決して重さを感じない重量：NeoSanderのカウンターウェイトシステム

NeoSanderに関するフィードバックを十分に読んでいくと、こちらの言葉ではなく、たいていはユーザー自身の言葉で、同じことが繰り返し語られていることに気づきます。振動が少ない、揺れない、セッションの終わりまで手元が安定している、といった声です。

振動はスペック表には決して現れません。振動しないことを理由にサンダーを買う人もいないでしょう。しかし、手が最初に感じ取るのは振動であり、1時間作業した後も安定していられるか、それとも疲れ始めるかを左右するのは振動です。
 NeoSanderを手に取ったときに感じてほしいのは、安定感と軽さの2つだけです。ベースのラバースイッチを押し、ストロークスライダーを調整すると、このコンパクトなディテールサンダーが動き始めます。内部では往復動リニアモーターがコネクティングロッドを前後に駆動し、その先端のツールホルダーが繊細なサンディング動作を行います。その使い心地の裏には、ユーザーの目に触れることはありませんが、サンダーが手にしっくりくるかどうかを決めた開発の物語があります。

1つの解決策で2つの問題を解決

往復動リニアモーターを選んだのは、意図的なトレードオフでした。従来のロータリーサンダーは手に粗い振動が伝わりやすく、過熱もしがちです。一方、市場にある他の往復動サンダーは動作方式こそ適切でも、内部では依然としてギア駆動モーターに頼っており、効率が悪く、焼き付きも起こりやすい傾向があります。往復動リニアモーターはこの2つの問題を回避します。2人目のレビュアーが語った、勝手に動かず、熱がこもらず、エッジに引っかからない工具の源がそこにあります。しかし同時に、新たな問題も生じました。
モーターの動作原理はシンプルです。コイルに電流を流すと磁界が発生し、その磁界が磁石と作用して推力を生みます。そして機械構造がその力を1本の軸上、つまり前後方向だけに制限します。これが往復運動の仕組みです。問題は、モーターの両側の重量バランスが崩れたときに始まります。本来は軸上に収まるはずの力が軸外へぶれ、機械が揺れ始めるのです。
開発初期、コネクティングロッドはモーターの片側だけに取り付けられ、もう片側は空いたままでした。この構造的な非対称性により、動作中の機械は激しく揺れ、机の上を跳ねて移動するほどでした。振動を抑えるため、モーターの空いている側にカウンターウェイトを追加し、反対側とのバランスを取ることで、非対称な構造に起因する揺れを発生源から打ち消しました。

軽量でありながら、正確に

カウンターウェイトの設計原則は、両側を完全に釣り合わせながら、できる限り軽く、コンパクトにすることです。しかし、実際には決して簡単ではありません。
モーターが出力できるエネルギーには限りがあります。サンディング動作そのものを駆動するだけでなく、システム自体の構造バランスを維持するためにもエネルギーを使わなければならず、サンディングヘッドがワークにかける圧力によってさらに損失が生じます。カウンターウェイトとコネクティングロッドが重くなるほど、実際のサンディングに使える力は少なくなります。簡単に言えば、モーターが10グラムを動かせる場合、両側に1グラムずつカウンターウェイトを追加すると、作業に使える力は8グラム残ります。しかし、両側に5グラムずつ搭載すると、それだけでモーターの容量をすべて使い切り、サンディングにほとんど力を残せません。

ここで、カウンターウェイトシステムの本当の難しさが浮かび上がります。コネクティングロッド側（プラスチック製の サンディングヘッド、ロッド本体、取り付けネジ）の総重量と、カウンターウェイト側（カウンターウェイトブロックとそのネジ）の総重量を正確に一致させ、構造を対称にして振動を抑えなければなりません。同時に、両側をできる限り軽く、コンパクトに保ち、サンディング作業そのものにより多くのエネルギーを残す必要があります。完璧なバランスと最小限の重量は、互いに相反する条件なのです。

アルミニウム合金の限界

プロジェクト初期、R&Dチームは業界で一般的な方法に倣い、コネクティングロッドにアルミニウム合金を使用しました。試験によって2つの問題が明らかになりました。
1つ目は、アルミニウム合金の密度が比較的高いことです（約2.7 g/cm³）。そのため、ロッド自体が必要以上に重くなりました。これに合わせるため、カウンターウェイトも大きく厚くする必要があり、気づかないうちに機械全体の重量が増え、モーターがサンディングに使えるエネルギーを圧迫しました。実際には、モーターの出力が単純に足りないように感じられ、一時はより強力なモーターが答えなのではないかとさえ考えました。
2つ目は、アルミニウムが高密度であるがゆえに、目標重量に合わせるにはロッドを小さく薄く作る必要があり、加工時に微調整できる材料がほとんど残らないことです。その結果、カウンターウェイトと正確に一致することはほとんどなく、近い値にしかできませんでした。わずかな差があれば、それを補うためにカウンターウェイトを少し大きくする必要があり、全体の重量はさらに増えてしまいます。

ブレークスルー

本当のブレークスルーは、チームでの議論中に出た何気ない一言から生まれました。HOZOの創業者の1人であるPeterが、マグネシウム・アルミニウム合金の低密度について話したことで、すべてがつながりました。この素材はすでに自動車業界で荷重を支える構造部品として広く使われており、特に電気自動車の軽量化や、軽量ノートパソコンにも採用されています。実際の機械的荷重を受ける部品であるホイールに使えるのなら、コネクティングロッドにも試す価値があると考えました。
マグネシウム・アルミニウム合金をCNC加工してロッドの試作品を作り、テストしました。結果は明確でした。マグネシウム・アルミニウム合金の密度は約1.8 g/cm³で、アルミニウム合金の2.7 g/cm³を大きく下回り、プラスチック（約1.3 g/cm³）にも近い値です。密度が低いため、アルミニウム合金と同じ重量にするにはより多くの体積の材料が必要になります。そして体積が大きいことで、加工時の微調整に十分な余地が生まれ、ステンレス製カウンターウェイトと一致する正確な目標重量を実現できました。さらに重要なのは、マグネシウム・アルミニウム合金がアルミニウム合金と同等の強度を保ち、分野によってはそれを上回ったことです。

最終的に、私たちはコネクティングロッドにマグネシウム・アルミニウム合金を正式採用しました。ロッド側の総重量はステンレス製カウンターウェイト側と正確に一致し、差を埋めるためにどちら側にも追加の材料は必要ありませんでした。機械全体も軽くなり、サンディングに使えるエネルギーが増えました。往復運動による振動は、根本から解決されたのです。

1年にわたるやり直し

カウンターウェイトシステムの最終的な重量と素材は、一度の試作で決まったわけではありません。試作とテストの1サイクルにはおよそ2〜3週間かかりました。CNC試作だけで7〜8日、その後にコスト計算と、異なるカウンターウェイト構成のテストを行いました。比較対象として、意図的に少し軽いバージョンと少し重いバージョンも試しましたが、結果は変わりませんでした。両側が完璧に釣り合っていることが、常に正解だったのです。
最も多かったつまずきは、そもそも当初設定した性能目標、つまりモーター出力、振動振幅、騒音レベルを満たせない試作品でした。そのうち1つでも基準を下回れば、部品の組み立てや内部インターフェースからPCBレイアウトに至るまで、設計そのものに立ち戻らなければなりませんでした。すべてを見直す必要があったのです。第1世代のレイアウトは紙の上では問題なく見えても、実際に組み立てると何らかのパラメーターで基準に届かないことがあり、そのたびに最初からやり直しました。

このやり直しのサイクルは少なくとも3回繰り返され、各ラウンドに1〜2か月、場合によっては3か月かかりました。振り返ってみると、本当の設計上の気づきは、最初から現れることはほとんどありません。努力の70〜80％をすでに費やし、テストを限界まで繰り返し、失敗を重ねることで新しい考え方を迫られた後に、ようやく生まれるものです。最初からすべてが順調に進んでいたら、その気づきは決して得られなかったかもしれません。

見えないが、確かに存在するシステム

こうした試作、テスト、やり直しを重ねた理由はただ1つ。それらを使う人に感じさせないためでした。
HOZOにとって、振動を最小限に抑えることはサンディング体験に欠かせない要素です。それは実際に工具を手にして初めて理解できるものであり、ユーザーによっては、作業できるかどうかを分ける違いにもなります。1時間作業したとき、その違いが、手元の安定を保てるか、疲れ始めるかを左右します。
優れたデザインとは、多くの場合、複雑さをシンプルで安定した使い心地の裏に隠すことです。この機械の内部にあるカウンターウェイトシステムは、まさにそれです。決して見えない。決して語られない。それでも、すべてを決めています。