空圧シリンダの摩擦デッドバンドとは、アクチュエータ軸が定められた動作しきい値内にとどまる、測定上の入力区間です。この区間は静止摩擦によって生じますが、バルブのオーバーラップ、圧力の立ち上がり、負荷、センサ分解能、制御ロジックも影響します。これは試験境界として扱ってください。割合に意味があるのは、試験した入力、出力、スパン、方向、しきい値が明記されている場合だけです。
まず測定境界を定めます。
要点
- 2020年のシリンダ研究では、2つのチャンバ圧力と位置を0.1 msごとに同期測定し、各条件を45回繰り返しました。
- 起動摩擦は、両チャンバの圧力とピストンの有効面積から計算する必要があります。
- 補償が合格となるのは、クリープ、ハンチング、衝撃、危険な推力を増やさずに、方向別のしきい値を低減できた場合だけです。
本ガイドでは、デッドバンドを調整問題として扱う前に、測定問題として扱います。バルブ、空圧、機械、センシング、コントローラの各層を切り分けることで、シール摩擦を克服するためのオフセットが、スプールの固着、側荷重、圧力遅れ、ノイズの多い位置しきい値を隠すために使われないようにします。
空圧シリンダ軸におけるデッドバンドとは何ですか?
Emersonの2023年版コントロールバルブ・ハンドブックは、多くの調節制御動作が入力スパンの1%以下であるため、入力に対する不応区間が運転上重要になると述べています。ただし、シリンダ軸で同じ用語を定量的に使うには、先に入力と出力を定義する必要があります(Emerson Control Valve Handbook、2023年)。
入力には、PLCカウント、バルブ指令電圧、指令圧力、目標位置などがあります。観測出力には、スプール位置、質量流量、チャンバ圧力、ピストン速度、負荷位置などがあります。両方を明記してください。組み合わせごとに異なる測定境界が生じます。デッドバンドはヒステリシスと自動的に同じものではありません。デッドバンドは、選択した出力が応答するまでに通過する入力区間です。ヒステリシスは、同じ入力における上昇経路と下降経路の出力を比較します。むだ時間は時間遅れです。分解能は検出可能な最小変化です。これらを混同すると、補償による改善を説明できなくなります。
| 測定項目 | 入力 | 観測出力 | 結果に含まれる要素 |
|---|---|---|---|
| 指令―スプール間デッドバンド | バルブへの電気指令 | スプールフィードバック | ドライバ、磁気系、スプールオーバーラップ、バルブ摩擦 |
| 指令―圧力間デッドバンド | 電気指令 | チャンバ圧力 | バルブ挙動、供給、配管、チャンバ容積、漏れ |
| 指令―動作間デッドバンド | コントローラ出力 | ピストンまたは負荷の動き | バルブ、圧力立ち上がり、摩擦、負荷、センサしきい値 |
| 推力―動作しきい値 | 正味空圧推力 | 最初の持続動作 | シリンダおよびガイド摩擦と外部抵抗力 |
「どの入力と出力の間で、どの負荷条件と動作しきい値を使って不応区間を測定したのか」と尋ねてください。これは、シリンダにどの程度のデッドバンドがあるかを尋ねるより有用です。
シリンダ摩擦とバルブの不感帯はなぜ異なるのですか?
SMCは、ITV1100/2100/3100電空レギュレータシリーズについて、フルスケールの0.5%のヒステリシスと、フルスケールの±0.2%の感度を示しています。これらは部品単体の圧力制御仕様であり、シリンダ位置を保証する値ではありません。軸の動作には、チューブ容積、2つのチャンバ圧力、ピストン面積、シール、ガイド、負荷、フィードバック、コントローラのタイミングが加わります(SMC ITV、2026年閲覧)。
故障診断では、この違いが重要です。指令が変化してもスプールが動かない場合があります。スプールが動いても、チャンバ圧力を変えるだけの流量が得られないことがあります。圧力が変化しても正味ピストン推力が抵抗負荷を上回らない場合があり、正味推力が増えても位置センサがまだ動作を検出しない場合もあります。
バルブレベルの詳しい定義については、別ガイドの比例弁のデッドバンドと制御精度をご覧ください。本記事では、シリンダと設置済み軸の境界における摩擦に焦点を当てます。
静止摩擦はどのように動作しきい値を生みますか?
2020年に複動シリンダを試験した研究者は、200、400、500 kPaの3つの供給圧力を使用し、各条件を45回繰り返しました。2つのピストン面に働く圧力による推力が静止摩擦を上回った時点で動作が始まり、供給圧力計1台の読みだけでは起動推力を決められないことが示されました(Experimental Techniques、2020年)。
前進について、同じ大気圧を基準としたゲージ圧を使用します。
ここで、はヘッド側ゲージ圧、はロッド側ゲージ圧、はピストン全面積、はロッド側環状面積です。最初の持続的な前進動作時に、加速度がまだ無視できるなら、これに対抗する静止摩擦は次のように推定できます。
外部抵抗には、規定負荷、重力成分、ガイド抵抗、ケーブルまたはホースによる力、および前進に抵抗するその他の既知の力が含まれます。後退時は圧力と面積の項が逆になります。
後退開始時の推定値はとなります。両方向が一致すると仮定しないでください。ロッド側面積、シール形状、側荷重、重力、ガイド予圧、付帯配管などが非対称性を生むことがあります。
起動推力とは、持続動作が始まったと規定した時点の正味駆動力です。方向が重要です。これは一方向かつ一条件に対する試験結果であり、理論シリンダ推力に対する固定割合ではありません。また、静止摩擦は、既知の垂直抗力に一定の摩擦係数を掛けた固定値でもありません。空圧シールは圧力で変形し、潤滑膜は動作や停止時間によって変化し、ガイド力や芯ずれによる力もストローク内で変わることがあります。2026年のスティックスリップ研究では、再起動時のピークが固着時間によって変化したため、摩擦式に停止時間依存性を明示的に追加しています(Actuators、2026年)。無負荷では滑らかに動くシリンダが治具装着後に固着するなら、補償を増やす前に案内と芯出しを点検してください。側荷重ガイドでは、制御オフセットが外部ガイドの代わりにならない理由を解説しています。
どの信号を測定すべきですか?
2020年の試験では、研究者がチャンバから5 cmの位置に2つの圧力センサを取り付け、85 µmを検出できるエンコーダで位置を測定し、各チャンネルを0.1 msごとに同期サンプリングして、各条件を45回繰り返しました。これらの設定は当該研究固有ですが、同期させる信号の組み合わせは他の試験にも応用できます(Experimental Techniques、2020年)。
故障を切り分けられる最短の信号チェーンを記録してください。
- 位置指令とコントローラ出力。 工学単位と生カウントを両方残します。
- バルブ指令と実電流。 電流フィードバックにより、方向が切り替わった瞬間も含め、ドライバとコイルがソフトウェア出力に追従したかを確認できます。
- 利用可能なら、スプールフィードバック、圧力、または流量。 疑われるバルブ不具合に最も近い変数を選び、すべての信号を百分率に変換せず、元のレンジを保持します。
- シリンダ両チャンバの圧力。 波形が1つだけでは、複動シリンダの圧力・面積による推力を求められません。
- 負荷位置と算出速度。 位置基準、フィルタ、微分方法、検出しきい値、時刻同期を記録します。レビュー用に未フィルタのチャンネルも残してください。
- 運転条件。 少なくとも、供給圧力、積載質量、取付方向、温度を記録します。試験中に変化する場合は、レギュレータ出力、バルブ状態、流量制御設定、サイクル履歴、停止時間、ストローク位置も追加します。
対象とする最短事象を十分な余裕をもって分解できるサンプリングレートを使用してください。100 Hzのロガーは低速の立上げランプには十分でも、バルブ電流の急速な変化を見逃すことがあります。サンプリングを高速化しても、圧力センサの長い導圧管、同期していないクロック、ノイズの多い微分、柔らかいブラケットに取り付けた位置変換器は改善しません。動作検出にも規則が必要です。実用的な定義の一例では、変位がを超え、保持時間にわたりその範囲外にとどまったときに動作と判定します。両方の値を公表してください。そうしなければ、機械系が変わっていないのに、ソフトウェアフィルタの変更がデッドバンドの変化に見えることがあります。
軸のデッドバンドはどのように計算しますか?
2020年のある試験条件では、測定された指令から動作までの遅れは、400および500 kPaで0.026 s、200 kPaで0.029 sでした。これはその試験装置の時間遅れであり、デッドバンドの割合ではありません。不応指令幅と経過応答時間を別々に計算し、報告する必要があることを示しています(Experimental Techniques、2020年)。
規定した出力を記録しながら、正方向と負方向へ低速で指令を掃引します。元の単位を使用してください。を最初の持続的な正方向動作が始まる指令、を負方向のしきい値とします。中央の不応指令幅は次のとおりです。
正規化値が実際に有用な場合は、試験した入力スパンを明記します。
この割合は、その入力スケールと検出規則に固有の値です。ここからストローク誤差を推定しないでください。コントローラは不応区間を積分で通過する場合も、許容差ウィンドウ内に整定する場合も、しきい値間で振動する場合もあります。各方向について、動作が始まった正確な時点の圧力・面積による起動推力も計算します。をおよびと比較すると、外観上よく似た次の2種類の変化を切り分けられます。
| 試験結果 | 考えられる解釈 |
|---|---|
| 指令しきい値は変わるが、起動推力はほぼ同じ | バルブ、電子回路、スケーリング、圧力立ち上がりが変化 |
| 一方向の起動推力が増える | 芯ずれ、ガイド荷重、シール状態、重力、付帯配管が変化 |
| 長時間停止後に両方のしきい値が変動 | シール・潤滑状態または停止時間依存摩擦が関与する可能性 |
| 毎回スリップ前に圧力が振動 | 圧縮性とバルブ流量が摩擦と相互作用 |
| 位置は動くが検出器は不応のまま | センサしきい値、フィルタ、バックラッシ、取付が動きを隠している |
計算例:補償前後の指令しきい値を比較
例として、ある軸が-10~+10 Vの指令を使うとします。スパンを明記し、記録してください。持続的な正方向動作はで始まり、負方向動作はで始まります。測定された中央幅は次のとおりです。
規定した20 Vスパンに対しては、次の値になります。
これらは説明用の入力値であり、シリンダ仕様ではありません。補償によってしきい値が+0.3 Vと-0.2 Vに変わった場合、幅は0.5 V、同じスパンの2.5%まで低下します。この変化を合格とするのは、独立したサイクルでも整定が安定し、ピーク推力が許容範囲にあり、クリープ、チャタリング、衝撃がないことを確認できた場合だけです。
指令デッドバンドと起動推力は相補的な測定値です。片方だけを追跡しても、補償が入力経路を是正したのか、それとも機械的な問題に対して単に強く押しただけなのかは分かりません。
摩擦モデルと補償方法
Canudas de Witらは1995年に、平均ブリッスル変位、予すべり変位、ストライベック効果、ヒステリシスを表現する1状態摩擦モデルを提案しました。その後、2018年の空圧位置決め研究では、LuGreモデルに基づく摩擦補償をサーボ空圧軸へ適用しました(IEEE、1995年、Journal of Mechanical Engineering、2018年)。
摩擦補償とは、特定した摩擦の影響を打ち消すために使用する、制限付きのコントローラ項または推定外乱です。機械的に拘束された軸が動くまで推力を増やしてよいという意味ではありません。
モデルの複雑さは、要求される動作と利用可能な測定値に合わせる必要があります。
| 方法 | 表現するもの | 適した用途 | 主なリスク |
|---|---|---|---|
| 方向別オフセット | 正方向と負方向で別々の起動指令 | 再現性のあるハードウェア、中程度の精度、緩やかな変化 | 摩擦変化後の過補償 |
| クーロン摩擦+粘性摩擦モデル | 方向依存の定数項と速度項 | ゼロ速度から離れた動作 | 予すべりと反転挙動の表現が不十分 |
| ストライベック曲線 | 低速域で高く、クーロン摩擦へ低下する摩擦 | 同定データを用いた低速フィードフォワード | ゼロ近傍の速度推定に敏感 |
| LuGreまたは拡張モデル | 予すべり状態、ストライベック挙動、ヒステリシス | 同定と検証のリソースを確保できるサーボ軸 | パラメータ、状態推定、調整工数が増える |
| 外乱オブザーバ | モデル化されていない合力をオンライン推定 | 信頼できる動力学モデルとフィードバックがあるシステム | 負荷変化を摩擦と誤認する可能性 |
| ディザ | 固着回避を意図した小さな交番指令 | バルブ、機械、騒音、摩耗、安全性が許容する場合のみ | 発熱、振動、摩耗、騒音、意図しない動作 |
一般的な静的モデルは次のとおりです。
このモデルでは、は同定した静止摩擦レベル、はクーロン摩擦レベル、はストライベック速度スケール、は形状指数、は粘性係数です。実装に遷移規則を追加しない限り、符号関数によってこの式はゼロで不連続になります。別のシール、ボア、潤滑剤、負荷、温度の値を流用せず、実際の軸からパラメータを同定してください。
オブザーバを用いた空圧研究では、内側圧力ループ、外側位置ループ、摩擦オブザーバ、速度オブザーバを使用し、推定摩擦力に基づいて目標圧力を調整しました(JSME、2009年)。この構成は、補償を説明のないPLC出力の跳躍としてではなく、定義された制御層に入力すべき理由を示しています。
補償はどのようにコミッショニングしますか?
2026年に研究者は3本の空圧シリンダを比較し、流量、供給圧力、負荷、初期位置を変えながら、位置、速度、2つのチャンバ圧力、推定摩擦を測定しました。繰り返し発生する固着とすべりは、速度だけに依存する摩擦ではなく、システムレベルの連成によって支配されていました(Actuators、2026年)。
補償は管理された段階でコミッショニングします。
- 機械系の健全性を確認します。 コントローラゲインを変更する前に、芯出し、ガイド、側荷重、エンドストップ、シール、潤滑方針を確認します。
- 空圧供給を安定させます。 動的供給圧力と両チャンバ圧力を記録します。実負荷を動かしながら、チューブ配管、メータアウト設定、排気背圧を確認します。
- センシングを検証します。 極性、スケール、ゼロ点、取付剛性、ノイズ、時刻同期、動作検出器を確認します。緩んだエンコーダブラケットに合わせたオフセットは、摩擦補償ではありません。
- 基準データを取得します。 保持を繰り返しながら、低速の双方向ランプを実行します。
- 必要十分な最小モデルを選びます。 再現性のあるハードウェアなら、方向別の起動項で十分な場合があります。独立サイクル間で残差に規則性が残る場合だけ、速度依存性または動的状態を追加します。
- 追加するすべての項を制限します。 出力制限、変化率制限、積分器管理、反転ロジック、および圧力信号や位置信号が無効になった場合の安全なフォールバック動作を定義します。
- 同定サイクル以外でも再試験します。 まず停止時間を変えます。その後、各試験間でパラメータを再同定せずに、方向、ストローク位置、積載質量、供給圧力、速度、承認温度範囲を網羅します。
空気の圧縮性による制御への影響は、摩擦モデルと分けて扱ってください。蓄積エネルギーは依然として重要です。ピストンが固着している間も圧力は上がり続け、すべり時に空圧エネルギーを放出することがあります。このエネルギーを調べずに摩擦オフセットを増やすと、初動時の衝撃が強くなる可能性があります。
補償では直せない故障パターン
2026年の研究では、空気流量、供給圧力、外部負荷、ピストン初期位置を変えながら、3本のシリンダでスティックスリップが観察されました。この試験マトリクスは、1つの普遍的な補正値を使うべきでないことを示しています。似たようなぎくしゃくした動作でも、圧力立ち上がり、バルブ流量、チャンバ容積、摩擦、負荷の組み合わせは異なる場合があります(Actuators、2026年)。
| 波形パターン | 考えられる経路 | 再調整前の対処 |
|---|---|---|
| コントローラ出力が一定またはクリップされる | PLCスケーリング、不感帯、制限、インターロック | 指令生成と出力制限を点検 |
| 電流は変わるがスプールまたは流量が変わらない | バルブドライバ、コイル、スプールオーバーラップ、汚染 | バルブ単体の入力変数と出力変数を試験 |
| 両方向で圧力上昇が遅い | バルブ・チューブの容量不足、供給圧低下、漏れ、大容積 | 動的圧力と流路を確認 |
| 一方向だけ著しく大きい起動推力が必要 | 側荷重、ガイド予圧、重力、シール非対称 | 機械系を是正し、方向別推力を計算 |
| 起動推力がストローク位置で変わる | シリンダチューブ、ガイド、芯ずれ、付帯ホース・ケーブル | 全使用ストロークで摩擦をマッピング |
| 一定の圧力ランプ後に突然すべる | 圧縮性と流量が摩擦と相互作用 | メータアウト制御と低速安定性を確認 |
| 補償によって交互の修正動作が生じる | 過大ゲイン、オフセット、遅れ、積分ワインドアップ | 制限項を減らし、ループタイミングを確認 |
| 停止時間後に摩擦が増える | 停止時間依存のシールまたは潤滑挙動 | 同定と合否判定に停止時間を含める |
メータアウト設定は低速動作の安定化に役立ちますが、排気絞りが過大だと背圧が上がり、利用可能な推力が変化します。メータアウト速度制御ガイドでは、この空圧層を解説しています。低速での跳ねが繰り返される場合は、専用のスティックスリップ解析と波形を比較してください。機械的な引っ掛かりを補償で押し切ってはいけません。検出可能な保全問題を、シール、軸受、ガイド、治具にかかるより大きな荷重へ変えてしまいます。同様に、最終位置誤差を減らしても、衝突速度やピーク推力を増やすコントローラは、軸全体を改善したとはいえません。
実用的な検証記録
ISO 19973-3:2015は、空圧シリンダの信頼性をサイクル数または走行距離(km)で扱い、ロッドシリンダの試験および報告手順を定めています。しかし、6か月ごと、または100万サイクルごとといった普遍的なデッドバンド点検間隔は示していません。間隔はリスクによって決まります。保全および再検証の頻度は、観測された変動、シリンダデータ、機械の稼働条件に基づいて決める必要があります(ISO、2015年)。
別の技術者が結果を再現できるだけの情報を記録してください。
- シリンダのメーカー、型式、ボア、ロッド径、ストローク、取付方法、ガイド、シール仕様を特定します。
- バルブとドライバの型式、および元の指令スケールを記録します。
- 積載質量、取付方向、外力、治具、付帯ホースまたはケーブル、試験したすべてのストローク位置を記述します。波形に影響する場合は、動的供給圧力、レギュレータ挙動、配管、流量制御設定を含めます。
- 圧力センサの型式とポート位置を記録します。位置検出については、分解能、取付、サンプリングレート、フィルタ、微分、チャンネル時刻同期を含めます。
- 動作しきい値、保持時間、ランプ速度、方向、停止時間、サイクル履歴、温度を明記します。
- とを元の単位で報告します。圧力・面積による推力を計算した場合は、、、不確かさ、反復回数、合否限界も加えます。
- コントローラのバージョン、補償パラメータ、クランプ、反転ロジック、故障時動作、最終合否判定に使用した独立サイクルを保存します。
有用なデッドバンド記録は、機械を1つの割合に単純化せず、測定境界と不確かさを残します。同じ軸でも、入力、出力、停止時間、負荷、方向、検出しきい値が変われば、異なる値が得られるのは妥当です。
理論シリンダ推力も確認する場合は、空圧シリンダ推力ガイドに圧力・面積による基準計算があります。デッドバンド解析では、一般的な摩擦割合を適用するのではなく、実測背圧、負荷、重力、起動摩擦を追加する必要があります。発行者と執筆者については、会社概要をご覧ください。型式ごとの波形レビューを依頼する場合や技術的な訂正を送る場合は、シリンダ、バルブ、負荷、センシング、同期圧力の各データを添えてお問い合わせからご連絡ください。
空圧シリンダのデッドバンドに関するFAQ
2つの実験が、再現性を考慮する必要性を示しています。2020年の研究は各条件を45回繰り返し、2026年の研究は3本のシリンダと複数の運転変数を比較しました。根拠のある回答には、ハードウェア、方向、負荷、圧力、停止時間、検出規則、測定した入力と出力の組み合わせを明記する必要があります(Experimental Techniques、Actuators)。
空圧シリンダのデッドバンドは通常5~15%ですか?
普遍的な5~15%という範囲はありません。割合は、選択した入力スパン、観測出力、方向、負荷、バルブ、圧力経路、センサしきい値、試験方法によって変わります。まず正方向と負方向の動作しきい値を元の単位で報告し、比較に必要な場合だけ、明確に示した指令スパンで正規化してください。
PID調整で静止摩擦デッドバンドをなくせますか?
PID制御は動作が始まるまで積分できますが、静止摩擦そのものをなくすわけではありません。この違いは重要です。積分ゲインや比例ゲインが過大だと、軸がしきい値を勢いよく超え、オーバーシュートやハンチングを起こすことがあります。まず機械的原因を是正し、その後、安定したフィードバックとアンチワインドアップ動作を維持しながら、制限付きフィードフォワード、摩擦推定、またはオブザーバを使用してください。
両チャンバの圧力が必要なのはなぜですか?
複動シリンダは、2つの異なる有効面積に圧力が作用して推力を発生します。供給圧力だけでは、ロッド側背圧と動的圧力損失が抜け落ちます。動作開始時に両チャンバ圧力を記録すると、方向別の圧力・面積による推力を計算し、機械摩擦の増加を、バルブ、供給、排気絞りの問題から切り分けられます。
固着するすべての軸にディザ信号を加えるべきですか?
いいえ。ディザは一部のバルブや機構で固着を減らせますが、意図しない動作、騒音、発熱、摩耗、圧力振動を生じることもあります。部品仕様と安全解析で許容される場合にのみ使用し、負荷、停止時間、温度、全運転範囲にわたって振幅と周波数を検証してください。
デッドバンドはどのくらいの頻度で再測定すべきですか?
コミッショニング時、関連するハードウェアまたはソフトウェアの変更後、および傾向として新たな遅れ、非対称性、ハンチング、起動推力の変化が現れたときに測定してください。結果をトレンド管理します。一定の暦日またはサイクル間隔を設定するには、メーカー指針または機械固有の信頼性根拠が必要です。ISO 19973-3はシリンダの信頼性試験を扱いますが、普遍的なデッドバンド点検間隔は規定していません。
出典および技術参考資料
- Ngoc、Pham、Xuan「空圧シリンダのスティックスリップ特性に関する実験およびシステムレベル・シミュレーション研究」、3本のシリンダを用いたシステムレベルのスティックスリップ実験と摩擦モデリング、Actuators、2026年。2026-07-23閲覧。
- Jiménez、Kurmyshev、Castañeda「複動空圧シリンダの実験研究」、チャンバ圧力と変位を同期測定した反復試験、Experimental Techniques、2020年。2026-07-23閲覧。
- Canudas de Witほか「摩擦を伴うシステム制御の新モデル」、LuGre摩擦モデルの基礎、IEEE Transactions on Automatic Control、1995年。2026-07-23閲覧。
- Weiほか「LuGreモデルに基づく摩擦補償を用いた空圧位置サーボ制御」、LuGre補償の空圧位置制御への適用、Journal of Mechanical Engineering、2018年。2026-07-23閲覧。
- Kosaki、Sano「空圧サーボシステムの位置決め制御に対するオブザーバベース摩擦補償法」、圧力ループと摩擦オブザーバの構成、Journal of System Design and Dynamics、2009年。2026-07-23閲覧。
- Emerson「Control Valve Handbook」、デッドバンドの定義と制御ループの文脈、第6版、2023年。2026-07-23閲覧。
- SMC「ITV1100/2100/3100 電空レギュレータ」、シリーズの感度、直線性、ヒステリシス仕様。2026-07-23閲覧。
- ISO 19973-3:2015、空圧ロッドシリンダの信頼性試験および報告範囲。2026-07-23閲覧。

