第 20 章 寸法・公差・嵌合の読み方¶
Part V「機械の基礎」の最終章。電気側の第 3 章（データシートの読み方）に対応する、機械図面の言語 を理解する章です。CAD で描いた図面や、通販サイトの寸法表を読めるようにするのが目的です。
機械系の部品選定で初心者が詰まるポイントは、「公称寸法は分かるが、公差と嵌合が分からず現物が合わない」 というケースです。この章では、数ミリ単位で設計判断ができるレベルの基礎を押さえます。
この章で失敗しやすいこと
- 公称寸法だけで発注 → 現物が穴に入らない／ガバガバで使えない
- D カット軸の寸法を誤解 → 車輪のイモねじが D カット面に当たらず空転
- すきま嵌め／しまり嵌めの区別がつかない → 軸受が抜ける or 入らない
- ねじ穴の下穴径を間違える → タップが切れない or 割れる
- 3D プリントの縮み を考慮せず設計 → 軸が入らない
最初はこの 3 ルールだけで十分
- M3 の通し穴は迷ったら φ 3.2 mm を基準にする
- 3D プリントの穴は、設計値より +0.2〜0.3 mm 大きめに見積もる
- 動く結合は、まず「すきま嵌め + イモねじ固定」から始める
1. 寸法記号の基本¶
図面には大量の記号が登場します。全部覚える必要はありませんが、頻出の 5 つ は最初に押さえます。
| 記号 | 意味 | 使用例 |
|---|---|---|
| φ（ファイ） | 直径 | φ 8 = 直径 8 mm の穴 |
| R | 半径（角の丸め） | R 2 = 角の曲率半径 2 mm |
| t | 板の厚み（thickness） | t 3 = 板厚 3 mm |
| C | 面取り（chamfer） | C 0.5 = 45° 方向に 0.5 mm の斜めカット |
| × | 繰り返し or 寸法の掛け合わせ | 4 × M3 = M3 穴 4 個 |
例として「φ 8 深さ 5 R 1 の穴 を 4 × M3 で囲む」と書かれていれば、直径 8 mm・深さ 5 mm・角 R 1 mm の主穴の周囲に、M3 のねじ穴を 4 つ配置する、の意味になります。
2. 公差 — 「ぴったり」は存在しない¶
機械部品は 寸法通りには作れません。加工精度や熱膨張で、必ず微妙にズレます。このズレの許容範囲を表すのが 公差（tolerance）です。
2.1 公差の表記¶
- ±0.1 — プラスマイナス対称の許容差（例：
10±0.1は 9.9〜10.1 mm） - +0.1 / 0 — 上限 +0.1、下限 0（例：
10 +0.1/0は 10.0〜10.1 mm） - 0 / −0.1 — 上限 0、下限 −0.1（例：
10 0/−0.1は 9.9〜10.0 mm） - JIS 等級（IT） — 精度クラスの指定（例：
10 IT7で「IT 等級 7 相当の公差」）
本書の作例範囲では、±0.1 mm の精度で考えておけば大きくは外れません。具体例：M3 ねじ（直径 3.0 mm）を通すだけの穴は φ 3.2 mm で設計しておけば、実際の加工誤差（±0.1 mm）で「穴径 3.1〜3.3 mm」になっても、ねじは余裕を持って通ります。
2.2 公差が効いてくる場面¶
- 軸を穴に通す — 軸径と穴径の差が公差より小さいと入らない
- 部品同士の位置合わせ — 公差が大きいと組立時にガタつく
- ねじ穴 — 公差が小さすぎるとタップを切るのが困難、大きすぎるとねじが緩む
2.3 3D プリントと公差¶
家庭用 FDM 3D プリンタは、公差が ±0.2 mm 程度。これは機械加工（金属 CNC の ±0.01〜0.05 mm）より 1 桁荒く、射出成形（±0.05〜0.1 mm）と比べても荒い分類。一方、レーザーカットは ±0.1 mm 程度で家庭用 3D プリントより精密です。家庭用 3D プリントは「ゆるい公差の部品」向き と覚えておけば OK。したがって:
- 穴は + 0.2〜0.3 mm 大きめ に設計する（PLA は冷えると 0.2〜0.5% 縮む）
- 軸は − 0.1〜0.2 mm 小さめ に設計する
- ベアリングの圧入部は ±0 で設計 して、必要ならリーマで後加工
3. はめあい（嵌合）— 穴と軸の相性¶
「穴に軸を通す」とき、両者の寸法差によって 3 つの挙動が生まれます。これを はめあい と呼び、規格化されています。
3.1 3 分類¶
| 分類 | 穴と軸の関係 | 挙動 | 用途 |
|---|---|---|---|
| すきま嵌め | 穴 ＞ 軸 | 手で回る、スライドする | 軸受、スライダー、ねじと通し穴 |
| 中間嵌め | 穴 ≒ 軸 | 手では入らず、軽い力で入る | 位置決めピン、キー結合 |
| しまり嵌め | 穴 ＜ 軸 | プレス or 叩き込みで圧入 | ベアリングの筐体圧入、ローレット軸の固定 |
3.2 本書の作例での選び方¶
- モータ軸に車輪を通す → すきま嵌め（隙間あり）＋ イモねじで固定
- モータ軸にプーリを圧入 → 中間〜しまり嵌め（イモねじでさらに固定）
- 筐体にベアリングを入れる → しまり嵌め（ベアリングがガタつかないように）
- マイコンボードを筐体に固定 → すきま嵌め（ねじの通し穴は M3 なら φ 3.2〜3.5 mm が目安）
ねじの通し穴は「ねじの呼び径 + 0.2〜0.5 mm」
M3 ねじを通すだけの穴（しめつけない側）は φ 3.2 mm 前後 が定番です。ぴったり φ 3.0 mm にするとねじが入らない／無理に押し込んでねじ山を傷めます。 ミスミなどの規格表では「ボルト用通し穴（並級）」の寸法が引けます。
4. D カット軸とイモねじの仕様¶
ホビーロボットで最頻出の軸形状。モータ軸・エンコーダ軸・シャフトに使われます。
D カット軸 とは、丸い軸の一部を平らに削ったフラット面を 1 箇所持つ軸 です。断面を見るとアルファベットの「D」の形になっているので D カットと呼ばれます。この平らな面にイモねじ先端を押し当てることで、軸と部品が機械的にロックされ、回転力（トルク）を確実に伝達できます（詳しい当て方は 第 27 章 §4.1）。
4.1 D カットの寸法¶
- 軸径 — 円の直径（例：3 mm）
- 平面までの距離（面取り深さ）— 円の中心から平面までの長さ（例：2.5 mm）
N20 ギヤードモータの定番軸は φ 3 mm、D カット面まで 2.5 mm です。車輪やプーリを発注するときは「φ 3 D カット対応」と明記します。
4.2 イモねじの当て方¶
D カット軸の 平らな面に、イモねじの先端が垂直に当たる ように車輪のねじ穴を設計します。イモねじが丸い面に当たるとトルクを受けきれず、車輪が空回りします。
詳細は 第 27 章 駆動部 で扱いますが、設計時点で:
- 車輪の中心穴は φ 3.1〜3.2 mm（D カット軸 3 mm を通す、ややゆるめ）
- 車輪側面から中心に向かう M3 のイモねじ穴（M3 イモねじが入る深さ）
- 「イモねじが D 面に当たる角度」を CAD 上で確認
5. ねじ穴の下穴径¶
ねじを 締結する側（ナットを使わず、部品の穴にねじを切る）は、下穴径 が重要です。
| ねじサイズ | 下穴径（並目ピッチの場合） |
|---|---|
| M2 | φ 1.6 mm |
| M2.5 | φ 2.05 mm |
| M3 | φ 2.5 mm |
| M4 | φ 3.3 mm |
| M5 | φ 4.2 mm |
下穴径を間違えると:
- 小さすぎる → タップが折れる、3D プリント部品が割れる
- 大きすぎる → ねじ山が浅くてすぐなめる、トルクが掛けられない
5.1 3D プリント部品でのねじ穴戦略¶
3D プリントは 下穴精度が出にくい ため、おすすめの順序は:
- 熱圧入インサート（ヒートセットナット）を使う — 最も信頼性が高い。手順は:
- プリント側の穴を インサート外径と同じ寸法（例：M3 用 φ 4.0 mm、深さ 5 mm） で設計
- プリント後、はんだごて（350℃）を通常のこて先ではなく専用チップ or 先端を平らにしたチップに付け替え、インサートを乗せて下向きに ゆっくり 押し込む（所要時間 5〜10 秒、押圧は手の自重程度）
- インサートが完全に面一（表面と同じ高さ）まで沈んだら離す。傾いて埋まると後で外れるため、垂直を保つ
- 注意：PLA は 60℃ から軟化するので、作業中にプリント部品が変形しないよう 短時間で済ませる。火傷に注意
- タッピングねじを使う — 自攻ねじなので下穴は M3 ねじ用に φ 2.5〜2.7 mm
- 貫通穴 + 反対側ナット — 下穴精度を気にせず済む
6. 図面の記号：穴加工の基本パターン¶
CAD で描く図面によく出てくる穴の表記例。
- φ 3 — 通し穴、直径 3 mm、深さは貫通
- φ 3 深さ 5 — φ 3 mm、深さ 5 mm の止まり穴
- M3 深さ 8 — M3 ねじ穴、深さ 8 mm（下穴 φ 2.5 + タップ加工）
- φ 3 ザグリ φ 6 深さ 2 — 通し穴 φ 3 の入り口に φ 6・深さ 2 mm のザグリ（キャップスクリュの頭を沈める座）
- 皿ザグリ φ 6 — 皿ねじの頭を沈める斜めのザグリ
7. AI エージェントとの協働¶
機械設計の定量的な寸法選定は、AI との相性が比較的良い領域です。
- 「PLA の 3D プリント部品で M3 のタッピングを切りたい。下穴径と深さの推奨は？」 → AI は JIS 規格＋プリント経験値から答えを出せる
- 「608 ベアリングを PLA 筐体に圧入する場合、穴径は？」 → AI は収縮率を加味した推奨を出せる
ただし電気側と同じく、AI の出力は規格表で検証 します。本章の用語（公差、嵌合、下穴径、ザグリ）が頭に入っていれば、AI が間違ったときに気付けます。
8. Part V のまとめと次章への橋渡し¶
これで Part V「機械の基礎」の 3 章が揃いました。
- 第 18 章 — 材料と荷重モードの直感
- 第 19 章 — 工具と部品規格の読み方
- 第 20 章 — 図面・寸法・嵌合（本章）
次からは Part VI「機械のワークフロー」 に入ります。電気側の第 5〜9 章と対応するフェーズ別章群で、設計 → 製作 → 組立前 → 組立中 → デバッグの 5 段階を扱います。
次の 第 21 章「機械の設計フェーズ」 では、「作りたいロボットのイメージ」から、材料選定・寸法決定・CAD 出力を経て 実際に製作に渡す図面一式を作る までの流れを扱います。電気側の第 5 章と同じく、AI エージェントに相談する前の準備 に重点を置いた内容になります。