どんなに高度なモーションコントローラーであっても、設計の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、モータ駆動回路、モーションコントローラの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、システム全体の性能を最大限に引き出すためには、まず位置決め機構の設計から始めるべきです。機構が要求仕様を満たしていない場合、駆動回路やモーションコントローラだけではその差を埋めることはできません。

モーションシステムを設計する際の最初のステップは、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、正確性を含む）、ペイロード容量、ステージの物理的サイズなどの一次パラメータが含まれます。それほど明白ではありませんが、同様に重要なパラメータには、環境上の制約や課題、駆動方式の選択、複数の方向での動作、多軸構成におけるケーブル管理、ライフサイクル計画、統合の容易さなどがあります。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。したがって、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。

アプリケーションでは、位置決めステージが直線型、回転型、または複数のステージを組み合わせた多軸システムであるかを定義します。比較的単純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。ペイロード重量やオフセット（重心位置）などの問題は動作要件に大きな影響を与えるため、荷重はこのプロファイルにおいて重要な要素となります。標準荷重と最大荷重、ステージが移動する必要のある最大および最小距離、必要な移動速度、および加速度を考慮してください。

ステージは、より大きなシステムの一部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、ステージの性能や仕様への適合性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往復運動する高速検査アプリケーションでは、リニア位置決めステージは、移動する荷重による「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、平面度精度が高い長距離移動リニアステージは、ステージが平面でない面に沿って変形することによる歪みを避けるため、適切な平面に取り付ける必要があります。

ステージ仕様を定める際には、システムの耐用年数における要件も考慮してください。機械の耐用年数中に要件が変化すると、位置決めステージの許容範囲を超えてしまい、機械の精度、生産性、信頼性が低下する可能性があります。可動部品全般に言えることですが、位置決め能力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上の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、駆動機構が外部にあるか内部にあるか、ケーブルの管理方法などがあります。環境上の制約としては、機械の可動部が微粒子をほとんど発生させないクリーンルーム環境や、周囲の微粒子がステージ内部で過剰な摩擦を引き起こし、信頼性や性能に影響を与える汚染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を変えるのに十分な膨張が生じる可能性があります。

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を実現するためにステージを積み重ねる必要があります。例えば、シリコンウェハ検査システムでは、直線的な動作が必要となる場合があります。XそしてY運動と回転シータこのようなシステムでは、形状がシステム全体の公差にどのように影響す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、上段のステージは移動範囲の両端でたわむ可能性があります。上段のたわみは、下段のステージにかかる片持ち荷重によって決まります。このたわみを考慮に入れるか、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用途の要件を満たしていることを確認する必要があります。

多段式システムでは、ケーブル管理が物流面および信頼性面で問題となる場合があります。ケーブルはしばしば見落とされがちですが、システムの寿命、形状、および性能に影響を与える可能性があります。革新的なケーブルソリューションについては、ステージメーカーにご相談ください。例えば、摩擦や抵抗を軽減するためにケーブルを内部に統合したり、柔軟性を高めるために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たりすることが考えられます。

システム駆動方式の選択は重要な要素です。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駆動の2種類です。ボールねじ駆動は安価で理解しやすく、自然な減衰特性を持つため制御が容易で、ブレーキも簡単に追加できます。一方、機械的な摩擦によって一定速度を維持するのが難しい場合があります。また、温度や湿度が極端に変化するなどの条件下では、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、リニアモータ駆動の方が適しているかもしれません。

リニアモータ駆動系は、磁気トラックとコイルアセンブリから構成されます。磁気トラックは通常固定されており、鋼鉄基板上に一連の永久磁石が取り付けられています。コイルアセンブリにはすべての銅巻線が収められており、通常はスライド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ステージでは、配線を簡素化するために永久磁石がスライドキャリッジアセンブリ上に配置されていますが、磁石の長さによってこれらのシステムの移動範囲が制限されます。

リニアモーター駆動は、一般的に高速、定速、または長ストロークの用途において、軽～中程度の負荷に最適です。リニアモーター駆動は、ストローク長が増加してもたわみが生じないため、ボールねじ駆動系よりもはるかに長いストロークを実現できます。速度制御性能は優れていますが、可動コイルとリニアエンコーダーの電子回路により、ケーブル管理が複雑になります。さらに、大型のリニア駆動は、ストローク長とマグネットサイズが大きくなるにつれて重量が増し、価格も高くなる傾向があります。

駆動方式を選択する上で重要な考慮事項の一つは、停止能力と取り付け方向です。リニアモーター駆動は動力が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減衰させます。これは、駆動装置を垂直に取り付ける必要がある用途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、動力が失われるとキャリッジが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要求されます。リニアモーターは垂直に運転す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、垂直用途にはボールねじ駆動の方が適しています。

モーターの選定にはトレードオフが伴う場合もあります。一般的な回転モーターは最も安価な選択肢ですが、駆動システムの設置スペースが増大します。リニアモーターは設置スペースは少なくて済みますが、回転モーターよりも磁石の数が多く、リニアエンコーダーが必要となるため、高価になります。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回転エンコーダーを使用しても多くの場合、同等の性能を発揮し、コストも抑えられます。ステッピングモーターやサーボモーターを使用する場合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、サーボモーターの方が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シャフトに直接接着され、ステーター巻線はステージ端部に統合されています。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部のヒステリシスと巻き上げが軽減され、性能が向上します。ステージメーカーは、用途に最適なトータルソリューションを定義するために、モーターとエンコーダーに関する専門知識を提供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が十分に理解され、段階が選択されたら、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エレクトロニクスと互換性がある必要があり、特にすべての駆動装置がコネクタにフィードバック情報を提供するわけではない点に注意が必要です。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できる必要があります。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のに十分な性能を備えているか、必要に応じて複数の動作軸の動作を同時に調整できる必要があります。