機械設計 #11：エアシリンダを電動シリンダに置き換える – 選ぶ前に確認すべき点
機械設計では、よく出てくる問いがあります。
この機構はエアシリンダで十分か、それとも電動シリンダに切り替えるべきか。
押し出す、引き込む、ワークを止める、軽く昇降する、軽く押す、カバーを開閉する——こうした単純な動作では、これまでエアシリンダがほぼ定番の選択でした。
安い。 入手しやすい。 取り付けやすい。 保全担当も慣れている。 不具合が出ても、弁を替え、センサを替え、シリンダを替えれば再び動く。
しかし近年、多くの自動機、とくに機種切り替えが必要な機械、位置・速度・押付力を制御したい機械、生産データを記録したい機械では、電動シリンダの採用が増えています。
ここで一つ、はっきりさせておきます。
「電動化すれば良い」わけではありません。 「エアだから古い」わけでもありません。
電動シリンダが十分に見合う場所があります。 エアシリンダの方が依然として妥当な場所もあります。 そして、選択を誤ると、コストはかなり上がるのに実際の効果はほとんど変わらない場所もあります。
本稿は、機械設計の視点から エアシリンダ と 電動シリンダ を比較するときに押さえるべき点を書き留めたものです。
ここでは、ロボットシリンダ、電動シリンダ、エレシリンダ、電動アクチュエータなどの種類をまとめて 電動シリンダ と呼ぶことにします。
1. エアシリンダは電動シリンダに置き換えられるか
原理的には、エアシリンダを使う動作の大半は電動シリンダに置き換えられます。
たとえば：
- ワークを押し出す／引き込む
- 製品を止める
- 小さなユニットを昇降する
- 機械ユニットを位置決めする
- 軽く押す
- 電動グリッパで掴む
- 電動ロータリアクチュエータで角度を回す
- ピンを押す、ブッシュを圧入する、軽くカシメる
「置き換えられるか」だけを問うなら、多くの場合は 可能 です。
しかし機械設計では、より正確な問いはこうです。
その置き換えは見合うのか。
エアから電動に変えるとき、置き換えるのはシリンダ一個だけではありません。機構の計算方法と制御方法そのものを変えることになります。
エアシリンダなら、多くの場合はピストン径、ストローク、空気圧を選び、あとは現場でスピードコントローラで速度を調整するだけです。衝撃が強ければショックアブソーバを足す。力が足りなければ許容範囲でシリンダサイズを上げるか圧を上げる。
一方、電動シリンダでは、もっと入念に確認する必要があります。
- 引く／押す負荷はどれだけか
- ストロークはどれだけ必要か
- 到達すべき速度はどれだけか
- 加減速の時間は適切か
- 機構は水平か垂直か
- 停電時にブレーキが要るか
- 複数位置で停止する必要があるか
- 押付力が必要か
- 位置・力・結果のデータを記録する必要があるか
- モータ、ケーブル、ドライバのスペースは足りるか
- ドライバ、コントローラ、ケーブル、IO、フィールドバスのコストは計算したか
要するに：
エアシリンダは現場調整型で使いやすい。電動シリンダは設計段階からより入念に計算する必要がある。
2. 「エアを全部やめるべき」と誤解しないこと
いま「電動化するほど良い」という風潮があります。もっともらしく聞こえますが、機械設計に持ち込むときは注意が必要です。
エアシリンダは、単純な機構では依然として非常に強いのです。
たとえば：
- 動作が2点だけ：出／入
- ストローク途中で止める必要がない
- 機種ごとに位置を変える必要がない
- 力を正確に制御する必要がない
- データを記録する必要がない
- スペースが小さく、コンパクトな機構が必要
- 工場にすでにエア設備がある
- 設備コストを低く抑えたい
- 保全は簡単で交換しやすい方が良い
コンベア上の単純なワークストッパ、NG品の排出機構、開閉するカバー、一時的なクランプ——特別な要求がなければ、エアは依然としてとても妥当です。
エアの強みは、単純・安価・分かりやすい・交換しやすい ことです。
しかしその代わり、正確な制御は得意ではありません。
エアシリンダの速度は、圧力、流量、チューブ径、チューブ長、弁の状態、機構の摩擦、変動する負荷、そして現場でのスピードコントローラ調整に左右されます。
新しい機械はうまく動きます。 時間が経つと、クッションが摩耗し、弁が弱り、エアが漏れ、ワークの重さがばらつく——そして速度がずれ始めます。この種の不具合は、必ずしも追跡しやすいものではありません。
3. 電動シリンダはどこが強いか
電動シリンダは、その動作が次に影響するときに使う価値があります。
- タクトタイム
- 組立品質
- 安定性
- 機種切り替えの能力
- 検査データ
- 長期の保全
- 現場での手動調整の削減
電動シリンダを検討すべきいくつかの場合：
- 複数の位置で停止する必要がある
- レシピで位置を変える必要がある
- 安定した速度制御が必要
- 停止時の衝撃を減らす必要がある
- 比較的安定した力で押す必要がある
- 最終位置に到達したか知る必要がある
- 詰まり、部品欠品、誤圧入を検出する必要がある
- 力・位置・OK-NG のデータを記録する必要がある
- スピードコントローラの手動調整への依存を減らしたい
たとえば、機種ごとに複数の異なる位置へ製品を押し出す機構。
エアで行うと、たいていストッパ、センサ、手動調整機構、あるいは複数シリンダの組み合わせを足すことになります。機種が増えるほど、機械側は複雑になります。
電動シリンダなら、位置はパラメータやレシピで呼び出せます。機種が変われば、機械は自分で新しい位置へ動きます。
これは、多品種を扱う組立機や検査機では非常に大きな利点です。
4. 重要な違い：エアは当てで止まり、電動は座標で止まる
エアシリンダでは、基本的な動作はたいてい次のようになります。
- ストローク端まで出る
- ストローク端まで入る
- 外部ストッパで止まる
- 機械的衝突またはクッションで止まる
エアシリンダ自身は、自分がどの位置にいるかを本当には知りません。どちら側にエアが供給されているかを知っているだけです。
位置を確認するにはセンサが必要です。 途中で止めるにはストッパが必要です。 衝撃を減らすにはスピードコントローラを調整するかショックアブソーバを足します。
一方、電動シリンダは座標で動きます。
たとえば：
- 位置1：20 mm
- 位置2：45 mm
- 位置3：70 mm
- 待機位置：5 mm
- 押付位置：62 mm
つまり、原点からの位置という概念を持っています。設計者は機構とプログラムに応じて、位置、速度、加速度、推力を設定できます。
そのため電動シリンダは、次を必要とする機械で明確な優位性があります。
- 多点で停止する
- 安定して繰り返す
- プログラムで位置を変える
- 機械的な調整を減らす
- 段取り時間を減らす
- レシピで動作を制御する
これらはエアシリンダでもできますが、たいてい多くの補助機構を足す必要があります。
5. 速度とタクトタイムについて：電動は計算しやすいが、適当に選んではいけない
エアシリンダでは、速度はたいてい現場で調整します。
速すぎればスピードコントローラを絞る。 遅すぎれば開ける。 衝撃が強ければ終端で減速するかショックアブソーバを足す。 力が足りなければ、圧力、シリンダ径、機構の摩擦を見直す。
この方法は速くて簡単ですが、少し「現場任せ」です。つまり初期設計では、タクトタイムはしばしば見積もりにすぎません。実機を組んでから合わせ込むわけです。
電動シリンダでは、速度と加速度をより明確に計算しなければなりません。
たとえば 100 mm を 0.5 秒で走らせたいなら、100 mm のストロークだけを見て選ぶことはできません。次を見る必要があります。
- アクチュエータの最高速度
- 許容加速度
- 搭載する負荷
- 横負荷か縦負荷か
- ボールねじのリード
- モータ出力
- デューティ
- 走行間の休止時間
- 加減速時に機構が振動しないか
電動シリンダは、エアで時々やるように「能力以上に無理に走らせる」べきではありません。選択を誤れば、ドライバがアラームを出し、モータが過負荷になり、ねじが早く摩耗し、機構が振動します。
しかし正しく選べば、タクトタイムははるかに制御しやすくなります。動作は安定し、衝撃は減り、手動調整への依存も少なくなります。
6. 設置スペース：シリンダ本体だけを比べないこと
多くの人はカタログを見て、電動シリンダの方がエアシリンダより大きいと感じます。
これは本体だけを比べるなら正しいです。
電動シリンダにはモータ、エンコーダ、ケーブル、ときにブレーキがあります。さらにドライバやコントローラが必要です。だからアクチュエータ単体だけを見ると、たいてい大きく高価に感じます。
しかし実機に入れるときは、全体のユニットで比べなければなりません。
エアシリンダでは、たいてい次を追加で見込む必要があります。
- 電磁弁
- スピードコントローラ
- エアチューブ
- 継手
- ストロークセンサ
- 機械式ストッパ
- ショックアブソーバ
- 減圧弁
- 作業者が弁を調整するスペース
- ユニット可動時のエアチューブの取り回し
とくに機構がソフトな停止や高速を必要とする場合、緩衝部とストッパは小さくないスペースを取ることがあります。
一方、電動シリンダは本体は大きくても、多くの配置形態があります。
- モータ直列
- モータ平行折り返し
- モータ左／右向き
- ケーブル出しの多方向化
- ロッドタイプ
- スライダタイプ
- スライドテーブルタイプ
- 長ストローク向けベルトタイプ
- 小負荷向けミニタイプ
そのためスペースを比較するとき、カタログの図だけで結論してはいけません。
実機のレイアウトに置いて、アクチュエータ本体、モータ、ケーブル、ドライバ、ストッパ、センサ、配管、保全作業域まで含めて見る必要があります。
7. 力について：エアの推力を取って「相当品」の電動を探してはいけない
エアを電動に置き換えるときに非常に起こりやすい誤りは、エアシリンダの推力を取り、それに近い力の電動シリンダを探すことです。
これでは不十分です。
エアシリンダでは、理論上の力はたいてい次で計算します。
力 = 圧力 × ピストン面積
しかし実際の力は、摩擦、圧力損失、シールの状態、移動速度、安全率にも左右されます。
電動シリンダでは、さらに次を見る必要があります。
- 最大推力
- 連続推力
- その力での速度
- 取付姿勢
- 搭載する負荷
- 加減速
- ボールねじのリード
- モータ出力
- ブレーキの有無
- ねじとガイドの寿命
- デューティ
電動アクチュエータは低速では大きな力を出せますが、高速で走ると発生できる力が下がることがあります。逆に、「安全のため」だけに大きすぎるアクチュエータを選ぶと、コストは不要に上がります。
この点は非常に重要です。
置き換えるとき、こう問うだけではいけません。 旧シリンダの力はいくつだったか。
こう問い直す必要があります。 機構は実際にどれだけの力を、どの速度で、どの条件で必要とするのか。
8. ボールねじ、ベルト、サーボ、パルスモータ：選択を誤るとコストが膨らむ
電動シリンダには多くの構成があります。どれも同じではありません。
よくあるのは：
- モータ＋ボールねじ
- モータ＋タイミングベルト
- サーボモータ
- パルスモータ／ステッピングモータ
- 多点位置タイプ
- 単純な2点タイプ
- 力制御付きタイプ
- ロードセル付きタイプ
ボールねじタイプでは、ねじのリードが力と速度に直接影響します。
リードが小さいと、たいてい大きな推力、遅くより正確な動作に有利です。 リードが大きいと速度に有利ですが、同じモータなら推力は下がります。
ベルトタイプは、たいてい長ストロークと高速に向きますが、剛性や押付力に対する能力はボールねじとは異なります。
さらに、サーボとパルスモータもコストが大きく違います。
サーボはたいてい応答、速度、安定性、制御性に強いですが、価格は高くなります。
パルスモータや単純なエレシリンダ系は、2点や数点の基本動作には十分で、より安価で使いやすいことがあります。
そのため、単純に出／入するエアシリンダ一本を置き換えたいだけなら、多軸・多点・フルオプションのサーボをいきなり選ぶのはやり過ぎになりえます。
逆に、力、速度、多位置、データを制御する必要があるのに、単純すぎるタイプを選ぶと、後で機能が足りなくなります。
良い設計とは、ちょうど十分なものを選ぶこと——感覚で選ばないことです。
9. 電動化は直動シリンダだけではない：グリッパ、ロータリ、スライドも置き換えられる
いまや電動化できるのは直動シリンダだけではありません。
次の機構にも電動版があります。
- エアグリッパ → 電動グリッパ
- ロータリシリンダ → 電動ロータリアクチュエータ
- 空気圧スライドテーブル → 電動スライド
- ロッドタイプのエアシリンダ → 電動ロッドアクチュエータ
- 空気圧の押付機構 → 電動プレス／サーボプレス
電動グリッパ
エアグリッパは、単純で力が大きく使いやすいという利点があります。
しかし電動グリッパは、次が必要なときに強みがあります。
- 把持力を調整する
- ストロークを調整する
- 多品種を掴む
- 製品を掴めたか確認する
- 掴むときの衝撃を減らす
- 把持状態を記録・読み取りする
ただし、電動グリッパを選ぶときも把持力線図を見なければなりません。多くのグリッパでは、把持力は把持中心から実際の把持点までの距離で変わります。この点はエアグリッパと同じで、省いてはいけません。
グリッパ選定の多くの誤りは、公称把持力だけを見て、中心から離れて掴むほどモーメントが大きくなり実際の力が下がることを忘れることから来ます。
電動ロータリ
空気圧のロータリシリンダでは、多くの場合、機構は終端まで回ってクッションで止まります。
電動ロータリに切り替えるときは、負荷の慣性をより入念に見なければなりません。
確認が必要なのは：
- 回転ユニットの質量
- 回転中心から重心までの距離
- 慣性モーメント
- 回転角
- 回転時間
- 加減速
- 停止時の振動
- 偏心負荷
- 回転時に引きずるケーブル、チューブ、付随物
簡単に言えば、電動ロータリでは「トルクは足りるか」だけを問うことはできません。その負荷が速く回るか遅く回るか、どう加速するか、停止時に振動しないかまで見る必要があります。
10. 押付、圧入、カシメ：電動シリンダの優位は非常に明確
ピンの圧入、ブッシュの圧入、カシメ、部品を位置に押し込む——こうした作業でも、エアシリンダはできます。
しかし押付工程の品質を制御する必要があるなら、電動シリンダやサーボプレスの優位ははるかに大きくなります。
エアでは、たいてい次しか分かりません。
- シリンダがストローク端まで行ったか
- 終端センサが ON か
- 圧力が足りているか
しかし、押付工程が正しく行われたかを正確に知るのは難しいのです。
たとえば：
- ピンは正しく入ったか
- 途中で詰まらなかったか
- 押し込みすぎていないか
- 部品が欠けていないか
- 押付力は範囲内か
- 最終位置は正しいか
押付モードやロードセルを備えた電動アクチュエータなら、次をより良く制御できます。
- 押付力
- 押付位置
- 押付速度
- 判定しきい値
- 力-位置カーブ
- OK／NG の結果
たとえばピン圧入では、次のような条件を設定できます。
- 力が早く上がりすぎる → ピンのずれや詰まりの可能性
- 力が上がらない → ピン欠品や穴が大きすぎる可能性
- 最終位置に届かない → 圧入不足
- 力が限界を超える → 製品破損の恐れ
これは電動化の非常に強い点です。
「押して終わり」ではなく、押す工程そのものを使って品質を検査できるのです。
一部のアクチュエータは、一つのストローク内で複数の押付力レベルを設定できます。たとえば 50 mm のストローク内に、コントローラが対応していれば複数の押付ゾーンや異なる押付条件を設定できます。
この点はエアでもできますが、細かく管理しようとすると格段に複雑になります。
11. 垂直方向での使用はより注意が必要
垂直に取り付ける機構では、電動シリンダは使えますが、水平と同じように選んではいけません。
確認が必要なのは：
- 停電時に負荷が落ちないか
- ブレーキが要るか
- モータの保持力は十分か
- ねじは自己保持するか
- 長時間停止でずり落ちないか
- 縦負荷が寿命を縮めないか
- その取付姿勢はメーカーが認めているか
- 長期の縦置きで潤滑剤は問題ないか
小さいが留意に値する点：一部のアクチュエータでは、長時間縦置きするとき、モータの向きと潤滑剤の状態をメーカー推奨に従って確認すべきです。長期的にグリスがモータ側へ流れるリスクを避けるため、モータを上側に配置した方が良い場合があります。
垂直取付が禁止というわけではありません。 しかし垂直取付はより入念に確認しなければなりません。
とくに負荷を持つ昇降機構では、停電で負荷が落ちれば、それは機械の不具合にとどまらず安全上の問題になります。
12. コスト：電動シリンダは高いが、総コストが必ずしも高いわけではない
購入価格だけを比べれば、電動シリンダはたいていエアシリンダより高価です。
しかし全体のユニットで計算すると、多くの項目を足す必要があります。
エアでは：
- シリンダ
- 電磁弁
- スピードコントローラ
- エアチューブ
- 継手
- センサ
- ストッパ
- ショックアブソーバ
- 減圧弁
- 漏れの保全
- 速度調整の時間
- ショックアブソーバ交換の時間
- コンプレッサとそのエネルギー損失
電動では：
- アクチュエータ
- ドライバ／コントローラ
- モータケーブル
- エンコーダケーブル
- 電源
- IO またはフィールドバス
- パラメータ段取りの時間
- 故障時の交換コスト
- 電気／制御保全のスキル要件
単純な出／入の動作が一つだけなら、エアの方がたいてい安いです。
しかしその機構が機種ごとに位置を変え、何度も調整が要り、機械停止を招き、あるいは製品不良に直結するなら、電動シリンダは機械のライフサイクルで見ると安くなりえます。
とくに多品種の機械では、段取り時間や手動調整による不良が、アクチュエータの初期価格差よりはるかに高くつくことがあります。
13. 置き換えを決める前の素早い確認方法
エアシリンダを電動シリンダに置き換えたいときは、この順で確認すべきだと思います。
1. 今の動作は何をしているか
押す、引く、昇降、押付、把持、回転、位置決めのどれか。
単純な出／入だけなら、電動化は要らないかもしれません。
2. 複数位置が必要か
複数位置が必要なら、電動シリンダに優位があります。
終端2点だけなら、エアも依然として非常に強いです。
3. 実際の負荷はいくらか
ワーク質量だけではありません。治具、プレート、ガイド、摩擦、引きずるケーブル、あれば偏心負荷まで計算します。
4. 速度とタクトタイムはいくら必要か
「速く走る」とだけ書いてはいけません。数値が要ります。
たとえば：ストローク 100 mm、0.6 秒で走行、0.2 秒停止、毎分 20 サイクル。
5. 力制御が必要か
軽く触れるだけなら、エアで足りるかもしれません。 力／位置の判定が必要なら、電動を見ます。
6. 機構は水平か垂直か
垂直取付なら、ブレーキ、負荷保持、停電、寿命、安全を見なければなりません。
7. スペースは足りるか
モータ、ケーブル、ドライバ、ケーブル曲げ半径、保全域、着脱方向まで見る必要があります。
8. 制御系は適合するか
PLC の IO は足りるか。 EtherCAT、CC-Link、EtherNet/IP、Modbus を使うか、単純な IO だけか。 保全担当はパラメータとアラームを扱えるか。
9. 総コストは妥当か
シリンダ価格だけを比べてはいけません。弁、ケーブル、チューブ、ストッパ、ショックアブソーバ、ドライバ、取付時間、調整時間、その後の保全まで全体で比べます。
14. エアを残すべきいくつかの場合
電動への切り替えが常に良いとは限りません。
次ならエアを残します。
- 動作が非常に単純
- 多点で止める必要がない
- 品質への影響が大きくない
- データが要らない
- スペースが非常に狭い
- コストが強く制限される
- 環境に粉塵、油、熱、振動が多く、電気保全が難しい
- 工場が空気圧の予備部品で標準化している
- 運転・保全担当がエア系に慣れている
機構が単純であるほど、電動化はより慎重に検討しなければなりません。
エアシリンダで十分な場所があります。無理に電動にすると、機械が高価になり保全も難しくなるだけです。
15. 電動シリンダを真剣に検討すべきいくつかの場合
次なら電動シリンダを検討します。
- 機種ごとに位置を変える必要がある
- 複数の停止点が必要
- 安定した速度が必要
- 衝撃を減らす必要がある
- 制御された押付力が必要
- 押付／押し工程中の不良を検出する必要がある
- 生産データを記録する必要がある
- 手動調整を減らす必要がある
- 設計段階からタクトタイムを明確に計算する必要がある
- 長期的に機械品質を上げる必要がある
とくに検査、精密組立、ピン圧入、製品位置決め、多品種の供給に関わる機構では、電動シリンダは十分に検討に値します。
まとめ
エアシリンダと電動シリンダは、どちらが絶対的に優れているというものではありません。
エアシリンダは、単純さ、低コスト、取り付けやすさ、交換しやすさに強く、通常の2点動作に非常に向いています。
電動シリンダは、位置、速度、加速度、力、データの制御と、プログラムによる機種切り替えの能力に強いです。
エアシリンダを電動シリンダに置き換えるとき、旧シリンダの推力とストロークを取って相当品番を探すだけにしてはいけません。
作業条件の全体をもう一度見る必要があります。
- 機構は何をしているのか
- どれだけの力が必要か
- どれだけの速度が必要か
- 横負荷か縦負荷か
- 複数位置が必要か
- 力制御が必要か
- OK／NG データが必要か
- モータとケーブルのスペースは足りるか
- PLC と保全担当は適合するか
- ライフサイクル総コストは見合うか
電動化は、機械を近代的に見せるためではありません。
電動化は、機械を より安定させ、より制御しやすくし、手動調整を減らし、不良を減らし、実運用により良く役立つ ときにだけ見合うのです。
一方、動作が単に出／入で、品質にあまり影響せず、データも複数位置も要らないなら、エアシリンダは依然として非常に実用的な選択です。
機械設計で正しく選ぶとは、より高価なものを選ぶことではありません。 正しく選ぶとは、その実際の任務にちょうど十分な機構を選ぶことです。
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