ギヤードモーターの中空軸と中実軸の違いについて

中実軸タイプと中空軸タイプとは

中実軸タイプのギヤードモーターは、多くのメーカーが長い間生産・販売しており、平行軸タイプはもとより、直交軸タイプなど様々なシリーズから選定することが可能です。

このギヤードモーターの出力軸は、無垢の鋼材から製造されており、用途によりステンレス材でできたギヤードモーターを選ぶこともできます。

ギヤードモーターの中実軸タイプを選定した時は、その駆動力を他の軸へ伝達するために、軸継手（カップリング）やVベルト・Vプーリー、チェンなどの伝達機器が必要になってきます。

このような伝達機器を利用するということは、それらの機器の大きさの分だけスペースが必要となり、装置の小型化・軽量化・コストダウンの要求に応えることが難しくなってきます。

そこで登場したのが中空軸タイプのギヤードモーターです。

この中空軸タイプのギヤードモーターは、文字通り出力軸が中空構造になっています。単純に中空構造の出力軸なので、特徴は軽いだけと思いがちですがそうではないのです。

実際には出力軸を中空にした分の軽量化は大きなものではありません。

実は中空軸タイプのギヤードモーターを採用した時の一番のメリットは、上記中実軸タイプの説明にも記述されていましたが、装置の小型・軽量化・コストダウンに有効だということです。

なぜならば、中実軸タイプのギヤードモーターを使用していた装置に比べて、軸継手（カップリング）やチェン・チェンホイルなどの伝達機器が不要になる為です。

ブラシレスDCモータ

ギヤードモーターの軸に関しての考え方は、下記のように考えることもできます。

伝動軸ですので、駆動側と従動側、動かす方と動かされる方が軸端に存在します。

とすると、軸はねじり方向の力を受けます。

それは軸断面を見た時に軸中心（円形の中心）を零にして、中心から遠ざかるほど、ねじり方向の力が多くなります。

そうした時、軸の中心部分はねじり方向の力をほとんど受けていないということになります。

であれば、中心部分を無くしても（中空軸に変えても）、力に関して影響は少ないのであれば、軽かったり、バランスが取りやすかったり、と利点のある中空軸タイプのギヤードモーターを積極的に使用する要因に十分なると思われます。

中空軸タイプを使用するメリットとは

1. 部品・工数の削減によるコストダウンがまず挙げられます。

ギヤードモーターを直接装置に取り付けらますので、周辺部品点数の削減が可能です。

これにより、組み付け工数・メンテナンス工数も削減でき、コストダウンに貢献できます。

ギヤードクローズドループステッピングモーター 

2. 装置の小型化が可能になります。

負荷軸に対してギヤードモーターを直角に配置できるので省スペースになります。

装置の小型化が実現できます。

3. 取り付方向が選べます。

ギヤードモーターの出力軸が取け付面の上下方向の中心にあるため、取け付方向を左右に変えることができます。

装置に合わせた取り付けが選べますので、設計の自由度が大幅に広がります。

中空軸の取り付け方法について

中空軸タイプのギヤードモーターに負荷軸はどのようにして取り付ければよいのでしょうか。

それには二つの方法があります。

ひとつはエンドプレートを使用する方法で、もう一つは穴用止め輪を使用する方法です。

どちらも実際の取付け方法はそんなに大きく違いません。

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モータの構成要素

○主要な構成要素

モータは、シャフトと一体的に回転するロータと、電気エネルギーを使ってロータを回転させるステータと、ロータをステータに回転自在に機械的に固定するベアリングとを備えています。

ロータは回転子、ステータは固定子、ベアリングは軸受といいます。モータの異常な振動や異音は、軸受に損傷が生じた場合がほとんどです。

モータの要素を保護する「わく」は、設置箇所に取り付けるフレームです。
1軸ステッピングCNCキット

○ロータを回転させる力

ステータがロータを回転させる力は、磁力です。磁力は、永久磁石・コイル（巻線）・渦電流などにより発生させます。ロータとステータは、同一の磁極の反発力と、異なる磁極の吸引力を同時に使って、ロータを回転させます。

○モータの特性

モータの特性は、シャフトの回転速度と、シャフトが相手（負荷）に伝達する回転力で定まります。回転速度は、1分間に何回転するかという回転数[rpm]で表します。回転力は、力の大きさと腕の長さの積からなるトルク[N・m]で表します。物理的には、回転軸のある一次のモーメントがトルクです。

デジタルステッピングドライバ

○モータの付加価値を高める構成要素

ブレーキ：多くのモータは、電流を止めてもすぐには回転を停止させず、ロータの慣性で回り続けます。ブレーキ付きのモータは、ロータを機械的に停止させます。

ギア：モータの用途に対して回転が高速で低トルクの場合、歯車などの減速機構を使用することで機械的に回転数を減速させ、大きな力を取り出します。ギヤードモータは、モータに減速機構を一体化しています。

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DIY・趣味用3Dプリンターの選び方

造形方式をチェック

3Dプリンターは機種によって造形方式が異なるので、用途に応じて適切な造形方式の3Dプリンターを選ぶようにしましょう。

家庭用で採用されることの多い造形方式は、「熱溶解積層方式」と「光造形方式」の2種類が挙げられます。コスパ重視で気軽に3Dプリントしたい方は熱溶解積層方式を、表面の仕上がりを重視する方は光造形方式を選ぶのがおすすめです。

熱溶解積層方式は、加熱したノズルから溶かした材料を押し出して、材料を1層ごとに積み重ねて造形する方式です。家庭用3Dプリンターの主流とも言えるタイプで、本体と材料のコストパフォーマンスに優れています。材料はABSやPLAの樹脂素材が代表的で、比較的安全に扱えるのがメリット。しかし後述する光造形方式に比べて表面の仕上がりに劣る点はデメリットです。

光造形方式は、「レジン」と呼ばれる液状の樹脂素材に紫外線を照射し、硬化させる作業を繰り返して造形する方式です。液体樹脂による造形は、高解像度かつ表面の仕上がりに優れています。ただし2次硬化するための機材や時間を要したり、材料費がやや高価だったりと、熱溶解積層方式よりもコスパに劣ります。また、液体樹脂は有毒なので取り扱いにも注意を払わなければなりません。

材料をチェック

3Dプリンターは、使用する材料により、プリントした製品の特性にも違いが表れるほか、機種によって対応できる材料が異なるので、仕様欄をよくチェックしておきましょう。ここでは代表的な材料のABS・PLA・レジンについてご紹介します。

ABSとPLAは、カラーバリエーションが豊富な、熱溶解積層方式に対応した樹脂の材料です。ABSは柔軟性がよく、造形後の表面塗装や研磨がしやすい特徴があります。そのため、電化製品の外装部品やフィギュアなどの造形におすすめです。

PLAは、トウモロコシやじゃがいもなどの、デンプン質から作られる天然由来の素材です。熱収縮がしにくく、熱溶解積層方式では扱いやすい素材ですが、造形後の塗装や研磨は難しい特徴があります。

レジンは、主に光造形方式で使われている液体樹脂材料で、紫外線により硬化します。適度に硬度があり、カラーの種類が豊富なので、フィギュアやアクセサリーの造形にぴったりです。しかし、液体でのレジンは肌に有害なため、取り扱いには注意してください。

本体および造形サイズをチェック

3Dプリンターを選ぶ際は、本体サイズと造形サイズをチェックしましょう。特に家庭での使用は、3Dプリンターを設置する場所に困ることが多いので、実際に設置するスペースに余裕があるかを確認しておく必要があります。

しかし本体サイズの小さい機種は、その分造形サイズも小さくなる傾向にあるので注意してください。あまり造形サイズが小さいと、3Dプリンターの運用中、新しく大きい製品を作りたくなったときに困ることもあります。

機能をチェック

3Dプリンターは、機種によってさまざまな便利機能を搭載しているので、仕様をよく確認して選びましょう。ここでは、タッチパネル・フィラメント検出機能・ノズルの取り外し機能についてご紹介します。

タッチパネルは、3Dプリンター本体に搭載された画面をタッチすることで、機器の操作を行える機能です。日本語表示かつ、対話方式での表示であれば、操作に慣れていない方でも簡単に扱えます。

フィラメント検出機能は、造形中にフィラメント切れを起こしても機械が一時停止し、フィラメントの継ぎ足しが行える機能です。当機能を搭載していない機種だと、材料のない状態のまま印刷を続けてしまうので、造形を最初からやり直さなくてはなりません。当機能があることで、大きいサイズの印刷でも、残りわずかのフィラメントを活用できるメリットがあります。

ノズルの取り外し機能は、簡単にノズルを取り外せる機能を指します。ノズルに目詰まりがあったとき、メンテナンスが容易に行えます。

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加工で用いられる4種の方法

金属試作加工の方法は種類が多く、製品の素材・形状・個数などによって適切な方法が異なります。加工方法で強度に差が出る場合もあるため、適切な加工方法の選択には専門的な知識と経験が欠かせません。

ここでは、金属試作の加工方法を選ぶ際に、理解しておきたいおもな4種類の加工方法を紹介します。それぞれの特徴を知り、試作品の適切な加工方法を見極めるための参考にしてください。

3Dプリンターでの積層造形

積層造形とは、「Additive manufacturing（付加製造）」と呼ばれる金属加工技術の一つです。金属3Dプリンターにより、3Dデータからスライスされたデータに基づいて金属粉末などを1層ずつ積み重ねて3次元の形状を作り出します。

金属3Dプリンターは、内部に複雑な形の空洞や曲がりくねった冷却管があるなど切削では難しい形状へ加工する際におすすめです。試作加工の所要期間と費用を抑えられる点が魅力ですが、切削ほどの精度は期待できません。

鋳造

鋳造は、金属や木材の鋳型に、熱を加えて溶解させた金属を流し込んで成形する加工方法です。鋳造は使用する模型・鋳型・鋳込方法などによって種類が分けられ、種類によっては安い費用で行なえます。しかし、精度はあまり良くないので、必要な箇所に切削での2次加工を施さなければなりません。

また、従来の木型を使用する砂型鋳造ではコスト削減などに限度があったことから、鋳造用砂型3Dプリンターが注目されています。鋳造用砂型3Dプリンターは、ダイレクトに砂型を造形できるので短期間での製作が可能ですが、表面が粗くなる点がデメリットです。

旋盤による切削

切削加工とは、専用の刃物で金属を削り、余分な部分を除去して設計どおりに造形する加工方法です。切削加工にはさまざまな種類があり、そのなかで素材を回転させながら切削用の工具を当てて削る方法は「旋盤加工やターニング」と呼ばれます。

旋盤という機械で素材を固定して回転させ、バイトと呼ばれる刃物状の工具を当てて削ることで、ボルトやコネクタなどの製作が可能です。コストは比較的低く、特に丸形状の加工に使用されることが多いのが一般的です。ただし、細かい造形や中空構造には不向きな加工方法です。

マシニングによる切削

マシニングセンタという、製品加工に合った工具を選択できる工作機械を用いた切削加工を「マシニング加工」と呼びます。プログラミングに基づいて自動制御された切削工具で、素材を削って造形していく加工方法です。

素材を固定して工具が回転するため、ポケット加工や穴あけ、箱型や複雑な3次元形状の加工を得意としています。

しかし、加工の自由度が高い反面、事前のプログラミングには一定の技量が必要となり、また加工時間が長くコストが高めなのが難点でしょう。また、旋盤による切削加工と同様に、細かい造形や中空構造には不向きです。

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3Dプリンターによく用いられるフィラメントとは？

3Dプリンターに用いられる材料は大きく分けて7種類に分類されます。

・プラスチック

・木材

・コンクリート

・セラミックス

・食品

・細胞

・金属

この7種類の中で、3Dプリンター用の材料として最も使用されているのはプラスチックです。

そのプラスチックの中でも、「熱可塑性樹脂」と「熱硬化性樹脂」の2種類に大別できます。

熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂は、言わばチーズと卵のような関係だと捉えるとわかりやすいです。

チーズは最初は固体ですが、加熱すると液体になります。再び冷やすと、固体に戻り、再び加熱すると液体になります。そのため、再利用しやすい性質があります。

これが熱可塑性樹脂の特性です。

その反面、卵は最初は液体で、加熱すると固体になりますが、再び冷やしても液体には戻ることがありません。

これが熱硬化性樹脂の特性です。

したがって、熱硬化性樹脂は熱可塑性樹脂よりも再利用しにくいです。

近年、家庭用向けに普及しているFFF方式(熱溶解積層法)3Dプリンターに用いられる材料は熱可塑性樹脂が主流です。

その形状は細長い線状の500gもしくは1kg程度のスプール(巻き筒)状に巻かれており、それらをフィラメントと呼んでいます。

FFF(Fused Filament Fabrication)方式3Dプリンターは名称にもある通り、フィラメントを材料として造形物を作成していきます。

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