高精度リニアモーションを実現するには

アプリケーションに適したモーター技術

精密モーションのために最も広く使われている技術は、様々な種類の電気モーターである。動力源に基づいて、DC（直流）モーターとAC（交流）モーターを区別する。もうひとつの主な差別化要因は動作原理で、磁気、静電気、圧電のいずれかになります。

磁気ベースのDCおよびACモーター

磁気ベースのDCおよびACモーターは、電気自動車から家庭用電化製品に至るまで、日常生活のあらゆる分野で使用されているため、最も一般的に知られています。磁気を利用したモータのすべての種類を詳しく説明することなく、高精度のモーションアプリケーションで一般的に使用されている種類を詳しく見てみましょう：

  • DCサーボモーター：これらのモーターは高精度であり、エンコーダベースの位置フィードバックによるクローズドループ により、非常に正確な位置決め制御を実現します。ロボット工学、CNC工作機械、その他の精密制御を必要とする自動化システムなどの用途で頻繁に使用されます。
  • ステッピングモーター：これらのモーターは、もともとサーボモーターの低コストな代替品でした。その理由は、内蔵された出力ステップにより、位置制御を行う固有の能力があり、フィードバック・エンコーダーなしでオープンループ位置制御として使用できるからです。この動作モードは、起動時にイニシエーション・ステップを必要とし、過負荷はステップの見逃しや位置決めエラーにつながるため、その性能には限界があります。これらの問題を克服するために、現在ではステッピングモーターはエンコーダー・フィードバックを持ち、クローズド・ループ・モードで動作するのが一般的です。
  • リニアモーター：電気モーターのステーターとローターを「広げる」とリニアモーターになる。ブラシレス、ブラシ付き、同期、誘導など、さまざまなタイプがある。リニアモーターは、磁気浮上式鉄道のような重工業用途のほか、半導体製造や精密ステージのような精密用途でも使用されており、加速度、最高速度、精度、速度一定性、振動の回避といった点で、リードスクリューやボールスクリュー駆動の位置決めステージよりも優れています。

ピエゾアクチュエーターとピエゾモーター - 違いはあるのか？

圧電素子ベースのソリューションは、高精度のムーブメントにおいて、上記のソリューションに対抗する主要な競争相手です。ここでは、2つの主要なグループを区別します。ピエゾアクチュエーターとピエゾモーターです。

磁気ベースのエレクトロモーターは通常、回転運動を生み出す（リニアモーターを除く）。これらのモーターから直線運動を生み出すには、移行機構が必要です。これを実現する最も一般的なソリューションは、リードスクリューとボールスクリューの統合です。

しかし、ダイレクトドライブ・ピエゾモーターの場合、その構造上、生成される運動はすでにリニアであるため、これらの部品は必要ありません。さらに、円周に沿って直線運動を適用すると、ダイレクトドライブ回転ピエゾモーターになります。

モーターだけでなく、フルモーションシステムを考慮することが重要なのはなぜですか？

上で見たように、高精度の直線運動は、多くの場合、モーターだけでは達成できない。したがって、設計と統合のプロセスでは、完全なモーション・システムを考慮することが重要です。一例として、非常に安価なDCモーターが与えられたタスクに適していると想像できますが、統合中に、すべての動作要件を満たすために、ギアボックス、ブレーキシステム、リードスクリューまたはボールねじソリューションが必要であることに直面するでしょう。一方、ピエゾモータは、モータ価格とモータ価格を比較すると高価かもしれませんが、その固有の特徴により、追加部品が不要で、調達、組み立て、メンテナンスがはるかに容易になります。この例は、コンポーネントソリューションだけでなく、モーションシステムで考える価値がある理由を示しています。以下の表は、様々なソリューションの非網羅的な比較を提供します：

技術DCサーボ＆ステッピングモーターリニア/ボイスコイルモーターピエゾモーター
直線運動変換可能はいはい
回転運動はい変換可能はい
オートホールド/ブレーキ（消費電力なし追加メカニズム機構を追加した場合、または電源を入れた場合高精度位置保持
動作開始時または終了時のバックラッシュ機械部品の遊びのために存在するが、特殊なギアを使用すればゼロに近づけることができる。磁石とコイル推力 に依存するバックラッシュなし

設計時のトレードオフ推力 速度:
接続するギアボックスに依存
分解能 vs 価格:
高精度には優れたエンコーダとコントローラが必要。さらに直線運動には高品質スピンドルが必要
推力 価格:
より高い推力 には推力 磁性材料が必要		ストローク vs 重量：
ストロークが長いほど、より多くの磁石が必要となり、重量が増加する
解像度 vs ストローク：
解像度が高いほど、ストロークが長いほど難易度が高くなる
繰り返し精度 vs 価格：
解像度が高いにもかかわらず、動きは絶対的ではなく、その結果、繰り返し精度が低くなる。		推力 価格: 推力 高めるには推力 セラミック材料が必要となる
推力 ストローク:
推力 高めるには推力 ストローク長が利用可能となる
推力 速度:
推力 高めるには推力 通常低下する

ギアとスピンドルを組み合わせたDCモーターの精度は、いくつかの要因に左右される：

  • ギア比：ギア比は、モーターの回転がスピンドルの回転に変換される量を決定します。ギア比を高くすると、より細かい制御と精度が得られますが、速度が犠牲になる場合があります。
  • モーター制御：モーターの制御システムは重要な役割を果たします。PID（比例-積分-微分）コントローラーなどの精密な制御システムは、より正確な位置決めと速度制御を実現するのに役立ちます。
  • 機械設計：ギアとスピンドルシステムの機械設計は非常に重要です。歯車にバックラッシュや遊びがあると、精度が低下します。
  • 部品の品質：モーター、ギア、スピンドル部品の品質も精度に影響します。高品質な部品は、一般的に精度と信頼性を向上させます。
  • フィードバックシステム：エンコーダーやセンサーなどのフィードバックシステムを追加することで、システムの位置や速度に関するリアルタイムの情報を提供し、調整や修正を可能にすることで、精度を高めることができます。
  • 環境要因：温度、湿度、振動などの環境要因も精度に影響を与える。
  • 公差と校正：適切な校正とメンテナンスは、長期間にわたって精度を維持するために不可欠です。

一般的に、これらの要素を適切に組み合わせれば、DCモーターとギアおよびスピンドルを組み合わせて、ロボット工学、CNC機械、オートメーションシステムなどの様々な用途に適した高精度を達成することができます。しかし、達成可能な精度は、最終的には、アプリケーションの特定の要件と、設計および実装中に行われたエンジニアリングのトレードオフに依存します。

モーターサイジングはほんの始まりに過ぎない...。


この論文では、比較的単純な単軸リニアモーションアプリケーションのためのモータの適切なサイジングに焦点を当てました。X-Yテーブルや多軸精密ピックアンドプレース機構など、より複雑なシステムでも原理は同じですが、各軸を個別に負荷解析する必要があります。この記事の範囲外のもう一つの考慮点は、システムの望ましい寿命（サイクル数）を満たすために適切な安全係数を選択する方法です。システムの寿命はモーターサイズだけでなく、ギアボックスやリードスクリューアセンブリのようなシステム内の他の機械的要素の関数でもあります。位置決め精度、分解能、繰返し精度、最大ロール、ピッチ、ヨーなど、その他の要素もすべて、リニアモーションシステムがアプリケーションの目標を満たすか、目標を上回るようにするための重要な考慮事項です。

ギアとスピンドルを組み合わせたDCモーターで精度を達成するには、様々な要因を考慮する必要があります。ギア比、PIDコントローラのようなモータ制御システム、機械設計の品質、部品の品質、フィードバックシステム、環境要因、キャリブレーションなどです。これらの要素を適切に組み合わせることで、ロボット、CNCマシン、オートメーションシステムに適した高精度を実現することができます。

モータのサイジングは非常に重要で、各軸の負荷を個別に分析する必要があります。DCステッパー、DCブラシサーボ、DCブラシレスサーボなど、さまざまなモータータイプには長所と短所があり、トルク、速度、コスト、複雑さなどの要因に影響します。

リニアピエゾモータとDCモータの比較

DCステッピングモーター

強みだ：

  • オープンループ位置決め - エンコーダ不要。
  • 回転に必要なシンプルな「パルスと方向」信号。
  • 低速域でのトルク密度が高い。
  • 定格温度を超えることなく「失速」状態にすることができる。
  • 最も低コストなソリューション。
弱点がある：
  • 負荷が出力トルクを超えた場合、位置補正を行わない。
  • パワー密度が低い - トルクは高速で劇的に低下する。
  • 停止状態でも連続的に電流を流す。
  • 3000回転以上では鉄損が大きい。
  • 低速で顕著なコギング（マイクロステッピングドライブで改善可能）。
  • 低速域でのリンギング（共振）。

DCブラシサーボモーター

強みだ：
  • ステッパーと比較した直線的な速度/トルク曲線。
  • 低コストの駆動エレクトロニクス（4つのパワー・スイッチング・デバイス）。
  • 様々な構成が可能。
  • 低速でも非常にスムーズな操作が可能。
  • 高出力密度 - ステッパーと比較して、より高速でより平坦なトルク。
弱点
  • 過負荷状態でモーターが大電流を流す。
  • クローズドループ位置決めに必要なエンコーダ。
  • 機械的整流のため速度に制限あり。
  • ブラシの摩耗。
  • 熱抵抗が高い（電機子回路に銅が使われている）。

DCブラシレスサーボモーター

強みだ：
  • 高出力密度 - ステッパーと比較して、より高速でより平坦なトルク。
  • ステッパーと比較した直線的な速度/トルク曲線。
  • 電子整流 - 機械式ブラシを使用しない。
  • 熱抵抗が低い（ステーター回路に銅が使われている）。
  • ステッピングモーターやブラシ付きDCモーターに比べて最高速度が可能。
弱点がある：
  • 3つのモーター技術の中で最もコストが高い。
  • 過負荷状態でモーターが大電流を流す。
  • クローズドループ位置決めに必要なエンコーダ。
  • ドライブの複雑さとコストが高くなる（6個のパワー・スイッチング・デバイス）。
  • 電子整流に必要なローター位置センサー

リニアピエゾモーターの 強みと弱み

強みだ：
  • サブマイクロメートルレベルの極めて精密な位置決め。
  • 高い応答率と加速。
  • バックラッシュや機械的な遊びはない。
  • コンパクトで軽量。
  • 電磁干渉はない。
  • 真空環境またはクリーンルーム環境で動作可能。
弱点がある：
  • 推力 限定されています。
  • ストロークの長さに制限がある。
  • 比較的高いコスト。
  • 温度変化に敏感。
  • 複雑な駆動エレクトロニクスと制御アルゴリズムを必要とする。
  • 経年劣化に弱い。

リニアモーションシステムにおける電力変換は、負荷要件を理解することから始まり、効率的な動作を確保するためのモータ電力供給の分析につながります。各モータタイプには明確な利点と欠点があり、その選択は特定のアプリケーション要件に依存します。