リニアアクチュエータとは
リニアアクチュエータとは、直線方向に動力を発生させる装置です。一般的に、回転するモータから機構部品を使い直線運動に変換します。そのほかに、空圧式、油圧式でシリンダを使って直線動力を発生させるものもあります。産業機械、コンピュータなどの直線運動が必要部品に幅広く、駆動源として使われています。最近では産業機器、測定器などの高性能化により、高速で高い位置精度が求められており、リニアアクチュエータが使用されています。
リニアアクチュエータの使用用途
リニアアクチュエータは、産業機器、自動車、PCの周辺機器などの直線的に動力が必要な部品に使用されています。以下にリニアアクチュエータを使用されている例を示します。
- 建設機械などのドアの開閉
ー建設機械などの重機械でのドアの開閉、搭載物の角度調整などに使用されています。最近では、電動式が採用されており、建設機械などに搭載されている制御システムとの統合も容易となっています。 - 建設機械などのエンジンのスロットルコントロール
ー建設機械などのエンジンのスロットルコントロールに使われています。従来の油圧に比べて小型軽量化が可能となっています。
リニアアクチュエータの原理
リニアアクチュエータの原理は、機械式、空圧式、油圧式、電磁式などの方式があります。以下にそれぞれの方式について説明します。
- 機械式
ステッピングモーターの回転運動をラックアンドピニオン、ボールネジ、滑りネジ等と組み合わせて直線運動にして、直線動力を得ています。 - 空圧式
中空のシリンダー内の圧力をポンプやコンプレッサで増加させピストンを上下させ、シリンダーをピストン軸上で移動させて直線的な動力を発生させます。 - 油圧式
空圧式と似た構造となっており油圧でシリンダ内のピストンを上下させ、シリンダーをピストン軸上で移動させて直線的な動力を発生させます。空圧と比べて大きい圧力で使用されます。 - 磁気式（リニアモーター）
電磁力により、直線方向に動力を発生させます。構造は、磁石とコイルからなります。コイルに電流が流れると電磁石となり、磁石からの反発力と引っ張り合う力で直線運動となり動力を発生させます。
リニアアクチュエータの種類と使い方
リニアアクチュエータの使用方法は種類(構造)により大きく異なります。
機械式
ステッピングモータの回転運動を機械的に直動運動に変換していることから、制御方法、位置決めの方法などはステッピングモータのそれらと同様となり、電源装置やステッピングモータ用のコントローラーなどを使用します。
モーターに入力するパルスの数によってまずモーターの回転角度が決まります。機械的な原点を基準として、ラックピニオン機構の場合はピニオンの径と双方の歯数、ボールねじ機構の場合は送りねじのピッチなどによって回転角度当たりの移動量が決まります。
移動範囲の途中の位置でもモーターを停止させることで高精度に停止でき、ステッピングモータに電流を流しておくことでブレーキとすることもできます。
空圧式
作動流体として圧縮空気を使用するのでエアコンプレッサか既設の圧縮空気配管が必要となり、制御用に電磁弁やスピードコントローラなどを使用します。
基本的に停止位置は、一番伸び切った位置か一番縮み切った位置のどちらかとなり、途中で止めるといった制御は難しいとされています。機械的にストッパーにぶつけることで、任意の位置を「終点」とすることもできます。
前後それぞれに配管接続ポートがあり、加圧する側によって位置を制御する複動式と、接続ポートが片端にしかなく、バネで定位置を決めている単動式があります。
圧縮空気の圧力が高すぎる場合、勢いよくシリンダーが動作して危険を伴う場合があります。
そのような場合には、シリンダーに流入する空気の量を絞ることで動作速度を制御するスピードコントローラを取り付けて適切な動作速度にします。
空気は圧力をかけると圧縮されてしまうため、シリンダーに大きな負荷がかかった時などに想定通りの力が出せない場合がある一方、流体漏れが発生しても空気であるため、周囲を汚損しにくくなり、使用後の流体を空気中に放出することもできます。
油圧式
空圧式の作動流体を油としたもので、より高圧、つまりより大きな差動力で動作させたい場合に使用されます。油に専用の電動ポンプで圧力をかけて使用します。
空圧式と動作原理が似ていることから、同様な特徴を持ちますが、油は圧力がかかっても圧縮されないことから、より大きな差動力を得ることができます。
作動流体が油のため、万一漏れが発生した場合に周囲を汚損してしまうことがあります。
リニアアクチュエータのその他情報
リニアアクチュエータの制御
モーターを使用した機械式リニアアクチュエータでは、位置を指示する接点入力やモーターの回転制御によって位置を制御します。
空圧式・油圧式ではバルブや電磁弁を用いて圧縮空気や油圧回路を切り替えることで位置制御を行います。
位置検出用のセンサ―として近接スイッチやポテンショメータが内蔵されたものもあり、必要であれば後付けで取り付けて使用します。
参考文献
https://www.pulsemotor.com/feature/shaftmotor2.html
https://www.fortive-icg.jp/actuators/applications/THOMSON/
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjspe/75/2/75_2_242/_pdf