並列駆動システムというと、多くの人は直交座標型ロボットやガントリー型ロボットに見られるシステムを思い浮かべます。しかし、並列駆動システムは、単一の駆動コントローラから並列に動作する2つ以上のリニアモータとして捉えることもできます。これには、直交座標型ロボットやガントリー型ロボットに加え、サブナノメートルからピコメートルレベルの分解能と位置精度を持つ高精度および超高精度単軸ロボットなど、モーションコントロールの主要分野も含まれます。これらのシステムは、光学機器や顕微鏡、半導体製造、工作機械、高力アクチュエータ、材料試験装置、ピックアンドプレース作業、組立作業、ハンドリング工作機械、アーク溶接などの分野で活用されています。つまり、ミクロンレベルからサブミクロンレベルまで、幅広い領域で応用されているのです。

パラレルドライブの問題
パラレルドライブシステム全般における最大の課題は、直交アライメント、すなわち平行軸を直角に保つ能力です。スクリュー、ラックアンドピニオン、ベルト、チェーンといった機械駆動システムでは、ミスアライメントや累積公差による機械システムの拘束が主な問題となります。ダイレクトドライブシステムでは、リニアモーターの設置誤差やばらつきによって生じる正弦波誤差という問題がさらに加わります。

これらの問題を克服するための最も一般的な方法は、並列システムの各側を独立して駆動および制御し、電子的に同期させることです。しかし、このようなシステムは、単軸システムの2倍の駆動および位置検出用電子機器が必要となるため、コストが高くなります。また、同期誤差や追跡誤差が発生し、システムの性能が低下する可能性もあります。

リニアシャフトモーターを並列接続できるのは、応答性の高いモーターを使用しているからである。同一のリニアシャフトモーターであれば、同じ制御信号を与えれば、発生する動的な動きは同じになる。

すべてのパラレルドライブシステムと同様に、リニアシャフトモーターは、軸が1自由度のみで動くことを可能にする機構と物理的に結合する必要があります。これにより、パラレルリニアシャフトモーターは単一のユニットとして機能し、単一のエンコーダと単一のサーボドライバーで動作させることができます。また、適切に設置されたリニアシャフトモーターは非接触で動作するため、システムに機械的な拘束を生じさせることはありません。

これらの記述は、あらゆる非接触型リニアモーターに当てはまります。リニアシャフトモーターは、他の非接触型リニアモーターとはいくつかの点で異なり、並列接続用途で優れた性能を発揮します。

リニアシャフトモーターの設計では、永久磁石が電磁場の中心に配置されているため、エアギャップは重要ではありません。コイルが磁石を完全に囲んでいるため、磁場の正味の効果は力となります。これにより、位置ずれや加工誤差によるエアギャップの差によって生じる力の変動がほぼ完全に排除され、モーターの位置合わせと設置が容易になります。

しかし、大きな問題である正弦波誤差は、あらゆる非接触式リニアモーターにおいて力の差を引き起こす可能性がある。

リニアモーターは、リニアシャフトモーターと同様に、同期モーターに分類されます。実際には、コイルに電流を流すことで電磁石が形成され、それが磁気トラック内の永久磁石の磁場と同期します。リニアモーターの力は、これらの磁場の相対的な強さと、意図的にずらされた角度によって発生します。

並列駆動システムでは、すべてのコイルと磁気トラックの磁場が完全に整列しているとき、それらは単一のモーターとして機能します。しかし、コイルまたは磁気トラックのずれは磁場のずれを引き起こし、各モーターに異なる力が生じます。この力の差は、システム全体の拘束につながる可能性があります。したがって、正弦誤差とは、コイルまたは磁気トラックのずれによって生じる力の差のことです。

正弦誤差は、次の式で計算できます。

F_異なる=F_gen× sin(2πD_異なる/MP_nn)

どこF_異なる= 2つのコイル間の力の差、F_gen= 発生した力、D_異なる= ずれの長さ、MP_nn= 北から北への磁気ピッチ。

市販されているほとんどのリニアモーターは、IR損失と電気的時定数を低減するという名目で、北極同士の磁気ピッチが25～60mmの範囲で設計されています。例えば、30mmのリニアモーターでわずか1mmのずれが生じると、nnピッチングによって約21%の電力損失が生じる。

リニアシャフトモーターは、北極間の磁気ピッチをはるかに長くすることで、偶発的な位置ずれによる正弦波誤差の影響を軽減し、この損失を補償します。90mmの北極間ピッチを持つリニアシャフトモーターでは、同じ1mmの位置ずれでも、電力損失はわずか7%に抑えられます。

並列駆動システム
高精度および超高精度の単軸ロボットにおいて、真に正確な位置決めが可能となるのは、フィードバックが作業点の重心に直接位置する場合に限られます。モーターによる力発生も、作業点の重心に集中させる必要があります。しかしながら、モーターとフィードバックを全く同じ位置に配置することは、通常は不可能です。

エンコーダを質量中心に配置し、質量中心から等間隔に並列に配置されたリニアシャフトモータを使用することで、質量中心において所望のフィードバックと力発生を実現できます。これは、2組のエンコーダとサーボドライブが必要となる他のタイプの並列駆動システムでは不可能です。

シングルドライブ／シングルエンコーダは、超高精度が求められる用途に最適で、ガントリーシステム構築者にとって大きなメリットとなります。従来、システムでは、2つの異なるコントローラでそれぞれ独立したボールねじを駆動する2つの異なるモーター、あるいは2つのドライブで電子的に接続された2つのエンコーダを備えた2つのリニアモーターが用いられていました。しかし現在では、システムの剛性が十分に高ければ、2つのリニアシャフトモーター、1つのエンコーダ、そして1つのアンプ／ドライバで同様の動作を実現できます。

これは、極めて大きな力を必要とする用途においても利点となります。リニアシャフトモーターはいくつでも並列接続できるため、それぞれの力を合算することが可能です。