I. 問題: ロボットの「関節」の故障の隠れたリスク
産業用ロボット、協働ロボット、精密サーボシステムにおいて、磁気エンコーダは「関節センサー」として重要な役割を果たしています。磁場の変化を検出します。 エンコーダ ディスク (磁気リング) を備え、モーターの速度と位置に関するリアルタイムのフィードバックを提供します。ただし、見落とされやすい問題の 1 つは、ロボットが高温条件下で継続的に動作すると、磁気エンコーダ ディスクが 高温減磁を受け 、位置フィードバック ドリフト、電流の増加、さらにはステップ損失につながる可能性があることです。
エンジニアは実際のデバッグでこの問題に遭遇しました。モーターが 80 °C を超える温度で動作すると、位置フィードバックが徐々に不正確になります。徹底的なチェックの結果、根本原因は磁気エンコーダーの高温減磁であることが判明しました。長時間連続稼働する必要がある産業用ロボットにとって、この問題は特に重大です。加工精度に影響を与えるだけでなく、機器の故障や安全上のインシデントを引き起こす可能性もあります。
現在、磁気エンコーダ ディスクに最も広く使用されている 2 つの材料は、 射出成形フェライト と ゴム磁石 (フレキシブル フェライト 磁石とも呼ばれます) です。これら 2 つの材料はなぜ高温で減磁するのでしょうか?また、これはどのように解決できるのでしょうか?この記事では、材料特性、減磁メカニズム、および解決策の観点から詳細な分析を提供します。
II. 2 つの一般的な材料とその温度特性 1. 射出成形フェライト 射出成形フェライトは、ナイロン（または他の熱可塑性樹脂）と酸化鉄粉末を混合してペレットを形成し、その後射出成形によって加工することによって作られます。形状の自由度が高く、寸法精度に優れ、量産にも適しているという利点があります。磁気エンコーダディスクの分野では、射出成形されたフェライトリングは複数の極で精密に磁化することができ、モーター制御やロボットのジョイントに広く使用されています。
ただし、射出成形フェライトには、 温度に対する感度が高いという重大な欠点があります 。高温下では磁気特性が低下し、減磁が発生する可能性があります。通常、射出成形フェライトの動作温度範囲は -40 °C ～ 120 °C です。この範囲を超えると、磁気性能が低下し始めます。さらに懸念されるのは、射出成形フェライトの保磁力が比較的低く、外部磁場の影響を受けるだけでなく、高温での不可逆的な磁気損失も受けやすいことです。
2. ゴム磁石（フレキシブルフェライト磁石） ゴム磁石は、結合フェライト粉末と合成ゴム（ニトリルゴム、クロロプレンゴムなど）を配合し、カレンダー加工、押出成形、射出成形などの加工を施して作られています。柔軟性、弾性、切断性に優れており、磁気エンコーダにも広く使用されています。
従来のゴム磁石の動作温度の上限は通常約 80 °Cです 。通常のゴム磁石は、80 °C で 72 時間後の磁気減衰は 3% 未満です。ただし、温度がさらに上昇すると、減磁のリスクが大幅に増加します。なお、ゴム磁石の耐熱温度は主にゴムマトリックスによって決まりますが、シリコーンゴムなどの高温耐性ゴムを使用することで上限を150～200℃まで高めることができます。
Ⅲ．高温減磁の物理的メカニズム: 熱運動で磁区が「方向を失う」 高温減磁を理解するには、まず磁性材料が磁性をもつ理由を理解する必要があります。
物質の磁性は、物質内部の小さな磁性領域、つまり磁区の規則正しい配列から発生し ます 。室温では、これらのドメインはほぼ同じ方向に整列し、巨視的な磁性を生成します。温度が上昇すると、磁区内の原子の熱運動が激しくなり、本来秩序だった磁区構造が乱れ、磁気モーメントがずれます。その結果、磁石の 残留磁気 (Br) と 保磁力 (Hc)の両方 が程度の差はあれ減少し、磁界の強さの弱体化として現れます。
射出成形されたフェライト磁石とゴム磁石の場合、状況はより複雑です。両方の材料は、 ボンド磁石です。 ポリマー結合剤と混合された磁性粉末 (フェライト粉末) で構成される高温は粉末自体の磁区配置に影響を与えるだけでなく、結合剤の特性（軟化、老化など）も変化させ、それが粉末の分散と全体的な磁気性能に影響を与えます。
高温減磁の 2 つのタイプを区別することが重要です。
・ 可逆減磁 ：温度が上昇すると磁気性能は低下しますが、温度が正常に戻ると磁気性能は回復します。
・ 不可逆減磁 ：一定の温度を超えると磁区構造が永久に変化し、冷却しても元の磁気特性に戻れなくなります。
ロボットの連続動作において、最も重要な懸念は 不可逆的な減磁です 。これが一度発生すると、エンコーダ ディスクの磁気信号強度が永久に低下し、エンコーダの測定精度が直接損なわれます。
IV.体系的なソリューション 射出成形フェライトおよびゴム磁石エンコーダディスクの高温減磁に対処するには、材料レベルとシステム設計レベルの 2 つの次元からソリューションを追求できます。
ソリューション 1: マテリアルレベルの最適化とアップグレード 1. 射出成形フェライトの高温耐性グレードの選択 射出成形フェライトの動作温度は一定ではありません。磁性粉の配合とバインダー系を最適化することで、耐熱性を大幅に向上させることができます。たとえば、結合剤としてナイロン 6 または PPS (ポリフェニレンサルファイド) を使用したフェライト材料は、約 180 °C で満足のいくテスト結果を示しています。研究によると、適切な量の TAF 潤滑剤を添加すると、ペレットの流動性と磁気特性が改善されることが示されています。カップリング剤による磁性粉末の表面処理も、射出成形磁石の性能を効果的に向上させることができます。
2. 耐熱ゴム磁石の選定 従来のゴム磁石の耐熱温度は80℃ですが、高温用ゴムシステムの採用（通常のゴムをシリコーンゴムに置き換えるなど）により、上限を150～200℃まで高めることができます。特許取得済みの技術により、フェライト粉末を使用した高温ゴムシステムの適切な配合とプロセスの最適化により、ゴム磁石の最大使用温度が 120 ～ 170 °C に達する可能性があることが示されています。 SR/NBR などのブレンドゴム系も、120 °C 以上で良好な熱安定性を示します。
実際の選択では、材料の温度定格と機器の動作温度範囲を一致させることをお勧めします。
解決策 2: システム設計と熱管理 1. 放熱設計の最適化 高温減磁は最終的には過度の温度によって引き起こされるため、効果的な熱管理が最も直接的なアプローチとなります。具体的な対策としては以下が挙げられます。
· を追加するか、強制空冷します。 ヒートシンク 磁気リングの動作温度を下げるために、エンコーダの周囲に
・ を配置し、熱伝達を遮断します。 断熱構造 モータ巻線とエンコーダの間に
・ を採用し 水冷ジャケット設計 、高温条件下でも継続的な冷却を実現します。
2. 磁気回路設計における余裕度 磁気回路の設計段階で、 磁束マージンを確保することができ、製品のライフサイクル全体にわたって安定した性能を保証します。 高温での部分的な磁気損失を補償するために適切な
3. 射出成形プロセス温度の制御 磁気エンコーダディスクの製造では、射出成形時の加工温度の制御に注意を払い、磁気特性を損なう可能性のある過度の温度を避ける必要があります。
V. まとめ 射出成形されたフェライトおよびゴム磁石のエンコーダ ディスクの高温での消磁は、本質的には熱運動によって規則正しい磁区構造が破壊され、磁気秩序が低下する物理的なプロセスです。この問題は、ロボットの連続運転において特に顕著です。
解決策は 2 つのレベルからアプローチできます。 材料レベルでは 、射出成形フェライトまたは高温耐性ゴム磁石の高温耐性グレードを選択します。 システム レベルでこれを実現します。 熱放散を最適化し、適切な熱管理を実装し、磁気回路設計で磁束マージンを確保することにより、
実際のエンジニアリング用途では、特定の温度範囲、コスト予算、精度要件に基づいて、最適なソリューションを総合的に評価して選択することをお勧めします。結局のところ、長期間にわたって安定して動作する必要があるロボットにとって、すべての「関節」の信頼性は全体的な成功にとって非常に重要です。
