圧縮ばねとは｜固定方法・計算式とJIS規格を解説

機械装置の中で、押し返す力を生み出す最も身近な部品は何でしょうか。

それが「圧縮ばね」です。

ボールペンのノック機構から自動車のサスペンション、精密金型のストリッパーまで、ありとあらゆる機械に圧縮ばねが組み込まれています。

しかし、いざ設計で使おうとすると「ばね定数の計算式は？」「固定方法はどうする？」「JIS規格のどこを見ればいい？」と疑問が次々に出てきます。

特に、座屈やヘタリといった圧縮ばね特有のトラブルを知らずに設計すると、量産後に重大な不具合を招くことがあります。

本記事では、圧縮ばねの基本構造から計算式、JIS規格、固定方法、そして設計時に押さえるべきトラブル対策までを体系的に解説します。

1. 圧縮ばねとは
2. 圧縮ばねの種類と用途
3. 圧縮ばねの材料と選定基準
4. 圧縮ばねのJIS規格
5. 圧縮ばねの計算式
6. 圧縮ばねの座屈と縦横比
7. 圧縮ばねの固定方法
8. 圧縮ばねの設計手順
9. 圧縮ばねのトラブルと対策
10. まとめ

1. 圧縮ばねとは

圧縮ばね（圧縮コイルばね）とは、軸方向に圧縮荷重を受けて弾性変形し、荷重を取り除くと元の長さに戻るコイルばねです。

英語では Compression Spring と呼ばれ、ばね部品の中で最も広く使われている種類にあたります。

JIS B 2704-1ではこの圧縮コイルばねを「軸方向の圧縮荷重を受けるコイルばね」と定義しており、引張コイルばね・ねじりコイルばねと並ぶ3大コイルばねのひとつです。

圧縮ばねの基本構造は、1本の線材（丸線が主流）をらせん状に巻いたものです。
両端には「座巻き」と呼ばれる密着巻き部分があり、ここが相手部品との接触面になります。

座巻き部分は通常、端面を平らに研削して安定した着座を確保します。

この端面の研削精度がばねの直角度（荷重の直進性）に直結するため、精密用途では特に重要な加工工程です。

圧縮ばねの主な役割は、次の3つに集約されます。

反力の発生：押し縮めた分だけ反力を返す（クランプ力・復帰力など）
エネルギーの蓄積と放出：変形エネルギーを蓄え、解放時に仕事をする
衝撃・振動の吸収：外部からの衝撃を弾性変形で緩和する

圧縮ばねと対をなす部品が「引張ばね」です。
引張ばねは軸方向に引っ張る荷重を受け、両端にフックを備えている点が異なります。

一方、圧縮ばねはフックが不要で、端部の形状が自由に設計できるため、機械装置への組み込みが容易です。

また、引張ばねは初張力（コイルが密着した状態で発生する力）を持つ場合がありますが、圧縮ばねにはこのような初張力は存在しません。

圧縮ばねの荷重はたわみ量にのみ比例するため、荷重制御が直感的でわかりやすいのも利点です。

圧縮ばねの「自由長」とは、荷重がかかっていない自然状態での全長を指します。
使用時には自由長から「たわみ量」の分だけ短くなり、その際に発生する力が「ばね荷重」です。

ばね荷重 F とたわみ量 δ の関係は、ばね定数 k を用いて次の式で表されます。

$F = k \cdot \delta$

このシンプルな比例関係（フックの法則）こそが、圧縮ばね設計の出発点です。

圧縮ばねは、私たちの身の回りから産業用途まで驚くほど幅広い分野で活躍しています。

日常生活ではボールペンのノック機構、洗濯ばさみ、自転車のサドルサスペンションなどが代表例です。

産業分野では、プレス金型のストリッパーばね、射出成形機のエジェクタばね、自動車のサスペンションスプリング、鉄道車両の台車ばねなど、高い信頼性が求められる用途に組み込まれています。

近年では電気自動車（EV）のバッテリーモジュールにおける圧縮ばねの活用や、精密半導体製造装置のウエハチャック用ばねなど、新しい応用分野も広がっています。

こうした先端分野では、ばねの設計精度がそのまま製品の性能や歩留まりに直結するため、本記事で解説する基礎知識の重要性はますます高まっています。

2. 圧縮ばねの種類と用途

圧縮ばねはコイルの巻き方によっていくつかの形状に分類されます。
それぞれに得意な用途があり、設計の目的に応じて使い分けることが重要です。

円筒形ばね（ストレート型）

最も一般的な形状で、コイル径が全長にわたって一定です。

ばね定数が一定のため荷重計算がしやすく、標準品（規格品）のラインナップも豊富です。

ボールペンのノック機構、電子部品の接点ばね、金型のストリッパーばねなど、幅広い用途に採用されています。

円錐形ばね（テーパー型）

巻き始めから巻き終わりにかけてコイル径が徐々に変化する形状です。

圧縮すると小径側が大径側の内側に入り込むため、密着高さ（固体長）を極めて小さくできるのが最大の特長です。

また、ばね定数がたわみに応じて変化する非線形特性を持っています。

自動車のサスペンション補助や、狭い空間に大きなたわみが求められる用途で使われます。

樽型ばね

中央部のコイル径が最も大きく、両端に向かって径が小さくなる形状です。

ばね全体の重心が安定しているため、座屈（横倒れ）に強い特性を持っています。

高速で動作する機構や、ガイドなしでばねを使用したい場面に適しています。

鼓型ばね

樽型とは逆に、中央部のコイル径が最も小さく、両端が大きくなる形状です。

特殊な荷重特性が必要な場合や、特定の振動周波数を避けたい場合に用いられます。

使用頻度は比較的低いですが、防振マウントなどで採用される例があります。

つるまきばね（密巻き起点型）

密巻き部分と粗巻き部分を組み合わせた構造で、荷重の初期段階では柔らかく、途中から急激に硬くなる特性を持ちます。

エレベータの非常ブレーキ機構や、過荷重防止用のリリーフ機構など、2段階の荷重特性が必要な用途に使われます。

不等ピッチばね

巻きピッチ（コイル間の間隔）がばねの位置によって異なる形状です。

たわみが小さい段階ではピッチの狭い部分が先に密着し、たわみが進むにつれて有効巻数が減少します。

結果として、ばね定数がたわみに応じて段階的に増加する非線形特性が得られます。

自動車のサスペンションスプリングや衝撃吸収装置で広く使われる形状です。

形状選択の目安

圧縮ばねの形状選択は、取り付けスペース、荷重特性、コストのバランスで決まります。

特別な理由がない限り、円筒形（ストレート型）を第一候補とするのが設計のセオリーです。

円筒形は規格品が豊富で入手性がよく、ばね定数の計算も容易なため、設計・調達の両面で効率的です。

円筒形では要求仕様を満たせない場合に限り、円錐形や不等ピッチなどの特殊形状を検討します。

例えば「密着高さをできるだけ小さくしたい」なら円錐形、「ガイドなしで座屈を防ぎたい」なら樽型というように、目的に応じて形状を絞り込むのが効率的です。

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3. 圧縮ばねの材料と選定基準

圧縮ばねの性能は材料選択によって大きく左右されます。
用途に応じた適切な材料を選ぶことが、設計の第一歩です。

ばね用鋼線（炭素鋼系）

硬鋼線（SWC）は最も安価なばね材料で、日用品や汎用機器に使用されます。

ばね用のSWCはJIS G 3521に規定されており、線径0.08〜12.0 mmの範囲で供給されています。

ピアノ線（SWP）は引張強さが高く、疲労強度にも優れたばね鋼線です。
JIS G 3522に規定されており、SWP-AとSWP-Bの2種類があります。

SWP-Bの方が引張強さが高く、高荷重・高疲労の用途に適しています。

精密機器や自動車部品など、信頼性が求められる用途で広く採用されています。

オイルテンパー線（SWO）

焼入れ焼戻し処理を施したばね鋼線で、JIS G 3560に規定されています。

SWO-V（バナジウム添加）は特に疲労強度に優れ、自動車のエンジンバルブスプリングや高速往復運動する機構で使用されます。

繰返し数が数百万回〜数千万回に達する高サイクル疲労環境で真価を発揮します。

ステンレス鋼線（SUS）

SUS304-WPBは最も一般的なステンレスばね鋼線です。
耐食性に優れ、食品機械・医療機器・屋外装置など腐食環境で使用されます。

SUS316はモリブデン添加により耐海水性が向上しており、海洋環境や化学プラントに適しています。

ただし、ステンレス鋼の横弾性係数は炭素鋼より低い（約68 GPa vs 約78 GPa）ため、同じ寸法でもばね定数が低くなる点に注意が必要です。

炭素鋼からステンレス鋼に材料を変更する場合、同じばね定数を維持するには線径を太くするか、コイル径を小さくする必要があります。

材料変更時は必ずばね定数を再計算し、仕様を満たしているか検証してください。

特殊材料

高温環境（300℃以上）では、インコネル X-750（ニッケル基超合金）が使われます。

チタン合金（Ti-6Al-4V）は軽量・高強度で、航空宇宙用ばねに採用されています。

銅合金系（リン青銅・ベリリウム銅）は導電性が必要な接点ばねに適しています。

ただし、ベリリウム銅は加工時に有害な粉塵が発生するため、取り扱いには十分な安全管理が必要です。

最近では、環境規制の観点からベリリウム銅に代わるチタン銅合金の採用も増えつつあります。

材料選定では、使用環境と要求性能を見極めた上で、次の4つの指標を総合的に判断します。

コストだけで材料を選ぶと、使用環境に適さないばねを設計してしまい、量産後に腐食やヘタリで大きな損失を被ることがあります。

引張強さ σ_B：ばねが耐えられる最大応力の目安
横弾性係数 G：ばね定数に直結する材料定数
耐食性：使用環境（屋内・屋外・腐食性雰囲気）
耐熱性：使用温度範囲でのヘタリ特性

材料記号	JIS規格	横弾性係数 G [GPa]	主な用途
SWC	G 3521	78	汎用・日用品
SWP-A/B	G 3522	78	精密機器・自動車
SWO-V	G 3560	78	エンジンバルブ・高サイクル
SUS304-WPB	G 4314	68	食品・医療・耐食
SUS316	G 4314	68	海洋・化学プラント

表面処理と後処理

圧縮ばねの耐久性を向上させるために、成形後にさまざまな後処理が施されます。

最も重要な後処理のひとつが低温焼なまし（テンパー処理）です。
コイリング加工で発生した残留応力を除去し、ヘタリ特性を安定させる目的で行われます。

炭素鋼線の場合、通常250〜350℃で20〜30分程度の処理が標準的です。

ショットピーニングは、ばね表面に微小な鋼球を高速で投射して圧縮残留応力を付与する処理です。

疲労強度を30〜50%向上させる効果があり、高サイクル疲労環境で使用するばねには必須の工程といえます。

腐食防止のための表面処理としては、亜鉛めっき、電着塗装、リン酸マンガン被膜などが一般的です。

めっき処理後は水素脆性を防ぐためにベーキング処理（190〜220℃、4時間以上）を行うことが重要です。

水素脆性対策を怠ると、使用中に突然の脆性破壊が発生する危険性があります。

4. 圧縮ばねのJIS規格

圧縮ばねの設計・検査に関わるJIS規格は複数存在します。
主要な規格体系を把握しておくことで、図面記載や品質基準の設定がスムーズになります。

JIS B 2704（コイルばねの基本計算方法）

圧縮ばね設計の中核となるJIS規格です。
2018年の改訂で2部構成になりました。

JIS B 2704-1（基本計算方法）は、円形断面の金属材料を用いた圧縮・引張・ねじりコイルばねの計算式を規定しています。

ばね定数、応力、たわみ量、固有振動数などの計算式が網羅されています。

JIS B 2704-2（仕様の表し方）は、図面に記載すべき項目（自由長、ばね定数、荷重、端部形状など）を規定しています。

JIS B 2706（コイルばねの用語）

ばね設計に使用する用語の定義を規定した規格です。

「自由長」「有効巻数」「座巻き」「密着高さ」「ばね指数」など、設計図面や仕様書で使う用語の正確な意味を確認できます。

JIS B 2711（ばねの疲れ試験方法）

ばねの疲労寿命を評価する試験方法を規定しています。

繰返し荷重を受ける圧縮ばねの設計では、この規格に基づく疲労試験データが設計根拠になります。

JSMA規格（日本ばね工業会規格）

JIS規格を補完する業界規格として、日本ばね工業会（JSMA）が制定する規格があります。

実務では、JSMA規格の寸法公差表や許容応力表が設計の実用的な指針として広く使われています。

JSMA規格では、ばね材料ごとの許容ねじり応力が応力の種類（静荷重・繰返し荷重）や線径に応じて細かく規定されています。

設計者はJIS B 2704-1の計算式とJSMA規格の許容応力表を組み合わせることで、安全で合理的なばね設計が可能になります。

圧縮ばねの図面には、最低限以下の項目を記載するのが一般的です。

材料記号と線径 d
コイル外径 D₁ またはコイル内径 D₂
自由長 L₀
有効巻数 N_a と総巻数 N_t
ばね定数 k または指定荷重時の長さ
端部形状（座面研削の有無）
巻き方向（右巻き／左巻き）

寸法公差と等級

JIS B 2704-2では、圧縮ばねの寸法公差について1級・2級・3級の3つの等級を定めています。

1級は最も公差が厳しく、精密機器や計測器用のばねに適用されます。
2級は一般的な産業用途で最も多く指定される等級です。
3級は公差が緩く、汎用品や日用品に適用されます。

公差の対象となる主な寸法項目は、自由長 L₀、コイル外径 D₁、ばね定数 k（または指定荷重時のたわみ量）です。

例えば、自由長50 mmの圧縮ばねの場合、2級公差では自由長の許容差は±1.0 mm程度になります。

実務では、ばね定数の公差は±10〜15%程度が一般的です。

これはばね鋼の横弾性係数 G のばらつき（±2〜3%）に加え、線径や巻径の製造ばらつきが重畳するためです。

高い荷重精度が求められる場合は、全数検査による選別や、ばねの端部研削量で荷重を微調整する方法が取られます。

5. 圧縮ばねの計算式

圧縮ばねの設計計算は、JIS B 2704-1に準拠した基本式に基づきます。
ここでは機械設計で頻繁に使う計算式を体系的に整理します。

ばね定数の計算

ばね定数 k は、単位たわみあたりの荷重を表す値です。
丸線圧縮コイルばねのばね定数は、次の式で計算します。

$k = \dfrac{G \cdot d^4}{8 \cdot N_a \cdot D^3}$

各記号の意味は次の通りです。

G：横弾性係数（せん断弾性係数）[MPa]
d：線径（素線径）[mm]
N_a：有効巻数
D：コイル平均径（= コイル外径 D₁ − 線径 d）[mm]

この式から、線径 d の4乗がばね定数に大きく影響することがわかります。

線径が1割太くなるとばね定数は約1.46倍に跳ね上がるため、線径の管理精度が設計品質を左右します。

同様に、コイル平均径 D の3乗が分母に含まれるため、コイル径のわずかな変動もばね定数に大きく影響します。

ばねメーカーに発注する際は、線径とコイル径の公差を明確に指定し、ばね定数の許容範囲を合わせて記載することが設計者の責務です。

ばね指数

ばね指数 c は、コイルの巻き具合を表す無次元量です。

$c = \dfrac{D}{d}$

JIS B 2704-1では、冷間成形の場合に c = 3〜22 の範囲を推奨しています。
実務では c = 4〜15 の範囲に収めるのが一般的です。

ばね指数が小さすぎるとコイリング（巻き加工）が困難になり、大きすぎるとコイル形状が不安定になります。

ねじり修正係数（ワール修正係数）

コイルばねの線材は単純なせん断応力だけでなく、曲率による応力集中を受けます。
この効果を補正するのがワール修正係数 K です。

$K = \dfrac{4c - 1}{4c - 4} + \dfrac{0.615}{c}$

ばね指数 c が小さい（太い線を小さく巻いた）ばねほど K が大きくなり、内側に応力が集中します。

静荷重のみの場合は簡略化した修正係数を使うこともありますが、疲労設計では必ずワール修正係数を適用します。

静荷重用の簡易修正係数として、曲率のみを考慮した次の式が使われることもあります。

$K_s = 1 + \dfrac{0.5}{c}$

ただし、安全側の設計を心がけるならば、静荷重であってもワール修正係数を使うことが望ましいです。

ねじり応力の計算

圧縮ばねの線材に発生するせん断応力（ねじり応力） τ は、次の式で求めます。

$\tau = K \cdot \dfrac{8 \cdot F \cdot D}{\pi \cdot d^3}$

ここで F は作用荷重 [N]、D はコイル平均径 [mm]、d は線径 [mm] です。

この応力が材料の許容ねじり応力以下に収まるように設計します。

たわみ量の計算

ばね定数 k が求まれば、目標荷重 F に対するたわみ量 δ は次の通りです。

$\delta = \dfrac{F}{k} = \dfrac{8 \cdot F \cdot N_a \cdot D^3}{G \cdot d^4}$

使用時の圧縮後の長さ（作動長 L₁）は次のように求められます。

$L_1 = L_0 - \delta$

設計時は、作動長が密着高さ H_s を下回らないよう余裕を持たせます。

一般には、密着時の隙間を最大たわみの15〜20%確保することが推奨されます。

密着高さの計算

密着高さ H_s（ソリッドハイト）とは、ばねを完全に圧縮して全巻きが密着した時の全長です。

丸線の場合、密着高さは次の近似式で求められます。

$H_s pprox N_t imes d$

ただし、座巻きの端面を研削している場合は、研削した分だけ密着高さが小さくなります。

両端を研削した場合の実用的な目安は次の通りです。

$H_s pprox \left( N_t - 0.5 ight) imes d$

設計では、使用中にばねが密着状態に達しないよう、最大たわみ時でも密着高さとの間に余裕（サージ余裕）を確保することが不可欠です。

サージ余裕が不足すると、ばねが密着した瞬間に衝撃荷重が発生し、ばねの折損や相手部品の破損を招きます。

固有振動数の確認

圧縮ばねを動的な用途で使用する場合、ばねの固有振動数を把握しておくことが重要です。

固有振動数が外部加振力の周波数に近いと、共振（サージング）が発生してばねの挙動が不安定になります。

一般的な設計指針として、ばねの固有振動数を加振周波数の13倍以上に設定することが推奨されます。

固有振動数が低い場合は、ばね定数を上げる（線径を太くする、巻数を減らす）か、ばねの質量を減らす（コイル径を小さくする）方向で調整します。

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6. 圧縮ばねの座屈と縦横比

圧縮ばね特有の現象として、座屈（バックリング）があります。
細長い柱が軸方向の圧縮力で横に折れ曲がるのと同じメカニズムです。

縦横比（アスペクト比）

座屈の発生しやすさを判断する指標が縦横比です。

$\text{縦横比} = \dfrac{L_0}{D}$

ここで L₀ は自由長、D はコイル平均径です。

JIS B 2704-1では、縦横比を0.8以上4以下とすることを推奨しています。

縦横比が0.8未満だとコイルの巻数が少なすぎて安定したばね特性が得られません。
一方、4を超えると座屈のリスクが急激に高まります。

座屈の発生条件

座屈はたわみ量が一定の限界を超えた時に発生します。
端末条件（ばね両端の拘束状態）によって座屈限界が変わります。

端末条件は大きく3つに分類されます。

両端固定：座屈に最も強い（ガイドロッド＋座面固定）
一端固定・一端自由：一般的な使用状態
両端自由：座屈に最も弱い（単に置いただけ）

両端固定の場合、たわみ率（= たわみ ÷ 自由長）が約0.8以下であれば座屈は起こりにくいとされています。

両端自由の場合は、たわみ率が約0.5を超えると座屈が発生する可能性があります。

端末条件が設計上どの分類に該当するかを正しく判断することが、座屈防止の第一歩です。

実機では完全な「両端固定」を実現することは難しく、多くの場合は「一端固定・一端自由」に近い条件になります。

安全側に設計するために、端末条件を実際より1段階厳しい方向で仮定して座屈判定を行うのがよい実務慣行です。

座屈防止策

縦横比が4を超えるような細長い圧縮ばねを使わざるを得ない場合、次の対策が有効です。

ガイドロッド（内径ガイド）を通す：コイル内径にロッドを挿入して横変位を拘束
ガイド筒（外径ガイド）で囲む：コイル外径を筒で拘束
ばねを直列に分割：1本の長いばねを2本の短いばねに分割し、中間プレートで連結

ガイドを使用する場合、ばねとガイドの間にはクリアランスが必要です。

内径ガイドの場合はコイル内径に対してロッド外径を1〜1.5 mm程度細くします。
外径ガイドの場合はコイル外径に対して筒の内径を1〜1.5 mm程度大きくします。

クリアランスが不足するとばねがガイドと干渉し、異音や摩耗の原因になります。

座屈に関する実務上の注意

理論上は縦横比が4以下であれば座屈は発生しにくいとされますが、実務ではさらに安全側に設計するのが一般的です。

特に、ばねの両端が完全に固定されていない場合（一端自由など）は、縦横比を3以下に抑えることが推奨されます。

また、並列に配置する2本以上のばねが互いに干渉して絡み合うトラブルも実務では発生します。

並列ばねの間隔はコイル外径の1.5倍以上を確保し、必要に応じてセパレータプレートを挿入するのが有効です。

高速動作する機構では、ばねの動的な挙動にも注意が必要です。

圧縮・伸長のサイクルが高速になると、ばねの慣性力によって一時的に座屈に近い変形が生じることがあります。

この現象は特に縦横比が3を超えるばねで顕著になるため、高速用途では縦横比を2.5以下に設計するとよいでしょう。

7. 圧縮ばねの固定方法

圧縮ばねを機械装置に組み込む際、端部の形状と固定方法の設計が重要です。
ばねの固定が不適切だと、荷重の偏り・振動・脱落といったトラブルを招きます。

端部形状の種類

圧縮ばねの端部は、JIS B 2704-2で4つの形状が定義されています。

(1) オープンエンド（端部非研削・開放端）

座巻きなし、研削なしの最もシンプルな端部です。
コストは最安ですが、着座面の安定性に劣るため、精度を求めない用途に限定されます。

(2) クローズドエンド（座巻きあり・端部非研削）

両端に座巻き（密着巻き）を設けた端部です。
着座面の安定性が向上しますが、研削していないため端面は完全に平坦ではありません。

汎用的な用途で広く使用されます。

(3) クローズドエンド・研削（座巻きあり・端面研削）

座巻きの端面を平面研削して平坦にした端部です。
最も一般的な端部形状で、荷重の均一性と直角度に優れています。

精密機器や高精度が要求される産業用途で標準的に採用されます。

(4) オープンエンド・研削（座巻きなし・端面研削）

座巻きを設けずに端面を研削した端部です。
総巻数を少なくできるため密着高さを小さくしたい場合に使われます。

固定金具と取り付け方式

圧縮ばねの固定は、ばね端部を相手部品にどう拘束するかで分類されます。

ポケット（穴）方式

相手部品にばねの外径よりわずかに大きい穴（ポケット）を加工し、ばね端部を挿入する方式です。

最もシンプルで確実な固定方法で、位置決めと座屈防止を同時に実現できます。

ポケットの深さは座巻き高さの1〜1.5倍が目安です。

ポケットの内径はコイル外径に対して0.5〜1.0 mm程度のクリアランスを設けます。

クリアランスが大きすぎるとばねの芯ずれが起こり、荷重が偏心して片当たりの原因になります。

ロッド（軸）方式

コイル内径にガイドロッド（シャフト）を通してばねを位置決めする方式です。

ばねがロッドに沿って伸縮するため、長いばねでも座屈を防止できます。

ロッド先端にフランジやスナップリングを設けると、ばねの抜け止めにもなります。

ロッド方式を採用する場合は、ロッドの表面仕上げにも注意が必要です。

表面粗さが大きいとばねの内周面と摩擦が生じ、フレッティング摩耗やばねの偏心の原因になります。

ロッドの表面粗さはRa 1.6μm以下を目安にし、必要に応じて硬質クロムめっきなどの表面処理を施します。

座面プレート方式

ばねの端面を平坦なプレートで押さえる方式です。
端面研削したばねとの組み合わせで、荷重の均一な伝達を実現します。

固定金具（スプリングリテーナー）

ばねの端部を機械的に挟み込んで固定する専用金具です。

振動や衝撃が大きい環境で、ばねの脱落を確実に防止します。

自動車のサスペンションにはスプリングシートやラバーマウントが使われます。

固定方法の選択では、次の3点を総合的に判断します。

ばねに作用する荷重の大きさと方向
振動・衝撃の有無と大きさ
メンテナンス（交換作業）の容易さ

初期荷重（プリロード）の設計

圧縮ばねを組み込む際、完全に自由長のまま取り付けるケースは実際には少なく、あらかじめある程度圧縮した状態（プリロード状態）で組み付けるのが一般的です。

プリロードを与えることで、ばねと相手部品の間のガタをなくし、振動や騒音を抑制できます。

プリロード荷重は、使用荷重の10〜30%程度に設定するのが標準的です。

例えば、使用時に50 Nの荷重が必要な場合、組み付け時のプリロード荷重を10 N程度に設定します。

ただし、プリロードを大きくしすぎると、ばねの有効ストロークが減少するため注意が必要です。

設計時は、プリロード分のたわみ量を差し引いた上で、必要なストロークが確保できるか必ず確認しましょう。

8. 圧縮ばねの設計手順

ここまでの知識をもとに、圧縮ばねの設計手順を計算例とともに示します。
実務で使える選定フローを理解しておくと、設計作業が格段に効率化されます。

Step 1：要求仕様を整理する

まず、ばねに求められる条件を明確にします。

必要荷重 F（ばねが発生すべき力）
ストローク δ（ばねが圧縮される量）
取り付けスペース（外径・内径・長さの制約）
使用環境（温度・腐食性・繰返し数）

ここでは、次の条件で設計する例を示します。

・必要荷重： $F = 50$ N

・ストローク： $\delta = 10$ mm

・外径制約： $D_1 \leq 20$ mm

・材料：ピアノ線 SWP-B

・使用環境：室温、繰返し数 10⁵ 回以下

要求仕様を漏れなく整理することが、手戻りのない設計の出発点です。

特に取り付けスペースの制約は見落としやすいため、周辺部品の干渉も含めて必ず確認しましょう。

Step 2：ばね定数を決める

要求仕様からばね定数 k を算出します。

$k = \dfrac{F}{\delta} = \dfrac{50}{10} = 5 \text{ N/mm}$

Step 3：線径とコイル径を仮決めする

取り付けスペースの制約から、コイル外径 $D_1 = 18$ mm、線径 $d = 2.0$ mm と仮定します。

コイル平均径 D は次の通りです。

$D = D_1 - d = 18 - 2.0 = 16 \text{ mm}$

ばね指数 c を確認します。

$c = \dfrac{D}{d} = \dfrac{16}{2.0} = 8$

推奨範囲 4 ≤ c ≤ 15 の範囲内なので問題ありません。

Step 4：有効巻数を計算する

ばね定数の式を有効巻数 N_a について解きます。
SWP-Bの横弾性係数は $G = 78{,}500$ MPa です。

$N_a = \dfrac{G \cdot d^4}{8 \cdot k \cdot D^3}$

$N_a = \dfrac{78{,}500 \times 2.0^4}{8 \times 5 \times 16^3}$

$N_a = \dfrac{78{,}500 \times 16}{8 \times 5 \times 4{,}096}$

$N_a = \dfrac{1{,}256{,}000}{163{,}840} \approx 7.67$

実際の巻数は整数または0.5刻みに丸めるため、 $N_a = 7.5$ とします。

この時の実際のばね定数を逆算すると次の通りです。

$k = \dfrac{78{,}500 \times 16}{8 \times 7.5 \times 4{,}096} = \dfrac{1{,}256{,}000}{245{,}760} \approx 5.11 \text{ N/mm}$

要求値5 N/mmに対して約2%の差であり、許容範囲内です。

Step 5：応力を検証する

最大荷重時の応力を確認します。
まずワール修正係数 K を求めます。

$K = \dfrac{4 \times 8 - 1}{4 \times 8 - 4} + \dfrac{0.615}{8} = \dfrac{31}{28} + 0.0769 \approx 1.184$

最大荷重時のねじり応力 τ を計算します。

$\tau = K \cdot \dfrac{8 \cdot F \cdot D}{\pi \cdot d^3}$

$\tau = 1.184 \times \dfrac{8 \times 50 \times 16}{3.1416 \times 2.0^3}$

$\tau = 1.184 \times \dfrac{6{,}400}{25.13} = 1.184 \times 254.6 \approx 301 \text{ MPa}$

SWP-B 線径2.0 mmの許容ねじり応力は概ね550〜600 MPa程度ですので、安全率は約1.8〜2.0と十分に確保できています。

Step 6：自由長と座屈を確認する

座巻きを両端各1巻とすると、総巻数 N_t は次の通りです。

$N_t = N_a + 2 = 7.5 + 2 = 9.5$

密着高さ H_s は概算で次のように求めます。

$H_s \approx N_t \times d = 9.5 \times 2.0 = 19.0 \text{ mm}$

密着時の隙間を最大たわみの20%確保する設計として、自由長 L₀ を求めます。

$L_0 = H_s + \delta + 0.2 \times \delta = 19.0 + 10 + 2.0 = 31.0 \text{ mm}$

縦横比を確認します。

$\dfrac{L_0}{D} = \dfrac{31.0}{16} = 1.94$

推奨範囲 $0.8 \leq \dfrac{L_0}{D} \leq 4$ の範囲内であり、座屈のリスクは低いと判断できます。

以上の手順で、要求仕様を満たす圧縮ばねの基本諸元が決定しました。

実際の設計では、上記の6ステップに加えて、疲労寿命の検証や製造可能性（コイリングの難易度）の確認も行います。

また、ばねメーカーに見積りを依頼する際は、必要に応じてばね定数の公差、端部形状の詳細、表面処理の有無を明記することで、意図通りのばねを入手できます。

項目	記号	値
材料	—	SWP-B
線径	d	2.0 mm
コイル外径	D₁	18 mm
コイル平均径	D	16 mm
有効巻数	N_a	7.5
総巻数	N_t	9.5
自由長	L₀	31.0 mm
ばね定数	k	5.11 N/mm
最大応力	τ	301 MPa

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9. 圧縮ばねのトラブルと対策

圧縮ばねの設計では、量産後に発生しうるトラブルを事前に把握し、設計段階で対策を織り込むことが不可欠です。

ヘタリ（永久変形）

ヘタリとは、ばねを長期間圧縮した状態で使用した結果、自由長が徐々に短くなる現象です。

材料のクリープ変形が原因で、高温環境ほど進行が速くなります。

ヘタリが進行すると、設計時に想定した荷重が出なくなり、機能不良を引き起こします。

対策としては、以下の方法が挙げられます。

セッチング（プレセッティング）：製造時にあらかじめ使用最大荷重以上の力で圧縮し、塑性変形を先に起こしておく処理
ホットセッチング：高温環境で使用するばねに対し、使用温度以上の高温でセッチングを行う処理
設計応力の低減：許容応力に対して十分な余裕を持たせる

セッチングは量産品のばねでは標準的に行われる工程です。

セッチング後は自由長が短くなるため、設計段階でセッチング後の自由長を最終寸法として指定するのが一般的です。

セッチングによる自由長の減少量は、ばねの応力レベルにもよりますが、概ね1〜5%程度です。

疲労折損

繰返し荷重を受け続けると、ばねの表面に微小なクラックが発生し、やがて折損に至ります。

折損はコイル内側の応力集中箇所（ワール応力が最大の部分）から起こることが多いです。

疲労折損を防ぐには、次の点が重要です。

応力振幅を許容疲労応力以内に設計する
ショットピーニングで表面に圧縮残留応力を付与する
表面傷や腐食ピットの発生を防止する
ばね指数を適正範囲に収める（小さすぎると内側の応力集中が過大になる）

ばねの疲労設計では、グッドマン線図（修正グッドマン線図）を用いて応力振幅と平均応力の関係から安全域を判定する方法が広く使われています。

JIS B 2704-1にもこの手法に基づく許容応力の考え方が記載されており、設計者は必ず確認しておくべき内容です。

サージング（共振）

圧縮ばねが外部から周期的な加振を受けた時、ばねの固有振動数と加振周波数が一致すると共振が発生します。

共振が起こるとばねのたわみが異常に大きくなり、密着衝突や折損の原因になります。

圧縮コイルばねの固有振動数（1次）は次の近似式で求められます。

$f_n = \dfrac{d}{2 \pi \cdot N_a \cdot D^2} \sqrt{\dfrac{G}{2\rho}}$

ここで ρ はばね材料の密度 [kg/m³] です。

対策としては、次の方法があります。

加振周波数の1/2以上の固有振動数を確保する設計
不等ピッチばねの採用（固有振動数を分散させる）
ばねの両端を確実に固定して端末条件を安定させる

サージングは高速往復運動する機構で特に問題になります。

エンジンのバルブスプリングでは、カムシャフトの回転速度に応じた加振周波数が存在するため、ばねの固有振動数を高く設計することが必須です。

不等ピッチばねは固有振動数を分散させて明確な共振ピークをなくす効果があるため、バルブスプリングではほぼ標準的に採用されています。

腐食とフレッティング

腐食環境下では、ばね表面に錆や腐食ピットが発生し、疲労強度が大幅に低下します。

応力腐食割れ（SCC）は、引張応力と腐食環境が重なった時に発生する危険な破壊モードです。

SCCは外観上の変化がほとんどないまま突然の脆性破壊に至るため、定期的な交換スケジュールを設定しておくことが重要です。

特に温泉地や化学工場など、硫化水素や塩化物イオンが存在する環境では、SCC発生のリスクが大幅に高まります。

また、ばねとガイドの接触面で微小な相対滑りが繰り返されると、フレッティング摩耗が起こります。

摩耗粉が酸化して研磨剤のように作用し、ばね表面を削って疲労寿命を縮めます。

腐食・フレッティング対策としては、次の方法が有効です。

耐食性の高い材料（ステンレス鋼・ニッケル合金）の選定
表面処理（亜鉛めっき・電着塗装・リン酸被膜）の適用
ガイドとのクリアランス確保とグリース塗布

ばねの検査と品質管理

量産品の圧縮ばねでは、出荷前の検査が品質保証の要になります。

主な検査項目は、自由長・コイル外径・ばね定数（指定荷重時の長さ）・直角度・端部の研削状態です。

特にばね定数の検査は重要で、ばね試験機（荷重試験機）を用いて荷重-たわみ特性を測定します。

全数検査が困難な場合は、JIS Z 9015（抜取検査）に基づくAQLを設定してロット管理するのが一般的です。

疲労寿命が重要な用途では、抜取りでの疲労試験も実施されます。

JIS B 2711に基づき、指定された応力振幅で規定回数の繰返し荷重を負荷し、折損がないことを確認します。

現場でのトラブルを未然に防ぐためには、設計段階でFMEA（故障モード影響解析）を実施し、想定されるばねの故障モード（折損・ヘタリ・座屈・腐食）とその影響を事前に評価しておくことが大切です。

10. まとめ

本記事では、圧縮ばねの基本構造から種類、材料、JIS規格、計算式、座屈、固定方法、設計手順、そしてトラブル対策までを体系的に解説しました。

圧縮ばねは機械設計の中で最も基本的でありながら、奥深い設計要素を持つ部品です。

圧縮ばねの設計で押さえるべきポイントを整理すると、次の通りです。

ばね定数は $k = \dfrac{G \cdot d^4}{8 \cdot N_a \cdot D^3}$ で計算し、線径 d の4乗が支配的
ばね指数 $c = \dfrac{D}{d}$ は 4〜15 の範囲が実用的
ねじり応力にはワール修正係数 K を必ず適用する
縦横比 $\dfrac{L_0}{D}$ は4以下にして座屈を防ぐ
端部は「クローズドエンド・研削」が最も汎用的な固定方法
ヘタリ対策にはセッチング、疲労折損対策にはショットピーニングが有効
サージング（共振）防止には不等ピッチや固有振動数の確認が重要

圧縮ばねは設計の自由度が高い反面、座屈・ヘタリ・共振といった落とし穴も多い部品です。

材料選定から寸法設計、端部処理、表面処理、そして量産後の品質管理まで、設計者が注意を払うべきポイントは数多くあります。

本記事で解説した計算式と設計手順を活用し、信頼性の高いばね設計を実践してください。

なお、本記事で紹介した計算式はJIS B 2704-1に準拠した基本式です。

実際の設計では、メーカーカタログや専門ソフトウェアも併用しながら、安全率を十分に確保した設計を心がけてください。