電子機器、光学機器、コンピュータ、検査機器、自動化機器、レーザー機器などの業界では、多様な位置決めシステム仕様が求められる。万人に最適なシステムは存在しない。

高精度位置決めシステムが最適に機能するためには、システムを構成する各コンポーネント（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、コントローラー）が、アプリケーション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します。リニアステージの場合、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。
・アルミニウム製のベースとスライド、ボルト締め式ボールベアリングガイド付き。
・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つの循環式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側面。
・ミーハナイト鋳鉄製のベースとスライド、一体型ローラーベアリング付き。
・花崗岩製ガイド、花崗岩または鋳鉄製スライド、およびエアベアリング。

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、耐応力性は劣ります。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剛性が150%高く、振動減衰性は300%優れています。鋼鉄は耐久性があり、鉄よりも強度が高いですが、共振が長く続くため、高速な動作や整定には不利です。

花崗岩製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、サブミクロンレベルの平面度と真直度まで研磨できます。花崗岩製テーブルの欠点は、花崗岩の質量が大きいため、鋼鉄や鉄をベースとした位置決めシステムよりも設置面積が大きく、重量も重くなることです。しかし、ベアリングと花崗岩製ガイド面が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機能を備えています。また、花崗岩は優れた振動減衰特性と熱安定性も備えています。

さらに、テーブル自体の設計も、テーブル全体の性能に大きく影響します。テーブルには、多くの部品をボルトで組み立てるタイプから、シンプルな鋳造ベースとスライド式まで、さまざまな構成があります。テーブル全体に同じ素材を使用することで、温度変化に対する応答がより均一になり、より正確なシステムを実現できます。リブなどの構造は制振効果を発揮し、迅速な安定化を可能にします。

一体型ガイドウェイは、ボルトオン式ガイドウェイに比べて、長期間経過後でも予圧調整が不要であるという利点がある。

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するのに対し、ボールベアリングはボールと軌道面が点接触します。一般的に、このためローラーベアリングの方が滑らかな動きが得られます。転動面の変形（および摩耗）が少なく、接触面積が大きいため、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、機械的剛性は約150～300ニュートン/ミクロンと高いです。欠点としては、線接触による固有の摩擦が挙げられます。

ボールベアリングの摩擦を制限する接触面積の小ささは、同時に耐荷重能力も制限します。一般的に、ローラーベアリングはボールベアリングよりも長寿命です。ただし、ローラーベアリングは価格が高くなります。

あるメーカーの標準的なテーブルサイズは、長さが25～1,800mm、スライド幅が100～600mmとなっている。

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から構成されます。この非接触設計により、他のベアリング設計で発生する摩擦が回避されます。また、エアベアリングは機械的な摩耗を受けません。さらに、エアベアリングは広い間隔で配置できます。そのため、発生する幾何学的誤差が平均化され、200 mmにわたって1秒角未満の角度偏差と0.25ミクロン以下の真直度を実現します。

数値で示すのは困難です。なぜなら、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。位置決めシステムの摩擦は、選択した駆動システムだけでなく、ベアリングの調整、テーブルのシール、潤滑などにも左右されます。したがって、達成可能な正確な値は、すべてのコンポーネントの組み合わせに大きく依存し、それはひいては用途によって異なります。

駆動システム

ベルト駆動、ラックアンドピニオン駆動、リードスクリュー駆動、精密研磨ボールスクリュー駆動、リニアモーター駆動など、数多くの駆動方式があるが、高精度位置決めシステムのほとんどでは、最後の2種類のみが採用される。

ボールねじ駆動装置は、分解能、精度、剛性の特性において幅広い種類があり、高速（250 mm/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、高速化にはピッチを小さくする必要があり、その結果、機械的利点は低下し、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、ねじれ、ピッチ周期誤差、摩擦などの問題が発生する可能性もあります。また、モーターと駆動装置を接続する機械的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ーでは、電磁力が機械的な接続なしに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の周期誤差は発生しません。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。

動的剛性は、サーボシステムが衝撃荷重に対してどれだけ正確に位置を維持できるかを示す指標です。一般的に、帯域幅が広く、ゲインが高いほど、動的剛性は高くなります。これは、測定された衝撃荷重を変位距離で割ることによって定量化できます。

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ます。モーターとスライドの間に機械的な連結がないため、スライドは位置変更指令に迅速に反応します。また、ボールねじの「リンギング」がないため、高速な移動と整定時間を実現できます。

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から構成される。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、両者の間に物理的な接触はない。

可動コイルアセンブリの中核部には、重ね合わせられた絶縁銅コイルが複数配置されています。これらのコイルは精密に巻かれ、三相動作に適したピッチで配置されています。電子整流には、ホール効果センサーが複数使用されています。整流回路の設計により、力リップルがほとんどないスムーズな動作を実現しています。整流は機械式ではなく電子式であるため、整流アーク放電は発生しません。

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2.5m/秒²以上）、高速（例えば2m/秒以上）、あるいは非常に低速（例えば数mm/秒）であっても精密な速度制御を必要とする用途で有用です。さらに、このようなモータは潤滑油やその他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、連続的な力または電流の実効値は、長時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を持つものが入手可能です。大型モーターのほとんどは、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。

モーターとスライドの間には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存在しません。負荷は1：1の比率でモーターに伝達されます。ボールねじ駆動では、スライド上の負荷慣性は減速比の2乗に比例してモーターに伝達されます。そのため、負荷変動が頻繁に発生する用途には、リニアモーター駆動はあまり適していません。ただし、負荷に応じて異なるモーター制御パラメータを設定できるコントローラを選択すれば、効果的なサーボ補償が可能になります。

多くの垂直用途では、ボールねじの方が簡単で費用対効果も高い。リニアモーターは重力に対抗するために常に通電しておく必要があるからだ。また、電気機械式ブレーキを使えば、電源が切れた時でもテーブルの位置を固定できる。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でモーターと負荷重量をずらせば、リニアモーターを使用することも可能です。

初期費用に関しては、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）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。より現実的な比較には、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が含まれます。この点において、リニアモーターは優れています。

第2部では、位置測定システムについて解説します。