比例弁仕様におけるヒステリシスと直線性を理解する

比例弁において、ヒステリシスと直線性は異なる誤差を表します。ヒステリシスは、指令値を上げる場合と下げる場合に同じ指令値で得られる出力を比較します。直線性は、測定特性を定められた基準線と比較します。データシートに出力変数、フルスケールの基準、試験方向、動作条件が示されていなければ、どちらのパーセンテージも意味を持ちません。

この区別は、弁を比較するときに重要です。例えばSMCは、ITV電空レギュレーターについて、ヒステリシス0.5%フルスケール以下、直線性±1%フルスケール以下と規定しています。一方、EmersonはAVENTICS EV07のある仕様でヒステリシスを0.04 barと記載しています。数値の表し方が異なるため、「0.5対0.04」と数値だけを比較するのは誤りです。

要点

• ヒステリシスは同じ入力で上昇時と下降時の出力を比較し、直線性は出力を定義された基準線と比較します。
• SMCはITVの一つのファミリーについて、ヒステリシス0.5% FS、直線性±1% FSと規定しています。
• 同じ出力変数、範囲、方法、圧力、温度、流れの状態で比較します。
• 実際の負荷をかけた空圧軸全体で承認します。

比例弁のヒステリシスとは何か

Bürkertはヒステリシスを、電気入力範囲全体で上昇掃引と下降掃引を行ったときの流体出力の最大差を、最大流体出力に対して表したものと定義しています（Bürkert比例弁概要、2026年参照）。これは経路依存性を測るものであり、ランダムな変動や検出可能な最小指令変化を測るものではありません。

指令値 $x$、上昇時出力 $y_{\uparrow}(x)$、下降時出力 $y_{\downarrow}(x)$、フルスケール出力 $y_{\mathrm{FS}}$を用いた試験では、正規化したヒステリシス値を次のように書けます。

ここで、 $H$ はフルスケールに対するヒステリシスのパーセンテージです。変数 $y$ には、標準状態リットル毎分の流量、bar単位の調整圧力、ミリメートル単位の実測スプール位置など、具体的な名称を付ける必要があります。2つの掃引では、同じ範囲、供給条件、下流条件、安定化ルール、温度、計測器を使わなければなりません。そうでなければ分子に弁のヒステリシスではない変化が含まれます。

この数値は運転上何を意味するのでしょうか。コントローラーが同じ指令値に反対方向から近づくと、弁は異なる流量または圧力を出力する場合があります。摩擦、磁気的挙動、シール力、機械的クリアランスが影響することはありますが、データシートのパーセンテージは定められた試験で測定した特性であり、単一の物理原因を診断する値ではありません。

したがって最も有用な読み方は、条件付きの「この方法で測定した2本の曲線の最大分離」です。これは普遍的な位置決め誤差ではありません。カタログ上のヒステリシスが小さい弁でも、シールのスティクション、負荷反転、圧力変動、センサー誤差を持つ軸に組み込まれる可能性があります。 シリンダー閉ループ位置決めガイド では、これらを別々の要因として扱っています。

直線性はどのように計算するか

Bürkertは直線性を、測定特性が理想的な直線特性から外れる最大値を、最大流体出力に対して正規化したものと定義しています（Bürkert比例弁概要、2026年参照）。実用的な仕様では、基準線の作り方も明示しなければなりません。端点法とベストフィット法では異なる結果になるためです。

一般的な正規化形式は次のとおりです。

この式で、 $L$ はフルスケールに対する最大直線性偏差、 $y(x)$ は測定出力、 $y_{\mathrm{ref}}(x)$ は指令値 $x$における指定基準線です。フルスケール出力 $y_{\mathrm{FS}}$ は2つの出力と同じ単位を使います。仕様には、結果が符号付きか絶対値か、または±許容差で記載されているかを明示してください。

なぜ基準線の方法にこだわるのでしょうか。両端点を結ぶ線より上に滑らかな流量曲線が膨らんでいるとします。最小二乗線は両側に偏差を分けるよう移動できますが、端点線は移動できません。したがって同じ測定値から2つの報告値が生じます。サプライヤーを順位付けする前に、曲線と方法を確認してください。

この図は、「非線形」が「制御不能」を意味しない理由も示します。再現性のある非線形曲線は、特性を取得して補償できる場合があります。一方、不安定な曲線や方向依存の曲線は、1つの指令値が1つの出力に対応しないため逆変換が困難です。補償を行う場合も、圧力、温度、摩耗、製造公差の範囲で検証が必要です。

ヒステリシス、デッドバンド、感度、分解能、再現性

SMCはITVレギュレーターについて、直線性±1% FS以下、ヒステリシス0.5% FS以下、再現性±0.5% FS以下、感度0.2% FS以下という4つの性能項目を別々に記載しています（SMC ITVカタログ、2026年参照）。これらを同義語として扱ってはいけません。

用語	答える工学上の問い	結果に必要な情報
ヒステリシス	同じ入力に反対方向から近づいたとき、出力は変化するか	上昇・下降掃引、最大分離、正規化の基準
直線性	測定曲線は指定基準線からどれだけ外れるか	測定曲線、基準線の方法、最大偏差
デッドバンド	反転後または定義された状態から、出力が応答するまで入力はどれだけ動けるか	開始状態、方向、応答しきい値
感度	測定可能な出力変化を生む最小入力変化は何か	ステップ幅、ノイズしきい値、測定分解能
分解能	システムが表現または識別できる最小の指令または出力増分は何か	デジタルビット深度または測定定義
再現性	同じ入力に同じ方法で近づいたとき、繰り返し出力はどの程度一致するか	繰り返し試験、接近方向、統計量、条件

ここではBürkertの定義が特に参考になります。Bürkertは、感度を測定可能な流体出力変化を生じさせる最小設定値差とし、再現性を同じ入力に同じ方向から繰り返し近づいたときのばらつきとしています。ヒステリシスでは意図的に方向を変え、再現性では意図的に方向を一定に保ちます。

デッドバンドはヒステリシスによって生じるのでしょうか。機械的原因を共有することがあり、指令反転の周辺に両方が現れる場合もありますが、報告される試験は異なる問いに答えます。要求仕様では用語を分けてください。サプライヤーは、再現性0.2%の結果を提出しただけでは、感度0.2%の要求を証明できません。

なぜ試験条件なしにパーセンテージを比較できないのか

SMCはITVレギュレーターのヒステリシスを0.5% FS以下とし、EmersonはAVENTICS EV07のある仕様を0.04 barとしています（SMC ITV取扱説明書、2026年参照； Emerson EV07製品ページ、2026年参照）。一方は正規化値で、もう一方は絶対圧力差です。

2つの仕様行を比較する前に、次の項目をそろえます。

1. 弁の機能： 比例圧力レギュレーター、比例流量弁、または比例方向制御弁。
2. 測定出力： 調整圧力、正規化流量、質量流量、スプール位置、またはその他の量。
3. 正規化： 指令値の全範囲、定格出力、最大流体出力、または指定測定範囲。
4. 基準線の方法： 端点、ベストフィット、ゼロ基準線、またはメーカーが定義する別の作成方法。
5. 掃引手順： 方向、速度、増分、保持時間、サイクル数、プレコンディショニングの有無。
6. 空圧状態： 入口・出口圧力、圧力損失、ガス、温度、流れの状態、排気制限。
7. 電気状態： 信号種別、供給電圧、コントローラー設定、PWM周波数、フィルター。
8. 計測： 計測器の精度、サンプリング、平均化、不確かさの扱い。

流量の表記には別の不一致が隠れることがあります。Bürkertの概要資料は、入口6 barg、圧力損失1 bar、20°Cでの標準状態リットル毎分による公称ガス流量例を示し、標準状態を1,013.25 mbar絶対圧、0°Cと定義しています。別のカタログでは基準温度や圧力降下が異なる場合があります。曲線を換算する前に基準を一致させてください。

このため、正規化パーセンテージが絶対値より自動的に移し替えやすいとは限りません。スケール換算は容易ですが、指定された範囲と定義の中でしか使えません。絶対値0.04 barは圧力許容差に直ちに使いやすく、流量に対するパーセントは流量誤差予算に適する場合があります。まず指標を制御対象の変数に合わせてください。

ISO 6358-1は、固定または可変の流路を持つ空気圧部品の定常流量試験方法を示しますが、圧力レギュレーターを含む、顕著なヒステリシス挙動や内部フィードバックを持つ部品は適用範囲から除外しています（ISO 6358-1:2013）。すべての比例空圧機器に共通するヒステリシス試験手順として引用しないでください。

これらの弁誤差は空圧軸にどう影響するか

Festoは、空圧位置決めシステムを、弁単体ではなく比例方向制御弁、外部位置コントローラー、変位エンコーダーを組み合わせた構成として説明しています（Festo MPYEデータシート、2026年参照）。したがって弁のヒステリシスは軸挙動の一要因であり、キャリッジ位置精度を直接示すものではありません。

オープンループ流量制御では、加速後と減速後で同じ指令値から異なるシリンダー速度が生じることがあります。非線形性により、同じ指令値増分から異なる流量増分が生じることもあります。その影響は、圧力依存の弁流量、配管抵抗、チャンバー容積、シール摩擦、負荷力、排気制限を通じて伝わります。 比例流量弁ガイド で、この空圧経路を説明しています。

閉ループでは、フィードバックで予測可能な誤差を一部補正できますが、補正に代償がないわけではありません。コントローラーには、空圧コンプライアンスや摩擦を励起せずに十分な制御余裕と帯域が必要です。反転付近では、弁のヒステリシスとシリンダーのスティクションが重なり、見かけ上応答しない領域が広がることがあります。ゲインを上げると、精度ではなくハンチングを生じる場合があります。

装置仕様には何を記載すべきでしょうか。軸の結果を、弁部品の限界値とは別に定義します。

部品の受入れ	軸全体の受入れ
指定ベンチ試験における弁の入力・出力ヒステリシス	実負荷・実動作における位置または圧力誤差
指定基準線に対する弁の直線性	軌道誤差、オーバーシュート、整定、定常帯域
同一方向での弁の再現性	指定位置における双方向軸の再現性
指定空圧条件での流量または圧力範囲	実際のチューブ、継手、サイレンサー、供給源を使ったサイクルタイム

圧力制御用途では、弁固有の圧力特性をシステムのコンプライアンスや下流消費とも区別してください。 比例圧力レギュレーターガイド がその境界を扱います。モーション用途では、 精密制御向け比例弁選定ガイド がより広いシステム構成を説明します。

データシート比較ワークフロー

SMC ITVの例では、ヒステリシス0.5% FS、直線性±1% FS、再現性±0.5% FS、感度0.2% FSを別々の行に分けています（SMC ITVカタログ、2026年参照）。適切な比較ではこれらのラベルを維持し、同じ変数と方法を本当に共有する測定値だけを正規化します。

候補ごとに次の手順を使います。

1. 機能を分類する。 その機器は圧力、流量、またはシリンダーの両ポートを制御していますか。レギュレーターの圧力ヒステリシスを、方向制御弁の流量特性と比較しないでください。
2. 定義を正確に写す。 メーカーの文言、記号、不等号、符号規約、単位を記録します。
3. 分母を明記する。 すべてのパーセンテージの横に、実際のフルスケール値またはスパン値を書きます。記載がなければ、その行を未完了とします。
4. 特性を識別する。 可能であれば測定曲線を入手します。上昇、下降、平均、単一方向のどのデータかを記録します。
5. 条件を記録する。 供給、出口、圧力降下、ガス、温度、流れの状態、信号、電子設定を含めます。
6. 保証値と標準値を分ける。 サプライヤーが明示しない限り、標準曲線は量産受入れ限界を定めるものではありません。
7. 用途の単位に換算する。 弁の限界値の基準を確認してから、bar、リットル毎分、またはその他の制御出力単位に換算します。
8. 誤差予算を作る。 異なるパーセンテージを無造作に足すのではなく、弁、センサー、コントローラー、空気供給、機械、負荷の各項目を見える状態で残します。

レギュレーターの出力範囲が0～10 barで、そのヒステリシスが本当にフルスケールの0.5%と規定されているとします。指定試験におけるカタログ限界の寄与は0.05 barになります。この換算は装置の圧力誤差を予測するものではなく、1つの部品仕様を用途の単位で表しただけです。

この 弁の流量チャート解釈ガイド は、制御対象が圧力ではなく流量の場合に役立ちます。また、静的な係数や1点の流量を比例入力・出力特性全体であるかのように扱う、よくある分類上の誤りも防ぎます。

装置上でヒステリシスと直線性をどう試験するか

ISO 6358-1:2013は空気圧部品の定常流量試験を定義し、ISOは2026年に測定不確かさを扱う追補2を発行しました（ISO 6358-1; ISO 6358-1:2013/Amd 2:2026）。これらの資料は、試験状態を安定させることと、説明可能な測定基準で結果を報告することの2点を強調しています。

実用的な部品試験または受入検査は、文書化した手順に従うべきです。

1. 計画書に指定した正確な弁、電子機器、継手、チューブ、サイレンサー、計測器を取り付けます。
2. 空気をコンディショニングし、供給圧力、下流圧力、温度、電源を安定させます。
3. メーカーの暖機またはプレコンディショニング手順を実施します。「室温」で十分だと仮定せず、その内容を記録してください。
4. 指定したステップで指令値を上昇掃引し、出力が安定化ルールを満たすまで各点で保持します。
5. 同じステップ、保持時間、取得方法で下降掃引します。
6. 1回のヒステリシスループと再現性を区別できる回数だけサイクルを繰り返します。報告する最大値の選び方を明記します。
7. 合意した基準線を作り、指定した上昇、下降、平均、その他の曲線から直線性を計算します。
8. 計算結果とともに、指令値、出力、時間、圧力、温度、構成の生データを保存します。

装置試験は実験室の流量規格をそのまま再現すべきでしょうか。必ずしもそうではありません。量産受入試験では、弁固有の流量ではなく、調整圧力や軸の動きを測る場合があります。目的と限界を明確にしてください。サプライヤー適合性にはカタログの方法を使い、システム性能には別の用途試験を行います。一方を他方と呼び替えないでください。

計測器の能力も記録に含めます。受入れ帯域が圧力計の精度、信号ノイズ、分解能、供給ドリフトに近い場合、合否判定は弁ではなく試験ベンチを反映する可能性があります。最初の曲線を取得する前に、校正状態、範囲、サンプルレート、フィルタリング、安定化しきい値、不確かさのルールを定めます。

ヒステリシスと非線形性への実務的な対策

Bürkert Type 8605コントローラーの資料は、PWM周波数がコイル電流リップルと弁応答に影響し、最適設定が弁種別に依存すると説明しています（Bürkert Type 8605取扱説明書、2026年参照）。したがってディザまたはPWMの調整は製品固有の立上げ作業であり、あらゆるヒステリシス曲線に効く万能策ではありません。

根拠に合う対策を選びます。

• 機械的・空圧的な摩擦を減らす： 弁とアクチュエーターの取扱説明書に従い、汚染、損傷したシール、芯ずれ、横荷重、不適切な潤滑を是正します。
• 動作条件を安定させる： 動的な供給圧力を調整し、予期しない排気制限を減らし、ガス品質と温度を選定製品の限界内に保ちます。
• 承認済みの電子設定を使う： メーカーのコントローラー、PWM周波数、ディザ、電流限界を適用します。弁が想定していない外部ディザは、出力リップル、ノイズ、発熱、摩耗を増やす可能性があります。
• 再現性のある非線形曲線を校正する： 曲線が逆変換できるほど安定している場合は、メーカー提供の特性または検証済みのルックアップテーブルを使用します。
• 必要に応じてモデルに方向を残す： 1本の補償曲線では上昇経路と下降経路の両方を表せない場合があります。方向依存マッピングは複雑さを増し、反転付近では遷移ロジックも必要です。
• 実際の変数を対象に閉ループ化する： 工程がその出力を必要とする場合は圧力、流量、位置を測定し、軸の安定性と安全限界の範囲で調整します。
• より適合する弁を選ぶ： 補償によって流量容量を作り出したり、不安定な摩擦をなくしたり、資料範囲外の性能を保証したりすることはできません。

ここには有用な順序があります。修理、安定化、特性取得、補償の順です。特性取得を先に行うと、ルックアップテーブルが詰まったサイレンサー、ドリフトするレギュレーター、芯ずれしたアクチュエーターを吸収してしまう可能性があります。その日は動いても、保全後に失敗します。補償は健全なシステムを表すものであり、修正可能な不具合を隠すものではありません。

主な懸念が特性誤差ではなく流量容量である場合は、 空気圧流量制御弁のサイズ選定ガイド を別の確認として使います。小さすぎる弁は完全に線形でも、軸が速度やサイクルタイムの目標を達成できないことがあります。

RFQまたは受入試験には何を規定すべきか

EmersonのEV07ページはヒステリシスを0.04 barと報告し、SMCのITV資料は0.5% FS以下と報告しています（Emerson EV07製品ページ、2026年参照； SMC ITV取扱説明書、2026年参照）。したがってRFQでは、「低ヒステリシス」とだけ求めず、定義と条件を要求しなければなりません。

商務・技術パッケージには、次の項目を含めます。

• 弁の機能、ポート構成、媒体、公称サイズ、定格範囲、必要な出力変数。
• 入力種別、入力スパン、供給電圧、電子機器、コントローラー、許容設定。
• 必要なヒステリシス、直線性、再現性、感度、デッドバンドを、該当する場合は別項目として記載。
• 各限界値の単位と正規化基準。数値によるフルスケール値も含める。
• 基準線の方法と、上昇、下降、平均、その他のどの曲線を評価するか。
• 供給圧力、下流圧力または圧力損失、温度、ガス基準条件、安定化ルール。
• 掃引範囲、ステップ幅、速度、保持時間、方向、プレコンディショニング、サイクル数。
• 計測器の範囲、精度、校正、サンプリング、フィルタリング、不確かさまたはガードバンドのルール。
• その値が保証限界、標準値、初期検査目標、継続的な装置要求のいずれか。
• 必要な生曲線、計算ファイル、弁の識別情報、ファームウェア、試験報告書。

装置全体については、ペイロード、向き、動作プロファイル、チューブと継手の配置、動的供給圧力、フィードバックセンサー、コントローラーのタスク周期、安全状態の挙動を追加します。軸の受入れは別に定義し、追従誤差、再現性、オーバーシュート、整定、サイクルタイム、電源またはエア喪失時の応答を記載します。

空欄を残した購買表の方が、仮定した同等性より優れています。各入札者に単位、分母、基準線の方法、条件を記入させます。空欄は未解決の技術差異として残してください。これにより最終比較を監査でき、定義のない最小パーセンテージだけで選定されるのを防げます。

比例弁仕様FAQ：エンジニアは何を確認すべきか

SMCのITV資料では、ヒステリシス0.5% FS以下、直線性±1% FS、再現性±0.5% FSが並べて記載されています（SMC ITV取扱説明書、2026年参照）。次の5つの回答は、指標を分けたままカタログの1行を試験可能な弁または装置要求に変える方法を示します。

ヒステリシスは小さいほど常に良いのか

方向が変わった後も同じ指令値で同じような出力を得たい場合、ヒステリシスは小さい方が一般に有利です。しかし選定基準はそれだけではありません。SMCのITV例ではヒステリシス0.5% FSと直線性±1% FSが別々に規定されています。流量容量、範囲、応答、再現性、条件、安全性、軸全体の性能も確認してください。

直線性と精度は同じ仕様か

いいえ。直線性は指定基準線からの最大偏差であり、精度は定義された真値または目標値と結果を比較し、他の誤差要因も含みます。直線性±1% FSと記載された弁だけで、組み立てた装置の圧力、流量、速度、位置の精度が±1%になるとは限りません。

ヒステリシスを直線性に直接加算できるか

定義した誤差モデルがなければできません。ヒステリシスは方向に依存する曲線の分離であり、直線性は基準線からの偏差です。最大値は異なる指令値で発生し、符号も異なる場合があります。両方の項目を残し、妥当な場合だけ同じ出力単位に換算し、測定データで要求される最悪の運転経路を確認してください。

ディザで比例弁のヒステリシスはなくなるか

適合する弁とドライバーでは摩擦に起因する影響を減らせる場合がありますが、万能ではありません。Bürkert Type 8605の取扱説明書では、PWM挙動が弁種別と周波数に依存するとされています。承認済みの設定だけを使い、その後にヒステリシス、出力リップル、温度、ノイズ、安定性を再測定してください。任意のディザ信号は、1つの問題を別の問題に置き換える可能性があります。

カタログにパーセンテージしかない場合、何を要求すべきか

測定出力、数値によるフルスケール基準、上昇・下降曲線、基準線の方法、圧力、ガス、温度、掃引速度、保持時間、電子設定、繰り返し回数、その限界値が保証値か標準値かを要求してください。SMCの0.5% FSという表記は、範囲と試験条件がパーセンテージとともに示されている場合にのみ有用です。

出典・技術参考資料

この記事では、SMC、Bürkert、Emerson、ISO、Festoのメーカー資料または規格資料8件を一次資料として使用しています。SMCのヒステリシス0.5% FSと直線性±1% FSは比較例であり、他の弁機能、出力範囲、試験方法に共通する受入れ限界ではありません。

1. Bürkert『比例弁製品概要』、ヒステリシス、直線性、感度、再現性、公称ガス流量条件の定義。
2. SMC『ITVシリーズ安全上の注意と仕様』、型式固有の直線性、ヒステリシス、再現性の限界。
3. SMC『電空レギュレーターITVカタログ』、他の仕様とともに示された型式固有の感度と温度特性。
4. Emerson『AVENTICS EV07製品レコード』、ヒステリシスを絶対圧力単位で示す例。
5. Bürkert『Type 8605取扱説明書』、弁に依存するPWM周波数とコントローラー挙動。
6. ISO 6358-1:2013、空気圧部品の適用範囲と定常流量試験の枠組み。
7. ISO 6358-1:2013/Amd 2:2026、測定不確かさを扱う追補。
8. Festo『MPYE比例方向制御弁データシート』、外部コントローラーと変位フィードバックを用いる空圧位置決めのシステム境界。