直線運動システムは、精密レーザー切断システム、実験室自動化装置、半導体製造装置、CNC工作機械、工場自動化装置など、数えきれないほどの機械に搭載されています。乗用車の安価なシートアクチュエータのような比較的シンプルなものから、閉ループ位置決め用の制御・駆動電子機器を備えた複雑な多軸座標系まで、その種類は多岐にわたります。直線運動システムの複雑さに関わらず、最も基本的なレベルでは、すべてに共通する点が一つあります。それは、負荷を特定の時間内に直線距離だけ移動させることです。

直線運動システムを設計する際に最もよく聞かれる質問の一つは、モーター技術に関するものです。技術が決定したら、負荷の加速、システム内の摩擦、重力の影響といった要求を満たしつつ、安全な最大動作温度を維持できるモーターのサイズを選定する必要があります。モーターのトルク、速度、出力、位置決め能力は、モーターの設計と駆動・制御システムの組み合わせによって決まります。

どのモーターから始めるべきでしょうか？

特定のモーター技術を用いて直線運動システムを設計する際には、考慮すべき多くの応用上の問題があります。その全過程を網羅的に説明することは、この記事の範囲を超えています。この記事の目的は、モーターサプライヤーと話し合う際に、適切な質問をするためのヒントを提供することです。

あらゆる用途に最適なモーターというものは存在せず、特定の用途に最適なモーターが存在する。インクリメンタルモーション用途の大部分では、ステッピングモーター、ブラシ付きDCモーター、またはブラシレスDCモーターのいずれかが選択される。最も複雑なモーションシステムでは、負荷に直接接続されたリニアモーターを使用することで、機械的な動力変換を回避できる。リードスクリュー/ボールスクリュー、ギアボックス、またはプーリーシステムを介した変換は不要となる。コアレスダイレクトドライブリニアサーボシステムでは、最高の精度、再現性、および位置決め分解能を実現できるが、ロータリーモーターと比較すると、コストと複雑さが最も高くなる。ロータリーモーターを使用したアーキテクチャははるかに安価であり、ほとんどのリニアモーション用途に対応できるが、負荷を駆動するためには、何らかの「回転から直線への」変換（結果として動力変換）が必要となる。

ステッピングモーター、ブラシ付きモーター、ブラシレスモーターはすべてDCモーターとみなされますが、特定の用途ではエンジニアが他の2つのタイプよりも1つのタイプを優先するようになる微妙な違いが存在します。この選択は、速度とトルクだけでなく、位置決め精度、再現性、分解能の要件など、システムの設計要件に大きく依存することを強調する必要があります。すべての用途に最適なモーターはなく、すべての決定には設計上のトレードオフが必要です。最も基本的なレベルでは、ACモーター、DCモーター、ブラシ付きモーター、ブラシレスモーター、またはその他の電気モーターと呼ばれるすべてのモーターは、磁場の相互作用という同じ物理原理に基づいてトルクを生成します。しかし、これらのさまざまなモーター技術が特定の用途でどのように反応するかには劇的な違いがあります。モーターの全体的な性能、応答、およびトルク生成は、物理的なモーター設計に固有の磁場励起方法と磁気回路の形状、コントローラ/ドライブによる入力電圧と電流の制御、および用途で必要な場合の速度または位置フィードバックの方法に依存します。

DCステッピングモーター、ブラシ付きサーボモーター、ブラシレスサーボモーターの3つの技術はいずれも、DC電源を用いて駆動します。直線運動用途の場合、これは固定DC電源をモーター巻線に直接供給できるという意味ではありません。巻線電流（出力トルクに関係）と巻線電圧（出力速度に関係）を制御するための電子回路が必要となります。以下に、これら3つの技術の長所と短所をまとめました。

リニアシステムの設計は、負荷質量と、その質量がA地点からB地点まで移動する速度から始まります。モーターの種類、サイズ、および機械設計は、負荷を移動させるのに必要な電力（ワット）に基づいて決定されます。負荷から始めて、最終的に駆動電源までのすべてのコンポーネントを遡って分析することで、システムのある部分から別の部分への電力変換を理解し、その間のコンポーネントのさまざまな効率を考慮します。駆動装置への電圧と電流の形でのワットは、最終的に、特定の時間内に特定の負荷を移動させる機械出力ワットに変換されます。

負荷に必要な出力電力の目安を知るには、簡単な電力計算でモーターの概算値を把握できます。必要な平均出力電力を把握したら、モーターに遡ってさまざまな電力変換要素を順に調べて、電力要件の分析を完了します。各コンポーネントの効率を考慮するために、メーカーのデータを参照する必要があります。これは最終的にモーターと電源のサイズを決定するからです。どの単位を使用するかは個人の好みによりますが、SI単位の使用を強くお勧めします。SI単位を使用すれば、複数の変換定数を覚える必要がなくなり、最終結果をいつでもヤード・ポンド法の単位に変換できます。

必要な時間内に荷物を移動させるには、どれくらいの動力が必要ですか？

重力に逆らって9kgの質量を持ち上げるには、約88Nの力が必要です。負荷を動かすのに必要なワット数を計算することで、システムの残りのコンポーネントを決定するための出発点が得られます。これは、9kgの質量を1秒間にA地点からB地点まで垂直に移動させるのに必要な平均電力です。摩擦などのシステム損失は含まれていません。モーター軸に必要な電力はこれよりやや高く、ギアボックスやリードスクリューなど、システムで使用される他のコンポーネントによって異なります。

P = (F × S) / t

P = (88N × 0.2m) / 1.0s = 17.64w

これは、システムに求められる最大電力とは異なります。加速と減速を考慮すると、動作プロファイル中の瞬間電力は若干高くなりますが、負荷時に必要な平均出力電力は約18ワットです。すべてのコンポーネントを徹底的に分析した結果、このようなシステムでは、作業を完了するために約37ワットの最大電力が必要となります。この情報とその他のさまざまなアプリケーション仕様を組み合わせることで、最適なモーター技術を選択するのに役立ちます。

どのようなモーター技術を検討すべきでしょうか？

優れた位置決め能力と比較的簡単な制御性から、設計者はまずステッピングモーターの使用を検討するだろう。しかし、ステッピングモーターでは、負荷要件を満たしつつ、小型化という要件を満たすことはできない。最大電力要件が37ワットであるため、非常に大型のステッピングモーターが必要となる。ステッピングモーターは低速域では非常に高いトルクを発揮するものの、動作プロファイルの最大速度、ひいては電力要件は、最大級のステッピングモーターを除いて、すべてのモーターの能力を超えてしまう。

ブラシ付きDCサーボモーターは、負荷要件を満たし、設置面積も小さく、低速回転時でも非常に滑らかな回転を実現します。しかし、厳しいEMC要件のため、この用途ではブラシ付きモーターの使用は避けた方が賢明でしょう。ブラシレスシステムに比べればコストは抑えられますが、厳しいEMC要件を満たすのは難しいかもしれません。

正弦波駆動システムを採用したブラシレスDCモータは、負荷や動作特性（高出力密度）、低速でのスムーズでコギングのない動作、小型の機械的設置面積など、すべてのアプリケーション要件を満たすため、第一の選択肢となります。この場合、駆動回路の高周波スイッチングによりEMIが発生する可能性はありますが、周波数帯域が狭いため、インラインフィルタを使用することで軽減できます。ブラシ付きDCモータはEMIの帯域幅が広いため、フィルタリングがより困難になります。

モーターのサイズ選定はほんの始まりに過ぎない

本稿は、比較的単純な直線運動アプリケーション向けモーター技術を選択する際に、設計者が考慮すべき様々な事項について簡単に解説したものです。XYテーブルや多軸精密ピックアンドプレース機構といったより複雑なシステムでも原理は同じですが、各軸の負荷を個別に解析する必要があります。また、本稿の範囲外ではありますが、システムの目標寿命（サイクル数）を満たすために適切な安全率を選択する方法も考慮すべき事項です。システムの寿命はモーターのサイズだけでなく、ギアボックスやリードスクリューアセンブリといったシステム内の他の機械要素にも左右されます。位置決め精度、分解能、再現性、最大ロール、ピッチ、ヨーなどの他の要素も、直線運動システムがアプリケーションの目標を満たす、あるいはそれを上回るようにするために重要な考慮事項です。