モーション コントローラーがいかに高性能であっても、設計が不十分な電気機械システムを克服することはできません。

モーションコントロールシステムは、位置決め機構、モーター駆動回路、モーションコントローラという3つの主要コンポーネントで構成されています。これらのコンポーネントはそれぞれ慎重に選定する必要がありますが、最適なシステム結果を得るには、まず位置決め機構を計画することが重要です。位置決め機構が要件を満たさない場合、駆動回路とモーションコントローラではその差を補うことができません。

モーションシステムを設計する最初のステップは、プロセスを完全に記述し、理解することです。この記述に基づいて、コンポーネントの性能パラメータのリストを作成します。このリストには、軸数、各軸の移動距離、モーションの精度（分解能、再現性、精度を含む）、積載量、ステージの物理的サイズといった主要なパラメータが含まれます。目立たないものの、同様に重要なパラメータとしては、環境上の制約や課題、駆動装置の選定、複数の方向での動作、多軸構成におけるケーブル管理、寿命計画、統合の容易さなどが挙げられます。これらのパラメータを簡単に確認すると、すべてが位置決め機構に関連していることがわかります。そのため、これらのコンポーネントを徹底的に評価することが、プロジェクトの成功に不可欠です。

アプリケーションによって、位置決めステージが直線型か回転型か、あるいは複数のステージを組み合わせた多軸システムかが決まります。比較的シンプルな単軸アプリケーションであっても、考慮すべき点は数多くあります。負荷はこのプロファイルにおいて重要な要素であり、ペイロードの重量やオフセット（重心）といった問題は動作要件に大きく影響する可能性があるためです。標準的な負荷重量と最大負荷重量、ステージの移動距離（最大と最小）、必要な移動速度、加速度などを考慮してください。

ステージを、より大きなシステムの不可欠な部分として捉えることが重要です。例えば、ステージの取り付け方法や取り付け構造は、ステージの性能と仕様達成能力に大きな影響を与えます。例えば、サンプルがカメラの下で高速に前後に振動する高速検査アプリケーションでは、直線位置決めステージは、移動する負荷の「ペイントシェーカー効果」に耐えられる構造に取り付ける必要があります。同様に、高精度な平面度を求められる長距離直線ステージは、ステージが非平面に追従することで歪みが生じるのを防ぐため、適切に平坦な面に取り付ける必要があります。

ステージの仕様を決定する際には、システムの寿命要件も考慮してください。機械の寿命中に要件が変化すると、システムが位置決めステージの許容範囲外となり、機械の精度、生産性、信頼性が低下する可能性があります。他の可動部品と同様に、位置決め機能は長期間の使用によって変化する可能性があります。ステージが、機械の想定耐用年数にわたって動作要件を満たす定格であることを確認してください。

その他の影響要因としては、システムのサイズと環境制約が挙げられます。水平方向と垂直方向の両方のサイズ制約を考慮してください。システム全体の設置面積に影響を与える要因としては、駆動機構が外付けか内蔵か、ケーブル配線方法などが挙げられます。環境制約には、機械の可動部品から発生する微粒子を極力抑えるクリーンルーム用途や、周囲の微粒子がステージ内で過度の摩擦を引き起こし、信頼性と性能に影響を及ぼす可能性のある汚れた環境などが挙げられます。動作温度は、ステージの性能に劇的な影響を与える重要な環境要因です。わずか2～3度の温度変化でも、ステージの許容範囲が変化するほどの膨張を引き起こす可能性があります。

多くのアプリケーションでは多軸動作が求められます。多軸システムでは、異なる方向への動作のためにステージを積み重ねる必要があります。例えば、シリコンウェーハ検査システムでは、直線動作が必要な場合があります。XそしてY動きと回転シータこのようなシステムでは、形状がシステムの他の部分の公差にどのような影響を与えるかを考慮することが重要です。例えば、2つのステージを積み重ねた場合、上段ステージは移動の両端でたわむ可能性があります。上段ステージのたわみは、下段ステージにかかるカンチレバー荷重に依存します。このたわみを考慮するか、別の構成を検討する必要があります。ステージメーカーは、積み重ねられたステージの仕様がアプリケーションの要件を満たしていることを確認する必要があります。

多段システムでは、ケーブル管理が物流面と信頼性面で問題となることがあります。ケーブルは見落とされがちですが、システムの寿命、形状、性能に影響を与える可能性があります。ステージメーカーに革新的なケーブル配線ソリューションを依頼しましょう。例えば、ケーブルを内部に統合して摩擦や抵抗を軽減したり、外部ケーブルコネクタではなく単一の外部ケーブルインターフェースを使用して柔軟性を高めたりするといったことが挙げられます。

システム駆動方式の決定は重要な要素です。最も一般的な駆動方式は、ボールねじ駆動とリニアモーター駆動の2つです。ボールねじ駆動は安価で理解しやすいという利点があります。自然減衰特性により制御が容易で、ブレーキの追加も容易です。一方、機械的な摩擦により一定速度を維持するのが困難になる場合があります。極端な温度や湿度など、特定の条件下では、ボールねじのピッチが変化し、精度に影響を与える可能性があります。熱の影響が問題となる場合は、リニアエンコーダが必要になるか、リニアモーターステージの方が適している場合があります。

リニアモーター駆動系は、磁気トラックとコイルアセンブリで構成されています。磁気トラックは通常固定されており、鋼板上に取り付けられた一連の永久磁石で構成されています。コイルアセンブリにはすべての銅巻線が含まれており、通常はスライディングステージキャリッジに取り付けられます。一部のリニアモーターステージでは、配線を簡素化するためにスライディングキャリッジアセンブリに永久磁石が取り付けられていますが、磁石の長さによってシステムの移動距離が制限されます。

リニアモータードライブは、一般的に、高速、一定速度、または長距離移動を伴うアプリケーションにおける軽負荷から中負荷に最適です。リニアモータードライブは、移動距離が長くてもたわまないため、ボールねじ式ドライブトレインよりもはるかに長い移動距離を誇ります。速度制御は優れていますが、可動コイルとリニアエンコーダの電子部品により、ケーブル管理が複雑になります。また、大型のリニアドライブは重量が重く、移動距離と磁石のサイズが大きくなるにつれて高価になる場合があります。

駆動方式の選択において重要な考慮事項は、停止能力と取り付け方向です。リニアモーター駆動は電力が供給されていなくても自由に動きますが、ボールねじ駆動は摩擦によって動きを抑制します。これは、駆動装置を垂直方向に取り付ける必要があるアプリケーションにおいて特に重要です。リニアモーターステージは実質的に摩擦がないため、電力が失われるとキャリッジは自由落下してしまいます。さらに、常に重力に打ち勝つ必要があるため、モーターには大きな連続的な力が必要になります。ボールねじ駆動は、リニアモーターを垂直方向に動作させるとすぐに過熱したり、カウンターバランスが必要になる場合があるため、垂直方向のアプリケーションに適しています。

モーターの選択にはトレードオフが伴う場合があります。一般的なロータリーモーターは最も安価な選択肢ですが、駆動システムのスペース要件が増加します。リニアモーターはスペースをあまり必要としませんが、ロータリーモーターよりも磁石が多く、リニアエンコーダーが必要となるため、高価です。ボールねじ駆動ステージではリニアエンコーダーを使用できますが、モーターとボールねじにロータリーエンコーダーを取り付けた方が、多くの場合、同等の性能を発揮し、コストも低くなります。ステッピングモーターとサーボモーターの使用にもトレードオフがあります。ステッピングモーターは安価ですが、サーボモーターは高速性能に優れています。

ボールねじ駆動ステージのオプションとして、フレームレスモーターがあります。フレームレスモーターは、ステージに組み込まれた標準的なブラシレスモーターです。ローターマグネットはボールねじ軸に直接接着され、ステーター巻線はステージ端に一体化されています。この構成によりモーターカプラが不要になり、数インチのスペースを節約できます。カプラがないため、モーターとボールねじの接続におけるヒステリシスとワインドアップが低減され、性能が向上します。ステージメーカーは、モーターとエンコーダに関する専門知識を提供し、アプリケーションに最適なトータルソリューションを決定できるよう支援する必要があります。

システム動作の機械的および電気的側面を十分に理解し、ステージを選択すれば、制御システムの詳細を決定できます。制御システムは、駆動回路と互換性を持つ必要があります。特に、すべての駆動回路がコネクタでフィードバック情報を提供するわけではない点に注意してください。理想的には、コントローラは追加のハードウェアなしでトランスデューサおよびアクチュエータ信号に直接接続する必要があります。また、コントローラは、システムの自然なデータレート内で制御ループを閉じる、または必要に応じて複数の動作軸の動きを同時に調整できるだけの性能を備えている必要があります。