リニアアクチュエータに関しては、速度、精度、サイズの面で、空気圧式デバイスよりも電気機械式デバイスが好まれる選択肢になりつつあります。

近年、工場や企業の経営者から、FA機器における空気圧アクチュエータの使用を減らし、電動ロッド型アクチュエータの使用を増やすよう求める声が高まっています。この転換を促す要因はいくつかありますが、最も重要なのは、以下のニーズの高まりです。

• より高い精度が可能な電気機械アクチュエーターにより機械のパフォーマンスを向上します。
• 空気圧アクチュエータと同じ推力を実現するために、約 4 分の 1 のスペースしか必要としない電気機械式アクチュエータを使用することで、機器のサイズを縮小できます。
• 電気機械式アクチュエータは圧力を維持するために24時間365日稼働する空気圧縮機を必要としないため、エネルギーをより効率的に利用できます。
• 電気機械式アクチュエータは使用する部品が少なく、コンプレッサーを必要とせず、空気漏れも発生しないため、メンテナンスと総所有コストを削減します。

空気圧アクチュエータを電気機械式アクチュエータに置き換えることを決定したら、次のステップは、数多くのブランドの中から適切な電気機械式アクチュエータを選択することです。基本的な推力仕様は類似しているかもしれませんが、ライフサイクル性能、保守性、耐環境性には大きな違いがあります。

一般的に、ボールねじの直径が大きいほど、推力ポテンシャルは大きくなります。しかし、これを実現するには、スラストベアリングと、エクステンションチューブ、インナーボールナット、ベアリングハウジング、ワイパーハウジングを含むすべての固定点が適切に嵌合している必要があります。そうでない場合、推力の増加はシステム寿命を犠牲にすることになります。負荷に耐えられないほど弱い部品は、摩耗が著しく早くなり、場合によっては損傷することもあります。

例えば、16mmのボールねじが取り付けられ、750Nの推力を発揮するアクチュエータが2つあるとします。一方のアクチュエータの寿命は2,000kmで、もう一方のアクチュエータの寿命は8,000kmです。この違いは、ボールねじとその他の部品の噛み合わせの精度にあります。

さらに、ボールねじの直径が大きいほどコストとフットプリントが大きくなるため、ボールねじとその他の部品を適切に組み合わせることで、両方のコストとフットプリントを削減できます。3,200Nの推力というアプリケーション要件を満たすために、あるベンダーは直径20mmのボールねじを使用する一方、別のベンダーは部品を適切に組み合わせることで、直径12mmのねじで同じ推力を達成する場合があります。つまり、後者のボールねじは、性能を犠牲にすることなく小型化できます。

ボールねじと他の部品の適切な組み合わせは、アクチュエータの寿命に大きく影響します。特に、キャリア設計と組み合わせることで、この2つの要素は精度と負荷容量に最も大きな影響を与えます。アクチュエータ設計のもう一つの目標は、ラジアル方向およびラテラル方向の遊びを低減することです。これに影響を与える要因としては、キャリア本体の直径、接触面積、そして支持脚の使用などが挙げられます。例えば、キャリア本体が大きいほど、側面荷重時の接触面積が最大化されるため、より大きな外部ラジアル荷重を支えることができます。電動アクチュエータの側面荷重負荷能力は、空気圧式や油圧式アクチュエータでは達成できないレベルまで、性能、精度、そしてコンパクトさを向上させます。

表面積を最大化すると、ラジアル方向および横方向の荷重容量は向上しますが、必ずしも安定性が向上するわけではありません。この問題に対処するため、多くの場合、溝付きの溝（上の画像では3つ）に脚を高くして固定します。これらの支持脚は振動を低減し、振動は騒音の増加や摩耗の原因となります。ほとんどの設計では、このような隆起部を1つまたは2つ使用することで遊びをある程度排除していますが、システムが経年劣化し始めると、カチカチという音が発生する可能性があります。しかし、2本ではなく4本の脚を使用することで、摩耗と騒音が抑制され、より効果的で耐久性のある回転防止保護が実現します。さらに、追加の脚により、引っ掛かりのない戻り動作が確保され、摩耗による遊びがさらに低減されます。

さらに、キャリア脚を外側に曲げることでラジアルプリロードが生まれ、スラストチューブの遊びが減少します。また、キャリア本体とボールナットの中心が揃うため、キャリアを押出成形品にシムで固定する必要がなくなり、デバイスの寿命に伴う摩耗を補正できます。すべての位置合わせを維持することで、アクチュエータのキャリブレーション回数を削減し、アイドルトルクを一定に保つことができます。

摩耗と騒音を低減するには、公差を狭くすることが不可欠です。しかし、エアギャップが全くない場合、アクチュエータが高速で動作する際に圧力が上昇します。これは過熱を引き起こし、潤滑の問題やその他の耐久性の問題につながります。この問題に対処するため、キャリア脚のオスキーのうち2つを残りの2つよりも低くします。これは、トムソンが多くのアクチュエータで採用している手法です。これにより、圧力の上昇を防ぐのに十分な隙間が確保されます。上の画像に示すように、キャリア脚に直交して配置されたオスキーのうち2つは、残りの2つよりも低くなっています。

保守性

メンテナンスの容易さは、ライフサイクルパフォーマンスに影響を与え、生産性の向上にも貢献します。電気機械式アクチュエータは、潤滑とモーターの取り扱い方がそれぞれ異なります。ほとんどのアクチュエータは、潤滑のために部品を60～70%露出させるまで収縮します。技術者はキャップを外し、潤滑が必要な部品を特定し、グリースを補充します。このプロセスを繰り返す必要がある場合もあります。

しかし、より良い方法は、チューブを完全に伸縮させ、すべてのコンポーネントを最大限に露出させることです。これにより、企業は自動潤滑システムを導入できます。さらに、潤滑ニップルを使用すればキャップを外す必要がなくなり、メンテナンスがさらに簡素化されます。

モーターと機械式アクチュエータの結合にかかる時間を省くことで、メンテナンスのスピードアップにもつながります。従来、モーターを並列構成で取り付けるには20～25分かかります。モーターを取り付けた後、技術者は様々な工具を用いてベルトの張力と位置合わせを適切に行う必要があります。これには少なくとも12段階の作業が必要です。

しかし、アクチュエータにプレアセンブリ済みのパラレルソリューションが付属している場合は、組み立て時にベルトに予め張力をかけておくことができるため、複数段階の張力調整が不要になります。モーターはわずか3ステップでボルト締めして使用可能になります。インラインマウントの場合も、プレアセンブリソリューションの利点は同様ですが、それほど劇的ではありません。

さらに、ストラドルマウントベアリングを使用することで、ミスアライメントのリスクを排除できます。また、モーターシャフトをラジアル荷重から保護することで、ノイズを低減し、アクチュエータの寿命をさらに延ばします。

環境耐性

電気機械式アクチュエータは、過酷な条件、環境、そして頻繁な高圧洗浄への耐性が異なります。これは、外形、材料の選択、そしてシーリング方法によって異なります。

滑らかな表面のプロファイルは、溝付き表面よりも埃や液体が溜まりにくいため、清潔です。そのため、頻繁な洗浄が必要な過酷な環境に適しています。ただし、洗練された外観には欠点もあります。センサーを取り付ける必要がある用途で使用する場合、センサーを取り付けるためのプラスチック製のアドオンが必要になる場合があります。

耐環境性は延長チューブの材質にも左右されます。ほとんどのシステムではクロム鋼が使用されていますが、過酷な環境にはステンレス鋼の方がはるかに適しています。

環境耐性の重要な指標は、IP（Ingress Protection）規格です。例えば、IP65は、デバイスが防塵性を備え、食品・飲料業界の洗浄作業で見られるような、あらゆる方向からの低圧水噴射に対して保護されていることを意味します。この規格を満たす電動アクチュエータはごくわずかですが、腐食性環境では非常に重要です。IP54は、飛沫に対してはある程度の保護を提供しますが、粉塵に対しては100%未満の保護しか提供しません。そのため、一部の洗浄用途には適していますが、圧力がかかる用途には適していません。リニアアクチュエータで一般的なIP40は、粉塵や液体に対する保護がないことを意味します。

IP等級の向上は、主にシールの性能向上にかかっています。例えば、トムソン社は、電気機械式アクチュエータにおいて、モーターマウントを含むすべてのコンパートメントを密閉しています。また、すべてのガスケットも密閉され、マウントプレートで止まらず、モーターまで届くようにする必要があります。

次世代のモーションコントロール

生産性の向上、段取り替え時間の短縮、信頼性の向上、省エネルギー、メンテナンスコストと運用コストの削減に対する市場の需要が高まるにつれ、ますます多くの設計者やエンドユーザーが空気圧式アクチュエータから電気機械式アクチュエータへと切り替えています。高度なモーションコントロールを必要とする機械では、電気機械式アクチュエータが事実上唯一の選択肢です。しかし、単純な直線運動タスクであっても、モーションコントロールの設計者やユーザーは、メンテナンスの軽減や容易化、省エネルギー、そしてクリーンな動作といった理由から、電動アクチュエータを選択する傾向があります。

電動アクチュエータのブランドを慎重に比較することで、さらに大きなメリットが得られます。「耐荷重能力」は、常にシステム寿命とスペース要件の観点から解釈してください。これらの領域にはトレードオフが存在します。キャリアの設計は、精度だけでなく、横方向および回転方向の耐荷重能力にも影響を与えるため、キャリアがチャネルにどのように固定されているか、そしてガイド機構の形状とサイズに細心の注意を払ってください。

支持脚や脚のデザインなど、機構や部品の改良により、グリップ力を高めるために湾曲した形状にすることで、精度と耐摩耗性が向上します。また、適切な外装形状、材質の選択、そしてシーリング戦略も耐環境性の重要な要素です。滑らかな形状、ステンレス鋼、そして高いIP等級のものが、最も高い保護性能を発揮する傾向があります。