ヒンジ機構の設計

本日は、トルクヒンジ機構の設計について考えたいと思います。

1.トルクヒンジ機構とは?

 トルクとは、「力のモーメント」のことです。ヒンジとは、蝶番のことです。例えば、ドアを開く根元についている金具がそうです。この機構がないと、ドアを開くことは出来ません。ここで我々が行う動作を「開く」を表現しましたが、基礎物理学のような用語でいうと「回転運動させた」です。ここを理解できるかどうかが、重要です。

◎ドアを開く= 壁についた板を蝶番を回転軸として回転させた

 さて、上記までの説明だとヒンジは分かりますが、トルクヒンジがわかりません。「力のモーメント+ヒンジ」?ドアを開く際の回転が、力のモーメントで記述できるから、という意味ならば、あえて力のモーメントなんといわなくていいじゃないか!そう、あえていうには理由があります。これ以上は表現上からは見えてこないので、一般概念を言ってしまうと、「任意の角度で自由に止められる」ヒンジ機構のことを、トルクヒンジ機構といいます。

◎ トルクヒンジ機構 =任意の角度で自由に止められるヒンジ機構

2.トルクヒンジ機構の実用例

 「設計とは真似ること」という格言を、しばしば耳にします。確かに、機構を組み立てていく際に、「知識」がなくて進まないことは多々あります。そんなときに参考とするのが、公知となっている技術です。特許、実用新案、意匠、製品を参考にします。ここでは、トルクヒンジ機構として、我々が普段よく見る物を数点、列挙します。

例) ドア、ノートパソコン開閉機構、乗り物の椅子後部に収納されているテーブル、その他開閉機構

3.トルクヒンジ機構を考える事始め

 まず、いかなる設計も、実現させたい事項を明確にする必要がある。その上で、回転軸を設けて回転させる機構が必須であると判断して、はじめてトルクヒンジ機構の構想を開始する。いきなり、割と明確なトルクヒンジ機構という概念があって、それを物にくっつけるという発想では、上手く開発がいかない。

◎ トルクヒンジ機構の必要性を考えたか?

◎ 必要な場合、何処に設置し、どのように使うつもりか答えられるか?

答えられない場合は、構想設計をいったんストップした方が良いです。トルクヒンジ機構は、やや複雑な機構なので、いったん開発を進めると、結構パワーがいります。

4.トルクヒンジ機構に必要な機構を考える

 ここでは、具体的にどのような構造が必要かを述べる。トルクヒンジ機構は、「トルク機構」+「ヒンジ機構」で成り立っている。従って、各部分に対応する構造を明確にすればよい。。。その前に、トルク部とヒンジ部を再定義しておく。

◎ トルク機構 = 任意の位置で回転を止める機構

◎ ヒンジ機構 = 回転軸に対して剛体を回転させる機構

上の定義を見て、その横に、具体的な構造が描けるようならば、次にその二つの機構を統合させることに思考を移せる。しかし、描けない場合は、上記(2)で言ったように、公知例を参考にするか、定義を自分が完全に構造が理解できるところまで分解する必要がある。

◎ 機構がイメージできないときは、完全に理解している(=絵に描ける)レベルまで要素に分解したり、公知例を参考にしたりしなければならない。

さて、ここまで言っておいて、トルク機構とヒンジ機構を見てみると、私はトルク機構のイメージがわかない。なぜならば、回転運動を止めると言っているがどのような機構の回転運動なのか、分からないからである。つまり、ここでいうトルク機構は、ヒンジ機構に依存するので、ヒンジ機構だけは考えることが難しいのである。。私には。。。

例えば、下図のようにイメージしてみる。

回転軸に対して剛体を回転させる機構…

こうすれば、シャフトに回転体(剛体)をはめ込み、ストッパーで止めることで、機構が成立する。

ここで、もし「何処に設置する?」と考え、それが製品に搭載するということであれば、シャフトに剛体が一つ追加されることになる。

ここまでできれば、先に定義したヒンジ機構の基本構造が明確になる。高校の物理の知識しか使っていない。

回転機構をイメージできたので、次は、トルク機構を考える。トルク機構は、剛体を任意の角度まで回し、手を放すとその場で回転が止まる機構である。これは、どう考えればできるであろうか?

問題:回転しているモノを止めるには?

運動している物を止める最も基本的な考えは、「運動方向に壁を立てる」である。相撲の力士が、相手の突進を体で受けることをイメージしてもらえればよい。シンプルな方法で、回転方向の力に壁が耐えられれば強度的にはOKで、後は任意角度で壁が立つような機構を考えればよい。他にはないか??

日本の剣術の極意:真剣白刃取り は、何故、切り下してくる刃の運動を止められるのか??やっていることは、刃を両手で挟んでいる。回転方向に対して垂直の方向から力を加えて止めている。何故止められるのか?それは、摩擦力である。

運動する物体があって、それが摩擦をもつ面に接していると、その接触面を介して物体には、運動方向に逆らう力が働く。高校物理で、μ×N で記述された摩擦力である。摩擦係数と垂直抗力が大きければ大きいほど、運動を止める効果が高くなる。ここで摩擦係数は手のザラツキであり、垂直抗力は刀を挟むのに要した力である。回転運動を、この摩擦力で停止させる機構は、例えば車(自転車のブレーキをみてほしい)を見ていただければ顕著である。

以上、二つの回転運動する物を止める方法を考えてみた。私は、前者の壁を立てる機構は、「任意角度に追従して壁が飛び出る」を考える労力がやや苦労なのでで、思考の楽な後者を考えてみたいと思う。つまり、「摩擦力で止める」である。

上図が、トルクヒンジ機構の基本構造である。これで、回転運動と任意角度で停止させる は、原理上実現できる。これを具体化する際に、あと考えねばならないのは、「摩擦力による部品の摩耗を軽減させる機構」である。例えば、バネワッシャーを向かい合わせにして摺動部品間に挟みこみ摩擦面を限定的にし、最後にナットで締めこむなどである。※ ここは、ヒンジメーカー各社の極意がつまっています。

5.トルクヒンジ機構に必要な性能(モーメント)を考える

 先の図に対して、簡単にモデル化してみると、例えば、下図のようになる。

Fは操作力、fは摩擦力である。Wは、場の力である。一般に任意角度で停止することが問われるのは、放っておくと重力などの場の力で回転体が動いてしまうからである。よって、モーメントを考える際は、場の力を考えておくべきとし、描いた。

さて、上図において、搭載するトルクヒンジに最低限必要なモーメントは何であろうか? 操作力の項を取ればよいので、M=Wl-fδ [Nm] である。逆に、最大値は摩擦が消えた時だからM=FL+Wl である。

また、上記のようになるには、どれくらいの力でストッパーを締めつけていればよいか? 操作力を加えていない状態で、動いてはならないから、摩擦力と場の力が釣り合っていることが前提である。⇒ W=f

Wは、回転体の形状で決まるのでここでは既知の定数とすると、

W=f=μP ⇒ P = W/μ と考えられるので、トルクヒンジのストッパーを締めきる力Pは、W/μ 以上にすればよいと分かる。

◎ トルクヒンジのモーメント:WI-fδ≦M(≦WI+fδ) を作ればよい。

◎ ストッパーの締め付け力:P≧W/μ

以上、トルクヒンジ機構の基本について書いてきた。自分で設計するときに、または専門のメーカーさんと交渉する前に計算するのに役立てて欲しい。

本日の動画:塩川の滝

 ここはかつて熊野信仰にのっとり、滝をご神体とした滝行が行われていた場所です。涼やかな姿ですが、見ていると何だが温かい気持ちになります。頭もさえてくるような気がします。各1分ほどの動画ですが、お楽しみください。相模原市の塩川滝は、車で直接行けます。また、滝の近くに、鮎料理屋、兼温泉旅館があるので、身体を休めることもできますよ!おすすめです。

滝口

滝壺

全景

Excelでの計算フォーマットを作る際のルールについて

 本日は、Excelを用いた計算フォーマットを作る際のルールについて簡単に述べたいと思う。というのも、機構設計の仕事をしていて、他人の計算フォーマットを見たり、それを使うことがしばしばあるが、使い方が分からず、したがって思考停止を強要される作業のようなモノが多く、非常に不快に感じているからである。そこで、本日は計算フォーマットを作る際の最低限のルールについて、考え、定義してみたいと思う。

そもそも、計算フォーマットは何なのか?

 まずは、ここから考えることにする。問題の対象が分からなければ、何も始まらないからである。

 「計算フォーマット」とは何か?これは、計算という「行為」とフォーマットという「形式」からなる用語である。

 「行為(=する)」+「形式」

英語風に考えれば、動詞があって、その後ろに名詞があれば、SVC、SVO、SVOO、SVOCの文型を思い起こせる。今回の場合、「S=我々、我々≠形式」 なので、SVCではない。よって、SVO、SVOO、SVOCであると考えらる。

calculate という動詞は、SVOをとる。このOは、計算・予測できることがくる。例えば、予算、収支、予測値、方程式、現象などである。これを踏まえて、形式という単語の座りを考えてみるが、「形式」は計算や予測できることではない。形式は、「形・型」であり、「見る物、ある物、使う物」である。「電卓を計算する」「そろばんを計算する」では意味が通じないように、「形式を計算する」とは素直には言えない。なぜ意味が通じないかというと、形式・電卓・そろばんは、行為をするために使う物、すなわち、「道具」であるからである。

このことから、計算フォーマットとは、「計算をするために使う道具」と考えることが、一段曖昧さのない表現だと私は思う。

★ 計算フォーマット:計算をするために使う道具

計算フォーマットであるためには、何が必要か?

  計算フォーマットとは、計算をするための使う道具 と先ほど申し上げた。こうなるために必要な事項を考えるには、「誰が、何をするための道具か?」という問題設定をすれば、その利用範囲と、利用に必要な事項を考えることができる。

◎ 誰のための物?

 私、私以外の全ての人

◎ 何をするための物?

 ・私が解こうとした式(=立式したもの)を解くための物

 ・私の解き方を他人に見せ、理解してもらうための物

 ・私の解き方を、他人が容易に追試できるようにするための物

 このように考えれば、私だけが分かっているだけでは、少なくとも目的の三分の一しか果たせないと分かる。「他人が見て分かる」「他人が容易に使える」ことが抜けているからである。では、これらができるためには、どうすればよいか?

◎ 他人が見て分かるために、必要なこととは?

 ・計算目的( 何を、どうやって計算するか?)が、明記されていること

 ・解が得られるまでの手順(原理)が、分かりやすく記載されていること

 ・入力と出力が明確なこと。ex). 電卓のキーとモニター

◎ 他人が容易に使えるために、必要なことは?

 ・入力と出力が明確なこと。

 ・入力項目と、出力項目の関係が、明確なこと

 ・計算マニュアルと、計算例が示されていること

 ・一般的な表現で記載されていること

このように、私は考えてみた。これらをまとめると、計算フォーマットに必要な事項は下記のようにまとめられる。

★計算フォーマットに必要な事項

① 計算目的の明記

② 目的の解を得るための手順(原理) の明記

③ 入力項目 と 出力項目 が分かりやすいこと

④ 入力項目 と 出力項目 の関係が分かりやすいこと

⑤ フォーマットマニュアルと、計算例を記載すること

⑥ 計算精度の検証OKな物であること

以上を満たせていれば、自他共に分かりやすく、使える、計算ツールとなりうる。なお、⑥は、計算ツールの前提なので、念のために追記した。

提案する計算フォーマット

 以上を踏まえ、下記のようなフォーマットを提言したいと思う。

これは、人の発熱量と、その人がいる部屋でエアコン料金がどのくらいかかるかを見積るフォーマットである。上図は、最終的なフォーマットの形態である。入力項と出力項、その内訳、記入箇所が明記されている。これにより、少なくとも何を入力すれば、図中の出力を得られるか?が分かるので、原理を理解していなくても使うことができる。

次に、このフォーマットの前に、説明を乗せる。(興味のある方は、読んでみてください。図上にカーソルを合わせ右クリック、画像を表示で拡大できます)

以上のようにすれば、読めば原理が理解でき、誰でも使うことができる道具になる。是非、興味のある計算をExcelでされる方は、参考にしていただければ幸いです。

因みに、下記のように簡単な予測をしてみました。体形の豊かな方は、夏も冬もお金がかかるみたいですね。。

【本日の動画】

箱根湯本にある、早川の音です。途中、うっすらとかかるモヤが、何とも不思議な感じです。激しい水の音で、目が覚めるます!

「くりこみ」について

物理学などの学問は、その扱う対象のサイズによって、分野が分かれている。

例えば、「水の流れ」を例にとってみると、、、

◎ 目に見える水の流れ → 「流体力学」で記述

◎ 水分子の働き→ 「分子物理学」 で記述

◎ 原子や原子核の働き → 「原子核物理学」で記述

◎ 核子やクオーク の働き → 「素粒子物理学」で記述

という具合になる。

同じ対象を見ているのだが、みるサイズによって考え方が違うのである。

しかし、それぞれの学問がつながっていなければならない。何故ならば、サイズという制約を除けば、同じ対象をみているのだから。そこで登場する概念が、「くりこみ」である。

この「くりこみ」というのは、下のスケールの学術的効果が、上のスケールで記述する際に、係数や定数の値に反映されることをいう。

従って、例えば、あるスケールの学問で、Y=k・X ( k:係数 )という式が成立するのならば、そのkには、その下のスケールの学問からの贈り物が含まれているのである。

このことを意識することが、今の企業の工学的アプローチを進化させることにつながると私は思っている。

というのも、機構設計をする際に、強度や冷却のために、「材料力学」「流体力学」「熱設計」に関する計算を行うが、それらは皆、目に見えるスケールでの学問の話であり、下のスケールの学術的効果については深く検討されていないからである。

例えば、熱設計を行う際に、熱伝導に関する下記の重要な式がある。

上記のαを「熱伝導率」という。物体固有の値であり、熱設計を行う際は、「定数」として扱う。

私が言いたいのは、「これが本当に定数なのか?」を疑い、そこに「くりこまれている下のスケールの効果」を見直す必要があるのではないのか?ということである。

特定の条件、例えば、「温度、力(電磁気力・音圧etc)、分子構造、イオン構造」などをが少し違うだけで、値が変わったりすることはないだろうか?

例えば、アルミの板があって、その形状に特徴があったり、表面が化学反応していたり、別の微粒子が含有されていたり、空間を超えて作用する力が働いていたりしたときに、、、アルミの熱伝導率は、やはり同じなのであろうか?

私は、「等温下で熱伝導率を変えられる手法」が見つかると、電気製品で出来ることはもっともっと増えると思っている。高密度に集積させたチップを上手く冷却できるからである。

私は学者ではないので、ここら辺に踏み入る余裕がないが、ここら辺に答えてくれる学術研究成果の誕生を期待したいと思う。

【本日の自然動画】

相模川の流れに太陽光が当たってできた、光の筋です。画像が荒い場合は、youtubeの再生画像が低画質になっている可能性があるので、HDにしてお楽しみください。