トルクリミッターとは
トルクリミッターは、機械の駆動系において、設定された値を超えるトルク（回転力）が加わった際に、モーターなどの駆動側と、負荷側の連結を瞬時に遮断またはスリップさせることで、機械全体を過負荷から保護する安全装置です。電気回路におけるヒューズやサーキットブレーカーが過電流から電気機器を守るのと同様に、トルクリミッターは過大トルクから高価なモーター、減速機、歯車、チェーンといった機械要素を守る「機械式ヒューズ」とも言うべき重要な役割を担っています。
1. トルクリミッターの役割と重要性
機械システムにおいて過負荷が発生する原因は様々です。
- ジャム（噛み込み）: 搬送物や異物がコンベアや機械の隙間に詰まる。
- クラッシュ（衝突）: 工作機械の刃物やロボットアームが、プログラムミスや誤操作で対象物や治具に衝突する。
- 急激な負荷変動: 運転中の急停止や急加速による慣性負荷の増大。
もしトルクリミッターがなければ、これらの過大トルクは駆動系を逆流し、最も弱い部品から順に破壊していきます。結果として、モーターの焼損、減速機の歯車破損、シャフトのねじれ、チェーンの切断といった致命的な故障につながり、多大な修理費用と生産停止による機会損失を招きます。
トルクリミッターは、このような事態を防ぐための予防保全における最後の砦です。異常トルクを瞬時に検知し、動力伝達を物理的に切り離すことで、ダメージを最小限に食い止め、システムの信頼性と安全性を飛躍的に向上させます。
2. 主要な作動原理と種類
トルクリミッターはその作動原理によっていくつかの種類に分類され、それぞれに特有の工学的特性があります。
摩擦式 (Friction Type)
クラッチと同様の原理で、スプリングによって加圧された摩擦板（フリクションプレート）の摩擦力を利用してトルクを伝達します。設定トルクを超える力がかかると、摩擦面が**スリップ（滑り）**を開始し、過負荷が負荷側に伝わるのを防ぎます。
- 長所: 構造が比較的シンプルで、過負荷時に衝撃なく滑らかに作動する。短時間の過負荷であれば、スリップしながら運転を継続することも可能。
- 短所: スリップ時に熱が発生するため、連続的な過負荷には不向き。摩耗や環境（油分など）によって設定トルク値が変動しやすく、精度や再現性は後述の方式に劣ります。
メカニカル式（ボールディテント式 / ローラー式）
最も広く利用されている高精度なタイプです。ハブとプレートの間に複数のボールまたはローラーが配置され、強力なスプリングによって円錐状の凹み（ディテント）に押し込まれています。このボールが噛み合う力でトルクを伝達します。設定トルクを超えると、ボールがスプリングの力に抗して凹みから乗り上げ、駆動側と負荷側の連結が物理的に遮断されます。
- 長所: 作動トルクの精度と再現性が非常に高い。遮断・再接続の応答が極めて速く、バックラッシ（ガタ）がゼロの精密なモデルも存在する。
- 短所: 遮断時に「カツン」という衝撃音を伴うことがある。構造が摩擦式より複雑になる。
剪断ピン式 (Shear Pin Type)
駆動側と負荷側を連結するフランジを、剪断ピンと呼ばれる専用のピンで固定する最も原始的で単純な方式です。過大トルクがかかると、ピンがその剪断強度を超えて物理的に破断し、動力を遮断します。
- 長所: 構造が極めて単純で安価。作動は確実。
- 短所: 一度作動するとピンが破壊されるため、交換が必要となりダウンタイムが発生する。作動トルクの精度はピンの材質や加工精度に依存する。
磁気式 (Magnetic Type)
永久磁石または電磁石の磁力を利用してトルクを伝達します。対向する磁石の吸引力（または反発力）が設定トルクとなり、それを超えると磁気的なカップリングが外れてスリップします。物理的な接触がないため、摩耗が原理的に発生しません。
- 長所: 摩耗粉が発生せずクリーン。オイルなどの液体中でも使用可能。非常に滑らかな作動特性を持つ。
- 短所: 単位体積あたりの伝達トルクがメカニカル式に比べて小さく、大型化しやすい。コストが高い場合が多い。
3. 工学的設計における重要選定項目
トルクリミッターを選定する際には、機械の仕様や目的に応じて以下の項目を工学的に検討する必要があります。
設定トルク値の決定
最も重要なパラメータです。通常、機械の定格運転トルクの1.5～2.5倍程度に設定します。この値が低すぎると、起動時の加速トルクなどで不要な作動（迷惑トリップ）を頻発し、生産性を下げます。逆に高すぎると、過負荷が発生しても作動せず、保護装置としての意味を成しません。機械のイナーシャ（慣性）や負荷の変動パターンを正確に計算し、最適な値を導き出す必要があります。
応答速度とバックラッシ
サーボモーターなどで駆動される高応答・高精度な位置決め装置（例：半導体製造装置、ロボット）では、衝突時のダメージを最小限にするための極めて速い応答速度と、位置決め精度を損なわないゼロバックラッシが要求されます。この場合、高精度なメカニカル式が選択されるのが一般的です。
復帰方式
一度作動した後の復帰方法も重要な選定基準です。
- 自動復帰: 過負荷の原因が取り除かれると、一定の回転数や位相で自動的に再接続するタイプ。人のアクセスが困難な場所や、一時的な噛み込みが頻発する用途に適しています。
- 手動復帰: 作業者が意図的に操作しない限り再接続しないタイプ。安全上、過負荷の原因を必ず調査・除去すべき重要な機械（工作機械など）で採用されます。
- 同期/非同期: 再接続時に、遮断前と同じ位相（角度）で接続される同期復帰と、任意の位相で接続される非同期復帰があり、機械の用途に応じて選択します。
使用環境
粉塵、水分、油分、温度といった使用環境は、トルクリミッターの性能と寿命に大きく影響します。例えば、摩擦式は油分に弱く、オープンなメカニカル式は粉塵の侵入が問題となる場合があります。用途に応じて、密閉構造や防錆処理、適切な材質を選定する必要があります。
まとめ
トルクリミッターは、単なる付属品ではなく、機械システムの安全性と信頼性を根本から支える能動的な保護装置です。その選定と設定には、機械全体の運動と負荷を理解する深い工学的知見が求められます。技術の進歩により、近年では作動を外部信号として出力し、PLC（プログラマブルロジックコントローラ）と連携して即座にシステムを停止させるなど、よりインテリジェントな役割も担うようになっています。機械設計において、この「縁の下の力持ち」を適切に組み込むことは、高品質で堅牢なシステムを実現するための不可欠な要素と言えるでしょう。
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