「アクチュエーター」カテゴリーアーカイブ

アクチュエーターとは?

 アクチュエータ(actuator)とは、actuate(作動させる)+er(もの)で、エネルギーまたは電気信号を実際の物理的な動力に変換するものです。もっとも多く使われるものはモーターあるいは電磁石(ソレノイド)で、圧電素子やヒーターを含む場合があります。

 これらのアクチュエータはマイクロ・コンピューターあるいはシーケンサー、メーカーによってはプログラム・ロジック・コントローラー (PLC)と呼ばれる制御装置でコントロールされ、近年では自動制御を実現するアイテムとして多く利用されています。

DCモーター

DCギヤードモーター(アクチュエーターの一種):電力を回転運動に変える

 上の写真はアクチュエーターとして一番多く利用される「モーター」または日本語で「電動機」と呼ばれるもので、自動車、ロボット、産業用機械などにつかわれています。

電磁石(ソレノイド)

ソレノイド(電磁石):電力を直線運動に変換する

 上の写真はアクチュエーターとしてモーターの次に多く使われるソレノイド(電磁石)で、電流をコイル(電磁石)に流して発生する磁力で磁性体(鉄)でできたアーマチュア(左側の丸い鉄心)を引き付けて直線運動に変換するものです。

 電流の強さで引っ張るパワーを変えられなくもありませんが、あまり細かい動きはできず、電磁ロックの解除や洗濯機の水を出したり止めたりする電磁バルブ(電磁弁)や、昔コンピューターで使われていた「フロッピーディスクドライブ」で磁気ヘッドをディスクに接触させたり離したりするのに使われたり、次の写真のソレノイドバルブ(電磁弁)として、空気圧をオン/オフするのに使われています。

 フロッピーディスクドライブでわかるように作動時に「カチカチ」とか「ガチャガチャ」とか「バシンバシン」と音がしたり、振動が大きかったりしますが、停電すると自力で維持できずに、洗濯機で水が出たままになるなどの問題を起こさない利点があります。

 お化け屋敷などでシューと空気を噴き出して驚かせたり、エアーモーターと呼ばれる空気圧で回転するアクチュエーターにも使われます。

ソレノイドバルブ(電磁弁):空気圧を出したり止めたりする

エアーシリンダー

 ソレノイドバルブ(電磁弁)でコントロールされた圧縮空気を出し入れすることにより直線運動するアクチュエーターです。

エアーシリンダー:エアー(空気圧)で左側の棒(ロッド)が出たり入ったりする

 空気圧で動くので「注射器」の管をふさいだ状態のように柔らかく動くのが特徴で、壊れやすいものをつかむ「マニピュレーター」などとしてロボットに使われたり、食品関係の製造機械などに使われる。

 あとで説明する「油圧シリンダー」のような大きなパワーは出せませんが、オイル漏れなどを起こすと大変なことになる油圧と違い、たとえ漏れても「空気」なので食品や人体に与える害がほとんどないのも利点です。

 また、下の写真のようなスピードコントローラーで空気を絞ることによりスピードやパワーをその場で簡単に調整できるため、実験装置や現場で調整を必要とする食品関係の機械に向いています。

 欠点としては、圧縮空気を作るための「コンプレッサー」と呼ばれる大きな装置が必要だったり、空気中に含まれる水分でソレノイドバルブやシリンダー内部が錆びたりするのを防ぐためのフィルターや、エアーシリンダーをスムーズに動かし続けるために油を圧縮空気と共に送り出す、「ドライヤー」、「レギュレーター」、「ルブリケーター」などの機器が必要でお金がかかるのと、コンプレッサーの作動音や排気音がするなどの問題があります。

フィルター&ルブリケーター&レギュレーター:圧縮空気を整える
スピードコントローラー:圧縮空気の量を調整する

油圧シリンダー

 残念ながら写真はないのですが、パワーショベルカーなどの建設機械や油圧式エレベーターなどに使われています。大きなパワーを出せるのが特長ですが、動作速度が遅めで、油圧ポンプや油圧ソレノイドバルブなどの大型で高価な装置が必要で、最近は油圧式エレベーターは姿を消しつつあります。

 我が家のマンションの油圧式エレベーターも2018年にモーターを使ったロープ式に付け替えたところ、動きが目に見えて早くなりました。

ステッピングモーター(パルスモーター)

 複数個の電磁石(コイル)に順番に電流を印加することによって回転するモーターです。DCモーターやACモーターと違い、負荷によって故障することが少ないため、また、磁力だけで回転しているため無理な負荷が加わると空回りするため、安全性も高く、プリンターのヘッドを左右に動かしたり、紙送りをしたり、エアコンなどの吹き出し口の風の向きを変えたり(ルーバー)するのに使われていて、子供が手を突っ込んでもケガしにくいなどの特長を持っています。

 また、回転角度がパルス数に比例するため、簡単な回路で位置決めできるなど、マイコンとの相性の良いアクチュエーターです。

ステッピングモーター(大型):安全性が高く回転位置を簡単に制御できる
ステッピングモーター(中型)
ステッピングモーター(中型)

リニアアクチュエータの使い方

 リニアアクチュエータは、直線往復運動をするメカニズムです。意味は違いますがリニアモーターとも呼ばれています。

 ここで紹介するリニアアクチュエータはオリエンタルモーター製のストローク850mmで40kgまでの物を最高400mm/secで移動できる装置です。

 しかし、このリニアアクチュエータを使ってみて、問題が発生しました。パソコンとケーブルでつないで専用ソフトで操作すると動くのですが、シーケンサーとつないで制御するとまったく動きません。

 専用ソフトで入力信号を見てみると、入力信号を認識していません。テスターを使って入力端子を調べてみると、そこには電圧がありません。

 結果から先に言いますと、この装置は「有電圧入力」でした。つまり外部から電圧を加えないと動作しないのです。

 これは、テスターの抵抗レンジで測ってみてわかりました。電圧が0Vなので、抵抗を測ってみると、一方は無限大で、逆方向は真ん中程度の値を示します。

テスターの使い方

 つまり、中にダイオードが入っていることになります。ダイオードの正体は発光ダイオードつまりLEDです。普通のダイオードも直列に入っている可能性があります。

 このダイオードの正体は、入力信号を電気的に絶縁して回路を保護するフォトカプラです。ふつうは内部から電源が供給されていて、入力端子とアース(GND)の間を接続すると作動するのですが、この装置では外部に電源を用意して、入力端子に電圧を供給しなくてはなりません。

 ここでひとつ問題が発生しました。使おうとしていたシーケンサーはトランジスタ出力のため、電流をアースに引き込むこと(シンク)は可能でも、電流を外部に供給すること(ソース)は不可能です。

 そこでとりあえずリレー出力のシーケンサーがあったので、それを使うことで無事に動作しましたが、トランジスタ出力のシーケンサーしかない場合は、そのままでは使えません。

トランジスタ出力のシーケンサー(PLC)三菱電機FX1S-20MT

 そんなときは、リニアアクチュエータやシーケンサーの中にも使われているLEDとフォトトランジスタで電気的に絶縁する電子部品「フォトカプラ」を使えば、トランジスタ出力のシーケンサーでも動かすことができるはずです。

シーケンサーの選び方と使い方

 このようにメカトロニクスでは、制御回路や電気回路の知識の他に電子回路の知識が必要なことが多く発生します。

自動機械の製作は知り合いの「河政工業株式会社」へ