ねじ

概要

主として別個の部材の締結に用いられる。また、回転運動と直線運動との変換などにも用いられる。
ボルトのように外表面にねじ山がある「おねじ」（雄ねじとも書く）とナットのように内表面にねじ山のある「めねじ」（雌ねじとも書く）がある。多くは、おねじとめねじの組み合わせで使用される。なお、後者がなく木材や薄い金属などの部材に穴を開けながら締結するもので、タッピングネジ、木ねじ（もくねじ）と呼ばれるものがある。
これらの他にも、ぜんまいやぜんまいを巻く装置もねじと呼ばれる。言葉の比喩として「ねじを巻く」とは、ぜんまいに動力を与えるところから、誰かを、何かを『追い込む』の意味として使われる。
長方形の一対角を直線で結び、この長方形を巻いて円筒とした時、対角線は「つる巻き線 (helix)」と呼ばれる三次元曲線を描く。ねじは、このつる巻き線に沿って溝を形成したものである。
今日ではねじはあらゆる用途で大量に使用されており、その多くはボルトやナット、木ねじなどによる締結用途である。また、ねじは各種の機械の運動や位置決めなどでも欠かせないものとなっている。このため「産業の塩」と呼ばれることもある。ねじメーカーの日東精工は本体直径0.6ミリメートルというねじも開発しており、これを世界最小としている。

名称

ねじは、漢字で「螺子」（ねじ、らし）あるいは「捻子」「捩子」「根子」と書かれることがあり、JISでは「ねじ」が正式な呼称になっている。また「ねじ」は動詞「捩づ」（ねづ）の連用形であり、「ねじ」の他に「ねぢ」と表記されることがある。

ビス

ビスはぶどうの蔓を意味するラテン語vitisがフランス語でねじを表すvisとなり、英語のviseになった。特に「すりわり」や「十字穴」を持つおねじ部品を指すことが多く「小ねじ」とほぼ同義である。

ねじの起源と黎明

ねじの起源は明確にはなっていない。
現代の歴史家によれば、アルキタスが発明したとする説と、ペルガのアポロニウスが発明したとする説がある。ギリシャの学者エウスタシウスはアルキメデスが発明したと主張した。実際、円筒状の筒の中に大きなねじを入れた揚水用のアルキメディアン・スクリューはアルキメデスの発明といわれ、今まで知られている限り、最初に螺旋構造を機械に使用した例だとされている。水ねじは古代、灌漑や船底の水の汲み上げ、鉱山に溜まった水を排水することなどに使われ、労力に比べ極めて効率的に水を揚水することができた。当時は他の揚水手法に比べて効率性が高く、現代でもねじ式コンベアーとして使われている。シケリアのディオドロスはこの発明がアルキメデスがアレキサンドリアで学んでいた青年時代に行われたと記している。ねじ構造はアルキメデスのような天才機械学者によってのみ思い描くことができたとする者もおり、実際「ねじは中国で独自に生み出されなかった、唯一の重要な機械装置である」とも言われる。
ギリシア時代には既に機械として使われていた事が知られている。例えば西洋では、木の棒で作られたねじを利用してオリーブやブドウなどの果汁を搾るねじ圧縮機（スクリュープレス）として使われていた。

ルネッサンス期と産業革命

ルネッサンス期にあたる1500年頃には、レオナルド・ダ・ビンチによってねじ部品を使った様々な装置が製作され、締結用のねじ部品の利用が広がった。また、実際に作られたかどうかは不明ながら、ねじ切り盤やタップ、ダイスのスケッチも見受けられた。
16世紀半ばになると、ねじは様々な場面で使われるようになった。腕時計用の小さなねじや、銃に使う大きなねじ、甲冑用のボルトなどにねじが使われた。当時のリヨン近郊のフォレの町は、ねじ作りを専門にした町で、イングランドのミッドランド地方でも家内工業としてねじが作られた。ねじの作成には原始的な旋盤が使われていたが、1760年ミッドランド地方のジョブとウイリアムスのワイアット兄弟は手で刃を動かしてねじを切る代わりに、カッターで自動的にねじを切れるようにして、数分掛かっていた作業をわずか6,7秒で作ることができるようにするという画期的なねじ製造法を開発した。ワイアット兄弟は「鉄製ねじを効率的に作る方法」で特許を取り世界初のねじ工場を作ったが、事業は失敗に終わり、工場の新しい持ち主が事業化に成功し、その後蒸気機関の活用など各種の改善を経て、船や家具、自動車、高級家具などの需要の高まりとともに大量のねじが作られることになる。
18世紀の終わりまで、旋盤で物を作るのはヨーロッパ貴族の趣味の1つとなっていた。1762年ヨークシャで生まれロンドンで精密機械を作っていたジェシー・ラムスデンは当時天体観測用や航海用として使われていた精密機器の精度を上げるために、手作りで作る代わりに、より精密な旋盤を作ることによって達成するプロジェクトを始めた。ラムスデンは木製旋盤の代わりに金属製の旋盤を作り、カッターの先端にダイアモンドを使用し、11年掛けて旋盤を使って旋盤の部品を作り、それを使いさらに精密な旋盤を作り上げ旋盤を次第に精密にしていき、最後には千分の4インチという精度のねじを作り上げた。彼が作った高精度のねじは顕微鏡や天文学といった科学分野で活用された。船の経度と緯度を300mの誤差で割り出せる航海用観測機器ができ、キャプテン・クックなどの航海上の偉業が達成されることになる。

モーズリーの功績と影響

量産方法を追求したワイアット兄弟と、精密さを追求したラムスデンは偶然にも同じ時期に活躍したが、両者の業績を統合したのが、英国のヘンリー・モーズリー（Henry Maudslay 1771-1831）であった。1800年に彼は、それまでの旋盤をさらに改良し鉄鋼製のねじ切り用旋盤を開発した。モーズリーはフランス人マーク・イザムバード・ブルネルと組みポーツマスに世界初の完全に自動化された工場を作った。この工場は10人の工員が44台の機械を使い、年間16万個の滑車を作ることができたという。1825年には、ブルネルはテムズ川の下をくぐる365mのトンネル工事を受注した。モーズリーはブルネルが発明した矩形のトンネル用鋳鉄製シールドを製造してトンネルを完成させた。これがシールド工法の始まりである。モーズリーは他に印刷機、プレス機、貨幣鋳造の特殊機械、ボイラー板穴開け機などを作ったが、最も有名なのは蒸気機関であった。ブルネルの息子が初の大西洋横断蒸気船を作った際に、モーズリーの息子もその船に搭載する、当時世界最大の750馬力の蒸気機関を作った。これらの成功は、モーズリーが作り上げた極めて精度が高い基準ねじを用いた、規模が大きくなっても精密に仕事ができる旋盤によるものだった。モーズリーは1万分の1インチの精度のマイクロメーターを作っている。このマイクロメーターはモーズリーの工場で寸法を測る際の至高の基準とされ「大法官」と言われていて、弟子の製品の精度チェックに使われた。また、かつてはナットとボルトは一対で作られ、それらが混じってしまうと合うものを探すことは大変だったが、モーズリーの工場でねじの規格化が行われた。
モーズリーの弟子であったジョセフ・ホイットワース（または、ウイットウォース）（Joseph Baronet Whitworth 1803-1887）がねじのさらなる大量生産技術を確立した。彼は顧客から製作を求められる多様なねじの形状を整理した上で、1841年には山の角度を55度とするなど独自の規格を決めて公表した。彼のおかげでモーズリーのような天才的職人でなくても、良質な機械で同程度の精度の機械を作り上げることができるようになった。また、ホイットワースのモーズリーの工場での規格化にヒントを得てねじの規格化を行った。この「ウィットウォースねじ」規格が広がって英国の国家規格BSにまで発展普及し、今日のねじ規格の基礎となった。
西洋での産業革命期には、締結用のねじが大量に生産されるようになった。産業革命によって金属製のねじが蒸気機関や紡績機械、各種工作機械に欠かせないようになっただけでなく、そもそも精密に物の長さや角度を測ったり物を加工するには、ねじ構造が必須であり、産業革命もこれらの技術がなければ成り立たなかった。

日本へのねじの伝来

日本には、1543年に種子島に漂着した時にポルトガル人の所有していた火縄銃とともにねじが伝来したとされ、それ以前にねじが使われていた証拠は発見されていない。このとき、藩命で銃を模造しようとした刀鍛冶八板金兵衛は、自分の娘若狭をポルトガル人に嫁がせてまで、ねじの作成法を習得したとする伝説さえ残っている。種子島領主が2挺の火縄銃を購入し、この銃の銃身の後ろ側を塞ぐ尾栓に使われていたおねじとめねじが日本で初めて登場したねじとされており、やがて火縄銃を模した時に作られたねじが日本でつくられた最初のものだと定説になっている。
日本を含めて東洋では、ねじ構造自体を独自に発見・発明することができなかった。村松貞次郎は『無ねじ文化史』で江戸の工業製品にはねじの使用例はなく、江戸幕府の江戸時代とは「ねじの無い文化」の時代であるとした。結局ねじ製作のための、優れた工作機械や工具に恵まれず、ねじを作るという事が「大変困難な仕事である」ということがその理由である。和時計も特殊なねじがわずかにあるだけで、ほとんどが楔で作られている。ねじがほとんど無いため、日本ではドアが発達しなかった。火縄銃にはねじが必須であったが、江戸時代では火縄銃のほとんどは新たに作るのではなく、以前の火縄銃の銃口を広げたりして作り替えていたという。
日本では、1857年にモーズリー由来でホイットワースが改良したねじ切り用旋盤が輸入された。1860年、遣米使節として渡米した小栗忠順はワシントン海軍工廠を見学後、西洋文明の原動力は「精密なねじを量産する能力である」と考え、1本のねじを持ち帰ったという。

製造方法と標準化の発展

1850年代の欧州では、それまでのねじ切りという切削加工法に変わって、冷間鍛造法による加工が始まり、互換性に優れたねじが大量に作られるようになった。
ねじの標準化の動きは、工業製品の大量生産を得意するアメリカ合衆国でも進められ、ウィリアム・セラーズがウィットウォースねじに改良を加え、山の角度60度の「インチ系ねじ」を発表した。これは1868年に「セラーズねじ」として米国内標準規格となり、米国政府関係事業に全面的に採用され、「USねじ」「アメリカねじ」とも呼ばれるようになった。このUSねじ規格は、第2次世界大戦中に米国、英国、カナダの3ヶ国が武器に使用するための互換性のあるねじとして生み出された「ユニファイねじ」規格へと発展した。こういった北米圏での「インチ系ねじ」とは別に、1894年にまずフランスで制定され、1898年にはフランス、スイス、ドイツが採用した、山の角度60度の「メートル系ねじ」が「SIねじ」規格として欧州域で普及し、その後も広く使われた。このSIねじが21世紀現在、世界中で最も普及している「メートルねじ」の原形になっている。
メートル系やインチ系といった違いの他にも、各国ごとにそれぞれ異なるねじ規格が存在していたため、国際間の物流の拡大につれて不便が生じ始めた。やがて、世界的なねじの互換性の要求が高くなり、国際間でのねじを統一しようとする動きが起こった。
第二次世界大戦期の中断を経て、1947年に国際標準化機構（ISO）が設立され、ねじ規格でも国際的な標準化が進められた結果、「ISOメートルねじ」規格が制定された。
加工法では、1955年頃から転造法による生産が本格化した。
日本でも、日本産業規格（JIS）によってねじの標準規格が作られている。1975年からは毎年の6月1日を「ねじの日」としている。ISOによるねじの国際規格は世界の統一規格のために定められたが、北米圏や豪州では使用されていない。日本国内ではかつてはインチねじが主流を占めていたが、今では国際規格であるISO規格に準じたJIS規格によって寸法が統一され、インチねじが土木建築関係で少し使われる程度になっている。日本国内での輸入製品などの修理には、ユニファイやインチといった海外規格のねじが必要になる。

物理的原理

ねじの物理的な働きは、斜面と摩擦によって実現されている。以下では、ねじの物理的な働きを単純化して、斜面上の物体を押して移動させる例に例えて示す。

ねじ部品

ねじ部品とは、締結に使用されるねじの総称である。また、小ねじの外径が8mm以下のねじは一般に「小ねじ」と呼ばれる。JISでは頭部の直径がねじ部外径の約2倍で、原則として"ねじ回し"ですり割りや十字穴にトルクを加えて締め付けるねじ部品が小ねじであるとされる。ナットと一組で使われることもあるため、小さめのボルトとの区別は特に存在しない。

各部の名称

おねじ部品において、ねじの先端を「先」と言い、ねじ部分とそれに続く（多くはねじと同径かそれ以下の）円筒部を合わせて「軸」と言う。軸の終端に設けられたより太い部分は「頭」と呼ばれ、頭と軸の境目を「首」という。
おねじ部品の頭や、めねじ部品において、締め付けた際に荷重を受ける面を「座面」と言い、おねじ部品においては、ねじ先から座面までの部分を総じて「首下」と呼ぶ。

転造法

転造法は塑性加工属する鍛造法であり、材料を回転させながら硬質の金型に押し付けることで形を形成するものである。加工時間が短く材料の無駄も生じないが、高い加工精度は得られない。塑性変形に伴う加工硬化によって製品は硬くなる。
転造工程では、塑性変形によって谷が押し込まれる分だけ山が盛り上げられることでねじ山部分が形成される。このため、切削クズのような無駄となる材料は転造では生じない。ただし、加工精度を高めるために転造後に切削・研削を行うことはある。転造を行う工作機械は転造盤と呼ばれる。平ダイス式転造盤、丸ダイス式転造盤、プラネタリ式転造盤がある。おねじの場合には、ねじ山の形状を刻んだダイスで中間製品であるブランクを強力に挟み込み、間で回転させてねじ山を生成する。一般には、「ねじ転造」はこのおねじの転造加工を指す。めねじの転造は、切削タップと同様にねじ山の形状を刻んだ棒を中間製品であるフォーマーナットの穴に捻じ込んでねじ山を作るが、転造用のタップは切削用のものと異なりねじ溝を刻むための刃を持たない。転造では加工表面は変形により硬化し、またダイスとの接触で磨かれる。
ナットの少量の加工では、ドリルなどを備えたボール盤とほとんど同様の姿で、加工のための転造タップを備えた縦型ねじ立て盤が主に使われる。
ボルトの鍛造による量産加工では、ボルトフォーマーによって線材から太めの外形を備えた「ブランク」と呼ばれる中間製品を作り、平ダイス、丸ダイス、扇ダイスなどでねじ山を転造によって形成する。
ナットの鍛造による量産加工では、ナットフォーマーによって線材から穴の開いた「フォーマーナット」と呼ばれる中間製品を作り、自動ナットねじ立て盤によって内側のねじを加工する。自動ナットねじ立て盤のベントシャンクタップは、めねじ加工済みのナットを多数数珠繋ぎに周囲に通過させるという巧妙な工夫によって加工機本体とは直接接続されないまま回転力を受けることができる。

切削・研削法

切削・研削を使った方法は、バイトのような超硬質の刃先で材料を削り落として行くことで形を形成するものである。高い精度での加工が行えるが加工に時間がかかり材料の無駄も生じるため、生産量としては少数派である。
切削法ではねじの溝を掘り下げることでねじ山を作る。このため、ブランクのねじ部はねじの山の径よりも大きい必要がある。
切削加工では手動や旋盤でのねじ切りダイスや切削タップ、旋盤、フライス盤やNC工作機のバイトなどによって行われ、専用のねじ切り盤もある。ねじ切りダイスはおねじ、切削タップはめねじの製作にそれぞれ用いられる。
旋盤によるねじ切りは、ねじ溝の形状を有するバイトを用い、主軸の回転に対してねじのリードに等しい送りを軸と平行に与えてねじ溝を生成するもので、少量の生産に用いられる。おねじでもめねじでもバイトが変わり工作物に当てられる位置が変わる他は同様である。近代的なねじ製造法として最初に確立したもので、一般には1本のねじ溝を複数回に分けて切削する必要がある事から大量生産には向かないが、ねじ製造の基本的な工作法である。
ねじ切り盤と呼ばれるねじ専用の切削加工機は、旋盤で行われるタップやダイスによるねじ切りに似るが、専用機では複数の刃が一列に刻まれたチェーザーと呼ばれる刃物を複数同時に使って多数のねじ溝を一度に切削する事により短時間でねじ切りできる。
少量のナットのめねじの加工では、ドリル同様に使用でき切り屑が出る切削タップが主に使われる。まずドリルで下穴を開けてからタップで切削加工を行ってゆくが手間がかかる。小型ナット用の基本的な切削タップでは、加工後に逆転させてナットをタップから抜かなければならず、生産性がさらに悪くなる。大径のナット用の切削タップでは、チェーザーという刃が軸に植え込まれた「植刃タップ」と呼ばれるものがあり、また、加工後に逆転する必要がないようにチェーザーが引き込んで加工済みのナットが抜けるものもある。

力学的強度

締結に使われるおねじ（この節内の以下では単に「ねじ」と表記する）は、引っ張り荷重、ねじり荷重、せん断荷重という3種類の外力に耐える必要がある。それぞれの荷重から、ねじに必要な直径が求められる。

ねじの締め方

ねじは回転させることで締め付けて固定したり緩めて外す部品であり、その締緩作業を行うための工具としてドライバーが用いられる（ナットとボルトの締緩作業にはレンチが用いられる）。ねじを締める場合に必要以上の力を加えると接合される部品やねじそのものを破損してしまう（いわゆる「ねじが馬鹿になった」状態）ことになるため、重要な部品などではトルクドライバー（トルクレンチ）などが用いられる。

ねじの緩め方

小ねじやボルト、ナットは古くなったり、不適切な方法で緩めようとしてねじの頭を潰したりして外れなくなる時がある。
オイルスプレーを大量に吹きつけ十分に時間を置いて浸透させてから回す方法もあるが、固着したねじは多く場合密着していてオイル類は浸透しない場合も多々ある。
この場合、バーナーでナットあるいはボルトを熱すると金属が膨張するので、比較的緩められるケースが多く、バイク・自動車整備でもよく行われている。スプレー式ガスバーナーの説明書にも「固着したねじを緩める」などの利用法が書いてある。しかしこれはある程度太いねじの方法であり、細いねじで行うと熱による強度低下でねじ自体が折れる場合が多い。
一般にねじは時間の経過と共に熱や錆などで固着することが多く、無理にこじってねじ頭を潰してしまうことがある。頭をプライヤのようなや一般工具や潰れたねじ専用の工具で回すことも多くの場合は可能である。接着剤で頭に何か物を貼り付けて回す方法もある。ねじ頭が取れてしまった場合や虫ねじのように最初からねじ頭のないねじで穴が潰れた場合には、ドリルで残ったねじに穴を開けて棒をねじ込み回すボルトツイスタと呼ばれる専用工具もある。植え込みボルトが外せなくなった場合にはスタッドプラーと呼ばれる専用工具があり、ねじ部を掴むものとねじ部を避けてねじのない軸部を掴むものがある。ナットが回らなくなった場合には、ナット側面に爪状の突起を食い込ませて割りナット内径を広げて回したり、2箇所からナットを割り分割し除去する、ナットスプリッタと呼ばれる専用工具がある(ナットを破壊する事になるので、ナットは交換となる)。また、最悪の場合にはボルトそのものがある場所を強力なドリルでめねじごと取り除いて大きな穴を開け、必要ならその跡に改めて大き目の径のめねじを切って新たに大きい径のボルトを使用する方法もある。鋼鉄など金属の場合には大きくなった穴を溶接技術で埋めることも可能であり、木材の場合には接着剤などで穴を塞いでから新たに穴を穿つことも行われる。

ぜんまいでのねじ

ぜんまいばねを巻き上げる仕掛けとその取手もねじと呼ばれる。ねじ部品ではその溝の立体配置がヘリコイド（helicoid）を基本としているのに対して、ぜんまいばねでは多くがスパイラル（spiral）を基本としている。日本語ではいずれも「螺旋」と呼ばれるため、若干のあいまいさがある。