ねじりばね
ねじりばねは、軸回りの回転変位に対して復元トルクを発生するコイルばねである。洗濯ばさみやヒンジ、レバーの復帰機構など広範に用いられ、角度に比例したトルクを与えることで部品を所定の姿勢へ戻す。一般にコイルを巻いた線材の弾性変形を利用し、M=kθ（M:トルク、k:ばね定数、θ:回転角）で概念化できる。エネルギーはU=1/2·k·θ^2として蓄えられ、繰返し荷重下でも寸法・材料・表面処理を適切に設計すれば長期の疲労寿命を確保できる。
原理と力学
ねじりばねは外力により脚（アーム）が回転されると、コイル部に曲げ・せん断が生じ、反力としてトルクを返す。ばね定数kは幾何（線径d、平均コイル径D、巻数n）と材料の横弾性係数Gに依存する。設計では必要トルクM_reqと作動角θ_reqを満たすk=M_req/θ_reqをまず定め、そのkを与える寸法組合せを選定する。単位はN·mとradを用いるのが標準である。
- 主要パラメータ：d（線径）、D（平均径）、n（有効巻数）、C=D/d（スプリングインデックス）、脚長l、初期角度θ0。
- 作動範囲：干渉や座屈を避けるため、最大角θmaxはコイル密着や脚干渉より十分に小さく設定する。
設計指針
設計は「要求トルク・角度→k→寸法→応力確認→寿命確認」の順で進める。Cは一般に6〜12程度が成形性と耐久のバランスがよい。脚形状と支点位置が有効巻数に影響し、同じkでも脚長や曲げ半径により実装トルクが変化する。初期角度θ0を与えてプリロードを持たせる場合、実効トルクはM=k(θ+θ0)として扱う。
- 許容応力：最大使用トルクでの曲げ・せん断の合成応力が材料の許容値以下であること。
- 角度余裕：組立時・据付誤差を見込み、θmaxに安全余裕を確保する。
- セット低減：初期なじみ変形（セット）を見込んだ寸法・プリセット処理を行う。
- 環境係数：温度上昇でGが低下しkが小さくなるため、想定温度域で確認する。
応力と疲労
ねじりばねの線材は主として曲げを受け、コイル曲率による応力集中を生じる。スプリングインデックスCが小さいほど集中は大きくなるため、Cの極端な小径化は避ける。表面欠陥は疲労強度を著しく低下させるので、成形後のショットピーニングや研磨で表面を整えるのが有効である。繰返し角度が大きい用途では、S-N曲線による安全率設計を採用する。
応力評価の要点
最大応力はM、D、dの関数で与えられ、曲率補正係数を掛けて評価するのが通例である。荷重スペクトルが変動する場合は、Miner則などの累積損傷則により寿命を推定し、ピークトルクの発生頻度に応じて安全率を調整する。
材料と製造
一般的材料はピアノ線（SWP）、硬鋼線、ステンレス鋼（SUS304系）、ばね用リン青銅などである。冷間成形後に低温焼鈍で残留応力を均し、必要に応じてショットピーニングで疲労強度を向上させる。耐食要求が高い場合はステンレスや防錆めっき、樹脂コーティングを選ぶ。量産ではNCコイリングによる寸法安定化が重要で、脚長や曲げRのばらつき管理がトルク精度に直結する。
表面処理と環境
屋外や結露環境では腐食ピットが起点となるため、材料選定と表面処理を併用する。高温域ではクリープや弾性率低下が支配的となるため、最大温度でのk低下率を実測またはデータで補正する。
取り付けと実装
ねじりばねは左右巻の選択、脚の当て面の位置、摩擦の管理が性能を左右する。支点には適切なクリアランスを与え、偏摩耗や軸方向のずれを防ぐ。脚は剛性の高い受け部に当て、局所的な角部に当てないことで応力集中を避ける。組立時の過大開きは不可逆変形を招くため、治具で角度を制限する。
代表的な脚形状
- ストレート脚：簡便で省スペース。受け部の形状自由度が高い。
- フック脚：位置決めが容易。過大荷重時の逃げを設計しやすい。
- U字脚：当たり面が広く、接触圧を低減できる。
用途例
ヒンジ（ノートPC、家電扉）、洗濯ばさみ、レバーの自動復帰、クラッチ・ブレーキの戻り、カム機構の押さえ、スロットル・バタフライの初期位置保持などが典型である。静粛性が要求される用途では、摺動部の潤滑や樹脂インサートで軋み音を抑える。
計算プロセスの例
①要求：θ_req=60°、M_req=0.8 N·m。②k=M_req/θ_req（rad）で必要定数を得る。③候補材料とCを仮定し、d・D・nを探索してkに一致させる。④最大応力を算出し、許容値と比較してdやCを調整。⑤疲労余寿命を評価し、必要に応じショットピーニングや表面処理を追加。⑥実装干渉・組立性・コストを総合判断して最終図面とする。
他のばねとの比較観点
ねじりばねは角度制御に適し、ヒステリシスが小さく単純な支持で扱える。一方、同じ体積で大トルクを要する場合はトーションバー（ねじり棒）や皿ばね群、トーションヒンジなどの選択肢も検討する。対象機構のスペース、必要角度、許容誤差、騒音・耐食要求を基準に最適化するのが実用的である。