リニアモーターは、従来の回転モーター駆動型リニアアクチュエータと比較して、より高速、高精度、そして信頼性の高い性能を実現し、モーションコントロールの可能性を革新しました。リニアモーターのユニークな特性は、機械的な動力伝達部品を必要とせずに負荷を移動できることです。モーターコイルの磁界によって発生する直線的な力が負荷に直接伝達されます。これにより、回転運動を直線運動に変換する機械装置が不要になり、システムの寿命、精度、速度、そして全体的な性能が向上します。

生産性の向上、製品品質の向上、開発期間の短縮、エンジニアリングコストの削減といった需要が高まる中、モジュラーリニアモーター設計を活用したリニアモーター技術の導入がますます普及しています。計測、精密切断システム、半導体・電子機器製造装置、ウェーハハンドリング、リソグラフィー、ビジョン検査システム、医療機器・装置、試験システム、航空宇宙・防衛、組立ライン自動化、印刷・包装用途など、高スループットと高精度な直線運動が求められる様々な用途で活用されています。

リニアモーター設計のコンポーネントは、高精度かつ再現性の高いプロセスで機械加工および組み立てられる必要があります。これらの部品の適切な位置合わせは極めて重要であり、高度な設計詳細と組み立てスキルが求められます。

今日、新世代のモジュラーリニアモーターが状況を一変させました。ターンキー方式のモジュラーリニアモーターはシステムに簡単にボルト締めでき、すぐに稼働させることができるため、エンジニアリング時間を大幅に短縮できます。エンジニアは、モジュラーリニアモーター技術の強力なメリットを、これまで数ヶ月、あるいは数年かかっていた機械設計に、わずか数日で活用できるようになります。

リニアモーターシステムは 9 つの主要コンポーネントで構成されています。

1. ベースプレート
2. モーターコイル
3. 永久磁石トラック（通常はネオジム磁石）
4. モーターコイルを負荷に接続するキャリッジ
5. キャリッジがガイドされベースに接続するリニアベアリングレール
6. 位置フィードバック用のリニアエンコーダ
7. エンドストップ
8. ケーブルトラック
9. 磁気トラック、エンコーダ、リニアレールを環境汚染から保護するためのオプションのベローズ。

制御ループ

リニアモーター設計のコンポーネントは、高精度かつ再現性の高いプロセスで機械加工および組み立てられる必要があります。これらの部品の適切な位置合わせは極めて重要であり、高度な設計詳細と組み立てスキルが求められます。例えば、磁気トラックと可動モーターコイルは平坦かつ平行で、所定の空隙を設けて取り付けられている必要があります。可動コイルは、磁気トラック上に配置された高精度リニアベアリングレールに接続されたキャリッジ上に搭載されています。リニアスケールと読み取りヘッドを備えた位置エンコーダも、リニアモーターの重要な部品であり、適切な位置合わせ手順と、最大5Gの加速度に耐える堅牢な取り付け設計が求められます。モジュラーリニアモーターでは、これらの細部は既に考慮されており、すぐに使用できる状態で設計されています。

図のようなモジュラーリニアモーターシステムは、高精度、高速、かつ繰り返し精度の高い直線運動が必要な場合に使用されます。このシステムは、ボールねじ、ベルト、ラック＆ピニオンアクチュエータの代替として使用できます。

リニアモーターの動作制御には、高度なモーションコントローラとサーボドライブが使用されます。リニアモーターは、剛性と周波数応答に関して明確な優位性を有しています。特定の周波数範囲では、従来のボールねじを10倍以上も上回る剛性を示します。この特性により、リニアモーターは外部からの干渉があっても、高い位置ループおよび速度ループ帯域幅を優れた精度で処理できます。10～100Hzの共振周波数に遭遇することが多いボールねじとは異なり、リニアモーターはより高い周波数で動作し、共振周波数は位置ループ帯域幅をはるかに超えます。

しかし、機械式トランスミッションの排除にはトレードオフが伴います。ボールねじなどの機械部品は、機械力、固有共振周波数、あるいは軸間振動による外乱を低減するのに役立ちます。しかし、これらを排除すると、リニアモータはこうした外乱に直接さらされることになります。したがって、これらの外乱の補償はモーションコントローラと駆動回路の責任となり、サーボ軸に直接作用して、これらの外乱に正面から対処する必要があります。そこで、今日の高度な閉ループモーションアルゴリズムが共振を排除し、優れた位置ループ制御を実現します。

リニアアクチュエータの分野において、リニアモーターは卓越した技術力を発揮します。優れた剛性と高周波数動作が可能な点が、従来の代替品とは一線を画しています。共振周波数を抑制し、外部からの干渉があっても高精度を維持できるため、リニアモーターは魅力的なソリューションを提供します。

しかしながら、機械的な伝達機構がないため、外乱に対抗するための堅牢な補償戦略が必要となり、システムの継続的な性能と信頼性を確保する必要があります。モーションコントローラの速度ループと位置ループのサンプリング周波数は、通常5kHzから始まります。リニアモーター軸の位置ループ帯域幅は、従来の回転モーター駆動軸の5～10倍に達する場合があり、1kHzまたは2kHzの周波数でも許容されます。現在のモーションコントローラの中には、20kHz以上のサンプリングレートを実現できるものもあり、超高速フィードバック制御と超高精度なパス制御を可能にします。

モジュラーリニアモーターのほとんどのメーカーはモーションコントロールとサーボの専門家でもあるため、多くの制御ループの課題と機械的共振の懸念も十分に検討されており、これらの課題を軽減するためのソリューションとツールが提供されています。

リニアモーターアプリケーション

数年前、私はエンジニアチームと共に、世界初のリニアモーター搭載レーザー切断機を開発するという革新的なプロジェクトに着手し、リニアモーターの使用に関する貴重な経験を積みました。従来の回転式サーボモーター駆動のリニアアクチュエータ技術では、リニアモーターで実現できるような高性能を実現できなかったため、リニアモーターの採用は業界に革命を起こすのにまさにうってつけでした。

この技術の実装は容易ではありませんでした。プロジェクトを進めていくうちに、私たちの用途には市販されていないリニアモーターの性能仕様が必要であることに気づきました。しかし、私たちはひるむことなく、この用途に特化したリニアモーターを設計することを決意しました。

1,000ポンドのガントリーシステムを毎秒2.5メートルの高速で1.5Gの加速度で動かす必要があったため、数々の課題に直面しました。つまり、極めて大きな力を生み出すことができるリニアモーターを設計する必要があったのです。チームは粘り強く、数え切れないほどの時間を研究開発に注ぎ込み、ついにレーザー切断機の要求を満たすリニアモーターを開発しました。14ヶ月後、ついにリニアモーターが動作し、驚異的な速度、容易さ、そして精度でガントリーシステムを動かすのを見た時は、本当に誇らしい瞬間でした。達成されたパフォーマンスは前例のないものでした。もし当時、ターンキー方式のモジュラーリニアモーターが利用可能であったら、私たちの機械コンセプトをどれほど早く完成させることができたかを考えると、感慨深いものがあります。

リニアモーター技術は、私たちが90年代にリニアモーター設計の道を歩み始めて以来、大きく進化してきました。新しいモジュール設計の導入により、モーション設計とリニアモーターにおける革新と進歩の可能性はかつてないほど高まっています。モジュール式リニアモーターは、より高速で、より高精度で、より信頼性の高いモーション制御機能を備え、あらゆる業界の幅広いアプリケーションに迅速に導入することで、可能性を再定義します。