第11回 カム機構

今回のゴール

• カム機構の仕組みを理解し、Fusion で設計する
• 接線関係を使ってカムのシミュレーションを行う
• 揺動クランク機構を理解し、設計する

授業動画

動画	内容
11.1 DXFファイルの書き出し・カム	DXF書き出し（前半）、カム機構の設計（後半）
11.2 カム	揺動クランク機構

準備

以下の .f3d ファイルをダウンロードし、Fusion にアップロードしてください。

ファイル	用途
12. カム機構.f3d	カム機構のテンプレート（フレーム・軸・ハンドルが用意済み）
13. 揺動クランク.f3d	揺動クランクの組み立て練習（参考）
13. 揺動クランク（完成版）.f3d	揺動クランクの完成見本（参考）

コンポーネントの整理

Fusion のブラウザパネルでコンポーネントが増えてきたら、以下のような親コンポーネントで整理しましょう：

• 筐体（きょうたい）：フレーム、側面板、天板など
• 原動節（げんどうせつ）：ハンドル、軸、ギアなど動力を伝える部品
• 従動節（じゅうどうせつ）：カム、フォロワなど動力を受ける部品

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機構の種類について

前回の歯車機構と今回のカム機構の他にも、からくり作品で活用できる機構はたくさんあります。

機構	特徴
スパーギア	平行な軸間で回転を伝達（前回学習済み）
かさ歯車（ベベルギア）	直角に交わる軸間で回転を伝達
ウォームギア	高い減速比が得られる。逆転防止機能がある
ラック＆ピニオン	回転運動を直線運動に変換
カム機構	回転を上下動に変換（今回学習）
スライダクランク	回転を直線往復運動に変換（ピストン運動）
揺動クランク	回転を揺動運動に変換（今回学習・参考）

参考：からくりすと — 各機構のアニメーションが見られます

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1. カム機構とは

カム機構 は、回転運動を往復運動（上下動など）に変換する機構です。からくり人形やオルゴールなどに広く使われています。

カム機構の構成

部品	役割
カム	回転する部品。形状によって運動パターンが変わる
フォロワ（従動節）	カムの表面に沿って動く部品。上下運動の出力を行う
フレーム	カムとフォロワを支える構造体

カムの種類

カムの形状	動きの特徴
円板カム（偏心カム）	なめらかな上下動。最もシンプル
ハート型カム	等速で上昇・等速で下降。一定リズムの動き
卵型カム	ゆっくり上昇・すばやく下降（またはその逆）
不定形カム	自由な動きを設計可能。創作向き

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2. Fusion でカム機構を設計する

12. カム機構.f3d を開きます。フレーム、軸、ハンドルがあらかじめ用意されています。

カムの作成

1. 適当な平面にスケッチを作成します
2. 円 を描きます（例：直径 22.5 mm）
3. 円の中心に 軸穴 を描きます（直径 2 mm）
4. 重要：軸穴の位置を中心からずらします

偏心量と上下幅の関係

軸穴を円の中心から どれだけずらすか で、上下の動きの幅が決まります。

• ずらした距離の 2倍 が上下動の幅になります
• 例：中心から 6.25 mm ずらすと → 上下 12.5 mm の往復運動

ずらす距離が大きいほど動きは大きくなりますが、機構への負荷も大きくなります。

5. スケッチ寸法 で穴の位置を正確に設定します（例：中心から 6.25 mm）
6. スケッチを 押し出し ます（厚さ 2.5 mm、MDF想定）
7. 新規コンポーネント として作成し、名前を「カム」にします

カム受け面の作成

カムからの力を受け止める面は、なるべく広くする必要があります。

1. 新しいスケッチで 正方形 を描きます（例：15 × 15 mm、中心に 2 mm の穴）
2. 2.5 mm で押し出し、新規コンポーネント にします（名前：「カム面」）
3. 剛性ジョイント で軸棒の先端に取り付けます
4. ジョイント後にずれが生じた場合は、右クリック → ジョイントの編集 でオフセットを微調整します（例：-0.75 mm）

摩擦と軸曲がりへの対策

カム機構ではカムとフォロワの間に摩擦が発生します。実際に制作する際は：

• 潤滑スプレー を塗布する
• アクリル板 など滑りの良い素材を使う
• カムの 幅を増やす（MDF を重ねる）
• カム受け面を 大きくする（接触面積を増やす）
• 軸の 非支持区間を短くする（スペーサーで隙間を埋める）。軸が曲がるとカムが正しく接触しなくなります

軸（フォロワ）のジョイント設定

フォロワの棒は上下にのみ動けるようにします：

1. 軸と天板を スライダジョイント で接続します
2. 方向を 上下方向（Y軸） に設定します
3. この時点ではまだカムと連動しません

接線関係でカムの動きをシミュレーション

カムの曲面とフォロワの面を常に接触させるには、モーションリンクではなく「接線関係」 を使います。

なぜモーションリンクではダメなのか

ギアの場合は回転角度の比で連動できますが、カム機構では「何度回転したら何mm動く」が一定ではありません。カムの形状によって変化するため、接線関係 を使って「常に2つの面が接している」という制約を設定します。

1. アセンブリ → 接線関係 を選択します
2. カムの外周面 をクリックします
3. フォロワのカム受け面 をクリックします
4. OK で確定すると、自動的に正しい位置関係が計算されます

設定後、ハンドルの回転ジョイントをドラッグして回すと、カム受け面が常にカムに接した状態で上下に動きます。

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3. 揺動クランク機構（参考）

参考資料

揺動クランク機構は授業の進捗に応じて扱います。時間の都合で省略する場合もありますが、最終課題で活用することもできます。完成見本ファイルがクラスルームにあるので、興味のある人は自習してみてください。

揺動クランク機構 は、回転運動を揺動（往復回転）運動に変換する機構です。カム機構とは異なるアプローチで往復運動を実現します。

構成部品

部品	役割
クランク	一定方向に回転する入力部品（ハンドルで回す）
コネクティングロッド	クランクとロッカーをつなぐリンク
ロッカー	一定の角度範囲で揺動する出力部品
フレーム	クランクとロッカーの回転軸を固定する

Fusion で揺動クランクを組み立てる

13. 揺動クランク.f3d を開きます。各パーツは作成済みですが、ジョイントが設定されていません。

1. フレーム を固定します（ピン止め推奨）
2. クランク をフレームに 回転ジョイント で接続します
3. コネクティングロッド の一端をクランクに 回転ジョイント で接続します
4. コネクティングロッド の他端をロッカーに 回転ジョイント で接続します
5. ロッカー をフレームに 回転ジョイント で接続します

すべてのジョイントが 回転ジョイント であることがポイントです。

組み立てが完了したら、クランクをドラッグして回してみましょう。ロッカーが一定の角度範囲で揺動することを確認できます。

リンク比の注意

クランクの長さ、コネクティングロッドの長さ、2つの軸間距離のバランスが重要です。バランスが悪いと機構がロックして動かなくなります。13. 揺動クランク（完成版）.f3d と比較して確認してください。

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4. カム機構と揺動クランクの比較

特徴	カム機構	揺動クランク機構
出力の動き	直線往復（上下動）	揺動（往復回転）
動きの自由度	カム形状で自由に設計可能	リンク比で揺動角度を調整
部品点数	少ない（カム＋フォロワ）	多い（クランク＋ロッド＋ロッカー）
滑らかさ	カム形状に依存	リンク機構のため比較的なめらか
製作時の注意	摩擦対策が必要	穴あけとピン接合の精度が重要
からくりでの用途	人形の上下動、首振り	腕振り、足踏み、太鼓叩き

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練習課題

1. 12. カム機構.f3d でカムを作成し、接線関係でシミュレーションする
2. カムの偏心量を変えて、上下動の幅がどう変わるか観察する
3. 13. 揺動クランク.f3d を自分でジョイント設定して組み立てる
4. 13. 揺動クランク（完成版）.f3d と比較して動作を確認する
5. どちらの機構が自分のからくり作品に適しているか検討する

提出物

完成した .f3d ファイルをクラスルームに提出してください。