メカトロニクス情報誌
2017 年 9 月 1 日 発行

新電元メカトロニクス株式会社

Shindengen Mechatronics Co.,Ltd.

＜ フェールセーフとソレノイド ＞
何らかのシステムの構成に関わったことのある方は、その動車を運転するときブレーキを踏んでいないとシフトレバーが操作できません。これに対して、事故は必ず起こると想定システムの安全性について悩まれたことと思います。
安全性については「フェールセーフ」や「フールプルーフ」し、その際、システムとして安全側の挙動を示すように構成「フールプルーフ」は誤っという基本的な考え方があります。

しておこうというものが「フェールセーフ」です。今回はた使い方ができないようにしておこうというもので、例えば、フェールセーフを中心に考えてみます。

電子レンジはドアを開けたままでは加熱ができませんし、自■１. フェールセーフの例
大勢の人命に関わるシステムである鉄道においてはフェーます。この電気ブレーキは走行用の電動モータを発電機としルセーフの考え方が徹底しています。事故などの衝撃で車両て使用し、発電によって生じる抵抗を利用する「電力回生ブの連結器が外れたような場合、列車間を貫通するブレーキ用レーキ」が一般的です。発電した電力は架線を通じて供給側の空気圧を送る貫通管が外れ、非常ブレーキがかかります。に還元され、エネルギーを再利用するものです。省エネルギー

映画にあるように、連結器が外れて機関車だけが走り去るよ

であり、制動子が摩耗することもありませんので好ましいもうなことは、少なくとも日本の鉄道では起こらないのです。のです。これに加えて機械ブレーキの制動子の駆動にも電動ただしシステムの性格によっては、非常時に何が何でも停モータを使用する「電動ブレーキ」の提案が出てきています。

止するというのが必ず安全とは限りません。たとえば、飛ん

通常、機械ブレーキの駆動には空気圧シリンダが用いられてでいる飛行機に異常が生じたときにエンジンを止めてしまういますが、これに必要な大きく重い空気圧縮機を必要とせず、わけにはいきません。また、高速道路を走行中の自動車のエ空気配管も不要なうえに制御性が高く、メリットが多いものンジンがいきなり停止するシーンは想像したくありません。

です。ただし、非常時に電源やその他の動力が失われた場合、鉄道車両のブレーキはブレーキディスクや車輪などに制動非常ブレーキとして作用させるためには何らかの工夫が必要子を押し付けてブレーキ力を得ていることはご存知かと思いです。これにはほとんどの場合、ばねなどの機械力に頼るこます。しかし、通常の運転では電気ブレーキが常用されていととなります。

ソレノイド

ブレーキシュー（摩擦材）

ブレーキばねブレーキドラム（回転軸）

ブレーキ力は内蔵のばねにより発生し、ソレノイドに通電することでブレーキ解除になります。

フェールセーフを考慮した
ソレノイドによるブレーキ（イメージ）

フェールセーフとソレノイド

Shindengen Mechatronics Co.,Ltd.

1
http://smt.shindengen.co.jp/

＜フェールセーフとソレノイド＞

Shindengen Mechatronics Co.,Ltd.

ブレーキ機構など大きな力を必要とする場合にはモー得なくなります。しかし小型化のタに減速機やねじ機構などを用いることでトルクを増幅ために減速機の減速比を大きくとると、します。この方法ではモータの小型化も可能ですから、ばねでの復帰が難しくなります。ねじ機構の場合でも同経済的にも、省スペースの観点からも大きなメリットでじです。このため、減速機構をクラッチで切り離し、ばす。制動はモータを正転させ、解除は逆転させることにねで駆動するような方法が一般的です。前記の電動ブレーなります。このような機構において、電源が失われ非常キもこの方法を採用しています。

ブレーキをかける方向に駆動しなければならないときにこのようにしてフェールセーフが確保されているからは、どのようにしたらいいでしょうか。モータを逆回転

こそ、３００ km/h で走る新幹線に乗っていても安心してで駆動しようにも電源が無いのです。このような状況で眠ることができるのですね。

は、動力元が無いので、ばねなどの機械力に頼らざるを■２. 調整弁の電動駆動
流体や気体などの調整弁をモータで駆動する場合、停したものがあるほどです。長期にわたり使用されるもの

電直前の状態を維持するのは簡単です。モータへの通電

では、電池のメンテナンスも大変でしょう。減速比がそを止めることは停止することだからです。一方で、停電れほど大きくなければ、出力軸にばねを取り付けること時に調整弁を閉める、または開ける必要がある場合にはで、モータを無通電としたときに原点に復帰させることかなり大変で、そのために非常用電源として電池を搭載ができます。しかし、予想しうる様々なケースで確実に復帰させるためのばねはかなり強いものになる可能性がロータリソレノイドあります。これは駆動時の負荷になるので、通常時の駆動には大きな負担となります。
この方法が難しい場合には別の手段がとられます。停
電時には電磁クラッチなどで機械的にモータを切り離し、戻しばね（ソレノイドに内蔵）ばねなどで安全側への挙動を確保するのです。こうすれば減速機での損失を考えずに必要な力だけでフェールセーフが実現できます。このようなクラッチとの組み合バルブボディわせは、電動ブレーキの例にもあるようによく使われる方法です。
○空気圧アクチュエータの場合
空気圧式バルブアクチュエータには一方向駆動の単動式と双方向駆動の複動式がありますが、単動式については、ほとんどの場合、そのままでフェールセーフとなりえます。
故障などの異常発生時に調節弁を開くのが安全な場合は「エアレスオープン」を、閉じる方が安全な場合は「エバルブディスクアレスクローズ」を選択すると、停電などでコンプレッサが停止、または配管が破損などしても自動的に安全側

ロータリソレノイドを使用したバタフライバルブに動いてくれます。複動式であっても、スプリングリターン機能があれば同様の動作をします。

■３. ソレノイドの場合
ソレノイドは基本的に単動型のアクチュエータで、通その性質、強さ等に十分な検討が必要です。復帰ばねの電により力を発生するのは片方向です。復帰には復帰ば強さは、ソレノイドの通常の駆動においては負荷になりねを用います。従って、非常時に駆動したい方向とソレますので、ソレノイドの推力と併せて検討する必要があ

ノイドの復帰方向を一致させておけばフェールセーフがります。

実現できます。それ以外の工夫は全く不要です。復帰ば
ねはフェールセーフ用の駆動源でもあるわけですから、ソレノイドには直動型に加えて回転型がありますが、消磁時にばねを使う復帰の考え方は同じです。回転型にShindengen Mechatronics Co.,Ltd.

2
http://smt.shindengen.co.jp/

＜ フェールセーフとソレノイド＞
は傾斜溝を使用したヘリカル型と、永久磁石を回転子に使用る抵抗値上昇で電流が低下し駆動力不足とならないする永久磁石ロータ型の２種類があります。回転型のうちのよう、推力定格、電力定格を決める必要があります。

永久磁石ロータ型と、直動型のうちの自己保持型は無電力でソレノイドはその磁極構造からくる特性で、起動時よりも位置を保持する機能があるためにフェールセーフにならない

作動終了後の吸着位置において推力が大きくなるものが一般ことがありますので注意してください。

的です。また、コイルに流す電流と発生推力はほぼ比例しま

今回紹介しているような用法の場合、通常の使用状態ではす。これは、吸着、保持しているときの電力を減らせること連続で通電されることが多くなります。通電定格には十分注を意味します。通常モードでの通電、待機時の電力は工夫次意し、過熱による焼損が起きないよう、また、温度上昇によ第で節約が可能になります。

■４. ソレノイドによる具体例○ディーゼルエンジンの電子ガバナ

ソレノイド

ディーゼルエンジンの電子ガバナに用いられる燃料噴射ポンプの、燃料制御ラックの駆動にソレノイドが用いられています。エンジンの運転時に必要な燃料の供給量は負荷の重さや回転数などの条件で刻々と変化しますが、ソレノイドを制御手段としてこれを制御しています。通電電流に応じて位置制御が可能な比例ソレノイドを使用することで、電流によりブレーキドラム（回転軸）噴射量を制御しています。ソレノイドは復帰バネを備えていて無通電時には燃料供給量無しの位置に戻って待機します。

ブレーキシュー（摩擦材）

運転時にシステム異常や電源の遮断など非常状態に陥った場
合には、速やかにエンジンの運転を止める必要があります。

ブレーキスプリング

このようなとき、ソレノイドの電流を遮断することで燃料の供給が絶たれ、エンジンは暴走することなく停止します。これでフェールセーフが成立します。
○エレベータのブレーキ

ソレノイドを使用したエレベータのブレーキ

エレベータはモータで駆動される巻き上げ機で上下に動作し、各階での停止時にはブレーキを作動させます。ブレーキ
は巻き上げ機の回転軸に取り付けられたブレーキドラムへ摩Column

擦材を押しつけることで摩擦力により制動力を得ています。
この押しつけ力は、ばねにより得ています。ソレノイドはこのばねに対抗するように取り付けられており、通電することで、ばねに打ち勝つ方向に推力を発生し、ブレーキが解除されます。何らかの異常で安全回路が作動したり、停電などが起きたりした場合、ソレノイドの電流を遮断することでばねによる機械ブレーキがかかり停止します。フェールセーフの思想に従った動作になります。
○電動常閉ダンパ
マンションなどの換気システムにおいては、換気用の通気口はソレノイドを使用したバルブ機構によって、開または閉状態が選択可能となっています。火災が発生した場合、これを閉じると煙の拡散を防ぎますし、また空気を遮断することで延焼の防止にも効果があります。火災の場合、電源の供給は期待できませんから、駆動ソレノイドの電源が失われた場
合には、復帰スプリングにより閉じる方向に駆動されます。
延焼の防止に効果のある方向に駆動されることになります。

Shindengen Mechatronics Co.,Ltd.

3
http://smt.shindengen.co.jp/

＜ フェールセーフとソレノイド ＞■５. フールプルーフとロックユニット

Shindengen Mechatronics Co.,Ltd.

フェールセーフには原理的に向いているソレノイド

不可能を機械的に伝えることは、操作者の直感的な判断ですが、冒頭に記したフールプルーフのために使用されを可能とするヒューマンインターフェースとして重要なている例も多く、当社でもそのための構成としたユニッことです。

トを用意しています。条件が整ったときに初めて操作をロックユニットソレノイドは、型式や電源電圧の指定、可能とする、または危険が予測されるときには操作でき通電時にロックするのかアンロックするのかといった動ないようにする、といった目的がある装置において、操作モードの選択が可能です。さらに、耐環境性に配慮し作扉をロックする、ロックを解除するという状態をシスたコイル構造、動作状態の確認を行える位置検出スイッテムで管理したいことは少なくありません。このようなチの内蔵や、耐作動回数を考慮した信頼性の要求にも答ときにソレノイドを使用したロック機構はよく使われまえます。

す。これをユニットにして使いやすくしたものが、当社非常時にロックする、または解放するという動作が可のロックユニットソレノイドです。扉の開閉機構だけで能となるため、使い方によっては、フェールセーフのたなく、レバーやハンドルなどの操作機構のロック、アンめの機構に応用することも可能となるでしょう。
構造の詳細に関しては、当社のホームページから 3Dロックが可能です。電気的な結果を得るためのスイッチやレバーについては、そのシーンにおいて有効か無効かデータのダウンロードも可能ですのでご利用ください。

を電気的な演算で容易に判断できます。しかし、操作可能、ロックユニットソレノイド■この資料の内容は改良の為、お断り無く変更することがありますのでご了承ください「」に関するお問い合わせは

新電元メカトロニクス株式会社
本

http://smt.shindengen.co.jp/

社 ：〒357-0037

埼 玉 県 飯 能 市 稲 荷 町 11 番 8 号

TEL 042(971)6212 FAX 042(971)6218

西 日 本 支 店 ：〒460-0003

名 古 屋 市 中 区 錦 1-19-24 名 古 屋 第 一 ビ ル

TEL 052(219)9711 FAX 052(201)4780

茜

埼玉県飯能市茜台 2 丁目 1 番 5 号

台

工場 ：〒357-0069

新電元メカトロニクスのソレノイドのご用命はShindengen Mechatronics Co.,Ltd.

4
http://smt.shindengen.co.jp/