リニアアクチュエータは、従来の電気モータの円運動とは対照的に、直線で運動を生成するアクチュエータである。 リニアアクチュエータは、工作機械および産業機械、ディスクドライブおよびプリンタなどのコンピュータ周辺機器、バルブおよびダンパー、および直線運動が必要な他の多くの場所で使用されています。 油圧シリンダまたは空気圧シリンダは本質的に直線運動を生成する。 回転するモータから直線運動を生成するために、多くの他の機構が使用される。
タイプ
機械式アクチュエータ
機械的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する。 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。
ネジ:リードスクリュー、スクリュージャッキ、ボールネジ、ローラースクリューアクチュエータはすべて、ネジと呼ばれる簡単な機械の原理で動作します。 アクチュエータのナットを回すと、スクリュー軸が一列に移動します。
ホイールとアクスル:ホイスト、ウインチ、ラックアンドピニオン、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、ホイールとアクスルの原理で動作します。 回転ホイールはケーブル、ラック、チェーン、またはベルトを動かして直線運動を生成します。
カム:カムアクチュエータは、ウェッジの原理と同様の原理で機能するが、比較的制限された移動を提供する。 ホイール状のカムが回転すると、その偏心形状はシャフトの基部に推力を提供する。
ホイスト、チェーンドライブ、ベルトドライブなど、一部の機械式リニアアクチュエータのみが引っ張られます。 その他のものはプッシュのみです(カムアクチュエーターなど)。 空気圧シリンダおよび油圧シリンダ、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ねじおよび/または歯車を介して、制御ノブまたはハンドルの回転運動を直線変位に変換する。 ジャックねじまたはカージャックは、おなじみの機械式アクチュエータです。 アクチュエータの別のファミリは、セグメント化されたスピンドルに基づいています。 ジャックハンドルの回転は、機械的にジャックヘッドの直線運動に変換される。 機械式アクチュエータは、線形ステージ、回転ステージ、ミラーマウント、ゴニオメータおよび他の位置決め装置の位置を操作するために、レーザおよび光学の分野で頻繁に使用されている。 正確で再現可能な位置決めのために、インデックスマークをコントロールノブで使用することができます。 アクチュエータの中には、エンコーダとデジタル位置の読み取りを含むものがあります。 これらは、マイクロメータで使用される調整ノブに似ていますが、その目的は位置測定ではなく位置調整です。
油圧アクチュエータ
油圧アクチュエータまたは油圧シリンダは、典型的には、その中に挿入されたピストンを有する中空シリンダを含む。 ピストンに加えられる不均衡な圧力は、外部物体を動かすことができる力を生成する。 液体はほぼ圧縮できないので、油圧シリンダはピストンの制御された正確な直線変位を提供することができる。 変位はピストンの軸に沿ったものに過ぎない。 手動で操作される油圧アクチュエータのよく知られた例は、油圧式カージャックである。 しかし、典型的には、「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装置を指す。
空気圧アクチュエータ
空気圧アクチュエータまたは空気圧シリンダは、液体の代わりに圧縮ガスを使用して力を生成する点を除いて、油圧アクチュエータに類似しています。 それらは、空気がチャンバの内部でポンプされ、チャンバの他の側面から押し出されるピストンと同様に機能する。 空気圧アクチュエータは、大量の重量物が存在する大型機械やインスタンスには必ずしも使用されません。 空気圧リニアアクチュエータが他のタイプよりも好ましい理由の1つは、電源が単なる空気圧縮機であるという事実である。 空気は入力源であるため、空気圧式アクチュエータは機械的動作の多くの場所で使用できます。 欠点は、大部分の空気圧縮機が大きく、かさばり、大きなものであることです。 彼らは一度インストールされた他の領域に輸送することは困難です。 空気圧リニアアクチュエータはリークする可能性があり、機械式リニアアクチュエータより効率が低下します。
圧電アクチュエータ
圧電効果は、材料に電圧を印加することによって材料が膨張する特定の材料の特性である。 非常に高い電圧は小さな膨張にしか対応していません。 その結果、圧電アクチュエータは非常に微細な位置決め分解能を達成することができるが、運動範囲も非常に短い。 加えて、圧電材料は、ヒステリシスを示し、これは反復可能な方法でそれらの膨張を制御することを困難にする。
ツイストおよびコイルドポリマー(TCP)アクチュエータ
スーパーコイルドポリマー(SCP)アクチュエータとしても知られているねじりコイルド(TCP)アクチュエータは、電力によって作動することができるコイル状ポリマーである。 TCPアクチュエータは、コイルばねのように見える。 TCPアクチュエータは、通常、銀被覆ナイロン製である。TCPアクチュエータは、金のような他の電気コンダクタンスコートから作ることもできる。 TCPアクチュエーターは、負荷をかけて、msucleを長く保つ必要があります。 電気エネルギーは、ジュール加熱、オーム加熱、および抵抗加熱としても知られている電気抵抗による熱エネルギーに変換される。 ジュール加熱によってTCPアクチュエータの温度が上昇すると、ポリマーが収縮し、アクチュエータの収縮が引き起こされます。
電気機械アクチュエータ
電気機械式アクチュエータは、機械式アクチュエータに類似しているが、制御ノブまたはハンドルが電気モータに置き換えられている点が異なる。 モータの回転運動は直線変位に変換される。 現代のリニアアクチュエータの設計には多くのものがあり、それらを製造するすべての企業が独自の方法を持つ傾向があります。 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化された説明である。
簡略化されたデザイン
典型的には、電動モータが機械的に接続されてリードスクリューを回転させる。 リードスクリューは、その長さに沿って走る円周上に機械加工された連続したらせん状のねじ山を有する(ボルト上のねじと同様)。 リードスクリューには、リードナットまたはボールナットが対応するヘリカルネジでねじ込まれています。 ナットはリードスクリューで回転することができません(通常、ナットはアクチュエータ本体の回転しない部分とインターロックします)。 したがって、リードスクリューを回転させると、ナットがネジ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依存します。 リンケージをナットに接続することにより、動作を使用可能な直線変位に変換することができます。 最新のアクチュエータは、高速、高力、または2つの間の妥協のために作られています。 特定のアプリケーション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、寿命です。 ほとんどの品種は、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。
リニアアクチュエータシステムに使用できる多くのタイプのモータがあります。 これらには、DCブラシ、DCブラシレス、ステッパー、場合によってはインダクションモーターも含まれます。 それはすべて、アクチュエータが動かすように設計されているアプリケーション要件と負荷に依存します。 例えば、リードスクリューを駆動する一体型馬力AC誘導モータを使用するリニアアクチュエータは、製油所の大きなバルブを操作するために使用することができる。 この場合、精度と高い動作分解能は必要ありませんが、高い力と速度が必要です。 実験室の計装ロボティクス、光学およびレーザー装置、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では、ミクロンレンジおよび高精度の精細分解能では、精密ピッチのリードスクリューを備えた分数馬力ステッパモータリニアアクチュエータを使用する必要があります。 電気機械リニアアクチュエータシステムには多くのバリエーションがあります。 どちらが最善であるかを知るには、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。
スタンダード対コンパクトな構造
標準的なモータを使用するリニアアクチュエータは、通常、アクチュエータと平行に、またはアクチュエータに対して垂直に、アクチュエータの側部に取り付けられた別個のシリンダとしてモータを有する。 モータは、アクチュエータの端部に取り付けられてもよい。 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ねじに合う固体駆動シャフトを備えた典型的な構造のものである。
コンパクトな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を使用します。
モータ軸の内径を大きくすることができ、駆動軸を中空にすることができる。 したがって、ドライブスクリューおよびナットは、モーターとドライブスクリューとの間の追加のギアリングを必要とせずに、モーターの中心を占有することができます。
同様に、モータは非常に小さい外径を有するようにすることができるが、代わりに、磁極面が縦方向に引き伸ばされるので、モータは依然として小さな直径の空間に適合しながら非常に高いトルクを有することができる。
原則
リニアアクチュエータ設計の大部分において、動作の基本原理は傾斜面の動作原理である。 リードスクリューのネジ山は、短い距離にわたって大きな負荷の移動を達成するために、短い回転力を長い距離にわたって使用することを可能にする連続的なランプとして機能する。
バリエーション
基本的なデザインの多くのバリエーションが作成されました。 大部分は、より高い機械効率、速度、または負荷容量などの一般的な改善を提供することに重点を置いています。 アクチュエータの小型化に向けて大きな技術的動きもあります。
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。 いくつかは、ボールねじとボールナットを使用しています。 いずれの場合も、スクリューはモータまたは手動制御ノブに直接または一連のギアを介して接続することができます。 歯車は通常、モータが直接駆動できるよりも重い負荷の下でスクリューを回転させるのに必要なトルクを提供するために、より高いrpmでのより小さな(およびより弱い)モータの回転を調整することを可能にするために使用される。 効果的に、これはアクチュエータの推力を増加させるためにアクチュエータ速度を犠牲にする。 用途によっては、ウォームギヤの使用が一般的です。これは、より小さな走行距離を可能にする小さな組み込み寸法を可能にするためです。
走行ナットリニアアクチュエータは、リードスクリューの一端(おそらく間接的にギアボックスを介して)に取り付けられたモーターを有し、モーターはリードスクリューを回転させ、リードナットは回転しないように拘束されて、リードスクリュー。
走行ねじ式リニアアクチュエータには、モータ全体を貫通するリードスクリューがあります。 走行ねじ式リニアアクチュエータでは、モータは、回転が抑制されたリードスクリューを上下に「這い回し」ます。 唯一の回転部品はモーター内部にあり、外部からは見えないことがあります。
いくつかのリードスクリューの中には複数の「開始」があります。 これは、同じシャフト上で交互に複数のスレッドがあることを意味します。 これを視覚化する1つの方法は、キャンディーキャンデーの複数のカラーストライプと比較しています。 これにより、ネジピッチとナット/ネジの接触面積の調整が可能になります。これにより、伸び速度と(スレッドの)負荷容量が決まります。
静的負荷容量
リニアスクリュアクチュエータは、静的負荷能力を有することができ、モータが停止すると、アクチュエータは実質的に所定の位置にロックし、アクチュエータを引っ張ったり押したりしている負荷を支持することができる。 この静的負荷容量は移動性と速度を向上させます。
アクチュエータの制動力は、ねじ山の角度ピッチおよびねじの特定の設計によって変化する。 アクメ糸は非常に高い静的負荷容量を有し、ボールねじは非常に低い負荷容量を有し、ほぼ自由に浮動することができる。
一般に、追加の技術なしでは、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。 ねじピッチと駆動ナットの設計は、動的に調整することができない特定の負荷容量を定義します。
場合によっては、高粘度グリースを線形ねじアクチュエータに加えて静的荷重を増加させることができる。 いくつかのメーカーは、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ます。
静的負荷容量は、スピン駆動ナットに摩擦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追加することができます。 例えば、バネを使用してブレーキパッドを駆動ナットに適用し、電源を切ったときにブレーキパッドを定位置に保持することができる。 アクチュエータを移動させる必要があるとき、電磁石はスプリングに反作用し、駆動ナットの制動力を解放する。
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とともに使用することにより、アクチュエータを動かすときに負荷を持ち上げる駆動システムが所定の位置にロックされるようにすることができる。 アクチュエータを下げるために、電磁石を用いてバネ力を相殺しラチェットをロック解除する。
動的負荷容量
動的負荷容量は、通常、動作中にリニアアクチュエータが提供できる力の量と呼ばれます。 この力は、ねじのタイプ(摩擦を制限する運動の量)および運動を駆動するモータによって変化する。 動的負荷とは、ほとんどのアクチュエータを分類したもので、どのアプリケーションが最適であるかを示す良い指標です。
スピードコントロール
ほとんどの場合、電気機械アクチュエータを使用する場合、何らかのタイプの速度制御を有することが好ましい。 このようなコントローラは、モータに供給される電圧を変化させ、それにより、リードスクリューが回転する速度が変化する。 ギヤ比を調整することは速度を調整するもう一つの方法です。 いくつかのアクチュエータには、いくつかの異なるギアリングオプションがあります。
デューティサイクル
モータのデューティサイクルとは、アクチュエータを冷却する必要があるまでにアクチュエータを作動させる時間のことです。 アクチュエーターの操作時にこのガイドラインに収まることは、寿命と性能の鍵です。 デューティサイクル定格を超えると、過熱、電力損失、およびモーターの最終的な燃焼が危険にさらされます。
リニアモータ
リニアモータは、回転子と固定子の円形磁場成分を直線状に配置した回転電動機と機能的には同じです。 回転モータが回転して再び同じ磁極面を再使用する場合、リニアモータの磁場構造はアクチュエータの全長にわたって物理的に繰り返される。
モータは直線的に動くので、回転運動を直線に変換するためのリードスクリューは不要です。 高い容量が可能である一方で、ほとんどの設計における材料および/またはモータの制限は、磁気引力および反発力にのみ依存するため、比較的迅速に上回る。 大部分のリニアモータは、他のタイプのリニアアクチュエータに比べて負荷容量が小さい。 リニアモータは、2つの半体が互いに接触する必要がないため屋外または汚れた環境で有利であるため、電磁駆動コイルは水分および腐食に対して防水および密封が可能であり、非常に長い寿命を可能にする。
テレスコピックリニアアクチュエータ
伸縮式リニアアクチュエータは、スペースの制約がある場合に使用される特殊なリニアアクチュエータです。 その運動範囲は、作動部材の非伸長長さの何倍も大きい。
一般的な形態は、入れ子式シリンダのように、一方が他方の内側にあり、スリーブのように伸縮するほぼ等しい長さの同心管からなる。
他のより特殊な入れ子式アクチュエータは、伸張すると剛性のあるリニアシャフトとして機能する作動部材を使用するが、収縮すると折り畳まれ、断片に分離され、および/または巻き戻されることによってその線を壊す。 伸縮式リニアアクチュエータの例には、
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
セグメント化されたスピンドル
長所と短所
アクチュエータタイプ | 利点 | 短所 |
---|---|---|
機械的 | 安いです。 繰り返し可能。 電源は必要ありません。 自己完結型。 伸縮する同一の挙動。 | 手動操作のみ。 自動化はありません。 |
電気機械 | 安いです。 繰り返し可能。 操作は自動化できます。 自己完結型。 伸縮する同一の挙動。 DCまたはステッピングモータ。位置フィードバックが可能です。 | 多くの可動部品が摩耗しやすい |
リニアモータ | シンプルなデザイン。 可動部品の最小。可能な高速。 自己完結型。 伸縮する同一の挙動。 | 低〜中程度の力。 |
圧電 | 高速では非常に小さな動きが可能です。ほとんど力を消費しません。 | 機械的に増幅されない限り、短い移動。 高電圧が必要(通常は24V以上)。 高価で壊れやすい 緊張ではなく、圧縮のみが良好です。 通常、燃料噴射器に使用されます。 |
ツイストおよびコイル状ポリマー(TCP) | 軽くてシンプルな | 低効率、高温、収縮のみ |
油圧 | 非常に高い力が可能です。 相対的に高い電力対サイズ比(または電力密度)。 | 漏れる可能性があります。 再現性のために位置フィードバックが必要です。 外部油圧ポンプが必要です。 いくつかのデザインは圧縮だけが良いです。 |
空気圧 | 強く、軽く、シンプルで速い。 | フルストップ以外の正確な位置制御が不可能 |
ワックスモーター | 円滑な運用。 | 他の方法ほど信頼性がありません。 |
セグメント化されたスピンドル | 非常にコンパクトです。 アクチュエーターの長さよりも大きな運動範囲。 | 直線運動と回転運動の両方。 |
移動コイル | 力、位置、および速度は制御可能で繰り返し可能です。 高速で正確な位置決めが可能です。 リニア、回転、およびリニア+回転アクションが可能です。 | 反復可能な位置フィードバックが必要です。 |
MICA(可動鉄心制御アクチュエータ) | 高い力と制御可能。 可動コイルよりも高い力と損失。 消失しやすい損失。 設計とセットアップが容易な電子ドライバ。 | ストロークは数ミリメートルに制限され、可動コイルよりも直線性が低い。 |