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May/2014■ 技術講座知りたい油圧講座④

機能部品事業「アクチュエータ 油圧モータと油圧シリンダ」
Things to Know about Oil Hydraulic,"Actuator hydraulic motor and cylinder"〈キーワード〉

アクチュエータ・油圧モータ・油圧シリンダ・
回転運動・往復直線運動

油圧事業部／技術部

布村宏隆

Hirotaka Nunomura

油圧事業部／油圧企画部

林厚志

Atsushi Hayashi

知りたい油圧講座④「アクチュエータ 油圧モータと油圧シリンダ」

1. アクチュエータとはアクチュエータ［actuator］とは、［actuate］（“動かす”の意）の名詞形であり、技術用語以外に意味はな
く、入力されたエネルギーを伸縮、屈伸、旋回といっ要

旨た直線運動や回転運動の機械エネルギーへと変換する動力伝達装置であり、その駆動を機械および電気的に制御する装置の総称となっています。実は、人間の手足も筋肉の化学エネルギーを利用したアクチュ

油圧アクチュエータは、人の力ではとうてい動エータの一種といえ、とても複雑な動きができます。

かすことのできない重量物を移動させたり、押し機械装置でこの人間の腕の動きを再現するためには、つぶしたりするなど大きな力を必 要とする場 合に有効な油圧機器です。
回転運動をする油圧モータ、往復直線運動をする油圧シリンダなどが代表的です。
身 近 にある機 械 に使 用されている油 圧アクきわめて複雑なリンク機構や制御装置が必要である
ことから、生物を手本としたアクチュエータの開発も行なわれています。
私たちの生活のまわりにあるアクチュエータの多くチュエータを紹介し、その構造と作動原理につは入力されるエネルギーとして電気を用いており、空いて解説します。

気圧や油圧などの流体エネルギーを利用したものはあまり見かけることがありません。もっとも多いのは、電動モータとリンク機構を用いたアクチュエータで、自動車のドアロックやパワーウィンドウ、電車の自動ドアなどは日々の生活の中に身近にあるものです。一方で、エアーシリンダや油圧アクチュエータは、工場

AbstractA hydraulic actuator is effective when it isused for the motion that requires a large force
such as the moving of a heavy material that ismore than a person can handle and the crushingof a material. The typical hydraulic actuators
are the hydraulic motor that has rotary
movement and the hydraulic cylinder that has
back-and-forth linear movement.
Use of a hydraulic actuator in the familiar
machines is introduced here and the structure
and operating principle are explained as well.

内の設備や建設機械、プレス機械など、ものをつくる現場において活躍しています。こうした機械になぜ、油圧アクチュエータが使用されるのかその理由について、考えてみましょう。
油圧アクチュエータの最も代表的なものとして、直線運動を行なう油圧シリンダがあります。いわゆる注射器のようなもので、注射器は人が手で押すことで液体が押し出されますが、逆に注射器に液体を押し込めてやれば、ピストンが伸びていきます。それが、油圧シリンダの原理です。少し違うのは、高い圧力の油を送り込むことと、シリンダのピストンは両方向に可動させることができ、ロッドを押し出したり、引き込んだりする構造に一般的にはなっています。
一方、回転運動をするのが油圧モータです。油圧を送り込んで、出力軸を連続的に回転させることができます。この原理については後ほど説明します。このほ
かに、ある回転角度範囲を繰り返し揺動する揺動シリンダがあり、油圧アクチュエータはこれらの3つに分類することができます。この講座では、もっとも一般的な油圧モータと油圧シリンダについて解説します。

1

2. 油圧アクチュエータの特長
数あるアクチュエータの中から油圧アクチュエータを使用するには理由があります。
その理由を油圧アクチュエータが使用されている母機から探ってみましょう。
子供たちが大好きな遊園地には、必ずといっていいほど観覧車があります。あの大きな観覧車を造されたエッフェル塔に対抗する大きな構造物としてアメリカの威信をかけて、最大の呼び物として登場しました。当時の観覧車は、中心軸に電動機を組み込んでいましたが、より大きなものを実現するために現在の構造が一般的になったようです。

回転させているのは実は油圧モータです。たとえゆっくり大きな力を発生することが得意な油ば図1の観覧車では人が乗るゴンドラを支えてい圧モータが使われるのにはメカブレーキを簡単る大きなホイールのそれぞれ左右に油圧モータがに内蔵することができることや、減速機との複合8個使用されています。この大きなホイールをタイモータを構成しやすいなどの理由があります。もヤのようなものでサンドイッチし、それを油圧モーちろん油圧モータでなくてもできますが、安全タによってゆっくり回 転させることで 観 覧 車は対策や安定性、制御性、静粛性など、様々な機能回っています。観覧車もさまざまなタイプがあり、を容易に追加できることや性能面での優位性にすべてではありませんが、ゆっくり正確に回り、力よって、油圧モータのほうがコンパクトになりコ強い動きができることが最大の特徴です。

ストも抑えられることで使われています。

機械式の観覧車は1893年にシカゴで開催された万国博覧会で、1889年のパリ万国博覧会で建図1

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観覧車

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知りたい油圧講座④「アクチュエータ 油圧モータと油圧シリンダ」

油圧モータは流体エネルギーを入力として、機械の動力は、油圧ポンプを回転させることにすべてエネルギー、すなわち回転トルクと回転数を出力し使用され、油圧エネルギーにすべて変換されまます。他のアクチュエータに対し、油圧モータのメす。その油圧エネルギーで油圧モータや油圧シリリットはその回転速度を無段階で自由に、かつ簡単ンダを動かし、すべての動作が油圧アクチュエーに変えられることです。また油の入口と出口の圧力タで行なわれている、まさに名前の通り「油圧差が一定であれば回転数によらず出力トルクがほショベル」なのです。

ぼ一定であるこという特徴を持っています。車のエ

この油圧ショベルの走行には、油圧モータが使ンジンンもある意味で回転力を得るためのモータ用されています。
（図3）この油圧モータは油圧業ですが、低速回転は数百回転からが一般的です。そ界では走行モータと呼ばれており、油圧モータとのため、トルコン、CVTなどのトランスミッション減速機を一体化した特殊モータで、ドラムが回転と組み合わせて低速から高速までの制御性や操作するようになっています。このモータを機体のフ性を得ています。電動機ではインバータモータやレームに固定し、回転する胴体の周りにスプロサーボモータの出現により低速性能が向上しまし

ケットを取り付け、そのスプロケットが履帯（いたが、油圧モータのようにゼロ回転から大きなトルわゆるクローラー）を動かして、走行します。まクを発生できるようになっているのは高級なサーた、ショベルの運転者が乗車する位置（ショベルボモータだけです。

では上部体とか、旋回体と呼びます。）を回転さもう一つ油圧モータが使われている機械に注目せているのも油圧モータと減速機を一体化したしてみましょう。日本では非常に良く見かける油圧特殊モータで、こちらは出力軸が回転します。油ショベルにも油圧モータが使われています。
（図2）

圧モータのトルクを減速機で更に増幅すること

油圧ショベルにはディーゼルエンジンが搭載で大きな回転トルクを生み出し、硬い土を掘ったされていますが、このエンジンの動力で直接ショり、力強くショベルを動かしたりしています。

ベルを動かしているのではありません。エンジン

図2

3ショベルイメージ

またショベルの力強い動きは反面大きな衝撃、過負荷を伴うことがあります。油圧作動油は非圧縮性といいながら、多少圧縮性がありショックを多少吸収してくれます。そもそも油圧回路にはリリーフバルブと呼ばれる設定圧力以上の高圧を逃がす安全弁が設置されており、衝撃や過負荷から油圧機器を守ることができるメリットがあり、これらが、油圧ショベルなどの建設機械に、油圧モータが使用されている理由になっています。
図3

走行モータ

他のアクチュエータに対して油圧モータの特長を生み出している理由として、モータが回転す

何故油圧ショベルでは油圧モータを使用するる場合には必ず作動油が流れていることがありのでしょうか。大きな理由に油圧の特徴であるます。
「なんだ、当たり前じゃないか」と思われる

小型でありながら大きな出力を得られることがかもしれませんが、作動油には防錆効果、潤滑効挙げられます。8トンの油圧ショベルは機種に果があるために他のアクチュエータに対してメよっても異なりますが、3,000ccクラスのディーンテナンスが少なくて良いのです。また作動油がゼルエンジンを搭載しており、定格回転数では約流れることで、油圧モータで発生した熱はこの油200N･mのトルクを発生しています。一方8トンが取り除いてくれるので特別な冷却を必要とし用のNACHIの走行モータは約11,000N･mの回転ません。もう最初から「液冷」なのです。電気式やトルクを発生してドーザで土をならしたり、急斜エンジンでは、冷却のために、ファンやフィン、面を登ったりと力強いショベルの動きを作り出ウォータージャケットをまとわなければなりましています。

せんが、油圧モータにはその必要はありません。

ショベルのエンジンと油圧ポンプは、上部体非常にシンプルな構造でヒートアップを避けるに位置し、クローラーがある下部体とは相対的ことができます。油が奪った熱を油圧タンクやラに回転しながら油圧をやり取りしています。こジエータなどにより、別の位置でまとめて冷却すの油圧をやり取りするために回転中心部に回転ることができるといった、レイアウトの自由度が継ぎ手が使われています。
（図4）走行モータの供あることは油圧モータというより、油圧ならでは給と戻りの他、ドレン や変速用などに使用するの特長を生み出しています。

1）

パイロット油圧配管など、複数の油圧がこの継ぎ手によってやり取りされています。これができるのも油圧と電気しかありません。油圧モータは、電動機よりもコンパクトなサイズで同じトルクを発生することができます。さらに、油圧モータは元々油を外部に漏らさないように厳重なシール構造を有しています。ですから、泥水の中で駆動しても問題ありません。電動機では、いろんなシールを追加しなければ漏電の元になってしまい、コストも上昇してしまいます。
図4

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ロータリーセンタージョイント

4知りたい油圧講座④「アクチュエータ 油圧モータと油圧シリンダ」

3. 油圧モータの作動
油圧モータは前述のとおり油圧エネルギーは開放されていますので、シリンダバレルに押を機械エネルギーに変換します。どうやって変されるままにピストンは斜板を滑りあがるよ換しているのでしょうか。

うになっています。このピストンに作用する油

例えば油圧ショベルでよく使用される斜板を弁板で高圧と低圧に切り換えることによっ式アキシャルピストンモータの場合で説明して、シリンダバレルを回転させることができるます。のです。

アキシャルピストンモータは、シリンダバレ

このとき、ピストンが斜板の上を抵抗無く滑ルというレンコンのように複数の穴が開いたることができるように静圧軸受機構を応用し部品にピストンが回転軸に平行に円周上等間たり、ピストンとシリンダバレルの滑りをよく隔で複数本配置された構造をしています。ピスするためにシリンダバレルの穴やピストンのトンは、一般的には多くて11本少なくて5本挿表面を磨いたり、表面処理したりと涙ぐましい入されています。

努力を油圧メーカは行なっています。実に精スキーを想像してください。スキーは重力が密な機械になっています。スキーでは、スキー人間に作用しているのですが、雪の積もった斜の滑走面を磨き、雪質や雪温に併せて選定した

面にスキーを履いて立つとスキーと斜面の間ワックスを塗り、その後削りとり平滑な滑走面に滑りが発生し、人間を移動させます。このとに仕上げるなどの努力をして少しでも滑らせき、人間は垂直に移動しているだけでなく、重るようにしていますが、油圧モータも金属間の力と斜面によって水平移動しています。同じこすべりが良くなるように、油膜がうまく形成さとが油圧モータの内部で起きています。シリン

れるよう形状を工夫し、材料を選び、表面処理ダバレルに勘合したピストンは、斜板と接してを施し、面粗さをよくするなどして、油圧モーいます。
（図6）ピストンが油圧で押されるとピタの効率が良くなるような努力が行なわれてストンは斜板を滑り落ちようとしてシリンダいます。

バレルを回転方向に押します。この力がシリンダバレルを回転させるトルクになります。一方、斜板をすべりあがる際には、ピストンの油シュー

ピストン
シリンダバレル
弁板
油圧によって垂直方向に押されたピストンが斜 板の上を滑り落ちようとすることで、水平方向の分力が生まれシリンダバレルを右方向に押す。

回転軸
高圧

斜板
低圧

図55

モータ内部部品

図6

モータの作動4. 油圧モータの種類
少しだけこの油圧モータで発生するトルクがどのように求められるのか、計算式を書いておきましょう。と選定

油圧モータには、主にその構造の違いから様々な種類がありますが、この構造は油圧ポン

油圧モータの出力軸が一回転するために必要な油の量をqm（cm3/rev）とすると、圧力P（MPa）の油を押し込んだときに発生するトルクは、T（Nm）＝qm×P/2π×ηm

プと類似していますので、詳しくは油圧ポンプ編で説明し、ここでは簡単に述べます。
油圧モータは、その構造から、ギヤモータ、ベーンモータ、ピストンモータに分類することで求めることができます。このとき、モータのができ、ピストンモータは、ピストンが回転軸

機 械 効 率 ηmは モ ー タ の 性 能 を 現 し て お り、周りの円筒面内に配置されたアキシアル形と、0 ～ 1の値をとります。効率ですから極力100%回転軸に対し直角で半径方向に配置されたラ（＝1.0）に近い値が好ましいのです。

ジアル形に大きく分類され、アキシアル形は構式から分かるようにトルクは圧力とモータ造によって斜軸式、斜板式、さらにはモータをの容量に比例して大きくなることが分かりま１回転させるために必要な油の容積が固定です。使用される圧力には限界がありますので、ある定容量形と容積を変えられる可変容量形

大きなトルクを発生させるためには油圧モータに分類することができます。これらは、使用さ容量を大きくする必要があります。

れる機械や油圧システム、必要な機能に応じてまた、ある一定の流量の油を送り込んだときの回転数は、選定されます。しかしながら、出荷統計によれば、油圧モータの出荷額のほとんどをピストンN（rpm）＝Q/qm×1000×ηv

モータが占めています。理由として高圧での性Q ：流量（l/min）

能に優れることや、建設機械で多く用いられてqm ：モータ容量（cm3/rev）

いることにあると考えられます。

ηv：容積効率（%）
で求めることができます。
油圧モータの全効率は、容積効率と機械効率の積で求まり、
η＝ηm×ηv
この効率が100%に近いほど、地球にやさしいということになります。
これらの式を知っていれば、発生させるトルクや回転数に応じて、どれぐらいの容量のモータが必要なのかすぐに求めることができます。

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知りたい油圧講座④「アクチュエータ 油圧モータと油圧シリンダ」

5. 油圧シリンダ

6. 油圧シリンダの構造と作動「油圧シリンダと油がある限り、油圧がなくなることはない」と言われています。最近では、油圧シリンダは、様々な産業機械で使用さ化学合成油もありますので、油圧シリンダがあれおり、動作をさせるもっとも近くにあるアれば油圧システムは不滅だということです。何クチュエータであること、また、その負荷の状故でしょう？まず、第一に構造がシンプルで態や動作範囲、及び固定方法などによって、一コストが安いということです。第二に出力が大品一様であるなど、実に様々なものがあるこ

きく、低騒音でショックも小さいことです。第とが特徴です。これらすべてを紹介することは三に寿命が長いことです。直線運動をするアクできませんので、ここでは代表的なものに限定

チュエータは、ライバルとしてボールねじや歯して、その構造や作動、特徴について説明しま

車とラックを使った機械式のものがあります。

す。
（図７）

クランク機構を使った機械式のものもありま

油圧シリンダは、大きく単動形と複動形に分すが、ストロークを容易に変えることができな類することができます。単動形は、油の出入口いので除きます。ボールねじは、工作機械などが片側（キャップ側もしくはヘッド側）にしかで非常に多く用いられるようになりましたが、なく、力の発生も片側一方向になり、戻り行程大きな推力の油圧シリンダにはまだまだ置きは自重やスプリングなどの他の負荷によって換えできません。さらに、ボールねじも歯車も行なわれます。複動形は油の出入口がキャップ

金属同士が点や線で接触するために寿命があ側とヘッド側の両方に設置されており両方向ります。 油中で、面で荷重を受け、シール部品への力の発生が可能となっています。一般的なを除けば半永久的に使用できる油圧シリンダ

複動ピストン形シリンダの構造を図8に示す。
油圧シリンダの推力は、下式のように表されと同じようには使用できません。

ます。
推力：F（N）＝A×P/100
A：受圧面積（cm2）
P：圧力（MPa）

図77

油圧シリンダの種類

必要な推力（荷重）が決まれば、供給可能な負荷の解析では、全ストローク域において負圧力に応じて、受圧面積を決定します。シリン

荷の方向や慣性、負荷からの逆荷重や負荷の急ダの内径とロッド径はJIS（ISO）規格で規定さ激な変化や自走に注意し、それらの負荷に応じれており、各メーカの標準品となっています。

た油圧回路や油圧シリンダの選定をすることシリンダの受圧面積を大きくするか、供給圧力が重要です。大きな力を出力する油圧装置であを高くすることで推力を上げることができまるからこそ、安全性に最大の関心を払い、そのすが、いたずらに受圧面積を大きくすると、シ挙動については、事前に十分な検討を行なうこリンダ速度が低下します。シリンダ速度を確保とが重要となります。

しようとすると、ポンプの吐出量を大きくしなければいけなくなり、装置のコストが上昇するので、全体のコストを睨みながらシリンダのサイズを決定しなければいけません。
最 も 多 く 使 用 さ れ る 複 動 ピ ス ト ン 形 で は、キ ャ ッ プ 側 と ヘ ッ ド 側 で 受 圧 面 積 が 異 な り、ヘッド側がロッドの断面積分小さくなります
ので、ヘッド側推力が十分であることを確認することも必要です。油圧シリンダサイズの決定には、装置（設備）の仕様を十分に把握し、負荷を解析し、油圧回路圧力を決定した上で行なう必要があります。

図8

油圧シリンダの構造

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知りたい油圧講座④「アクチュエータ 油圧モータと油圧シリンダ」

7. 油圧シリンダのショック
油圧シリンダには、前進及び後退のストロー

ただし、シリンダのスピードが非常に速く負ク最終端でピストンがカバーと衝突して機械荷が大きい場合に、クッション機構のみで慣性的ショックを起こすという問題点があります。

力を吸収しようとするとシリンダ内部で瞬間ショックは、機械装置や油圧装置の機器、配管的に高い圧力が発生し、パッキンやOリングなに多大な悪影響を及ぼすため、極力低減するこどの破損、油漏れ、シリンダチューブの膨張をとが重要になります。このショックをシリンダ引き起こすことがあります。そのような場合にのクッション機構を設けることで軽減するこは、油圧回路側で予め減速させるなどの配慮がとができます。ほとんどの油圧シリンダメーカ必要になります。

では、標準オプションとして設定しており、安価に設けることができます。クッション機構の作動説明については、図9で説明します。シリンダがストローク端に近くなるとプランジャが油路に勘合し始めます。このときヘッド側から出る油はクッションバルブの絞りを通過してポート出口に向かいます。クッションバル
ブの絞り開度によって、シリンダを減速できるしくみになっています。一方、シリンダが伸び始める際には、チェックバルブを通過してクッションバルブの影響なくスピーディにストロークを開始することができます。

9図9クッションバルブ

8. 油圧シリンダのたわみと座屈
油圧シリンダの選定や取り付けを検討する

きが悪い場合には、油圧バルブの調整など、小場合に、もう一点注意することとして、シリン手先の対策では難しいこともあり、選定や設計ダロッドの自重によるたわみやシリンダの座には十分な注意が必要です。油圧アクチュエー

屈現象があります。
（図10、図11）これらに関すタの特徴を理解し、必要な力や動き方を検討る考え方や、判定基準は、油圧に関する専門書し、最大のパフォーマンスを引き出すようにしやメーカのカタログなどが詳しいのでここでたいものです。

は割愛します。
油圧シリンダは、負荷に最も近く機械と直結した部位であるため、この変更は機械の設計に影響を及ぼす可能性があります。そのため、油圧システムの中でも油圧シリンダは非常に重要な部位といえます。また、油圧シリンダの動図10NACHI TECHNICAL REPORT

ロッドのたわみ

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図11シリンダの座屈現象

109. 油圧アクチュエータのこれから油圧アクチュエータ、特に油圧モータは、そのさらにコンパクトに、さらに高圧、高速化するこパフォーマンスが長い間進化していない、あるいとで、その優位性はもっともっと高くなる可能性

は電動モータの進化に比べて、そのスピードが遅を秘めています。現状に満足せず、常に進化し続く、パワー密度については追いつかれてきている

け、油圧アクチュエータの適用範囲を広めて行き

2）との報告 があります。

たいと考えています。

参考文献
１）ドレン：油圧モータの高圧側から漏れた内部漏れをタンクに戻す油圧管路
２）田中 フルードパワーシステム 2008 Vol.39 No.5

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May / 2014〈発行〉2014 年 5 月 30 日株式会社 不二越 技術開発部
富山市不二越本町 1-1-1 〒 930-8511
Tel.076-423-5118 Fax.076-493-5213