歯車：古代から続く“回す”仕組みをやさしく解説（R6年度技術士一次試験基礎科目過去問より）
1. はじめに：身近な機械要素と歯車
私たちの身近には、自転車や自動車、家庭用のミキサーや時計といった、さまざまな「回転するもの」が存在しています。そして、こうした装置を支えるために欠かせないのが、機械要素と呼ばれる基本パーツたちです。たとえば、ネジやボルトは部品を固定するために、ベアリングは回転の摩擦を減らすために、バネ（スプリング）は力を蓄えて衝撃を和らげるために存在します。そして、今回注目したいのが、**歯車（ギア）**です。
歯車は、「回転運動を正確かつ効率よく別の軸に伝えたい」という場面で活躍します。ベルトやチェーンなどで回転を伝える方法もありますが、どうしても伸びやたるみ、滑りなどの影響が大きくなりがちです。その点、歯と歯を噛み合わせる歯車は、構造上“すべりにくい”のが特長で、エネルギー損失を最小限に抑えられる利点があります。
なぜ私たちの暮らしの中でこんなにも歯車が重宝されてきたのか――。その理由を理解するためには、歴史や基礎原理、ものづくりの現場や具体的な応用例を見ていくのが一番です。本記事では、歯車の「昔から今まで」と「仕組み」、そして「身近な装置での使われ方」について、なるべくわかりやすく解説していきたいと思います。
2. 歯車の歴史：古代から現代まで
2-1. 古代の歯車：知恵の結晶
歯車がいつ・どこで発明されたのかを正確に知ることは難しいですが、世界各地で早くから存在が確認されています。とりわけ有名なのが、古代ギリシャで作られたとされる“アンティキティラの機械”です。紀元前2世紀頃の遺物ながら、内部には複雑に組み合わされた歯車があり、天体の運行を再現する装置といわれています。
ここからもわかるように、古代の人々はすでに「回転を正確に伝える仕組み」の重要性に気づいていたと考えられます。当時の材質は青銅や木材などが中心だったようですが、精密に刻まれた歯と歯が連携する様子は、現代人の私たちから見ても驚くほど高度な技術の産物です。
2-2. 中世からルネサンス期の飛躍
ヨーロッパ中世になると、教会の大きな時計塔や街の時計台などに歯車を用いた機械式時計が登場し、時を正確に示す役割を担います。日本でも江戸時代にからくり人形が発達し、歯車やカム、てこなどを組み合わせることで複雑な動作を実現していました。こうした“歯車＋機械仕掛け”の文化は、各地域で独自の発展を遂げ、歴史とともに多彩な工夫が生み出されていきます。
2-3. 産業革命以降の大量生産と高精度化
やがて18世紀後半から19世紀にかけての産業革命によって、工作機械が劇的に進歩すると、歯車の大量生産と高精度化がいっそう加速します。鉄道や自動車、工場のプレス機など、重厚長大な産業機械にも歯車が組み込まれ、社会インフラを支える重要技術へと発展していきました。
現代では、航空宇宙分野やロボット工学、精密医療機器など、多岐にわたる分野で歯車の存在が欠かせません。これほど長い歴史を持ちながらも、常に最先端の技術領域で活躍し続けられるのは、歯車が「正確な回転伝達」という本質的な価値を提供し続けているからといえるでしょう。
3. 歯車の基本原理：噛み合う歯が生む正確さ
3-1. 歯と歯がかみ合う仕組み
歯車の最大の特長は、名前のとおり“歯”をもつ円盤同士が噛み合うことで回転運動を伝える点にあります。ベルトやチェーンだと、摩擦や弛み、伸びなどによる誤差が生じやすいのに対し、歯車は“歯形”がぴったり合っていれば滑りがほとんどありません。これにより、理想に近い形で入力軸（駆動側）の回転が出力軸（被駆動側）へ伝わるわけです。
⭐︎図解例：「2つの歯車が噛み合う拡大イメージ」
歯がしっかり噛み合っている様子を矢印で示し、一方が回ると他方も回ることを視覚的に解説。
3-2. そもそもトルクって何？
歯車の説明でよく出てくる言葉に「トルク」があります。トルクとは、回転する軸に働く力の大きさ、つまり“回転力”のこと。たとえば自転車のペダルを踏むとき、強い力で踏み込めば大きなトルクが加わり、車輪を力強く回せます。逆に、軽く回すだけならトルクは小さいものの、高い回転数を得られるかもしれません。
回転の「速さ」（回転数）と「力の大きさ」（トルク）は、いわばシーソーのような関係にあると考えるとわかりやすいでしょう。
3-3. ギア比で変わる“速さ”と“力”
歯車では、歯数の異なるギアを組み合わせることで、回転数とトルクのバランスを自在に変えられます。たとえば、歯数が少ない歯車で歯数の多い歯車を回す場合、後者は回転数が下がる代わりにトルク（力）は大きく増加します。これを一般に「減速してトルクを上げる」と呼びますが、自転車でいう「重いギア」に相当するわけです。
反対に、「増速ギア」では、回転数を高める代わりにトルクが小さくなります。つまり、速度（回転数）と力（トルク）のトレードオフを成立させるのがギア比の役割といえるでしょう。ここが、歯車があらゆる機械で多用される最大の理由なのです。
4. 歯車はどう作られる？ものづくりの現場
4-1. 歯車製造のざっくり工程
歯車はどうやって作られるのでしょうか？その工程を大まかに見てみると、以下のようになります。
素材を準備
金属なら鋼材や真鍮などをブランク（円盤や円柱）状に成形。樹脂ギアの場合は射出成形なども活用。
歯切り（歯形加工）
ホブ盤や歯切り盤といった専用工作機械を使い、設計どおりの歯形を削り出していく。
熱処理・仕上げ
強度や耐久性を高めるために焼入れ、焼戻しなどを実施。その後、研磨して表面を滑らかにし、騒音や摩耗を抑える。
⭐︎図解例：「歯車製造工程のフロー」
1.素材の準備 → 2.歯切り → 3.熱処理・研磨 → 完成！ といった図を示す。
4-2. どこが難しいの？
歯車同士は噛み合いによって回転を伝達するため、ミクロン単位の精度が要求されることも珍しくありません。少しでも歯形が狂えば、騒音が増えたり、摩耗が進んだり、最悪の場合は歯こぼれによって故障につながる恐れがあるのです。
さらに、歯車にはスパーギア（平歯車）のほか、ヘリカルギア、ウォームギア、遊星歯車など多彩な種類があります。用途によって適したギア形状や加工方法、材料が異なるため、製造技術や設計知識が求められるのが歯車づくりの難しさでもあり、面白さでもあるといえるでしょう。
5. 身近な応用例：時計や自転車、オルゴール…
5-1. 自転車の変速機
自転車の変速は、歯車の歯数の組み合わせを変えることで、回転数とトルクの比率を切り替えている典型的な例です。登り坂では低速で大きなトルク、平地や下り坂では高速で小さなトルクというように、最適なギア比を自分で選べるようになっています。ペダルを踏み込む感覚が“重い・軽い”と変化するのは、その瞬間に歯数の比率が変わっているからにほかなりません。
5-2. 時計や懐中時計
時計のなかにも複数の歯車が存在し、秒針・分針・時針をそれぞれ違う速度で回す役割を担っています。ゼンマイや重りの力を、何段もの歯車を経由して針に伝える仕組みは、いわば「歯車の芸術」。機械式時計を分解すると、小指の先ほどの小さな歯車がいくつも連動しており、そこに職人の精密な技術が詰まっているのがわかります。
5-3. オルゴールやからくり人形
ゼンマイを巻いて動くオルゴールも、内部には歯車が使われています。歯車が回転数を制御しながらシリンダーをゆっくり回し、金属の爪を弾いて音を奏でるのです。からくり人形では、さらに歯車の組み合わせにカムやてこなども加わることで、驚くほど滑らかで複雑な動きが演出されます。こうした例を見ると、歯車は単なる“回す道具”というよりも、動きの演出家でもあるように感じられるでしょう。
6. まとめ：歯車が開く新たな視点
ここまで見てきたように、歯車は古代から現代まで、人類が機械を進歩させるうえで欠かせない存在として機能してきました。
歯車は“歯”同士が噛み合うため、滑りが少なく高効率で回転を伝えられる。
ギア比を調整することで、回転数（速さ）とトルク（力）のバランスを自在にコントロールできる。
製造精度が高まれば、騒音や摩耗を抑えつつ大きな負荷にも耐えられる。
自転車や時計、オルゴール、からくり人形など、多彩な応用例が生活を彩っている。
歯車の応用範囲は非常に広く、その奥深さは歴史・技術・芸術が交錯する魅力をもっています。たとえば、自転車に乗って「ギアチェンジをすると、なぜこんなに感触が変わるのか？」、時計を見て「どうやって秒針と分針を正確に動かしているのか？」など、歯車の視点で身の回りを見直してみると、機械の仕組みがより立体的に見えてくるはずです。
歯車という機械要素がこれほど長い歴史を持ちながら、今もなお進化し続け、最先端の分野でも重要視される理由。それは、「回転を伝える」というニーズが、人々の生活と技術において、いつの時代も不可欠だからだといえるでしょう。
おまけ：過去問と解説
以下では、歯車に関連した過去問の全文・解説を記載します。
実際の試験でどのように出題されるのか、ぜひ参考にしてみてください。
過去問全文
I-1-4 速度伝達比が30で動力伝達効率がほぼ100％で滑りのない歯車装置の記述として、最も適切なものはどれか。ただし、速度伝達比とは、歯車装置の入力軸の角速度を出力軸の角速度で割った値とする。
① 入力軸が1回転する間に出力軸は30回転し，出力軸のトルクは入力軸のトルクとほぼ等しい。
② 入力軸が30回転する間に出力軸は1回転し，出力軸のトルクは入力軸のトルクとほぼ等しい。
③ 入力軸が30回転する間に出力軸は1回転し，出力軸のトルクは入力軸のトルクのほぼ30倍になる。
④ 入力軸が1回転する間に出力軸は30回転し，出力軸のトルクは入力軸のトルクのほぼ30倍になる。
⑤ 入力軸が30回転する間に出力軸は1回転し，出力軸のトルクは入力軸のトルクのほぼ1／30倍になる。
解説と正解
速度伝達比 = (入力軸の角速度) ÷ (出力軸の角速度) = 30
これは、入力軸が出力軸の30倍の速度で回っている、という意味になります。滑りがなく効率ほぼ100%であれば、入力側と出力側で“回転数 × トルク”は一定（損失が極めて小さい）という前提が成り立ちます。
したがって、**入力軸が30回転するあいだに出力軸が1回転となる“減速”**の場合、出力側は回転数が1/30になる代わりにトルクが30倍になります。
選択肢を確認すると、以下のように整理できます。
①・②：トルクがほぼ等しいという記述は、速度伝達比30の条件とは整合しない
③：入力軸が30回転する間に出力軸は1回転、かつトルクが30倍 ⇒ 減速かつトルク増大という正しい内容
④：入力軸1回転に対し出力軸30回転の場合は“増速”なのでトルクは1/30になるはず。したがってトルク30倍は誤り
⑤：入力軸30回転で出力軸1回転の場合の“減速”自体は正しいが、トルクが1/30というのはエネルギー保存則に反する
よって、正解は③ となります。