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組み込み用(OEM用)ピエゾモータ:Elliptec™の技術と製造能力


組み込み用(OEM用)ピエゾモータ:Elliptec™の技術と製造能力


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Elliptecモータの生産力により組み込み用途や大量注文に対応可能です

組み込み用途(OEM用途)向けElliptec™ピエゾモータ

様々な分野の組み込み用製品を担当するエンジニアチームが、お客様の用途に合わせたカスタム仕様のElliptecピエゾモータを設計・製造いたします。大きな駆動かつ高精度なElliptecモータは、組立てならびに操作が容易に行え、小型で軽量、低電力消費を特長としています(「技術データ」タブ参照)。当社の マルチポジションスライダは、この共振ピエゾモータにより滑らかな直線または回転動作が可能で、シャッタや蓋の開閉動作、ビーム偏向ミラーのアライメント調整、トグルロック、フィルタの選択機構などに必要な幅広い用途への組み込みに適しています。さらにドイツ・ドルトムントにある当社工場には、自動化された製造施設も備わっており、お客様のご要望に応じたモータを量産することが可能です。

複雑な仕様や寸法ならびに価格を、用途に応じてご提案いたします。当社では、基本的なメカ要素を組み込んだサブアセンブリからドライブエレクトロニクスを内蔵した完結型の装置まで、幅広い設計を行っています。また、カスタム設計や製造だけでなく、最終システム製品の組立てや、すべてのご注文に対する出荷前の性能テストも実施しています。

当社では、お客様の製品への組み込み用途(OEM)用途のニーズに対応いたします。その際は、まず担当者が当社のエンジニアと技術者と連携をとりながら、強固な体制を築きます。お客様とのディスカッションを重ねて詳細な設計仕様を作成し、ゴールを設定し、システム要件を特定します。当社ではこれらの情報を元に、お客様に最も適したカスタム設計と製造方法をご提案いたします。


モータを取り付ける前のカスタムPCB

このようなモデリングをベースにして仕上がった設計書には、製造プロセスと必要材料が明記されています。CADソフトを使用して3Dの機械模型を作成し、ソフトウェアの有限要素解析(FEA)ツールを使用して機械的ストレス分析を行います。お客様のアプリケーションを実現するためのご要望を元に電子機器の概略図を作成し、基板のレイアウト設計を行います(左の写真の基板をご参照ください)。当社では、機械部品と電子機器を統合したモデリングが可能です。用途に合った材料とそれに適した製造技術は、装置の動作と価格に直接影響を与えるため、十分に吟味されます。部品を製作するための材料の候補としては、金属とプラスチックの両方が含まれます。当社では常に、機械加工や成形をはじめとする幅広い製造技術に対応した設計を行っています。「実装」タブではこうした製造能力についての概要とElliptecモータをベースにした製品をご紹介するページへのリンクを掲載しています。

Elliptecモーターコントロール技術の導入については当社までお問い合わせください。




Elliptecモータの概要

Elliptec共振ピエゾモータの中心部にあるピエゾ素子は、アルミニウム製のモーターフレーム内に圧入されています。フレームは筐体としてだけでなく共振器ならびにトランスデューサとしての役割も果たしています(詳細は「Elliptec™ モータ」タブをご参照ください)。 右下の写真ではフレームの先端部を自動で切削加工しています。モータの駆動中、ピエゾ素子の振動はフレームによって増幅され、フレーム先端で楕円形運動に変化します。付属のバネが加工済みのフレーム先端を押し、ロータなどの駆動素子にしっかりと接触させます。電源は本体の上面および底面にはんだ付けされた線によりピエゾ素子に供給されます。モータの動作方向と回転速度は、信号の超音波周波数を調整してチューニングできます。バネとリード線の方向やリード線の長さ、コネクタの有無については用途に応じて選択可能です。

主な特長

Elliptecピエゾモータは、精密動作、高い応答性に加え、幅広い用途向けにカスタマイズが可能となるよう設計されています。モータの特長:

  • 軽量:1.2 g 
  • 非磁性部品を使用
  • 静かな動作音
  • 携帯用途向けにバッテリ動作を選択可能

内蔵型Elliptec共振ピエゾモータの性能は、システム全体の設計に大きく依存します。モータを搭載し、内部で閉ループ動作を行う統合的な電子機械式アセンブリは以下のような性能を有しています。

  • 高分解能:0.5 µm
  • 優れた位置再現性:3 µm
  • 高速動作: 300 mm/s(無負荷での動作時における速度)
  • 省電力型バスアービトレーション
  • 自己試験型電子機器
  • アップグレード可能なファームウェア
  • USB接続により制御信号ならびに電源供給 
This testing fixture is used to characterize the performance of individual X15G motors, including the exerted force, motor speed, frequency response, and current curve.
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試験用治具にElliptecモータを取り付け

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Elliptecモータのピエゾ素子にリード線をはんだ付けしている様子

未荷重のElliptec™モータ(開ループ構成)の一般的な仕様

下の表に掲載されている仕様は、Elliptec共振ピエゾモータを未荷重状態で開ループ操作した場合の典型的特性です。右の写真では、ピエゾ素子にリード線をはんだ付けして固定しています。ほとんどの用途において、モータはシステム内に内蔵され、荷重された状態で動作を行います。その場合、モータの性能はシステムの設計に大きく依存します。例えば、荷重されたモータを閉ループシステムで動作させた場合、位置分解能は0.5 µmとなりますが、未荷重のモータを開ループで動作させた場合のステップサイズは10 µmとなります。搭載済みのモータを閉ループで動作させた場合の性能については「概要」ならびに「実装」タブをご参照ください。いかなる設計に組み込まれていても、共振ピエゾモータの寸法、重量、周波数応答特性は共通です。

 

ParameterSpecification
Length (Frame with Piezoelectric Element, Without Spring)20 mm (0.79")
Width (Frame with Piezoelectic Element, Without Spring)8 mm (0.32")
Height (Frame with Piezoelectric Element, Without Spring)4 mm (0.16")
Weight1.2 g (0.042 oz)
Frequency for Forward-Motion Operation73 to 84 kHz (80 kHz Typical)
Frequency for Reverse-Motion Operation91 to 108 kHz (100 kHz Typical)
Step Size (Unloaded, Open-Loop)10 µm (0.00039")
Response Time (Unloaded, Open-Loop)< 100 µs
Speed (Unloaded, Open-Loop)300 to 550 mm/s (350 mm/s Typical)
[11.8 to 21.7 in/s (13.8 in/s Typical)]
Force Applied by Motor (Unloaded, Open-Loop)0.2 N (0.045 lb)
Unpowered Holding Force (Unloaded, Open-Loop)0.5 to 1.2 N (0.8 N Typical)
[0.11 to 0.27 lb (0.18 lb Typical)]
Current to Driver Electronics (Depends on Motor Speed) Up to 450 mA (5 V Supply Voltage)
Signal Voltage Amplitude at Motor5 to 8 V (Square Wave)
5 to 10 V (Sinusoidal Wave)
Elliptec Resonant Motor Products
Item #Description
ELL6KDual-Position Slider for Two SM1-Threaded Optics
ELL9KFour-Position Slider for Four SM1-Threaded Optics
ELL17K28 mm Linear Travel Stage
ELL20K60 mm Linear Travel Stage
ELL18KRotation Stage
ELL14KSM1-Threaded Rotation Mount

Elliptec™モータをベースとした製品

当社ではElliptec共振ピエゾモータをベースとし、お客様の製品への組み込みや特殊な実験での使用に適したオープンフレームの製品を開発しています。新しい製品が発売されましたら右の表に追加し、下記の製品説明に追記いたします。右の表内のリンクをクリックすると、それぞれの製品の詳細をご覧いただけます。これらの製品は全てパッケージ化されており、インターフェイスボード、ケーブルならびに電源(動作に必要な場合)が付属します。その他共通する特長は以下の通りです。

  • 高速での切り替えが必要な組み込み用途(OEM用途)ならびに応用製品向け
  • 制御信号用にMicro-B USBならびにPicoflex®1コネクタ
  • マルチドロップ接続用シリアル通信プロトコルをサポート 

装置の動作はインターフェイスボードのボタン操作、Elliptecソフトウェアパッケージ(ダウンロード可能)を介したPC制御、または装置のPCB上のデジタル信号線に簡単な信号を送ることで制御できます。

複数のElliptecデバイスは、バス分配器ELLBで最大4台までのElliptecデバイスを接続できます。さらに分配器をデイジーチェーン接続することで、最大16台までのデバイスを接続することができます。このバスは、Elliptecソフトウェアが動作しているPCとのインターフェイスボード(セットに付属)を介した接続、Arduino®2またはRaspberry Pi®3ボードとの接続、お手持ちの制御ボードとのコネクターピンを介した接続の3つの方法のうちのいずれかを用いることで制御できます。各デバイスはインターフェイスボードで同時に制御することも、Elliptecソフトウェアでデバイスを選択して制御することもできます。複数のデバイスをリボンケーブルに接続する方法についてはデバイスのマニュアルを、カスタム接続するときのピン配列についてはそれぞれのデバイスの「ピン配列」タブをご覧ください。

  1. PicoflexはMolex社の登録商標です。
  2. ArduinoはArduino社の登録商標です。
  3. Raspberry PiはRaspberry Pi財団の登録商標です。

 

The ELL6K BundleThe ELL9K Bundle
Dual-Position SliderFour-Position Slider
Interface Board
Mini-B to A-Type USB Cable
8-Conductor 28 AWG Flat Ribbon Cable
PC-Based Software for Download
-5 V Power Supply
Key Specificationsa
Item #ELL6KELL9K
Ports for Mounted OpticsTwo SM1 ThreadedFour SM1 Threaded 
SM1-Threaded Port Separation, Max31 mm (1.22")93 mm (3.66")
Positioning Repeatability< 100 µm (30 µm Typical)
Switching Time Range180 to 270 ms450 to 500 ms
Maximum Total Load0.150 kg (0.331 lbs)
DC Voltage Input4.5 to 5.5 V
Weight (Slider Only)44 g (0.097 lbs)70.0 g (0.154 lbs)
Minimum Lifetime3.3 Million Switching Operations or 100 km Total Travel

SM1マウント付き光学素子用マルチポジションスライダ

  • 最大4個のSM1マウント付き光学素子の取付けが可能 
  • 精密な位置決めのためのフォトインターラプタ光学センサ技術
  • 30 mmケージシステム用部品に対応

当社のデュアルポジションスライダのセットELL6Kまたは4ポジションスライダのセットELL9Kを用いると、光路内で複数のマウント付き光学素子を切り替えることができます。SM1ネジ付きマウントの光学素子をELL6Kでは2枚、ELL9Kでは4枚搭載可能です。どちらのスライダも軽量かつコンパクトで、4ポジションスライダでも重量は70.0 g、寸法はキャリッジがどちらかの末端にある状態で141.0 mm x 77.7 mm x 14.2 mmです。動的性能に優れたElliptecモータがデュアルポジションスライダには1個、4ポジションスライダには2個搭載されています。ギアが無いので、モータは数マイクロ秒内で停止できます。そのため、光電センサからの信号にも素早く対応し、正確にスライダの位置決めができます。また、モータには磁石も付いていないため、電磁環境に敏感な場合でも使用が可能です。右の写真はELL9Kのセット内容を示しています。また、ELL6KおよびELL9Kに付属する部品は右表でご確認いただけます。 

スライダの動作はリモートハンドセットのボタン操作、Elliptecソフトウェアパッケージ(ダウンロード可能)を介したPC制御、またはスライダーボード上のデジタル信号線に簡単な信号を送ることで制御できます。デュアルポジションスライダのセットELL6Kおよび4ポジションスライダのセットELL9Kは、フィルターチェンジャとして使用するのに適しています。ELL6Kについてはシャッタとしてのご使用もお勧めいたします。 スライダの各ポジションには深さ3.5 mmのSM1ネジ付きの内孔があります。PCBには#4-40タップ穴が4つ付いているので、スライダを30 mmケージシステム用部品に取り付けたり、光学系に組み込んだりすることができます。

 

The ELL17K(/M) BundleThe EL20K(/M) Bundle
28 mm Stage60 mm Stage
Interface Board
Mounting Bracket
Mini-B to A-Type USB Cable
8-Conductor 28 AWGFlat Ribbon Cable
PC-Based Software for Download
5 V Power Supply
Key Specificationsa
Item #ELL17K(/M)ELL20K(/M)
Travel28.0 mm (1.1")60.0 mm (2.4")
Positioning Accuracy100 µm
Homing Accuracy150 µm120 µm
Repeatability (100 g Load)60 µm
Maximum Velocity (No Load)180 mm/s90 mm/s
Maximum Total Load200 g (0.441 lbs)
DC Voltage Input4.5 to 5.5 V
Weight of Stage and Bracket0.168 lbs (0.076 kg)0.104 kg (0.229 lbs)
Minimum Lifetimeb100 km of Travel
  • 詳細については、 ELL17K/MおよびELL20K/Mの製品ページの「仕様」タブをご覧ください。
  • 連続動作用としては設計されておりません。

直線移動ステージ

  • 28 mmまたは60 mmの直線移動
  • 磁気式インクリメンタル型リニアエンコーダ
  • 上部プレートMMP1/MまたはRB13P1/Mの取り付けが可能

当社の直線ステージセットELL17K/MおよびELL20K/Mは、直線移動を必要とする組み込み用途(OEM用途)に適したコンパクトな製品です。 ELL17Kの移動量は28 mm、ELL20Kの移動量は60 mmです。どちらのステージも軽量かつコンパクトです。60 mmのステージでも重さはわずか0.069 kgで、162.3 mm x 67.0 mmのスペースがあれば、PCBを収容して最大移動量まで移動できます。 こちらのステージにはElliptecモータが2つ付いています。ギアが無いので、モータは数マイクロ秒で停止できます。そのため、光電センサからの信号にも素早く対応し、正確にステージの位置決めができます。右の写真はELL17K/Mのセット内容を示しています。ELL17K/MおよびELL20K/Mに付属するコンポーネントは右表でご確認いただけます。

ステージの動作はリモートハンドセットのボタン操作、Elliptecソフトウェアパッケージ(ダウンロード可能、「ソフトウェア」タブ参照)を介したPC制御、またはステージボード上のデジタル信号線に簡単な信号を送ることにより制御できます。ステージには、ポストや上部プレートMMP1/MまたはRB13P1/Mを取り付けられるよう、1つのM4タップ穴と4つのM3タップ穴があります。各セットには取付けブラケットが付属します。このブラケットには、光学テーブルやブレッドボードに取り付けるための、M6ネジに対応するスロットが2つあります。

 

The ELL18K(/M) Bundle
Rotation Stage
Interface Board
2 Mounting Brackets
Mini-B to A-Type USB Cable
8-Conductor 28 AWG Flat Ribbon Cable
PC-Based Software for Download
5 V Power Supply
Key Specificationsa
Item #ELL18K(/M)
Travel (No Limit Switches)360° Continuous
Homing Repeatability4.36 mrad (0.25°)
Bidirectional Repeatability873 µrad (0.05°)
Velocity (Maximum)430 °/s
Maximum Total Load200 g (7.05 oz)
DC Voltage Input4.5 to 5.5 V
Weight (Without Mounting Brackets)90 g (3.17 oz)
Minimum Lifetime100 km (600,600 Revolutions)

回転ステージ

  • 360°連続回転
  • Ø50 mm回転ステージ、閉ループ位置決め
  • 部品取付け用M4タップ穴

当社の回転ステージセットELL18K/Mは、回転制御を必要とする用途に対応するコンパクトな製品です。こちらのØ50 mm回転ステージには、オプトメカニクスやカスタム仕様のアセンブリを取り付けるためのM4タップ穴があります。回転ステージの質量は90 g、最大寸法は81.0 mm x 60.0 mm x 20.3 mmで、軽量かつコンパクトです。Elliptecモータが2つ付いています。ギアが無いので、モータは数マイクロ秒で停止できます。そのため、光電センサからの信号にも素早く対応し、正確にステージの位置決めができます。右の写真はELL18K/Mのセット内容を示しています。付属するコンポーネントは右表でご確認いただけます。

ステージの動作はリモートハンドセットのボタン操作、Elliptecソフトウェアパッケージ(ダウンロード可能、「ソフトウェア」タブ参照)を介したPC制御、またはステージボード上のデジタル信号線に簡単な信号を送ることにより制御できます。各セットには取付けブラケットが2つ付属します。これらのブラケットには、光学テーブルやブレッドボードに取り付けるための、M6ネジに対応するスロットが付いています。

 

The ELL14K Bundle
Rotation Mount
Interface Board
Mini-B to A-Type USB Cable
8-Conductor 28 AWG Flat Ribbon Cable
PC-Based Software for Download
5 V Power Supply
Key Specificationsa
Item #ELL14K
Travel (No Limit Switches)360° Continuous
Homing Repeatability4.36 mrad (0.25°)
Bidirectional Repeatability873 µrad (0.05°)
Velocity (Maximum)430 °/s
Maximum Total Load50 g (1.76 oz)
DC Voltage Input4.5 to 5.5 V
Weight80 g (2.82 oz)
Minimum Lifetime100 km (>600 000 Revolutions)
Assembled and Labeled Components of the ELL14K Bundle
Click to see the Separate Components of the ELL14K Bundle

ELL14Kのコンポーネントを接続した状態 

回転マウント

  • 360°連続回転
  • Ø25 mm~Ø25.4 mm(Ø1インチ)光学素子用SM1ネジ付き回転マウント 

当社の回転マウントセットELL14Kは光学素子の回転が必要な用途向けに設計されたコンパクトな製品です。各マウントの回転セルにはSM1内ネジが付いています。これによりSM1ネジ付きレンズチューブに収められた光学素子が取り付けられるほか、Ø25 mm~Ø25.4 mm(Ø1インチ)光学素子も取り付けられるよう固定リングSM1RRが2つ付属しています。質量80 g、寸法66.0 mm x 82.5 mm x 19.0 mmと軽量でコンパクトな回転マウントです。マウントには2つのElliptecモータが付いています。ギアが無いので、モータは数マイクロ秒以内で停止できます。そのため光電センサからの信号にも素早く反応し、正確にマウントの位置決めができます。右の写真はELL14Kのセット内容を示しています。付属するコンポーネントは右表でご確認いただけます。

マウントの動作はリモートハンドセットのボタン操作、ダウンロード可能なElliptecソフトウェアパッケージを介したPC制御、またはマウントボード上のデジタル信号線に簡単な信号を送ることにより制御できます。

The Components of the Elliptec Motor
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Elliptecモータの部品
The Elliptec Piezoelectric Resonant Motor
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Elliptec共振ピエゾモータ

Elliptec™共振ピエゾモータ

右に示した当社のElliptec™共振ピエゾモータの質量は1.2 gと軽量で、共振器筐体の寸法はバネを除いて8 mm×4 mm×20 mmとコンパクトです。

モータの部品

モータを構成する部品は右端の写真でご覧いただけます。ピエゾ素子はアルミニウム製の共振器内に圧入されています。共振器はその先端が必要とされる楕円形の動作をし、駆動されるモジュールと適切に接触するよう精密設計・精密加工がなされています。バネの自由端側は共振器筐体に組み込まれています。ピエゾ素子の上部ならびに底部にはんだ付けされているワイヤには、ピエゾ素子を超音波周波数で振動させるための電圧信号を供給します。

モータをシステム内に組み込むときは、バネの開ループ側を駆動される対象物に対して動かない頑丈な面に固定し、共振器の先端は対象物に接触させます。バネの目的は共振器の先端と駆動対象物との接触を一定に維持することです。また移動方向はピエゾ素子を駆動する2つの共振周波数によって決まります。

楕円形の動作と一般的なモータとの比較

Elliptecモータは動いているようには見えませんが、高速かつ精密にステージやマウントの位置決めを行います。顕微鏡で見るような動作が超音波領域の周波数で行われるため、その動きを眼で直接見ることはできません。

このモータは、2つの共振周波数のうちのいずれかで駆動することにより動作します。超音波周波数で振動する電圧信号がピエゾ素子に印加されると、ピエゾ素子はその電圧信号の周波数に合わせて1 µm以下のレベルで伸長し、また元の寸法にまで収縮します。ピエゾ素子の寸法がこのように高速のサイクルで変化すると、アルミニウム製の共振器に振動が発生します。この振動が筐体の共振周波数のうちの一方の周波数で生じているときに、モータの先端に押す動作が発生します。もう一方の共振周波数で振動するときは、引っ張る動作が発生します。

動画に示されているように、モータが共振状態で動作している時にはその先端が楕円形の軌跡を描き、それによってこの引っ張る動作と押す動作が発生します。また、楕円の回る方向は選択された共振周波数によって決まります。モータの先端は楕円の半分を描くときは伸び、残りの半分を描くときは縮みます。モータが対象物を押すときは、先端が伸びるときに先端と対象物が接触し、縮むときには接触しません。モータが対象物を引っ張るときは、逆の動作をします。モータ先端の総変位量は、駆動する機械的負荷とピエゾ素子に供給される電圧の両方に依存します。駆動電圧のピーク値が5 Vのとき、最大変位量は数µmまで大きくなる可能性があります。

このモータはDCモータあるいは電磁ステッピングモータと同じように動作しますが、従来のモータの様々な欠点がありません。従来の電磁モータを停止させるには慣性に伴う遅延を克服する必要がありますが、非常に動的特性に優れたElliptecモータでは数マイクロ秒で停止できます。ギアがないため、バックラッシュも発生しません。磁石も無いため、電磁障害に敏感な用途にも使用できます。駆動される対象物の動きは連続的でスムーズです。駆動対象物を動かすにはモータの先端をそれと接触させる必要があるため、モータには摩擦ブレーキという安全機能が備わっています。プラスチック面に接している場合は、モータは静かに動作します。

製品組み込み(OEM)用途のためには、低コストに抑えるためモータを大量生産し、低価格のアナログ電子回路で駆動することもできます。マイクロプロセッサやソフトウェアは必要ありませんが、対応は可能です。


Posted Comments:
frank Heine  (posted 2019-12-04 17:22:38.89)
Hi Thorlabs Team. I am interested in the run length of the elliptec motor under vacuum conditions. Would be great to have some numbers as this motor is of interest for applications in our portofolio, especially for compact low cost laser com terminals. Best regards Frank Heine Head of Laser Systems Development
cwright  (posted 2019-12-05 09:10:05.0)
Response from Charles at Thorlabs: Hello Frank, thank you for your feedback. I will reach out to your directly to discuss what information we have on this and see how we may be able to support you.
aqeel.ahmed  (posted 2019-02-08 12:46:54.133)
Hi, We are using several of elliptec rotation motors and one of them malfunctioned recently. Is is possible for the motor to be replaced or repaired?
rmiron  (posted 2019-02-11 10:04:25.0)
Response from Radu at Thorlabs: Hello, Aqeel. Unfortunately we can't replace those stages at the moment, but we can still repair them, depending on what the issue is. I will contact you directly in order to troubleshoot your device.
moritz.kuerten  (posted 2018-09-10 18:50:00.49)
Hello, I own several Märklin railway models with this fantastic motor. Is it possible to purchase some of them as spare part in case of an defect?
AManickavasagam  (posted 2018-09-12 03:34:53.0)
Response from Arunthathi @ Thorlabs: Thanks for your query. I have spoken to our Elliptec team regarding your requirement and you will be contacted directly.
jgrav2001  (posted 2018-06-15 15:50:04.52)
Running the Elliptec motor at 80khz in the air without an external load. Is the sound silent?
rmiron  (posted 2018-06-20 09:34:05.0)
Response from Radu at Thorlabs: The motor may or may not be noisy at 80kHz. If it is driven at its optimal frequency, then it is silent. If not, then it can emit an irritating noise. The optimal frequency depends on multiple factors, including load and mechanical variances. If the default value makes the stage noisy, then I recommend you sent a _HOSTREQ_SEARCHFREQ_MOTOR command, followed by a _HOSTREQ_SAVE_USER_DATA command. This will re-set the driving frequency of the motor and amend the problem.
jgrav2001  (posted 2018-06-13 03:58:51.917)
Unloaded Elliptec™ Motor What are the prices for the motors?
AManickavasagam  (posted 2018-06-15 07:16:13.0)
Response from Arunthathi at Thorlabs: Thanks for your inquiry, I will contact you directly regarding your requirements and discuss pricing.
mhadmack  (posted 2017-12-15 13:55:42.993)
What material is used for the Elliptec spring? Can a fully non-magnetic/non-ferrous version be made?
AManickavasagam  (posted 2018-01-02 06:40:23.0)
Response from Arunthathi at Thorlabs: Thanks for your query. The Elliptec motor has a ferromagnetic spring, as it is the integral part of the motor we are unable to custom make or replace the spring to make a non-magnetic version.
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