ばね 用途例

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ばね

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/01/14 16:12 UTC 版)

用途例

ばねの特性や機能を活かして、ばねは幅広い分野にわたって使われている[225]。身近な器具から大型機械・構造物まで、昔ながらの機器から現代的な機器まで、ばねの利用は広範囲に及んでいる[226]。

日用品

線細工ばねの一種であるゼムクリップ

身の回りの日用品の中にも様々なばねが存在する[227]。文房具では、紙や書類を挟むためのクリップもばねの一種といえる[228]。線を折り曲げて成形されたゼムクリップは、線細工ばねの一種である[229]。紙や書類を綴じるためのステープラーには、板ばねとコイルばねが使われている[230]。針を前に押し出す機構にはコイルばねが使われ、針を押し出す薄板は板ばねになっている[230]。ノック機構を持つボールペンでは、ペン先の出し入れにコイルばねを利用している[231]。ボールペンの中には、ペン先のボールを 1 mm 程度の小さなばねで支える機構を持つものもある[232]。

洗濯ばさみ（ねじりコイルばねを利用するもの[233]）

衣服を干すための洗濯ばさみでもばねが使われている。洗濯ばさみには、ねじりコイルばねを利用するものと、輪っかの形のばねを利用するものがある[234]。重さを量る秤にもばねを利用する種類がある[235]。ばねばかりは引張コイルばねを利用するもので、計量の仕組みはフックの法則の見本といえる[235]。

機械式時計では2種類の渦巻ばねが用いられている。1つは接触形渦巻ばねのぜんまいで、時計の針を進める動力を生み出している[236]。もう1つは非接触形渦巻ばねのひげぜんまいと呼ばれる部品で、時計の調速脱進機で使われる[237]。てんぷという部品に取り付けられたひげぜんまいに往復運動をさせることで、正しい時刻を刻むように針を動かしている[236]。

おもちゃもばねの様々な性質を利用している[238]。びっくり箱はフタを開けると人形などがばねの復元力で飛び出る古典的なおもちゃである[238]。オルゴールは、渦巻ばねを動力として音を出している[239]。エネルギーを弾性エネルギーとして蓄積して徐々に放出させる、ばねの使い方の例である[225]。ミニカーのチョロQも渦巻ばねが走りの動力原である[240]。スリンキーという変わった動きをするばね状のおもちゃもある[238]。

車両

エンジンのカットモデル。上からカム、バルブ、弁ばね

1台の自動車で使用されているばねは2,000から3,000個あるといわれ、自動車とばねの関連は強い[241]。自動車エンジンの中で使用されている代表的なものは、カムシャフトのカム形状通りに吸排気バルブを動かすばねで、「弁ばね」や「バルブスプリング」と呼ばれる[242]。約120℃の油中で1億回以上の伸縮をしても疲労破壊しないことが必要とされ、さらには小型化と軽量化が常に要求される[225]。ばね全体の中でも、弁ばねは最も過酷な環境で使われるばねといえる[243]。使用条件に応えるために、ピッチ形状や線断面形状には特別な工夫が施されている[244]。材料については、引張強さが 2000 MPa を超える鋼線が弁ばね用材料に規格化されて使われており、「現在量産されているばねのなかでも最も高品質なばね」といわれる[245]。

オフロード車の懸架装置用に使われている重ね板ばね

車輪を保持しつつ車体を支え、路面からの衝撃を和らげる自動車の懸架装置（サスペンション）にも様々なばねが使用されている[246]。最も多く用いられている懸架用ばねは圧縮コイルばねで、軽量で小型なため乗用車の多くで使われている[247]。重ね板ばねは、重量が重く乗り心地もあまりよくないが耐荷重が大きいため、貨物自動車、バス、オフロード車などで使用される[248]。空気ばねは車高調整ができて乗り心地向上などの長所があるが、高価なため、バスや高級車で使われている[249]。トーションバーはフォーミュラ1カーで主流な懸架用ばねとなっている[250]。また車体のロール揺動を抑えるために、腕と一体となったスタビライザーとしてもトーションバーが軽自動車から大型トラックまでの広い範囲で利用されている[251]。

車体を外した状態の台車。車輪の横にあるのが軸ばね（コイルばね）。台車真ん中の2つの黒いゴムまりが枕ばね（空気ばね）。

鉄道車両の懸架装置は、枕ばねと軸ばねという2種類のばねから構成されている[252]。枕ばねは車体と台車の間に存在するばねで、空気ばねが主に使われている[253]。空気ばねを使用することで、柔らかいばね定数を得ながらも車体の高さを維持することができている[51]。軸ばねは台車と輪軸の間に存在するばねで、コイルばねが主に使われている[253]。

懸架装置の他には、電車のパンタグラフは、空気圧によるものもあるが、ばねによって舟体を架線に押し付けて電気を得ている[254]。古い鉄道車両では、連結器の緩衝用に輪ばねが使われている[102]。レールを枕木に固定するためにも、板ばねや線ばねが使われている[255]。

その他車両用としては、建設車両のブルドーザの足回りには、キャタピラに張りを与えながらも異常な力が加わったときはそれを逃がすことができるように、ばねが組み込まれている[256]。このばねは「リコイルスプリング」と呼ばれており、主にはコイルばねが使われている[256]。リコイルスプリングの中には、人の背を超えるような巨大な圧縮コイルばねもある[257]。

電気電子機器

コンセント（テーブルタップ）の内側の様子。プラグの刃を銅製薄板ばねが保持している。

電気機器類や電子機器類においても、ばねが活用されている。ばね自体が電気回路の一部となる場合もあり、そのような用途では導電性のよい銅合金ばねが使われる[258]。電気を得るためのコンセントには銅製の薄板ばねが組み込まれており、この薄板ばねがプラグとの電気的接続およびプラグの保持を行っている[259]。これによってプラグが容易には取れないようになっており、なおかつ適度な力でプラグを抜くこともできるようになっている[260]。電気回路・電子回路中のリレーやスイッチでも、電気的な接点をばねが担っている[261]。ノートパソコンや携帯電話といった電子機器類は高度な軽量化や小型化を求められるため、それらの中にあるリレー・スイッチ・コネクタなどで使われる薄板ばねにも同様に軽量化や小型化が求められ、結果として懸架装置用ばね並みの高強度を持つばねが使われることもある[262]。

照明やリモコンなどのスイッチも、その動作にばねを利用している[263]。ばねが無いとすると、スイッチをゆっくり押されると電気接点もゆっくり近づき接触するので、接点間でアークが長く発生しやすく、損傷に繋がる[264]。ばねを利用することで、スイッチがゆっくり押されたとしても瞬間的に端子を接触させている[264]。圧縮コイルばねやゴムを使う機構、接続する端子自体が板ばねとなっている機構などがある[265]。

ハードディスクドライブの磁気ヘッド（左のアーム先端部）

コンピュータの例では、操作を行うキーボードの中にばねが組み込まれている。古い型のキーボードでは金属製のコイルばねがそれぞのキーの下に組み込まれ、キーを押し戻すようになっている[266]。ゴムの復元力でキーを押し戻す方式もあり、2008年現在ではこの方式のキーボードが主流となっている[266]。記憶装置のハードディスクドライブでは、磁気ヘッドという部品が磁気ディスク上を移動して、ディスクに情報を読み書きする[267]。このとき、サスペンションとよばれる薄板ばねが磁気ヘッドに一定荷重を与え、磁気ヘッドがディスク上数十nmの位置で維持されるのに寄与している[268]。

構造物

免震構造用ゴムの例

建築・土木分野における構造物自体にもばねが使われている。建物を地震から守るために建物と基礎を切り離し、その間にばねやダンパーを取り付ける構造を免震構造と呼ぶ[269]。免震構造では、コイルばねも使用されているが、代表的には金属板とゴムが層状に重なった積層ゴムが使われる[270]。体操競技のゆかの床も、敷き詰められたばねで支えられている[271]。これによって、ゆか競技における高難度な宙返り技が可能となっている[272]。橋の支承でも積層ゴムなどが組み込まれており、これにより橋の上部構造の動きを逃している[273]。

免震構造以外で建物を揺れから守る方法に制振構造がある[274]。制振構造では、TMDと呼ばれる、重量物をばねとダンパーを介して建物上部に取り付ける機構を設ける[275]。免震構造と異なり強風による揺れを低減できるため、特に超高層建築物で制振構造が必要とされる[276]。一例としては、日本の東京スカイツリー頂部のゲイン塔には、ばね1本当たり1トンの巨大なコイルばねを使ったTMDが設置されている[277]。

市場割合

ISOの技術委員会「ISO/TC 227」は、ばねの産業別市場割合を2012年に発表した。それによると、1994年、2004年の実績、および2014年の推定は以下のとおりとなっている[278]。

ばねの産業別市場割合（売買高ベース、2012年付）
産業分野 1994年 2004年 2014年（推定）
自動車 70 % 60 % 45 %
電気機器 4 % 7 % 10 %
情報技術 3 % 9 % 15 %
鉄道 4 % 3 % 2 %
船舶 4 % 3 % 2 %
航空宇宙 1 % 2 % 4 %
医療・福祉 1 % 3 % 7 %
機械・住宅・その他 13 % 13 % 15 %

さらに主要国におけるばね産業の規模は、同じく ISO/TC 227 によると、2004年で次のようになっている[278]。

主要国におけるばね産業の規模（2004年）
アメリカ フランス ドイツ 日本 中国
製造業者数 496 80 220 251 1,000
売買高（百万ドル） 3,120 244 2,040 1,960 10

脚注

注釈

  1. ^ 例えば、日本ばね学会（編） 2008, pp. 1–5、ニッパツ・日本発条株式会社（編） 1998, p. 3、渡辺・武田 1989, pp. 8–10。
  2. ^ 掲載した種類とツリー構造は「ばねの歴史」編纂ワーキンググループ（編） 2012, p. 6 を基にして、そこに 日本ばね学会（編） 2008, pp. 5–7 の「形状による分類」に含まれるメッシュばねを加えた。
  3. ^ ばね鋼とは、後述の熱間成形用のばね用鋼材のみを指す場合もある[117]。
  4. ^ 原文： "About two years since I printed this Theory in an Anagram at the end of my Book of the Descriptions of Helioscopes, viz. ceiiinosssttuu, id est, Vt tensio sic vis; That is, The Power of any Spring is in the same proportion with the Tension thereof: That is, if one power stretch or bend it one space, two will bend it two, and three will bend it three, and so forward. Now as the Theory is very short, so the way of trying it is very easie."[338]

出典

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  377. ^ 『世代の価値』：新字新仮名 - 青空文庫

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