マグネット付空気圧シリンダ複動 フルガイド

磁石付複動形空気圧シリンダとは？

A 磁石付き複動形空気シリンダ は、圧縮空気を使用してピストンを伸長方向と収縮方向の両方に駆動するエアシリンダであり、ピストンに埋め込まれた永久磁石により、外部の磁気リードスイッチまたはホール効果センサーが物理的接触なしでピストンの位置を検出できます。この設計により、エンジニアはロッドが完全に伸びているか、完全に縮んでいるか、または複数のスイッチを使用して中間位置にあるかについて、正確なリアルタイムのフィードバックを得ることができます。

を選択する人への簡単な答えは、 エアシリンダー 自動化ラインの場合：次のステップを実行する前に機械の位置確認が必要な場合は、ピストンマグネット内蔵の複動シリンダをお選びください。これにより、ブラケットに外部近接センサーを取り付ける必要がなくなり、配線が簡素化され、外部センサー配置と比較して設置時間が 30 ～ 50% 短縮されます。

複動シリンダは、産業オートメーションで使用される空気圧アクチュエータの主要なシェアを占めています。大手コンポーネント販売会社の推定では、複動シリンダは全エアシリンダ売上高のおよそ 70 ～ 80% を占めています。複動シリンダは両方向に制御された力を供給し、スプリングの戻りに頼るのではなく、機械が積極的に負荷を押したり引いたりできるためです。磁石機能を追加すると、コストがわずかに増加するだけですが、制御性と診断機能が大幅に向上します。

複動機構の仕組み

複動式エアシリンダの動作原理は簡単です。圧縮空気が後部ポートから入り、ピストンと取り付けられたロッドを前方に押します。方向制御弁が切り替わると、空気が前ポートから入り、ピストンを押し戻します。伸長ストロークと収縮ストロークの両方が空気圧によって駆動されるため、「複動式」という用語が使用されます。

主要な内部コンポーネントは次のとおりです。

• シリンダーバレル - 通常、環境に応じてアルミニウム合金、ステンレス鋼、または硬質クロム鋼管で作られます。
• ピストン — 2 つの圧力チャンバーを分離する、O リングまたはカップ シールでシールされたスライド ディスク。
• ピストンロッド — 機械力を負荷に伝達します。表面硬度は通常 58 ～ 62 HRC で、摩耗に耐えます。
• エンド キャップ (ヘッドとキャップ) — バレルの端を密閉し、ポート フィッティングを含みます。
• ロッドシールとワイパー - 空気漏れを防ぎ、汚染物質の侵入を防ぎます。
• 永久磁石 - ピストンに接着または圧入された、通常はネオジム (NdFeB) またはフェライトのリングまたはセグメント磁石。

バレルは外部センサーが磁場を検出できるようにする必要があるため、マグネットピストンで使用されるシリンダーバレルのほとんどは非磁性材料で作られており、陽極酸化アルミニウムが最も一般的です。スチール製バレルのバージョンも存在しますが、センサーを取り付けるためにバレルの壁に非磁性のストリップまたは窓が必要です。

伸長力と収縮力

ロッドがロッド側のピストン面積の一部を占めるため、伸び時の有効面積は縮み時よりも大きくなります。たとえば、内径 50 mm、ロッド直径 20 mm のシリンダーは、6 bar の供給圧力で次の結果を生成します。

• 伸長力: π/4×50㎡×6×0.1≒1,178N
• 後退力: π/4 × (50² − 20²) × 6 × 0.1 ≒ 990 N

この非対称性は、後退ストロークの負荷が伸長ストロークの負荷とほぼ等しい用途において重要です。エンジニアは、2 つのうちの小さい方の方が、リトラクト力の要件に合わせてボアのサイズを決定することがよくあります。

ピストンマグネットの役割と位置検出

ピストンに埋め込まれた磁石はピストンとともにボアに沿って移動します。バレルの外側にクリップまたはバンドで固定されたセンサーは、磁場がその位置を通過するときを検出し、出力状態を切り替えます。これにより、PLC またはコントローラーに「ピストンはここにあります」または「ピストンはここにありません」というバイナリ信号が与えられます。

マグネットシリンダに対応するセンサの種類

• リードスイッチ — 十分な強度の磁場が存在すると閉じる機械的接点。低コストで配線が簡単で、通常 1 億回の動作に耐えられます。最大約 300 ～ 500 サイクル/分のサイクル速度に適しています。
• ホール効果センサー — 可動部品のないソリッドステートデバイス。スイッチング速度が速く（最大数kHz）、振動に強く、耐用年数が長くなります。 NPN または PNP 出力構成で利用可能です。
• GMR (巨大磁気抵抗) センサー — ホール効果よりも高い分解能と長い検出範囲を提供します。ターゲットの位置をより離れた距離から検出する必要がある場合に使用されます。
• アナログ位置センサー — ピストン位置に比例する連続電圧または電流を出力し、単なるストローク終了の検出ではなくストローク長の監視を可能にします。

センサー取り付けシステム

シリンダーファミリーが異なれば、センサー取り付けオプションも異なります。

• T溝・C溝 — バレルプロファイルに機械加工された縦方向の溝により、センサー本体がスライドし、ストロークに沿った任意の位置でロックできます。これは、ISO15552 プロファイル シリンダの最も一般的な配置です。
• バンドまたはタイマウント — センサーは、丸いバレルの周りの金属またはプラスチックのバンドによって保持されます。 ISO6432 ミニシリンダーおよび VDMA 24562 丸胴シリンダーに共通。
• レールマウント — シリンダーの側面にボルトで固定された別個のセンサー レール。密集した位置に複数のセンサーが必要な場合に使用されます。

センサーの位置を設定するときは、スイッチの磁気ヒステリシスを考慮してください。通常、リード スイッチの場合は 0.5 ～ 2 mm、ホール効果デバイスの場合は 0.3 ～ 1 mm です。エンドクッションの跳ね返りによる誤ったトリップを避けるために、ストロークの機械的終了の数ミリメートル前にトリップするようにセンサーを配置します。

選択する前に理解しておくべき主な仕様

適切な磁石付き複動空気圧シリンダを選択するには、いくつかのパラメータを用途に適合させる必要があります。以下の表は、最も重要なものをまとめたものです。

ボアサイズ: オーバーサイズにしないでください

多くのエンジニアは習慣的に「安全のため」エアシリンダーのサイズを大きくしていますが、これは実際の問題を引き起こします。つまり、空気消費量が増加し、バルブが大きくなり、アセンブリが重くなり、各ストロークでより多くの量を充填および排気する必要があるためサイクルタイムが遅くなります。標準的なアプローチは、必要な力を計算し、摩擦と負荷の変動に対する 25 ～ 30% の安全率を追加し、その数値を満たす最小のボアを選択することです。 30% の係数と 6 bar の供給で 500 N の荷重の場合、必要なボアは約 37 mm です。したがって、63 mm のユニットではなく、標準の 40 mm ボアのシリンダーが正しい選択です。

ストロークと横荷重の考慮事項

ISO 15552 プロファイル シリンダーは、ピストン ロッドを介して横方向の荷重を受けるように設計されていません。横方向の荷重によりロッド シールの摩耗が促進され、時間の経過とともにロッドが曲がる可能性があります。ストロークがボア径の約 10 倍を超える場合、または横方向の力が避けられない場合は、標準の丸形または異形ボア エア シリンダではなく、ガイド付きシリンダ (ガイド付きロッドレス シリンダまたはガイド付きツインロッド シリンダとも呼ばれます) を使用してください。一部のサプライヤーは、磁石付き複動シリンダとリニアガイドレールを単一のコンパクトなパッケージに組み合わせた一体型スライドユニットを提供しています。

複動式エアシリンダの国際規格

標準化は、空気圧シリンダの選択において最も実際的に役立つ側面の 1 つです。これは、両方が同じ規格に準拠していれば、機械を改造することなく、あるメーカーのシリンダを別のメーカーのシリンダに交換できることを意味するからです。複動空気圧シリンダの最も重要な規格は次の 3 つです。

• ISO 15552 — プロファイル ボア シリンダ (DIN/ISO または VDMA 24562 プロファイル シリンダとも呼ばれます) を定義します。 32mmから320mmまでの内径をカバーします。取付寸法、ポート位置、クッション性を指定します。これは、中型および大型の自動シリンダーに最も広く使用されている規格です。
• ISO 6432 — ボアサイズ 8 mm ～ 25 mm の小型および小口径シリンダーをカバーします。丸いバレルのデザインで、通常はバンドマウントセンサーが付いています。
• ISO 21287 — ISO 15552 相当品より全長が短く、内径 20 ～ 100 mm をカバーするコンパクトシリンダ規格。スペースに制約のある機械設計で人気があります。

3 つの規格はすべてマグネット ピストン オプションと互換性がありますが、センサーの取り付け溝の形状は異なります。ISO 15552 はバレルの押し出しに沿った C スロットまたは T スロットのプロファイルを使用し、ISO 6432 は通常バンディングに依存し、ISO 21287 はコンパクトなボディに縦方向の溝を組み込んでいることがよくあります。

注文時に規格 (例: 「ISO 15552、ボア 63 mm、ストローク 200 mm、複動、マグネットピストン、調整可能なクッション両端」) を指定すると、資格のあるサプライヤーに交換可能なユニットを供給するための十分な情報が提供されます。交換用ユニットに標準機能または指定オプションとしてマグネット ピストンが含まれていることを必ず確認してください。一部のカタログ モデルではデフォルトでマグネット ピストンが省略されています。

空気消費量とエネルギー効率

圧縮空気は、製造施設で最も高価なユーティリティの 1 つです。 7 bar で 1 m3 の圧縮空気を生成するには、エネルギー価格とコンプレッサーの効率に応じて通常 0.02 ～ 0.04 ユーロの費用がかかります。複動式エアシリンダは、1 回のストロークでのみ空気を消費する単動式シリンダとは異なり、伸びと縮みの両方のストロークで空気を消費します。これは、両方向にアクティブな力を持たせるためのトレードオフです。

サイクルごとの空気消費量は次のように計算できます。

Q (リットル/サイクル) = [(A_拡張 × ストローク) (A_後退 × ストローク)] × (P_供給 1) / 1000

面積はcm²、ストロークはcm、圧力はバーゲージで表されます。 6 bar での 50 mm ボア / 20 mm ロッド / 100 mm ストロークの例:

• A_extend = π/4 × 5² = 19.6 cm²
• A_retract = π/4 × (5² − 2²) = 16.5 cm²
• Q = [(19.6 × 10) (16.5 × 10)] × 7 / 1000 = 2.53リットル/サイクル

20 サイクル/分では、1 つのシリンダーから 50.6 リットル/分、または約 3 m3/時間の量になります。このようなシリンダーを 30 個備えた機械では、ほぼ 90 m3/時を吸引できますが、これはかなりのコンプレッサー負荷となります。パフォーマンスを犠牲にすることなく消費量を削減する戦略には、次のようなものがあります。

• 減圧 — 6 bar ではなく 4 bar で動作させると (力が許せば)、消費量が約 36% 削減されます。
• シリンダの小型化 — 上で説明したように、適切な最小のボアを使用することが最も効果的な手段です。
• ソフトスタートバルブとクイックエキゾーストバルブ — 始動シーケンス中の無駄な空気を削減し、排気を高速化し、サイクルタイムを削減し、全体の消費量を削減します。
• メカニカルロックによる荷物の保持 — シリンダーが長期間負荷を保持する必要がある場合は、空気圧を加え続けるのではなく、機械的ロックまたはクランプシリンダーを使用してください。

一般的な産業用途

双方向作動と統合された位置検出の組み合わせにより、磁石付き複動空気圧シリンダはファクトリーオートメーションにおいて最も多用途なコンポーネントの 1 つとなります。以下は、いくつかの業界にわたる代表的なアプリケーションです。

組み立てとピックアンドプレイス

垂直ピックアンドプレースユニットでは、複動式エアシリンダーがグリッパーまたは吸盤を昇降させます。リトラクトセンサーは、アームが完全に上昇していること、および転送テーブルのインデックスを安全に行うことができることを PLC に伝えます。伸長センサーは、グリッパーがピック位置まで下降したことを確認します。これらの確認がなければ、機械は固定されたタイマーに従って盲目的に動作することになります。磁石とセンサー システムにより、その不確実性が排除されます。これらのアプリケーションのサイクル時間は通常、1 サイクルあたり 1 ～ 3 秒であり、センサーの応答時間は 5 ミリ秒未満で要件を容易に満たします。

CNC および溶接治具でのクランプ

複動シリンダを動力源とするフィクスチャ クランプは、加工中または溶接中にワークピースを保持します。伸長位置センサーは、スピンドルまたは溶接トーチが有効になる前に、クランプが係合されていることを確認します。これは安全性が重要なインターロックです。シリンダーセンサーが確認しない場合、プロセスは開始されません。 5 ～ 6 bar で 32 ～ 63 mm のボア サイズは、700 ～ 2,000 N のクランプ力に対応するのに一般的です。溶接環境では、センサーは溶接電流による磁気干渉に耐える必要があります。ここでは、リード スイッチよりもシールド ケーブルを備えたホール効果センサーが推奨されます。

コンベヤー仕分けおよび方向転換ゲート

コンベア システムのダイバータ フラップとストップ ゲートは、コンパクトな複動エア シリンダによって駆動されます。多くの場合、軽量フラップ用の ISO 21287 コンパクト ユニットまたは ISO 6432 ミニ シリンダが使用されます。拡張センサーは、商品が到着する前にダイバータが偏向位置に移動したことを確認します。リトラクト確認により、コントローラにパスが空いていることが通知されます。高スループットの選別ではサイクル レートが 60 サイクル/分に達することがあります。これが、リード スイッチではなくホール効果センサーが指定されることが多い理由です。

食品および飲料の包装

マグネットピストンを備えたステンレス製複動シリンダは、水や洗浄剤による洗浄が日常的である食品加工装置では標準です。 IP67 および IP69K 定格のセンサーは高圧スプレーに対応します。マグネットピストンの機能は湿気の影響を受けないため、非接触センシングの利点が特に価値のある領域となります。つまり、シリンダ内部に腐食する電気接点がありません。食品包装における製品重量は控えめであるため、ボアサイズは小さくなる傾向があります (16 ～ 50 mm)。ただし、包装機械の高いサイクル速度 (多くの場合 100 ～ 200 サイクル/分以上) で動作するには十分な力が必要です。

自動車車体工場およびプレス用途

大口径複動シリンダ (ボアが 100 mm ～ 200 mm、場合によってはそれよりも大きい) は、自動車のスタンピング搬送システムやボディ パネルのハンドリングに使用されます。 5,000 ～ 30,000 N の範囲の力が一般的です。ここで、マグネットピストンはストローク終了時のフィードバックを提供するだけでなく、アナログ位置センサーと組み合わせてストローク途中の位置を監視して品質を検証することもできます。マルチポジション検出 (シリンダーごとに 3 つ以上のセンサー) により、次の搬送アームが引き継ぐ前に、機械はコンポーネントが中間位置に搬送されたことを確認できます。

磁石付複動形と他のエアシリンダタイプの比較

磁石付き複動シリンダが他のタイプのシリンダと比較してどこに適合するかを確認するのに役立ちます。

磁石付き複動シリンダは、ほぼすべての新しい設計のデフォルトの出発点です。それから逸脱するのは、特定の制約（両方向に等しい力、横方向の荷重、非常に長いストローク、延長ロッド用のスペースがない）によって代替案のいずれかに向かうようになった場合のみです。

インストールのベストプラクティス

磁石付き複動空気圧シリンダを最大限に活用するには、正しく取り付けることが重要です。以下の実践により、正常に実行されているシステムと問題のあるシステムを一貫して分離できます。

位置合わせ

円柱の中心軸は運動方向と平行でなければなりません。 1 ～ 2°でも位置がずれると、ピストン ロッドとロッド シールに横荷重が発生します。数千サイクルを超えると、これにより摩耗が促進され、シールの漏れが発生します。完全な位置合わせが保証できない場合は、ロッドエンドにフローティング ジョイント (球面ベアリング付きロッド アイまたはナックル ジョイントとも呼ばれます) を使用してください。フローティングジョイントにより、機種に応じて最大3～5°の角度ずれを吸収します。

クッション調整

シリンダを運転速度と負荷で運転しながら、エンドクッションねじを調整します。クッションを全開（絞り最小値）にしてから徐々に閉じていき、ストロークエンドでバウンドすることなくスムーズに減速してください。目標減速ゾーンは通常、ストロークの最後の 10 ～ 20 mm です。クッションネジを締めすぎると、サイクル時間が不必要に長くなります。クッションが不十分であると、衝撃音が発生し、シリンダーエンドキャップや機械フレームに機械的ストレスがかかり、ピストンアセンブリの早期故障が発生します。

センサーの位置決め

取り付け後、シリンダーに電力を供給し、ストローク内のセンサー LED が点灯する場所を観察します。センサーをスライドさせて、目的のピストン位置で LED が一貫してオン/オフになるようにします。機械的なエンドストップから 2 ～ 3 mm のバッファを確保します。センサー固定ネジをメーカー指定のトルク (小型センサーの場合は通常 0.3 ～ 0.8 Nm) で締めます。トルクが不足しているセンサーは時間の経過とともに滑ります。トルクをかけすぎるとセンサーが割れます。

空気供給品質

シリンダに供給する方向制御弁の上流にフィルタ・レギュレータ・ルブリケータ (FRL) ユニットを取り付けます。フィルターは、シリンダー内の結露を防ぐために、5 μm を超える粒子を除去し、最低周囲温度よりも低い露点を達成する必要があります。最近のシリンダー シールの多くは無潤滑運転用に設計されています。一部のシールは乾燥空気用に設計されており、オイル ミストにさらされると膨潤するため、潤滑油を追加する前にメーカーのデータを確認してください。

フロー制御

メータアウト流量制御弁（1ポートに1個）を取り付けて、伸縮速度を独立して制御します。メーターアウト（供給ではなく排気を絞る）により、さまざまな負荷に対してよりスムーズで制御しやすい動作が得られます。メータインは負荷がかかると不安定な動作を引き起こす可能性があります。速度を監視しながら、流量制御を徐々に設定します。ほとんどのアプリケーションでは、ロッド速度は 0.1 ～ 0.5 m/s が一般的です。高速アプリケーションは最大 1.5 m/s で動作しますが、より大きなバルブとより高品質のクッションが必要になります。

メンテナンススケジュールとトラブルシューティング

複動エアシリンダは、空気圧システムの中で最も信頼性の高いコンポーネントの 1 つですが、メンテナンスフリーではありません。体系的なメンテナンスアプローチにより、計画外のダウンタイムを防ぎます。

定期点検ポイント

• ロッドシール漏れ — 潤滑されたシリンダーでは、小さな油膜は許容されます。ロッドシールでの水滴や目に見える空気漏れは、摩耗とシールキットの交換の必要性を示しています。無潤滑シリンダーでは、目に見える漏れは問題となります。
• ロッド表面 — ロッドシールを損傷する可能性のある傷、腐食、へこみがないか検査します。表面粗さはシールの寿命に大きく影響するため、損傷したロッドは研磨するだけでなく交換する必要があります。
• センサー機能 — 各シフトごとに正しいピストン位置で各センサーの LED が点灯することを確認します。センサーがトリガーしなくなった場合は、センサーが故障しているか磁石が弱くなっていることを示しています (ネオジム磁石では非常にまれですが、高温用途では可能性があります)。
• 取り付け用ファスナー — 振動による緩みがないか確認してください。高振動環境では、ネジロック剤をファスナーに塗布してください。
• エア供給圧力 — シリンダー入口の作動圧力が設計仕様と一致していることを確認します。供給ラインの圧力降下は、チューブのサイズが小さすぎるか、バルブが部分的に閉じていることを示します。

一般的な障害パターンと原因

• シリンダーが伸びたり縮んだりしない: 方向切換弁の動作、供給圧力、流量調整弁が全閉になっているかを確認してください。排気サイレンサーが詰まっていると、動きが妨げられる場合もあります。
• ゆっくりとした鈍い動き: サイズが小さいチューブや継手、フィルタの詰まり、流量制御が部分的に閉じているか、供給圧力が不十分です。
• センサーが作動しない: センサーの位置がずれている、センサーが故障している、または PLC 入力配線が正しくありません。センサー LED を確認します。点灯しているのに PLC が信号を認識しない場合は、センサーや磁石ではなく、配線または入力カードに問題があります。
• 負荷によりシリンダーがドリフトする: 内部のピストンシールに漏れがあり、空気がピストンを迂回します。ピストンシールキットを交換します。バレルボアに傷が入った場合は、シリンダー本体を交換する必要があります。
• ストロークエンド時の衝撃音： クッションネジが適切に調整されていない、またはクッションシールが摩耗している。クッションシールを調整または交換します。

計画的なシール交換 メーカーのサービスデータで指定された間隔で発生する必要があります。通常、ピストン移動の 2,000 ～ 5,000 km ごと、または中程度の負荷のアプリケーションでは 2 ～ 5 年ごとです。センサー信号自体を使用して PLC 経由でシリンダー サイクルを追跡すると、正確なサイクル カウントが得られ、メンテナンス アラートを自動的にトリガーできます。

大手メーカーから選ぶ

磁石付き複動空気圧シリンダの市場は成熟しており、競争が激しいです。いくつかのメーカーが同等の性能を備えた ISO 準拠の製品を提供していますが、多くの場合、その決定はシリンダー自体を超えた要因によって決まります。

• フェスト — DSBC (ISO 15552) および ADN (ISO 21287) ファミリを含む広範な製品範囲で知られています。ヨーロッパに強みがあり、豊富なドキュメントとオンライン構成ツールを備えています。
• SMC — 売上高で世界最大の空気圧機器メーカー。 C95 (ISO 15552) および CQ2 (コンパクト) シリーズは、世界中で広く在庫されています。 SMC のセンサー範囲は特に広範囲に及びます。
• パーカー・ハニフィン — P1D (ISO 15552) および P5S (ISO 6432) シリーズ。北米および重工業市場に強い。
• ノルグレン — RM/92000 シリーズ ISO 15552 シリンダー。ヨーロッパ市場での入手性が良好です。
• エアタック / マインドマン / CKD — アジアのメーカーは ISO 準拠の製品を低価格で提供しており、コスト重視の OEM アプリケーションで広く使用されています。

交換および MRO 購入の場合は、センサー スロットの形状やポートの位置における微妙な寸法の違いを避けるために、可能であれば取り付けられているユニットと同じメーカーを使用してください。新しい機械設計の場合は、現地での在庫状況、納期、予想される年間生産量でのユニットあたりの価格、およびメーカーのオンライン製品コンフィギュレーターの品質に基づいて選択してください。優れたコンフィギュレーターは、設計中のエンジニアリング時間を大幅に節約します。

知っておく価値のある特別なバリアント

標準的な磁石付き複動エアシリンダを超えて、いくつかの特殊なバリエーションが特定のアプリケーションのニーズに対応します。

クリーンルームと半導体グレード

ISO クラス 3 ～ 6 のクリーン ルーム向けのシリンダーには、低アウトガス材料、特殊な潤滑剤またはドライフィルム コーティング、およびステンレス鋼の外部コンポーネントが使用されています。マグネットピストン機能は、センサーが外部で動作し、通常動作中にシリンダー内部で金属粒子が発生しないため、クリーンルームの要件に完全に適合します。

ATEX / 危険区域

爆発性雰囲気 (塗装スプレーブース、化学プラント、穀物取り扱い施設) では、シリンダーとセンサーの両方が ATEX 認定を受ける必要があります。エアシリンダー自体は本質的に安全です (電気部品は含まれていません) が、センサーの配線とハウジングは ATEX カテゴリ 2 または 3 の要件を満たす必要があります。問題のシリンダー モデルでは、ATEX 承認として明示的にリストされているセンサーのみを使用してください。

耐食性ステンレス鋼

316 ステンレス鋼のバレル、ピストン ロッド、エンド キャップは、アルミニウムや炭素鋼が腐食する海洋、海洋、製薬、食品グレードの用途向けに、いくつかのメーカーから入手可能です。 316 ステンレスの非磁性特性は、磁石ピストンの検出と互換性があります。この合金はオーステナイト系であるため非強磁性であるため、ピストン磁石の磁場を検出するセンサーの能力を妨げません。

マルチポジションシリンダ

複動シリンダと異なるストローク長の 2 番目のシリンダをタンデムに組み合わせることで、完全に収縮した状態、ストロークの途中 (最初のシリンダが伸び、2 番目のシリンダが縮んだ状態)、および完全に伸びた状態 (両方が伸びた状態) の 3 つの異なる位置を実現できます。これは、3 つの個別の位置のみが必要な場合に、サーボ駆動の電動アクチュエータに代わるコスト効率の高い代替品です。各位置は、それぞれのシリンダー上の磁気センサーによって確認されます。