長ストローク軸において、ラック・アンド・ピニオンがボールねじやリニアモーターに勝る場合

ギアボックス、ピニオン、およびラック機構により、多関節ロボットの第7軸、すなわち横方向の動きが実現される。（画像：GAM）

巻尺を数インチ引き出すと、尺の刃は剛性を保っています。引き続けると、ある時点でしなりやぐらつきが生じ始め、最終的にはたわんでしまいます。これは、長ストローク軸を設計する際、エンジニアがよく直面する問題です。

機械において精密な直線運動を実現するには、主に「ラック・ピニオン機構」「ボールねじ」「リニアモーター」の3つの方法があります。本記事では、ラック・ピニオン機構が最適な場合と、他の方式の方が適している場合について探っていきます。

3つの技術の理解

ラック・アンド・ピニオンは、ピニオンと呼ばれる回転する歯車と、ラックと呼ばれる歯付きバーを噛み合わせることで動作します。構成によっては、ラックが移動しピニオンが固定されたままになる場合もあれば、ピニオンアセンブリが固定されたラックに沿って移動する場合もあります。

ボールねじも同様の原理で動作します。これは本質的に、ナットが沿って移動する精密なねじ棒です。棒を回転させるとナットが直線的に往復し、ナットを固定すると代わりに棒が移動します。

リニアモーターは、これとは異なる仕組みを採用しています。電気モーターを分解して平らに広げたものを想像してください。一方の部品には永久磁石と電磁石が配置され、可動部にはそれに対応する磁石が備わっています。サーボコントローラからの入力により、磁気的な相互作用によって負荷が直線的に移動します。

ラック・アンド・ピニオン対ボールねじ

短い距離では、ラック・アンド・ピニオンとボールねじは同等の性能を発揮します。実際、ボールねじの方がより高い精度を実現できる場合もあります。また、機械のレイアウトによっては、ボールねじの方が特定の機械設計に組み込みやすい場合もあります。

しかし、巻尺と同様に、ボールねじにも問題が生じる長さ（約2～3メートル）があり、その距離はねじのサイズによって決まります。

「ボールねじで長距離の移動を行うと、『ウィップ』と呼ばれる現象が発生します」と、サーボギア減速機やその他のモーションコントロール部品を製造する米国企業GAMのシニア設計エンジニア、マット・ラグルズ氏は述べています。 「要するに、ボールねじが縄跳びのようになってしまうのです。これにより、システムに早期摩耗、振動、時には致命的な故障など、あらゆる問題を引き起こす可能性があります。」

ボールねじとは異なり、ラック・アンド・ピニオンは長さのカスタマイズが非常に容易です。

「ラック・アンド・ピニオンの利点は、基本的に無限にスケールアップできることです」とラグルズ氏は言います。「ラックの一部を短く切断したり、複数のラックを組み合わせてはるかに長いストロークを実現したりできます。」

ラック・アンド・ピニオン対リニアモーター

リニアモーターには、速度と高精度な制御という2つの主な利点があります。しかし、リニアモーターは磁束に依存しているため、剛性の管理が難しくなる場合があります。また、磁石の存在は他の問題も引き起こします。

「設置作業中に、作業員のポケットに入っていた鍵が磁化されてしまったという経験があります」とラグルズ氏は語る。「突然、腕時計に異物がくっつき始めるのは非常に厄介なことです。これは作業環境にも影響を及ぼし、走行中にチップやその他の破片が付着してしまう可能性があります。」

どちらの技術も長距離化が可能ですが、リニアモーターを延長する場合の1メートルあたりのコストははるかに高くなります。永久磁石や電磁石は、ラックをもう1セクション追加するのと比べて高価だからです。また、リニアモーターは位置を維持するためだけでも継続的な電力が必要であり、その消費電力は送り力に直接比例します。

対照的に、ラック・アンド・ピニオン機構には磁化された部品は含まれません。バックドライブ力により、モーターが停止するとすぐにシステムは位置を保持し、内蔵のモーターブレーキが残りの処理を行うため、継続的な電力消費は発生しません。また、構成部品の価格も比較的安価な傾向にあります。

「ラック・ピニオン機構と、通常はギアボックスおよびモーターを購入する必要はありますが、それらの合計コストは通常、リニアモーターを採用する場合よりも安くなります」とラグルズ氏は述べています。「コスト、筐体サイズ、消費電力の面で、より剛性の高いシステムと、はるかに高い送り力を得ることができます。」

ラック・アンド・ピニオンには、クリーンルームという1つの環境において不向きな点があります。ギアの歯が正常に動作するには潤滑が必要であり、これは環境にさらされたグリースが露出することを意味します。これはカバーやシール、適切な潤滑剤の選択によって軽減できますが、複雑さが増します。

ボールねじにも同様の問題がありますが、ベローズなどの対策で保護することは可能です。リニアモーターには露出した可動部品がないため、シールやカバーを施す必要がなく、医療や半導体製造などのクリーンルーム環境に最適です。

GAM社は、連結可能な標準的な1メートル長のラックを販売しており、より短い長さにカットすることも可能です。より長いラックについては、特別注文で対応しています。部品の選定に取り組んでいるエンジニアに対し、GAM社のチームは、各用途の要件を満たす適切な部品と数量の特定を支援します。

「これは、投入した分だけ成果が得られるタイプのものです」とラグルズ氏は言います。「時間をかけて正確かつ慎重に設置すれば、ラック・ピニオンやボールねじなどは非常に良好に動作します。しかし、手抜きをして組み立てると、問題が生じる可能性があります。」

ラック・アンド・ピニオンについてさらに詳しく知りたい方は、GAMのウェブサイトをご覧ください。