アクチュエータ

アクチュエータは、電気、空気圧、または油圧の入力がシステム（アクチュエーションシステムと呼ばれる）に供給されると、力、トルク、または変位を生成する機械のコンポーネントです。効果は通常、制御された方法で生成されます。^[1]アクチュエータは、そのような入力信号を必要な形の機械的エネルギーに変換します。これはトランスデューサーの一種です。^[2]簡単に言えば、それは「ムーバー」です。

アクチュエータには、（制御信号を提供する）制御装置とエネルギー源が必要です。制御信号は比較的エネルギーが低く、電圧、電流、空気圧、油圧 、または人力^{（説明が必要）}である場合があります。^[3]電気、油圧、空気圧の意味では、アクチュエータは自動化または自動制御の一形態です。

実現される変位は、通常、直線または回転であり、それぞれリニア モーターと回転モーターで例証されます。回転運動は、大きな変位を生み出す小型機械にとってより自然です。リードスクリューを使用することで、回転運動をリニア アクチュエーター(直線運動を生成しますが、リニア モーターではありません)として機能するように適応させることができます。

アクチュエータのもう一つの大きな分類は、増分駆動アクチュエータと連続駆動アクチュエータの2種類に分けられます。ステッピングモーターは増分駆動アクチュエータの一種です。連続駆動アクチュエータの例としては、DCトルクモーター、誘導モーター、油圧モーター、空気圧モーター、ピストンシリンダードライブ（ラム）などがあります。^[4]

アクチュエータは、システムの他の部分の動きや力によって直接駆動される単なる機構である場合があります。例としては、エンジン自体によって駆動される内燃機関の吸気バルブと排気バルブを駆動するカムシャフトがあります。別の例としては、伝統的なおじいさん時計やカッコー時計で時間を知らせる機構があります。

油圧アクチュエータは、通常、液体（通常はオイル）の圧力を利用して、中空の円筒管内でピストンを直線、回転、または振動運動させます。単動アクチュエータでは、流体圧力はピストンの片側のみに適用され、一方向にのみ有効な力が適用されます。反対方向の動きは、スプリング、重力、またはシステム内に存在する他の力によってもたらされる場合があります。複動アクチュエータでは、戻りストロークはピストンの反対側に適用された流体圧力によって駆動されます。^[5]

液体は圧縮がほぼ不可能なので、油圧アクチュエータは大きな力を発揮できます。このアプローチの欠点は、加速が限られていることです。油圧アクチュエータは入力の変化に素早く反応し、慣性がほとんどなく、比較的広い動作範囲で連続的に動作し、大きなエネルギー入力なしで位置を保持できます。

油圧アクチュエータは、ラックアンドピニオン機構のラックを移動させてピニオンを回転させるために使用できます。この配置は、たとえば、パイプラインやその他の工業用流体輸送設備のバルブを操作するために使用されます。^[6]

空気圧アクチュエータは油圧アクチュエータに似ていますが、液体の代わりにガス（通常は空気）を使用します。^{[8] [9]} 油圧アクチュエータと比較すると、空気圧アクチュエータは作動流体の戻りとリサイクルのためのパイプを必要としないため、複雑さは軽減されます。その一方で、コンプレッサー、リザーバー、フィルター、空気処理サブシステムなどの外部インフラストラクチャが必要なため、電気アクチュエータや電気機械アクチュエータよりも不便になることがよくあります。

最初の蒸気エンジンおよびすべての蒸気機関車では、蒸気圧を使用して空気圧アクチュエータを駆動し、往復運動を生み出し、それが何らかのクランクシャフト機構によって回転運動に変換されます。

1960 年以降、さまざまなアクチュエータ技術が開発されてきました。電動アクチュエータは次のグループに分類できます。

電気機械アクチュエータ (EMA) は、通常の (回転) 電気モーターの回転力を機械的手段で直線運動に変換します。この機構は、歯付きベルトまたはネジ(ボール ネジ、リード ネジ、または遊星ローラー ネジ) です。

電気機械式アクチュエータの主な利点は、空気圧式アクチュエータに比べて精度が比較的優れていること、寿命が長いこと、メンテナンスの手間がほとんどかからないこと（グリースが必要な場合があります）です。100 kN 程度の比較的高い力を実現できます。

これらのアクチュエータの主な制限は、到達可能な速度、必要な重要な寸法と重量です。このようなアクチュエータの主な用途は、主にヘルスケア機器と工場の自動化です。

もう 1 つのアプローチは、電気油圧 アクチュエータです。この方法では、電気モーターが原動機のままですが、油圧アキュムレーターを作動させるためのトルクを提供し、その後、ディーゼルエンジン/油圧が重機で一般的に使用されているのとほぼ同じ方法で作動力を伝達するために使用されます。

電気エネルギーは、マルチターンバルブや電動建設・掘削機器などの機器を作動させるために使用されます。

バルブを通る流体の流れを制御するために使用する場合、流体圧力によってバルブが強制的に開くのを防ぐために、通常はモーターの上にブレーキが取り付けられます。ブレーキが取り付けられていない場合、アクチュエータが作動してバルブを再び閉じ、ゆっくりと再び強制的に開きます。これにより振動（開く、閉じる、開く...）が発生し、最終的にモーターとアクチュエータが損傷します。^[10]

電動ロータリーアクチュエータは、回転モーターを使用して対象部品を一定の角度で回転させます。^[11]ロータリーアクチュエータは最大360度回転できます。これにより、リニアモーターとは異なり、リニアモーターは回転モーターと比較して設定された距離に制限されます。ロータリーモーターは、フィールド内の任意の角度に設定できるため、耐久性と設定されたトルクを維持しながら、デバイスのセットアップが容易になります。

回転モーターは、電気、流体、手動の3つの異なる技術で駆動できます。^[12]ただし、流体駆動式ロータリーアクチュエータには、スコッチヨーク、ベーン、ラックアンドピニオン、ヘリカル、電気油圧などの5つのサブセクションのアクチュエータがあります。すべてのフォームには独自の特定の設計と使用法があり、複数の角度を選択できます。

ロータリーアクチュエータの用途はほぼ無限ですが、主に油圧機器や産業で利用される可能性が高いでしょう。産業用ラインでロボットアームを見かけるとき、ロータリーアクチュエータはロボット工学の分野でも使用されています。テクノロジーの分野でタスクを実行するためのモーションコントロールシステムを扱うものはすべて、ロータリーアクチュエータである可能性が高いです。^[12]

リニア電動アクチュエータは、切断され展開された回転電動モータと考えることができるリニア モータを使用します。したがって、回転運動を生成する代わりに、長さに沿って直線的な力を生成します。一般的に他の方法よりも摩擦損失が低いため、リニア電動アクチュエータは 1 億サイクル以上持続します。

リニアモーターは、フラット リニアモーター (クラシック)、U チャネル リニアモーター、チューブラー リニアモーターの 3 つの基本カテゴリに分けられます。

リニア モーター技術は、最高レベルの速度、制御、精度を提供するため、低負荷 (最大 30Kg) の場合に最適なソリューションです。

実際、これは最も望まれている多用途の技術です。空気圧の限界により、現在の電動アクチュエータ技術は特定の産業用途に有効なソリューションであり、時計製造、半導体、製薬業界などの市場セグメントに導入され、アプリケーションの 60% を占めています。この技術への関心が高まっている理由は、次の特徴から説明できます。

• 高精度（0.1 mm以下）
• 高いサイクル速度（100 サイクル/分以上）
• 清潔で高度に規制された環境で使用可能（空気、湿気、潤滑剤の漏れは許可されません）。
•  複雑な操作の状況ではプログラム可能な動作が必要である

リニアモーターの主な欠点は次のとおりです。

• これらは、空気圧やその他の電気技術に比べると高価です。
• これらはサイズが大きく重量も重いため、標準的な機械に組み込むのは容易ではありません。
• 空気圧アクチュエータや電気機械アクチュエータに比べて力密度が低くなります。

アクチュエータは、温度が上昇するとほとんどの固体材料が示す膨張を利用して熱で駆動することができます。この原理は、たとえばサーモスタットの電気スイッチを操作するためによく使用されます。通常、(電子式ではない) サーモスタットには、加熱されると曲がる 2 層の異なる金属からなるストリップが含まれています。

熱アクチュエータは形状記憶合金の特性を利用することもできる。^[13]

一部のアクチュエータは、外部から印加される磁場によって駆動されます。通常、外部磁場によって磁化されると互いに強く引き付けられる強磁性材料でできた部品が含まれています。例としては、建物のセキュリティシステムのドア開閉センサーとして使用されるリード スイッチがあります。

あるいは、磁気アクチュエーターでは磁性形状記憶合金を使用することもできます。

ソフトアクチュエータは、機械的、熱的、磁気的、電気的などの刺激に応じて形状を変える柔軟な材料で作られています。ソフトアクチュエータは、ほとんどのアクチュエータが使用されている産業ではなく、主に人間のロボット工学を扱っています。ほとんどのアクチュエータは機械的に耐久性がありますが、ソフトアクチュエータと比較して適応能力はありません。ソフトアクチュエータは主に人間の安全とヘルスケアに適用されるため、部品を分解することで環境に適応することができます。^[14]これが、ソフトアクチュエータの駆動エネルギーが、無害な特定のポリマーや液体などの柔軟な材料を扱う理由です 。

既存のソフトアクチュエータの大部分は、マイクロモールディング、^[15]ソリッドフリーフォームファブリケーション、^[16]マスクリソグラフィー^[17]などの多段階の低収率プロセスを使用して製造されています。しかし、これらの方法では、デバイスの手作業による製造、後処理/組み立て、および製造が成熟するまでの長い反復作業が必要です。 現在の製造プロセスの面倒で時間のかかる側面を回避するために、研究者はソフトアクチュエータを効果的に製造するための適切な製造方法を模索しています。 そのため、3Dプリントなどのラピッドプロトタイピング方法で1段階で製造できる特殊なソフトシステムを利用して、ソフトアクチュエータの設計と実装のギャップを狭め、プロセスをより速く、より安価で、より簡単にします。 また、すべてのアクチュエータコンポーネントを単一の構造に組み込むことができるため、外部ジョイント、接着剤、ファスナーを使用する必要がなくなります。

形状記憶ポリマー(SMP) アクチュエータは、人間の筋肉に最も似ており、光、電気、磁気、熱、pH、湿度の変化など、さまざまな刺激に反応します。疲労や応答時間の長さなどの欠点はありますが、高度な製造技術によるスマート材料の導入やさまざまな材料の組み合わせによって改善されています。3D プリンターの出現により、低コストで応答の速い SMP アクチュエータを製造するための新しい道が開かれました。熱、湿気、電気入力、光、磁場などの外部刺激を SMP が受け取るプロセスは、形状記憶効果 (SME) と呼ばれます。SMP は、低密度、高ひずみ回復、生体適合性、生分解性など、いくつかの優れた特徴を示します。

フォトポリマーまたは光活性化ポリマー (LAP) は、光刺激によって活性化される別のタイプの SMP です。LAP アクチュエータは、物理的な接触を必要とせず、光の周波数または強度の変化のみで、即時応答でリモート制御できます。

ソフトロボットにおける柔らかく、軽量で生体適合性のあるソフトアクチュエータの必要性は、その固有のコンプライアンス特性と筋肉の緊張を生み出す能力のために、空気圧式ソフトアクチュエータを考案する研究者に影響を与えてきました。

誘電エラストマー(DE)、イオン性ポリマー金属複合材料(IPMC)、イオン性電気活性ポリマー、高分子電解質ゲル、ゲル金属複合材料などのポリマーは、ソフトアクチュエータとして機能するように調整できる 3D 層状構造を形成するための一般的な材料です。EAP アクチュエータは、電気励起に形状の変形として反応する 3D プリントされたソフトアクチュエータとして分類されます。

工学において、アクチュエータは動きを導入する機構として、または動きを防ぐために物体を固定する機構として頻繁に使用されます。^[18]電子工学において、アクチュエータはトランスデューサーの下位区分です。アクチュエータは、入力信号（主に電気信号）を何らかの形の動きに変換する装置です。

• コームドライブ
• デジタルマイクロミラーデバイス
• 電動モーター
• 電気活性ポリマー
• 油圧シリンダー
• 圧電アクチュエータ
• プラズマアクチュエータ
• 空気圧アクチュエータ
• スクリュージャッキ
• サーボ機構
• ソレノイド
• ステッピングモーター
• 形状記憶合金
• 熱バイモルフ
• 油圧アクチュエータ
• 航空機設計におけるトリムアクチュエータ

モーターは主に円運動が必要な場合に使用されますが、リード スクリューまたは類似のメカニズムを使用して円運動を直線運動に変換することで、直線アプリケーションにも使用できます。一方、圧電アクチュエータなど、一部のアクチュエータは本質的に直線です。円運動と直線運動の変換は、通常、次のようないくつかの単純なタイプのメカニズムによって行われます。

• スクリュー:スクリュー ジャッキ、ボール スクリュー、ローラー スクリューアクチュエータはすべて、スクリューと呼ばれる単純な機械の原理に基づいて動作します。アクチュエータのナットを回転させると、スクリュー シャフトが直線上を動きます。スクリュー シャフトを動かすと、ナットが回転します。
• 車輪と車軸：ホイスト、ウインチ、ラックとピニオン、チェーンドライブ、ベルトドライブ、リジッドチェーン、リジッドベルトアクチュエータは、車輪と車軸の原理で動作します。車輪/車軸（ドラム、ギア、プーリ、シャフトなど）を回転させると、線状部材（ケーブル、ラック、チェーン、ベルトなど）が動きます。線状部材を動かすと、車輪/車軸が回転します。[ ^19]

仮想計測では、アクチュエータとセンサーは仮想計測器を補完するハードウェアです。

アクチュエータのパフォーマンス メトリックには、速度、加速度、力 (または、角速度、角加速度、トルク) のほか、エネルギー効率、質量、体積、動作条件、耐久性などの考慮事項が含まれます。

アプリケーション用のアクチュエータの力を考慮する場合、2 つの主な指標を考慮する必要があります。これら 2 つは、静的負荷と動的負荷です。静的負荷は、アクチュエータが動いていないときの力の能力です。逆に、アクチュエータの動的負荷は、動いているときの力の能力です。

速度は負荷量が増加すると必ず低下するため、主に無負荷のペースで考慮する必要があります。速度の低下率は、力の量と初期速度に直接相関します。

アクチュエータは、通常、標準のIP コード評価システムを使用して評価されます。危険な環境向けに評価されたアクチュエータは、個人用または一般的な産業用に使用されるアクチュエータよりも IP 評価が高くなります。

これは、使用方法や品質に応じて各メーカーによって決定されます。

ウィキメディア・コモンズには、アクチュエータに関連するメディアがあります。