両てこ機構 ・使用例

両てこ機構（両ロッカ）の使用例ガイド

はじめに

両てこ機構は四節リンクの一種で、すべての節が揺動する構成であるにもかかわらず、身の回りの製品や産業機械に広く使われています。本記事は、中学範囲のてこから一歩進んだ学習者や、機構設計の初学者、実務で両てこ機構の具体例を素早く把握したい設計者を主な読者として想定し、用途別の実例と設計の勘所をまとめます。

特に、平行保持、非線形な速度変換、干渉回避、折りたたみの四つの観点から見どころを示します。例は日常製品、自動車、FA、建築金物、医療・生活支援、ロボット・教育の順に整理し、各所で小さな設計メモを添えます。数式や専門用語は必要最小限にとどめ、図や言い換えで理解しやすくする方針です。教材作成や特許調査の入口としても使えるよう、同義語や検索語も巻末にまとめました。

要約

• 両てこ機構は、四節リンクのうち、すべてのリンクが往復回転（ロッキング）しかしない型。
• 非線形な運動伝達や平行保持を実現しやすく、ヒンジ・折りたたみ機構で多用。
• 代表例はモニターアーム、デスクランプ、自動車トランクヒンジ、折りたたみ台車、家具ヒンジなど。

1. 用語整理: 両てこ機構とは

• 四節リンク（4本の剛体リンクと4つの回転対偶）において、いずれのリンクも 360度 連続回転せず揺動のみ行うものを両ロッカ（double rocker）と呼ぶ。
• クランク（360度回るリンク）が存在するタイプはクランクロッカ、隣接する2本が回るものはダブルクランク。両ロッカはそのどれにも該当しない。

直観: リンク長比が偏っているほど1本が回りやすく、均衡に近いと全リンクがロック的往復になる。

2. 両てこ機構が選ばれる理由（設計メリット）

• 省スペースで大ストロークの軌跡が得やすい。
• 速度・角度変換の非線形性を活かし、途中での減速・増速（カム的ふるまい）を機械要素だけで実装可能。
• 干渉回避: リンク配置を工夫して障害物を避ける複雑軌跡が作れる。
• 自己保持性の付与（ばね・ダンパ併用）: 端付近でモーメントが小さくなる領域を活かして開閉位置の安定化。
• 平行保持（パラレログラム構成）や姿勢制御が容易。

注意点:

• 特定姿勢での特異（死点）に注意。ストッパ・リンク比で回避。
• 高精度を要する場合は累積ガタ（ピンすきま）や板厚変形を考慮。
• ばね・ガスダンパ併用時はモーメント曲線のマッチングが必要。

3. 使用例カタログ（用途別）

3.1 日常製品・オフィス

• モニターアーム／ノートPCスタンド: パラレログラム平行リンクで姿勢保持。両ロッカ構成で奥行き圧縮と可動域拡大。
• デスクランプ（Anglepoise系）: リンクとばねのモーメントバランスで任意角保持。
• ドラフターの平行定規: 用紙に対し定規を常に平行移動。
• 折りたたみイス／台車／ベビーカー: 対向リンクでロック解除 -> 折り畳み -> 展開の一連動作。
• 家具ヒンジ（フラットヒンジ、リフトアップ扉）: 狭小空間で手前に逃がしてから開く複合軌跡。

3.2 自動車・輸送機器

• ボンネット／トランクの四節ヒンジ: 外板干渉を避けるS字軌跡で開閉。ガスダンパと力学マッチング。
• コンバーチブルトップ機構: 多連四節の連係でコンパクト格納。
• ドアチェックリンク: 開角ごとの保持力段付をリンク比で生成。
• 座席チルト・フォールディング: 後席のワンアクション格納。

3.3 産業機械・FA

• 被覆・蓋開閉ユニット: 生産ラインの安全カバーを干渉回避しつつ開閉。
• プレス段取り／段積み装置: 非線形速度で位置合わせ。
• 包装機のフラップアクチュエータ: 短ストロークでタイミング連携。

3.4 建築金物・窓・扉

• オーニング窓・トップライト: 外側へ押し出してから開く。
• 引戸ソフトクローズ機構: リンクとダンパで速度プロファイルを形成。

3.5 医療・生活支援

• 義手・装具の関節補助: ワイヤとリンクでモーメント分配。
• リクライニングベッド: 骨盤・背上げの協調をリンクで生成。

3.6 ロボット・教育

• 足回りサスペンション（ロッカーボギーの派生）: 障害越え時の姿勢保持。
• グリッパの開閉・把持角度変換: 広開口 -> 最終減速で挟み込み安定。

ヒント: 「狭いスペースで複雑軌跡」「途中で速く/遅く」「平行を保つ」のいずれかが要件にあるなら両ロッカ候補。

4. ミニケーススタディ

4.1 モニターアーム（平行保持）

• 目的: 視線高さ調整・奥行き節約。
• 解: 支柱側・先端側とも揺動リンク。中間にパラレログラムを構成。
• 設計ポイント:
  • 重心高さを関節軸近傍へ。必要トルク低減。
  • ガススプリングのレバーアームが角度によらず一定に近づくようリンク比を最適化。

4.2 トランクヒンジ（干渉回避）

• 目的: 外板・ウェザーストリップと干渉せずに大開口。
• 解: 両ロッカでS字軌跡を生成。初期は持ち上げ+後退、後期は回転中心移動。
• 設計ポイント:
  • 止まり位置はストッパとリンク比の両建てで冗長化。
  • ガスダンパ曲線とリンクのモーメント曲線を一致させる（開き始め軽く、途中で自重を持ち上げ、終端で強すぎない）。

5. 図で理解する（簡易イメージ）

固定枠 -●----A----●- 動リンク
        |          |
        B          C
        |          |
固定枠 -●----D----●- 動リンク

• A-B-D-C が四節。各節は揺動のみ。AとDを固定枠に設け、B-C側が出力。
• 対向辺を等長にすると平行リンク（姿勢保持）。

6. 設計クイックガイド

• 要件定義: 開閉角、干渉領域、必要保持力、可動域プロファイル（速く->遅く など）。
• リンク長の初期値: Grashofを外し s + l > p + q に。対向辺を近似等長にすれば平行性が得やすい。
• ピンと板厚: ピン径は板厚の1.2-1.5倍を目安。面圧チェック。ブッシュや乾燥潤滑で寿命確保。
• ばね/ガスダンパ: 作動角域でのモーメントマップを作り、レバーアーム変化と定数を同時最適化。
• 試作: レーザーカット板とリベットナット/割ピンで紙 or ABS試作 -> 干渉確認。

7. よくある誤解と対処

• 誤解: 「平行リンク=両ロッカに限る」→ 誤り。クランクロッカでも平行リンクは構成できるが、姿勢保持性やモーメント特性が異なる。
• 誤解: 「両ロッカは死点で止まる」→ 場合による。リンク比とストッパ設計で実用域の特異回避は可能。
• 誤解: 「中学のてこの延長」→ 学習範囲外。四節リンク学（機構学）の話題。

8. 授業・資料づくりのヒント（教員・技術広報向け）

• 身近な例の写真 -> 輪郭トレース -> 節と軸を描く、の順で理解が早い。
• 割ピン+厚紙で短時間工作が可能。ばねを1本足すだけで保持の考え方も説明できる。
• 用語は「四節リンク（平行リンク）」「両ロッカ（両てこ機構）」を併記して検索想起を高める。

9. 同義語・関連語（検索用）

• 両ロッカ機構/両てこ機構/ダブルロッカー/double rocker
• 四節リンク/四節機構/4節リンク/平行リンク
• クランクロッカ/ダブルクランク/Grashof条件
• パラレログラムリンク/モニターアーム機構/トランクヒンジ 構造

10. まとめ

• 両てこ機構（両ロッカ）は、身近な製品に広く潜む基本機構。
• 非線形な速度・角度変換、干渉回避、平行保持、姿勢制御に強みがある。
• 設計では Grashof外し、モーメント整合、ガタ管理が鍵。紙試作で軌跡を掴み、パラメトリック最適化へ。

付録A: チェックリスト（試作前）

• 可動域・死点・干渉の三点セットをスケッチで確認
• 端部保持はストッパ+リンク比の両建て
• ばね/ダンパのレバーアーム変化を角度で表
• トルク余裕: 1.3-1.5倍を目安

付録B: 簡易数式メモ

• 角度関係: 四節の余弦則（Freudenstein方程式）で入出力角を結べる。
• モーメント: M = F x r(theta)（有効腕長 r は角度依存）。