油

同上に特殊エステル油とPAOの混合油を使用している．

保持器

合成樹脂製

同上

開発保持器

基油の酸化劣化を抑制するため，適切な酸化防止剤を※合成樹脂：PA66+GF25%

添加しており，長寿命化を図っている．
ME-1グリースの組成と性状を表2に示す．

2 試験条件【最大回転速度】

表2 ME-1グリースの組成と性状
Typical properties of ME-1 grease

n=15,000min-1（dn値=60万，dmn値=95万）

ME-1

試験方法

ウレア

−

エステル／PAO−

基油粘度，mm2/s

60

JIS K2220.23

混和ちょう度，60W 25℃

250

JIS K2220. 7

250以上

JIS K2220. 8

増ちょう剤
基油

滴点，℃

【温

度】
室温

【試験機】
急加減速試験機（図6参照）

試験軸受1
熱電対

2 高温耐久性

熱電対開発グリース（ME-1）について高温耐久試験（ASTM D3336）を実施した．市販グリースとME-

モータ

1グリースの試験結果を図5に示す．

カップリング

ME-1グリースは市販グリースAと比較して5倍以
試験軸受2上，ウレアグリースの市販グリースB，MP-1と比較しても1.5〜2倍の耐久性がある．

焼き付き寿命（平均値） h【試験条件】
軸 受：6204
温 度：150℃

図6 急加減速試験機概略図
Sudden acceleration and sudden slowdown test machine

回転数：10,000min-1
荷 重：Fr=Fa=67N

8000

高温高速耐久試験
6000
4000
2000
0

A

B

MP-1

ME-1

図5 高温耐久試験結果
Endurance test result-49-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

3 試験結果（2）耐久性

図7に回転速度と軸受外輪温度上昇の関係を示す．

高温耐久性を評価する目的で，高温高速耐久試験を

温度の読み取りは安定時の値とし，温度上昇が実施した．

1 軸受仕様：表4参照

100℃を超えた時点で試験を中断した．
回転速度 n =12,000

min-1（dn値=45万，dmn値
表4 試験軸受
Test bearing=75万）までは合成樹脂製冠型保持器，合成樹脂製
開発保持器ともに大きな差は認められないが，
n=15,000min-1（dn値=60万，dmn値=95万）で，冠型保持器において異常な温度上昇が発生したため試

軸受

保持器

封入グリース 封入量

A 6209鉄板波型
保持器

従来グリース 静止空間 非接触型ゴムシール（MP-1） の80%

B 同上

合成樹脂製 開発グリース
開発保持器 （ME-1）

験を中断した．開発保持器ではグリースの抵抗によると考えられる温度上昇のみが認められ，異常な温度上

同上

シール

同上

※合成樹脂：PA66+GF25%

昇は認められなかった．
冠型保持器において発生した異常な温度上昇は，遠心力により保持器が変形したことで他の部品と干渉し2 試験条件たことによるものであることが試験終了後の軸受観察【回転速度】

結果，およびFEM解析結果から判明しており，開発

A：n=11,111min-1

保持器の高速性が確認された．

（dn値＝50万，dmn値＝70万）
B：n=13,333min-1

外輪温度上昇℃10080（dn値＝60万，dmn値＝85万）
開発保持器
冠型保持器

【軸受温度】
130℃（軸受外径部）
【試験機】

60

高温高速耐久試験機（図8参照）

40
20

試験軸受
0
3000

6000

9000

回転速度

12000

min-1

ヒータ

15000

［

dn =60万dmn =95万］

図7 温度上昇試験結果
Temperature rise test result
高速モータ

図8 高温高速耐久試験機概略図
High temperature and high speed endurance test
machine-50-

高速サーボモータ用 次世代型深溝玉軸受

3 試験結果4. まとめ

図9に保持器形式と試験時間の関係を示す．
合成樹脂製開発保持器＋開発グリース（ME-1）は，『高速サーボモータ用 次世代型深溝玉軸受』は合成

鉄板波型保持器＋従来グリース（MP-1）と比較して樹脂製開発保持器の採用により，従来設計では解決で更に高速回転条件であるにもかかわらず，3倍以上のきなかったdn値=60万運転時（dmn値=85万〜95万）

耐久性が確認できた．

の異常温度上昇を防止することが可能となり，かつ開開発グリース（ME-1）の優れた高温耐久性，およ発グリース｢ME-1｣を採用することにより長寿命化をび開発保持器の潤滑性改善の効果によるものと考え実現した．また，保持器形状の工夫により，組立て工る．

数および樹脂成形金型費用を抑制することで，従来タ
イプ（鉄板波型保持器，合成樹脂製冠型保持器）からのコストアップを最小限に止めた．

6000

試験時間

h

高温高速耐久試験

本軸受の開発により工作機主軸サーボモータの高速5000化，長寿命化に寄与することができたものと考える．

4000

今後も最先端の工作機用モータ分野の更なる高性能化

3000に貢献できる新規商品の開発に取り組んでいく．

2000
1000

開発保持器

鉄板波型保持器

図9 高温高速耐久試験結果
High temperature and high speed endurance test result

執筆者近影

片桐

力

産機商品本部
産機技術部

内藤

健一郎

産機商品本部
産機技術部-51-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）[ 製品紹介 ]カラーフィルタ用マルチリペア装置
Multi-Repair System for Color Filters

猿 田 正 弘 * Masahiro SARUTA
液晶カラーフィルタの製造工程で発生するさまざまな欠陥を，1台ですべて修正可能とするカラーフィルタ修正装置（商品名：マルチリ
ペア装置）を開発した．本装置は，従来から持っているレーザカット機能とインク塗布機能に，新たにレビュー機能，テープ研磨機能を加えたもので，タカノ（株）との共同開発により実現した．
1台の装置に集約することにより，修正品質の向上，修正時間の短縮，
装置コストの低減，設置面積の減少などなど大きな利点があり，多くのユーザから高い評価を得ている．本稿では，装置の概要とともに修正に使われる各種機能について説明する．

NTN has developed a color filter repair system (product name: Multi-Repair System) that is capable of repairing all of
the various production defects in liquid crystal color filters. This system was developed jointly with Takano Co., Ltd.
and offers new functions such as review and tape grinding in addition to traditional laser cut and ink pasting functions.
Integrating all of these functions into a single unit provides a great benefit in terms of improved repair quality, reduced
repair time and equipment cost, and smaller machine footpoint. It has already received acceptance by many users.
This paper outlines the system and explains the available functions.

門において，この1年間の最優秀装置に与えられる

1. まえがき

ADY（Advanced Display of the Year）グランプ
リを受賞している．

NTN はこれまで液晶カラーフィルタの欠陥部分に

以下に装置の持つ各種機能や機能集約の利点などに

カラーインクを塗布する装置（本誌｢6世代・7世代サ

ついて述べる．

イズ対応カラーフィルタ修正装置｣参照）を開発し，多くの納入実績を残してきたが，今回新たにタカノ株
式会社との共同開発により，欠陥を研磨修正する機能を付加したマルチリペア装置を商品化し，販売を開始した．
カラーフィルタ製造工程で発生する欠陥は，大きく分類すると異物突起欠陥，黒欠陥，白抜け欠陥があり，
従来はそれぞれの欠陥修正に適した別々の装置を使用

NTN株式会社

タカノ株式会社

塗布修正分野でナンバーワン

検査装置分野でナンバーワンレーザカット
修正技術していた．マルチリペア装置は，これら修正機能を１台の装置に集約した業界唯一の装置で，大型化が進む

インク塗布
許技術
修正技術 特カラーフィルタの生産性向上，品質向上，設置面積の

術
特許技

テープ研磨
修正技術
欠陥部高さ
測定技術

減少などに貢献できる．

あらゆる欠陥を修正可能なマルチ修正装置

本装置はこの設計コンセプトや実績が評価され，2004年フラットパネルディスプレイ展の検査装置部**精機商品事業部

プロダクトエンジニアリング部-52-

カラーフィルタ用マルチリペア装置

欠陥観察を容易にするため，ガラス基板のチャック

2. マルチリペア装置の概要

面には大型ガラス定盤を採用しており，透過照明，装置の外観を写真1に示す．最大第7世代までのガ

落射照明の双方が使用できるようにしている．透過

ラス基板（1870×2200ｍｍ）に対応可能であり，照明による観察では，定盤上の加工部の影響により(1)欠陥を観察するレビュー機能

照度が不均一になる場合があり，このような部分で(2)異物突起欠陥を修正するテープ研磨機能

は，基板をオフセットする機能を設けて死角のない(3)黒欠陥や異物をレーザにて加工するレーザカット

画像を得ている．
また形状測定では，突起高さ測定用として接触式

機能

高さセンサを使用しているほか，欠陥の寸法測定な(4)白抜け欠陥やレーザ加工部にインクを充填するインク塗布機能ど必要に応じて種々の検査ができる機能を備えていなど修正に必要な各種機能を搭載している．

る．

(2)テープ研磨機能
テープ研磨ユニットの外観を写真2に示す．
研磨ユニットは，研磨ヘッド，テープ駆動機構および2個の高さ測定センサなどから構成され，適切な砥粒を持つテープを移動させることにより異物突起の研磨を行う．
研磨ヘッドの加圧力は任意に設定できるようになっているため，異なる材質に対しても最適な条件で加工できる．また，研磨ヘッドには高さを検知できる変位センサを付加しているため，研磨量を時間のみでなく高さで制御できることも特徴の一つである．
写真1 マルチリペア装置外観
Multi-repair system for color filters

2個の高さ測定センサーの内1個は，触針先端を走査できる機能があり，突起欠陥近傍の二点間を指欠陥修正プロセスは以下のようになる．まず，欠陥定することにより高さを測定できる．

データ情報が，サーバあるいは検査装置から本機ホス

またもう1つの高さセンサは，前記高さセンサとトコンピュータに送信されてくる．欠陥データには，

組み合わせてガラス基板の傾斜を検出する．これら

欠陥の種類や欠陥の位置が含まれており，これを基にの測定を基に両者の中間にある研磨ヘッド高さを数修正作業を行う．基板のアライメントマークを認識し値制御して，精度の高い修正を行う．

てXY平面内での傾きを算出し，上記欠陥位置を座標変換して正確にモニタ画面内に入れるまでは自動的にテープリール

行い，修正方法の決定や修正領域の指定をオペレータ
がマニュアル指令する．さまざまな状況に対応できる
よう豊富なソフトを用意しているのも本機の特徴である．

(1)レビュー機能
ホストコンピュータに送信された欠陥データはモ
ニタ上に表示され，これら欠陥をオペレータが任意研磨ヘッドに選択することにより自動的に欠陥をレビューでき

高さ測定センサる状態となる．
写真2 テープ研磨機構
Tape grinding unit

レビュー工程では欠陥の観察および欠陥の形状測定を主に実施する．
-53-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

その構造を図2に示す．塗布針は，位置決めアク(3)レーザカット機能
カラーフィルタ修正に最も一般的に使用されるレチュエータにスライド部を介して取り付けられておーザは，EOQ（Electro Optic Q）スイッチ付き

り，インデックス円板上に配置された容器中のペー

YAG（Yttrium Aluminum Garnet）レーザである．

ストを先端に付着させた後，基板上の欠陥部に接触

波長は第2高調波の532nmを基本とし，必要に応させてペーストを転写する．針径は，修正すべきパ

じてさらに高調波レーザを搭載することもある．

ターンの幅寸法により任意に設定できるが，通常は図1に示したレーザ光学系は，加工スリット形状

φ30〜φ70μｍ程度を選ぶことが多い．欠陥部がをカラーフィルタ上に合焦させる結像光学系となっ長い場合には，塗布径よりも小さいピッチで塗布をており，加工形状を決めるスリット機構，レーザ出繰り返し，連続パターンとしていく．

力を適切な値に調整するパワーコントロール機構，

カラーフィルタ修正には最大4色の異なるレジス

対物レンズを選択するレボルバ機構などから成る．

ト(インク)を用いて修正する．ペースト交換とともカラーフィルタの画素形状は単なる矩形形状ではに針先の洗浄が必要となる場合に備えて，洗浄剤をなく，一部が異形となっている場合，あるいは全体攪拌して針を洗浄する機構や洗浄後の針をエアにてが傾斜している場合などがあるため，スリット機構

パージする機構も設けている．

全体を回転させるθスリット機構を搭載することも多い．
これらスリット形状，角度の決定やレーザパワー

位置決めアクチュエータ

設定，対物レンズ選択などは，GUI（Graphical
User Interface）画面あるいは操作パネルから任意に選定できるようになっている．

インデックス円板
インク容器

YAGレーザヘッド
電動パワーコントロール

エアパージ部

インク塗布針
針洗浄部

Zステージ
電動スリットコントロール（θ機構付：±45°）

電動レボルバ

図2 インク塗布機構
Pasting needle unit

落射照明

超長作動型
対物レンズ

写真3に，カラーフィルタ上に存在する異物をレーザ除去した後，インク塗布機構を用いて色付けしガラス定盤た例を示す．
この例では欠陥が小さく，またR（赤）部のみに

図1 レーザ光学系
Optical unit with YAG laser

欠陥が存在するためレーザ加工と1色のみの塗布修
正であるが，面積が大きくなると，テープ研磨やRGB各色の塗布など複数の工程を要する．

(4)インク塗布機能
塗布針によるインク塗布機構は，本装置のさらなる特徴の1つである．インクを塗布する方式として，塗布針方式，ディスペンサ方式，インクジェット方式などが考えられるが，塗布針方式を採用した理由
異物は，微細な径の塗布が可能なこと，ペーストの目詰
まり問題が無いこと，客先の使用しているさまざま

レーザで
異物を除去

カラーインクを塗布

写真3 インク塗布による修正例
Example of defect repair process

なペーストに対応可能なことなどによる．

-54-カラーフィルタ用マルチリペア装置

2. 1台に集約する利点

3. まとめ研磨，レーザ加工，インク塗布の三つのプロセスを大型TV向けLCDの需要の急拡大に伴い，カラーフ

複合したことによる利点は，あらゆる欠陥修正が1台

ィルタのさまざまな欠陥を高品位に修正できる装置へで可能であることはいうまでもないが，修正品質向上の要求が高まっているなか，今回商品化したマルチリが図れることも大きな利点である．例えばレーザを多ペア装置はこれらの要求に充分対応できる装置と考え数回照射することにより基板へのダメージが心配されている．

る場合には，テープ研磨の後，弱いパワーでのレーザ

また，本稿ではメカ機構を中心に概説したが，CIM加工が可能となる．さらにその後の色付けにもレーザ（Computer Integrated Manufacturing）やGUI

照射痕の影響が小さいため良好な色度での修正ができ（Graphical User Interface）などソフト面でも充実る．

しておりインライン機としての実績も増してきてい修正時間の短縮も大きな利点である．従来複数台をる．今後はさらに大型化が進むとともに，修正タクト

用いて修正していた場合の装置間搬送時間や，装置内の短縮や省人化対策などの効率的な修正要求が高まる

でのガラス基板のアライメント，位置決めなど共通しと思われるため，今以上に生産性向上に寄与できる装て実施していた時間が削除されるため，大幅な時間短置としていきたい．

縮が可能となっている．また，ガラス定盤など装置構成部品の共有化によるトータル装置コストの低減，さらには設置面積の削減による効果も大きい．

［参考文献］
1）猿田： Semiconductor FPD World
2）佐藤： Semiconductor FPD World

執筆者近影

猿田

正弘

精機商品事業部
プロダクトエンジニアリング部-55-

2004.7
2004.5NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）[ 製品紹介 ]第6世代・7世代サイズ対応カラーフィルタ修正装置
Repair system for the 6th and 7th generation LCD color filters

山 中 昭 浩 * Akihiro YAMANAKA
松 島 昌 良 * Akira MATSUSHIMANTNカラーフィルタ修正装置は，液晶ディスプレイ（LCD）の主要構成部材であるカラーフィルタ（CF）の欠陥修正を行なう装置である．
この装置の最大の特徴は，CFの欠陥，特に白欠陥と呼ばれる色が抜けてしまった欠陥部にインクを塗布して修正することが可能なことである．
液晶CFの欠陥修正では，欠陥修正前後の状態確認に透過照明観察機構が必須とされる．一方，LCDの画面サイズの大型化に伴い，生産に使用されるマザー
ガラスのサイズも急速に大型化してきている．これに伴い，修正装置も大型化
し，従来の透過照明観察機構の方式では，近い将来構造上の問題が生じることが考えられる．
本稿では，NTNで新たに開発した大型基板（第6・7世代サイズ）対応，反射式
透過照明機構について詳細に説明する．

The NTN color filter repair system fixes defects in color filters which are primary components of liquid crystal
displays.
The most important feature of this system is the ability to apply ink to a white spot on the color filter, commonlyreferred to as a "white defect".
The repair process of the liquid crystal color filter involves a backlight observation mechanism to verify the conditions
before and after the repair.
Today, LCD screens are becoming larger, and consequently the size of the glass that is used in the production is
also increasing. Naturally, the repair system must also be larger. This growth in size may pose a structural problem
for the traditional backlight observation mechanism in the near future.
This paper details a reflective type backlight mechanism that NTN has recently developed for large-size substrates(the 6th and 7th generation sizes).

1. まえがきテレビの主流が従来のCRT（陰極線管，テレビ受

FPDの生産で使用するマザーガラス基板サイズは，像機）からLCD（液晶ディスプレイ）やPDP（プラ第6世代（1500×1850ｍｍ），第7世代（1870×

ズマディスプレイパネル）に代表されるFPD（フラ2200ｍｍ）と急速に大型化してきており，それに伴ットパネルディスプレイ）に置き換わりつつある．こいパターン修正装置のサイズ，構成も大きく変化してれに伴って，FPDの国内出荷台数は，2006年にはきている．
本稿では，LCDのCF（カラーフィルタ）修正を例

CRTの出荷台数を上回ると予想されている．

にとり，新たに開発した，大型基板に対応可能な透過NTNでは，十数年前より，これらFPDの生産工程

照明機構について述べる．

で発生する欠陥を修正するパターン修正装置を開発，販売している．近年は，FPDの大型化，高精細化に伴い，修正工程が製造工程の一部として広く認められるようになり，現在までに多くの実績，経験を積んできた．

**精機商品事業部

プロダクトエンジニアリング部-56-

第6・7世代サイズ対応カラーフィルタ修正装置

白欠陥は，画素部の色が抜けた欠陥であり，同色の

2. LCDのCF修正装置における透過照明機構

インクを塗布することで修正を行なう．

LCDは，図1に示したように，TFT基板とCF基板陥であり，レーザにて欠陥部をカットし，その後，同

黒欠陥は，画素部の色の混色，ゴミ等が付着した欠色のインクを塗布することで修正を行なう．

を張り合わせ，基板間をスペーサボールで支持し，その隙間に液晶が注入された構造で，裏面にバックライ

2. 1. CF修正装置構成の変化

トが配置されている．CFはガラス基板上に，R（赤），前述したように，FPDの大型化は目覚しく，それG（緑），B（青）の画素をストライプ状，あるいはマに伴い修正装置のサイズ，構成も大きく変化してきてトリクス状に並べた構造である．

いる．その主な目的は，クリーンルーム内における装置設置面積の抑制にある．

目
偏光板

カラーフィルタ
（CF）層

スペーサ

図3は修正装置の装置構成の変化を示している．

共通電極
（ITO）

CF基板（ガラス）
シール

シール
補正ヘッド

TFT基板（ガラス）

ガラス基板

偏光板 液晶層 TFT

画素電極
Y軸

光

X軸

バックライト

図1 LCD構造図
LCD structureａ．第3世代以前
The 3rd and previous generations

CFは，液晶によりON／OFFされた光に色情報を付
X軸加するための構成部品で，CFを通った光はその通っ
補正ヘッド

た画素の色情報を持つことになる．このCFによる色

ガラス基板

情報の付加によりLCDはカラー画像表示を実現してY軸いる．
このように，CFは，光を透過させて機能する構成部品であり，CF修正装置においても，修正後の修正
品位の確認には，透過照明機構が必須である．
CF修正装置は，図2に模式的に示したようなCFパ

ｂ．第4，5世代
The 4th and 5th generation

ネルの欠陥を修正するための装置である．

Y軸
補正ヘッド

X軸

ガラス基板

黒欠陥
白欠陥

ｃ．第6世代以降
The 6th and following generations

図3 液晶基板サイズの世代交代に伴う修正装置構成の変化
Transition in construction of repair systems
related to generation change of LCD substrate

図2 CF基板の欠陥
Defects in a CF panel-57-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

第3世代サイズ以下では，基板をXYテーブルに載Y軸

X軸

せて水平方向に移動させ，修正ヘッドは移動しない方法がとられていたが，第4・5世代サイズでは，XYテーブルを分離し，基板を一軸方向に移動させ，修正ヘ

補正ヘッド

ッドをもう一軸方向に移動する構成が多くとられるよ

リニアガイドY軸うになった．

X軸

第6・7世代サイズでは，基板固定で，修正ヘッドがXY方向に移動するガントリー方式と呼ばれる構成

リニアガイドが主流となってきている．

透過照明
リニアガイドa. 透過照明ＸＹ移動方式
XY moving backlight system

2. 2 従来透過照明機構と課題
透過照明機構は，図4に示したように，CF基板の透過光観察のために，CF基板裏面から光を照射する機構で，そのため，CF基板を支持する定盤も透明体

X軸Y軸である必要がある．ほとんどの装置では，ガラス板が補正ヘッド用いられている．

リニアガイド
Y軸
透過照明
補正ヘッド

リニアガイドb. 透過照明1軸移動方式
Y moving backlight system

CF基板
ガラス板（定盤）

図5 従来透過照明機構
Conventional backlight mechanism

透過照明

図4 ガラス定盤
Glass plate

図5-a, ｂの構成では，透過照明光源がCF基板を搭載するガラス定盤の下を移動するため，ガラス定盤下にガラス定盤を支持するための部材を配置することが第6・7世代サイズ対応のガントリー方式では，修できない．すなわち，ガラス定盤をその周囲でしか支正ヘッドがXY方向に移動するため，透過照明機構も持することができない．

修正ヘッドと同期して移動させることが必要となり，

第6・7世代サイズと大型化する基板へ対応するた装置の構成が非常に複雑になってしまう．

めには，ガラス定盤サイズも大型化せざるを得ない．

図5は，従来のガントリー方式で採用されている透

この時，上記のように周囲でしか支持できない場合に

過照明機構を示したものである．

は，ガラス定盤の自重によるたわみや，装置運搬時の

図5-aは，透過照明を，修正ヘッドと同期させてＸ

衝撃による破壊等が問題となる．

Ｙ方向に移動させる方式で，構造，制御共に複雑にな

また，ガラス定盤には，修正対象であるCF基板をる．

固定するための機構が必要となる．現在は多くの装置

図5-ｂは，ライン状の透過照明を，修正ヘッドと同で真空吸着機構が用いられている．真空吸着するため期して1軸方向に移動させる方式で，構造および制御には，ガラス定盤に吸着用の溝加工，および穴加工を方法の簡便性から多くの装置で採用されている．制御

施し，ガラス定盤裏面に配管をする必要がある．このという点では，特に追加制御機構を必要としない．し吸着用の穴と，配管が透過照明に影響を及ぼす．

かし，第6・7世代サイズ対応と大型化する装置の透修正装置にCF基板を搭載する場合，搬送装置によ過照明機構としては，装置構成上の課題が多い．

ってCF基板が搬送されて修正装置に搭載されるが，-58-

第6・7世代サイズ対応カラーフィルタ修正装置

現在ではロボットによって搬送されてくる場合がほと

3. 新透過照明機構

んどである．修正装置には，ロボットによって搬送されてきたCF基板を受け取るためのリフトアップ機構

従来のように，修正ヘッド下面から光照射するのでが必要となる．

はなく，修正ヘッド側から光照射することで，透過照リフトアップ機構は，図6に示したような構成が多明観察が可能な透過照明機構を開発した．この構成にく採用されている．このリフトアップ機構では，昇降よれば，透過照明光源をガラス定盤の下側で移動させ機構によりリフターピンを上昇させた状態でロボットる必要はなく，ガラス定盤の裏面をほぼ全面で支持すから基板を受け取った後，リフターピンを下降させてることができる．

基板をガラス定盤上に搭載する．
図6に示したように，ガラス定盤には，リフターピ

3. 1 反射式透過照明方式概要

ンを通すための穴をあける必要がある．このリフター

本方式の透過照明機構である，反射式透過照明機構

ピン穴が透過照明に影響を及ぼす．

の概念図を図7に示す．

これらが，現状透過照明機構の課題であり，中でも反射式透過照明機構では，修正ヘッドの対物レンズ

ガラス定盤強度が一番の課題である．

側にリング照明を設け，CF基板の光透過性を利用し，観察部の周囲から透過照明用の光照射を行ない，ガラ
ス定盤の裏面に設けたミラー面で反射した光をCF基

ロボットハンド

CF基板

板の裏側から入射させることで，透過照明観察を実現

リフターピン

している．
ガラス定盤

本方式により透過照明観察を実現する上での課題と昇降解決方法について説明する．

駆動モータ

対物レンズ

図6 リフトアップ機構
Lift mechanism

リング照明
集光レンズ
CF基板
入射光
ガラス定盤
反射光
ミラー加工

図7 反射式透過照明機構
Reflective type backlight mechanism

1反射光量確保¡光照射角度
リング照明の配置には対物レンズとの干渉で制約があり，CF基板への光入射角度は30°とした．
また，リング照明から出射した光は，約30度程度の広がり角をもっているため，出射部にリングレンズを設け，集光性を上げて照射することで，リング照明からの光を有効に活用し，反射光量アップを図った．
リング照明から出射された広がり角のある光は，そのままでは観察位置にも照射されてしまい，純-59-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

粋な透過照明観察画像を得ることができない．リ
ングレンズによる集光は，それを防止する働きもある．
¡ガラス定盤厚さtt

リング照明から入射角30度で入射した光をミラー面で反射させ，観察位置の裏面に入射させるた

φD

レーザー光

φD

レーザー光

めには，ある程度のガラス定盤厚さが必要となる．
（a）

ガラス定盤厚さが薄いと，図8(a)に示したように，（b）

図9 ガラス定盤厚さの影響−2（カット用レーザによるミラー損傷）
Influence of glass plate thickness - 2(Damage on mirror by cutting laser)

反射してきた光が観察位置裏面に届かず，透過照
明観察画像を得ることはできない．
テストの結果，ガラス定盤の厚さがｔ＝15ｍｍ以上あれば，図8(b)に示したように，観察位置裏
面にミラー面から反射した光を入射させることが3落射照明観察との分離可能で，従来の透過照明機構と比較しても遜色の反射式透過照明による光照射は，リングレンズの効ない透過照明観察が可能であることがわかった．

果で，観察位置には入射しないため，落射照明観察画
像に影響することはない．これとは逆に，落射照明観
察時に対物レンズ内より出射された落射光がガラス定盤裏面ミラーにより反射されて，落射照明観察画像に影響する可能性が考えられる．
図10(ａ)に示したように，ガラス定盤厚さｔが薄いと，ミラー面で反射して，観察位置に裏面から入射

t

t
（a）

する光の径φDが小さく，光量密度が高いため，落射
照明観察画像に反射した光による透過光の影響がでる（b）

ことになる．

図8 ガラス定盤厚さの影響−1（透過照明光量）
Influence of glass plate thickness - 1(Backlight intensity)

テストの結果，ガラス定盤厚さがｔ＝5ｍｍ以上あれば，図10(b)に示したように，ミラー面で反射して，観察位置裏面に入射する光の径φDが大きくなり，光2レーザカットによる影響対策

量密度が下がるため，裏面ミラーによる反射により落
射照明観察画像に影響を及ぼさないことがわかった．

前述したように，CFの黒欠陥は，レーザカットを行ない，その後，インク塗布することで修正が行なわれる．
このレーザカット時に，ガラス定盤裏面のミラーも一緒にカットされてしまう可能性がある．
図9(ａ)に示したように，ガラス定盤厚さｔが薄い

落射光

反射光

りダメージを受け易くなる．

φD

t

落射光

パワー密度が高くなるため，ミラー面がレーザ光によtとミラー面でのレーザ光集光径φDが小さく，レーザ

φD

反射光

テストの結果，ガラス定盤厚さがｔ＝12ｍｍ以上（a）あれば，図9(b)に示したように，ミラー面でのレー（b）

図10 ガラス定盤厚さの影響−3（落射照明の反射光）
Influence of glass plate thickness - 3(Reflection of incident light)

ザ光集光形φDが大きくなり，レーザパワー密度も下がり，レーザカット時にミラー面がダメージを受けな
いことがわかった．

-60-

第6・7世代サイズ対応カラーフィルタ修正装置

4リフターピン穴部対策

6静電気対策

ガラス定盤にはCF基板を装置内に搬入・排出する

静電気は，ガラス定盤とCF基板の接触剥離によりためのリフターピンの通る穴を明ける必要がある．こ発生し，どの透過照明方式にも共通の課題で，今回，の穴は貫通穴であり，裏面にミラー加工を施すことがこの静電気対策も含めて検討を行った．

できない．よって，反射光を確保できずリフターピン

静電気は，前述したようにガラス定盤とCF基板と穴部は透過照明観察画像を得ることができない．

の接触剥離により発生するものであり，この接触面積

図11に示したように，リフターピン内部に照明用を小さくすることで発生量を少なくすることを考え，

光ファイバを組み込むことで対策を行った．これによ

図13に示した特殊加工をガラス定盤表面に行った．

り，リフターピン穴部も通常部分と同様に透過照明観察が可能となった．

照明光

CF基板
リフターピン

リフターピン穴

特殊加工

ファイバー照明

ガラス定盤

図11 リフターピン穴部の照明Lighting of lifter pin holes

図13 ガラス定盤表面特殊加工
Glass plate surface special processing

5真空吸着穴部対策
ガラス定盤には，CF基板を固定するための真空吸

特殊加工は，ガラス定盤表面に微小な凹凸を設ける

着用の穴を開ける必要がある．この穴もリフターピン

もので，この特殊加工により，ガラス定盤とCF基板穴同様貫通穴であり，裏面にミラー加工を施すことがの接触面積が減り，静電気の発生も通常のガラス面にできない．しかし穴径が小さければ，図12に示した

比べ減少することが確認できた．また，裏面ミラーでように，周囲のミラー面から反射した光により透過照反射しCF基板裏面から入射する光が，特殊加工の微明観察が可能であることを確認した．

小凹凸面で散乱することにより，透過照明観察画像の

真空吸着穴中心における反射照明は，穴壁面で一度明度が上昇するという効果もあることがわかった．

屈折するため，穴のない通常面とは透過照明観察画像の見え方が若干異なる．この点については，リング照明のCF基板面からの高さを最適化することで，差を少なくした．

吸着穴

図12 吸着穴部の照明Lighting of vacuum holes-61-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

7タクト対策

写真1に，反射式透過照明機構を用いて，透過照明
観察した画像を示す．

修正装置において修正タクトは重要な項目である．

従来の透過照明機構での観察画像と比較して遜色のこれまで説明してきた反射式透過照明機構では，照ない観察が可能である．

明光源としてリング照明方式について説明したが，リング照明の場合，以下の問題がある．
現状ほとんどの装置で，対物レンズを複数本搭載し，回転動作によりレンズ交換を行なうレボルバ機構が採用されており，対物レンズが交換時に回転するため，
リング照明を待避させる必要がある．この待避時間分
タクトが長くなる．それが例え数秒であったとしても，
タクトタイムの追加は許されない．
そこで，対物レンズ交換時にリング照明を待避させずに，且つ透過照明観察においても十分な照明光量が確保可能な照明配置を検討した．
その結果，レボルバ回転時の対物レンズとの干渉を避けて，リング照明を分割した円弧型照明を複数個配

写真1 反射式透過照明観察画像
Image of CF pattern with reflective type backlight

置することで実現可能であることがわかった．

8第6・7世代サイズ対応
反射式透過照明方式は，従来透過照明方式と違い，ガラス定盤下にガラス定盤を支持する機構を配置することが可能であり，大型化に伴う構造上の問題はない．
上記すべての項目を考慮し，反射式透過照明機構は，
表1に示した仕様とした．

表1．反射式透過照明機構仕様
Reflective type backlight mechanism specifications
ガラス定盤サイズ

第6世代

1540×1890 mm

第7世代

1910×2240 mm

ガラス定盤厚みt=19 mm

反射照明とCF基板間隔

W.D.=18 mm

ガラス定盤表面加工

特殊加工

ガラス定盤裏面加工

ミラー加工

反射照明

分割式円弧照明-62-

第6・7世代サイズ対応カラーフィルタ修正装置

4. まとめCF修正装置の新たな透過照明機構について紹介した．
今回は第6・7世代サイズ対応ということで紹介したが，フラットパネルメーカでは，さらに大型のマザーガラス基板構想がされている．
前述したように，CF修正には透過照明機構が必須であり，従来方式の透過照明機構では，さらに大型化するガラス基板に対して，構造上の問題が生じることは確実と思われる．
本稿で紹介した反射式透過照明機構は，大型化について構造上の問題はなく，弊社CF修正装置の新たな特徴の一つである．
今回は，透過照明機構についてのみ説明したが，ガラス基板の急速な大型化に伴い，装置メーカとしての課題は多い．
今後も，これら課題を解決する要素開発を行い，完成度の高い商品としていきたい．

執筆者近影

山中

昭浩

精機商品事業部
プロダクトエンジニアリング部

松島

昌良

精機商品事業部
プロダクトエンジニアリング部-63-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）[ 製品紹介 ]PDPリブ欠陥修正装置
PDP Rib Repair System

山崎
静* Shizuka YAMAZAKI
矢 田 雄 司* Yuji YADA
近年急激な市場増加が期待されているPDPは，製造中、リブに欠陥が生じる場合があり，リブに欠陥があると，混色等の画質低下を生じるため，リブ欠陥を修理出来る装置が要望されている。
上記ニーズに対応するため，NTNでは，従来の修正装置を発展させて，リブ欠陥部を修正する装置を開発した｡
本装置は､非接触変位計で修正部分の形状を測定しつつペーストを塗布・焼成し，リブトップは機械加工で仕上げ，側面はレーザ
カットやスクラッチで余分なペーストを除去する｡

In recent years, PDP is expected to rapidly penetrate into the market. However, rib defects occasionally occur during
the manufacture of PDP substrates. If the substrate has a rib defect, the image quality of the PDP is poor. Therefore,
equipment that can repair this rib defect is in demand. To meet this demand, NTN has added various functions to
NTN’s conventional repair equipment and developed a rib repair device.
This device makes repairs by repeatedly applying on paste the defective portion, baking it, and measuring the shapeof the repaired portion with a non-contact displacement gauge. After filling the defective portion with paste, the uppersurface of the rib is finished by machining. Surplus paste is removed from the side surfaces with a cutting laser andscratch needle.
This paper provides an outline of this equipment.

1. まえがき
近年PDP（Plasma Display Panel）は，大型化，

しかし最近､PDPの生産増加に伴い，これらリブ欠

画質向上，コストダウン等が進み，2002年に日本で陥の基板廃却に伴う損失や，生産性及び品質向上の必民生市場が立ち上がり，次は欧州市場，米国市場での要性，廃却に伴う環境問題等が生じ，リブ欠陥を修正

立ち上がりが予想されている．プラズマテレビは薄できる装置が求められるようになってきた．

型・大型画面テレビの本命といわれ，30型以上のデNTN では，上記要求に対応すべく，従来から有しィスプレイ市場での需要の拡大が期待されている．

ていたペーストの塗布技術やレーザによるカット技術

PDPの背面ガラス基板にはリブ(隔壁)が設けられてを発展させ，これにレーザ焼成や機械加工及び形状測

おり，基板の製造過程において，ごみ・異物の付着や定機能等を付加したリブ欠陥修正装置を開発した．本

気泡の巻き込み等により，リブの一部に欠損や突起の稿では，この装置の概要について紹介する．

欠陥が生じる場合がある．PDPのリブに欠陥があると混色等画質の低下が生じるため，従来この欠陥が生じた基板は廃却，又は手直しで修理されていた．

**精機商品事業部

プロダクトエンジニアリング部-64-

PDPリブ欠陥修正装置

2. PDPの構造

3. 装置の概要
3. 1 本装置の構成

図1にリブを含む一般的なPDPの構造を示す．また欠陥のイメージを図2に示す．PDPの背面ガラス基板

写真1に装置の概観，図3に装置の構成を示す．

にはリブ（隔壁）が設けられ，リブのトップ面に対し本装置は，リブの欠損部に修正用ペーストを塗布・て前面ガラス基板を貼り合せてPDPが形成されてい焼成し，リブトップは機械加工によって仕上げ，リブ

る．リブの形状は，ストライプタイプや，ワッフルタ

側面はレーザカットやスクラッチ針により余分なペー

イプ，ミアンダタイプ等々があるが，ここではその内ストを除去し，欠陥部の修正を行う．

代表的なタイプとして，ストライプタイプを示してい欠陥データ情報は，サーバあるいは検査装置から本る．

機ホストコンピュータに送信され，このデータを基に修正作業が行われる．
前面ガラス基板

図3に示すように，装置のヘッド部には機械加工用

放電電極のエアスピンドル，レーザ変位計，焼成用レーザ，観誘電体層

察光学系，カット用レーザ，スクラッチユニット，及びペースト塗布ユニット等が設置されている．また図3では見えないが，スクラッチユニットの背後にはス

保護層
リブ
背面ガラス
基板
リブ

蛍光体

アドレス電極図1 PDPの構造
Structure of PDP
リブ（隔壁）

欠け欠陥
100〜150（μm）

40〜80（μm）

写真1 装置の外観
Rib repair system

図2 リブの欠陥
Rib defect
焼成用レーザ

Z軸
X軸

Z軸モータ

観察光学系

カット用レーザ

加工用
スピンドル

ペースト塗布ユニット

Y軸
基板

レーザ変位計

図3 リブ修正装置の構成
Schematic of rib repair system-65-

スクラッチユニット

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

キージユニットも取付けられている．

焼成用には，波長が長く連続発振の，CO 2 レーザ

ステージ上に設置された被修正基板はY軸方向に移（波長：10.4μm）を照射して局所加熱を行い，カッ

動し，これに対しヘッド部はX及びZ方向に移動する．

ト用には，波長が短く熱影響の少ないYVO 4 レーザ

このため，基板に対してヘッド部がXYZ方向に相対(波長：532nm)を用い，連続パルスにて照射する．

移動する．ステージの仕様を表1に示す．

上記機能の主な仕様を表2に示す．

表1 ステージの仕様
Specifications of stages
項

仕目

表2 各構成要素の仕様
Specifications of functional elements
様項

1. Xステージ

仕目様

1. レーザ変位計

駆動

ボールねじ又はリニアモータ

分解能0.1〜0.01μm

制御法

フルクローズドループ制御

測定スポット

約φ2μm

分解能

1μｍ/pulse

測定範囲± 0.3ｍｍ

繰返し位置決め精度±3μｍ

2. カット用レーザ

2. Yステージ

種類

LD励起YVO4駆動

ボールねじ又はリニアモータ

発振波長

532nｍ

制御法

フルクローズドループ制御

出力250mmW以上（5KHz時）

分解能

1μｍ/pulse繰返し位置決め精度

±3μｍ

レーザ

3. 焼成用レーザ

3. Zステージ

種類

CO2レーザ

発振波長10.6μm

最大出力

10W

駆動

ボールねじ

制御法

セミクローズドループ制御

4. スピンドル

分解能

0.05μｍ/pulse

・種類

静圧空気軸受繰返し位置決め精度±1μｍ・駆動（回転）エアータービン・最高使用回転数

4万r/min・工具径

φ0.4mm〜φ0.3mm

5. 観察光学系（1）多様な修正機能

・レボルバ

電動レボルバ・対物レンズ倍率

2×〜20×

前記のように，本装置には，修正に必要な多様な機能を有しており，対象の欠陥に対応して，最適な機能を選択し使用できる．

（2）非接触変位計による高さ形状測定

各機能の動作にはモニター画面のボタンや操作パネ
ル上のスイッチを用い，マニュアル動作により行う．

本装置はレーザ変位計を有しており，変位計のZ方観察光学系には，CCDカメラを設置し，観察対象

向の基準位置と観察光学系の焦点位置とのオフセット
量，及びXY平面上での変位計の測定スポット位置ととする部分の拡大画面をモニタ−上に表示する．
スピンドルには発熱がなく，回転振れの少ないエア

光学系の中心位置とのオフセット量等をあらかじめ記

タービン駆動の空気軸受スピンドルを採用し，回転軸憶させてある．このため，モニターの画面上で対象との先端にφ0.4〜0.3mmの小径砥石等を付け加工すするリブの観察像を見つつ，測定開始点と終了点を指る．

定し測定を指令すれば，各オフセット量を自動的に補正して変位計が指定位置に移動し，その部分の高さ形

スキージユニットは，塗布ユニットにより欠陥部に状を簡単に測定することができる．

ペーストを塗布後，約φ3mmの円柱状樹脂製スキー
ジヘッドの先端面を，隣接する正常なリブトップを基

また，小さなスポット径（約φ2μm）による非接準として滑らすことにより，塗布した部分の上面を平触測定であるため，塗布直後の柔らかなペースト充填

滑化する．またスクラッチユニットは，スクラッチ針部の高さ方向の形状も精度良く測定し得る．
これら測定結果は，グラフとして観察画面上の測定によりリブ側面の余分なペーストを，機械的に除去す部分に表示する．

る．
-66-

PDPリブ欠陥修正装置

欠陥修正の1例として図4にリブの修正工程の図を（3）各機能の位置の指令示す．以下図4に従って各修正工程を説明する．

本装置は上記と同様にして，各機能の基準位置（回転工具の先端位置，カット用レーザの焦点位置，及びなお，図4では，形状測定の工程図が省略されてい

焼成用レーザの焦点位置等）と変位計(Z軸)及び観察

るが，各工程の間で，適時，欠陥や修正過程の形状を光学系(XY軸)とのオフセット量を自動的に補正し得測定し確認する．

るため，観察画面上で指定した各機能の高さ及び位置

1 容器中のペーストを針の先端に付着させ，欠陥部に接触させることにより塗布を行う．長さを持っで，加工や焼成を容易に実施できる．

た欠陥に対しては，塗布開始位置と終了位置を指定し，その間を一定ピッチで針を上下動させつつなお，リブの材質や形状及びその下の誘電体層の材移動させ，連続塗布を実施する．

質等は各ユーザによって異なり，それに最適なペース
トも異なるため，本装置導入の検討に際しては，ユー

2 塗布後のペーストにCO2レーザを照射し焼成する．

ザの要請により，実基板と修正ペーストを用いてのペ上記塗布・焼成を数回繰り返してペーストを欠陥ースト選定試験や装置の最適条件設定試験等の協力を部に充填させる．
3 充填後形状を測定し，隣接する正常リブ高さから実施している．

の盛り上り量を確認する．次に盛り上がり量によって取り代を決め，回転工具の先端で機械加工を

4. 修正手順行う．通常工具を数回往復させ，近隣のリブトッリブ欠陥に対して実際の修正作業は，常に同様の工プの高さまで充填ペーストの上面を加工する．

程を経て修正するとは限らず，突起のみを修正する場

4 塗布・焼成時に正規のリブ幅からペーストがはみ合もあるし，対象部分の高さ形状を測定するのみの場出した場合は，近隣の正常リブ幅に合わせてカッ合も有る．このため本装置では，各工程の機能を個々

ト用レーザ及びスクラッチ針によって余分のペーに単独で作業できるようにし，その作業を自由につなストを除去し，修正を完了する．

げて欠陥修正を行う．
繰り返し作業
塗布針

連続発振レーザ

リブ（隔壁）
ペースト

欠け欠陥
100〜150（μm）

40〜80（μm）

1修正ペースト塗布

リブ欠け欠陥

2乾燥・焼成砥石
パルス発振レーザ

3研削加工

4はみ出し部カット

図4 リブ欠陥と修正工程図
Schematic of rib defect and repair process-67-

スクラッチ＆バキューム

5はみ出し部除去

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

5. 修正結果
欠陥部及びその修正部をリブ方向に変位計で測定

表3 焼成、研削条件
Heat treatment and grinding conditions

し，結果を写真2に示す．本サンプルの欠陥長さは約項

450μｍ，欠陥深さは約105μｍであった．

条目

ここでは約5回の塗布・焼成を繰り返し，正常リブの高さ以上に盛り上げた（約27μｍ）後，トップ面を研削によって加工している．この時の焼成，研削条

件（CO2レーザ）

1. 焼成
レーザ出力

0.2Ｗ

スポット径

φ200μｍ2. 研削

件を表3に示す砥石

φ0.3，電着砥石

写真2に示すように，研削加工後の測定結果では周平均砥粒径22〜36μm

囲のリブと区別がつかない程度良好に仕上がってい送り速度

10μm/min（切込み2回）

る．

回転数

4万r/min

欠陥部

200μm

正常リブトップ

720μm

a. 修正前Before repair

b. 塗布・焼成（1回）
Pasting and heat treatment (once)c. 塗布・焼成（5回）
Pasting and heat treatment (5 times)

d. 研削加工後
After grinding

写真2 修正過程におけるリブ欠陥部の形状測定結果
Shape of rib defect through repair process-68-

PDPリブ欠陥修正装置

6. まとめPDP背面ガラス基板のリブ欠陥を修正する「PDP
リブ欠陥修正装置」を紹介した．
PDPは今後急速にその市場が拡大すると予想され本装置の需要も増加すると期待される．
ハイビジョン放送の普及やDVDのような高画質メ
ディアの普及等々に伴いPDPは今後高精細化，低消費電力化，低コスト化等が追求され，修正装置に対してもリブトップの面精度や寸法精度の向上，複雑なリ
ブ形状やリブの細幅化への対応，より長い欠陥サイズ等への対応，及びタクトタイム短縮等々が求められると思われる．
今後ともこれらの要望に積極的に対応し，装置の機能向上に努め，完成度の高い商品としていきたい．

執筆者近影

山崎

静

精機商品事業部
プロダクトエンジニアリング部

矢田雄司

精機商品事業部
プロダクトエンジニアリング部-69-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）[解 説]

ナノメートル領域におけるエアスピンドルの高精度化−給気孔配置の最適化による振れ回り精度向上−
Improvement of the Accuracy of an Air Spindle in the Nano-meter Region- Improvement of Rotational Accuracy by Optimization of Feed Hole Positioning -藤 川 芳 夫*

原口

Yoshio FUJIKAWA

Takashi HARAGUCHI隆*

青 野 和 幸*堀 内 照 悦*Kazuyuki AONO

Teruyoshi HORIUCHI

磁気ディスクの製造装置や検査装置に使用されるエアスピンドルの主な課題は，振れ回り精度の向上である．NTNは，静圧空気ジ
ャーナル軸受の給気孔配置と振れ回り精度の関係に着目し，千鳥
配置3列給気ジャーナル軸受を開発した．同軸受の性能解析結果と同軸受を採用した試作エアスピンドルの振れ回り精度について説明する．

NTN’s air spindles are used in production and inspection equipment for magnetic discs. The major issue of such air
spindles is how to improve the rotational accuracy. NTN studied the correlation of the rotational accuracy and the feedhole arrangement on an aerostatic journal bearing, and as a result NTN has developed a staggered triple-row feed
journal bearing. This paper presents the numerical analysis results of the performance of the staggered triple-row feed
journal bearing and describes the rotational accuracy of the prototype air spindle that is equipped with this bearing.

1. はじめに

2. 磁気ディスク用エアスピンドル

静圧気体軸受は，ナノメートルオーダーの運動精度

ハードディスクドライブの磁気ヘッド検査装置やサを現実的なコストで実現できる軸受・案内要素としーボトラックライタでは，図11）のように磁気ディスて，半導体や光ディスク，磁気ディスク等の先端的なクを積み重ねて回転させる場合がある．先端のディス生産設備に多く採用されている． NTN では，静圧気

クはスピンドルの軸受部から大きくオーバーハングし体軸受を応用し，モータを一体に組込んだ高精度エアているので，振れ回りモードは先端付近が大きく振れ

スピンドルを開発，製造して，これらのニーズに対応

回る，いわゆるコニカルモードに近い形になる．ディしている．しかし，上記の分野では高精細化，高密度

スクの振れ回りは，ディスクに対するヘッド位置決め化が急速に進展しており，そのためエアスピンドルは，誤差の原因になる．特にディスクの回転に同期しない

振れ回り誤差のさらなる低減を常に求められている．

非繰返し振れは，従来から重要視されている．また，

NTNでは，この要求にこたえるため，新たに3列給

記録密度向上のためにトラックピッチが狭小化したの気，給気孔千鳥配置の静圧気体ジャーナル軸受を開発

で，ヘッドの位置決めに対する許容誤差も厳しくなり，した．ここでは，この軸受を磁気ディスク関連の検査

繰返し振れに関しても，場合によって，特に高次成分装置やサーボトラックライタに使用されるエアスピンの検証が必要になってきている．
磁気ディスク用エアスピンドルの構造を，図2に示ドルに採用し，繰返し振れの高次成分および非繰返し

す．軸は，主に半径方向の荷重を支持する2個のジャ振れを低減した事例について紹介する．

**精機商品事業部

プロダクトエンジニアリング部-70-

ナノメートル領域におけるエアスピンドルの高精度化

2c
5

2a 2b
2

1

軸
ジャーナル軸受
真空チャック用
非接触シール部

4

スラスト軸受

3
全体制御部

スラスト板
ACサーボモータ6
1 ：磁気ディスク媒体
2 ：ヘッドアクチュエータ機構部
2a ：ヘッド，2b：アーム，2c：アクチュエータ
3 ：スピンドルモータ
4 ：スピンドルハブ
5 ：クランプ

ロータリエンコーダ

図1 磁気ディスク用エアスピンドル
Air spindle for magnetic disk 1)

図2 エアスピンドルの構造
Configuration of air spindle

ーナル軸受と，軸と一体に設けたスラスト板の両側に

3. 三点法2）による繰返し振れの測定

位置し，主に軸方向の荷重を支持する1組のスラスト軸受によって支持される．静圧気体軸受の特性に大き3. 1 振れ測定系

く影響する絞りに関しては様々な形式が提案されてい今回の振れ精度評価では，測定ターゲットの形状誤るが， NTN では，高い精度が必要な用途には，主に差の影響を排除して，エアスピンドルの微小な振れを自成絞りと浅い円周溝を組合せた複合絞りを使用し，再現性よく測定するために，三点法を用いた．図3に多孔質絞りも一部で採用している．軸には光学式ロー測定系を示す．実際の装置での使用条件に近い状態でタリエンコーダのスリット板とACサーボモータのロ

振れを評価するため，磁気ディスクを複数枚積層したータが直接取り付けられている．このような構成によディスクスタックを模して，ダミークランプおよびダり，回転部は固定部に対して完全に非接触になるので，

ミーディスクを，真空チャック機構によってスピンド回転に対する摩擦抵抗の変動が非常に小さく，高精度

ルに固定した．さらに，その先端に直径25.4ｍｍのの回転制御が可能である．

測定用鋼球を取付けて，変位計のターゲットとした．

ディスク等を軸に着脱するために真空チャック機構
鋼球を用いる場合には，2個のジャーナル軸受の中間に非接触シール部を設けて，回転部と固定部をつなぐ真空

非接触変位計

ダミークランプ

排気通路を構成している．非接触シール部は，ジャーダミーディスクナル軸受すきまと同程度のすきまを持ち，この微細なすきまの抵抗によって，真空排気通路への外気の流入を制限している．回転側，固定側のシール面は，ジャーナル軸受面と同時に加工できるので，軸受面との同軸度は非常に良好に仕上げられており，回転精度へのAD変換器

影響は小さい．
エアスピンドルを高精度に回転させるには，モータの制御技術も重要である． NTN では，磁気ディスク

P/C
演算処理

や光ディスク関連の用途で非常に精度の高い回転速度制御を要求される場合には，PLL制御（Phase Locked
エンコーダ出力

Loop，位相同期化制御）と正弦波リニア駆動を組み合わせて自社開発したドライバを使用している．

図3 振れ測定系
Measurement system for radial runout by 3 point method-71-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

ダミークランプの先端部に鋼球を配置することによ

4. 給気孔の千鳥配置

り，振幅が最も大きい位置で振れを評価することができる．ただし，軸受部から離れた位置に質量を付加す

円周上等間隔に給気孔を配置したジャーナル軸受でることになるので，振れに関しては実際の使用状態よは，回転軸の形状誤差と給気孔の個数に応じて，特定りも厳しい条件である．

の高次振れ回りが発生することが計算によって示され振れの測定には，静電容量型変位計を使用した．変ている3）．この場合の形状誤差は，軸の平均半径と最位計の出力信号を，スピンドルに内蔵した光学式ロー

大半径との差を，軸受の平均半径すきまで除した値δ

タリーエンコーダの出力パルス（1024パルス／回転）を指標として，周方向にｍ個のふくらみ部（ロブ）ををトリガとして，AD変換器を介してメモリに取り込持つδcos｛ｍ（θ−α）｝の形で表され，軸方向にはみ，連続した10回転の平均振れ波形に対して，三点一定な形状を仮定している．（図7参照）

法の演算処理を行った．測定結果は，測定ターゲット

給気孔を円周上k個配置した1列給気自成絞りジャの形状誤差と回転中心の振れ回りについて，それぞれ

ーナル軸受で，m個のふくらみ部（ロブ）を持つ軸がのフーリエ係数として得られる．今回は，振れ回りの回転した場合について，静的な力の釣合から求められフーリエ係数の絶対値によって，振れを評価した．

た軸心軌跡を図5に示す．図5では，δ＝0.1として三点法では，3個の変位センサの配置（互いになす

横軸に給気孔個数ｋ，縦軸に真円度誤差のロブ数ｍを角）と振れの次数によって決まる「拡大率」2）が小さとり，それぞれの組合せに対応する軸心軌跡を記入しいと，その次数の測定値に誤差が混入しやすくなるこている．m＝nk±1（nは自然数）の時，振れ回りがとが知られている．今回の測定では，32次以下の次発生し，特にm＝nk＋1の場合に振れが大きくなって数について，それぞれ「拡大率」を計算し，その最小いる．軸が1回転する間に，軸心は軸受中心の周りを値が最大になるように，センサの配置を決定した．さm回回転し，m次の振れを生じる．

らに，測定系をセットした後で，3個のセンサの成す

原形機のジャーナル軸受は，文献3）とは異なり，軸角度をエアスピンドルに内蔵したロータリエンコーダ

方向2ヶ所の円周上にそれぞれ4個の給気孔を等間隔を利用して測定し，その値を演算に使用した．

に配置した2列給気で，給気孔をつなぐ円周方向の溝を設けているが，同様のメカニズムによって高次の振3. 2 測定結果

れが発生すると仮定すると，k＝4だから，5，9，13，

従来から NTN が製造している磁気ディスク用エア

17，…次の振れが発生する可能性がある．これは図スピンドル（以下，原形機）の，繰返し振れ測定結果

4の振れ測定結果とよく一致しており，従来機の高次の例を図4に示す．軸受は複合絞り型である．縦軸は繰返し振れは，軸の形状誤差と給気孔の位置関係によ三点法で求めた振れのフーリエ係数の絶対値，横軸はって発生していると考えられる．

軸の回転に対する振れの次数であり，各次数に対応す

この振れ回りを低減するには，円周上の給気孔個数る振れの振幅を示している．振れ回りは3次，5次，を増やすのが効果的であるが，単純に給気孔を増やす

9次，17次でピ−クを持つ．5次の振幅が最大で，約と，剛性，減衰係数が低下して，外乱に弱い軸受にな

13nmである．同一設計の別のエアスピンドルの振れってしまう．

を測定した場合も，個体差はあるが，振幅が大きくなる次数は共通であった．

7
6

15

5

δ=0.1

m

nm
振幅

5

10

4
3

0
2

5

10

15

20

25

0.1

2

30

回転次数

k=3

図4 原形機の三点法による振れ測定結果
Radial runout of conventional spindle
measured by the 3 point method

4

5

6

7

8

図5 給気孔数k，ロブ数mと振れの関係【文献3）から引用，加筆】
Effect of number of feed holes and lobes on radial runout-72-ナノメートル領域におけるエアスピンドルの高精度化

2列給気ジャーナル軸受の各列の給気孔は，通常は5. 軸受性能の計算結果

図6（a）のように同位相で配置される．一方，スピンドルの軸の形状誤差は，一般に仕上加工時の研削盤のエアスピンドルを試作するにあたり，ジャーナル軸

ワークスピンドルの振れ回り誤差が転写されたもので受の仕様を決定するために性能計算を行った．原形機のあり，軸方向には同じ形状で連続していると考えられジャーナル軸受（軸受a0：軸径30mm，軸受幅25mm）

る．回転軸の形状が軸方向に一定であれば，図6（b）

を基準とし，試作機では減衰特性の改善を主な目的とのように，各列の給気孔を千鳥に配置すれば，円周上して，軸受幅を15mm延長して40mmとした．性能の給気孔を2倍にした場合と同等の効果が得られるこ計算は図6に示した3種類の給気孔配置について実施とになる．ただし，給気孔の配置が軸方向に非対称でした．計算に用いた軸受の仕様を表1にまとめた．

あると，軸を傾斜させる力のモーメントが発生する．

計算の方法は，

この力のモーメントを低減するには，回転軸を支持す

溝付きの静圧気体

る2個のジャーナル軸受の給気孔を，全体として対称軸受の性能計算にになるように配置するか，図6（c）のように給気孔を一般に用いられる

3個所以上の円周上に配置し，軸受ごとに対称性を持DF法による差分法

たせればよいと考えられる．

を用いた．

表1 軸受仕様
Bearing specification
１列の軸受幅 給気列 給気孔数

配置

a0 25mm

2

4

同位相

a

40mm

2

4

同位相

b

40mm

2

4

千鳥

c

40mm

3

4

千鳥

5. 1 軸受すきまの圧力分布
軸受a，b，cについて，軸受すきまの圧力分布に対（a）2列給気同位相配置（b）2列給気千鳥配置（c）
3列給気千鳥配置

する軸形状誤差の影響を図8に示す．これは，形状誤差がある場合の圧力分布と，形状誤差がない場合の圧図6 ジャーナル軸受の給気孔配置
Feed hole arrangement of journal bearing

力分布を求め，両者の差を等高線表示したものである．
給気孔Cr=平均半径すきま
40.00
35.00
30.00

軸方向

Cr・δ
θ
θ=0

25.00
20.00
15.00
10.00
5.000
0.000
0.000

45.00

90.00

135.0

（a）軸受a

180.0

225.0

270.0

315.0

360.0

円周方向

40.00
35.00
30.00

軸方向

図7 軸形状と座標系
Coordinates and shape errorof shaft

25.00
20.00
15.00
10.00
5.000
0.000
0.000

45.00

90.00

135.0

180.0

225.0

270.0

315.0

360.0

円周方向

（b）軸受b
40.00
35.00
30.00

軸方向

軸

25.00
20.00
15.00
10.00
5.000
0.000
0.000

45.00

（c）軸受c

90.00

135.0

180.0

225.0

270.0

315.0

360.0

円周方向

図8 形状誤差による圧力変化の計算結果
Calculated pressure variation induced by the shape error-73-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

黒丸は給気孔を表す．赤い領域は形状誤差の影響で圧振れが発生している．振れの大きさεは，最大でもδ力が上昇する部分，青い領域は圧力が下がる部分に対の1/2程度であり，図5に示した円周溝のない１列給応する．図7に示すように，軸と軸受は中心が一致し気の場合と比べて小さい．また，給気孔が同位相配置た状態で，軸の形状誤差は円周方向に5山の正弦波でのまま軸受幅を増加した軸受aでは，原形の軸受a0よ表され，軸方向には一定の形状とした．形状誤差の振りもεが大きくなった．給気孔を千鳥配置とした軸受

幅は，軸受すきまで無次元化した値でδ＝0.1とし，b，cでは，振れが小さくなっている．特に軸受bでは，円周方向座標0°の位置ですきまが最も大きくなると

m＝3，5，11，13の場合の振れがなくなり，振れしている．2列の給気孔を同位相に配置した軸受ａでを生じるmの値は，給気孔を8個配置した場合と同等

は，隙間の広い0°の位置で圧力が上がり，反対側でである．ただし，図10に示すように，軸受bはm＝3，

圧力が下がっている．この結果，軸を180°の方向に

5，11，13の場合，軸を傾ける力のモーメントが発

押す力が発生し，軸が軸受に対して偏心して振れ回る

生する．軸受a0，a，cは，力のモーメントは発生しことになる．この状態から軸がロブ周期の1/2（36°）

ない．図10は，給気圧力ps と軸受直径 D によって無だけ回転すると，軸受すきまは図7とは逆に180°の次元化した力のモーメント M を示している．

方向ですきまが広くなり，圧力が上がるため，軸は（M＝m f ／ps D3，m f：力のモーメント）

0°の方向に偏心する．さらに軸が元の状態から72°
回転するとすきまの分布は元に戻る．このようにして，
0.06

5山の形状誤差によって5次の振れが発生する．

52列の給気孔を千鳥に配置した軸受bでは，軸方向

0.05
m=5
ε

の中央に対して圧力の上がる領域と下がる領域が対称

無次元振幅に発生して打消しあい，軸を半径方向に偏心させる力が生じない．しかし，軸方向で，図の上半分では軸を0°方向に押す力が生じ，下半分では180°方向に押

0.04

13

3

0.02

7

す力が生じているので，軸を傾ける力のモーメントが

9

9

9

0.03

11

3

5

13

7

7

7

11

13
11

3

0.01

発生する．
0

3列給気の中央の列を，両端の列に対して千鳥に配

a0

a

b
軸

置した軸受cでは，圧力変化の分布は軸受aと同様で

c

受

図9 無次元振幅δの計算結果
Calculated nondimensional amplitude of rotational error

ある．しかし中央の列を千鳥に配置したため，圧力変化の大きさは軸受aよりもかなり小さくなっている．

0.007

5. 2 形状誤差による振れ回り

0.006

めた，高次振れ回りの振幅である．すなわち，軸と軸0.005

受の中心が一致した場合の圧力分布から，軸に作用す

0.004

M

図9は，文献3）に示された簡易的な方法によって求る力を求め，その力を微小変位を仮定して摂動法で求0.003

めたラジアル剛性で除した値を，軸心の半径方向変位0.002の近似値とした．図7の場合と同様に軸方向に一定形

0.001状で，円周方向に正弦波状に変化する形状誤差につい0て，形状誤差のロブ数mが3〜13の範囲で計算を行

m=5

13
3
11

a0

a

b
軸

った．

受

図10 力のモーメントの計算結果
Calculated nondimensional moment

形状誤差の振幅は，δ＝0.1とした．縦軸は軸受半径すきまで無次元化した振れ回りの振幅εである．また，形状誤差の山数mを図中に記した．
同一円周上の給気孔数k＝4に対して，軸受a0，a，cでは，形状誤差のロブ数mが，m＝nk±1の場合に，-74-c

ナノメートル領域におけるエアスピンドルの高精度化

ラジアル剛性（図11）は，軸受a，b，cでは軸受

5. 3 ラジアル剛性および減衰係数

幅を延長したため動圧効果が大きく，50＜σの領域

振れ精度は外部からの加振力に対する応答にも左右では原形の軸受a0に比べて約2倍になっている．

される．特に，エアスピンドルの固有振動数近傍の周波数での減衰特性が重要である．そこで，各軸受形式

σ≒0におけるラジアル剛性（静剛性）は，軸受a0の剛性および減衰係数を計算によって比較した．計算に比べて軸受a，bはやや大きく，軸受cはほぼ同等ででは，軸は回転せず軸受中心の近傍で微小な併進振動

ある．

を行うと仮定し，摂動法によって微小変位に対するラ減衰係数（図12）に関しては，σが小さい（周波ジアル剛性ｋおよびラジアル減衰係数cを求めた．形数の低い）領域では軸受a，bがもっとも大きいが，状誤差は考慮していない．給気圧力p s ，軸受直径 D，σが50以上になると，軸受a0とほぼ同じ値まで小さ

平均半径すきまCr，併進振動の角振動数ωによって無くなる．σが20以上の領域では，軸受cの減衰係数が次元化した無次元ラジアル剛性K および無次元ラジア

もっとも大きく，軸受a0と比較して約3倍である．こル減衰係数Cを，それぞれ図11，図12に示す．

の結果から，スピンドルの固有振動数付近の外乱に対（K ＝k・Cr/p D2，C＝C・Cr・ω/p D2）

しては，軸受cがもっとも振れを小さく抑えることが図の横軸は，スクイズ数σである。

できると考えられる．

ss

12μωR2
σ＝――――――Pa Cr2（）

6. 試作機の振れ測定

軸受aと軸受bは給気孔の配置以外は同じであり，以上のような検討結果にもとづき，軸受cを選定し剛性，減衰係数もほぼ等しくなり，図中に1本の線でてスピンドルを試作し，繰返し振れおよび非繰返し振表示されている．

れを測定して，軸受a0を用いた原形機と比較した．
試作機の構造は図2に示したものと同一である．ただ

軸受 a0

軸受 a, b

し，従来機よりもジャーナル軸受の軸受幅を15mm

軸受 c

1.8

延長したため，全長が30mm長くなっている．ジャ1.6

ーナル軸受が支持する部分の長さが伸びることは，軸

K

1.4
1.2

受部の角度剛性を増加させる効果もある．なお，試作

1.0

機と原形機とは，ジャーナル軸受以外の部分は同一で

0.8

ある．

0.6
0.4

図13は，3点法による，試作機の繰返し振れ測定

0.2

結果である．原形機（図4）では，5，9，17次のピ

0.0

0

50

100

150

ークがあったが，試作機では特に目立つピークは存在200σしない．給気孔の千鳥配置によって，形状誤差と給気

図11 無次元ラジアル剛性計算結果
Calculated nondimensional radial stiffness

孔配置に起因する5次の振れが低減されるとともに，3列配置によって減衰係数が増加したため，9，17次

軸受 a0

軸受 a, b

軸受 cの振れが小さくなったと考えられる．

0.7
0.6
15
0.4

nm

10

0.3

振幅

C

0.5

5

0.2
0

0.1
0.0

2

5

10

15

20

25

30

回転次数
0

50

100

150

200

図13 試作機の繰返し振れ測定結果
Measured repetitive radial runout of the improved spindleσ
図12 無次元減衰係数計算結果
Calculated nondemensional damping factor-75-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

原形機と試作機の非繰返し振れ測定結果を，それぞ

7. まとめれ図14，図15に示す．非繰返し振れの測定は，次のような方法で行った．

3列給気，給気孔千鳥配置を採用した新しい静圧気

図3に示した三点測定法と同様の測定系で，静電容体ジャーナル軸受の振れ精度改善の効果を，計算と実量型変位計を１個使用する．

験によって確認した．

¡ロータリエンコーダの原点信号（1回／回転）をト

エアスピンドルの振れ回り精度には，ここで取上げリガーとして静電容量型変位計の出力を2000回転た軸受性能の他にも様々な要因が関連しており，今後

分サンプリングしてメモリに蓄積する．

は，それらを総合的に見直していくことが必要である．

¡得られた2000個のデータについて，それぞれの1

また，回転速度の精度についても，さらなる向上の要

回転前のデータとの差をとり，得られた1999個の求がある．これらの課題を解決し，今後も市場ニーズ

データを非繰返し振れとする．

に対応できる先進的な精度を実現していきたい．

この測定法で測定したエアスピンドル単体での非繰
返し振れは，通常±数nm程度であるが，図14に示した原形機の非繰返し振れは，±33nmである．これは今回のエアスピンドルは軸受部から大きく突き出した
ダミークランプを取付け，さらにその先端部に鋼球を［参考文献］

固定して振れを測定しているためである．

1）特許公開公報 特開2002-334498，川口，山崎，
草茅
2）青木，大園，精密機械，32，12（1966）831
3）矢部，機械学会論文集（C），58,548,（1992）
1177

原形機に比べて試作機の非繰返し振れ（図15）は，約1/2の±17nmに改善されている．ジャーナル軸受の減衰特性が3列給気によって改善されたためと考え

非繰返し振れ

nm

られる．

50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
0

200

400

600

800

1000 1200 1400

1600 1800 2000

測定ポイント非繰返し振れnm

図14 非繰返し振れ測定結果（原形機）
Measured non-repetitive runout of the conventional spindle

50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
0

200

400

600

800

1000 1200 1400

1600 1800 2000

測定ポイント

図15 非繰返し振れ測定結果（試作機）
Measured non-repetitive runout of the improved spindle-76-ナノメートル領域におけるエアスピンドルの高精度化

執筆者近影

藤川

芳夫

精機商品事業部
プロダクトエンジニアリング部

原口隆

精機商品事業部
プロダクトエンジニアリング部

青野

和幸

堀内

精機商品事業部
プロダクトエンジニアリング部

-77-

照悦

精機商品事業部
プロダクトエンジニアリング部

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）[解 説]

ナノメートル位置決め技術
Nanometer accuracy positioning system

中 島 明 生*Akio NAKAJIMA

リニアモータ，エアスライド，レーザスケールから構成される，
1ナノメートルの停止精度をもった超精密位置決め用システムについて説明する．また，同様の原理で，1回転あたり1億5千万パルスの分解能を持った，超精密位置決め用エアスピンドルと，それらを制御するナノスケールコントローラ，ドライバについても説明する．

This paper describes two types of very high precision positioning systems. One is the linear positioning stage that is
capable of one nanometer accuracy. This stage consists of an Air Slide, Linear Motor, and Laserscale. The other isthe rotational positioning Air Spindle that has a resolution of 151-million increments per revolution. We recently
completed development of an exclusive controller system, the Nanoscale Controller.

1. はじめに

2. 位置決めの高精度化

半導体および光ディスク，ハードディスクなどの情

高精度位置決めシステムの用途の一つは光ディスク

報機器の製造設備では，高精度の精密位置決め技術がマスタリング装置（L.B.R.）である．

必要とされ，その精度要求は，近年ナノメートル単位

写真1は，光ディスクマスタリング装置の主要部でまで向上している．本報告では，ナノメートル単位のある．この装置は，回転するガラス原板を搭載したス

高精度の停止精度を有し，低速移動時の速度むらをよピンドルと，その径方向に移動する光学ヘッドを用いり小さくした位置決めシステムの開発と実用化について，短波長のレーザ光で渦巻状のグルーブを露光するて説明する．機構部は，エアスライドをボイスコイルためのものである．

型リニアモータで駆動する構造である．また，アンプ

この場合，位置決めシステムは，最終的な目標位置部はノイズの少ないリニアアンプを新たに開発し，測精度だけでなく，途中の経路も重要であり，精密な運長部にはガラススケールを用いた．その結果，当初の動性能が要求される．その要求精度は，スピンドル1

計画以上の成果を上げることができた．

回転当たりの光学ヘッドの移動量，すなわち，トラッ

また，光ディスクやハードディスク関連では，直線

クピッチより決まる．CDの場合1.6μm，DVDでは位置決めだけではなく，角度位置決めが必要になる場

0.74μmであるが，最新のBlu-rayディスクでは合もある．この位置決め技術を応用し，静圧気体軸受

0.32μmとCDの1/5である．

を用いた，1周で1億5120万パルスのナノメートル

位置決めシステムの精度で，最も重要な要素の一つ

相当の角度分解能を有するエアスピンドルを開発した

は位置計測用のスケールである．L.B.R.として必要なので，その詳細についても報告する．

精度は，通常トラックピッチの1〜3%程度である．

**精機商品事業部

プロダクトエンジニアリング部-78-

ナノメートル位置決め技術

したがって，当社の高精度位置決めシステムは，光デ

精度はスケールから出力されるsin,cos信号から，電ィスクの進歩とともに，図1のように位置計測分解能

気的に分割して得られる．その分割誤差が内挿誤差でを毎年向上させてきた．

ある．スケールの内挿誤差は格子ピッチの1％程度発

分解能10nmはレーザ干渉計，それ以外はガラスス

生する．上記を考慮して，スケールメーカと高精度ス

ケールを採用している。

ケールの開発を行なった結果，精度を上げるためには，

一般に高精度位置決めシステムの，測長系としては，

格子ピッチはなるべく小さくする必要があり，さらにレーザ干渉計と静電容量型センサが多く使用されてい内挿誤差の格子ピッチに対する比率が小さいものを選るが，当社では最近はガラススケールの使用頻度が高択すれば，狭範囲で１nm以下の精度を得られること

い．静電容量型センサは測定距離が短く，温度ドリフがわかった．1）2）

トが大きいが，周波数応答特性には優れている．レー
ザ干渉計は高精度であるが空気の揺らぎ等の影響を受

3. ナノメートル位置決めシステム

ける．
一方，ガラススケールは，長距離での累積誤差では

ナノスケール位置決めシステムの機構部である位置

レーザ干渉計に劣るが，温度変化等からの影響が少な

決めテーブルを写真2，図2に示す．システムの仕様

く，トラックピッチ程度の距離での精度は比較的良い．

は次の通りである．この装置は，光ヘテロダインFFT

通常格子ピッチは最小1μmほどであり，それ以下の用途への応用である．3）要求される性能はL.B.R.と同

写真1 光ディスクマスタリング装置主要部
Main part of L.B.R.

写真2 位置決めテーブル
Photograph of the positioning system

1210

Aerostatic table
10

Voice coil motor

190

8
6

430
130

4
2.7
130

2.7

Linear scale

2
1
'94

'95

'96

'97

'98

年

度

'99

0.86
'00

0.27

0.07

'01

'02

80

分解能

nm

8.6

0

Guide

10

図1 位置決めシステムの分解能の推移
Trend of the positioning system resolution

図2 位置決めテーブル
Schematic of the positioning system-79-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）等である．このテーブルの仕様を下記に示す．

0.04秒程度の直線加速をともなった，過渡的な動なお，スライドのストローク，分解能等は用途に応作も図4の通り良好である．なお，加速の方法や制御

じて変更可能である．

方式を工夫すれば，さらに良い特性を得られる．
このような高精度位置決めシステムを運用するに当

案内 …………………エアスライド

たって，ナノスケールレベルの性能を維持するためにリニアモータ ………ボイスコイル型

は種々の注意が必要である．床振動の影響を排除する

材質 …………………アルミ合金

ための除振台や，搭載物の剛性にも注意が必要である．

定格負荷 ……………30N

剛性が足りないと不要な振動を発生し制御系に悪影響

ストローク …………100mmを与える．また，可動部との接続ケーブルやホース類

スケール分解能 ……約0.2759nm

も動作を妨げないように設置しなければならない．4）

推力常数 ……………5.7N/A
可動部質量 …………4.02kg
最大電流 ……………4.0A

1

制御方式 ……………PID
mm/s

サーボサンプル ……50kHz

速度

アンプ部 ……………リニアアンプ
テーブルの定格負荷時の真直度の実測値は，
上下方向 ……………0.09μm/100mm

0.8
1.05

0.6
1

0.4
0.35
0.02

0.2

0.05

0.08

左右方向 ……………0.01μm/100mm0であった．通常テーブルとスケールの位置はずれて1mm/sでの速度むらは，図3の通り位置換算
で±1nm以下と良好な結果を得た．なお，停止時の位置のばらつきも同様に1nm以下である．外部から
簡便に1nm以下の単位でテーブルの位置を測定する手段が無いため，制御をかけているスケールの信号と，指令位置との偏差の信号で代用している．したがって，速度の変動を位置の変動（理想位置からのずれ）として表示している．なお，本装置で実際の製品を製造するなどの方法で，間接的にも精度の検証を行ない，十分な確証を得ている．

3

むら

nm

2
1
0
-1
-2
-3
0.02

0.04

時間

0.06

0.08

0.1

0.2

0.3

s

図4 過渡特性Transient response of speed

真直度はきわめて重要である．

0

0

時間

おり，アッベの誤差が発生する．そのため左右方向の0.1s

図3 速度むらPositioning error while moving at 1mm/s

-80-

0.4

ナノメートル位置決め技術

１周あたり100万パルス以上の高分解能品が用いら

4. 高分解能位置決め用スピンドルユニット

れる場合もある．この方式では，ロータリエンコーダ

エアスピンドルは，回転部と固定部のすき間に空気の精度はきわめて重要で，スピンドルの停止精度と最などの加圧気体を供給し回転軸を支持し，非接触構造も大きな関係がある．角度分解能を上げるためには，をとる．

適切なロータリエンコーダを選定する必要がある．今当社の標準エアスピンドルは図5に示すように，回，図6の，ハードディスクのサーボトラックライタ

2個のジャーナル軸受と2個のスラスト軸受けで支持（STW）用に開発されたロータリエンコーダ6）を使用された回転軸に，ACサーボモータおよび非接触型のし，1億5120万パルスの分解能を持つスピンドルユ

光学式ロータリエンコーダを直結した構造をとる．回

ニットを開発した．スピンドル本体は，当社の標準的転部は完全非接触構造でほとんど摩擦がなく，空気軸な仕様である．エンコーダヘッドはSTWアームヘッ

受けの平均化効果でさらに精度が向上するため，特にド位置検出用の反射型を適用し，反射型スケールは高精度な加工や検査などの用途に広く用いられていSTWクロック検出用の有効半径12.04mmのドーナ

る．5）

ツ形状のタイプを改良した．エンコーダ概略を図7に示す．今回のスピンドル仕様を下記に示す．
スピンドル部 ：NTN標準品 HRA3M 相当7)

スラスト軸受ジャーナル軸受
回転軸
スラスト軸受エンコーダ：SONY P.T. BH10

てい倍器

：SONY P.T. BB100

パルス数：302,400×500てい倍

総パルス：151,200,000パルス/1周

分解能：0.00857秒

累積精度：±12秒（エンコーダ実績）

コントローラ ：ナノスケールコントローラ

NTN製（リニア駆動）
ACサーボモータ

最高回転数：300rpm（当社コントローラ）

停止精度：±5〜10パルス（当社コントローラの場合）

ロータリ
エンコーダ

図5 エアスピンドルの構成
Construction of air spindle

制御方式は，連続回転にはPLL制御方式が適してお図6 高分解能スピンドル
Schematic of high resolution air spindle

り，回転むら（回転周期のばらつき）は，条件によっては1PPM以下の高精度を得ることが出来る．PLL
方式の場合，指令パルスとフィードバックパルスの位相差で偏差が決定するため，1/2パルス未満の小さな偏差を制御系に取り込むことが可能である．逆に1/2
パルス以上の偏差は検出不可能である．したがって，

ヘッド

当社では，ロータリエンコーダは1周あたり1024または4096パルスの低分解能品が主に用いられる．なお，この方式では回転を停止させることはできない．

レーザ光
スケール

停止位置決めには，溜まりパルス方式が使用される．
この方式の場合，最小でも1パルスの偏差が発生する

図7 ロータリエンコーダ概略図
Schematic of rotary encoderまで検出できない．したがってロータリエンコーダは-81-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

これより，例えばCD,DVDの最外周 r＝60mmで6. 制御方法の分解能は，距離換算で2.5nmである．実際には，
さらに当社コントローラでの位置決め誤差が発生すサーボ系の制御方法については，スピンドル，スラる．

イド供に一般的なPID制御を行なっている．コントロ

位置決め精度は±40秒であった．なお，測定は12ーラは前述の1nmの停止精度を有する超精密置決め

面ポリゴンミラーで行い，予想される測定誤差は±1

スライド用ナノスケールコントローラと同様の仕様で秒程度ある．測定データを図8に示す．

ある．最近のコントローラの傾向と同様であるが，ス

この誤差は，正弦波状に発生しているため，回転同ケールはてい倍器を経由せず，スケール信号を直接受期成分が主である．この成分を除去すると，残りの2け取るため，高精度のわりに高速動作が可能である．

次項以上は約±5秒となる．この誤差の1次項の主原

近年，スイッチング素子の普及により，モータ駆動

因はドーナツ形スケールの取り付けの芯ずれと推定さには，PWM（Pulse Width Modulation）アンプがれる．ただ，繰り返し性は，1秒以内であるため，校用いられるが，ノイズが大きい，トルクむらがある等

正を行なって使用すれば絶対精度が格段に向上するこの問題が有る．さらに電圧が一定のため，微細な駆動とが期待される．

に向かない．本装置では，微小な信号を取り扱うハー

回転時の速度むらに関しては，動的に測定する方法

ドディスクのヘッド等にも影響を与えないため，アンがないため，制御をかけているスケールの信号と，指プ部はサイン波形リニアアンプを用いて良い結果を得

令位置との偏差の信号で代用している．したがって，ている．アンプ主要部を図10に示す．

角速度の変動を角度位置の変動（理想位置からのずれ）

位置決め制御では，静止時に微小電流の向きが高速として表示している．図9に示す通り，偏差は低速でで反転する．そのため，アンプ部は，連続回転ではほはおおむね±0.1秒以下となった．

とんど問題にならないクロスオーバー歪みにも十分注

誤差秒

意する必要がある．クロスオーバーの例を図11に示
60
50
40
30
20
10
-0
-10
-20
-30
-40
-50
-60

す．一般にクロスオーバー歪みが発生すると不感帯が発生しサーボ系に悪影響をもたらし，精度が悪化する．
最終段のFETドライブ部には適切なバイアス電圧をかけ，クロスオーバー歪みが発生しないようにしている．
製作した専用コントローラとドライバを写真3に示
す．

0

60

120

180

角度

240

300

+V

360

度

図8 高分解能エアスピンドルの累積誤差
Cumulative positioning error

電流検出U
電流指令 VW-V

Uチャンネルアンプ

偏差

秒

0.3
0.2

Vチャンネルアンプ

0.1

Wチャンネルアンプ

0.0

図10 アンプ主要部
Diagram of amplifier

-0.1
-0.2
-0.3
0

0.02

0.04

時間

0.06

0.08

0.1

s

図9 1°
/sで回転中の角度偏差
Indexing error while rotating at 1 degree/s

-82-

モータ

ナノメートル位置決め技術

10

7. おわりに6

今回1nm以内の偏差で，等速運動性能を有する位

4

置決めシステムを，評価方法とともに開発し十分実用

A2に耐えうる商品として運用が可能となった．また，同

出力

8

0

様の技術で，超精密位置決めスピンドルの構造と計測
不感帯-2

結果を報告した．今後のさらなる精密化の要求に応じ，-4高精度に対応した位置決めシステムを開発したい．

-6
-8
-10
-1

-0.8

-0.6 -0.4

-0.2

0

入力

0.2

0.4

0.6

0.8

1

［参考文献］

V

1）Motohiro Takaya, Kayoko Taniguchi andTadahiko Shiman, Nanometetr Controlled
Stage，デジタルスケール国際ワークショップ，つくば，2001年11月
2）斎藤 洋，超精密・高分解能リニアエンコーダ，フジ・テクノシステム発行，次世代精密位置決め技術
419，20003）Akiko HIRAI, Lijiang ZENG and Hirokazu
MATUMOTO, Heterogyne Fourier Transform
Spectroscopy using Moving Diffraction
Grating, Jpn. J. Appl. Phys. Vol.40 (2001)
6138 Part 1, No.10 Oct.2001
4）中島 明生，ナノメートル位置決め技術の実用化と光ディスク分野への応用，精密工学会 超精密位置決め専門委員会 No.2002-4(4)27 2002.11.15
NTN (株)5）藤川 芳夫，静圧気体軸受の技術動向 月刊トライポ
ロジー 3(2003),44
6）Yukihiro Uematu, Masanori Fukushi, andKayoko Taniguchi，Development of the
Pushpin free STW IEEE TRANSACTIONS ON
MAGNETICS 37,NO.2, MARCH 200
7）NTNエアスピンドルユニットカタログ No.5403III/J

図11 クロスオーバー歪みの例
Example of crossover distortion

写真3 ナノスケールコントローラ，ドライバ
Nanoscale Controller and amplifier

執筆者近影

中島

明生

精機商品事業部
プロダクトエンジニアリング部-83-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）[ 新商品紹介 ]FA円すいころ軸受
軸受鋼の結晶粒微細化技術及び浸炭窒化処理技術により長寿命化を実現
FA処理（Fine Austenite Strengthening）

全体を均一な結晶粒
微細化組織とし、表層部を浸炭窒化層（）で強化0.05mm

FA処理品

0.05mm

普通焼入品

旧オーステナイト結晶粒界性能（当社4Topシリーズ比）

コンパクト化例¡FA処理と軸受の最適化設計によるコンパクト化¡清浄油潤滑条件下で約3倍の寿命¡異物混入潤滑条件下で約14倍の寿命

4Top

FA円すいころ軸受¡組立幅落ち着き回転数を半減

重 量400g ⇒180g（▲55％）¡耐圧痕性を約1.5倍に向上
20.75

-84-

φ30

¡予圧抜け量を半減

φ30

φ72

¡耐焼付き性を回転速度で25％、面圧で2倍
に向上

φ60

¡実用回転領域で10％以上の低トルク化

15.5新商品紹介カーエアコン・コンプレッサ用

複列スラストニードル軸受

ころの複列化により，長寿命・低トルク・低騒音化を実現

樹脂保持器
軽量，自己潤滑性向上

ころ
1ポケットにころを2本配置

特

長

用

¡寿命（表面起点による損傷）：12倍¡カーエアコン・コンプレッサ¡回転トルク：50％低減¡音響：8dBA低減¡保持器は樹脂材使用

：軽量

性

途

能（現行品との比較）
表面起点による損傷寿命

回転トルク

音

80

開発品

50

10

10

100

1000

寿命（h）

85

60

音響（dBA）

回転トルク（N･cm）

累積破損確率（％）

現行品

現行品
開発品

現行品
開発品

95

響

90

40

20

0
0.05

80

75

70

65
0.1

0.15

0.2

負荷荷重／基本動定格荷重

-85-

0.25

1800

3600

回転速度（min-1）

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

ロッカーアーム用

FAニードル軸受

FA処理の採用により，ロッカーアーム用軸受の長寿命化を実現
FA処理（Fine Austenite Strengthening）:
軸受鋼の結晶粒微細化技術及び浸炭窒化処理技術

特

長

用

¡寿命（転動疲労寿命）

途¡エンジン・ロッカーアーム用：4倍¡サイズダウンによる軽量化（許容面圧向上から） ：20％

性

能
寿命試験比較

接触面圧と寿命の関係

95
90

4倍
10

GPa

50

2.5

接触面圧

累積破損確率

％

2.9

2.1

4倍

FA処理品

現行品
5
10

FA処理品

20％
UP

現行品

1.7
100
寿命時間

1000

0

h

-86-

50

100

150

寿命時間

h

200

250

新商品紹介超軽量 GEN3ハブベアリング
軽量化を極めた 質量1.0kg の軽自動車用ハブベアリング

軽量
世界最

特

長

用

¡軽量

途

¡軽自動車用ホイールベアリング¡コンパクト設計
コンピュータ解析
高強度炭素鋼（新開発材料）
長寿命グリース¡長寿命

車両においてばね下質量低減による走行性能の向上
燃費向上-87-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

GEN4 ハブジョイント
独自の拡径加締め法により新型等速ジョイントとGEN3ハブベアリングを一体化し，小形軽量化と組立性向上を達成

特

長

構

¡軽量
CVJと軸受の一体化，ジョイント軸の中空化，CVJと軸受の新加締法により10％以上の軽量化¡軸方向にコンパクト
新型等速ジョイントと軸受の一体化により，軸方向寸法を20％以上コンパクト化¡高効率･低発熱
新型等速ジョイントEシリーズの採用により，動力伝達時のトルク損失が30％向上。発熱も従来タイプに比べ20℃低減-88-

造

新商品紹介アブソリュートエンコーダ付軸受（ホールICタイプ）
アブソリュート型エンコーダ（ホールICタイプ）と高精度原点を内蔵したセンサ付軸受

構

造
磁気エンコーダ
ホールIC原点用

ホールIC角度用

ホールIC
アナログ2相ホールIC
矩形1相ADコンバータ
演算モジュール

AD制御モジュール外部角度検出回路

角

特

長

仕

¡絶対角度を検出¡高精度原点検出が可能¡軽量・コンパクト

用

度

原

点

様

¡軸受形番

：＃6811¡センサ方式 ：磁気エンコーダ＋ホールセンサ方式
¡角度精度

途

¡ロボットの関節¡モータ¡絶対角度検出を必要とする箇所
-89-

：±6°

¡原点繰返し再現性：0.05°
以下¡使用環境温度範囲：0〜50℃

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

ゼロ速対応アクティブ型ワイヤレスABSセンサユニット
ハブベアリングに内蔵したアクティブ磁気センサとセンサ信号送信機に，車体からワイヤレス給電を行うことにより，車輪のゼロ速検出と回転方向検出を実現

構

造

特

長

¡無線給電
¡極低速から回転速度検出（ゼロ速対応）¡回転方向検出磁石

位相が90°異なる回転信号（A・B相信号）を出力¡軽量・コンパクト¡組み立て工数削減¡設計自由度拡大

磁界センサ

用

レクテナ，送信機

途¡乗用車用アクスルユニット-90-

新商品紹介「第1回モノづくり部品大賞」 部品賞受賞

流体動圧軸受ユニット
素材に焼結含油合金を採用した動圧軸受をユニット化
ラジアル・スラストの動圧効果により低NRROを実現

特

長

用

¡動圧効果により，軸が非接触で回転途¡HDDスピンドルモータ（パソコン，HDDビデオ，カーナビゲーション
用など）

・高回転精度を実現
・静音性に優れる¡高密度光ディスク用スピンドルモータ¡軸受スリーブに焼結合金を適用し，プレス加工により動圧溝加工¡ポリゴンスキャナモータなど・量産性に優れる¡焼結合金内部にも潤滑油を保有
・耐焼付き性に優れ，長寿命¡ハウジング・スラストブッシュには鉛を含まない黄銅を採用
・環境負荷を低減

NTNのユニークな発想と，日本電産株式会社殿のモータ技術により，「第1回 モノづくり部品大賞」（日刊工業新聞社主催）において部品賞を受賞しました。

-91-

NTN TECHNICAL REVIEW No.72（2004）

ADY2004 ＜検査装置部門＞ グランプリ受賞

カラーフィルタ用マルチリペア装置
カラーフィルタの修正に必要な機能を1台に集約した業界初のマルチリペア装置
カラーフィルタの生産性と品質向上に大きく貢献します※本装置は，タカノ株式会社殿との共同開発機です。

黒欠陥対応

白抜け欠陥対応

レーザカット機能

インク塗布機能

突起欠陥対応

主な機能

テープ研磨機能¡レーザカット機能：
第2，3高調波YAGレーザ（スリットθ機能搭載）
で欠陥除去

特

¡インク塗布機能：
白抜け欠陥へ塗布針（特許取得済み）にてインク塗布（塗布針先端径：φ30，
φ50，
φ70μm）

長¡カラーフィルタのあらゆる欠陥修正に対応，高品質な修正が可能¡テープ研磨機能：
突起欠陥を圧力制御しながら一定の高さまで研磨（精度：±0.5μm）¡投資コスト，設置面積，トータル修正時間の大幅な削減を実現¡検査装置と組み合せたシステム提案が可能¡高さ測定機能：
突起高さの測定 触針圧1mN以下，分解能0.1μm，
測定範囲±35μm¡第7世代（1870×2200mm）までの大型ガラス
基板に対応¡レビュー機能：
ガラス定盤を採用，透過／落射照明により欠陥形状の観察が可能-92-