比例アクチュエータのヒステリシス対策：測定、原因切り分け、補償

比例アクチュエータのヒステリシスとは、反対方向から近づいたとき、同じ指令でも軸が異なる位置に到達する方向依存の位置差です。対策は万能なPID設定ではありません。指令と位置の双方向ループを測定し、経路が分岐する箇所を特定し、物理的原因を修正してから、安定した残留誤差だけを補償します。

比例空圧軸はアクチュエータだけで構成されるものではありません。Festoは基本システムを、変位エンコーダ付きシリンダ、比例方向制御弁、位置コントローラで構成されるものとして説明しています（Festoサーボ空圧位置決めシステム、2026年閲覧）。ヒステリシスは、これらの要素間にあるどのインターフェースからでも入り込む可能性があります。

方向は試験条件の一部です。

要点

同じ指令と整定条件で、増加方向と減少方向のアプローチを比較します。

SMCはレギュレータの0.5% FSヒステリシスを、再現性や感度とは別に記載しています。

指令、バルブまたは圧力応答、アクチュエータ位置、工程位置を同じ時間軸で記録します。

方向補償を追加する前に、摩擦、がた、芯ずれ、空気経路の絞り、センサの問題を修正します。

比例空圧軸におけるヒステリシスとは何か？

Bürkertはバルブヒステリシスを、電気入力範囲全体を上方向・下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年閲覧）。アクチュエータ試験でもこの方向依存の考え方を使いますが、位置出力の測定境界を明示する必要があります。

設置済みのリニア軸では、指令 $u$ と測定位置 $x$ を定義します。同じ指令 $u_i$ における双方向の絶対位置差は次のとおりです。

H_x(u_i) = \left|x_{\uparrow}(u_i) - x_{\downarrow}(u_i)\right|

ここで、 $x_{\uparrow}$ は低い側からアプローチした後の整定位置、 $x_{\downarrow}$ は高い側からアプローチした後の整定位置です。 $H_x$ はミリメートルで報告します。指令は要求位置、バルブ入力、または別に定義した変数を表せますが、1つの試験の途中で定義を切り替えてはいけません。

正規化した結果は次のとおりです。

H_{x,\mathrm{FS}} = \frac{\max_i H_x(u_i)}{X_{\mathrm{span}}}\times 100\%

両方の経路を明記します。

この式の $X_{\mathrm{span}}$ は、シリンダのカタログストロークではなく、定義した測定移動量です。500 mmシリンダ内で工程が300 mmの作業範囲だけを使う場合は、どの範囲を分母にするかを記載します。分母のないパーセンテージでは許容差を判断できません。ヒステリシスは精度と同じではありません。精度は測定位置と基準目標を比較します。再現性は、定義したアプローチで繰り返した結果を比較します。分解能は、表現または検出できる最小の増分を表します。デッドバンドは、定義された応答を生じない入力範囲です。動的遅れは、時間に依存する追従誤差を表します。これらは相互に影響し得ますが、答える問いはそれぞれ異なります。

したがって、診断名は測定の順序対として記述するのが有用です。例えば、指令・位置ヒステリシス、指令・圧力ヒステリシス、圧力・力ヒステリシス、工程・位置ヒステリシスです。「アクチュエータのヒステリシスは1%」というだけの記述では測定境界が隠れます。それはバルブのベンチ試験、変位トランスデューサ、シリンダ、または機械全体を表している可能性があります。

部品用語とデータシート比較については、比例弁のヒステリシスとリニアリティのガイドを参照してください。シリンダの比例圧力制御におけるヒステリシスループのガイドでは、測定出力として圧力を扱います。本稿では、最終的なアクチュエータ位置または工程位置を中心に説明します。

バルブ、機械、センサのどこから誤差が生じるか？

SMCのITVレギュレータは、ヒステリシス0.5% FS以下、再現性±0.5% FS以下、感度0.2% FS以下を別々の特性として記載しています（SMC ITVカタログ、2026年閲覧）。これらの圧力制御値を、そのまま台車位置の誤差予算に転記することはできません。

完全な軸には、方向依存の影響がいくつもあります。

発生源	方向依存の機構	それを示す信号	位置ループが変化する理由
バルブ電子回路またはスプール	磁気挙動、スプール摩擦、ラップ、内部制御挙動	指令とスプールフィードバック、流量、または調整圧力の比較	同じ電気入力でも異なる空圧出力が生じる
シリンダシール	起動力が走行摩擦と異なる	位置が動かないままチャンバー差圧が上昇	動きを開始するには維持するより大きな力が必要
空気経路	チューブ容積、排気絞り、供給圧力低下、ポート流量差	方向または速度によってチャンバー圧力の応答が異なる	利用できる加速力と制動力が方向に依存する

一方、次の3つの発生源は、測定、機械、制御の経路にあります。

発生源	方向依存の機構	それを示す信号	位置ループが変化する理由
外部ガイドまたはリンク機構	バックラッシ、予圧、かじり、芯ずれ、ケーブル力	工程位置より先にアクチュエータ位置が変わる、またはがたを越えて力が反転する	センサ基準点と工程基準点の間にロストモーションが現れる
位置センサ	センサヒステリシス、取付け移動、校正誤差、フィルタ	外部基準と内蔵位置が一致しない	コントローラが偏った測定値に向けて補正する
コントローラ	デッドゾーンロジック、積分状態、飽和、方向別マッピング	ソフトウェア状態をリセットしたとき、または補償を無効にしたときに位置誤差が変わる	指令経路そのものが履歴依存になる

例えば、Festoの外部フィードバック式DFPIアクチュエータは、すべての位置信号を完全なものとして扱わないための有用な警告です。指定型式のカタログには、繰返し位置精度±0.12 mm、変位エンコーダのヒステリシス0.33 mmが記載されています（Festo DFPIデータ、2026年閲覧）。これはモデル固有のセンサチェーン値であり、シリンダ全体に通用する限界値ではありません。さらに、圧力動特性は別に試験する必要があります。空気の圧縮性とチューブ容積は遅れとコンプライアンスを生みますが、遅れだけでは静的ヒステリシスとはいえません。指令速度を上げるとループが広がり、十分に整定すると縮小するなら、支配的な問題は動的追従です。空気圧縮性が空圧シリンダ制御性能に与える影響のガイドでは、その速度依存経路を説明しています。

同様に、機械的バックラッシも別に測定する必要があります。アクチュエータに取り付けたセンサが指令位置を示していても、反対側では緩んだカップリング、ガイドすき間、治具ががたの中に残っていることがあります。製品公差を工程基準点で管理するなら、その位置で測定します。そうしなければ、コントローラ波形が良好でも組立結果が悪いという状態が起こります。

方向依存の位置誤差をどう測定するか？

ISO 230-2:2014は、工作機械のリニア軸または回転軸の位置決め精度と再現性を評価するため、各位置で直接測定を繰り返します（ISO 230-2、2025年に確認）。空圧アクチュエータ規格ではありませんが、同じ位置を繰り返し測る規律は、受入試験のモデルとして有効です。

まず試験境界を定義します。

入力を明記します。 $u$ が要求位置、アナログバルブ指令、調整圧力目標、コントローラ出力のどれかを記録します。
出力を明記します。 アクチュエータ位置、台車位置、ツール中心位置、工程特徴位置のいずれかを使います。これらを置き換えてはいけません。
作業範囲を定義します。 端点、禁止する端部領域、取付方向、ワーク、ガイド、工程接触状態を記載します。
時間規則を定義します。 静的試験には整定帯と保持時間の規則が必要です。動的試験にはプロファイル、サンプルレート、フィルタを定義します。
運転条件を固定します。 動作中の供給圧力、温度、空気品質、チューブ、継手、サイレンサ、バルブ型式、コントローラバージョン、ゲイン設定を記録します。
トレーサブルな基準を使います。 その不確かさと分解能は、必要な位置帯を判定できるほど小さくなければなりません。

次に、同じ目標点を通る上昇・下降シーケンスを完全に実行します。各点には、方向を反転させる最後の補正ジョグを入れず、定義した方向からアプローチします。見栄えのよい1本の波形ではなく、ループを繰り返して記録します。生産サイクルの速度、負荷、アプローチ方向が異なる場合は、その条件を別に試験します。

例として、500 mmの作業範囲で同じ指令に対し、増加方向のアプローチ後に250.4 mm、減少方向のアプローチ後に249.6 mmになったとします。絶対位置差は次のとおりです。

H_x = \left|250.4 - 249.6\right| = 0.8\ \mathrm{mm}

正規化した位置差は次のとおりです。

H_{x,\mathrm{FS}} = \frac{0.8}{500}\times 100\% = 0.16\%

ただし、この計算が示すのは1点における方向依存の分離だけです。平均位置が基準からずれている可能性があるため、精度±0.4 mmを証明するものではありません。同じ方向のシーケンスを繰り返し、そのばらつきを報告するまで、再現性も確立できません。したがって、静的試験と動的試験は分けます。まず整定点を使って持続的な経路依存性を明らかにします。次に生産動作プロファイルを実行し、追従誤差、オーバーシュート、整定時間、反転挙動を測定します。両方を1つのループに混ぜると、空圧遅れを静的ヒステリシスに見せ、誤った補正を促します。

信号ごとの診断方法

Festoは、変位エンコーダ、比例方向制御弁、位置コントローラという3つの中核制御要素を持つサーボ空圧位置決めシステムを説明しています（Festo、2026年閲覧）。両チャンバー圧力と外部の工程位置基準を加えると、これら3要素を実用的な故障切り分け経路として使えます。

次のチャンネルを同じ時間軸で取得します。

要求位置。
コントローラの位置誤差、バルブ指令、積分状態、出力飽和。
利用できる場合はバルブスプールのフィードバック、利用できない場合は測定した流量または圧力応答。
両チャンバー圧力。
アクチュエータ変位。
許容差の基準点で独立計器により測定した台車、工具、または工程位置。計器の不確かさは受入判定を支えられるものとします。
工程接触によって動きが変わる場合の負荷または力。

特に、チャンバーの力の関係は波形の解釈に役立ちます。

F_{\mathrm{net}} = p_A A_A - p_B A_B - F_{\mathrm{load}} - F_{\mathrm{friction}}

ここで、 $p_A$ と $p_B$ は測定したチャンバー圧力、 $A_A$ と $A_B$ は有効ピストン面積、 $F_{\mathrm{load}}$ は軸に投影した外部負荷、 $F_{\mathrm{friction}}$ はシール、ガイド、機構の摩擦を表します。可能な場合は上流レギュレータ設定だけでなく、シリンダポートの動圧を使います。

次に、波形を順番に読みます。最初に分岐する箇所から確認します。

バルブの前で指令が分離する。 方向別のコントローラバイアス、積分状態、飽和、補償が差を作っています。
同じ指令でバルブまたは圧力が分離する。 バルブ特性、汚染、供給変動、排気絞り、信号スケーリングを調べます。
差圧が変わるが位置が待つ。 シールのスティクション、ガイドのかじり、横荷重、工程接触が動きを妨げています。
アクチュエータ位置は動くが工程位置が待つ。 バックラッシ、カップリングのがた、治具コンプライアンス、センサ取付けがロストモーションを隠しています。
速いプロファイルだけでループが広がる。 静的マッピングの前に、帯域幅、チューブ容積、流量容量、フィルタ、コントローラ遅れを扱います。

ゲインを変更する前に信号経路を追います。上昇波形と下降波形が最初に分離する箇所が、次に試験すべきサブシステムを示します。

特に、観察したパーセンテージをすべて1つの誤差合計に足し込まないでください。バルブ圧力ヒステリシス、センサ位置ヒステリシス、機械的ロストモーション、最終的な工程位置ヒステリシスは、異なる出力と分母を使います。各寄与を工程単位に換算するのは、伝達関係を測定または検証した後に限ります。

比例弁のスプール位置フィードバックガイドでは、バルブ内部のフィードバックで証明できることとできないことを説明しています。圧力が上がった後に低速でがくつく場合は、同期した波形と一緒にシリンダのスティックスリップ診断ガイドを使います。

フィードバックでヒステリシスが自動的に消えないのはなぜか？

Festoは、サーボ空圧位置決めがエンコーダフィードバックと比例方向制御弁を使う一方で、空気は圧縮性を持ち、制御軸は機械的に柔らかいと説明しています（Festoサーボ空圧システム、2026年閲覧）。フィードバックは測定できる誤差を補正しますが、隠れた摩擦、がた、工程基準点の移動をすべて直接観察することはできません。

つまり、コントローラは次の値に基づいて動作します。

e(t) = x_{\mathrm{ref}}(t) - x_{\mathrm{meas}}(t)

ここで、 $e(t)$ は測定位置誤差、 $x_{\mathrm{ref}}(t)$ は目標、 $x_{\mathrm{meas}}(t)$ はフィードバック位置です。緩いカップリングの手前にフィードバックセンサが取り付けられていると、工程工具がずれたままでも、コントローラは $e(t)$ をほぼゼロにできます。ループは、センサが測定していないものを知る手段を持ちません。

例えば、摩擦が別の限界を作ります。速度がほぼゼロのとき、負荷が静止していてもコントローラがバルブ指令を増やすことがあります。差圧がついに起動抵抗を超えると、負荷が跳ね、誤差の符号が変わり、コントローラが反転します。比例ゲインや積分ゲインを上げると、これがハンチングになることがあります。症状は調整不良に見えますが、きっかけは物理的なことが多いです。一方、バルブ飽和は別の理由で制御権限を失わせます。小さすぎるバルブが必要流量を供給できなければ、指令を大きくしても加速度は増えません。バルブが過大であれば、動作点の周辺で小さな指令変化が大きな流量変化を生むことがあります。Bürkertは、過大なオリフィスでは小さな開度で全流量に達し、実用分解能と制御品質を損なう可能性があると指摘しています。

フィードフォワードは予測可能な指令需要を減らし、積分動作は定常バイアスを除去できます。ただし、どちらも変化するガイド、漏れるシール、緩い継手、不安定な供給を隠してはいけません。ループを変更する前に波形を取得します。ハードウェア経路が安定した後は、比例弁・シリンダシステムのPID調整ガイドを次の手順として使います。

補償を追加する前に何を修正すべきか？

FestoのDFPIカタログは、1つの補正をすべてのアクチュエータに適用できない理由を示しています。外部フィードバック型の1バージョンはエンコーダヒステリシス0.33 mmを記載し、コントローラ内蔵型はヒステリシス±1% FS、デッドゾーン1% FSを記載しています（Festo DFPI、2026年閲覧）。対策は、測定したサブシステムと型式に合わせなければなりません。

次の順序で進めます。波形が示すものを修正します。

機構を再現可能にします。 芯出し、横荷重、緩い締結部品、ガイド予圧、カップリングのがた、治具たわみ、ケーブル引きずり、工程接触の変動を修正します。
空気経路を復元します。 空気品質、動的供給圧力、チューブ内径と長さ、継手、サイレンサ、バルブサイズ、排気容量、漏れ、シリンダシールを確認します。
測定チェーンを検証します。 外部基準に対して、センサ取付け、基準点、校正、極性、スケール、フィルタ、サンプル時間、分解能、不確かさを確認します。
バルブとI/Oを確認します。 指令範囲、電気基準、スプールまたは圧力応答、内部診断、コネクタの完全性、汚染、型式固有の性能限界を点検します。
軸を再同定して調整します。 実際のワーク、取付方向、供給、動作プロファイルを使います。ゲインを上げる前に、安全な速度、加速度、誤差、タイムアウトの限界を設定します。
残った安定誤差だけをマッピングします。 残留パターンが十分なサイクル数と運転条件で繰り返す場合に限り、方向補償を正当化できます。

なぜこの順序なのでしょうか。例えば、ソフトウェアのテーブルは、ある温度と負荷で安定した0.4 mmの方向オフセットを打ち消せます。しかし、予測不能に動くカップリング、保守後に変化するシール摩擦、別の機械がサイクル動作したときに現れる圧力低下は、確実には打ち消せません。これらの故障はマップ自体を変えるからです。

同様に、ディザを標準対策として使わないでください。小さな高周波指令はスプールや摩擦の一部を低減できますが、可聴ノイズ、余分な空気消費、熱、摩耗、圧力リップル、望ましくない動きを生むこともあります。振幅、周波数、工程限界、検証試験を定義した、バルブまたはコントローラが対応する方法だけを使います。

重要な点として、安全限界は精密調整から独立させます。センサ喪失、バルブ指令喪失、供給喪失、過大な追従誤差、予期しない動き、エンドストップ接近への応答を定義します。蓄積された空圧エネルギーによって、電気制御の状態が変わった後も軸が動くことがあります。全範囲試験の前に、機械リスクアセスメントと関連する安全アーキテクチャを適用してください。

方向別マッピングと制御補償

Festoの2025年MPYEデータは、最大スプール移動量に対して最大ヒステリシス0.4%、バルブサイズに応じた限界周波数70～115 Hzを記載しています（Festo MPYEデータ、2026年閲覧）。これらは位置制御スプール製品群の1つを示す値なので、軸補償は型式とシステムに固有のままにします。

物理的な故障を修正した後、方向マップを使って、例えば安定した残留誤差をオフセットできます。

u_{\mathrm{corr}} = u_{\mathrm{cmd}} + \Delta u_{\mathrm{dir}}(x, v, L)

ここで、 $u_{\mathrm{corr}}$ は補正後の指令、 $u_{\mathrm{cmd}}$ は元の指令、 $\Delta u_{\mathrm{dir}}$ は必要に応じて位置 $x$ 、方向または速度 $v$ 、負荷状態 $L$ をインデックスとする測定補正値です。誤差を再現できる最小限の次元数に保ちます。

したがって、マップは独立した特性評価データから作り、別のサイクルで検証します。同じデータでマップを作成し、同時に証明すると、軸ではなくノイズに適合する可能性があります。校正点間の補間と、作業範囲の端部での挙動を確認します。破損したテーブルが危険な動きを要求しないよう、補正値を制限します。

その他の補償方法は、それぞれ異なる問題を解決します。

方法	適した残留誤差	主な制限
方向別オフセット	反転後に安定して現れる位置差	速度依存の遅れには対応しない
摩擦フィードフォワード	動作開始または維持に必要な再現可能な力	シール、潤滑、負荷、温度で変化する
バルブ逆マップ	再現可能な指令・流量または指令・圧力の非線形性	一致したバルブ条件と利用可能な制御権限が必要
ゲインスケジューリング	位置または負荷でプラント動特性が予測可能に変わる場合	切換えまたは補間を安定させる必要がある
外乱オブザーバまたは状態推定器	検証済みモデルで説明できる未測定負荷変化	モデルとセンサの誤差を外乱として解釈する可能性
積分制御	利用可能な制御権限内の定常測定バイアス	スティクションまたは飽和時にワインドアップする可能性

さらに、補正テーブルは気軽な調整ではなく、校正済みの測定資産として扱うのが適切です。バージョン、軸のシリアル番号または構成ID、試験条件、作成日、承認範囲、チェックサム、ロールバック経路を付与します。バルブ交換、シール整備、センサ調整、ガイド作業、コントローラ変更、チューブ変更の後は再検証します。

受入試験をどう定義すべきか？

ISO 230-2:2014は、定義した位置での繰返し測定によって、型式、受入れ、比較、定期検証、補償の試験を支えています（ISO 230-2、2025年に確認）。空圧軸の要求事項も同様に、万能な許容パーセンテージを宣言するのではなく、位置、方向、繰返し回数、運転条件、不確かさ、工程基準点を定める必要があります。

具体的には、次の項目に別々の限界値を記載します。

双方向の位置差。
定義した繰返し回数と両アプローチにおける同方向再現性。
絶対的な工程位置誤差。
加速領域と反転領域を含む全プロファイル中の追従誤差。
オーバーシュートと整定時間。
保持帯、ドリフト、保持中の低速ハンチング。
反転後に制御できる最小移動量。
最小・最大ワーク、供給、温度条件におけるすべての適用限界と、センサ、電源、エア喪失に対する必要な応答。

例えば、有用な要求事項は試験指示のように記述します。「記載した目標に対し、定義したワークと供給範囲で、生産プロファイルを使って各目標へ両方向からアプローチする。規定した整定規則の後、工程基準点の位置は必要な繰返し回数にわたり指定帯域内に留まること。」測定不確かさとデータ保持規則も加えます。

反対に、すべての用途に1つの万能な「許容ヒステリシス」値を割り当てることは避けます。FestoのDFPIコントローラ内蔵例は、その製品構成について位置決め精度1% FS、ヒステリシス±1% FS、デッドゾーン1% FSを指定しています。SMCの0.5% FSというITV値は調整圧力を指します。どちらの値も、精密組立軸を自動的に定義するものではありません。そのため、工程公差から機械限界を設定し、測定、制御、機械、工具、製品ばらつき、環境に現実的な配分を行います。工程位置への変換が確立するまでは、異なる単位を見える状態に保ちます。工具をミリメートル以内に保つ必要があるなら、誤差予算もミリメートルで仕上げます。

最後に、生の波形を保存します。合否を示す1つの数値だけでは、劣化がバルブ指令、圧力応答、起動力、アクチュエータフィードバック、工程機構のどこから始まったか分かりません。したがって、同じ同期チャンネルを定期的に比較することで、ヒステリシス試験を一度きりの試運転ではなく、保守診断に変えられます。

比例アクチュエータのヒステリシスFAQ

SMCはITVのヒステリシスを0.5% FS以下とし、再現性±0.5% FS、感度0.2% FSを別に記載しています（SMC ITV、2026年閲覧）。以下の5問では、試運転中に比例空圧位置決め軸全体を診断する際に、これらの違いを保ちます。

ヒステリシスは再現性不良と同じですか？

いいえ。ヒステリシスは反対方向からアプローチした後の同じ入力に対する出力を比較します。再現性は、同じ定義のアプローチで繰り返した出力を比較します。軸は各方向の経路では高い再現性を示しながら、2つの経路が分離したままになることがあります。双方向の位置差と同方向のばらつきは、単位と条件を分けて報告してください。

閉ループ位置制御でアクチュエータのヒステリシスはなくなりますか？

いいえ。フィードバックはセンサから見える誤差を補正しますが、カップリングのがた、治具の移動、工程のコンプライアンス、偏ったセンサを直接観察することはできません。また、ハンチングを起こさず摩擦を超えるには、十分なバルブ制御権限も必要です。閉ループ制御は安定した誤差を減らせますが、負荷を載せた軸全体には双方向の受入試験が必要です。

PIDゲインを上げれば方向依存の位置決め誤差を直せますか？

小さな測定バイアスを減らすことはありますが、ゲインでバックラッシ、かじり、バルブ飽和、移動するセンサ基準点を除去することはできません。積分動作はスティクション中にワインドアップし、オーバーシュートとして解放されることがあります。まず物理経路と空気経路を修正し、その後、同期した指令、圧力、位置、誤差の波形から調整します。

ヒステリシス試験にはどの程度のセンサ分解能が必要ですか？

必要な判定を支えられる分解能、再現性、校正不確かさ、取付安定性、サンプル挙動を持つ測定システムを使います。ビット数だけでは不十分です。工程基準点で内蔵センサを外部基準と比較し、測定不確かさが受入限界に対して大きい場合は、文書化したガードバンドを適用します。

比例アクチュエータの許容ヒステリシス限界はどの程度ですか？

万能なパーセンテージはありません。工程位置公差、ワーク、アプローチ方向、作業範囲、供給範囲、温度、動作プロファイル、整定規則、繰返し回数、測定不確かさから限界を定義します。メーカー値は記載された部品と試験境界に適用されるため、軸全体は固有の工程基準点受入試験だけで承認します。

出典・技術参考資料

Bürkert、比例弁製品概要。ヒステリシスと再現性の定義。2026年7月23日取得。
SMC、ITVシリーズ電空レギュレータカタログ。型式固有の圧力制御特性。2026年7月23日取得。
Festo、サーボ空圧位置決めシステム。システム構成。2026年7月23日取得。
Festo、DFPIリニアアクチュエータ技術データ。異なる単位と境界を持つセンサチェーンおよびコントローラ内蔵例。2026年7月23日取得。
Festo、MPYE比例方向制御弁。型式固有のスプールヒステリシスと周波数データ。2025年3月公開、2026年7月23日取得。
ISO 230-2:2014、数値制御軸の位置決め精度と再現性。受入れと定期検証のための繰返し位置測定方法であり、空圧部品仕様ではありません。2025年確認、2026年7月23日取得。

ヒステリシスが比例アクチュエータの精度を損なう理由と対策

Eric Zhou