動力が失われたとき、空圧シリンダが必ず一つの予測可能な状態に移行するとは限りません。ISO 13850:2015はエネルギーの種類に依存せず非常停止機能を定義し、ISO 13849-1:2023は安全関連制御機能全体に適用されます。バルブを無励磁にしたことを安全の証明とみなさず、動いている軸に残るエネルギーを計算したうえで、実機に設置された停止機能を検証してください(ISO 13850、2015年;ISO 13849-1、2023年)。
この区別が重要なのは、電源喪失、圧縮空気供給の喪失、非常停止要求が、それぞれ異なる事象だからです。起こり得る結果も一つではありません。回路によっては、シリンダが惰走する、閉じ込め圧力で動き続ける、排気する、逆方向へ動く、または重力で動く可能性があります。応答は、正確なバルブ記号、スプリング位置、パイロット供給、負荷方向、排気経路、機械式保持装置によって決まります。
動力喪失時の非常停止衝撃力とは、残っている運動エネルギー、空圧エネルギー、重力エネルギー、またはばねエネルギーが除去される過程で生じる過渡反力です。予備計算では、エネルギーと平均力をスクリーニングできます。ピーク値を決めるのは、実機の力―時間応答だけです。
ここが計算の適用境界です。
要点
- ISO 13850:2015では、非常停止を動力喪失の同義語ではなく、定義された機械機能として扱います。
- エネルギーを停止距離で割って得られるのは平均力であり、機械に伝わるピーク力ではありません。
- 想定し得る最悪の質量、速度、圧力、バルブ状態、重力負荷、停止距離、再起動挙動を検証してください。
空圧軸にとって動力喪失とは実際に何を意味するのか
Festoは、安全停止1、安全停止2、安全停止・閉鎖、安全停止・ブロック、安全トルクオフ、安全運転停止など、少なくとも6つの関連する空圧応答を区別しています。これらの違いから、「動力を取り除く」だけではシリンダ状態の完全な仕様にならないことが分かります(Festoの安全空圧技術、2026-07-23参照)。
まず、起点となる事象を明確にします。電気制御電源が失われると、工場エアが供給されたままソレノイドが無励磁になる場合があります。供給配管の故障では上流圧力が失われても、下流容積内には圧縮空気が残ります。一方、非常停止要求は意図的な安全入力であり、必要な機械応答をあらかじめ定義しておかなければなりません。部品故障は、さらに別の事象です。
| 起点となる事象 | 直ちに変化し得るもの | 残り得るエネルギー | 検証すべき問い |
|---|---|---|---|
| 電気制御電源の喪失 | ソレノイドが復帰する、デテント位置にとどまる、または最後の機械位置を維持する | 供給圧力、シリンダ室内の閉じ込め空気、移動負荷のエネルギー、重力 | 無励磁位置では、どのポートが接続されるか? |
| 圧縮空気供給の喪失 | システム容積と漏れに応じて入口圧力が低下する | シリンダ室圧力、アキュムレータのエネルギー、移動負荷のエネルギー、重力 | パイロット段は引き続き切り換わるか、閉じ込め空気はどこから抜けるか? |
| 非常停止要求 | 安全ロジックが定義済みの応答を指令する | 設計した安全機能によって異なる | 軸は排気、保持、減速、またはそれらの組合せのどれを行う必要があるか? |
| バルブ、ホース、センサの故障 | 一つのチャンネルまたは流路が指令と異なる挙動を示す可能性がある | アクチュエータ片側の圧力が残る可能性がある | 必要な応答を損なう単一故障はどれか? |
最初に事象名を明確にしてください。
5ポート2位置バルブには、5つのポートと2つの定義位置があります。中立位置はありません。3つ目の位置を追加すると5/3構成になりますが、「クローズドセンタ」が示すのは回路図上の接続だけです。垂直負荷を保持できること、漏れが許容範囲であること、危険な再起動を防止できることの証明にはなりません。シリーズ名ではなく、正確な機種図面と安全データを使用してください。基本的な記号については、3/2バルブと5/2バルブの比較をご確認ください。
バルブ位置は判断材料であり、結論そのものではありません。
公称クローズドセンタ位置の周辺で何が起こり得るかを考えます。スプールがセンタに到達できるのはパイロット圧がある間だけかもしれず、上流のチェックバルブがそのパイロット供給を維持し、下流のチェックバルブが二つのシリンダ室に異なる圧力を閉じ込める場合があります。その後、外部負荷によって一方の室が圧縮され、もう一方では漏れや膨張が生じます。記号上は開いた流路がなくても、位置がドリフトする可能性があります。別の機械では、動きをブロックすることで危険なクランプ力が残り、立入り前に解放しなければならない場合もあります。どちらの結果も、センタ記号だけでは分類できません。解析には、回路全体、メーカーの漏れ量・切換データ、負荷方向、許容移動量、必要圧力状態、および関連故障を含む実機試験が必要です。
最も有用な境界は「電源オン」と「電源オフ」の区別ではありません。制御されているエネルギーと危険な動きを引き起こし得るエネルギーの区別です。電気的に停止していても、エネルギーが隔離されたとは限りません。圧縮空気と重力は引き続き軸を動かす可能性があります。一方、検証済みの保持機能によって危険な変位が防止される場合に限り、圧力を安全に残すことができます。
動力喪失時の停止エネルギー計算
ACEは、ほとんどの産業用ショックアブソーバ計算について、質量、衝突速度、追加駆動力、1時間当たりの事象回数、並列アブソーバ数という5つの基本入力を挙げています。そのうえで、1回当たりのエネルギーを、1時間当たりのエネルギーおよび有効質量とは分けて確認します(ACE Controls、2026-07-23参照)。
サイジングの共通尺度はエネルギーです。
まず、軸とともに動くすべての部品の並進運動エネルギーを求めます。
ここで、 はジュール単位の運動エネルギー、 はキログラム単位の総移動質量、 は停止動作直前のメートル毎秒単位の速度です。ピストンまたはキャリッジ、ツーリング、ブラケット、搬送製品、および動きがシリンダ軸に換算される機構を含めてください。
空圧推力、ばね、プロセス力、または別の駆動力が停止距離にわたって作用し続ける場合は、その仕事も含めます。位置によって変化する力の場合は、次式を使用します。
は推進仕事、 は位置 で負荷を駆動し続ける正味力、 は有効停止距離です。根拠のある一定力近似が適切な場合は、 を使用します。理論ボア推力を自動的に代入しないでください。事象中にシリンダ室圧力と排気背圧が変化する場合があります。
水平から角度 だけ傾いた直線軸では、重力の寄与は次式です。
重力が負荷をストッパ方向へ駆動する場合は を正、動きを妨げる場合は負とします。 を使用し、各移動方向について符号を記録してください。
1回の事象に対するスクリーニングエネルギーは、次式で求めます。
閉じ込められた圧縮空気は、シリンダ室の容積と圧力が変化するにつれて、非線形に仕事を加えたり差し引いたりする可能性があります。この影響を無視できない場合は、推測した「残圧率」ではなく、検証済みの空圧モデルまたは測定した圧力―位置データを使用してください。
生産中に停止を繰り返す場合は、熱負荷も確認します。
は1時間当たりのエネルギー、 は1時間当たりの停止回数です。1回の衝突エネルギーが同じでも、非常時専用装置と連続サイクルで使用するアブソーバではデューティ限界が異なる場合があります。
移動負荷エネルギーに絞った説明は、運動エネルギー計算ガイドをご確認ください。有効質量、復帰時間、温度、取付、機種選定については、外部ショックアブソーバのサイジングガイドをご利用ください。
平均力、ピーク力、停止距離
ACEは、適切に調整した自社産業用アブソーバについて、普遍的な ではなく、機種固有の反力近似式 を使用しています。このメーカー係数は、質量と停止距離だけでは、任意のシリンダ、バンパ、ブラケット、ハードストッパのピーク力を求められないことを示しています(ACE Controls、2026-07-23参照)。
距離によって変わるのは平均値であり、曲線形状ではありません。
エネルギー等価平均力は、事象エネルギーを有効停止距離で割って求めます。
は、仮定した有効距離 にわたる平均力です。この結果は停止方式の比較に役立ちますが、減速曲線の形状、隙間の詰まり、接触剛性、シール摩擦、ブラケット振動、反発、力の測定位置は含みません。
実際の加速度履歴が得られる場合、移動質量による慣性力は次式です。
特定のボルト、ガイド、ロッド、フレーム部材に作用する荷重は、空圧推力、重力、リンク機構の形状、局所的な動的応答が同じ荷重経路に加わるため、なお異なる可能性があります。構造上のピーク限界が重要な場合は、適切なロードセル、加速度計、圧力変換器、または検証済み動的モデルを使用してください。
平均力だけではブラケットの安全性を証明できません。
計算書には二つの境界を設け、別々に扱ってください。エネルギー境界では、停止装置が吸収すべき量を決めます。構造境界では、反力の伝達先とピーク荷重確認が必要な部品を特定します。最初の境界に合格しても、二つ目に自動的に合格するわけではありません。
計算例:30 kgの移動負荷から何が分かるか
仕事―エネルギー解析では、測定した質量と衝突速度だけで初期運動エネルギーを求められますが、平均力を推定するには停止条件の定義も必要です。そのためACEは、衝突速度、駆動力、ストローク、サイクル頻度を一つの衝撃係数にまとめず、個別の用途入力として扱っています(ACE Controls、2026-07-23参照)。
この例では、意図的に適用範囲を限定します。
次の測定値または仕様値を持つ水平キャリッジを考えます。
| 入力 | 値 | 適用境界 |
|---|---|---|
| 総移動質量 | 30 kg | キャリッジ、ツーリング、製品を含む |
| 停止前速度 | 1.5 m/s | ストッパ付近で測定 |
| 重力仕事 | 0 J | 水平軸 |
| 継続駆動仕事 | このスクリーニング例では0 J | 駆動力が負荷を押し続けないと仮定 |
運動エネルギーを計算します。
次に、仮定した三つの停止距離を比較します。これは方式比較であり、製品定格ではありません。
| 仮定した有効停止距離 | エネルギー等価平均力 | 結果の意味 |
|---|---|---|
| 全距離を使う制御停止の予備平均値 | ||
| エネルギーが同じでも距離が短いほど平均値が上がる | ||
| 非常に短い停止のスクリーニング平均値であり、ピーク力予測ではない |
これらの仮定では力が距離に反比例するため、停止距離5 mmの平均値は40 mmの場合の8倍です。ただし、機械に6,750 Nのピークが生じることを示すものではありません。剛体接触では持続時間の短いより高いピークが発生し得る一方、適切に調整したアブソーバには固有の反力曲線とカタログ限界があります。
シリンダが25 mmの停止距離にわたり600 Nで押し続ける場合、次のエネルギーが加わります。
両項の合計は48.75 Jとなり、25 mmに対する平均力は1,950 Nです。したがって動力喪失試験では、停止区間中に推力が本当に消失するのか、減衰するのか、逆転するのか、または閉じ込められたままなのかを明らかにする必要があります。
平均とピークの行程端荷重の違いについては、行程端力のガイドをご確認ください。
危険源に適した停止方式はどれか
ISO 12100:2010は機械のリスクアセスメントとリスク低減の方法を示し、ISO 13849-1:2023は電気、油圧、空圧、機械、ソフトウェア技術にまたがる安全関連制御機能の設計方法を示しています。どちらの規格も、すべてのシリンダに一つの普遍的なバルブ構成を指定してはいません(ISO 12100、2010年;ISO 13849-1、2023年)。
部品を選ぶ前に、危険事象と必要な状態を定義してください。「シリンダを安全に停止する」だけでは曖昧です。代わりに、トリガ、動作方向、最大許容移動量、停止時間、最終圧力または保持状態、関連故障への応答、リセット挙動を明記します。
| 危険状態 | 考えられる応答方式 | 検証すべき事項 |
|---|---|---|
| 水平キャリッジが人に衝突する可能性がある | 制御減速後に排気またはブロック | 停止時間、移動量、危険点での力または速度、再起動防止 |
| 圧力を除去すると垂直負荷が落下する可能性がある | 制御停止と、検証済みブレーキ、ロッドロック、または機械式支持の組合せ | 保持容量、係合位置、診断挙動、漏れ、負荷ドリフト |
| 閉じ込め圧力そのものが危険である | 先に動きを停止し、その後で定義したゾーンを排気して圧力を監視 | 残圧、排気時間、サイレンサの制限、立入り条件 |
| 停止後も製品をクランプしておく必要がある | リスクアセスメントで許容された箇所だけ圧力を維持 | 圧力低下、チェックバルブ漏れ、独立拘束、故障応答 |
| 蓄積された運動エネルギーがシリンダクッション定格を超える | 適切に選定した外部アブソーバまたは別の制御停止を追加 | 事象エネルギー、1時間当たりのエネルギー、有効質量、速度、ストローク、反力、取付 |
危険源が必要な機能を決めます。
機能には違いがあります。Festoの定義は、利用可能な考え方を示しています。SS1はアクチュエータを減速した後、シリンダ室圧力を低下させます。SS2は減速後も圧力を維持して停止状態を保持します。SSCはエネルギー経路を閉じ、蓄積エネルギーを使って停止状態へ到達します。SSBは停止とブロックを組み合わせます。ただし、これらの説明だけでは、1台の一般バルブで要求パフォーマンスレベルを達成できることの証明にはなりません。
垂直軸については、ロッドロック安全ガイドをご確認ください。安全関連制御チェーン全体については、ISO 13849空圧安全回路ガイドをご利用ください。
実機の非常停止をどのように検証すべきか
ISO 13849-1:2023は安全関連制御機能全体の統合に適用され、特定の機械に必要な安全機能やPLrを規定していないことも明示しています。したがって、検証ではバルブ証明書だけでなく、実機の入力、ロジック、空圧出力、アクチュエータ、負荷、機械反力を対象にする必要があります(ISO 13849-1、2023年)。
合否限界は試験計画に記載してください。
ハードウェアを変更する前に試験マトリクスを作成します。最重量・最軽量ペイロード、想定し得る最速の接近速度、両移動方向、最大・最小圧力、通常温度・悪条件温度、関連するバルブまたはセンサ故障、リスクアセスメントで特定したすべてのエネルギー喪失モードを含めます。
安全要求に答えられる量を測定してください。
- 要求前速度: 平均ストローク速度だけでなく、停止が始まる位置での速度を記録します。最終接近を平滑化してしまわない十分なサンプリング速度を使用してください。
- 停止時間と停止距離: 安全要求の発生時点から測定し、さらに空圧出力の変化時点からも別に測定します。
- 両シリンダポートの圧力: 停止中に推力が残る、逆転する、または減衰するかを記録します。空圧仕事を動きと関連付けられるよう、両圧力チャンネルを位置と同期させます。
- 加速度または反力: ピーク荷重が重要な場合は、過渡応答を捕捉できる十分なサンプリング帯域幅を使用します。
- 最終位置とドリフト: 反発、整定、漏れによる移動、重力による移動、および指定保持時間にわたり停止した後の状態を観察します。
- 残圧: メイン圧力計が監視していない隔離分岐も含め、立入りまたは保守前の圧力状態を確認します。
- リセットと再起動: 電源または空気供給を復旧しても、危険な動きが始まらないことを確認します。
用途を検討してきた経験では、弱い停止方式を最も早く見つける方法は、回路図と、位置、両シリンダ室圧力、安全指令の同期波形を並べることです。回路図は意図した状態を予測します。同期波形は、実際のバルブタイミング、絞り、漏れ、機械要素がその状態を実現しているかを示します。
指令だけでなく、故障そのものを試験してください。
検証時には、すべての波形を共通の時間軸に合わせ、生のサンプルレートを保持します。安全入力の遷移、ロジック出力の遷移、バルブ状態表示、減速開始、停止、後から生じるドリフトを記録してください。各時刻を規定応答限界と比較します。次に、圧力と位置の関係を調べます。一方のポート圧力が低下しても、反対側のシリンダ室または重力が負荷を駆動していれば、力が消えた証明にはなりません。通常のばらつきを把握できるまで試験を繰り返しますが、少数のサンプルから普遍的な統計上の保証を導かないでください。保守後に別の技術者が結果を再現できるよう、受入記録にはペイロード、レシピ、レギュレータ設定、温度、部品改訂、センサレンジ、サンプリング設定、試験用拘束装置を記載します。
保護されていない生産機で故障を発生させないでください。事前に計画します。故障試験には、保護された立入り、拘束した負荷、適切な計測器、責任を負う機械安全技術者が必要です。保守チームが変更後に受入試験を繰り返せるよう、正確な部品機種と設定を記録してください。
非常停止で避けるべき設計上の近道
ISO 4414:2010は、空圧システムの設計、製作、改造、設置、調整、運転、保守にわたる重大な危険源を対象としています。このライフサイクル全体の範囲は、バルブを選ぶ、または計算力に一律の余裕率を掛けるだけよりも広いものです(ISO 4414、2010年)。
近道はインターフェースで破綻します。
もっともらしい部品単位の仮定が、危険な機械挙動へ変わるのはインターフェース部分です。すべての受渡し点を確認してください。バルブがカタログ記載時間内に切り換わっても、長いチューブによってシリンダ室応答が遅れる場合があります。ロッドロックが定格軸方向荷重を保持できても、柔軟な取付部によって横荷重が生じる場合があります。圧力スイッチがマニホールドの排気完了を示しても、隔離されたアクチュエータ容積に圧力が残る場合があります。ショックアブソーバが1回当たりのジュール限界を満たしても、実際の事象頻度では過熱したり、容量不足のブラケットへ反力を伝えたりする可能性があります。電気ロジック、空圧流路、アクチュエータ機構、外部停止ハードウェア、構造、センシング、作業者の立入りを一つのチェーンとして検討してください。受入証拠は、購入する部品の境界で止めず、エネルギー経路全体を追跡する必要があります。
次の近道は避けてください。
| 近道 | 失敗する理由 | より適切な技術対応 |
|---|---|---|
| 「全ポート閉なら安全」 | 空気の圧縮性、漏れ、重力、外力によって軸が動く可能性がある | 許容移動量を定義し、圧力、ドリフト、保持挙動を検証する |
| 「両室排気が常に最も安全」 | 垂直負荷または動きを助長する負荷は、支持圧がなくなると落下・加速する可能性がある | 危険源に基づく検証済みの保持・ブロック手段を設ける |
| 「40%の余裕を加えれば平均力をピーク力に換算できる」 | 任意の乗数では力―時間曲線を再現できない | ピーク応答を測定するか、メーカーの反力データと検証済みモデルを使用する |
| 「柔軟な取付なら衝撃が小さくなる」 | 制御されていないフレームたわみは芯ずれを生み、不確かな荷重を別の箇所へ伝える | 構造検証済みの荷重経路に、定格エネルギーアブソーバを使用する |
| 「UPSがあれば制御停止を保証できる」 | バックアップ電源は、安全機能、診断、故障モード、容量が検証されて初めて有効である | 電源を安全機能全体の一つのサブシステムとして扱う |
| 「シリンダクッションがすべての停止に対応する」 | クッション性能は進入速度、圧力、排気経路、調整、正確なシリンダ定格によって変わる | 最悪停止エネルギーを機種固有のクッションデータと比較し、試験する |
| 「安全認証バルブを使えば機械が適合する」 | 達成される安全性能は機能全体に属する | 入力、ロジック、出力、アクチュエータ応答、診断、故障を一体で検証する |
内蔵空圧クッションは、通常の行程端減速に有効です。ただし、装備されているだけでは異常停止の安全性を証明できません。クッション進入速度と実際の排気経路を確認すべき理由については、高速エアクッションガイドをご確認ください。
非常停止の検証チェックリスト
ISO 13850:2015は非常停止機能の機能要件を定義しますが、制動、遮蔽、切離し、動作制限の設計そのものを示す規格ではありません。機能レベルの要件と、用途に適した機械リスクアセスメント、空圧安全規則、制御システム妥当性確認を組み合わせてください(ISO 13850、2015年)。
構成管理によって検証を完結させます。
機械をリリースする前に、ファイルに次の記録が含まれていることを確認してください。
| 必要な記録 | 合否判定の証拠 |
|---|---|
| 起点となる事象 | 電源喪失、空気供給喪失、非常停止要求、関連部品故障を別々に定義 |
| 安全状態 | 危険な軸またはゾーンごとに必要な圧力、動き、保持、立入り状態 |
| 回路識別情報 | 正確なバルブ記号、無励磁位置、パイロット源、チェック、絞り、排気経路 |
| 動作入力 | 停止直前に測定した総移動質量と速度 |
| エネルギー計算書 | 単位、方向、出典、仮定を含む運動、推進、重力の各項 |
| 装置限界 | 設置デューティに対する正確なクッション、バンパ、ブレーキ、ロック、アブソーバ機種データ |
| 構造境界 | 荷重経路、および必要に応じた測定済みまたは検証済みピーク荷重証拠 |
| 停止試験 | 時間、距離、シリンダ室圧力、反発、最終位置、ドリフト、再現性 |
| 故障応答 | 関連単一故障の挙動、診断タイミング、達成安全性能の証拠 |
| 再起動制御 | 意図的なリセット、予期しない再起動の防止、変更後の再試験トリガの定義 |
ペイロード、速度、圧力、チューブ、バルブ、シリンダ、アブソーバ、取付、コントローラタイミング、機械形状を変更した場合は、再計算と再試験を行ってください。構成管理がなければ、実機の停止状態が記録内容と異なった時点で計算書の信頼性が失われます。
動力喪失時の非常停止FAQ:技術者は何を確認すべきか
ACEは産業用ショックアブソーバの選定前に少なくとも5つの用途入力を使用し、ISO 13849-1:2023は一つの部品ではなく安全関連制御機能全体を評価します。次の質問は、予備エネルギー計算を、バルブ状態解析、構造検証、実機試験と分けて扱うためのものです(ACE Controls、2026-07-23参照;ISO 13849-1、2023年)。
電源が失われると、空圧シリンダの推力は直ちにすべて失われますか?
いいえ。電源喪失によってソレノイドバルブの位置が変わっても、供給圧力やシリンダ室内の閉じ込め圧力が残る場合があります。その後の動きは、バルブの2位置または3位置、スプリング構成、パイロット源、ポート接続、チェックバルブ、漏れ、負荷によって決まります。定義した故障試験で、両シリンダ室の圧力と動きを測定してください。
エネルギーを停止距離で割れば、ピーク衝撃力が求まりますか?
いいえ。エネルギーを有効停止距離で割った値は、明示した仮定のもとでのエネルギー等価平均力です。ピーク力は力―時間曲線と荷重経路によって決まります。30 kgの例で停止距離5 mmから得られる6,750 Nは平均値であり、検証済みのピーク値ではありません。
動力喪失時の停止では、シリンダを排気すべきですか、それとも圧力を閉じ込めるべきですか?
どちらか一方が常に正しいわけではありません。Festoは、停止後に減圧するSS1と、停止後も圧力を維持するSS2を区別しています。垂直負荷にはブロックが必要な場合がある一方、別の機械では閉じ込め圧力そのものが危険源になる場合があります。リスクアセスメントから応答を選定し、実機回路で検証してください。
外部ショックアブソーバはいつ必要ですか?
選定したシリンダクッションや他の停止装置が、想定し得る事象エネルギー、速度、有効質量、またはデューティを受け止められない場合に使用します。選定にはジュール値以外も必要です。ACEは1回当たりのエネルギー、1時間当たりのエネルギー、有効質量、ストローク、衝突速度を確認したうえで、取付状態と実機を検証しています。
非常停止の受入試験では、どの測定値を記録すべきですか?
少なくとも、要求直前の速度、停止時間、停止距離、両シリンダ室圧力、必要に応じた加速度または反力、最終位置またはドリフト、再起動挙動の7群を記録します。想定し得る最悪条件と関連故障を試験し、各結果を主観的な「滑らかな停止」ではなく、文書化した安全機能の限界値と比較してください。
出典・技術資料
ISO 13850:2015、非常停止機能とエネルギー源に依存しない設計原則
ISO 13849-1:2023、複数技術にまたがる安全関連制御機能の設計と統合
ISO 12100:2010、機械のリスクアセスメントおよびリスク低減方法
ISO 4414:2010、空圧システムの一般規則およびライフサイクル安全要件
Festo、SS1、SS2、SSC、SSB、STO、SOSを含む空圧安全サブ機能
ACE Controls、1回当たりのエネルギー、推進仕事、1時間当たりのエネルギー、有効質量、産業用ショックアブソーバの計算基礎

