組み込み用(OEM用)ピエゾモーター：Elliptec^®の技術と製造能力

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と直線ステージは、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。

Figure 1.2  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(Figure 1.2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。「実装製品」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)。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。

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Figure 1.3  試験用治具にElliptecモータを取り付け

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Figure 2.1  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。Figure 2.1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「実装製品」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。

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Table 3.1に追加し、下記の製品説明に追記いたします。Table 3.1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。

こちらをクリックするとELL9Kの構成部品をご覧いただけます。
Figure 3.2  コンポーネントを接続した状態のELL9K

SM05または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6枚のSM05マウント付き光学素子、または最大4枚のSM1マウント付き光学素子の取付けが可能
• フォトインタラプタ光学センサを用いた精密な位置決め
• 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ーセットELL6K、4ポジションスライダーセットELL9K、または6ポジションスライダーセットELL12K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。ELL6Kは2枚、ELL9Kは4枚のSM1マウント付き光学素子を取り付けることができ、ELL12Kは6枚のSM05マウント付き光学素子を取り付けることができます。 すべてのスライダは軽量かつコンパクトで、6ポジションスライダでも質量は78.5 g、寸法はキャリッジがどちらかの末端にある状態で143.5 mm x 77.7 mm x 14.2 mmです。動的性能に優れたElliptecモータがELL6には1個、ELL9とELL12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。Figure 3.2はELL9Kのセット内容を示しています。また、ELL6K、ELL9KおよびELL12Kに付属する部品はTable 3.3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ーセットELL6K、4ポジションスライダーセットELL9K、および6ポジションスライダーセットELL12K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。 スライダの各光学素子取付け穴には、深さ3.5 mmのSM05またはSM1の内ネジが付いています。PCBに付いている4つの#4-40タップ穴を利用すると、スライダを30 mmケージシステムを用いて光学系に組み込むことができます。

こちらをクリックするとELL15Kの構成部品をご覧いただけます。
Figure 3.5  コンポーネントを接続した状態のELL15K

電動アイリス

• 標準モデルとゼロ開口モデルをご用意
• 30 mmおよび60 mmケージシステムとSM1ネジ付きコンポーネントに対応
  • ブラケットCP33Bを用いてポストに取付け可能
• 磁気式エンコーダにより、アイリスの開口径を±0.10 mmの再現性で設定可能m

当社の電動アイリスELL15K、ELL15ZKは、精密で再現性のある開口径を必要とする用途に適したコンパクトな製品です。当社では標準モデルである最小開口径がØ1.0 mmの電動アイリスELL15と、Ø0.0 mmまで閉じることができるゼロ開口型の電動アイリスELL15Zの2種類をご用意しています。電動アイリスの両側にはSM1内ネジが付いており、接続部を遮光することもできます。質量100 g、寸法66.0 mm x 82.5 mm x 19.1 mmと軽量でコンパクトです。閉ループ動作をさせることで、設定された開口径を再現性±0.10 mmで実現できます。アイリスにはElliptecモータが付いており、ギアはありません。そのためバックラッシュは0.20 mmと小さくなります。ELL15Kのセット内容はFigure 3.5に、含まれるコンポーネントはTable 3.6に示します。

各アイリスには3.3 Vシリアルバスが備わっており、インターフェイスボードの有無にかかわらず操作可能な設計になっています。当社では、各アイリスを独立にフル制御できるElliptec製品用ソフトウェアもご提供しています。インターフェイスボードをアクセサリとして用いてアイリスの位置を変更した場合、ソフトウェア内でのステータス情報は自動的に更新されます。

こちらをクリックするとELL17K(/M)の構成部品をご覧いただけます。
Figure 3.8  コンポーネントを接続した状態のELL17K(/M)

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。Figure 3.8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Table 3.9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、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。

こちらをクリックするとELL18K(/M)の構成部品をご覧いただけます。
Figure 3.11  コンポーネントを接続した状態のELL18K(/M)

Ø50 mm回転ステージ

• 360°連続回転
• 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37個あります。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。Figure 3.11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Table 3.12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、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。

回転ステージELL18/M用にご利用いただけるフィルターホイールアダプタ(型番ELLA2)も別途ご用意しています。これにはSM05ネジ付きフィルタ取付け穴が12個付いています。

こちらをクリックするとELL16Kの構成部品をご覧いただけます。
Figure 3.14  コンポーネントを接続した状態のELL16K

SM05ネジ付き回転マウント

• 360°連続回転
• Ø12 mm～Ø12.7 mm(Ø1/2インチ)光学素子用SM05ネジ付き回転マウント

当社の回転マウントセットELL16K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SM05内ネジが付いています。これによりSM05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、Ø12 mm～Ø12.7 mm(Ø1/2インチ)光学素子用も取り付けられるよう固定リングSM05RRが2つ付属しています。質量55 g、寸法636.0 mm x 53.0 mm x 22.6 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。Figure 3.14はELL16K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Table 3.15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。

こちらをクリックするとELL14K(/M)の構成部品をご覧いただけます。
Figure 3.17  コンポーネントを接続した状態のELL14K(/M)

SM1ネジ付き回転マウント

• 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/M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。Figure 3.17はELL14K(/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Table 3.18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。

こちらをクリックするとELL21K(/M)の構成部品をご覧いただけます
Figure 3.20  コンポーネントを接続した状態のELL21K(/M)

SM2ネジ付き回転マウント

• 360°連続回転
• Ø50 mm～Ø50.8 mm(Ø2インチ)光学素子用SM2ネジ付き回転マウント

当社の回転マウントセットELL21K(/M)は、光学素子を回転させる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SM2内ネジが付いています。これによりSM2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、Ø50 mm～Ø50.8 mm(Ø2インチ)光学素子も取り付けられるように固定リングSM2RRが2つ付属しています。質量260 g、寸法92.0 mm x 115.0 mm x 21.0 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。ELL21K(/M)のセット内容はFigure 3.20に、含まれるコンポーネントはTable 3.21に示します。

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。

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Figure 4.2  Elliptecモータの部品

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Figure 4.1  Elliptec共振ピエゾモータ

Elliptec^®共振ピエゾモータ

Figure 4.1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Figure 4.2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

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。

Video 4.3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。