Q：複雑な空気圧ロジック向けの技術ガイド――3ポート型と5ポート型ソレノイドバルブの選定方法

空気圧システム設計において、方向制御バルブは「脳」の役割を果たし、圧縮空気をさまざまなアクチュエータに配分して、正確な動作を実現します。方向制御バルブを選定する際、 ソレノイドバルブの選定では、 最も基本的なエンジニアリング判断の一つが、3ポート（3／2ポート）型と5ポート（5／2ポートまたは5／3ポート）型の構成から適切なものを選ぶことです。誤った選択を行うと、システムの機能性に悪影響を及ぼすだけでなく、空気圧効率の低下、エネルギー消費の増加、さらには安全上のリスクを招く可能性があります。

B2B調達担当者およびシステムインテグレーターが適切な判断を下せるよう支援するため、本技術ガイドでは、ポート構成、流路設計、アクチュエーター互換性、および特定のアプリケーションに最適なバルブを選定する上で決定的な役割を果たす複雑な空気圧ロジックについて、詳細に解説します。

1. 用語の分解：数字にはどのような意味があるか？

アプリケーションを比較する前に、標準化された空気圧用語（通常は分数形式で表記される、例：3／2や5／2など）を明確にしておく必要があります。

• 分子の数字は、バルブ本体上のポート（接続部）の数を示します。
• 分母の数字は、バルブスプールが取り得る切り替え位置の数を示します。

したがって、3／2ウェイバルブは3つのポートと2つの位置を持ち、5／2ウェイバルブは5つのポートと2つの位置を持ちます。また、5／3ウェイバルブは5つのポートと3つの明確な位置を持ち、その第3の位置は通常、中立状態またはセンター状態となります。

2. 3ウェイソレノイドバルブの技術的特徴

一般的な3ウェイバルブ（3／2）には、3つの異なるポートがあります：

• ポート1：コンプレッサーまたはFRLユニットからの空気供給口（P）
• ポート2：作動器に接続される出口／作動ポート（A）
• ポート3：大気へ空気を排出する排気ポート（R）

どのように機能するか

非通電状態では、ポート1は閉じられ、ポート2がポート3に接続され、作動器内の空気が放出されます。通電時には、内部スプールが移動し、ポート3が遮断され、ポート1からポート2への通路が開きます。これにより、作動器に圧力が供給されます。

主な用途

3方向バルブは主に単動式作動器の制御に使用されます。これらは、動作に圧縮空気を必要とする一方で、復帰には内部の機械的スプリングまたは外部の重力負荷に依存する空気圧式デバイスです。例として以下が挙げられます：

• 単動式シリンダー（スプリング復帰型シリンダー）
• 空気圧式クランプ装置
• エアバッグまたはベローズ
• 大型プロセスバルブ（例：高耐久性の角座バルブなど）用のパイロット制御回路

3方向バルブを用いることで、2番目の作動ラインを必要としなくなるため、配管が簡素化され、部品コストも低減されます。

3．5方向ソレノイドバルブの技術的仕様

5方向バルブはより複雑な構造で、5つの独立したポートから構成されています。

• ポート1：空気入口（P）
• ポート2：作動ポートA（シリンダの伸長用）
• ポート4：作動ポートB（シリンダの収縮用）
• ポート3：排気ポートR（作動ポートAを排気）
• ポート5：排気ポートS（作動ポートBを排気）

どのように機能するか

標準的な5／2方向バルブでは、非励磁時において、空気は入口ポート1から作動ポート2へ流れ、一方で作動ポート4は排気ポート5に接続されます。ソレノイドが励磁されると、スプールが移動し、入口からの空気がポート1から作動ポート4へ導かれ、同時に作動ポート2が排気ポート3に接続されます。この二方向同時制御により、両方向への確実な制御が可能になります。

主な用途

5方向バルブは、二動式シリンダの制御において業界標準です。二動式シリンダは、ピストンを押し出し・引き込みの両方の動作に圧縮空気を必要とするため、一方のピストン面に空気を供給しつつ他方を排気する制御装置が必要です。主な応用例は以下の通りです：

• 標準的な二動式直動シリンダ（例：JZPNU DNCシリーズ、SCシリーズなど）
• 空気圧式ロータリアクチュエータ（ボールバルブやバタフライバルブ用）
• 高速ロボットによるピック＆プレースアーム

4．複雑な空気圧ロジック：2位置制御を超えて

3／2バルブおよび5／2バルブは、単純な2値状態（オン／オフ、開／閉）の制御に最適ですが、複雑な自動化では中間制御が求められる場合が多く、そのような用途には3位置5方向（5／3）バルブが不可欠となります。これらのバルブには、電磁弁がいずれも通電されていない際にセンター復帰スプリングによって保持される中央位置があります。主に3種類の中央位置構成があり、それぞれ特定のロジック機能を果たします：

• 閉じたセンター：中立状態ではすべてのポートが遮断され、シリンダーの両方のチャンバーに空気が閉じ込められます。これは、緊急停止時にストローク途中で負荷を一時的に保持・固定する場合、またはシリンダーの位置を一時的に保持する場合に使用されます。
• 排気センター（オープンセンター）：中立状態では、作動ポート2および4が排気ポート3および5に開放されます。これによりシリンダー内が完全に減圧され、オペレーターが手動でピストンロッドを移動させたり、スライドさせたりできるようになります。これは、保守作業中に機械を安全な状態（触っても安全な状態）にする必要がある安全性重視の回路に最適です。
• 圧力センター：中立状態では、入口空気ポート1が同時に作動ポート2および4に接続されます。このため、シリンダーの両側に等圧が供給され、ピストンロッドが剛性を持って保持されます。ただし、ピストン面積とロッド面積には差があるため、この構成は特殊な這い動き制御や減速回路にも応用できます。

5. B2Bエンジニア向けの判断基準

次回のマニフォールドまたは制御パネルの設計に際しては、最適な構成を選択するため、以下の技術ガイドラインを検討してください。

• アクチュエータの種類：シングルアクション式は常に3方向弁に対応し、ダブルアクション式は常に5方向弁に対応します。
• 安全性およびフェイルセーフ状態：停電時にシステムは空気圧を排出する必要がありますか、あるいは空気圧を保持する必要がありますか、それとも自由にフロート（浮遊）させる必要がありますか？ 安全規格への適合を確保するため、適切なセンター機能を備えた5/3構成を選択してください。
• スペースとポートサイズ：単一ブロック上に複数の3方向または5方向バルブをマウントするマニフォールドは、設置スペースを効率的に最適化する優れた方法です。AIRWORKでは、両シリーズ向けにカスタムマニフォールドブロックを提供しており、配管総量を削減できます。
• フローパスの効率性：個別の排気ポート（例：5方向バルブにおける独立したRおよびS排気ポート）を活用することで、スピードコントロールマフラーを排気ポートに直接取り付けることができます。これにより、シリンダーの伸長および収縮速度をそれぞれ独立して調整可能となりますが、基本的な3方向構成では、インラインフローコントロールを追加しない限り、このような独立調整は実現できません。

AIRWORKソリューション

浙江金志気動技術有限公司（JZPNU）では、AIRWORKブランドの電磁式制御バルブを包括的に取り揃えております。3Vシリーズ（3方向）および4Vシリーズ（5方向）が該当します。高品質アルミニウム合金から精密加工され、耐久性に優れ摩擦係数の低いNBR／HNBR製スプールを採用することで、当社のバルブは厳しいB2B産業環境においても、正確な切り替え動作、極めて低い漏れ量、そして非常に長い使用寿命を実現します。お客様の機械制御ロジックに最適なバルブ構成を選定するため、ぜひ当社の技術エンジニアリングチームまでお問い合わせください。