リニアモーターは急速に普及しています。機械に最高の精度とダイナミックな性能をもたらします。

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・部品搬送システムにおいて、低速かつ一定の速度で移動させることも可能です。レーザー手術、視覚検査、ボトルや手荷物の搬送など、様々な用途でリニアモーターが活用されています。リニアモーターは信頼性が高く、メンテナンスがほとんど不要で、生産サイクルを改善できるためです。

より高い速度と力

リニアモーターは負荷に直接結合されているため、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、チェーンドライブ、ラック＆ピニオンなど、多くのカップリング部品が不要になります。これにより、コストが削減され、バックラッシュも低減されます。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、そして高速化も可能にします。

リニアモーターで達成できる典型的な速度は様々です。ピックアンドプレースマシン（短い動きを多く行う）や検査機器では、リニアステッパー60インチ/秒の速度で、フライングシャーアプリケーションやピックアンドプレースマシンでは、長い移動距離を必要とします。コグフリーブラシレス200インチ/秒の速度を実現するリニアモーター。ジェットコースター、車両発射装置、ピープルムーバーはリニアモーターを使用している。交流誘導モーターにより 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ために必要な力です。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。

各アプリケーションには異なる課題がありますが、一般的に、部品搬送システムでは 220 N または 50 ポンドの力を持つリニア ステッパーが使用され、半導体、レーザー切断、ウォーター ジェット切断、およびロボット工学では 2,500 N 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 2,200 N のリニア AC 誘導モーターが使用され、転送ラインおよび工作機械では 14,000 N の鉄心ブラシレス モーターが使用されます。各アプリケーションは異なるため、メーカーのアプリケーション エンジニアは通常、この仕様策定段階でサポートを提供することに留意してください。

速度と力以外にも、様々な要因が存在します。例えば、コンベアシステムでは、移動距離が長く、永久磁石を必要としない受動的な二次側を持つという利点から、リニアAC誘導モーターが採用されています。レーザー眼科手術や半導体製造などの用途では、移動の精度と滑らかさを実現するために、ブラシレスコグフリーモーターが採用されています。

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成する基本的な相互作用と同じです。

回転モーターを切断して平らに伸ばした様子を想像してみてください。これがリニアモーターの形状の大まかなイメージになります。負荷を回転軸に連結してトルクを得るのではなく、負荷を平らな移動体に連結することで直線運動と力を得ます。つまり、トルクは回転モーターが生み出す仕事の表現であり、力はリニアモーターの仕事の表現です。

正確さ

まず、従来の回転式ステッピングモータシステムについて考えてみましょう。1インチあたり5回転のボールねじに接続すると、精度は約0.004～0.008インチ（0.1～0.2mm）になります。サーボモータで駆動する回転式システムでは、精度は0.001～0.0001インチです。

対照的に、負荷に直接結合されたリニア モーターでは、精度は 0.0007 ～ 0.000008 インチの範囲になります。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いないことに注意してください。これらにより、回転システムの精度がさらに低下します。

相対的な精度は様々です。ここで解説する典型的なロータリー式ステッパーは、人間の髪の毛の直径以内の精度で位置決めできます。ただし、サーボモーターはこれを最大80倍まで向上させ、リニアモーターはさらに精度を向上させ、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。

メンテナンスとコスト（機器の寿命全体にわたって）は、精度よりも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の点でも優れています。非接触部品が機械の動作を向上させ、平均故障間隔（MTBF）を延長するため、リニアモーターを使用するとメンテナンスコストが一般的に削減されます。さらに、リニアモーターはバックラッシュがないため衝撃が発生せず、機械寿命がさらに長くなります。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、稼働率が向上します。メンテナンスと人員削減により、収益が向上し、機器の寿命全体にわたる所有コストも削減されます。

メリットの比較

アプリケーションでは直線運動が求められます。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、アプリケーションに最も適した変換機構を選択し、制限を最小限に抑えます。

• リニアモーターとベルトとプーリーの比較:回転モーターから直線運動を得るには、ベルトとプーリーを使用するのが一般的です。通常、推力はベルトの張力によって制限されます。急激な始動と停止はベルトの伸びを引き起こし、共振を引き起こして整定時間を長くする可能性があります。また、機械的な巻き上げ、バックラッシュ、ベルトの伸びは、再現性、精度、そして機械のスループットを低下させます。サーボモーションでは速度と再現性が何よりも重要であるため、これは最適な選択肢ではありません。ベルトプーリー設計では3m/秒に達するのに対し、リニアモーターでは10m/秒に達します。バックラッシュや巻き上げがないため、ダイレクトドライブリニア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＆ピニオンは、ベルト＆プーリー設計よりも高い推力と機械剛性を提供します。しかし、経年劣化による双方向摩耗により、再現性や精度に問題が生じ、これがこの機構の大きな欠点です。バックラッシュにより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、不安定さが生じ、ゲインが低下し、全体的なパフォーマンスが低下します。一方、リニアモーターで駆動する機械は、より高速で、より正確な位置決めを実現します。
• 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。移動距離は機械的な制限を受けます。さらに、直線速度の制限はピッチを大きくすることでしか広げられませんが、位置分解能が低下します。また、回転速度が高すぎるとスクリューがホイップを起こし、振動が発生する可能性があります。リニアモーターは長距離かつ無制限に移動できます。負荷にエンコーダーを取り付けた場合、長期精度は通常±5µm/300mmです。

基本的なリニアモーターの種類

回転モーターには様々な技術があるように、リニアモーターにも様々な種類があります。ステッピングモーター、ブラシレスモーター、リニアAC誘導モーターなどです。リニアモーター技術では、駆動装置（アンプ）に加え、ポジショナー（モーションコントローラー）、そして業界で一般的に使用されているフィードバックデバイス（ホールセンサーやエンコーダなど）が使用されることに注意してください。

多くの設計ではカスタム リニア モーターが役立ちますが、通常は標準設計でも十分です。

ブラシレス鉄心リニアモーター可動フォーサーに磁束を導くための鋼板積層構造を採用しているのが特徴である。このタイプのモータは、推力定格が高く効率も高いが、同サイズのコグフリーモータの3～5倍の重量となる。固定盤は、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る。しかし、可動フォーサーの鋼板積層構造は固定盤上の磁石と反応し、「吸引」力を発生させ、モータが磁界から磁界へと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、速度変動が生じる。

これらのモーターは、大きなピーク力を発生し、熱質量が大きく、熱時定数が長いため、トランスファー ラインや工作機械など、非常に重い荷物を移動する高力、断続的なデューティ サイクルのアプリケーションに適しています。無制限の移動ができるように設計されており、軌跡が重なり合う複数の可動プラテンが含まれている場合もあります。

ブラシレスコグフリーモーター可動フォーサー内に鋼板積層材のないコイルアセンブリを備えています。コイルはワイヤー、エポキシ樹脂、非磁性支持構造で構成されています。このユニットははるかに軽量です。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（力の増強を補助します）、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。フォーサーはU字の中央に挿入されます。

これらのモーターは、磁気コギングのないスムーズな動作が求められる用途（スキャン装置や検査装置など）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、チップソーティング、はんだ付け・接着剤塗布などに有効です。これらのモーターは、無制限の移動距離を実現するように設計されています。

リニアステッパー長年にわたり利用されてきました。可動フォーサーは、精密に歯が刻まれた積層鋼鉄コア、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。（2つのコイルを使用すると2相ステッパーになります。）このアセンブリはアルミニウム製のハウジングに収められています。

固定プラテンは、鋼棒に光化学的にエッチングされた歯を研磨およびニッケルメッキで形成しています。この固定プラテンは、端から端まで積み重ねることで、長さに制限なく使用できます。モーターには、フォーサー、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プリロードとして利用され、また、様々な用途に合わせてユニットを逆さまにして動作させることもできます。

交流誘導モーターフォーサーは、鋼板と相巻線からなるコイルアセンブリです。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駆動による制御が可能になります。固定盤（リアクションプレートと呼ばれる）は通常、冷間圧延鋼板に接合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。

フォーサーコイルに通電すると、反作用プレートと相互作用して移動します。この設計の強みは、高速性と無制限の移動距離にあり、マテリアルハンドリング、ピープルムーバー、コンベア、スライディング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

最新の設計改良の一部は、リエンジニアリングによって実現されています。例えば、一部のリニアステッピングモーター（元々は1平面での動作を目的として設計されていました）は、現在では2平面（XY方向）での動作を可能にするように再設計されています。この場合、可動フォーサーは2つのリニアステッピングモーターを90°の角度で直交させて配置し、1つがX軸の動作を、もう1つがY軸の動作を提供するように構成されています。軌道が重なり合う複数のフォーサーを併用することも可能です。

これらの2プレーンモーターでは、固定プラットフォーム（プラテン）に新しい複合構造を採用し、強度を高めています。剛性も向上し、従来の生産モデルと比較してたわみが60～80%低減されています。プラテンの平坦度は300mmあたり14ミクロンを超え、正確な動作を実現します。さらに、ステッパーには自然な吸引力があるため、このコンセプトによりプラテンを上向きまたは逆さまに設置することができ、アプリケーションにおける汎用性と柔軟性が向上します。

もう一つのエンジニアリングイノベーションである水冷は、リニアAC誘導モーターの推力能力を25%向上させます。この能力向上と移動距離の無制限化の利点により、AC誘導モーターは、遊園地の乗り物、手荷物搬送、ピープルムーバーなど、多くの用途で最高の性能を発揮します。現在業界で利用可能な可変速ドライブにより、速度は6～2,000インチ/秒の範囲で可変可能です。

さらに別のモーターは、固定された円筒形のハウジングと、運動を生み出すための直線状の可動部を備えています。可動部は、銅被覆鋼製のロッド、可動コイル、またはシリンダー内のピストンのような可動磁石のいずれかです。

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動作を実現します。用途としては、バイオメディカル大腸内視鏡検査、長シャッターアクチュエータを備えたカメラ、振動減衰を必要とする望遠鏡、リソグラフィー用フォーカシングモーター、発電機をオンラインにするためにブレーカーを切り替える発電機用スイッチギア、そしてトルティーヤを型抜きするときのような食品プレスなどが挙げられます。

リニアモーターの完全なパッケージまたはステージは、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、リミットスイッチ、ケーブルキャリアで構成されています。ステージを積み重ねることで、多軸動作を実現できます。

リニアステージの利点の一つは、その薄型化です。従来のポジショナーに比べて、より狭いスペースに取り付けることができます。部品点数が少ないため、信頼性が向上します。ここでは、モーターは通常の駆動装置に接続されています。閉ループ動作では、位置ループはモーションコントローラによって閉じられます。

繰り返しになりますが、在庫品に加え、カスタム設計や特殊設計も豊富に取り揃えています。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、アプリケーションのニーズに最適なリニア製品を決定するのが最善です。