ハーモニックギヤモーターとハーモニックアクチュエーターの違いとは？

ロボット工学や産業オートメーションでは、ハーモニックギヤモーターやハーモニックアクチュエーターが、精密な動作を実現する製品として広く使用されています。どちらも一般にハーモニックドライブ技術を採用しており、コンパクトな構造、高い減速比、低バックラッシ、精密な動力伝達などの特長を備えています。ロボット関節、精密回転機構、自動化設備などに幅広く利用されています。

ただし、市場ではこの2つの製品名に普遍的な標準区分があるわけではありません。メーカーによっては、類似または重複する構成の製品をハーモニックギヤモーターやハーモニックアクチュエーターと呼ぶ場合があります。エンコーダー、ブレーキ、センサー、さらにはサーボドライブを組み込んだハーモニックギヤモーターもあれば、比較的基本的なモーターと減速機の構成を採用したハーモニックアクチュエーターもあります。

したがって、これらの用語を完全に別個の製品カテゴリーとして捉えるべきではありません。

では、ハーモニックギヤモーターとハーモニックアクチュエーターにはどのような違いがあるのでしょうか。それぞれの特長をより深く理解できるよう、本記事では製品設計、統合レベル、制御機能、設置、試運転、用途要件の観点から比較し、装置メーカーが適切なモーションソリューションを選定するための情報を紹介します。

1. ハーモニックギヤモーターとは？

ハーモニックギヤモーターは、ハーモニックドライブ技術を用いて減速とトルク伝達を行う精密駆動製品です。基本的な動作原理は、モーターが入力動力を供給し、ハーモニック減速機が回転速度を下げて出力トルクを高めることで、精密機械の動作要件に対応します。

製品設計の観点では、ハーモニックギヤモーターは主にモーターとハーモニック伝達機構の組み合わせを重視します。メーカーの設計により、モーターと減速機を組み合わせた比較的基本的な駆動ユニットの場合もあれば、エンコーダー、ブレーキ、センサー、ドライブ電子機器を備えた高集積ユニットの場合もあります。

1.1 ハーモニックギヤモーターの主な構成部品

一般的なハーモニックギヤモーターは、複数の部品で構成されます。サーボモーター、ブラシレスDCモーター、またはフレームレス・トルクモーターなどのモーターが回転力を発生させます。ハーモニック減速機は、フレクスプライン、サーキュラースプライン、ウェーブジェネレーターを用いて、高い減速比と精密な動力伝達を実現します。出力軸またはフランジは、減速されたトルクを被駆動機器に伝達し、ハウジングは構造を支え、機械的な保護を行います。

製品の構成によっては、エンコーダー、ブレーキ、センサー、サーボドライブなどの追加部品がシステムに組み込まれる場合もあります。

1.2 ハーモニックギヤモーターの動作原理

ハーモニックギヤモーターの中核となる伝達原理は、ハーモニックドライブ技術に基づいています。モーターがウェーブジェネレーターを回転させると、フレクスプラインが制御された弾性変形を起こし、サーキュラースプラインとかみ合います。フレクスプラインとサーキュラースプラインでは歯数が異なるため、両者の相対運動によって回転速度が低下します。

この機構により、ハーモニックギヤモーターはコンパクトな構造で高い減速比と大きな出力トルクを実現できます。さらに、エンコーダー、ブレーキ、サーボドライブなどを組み込むことで、より包括的な位置フィードバック、モーション制御、ブレーキ機能も提供できます。

1.3 ハーモニックギヤモーターの代表的な用途

ハーモニックギヤモーターは、精密な回転運動とコンパクトな伝達機構が求められる用途で一般的に使用されています。用途には、産業用ロボット、協働ロボット、自動組立設備、CNC工作機械、光学検査システム、医療機器、半導体自動化システムなどがあります。機械構成や制御機能に応じて、産業機械やロボットシステムのさまざまな動作要件に対応できます。

2. ハーモニックアクチュエーターとは？

ハーモニックアクチュエーターは、ハーモニック伝達技術を中核とする統合型の動作実行ユニットです。動力伝達だけに重点を置くのではなく、機械、電気、フィードバック各部品を連携させ、特定の動作タスクを実行するよう設計されています。

用途に応じて、モーターとハーモニック減速機に加え、出力軸受、エンコーダー、ブレーキ、トルクセンサー、サーボドライブなどを組み込む場合があります。コンパクトなユニットで必要な出力動作、位置フィードバック、制動機能、システム統合を実現することを重視した設計です。

2.1 ハーモニックアクチュエーターの主な構成部品

一般的なハーモニックアクチュエーターには、複数の機能部品が組み込まれています。フレームレス・トルクモーターが駆動力を発生させ、ハーモニック減速機とのコンパクトな一体化を可能にします。ハーモニック減速機は高い減速比と精密なトルク伝達を実現し、エンコーダーはモーター側または出力側の位置と速度を監視します。用途に応じてブレーキが機械的な保持または制動を行い、出力軸受が負荷を支えながら、指定された軸方向荷重、ラジアル荷重、モーメント荷重に対応します。

より高度なフィードバックが必要な用途では、トルクセンサーで出力トルクを測定し、力制御や柔軟な動作制御をサポートできます。サーボドライブは、製品設計に応じて外部に設置する場合と、アクチュエーターに組み込む場合があります。

これらすべての部品が、すべてのハーモニックアクチュエーターに搭載されているわけではありません。実際の構成は、メーカーの設計や用途の機能要件によって異なります。

2.2 ハーモニックアクチュエーターの動作原理

ハーモニックアクチュエーターは、モーターでハーモニック減速機を駆動し、回転速度を下げて出力トルクを高めます。一方、その設計では、動作実行システム全体を連携させて動作させることをより重視します。

たとえば、デュアルエンコーダーを搭載したアクチュエーターは、モーター側と出力側の位置をそれぞれ個別に監視できます。制御システムはこれらのフィードバック信号を利用して実際の出力動作を監視し、位置誤差の検出や補正を行うことができます。

トルクセンサーも組み込まれている場合、アクチュエーターは出力トルクの変化を測定し、力制御、インピーダンス制御、柔軟な動作制御にフィードバックを提供できます。そのため、ハーモニックアクチュエーターの価値は動力伝達にとどまらず、統合された動作実行機能とフィードバック機能にも及びます。

2.3 ハーモニックアクチュエーターの代表的な用途

ハーモニックアクチュエーターは、コンパクトな構造、精密な位置決め、統合型のモーション制御が必要な装置に適しています。代表的な用途には、産業用ロボット、協働ロボット、ヒューマノイドロボット、外骨格ロボット、医療用ロボット、精密回転テーブル、半導体自動化設備、高精度位置決め・組立システムなどがあります。

3. ハーモニックギヤモーターとハーモニックアクチュエーター：6つの主な違い

市場では2つの製品名が重複して使われているため、ハーモニックギヤモーターにはエンコーダー、ブレーキ、サーボドライブを搭載できない、あるいはすべてのハーモニックアクチュエーターがこれらすべての部品を組み込んでいる、と考えるのは正確ではありません。ただし、設計方針や機能上の優先事項を比較すると、いくつかの主な違いを見いだせます。

3.1 製品設計の重点

ハーモニックギヤモーターは、主にモーターとハーモニック伝達機構の組み合わせを重視します。主な目的は、ハーモニックドライブ技術によって動力を伝達し、減速してトルクを増幅することです。

ハーモニックアクチュエーターは、動作実行システム全体をより重視します。動力伝達に加えて、位置フィードバック、制動、負荷支持、センシング、モーション制御などを考慮して設計される場合があります。

重要な違いは、特定の部品の有無ではなく、製品設計における優先事項にあります。

3.2 システム統合レベル

ハーモニックギヤモーターには、さまざまな統合構成があります。主にモーターとハーモニック減速機で構成され、装置メーカーがシステム要件に応じて追加部品を選択できる製品もあります。一方、エンコーダー、ブレーキ、センサー、サーボドライブをコンパクトなユニットに組み込んだモデルもあります。

ハーモニックアクチュエーターは一般に、動作実行に必要な部品を1つのアセンブリーにまとめ、システム全体の統合性を高めることを重視します。この方式により外部部品の数を減らし、装置メーカーの機械的・電気的な統合を簡素化できます。

3.3 フィードバック機能と制御機能

精密機器では、位置フィードバックとモーション制御が重要です。ハーモニックギヤモーターは、用途に応じてさまざまな種類のエンコーダーやサーボドライブを構成できます。フィードバック機能は実際の製品構成によって異なります。

ハーモニックアクチュエーターは一般に、より包括的なフィードバック機能を重視します。たとえば、デュアルエンコーダーはモーター側と出力側の位置を個別に監視でき、内蔵トルクセンサーは実際の出力トルクを測定し、力制御や柔軟な動作制御を必要とする用途にフィードバックを提供できます。

より高度なモーション制御や複数のフィードバック信号が必要な用途では、適切なセンシング部品を搭載したアクチュエーターがより適したソリューションとなる場合があります。

3.4 設置と試運転

ハーモニックギヤモーターを中心に駆動システムを構築する場合、装置メーカーは製品設計に応じて、外部部品の選定と構成、機械的な接続、電気配線、エンコーダーインターフェースの設定、サーボパラメーターの調整を行う必要がある場合があります。

高集積のハーモニックアクチュエーターでは、複数の機械部品や電気部品があらかじめユニット内に組み立てられているため、こうした作業の一部を減らせます。その結果、設置を簡素化し、外部配線や機械組立の作業量を減らすことができます。

ただし、統合型アクチュエーターでも、通信設定、制御パラメーターの調整、機械的な設置、動作試験など、システム全体の試運転は必要です。

3.5 システム設計の柔軟性

ハーモニックギヤモーターは、システム構成の柔軟性を高められる場合があります。サーボ制御プラットフォームがすでに確立されているメーカーは、既存の装置構成に合わせてドライブ、エンコーダー、センサーを独自に選択することを好む場合があります。

ハーモニックアクチュエーターは、より統合された設計を重視します。外部部品の選定や統合作業を減らしたい装置メーカーにとって、高集積アクチュエーターはより使いやすいソリューションとなります。

どちらを選ぶかは、構成の柔軟性を優先するか、より統合された動作実行ユニットを優先するかによって決まります。

3.6 コストとメンテナンスの考慮事項

これら2つのソリューションの総コストは、個々の製品の購入価格だけを比較して評価すべきではありません。

ハーモニックギヤモーターを使用する場合、装置メーカーは外部サーボドライブ、エンコーダー、ブレーキ、コネクター、取付部品に加え、機械的・電気的な統合に必要な作業費も考慮する必要があります。

ハーモニックアクチュエーターは、統合型設計のため初期購入価格が高くなる場合がありますが、外部部品の数を減らし、組立や試運転を簡素化できます。実際のコスト上のメリットは、製品構成、プロジェクトの数量、システム構成によって異なります。

メンテナンスについては、部品の整備性、故障診断、スペアパーツの入手可能性、サプライヤーが提供する技術サポートも考慮する必要があります。

4. ハーモニックギヤモーターとハーモニックアクチュエーターの選び方

実際の装置開発では、製品名だけを基準にするのではなく、機械的負荷、動作要件、制御アーキテクチャ、設置上の制約を評価して適切なソリューションを選定する必要があります。

4.1 出力トルクと負荷要件に基づいて選定する

まず、必要な定格出力トルク、ピーク出力トルク、実際のデューティサイクルを確認します。長時間にわたって連続運転する装置では、定格トルクと熱性能が特に重要です。ピークトルクだけを基準に選定してはいけません。

また、選定した駆動システムが実際の運転条件を満たせるよう、起動、加速、減速、非常停止時の動的負荷も考慮する必要があります。

4.2 位置決め精度とフィードバック要件を考慮する

基本的な位置・速度制御が必要な用途では、既存の制御アーキテクチャに合わせてモーター、エンコーダー、ドライブの構成を選択できます。

より正確な出力側フィードバック、位置監視、またはトルクに基づく柔軟な制御が必要な用途では、デュアルエンコーダーやトルクセンサーを備えた統合型アクチュエーターがより適している場合があります。

エンコーダーの分解能は、伝達システム全体の実際の位置決め精度と同じではない点に注意が必要です。減速機の誤差、機械剛性、負荷条件、温度変化、制御アルゴリズムはいずれも、最終的な位置決め性能に影響します。

4.3 設置スペースと統合要件を評価する

ロボットや精密自動化設備では、設置スペースが限られていることがよくあります。そのため、製品選定時には外径、全長、重量、中空穴、取付インターフェースをすべて考慮する必要があります。

コンパクトな構造で外部接続を減らし、モーター、減速機、フィードバック部品を統合する必要がある場合は、高集積のハーモニックアクチュエーターが適した選択肢となることがあります。

4.4 制御システムと通信プロトコルを確認する

既存の制御アーキテクチャとの互換性も重要な検討事項です。CAN、CANopen、EtherCATなど、必要な通信インターフェースやその他のプロトコルに製品が対応しているかを確認してください。

外部サーボドライブを使用するシステムでは、モーターのパラメーターとエンコーダーインターフェースが選定したドライブと互換性を持つ必要があります。統合型アクチュエーターの場合は、選定を確定する前に、利用可能な制御モード、通信プロトコル、ドライブ構成、パラメーターへのアクセス可否を確認してください。

5. HONPINEのハーモニックドライブおよび統合型アクチュエーターソリューション

ロボットシステムや自動化設備を開発するメーカーにとって、適切なハーモニックドライブソリューションの選定では、減速比や出力トルクの確認だけでは不十分です。モーター、ハーモニック減速機、エンコーダー、ブレーキ、センサー、制御システムの互換性も評価する必要があります。

HONPINEは精密伝達製品およびモーション制御製品を専門とし、さまざまな産業用途向けにハーモニック減速機、ハーモニックロータリーアクチュエーター、遊星ギヤボックス、ロボット関節モジュールを提供しています。

さまざまな統合要件やモーション制御要件に対応するため、HONPINEは複数のハーモニックドライブソリューションを提供しています。

たとえば、HONPINEのHAGハーモニック関節モジュールは、構成に応じてモーター、ハーモニック減速機、エンコーダー、ブレーキ、および関連するドライブ・センシング部品を統合しています。ロボット関節に求められる精密な動作要件に対応するよう設計されています。

HPJMシリーズのハーモニック関節モジュールは、フレームレス・トルクモーター、ハーモニック減速機、ブレーキ、エンコーダー、および関連するセンシング・ドライブ部品を組み合わせたコンパクトな統合設計を採用しています。ヒューマノイドロボット、協働ロボット、その他のロボット関節用途に適しています。

出力トルクの検出と柔軟な動作制御が必要なロボット用途に向けて、HONPINEのTCHLシリーズのハーモニック関節モジュールは、トルクセンサーを内蔵したソリューションを提供します。

HONPINEは複数の製品シリーズを通じて、必要な出力トルク、減速比、取付寸法、フィードバック構成、制御要件に基づく精密伝達ソリューションを提供できます。

6. まとめ

ハーモニックギヤモーターとハーモニックアクチュエーターはいずれも、ハーモニック伝達技術に基づく精密駆動製品です。構造や機能が重複する場合があり、メーカーによっては類似した製品構成に異なる名称を使用しています。そのため、製品名だけで実際の統合レベルを判断することはできません。

設計の観点では、ハーモニックギヤモーターはモーターとハーモニック伝達機構をより重視する一方、ハーモニックアクチュエーターは統合された動作実行機能とシステム機能をより重視します。

装置メーカーにとって重要なのは、どちらの製品名を選ぶかだけではなく、選定したソリューションが用途のトルク、速度、位置決め精度、フィードバック、制動、設置スペース、制御互換性の要件を満たすかどうかです。

これらの要素を評価することで、メーカーはロボットや産業オートメーションシステムに最適なハーモニックドライブソリューションを選定できます。