これまで機械自動化システムにおける課題は、電気モーターや機械モーターの回転運動を、いかにして有用な直線運動に変換するかという点でした。この点において画期的な成果となったコンベアベルトシステムは、生産現場で回転運動から直線運動への変換を初めて実用化したシステムの一つです。これらのシステムは、従来の機械力のみで実現できたよりもはるかに効率的に、多種多様な原材料やワークピースを搬送することができ、生産現場において極めて有用です。

今日、回転運動変換の分野における多大なエンジニアリング研究により、幅広い高度な自動化アプリケーションに役立つ多様なクラスのリニア機械アクチュエータが誕生しました。課題は、製造環境における原材料の移動から、工具を正確な位置に移動させるためのより高度なモーションシステムの構築まで、求められる機能に適したアクチュエータを選択することです。

適切なリニアアクチュエータを選択するには、必要な負荷容量（推力）、必要なストローク距離など、いくつかの重要な考慮事項を考慮する必要があります。これらは主要な考慮事項ですが、メンテナンスの負担なども同様に重要な役割を果たします。

広く使用されている機械式リニアアクチュエータには、駆動機構の違いにより、ベルト駆動式とボールねじ駆動式の2種類があります。どちらのタイプも類似の用途に使用されますが、機能は大きく異なります。それぞれのタイプには独自の長所と重要な制限があり、アクチュエータの選定においては慎重に検討する必要があります。

ベルト駆動アクチュエータ

ベルト駆動アクチュエータは、コンベアベルトシステムと同じ原理で動作します。ベルト駆動は、2つの円形プーリ間に接続されたタイミングベルトを介して、回転運動を直線運動に変換します。タイミングベルトは通常、繊維強化エラストマーで作られていますが、より要求の厳しい用途には、他の多くのベルト素材も利用可能です。ベルトには歯があり、ロータープーリと接合することでトルクを効率的に伝達し、滑りを防止します。ベルト駆動はアルミニウム製の筐体に収められており、その上にキャリッジが乗り上げます。駆動シャフトの接合部は通常、アクチュエータの側面に対して垂直に配置されています。

ボールねじ駆動アクチュエータ

ボールねじ駆動アクチュエータの基本原理は、本質的にリードスクリュー駆動システムの改良です。ボールねじ駆動アクチュエータでは、スタッドとボールねじ間のインターフェースが本質的にボールベアリングシステムであり、ナット内の硬化鋼球がスタッドの軌道に沿って転がるため、ボールねじの回転がボールナット/マウントされたキャリッジを駆動します。ベルト駆動アクチュエータと同様に、ボールねじ駆動アクチュエータの駆動部品はアルミニウム製の筐体に収められており、キャリッジがその上を移動します。ベルト駆動アクチュエータとは異なり、駆動軸インターフェースはアクチュエータの端部から離れた、ボールねじと一直線上に配置されます。

それぞれの長所と限界

ベルト駆動アクチュエータは、一般的に長い移動距離を必要とする用途に好まれます。これは、同程度の長さのボールねじ駆動アクチュエータよりもコスト効率に優れています。さらに、ベルト駆動アクチュエータは一般的に効率が高く、重要な可動部品が少ないため、メンテナンスの手間が少なくなります。ただし、適切なトルク伝達を確保するためにはベルトの適切な張力が不可欠であり、定期的なメンテナンス時にベルトの張力調整を行う必要があります。

一方、ボールねじユニットは転がりボールベアリングシステムによく似ているため、より高い荷重に耐え、より高い推力を得ることができます。そのため、ボールねじ駆動アクチュエータは、大型で重い負荷を高精度に位置決めする必要がある用途に最適です。アクチュエータの設計によっては、ボールねじへの定期的な潤滑が必要になる場合があります。

2 種類のアクチュエータをさらに比較すると、ベルト駆動アクチュエータはシンプルで効率的であるにもかかわらず、さらなる欠点があることがわかります。より高い荷重/推力の要求には、かなり厚いベルトが必要です。また、ベルトは衝撃荷重の影響を受けやすいですが、弾性を犠牲にして強度を高めることができるベルト材料を慎重に選択することで、この問題をある程度軽減できます。さらに、ベルトは伸びやすいため、ボールねじアクチュエータの位置決め精度は、ベルト駆動アクチュエータよりも優れている傾向があります。このため、長期間にわたって高い信頼性と再現性が求められる用途には、ボールねじ駆動アクチュエータが好まれます。ボールねじ駆動アクチュエータは、高加速度および高推力の要求がある場合に適しています。これは、ベルト駆動プーリーが繰り返し要求されると、ローターで滑りやすいためです。

結論として、ボールねじ駆動アクチュエータは、高い負荷および／または推力、そして高精度な位置決めが求められる用途において、より優れた選択肢となります。しかし、高効率とシンプルさを特徴とするベルト駆動アクチュエータは、低負荷、特に高速動作が求められる用途においては、依然として優れた選択肢となります。ベルト駆動アクチュエータは、ロングストローク用途においても費用対効果の高いソリューションとなります。ベルト駆動とボールねじ駆動の機械式アクチュエータのどちらを選ぶかは、一見すると困難に思えるかもしれません。しかし、それぞれの設計の長所と短所を見れば、それぞれの用途に最適な選択肢が明確に分かります。