空気圧の力は、力は作動圧力と有効面積の積である、という単純なルールから始まります。AutomationDirect のシリンダーサイジングページも同じ関係を示し、実務上の確認点として、4 inch ボアは 12.57 in2 のピストン面積を持つため、100 psi ではロッド面積と損失を考える前に 1,257 lbf を発生すると説明しています（AutomationDirect, 2026）。
この式は便利ですが、選定のすべてではありません。コンプレッサー室の圧力計だけでなく、動作中にアクチュエータポートへ届く圧力を使います。伸長ではピストン面積を使います。片ロッドシリンダーの後退では、ピストン面積からロッド面積を差し引きます。そのうえで、摩擦、圧力損失、背圧、加速、荷重方向のための余裕を加えます。
この記事は、空気圧システムにおけるパスカルの法則のガイドより範囲を狭くし、より広いシリンダー公式ガイドよりも、圧力、面積、力、ボアサイズという 1 枚のワークシートに焦点を当てています。
重要なポイント
- 基本的なシリンダー力は
F = P x Aです。AutomationDirect の 4 inch、100 psi の例では、実務上の損失を考える前に 1,257 lbf になります。- 片ロッドシリンダーの後退力は、ロッドが有効ピストン面積を減らすため、伸長力より低くなります。
- CAGI は、よく設計された圧縮空気システムでは通常、コンプレッサーから使用点までの圧力損失を 10% 以内に抑えると述べています。
- 実測作動圧力、必要荷重、ストローク方向、摩擦、安全余裕からボアを選定します。
短い答え: 力は圧力 x 有効面積です
短い計算式は F = P x A です。AutomationDirect は、シリンダー力は有効ピストン表面積に差圧を掛けたものだと説明し、4 inch ボアの例で 100 psi 時に 1,257 lbf を示しています（AutomationDirect, 2026）。
まずは次の式を使います。
推力 = 圧力 x 有効面積
F = P x A
ヤードポンド法で計算する場合は次のとおりです。
圧力（psi）x 面積（in2）= 推力（lbf）
メートル系の空気圧計算では次の関係を使います。
1 bar = 0.1 N/mm2
推力 in N = 圧力 （bar） x 0.1 x 面積 in mm2
このメートル系の 1 行は、よくある 10 倍の間違いを防ぎます。50 mm ボアのピストン面積は 1,963 mm2 です。6 bar では圧力は 0.6 N/mm2 なので、損失を考える前の理論伸長力は約 1,178 N です。11,778 N ではありません。
空気圧シリンダー力とは、圧縮空気の圧力が有効ピストン面積に作用したときに生じる直線の押し力または引き力です。たとえば AutomationDirect の 4 inch ボアデータでは面積が 12.57 in2 なので、100 psi は実務上の損失を考える前に 1,257 lbf を発生します。したがって、最初の計算では作動圧力、有効面積、ストローク方向の 3 つを一緒に記録する必要があります（AutomationDirect, 2026）。どれか 1 つでも欠けていれば、その力の数値は選定に使える状態ではありません。特に、その数値が伸長、後退、スプリングリターン、またはロッドレスキャリッジ力のどれを表すのかを記録してください。ケースごとに有効面積と損失余裕が変わることがあるためです。この習慣は、営業、保全、設計チームが異なる力定格を同じ値のように比較することも防ぎます。後のトラブルシューティングも速くなります。
式は確認点であって、保証ではありません。きれいな力の数値が示すのは、正しい圧力が正しいチャンバーへ届き、面積が正しく、荷重経路が仕事に届く前に力を無駄にしないなら、そのアクチュエータが何をできるかだけです。
どの圧力値を使うべきですか?
アクチュエータチャンバーにかかる差圧を、できるだけシリンダー近くで、動作中に測定して使います。CAGI は、よく設計された空気システムでは、コンプレッサー吐出から使用点までの圧力損失は多くの場合 10% 以下だと述べています（CAGI, 2026）。
つまり、コンプレッサー吐出側の圧力計は、力のサイジングには楽観的すぎることが多いということです。コンプレッサーで 100 psig を示すシステムでも、バルブマニホールドでは低く、速いストローク中のアクチュエータポートではさらに低くなる場合があります。ピストンが反応するのは、チャンバーへ実際に届く圧力だけです。
次の圧力用語は慎重に使ってください。
| 圧力値 | 測定位置 | 力のサイジングに使うか? |
|---|---|---|
| コンプレッサー吐出圧 | コンプレッサー出口 | いいえ。上流すぎます |
| ヘッダー圧 | 工場の主管ライン | 診断には有用ですが、最終的な力には不十分です |
| レギュレーター出口圧 | FRL または機械側レギュレーター | 静的確認としては良いですが、動作中の確認が必要です |
| アクチュエータポート圧 | シリンダーポート付近、動作中 | 作動値として最も適しています |
| 背圧 | 反対側チャンバーまたは排気側 | 駆動圧から差し引きます |
通気された空気圧回路の基本的なシリンダー力では、ゲージ圧または差圧を使います。単純な押し力計算に大気圧を加えないでください。絶対圧は、ガス圧縮、貯蔵、空気消費量の作業で使うもので、より広い基本的な空気圧法則の記事で扱っています。
差圧とは、工場内のどこかで読める最良の圧力ではなく、ピストンをまたいで作用する圧力差です。CAGI は、よく設計された圧縮空気システムでは通常、コンプレッサーから使用点までの圧力損失が 10% 以内に収まると述べています。言い換えれば、力の計算では局所的に測定した圧力を使い、排気側の背圧が無視できない場合は差し引くべきです（CAGI, 2026）。この 1 つの確認だけで、ボアを変えずに弱いストロークの原因が分かることがよくあります。たとえば、80 psi のレギュレーターから供給されるシリンダーでも、制限の強いマフラーを通して排気していると、反対側チャンバーに動作中も圧力が残るため、小さなアクチュエータのように振る舞うことがあります。そのため、圧力試験は機械停止後ではなく、問題が起きるサイクル中に行うべきです。これにより、誤った部品を疑うことを避けられます。
私たちの経験では、弱いシリンダーの相談は、失敗した動作そのものの最中に圧力を記録すると整理しやすくなります。サイクル開始前の静的な圧力計は正常に見えることがあります。本当に確認すべきなのは、バルブ、チューブ、継手、マフラーに流れがある間、アクチュエータが何を見ているかです。
正味推力 = (driving 圧力 - 背圧 圧力) x 有効面積
駆動側が 80 psi、排気側が 8 psi の背圧を持ち、ピストン面積が 3.14 in2 の場合、理論正味力は次のようになります。
(80 - 8) x 3.14 = 226 lbf 摩擦および負荷動特性の考慮前
現場診断では、この記事を圧力変動のトラブルシューティングおよびエアシリンダーの作動圧力ガイドと組み合わせてください。
有効面積はどのように計算しますか?
有効面積とは、圧力が実際に作用するピストン面積です。ISO 15552 は、1,000 kPa、つまり 10 bar 定格で、ボア 32 mm から 320 mm までの着脱式取付空気圧シリンダーを対象としており、2025 年時点で有効確認されています（ISO, 2025）。
片ロッドシリンダーの伸長では、圧力はピストン全面に作用します。
ピストン面積 = pi x ボア径^2 / 4
extension 推力 = 圧力 x ピストン面積
後退では、ロッドがピストン面の一部を占めます。
ロッド面積 = pi x ロッド径^2 / 4
後退側有効面積 = ピストン面積 - ロッド面積
retraction 推力 = 圧力 x 後退側有効面積
AutomationDirect は分かりやすいヤードポンド法の例を示しています。4 inch ボアは 12.57 in2 の面積を持ち、100 psi で 1,257 lbf になります。1 inch ロッドで後退する場合、有効面積は 11.78 in2 へ下がり、同じ圧力で力は 1,178 lbf に下がります（AutomationDirect, 2026）。
有効ピストン面積とは、シリンダー形状を考慮したあとに有効な圧力へさらされる面積です。具体的には、片ロッドシリンダーの伸長ではピストン全面積を使い、後退ではピストン面積からロッド面積を差し引きます。ISO 15552 の標準シリンダー範囲は 10 bar、ボア 32 mm から 320 mm までなので、ワークシートでは力を見積もる前に、式で求めた面積とカタログボアの両方を確認する必要があります（ISO, 2025）。特に、外筒径、外表面積、公称製品ファミリーサイズを、力を決めるボア径とロッド径の代わりに使わないでください。交換レビューでストロークや取付形式だけでなくロッド径を尋ねるべきなのもこのためです。ロッド値が欠けると、引き力が変わります。
| 計算 | 式 | 4 inch ボア、1 inch ロッド |
|---|---|---|
| ピストン面積 | pi x bore^2 / 4 | 12.57 in2 |
| ロッド面積 | pi x rod^2 / 4 | 0.79 in2 |
| 後退面積 | piston area - rod area | 11.78 in2 |
| 100 psi での伸長力 | 100 x 12.57 | 1,257 lbf |
| 100 psi での後退力 | 100 x 11.78 | 1,178 lbf |
ピストン面積をシリンダー外表面積と混同しないでください。外表面積は、塗装、洗浄、熱曝露、腐食検討には役立ちます。押し力の計算には使いません。仕上げ、曝露、熱の問題であれば、空気圧シリンダーの表面積に関する別ガイドを使ってください。
必要なのがロッド側の詳細であれば、空気圧シリンダーのロッド面積専用ガイドを参照してください。アクチュエータがロッドレスの場合は、製品ファミリーを確認します。マグネット式ロッドレスシリンダー、バンド式シリンダー、ガイド付きスライドでは、理論ピストン力に到達する前に、カップリングやガイドの限界が問題になることがあります。
使用可能な力を何が減らしますか?
理論力は、損失を扱って初めて使用可能な力になります。AutomationDirect は、力の式における圧力は差圧を意味し、システムは実際の要求より少なくとも 25% 高い計算力を持つよう設計すべきだと述べています（AutomationDirect, 2026）。
最も一般的な損失は、通常の機械要素です。
| 損失要因 | 何を起こすか | 現場確認 |
|---|---|---|
| シールとガイドの摩擦 | シリンダー推力の一部を使います | 起動力と動作中の力を比較します |
| 圧力損失 | 流れのある間のチャンバー圧を下げます | ストローク中にアクチュエータ近くで圧力を測ります |
| 背圧 | 駆動チャンバーに逆らいます | 排気制限とマフラーを確認します |
| 横荷重 | 推力をガイド摩擦へ変えます | 芯出しと外部支持を確認します |
| 加速力 | 質量をより速く動かすために力を消費します | 質量 x 加速度を計算します |
| 垂直荷重 | 重力を必要力へ加えます | 荷重方向と保持リスクを含めます |
CAGI は、弱いシリンダーの多くのケースに当てはまる圧力損失要因として、配管、継手、フィルター、ドライヤー、腐食、漏れ、レシーバー状態、過大な空気速度を挙げています。また、乱流と圧力損失を抑えるために、配管内の空気速度を 20 ft/s 以下にすることを推奨しています（CAGI, 2026）。
用途が限界に近い場合は、段階的な式を使います。
理論推力 = 作動圧力 x 有効面積
net 推力 = (駆動圧力 - 背圧 圧力) x 有効面積
有効推力 = net 推力 x (1 - 摩擦損失率)
安全負荷 = 有効推力 / 安全率
間違いは安全率を使うことではありません。間違いは、複数の不明点を 1 つの安全率で隠すことです。圧力安定性、摩擦、背圧、加速、取付芯出し、荷重変動は、ボアを大きくする前にそれぞれ素早く確認する価値があります。
必要荷重からボアをどのように選定しますか?
必要荷重から逆算します。AutomationDirect は、摩擦、圧力損失、その他の要因を克服するために、実際の荷重が必要とする力より 25% 多い力を見込み、その後で次に大きい入手可能なシリンダーボアを選ぶことを推奨しています（AutomationDirect, 2026）。
基本的なボアサイジングの手順は次のとおりです。
- 荷重力、ストローク方向、速度、姿勢を定義します。
- アクチュエータポートで確実に得られる最も低い作動圧力を選びます。
- 摩擦、加速、工程荷重、重力のための力を加えます。
- 安全率または設計余裕を適用します。
- 必要力を作動圧力で割り、必要面積を求めます。
- 必要面積をボアへ変換します。
- 次の標準ボアを選び、取付、流量、クッション、空気使用量を確認します。
初回確認には次の式を使います。
必要理論推力 = 実負荷力 x 余裕率
必要面積 = 必要理論推力 / 作動圧力
ボア径 = sqrt(4 x 必要面積 / pi)
例:
実負荷力 = 400 lbf
余裕率 = 1.25
必要理論推力 = 500 lbf
作動圧力 = 80 psi
必要面積 = 500 / 80 = 6.25 in2
ボア径 = sqrt(4 x 6.25 / pi) = 2.82 in
次に大きい標準ボアを選び、実際のカタログを確認します。3 inch が次の一般的なボアであれば、80 psi での理論伸長力は次のようになります。
3 inch ボア径 面積 = 7.07 in2
推力 = 80 x 7.07 = 566 lbf 損失考慮前
標準品の選定では、力のサイジングを実際の部品ファミリーへつなげます。標準空気圧シリンダーには、適切なソレノイドバルブ、チューブ経路、継手サイズ、FRL ユニットも必要です。ボアだけで選んだ場合、空気経路が供給できなければ失敗することがあります。
計算例と RFQ チェック
NIST は 1 psi を 6,894.757 Pa と示しており、空気圧カタログでは psi、bar、MPa、in2、mm2 が混在することがあります。そのため、単位確認は重要です（NIST, 2025）。結果を信頼する前に、すべての数値の後ろへ単位を書いてください。
例 1: メートル系の伸長力
ボア径 = 63 mm
圧力 = 6 bar
面積 = pi x 63^2 / 4 = 3,117 mm2
6 bar = 0.6 N/mm2
理論伸長推力 = 0.6 x 3,117 = 1,870 N
この数値をワークシートの上限として使います。用途に 1,200 N の安全荷重が必要で、損失後に 1.5 の安全率を使うなら、摩擦、圧力損失、加速を加えた時点で 63 mm ボアは余裕が少ない可能性があります。発注前に確認してください。
例 2: ヤードポンド法の後退力
ボア径 = 2.5 in
ロッド径 = 0.625 in
圧力 = 90 psi
ピストン面積 = pi x 2.5^2 / 4 = 4.91 in2
ロッド面積 = pi x 0.625^2 / 4 = 0.31 in2
retract 面積 = 4.91 - 0.31 = 4.60 in2
理論後退推力 = 90 x 4.60 = 414 lbf
荷重が 400 lbf の引き力を必要とする場合、この値は近く見えますが危険です。摩擦と圧力変動を加えると、安全荷重は目標を下回る可能性が高くなります。部品限界内で局所作動圧力を上げるか、損失を減らすか、より大きいボアを選びます。
例 3: 背圧チェック
ボア径 = 2 in
面積 = 3.14 in2
駆動圧力 = 80 psi
背圧 圧力 = 8 psi
正味圧力 = 72 psi
正味理論推力 = 72 x 3.14 = 226 lbf
排気制限が重要なのはこのためです。詰まったマフラー、長いチューブ、小さい継手、強すぎるメーターアウト設定は、正しい力計算を弱いストロークに変えてしまうことがあります。
RFQ で送るデータ
シリンダーサイジングレビューを依頼するときは、次の値を送ってください。
| データ | 重要な理由 |
|---|---|
| 必要な押し力と引き力 | ボアとロッド側面積の確認を決めます |
| 動作中の作動圧力 | コンプレッサー圧力計だけで選ぶ誤りを避けます |
| 交換品ならボア、ロッド、ストローク | 面積と寸法適合を確認します |
| 荷重質量と姿勢 | 重力と加速の確認を加えます |
| 目標速度またはサイクルタイム | 力のサイジングをバルブと流量へつなげます |
| バルブ、チューブ長、継手サイズ | 圧力損失と背圧のリスクを見つけます |
| 取付形式と横荷重 | ガイド寿命と芯出しを守ります |
| 環境とデューティサイクル | シール、潤滑、余裕率を決めます |
良いワークシートは長いものではありません。具体的なものです。圧力、面積、荷重、動作方向、損失を示せれば、ボア選定はたいてい明確になります。
空気圧システムの力計算に関する FAQ
AutomationDirect のシリンダーサイジング資料は、力、圧力、ボア面積、ロッド側後退、25% の設計余裕という出発点をまとめているため、一般的な力計算の質問に使いやすい実務資料です（AutomationDirect, 2026）。
空気圧シリンダー力の基本式は何ですか?
基本式は F = P x A で、力は作動圧力と有効面積の積です。ヤードポンド法では psi と in2 を使って lbf を求めます。メートル系では bar を N/mm2 へ変換します。簡単な換算として 1 bar = 0.1 N/mm2 なので、6 bar は 0.6 N/mm2 です。
ゲージ圧と絶対圧のどちらを使うべきですか?
通気された空気圧回路の基本的なシリンダー力計算では、ゲージ圧または差圧を使います。ピストンはチャンバー間の圧力差に反応します。絶対圧は、ガス圧縮、空気貯蔵、レシーバーサイジング、空気消費量のように、大気圧がガス状態の一部になる計算で使います。
なぜ後退力は伸長力より低いのですか?
片ロッドシリンダーでは、ロッドが圧力の作用面積の一部を占めるため、後退力は低くなります。AutomationDirect の 4 inch ボア例では、1 inch ロッドを使うと全面の 12.57 in2 から後退有効面積 11.78 in2 へ下がり、100 psi での力は 1,257 lbf から 1,178 lbf へ下がります。
安全余裕はどのくらい使うべきですか?
AutomationDirect は、計算力を実際の要求より少なくとも 25% 高くすることを推奨しています。これは出発点として扱ってください。垂直荷重、衝撃、変動する摩擦、不安定な空気供給、高デューティサイクル、汚れた環境、横荷重、摩耗したシリンダー、安全関連の保持作業では、より大きな余裕を使います。
計算した力でも荷重が動かない場合はどうしますか?
失敗したストローク中にアクチュエータポートで圧力を測り、排気側の背圧を確認し、ガイド芯出し、横荷重、シール、マフラー、継手、チューブ、バルブ流量を点検します。式は正しくても、機械が使用可能な圧力を失っていたり、摩擦で力を無駄にしていたりすることがあります。
選定前の最終確認
ISO 15552 は 10 bar 標準シリンダーの範囲を定義し、CAGI はよく設計されたシステムの 10% 圧力損失の目安を示し、AutomationDirect は実際の要求より少なくとも 25% 高い計算力余裕を推奨しています（ISO, 2025; CAGI, 2026; AutomationDirect, 2026）。
F = P x A で最初の計算を行います。その後で、使える値へ変換します。適切な圧力値を選び、正しい有効面積を計算し、背圧を差し引き、摩擦を見込み、余裕を加え、機械に収まる次の標準ボアを選びます。
実務上のルールは短く言えます。圧力が力を作り、面積がそれを拡大し、空気回路がその力のうちどれだけ荷重へ届くかを決めます。
出典
- AutomationDirect: Cylinder Sizing and Force、力の式、ボア面積表、4 inch ボア 100 psi、ロッド側力の例、差圧メモ、25% 余裕のガイダンス。取得日 2026-07-08。
- AutomationDirect video: How to Select a Pneumatic Cylinder、力に基づくボア選定と、次に入手可能なシリンダーサイズを選ぶ前の 25% 余裕。取得日 2026-07-08。
- CAGI: Technical Brief on Pressure Drop、10% 圧力損失の目安、圧力損失要因、20 ft/s の速度ガイダンス、圧力損失低減チェックリスト。取得日 2026-07-08。
- ISO 15552:2018、1,000 kPa（10 bar）の着脱式取付空気圧シリンダー範囲、32 mm から 320 mm のボア範囲、2025 年の確認。取得日 2026-07-08。
- NIST: Pressure and Gas Flow Unit Conversions、psi とパスカル値を含む圧力単位変換リファレンス。取得日 2026-07-08。