正確な自動位置決めには、ステッピング モーター ベースのリニア アクチュエータを検討してください。

リニアアクチュエータは、基本的に直線上で力と動きを生み出します。一般的な機械システムでは、装置の出力軸は、回転モーターをギア、ベルトとプーリー、その他の機械部品を介して直線運動を提供します。問題は、これらの部品を連結し、位置合わせする必要があることです。さらに悪いことに、摩擦やバックラッシュなどの摩耗要素がシステムに追加されます。より精密な位置決めが必要な場合、より効果的でシンプルな代替手段として、ステッピングモーターベースのリニアアクチュエータが挙げられます。

これらのデバイスは、モータ内部で回転運動から直線運動への変換を直接行うため、精密な直線位置決めを必要とする機械や機構の設計を簡素化します。アクチュエータは、電気入力パルスごとに所定の回転角度を動かします。このいわゆる「ステッピング」機能と高精度なリードスクリューの使用により、精密で再現性の高い位置決めが実現します。

ステッピングモーターの基礎
アクチュエータの仕組みを理解するには、ステッピングモータの基本を理解することが役立ちます。ステッピングモータには、可変リラクタンス型（VR型）、永久磁石型（PM型）、ハイブリッド型などがあります。ここでは、高トルクと高精度な位置決め分解能（1.8°または0.9°ステップ）を実現するハイブリッド型ステッピングモータを中心に説明します。リニアアクチュエータシステムでは、ハイブリッド型は以下のようなデバイスに使用されています。XYテーブル、血液分析装置、HVAC 機器、小型ガントリー ロボット、バルブ制御機構、自動舞台照明システムなどです。

ハイブリッドステッパーの内部には、永久磁石のローターとコイル巻線で巻かれた鋼鉄製のステーターが配置されています。コイルに通電すると、N極とS極を持つ電磁場が生成されます。ステーターがこの磁場を伝導し、ローターが磁場と一直線になるように動作します。コイル巻線への通電と消電を繰り返すことで磁場が変化するため、入力パルスまたはステップごとに、ローターはハイブリッドモデルに応じて0.9度または1.8度ずつ回転します。ステッピングモーターリニアアクチュエータでは、ローターに埋め込まれた精密なネジナットが、従来のシャフトの代わりに使用されるリードスクリューと噛み合います。

リードスクリューは、傾斜面という単純な機械原理を用いて直線的な力を生み出します。鋼鉄製のシャフトに傾斜面または傾斜面が巻き付けられている様子を想像してみてください。機械的な利点、つまり力の増幅率は、傾斜面の角度によって決まります。傾斜面の角度は、ねじの直径、リード（ねじ山が1回転する軸方向の距離）、ピッチ（隣接するねじ山間の軸方向距離）の関数です。

リードスクリューのねじ山は、傾斜角（ねじリード）に応じて、小さな回転力を大きな負荷能力に変換します。リードが小さいと力は大きくなりますが、直線速度は低くなります。リードが大きいと、同じ回転動力源から得られる力は小さくなりますが、直線速度は速くなります。一部の設計では、ローターに埋め込まれたパワーナットは、内ねじの加工に適したベアリンググレードの青銅で作られています。しかし、青銅は潤滑性と物理的安定性の間の技術的な妥協点です。より優れた材料は、ナットとねじ山の接触面における摩擦係数がはるかに低い、潤滑された熱可塑性プラスチックです。

ステップシーケンス
ステッピング モーターを駆動する方式には、「1 相オン」ステッピングと「2 相オン」ステッピングがあります。

簡略化された二相モーターの「片相オン」シーケンスでは、ステップ1で通電されたステータのA相を示します。異極同士が引き合うため、ローターは磁気的に固定されます。A相をオフにし、B相をオンにすると、ローターは時計回りに90°回転します（ステップ2）。ステップ3では、B相をオフにし、A相をオンにしますが、極性はステップ1とは逆になります。これにより、ローターはさらに90°回転します。ステップ4では、A相をオフにし、B相をオンにしますが、極性はステップ2とは逆になります。このシーケンスを繰り返すことで、ローターは時計回りに90°ずつ回転します。

「2相オン」シーケンスでは、モーターの両相が常に通電され、一方の相の極性のみが切り替わります。これにより、ローターは「平均」N極と「平均」S極の間に位置します。両相が常にオンであるため、この方法は「1相オン」ステッピングに比べて41.4%高いトルクを実現します。

残念ながら、プラスチックはねじ山には適していますが、ハイブリッドステッピングモータの設計におけるベアリングジャーナルには十分な安定性がありません。これは、連続的な全負荷条件下では、プラスチックジャーナルは真鍮ジャーナルの4倍も膨張する可能性があるためです。モータ設計では、ステータとローター間のエアギャップをわずか数千分の1インチに抑える必要があるため、この膨張量は許容範囲外です。この問題を回避する方法として、永久磁石ローターに挿入する真鍮スリーブ内にプラスチックねじ山を射出成形する方法があります。この方法により、モータ寿命が延び、ベアリングジャーナルの安定性を維持しながら低摩擦を実現できます。

Haydonアクチュエータの種類の中で、「キャプティブ」デバイスは回転防止機構を内蔵しています。この構成は最大ストローク2.5インチ（約6.3cm）まで対応し、精密液体ディスペンシング、スロットル制御、バルブ駆動などの用途に適しています。その他の種類のアクチュエータはヘイドンリニアアクチュエータには、「非拘束型」と「外部リニア型」があり、小型ガントリーロボットによる血液チューブの搬送など、長いストロークを必要とする用途に適しています。XYモーションシステム、およびイメージングシステム。

アクチュエータのサイズ
アクチュエータのサイズ選定方法をよく理解するには、アプリケーション例をご覧ください。以下のパラメータを考慮してください。

荷物を動かすのに必要な直線力 = 15ポンド（67 N）
荷物を移動させる必要がある直線距離（m） = 3インチ（0.0762 m）
時間、t荷物を移動させるのに必要な時間（秒） = 6秒
目標サイクル数 = 1,000,000

ステッピング モーター リニア アクチュエータのサイズを決定するには、次の 4 つの手順があります。1) 必要な寿命を満たすために必要なアクチュエータの初期の力の定格を決定します。2) 速度 (ミリメートル/秒) を決定します。3) 適切なアクチュエータ フレーム サイズを選択します。4) 力の要件に基づいて適切なネジ解像度を決定します。

寿命を予測する最良の方法は、アプリケーションテストを行うことであり、これは強く推奨されます。負荷率とサイクル数の関係この曲線は最初の近似値として役立ちます。ステッピングモーターには摩耗するブラシがなく、高精度で長寿命のボールベアリングを使用しているため、主な摩耗部品はパワーナットです。したがって、設計仕様を満たしながらデバイスが持続するサイクル数は、負荷に依存します。

参照負荷率とサイクル数の関係アクチュエータが100万サイクルに耐えられるよう、適切なサイズ係数を決定するためのチャートを作成しました。結果は50%、つまり0.5倍です。したがって、100万サイクル後の負荷に耐えるために必要な初期定格力（N）は、15ポンド/0.5 = 30ポンド、つまり133 Nとなります。

次に、必要な線形機械動力をワット単位で決定します。

P_リニア= (N × m)/t

この例では、(133 × 0.0762)/6 = 1.7 Wとなります。

このデータを使って、アクチュエータフレームサイズ適切なフレームサイズを選択するには、表を参照してください。すべてのステッピングモーターリニアアクチュエータは、モーターにパルスを送るためのドライブが必要です。表には、L/Rドライブ（定電圧）とチョッパドライブ（定電流）の両方の電力が記載されていることに注意してください。アプリケーションがバッテリー駆動（ハンドヘルドポータブルデバイスなど）でない限り、メーカーは最高の性能を得るためにチョッパドライブを強く推奨しています。この例では、表のチョッパドライブの電力仕様を確認すると、Haydon 43000シリーズ（サイズ17ハイブリッド）が1.7Wの要件に最も適合していることがわかります。この選択により、システムを過剰に設計することなく、負荷要件を満たすことができます。

次に線速度（ips）を計算します。これは次のように求められます。メートル/トン3インチ/6秒 = 0.5 ipsとなります。最適なフレームサイズ（サイズ17ハイブリッド）と線速度（0.5 ips）が手元にある場合は、適切な力と線速度アクチュエータのリードスクリューの適切な分解能を決定するための曲線。この場合、必要なリードスクリューの分解能は0.00048インチです。

リードスクリューはモーターへの入力ステップ数に応じて前進します。性能曲線は「ips」と「steps/sec」の両方で表されます。選択を確認するには、必要なステップレートで力を確認してください。力と脈拍数曲線、ここで: 選択した解像度 = 0.00048 インチ/ステップ、必要な線形速度 = 0.5 ips、必要なステップ レート = (0.5 ips)/ (0.00048 インチ/ステップ) = 1,041 ステップ。

X軸の値（脈拍数）として1,041をプロットし、この点から曲線に垂線を引くと、Y軸の値（力）は30であることがわかります。したがって、選択は正しいです。