ばね

アンギュラ玉軸受と深溝玉軸受を用いたスピンドルにおける、ボールベアリングの軸方向のガタを取る、皿ばね構造について、皿ばねのばね強さ計算法と共に説明する。 図1.皿ばねの外観写真

定荷重ばねとは 一定の曲率で曲げられた長尺の板ばねであり、直線に引き伸ばすときに生じる戻り力（荷重）はストロークにかかわらず一定です。

引張りばね 荷重P［N］ ＝ 初張力Pi［N］＋（ばね定数k［N/mm］× たわみ量F［mm］） ミスミの 引張りばね（フリー指定タイプを除く）は、同一径に対して最大荷重が一定となるように規格を標準化しています。最大荷重値を基準として製作していますので、初張力・ばね定数は参考値となります。 許容たわみ量F max.（mm）以下でご使用ください。許容たわみ量を超えて使用しますと、ばねが変形したり、少ない使用回数で破損したりする可能性があります。取付時にも、引張りばねを許容たわみ量以上伸ばしすぎないようご注意ください。 引張りばね（AW□・BW□・AWFM・WFSP・LWS・LWSH）は常温（40℃以下）でのご使用をお勧めします。40℃を超えて使用された場合、条件にもよりますが、荷重値は減衰します。 丸線圧縮ばね・異形線コイルスプリング 荷重P［N］＝ ばね定数k［N/mm］× たわみ量F［mm］

ばねの計算式に用いる記号 ばねの設計に用いる基本式 ばねの設計に考慮すべき事項 ばねの設計式に用いる記号 記号の意味

　ppmオーダーの品質不良の保証の考えが多くの商品で実現されている背景には、生産技術の進歩と併せて、不良品を出荷させないための全数検査の実施によるところが大です。LSIなどは、それ自体に膨大な構成要素の集合体であるため全数検査されます。また携帯電話などのコンシューマー商品も液晶表示素子まで含めると、膨大な構成要素の集合体となるため全数検査されます。 　このような全数検査を低コストで実現させるキーパーツとして、マイクロコンタクトプローブがあります。以下では、ナノ〜ミクロンの世界の先端、マイクロプローブ技術とそのばねを概説しました。 （1）マイクロコンタクトプローブの先端技術 ※出典：羽賀、他；マイクロコンタクトプローブの開発、理研シンポジウムNo17より

　精密位置決めには、（1）アクチュエータ、（2）精密位置決め機構、（3）制御方法の3要素技術が関係してきます。ここでは（2）精密位置決め機構のなかで、ミクロン〜ナノの領域で採用される、微小位置決め機構用平行ばねを紹介します。 （1）平行ばねの原理（【図1】参照） 平行四辺形の形状は、高さを変えても対の2辺は常に平行となることを利用して、1軸の微小移動用案内に採用されます。 ばねの作用として常に一方向にばね力が働くため、バックラッシュが無視できます。

　LCA（ローコストオートメーション）におけるばねの設計対象は、ほとんどが圧縮コイルばねか引張りコイルばねです。この2種類のばね設計では、以下の項目が検討課題となります。ここではa）、b）、c）について解説します。

　ばねのばね特性は、ばね用材料とその熱処理と成形加工（熱間成形法、冷間成形法）で造りこまれます。 （1）熱間成形と冷間成形 ■熱間成形 ばねの形状に成形した後に、ばねとして必要な強度を得る目的で、焼入れ・焼戻しの処理を行う成形法 ■冷間成形 焼入れ・焼戻しあるいは伸ばす線加工などで、必要な強度が得られた材料を成形する工法 （2）ばね用材料 　代表的なばね用材料と用途は次表です。

　ばねの両端固定法は、ばねの挙動安定性を得るために重要です。圧縮コイルばね、引張りコイルばねともに、ばねの両端部での好ましい固定方法があります。ここでは、両ばねの固定方法とその特徴を解説します。 （1）圧縮コイルばねの固定方法 　圧縮コイルばねの両端固定方法は、ばねの保持状態の自由度や座屈回避、荷重点のズレ防止などの観点から、下のような固定方法（【図1】）が採用されます。なお、中央の（b）両端固定方法は、製造の容易さの点から、ミスミ：コイルスプリングワッシャ（SPGCCなど）を利用するか、ガイド穴を両端に持たせ、そこにばねを落とし込んで保持する方式が一般的です。

　非線形ばねは、荷重に対するばねの変形量を、敏感にも鈍感にも修正することができるため、アイデアによって面白い活用法が考案できます。ここでは代表的な非線形ばね特性を持つものを紹介します。ここに紹介した各種ばねの設計方法は「ばねの設計と製造・信頼性」、ばね技術研究会編；日刊工業新聞社発行などの参考書を参照ください。

　サージングとは、コイルばね自体の固有振動のことです。ばねに質量があるため、ばねの固有振動数に近い振動数成分を有する外力が作用すると、サージングと呼ばれるばねの激しい振動現象が現れます。コイルばねがカムにより高速で圧縮・引張りの駆動が与えられた場合、ばね自体がカムの揚程曲線の高周波成分と共振する場合などがサージングです。 （1）サージングとは コイルばねが衝撃を受けると、ねじりがコイル素線に沿って、衝撃波として伝達されます。この衝撃波をサージ波と呼びます。 このサージ波が、ばね素線に沿って一往復する時間Tを、サージ時間と呼びます。サージ時間、サージ速度は次式で算出できます。

　ばね定数（ k ）の、ばねに質量（ M ）のブロックを載せた状態での、ばねの振動特性について解説します。

　ばねに吸収蓄積されるエネルギについて解説します。 （a）線形特性のばねの吸収蓄積エネルギ ばねに荷重をかけると、フックの法則に応じたたわみ（変形）が生じます（【図1】）。この状態から素早く荷重を開放すると、ばねは元の状態に振動を伴って戻ります。したがって、荷重がかかった状態では、ばねにはたわみによるエネルギが蓄積されていることになります。 このばねに蓄積されているエネルギ量は、次式で表されます。 ばねに蓄積されたエネルギ U ＝ k ・δ2 / 2　　k：ばね定数　δ：たわみ量

　引張りコイルばねは、圧縮コイルばねのように、非線形特性を持たせることが出来ません。しかし、初張力を造りこむことができます。 （1）初張力のある引張りコイルばねについて 引張りコイルばねでは、無荷重の状態でもコイル同士が密着する方向の力：初張力をもたせることができる。 この初張力は、密着状態に成形するときに、コイル同士が密着する方向に作用する素線のねじれを生じさせて得られる。 冷間成形で密着巻き加工によりばねを成形する場合は、多少なりとも初張力がついてしまうが、初張力を積極的に形成させたばねを初張力をもつばねという。 初張力を持たないばねと持つばねの荷重—たわみ特性は次のようになる。（【図1】） 【図1】の引張りばねの荷重-たわみの関係式は【式A】で表され、初張力をもつ引張りばねの荷重-たわみの関係式は【式B】で表される。 【式A】 荷重P（N）= ばね定数 k（N/mm） x たわみ量 δ（mm）

（1）荷重と変形の関係 　ばねにかかる荷重：Pとたわみ（変形量）：δが比例（線形）関係にあるとき、「フックの法則」の関係にあるといいます。このときの比例定数：kを「ばね定数」と呼びます。【図1】に荷重と変形の関係を示します。この図において、傾きがばね定数：kを表します。 P　＝　k　x　δ　　　k：ばね定数 　この性質を利用して、ものの重さを測定する「ばねばかり」や、必要な力で作動する安全弁用ばねなどが設計・製作されます。

　「ばね」の種類を形状で分類すると、次のようになります。

　「ばね」は各種機構に組込まれて、ばねそれぞれの役割を演じていますが、目立つ要素部品というより影の役柄という立場です。しかし、信頼性、高速運動性能、小型軽量化、操作性などとの関係が深く、これからの技術進歩においても重要なLCA（ローコストオートメーション）の部品です。