リニアモーターは、回転サーボモーターを広げて平らに置いたもので、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。従来の直線アクチュエータは、回転サーボモーターの回転運動を直線移動に変換する機械要素です。どちらも直線運動を提供しますが、性能特性とトレードオフは大きく異なります。どちらが優れている、劣っているという技術はなく、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。

リニアモーターの一般的な評価基準は、高加速度、高速、高精度が求められる用途で真価を発揮するというものです。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、それほど要求の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の一つは、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ますが、これがストローク長を制限する要因の一つとなります。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はさておき、特にU字型チャンネル設計の場合、コストがかさんでしまいます。

鉄心モーターは、同等の鉄心レス設計よりも小型の磁石で同じ力を発生させることができるため、筋力が主な要件であり、性能仕様が緩やかで、コギング力による動的な位置誤差や速度誤差を許容できる場合は、鉄心モーターが最適な選択肢となるでしょう。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であれば、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かもしれません。例えば、医薬品の包装にはリニアアクチュエータを、創薬におけるDNAシーケンシングにはリニアモーターを選択するといった具合です。

旅行期間
例外は数多く存在するものの、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までである。こ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な場合があり、それより長いストローク長の場合は、ベルト駆動やラックアンドピニオン方式の方がおそらくより良い選択肢となるだろう。

リニアモーターのストローク長は、コストや取り付けの安定性だけでなく、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、駆動部に電力を供給する必要があり、そのためには電源ケーブルがストローク長全体にわたって駆動部と共に移動する必要があります。高柔軟性ケーブルとそれに付随する配線ダクトは高価であり、さらにケーブル配線がモーションコントロール全体において最大の故障箇所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そのものが、この問題に対する巧妙な解決策を生み出します。そのような懸念がある場合、フォースモーターを固定ベースに取り付け、マグネット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スモーターに繋がります。コイルではなく、より重いマグネットトラックを加速するため、モーターの加速力は若干低下します。高G環境で使用する場合は、これは好ましくありません。しかし、高G環境を必要としない用途であれば、これは非常に優れた設計と言えるでしょう。

プロフェタ氏は、ピーク力が28ポンドから900ポンドに及ぶエアロテック社のリニアサーボモーターを例に挙げていますが、ここでも、リニアモーターの基本的な設計は、はるかに優れた独自のソリューションを生み出すのに適しています。当社には、最大のリニアモーターを6台組み合わせて、6000ポンド近い力を発生させ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、機械的に固定してから、それらをまとめて整流することで、1つのモーターとして動作させることができます。あるいは、複数のフォーサーを同じマグネットトラックに配置し、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。

現実世界では、完全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低下という代償が伴いますが、それでも特定の用途においては最良の総合的な解決策となる可能性があります。

直接対決
力の観点から、リニアモーターは回転モーター/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ます。ここでは、幅4インチ、8極のスロットレスリニアモーターと、幅4インチのスクリュー駆動製品を比較します。当社の8極リニアモーターは、最大力が40ポンド（180N）、連続力が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スクリュー駆動製品を使用した場合、最大軸方向荷重は200ポンドなので、そのように考えると、連続力が基本的に20分の1に減少することになります。

実際の結果は、ねじピッチ、ねじ径、モーターコイル、モーター設計によって異なり、ねじを支える軸方向ベアリングによって制限されると彼はすぐに指摘した。同社の13インチ幅の鉄心リニアモーターは、例えば6インチ幅のねじ駆動製品が提供する440ポンドと比較して、1600ポンドのピーク軸方向力を生成できるが、犠牲になるスペースは相当なものだ。

政治スローガンを言い換えるなら、重要なのは用途だ。力密度が最優先事項であれば、アクチュエータが最適な選択肢となるだろう。しかし、例えばLCD検査のような高精度・高加速度が求められる用途では、必要な性能を得るために、設置面積と力のトレードオフを受け入れる価値がある。

清潔に保つ
製造環境におけるモーションコントロールにおいて、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設計における大きな問題の一つは、固体粒子や水分などの汚染物質にさらされることです。これは「フラットベッド」型設計に当てはまりますが、[Uチャンネル]型設計ではそれほど大きな問題ではありません。

溶液を完全に密閉するのは非常に困難です。高湿度の環境は避けるべきです。リニアモーターをウォータージェット切断用途で使用する場合は、モーターに正圧をかけ、しっかりと保護する必要があります。なぜなら、リニアモーターの電子部品は作動部と近接しているからです。

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、磁石レールの質量を移動させるのとフォーサーの質量を移動させるのとでは、熱管理上の問題が生じ、性能が低下する可能性があります。これもまたトレードオフであり、用途によって最適な方法が決定されます。

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に問題を引き起こすこともあります。回転式モーターとは異なり、リニアモーターの大型磁石は、磁気に敏感な環境、例えば磁気共鳴画像診断装置（MRI）などに悪影響を及ぼす可能性があります。金属切削のような、より一般的な用途でも問題になることがあります。強力な磁石が金属片を磁石の軌道上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はうまく機能しません。

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？ まずは計測分野、例えば半導体、LED、LCD製造などが挙げられます。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、小型部品製造においても、お客様は組み立て作業のためにリニアモーターをガントリー構成でペアで使用しています。製品のスループットを最大限に高めたい場合、これらのモーターから得られる高い加速度と速度は有利です。最近では、燃料電池製造やステンシル切断にも取り組んでいます。