IoT におけるアクチュエーターの種類について理解する

Nov 25, 2023

ゲッティイメージズ/iStockphoto

アクチュエーターはデジタル時代より前から存在し、多くの IoT 導入の中心となるハードウェア コンポーネントです。 最も基本的なレベルでは、アクチュエーターはエネルギーを動きに変換するデバイスです。

「それらは、ある形態のエネルギーを行動や動きに変える単なる方法です」と、IEEEの上級会員であり、コンサルタント会社ガイドハウスのエネルギー、持続可能性、インフラストラクチャ担当ディレクターであるショーン・チャンドラー氏は述べた。

エンジニアが効果的で機能する製品を構築するには、アクチュエータ ハードウェアがどのように機能するか、各タイプの電源とメンテナンス要件を理解する必要があります。 この知識があれば、製品設計のワークフローと製造全体を通じてハードウェア開発で予期せぬ事態が発生しないことを保証できます。

IoT では、アクチュエーターは 1 つ以上のセンサーから発生したデータに基づいて物理的なアクションを可能にします。

センサー データからアクティビティへの変換は、次の順序に従います。

たとえば、冷蔵庫ユニットを制御する IoT 導入には、温度を読み取るセンサーが備えられています。 センサーは、スケジュールに従って温度データを制御システムに送信します。 制御システムは、これらの温度読み取り値をプログラムされた望ましい温度範囲と比較します。 温度が事前にプログラムされた範囲を超えた場合、制御システムはアクチュエーターに信号を送り、冷凍をオンまたはオフにします。

多くの IoT 導入では、センサー、コントローラー、アクチュエーターは物理的に異なるコンポーネントであり、無線または有線の通信ネットワークとインターネット プロトコルを介して通信します。 他のビルドでは、1 つの物理デバイスに 3 つのコンポーネントすべてが収容されます。 たとえば、スマート バルブには通常、センサー、コントローラー、アクチュエーターが含まれています。

一部の IoT 導入では、アクチュエーター自体が中心となります。 ドメインエキスパートインテグレーターCBTのインテリジェントエッジにおける資産の完全性と信頼性のシニアソリューションマネージャーであるプレストン・ジョンソン氏は、このような使用例ではセンサーがアクチュエーターのパフォーマンスを監視すると述べた。

「昔の世界では、誰かにアクチュエーターを検査してもらう必要がありました」とジョンソン氏は言う。 「しかし、IoT の出現により、検査官を派遣する必要がなくなりました。アクチュエーターがどのように動作しているか、または緩和が必要かどうかについてのレポートを入手できるようになりました。」

たとえば、センサーはアクチュエーターがパイプ内のバルブを開閉する速度を監視でき、コントローラーは測定値を分析してアクチュエーターが適切に動作していることを確認し、異常がある場合はアラートを送信します。

センサー、コントローラー、アクチュエーターが一部に含まれるスマートバルブの場合、デバイスはバルブの性能を分析する中央サーバーにデータを送信するための通信プロトコルを備えている可能性があるとジョンソン氏は述べた。

動きを実現するには、アクチュエータにエネルギーが必要です。 エネルギー源の主な種類は次のとおりです。

各タイプには利点と潜在的な欠点があります。

IoT デバイスの一般的なオプションである電動アクチュエーターは、エネルギーを機械的トルクに変換します。 電気エネルギーは他のタイプのアクチュエータに比べて動作時の騒音が低くなります。 これらのアクチュエータは作動するために流体を必要としません。 さらに、電動アクチュエータはプログラム可能なため、高度に制御された正確な位置決めを実現します。 しかし、これらのアクチュエータは高価になる可能性があります。 また、一部の製造、航空宇宙、軍事の使用例に見られる極端な動作環境には適していない可能性があります。

油圧アクチュエータは、大きな力を発揮し、高速で移動できます。 これらの特性は、建設機械や製造装置での使用に適しています。 しかし、高いメンテナンス要件が必要です。 たとえば、騒音の軽減が必要な場合や、液体の漏れにより性能が低下する場合があります。

エネルギーとして圧縮空気またはガスを使用する空気圧アクチュエータは、他のタイプのアクチュエータに比べてメンテナンスの必要性が低く、寿命が長くなります。 耐久性があり、極端な温度でも使用できます。 このカテゴリでは、モーションを素早く開始および停止することもできます。 しかし、それでもメンテナンスが必要です。 たとえば、一定の空気供給が必要であり、その効率は空気やガスの圧力の変化によって影響を受けます。

熱アクチュエータまたは磁気アクチュエータは、形状記憶合金を加熱することで得られるエネルギーを使用します。 コンパクトなフォームファクタを持ち、軽量で、高い電力密度を備えています。 また、流体制御、作動、温度感知機能を統合したサーマルバルブに使用する場合、温度センサーも不要になります。 このアクチュエータは移動に熱を使用するため、デバイスが加熱または冷却している場合、アクチュエータのピストンの位置が移動して遅れが発生し、ヒステリシスが発生する可能性があります。 アクチュエータの金属も構造的および機能的疲労を受ける可能性があります。

アクチュエータを分類するもう 1 つの方法は、アクチュエータが生成する動きのタイプです。 機械的な動きには、回転、直線、振動が含まれます。

「必要なアクチュエータのタイプは、必要な作業によって異なります」とジョンソン氏は言います。

直線運動を行う油圧アクチュエータは、重いものを直線的に上下に持ち上げるニーズに応えます。 ロボットアームとしては、回転運動を備えた空気圧アクチュエータが有力な選択肢となるでしょう。 チャンドラー氏によると、電動アクチュエーターは IoT 導入で最も一般的なタイプです。

アクチュエーターは多くの IoT ユースケースのコンポーネントですが、エンタープライズ IoT チームが展開するアクチュエーターのタイプを直接選択することはあまりありません。 チャンドラー氏によると、オートメーション ハードウェア ベンダーは、アクチュエータを含むデバイス コンポーネントを選択し、それらを 1 つのパッケージ製品として販売することがよくあります。

IoT デバイス設計チームがコンポーネントについて知れば知るほど、アクチュエータがメンテナンス要件、動作ノイズ、製品寿命にどのような影響を与える可能性があるかについて、より多くの情報を得ることができます。 IoT 製品エンジニアがサプライヤーからアクチュエーターを直接購入しない場合でも、ベンダーと協力して、テクノロジー提供の一部として最適なアクチュエーターを入手し、それが目的のユースケースをサポートしていることを確認する必要があります。

一部: IoT デバイスの構築

組み込みシステムはIoTデバイスに必要な部分です。 それらの仕組み、コンポーネント、IoT デバイスに適したタイプを選択する方法について詳しく読んでください。

IoT の導入を担当する IT チームは、さまざまな種類の IoT センサー、それらがどのように機能し、どのような課題をもたらすかを理解する必要があります。

アクチュエーターは、IoT 製品に不可欠なハードウェア コンポーネントです。 アクチュエーターの仕組み、さまざまな種類のエネルギー源、およびそれらの使用例について理解してください。

IoT OS は、最小限の電力とストレージ リソースでデバイスをサポートするように設計されています。 この分野で利用可能な OS と、それらがデバイスやユースケースにどのように最適であるかを学びます。