電子、光学、コンピュータ、検査、自動化、レーザー業界では、多様な位置決めシステムの仕様が求められます。すべての人に適したシステムは存在しません。

高精度の位置決めシステムが最適に機能するには、システムを構成するコンポーネント（ベアリング、位置測定システム、モーターおよび駆動システム、コントローラ）がすべて、アプリケーションの基準を満たすように可能な限り連携して動作する必要があります。

ベースとベアリング

最適なシステム構成を決定するには、まずシステムの機械部分を検討する必要があります。直動ステージの場合、ベースとベアリングの設計には、以下の4つの一般的な選択肢があります。
• ボルトンボールベアリングウェイを備えたアルミニウムベースとスライド。
• アルミニウムまたはスチール製のベースと、スチール製レール上に 4 つの循環ローラー ベアリング ブロックを備えたアルミニウムまたはスチール製のサイド。
• ミーハナイト鋳鉄製ベースと一体型ローラーベアリングウェイ付きスライド。
• 花崗岩または鋳鉄製のスライドとエアベアリングを備えた花崗岩ガイド。

アルミニウムはミーハナイトや鋼鉄よりも軽量ですが、剛性、安定性、耐衝撃性、耐応力性が低くなります。さらに、アルミニウムは温度変化に非常に敏感です。鋳鉄はアルミニウムよりも150%剛性が高く、振動減衰性は300%優れています。鋼鉄は鉄よりも耐久性と強度に優れています。しかし、長時間の振動が発生するため、高速移動や静定に悪影響を及ぼします。

花崗岩ガイドとエアベアリングの組み合わせは、最も剛性が高く、耐久性に優れた組み合わせです。花崗岩は研磨加工により、サブミクロン単位の平坦性と真直度を実現できます。花崗岩テーブルの欠点は、その質量の大きさから、鋼鉄製の位置決めシステムよりも空間占有面積が広く、重量も重くなることです。しかし、ベアリングと花崗岩ガイド面は接触しないため、摩耗がなく、エアベアリングはほぼ自己洗浄性を備えています。また、花崗岩は優れた振動減衰特性と熱安定性を備えています。

さらに、テーブル自体の設計もテーブル全体の性能を左右します。テーブルには、多くの部品をボルトで組み立てたものから、シンプルな鋳造のベースとスライドまで、様々な構成があります。テーブル全体に同じ素材を使用することで、一般的に温度変化に対する応答が均一になり、より高精度なシステムを実現できます。リブなどの構造は減衰力を高め、迅速な沈下を可能にします。

インテグラル ウェイは、ボルトオン ウェイに比べて、長期間使用しても予圧調整が不要という利点があります。

クロスローラーベアリングはローラーと軌道面が線接触であるのに対し、ボールベアリングはボールと軌道面が点接触です。このため、一般的にローラーベアリングはより滑らかな動きを実現します。転動面の変形（および摩耗）が少なく、接触面積が広いため、荷重がより均等に分散されます。ローラー1個あたり4.5～14kgまでの荷重が標準で、約150～300ニュートン/ミクロンの高い機械的剛性を備えています。欠点としては、線接触による摩擦が内在していることが挙げられます。

しかし、ボールベアリングの摩擦を制限する小さな接触面積は、同時にその耐荷重性も制限します。ローラーベアリングは一般的にボールベアリングよりも長寿命ですが、ローラーベアリングは高価です。

あるメーカーの標準テーブルサイズは、長さ25～1,800mm、スライド幅100～600mmです。

エアベアリング構成は、対向するエアベアリング、またはガイド部材に埋め込まれた高磁力希土類磁石によって予圧されたリフトベアリングとガイドベアリングで構成されます。この非接触設計により、他のベアリング設計に見られる摩擦を回避できます。また、エアベアリングは機械的な摩耗も発生しません。さらに、エアベアリング間の間隔を広く設定できます。そのため、結果として生じる幾何学的誤差は平均化され、角度偏差は1秒角未満、真直度は200mmで0.25ミクロン未満となります。

数値で示すことは困難です。なぜなら、それらは多くの要因に左右されるからです。例えば、位置決め精度はベアリングやガイドだけでなく、位置測定システムやコントローラにも依存します。位置決めシステムにおける摩擦は、選択した駆動システムだけでなく、ベアリング調整、テーブルのシーリング、潤滑などにも依存します。したがって、達成可能な正確な値は、全てのコンポーネントの組み合わせに大きく依存し、ひいてはアプリケーションにも依存します。

駆動システム

ベルト、ラックアンドピニオン、リードスクリュー、精密研磨ボールスクリュー、リニアモーターなど、さまざまなタイプの駆動システムがありますが、ほとんどの高精度位置決めシステムでは最後の 2 つだけが考慮されます。

ボールねじ駆動装置は、分解能、精度、剛性の幅広い特性を備えており、高速（250mm/秒以上）を実現できます。しかし、ボールねじ駆動装置はねじの臨界回転速度によって制限されるため、速度を上げるにはピッチを小さくする必要があり、機械的な利点は小さく、より高出力のモーターが必要になります。これは通常、バス電圧の高い高出力モーター駆動装置への変更を意味します。ボールねじ駆動装置は広く使用されていますが、機械的なバックラッシュ、ワインドアップ、ピッチ周期誤差、摩擦といった問題が発生する場合があります。また、モーターと駆動装置を連結する機械的なカップリングの剛性も見落とされがちです。

リニアサーボモータでは、電磁力が機械的な接続を必要とせず、可動質量に直接作用します。機械的なヒステリシスやピッチ周期誤差はありません。精度はベアリングシステムとフィードバック制御システムに完全に依存します。

動剛性は、サーボシステムが衝撃荷重に対してどの程度正確に位置を維持できるかを示します。一般的に、帯域幅が広く、ゲインが高いほど、動剛性は高くなります。これは、測定された衝撃荷重をたわみ距離で割ることで定量化できます。

動的剛性 = ΔF/ΔX

高い剛性と高い固有振動数により、優れたサーボ特性と短い整定時間を実現しています。モータとスライドの間に機械的な連結がないため、スライドは位置コマンドの変化に素早く反応します。また、ボールねじの「リンギング」がないため、移動時間と整定時間が高速です。

ブラシレスリニアモーターは、機械ベースに固定された永久磁石アセンブリと、スライドに固定されたコイルアセンブリで構成されています。コイルアセンブリと磁石の間には約0.5mmの隙間が確保されており、2つのアセンブリ間に物理的な接触はありません。

可動コイルアセンブリのコアには、重ね合わせられ絶縁された銅コイルが複数個収納されています。これらのコイルは、三相動作用に精密に巻かれ、ピッチ調整されています。電子整流には、ホール効果センサーが使用されています。整流回路の設計により、力の脈動は無視できるほど小さくなっています。整流は機械式ではなく電子式であるため、整流アークは発生しません。

これらの特性により、リニアサーボモータは、高加速度（例えば2.5 m/sec²以上）、高速度（例えば2 m/sec以上）、あるいは非常に低速（例えば数 mm/sec）であっても精密な速度制御を必要とする用途に適しています。さらに、このようなモータは潤滑などのメンテナンスを必要とせず、摩耗もありません。他のモータと同様に、放熱のため、連続力または電流の実効値は、長期間にわたって許容値を超えてはなりません。

リニアサーボモーターは、25Nから5,000Nを超える連続駆動力で使用できます。大型モーターの多くは空冷式または水冷式です。複数のリニアモーターを並列または直列に接続することで、より高い駆動力を得ることができます。

モータとスライドの間に機械的な連結がないため、ボールねじのような機械的な減速機構はありません。負荷は1:1の比率でモータに伝達されます。ボールねじ駆動では、スライドからモータへの負荷慣性は減速比の2乗に比例して減少します。そのため、効果的なサーボ補正を得るために、異なる負荷に対応する異なるモータ制御パラメータをプログラムできるコントローラを選択しない限り、リニアモータ駆動は負荷が頻繁に変化するアプリケーションには適していません。

多くの垂直アプリケーションでは、ボールねじの方が簡単でコスト効率に優れています。リニアモーターは重力の影響を相殺するために継続的に通電する必要があります。また、電動ブレーキは電源オフ時にテーブルの位置を固定できます。ただし、スプリング、カウンターウェイト、またはエアシリンダーを使用してモーターと負荷の重量をオフセットすれば、リニアモーターを使用することもできます。

初期コストに関しては、リニアモーター駆動とボールねじ駆動（モーター、カップリング、ベアリング、ベアリングブロック、ボールねじを含む）の間に大きな差はありません。一般的に、ブラシ付きリニアモーターはボールねじ駆動よりも若干安価で、ブラシレスタイプは通常、やや高価です。

初期費用以外にも考慮すべき点があります。より現実的な比較は、メンテナンス、信頼性、耐久性、そして人件費を含む交換費用を考慮します。この点において、リニアモーターは優れています。

パート 2 では、位置測定システムについて説明します。