ソレノイド vs リニアアクチュエータ：産業オートメーションに最適なモーション制御を選ぶ

ソレノイドとリニアアクチュエータは産業アプリケーションの標準デバイスです。大部分において、これらは自動化を必要とするメカニズムやシステムの動きを制御します。フィードバック信号を持つメインコントローラーで使用されると、精密制御された動きを可能にします。

ソレノイドとは？

産業分野における「ソレノイド」という用語は、動作に磁場を必要とするデバイスを指します。電流を通すことができる導電コイルが含まれます。電流がコイルを通過すると磁場が発生し、コイル内の金属製プランジャーが磁場の力で動きます。

電流がオフになると、磁場はゼロになります。金属製プランジャーはもはや磁場の力を受けないため、自由に動けます。プランジャーはスプリングで負荷されており、ゼロ磁場下で初期位置に戻ります。

リニアアクチュエータとは？

リニアアクチュエータは、接続された機械アセンブリ（通常はロッド）の直線運動を生成するデバイスです。直線運動は、さまざまなサイズと比率のギアを通じて直線ロッドに接続された内蔵モーターで実行されます。モーターが回転すると、ギアが回転運動を直線運動に変換します。

リニアアクチュエータは一般的に直流（DC）ブラシ付きまたはブラシレスモーターと、12VDCや24VDCなどのDC電源を使用します。しかし、DCモーターが必須ではありません。ステッピングモーターや誘導モーターも、負荷と用途に応じてリニアアクチュエータを動かせます。アクチュエータの動きの方向は、電源端子の極性を反転させることで簡単に反転できます。

図1. リニアアクチュエータ。画像提供：Bola Systems

リニアアクチュエータには、ロッドの両端（最小と最大）で移動を検知し、必要に応じて内部コンポーネントの損傷を防ぐためにそれ以上の動きを停止するセンサーが含まれています。リニアアクチュエータの速度は速くありませんが、大きな力を発揮できます。このため、重量物に対する動きが必要な用途で使用されます。一部のリニアアクチュエータにはフィードバック信号も含まれ、限界到達を示します。

リニアロッドは電流がないときに初期位置に戻れません。代わりに、逆極性のDC電圧を印加してロッドを初期位置に戻す必要があります。

ソレノイドとリニアアクチュエータの比較

ソレノイドとリニアアクチュエータの類似点と相違点を見てみましょう。

類似点

• 両デバイスとも、別の機械アセンブリやシステムを作動・制御できる
• 両デバイスとも力を伴う動きを提供でき、力強く安定した動作が必要な用途に適している
• 両デバイスの出力は金属ロッドの直線運動である
• 印加電圧が継続している間は作動し続け、電圧がゼロになると作動停止する

相違点

ソレノイドとアクチュエータを区別する主な領域には、印加電圧、動きの方向、フィードバックが含まれます。

印加電圧： ソレノイドは動作に磁場を使用するため、交流（AC）電圧が必要です。AC電圧のみが磁場を生成できます。リニアアクチュエータはDCモーターを使用する傾向があり、AC電圧では動作できません。

動きの方向： ソレノイドは一方向にのみ動きを生成できます。印加電圧がないと力が止まり、機械的プランジャーはスプリングで負荷されていない限りその場に留まります。

図2. リニアアクチュエータの基本動作。画像提供：Bcraig15

リニアアクチュエータは前進と後退の両方向に動けます。これはアクチュエータ端子の印加DC電圧の極性を変えることで実現されます。これにより、接続されたアセンブリを両方向で制御できます。リニアアクチュエータの位置は、印加電圧がなくても現在の位置で固定されたままです。

フィードバック： ソレノイドはロッド位置の追跡も、位置フィードバックの実装もできません。動きが最大位置を持つ単一段階だからです。代わりに、外部接続されたアセンブリや機械システムからのフィードバックがソレノイドの状態を提供し、ソレノイドを監視できます。

リニアアクチュエータは、最小/最大限界位置に基づいて動きについて直接フィードバックを提供できます。外部センサーと制御回路で移動全体を追跡することも可能です。高度なバージョンでは、外部コンポーネントや回路を使わずに位置フィードバックの内蔵機能を持つこともあります。

ソレノイドとリニアアクチュエータの産業応用

ソレノイドとリニアアクチュエータの産業応用例を見てみましょう。

ソレノイド

バルブ： ソレノイドはバルブと組み合わせて使用され、ソレノイドバルブと呼ばれます。ソレノイドバルブは、水や蒸気などの流体が関わる産業アプリケーションで一般的です。バルブのオン/オフを行い、人的関与なしで流体供給を切り替える効果的な方法を提供します。

図3. ソレノイドバルブは産業用冷凍に使用される。画像提供：Danfoss

ソレノイドバルブの一般的な用途には、食品・飲料、医薬品、HVAC、ユーティリティ機器があります。

コンタクタとリレー： ソレノイドコイルはコンタクタとリレーでも一般的に使用され、これらは電気・電子回路の開発にも使用されます。ソレノイドコイルは接点に接続され、接点を接続または切断するために動きます。コイルは外部電源電圧（通常はメインコントローラーまたはPLCから供給）で励磁・消磁されます。

ノーマルオープン（NO）接点の場合、コイルが励磁されると接点が接続され、電源電圧が端子接点に接続されます。同様に、コイルが消磁されると接点が開き、電源電圧が端子から切断されます。ノーマルクローズ（NC）接点の場合は逆の動作になります。

ロック機構： ソレノイドコイルは製造業でロック機構としても利用できます。ソレノイドコイルは励磁時にロックを作動させ、消磁時にロックを解除します。ロック機構はさまざまな機械部品に採用され、製品や人の安全を確保します。機械が動作中はロックが作動し、動く危険な部分へのアクセスを制限します。

例えば、医薬品業界で使用されるパススルーボックスでは、ロック機構が特定期間のドア開放を制限し、両側の同時開放を防止します。

リニアアクチュエータ

リニアアクチュエータの用途領域を見てみましょう。

HVAC： リニアアクチュエータは、エアハンドリングユニット（AHU）などのHVACコンポーネントの不可欠な部分です。HVACコンポーネントの調整には、ブロワー速度や冷却水供給など、さまざまなパラメータの変更が必要です。例えばAHUでは、リニアアクチュエータがエアダンパーを開閉して供給エリアの気流を制御します。

包装機械： リニアアクチュエータは包装機械で使用され、空圧ベースのストロークシステムに取って代わりつつあります。挿入や箱詰めなど多くの機能を実行します。

リニアアクチュエータは力を伴って機能を実行できるため、重量物の取り扱いが必要な包装作業に最適です。ストローク長はパッケージ要件に応じて変えられるため、チェンジオーバーなしでさまざまな寸法とサイズの物体を使用できます。これにより、機械ユーザーはチェンジオーバー時間を短縮し、生産性を向上できます。その他の利点には、容易な清掃とメンテナンスがあります。

PLCとオートメーションシステムの発展により、機械メーカーはコスト効率が良く効率的な機械を提供できるようになり、すべての産業の全体的な成功に貢献しています。しかし、オートメーションシステムだけでは不十分です。プロセス要件に従って動作し、オートメーションシステムと互換性があり、それに応じて通信できるメカニカルコンポーネントが必要です。

ソレノイドとリニアアクチュエータは、こうしたメカニカルコンポーネントの代表的な2つです。多様な産業で最新のオートメーションシステムとともにプロセスパラメータを提供するために使用されています。これらは、エネルギー効率と生産性の低いコンポーネントを置き換えることで、メーカーが効率的なシステムへ移行することを可能にしました。