広島工業大学紀要教育編
第 8 巻（2009）pp.13-17

論

文

工業教育課程の歯車創成原理を小学生が体験する方法
和泉真澄＊・越智秋雄＊・小松正雄＊・里信純＊（平成 20 年 10 月 31 日受理）

Method of Schoolchildren’s Experiencing the Gear Creation in Engineering Curriculum
Masumi IZUMI, Akio OCHI, Masao KOMATSU and Jun SATONOBU（Received Oct. 31, 2008）

Abstract
This paper describes a method of making the involute gear for primary schoolchildren.
In the industrial course of the university, the students learn the gear creation. But, allstudents may not understand the principle of the gear generation. The reason isbecause movement of the rack cutter and the gear material is complicated. Therefore
in this study, we developed a method that even primary schoolchildren could
understand the principle. And using this present method, the primary schoolchildren
can easily produce a gear. This method was applied to primary schoolchildren, thenit was confirmed that they could produce a gear easily.

Keywords: involute gear, rack type cutter, gear generating motion, education, gearを得ることは難しい。そこで本研究では，ラック工具の回1．はじめに転位置決めを正確に行なえる方法を考案するとともに，大機械要素部品の代表的存在である標準平歯車の歯型形状は，単純な直線や円の曲線ではなく，インボリュート曲線学生だけでなく小学生低学年でも歯車創成原理を体験できる方法を提案する。

が用いられている。この曲線は円柱に巻きつけた糸をほどいたときに得られる曲線として知られており，歯面の摩擦低減や伝達される回転速度が一定に保たれるなどの利点があることから，ほとんどの歯車でこのインボリュート曲線が利用されている。
大学における機械系工業教育課程においては，このインボリュート歯車の創成原理は必須の内容であり，深い理解が求められている。この創成原理は，歯車素材とラック工具をピッチ円とピッチ線において転がり接触させながら回転移動させて歯形を得る原理である。この原理の実行にはラック工具を正確に回転移動させる必要があるため，単にラック工具を手で移動させながら実現させようとするとピッチ円とピッチ線の転がり誤差が増して，満足できる歯形* 広島工業大学工学部知能機械工学科―13―

図 1 歯車の創成原理和泉真澄・越智秋雄・小松正雄・里信

2．歯車創生原理

純

インボリュート歯車が現れてくる。
しかし，このままでは歯形の誤差が大きいため，今度は図 1 は，歯車の創成原理について説明している。円形の図 3 の様に歯の谷を基準にした後，①で歯形を写し，②の歯車素材中のピッチ円直径とラック工具のピッチ線が接し位置に回転させて再び歯形を写す。このように歯の山と歯ており，この 2 つのピッチを転がりながら歯車素材とラッの谷について歯形を写すことで擬似的なインボリュート曲ク工具が干渉している。ラック工具は素材を切削すること線の歯形を描くことができる。

から，残った部分が歯車の歯形となる。この動きを手作業

本方法では歯の谷と歯の山についてラック工具から歯形により実際に行わせるには，目視では確認できないピッチを得ることにしたが，谷と山の中間においても同様に位置円とピッチ線を転がり接触させる必要があり，これが正確決めをし，歯形を写すことでより正確なインボリュート歯な位置決めを困難にしていた。

車を創り出すことが可能である。

3．歯形の転写方法

4．歯車を使った装置の製作方法

図 2 は，ピッチ円とピッチ線を転がり接触させることな

図 4 は本研究で考案した歯車作成方法を利用して，小学くラック工具の歯形を素材に転写させる方法である。この生でも製作可能な時間割装置である。この装置は，3 枚の方法では図 1 のラック工具とは反対形状となるラック工具歯車で構成されている。中央の歯数 12 枚の歯車（以後中を利用している。図 2 に示しているようにラック工具のピ歯車と称す）が 1 回転するごとに，上部の歯数 14 枚の歯ッチ線と歯車素材のピッチ円が接するように配置して，歯車（以後，大歯車と称す）が 1/7 回転し，下部の歯数 8 枚車素材の中心で回転できるようにピンなどで固定する。①の歯車（以後，小歯車と称す）は 1 回転半だけ回転する。の位置でラック工具の歯形を転写した後，②のようにこれにより，大歯車に書かれた時間割表の曜日が中歯車の360 c/歯数だけ回転させて再びラック工具の歯形を書き写矢印で指し示されるとともに，小歯車に書かれた日課も日す。これを歯車の歯数だけ繰り返せば，歯車素材の外周に替わりで指し示される。このように，本製作課題は小学生の学習に適した内容になっている。

図 2 歯形の転写（歯の山）図 4 時間割装置の原理

5．歯車の作成
図 5 のラックカッターは図 4 の時間割装置を製作するための専用ラックカッターである。歯車は，式（1）に示すとおり，モジュール m ，歯数 z の積でピッチ円直径 D が求まる。これをもとにラックカッターにある歯車の中心を決めている。

D=m:z

図 3 歯形の転写（歯の谷）

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（1）

工業教育課程の歯車創成原理を小学生が体験する方法

図 5 ラックカッター

このラックカッターには，歯の山と歯の谷を赤と青で色分けをして示している。各線にはラックカッターの回転位置決めをするための円形の穴を設けている。このラックカッターで，図 4 にある大中小の 3 つの歯車を製作すること12345678カラーパネル（A2 判）
09 サインペン
ラックカッタ10 プラファスナー
分割円（大歯車）
11 カッター
分割円（中歯車）
12 定規
分割円（小歯車）
13 色鉛筆シャープペンシル
14 カッターマット
スティック糊
15 押しピン（3 本）
熱線ワイヤカッター
16 セロテープ
図 6 時間割装置の製作で用いた用具になるが，小歯車は歯数が 8 枚と少なく，アンダーカットが生じる。そこで，正の転位量 5mm を与えて転位歯車とした。また，歯車の歯のサイズが小さいと製作が困難になるため，歯車の製作性の観点から，モジュールを 15 に設定した。
表 1 に，インボリュート歯車の製作に取り組んだ小学生の学年分布を示す。小学生 3 年生の割合が多く，全体の半分を占めていることがわかる。時間割装置の製作時間は 3時間である。
表 1 体験した小学生の人数と学年

図 7 ラックカッターからの歯形の写し

図 7 はラックカッターを利用し，歯形を書き写す作業を
図 6 は，時間割装置を製作するために必要な用具一式で表している。ラックカッターにあけた丸い穴から下に敷いある。カラーパネルは，熱線ワイヤで切断可能な素材を利た分割円盤の分割線をめじるしに位置決めをして，ラック用した。また，歯数で 1 周を分割した円盤を各歯車についカッターの歯形をカラーボードに書き写す。この作業を歯て用意した。この円盤を分割円盤と称する。の山と歯の谷についてそれぞれ行うことで，図 8 に示したような歯車が現れる。
この後，図 9 にあるように熱線ワイヤとカッターを用いて，歯形に沿って切り出せば歯車の完成である。

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和泉真澄・越智秋雄・小松正雄・里信

純とができた。

図 8 小学生が描いた歯車の輪郭

図 11

大学 2 年生が課題で提出した歯車

図 11 は本学工学部知能機械工学科の 2 年生が機械要素学の授業課題として製作した歯車である。一方，図 8，図9 にある歯車は実際に小学生が描いて作成した歯車であるが，図 11 にある大学 2 年生が作成した歯車と比して見劣りしないことが分かる。このように，本方法によれば小学生でも歯車製作を実施できることが確認できた。

6．体験結果
表 2 は，歯車を製作した小学生の体験アンケート結果である。体験してくれた小学生の中でこれまで歯車を見たことがあると答えた子供は 17 名中 16 名で，94 パーセント
図 9 熱線ワイヤにより歯車を切り出すの小学生が歯車について認識をしていることが分かる。歯車を見た場所については，テレビによることが多く，家や外出先がそれに続いている。注目すべきは，自分の通う小学校で歯車を見たことがあると答えた子供がアンケート中にいないことである。日本国の技術者育成のためにも，小学校教育で工業物を感じることができる工夫が必要と思われる。
時間割装置の製作では 3 枚の歯車を製作し，これらを組み合わせて完成させた。アンケートによると 17 名全員の小学生が自分で製作した歯車を回転させることができたと答えた。そして，「今度は一人で製作したいですか」の問
いには 12 名が「はい」と答えている。実際に製作を体験し，興味が深まった結果といえるだろう。
今回の時間割装置は，中歯車を回転させると歯数の比から曜日がずれて指し示される。この仕組みが分かったと答

図 10

時間割装置の完成図

えた小学生は 10 名おり，約半数以上が理解できている。
時間割装置を製作する中で難しかった作業について回答

図 10 は完成した時間割装置の一例である。好みの配色を得たところ，ラックカッターの歯形を写す作業が難しいを施し，熱線ワイヤで切り出した文字を配置するなどすれと答えた小学生は僅か 2 名であった。この結果より，本研ば完成度がさらにます。今回の歯車の製作課題に挑戦した

究で提案している歯車創成方法は小学生でも体験可能であ

小学生 17 名全員がこのような時間割装置を作り上げるこることが確認できた。
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工業教育課程の歯車創成原理を小学生が体験する方法

一方では，ほぼ全員が歯車を切り出すことが難しいと答えており，最近の小学生はカッターの使い方に不慣れなこ

7．まとめ
工業教育課程で習う歯車創成原理を容易に実施できる方とが伺える。

法を考案し，小学生ら 17 名に体験させた。小学生らは 3
表 2 体験アンケート枚の歯数の異なる歯車を製作し，そのうちの 1 枚は転位歯車である。体験した小学生全員は自分らで製作したこの 3枚の歯車を連ね，自由に回転させることができた。提案する本手法を利用すれば小学生 3 年生以上から歯車創成原理を体験させることができることを確認した。

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