比例圧力制御のヒステリシス測定：シリンダの静特性と動特性 | ベプト空圧、ベプト工業の空圧製品ライン

ヒステリシスループは、同じ圧力指令でも、上昇方向から近づいた場合と下降方向から近づいた場合で測定結果が異なるかどうかを示します。この結果は、入力、出力、走査方法、安定判定ルール、フルスケールの基準、空圧境界を一緒に明示した場合にのみ有用です。

この境界がシリンダシステムで実務上の問題になります。指令からレギュレータ圧力までのグラフは、指令からシリンダ推力または位置までのグラフとは異なる経路を試験します。後者には、レギュレータの挙動、圧力センサ誤差、チューブ遅れ、室圧、シール摩擦、ガイド荷重、リンク機構のコンプライアンス、コントローラが含まれる可能性があります。

要点

上昇・下降出力を同一の入力点で測定し、任意のループを目視した幅からヒステリシスを推定しないでください。

静的試験には安定後のステップを使い、動的追従には時間を管理したランプまたは波形を別に使います。

指令、レギュレータ出口圧力、シリンダ室圧力、推力または位置を、同一の時間基準で記録します。

受入れ限界は普遍的なパーセンテージではなく、正確な部品仕様と機械の工程許容差から設定します。

ヒステリシスループは実際に何を測定するか

Bürkertは、弁のヒステリシスを、電気入力の全範囲を上昇・下降方向に走査したときの流体出力差の最大値を、最大流体出力で正規化したものと定義しています（Bürkert比例弁概要、2026年7月23日閲覧）。ヒステリシスとは、一致する入力値で現れる方向依存の経路差であり、一般的な遅れやランダムなばらつきではありません。

データ収集前に、1つの入力 $u$ と1つの出力 $y$ を決めます。電空レギュレータ試験では、 $u$ は0-10 V指令、 $y$ は調整後の出口圧力とします。シリンダ推力試験では、電気指令を入力のままにし、 $y$ をロードセルの推力にできます。これらのグラフは異なる問いに答えます。

選択した出力によって、フルスケールの分母も決まります。0.5% FSの圧力仕様を、最大ロードセル推力で正規化した推力ループや、シリンダストロークで正規化した位置ループと直接比較することはできません。比例弁のヒステリシスと直線性ガイドでは部品仕様を扱い、本稿では設置後の圧力制御経路に焦点を当てます。

指令を横軸に置く場合、ヒステリシスは一致する入力における出力の垂直方向の分離です。曲線は概念図であり、実際の結果は指定した機器、範囲、条件、手順によって変わります。

すべてのループを、指令-圧力、圧力-推力、推力-変位、または指令-位置という順序付きの組で命名します。「ヒステリシス」だけでは測定境界が隠れ、異なる意味のパーセンテージを合算する原因になります。

静的ヒステリシスと動的遅れ

ISO 6358-1:2013は定常状態の空圧流量試験を定義していますが、内部フィードバックを持つレギュレータや、シリンダのように流体とエネルギーを交換する部品を明示的に除外しています（ISO 6358-1、2013年）。したがって、シリンダの圧力ループ試験では、その規格から普遍的なランプ速度を借用せず、静的または動的の目的を自ら明示しなければなりません。

静的ヒステリシスとは、一致する上昇・下降の指令レベルが文書化した安定化ルールを満たした後にも残る、方向依存の分離です。各レベルの安定値を保持します。30秒などの固定遅延が自動的に正しいとは限りません。必要な停止時間は、レギュレータ応答、下流容積、漏れ、センサフィルタ、工程動作によって決まります。

動的遅れとは、明示したランプ、三角波、正弦波、または生産プロファイル中に生じる、指令と測定応答の時間依存差です。指令速度を上げると、充填、排気、センサフィルタ、コントローラのサンプリング、チューブの絞り、空気の圧縮性による位相遅れで、描かれるループが広がることがあります。この動的経路については、空気圧縮性の空圧シリンダ制御ガイドで説明しています。

なぜ試験を分けるのでしょうか。機器の安定後ループは狭くても高速ループは広い場合があり、また、方向に依存する2つの値へゆっくり安定する場合もあります。両方を1つの「ヒステリシス率」にまとめると、有用な診断ができなくなります。

試験	主な問い	固定すべき条件	報告する結果
安定後ステップ	同じ入力で方向が定常出力を変えるか	ステップレベル、停止判定、供給、荷重、温度	一致点の最大分離と再現性
時間管理ランプ	ループは明示した指令速度に追従できるか	ランプ速度、サンプル速度、フィルタ、容積、荷重	指令と時間に対する方向分離
生産プロファイル	機械は工程要件を満たすか	レシピ、治具、積載、姿勢、供給	推力、圧力、位置、オーバーシュート、整定、サイクル結果

ループ面積にも同じ注意が必要です。電圧-圧力グラフの面積はvolt-barなどの単位を持ち、空圧エネルギーではありません。軸が仕事共役の組であり、正規化が定義されている場合を除き、曲線の記述量として扱ってください。

再現可能なシリンダヒステリシス試験手順

ISO 4414:2010は空圧システムの設置、調整、使用、保全における安全と予測可能な作動を扱い、ISO 6358-1の2026年追補は測定不確かさを明示的に扱います（ISO 4414、2010年、ISO 6358-1追補2、2026年）。有用なヒステリシス試験には、管理された危険源と追跡可能な測定計画の両方が必要です。

全範囲を動かす前に、荷重を拘束し、電源喪失、信号喪失、エア喪失時の安全動作を定義します。摩擦が離脱した後、圧力指令によってシリンダが予期せず動くことがあります。蓄積された空圧エネルギーが機構を動かせる場合、PLCの停止だけに依存しないでください。

次の試験構成を記録します。

レギュレータまたは弁の完全な型式、ファームウェア、指令形式、圧力範囲；
上流レギュレータの設定値だけでなく、試験中に測定した入口圧力；
下流チューブの長さと内径、継手、サイレンサ、室容積；
シリンダボア、該当する場合はロッド径、ストローク、姿勢、ガイド、積載、機械的拘束；
圧力センサの範囲、位置、校正状態、精度、ヒステリシス、フィルタ、サンプル速度；
ロードセルまたは位置センサの範囲、取付け、校正状態、サンプル速度；
エア温度と周囲温度、空気品質、該当する場合は潤滑状態；
指令レベル、接近方向、停止またはランプのルール、繰返し回数、受入れ計算。

全チャンネルで共通のタイムスタンプを使います。PLCのトレンドと携帯圧力計の記録を別々にすると、どの事象が先に起きたかを確実に示せません。時刻をそろえた波形により、レギュレータ圧力が変化し、シリンダ室が追従し、最後に荷重が動いたかどうかを確認できます。

静的試験では、普遍的なステップ幅を主張せずに曲線を明らかにできるだけの一致点を選びます。同じ前処理状態から下限点へ近づき、上昇シーケンス全体を実行し、明示した方法で上限点を保持または条件付けした後、同一の指令点を通って戻ります。完全なループを繰り返し、ヒステリシスを同方向の再現性から分離します。

計測器の能力は受入れルールに含めます。予想される分離がトランスデューサの不確かさ、ノイズ、量子化、供給変動に近い場合は、ガードバンドを設けるか、計測システムを改善します。小数点以下の桁数を増やして報告しても、証拠の質は上がりません。

最大圧力ヒステリシスはどう計算するか

SMCはITV電空レギュレータシリーズについて0.5% FS以下のヒステリシスを示し、直線性、再現性、感度を別々に報告しています（SMC ITVウェブカタログ、2026年7月23日閲覧）。同じ分離を使います。一致する上昇・下降圧力からヒステリシスを計算し、その他の誤差項は独立して報告してください。

ここで、 $u$ を電気指令、 $p_{\uparrow}(u)$ を上昇経路の安定圧力、 $p_{\downarrow}(u)$ を下降経路の安定圧力、 $p_{\mathrm{span}}$ を明示した圧力スパンとします。正規化した最大圧力ヒステリシスは次のとおりです。

H_p = \frac{\max_u \left|p_{\uparrow}(u)-p_{\downarrow}(u)\right|}{p_{\mathrm{span}}}\times 100\%

$H_p$ は、明示したスパンに対する圧力ヒステリシスのパーセンテージです。分子と分母には同じ圧力単位を使わなければなりません。圧力がゲージ圧か絶対圧かを記載し、 $p_{\mathrm{span}}$ を数値で定義します。調整範囲がゼロ起点でない場合は、上限値で暗黙に割るのではなく、 $p_{\mathrm{span}} = p_{\max}-p_{\min}$ を使います。

絶対最大分離も報告します。

\Delta p_{\max} = \max_u \left|p_{\uparrow}(u)-p_{\downarrow}(u)\right|

$\Delta p_{\max}$ は、許容圧力帯と比較できるため、機械の誤差予算ではより有用なことがよくあります。その値が発生した指令を記録します。圧力スパンを伴わない単一のパーセンテージは、工程上の影響に換算し直せません。

指令を横軸、圧力を縦軸に置いた場合、曲線の水平方向の幅を使わないでください。水平分離は、反対方向から同じ出力を得るためにどれだけ指令差が必要かという、別の逆問題に答えます。両方を計算することはできますが、異なる名称と分母が必要です。

レギュレータ誤差とシリンダ誤差を分ける信号

2025年の単動シリンダ研究では、弁指令、作動圧力、変位、動作状態、測定推力を記録し、負荷・除荷曲線は変位に応じて移動しました（Actuators研究論文、2025年）。この測定経路は、1つの指令-推力ループだけでは、観測された分離をどの部品が生じさせたか特定できない理由を示します。

工程変数が推力または位置の場合、少なくとも4つの信号を時刻同期して収集します。

指令 $u$ ： レギュレータまたは弁へ送った値。可能であれば実際のアナログ電流または電圧も記録します。
レギュレータ出口圧力 $p_r$ ： 指令-圧力特性を評価するため、レギュレータの近くで測定します。
シリンダ室圧力 $p_c$ ： 作動室の近くで測定し、チューブ、継手、排気絞り、下流容積の影響を明らかにします。
工程出力： 機械の受入れ基準点におけるロードセル推力 $F$ または位置 $x$ 。

中間点を同期測定すると、説明できなかった1つのシステムループを、試験可能な3つの関係に分けられます。センサ位置は各関係の一部です。

Interpret the pairs in order:

観測された分離	推定される境界	ハードウェア交換前の確認
指令からレギュレータ圧力	レギュレータ、指令電子回路、内部センサ、または供給条件	実入力信号、正確な型式仕様、入口圧力、排気、設定、温度
レギュレータ圧力から室圧	空圧経路または動的試験方法	チューブ内径と長さ、継手、サイレンサ、チェック弁、漏れ、室容積、ランプ速度
室圧から推力	シリンダと機構	シール摩擦、横荷重、ガイドの芯合わせ、対向圧力、リンク比、コンプライアンス、ロードセル取付け
室圧から位置	完全な動作軸	正味推力、積載、摩擦、クッション、ストッパ、エンコーダ取付け、コントローラ、接近方向

圧力だけではシリンダ推力は決まりません。複動シリンダでは、次の推力収支が有用です。

F = p_A A_A - p_B A_B - F_f - F_{\mathrm{ext}}

$p_A$ と $p_B$ は室圧、 $A_A$ と $A_B$ はそれぞれの有効ピストン面積、 $F_f$ は符号付き摩擦成分、 $F_{\mathrm{ext}}$ は選択した方向における外部抵抗荷重を表します。圧力差が空圧物理で推力を生む仕組みのガイドで面積項を説明しています。

方向分離が最初に現れる関係は、最終ループの幅が最大かどうかより診断価値があります。指令-圧力が密着していても圧力-推力が開くなら、比例レギュレータを交換しても機械経路の依存性は取り除けない可能性が高いです。

摩擦、遅れ、センサ影響をどう切り分けるか

空圧シリンダの実験では、非線形な予備摺動挙動と、室圧によって大きさが変化する摩擦推力-変位ループが確認されています（Bo et al.、2014年）。したがって摩擦はシリンダ側の原因として十分考えられますが、ループ形状だけでシールが原因だとは証明できません。

目視による推測ではなく、管理した変更を使います。

指令速度を一定にして停止時間を変える。 出力が安定するまで待つと分離が小さくなるなら、動的遅れまたはフィルタが関与しています。安定後にも残る差は静的な経路依存を示します。
室圧センサを移動する。 流量がある状態でレギュレータ側ポートとシリンダ側ポートの圧力差が大きいなら、直ちにレギュレータのヒステリシスと判断せず、空圧経路を疑います。
回路が安全に許せばシリンダを動かさずに繰り返す。 下流容積を固定したレギュレータ圧力ループにより、移動するシールや機械要素からレギュレータ挙動を分離できます。
固定位置で推力を比較する。 圧力-推力の分離が位置で変わるなら、ガイド荷重、シール変形、リンク形状、構造コンプライアンスが結果に含まれている可能性があります。
圧力シーケンスを保ったまま機械荷重を反転する。 推力または位置ループの移動から、重力、横荷重、バックラッシ、非対称な拘束を明らかにできる場合があります。
独立した圧力計測器を使う。 2つのセンサが一致すれば、センサのヒステリシス、レンジ、フィルタ、取付けをレギュレータ誤差と取り違える可能性を下げられます。
明示した温度と供給圧力で繰り返す。 一般的な季節補正を適用せず、具体的な条件を報告します。

デッドバンドには別の試験が必要です。多くの場合、反転後に明示した出力応答が現れるまで入力をどれだけ変える必要があるかを問います。ヒステリシスは同じ入力に対する2つの出力を比較します。両方の影響に1つのパーセンテージを割り当てる前に、比例弁デッドバンドのガイドを参照してください。

不規則なループは、生波形を確認する必要があります。飽和、指令クリッピング、圧力リップル、センサ量子化、配線の緩み、機械的衝撃、サイクル間ドリフトにより、安定したヒステリシス特性でも再現可能な動的応答でもない形状が生じることがあります。

許容できるヒステリシス限界はどの程度か

SMCはITVシリーズについて0.5% FS以下を指定し、FestoはあるVPPM構成について0.5% FSのヒステリシスと1.25% FSの総合精度を示しています（SMC ITV、2026年7月23日閲覧、Festo VPPM、2026年7月23日閲覧）。これらは型式固有の部品例であり、シリンダシステムに共通する限界ではありません。

受入れ基準を2層に分けます。

部品適合： レギュレータを正確なデータシートの定義、圧力範囲、供給条件、出力変数、試験方法と比較します。別シリーズのパーセンテージを流用しないでください。
機械受入れ： 生産時の荷重、方向、速度、温度、供給条件における圧力、推力、または位置差の許容値を定義します。

工程許容差を測定出力の単位に換算します。工程が明示した推力帯を許容するなら、実際の治具を使い、工程基準点で推力を試験します。圧力だけを測定する場合は、検証済みの圧力-推力関係と、摩擦、対向圧力、形状、不確かさの余裕を文書化します。比例圧力レギュレータのガイドでは、レギュレータ圧力が自動的に工程推力を意味しない理由を説明しています。

誤差予算では、組合せルールが正当化されるまで各項目を分けておきます。

寄与項目	受入れ証拠の例
レギュレータヒステリシス	メーカー限界値、または同じ定義の出力とスパンを使った受入れ試験
圧力センサ	校正、ヒステリシス、再現性、レンジ、温度、不確かさのデータ
空圧経路	明示したプロファイルにおけるレギュレータと室の動的圧力差
シリンダと機械要素	明示した荷重・位置での双方向推力または位置測定
コントローラ	追従、オーバーシュート、整定、飽和、故障応答の記録

すべての最大パーセンテージが同じ符号と分母で同時にピークになるかのように加算しないでください。保守的な限界には、最悪値加算、二乗和平方根、測定した複合性能、または別の文書化した方法を使えます。エンジニアリングチームは、リスクと証拠に合うモデルを明示しなければなりません。

ヒステリシスはどう補正するか

2025年の単動シリンダ実験では、その試験装置で指令平滑化によりオーバーシュートと定常誤差が低減しましたが、平滑化を強めると整定時間は増加しました（Actuators、2025年）。この結果は、補正によって1つの指標が改善しても別の指標が悪化することがあるため、補償は故障除去と完全なループ再試験の後に行うべきだという、試運転における一般的な教訓を示します。

次の順序で実施します。

測定を検証する。 校正、レンジ、タイムスタンプ、フィルタ、単位、指令スケーリング、フルスケール分母を確認します。
物理的な故障を除去する。 汚染、排気詰まり、供給圧力の不安定、シール損傷、横荷重、芯ずれ、緩んだカップリング、不適切なセンサ取付けを是正します。
試験境界を安定させる。 容積、チューブ形状、荷重、位置、温度、走査方法、前処理を固定します。
両方向を特性化する。 最大パーセンテージを1つだけ残すのではなく、繰り返した上昇・下降曲線を保存します。
文書化された機器設定を適用する。 選択したハードウェアで承認されたゲイン、応答、ディザ、PWM、またはフィルタ設定だけを使います。
必要なら方向対応の補償を追加する。 1本の曲線で両経路を表せない場合、ルックアップテーブルまたはフィードフォワード補正に接近方向を含めます。
フィードバックループを保護する。 出力制限とアンチワインドアップを適用し、実際の空圧遅れと機械荷重で再調整します。
生産条件を再検証する。 受入れ変数が推力または位置なら、レギュレータ圧力だけでなく推力または位置を試験します。

コントローラのフィードバックは追従誤差を低減できますが、部品や機械に固有の特性を消すものではありません。遅れ、摩擦、飽和、デッドバンドによって滑らかな補正が妨げられる場合、ゲインを上げると逆にハンチングが生じることがあります。静的・動的境界を測定した後に、比例弁とシリンダシステムのPID調整ガイドを使用してください。

補償テーブルは、健全で再現可能なシステムを表すべきです。清掃、暖機、荷重反転、保全の後に曲線が大きく変わるなら、そのテーブルは安定した特性を補正するのではなく、管理されていない条件を吸収しています。

比例圧力ヒステリシスに関するFAQ

SMCとFestoはいずれも特定の電空レギュレータシリーズについて0.5% FSのヒステリシスを公表していますが、資料ではヒステリシスを他の精度項目と分けています（SMC ITV、Festo VPPM、2026年7月23日閲覧）。以下の質問では、完全なシリンダシステムでその測定境界を維持する方法を説明します。

動的ループが広いことは、静的ヒステリシスが大きい証拠か

いいえ。速いランプでは、充填・排気遅れ、チューブの絞り、室容積、フィルタ、サンプリング、機械動作によって、指令-圧力または指令-推力ループが広がることがあります。安定後のステップ試験として繰り返してください。残った一致点の分離を静的ヒステリシスとして報告し、速度依存のループは別の動的結果として扱います。

ヒステリシスはレギュレータとシリンダのどちらで測るべきか

機械変数が重要なら、両方を測定します。レギュレータ付近のセンサは、局所的な出口圧力との関係を試験します。シリンダ付近のセンサは、接続された空圧経路を含みます。同期した読み値を比較すると、チューブ、継手、弁、室容積の前後どちらで分離が現れるかがわかります。結果には必ずセンサ位置を記載してください。

圧力ヒステリシスをシリンダ推力誤差に直接換算できるか

検証済みの推力モデルなしにはできません。シリンダの正味推力は、両室の圧力、有効面積、符号付き摩擦、外部荷重、リンク形状、位置に依存します。推力が受入れ変数なら、工程基準点にロードセルを使ってください。追加項目と不確かさを管理しない限り、圧力から求めた推力は推定値にとどまります。

PIDコントローラでヒステリシスをなくせるか

フィードバックは、ループで利用できる操作量と帯域の範囲内で測定追従誤差を低減できますが、弁摩擦、センサヒステリシス、シール挙動、バックラッシを除去するものではありません。積分動作が過大だと、出力が動かない間に蓄積し、その後オーバーシュートすることがあります。両方向を特性化し、物理的な故障を是正し、アンチワインドアップを適用して、生産プロファイルを再試験してください。

ヒステリシスの基準値はどのくらいの頻度で再確認するか

工程能力、保全、汚染への曝露、温度範囲、観測されたドリフトに結び付けたリスクベースの間隔を使います。試運転後に基準値を設定し、レギュレータ、センサ、シリンダ、シール、チューブ、ファームウェア、コントローラを変更した後に再確認します。生波形と試験条件をトレンド化してください。普遍的な四半期間隔や固定パーセンテージの増加では、根拠を示せません。

出典と技術資料

記事では、メーカー、規格、実験による8件の出典を使用しています。製品値は指定された型式群に結び付けており、空圧シリンダの普遍的な受入れ限界としては提示していません。

Bürkert、比例弁製品概要、ヒステリシス、感度、直線性、再現性の定義。2026年7月23日閲覧。
SMC、ITV電空レギュレータウェブカタログ、シリーズのヒステリシス、直線性、再現性、感度。2026年7月23日閲覧。
Festo、VPPM比例圧力レギュレータ、型式固有のヒステリシス、直線性、再現性、総合精度。2026年7月23日閲覧。
ISO 6358-1:2013、適用範囲、定常状態法、レギュレータとシリンダの除外。2026年7月23日閲覧。
ISO 6358-1:2013/Amd 2:2026、測定不確かさの評価。2026年7月23日閲覧。
ISO 4414:2010、空圧システムと部品の一般規則および安全要求事項。2026年7月23日閲覧。
Boほか、空圧シリンダの予備摺動領域における摩擦挙動の実験的検討、圧力、変位、摩擦ループに関する実験証拠、2014年。2026年7月23日閲覧。
非線形ヒステリシス特性を持つ単動空圧シリンダのデータ駆動型フィードフォワード推力制御、指令、圧力、変位、推力の同期測定、2025年。2026年7月23日閲覧。

シリンダの比例圧力制御におけるヒステリシスループ

Eric Zhou