リニアアクチュエータに関しては、速度、精度、サイズといった点で、電気機械式デバイスが空気圧式デバイスよりも有力な選択肢になりつつある。

近年、工場や企業の管理者からは、工場自動化設備において、空気圧アクチュエータの使用を減らし、電動ロッド式アクチュエータをより多く使用すべきだという要求が高まっている。この転換を促す要因はいくつかあるが、最も重要なのは、以下のようなニーズの高まりである。

• より高精度な電気機械式アクチュエータを採用することで、機械の性能を向上させます。
• 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、空気圧式アクチュエータと同等の推力を発生させるのに必要なスペースが約4分の1で済みます。
• 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部品点数が少なく、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、メンテナンスコストと総所有コストを削減できます。

空気圧アクチュエータを電気機械式アクチュエータに交換す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最適な電気機械式アクチュエータを選定することです。基本的な推力仕様は似ているかもしれませんが、ライフサイクル性能、保守性、耐環境性といった点で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高くなります。しかし、これを実現するには、スラストベアリングと、延長チューブ、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との適切な嵌合が必要です。そうでなければ、推力の増加はシステムの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、摩耗がはるかに速くなったり、損傷したりする可能性があります。

例えば、16mmのボールねじを備え、750Nの推力を発生させるアクチュエータが2つあるとします。片方のアクチュエータの走行寿命は2,000km、もう片方は8,000kmといった具合です。この違いは、ボールねじとその他の部品の嵌合精度に起因します。

さらに、ボールねじの直径が大きいほどコストと設置面積が大きくなるため、ボールねじと他の部品を適切に組み合わせることで、コストと設置面積の両方を削減できます。例えば、3,200 Nの推力というアプリケーション要件を満たすために、あるメーカーは直径20 mmのボールねじを使用するかもしれませんが、別のメーカーは、適切な部品を組み合わせることで、直径12 mmのねじで同じ推力を実現できるかもしれません。このように、後者のボールねじは性能を損なうことなく小型化できます。

ボールねじを他の部品と適切に嵌合させることはアクチュエータの寿命に大きく影響し、キャリア設計と組み合わせることで、精度と耐荷重能力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、ラジアル方向と横方向の遊びを減らすことです。これに影響を与える要因は、キャリア本体の直径、接触面積、および支持脚の使用です。例えば、キャリア本体が大きいほど、横方向の荷重がかかる状況で接触面積が最大化され、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に横方向の荷重をかけることができると、空気圧式または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、およびコンパクトさが向上します。

表面積を最大化することで半径方向および横方向の耐荷重能力は向上しますが、必ずしも安定性の向上につながるわけではありません。この問題は、多くの場合、隆起した脚を溝付きチャンネルに固定することで解決されます（上の図では3本）。これらの支持脚は振動を低減し、騒音や摩耗の原因となる振動を軽減します。ほとんどの設計では、このような溝を1本または2本使用することで遊びをある程度なくしていますが、時間の経過とともにシステムが摩耗し始めると、カチカチという音が発生することがあります。しかし、2本ではなく4本の脚を使用することで、摩耗と騒音を抑え、より効果的で耐久性のある回転防止機能を実現できます。さらに、脚が増えることで、引っかかりのないスムーズな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、これらのキャリア脚を外側に湾曲させることで、半径方向の予圧がかかり、スラストチューブの遊びが軽減されます。また、キャリア本体とボールナットが中央に配置されるため、キャリアを押し出し材にシムで固定する必要がなくなり、デバイスの寿命期間中の摩耗も補正されます。すべての部品が正確に位置合わせされることで、アイドルトルクを一定に保つためにアクチュエータを校正する回数を減らすことができます。

摩耗と騒音を低減するには、厳密な公差が不可欠です。しかし、エアギャップがまったくない場合、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。これにより過熱が発生し、潤滑不良やその他の耐久性の問題につながります。この問題を解決するには、キャリア脚の雄キー部のうち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アプローチです。これにより、圧力の上昇を防ぐのに十分なギャップが確保されます。上の図に示すように、キャリア脚に直交して配置された雄キー部のうち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性能に影響を与え、生産性向上にも貢献します。電気機械式アクチュエータは、潤滑方法やモーターの取り扱い方法が異なります。ほとんどのアクチュエータは、潤滑のために部品を60～70%程度露出させるように格納されます。技術者はキャップを取り外し、潤滑が必要な部品を見つけてグリースを塗布し、必要に応じてこの作業を繰り返す必要があります。

しかし、より良い方法は、チューブを完全に伸ばしたり縮めたりして、すべての部品を露出させ、最大限の視認性を確保することです。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、キャップを取り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ーの接続に必要な時間を省けば、メンテナンス作業も迅速化できます。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、技術者はさまざまな工具を使ってベルトの張力や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の手順が必要です。

しかし、アクチュエータに並列接続用のプレアセンブリ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の張力を事前に調整できるため、複数段階の張力調整が不要になります。モーターをボルトで固定するだけで、わずか3ステップで使用可能になります。インライン取り付けの場合も、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、芯ずれ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ため、騒音を低減し、アクチュエータの寿命をさらに延ばすことができます。

環境抵抗

電気機械式アクチュエータは、過酷な環境条件や頻繁な高圧洗浄に対する耐性において違いがあります。これは、外形形状、材質、およびシール方法によって異なります。

表面が滑らかなプロファイルは、溝のある表面よりも埃や液体が溜まりにくいため、清潔に保たれます。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、滑らかな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追加のプラスチック部品が必要になる可能性があります。

環境耐性は、延長チューブの材質構成にも左右されます。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、侵入保護等級（IP）コードです。たとえば、IP等級が65の場合、そのデバイスは防塵性があり、食品・飲料業界の洗浄作業などで見られるような、あらゆる方向からの低圧噴流水から保護されています。この等級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。IP等級が54の場合、飛沫水に対する保護はある程度ありますが、粉塵に対する保護は100%未満であるため、一部の洗浄用途には適していますが、加圧を伴う場合には適していません。リニアアクチュエータで一般的なIP等級が40の場合、粉塵や液体に対する保護は一切ありません。

より高いIP等級を実現するには、主に優れたシール材の使用が不可欠です。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区画をシールしています。すべてのガスケットもシールされ、取り付けプレートで止まるのではなく、モーターまで完全に伸びている必要があります。

次世代モーションコントロール

生産性の向上、段取り時間の短縮、信頼性の向上、省エネルギー化、そしてメンテナンスと運用コストの削減に対する市場ニーズの高まりに伴い、設計者やエンドユーザーは空気圧アクチュエータよりも電気機械式アクチュエータへの移行を進めています。高度なモーションコントロールを必要とする機械においては、電気機械式アクチュエータは事実上唯一の選択肢と言えるでしょう。しかし、単純な直線運動のタスクにおいても、メンテナンスの手間が少ない、あるいは容易であること、省エネルギー化が図れること、そしてクリーンな動作といった理由から、モーションコントロールの設計者やユーザーは電気式アクチュエータを選択する傾向にあります。

異なるメーカーの電動アクチュエータ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設置スペースの要件を考慮して解釈してください。これらの分野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するため、キャリアがチャネル内でどのように固定されているか、また、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。

支持脚や脚部のデザインなど、グリップ力を高めるために湾曲させた機構や部品を改良することで、精度と耐摩耗性が向上します。また、適切な外形形状、材質の選択、シーリング戦略は、耐環境性において重要な要素となります。滑らかな形状、ステンレス鋼素材、高いIP等級は、一般的に最高の保護性能を提供します。