バルブ切換時間の計算:空気圧・電気解析

ISO 12238:2023に基づき、電気・機械・空気圧の時間配分、RLコイル計算、チャンバ充填見積り、検証手順からバルブ切換時間を算出します。

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Eric Zhou, 空圧制御システムエンジニア, ベプト空圧

著者について

Eric Zhou

空圧制御システムエンジニア

Ericです。ベプト空圧の空圧制御システムエンジニアとして、見積前の空圧製品要件、部品用途、技術詳細の確認を支援します。

著者の記事Eric@bepto.com

バルブ切換時間とは、定義した指令から、定義した方向切換弁の結果が得られるまでの時間です。Cv、コイル電圧、ポートサイズのいずれかだけでは計算できません。有用な見積りを得るには、物理式で近似できる項目と、カタログ値または測定波形が必要なバルブ内部の項目を分けます。

本記事は、電流の立上り、機種固有のバルブ時間、下流側の充填、重複しない合計を扱う計算ワークシートです。時間配分、ばらつき、精密システムの構成については、より広範な精密用途におけるソレノイドバルブの応答時間ガイドをご覧ください。試験機器としきい値については、別の測定ガイドをご利用ください。

要点

  • ISO 12238:2023は、2位置および3位置の方向切換弁について切換時間の試験を標準化しています。
  • SMC JSYのデータは、0.5 MPa、20°C、定格電圧の条件で5~42 msの範囲です。
  • コイル段階と充填段階は計算し、バルブ内部の動作にはカタログ値または測定値を使用します。
  • すべての見積りを、同期した電気波形と圧力波形で検証します。

方向制御の時間解析に使用する400シリーズ空気圧ソレノイドバルブ

製品写真は、ここで扱う方向切換弁の種類を示すものであり、時間測定の結果ではありません。応答は、正確なバルブ機能、コイル、コネクタ内の電子回路、パイロット方式、圧力、試験回路、測定しきい値によって変わります。まず機種固有のデータシートを確認し、そのデータで明示された測定範囲の外側にある遅延だけを計算してください。

バルブ切換時間とは正確には何ですか?

ISO 12238:2023は、電気または空気圧で操作する2位置および3位置の方向切換弁を対象とし、単安定形と双安定形を含む切換時間の試験を規定しています(ISO 12238:2023、2023年)。したがって、バルブ切換時間は定義された部品試験の結果であり、必ずしもシリンダの終端センサまでの経過時間ではありません。

応答時間を検討する際は、次の3つの事象を明示します。

  1. 開始事象: PLC出力、ドライバ有効化、コイル端子電圧、電流しきい値、または空気圧パイロット信号。
  2. バルブ結果: スプール位置、ポート圧力しきい値、または試験方法で定義した別の終点。
  3. 機械結果: 下流圧力、アクチュエータの動作、ワーク到着、またはセンサの状態遷移。

開始を「PLC指令オン」、終点を「リードスイッチオン」とすると、その測定にはバルブ切換以外の時間が多数含まれます。具体的には、コントローラのスケジューリング、出力モジュール遅延、コイル応答、バルブ動作、空気配管の充填、シリンダの起動、移動、クッション、センサ応答です。この場合は、機械応答時間または指令から到着までの時間と呼びます。

一方、交換候補のバルブを比較する場合は、空気圧試験回路、圧力、温度、電源、コネクタ内の電子回路、センサ位置、しきい値を変えないでください。ソレノイドバルブ応答時間の測定ガイドでは、このベンチ試験方法を詳しく説明しています。

最初に行うのは算術計算ではなく、境界の決定です。境界が曖昧なまま小数桁を増やしても、曖昧な結果が精密に見えるだけです。

計算できる項目と測定が必要な項目はどれですか?

SMCは、JSY1000、JSY3000、JSY5000の一部構成について、0.5 MPa、コイル温度20°C、定格電圧の条件で5~42 msの応答時間を示しています(SMC JSYカタログ、2026年閲覧)。外部段階は計算できますが、バルブ内部の動作は試験済みの1つのブロックとして扱います。

数値を入力する前に、ワークシートの各行を次のように分類してください。

行の種類 正しい扱い
計算値 理想RL回路の電流立上り、チューブの物理容積、概算充填時間 前提を明示した式を使用
カタログ値 機種固有の切換時間、電圧許容差、圧力範囲 正確な機種、オプション、条件、限界値を転記
測定値 PLC出力遅延、コイル波形、ポート圧力応答、センサフィルタ 計測器、しきい値、反復回数、最大・最小値を記録
仮定値 設計初期のコントローラ時間または効率の割当て 明確に表示し、合否判定前に根拠のある値へ置換

重複しない複数の段階で構成される機械事象には、次の計画式を使用します。

tevent=tcontrol+tvalve+tline+tload+tsensort_{\mathrm{event}} = t_{\mathrm{control}} + t_{\mathrm{valve}} + t_{\mathrm{line}} + t_{\mathrm{load}} + t_{\mathrm{sensor}}

ここで、teventt_{\mathrm{event}}は指令から結果までの全時間です。コントローラ項にはタスク遅延と出力遅延が含まれます。バルブ項にはカタログ値、または指令からポート応答までの測定値を使用します。配管項は下流側の充填または排気です。負荷項はアクチュエータの起動と移動です。センサ項には検出とフィルタ処理が含まれます。すべての項で同じ時間単位を使用します。

メーカーの試験境界に電気的・機械的挙動が含まれていない場合を除き、カタログのバルブ応答値に電気・機械の見積りを重ねて加算しないでください。電気指令を起点とする応答値の多くには、すでにコイルと可動部の挙動が含まれています。これらを二重計上すると、一見安全側でも技術的には誤った見積りになります。

測定境界を示したバルブと機械の応答時間配分 コントローラ出力、コイル電流、バルブ切換、下流圧力、アクチュエータ移動、センサ到達を縦方向の時間系列で分離します。括弧はバルブ切換時間と機械全体の応答時間を区別します。 時間を加算する前に終点を定義 各タイムスタンプは異なる技術的な問いに答えます。 1. コントローラ出力が変化 PLCタスク、ネットワーク、出力モジュール、ドライバ有効化 2. コイル電流が吸引値に到達 電源、抵抗、インダクタンス、ドライバ、コネクタ回路 3. バルブが状態を切換 可動鉄心、パイロット段、スプールまたはポペット、ポート応答 4. 下流圧力がしきい値を通過 バルブ流量、チューブ容積、継手、チャンバ、排気 5. アクチュエータが所要動作を完了 起動、負荷、ストローク、クッション、摩擦、背圧 6. 機械センサの状態が変化 センサしきい値、フィルタ、入力モジュール、PLC認識 バルブ側の切換境界 機械全体の応答境界 1つの時間配分には重複しない段階だけを使用します。
時間配分の終点は、バルブ、下流圧力しきい値、機械センサのいずれにも設定できます。根拠資料:ISO 12238:2023、SMC JSY応答データ、TIソレノイドドライバ資料。

この分離は、故障診断にも役立ちます。ポート圧力が予定どおり変化しているのにシリンダセンサが遅い場合、コイルを交換しても負荷側の遅延は解消しません。代わりに、チューブ、流量制御、排気絞り、アクチュエータの摩擦、クッション、可搬質量を確認してください。

ソレノイド電流の立上りはどのように見積もりますか?

Texas InstrumentsはDRV110を6~48 VDCのソレノイド制御用として規定し、初期電流の立上り時間はコイルのインダクタンスと抵抗に依存すると説明しています(TI DRV110データシート、2018年改訂)。RL回路式は、動き始める前の吸引遅延を予備評価できますが、バルブ全体の応答は予測できません。

可動鉄心が動き始める前に抵抗とインダクタンスが一定であると仮定すると、コイル電流は次式で近似できます。

i(t)=VR(1etR/L)i(t) = \frac{V}{R}\left(1-e^{-tR/L}\right)

ここで、i(t)i(t)は時間tt秒後のコイル電流(A)、VVは印加電圧(V)、RRは回路全体の抵抗(Ω)、LLはコイルのインダクタンス(H)です。電気時定数はτ=L/R\tau = L/Rです。1時定数後、電流は固定回路における最終値の約63.2%に達します。

メーカーが吸引電流しきい値IpickupI_{\mathrm{pickup}}を示している場合、その電流に達する理想化時間は次式で求めます。

tpickup=LRln(1IpickupRV)t_{\mathrm{pickup}} = -\frac{L}{R}\ln\left(1-\frac{I_{\mathrm{pickup}}R}{V}\right)

この式が成立するのは、IpickupR<VI_{\mathrm{pickup}}R < Vであり、仮定したRRLLが対象時間内で妥当な場合に限られます。コイルが温まると抵抗は増加します。インダクタンスは可動鉄心の位置によって変化する場合があり、ドライバの電流制限が単純な電圧ステップの挙動に置き換わることもあります。時間余裕が小さい場合は、電流を実測してください。

ピーク・アンド・ホールドドライバでは、この制約が特に重要です。DRV110は電流を制御されたピーク値まで立ち上げ、外付け部品で設定した時間だけ保持した後、より低い保持電流へ下げます。これらの設定は、承認されたドライバ設計の一部です。定格コイルへ任意の過電圧を直接加える方法は、適切な短縮策ではありません。

電気的背景については、コイルインダクタンスとソレノイド応答のガイドと、空気圧バルブ用ACコイルとDCコイルの比較をご覧ください。

コイルデータだけでは機械的な切換を計算できないのはなぜですか?

Festoは直動形MHA4について、オン・オフの切換時間をともに3.5 msと記載していますが、許容差はオン時が+10%/-30%、オフ時が+10%/-40%と異なります(Festo MHA4データシート、2026年閲覧)。コイル電流だけでは、こうした機械・空気圧上の限界を再現できません。

磁力がばね力、摩擦力、シール抵抗、圧力による力を上回ると、可動部が加速します。可動鉄心の質量、ストローク、磁気ギャップ形状、ばね定数、残留磁気、スプールまたはポペットの摩擦、圧力不均衡、潤滑剤、温度、異物は、いずれも時間に影響します。パイロット式バルブでは、パイロットオリフィスの充填時間と主段の移動時間も加わります。

メーカーは設計時にこれらの詳細をモデル化できますが、機械メーカーが結果を再現できるほどの内部形状や磁気データを保有していることはほとんどありません。正確なバルブ機種と電気オプションのカタログ切換時間を使用してください。値が記載されていない場合は、メーカーに問い合わせるか、合意した回路条件で測定します。

作動音はどうでしょうか。音がすれば何らかの部品が動いたことは確認できますが、必要なポート流路が開いた、または閉じた瞬間を定義するものではありません。クリック音用マイク、加速度計、スプールセンサ、電流波形、圧力変換器は、それぞれ異なる事象を観測します。試験報告書には、どの事象を使用したか明記してください。

最適な計算では、バルブを試験済みの1つのブロックとして扱うことが少なくありません。そのブロックの前後で根拠を示せる遅延を計算し、銘板の消費電力から内部切換時間を逆算しないでください。

計算に含めるべきカタログ値

SMCのJSYカタログは、2位置シングルのJSY1000の一構成について15 ms、2位置シングルのJSY5000の一構成について42 msを、いずれも0.5 MPa、20°C、定格電圧の条件で示しています(SMC JSYカタログ、2026年閲覧)。シリーズ平均ではなく、正確な構成の値を入力してください。

直動形バルブは、電磁力でシール部品を直接動かします。空気圧パイロット段なしで動作できますが、コイル力によって実用的なオリフィス径と圧力範囲が制限されます。パイロット式バルブは、小型のソレノイド段と圧力エネルギーを利用して大きな主可動部を動かすため、最低パイロット圧力とパイロット流路の状態が重要です。

時間評価では、次の項目を記録します。

設計要因 応答が変わる理由 必要な根拠
直動式またはパイロット式 空気圧パイロット段の有無が変わる 正確なバルブ構造とパイロット仕様
単安定または双安定 復帰機構と指令順序が変わる 機能記号と通電状態
2位置または3位置 移動量と中立位置での挙動が変わる 機種固有の応答データ
ゴムシールまたはメタルシール 摩擦、漏れ、圧力による力が変わる 一般的な仮定ではなくメーカー資料
内部パイロットまたは外部パイロット 主供給圧力への依存度が変わる パイロット供給源、範囲、測定圧力
サージ抑制オプション 電流減衰と復帰挙動が変わる コネクタまたはマニホールドの電気仕様コード

コネクタの表示灯が点灯しても、事象中にコイルへ定格電圧が印加された証明にはなりません。負荷状態でコイル端子またはコネクタ部を測定してください。同様に、レギュレータの静的な圧力計表示だけでは、複数のバルブとシリンダが空気を消費している間も十分なパイロット圧力があることを証明できません。

パイロット式と直動式では内部空気流路が異なるため、これらの構造詳細は一般的な応答時間の仮定ではなく、正確な製品資料から取得してください。

下流側の充填時間と排気時間の計算

ISO 6358-3:2014は、接続された空気圧機器の定常流量特性を推定する際、亜音速流れとチョーク流れの両方をモデル化します(ISO 6358-3:2014、2014年)。下流側の充填見積りはサイクル計画に役立ちますが、標準化されたバルブ切換結果とは分け、絶対圧を使用してください。

一定の等価自由空気流量を仮定した等温の概算では、まず必要な標準状態換算空気容積を計算します。

VN=VP2,absP1,absPNV_N = V\frac{P_{2,\mathrm{abs}}-P_{1,\mathrm{abs}}}{P_N}

ここで、VNV_Nは必要な標準状態換算空気容積(NL)、VVはチャンバ容積(L)、P1,absP_{1,\mathrm{abs}}P2,absP_{2,\mathrm{abs}}は同じ単位で表した初期絶対圧と目標絶対圧、PNP_Nは標準状態換算圧力です。この見積りは温度一定を仮定し、漏れを含みません。

次に、有効標準状態換算流量から充填時間を求めます。

tfill=VNQN,efft_{\mathrm{fill}} = \frac{V_N}{Q_{N,\mathrm{eff}}}

変数QN,effQ_{N,\mathrm{eff}}は、有効標準状態換算流量(L/s)です。単なるカタログの自由流量値ではなく、流路全体を表す必要があります。バルブのコンダクタンス、圧力比、継手、チューブ、マニホールド、流量制御機器、サイレンサ、変化するチャンバ圧力は、いずれもこの値を低下させる可能性があります。

これは概算です。大きく圧力が上昇する間、実流量は一定ではなく、流路はチョーク領域と亜音速領域の間を移行する場合があります。ISO 6358-1は機器の定常流量試験を規定し、ISO 6358-3は数値的なシステム計算法を示しています。信頼性の高い過渡モデルには、メーカーの流量データまたは測定流量を使用してください。

ツール圧縮空気チャンバ充填時間計算機容積、目標圧力、利用可能な自由空気流量、充填効率から下流チャンバの充填時間を見積もります。この結果をバルブ固有の切換時間として扱わないでください。充填時間 = 容量 × 圧力比 / 流量チャンバ容積目標圧力利用可能な自由空気流量充填効率計算ツールを開く

チューブ寸法が不明な場合は、まず空気圧チューブ容積計算ツールで内部容積を計算します。バルブマニホールド内の空間、アクチュエータポート、圧力センサ用アダプタ、バルブと測定点の間にあるレシーバ容積も加えてください。起動圧力と変化するシリンダ容積については、シリンダ応答とデッドボリュームの解析をご覧ください。

排気は別に見積もる必要があります。排気流路は供給流路と異なる場合があり、サイレンサが絞りを加えることもあります。メータアウト用流量制御機器は、意図的にチャンバ圧力の低下を遅くします。回路が実際に対称で、該当する圧力比も一致している場合を除き、充填流量の値をそのまま再利用しないでください。

計算例:PLC指令から圧力しきい値までの時間配分

SMCは、JSY1140Tの2位置シングルバルブについて、0.5 MPa、定格電圧、コイル温度20°Cの条件で15 msを示しています(SMC JSYカタログ、2026年閲覧)。次の例は、普遍的な結果として示すのではなく、この公表されたバルブブロックと、別に明示した計画上の仮定を組み合わせます。

治具では、下流側容積0.25 Lの圧力を絶対圧1 barから7 barまで上げる必要があるとします。流路全体で300 NL/minを供給できると見積もり、充填効率70%を適用します。コントローラと出力の遅延は2 ms、圧力センサのフィルタ時間は5 msと仮定します。

必要な標準状態換算空気量は次のとおりです。

VN=0.25711=1.5 NLV_N = 0.25\frac{7-1}{1} = 1.5\ \mathrm{NL}

有効流量は210 NL/min、つまり3.5 NL/sです。したがって、概算充填時間は次のようになります。

tfill=1.53.5=0.429 st_{\mathrm{fill}} = \frac{1.5}{3.5} = 0.429\ \mathrm{s}

計画上の時間配分は次のとおりです。

段階 状態
コントローラと出力 2 ms 仮定値、波形で検証
カタログのバルブ応答 15 ms 明示条件におけるSMCの機種固有値
下流側充填 429 ms 概算値
センサフィルタ 5 ms 仮定値、設定を確認
指令から圧力結果までの推定値 451 ms 計画用合計、合否判定の根拠ではない

この例から、ボトルネックは下流側の充填であることが分かります。15 msのバルブを10 msのバルブに交換しても、空間容積の削減や、検証済み有効流量の増加に比べ、見積値への影響ははるかに小さくなります。ただし、この結論も仮定が成立する場合に限られます。

段階表は必ず合計値と一緒に保存してください。「応答451 ms」という単一の数値では、設計上の改善箇所が隠れ、後のトラブルシューティングが難しくなります。

見積りはどのように測定・検証すべきですか?

ISO 12238:2023には、電気および空気圧で操作する2位置または3位置の方向切換弁の試験手順が規定されています(ISO 12238:2023、2023年)。機械の検証でも同じ考え方を用い、指令と選択した空気圧上の終点を同一時間軸で記録し、しきい値、回路、条件を明記します。

遅延箇所を特定できるだけのチャンネルを使用してください。

チャンネル 推奨測定 分離できる要因
コントローラ 指令出力のタイムスタンプ プログラム、ネットワーク、タスクの遅延
電気 バルブ端子の電圧と電流 配線、出力モジュール、ドライバ、コイル電流の立上り・減衰
バルブ側空気圧 作動ポート近傍の高速圧力変換器 指令からポート応答まで
負荷側空気圧 アクチュエータまたは空間部の圧力変換器 チューブと流路の遅延
機械 位置センサ、エンコーダ、または高速スイッチ 起動、移動、クッション、負荷

サンプリング速度は、対象事象に対して十分に高くなければなりません。10 msの目標を、10 msごとに1サンプルを記録するロガーで確実に分解することはできません。センサ帯域幅、ロガー速度、チャンネル同期、フィルタ処理、タイムスタンプ分解能を記録してください。算出した平均値だけでなく、生波形も保存します。

通電事象と消磁事象の両方を繰り返し測定してください。例えばSMCのSY3000データでは、コネクタのサージ抑制オプションにより、0.5 MPaにおける2位置シングルバルブの記載応答時間が12 msから15 msへ変わることが示されています(SMC SYカタログ、2026年閲覧)。開動作と閉動作を同じものとして扱うことはできません。

暖機条件と供給条件を定義します。コイル端子電圧、動作中の入口圧力とパイロット圧力、使用流体と周囲温度、下流容積、継手、チューブ内径と長さ、排気機器、流量制御設定、サイクル頻度、バルブ取付姿勢を記録してください。これらの項目があれば、別の技術者も結果を比較できます。

見積りと測定波形はどのように照合しますか?

Texas Instrumentsは、あるソレノイドドライバの例で、フリーホイール使用時に約10 ms、より速い減衰方式では約3.5 msの消磁時間を測定しています(TI「モータドライバによるソレノイド駆動」、2022年改訂)。合計値を闇雲に調整するのではなく、ワークシートの各行を対応する波形区間と照合してください。

計算境界と測定境界を、次の順序で比較します。

  1. 指令が遅い: PLCタスク周期、ネットワーク更新、出力マッピング、インターロック、シーケンスロジックを確認します。
  2. 電圧が遅い、または低い: 出力モジュール、リレー、コネクタ、ケーブル電圧降下、共通リターン、同時負荷を確認します。
  3. 電流の立上りが遅い: 抵抗、インダクタンス、ドライバ電流制限、ピーク・アンド・ホールド設定、コイル温度を承認済みデータと比較します。
  4. 電流の減衰が遅い: ハードウェアを変更する前に、フライバックダイオード、TVS、ツェナー、MOV、内蔵サプレッサのいずれが使われているか特定します。
  5. バルブ側圧力が遅い: バルブ機能、パイロット圧力、異物、スプールの動き、供給圧力、機種固有の応答を確認します。
  6. 負荷側圧力が遅い: チューブ容積、継手内径、マニホールド、流量制御機器、サイレンサ、漏れ、動的圧力損失を確認します。
  7. 圧力は到達しているが動作が遅い: アクチュエータの摩擦、横荷重、可搬質量、クッション、ガイドの芯ずれ、背圧を確認します。
  8. 動作は完了しているが入力が遅い: センサ位置、応答、フィルタ、配線、入力モジュールの時間を確認します。

フライバック保護は必須ですが、その設計によって復帰挙動が変わります。TIは、許容クランプ電圧を高くすると誘導電流の減衰を短縮できる一方、電気的ストレスが増えると説明しています。出力モジュールとバルブメーカーが承認したサージ抑制限度を使用してください。恒久的な高速化対策として保護部品を取り外してはいけません。

負荷側波形に切換遅延ではなく圧力低下が見られる場合は、空気圧システムの圧力低下トラブルシューティングガイドを使用して流路全体を確認してください。シリンダ移動が遅い段階であれば、コイルを変更するのではなく、流量と動作のサイジングへ進みます。

最悪条件の時間はどのように計算しますか?

FestoのMHA4データシートには、3.5 msの切換値に加え、許容電圧変動±10%と、オン・オフで非対称の切換時間許容差が示されています(Festo MHA4データシート、2026年閲覧)。最悪条件ワークシートでは、関連のない代表値を合計するのではなく、明示条件における限界値を使用します。

厳密な期限に対しては、重複しない上限値を加算します。

tevent,max=tcontrol,max+tvalve,max+tline,max+tload,max+tsensor,maxt_{\mathrm{event,max}} = t_{\mathrm{control,max}} + t_{\mathrm{valve,max}} + t_{\mathrm{line,max}} + t_{\mathrm{load,max}} + t_{\mathrm{sensor,max}}

各項は、同じ運転端条件と同じ事象定義を表す必要があります。暖まったコイルにおけるバルブ最大値と、室温での平均配管充填結果を組み合わせて最悪条件と呼んではいけません。許容最低電圧、最低動的圧力、冷間始動、暖まったコイル、最大可搬質量、絞られた排気など、妥当な端条件を評価します。

文書化した統計モデルのもとで互いに独立したランダム不確かさを扱う場合、二乗和平方根法が適切なこともあります。ただし、最大時間限界、系統偏差、条件依存の遅延に代わる方法ではありません。安全または品質上の期限には、範囲が定められた根拠と、合意された余裕が必要です。

計算ワークシートと合否判定資料には、次の入力項目を残してください。

  • 正確なバルブ機能:2/2、3/2、5/2、5/3、単安定、双安定、中立状態、直動式またはパイロット式。
  • 開始事象と終了事象。信号位置、圧力ポート、しきい値、動作方向を含めます。
  • 必要に応じ、通電、消磁、開、閉、切換それぞれの限界値。
  • 静的なレギュレータ設定だけでなく、事象中の供給圧力とパイロット圧力。
  • 下流容積、チューブ長さと内径、継手とマニホールド流路、排気機器、流量制御設定。
  • コイル電圧、許容差、コネクタ内電子回路、サージ抑制、ドライバ、出力モジュール、デューティサイクル。
  • 使用流体、ろ過、給油規則、周囲温度、流体温度、暖機状態。
  • 計測器帯域幅、サンプリング速度、同期、フィルタ処理、反復回数、結果の統計量。
  • 要求対象が、バルブ単体の切換時間、指令から圧力応答まで、アクチュエータのストローク、センサ到着のいずれであるか。
  • 必要な生波形、試験報告書、バルブのシリアル番号またはロット、ファームウェアまたはマニホールド構成、校正記録。

「高速応答」をワークシートの入力値として受け入れてはいけません。例えばParkerは、ある小形バルブシリーズについて30 ms未満のサイクル時間を示す一方、Festoは特定の高速切換弁についてオン・オフとも3.5 msと示しています(Parker小形空気圧バルブ、2026年閲覧)。製品と試験が異なれば、解釈も異なります。

交換品について問い合わせる場合は、既存の波形と回路図を添付してください。現在のバルブコード、配線、コネクタ、圧力、チューブ、可搬質量、必要な終点、最大時間を記載します。これにより、仕入先はポートサイズから推測するのではなく、定義された時間課題に回答できます。

バルブ切換時間に関するFAQ:技術者は何を計算すべきですか?

SMCのJSY表では、同じ試験圧力0.5 MPa、定格電圧、コイル温度20°Cの条件でも、選定したバルブ構成によって5~42 msの幅があります(SMC JSYカタログ、2026年閲覧)。以下の回答は、バルブ、配管、機械の時間を1つの普遍的な数値として扱わないためのものです。

1つの式ですべてのバルブの切換時間を計算できますか?

いいえ。ISO 12238:2023は2位置および3位置の方向切換弁について切換時間の試験手順を規定していますが、内部の磁気、機械、パイロット、シールの詳細は機種ごとに異なります。正確なカタログ値または測定したバルブ応答を1つの時間ブロックとして扱ってください。範囲が重ならない場合に、コントローラ、配管充填、負荷、センサの遅延を別々に計算します。

カタログの応答時間はシリンダのストローク時間と同じですか?

いいえ。カタログに記載された15 msのバルブ値は、規定のポートと試験回路で測定されたものです。シリンダのストローク時間には、利用可能流量、チューブと継手の絞り、チャンバ容積、圧力、負荷、摩擦、クッション、排気、移動距離も含まれます。差の所在を特定するには、指令からポート圧力までの時間と、指令から終端センサまでの時間を別々に測定してください。

コイル電圧を上げれば切換時間は必ず短くなりますか?

いいえ。電圧はバルブとドライバの定格範囲内でなければなりません。Festoがある24 VDC高速切換弁について示す許容変動は±10%であり、無制限の過電圧ではありません。ピーク・アンド・ホールドドライバは管理された設計で電流の立上りを速められますが、コイルへ直接過電圧を加えると過熱や電子回路の損傷を招くおそれがあります。

フライバックダイオードは復帰時間にどのような影響を与えますか?

単純なフリーホイールダイオードは電圧ストレスを抑えますが、電流減衰とバルブ復帰を遅くする場合があります。TIのある応用例では、消磁時間はフリーホイール使用時に約10 ms、より速い減衰方式では約3.5 msでした。ダイオード、TVS、ツェナー、アクティブクランプは、承認された電圧・エネルギー限度内で選定してください。

計算を検証するにはどのような計測器が必要ですか?

同期した電気測定と物理測定を使用します。コイル電圧またはドライバ指令、可能であればコイル電流、選定したポートの高速圧力変換器、該当する位置センサまたは機械センサを測定してください。ロガーの記録間隔は時間制限より十分に短くする必要があり、10 ms間隔の1サンプルでは10 msの事象を確実に分解できません。

出典・技術資料

本解析では9件の一次規格・メーカー資料を使用しています。切換時間に関するISO 12238:2023、流量に関する2件のISO 6358文書、SMCカタログ2件、TIドライバ資料2件、FestoおよびParkerの機種固有データです。製品値は方法が条件に依存することを示す例であり、バルブ共通の限界値ではありません。

発行者と著者については会社概要をご覧ください。測定境界、バルブ機種、回路、使用条件を併せて確認できるよう、技術的な訂正、出典に関する質問、用途の詳細はお問い合わせページからお送りください。

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