リニアモーターは、回転サーボモーターを平らに広げ、基本的に直線運動を生み出すものと考えることができます。従来のリニアアクチュエーターは、回転サーボモーターの回転運動を直線運動に変換する機械要素です。どちらも直線運動を実現しますが、性能特性とトレードオフが大きく異なります。どちらが優れているか劣っているかという技術はなく、どちらを使用するかは用途によって異なります。詳しく見ていきましょう。

リニアモーターは、高加速度、高速、高精度が求められる用途でその真価を発揮します。例えば、分解能とスループットが極めて重要で、1時間のダウンタイムでも数万ドルの損失につながる半導体計測においては、リニアモーターは理想的なソリューションとなります。しかし、それほど要求が厳しくない状況ではどうでしょうか？

リニアモーターの初期の課題はコスト競争力でした。リニアモーターは希土類磁石を必要とし、これがストローク長を制限する要因の一つとなっていました。確かに理論上は磁石をほぼ無限に並べることができますが、実際には長いストローク長にわたって十分な剛性を確保するという課題に加え、特にUチャンネル設計ではコストがかさみます。

鉄心型モータは、同等の鉄心なし設計よりも小さな磁石で同じ力を発生できるため、力強さが主な要件であり、コギング力の変動による動的位置または速度誤差を許容できるほど性能仕様が緩い場合は、鉄心型が最適なアプローチとなる可能性があります。性能要件がさらに緩く、ナノメートルではなくミクロン単位の場合は、リニアアクチュエータの組み合わせが最も適切な妥協点となる可能性があります。例えば、医薬品の包装にはリニアアクチュエータを選択し、創薬におけるDNAシーケンシングにはリニアモータを選択するといった具合です。

旅行の長さ
例外は数多くありますが、リニアモーターの最適なストローク長は数ミリメートルから数メートルの範囲です。それより短いストローク長の場合は、フレクシャなどの代替手段の方が効果的かもしれません。それ以上の長さの場合は、ベルト駆動、そしてラック・アンド・ピニオン駆動の方が適しているでしょう。

リニアモーターのストローク長は、コストと取り付け安定性だけでなく、ケーブル管理の問題によっても制約されます。動作を発生させるには、フォーサーに通電する必要があり、そのため電源ケーブルはストローク長全体にわたって配線する必要があります。高屈曲ケーブルとそれに付随するレースウェイは高価であり、さらに、モーション制御全体においてケーブル配線が最大の障害発生点であるという事実が、この問題をさらに複雑にしています。

もちろん、リニアモーターの特性上、この問題には巧妙な解決策が考えられます。そのような懸念がある場合、フォーサーを固定ベースに取り付け、磁気トラックを移動させます。こうすることで、すべてのケーブルが固定フォーサーに集まります。コイルではなく、より重い磁気トラックを加速するため、モーターの加速性能は少し低下します。高Gに対応するためにこの方法を採用する場合、これは好ましくありません。もし高Gのアプリケーションが本当に必要でなければ、これは非常に良い設計となるでしょう。

Profetaは、ピーク出力が28～900ポンドのAerotechリニアサーボモーターを挙げていますが、ここでもリニアモーターの基本設計は、はるかに大きな力を提供する独自のソリューションに適しています。当社の最大のリニアモーターを6台組み合わせて、約6,000ポンドの力を生成するお客様もいらっしゃいます。複数のフォーサーを複数のトラックに配置し、機械的に固定し、それらを整流することで1つのモーターとして動作させることもできます。また、複数のフォーサーを同じ磁気トラックに配置し、負荷を保持するキャリッジに取り付けて1つのモーターとして扱うこともできます。

私たちは現実の世界に生きており、整流を正確に一致させることは不可能なので、このアプローチには数パーセントの効率の低下を伴いますが、それでも特定のアプリケーションに対しては最良の総合的なソリューションになる可能性があります。

直接対決
力の観点から見ると、リニアモーターは回転モーターとリニアアクチュエータの組み合わせと比べてどうでしょうか？力には大きなトレードオフがあり、幅4インチ、8極スロットレスリニアモーターと幅4インチのネジ駆動製品を比較すると、当社の8極リニアモーターのピーク力は40ポンド（180N）、連続力は11ポンド（50N）です。同じプロファイルでNEMA 23サーボモーターと当社のネジ駆動製品を組み合わせた場合、最大軸方向荷重は200ポンドです。つまり、連続力は実質的に20分の1に減少することになります。

実際の結果は、スクリューピッチ、スクリュー径、モーターコイル、モーター設計によって異なり、スクリューを支える軸受けによって制限されると彼はすぐに指摘する。同社の13インチ幅の鉄心リニアモーターは、例えば6インチ幅のスクリュー駆動製品が生み出す最大軸力440ポンドに対し、1600ポンドの軸力を発生できるが、その分、かなりのスペースを犠牲にしなければならない。

政治スローガンを言い換えれば、「重要なのはアプリケーションだ、バカめ」だ。力の密度が主な懸念事項であれば、アクチュエータがおそらく最良の選択肢だろう。応答性が求められるアプリケーション、例えばLCD検査のような高精度・高加速度が求められるアプリケーションであれば、必要な性能を得るためにフットプリントと力のトレードオフをすることは価値がある。

清潔に保つ
製造環境におけるモーション制御において、汚染は大きな問題であり、リニアモーターも例外ではありません。標準的なリニアモーターの設計における大きな問題の一つは、固体粒子や湿気などの汚染物質への曝露です。これは「フラットベッド」設計に当てはまりますが、[Uチャンネル]設計ではそれほど問題になりません。

溶液を完全に密封するのは非常に困難です。高湿度の環境は避けなければなりません。ウォータージェット切断アプリケーションにリニアモーターを使用する場合は、正圧をかける必要があり、また、リニアモーターの電子部品がアクチュエータのすぐそばにあるため、しっかりと保護されていることを確認する必要があります。

U字型チャネル設計の場合、U字を反転させることでチャネルへの微粒子の侵入を最小限に抑えることができますが、磁気レールの質量とフォーサーの質量を移動させる結果、熱管理上の問題が発生し、性能が低下する可能性があります。繰り返しますが、これはトレードオフであり、用途によって使用量が決まります。

リニアモーターに影響を与えるのは環境だけではありません。リニアモーター自体が環境問題を引き起こすこともあります。回転型とは異なり、リニアユニットに搭載されている大型の磁石は、磁気共鳴画像装置（MRI）など、磁気に敏感な環境に悪影響を及ぼす可能性があります。金属切断のようなより一般的な用途でも問題となる可能性があります。強力な磁石が金属片を一つ一つ磁石の軌道に引き寄せようとするため、適切な保護対策を講じなければ、リニアモーターはそのような用途で十分な性能を発揮できません。

これらのアプリケーションについて...
では、リニアモーターの最適な用途はどこでしょうか？まず、半導体、LED、液晶ディスプレイ製造などの分野における計測です。大型看板のデジタル印刷も成長市場であり、バイオメディカル分野も同様です。さらに、小型部品の製造においても、お客様はリニアモーターを2つ組み合わせてガントリー構成で組み立て作業を行っています。製品スループットを最大限に高めたいと考えるお客様は、これらのモーターの高い加速性と速度が大きなメリットとなります。最近取り組んでいる分野としては、燃料電池製造やステンシルカッティングなどがあります。