優れた直線運動システムを構築するには、適切なアクチュエータを選択することから始まります。サイズ、技術、品質など、数百もの選択肢が存在します。重要なのは、最適な結果をもたらすアクチュエータを絞り込むことです。幸いなことに、それは想像ほど難しいことではありません。アプリケーションの要件によって可能なアクチュエータの選択肢が絞り込まれ、プロジェクトの制約によって最適なものが決定されます。

このプロセスは、ここに挙げた一連の重要な要素を検討することから始まる。

スピード

アクチュエータを選定する際には、速度が重要な要素となります。スクリュー式アクチュエータは効果的で経済的な部品ですが、非常に高速で回転すると、スクリューが回転時に外側に湾曲する「スクリューウィップ」と呼ばれる現象が発生します。スクリューウィップは振動や早期摩耗の原因となります。

スクリューの振動が発生する閾値、すなわち臨界速度は、スクリューの寸法と材質によって決まります。臨界速度は、よく知られた方程式を用いて解析的に計算できます。速度が高すぎてスクリュー式アクチュエータが使用できない場合は、リニアモータまたはベルト駆動式アクチュエータの使用を検討してください。

負荷

アクチュエータは負荷に対して適切なサイズであることが不可欠です。負荷容量に合わせてサイズを決定する際には、ガイドベアリングのラジアル荷重容量、サポートキャリッジのモーメント容量、サポートベアリングとボールねじのアキシャル荷重容量など、いくつかの要素を考慮する必要があります。用途によって生じる負荷に対応できるように設計されたアクチュエータを選択することが重要です。

よくある誤解として、重要なのは耐荷重能力だけだと考えられがちですが、確かに耐荷重能力があれば、特定の荷重条件下でのアクチュエータの耐用年数を計算することは可能です。しかし、アクチュエータの様々な荷重方向における剛性など、他の要素も考慮する必要があります。設計チームは、荷重-たわみ計算を実行して、アクチュエータが用途において正常に動作するかどうかを判断する場合があります。

考慮すべきもう一つの要素は、荷重の配置です。アクチュエータの軸に沿って移動する台車の上に載った質量は、転倒モーメントを発生させる片持ち荷重とは全く異なる力を加えます。アクチュエータのサイズと支持構造が適切であることを確認してください。

垂直方向の用途では、負荷の位置を維持するために特別な注意が必要です。特定の設計パラメータでは、リードスクリューはセルフロック式になります。これは、モーターが故障した場合でも、逆回転しないことを意味します。スクリューがセルフロック式であることを保証するには、スクリューの効率が50%未満である必要があります。ここで、効率はリード角とナットとスクリュー間の摩擦係数によって決まります。あるいは、ラックアンドピニオンアクチュエータも使用できます。

近年、ベルトは著しく改良されました。堅牢で高度な設計が施されているため、かつてのように定期的な張力調整は不要になりました。速度やストロークの要求がボールねじやリードスクリューでは満たせない場合、ベルト駆動は優れた選択肢となります。ベルト駆動を垂直方向で使用する場合は、特別な注意が必要です。安全のため、必要に応じてカウンターウェイトやブレーキを使用し、負荷の減速、停止、支持を行うことを推奨します。

ストローク長

次に考慮すべき要素はストローク長です。スクリュー式アクチュエータは効果的で、場合によっては5フィート以上のストロークにも使用できます。ただし、ストローク長が非常に長いスクリュー駆動式アクチュエータでは、臨界速度を超えないように注意が必要です。ストローク長が長い場合は、ベルト駆動の方が適しています。今日のベルトは高度な技術で製造された素材でできており、メンテナンスはほとんど必要ありません。50フィートもの距離で使用できます。

長ストロークを実現するもう一つの選択肢は、リニアモーターです。リニアモーターは、基本的に巻き取り式サーボモーターをそのまま伸ばしたもので、固定された磁石トラックに沿って力が伝わる仕組みになっています。理論上は、トラックの長さはいくらでも長くできます。しかし、実際には、水平で正確に位置合わせされた磁石トラックを用意する必要があることと、磁石のコストによって制限されます。また、非常に長いストロークでモーターケーブルを管理することも課題となる場合があります。

再現性

あらゆるアプリケーションには、再現性に関する要件があります。適切なアクチュエータを選択することで、これらの要件を満たすだけでなく、予算や組み立て時間の目標達成にも貢献するシステムを実現できます。スクリュー式アクチュエータは、±0.0001～±0.003インチの再現性を実現します。これは、ベルト駆動方式の±0.002～±0.010インチと比較すると、非常に優れた性能です。

最適な選択は、用途のニーズによって異なります。ベルト駆動はスクリュー式アクチュエータほどの性能は持ち合わせていませんが、許容誤差が比較的緩い用途では、ベルト駆動は大幅なコスト削減につながります。より要求の厳しい用途では、リニアモーターアクチュエータはサブミクロンレベルの再現性を実現します。

デューティサイクル

デューティサイクルは機器の寿命に大きな影響を与えます。用途の要件を満たすリニアアクチュエータを選択することが重要です。例えば、リードスクリューは摺動接触（一般的にはステンレス鋼とプラスチックの接触）に基づいています（用途に応じて多くの選択肢があります）。このため、デバイスの寿命期間中に大きな摩耗が生じます。したがって、高負荷かつ高デューティサイクルの用途では、リードスクリューの使用は避けるべきです。

代わりに、ボールねじ式アクチュエータを選択してください。これらの装置は滑り摩擦ではなく転がり摩擦を利用するため、寿命が長く、予測も容易です。ただし、ボールは特に高負荷時には損傷する可能性があります。故障が許されない用途には、遊星ローラーねじを試してみてください。これらの装置は重量を分散して摩耗を最小限に抑えるため、軍事や航空宇宙用途などに適しています。予算を抑えたい場合は、ベルト駆動も有効です。

環境

アプリケーションの動作環境もアクチュエータの選択に影響を与えます。クリーンルーム環境では、リードスクリュー式アクチュエータは避けてください。金属とプラスチックの接触によって微粒子が発生し、クリーンルームの性能を損なう可能性があります。

逆に、極端に汚れた環境ではアクチュエータが損傷する可能性があります。ロッド式アクチュエータでは、ネジはハウジング内に密閉されています。そのため、ロッド式アクチュエータは、汚染や液体のある環境でも比較的安全です。ロッドレス式アクチュエータでは、負荷はネジに接続する必要のあるキャリッジに載るため、アクチュエータが汚染にさらされる可能性があります。.

そのため、ロッドレスアクチュエータは、ベース技術がスクリュー式アクチュエータであれリニアモーターであれ、特別な対策が必要です。IP規格に準拠した部品を探してください。侵入を減らすため、スリットを下向きに取り付けることを検討してください。潤滑剤が粒子を捕捉・保持し、時間の経過とともに表面を損傷する可能性があることに注意してください。

環境に関して考慮すべきもう一つの要素は、利用可能なスペースの量です。世界最高性能のアクチュエータであっても、設置場所に収まらなければ意味がありません。十分なスペースを確保するためにも、設計段階の早い段階でアクチュエータの仕様を決定してください。必要な特性をコンパクトな形状で実現できる要素を最大限に活用できるよう、ベンダーと緊密に連携してください。

予算

価格目標を常に念頭に置いておくことが重要です。リニアモーターが最も高価で、次いでスクリュー式アクチュエータ（遊星スクリュー、ボールスクリュー、リードスクリュー）が続きます。ベルト駆動が最も経済的です。

エンジニアリングには常にトレードオフが伴います。上記のリストはアクチュエータ選定の第一段階です。用途によっては、予算が性能よりも優先される場合や、デューティサイクルが速度よりも重要になる場合など、特別な制約が生じる可能性があります。アクチュエータの仕様決定は、設計段階のできるだけ早い段階で開始してください。標準部品を使用するように努めてください。標準部品でニーズを満たせない場合は、ベンダーと相談して、目的に合ったカスタム製品を開発してもらいましょう。