リニアアクチュエータ

リニアアクチュエータは、従来の電気モーターの円運動とは対照的に、直線運動（つまり、直線）を生み出すアクチュエータです。リニアアクチュエータは、工作機械や産業機械、ディスクドライブやプリンターなどのコンピュータ周辺機器、バルブやダンパーなど、直線運動が必要な多くの場所で使用されています。油圧シリンダーや空気圧シリンダーは、本質的に直線運動を生み出します。回転モーターから直線運動を生み出すために、他の多くのメカニズムが使用されています。

機械式リニアアクチュエータは通常、回転運動を直線運動に変換することによって動作します。変換は、通常、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:リードスクリュー、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。
• 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。回転する車輪がケーブル、ラック、チェーン、またはベルトを動かして直線運動を生み出します。 ^[1]
• カム: カムアクチュエータはウェッジと同様の原理で機能しますが、移動量は比較的限られています。車輪のようなカムが回転すると、その偏心形状によりシャフトの基部に推力が生じます。

機械式リニアアクチュエータの中には、ホイスト、チェーンドライブ、ベルトドライブなど、引っ張るだけのものもあります。また、押すだけのものもあります（カムアクチュエータなど）。空気圧シリンダー、油圧シリンダー、またはリードスクリューは、両方向に力を生成するように設計できます。

機械式アクチュエータは通常、ノブまたはハンドルが取り付けられているネジやギアを介して、コントロール ノブまたはハンドルの回転運動を直線変位に変換します。ジャックスクリューまたは自動車用ジャッキはよく知られている機械式アクチュエータです。別の種類のアクチュエータは、セグメント化されたスピンドルに基づいています。ジャッキ ハンドルの回転は、機械的にジャッキ ヘッドの直線運動に変換されます。機械式アクチュエータは、レーザーや光学の分野で、リニア ステージ、回転ステージ、ミラー マウント、ゴニオメータ、その他の位置決め機器の位置を操作するために頻繁に使用されます。正確で再現性のある位置決めを行うために、コントロール ノブにインデックス マークを使用する場合があります。一部のアクチュエータには、エンコーダとデジタル位置読み出し機能が含まれています。これらは、位置測定ではなく位置調整を目的としていることを除いて 、マイクロメータで使用される調整ノブに似ています。

油圧アクチュエータまたは油圧シリンダは、通常、ピストンが挿入された中空のシリンダで構成されます。ピストンに加えられた不均衡な圧力は、外部の物体を動かす力を生成します。液体はほぼ非圧縮性であるため、油圧シリンダはピストンの正確な直線変位を制御できます。変位はピストンの軸に沿った方向のみです。手動で操作する油圧アクチュエータのよく知られた例としては、油圧式自動車ジャッキがあります。ただし、通常、「油圧アクチュエータ」という用語は、油圧ポンプによって制御されるデバイスを指します。

空気圧アクチュエータ、または空気圧シリンダーは、力を発生させるために液体ではなく圧縮空気を使用する点を除いて、油圧アクチュエータに似ています。空気がチャンバー内に送り込まれ、チャンバーの反対側から押し出されるピストンと同様に機能します。空気アクチュエータは、必ずしも大型機械や大量の重量物が存在する場合に使用されるわけではありません。空気圧リニアアクチュエータが他のタイプよりも好まれる理由の1つは、動力源が単にエアコンプレッサーであるという事実です。空気が入力源であるため、空気圧アクチュエータは多くの機械活動の場所で使用できます。欠点は、ほとんどのエアコンプレッサーが大きく、かさばり、騒音が大きいことです。一度設置すると、他の場所に運ぶのが困難です。空気圧リニアアクチュエータは漏れやすく、機械式リニアアクチュエータよりも効率が低くなります。

圧電効果とは、電圧を加えると材料が膨張するという特定の材料の特性です。非常に高い電圧では、膨張はごくわずかです。その結果、圧電アクチュエータは極めて微細な位置決め分解能を実現できますが、動作範囲も非常に狭くなります。さらに、圧電材料はヒステリシスを示すため、繰り返し可能な方法で膨張を制御することが困難です。

電気機械式アクチュエータは、制御ノブまたはハンドルが電気モーターに置き換えられていることを除いて、機械式アクチュエータに似ています。モーターの回転運動は直線変位に変換されます。電気機械式アクチュエータは、電気エネルギーを機械トルクに変換するモーターに電力を供給するためにも使用できます。現代のリニアアクチュエータには多くの設計があり、それらを製造する各企業は独自の方法を採用する傾向があります。以下は、非常に単純な電気機械式リニアアクチュエータの一般的な説明です。

通常、電動モーターはリードスクリューを回転させるために機械的に接続されています。リードスクリューには、長さに沿って周方向に連続した螺旋状のねじ山が機械加工されています (ボルトのねじ山と同様)。リードスクリューには、対応する螺旋状のねじ山を持つリードナットまたはボールナットがねじ込まれています。ナットはリードスクリューと一緒に回転しないようにされています (通常、ナットはアクチュエータ本体の回転しない部分と連動します)。リードスクリューが回転すると、ナットはねじ山に沿って駆動されます。ナットの動きの方向は、リードスクリューの回転方向によって異なります。ナットにリンクを接続することで、動きを使用可能な直線変位に変換できます。現在のアクチュエータのほとんどは、高速、高力、またはその 2 つの妥協点に合わせて構築されています。特定の用途のアクチュエータを検討する場合、最も重要な仕様は通常、移動、速度、力、精度、および寿命です。ほとんどの種類は、ダンパーまたはバタフライバルブに取り付けられています。^{[3] [4]}

リニア アクチュエータ システムで使用できるモーターには、さまざまな種類があります。これには、DC ブラシ、DC ブラシレス、ステッピング モーター、場合によっては誘導モーターも含まれます。すべては、アプリケーション要件とアクチュエータが移動するように設計されている負荷によって決まります。たとえば、リード スクリューを駆動する一体型 1 馬力の AC 誘導モーターを使用したリニア アクチュエータは、製油所の大型バルブの操作に使用できます。この場合、精度と高い移動分解能は必要ありませんが、高い力と速度は必要です。実験室の計測ロボット、光学およびレーザー機器、または XY テーブルで使用される電気機械式リニア アクチュエータの場合、ミクロン単位の細かい分解能と高精度には、細ピッチ リード スクリューを備えた分数馬力のステッピング モーターリニア アクチュエータの使用が必要になる場合があります。電気機械式リニア アクチュエータ システムにはさまざまなバリエーションがあります。どれが最適かを判断するには、設計要件とアプリケーションの制約を理解することが重要です。

標準モーターを使用するリニア アクチュエータでは、通常、モーターはアクチュエータの側面に取り付けられた別個のシリンダーとして、アクチュエータと平行またはアクチュエータに対して垂直に配置されます。モーターはアクチュエータの端に取り付けられる場合があります。駆動モーターは、アクチュエータの駆動ナットまたは駆動ネジに連動するソリッド ドライブ シャフトを備えた標準的な構造です。

コンパクト リニア アクチュエータは、モーターとアクチュエータを可能な限り小さな形状に収めるように特別に設計されたモーターを使用します。

• モーターシャフトの内径を大きくすることで、駆動シャフトを中空にすることができます。そのため、駆動ネジとナットをモーターの中心に配置でき、モーターと駆動ネジの間に追加のギアリングは必要ありません。
• 同様に、モーターの外径を非常に小さくすることもできますが、その代わりに磁極面を縦方向に伸ばすため、モーターは小さな直径のスペースに収まりながらも非常に高いトルクを維持できます。

リニア アクチュエータ設計の大半では、動作の基本原理は傾斜面の原理です。リード スクリューのねじ山は連続した傾斜路として機能し、小さな回転力を長距離にわたって使用して、短距離で大きな負荷を移動させます。電源は DC または AC モーターから供給されます。一般的なモーターは 12V DC ですが、他の電圧も使用できます。アクチュエータにはモーターの極性を反転するスイッチがあり、これによりアクチュエータの動きが変わります。

アクチュエータの速度と力はギアボックスによって決まります。力の量はアクチュエータの速度によって決まります。モーター速度と力は一定なので、速度が遅いほど大きな力が供給されます。

アクチュエータ間の基本的な違いの 1 つは、ストロークです。ストロークは、ネジとシャフトの長さによって決まります。速度は、モーターとネジを接続するギアによって決まります。

アクチュエータのストロークを停止する機構は、下の図に示すように、リミット スイッチまたはマイクロ スイッチです。マイクロ スイッチはシャフトの上部と下部にあり、ネジの上下の動きによって作動します。

基本設計にはさまざまなバリエーションが考案されています。そのほとんどは、機械効率、速度、負荷容量の向上など、一般的な改善に重点を置いています。アクチュエータの小型化に向けた大きなエンジニアリングの動きもあります。

ほとんどの電気機械設計には、リード スクリューとリード ナットが組み込まれています。ボール スクリューとボール ナットを使用するものもあります。いずれの場合も、スクリューはモーターまたは手動コントロール ノブに直接、または一連のギアを介して接続できます。ギアは通常、より小型で低速のモーターを高速回転させて減速し、モーターが直接駆動できるよりも重い負荷でスクリューを回転させるために必要なトルクを提供するために使用されます。これにより、アクチュエータの速度が犠牲になり、アクチュエータの推力が増大します。一部のアプリケーションでは、ウォーム ギアの使用が一般的です。ウォーム ギアを使用すると、組み込み寸法を小さくしても移動距離を大きくできるためです。

トラベリングナット リニア アクチュエータには、リード スクリューの一端に取り付けられたモーター (ギア ボックスを介して間接的に接続される場合があります) があり、モーターによってリード スクリューが回転し、リード ナットは回転が抑制されてリード スクリュー上を上下に移動します。

移動スクリュー リニア アクチュエータには、モーター全体を貫通するリード スクリューがあります。移動スクリュー リニア アクチュエータでは、モーターは回転が制限されているリード スクリューの上を上下に「這って」移動します。回転する部品はモーターの内部のみで、外部からは見えない場合があります。

一部のリード スクリューには複数の「スタート」があります。つまり、同じシャフトに複数のねじ山が交互に並んでいます。これを視覚的に表す 1 つの方法は、キャンディ ケインの複数の色の縞模様と比較することです。これにより、ねじ山のピッチとナット/ねじ山の接触面積をより細かく調整でき、それぞれ伸長速度と負荷容量 (ねじ山) が決まります。

リニア スクリュー アクチュエータは静的負荷容量を持つことができます。つまり、モーターが停止すると、アクチュエータは基本的に所定の位置に固定され、アクチュエータを引っ張る、または押す負荷を支えることができます。この静的負荷容量により、移動性と速度が向上します。

アクチュエータのブレーキ力は、ねじ山の角度ピッチとねじ山の特定の設計によって異なります。アクメねじは静的負荷容量が非常に高いのに対し、ボールねじは負荷容量が極めて低く、ほぼフリーフローティングになります。

通常、追加技術なしでは、スクリューアクチュエータの静的負荷容量を変更することはできません。 ねじ山ピッチとドライブナットの設計によって、動的に調整できない特定の負荷容量が定義されます。

場合によっては、リニア スクリュー アクチュエータに高粘度グリースを追加して、静的負荷を増やすことができます。一部のメーカーは、特定のニーズに合わせて負荷を変更するためにこれを使用しています。

回転する駆動ナットに摩擦力を加える電磁ブレーキシステムを使用して、リニア スクリュー アクチュエータに静的負荷容量を追加できます。たとえば、スプリングを使用してブレーキ パッドを駆動ナットに当て、電源がオフのときにナットを所定の位置に保持することができます。アクチュエータを動かす必要がある場合は、電磁石がスプリングに対抗して駆動ナットのブレーキ力を解放します。

同様に、電磁ラチェット機構をリニア スクリュー アクチュエータで使用すると、アクチュエータの電源がオフになったときに、負荷を持ち上げる駆動システムが所定の位置に固定されます。アクチュエータを下げるには、電磁石を使用してバネの力を相殺し、ラチェットのロックを解除します。

動的負荷容量は、通常、リニア アクチュエータが動作中に提供できる力の量を指します。この力は、ネジの種類 (動きを制限する摩擦の量) と動きを駆動するモーターによって異なります。動的負荷は、ほとんどのアクチュエータが分類される数値であり、アクチュエータがどのアプリケーションに最適であるかを示す良い指標となります。

電気機械式アクチュエータを使用する場合、ほとんどの場合、何らかの速度制御が望ましいです。このようなコントローラは、モーターに供給される電圧を変化させ、それによってリード スクリューの回転速度を変えます。ギア比を調整することも、速度を調整するもう 1 つの方法です。アクチュエータの中には、複数の異なるギア オプションが用意されているものもあります。

モーターのデューティ サイクルとは、冷却が必要になる前にアクチュエータを稼働できる時間の長さを指します。アクチュエータを操作するときにこのガイドラインに従うことが、アクチュエータの寿命とパフォーマンスの鍵となります。デューティ サイクル定格を超えると、過熱、電力損失、そして最終的にはモーターの焼損のリスクが生じます。

リニア モーターは、ローターとステーターの円形の磁場コンポーネントが直線上に配置されているため、機能的には回転式電気モーターと同じです。回転式モーターは回転して同じ磁極面を再利用しますが、リニア モーターの磁場構造は、アクチュエータの長さ全体にわたって物理的に繰り返されます。

モーターは直線的に動くため、回転運動を直線運動に変換するためのリードスクリューは必要ありません。高容量は可能ですが、磁気吸引力と反発力のみに依存するため、ほとんどの設計では材料やモーターの制限を比較的早く超えてしまいます。ほとんどのリニアモーターは、他のタイプのリニアアクチュエータと比較して負荷容量が低くなっています。リニアモーターは、2 つの半分が互いに接触する必要がないため、屋外や汚れた環境では有利であり、そのため電磁駆動コイルを防水し、湿気や腐食から保護して密閉できるため、非常に長い耐用年数が可能になります。リニアモーターは、高速、高精度、高力のさまざまな組み合わせを必要とするアプリケーションの 高性能位置決めシステムで広く使用されています。

伸縮式リニアアクチュエータは、スペースが制限されている場所で使用される特殊なリニアアクチュエータです。その可動範囲は、作動部材の伸長していない長さよりも何倍も大きくなります。

一般的な形状は、伸縮シリンダーのように、一方が他方の内側にあるスリーブのように伸縮する、ほぼ同じ長さの同心円状のチューブで構成されています。

その他のより特殊な伸縮式アクチュエータは、伸長時には剛性リニア シャフトとして機能する作動部材を使用しますが、収縮時には折り畳み、分割、および/または巻き戻しによってそのラインを切断します。伸縮式リニア アクチュエータの例には、次のものがあります。

• ヘリカルバンドアクチュエータ
• リジッドベルトアクチュエータ
• リジッドチェーンアクチュエータ
• セグメントスピンドル

• ヘリカルバンドアクチュエータ
• ホイスト – 荷物を持ち上げたり降ろしたりするために使用する装置
• ラック＆ピニオン – リニアアクチュエータのタイプ
• ソレノイド – コイル状の電線で形成される電磁石の一種

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• レオ・ドーストのレゴ リニア アクチュエーター