ねじ山とは：定義・構造・種類（ストレート／テーパねじ）と機械的利点

ねじ山の定義・構造、ストレート／テーパねじの違いとリードに基づく機械的利点を図解と実例でわかりやすく解説。

ねじ山は、しばしばスレッドと略され、らせん状の構造である。円柱や円錐に稜線を螺旋状に巻き付けたもので、前者をストレートスレッド、後者をテーパースレッドと呼ぶ。ねじ山は外径・有効径・根元径・ピッチ・山の角度などいくつかの幾何学的要素で定義され、用途に応じて形状や寸法が規格化されている。

ねじ山の基本要素

• 外径（外側の最大直径）：ボルトやねじの見かけの太さ。
• 有効径（中間の実効径）：ねじがかみ合う際に力を伝える主要径。
• 根元径（谷の直径）：ねじ山の谷部分の直径。
• ピッチ（pitch）：隣接するねじ山の同一面が1周分移動したときの軸方向の距離。単位はmm。
• リード（lead）：ねじが1回転したときに進む直線距離。単一ねじ山（single-start）ではリード＝ピッチだが、複数山（multi-start）のねじではリードがピッチ×山数になる。
• 山形（断面形状）：三角形（メートルねじ等）、台形（トラペゾイダル）、角ねじ（スクエア）、アクメ、ラウンドなどがある。

ストレートねじ（平行ねじ）とテーパねじ（テーパーねじ）

• ストレートスレッド（平行ねじ）：ボルトとナットのように円柱状の外形に山が刻まれたねじ。機械部品の締結や位置決めに広く使われ、ISOやJISで規格化された寸法体系（例えばISOメートルねじ）がある。
• テーパースレッド（円錐ねじ）：管継手や一部の機械部品で使われる、外径が先端に向かって細くなる円錐形のねじ。ねじ込みにより密封性や圧力保持が得られやすい（例えば配管用のテーパねじ）。

ねじの種類（形状と用途別）

• 三角ねじ（メートルねじ、UNねじなど）：小ねじや一般的な機械締結に最も多用される。
• 台形ねじ（トラペゾイダル）：送りねじ（ボールねじ以外）や昇降機構に使われる。耐久性と効率のバランスが良い。
• 角ねじ（スクエア）：効率が高く、荷重伝達に優れるが加工が難しい。プレスやジャッキに用いられることがある。
• アクメねじ：台形と三角の中間的性質で、荷重分布が良く加工もしやすい。測定器やバルブで使われる。
• ウォームねじやラウンドねじ：特殊用途（減速機、パイプ接続など）に使われる。
• 右ねじ・左ねじ：ねじの回転方向。一般的に右ねじが多いが、用途により左ねじが使われる（回転方向による締め緩めを防ぐためなど）。

ねじの製造方法（代表例）

• 切削（旋盤やタップ・ダイスで溝を切る）：小ロットや精密ねじに適する。
• 転造（冷間塑性加工で金属表面を成形）：強度が高く表面粗さが良いので量産ねじに多用される。
• 研削や研磨：高精度ねじや試験用部品で用いる。

ねじの機械的利点と効率

ねじの機械的な利点は、ねじが1回転する間に移動する直線距離であるリードに依存します。理想的なねじ（摩擦が無い場合）の機械的利得（MA）は次の式で表せます：

MA = (2πr) / L

ここで r はねじの半径、L はリードです。つまり、ねじをゆっくり回すほど大きな力の増幅（機械的利得）が得られます。ただし現実では摩擦があるため効率は低下し、得られる上げ力はこの理想値より小さくなります。

摩擦と自己ロック（セルフロッキング）性

ボルトとナットの締結やねじ機構では摩擦が重要です。摩擦トルクが高いと保持力が良くなり、外力で勝手に解除されにくくなります（自己ロック）。自己ロックの条件は概念的に次のように表現されます：ねじのリード角（λ）に対して摩擦係数（μ）が大きければ、ねじは自重で戻らない。数学的には tan(λ) < μ の場合に自己ロックする、と説明されることが多いです。

用途例

• 一般機械の締結（ボルト・ナット）
• 位置決め機構（送りねじ、顕微鏡や微調整ねじ）
• 昇降装置（ジャッキ、バイス）
• 流体配管の密閉（テーパねじの配管継手）
• 伝動・変速機構（ウォームギア等）

規格と互換性

ねじは安全性と交換性のために各国や国際的な規格で寸法・ねじ山形状・許容差が決められている。代表的なものにISOメートルねじ、JIS、UN（ユニファイド）ねじ、管用テーパねじなどがある。選定時は使用環境、強度、締結方式（締付トルク）、耐食性などを考慮して規格・材質・表面処理を決める。

まとめ（ポイント）

• ねじ山はらせん状の稜線で、ストレート（平行）とテーパー（円錐）がある。
• リードとピッチの違いを理解すると、ねじの進み量や機械的利得が把握できる。
• 山形・材料・製法・規格の組合せで用途に最適なねじを選ぶことが重要。

ボルトにナットを締め付けるのは、摩擦と塑性変形（2つの物体の表面がわずかにつぶれること）でくっつくまで隙間に楔を打ち込むようなものであり、適切な締付管理（トルク管理や座面処理）が信頼性のある締結に欠かせません。

ねじは、機械的な利点を与える6つの単純機械のうちの1つであり、正しい理解と設計で力と運動を効率的に伝達する重要な要素です。

質問と回答

Q: ネジ山とは何ですか?

Q: 2種類のねじ山は何ですか?

Q: ナットとボルトの締め付けはどのように行われるのですか?

Q: ネジ山の機械的優位性は何に依存しているのですか?

Q:機械的な利点をもたらす単純機械はいくつありますか?

Q: ストレートスレッドとは何ですか?

Q: テーパードネジとは何ですか?

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