CONTROL BASICS / PNEUMATIC CYLINDER & SOLENOID VALVE
「電気信号を出すと、エアシリンダーが動くのはなぜ？」
「前進するとき、反対側の空気はどこへ行く？」
この動きを理解するには、電気で流路を切り替える電磁弁と、圧縮空気で力を出すエアシリンダーをセットで考えることが大切です。
この記事では、単動・複動の違い、前進・後退の給排気、PLCとの関係、電源OFFや保守時の注意点を解説します。
エアシリンダーと電磁弁の役割
圧縮空気の圧力でピストンを動かし、ロッドを伸ばしたり縮めたりする機器です。押す・持ち上げる・挟むなどの動作に使われます。
コイルへの電気信号で弁を作動させ、空気を送る経路や排気する経路を切り替える機器です。空気圧用では、シリンダーの動作方向を制御する方向切換弁がよく使われます。
電磁弁が圧縮空気を作っているわけではありません。動力源となる空気は、コンプレッサーや工場の圧縮空気配管から供給します。
基本的には、供給空気をフィルタやレギュレータで調整し、電磁弁と速度調整機器を通してシリンダーへ送ります。電気配線と空気配管の両方が、正しく機能する必要があります。
エアシリンダーの仕組み｜単動と複動の違い
一般的なロッド付きシリンダーでは、筒の内部にピストンがあり、ピストンにロッドがつながっています。空気の圧力がピストンの受圧面に作用し、力を発生させます。
| 種類 | 基本的な動かし方 | 特徴 |
|---|---|---|
| 単動 | 片方向を圧縮空気で動かし、反対方向はばねや外力で戻す | 空気を使う方向が片側。押出し形・引込み形などがある |
| 複動 | ピストンの両側へ交互に空気を送り、往復させる | 伸びる方向・縮む方向の両方を空気圧で駆動する |
複動・片ロッド形では、ロッドのない側をヘッド側、ロッドが出ている側をロッド側として説明します。
同じ圧力でも、ロッド側はロッドの断面積だけ受圧面積が小さくなります。そのため、片ロッド形の理論推力は、通常、引込み側より押出し側の方が大きくなります。
理論推力の基本は「圧力×受圧面積」です。実際には摩擦、排気側の圧力、負荷、取付姿勢なども影響します。動きが遅いからと、圧力だけを上げて対処しないようにしましょう。
前進・後退は、給気と排気を入れ替えて行う
ここでは、複動・片ロッド形のロッドが伸びる動作を前進、縮む動作を後退と呼びます。設備によって呼び方や実際の機械の動きは異なります。
緑：給気する経路 ／ オレンジ：排気する経路
ロッドのない側へ空気を送る
反対側の空気を外へ逃がす
ロッドのある側へ空気を送る
反対側の空気を外へ逃がす
片側へ空気を入れるだけでなく、反対側の空気を排出できることが重要です。排気経路が詰まったり、絞りすぎたりすると、動きが遅くなったり、正常に動かなかったりします。
5ポート電磁弁とは？P・A・B・排気口の意味
複動シリンダーの制御には、5ポートの方向切換電磁弁がよく使われます。「ポート」は空気の接続口、「位置」は切替可能な流路の状態数を表します。
| ポートの例 | 役割 |
|---|---|
| P | 供給空気の入口 |
| A・B | シリンダーの2つの部屋へつながる接続口 |
| EA・EBなど | シリンダーから戻った空気を排出する接続口 |
たとえばAをヘッド側、Bをロッド側につないだ回路では、前進時はPからAへ給気してBを排気し、後退時はPからBへ給気してAを排気します。
Aが必ず前進側、コイルONが必ず前進、という決まりではありません。実際の配管と弁の切替状態で決まります。ポート記号や番号もメーカーの回路図で確認します。
単動シリンダーには、供給・シリンダー接続・排気の経路を切り替える3ポート弁などを使います。電磁弁には水・油・蒸気用などもあるため、空気圧用途に適合した製品を選びます。
シングルとダブル｜電源OFF後の動きが違う
よく使われる2位置弁には、シングルソレノイド形とダブルソレノイド形があります。ソレノイドとは、電磁力を生むコイルなどの部分です。
| 方式 | 基本的な切替え | 非通電時の考え方 |
|---|---|---|
| 2位置シングル | 1つのコイルで切り替え、ばねなどで復帰する | 所定の復帰側流路へ戻る。配管によってはシリンダーが動き出す |
| 2位置ダブル | 2つのコイルで、それぞれの流路へ切り替える | 切替状態を保持するタイプでは、両コイルOFFでも流路が残る |
ダブルソレノイド形で流路が残ると、電気指令がOFFになってもシリンダーが動き続ける場合があります。「ダブルだから、その場で止まる」という意味ではありません。
ダブルソレノイド形では、両側への同時指令を避ける制御と、メーカー指定の通電時間・使用条件を確認します。パイロット式では、切替えに必要な空気圧も必要です。
3位置弁でも、精密停止や落下防止が保証されるわけではない
3位置弁には、中央位置で流路を閉じるクローズドセンタ、出力側を排気するエキゾーストセンタなどがあります。中央位置での接続が異なるため、名称だけで選ばず回路記号を確認します。
空気には圧縮性があり、弁やシリンダーには漏れもあります。空気を閉じ込めても、正確な中間停止や長時間の位置保持を保証できるわけではありません。垂直軸の落下防止には、用途に応じた保持・機械的対策を別途検討します。
速度はスピードコントローラで調整する
シリンダーの速度調整には、空気の流量を調節するスピードコントローラ（スピコン）を使います。
- メータアウト：シリンダーから出る空気を絞って速度を調整する。
- メータイン：シリンダーへ入る空気を絞って速度を調整する。
一般的な複動シリンダーではメータアウトがよく使われますが、単動シリンダーや特殊な負荷条件では適切な方式が異なります。
スピコンは取付方向によって働きが変わります。速度が調整できないときは、方式と取付方向、絞り量、配管、排気側のサイレンサの詰まりなどを確認します。
PLCとの関係｜動かす指令と、動いた確認を分ける
PLCの出力で電磁弁を操作し、シリンダーの位置をセンサーから入力する構成が基本例です。
流路を切り替える指令を出す
実際にロッドが移動する
前進端・後退端などへの到達を確認する
磁石内蔵シリンダーでは、ピストンの磁石を検出するオートスイッチがよく使われます。機械側の位置をリミットスイッチなどで検出する場合もあります。
PLC出力がONであることと、シリンダーが前進端に到達したことは別です。空気圧不足、負荷の引っ掛かり、配管不良などがあれば、指令を出しても動きません。
制御では、必要な位置入力や圧力条件を確認し、指令後に所定の時間内で到達しなければ異常として扱う構成などを検討します。位置センサーのONだけで、ワークを確実につかんだことまで保証できるとは限りません。
電気的には、コイル電圧、消費電流、PLC出力形式、COM、極性、サージ保護などを確認します。直接駆動できるか、対応するインターフェースが必要かは機器の仕様で決まります。
動かないときの確認点と、残圧への注意
| 症状 | 主な確認点 |
|---|---|
| 電磁弁の表示灯は点くが動かない | 供給圧力、パイロット圧、コイルへの電圧、弁の動作、給排気経路 |
| 片方向しか動かない | 反対側コイルの指令、配管、排気の詰まり、負荷や機械の干渉 |
| 動きが遅い・不安定 | スピコン、流量不足、圧力低下、サイレンサ、漏れ、負荷・取付状態 |
| 動いているのに到達入力が入らない | センサーの位置、電源、配線、実際のストローク、磁石との適合 |
| OFFにしても動く | 弁の切替方式、残っている流路、残圧、重力や外力の影響 |
表示灯が点いたことだけでは、弁が正常に切り替わったとは判断できません。また、手動操作ボタンを押すとPLCの指令とは別にシリンダーが動く場合があります。周囲の安全を確保し、設備の手順に従って確認します。
保守では、落下や移動を防ぐ機械的な支持を行い、電源と空気供給を遮断・施錠して、該当箇所の残圧を排出・確認します。閉じた流路やチェック弁の先には、圧力が残る場合があります。
空気を抜いたことで保持力が失われ、負荷が落下する可能性もあります。非常停止時・停電時・再給気時を含めて、設備として安全な動作になるよう設計する必要があります。
まとめ
- エアシリンダーは圧縮空気で力を生み、電磁弁はその流路を切り替える。
- 複動形は、片側へ給気しながら反対側を排気して往復する。
- シングル・ダブルなどの弁形式で、電源OFF後の動作が変わる。
- PLCの運転指令と、センサーによる到達確認を分けて考える。
- 保守時は電源だけでなく、残圧と負荷の落下・移動にも対処する。
まずは図面上で、供給空気がどちらの部屋へ入り、反対側の空気がどこへ抜けるかを追ってみましょう。給気・排気・電気指令・位置確認をつなげると、シリンダー制御の全体像が見えてきます。
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