超音波モータ

超音波モーター：精密制御を可能にする小型モーター

超音波モーターは、超音波振動を利用してローターやリニア駆動体を動かすモーターです。その駆動周波数が超音波領域であることからこの名が付けられました。英語ではUSM（Ultrasonic Motor）、HSM（Hypersonic Motor）、SWM（Silent Wave Motor）などと呼ばれます。

種類と歴史

超音波モーターは、波動原理、振動モード、形状によって様々な種類に分類されます。進行波型、定在波型、共振型、非共振型、円板型、平板型、くさび型などがありますが、実用化されているのは主に平板共振型と円板進行波型です。

超音波モーターの開発の歴史は、1970年代後半にさかのぼります。

1979年: くさび型超音波モーターが考案
1982年: 進行波型超音波モーターが考案
1986年: 新生工業が世界初の市販品を発売
1987年: キヤノンがオートフォーカス一眼レフカメラにリングUSMを搭載
1987年: キヤノンがマイクロUSMを商品化
1993年: ナノモーション社が定在波型モーターを開発
1996年: ニコンがSWMを開発
2016年: キヤノンが直進型ナノUSMを商品化

これらの開発には、日本の研究者たちの貢献が大きいです。例えば、十文字弘道氏による縦屈曲多重モード振動子の研究や、富川義朗氏による超音波モーターへの応用研究などが挙げられます。

従来型モーターとの比較

超音波モーターは、従来型のローレンツ力モーターと比較して以下の特徴があります。

メリット:

高精度な位置決め: 微細な動きを正確に制御できます。
高い静止保持力: 無通電で位置を保持でき、静止時の発熱が少ないです。
非磁性化: 磁石を使用しないため、磁場に影響を受けません。
小型化: 小型化に適しており、MEMS技術との相性も良いと期待されています。

デメリット:

低い効率: 従来型モーターと比べて効率が低く、駆動電圧が高めです。
短い寿命: 高精度な部品を使用するため、寿命が短く、コストも高くなります。

各タイプの超音波モーター

くさび型: 圧電素子による超音波振動でくさびを振動させ、その先端の楕円運動でローターを駆動します。高速回転が可能ですが、接点の磨耗が課題です。

進行波型: 圧電素子でステーターにたわみ波動を発生させ、その進行波でローターを駆動します。低速高トルクで、高速応答性も高いです。摩擦熱による発熱に注意が必要です。

定在波型・縦屈曲多重振動子: 長方形圧電素子を伸縮・屈曲させ、セラミックチップの楕円運動で駆動体を動かす方式です。リニア・回転運動の両方に対応でき、精密位置決めに向いています。

共振型・縦屈曲多重振動子: ダイナミックレンジが広く、精密位置決め、非磁性環境への対応に優れています。小型で寿命も比較的長いです。

使用例

超音波モーターは、その小型で高精度な位置決め能力から、様々な分野で利用されています。

カメラレンズのオートフォーカス、ズーム制御
ロールスクリーン、ロールカーテンの駆動
自動車シートの調整、パワーウィンドウ
腕時計
MRI装置内のアクチュエーター
ロボットのアクチュエーター
精密位置決め装置
その他、電子ビーム描画装置、レーザー加工装置、バイオテクノロジー機器など

超音波モーターは、今後も様々な技術革新とともに、精密制御が求められる分野でますます重要な役割を果たしていくでしょう。

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