ベローズカップリング
ベローズカップリングは、薄肉金属ベローズ（同心円状の波形をもつ薄板筒）を弾性要素とするフレキシブルカップリングである。ねじり方向の剛性が高く、バックラッシが事実上ゼロで、角度・平行・軸方向の各ミスアライメントを微小量だけ吸収できる点が特長である。サーボモータとボールねじ、精密ステージ、エンコーダなどの高応答・高精度軸系に広く用いられる。薄肉ベローズの蛇腹部が弾性ヒンジとして働き、ねじり剛性とたわみ許容量の両立を実現する。
構造と材料
ベローズカップリングは「ベローズ本体」と「ハブ（軸取付部）」で構成される。ベローズはSUS304やSUS316Lなどのステンレス薄板を成形し、両端をアルミ合金やS45Cなどのハブに溶接・ろう付けして一体化する。蛇腹の山数（コンボリュート数）や板厚、外径はねじり剛性・許容ミスアライメント・慣性モーメントに直結するため、要求仕様に応じて最適化される。
ベローズの成形方法
製法は液圧（ハイドロフォーミング）や機械成形が一般的で、板厚はおおむね0.05〜0.2 mm程度が多い。山形状やピッチ、山数の調整により、ねじり剛性と曲げ柔軟性のトレードオフを設計する。高真空やクリーン環境用途では溶接部の清浄性・残留応力管理が重要となる。
特性（ねじり・バックラッシ・慣性）
ねじり方向は高剛性で、角度変位に対するねじり角が小さいためサーボ系の位相遅れを抑制しやすい。構造上のバックラッシがなく、微小位置決めに適する。一方、薄肉構造ゆえ過大トルクや過大撓みに対する疲労には配慮が必要である。回転系設計では、T_r（許容トルク）、k_t（ねじり剛性：Nm/rad）、I（慣性モーメント）、n_max（最高回転数）を主要指標として評価する。
- ねじり剛性が高くゲイン設計が容易
- バックラッシゼロで反転時のガタがない
- 低慣性で加減速応答に優れる
許容ミスアライメント
吸収できるミスアライメントは、角度ずれ（angular）、平行ずれ（parallel）、軸方向伸縮（axial）の3種である。一般には角度1〜2°、平行0.1〜0.3 mm、軸方向±0.2〜±0.5 mm程度が目安だが、サイズ・仕様で大きく異なる。複合ずれ時は二乗和平方根（RSS）で評価し、同時発生では許容値を低減させる。ミスアライメントは蛇腹根元の交番曲げを増やし、疲労寿命に影響するため、芯出し精度の確保が基本である。
種類
- クランプ式：スリットクランプで軸を締結し、心出し性と着脱性に優れる
- セットスクリュー式：止めねじで固定。軸傷付防止に先端形状・座面を配慮
- ワンピースハブ／スプリットハブ：分割構造は狭スペースでの交換に有利
- 電気絶縁タイプ：介在スリーブで漏れ電流や電食を抑制
蛇腹の山数を増やせば曲げ柔軟性は高まるが、ねじり剛性や最大トルクは低下しやすい。要求精度・許容ずれ・トルク容量のバランスで型式を選ぶ。
選定手順
- 負荷トルクの算出：T_req＝J_total×α/η＋T_load（単位整合に注意）
- 安全率の設定：定常〜加速ピークを考慮し、T_rに対し1.5〜2倍を目安
- ねじり剛性：ねじれ角を許容内に抑え、位置決め精度と位相余裕を確保
- 軸径・はめあい：公差、表面粗さ、キー有無、Dカット等を確認
- 動的特性：Iが小さいモデルで応答性を確保し、n_c（共振）を回避
- 環境：温度範囲、腐食、真空・クリーン、潤滑・アウトガス要件
取付けと芯出し
取付けは基準面の清掃とバリ除去を行い、規定トルクで締結する。クランプ式は段階的に均等締めし、回転振れをダイヤルゲージで確認する。セットスクリューは120°等間隔配置が望ましく、偏重心を避ける。蛇腹部に横荷重を与えるこじり挿入は厳禁である。
バランスと偏心
高速回転では動バランスが重要となる。ハブのスリット向きや止めねじ配置が偏心・不釣合いに与える影響を考慮し、必要に応じてバランスグレードを選択する。
故障モードと保守
主な故障は蛇腹根元の疲労き裂、過負荷による座屈・塑性変形、腐食や応力腐食割れである。兆候は振動・騒音・位置ずれの増大として現れることが多い。定期点検では締結トルク再確認、蛇腹の変色・微細き裂の目視、ミスアライメントの再測定を行う。
代表的な用途
サーボモータとボールねじの直結、リニアステージの送り軸、エンコーダ・タコジェネレータの軸継手、半導体製造装置や医療機器の無潤滑・低アウトガス環境などで用いられる。高剛性と微小撓みの両立により、追従性と位置決め再現性を確保できる。
規格・表記
カップリングの一般項目として、定格トルクT_r、ねじり剛性k_t、最大回転数n_max、許容ミスアライメント（angular/parallel/axial）、使用温度範囲、質量・I（kg·m²）がカタログに示される。選定時はこれらの値と安全率、組合せずれを同時に満たすことを確認する。必要に応じてJISやISOの用語定義・試験法、各社カタログの条件（測定長・温度・頻度）を読み替えて比較する。
設計上の留意点
高剛性化のために山数や板厚を増すと許容ずれが低下し疲労が増えやすい。逆に柔軟化するとねじり角が増えて制御ゲインを下げざるを得ない。要求仕様（精度・寿命・応答）を明確化し、軸受負荷や据付誤差、熱伸びを含む全体最適で決定するのが要諦である。特にサーボ系では、ベローズカップリングのk_tとモータ・負荷のIから機械共振周波数を見積もり、制御帯域外に逃がす設計が有効である。
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