リニアモーターは急速に普及している。これらは機械に最高の精度と動的性能をもたらす。

リニアモーターは、位置決めにおいて非常に高速かつ高精度であるだけでなく、機械ヘッドやスライド、工具や部品の搬送システムなどにおいて、低速かつ一定の移動速度を実現することも可能です。レーザー手術、画像検査、ボトルや荷物の搬送など、さまざまな用途でリニアモーターが使用されています。これは、リニアモーターが非常に信頼性が高く、メンテナンスの手間が少なく、生産サイクルを改善できるためです。

より速い速度と力

リニアモーターは負荷に直接接続されるため、機械式カップリング、プーリー、タイミングベルト、ボールねじ、チェーン駆動、ラックアンドピニオンなど、多くの接続部品が不要になります。これにより、コストとバックラッシュが低減されます。また、リニアモーターは、数億サイクルにわたる安定した動作、高精度な位置決め、そして高速動作を可能にします。

リニアモーターで達成可能な一般的な速度は様々です。ピックアンドプレースマシン（短い移動を多数行う）や検査装置で使用されます。リニアステッピング最大速度60インチ/秒。フライングシャーアプリケーションや、より長い移動を行うピックアンドプレースマシンで使用されます。歯車不要ブラシレス最大200インチ/秒の速度に対応するリニアモーター。ジェットコースター、車両発射装置、人員輸送車にはリニアモーターが使用されています。交流誘導モーターは最大2,000インチ/秒の速度を達成します。

どのリニアモーター技術が最適かを決定するもう一つの要素は、アプリケーションの負荷を動かすのに必要な力です。負荷または質量とアプリケーションの加速度プロファイルが、最終的にこの力を決定します。

用途によって課題は異なりますが、一般的に、部品搬送システムでは最大220N（50lb）の力を持つリニアステッピングモーターが使用され、半導体、レーザー切断、ウォータージェット切断、ロボットでは最大2,500Nのブラシレスコグフリーモーターが使用され、コンベアシステムでは最大2,200NのリニアAC誘導モーターが使用され、搬送ラインや工作機械では最大14,000Nの鉄心ブラシレスモーターが使用されます。用途はそれぞれ異なるため、この仕様策定段階ではメーカーのアプリケーションエンジニアがサポートを提供することに留意してください。

速度や力以外にも、考慮すべき要素は存在する。例えば、コンベアシステムでは、移動距離が長く、永久磁石を使用しない受動的な二次側を持つという利点から、リニアAC誘導モーターが用いられる。レーザー眼科手術や半導体製造などの用途では、精度と滑らかな動作を実現するために、ブラシレスコグフリーモーターが使用される。

基本操作

リニアモーターは、2つの電磁力の相互作用によって動作します。これは、回転モーターでトルクを生み出すのと同じ基本的な相互作用です。

回転モーターを切断して平らに伸ばした状態を想像してみてください。これは、直線モーターの形状を大まかに表したものです。トルクを得るために負荷を回転軸に連結する代わりに、直線運動と力を得るために負荷を平らな回転する台車に接続します。つまり、トルクは回転モーターが提供する仕事を表すものであり、力は直線モーターの仕事を表すものです。

正確さ

まず、従来の回転ステッピングシステムについて考えてみましょう。ピッチが1インチあたり5回転のボールねじに接続された場合、精度は約0.004～0.008インチ、つまり0.1～0.2mmです。サーボモーターで駆動される回転システムの精度は0.001～0.0001インチです。

一方、負荷に直接接続されたリニアモータの精度は0.0007～0.000008インチの範囲です。なお、これらの数値にはカップリングとボールねじのバックラッシュは含まれておらず、これらは回転システムの精度をさらに低下させる要因となります。

相対的な精度は様々です。ここで詳しく説明する一般的な回転式ステッピングモーターでも、人間の髪の毛の直径以内の精度で位置決めが可能です。とはいえ、サーボモーターはこれを最大80倍向上させ、リニアモーターはさらに精度を高め、人間の髪の毛の直径の500分の1まで精度を向上させることができます。

機器の寿命全体を通して、精度よりもメンテナンスとコストの方が重要な考慮事項となる場合があります。リニアモーターはここでも優れています。リニアモーターを使用すると、非接触部品によって機械の動作が向上し、故障間隔が長くなるため、一般的にメンテナンスコストが削減されます。さらに、リニアモーターのバックラッシュがゼロであるため、衝撃がなくなり、機械の寿命がさらに延びます。その他の利点としては、メンテナンスサイクルの間隔を長くできるため、よりスムーズな運用が可能になります。メンテナンスと人員の削減により、収益（利益）が向上し、機器の寿命全体にわたる所有コストが削減されます。

メリットを比較

アプリケーションによっては直線運動が求められる場合があります。回転モーターを使用する場合は、回転運動を直線運動に変換するための機械的な変換機構が必要です。設計者は、制約を最小限に抑えつつ、アプリケーションに最適な変換機構を選択します。

• リニアモーターとベルト＆プーリーの比較：回転モーターから直線運動を得る一般的な方法は、ベルトとプーリーを使用することです。通常、推力はベルトの引張強度によって制限されます。急な始動と停止はベルトの伸びを引き起こし、共振によって整定時間が長くなります。機械的な巻き込み、バックラッシュ、ベルトの伸びも、再現性、精度、機械のスループットを低下させます。サーボ動作では速度と再現性が重要なので、これは最良の選択肢ではありません。ベルトとプーリーの設計では3 m/秒に達することがありますが、直線では10 m/秒に達することができます。バックラッシュや巻き込みがないため、ダイレクトドライブの直線モーターは再現性と精度をさらに向上させます。
• リニアモーターとラックアンドピニオンの比較：ラックアンドピニオンは、ベルトアンドプーリー設計よりも推力と機械的剛性が高い。しかし、経年による双方向の摩耗により、再現性と精度に問題が生じる。これがこの機構の主な欠点である。バックラッシュがあると、モーターのフィードバックが実際の負荷位置を検出できず、不安定になり、ゲインが低下し、全体的なパフォーマンスが低下する。一方、リニアモーターで駆動される機械は、より高速で、より正確な位置決めが可能である。
• リニアモーターとボールねじの比較：回転運動を直線運動に変換する最も一般的な方法は、リードスクリューまたはボールスクリューを使用することです。これらは安価ですが、効率は劣ります。リードスクリューは通常50%以下、ボールスクリューは約90%です。摩擦が大きいと熱が発生し、長期間の摩耗により精度が低下します。移動距離は機械的に制限されます。さらに、直線速度の制限はピッチを大きくすることによってのみ拡張できますが、これにより位置分解能が低下します。回転速度が高すぎると、スクリューが鞭のように振れて振動が発生することもあります。リニアモーターは、長く無制限の移動が可能です。負荷にエンコーダを使用すると、長期精度は通常±5 µm/300 mmです。

基本的なリニアモーターの種類

回転モーターに様々な技術があるように、直線モーターにもステッピングモーター、ブラシレスモーター、リニアAC誘導モーターなど、様々な種類があります。なお、直線モーターは、駆動装置（アンプ）、位置決め装置（モーションコントローラー）、フィードバック装置（ホールセンサーやエンコーダーなど）といった、産業界で一般的に利用されている機器を組み合わせて使用​​します。

多くの設計ではカスタムリニアモーターを使用することでメリットが得られますが、通常は市販の設計でも十分です。

ブラシレス鉄心リニアモーターこのタイプのモーターは、可動部の磁束を誘導するために鋼板を積層しているのが特徴です。このタイプのモーターは、より高い力定格と効率を備えていますが、同サイズのコグフリーモーターよりも3～5倍重くなります。固定プラテンは、ニッケル冷間圧延鋼板に接着された多極交互極性永久磁石で構成されています。しかし、可動部の鋼板は固定プラテンの磁石と相互作用し、「吸引」力を発生させ、モーターが1つの磁場から別の磁場に移動する際にわずかなコギングまたはリップルが発生し、速度変動が生じます。

これらのモーターは、大きなピーク力、大きな熱容量、長い熱時定数を備えているため、搬送ラインや工作機械など、非常に重い負荷を移動させる高出力で断続的なデューティサイクル用途に適しています。また、無制限の移動が可能で、軌道が重なり合う複数の可動プラテンを備えている場合もあります。

ブラシレスコグレスモーター可動式フォース装置には、鋼板積層のないコイルアセンブリが組み込まれています。コイルは、ワイヤ、エポキシ樹脂、および非磁性支持構造で構成されています。このユニットは、重量が大幅に軽減されています。基本設計では発生する力が少ないため、固定トラックに追加の磁石が挿入され（力の増加を補助）、トラックはU字型で、U字の両側に磁石が配置されています。フォース装置はU字の中央に挿入されます。

これらのモーターは、スキャン装置や検査装置など、磁気コギングのないスムーズな動作が求められる用途に適しています。高い加速度は、半導体のピックアンドプレース、チップ選別、はんだや接着剤の塗布などに役立ちます。これらのモーターは、無制限の移動範囲に対応するように設計されています。

リニアステッピングモーター長年にわたり利用可能であったこの装置は、精密に歯が刻まれた積層鋼製コア、単一の永久磁石、および積層コアに挿入されたコイルで構成されています。（コイルが2つある場合は2相ステッピングモーターになります。）このアセンブリはアルミニウム製のハウジングに封入されています。

固定プラテンは、鋼棒に光化学エッチング加工を施した歯を研磨し、ニッケルメッキを施した構造です。これを端から端まで積み重ねることで、長さを無制限にすることができます。モーターには、フォースユニット、ベアリング、プラテンが付属しています。磁石の吸引力はベアリングの予圧として利用され、また、様々な用途に合わせてユニットを反転させて動作させることも可能です。

交流誘導電動機強制力発生装置は、鋼板積層体と相巻線からなるコイルアセンブリで構成されています。巻線は単相または三相のいずれかです。これにより、直接オンライン制御、またはインバータやベクトル制御による制御が可能になります。固定プラテン（反力板と呼ばれる）は通常、冷間圧延鋼板に接着された薄いアルミニウムまたは銅の層で構成されています。

強制コイルに電流が流れると、反力板と相互作用して作動します。この設計の強みは、高速かつ無制限の移動距離を実現できることです。そのため、マテリアルハンドリング、人員輸送、コンベア、スライドゲートなどに使用されています。

新しいデザインコンセプト

最新の設計改良の中には、再設計によって実現されたものもあります。例えば、元々は1平面での動作を目的として設計されたリニアステッピングモーターの中には、XY軸の動きを実現するために2平面での動作ができるように再設計されたものがあります。この場合、可動式フォースユニットは、90°の角度で直交するように配置された2つのリニアステッピングモーターで構成され、一方がX軸方向の動きを、もう一方がY軸方向の動きを担います。軌道が重なり合う複数のフォースユニットも使用可能です。

これらの2平面モーターでは、固定プラットフォーム（またはプラテン）に強度を高めるための新しい複合構造を採用しています。剛性も向上しているため、たわみは従来モデルと比較して60～80%低減されています。プラテンの平面度は300mmあたり14ミクロンを超え、正確な動作を実現しています。さらに、ステッピングモーターは自然な吸引力を持つため、この構造ではプラテンを上向きまたは逆向きに取り付けることができ、用途に応じた汎用性と柔軟性を提供します。

もう一つの革新的な技術である水冷方式は、リニアAC誘導モーターの駆動能力を25%向上させます。この駆動能力の向上に加え、移動距離に制限がないという利点も相まって、AC誘導モーターは遊園地の乗り物、荷物運搬、人員輸送など、多くの用途で最高の性能を発揮します。速度は、現在業界で利用可能な可変速駆動装置によって、6～2,000インチ/秒の範囲で調整可能です。

さらに別のモータは、固定された円筒形のハウジングと、運動を提供する直線状の可動部を備えている。可動部は、銅被覆鋼製の棒、可動コイル、または可動磁石などであり、シリンダー内のピストンのような役割を果たす。

これらの設計は、リニアモーターの利点に加え、リニアアクチュエータと同様の性能を発揮します。用途としては、生体医療における大腸内視鏡検査、長時間シャッターアクチュエータを備えたカメラ、振動減衰が必要な望遠鏡、リソグラフィー用フォーカスモーター、発電機をオンラインにするためにブレーカーを作動させる発電機スイッチギア、そしてトルティーヤを型抜きする際の食品プレスなどが挙げられます。

リニアモーターのパッケージまたはステージ一式は、ペイロードの位置決めに適しています。これらは、モーター、フィードバックエンコーダー、リミットスイッチ、およびケーブルキャリアで構成されています。複数のステージを積み重ねることで、多軸移動を実現できます。

リニアステージの利点の1つは、その薄型設計により、従来のポジショナーに比べて狭いスペースにも設置できることです。部品点数が少ないため、信頼性も向上します。ここでは、モーターは通常のドライブに接続されています。クローズドループ制御では、モーションコントローラによって位置ループが閉じられます。

繰り返しになりますが、既製品以外にも、カスタム設計や特殊設計の製品も豊富に揃っています。最終的には、アプリケーションエンジニアと機器のニーズを検討し、用途に最適なリニア製品を決定するのが最善です。