リードスクリュー

Screw used as a linkage in a mechanism

リードスクリューに使用される3種類のねじ山：
3と4：バットレスねじ、
5：丸ねじ
、 6：角ねじ

リードスクリューとステッピングモーターを備えたDVDドライブ

リードスクリューとステッピングモーターを備えたフロッピーディスクドライブ

リードスクリュー（またはリードスクリュー）は、/liːd skruː/と発音され、パワースクリュー^[1]またはトランスレーションスクリュー^[2]とも呼ばれ、機械のリンク機構として使用され、回転運動を直線運動に変換します。雄メンバーと雌メンバー間の滑り接触面積が大きいため、ねじ山は他のリンク機構に比べて摩擦エネルギーの損失が大きくなります。リードスクリューは通常、高出力の伝達には使用されず、低出力アクチュエータやポジショナー機構で断続的に使用されます。リードスクリューは、リニアアクチュエータ、機械スライド（工作機械など）、バイス、プレス、ジャッキでよく使用されます。^[3]リードスクリューは、電動リニアアクチュエータの一般的なコンポーネントです。

「リード」という言葉は、 /liːd/と発音され、動詞「導く」から来ています^[4]が、金属ではなく、1回転あたりに移動する距離の量を指します。^[要出典]

リードスクリューは、他のねじ形状と同じ方法で製造され、転造、切断、研磨が可能です。

リードスクリューは、必要に応じてスプリットナット（ハーフナットとも呼ばれる）と組み合わせて使用​​されることがあります。これにより、ナットをねじ山から外し、ねじの回転とは独立して軸方向に移動させることができます（手動旋盤のシングルポイントねじ切りなど）。また、スプリットナットは、ナットの部品を圧縮することで摩耗を補正するためにも使用できます。

静圧リードスクリューは、通常のリードスクリューの多くの欠点を克服し、高い位置精度、非常に低い摩擦、非常に低い摩耗を備えていますが、高圧流体の連続供給と高精度の製造が必要であり、他のほとんどの直線運動リンク機構よりも大幅にコストが高くなります。^[5]

種類

パワースクリューは、ねじ山の形状によって分類されます。

Vねじ

Vねじは、ねじ山間の摩擦が大きいため、 Acmeなどの他のねじに比べてリードスクリューには適していません。Vねじのねじ山は、この摩擦を誘発して締結具の緩みを防ぐように設計されています。一方、リードスクリューは摩擦を最小限に抑えるように設計されています。^{[6]そのため、ほとんどの商業および産業用途では、Vねじはリードスクリューには使用されません。しかしながら、}マイクロ旋盤やマイクロミルなどでは、Vねじがリードスクリューとして効果的に使用される場合もあります。^[7]

四角い糸

四角ねじは、その四角い形状にちなんで名付けられています。摩擦が最も少なく、最も効率が高いため、高出力のねじによく使用されます。しかし、加工が最も難しく、そのため最も高価です。

アクメねじ / 台形ねじ

アクメネジ

アクメねじはねじ山角度が29°で、四角ねじよりも加工が容易です。ねじ山角度によって摩擦が増加するため、四角ねじほど効率は良くありません。^[3]また、アクメねじは台形ねじ形状のため、一般的に四角ねじよりも強度が高く、耐荷重性も優れています。

バットレススレッド

バットレスねじは三角形をしています。ねじにかかる荷重が一方向にのみかかる場合に使用されます。^[8]これらの用途では、バットレスねじは四角ねじと同等の効率性を持ちますが、製造が容易です。

メリットとデメリット

リードスクリューは、ボーイング 747-8F貨物機の前面ドアの上げ下げに使用されます。

リードスクリューの利点は次のとおりです。^[2]

• 大きな積載能力
• コンパクトさ
• デザインのシンプルさ
• 製造の容易さ
• 大きな機械的利点
• 精密で正確な直線運動
• スムーズで静かな操作
• メンテナンスの手間がかからない
• 部品点数が最小限
• ほとんどはセルフロック式（逆駆動不可）

欠点は、ほとんどが効率が低いことです。この低効率のため、連続的な動力伝達用途には使用できません。また、ねじ山の摩擦が大きいため、ねじ山が急速に摩耗する可能性があります。四角ねじの場合はナットを交換する必要があり、台形ねじの場合は摩耗を補うために割りナットを使用できる場合があります。^[6]

代替案

リードスクリューによる作動の代替手段には次のものがあります。

• ボールねじとローラーねじ（対比ではなく、リードスクリューの一種として分類されることもある）
• 流体動力（油圧と空気圧）
• ギアトレイン（例：ウォームドライブ、ラックアンドピニオンドライブ）
• 電磁駆動（例：ソレノイド）
• 圧電アクチュエータ

力学

「ラップされていない」ねじ山の図

荷物の上げ下げに必要なトルクは、ねじ山を1回転「ほどく」ことで計算できます。これは、四角ねじやバットレスねじの場合に最も簡単に説明できます。ねじ山の角度は0であり、計算には影響しないからです。ほどかれたねじ山は、底辺が長く、高さがリードである直角三角形を形成します（右図）。荷物の力は下向き、法線力は三角形の斜辺に垂直、摩擦力は運動方向と反対方向（法線力に垂直、または斜辺に沿う）に作用し、仮想的な「作用」力は摩擦力の方向と反対方向に水平に作用します。この自由体図を用いて、荷物の上げ下げに必要なトルクを計算できます。^{[9] [10]} ${\displaystyle \pi d_{\text{m}}}$

${\displaystyle T_{\text{raise}}={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {l+\pi \mu d_{\text{m}}}{\pi d_{\text{m}}-\mu l}}\right)={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\tan {\left(\phi +\lambda \right)}}$

${\displaystyle T_{\text{lower}}={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {\pi \mu d_{\text{m}}-l}{\pi d_{\text{m}}+\mu l}}\right)={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\tan {\left(\phi -\lambda \right)}}$

リードスクリューの摩擦係数^[11]

ネジ材質	ナット材質
	鋼鉄	ブロンズ	真鍮	鋳鉄
スチール、ドライ	0.15～0.25	0.15～0.23	0.15～0.19	0.15～0.25
鋼、機械油	0.11～0.17	0.10～0.16	0.10～0.15	0.11～0.17
ブロンズ	0.08～0.12	0.04～0.06	-	0.06～0.09

どこ

• ${\displaystyle T}$= トルク
• ${\displaystyle F}$= ネジにかかる荷重
• ${\displaystyle d_{\text{m}}}$= 平均直径
• ${\displaystyle \mu \,}$= 摩擦係数（一般的な値は隣の表に記載されています）
• ${\displaystyle l}$= リード
• ${\displaystyle \phi \,}$=摩擦角
• ${\displaystyle \lambda \,}$= リード角

この式に基づくと、摩擦係数がリード角の接線よりも大きい場合、ねじはセルフロックすることがわかります。これと同等な比較は、摩擦角がリード角（）よりも大きい場合です。^[12]これが当てはまらない場合、ねじは逆方向に動き、つまり荷重の重さによって下がります。^[9] ${\displaystyle T_{\text{lower}}}$ ${\displaystyle \phi >\lambda }$

効率

上記のトルク方程式を使用して計算された効率は次のとおりです。^{[13] [14]}

${\displaystyle {\mbox{efficiency}}={\frac {T_{0}}{T_{\text{raise}}}}={\frac {Fl}{2\pi T_{\text{raise}}}}={\frac {\tan {\lambda }}{\tan {\left(\phi +\lambda \right)}}}}$

ねじ角度がゼロではない

台形ねじなど、ねじ山角度がゼロではないねじの場合、摩擦力が増加するため、これを補正する必要があります。以下の式はこれを考慮に入れています。^{[13] [15]}

${\displaystyle T_{\text{raise}}={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {l+\pi \mu d_{\text{m}}\sec {\alpha }}{\pi d_{\text{m}}-\mu l\sec {\alpha }}}\right)={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {\mu \sec {\alpha }+\tan {\lambda }}{1-\mu \sec {\alpha }\tan {\lambda }}}\right)}$

${\displaystyle T_{\text{lower}}={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {\pi \mu d_{\text{m}}\sec {\alpha }-l}{\pi d_{\text{m}}+\mu l\sec {\alpha }}}\right)={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {\mu \sec {\alpha }-\tan {\lambda }}{1+\mu \sec {\alpha }\tan {\lambda }}}\right)}$

ねじ角度の半分はどこですか。 ${\displaystyle \alpha \,}$

送りねじに荷重が載るカラーが付いている場合、トルク計算ではその接触面間の摩擦力も考慮する必要があります。次式では、荷重はカラーの平均直径（）に集中していると仮定しています。^[13] ${\displaystyle d_{\text{c}}}$

異なる摩擦係数におけるリード角に対する四角いリードスクリューの効率のグラフ

${\displaystyle T_{\text{c}}={\frac {F\mu _{\text{c}}d_{\text{c}}}{2}}}$

ここで、は荷重とカラー間の摩擦係数、はカラーの平均直径である。スラストベアリングを使用するカラーの場合、摩擦損失は無視できるため、上記の式は無視できる。^[16] ${\displaystyle \mu _{\text{c}}}$ ${\displaystyle d_{\text{c}}}$

ねじ角度がゼロ以外の場合の効率は次のように表される。^[17]

${\displaystyle \eta ={\frac {\cos \alpha \ -\ \mu \tan \lambda }{\cos \alpha \ +\ \mu \cot \lambda }}}$

スラストカラーの摩擦係数^[16]

素材の組み合わせ	起動 ${\displaystyle \mu _{\text{c}}}$	ランニング ${\displaystyle \mu _{\text{c}}}$
軟鋼/鋳鉄	0.17	0.12
硬化鋼/鋳鉄	0.15	0.09
軟鋼/青銅	0.10	0.08
硬化鋼/青銅	0.08	0.06

走行速度

様々なナット材質と鋼製ねじの荷重に対する安全な回転速度^[18]

ナット材質	安全荷重（psi）	安全荷重（バール）	速度（fpm）	速度（m/s）
ブロンズ	2,500～3,500 psi	170～240バール	低速
ブロンズ	1,600～2,500psi	110～170バール	10 fpm	0.05 m/s
鋳鉄	1,800～2,500 psi	120～170バール	8 fpm	0.04 m/s
ブロンズ	800～1,400psi	55～97バール	20～40 fpm	0.10～0.20 m/s
鋳鉄	600～1,000psi	41～69バール	20～40 fpm	0.10～0.20 m/s
ブロンズ	150～240psi	10～17バール	50 fpm	0.25メートル/秒

リードスクリュー（またはボールスクリュー）の運転速度は、通常、計算された臨界速度の最大80%に制限されます。臨界速度とは、スクリューの固有振動数を励起する速度です。鋼製のリードスクリューまたは鋼製ボールスクリューの場合、臨界速度はおよそ^{[19]です。}

${\displaystyle N={(4.76\times 10^{6})d_{\text{r}}C \over L^{2}}}$

どこ

• ${\displaystyle N}$= 臨界速度（RPM）
• ${\displaystyle d_{\text{r}}}$= リードスクリューの最小（ルート）直径（インチ）
• ${\displaystyle L}$= ベアリングサポート間の長さ（インチ）
• ${\displaystyle C}$= 片端が固定され、片端が自由の場合 .36
• ${\displaystyle C}$= 両端とも1.00
• ${\displaystyle C}$= 1.47 片端固定、片端単純
• ${\displaystyle C}$= 両端を固定した場合の2.23

メートル法の単位を使用する場合：^[20]

${\displaystyle N={\frac {Cd_{\text{r}}\times 10^{7}}{L^{2}}}}$

変数は上記と同じですが、値はミリメートル単位で、次のようになります。 ${\displaystyle C}$

• ${\displaystyle C}$= 固定自由支持の場合3.9 ^[21]
• ${\displaystyle C}$= 両端サポートで12.1
• ${\displaystyle C}$ = 固定支持構造の場合 18.7
• ${\displaystyle C}$= 両端を固定した場合の27.2

参照

• ボールねじ
• 微調整ネジ
• ジャックスクリュー

参考文献

1. ボールねじとリードねじ、 2008年12月16日閲覧。
2. Bhandari、202ページ。
3. Shigley、400ページ。
4. 「LEADSCREWの定義」www.merriam-webster.com . 2025年9月20日閲覧。
5. US 5499942、Pflager、William W.、「Hydrostatic nut and lead screw assemble, and method offorming said nut」、1996 年 3 月 19 日公開、Western Atlas Inc.に譲渡。 
6. Bhandari、203ページ。
7. マーティン2004、266ページ。
8. バンダリ、204ページ。
9. Shigley、402ページ。
10. バンダリ、207～208ページ。
11. シグリー、408ページ。
12. バンダリ、208ページ。
13. Shigley、403ページ。
14. バンダリ、209ページ。
15. バンダリ、211～212ページ。
16. Bhandari、213ページ。
17. Childs, Peter RN (2018年11月24日).機械設計工学ハンドブック（第2版）. オックスフォード, イギリス. p. 803. ISBN 978-0-08-102368-6. OCLC  1076269063.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
18. シグリー、407ページ。
19. Nook Industries, Inc. 「Acme & lead screw assemble glossary and technical data」 2008年7月5日アーカイブ、Wayback Machine
20. Moritz, Frederick GF (2014).電気機械モーションシステム：設計とシミュレーション. イギリス、チチェスター: Wiley. p. 121. ISBN 978-1-118-35967-9. OCLC  873995457。
21. 「Critical Speed - August Steinmeyer GmbH & Co. KG」. www.steinmeyer.com . 2020年8月26日閲覧。

参考文献

• バンダリ、VB（2007）、機械要素の設計、タタ・マグロウヒル、ISBN 978-0-07-061141-2。
• マーティン、ジョー（2004）、テーブルトップマシニング：ミニチュア工作機械による小型部品製造の基本的アプローチ、ビスタ、カリフォルニア州、米国：Sherline、Inc.、ISBN 978-0-9665433-0-81998年に初版が発行され、印刷ごとに内容が更新され、「改訂版」のような形態をとっています。現在第4刷です。
• Shigley, Joseph E.; Mischke, Charles R.; Budynas, Richard Gordon (2003)、『機械工学設計』（第7版）、McGraw Hill、ISBN 978-0-07-252036-1。

外部リンク

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