高精度な自動位置決めには、ステッピングモーターを用いたリニアアクチュエータが適しています。

リニアアクチュエータは、基本的に直線に沿って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、ギア、ベルトとプーリー、またはその他の機械部品を介して回転モーターによって直線運動を実現します。問題は、これらの部品を結合して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といった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、ステッピングモーターベースのリニアアクチュエータは、より効果的でシンプルな代替手段となります。

これらの装置は、モーター内部で回転運動と直線運動を直接変換するため、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一定角度の回転運動を行います。このいわゆる「ステップ動作」機能と精密なリードスクリューの使用により、高精度で再現性の高い位置決めが可能になります。

ステッピングモーターの基礎知識
アクチュエータの動作原理を理解するには、ステッピングモーターの基本を理解すると役立ちます。ステッピングモーターには、可変リラクタンス（VR）、永久磁石（PM）、ハイブリッドなど、さまざまな種類があります。この説明では、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）を提供するハイブリッドステッピングモーターに焦点を当てます。リニアアクチュエータシステムでは、ハイブリッドは次のようなデバイスに見られます。XYテーブル、血液分析装置、空調設備、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。

ハイブリッドステッピングモーターの内部には、永久磁石ローターとコイル巻線で巻かれた鋼鉄製ステーターがあります。コイルに電流を流すと、北極と南極を持つ電磁場が生成されます。ステーターは磁場を伝導し、ローターが磁場に沿って回転します。コイル巻線に電流を流したり流さなかったりする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、ハイブリッドモデルに応じてローターが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ねじ付き精密ナットがリードスクリュー（従来のシャフトの代わり）と噛み合います。

リードスクリューは、傾斜面の単純な力学的原理を利用して直線的な力を発生させます。鋼鉄製のシャフトに傾斜面（ランプ）を巻き付けた状態を想像してみてください。機械的利点、つまり力の増幅は、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回転で進む軸方向の距離）、およびピッチ（隣接するねじ山間の軸方向の距離）によって決まります。

リードスクリューのねじ山は、傾斜の急峻さ（ねじ山のリード）に応じて、小さな回転力を大きな負荷能力に変換します。リードが小さいほど、より大きな力が得られますが、線速度は低くなります。リードが大きいほど、同じ回転動力源から、より大きな力が得られますが、線速度は高くなります。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、ナットとねじ山の界面での摩擦係数がはるかに低い潤滑性熱可塑性樹脂です。

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」ステッピングがある。

簡略化された2相モータの「1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。異なる極は引き合うため、これによりロータが磁気的にロックされます。A相をオフにしてB相をオンにすると、ロータは時計回りに90°回転します（ステップ2）。ステップ3では、B相をオフにして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、ロータはさらに90°回転します。ステップ4では、A相をオフにして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と、ロータは90°ずつ時計回りに回転します。

「2相オン」方式では、モーターの2つの相が常に通電され、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」北磁極と「平均」南磁極の間に位置合わせされます。両方の相が常にオンになっているため、この方式は「1相オン」方式のステップ駆動よりも41.4%大きなトルクが得られます。

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ーの設計におけるベアリングジャーナルとしては安定性が十分ではありません。これは、連続的な全負荷条件下では、プラスチック製のジャーナルは真鍮製のジャーナルの4倍も膨張する可能性があるためです。モーターの設計上、ステータとローター間のエアギャップはわずか数千分の1インチでなければならないため、この膨張量は許容できません。この問題を解決するには、永久磁石ローターに挿入する真鍮製スリーブの内側にプラスチック製のねじ山を射出成形する方法があります。この方法により、ベアリングジャーナルの安定性を維持しながら、モーターの寿命を延ばし、摩擦を低減することができます。

Haydonアクチュエータのさまざまなタイプのうち、「キャプティブ」デバイスには回転防止機構が内蔵されています。この構成では、最大ストロークが最大2.5インチまで可能で、精密な流体吐出、スロットル制御、バルブ動作などの用途に適しています。その他のタイプは、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、より長いストロークが必要なアプリケーションに適しています。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選定
アクチュエータのサイズ決定方法を理解するには、応用例が最も分かりやすいでしょう。以下のパラメータを考慮してください。

荷物を移動させるのに必要な直線力 = 15ポンド (67ニュートン)
荷物を移動させる必要がある直線距離（m）＝3インチ（0.0762m）
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式リニアアクチュエータのサイズ選定には、次の4つのステップがあります。1) 要求される寿命を満たすために必要なアクチュエータの初期力定格を決定する。2) 速度をミリメートル/秒単位で決定する。3) 適切なアクチュエータフレームサイズを選択する。4) 力要件に基づいて適切なネジ分解能を決定する。

生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、良い近似値として機能します。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動作するサイクル数は、負荷の関数となります。

参照負荷率とサイクル数の関係チャートを使用して、アクチュエータが 1,000,000 サイクルに耐えるための適切なサイズ係数を決定します。これは 50%、つまり 0.5 の係数であることがわかります。したがって、1,000,000 サイクル後に負荷を満たすために必要な初期定格力 N は、15 lb/0.5 = 30 lb、つまり 133 N です。

次に、必要な線形機械動力をワット単位で求めます。

P_リニア= (N × m)/t

この例では、(133 × 0.0762)/6 = 1.7 W となります。

このデータを使用して、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式リニアアクチュエータは、モーターにパルスを送信するためのドライブを必要とします。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（携帯型デバイスなど）でない限り、メーカーは最高のパフォーマンス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の要件に最も近いことがわかります。この選択により、システムを過剰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。これは次式で与えられます。メートル/トンそして、3インチ/6秒 = 0.5 ips となります。最適化されたフレームサイズ (サイズ 17 ハイブリッド) と線速度 (0.5 ips) が手元にあるので、適切なものを使用してください。力と線速度の関係曲線を使用して、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します。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基づいて前進することを思い出してください。性能曲線は「ips」と「ステップ/秒」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の力を確認してください。力と脈拍数の関係曲線、ここで、選択された解像度 = 0.00048 インチ/ステップ、必要な線速度 = 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直な線を引くと、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。