電動シリンダーの構造と作動原理：業界大手の電動シリンダーメーカー

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産業オートメーションや制御オートメーションの世界では、どのようなタイプのアクチュエーションがシステムに最適かについて、様々な議論が交わされています。現代の生産要件はますます高度化しており、最適なソリューションを提供するためには、個々のタスクに応じてシリンダー技術を最適化する必要があるでしょう。電動シリンダーが生み出す直線運動と大きな力は、油圧・空圧システムの流れを汲んでいるものです。ダイレクトな動力伝達と電子制御、最大限の推力効率といった優れた仕組みのほか、モーターやシリンダー本体を切り離すことができるなどの柔軟性を備えています。最新世代の技術改良により、電動シリンダーは効率性を向上させながらも、サイズや騒音レベルの縮小が常に行われています。電動シリンダーにおける構造の進化、驚くべきサイズ、特殊な設計は、無限に広がっているのです。このような汎用性は、より革新的な設計を可能にしただけではなく、電動シリンダーなしでは実現できないような用途を数多く生み出し続けています。ここでは、電動シリンダーとはどういったものなのか、どのようなメリットがあるのかを解説し、最後に費用対効果の高い電動シリンダーの紹介をします。

シリンダーとは？

シリンダー(cylinder)とは、内部に気体などを保持する部品のことです。自動車のシリンダーは、複数のシリンダーが並んだシリンダーブロックと呼ばれる円筒形の構造物と、シリンダーヘッドから構成されていますが、シリンダーヘッドは、エンジンの機械部品のほとんどを含みます。そのため、トルク、排気ガス、冷却、音響など、エンジンの挙動を決定するのです。ピストンが上下に動き、クランクシャフトが回転することで回転エネルギーを発生させ、自動車の駆動に利用されています。

電動シリンダー(またはエレクトロメカニカルシリンダー)は、モジュラーシステムとして設計されたキャプティブリニアアクチュエータです。メンテナンスコストの低減、モーションコントロールの強化、その他様々なメリットがあるため、多くの産業で油圧シリンダーや空圧シリンダーに代わって電動シリンダーが急速に普及しています。

電動シリンダーの仕組みと作動原理

電動シリンダーの作動原理は、モーターとネジを統合し、モーターシャフトの回転運動を電動シリンダーのピストンロッドの直線運動に変換するモジュール設計です。一方、サーボ電動シリンダーは、サーボモーターのメリットである精密な速度、回転、トルク制御を精密な速度、位置、推力制御に変換し、高精度の直線運動を実現するものです。サーボ電動シリンダーは、主にサーボモーター、シリンダーハウジング、モーション駆動装置(通常はボールねじ)、位置フィードバック装置などで構成されています。サーボ電動シリンダーの基本原理は、コンピューターがサーボドライバーにコマンドを送信し、サーボモーターはギアボックスや同期プーリーやカップリングなどの伝送機構を介して回転するボールねじや台形ねじを駆動し、これらのコマンドで動作することです。

スクリューナットは半径方向の動きを制限しており、ボールネジやリードスクリューの回転トルクでピストンロッドを駆動する往復直線運動となります。位置フィードバック装置としては、スクリューの先端にアブソリュートエンコーダーを取り付けるか、PNP/NPNタイプのマグネットスイッチを取り付けて、電動シリンダーのピストンロッドのリアルタイムの位置を検出します。

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油圧や空気圧との違いは？環境にやさしい電動シリンダー

電動シリンダーは、モーターの回転を直進運動に変換し、ロッドを伸縮させる装置です。サーボモーターのロードセル(荷重センサー)とプログラム制御機能により、圧入、リベット、圧縮、シールなどの精密加工を行うことができます。油圧や空気圧システムとの最大の違いは、油圧機器やコンプレッサーを必要とせず、電気さえあれば駆動できることです。そのため、油漏れや空気漏れの心配がなく、環境にも配慮します。省エネ・省スペースで総合的なコストダウンが可能です。また、より精密な荷重制御が可能なため、品質向上や不良品削減はもちろん、検査工程の効率化にも貢献します。

油圧や空圧システムと比較して、電動シリンダーは、高効率、低騒音、公害もない動作であることから、油圧や空圧システムの完璧な代替品として、より多くの分野で使用されています。開閉扉、昇降、押し引き、精密位置決めなどの産業機器、モーションプラットフォームで広く使用され、DGR電動リニアアクチュエータの推力は、5キロから20トンまでです。電動シリンダーは、高精度な往復直線運動を実現し、非常に汎用性の高い画期的な製品です。z軸およびz-θ2軸設計に理想的な内部構造と回転防止機能を備えています。また、リードスクリューやボールスクリューをほこりや汚れなどの環境要因から保護し、過酷な条件下での使用を可能にするチューブラー構造も電動シリンダーの特徴です。

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電動シリンダー・10のメリット

モーションコントロールアプリケーション用のシリンダーは、電動(電気機械)、油圧、空圧などの様々な技術から選ぶことができますが、電動シリンダーは、ユニークな特性の組み合わせにより、多くのメリットがあります。ここからは、電動シリンダーの主なメリットをより詳しく、具体的に見ていきましょう。

1. シンプルな設計

油圧・空圧システムは、電動シリンダーに比べ、システム内の部品点数が多く、設計に取り入れるのが非常に複雑になります。電動シリンダーは設計がシンプルなため、初期費用や維持費が安く、信頼性が高く、修理が必要な場合のスペアパーツの在庫が少ないので、設計やメンテナンスの面で節約できます。

2. 他のシステム・機器との統合が容易

電動シリンダーは、油圧式や空圧式のソリューションと比較して、最新の産業機械の動作を管理するマイクロプロセッサーやプログラマブルコントローラーと容易に統合することができます。

3. 油圧・空圧よりも高精度

電動シリンダーは、動作の各段階で力、速度、トルクを変化させることができ、動作の全過程においてより細かい制御を行うことができます。この機能により、製造工程での装置交換や製品交換の回数を減らすことができ、運用コストの削減やスループットの向上が期待できます。

4. 安全性

油圧・空圧システムは通常、一定の圧力下にあるため、十分に保守されていても破裂や漏れが発生する可能性があり、特に食品・医療工程では環境安全上の懸念があります。漏れた作動油は、汚れや異物を引き寄せます。この汚れは製品の品質を損なうだけでなく、機器の故障をより頻繁に引き起こし、時間のロス、スループットの低下、コストの上昇を招く恐れがあります。クリーンな電動シリンダーであれば、従業員と製品を汚染から守ることができるでしょう。

5. 低コスト

電動シリンダーは、同じような機能を持つ油圧や空圧のシリンダーよりもコストが低いことが多いです。また、電動シリンダーは、初期導入コストが同等であっても、メンテナンスコストが低く、設置が簡単で、殆どの環境で使用できる堅牢性と信頼性を備えています。また、電力を供給し続けなくても負荷の位置決めを維持できるため、運用コストを大幅に削減できます。一方、空圧システムは、負荷を維持するために、連続的に流れる空圧と連続的に稼働するコンプレッサーが必要です。前述したように、空圧式、油圧式のいずれのシリンダーも、圧力がかかると漏れやホースの故障が発生します。

6. 組み立てが容易

電線やケーブルの接続は、ホースやポンプの接続よりはるかに簡単であるため、電動シリンダーは空気圧や油圧に比べて組み立て工程が簡素化されます。組立工程の簡略化により、生産品質の向上、人件費の削減、装置の信頼性向上が期待できるでしょう。

7. フットプリントが小さい

電動シリンダーは部品点数が少ないため、同性能の油圧式や空圧式に比べて設置面積が小さくなるのが一般的です。その結果、設計がコンパクトになり、アプリケーションや設計に組み込む際の柔軟性が向上します。

8. 静粛性

空圧式が「バン、バン」あるいは「カチ、カチ」という愛称で呼ばれるのには理由があります。空圧システムには2つの停止位置があり、通常、機械的な停止位置にぶつかると、動作範囲の両端でノイズが発生します。一方、電動シリンダーは、静かな電気モーターを使用して動きを制御するため、あらゆる用途や装置に適していますが、特に医療・健康施設、空調システム、鉄道・自動車用途の装置には適しています。

9. クリーナー

空圧機器は圧縮空気に依存しており、故障した場合、環境中に汚染物質を放出する可能性があり、油圧機器は、漏水により製品または周辺を汚染し、従業員に危険を及ぼす可能性があります。電動シリンダーは、クリーンで効率的かつ安全な電気のみを使用して動作します。

10. 柔軟性と同期オプションの増加

電動シリンダーは、アプリケーション設計者やエンドユーザーにとって、PCなどの簡単なインターフェースで簡単に設定できる柔軟なパラメーターを提供し、より小さなフットプリントでより柔軟な設計を可能にします。さらに、これらのパラメータは、組立ラインや生産工程で他の機器と同期させることができ、よりスムーズで効率的なオペレーションと、オペレーション間の在庫の積み増しを少なくすることが期待されます。

以上が電動シリンダー仕組みに考えられる10のメリットです。油圧・空圧システムも特定のアプリケーションには適していますが、クリーンで安全、静かで柔軟性がある経済的な電動シリンダーは、ほとんどのアプリケーションでより良い選択であるといっても過言ではありません。様々なメリットがありますが、特に、定期的な切り替えが必要な場合は、多数のシリンダーを手動で調整するのではなく、簡単にダウンロードできるプログラミングの問題になるため、電動シリンダーが最適と言えるでしょう。電動シリンダーであれば、完全に引き込む必要がないため、サイクルタイムを短縮できる可能性があります。また、電動シリンダーは、一定の圧力を維持するためにタッチコントロールに統合することができ、このようなシステムから、溶接アプリケーションにおいて非常に人気があります。

TiMOTIONの電動シリンダー特色とメリット

電動シリンダーは多くの構成オプションがあるため、ユニークでカスタマイズ性の高いリニアモーション製品です。正確な制御や小型化はもちろんのこと、複数軸の同期が容易にできたり、油圧シリンダーなどに比べて効率的でもあります。環境に優しいため、消費電力の削減、油や危険な耐火液も使用しなくて済みます。製品寿命が長く、簡単に取り付けることができ、動作はスムーズで静かです。業界をリードするTiMOTIONは、これらのメリットを網羅様々なタイプがあるのはもちろん、豊富なカスタマイズと幅広いオプションで、希望に沿った追加をすることができます。産業用をはじめ、医療や介護機器などにおいて、費用対効果の高い、適応性の高いソリューションを提供するTiMOTIONのより詳しい情報はこちらです。