1. 概要

機械は、動力源から発生した力と運動を作業部へ伝達し、それらを必要な方向、速度、軌跡、力および動作サイクルへ変換することによって、目的とする機能を実行する。

この過程において、Mechanism（機構）とは、運動を伝達または変換するための機械的構造および原理を意味する。一方、Motion（運動）とは、その機構によって実際に発生する動きの形式と特性を意味する。

したがって、Mechanism & Motionは次の流れとして理解できる。

入力動力 → 運動伝達 → 運動変換 → 運動の案内・拘束 → 出力運動 → 作業の実行

MechanismとMotionは、それぞれ独立した概念ではなく、相互に密接に関係している。機構は入力運動を受けて特定の出力運動を生成し、同じ形式の運動であっても、異なる機構によって実現できる。

第1部　Mechanismの分類

2. 運動伝達機構

運動伝達機構は、入力軸で発生した運動と動力を、他の軸または構成部品へ伝達する機構である。

基本的な運動形式を維持しながら、回転速度、トルク、回転方向、軸の位置関係などを変更することを主な目的とする。

2.1 歯車伝達機構

歯車の歯をかみ合わせることによって、回転運動とトルクを伝達する。

主な種類は次のとおりである。

• 平歯車

• はすば歯車

• かさ歯車

• ウォームおよびウォームホイール

• 内歯車

• 遊星歯車

• ラック・アンド・ピニオン

• 複合歯車列

歯車機構は、正確な速度比や回転同期が要求される装置に適している。ただし、バックラッシ、騒音、潤滑および歯面強度を考慮する必要がある。

2.2 ベルト・プーリ機構

ベルトとプーリを使用し、一定の距離を隔てた二つの軸間で回転運動を伝達する。

主な種類は次のとおりである。

• 平ベルト

• Vベルト

• タイミングベルト

• ポリVベルト

ベルト機構は構造が簡単で、比較的静粛性が高く、軸間距離が長い場合にも適用しやすい。タイミングベルトは、すべりを発生させずに同期運動を伝達できる。

2.3 チェーン・スプロケット機構

チェーンとスプロケットを使用して、回転運動または搬送運動を伝達する。

代表的な適用分野は次のとおりである。

• コンベヤ

• 製品搬送装置

• 動力伝達軸

• 昇降装置

• 間欠搬送装置

チェーン機構は、大きな荷重や長い搬送距離に適しているが、潤滑、張力調整、騒音および摩耗の管理が必要である。

2.4 軸・カップリング機構

軸は回転運動とトルクを伝達し、カップリングは分離された二本の軸を接続する。

主な構成要素は次のとおりである。

• 回転軸

• キーおよびスプライン

• フレキシブルカップリング

• リジッドカップリング

• ユニバーサルジョイント

• トルクリミッタ

カップリングは、軸の偏心、角度ずれ、軸方向変位などを補償する役割も果たす。

2.5 摩擦伝達機構

二つの部品間に発生する摩擦力を利用して運動を伝達する。

代表例は次のとおりである。

• 摩擦車

• ローラ駆動

• クラッチ

• ブレーキ

• 摩擦式フィーダ

構造が簡単であり、過負荷時にすべりを発生させることで部品を保護できる。ただし、正確な速度比を維持する用途には限界がある。

3. 運動変換機構

運動変換機構は、ある形式の入力運動を別の形式の出力運動へ変換する。

代表的な運動変換は次のとおりである。

• 回転運動から直線運動への変換

• 回転運動から往復運動への変換

• 回転運動から揺動運動への変換

• 連続運動から間欠運動への変換

• 直線運動から回転運動への変換

3.1 ねじ機構

ねじ山のらせん形状を利用して、回転運動を直線運動へ変換する。

主な種類は次のとおりである。

• リードスクリュー

• ボールねじ

• 台形ねじ

• 角ねじ

• ローラスクリュー

• 差動ねじ

ねじ機構は、精密位置決め、昇降、クランプ、プレスおよび電動シリンダに使用される。

ボールねじは高効率かつ高精度であり、台形ねじは構造が比較的簡単で、一定の条件下では自己保持特性を持つ。

3.2 ラック・アンド・ピニオン機構

円形のピニオン歯車と直線状のラック歯車を組み合わせ、回転運動と直線運動を相互に変換する。

長い移動距離と高い移動速度が要求される装置に適している。

代表的な適用分野は次のとおりである。

• ガントリー装置

• 自動ドア

• 大型直動軸

• 昇降装置

• 操舵機構

3.3 クランク・スライダ機構

クランクの回転運動を、スライダの往復直線運動へ変換する。

代表的な適用分野は次のとおりである。

• プレス

• ポンプ

• コンプレッサ

• 往復式切断機

• 包装機械

スライダの位置および速度は、クランク角度に応じて非線形に変化する。

3.4 スコッチヨーク機構

回転するクランクピンがスロット内を移動することによって、回転運動を直線往復運動へ変換する。

構造が簡単で、比較的規則的な往復運動を生成できる。ただし、ピンとスロットの間に大きな摩擦と摩耗が発生する場合がある。

3.5 偏心機構

回転中心と作動点の中心を意図的にずらすことによって、往復運動または揺動運動を生成する。

代表的な適用分野は次のとおりである。

• 振動装置

• フィーダ

• 小型プレス

• 往復式切断装置

• ふるい装置

3.6 カム機構

カムの輪郭形状を利用して、回転運動を直線運動または揺動運動へ変換する。

カムは単に運動方向を変換するだけではなく、フォロワの位置、速度、加速度および休止時間を決定する。

主なカムの種類は次のとおりである。

• 板カム

• 円筒カム

• バレルカム

• 端面カム

• 直動カム

• 共役カム

フォロワの主な種類は次のとおりである。

• ローラフォロワ

• 平面フォロワ

• 球面フォロワ

• 直動フォロワ

• 揺動フォロワ

カム機構は、充填機、包装機、ラベリング機、切断機など、正確な動作順序とタイミングが要求される装置に適している。

4. リンク機構

リンク機構は、複数の剛体リンクを回転対偶または直進対偶で接続し、特定の運動または軌跡を生成する機構である。

4.1 四節リンク機構

四節リンク機構は最も基本的なリンク機構の一つであり、四本のリンクと四つの回転対偶によって構成される。

主な種類は次のとおりである。

• クランク・ロッカ機構

• ダブルクランク機構

• ダブルロッカ機構

• 平行リンク機構

• 台形リンク機構

四節リンク機構は、回転運動を揺動運動へ変換したり、特定の軌跡を生成したりするために使用される。

4.2 スライダリンク機構

回転対偶と直進対偶を組み合わせたリンク機構である。

主な種類は次のとおりである。

• クランク・スライダ機構

• オフセットクランク・スライダ機構

• ダブルスライダ機構

• トグルリンク機構

4.3 平行リンク機構

出力リンクの姿勢を一定に維持しながら位置を移動させる機構である。

代表的な適用分野は次のとおりである。

• 昇降テーブル

• ロボットグリッパ

• 平行開閉装置

• ワーク姿勢保持装置

4.4 多節リンク機構

六節以上のリンクを組み合わせ、より複雑な軌跡や運動特性を実現する。

主な種類は次のとおりである。

• 六節リンク機構

• 八節リンク機構

• パンタグラフ

• ロボットリンク機構

• 軌跡生成リンク機構

多節リンク機構は、複雑な軌跡生成や姿勢制御に適しているが、設計および運動学解析が複雑になる。

5. 間欠運動・インデックス機構

間欠運動機構は、連続した入力運動を、移動と停止を繰り返す運動へ変換する。

5.1 ゼネバ機構

駆動ピンがゼネバホイールの溝に入り、一定角度だけ回転させる機構である。

一定角度の回転後に停止するインデックス運動に適している。

5.2 ラチェット・ポール機構

一方向へ段階的に移動させたり、逆回転を防止したりする。

代表的な適用分野は次のとおりである。

• 手動インデックス

• 巻取り装置

• 張力調整装置

• 逆転防止装置

5.3 カムインデクサ

カム形状に基づいて出力軸を一定角度だけ回転させ、所定位置で停止させる精密インデックス機構である。

ゼネバ機構と比較して運動衝撃が小さく、高速・高精度運転に適している。

5.4 スターホイール

製品を一定間隔で分離したり、回転させながら搬送したりする機構である。

主にボトル、容器、食品および包装製品の搬送と位置決めに使用される。

5.5 エスケープメント機構

製品または部品を一個ずつ分離して供給する機構である。

代表的な適用分野は次のとおりである。

• 部品供給装置

• 振動フィーダ

• 包装機械

• 自動組立機

6. 案内・拘束機構

案内・拘束機構は、可動部が所定の方向または軌跡に沿ってのみ動くように自由度を制限する。

6.1 直線案内機構

直線運動の方向性と精度を維持する。

主な種類は次のとおりである。

• リニアガイド

• リニアシャフトおよびブッシュ

• あり溝ガイド

• クロスローラガイド

• スライドレール

• テレスコピックガイド

6.2 回転案内機構

軸または回転体が一定の中心軸を基準として回転するように支持する。

主な種類は次のとおりである。

• 転がり軸受

• すべり軸受

• ブッシュ

• ヒンジ

• ピボット

• ターンテーブルベアリング

6.3 軌跡案内機構

可動部が所定の曲線またはスロットに沿って動くように案内する。

主な種類は次のとおりである。

• スロット・ピン機構

• カムトラック

• 曲線レール

• ローラトラック

• リンク案内機構

案内機構は通常、運動を直接発生させるものではなく、自由度を制限して必要な運動だけを可能にする。

7. 力増幅・クランプ機構

力増幅機構は、小さな入力力をより大きな出力力へ変換する。

7.1 レバー機構

支点と力の作用点との距離差を利用して、力または変位を増幅する。

レバーを長くすると出力力は大きくなるが、出力側の移動量は小さくなる。

7.2 トグル機構

二本のリンクが一直線に近づいたとき、非常に大きな出力力を発生する機構である。

代表的な適用分野は次のとおりである。

• プレス

• 金型クランプ

• ドアロック

• ジグおよび治具

• 射出成形機

7.3 くさび機構

傾斜面を利用して入力運動の方向を変更し、力を増幅する。

クランプ、位置調整、高さ調整およびすきま補正に使用される。

7.4 偏心クランプ・カムクランプ

偏心軸またはカムの回転を利用し、短い操作ストロークで部品を固定する。

操作が速く、繰返し作業に適している。

7.5 ねじクランプ

ねじ機構の大きな機械的利益を利用して、高い締付力を発生する。

構造が簡単で、保持力が安定しているが、操作速度は比較的遅い。

8. ロック・停止・安全機構

ロック・停止機構は、可動部を特定位置に保持したり、許容範囲を超えて移動しないようにしたりする。

主な種類は次のとおりである。

• ラッチ

• ディテント

• ロックピン

• スプリングプランジャ

• オーバーセンターロック

• ブレーキ

• ストッパ

• 逆転防止機構

• トルクリミッタ

• スリップクラッチ

これらの機構は、位置保持だけでなく、過負荷、衝突および予期しない逆運動から装置と作業者を保護する役割も果たす。

9. 弾性・復帰機構

弾性機構は、弾性エネルギーを蓄積・放出することによって、復帰力、張力、緩衝力または接触力を発生する。

主な種類は次のとおりである。

• 圧縮ばね

• 引張ばね

• ねじりばね

• 板ばね

• 定荷重ばね

• ガススプリング

• ゴムエラストマー

• カウンターバランス

主な機能は次のとおりである。

• 可動部の原位置復帰

• 張力維持

• 衝撃吸収

• 荷重補償

• 接触力維持

• 位置誤差補正

• 振動絶縁

10. コンプライアント機構

コンプライアント機構は、一般的なピン結合や軸受結合の代わりに、材料自体の弾性変形を利用して運動を生成する。

主な種類は次のとおりである。

• フレクシャヒンジ

• 弾性リンク

• 板ばねガイド

• 弾性グリッパ

• 精密位置調整機構

• 一体型コンプライアント機構

主な長所は次のとおりである。

• バックラッシがほとんどない

• 摩擦と摩耗が小さい

• 潤滑が不要

• 部品点数を削減できる

• 微小運動に適している

一方、運動範囲が制限され、繰返し応力および疲労寿命を慎重に評価する必要がある。

第2部　Motionの分類

11. 運動軌跡による分類

11.1 直線運動

物体が直線経路に沿って移動する運動である。

主な形式は次のとおりである。

• 水平直線運動

• 垂直直線運動

• 傾斜直線運動

• 単軸直線運動

• 多軸直線運動

直線運動は、シリンダ、ボールねじ、ラック・アンド・ピニオン、ベルト駆動軸およびリニアモータによって実現できる。

11.2 回転運動

物体が一定の軸を中心として回転する運動である。

主な形式は次のとおりである。

• 連続回転

• 制限角回転

• 正転

• 正逆回転

• 多回転

• 部分回転

11.3 往復運動

物体が同じ経路に沿って前進と後退を繰り返す運動である。

主な形式は次のとおりである。

• 直線往復運動

• 垂直往復運動

• 水平往復運動

• 対称往復運動

• 非対称往復運動

• 可変ストローク往復運動

11.4 揺動運動

物体が一定の回転中心を基準として、制限された角度範囲内で往復回転する運動である。

主な形式は次のとおりである。

• 一定角揺動

• 可変角揺動

• 対称揺動

• 非対称揺動

• 減衰揺動

11.5 らせん運動

回転運動と直線運動が同時に発生する運動である。

代表的な適用例は次のとおりである。

• ねじ送り

• 押出しスクリュー

• スクリューコンベヤ

• ドリル送り

• ボトルキャップの締付け

11.6 曲線運動

直線または単純な円弧ではない曲線経路に沿って移動する運動である。

主な形式は次のとおりである。

• 円弧運動

• 楕円運動

• サイクロイド運動

• 自由曲線運動

• カム輪郭運動

11.7 複合運動

二つ以上の運動を同時または連続的に組み合わせた運動である。

代表例は次のとおりである。

• 回転運動と直線運動の組合せ

• 直線運動と揺動運動の組合せ

• 多軸補間運動

• ロボットエンドエフェクタの運動

• 空間曲線運動

12. 時間特性による分類

12.1 連続運動

停止することなく継続する運動である。

代表例は次のとおりである。

• コンベヤ

• 回転軸

• ポンプ

• ブロワ

• 連続押出機

12.2 間欠運動

移動と停止を一定の順序で繰り返す運動である。

代表例は次のとおりである。

• インデックステーブル

• ピッチ送り装置

• 製品分離装置

• 包装機械

• 自動組立機

12.3 周期運動

同一または類似した運動を一定周期で繰り返す。

代表例は次のとおりである。

• 往復運動

• 揺動運動

• 繰返しプレス

• ポンプピストン運動

• カム駆動運動

12.4 非周期運動

一定の繰返し周期を持たず、運転条件や制御指令に応じて変化する運動である。

代表例は次のとおりである。

• ロボット軌跡

• サーボ位置決め

• 自動倉庫装置

• プログラム制御による多軸運動

13. 速度・位置特性による分類

13.1 等速運動

運動速度が一定に維持される運動である。

コンベヤ、撹拌機および一定速度回転軸などに使用される。

13.2 加速・減速運動

起動および停止過程において速度が変化する運動である。

機械的衝撃と振動を低減するため、適切な加減速プロファイルを設定する必要がある。

13.3 位置決め運動

目標位置まで移動し、その位置で停止する運動である。

代表的な適用分野は次のとおりである。

• サーボ軸

• ステッピングモータ軸

• インデックステーブル

• ロボット

• 自動組立機

13.4 同期運動

二つ以上の軸または装置が、一定の速度比または位相関係を維持しながら動く運動である。

代表的な適用分野は次のとおりである。

• 電子カム

• 包装機械

• 印刷装置

• 多軸搬送装置

• 同期切断装置

13.5 追従運動

一つの軸が、基準軸の位置、速度または軌跡に従って動く運動である。

マスター・スレーブ制御および電子ギア方式が代表的である。

14. 駆動方式による分類

14.1 手動運動

人の力によって直接発生する運動である。

代表例は次のとおりである。

• ハンドホイール

• レバー

• ペダル

• 手動スライド

• ハンドクランク

14.2 機械式自動運動

カム、リンク、歯車およびばねなどの機械要素を利用して、自動的に生成される運動である。

14.3 空気圧駆動運動

圧縮空気を利用して、直線運動または回転運動を発生させる。

代表的なアクチュエータは次のとおりである。

• 空気圧シリンダ

• ロッドレスシリンダ

• 空気圧グリッパ

• ロータリアクチュエータ

空気圧機構は構造が簡単で高速動作に適しているが、精密な位置制御および速度制御には限界がある。

14.4 油圧駆動運動

油圧を利用して、大きな力とトルクを発生させる。

代表的なアクチュエータおよび装置は次のとおりである。

• 油圧シリンダ

• 油圧モータ

• 油圧プレス

• 油圧クランプ

油圧機構は大荷重に適しているが、油漏れ、汚染、発熱および保守性を考慮する必要がある。

14.5 電動駆動運動

電動機を利用して運動を発生・制御する。

主な駆動源は次のとおりである。

• 誘導電動機

• ブレーキ付きモータ

• ステッピングモータ

• サーボモータ

• リニアモータ

• 電動シリンダ

電動駆動方式は、位置、速度、トルクおよび同期制御に適している。

第3部　MechanismとMotionの関係

15. 機構と運動の機能的なつながり

MechanismとMotionは、次の五つの段階で理解できる。

15.1 入力運動

動力源から最初に発生する運動である。

代表例は次のとおりである。

• モータの回転運動

• シリンダの直線運動

• 作業者による手動運動

15.2 運動伝達

入力運動を必要な位置まで伝達する。

代表例は次のとおりである。

• 歯車

• ベルト

• チェーン

• 軸

• カップリング

15.3 運動変換

入力運動を作業部に必要な運動形式へ変換する。

代表例は次のとおりである。

• ボールねじ

• ラック・アンド・ピニオン

• クランク・スライダ機構

• カム

• リンク機構

15.4 運動の案内・拘束

可動部が所定の方向または軌跡に沿って動くように制限する。

代表例は次のとおりである。

• リニアガイド

• 軸受

• スロット

• 曲線レール

• リンクジョイント

15.5 出力運動

最終的に作業部で発生する運動である。

代表例は次のとおりである。

• ノズルの昇降

• 切断刃の往復運動

• クランプの開閉

• コンベヤ搬送

• 回転テーブルのインデックス運動

例えば、サーボモータによって充填ノズルを昇降させる装置は、次のように分析できる。

サーボモータの回転運動
→ カップリングによる動力伝達
→ ボールねじによる回転・直線運動変換
→ リニアガイドによる直線運動の拘束
→ ノズルの垂直位置決め運動

第4部　設計・選定基準

16. 機能要求事項

機構を選定する前に、出力部に要求される運動を明確に定義する必要がある。

確認すべき項目は次のとおりである。

• 運動方向

• 移動距離または回転角度

• 最大速度

• 加速度および減速度

• 動作サイクル

• 休止時間

• 位置決め精度

• 繰返し精度

• 必要な力およびトルク

• 動作頻度

17. 荷重条件

機構に作用する荷重の大きさと方向を評価する必要がある。

主な荷重条件は次のとおりである。

• 静荷重

• 繰返し荷重

• 衝撃荷重

• 慣性荷重

• 偏心荷重

• 軸方向荷重

• ラジアル荷重

• モーメント荷重

設計では、モータ容量だけを計算するのではなく、機構全体に発生する応力、変形、摩耗および疲労を総合的に評価しなければならない。

18. 運動性能

機構の運動性能は、次の項目によって評価できる。

• 位置決め精度

• 繰返し精度

• バックラッシ

• 剛性

• 振動

• 騒音

• 摩擦

• 効率

• 応答速度

• 運動の滑らかさ

高速機械では、加速度およびジャークの検討が特に重要である。運動が急激に変化すると、衝撃、振動、製品損傷および部品疲労が増加する可能性がある。

19. 使用環境条件

使用環境に応じて、適切な材料と構造を選定する必要がある。

主な環境条件は次のとおりである。

• 温度

• 湿度

• 粉じん

• 水分

• 洗浄水

• 腐食性物質

• 食品接触

• 真空

• クリーンルーム

• 爆発危険環境

食品機械では、衛生設計、洗浄性、潤滑油の漏れ、すきまおよび汚染物の蓄積可能性も検討する必要がある。

20. 保守性

機構は正常動作だけでなく、点検、調整、潤滑および交換の容易さも考慮して設計する必要がある。

主な検討項目は次のとおりである。

• 潤滑作業性

• 張力調整

• バックラッシ調整

• 部品交換スペース

• 分解・組立性

• 消耗部品の寿命

• 標準部品の使用

• 点検箇所へのアクセス性

• 故障診断性

第5部　推奨分類体系

21. Mechanismの分類

Mechanismは、次のように分類することができる。

A. Motion Transmission

運動伝達

• Gear Drive

• Belt and Pulley

• Chain and Sprocket

• Shaft and Coupling

• Friction Drive

B. Motion Conversion

運動変換

• Screw Mechanism

• Rack and Pinion

• Crank-Slider

• Scotch Yoke

• Cam Mechanism

• Eccentric Mechanism

C. Linkage and Path Generation

リンクおよび軌跡生成

• Four-Bar Linkage

• Slider Linkage

• Parallel Linkage

• Multi-Link Mechanism

• Trajectory Mechanism

D. Guidance and Constraint

案内および拘束

• Linear Guide

• Rotary Guide

• Bearing and Pivot

• Slot and Track

• Curved Guide

E. Intermittent and Indexing

間欠運動およびインデックス

• Geneva Mechanism

• Ratchet Mechanism

• Cam Indexer

• Star Wheel

• Escapement

F. Force, Clamping, and Holding

力増幅・クランプ・保持

• Lever

• Toggle Mechanism

• Wedge

• Clamp

• Locking Mechanism

• Brake and Stopper

G. Elastic and Compliant Mechanisms

弾性およびコンプライアント機構

• Spring Mechanism

• Counterbalance

• Flexure Hinge

• Elastic Link

• Compliant Mechanism

22. Motionの分類

Motionは、次のように分類することができる。

A. Motion Path

運動軌跡

• Linear Motion

• Rotary Motion

• Reciprocating Motion

• Oscillating Motion

• Helical Motion

• Curvilinear Motion

• Compound Motion

B. Motion Timing

運動タイミング

• Continuous Motion

• Intermittent Motion

• Cyclic Motion

• Non-Cyclic Motion

C. Motion Control

運動制御

• Constant-Speed Motion

• Variable-Speed Motion

• Positioning Motion

• Synchronized Motion

• Following Motion

D. Motion Actuation

運動駆動方式

• Manual Motion

• Mechanical Motion

• Pneumatic Motion

• Hydraulic Motion

• Electric Motion

23. 結論

Mechanismとは、単なる機械要素の集合ではない。入力された運動と動力を、目的とする出力運動へ変換するための機械的論理と構造を意味する。

同様に、Motionも直線運動、回転運動、往復運動といった基本的な運動形式だけを意味するものではない。速度、加速度、動作周期、休止時間、同期性および位置決め精度まで含む概念である。

したがって、Mechanism & Motionを分析または設計する際には、次の手順を適用することが望ましい。

必要機能の定義
→ 出力運動の定義
→ 荷重条件および速度条件の分析
→ 運動変換原理の選定
→ 伝達機構および案内機構の選定
→ 駆動源および制御方式の決定
→ 安全性、耐久性および保守性の検討

この分類体系は、機械要素を単純に種類別に整理するだけのものではない。設計者が機能要求に応じて機構および運動方式を体系的に比較・選定するための基本的な枠組みとして活用できる。