株式会社T.S.D.

T.S.D.は小型・高トルク・静音性の高い超音波モータとその応用製品の販売と
低コストで高品質な製造技術を提供し、お客様の製品開発をサポートします。

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超音波モータとは

超音波モータは圧電セラミックに電圧を加えたときの変形を利用して回転します。
非通電時でも保持力が高く、装置の姿勢や位置を維持するための電流は必要ありません。
また、非磁性環境用超音波モータはMRI内等の高い磁場環境でも安定して動作することが大きな特徴です。

超音波モータ:USRシリーズの構造と動作原理

超音波モータ:USRシリーズの構造

超音波モータ:USRシリーズは

  • 振動を伝達するステータ部
  • 回転部であるろーた
  • モータに力を伝達するシャフト
  • 軸受けとしてのベアリング

で構成されています。


さらに、ステータ部は

  • 振動を発生する圧電セラミック
  • 振動を増幅させるステータ金属
  • ロータと接触する摺動体

で構成されています。


非常にシンプルな構造ですが、個々の要素が厳密に計算され、

  • 安定した回転性能
  • 大きな保持力
  • 高い静粛性

を実現しています。


標準型モータ、非磁性型モータ共に電磁波を発生する部材は利用していません。
非磁性型モータはステータ金属、ベアリングに磁気の影響を全く受けない素材を 利用することで、高磁場環境内での安定動作を実現しています。

超音波モータ:USRシリーズの動作原理

概略:

超音波モータは、圧電セラミックに電圧をかける事で 圧電セラミックを変形させ、その変形がステータ金属 で増幅・伝搬されることによりステータ金属の表面が 波状に変形します。この波の頂点は進行波として移動 し、ステータと接しているロータを摩擦力によって 回転させます。

超音波モータの高い保持力:

ロータとステータ間は高い圧力が加わっているため、 停止時の最も大きな摩擦力は超音波モータの保持力 となります。

超音波モータの回転原理:

圧電セラミックに電圧を印加させることで、圧電セラミックを変形・ゆがませ、その変形がステー タ金属で増幅・伝搬されることによりステータ金属の表面に進行波を発生させます。
ここで、ステータ金属は表面の進行波の各頂点だけでロータに接触しており、その各頂点は楕円 運動します。ロータは、その楕円運動の影響を受けて回転します。
この楕円運動の軌跡は、進行波の進む方向とは逆方向であり、その影響を受けたロータも進行波と逆方向に回転します。 つまり、 ステータの円周上を右回り(CW)に進行波が進む時、ロータに接触した進行波の各頂点には、左回り(CCW)の楕円運動が生じます。 そして、その波の頂点と接触しているロータは楕円運動と同じ方向、左回り(CCW)に回転します。 この進行波の速度と向きを制御することで、CW、CCW方向の切り替えが可能であり、超音波モータの高い応答性を実現しています。

超音波モータ:USRシリーズの特徴

新生工業製超音波モータ:USRシリーズは、小型・低速・高トルクであり、応答性、静粛性に優れています。
また、非通電時の高い保持力を有するため、ギアなどの減速機なしに総重量を抑えた可動部を構築することが可能です。
超音波モータは駆動力にコイルやマグネットによる電磁力を利用しておらず、磁気などの影響を受けません。また、回転時に磁気を発生することもないため、MRI付近や超伝導実験設備などの強磁場環境内で安心して利用することが動作可能です。

体表的な特徴

低速、高トルク

超音波モータは、毎分数10~数100回転の低速で高トルクであることが特徴です。
ギアなどの減速機構を必要とせず、ダイレクトドライブが可能であるため、バックラッシュゼロの可動部を構築することが可能です。

無通電時の高い保持力

超音波モータは電源を切った状態で摩擦力による高保持力を維持します。
このため、超音波モータにはブレーキやクラッチが必要なく、電磁ブレーキやクラッチのない軽量なシステムを構築することが可能です。

高応答性および高制御性

ロータのイナーシャ(慣性)が小く、ロータ・ステータ間の摩擦による制動力が大きいため、停止時に優れた応答性を発揮します。
速度コントロールも無段階であり、機械的時定数も1[ms]以下と、制御性にも大変優れています。
このため、高精度な速度制御および位置制御が可能です。

磁気の影響を受けず、電磁波を発しない

巻線や磁石を利用しないため、超音波モータは電磁波を発生しません。
 特に、非磁性タイプの超音波モーターは、磁性材料を一切使用しないので 高磁場環境で磁気の影響を受けずに安定動作します。

小型で薄く、軽量

同程度のトルクを持つ電磁力を利用したモータに比べ、小型で薄く、重量は数分の1です。
多関節ロボットの腕や足のアクチュエータとして利用することで、各関節の重量を軽くすることが可能です。
このため、ロボットやシステム全体としての応答性の向上や可搬重量の向上が期待できます。

静粛性に優れる

駆動に利用する振動は非可聴領域の周波数であるため、作動音がきわめて 静かです。
また、ギアを使わないことで、駆動装置のノイズの発生を避けることも可能です。

超音波モータの利用例

現在、超音波モータは、

  • カメラのオートフォーカス
  • 計測器の制御部
  • 光学機器のレンズミラーの駆動部
  • 人工衛星からの信号を受信する装置の位置決め
  • 工業用ロボット用のチャッキング装置
  • ロールスクリーンの自動制御装置
  • 部品の搬送用送り装置
  • MRI内の計測器の姿勢制御
  • 高磁場環境内のアクチュエータ

など、多彩な用途に利用されています。