パラレルドライブシステムというと、多くの人は直交座標系/ガントリーロボットに見られるものを思い浮かべるでしょう。しかし、パラレルドライブシステムは、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ーとも捉えることができます。これは、直交座標系/ガントリー型ロボットに加え、サブナノメートルから高ピコメートルの範囲の分解能と位置精度を備えた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にも適用されます。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、工作機械のハンドリング、アーク溶接などの分野で活用されています。つまり、ミクロン単位の世界とサブミクロン単位の世界の両方で応用が可能です。

パラレルドライブの問題
あらゆるパラレルドライブシステムにおける最大の課題は、直交アライメント、つまり平行軸を直角に保つ能力です。スクリュー、ラック＆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公差の積み重ねによる機械システムの拘束が主な課題となります。ダイレクトドライブシステムでは、設置誤差やリニアモーターのばらつきによって生じる正弦波誤差という問題も加わります。

これらの問題を克服する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・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倍の駆動回路と位置検出回路を必要とするため、コストが高くなります。また、同期誤差やトラッキング誤差も発生し、システム性能を低下させる可能性があります。

リニアシャフトモーターを並列接続できるのは、応答性に優れたモーターのおかげです。同じ制御信号を与えれば、2つの同一のリニアシャフトモーターが生み出す動的動作は同じになります。

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、軸の動きを1自由度のみに制限する機構と物理的に結合している必要があります。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動作し、単一のエンコーダと単一のサーボドライバで動作できます。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もたらすことはありません。

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、並列アプリケーションで適切に動作します。

リニアシャフトモータの設計では、永久磁石を電磁場の中心に配置するため、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取り囲んでいるため、磁場の正味の効果は力となります。これにより、位置ずれや加工のばらつきによるエアギャップの差によって生じる力の変動が実質的に排除され、モータのアライメントと設置が簡素化されます。

しかし、正弦波誤差は大きな問題であり、非接触型リニアモーターでは力の違いが生じる可能性があります。

リニアモータは、リニアシャフトモータと同様に、同期モータとして定義されます。実際には、コイルに電流を流すことで電磁石が形成され、この電磁石は磁気トラック内の永久磁石の磁場と同期します。リニアモータの力は、これらの磁場の相対的な強さと、それらの意図的なずれの角度によって生成されます。

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すると、それらは1つ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に少しでもずれがあると、磁場のずれが生じ、各モーターに異なる力が生じます。この力の差は、システムを拘束する可能性があります。つまり、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です。

正弦誤差は次の式で計算できます。

F_差異＝F_ゲン× 罪(2πD_差異/MP_んん)

どこF_差異= 2つのコイル間の力の差、F_ゲン= 発生する力、D_差異= ずれの長さ、およびMP_んん= 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損失と電気時定数を低減するという名目で、N-N磁気ピッチが25～60mmの範囲で設計されています。例えば、30mmピッチのリニアモーターでは、わずか1mmのずれでも、んんピッチにより約 21% の電力損失が発生します。

リニアシャフトモータは、N-N間の磁気ピッチを非常に長くすることでこの損失を補い、偶発的なミスアライメントによる正弦波誤差の影響を低減します。90mmのnnピッチを持つリニアシャフトモータでは、同じ1mmのミスアライメント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は、フィードバックが作業点の重心に直接配置されている場合にのみ可能です。モータからの力の発生も、作業点の重心に集中させる必要があります。しかし、モータとフィードバックを正確に同じ位置に配置することは通常不可能です。

エンコーダを質量中心に配置し、質量中心から等間隔に配置された並列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が得られます。これは、この種の並列駆動を実現するために2組のエンコーダとサーボドライブを必要とする他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、超高精度用途に最適であり、ガントリーシステム構築者に大きなメリットをもたらします。従来のシステムでは、2つの異なるモータがそれぞれ異なるボールネジを駆動し、電子的に接続した2つの異なるコントローラを使用していました。あるいは、2つのリニアモータと2つのエンコーダが電子的に接続され、2つのドライブが接続されていたことさえありました。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、1つのエンコーダ、そして1つのアンプ／ドライバで同じ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アプリケーションにも有利です。任意の数のリニアシャフトモーターを並列に接続することで、それらの力を加算することが可能です。