たまには螺子山の切削加工術の発達史でも読んで、まったりしてもらいたい。そう思いまして、「プラモ」を使ってパブリックドメインの文献を全訳していただきました。

　例によって、プロジェクト・グーテンベルクさま、上方の篤志機械翻訳助手さま等、関係の皆さまに、深く御礼をもうしあげます。
　写真・図版は省略されています。

　以下、本篇です。（ノー・チェックです）

タイトル：1480年以降のマスタースクリュー法によるねじ切り加工

著者：エドウィン・A・バッティソン

公開日：2010年3月24日 [電子書籍番号31756]
最終更新日：2021年1月6日

言語：英語

制作クレジット：コリン・ベル、ジョセフ・クーパー、ルイーズ・パティソン、および
オンライン分散校正チーム　　による制作

*** プロジェクト・グーテンベルク電子書籍『1480年以降のマスタースクリュー法によるねじ切り加工』の開始 ***

制作：コリン・ベル、ジョセフ・クーパー、ルイーズ・パティソン、および
オンライン分散校正チームによる

【校正者注記：
本テキストはスミソニアン協会米国国立博物館発行『Bulletin 240』の第37号論文であり、論文34～44をまとめたものである。これらの論文は完全な電子書籍としても提供される予定である。

各論文単体の電子書籍には、『Bulletin』の冒頭部分、序文、および関連する索引項目がすべて含まれている。

以下の誤植は修正済みである：

110ページ：「…スピンドル（主軸）により、…を防止するため…」（原文は「pindle」と誤記されていた）
120ページ：「…複数の困難な事柄を理解し、…」（原文の誤り：”a”、”plusiers”、”necessaires”）]

スミソニアン協会
アメリカ合衆国国立博物館
紀要第240号

[図版]
スミソニアン出版

歴史技術博物館

寄稿論文
歴史技術博物館
所蔵

論文34-44号
科学技術に関する論文集

スミソニアン協会 ワシントンD.C. 1966年

アメリカ合衆国国立博物館刊行物

アメリカ合衆国国立博物館の学術・科学出版物には、『アメリカ合衆国国立博物館紀要』と『アメリカ合衆国国立博物館紀要』の2つのシリーズがある。

これらのシリーズにおいて、博物館はその構成部門である自然史博物館および歴史・技術博物館の所蔵品や研究成果に関する原著論文やモノグラフを刊行している。具体的には、人類学、生物学、歴史学、地質学、技術学の各分野における新たに得られた知見を体系的に発表している。各号の
これらの刊行物は、図書館、文化・科学関連団体、および各専門分野に関心を持つ専門家らに配布されている。

『Proceedings』（1878年創刊）は、自然史博物館の研究成果のうち、より簡潔な論文を個別の刊行物として出版することを目的としている。これらはオクターヴォ判の巻物形式でまとめられ、各論文の掲載日付は巻の目次に明記されている。

『Bulletin』シリーズの第1号は1875年に発行された。このシリーズには以下のものが収録されている：
より詳細な単独刊行物として、モノグラフ（場合によっては複数巻にわたる）や、関連する主題を扱った論文集が発行されている。『速報』（Bulletins）はオクターヴォ判またはクォート判で刊行され、そのサイズは内容の性質に応じて決定される。1902年以降、自然史博物館の植物標本に関連する論文は『米国国立植物標本館からの寄稿』（Contributions from the United States National Herbarium）という表題で『速報』シリーズに掲載されており、1959年以降は『歴史技術博物館からの寄稿』（Contributions from the Museum of History and Technology）と題する『速報』に掲載されるようになった。
同博物館の標本コレクションおよび研究に関連するより短い論文を、別途刊行物としてまとめてきた。

本コレクション『貢献論文集』（第34号～第44号）は刊行物第240号に相当する。これらの論文はいずれも、当初は個別に刊行されていたものである。各論文の刊行年は各論文の最終ページに記載されている。

フランク・A・テイラー
アメリカ合衆国国立博物館 館長

歴史技術博物館 寄稿論文集：
第37号
1480年以降におけるマスタースクリュー方式によるネジ切り加工
エドウィン・A・バッディソン

エドウィン・A・バティソン

1480年以降におけるマスタースクリュー方式によるネジ切り加工

　　・ネジ切り加工用工作機械の最も初期の例として知られているのは、1483年製のネジ切り旋盤（現存するのは図面と絵画のみ）と、金属にネジ溝を刻むためのトラバーススピンドル式工具（現在スミソニアン博物館所蔵）で、17世紀後半から18世紀初頭のものとされている。著者は、これらの特殊な用途向け機器が現代の汎用工具へと進化してきた過程を明確に示している。
著者はこれらの工具に関する特許を1930年代前半まで追跡調査し、この研究を通じて、工作機械産業の発展においてこうした装置が果たした役割を明らかにしている。

著者紹介：エドウィン・A・バティソンは、スミソニアン協会歴史技術博物館において機械工学および土木工学部門の准学芸員を務めている。

初期の工作機械に特徴的なのは、その直接性と簡潔さである。これらの機械は極めて専門的な作業を行うために設計されており、その目的が明確に限定されていたためである。そして
汎用性が求められるようになるのは、まだ先の話であった。歴史記録には、原始的な機械の最も初期の形態や、より複雑なタイプへと進化していく過程での様々な初期段階についての詳細な記述はほとんど残されていない。せいぜい、特定の地域で発見された特定の発展段階を年代測定し、確認することしかできない。これらの形態が発見された当時において真に革新的なものであったのか、それとも同様の形態がどの程度広く分布していたのかについては、いまだに解明されていない謎である。現存する証拠といえば、図像や図面といった形態に限られており、例えば1483年に制作されたあまり知られていないネジ切り旋盤（図1）は『_Das
『中世の家庭帳簿』（Hausbuch）』に記されている。

この旋盤は、製作者が目的を達成するために必要な要素を、最小限の構成要素にまで絞り込む鋭い洞察力を持っていたことを示している。ここには後にヘンリー・モードズレーの発明とされる座標スライド機構が既に採用されている。ただし、これらのスライドは主軸とは連動しておらず、また工具を回転軸と正確に平行に案内することを義務付ける自然法則も存在しない。この意味において、『Hausbuch』に記されたネジ切り旋盤はより優れた設計と言える。なぜならこの機構は自然法則に則っており、
真円の円筒を生成できるのに対し、モードズリーの旋盤では機械自体に組み込まれた精度以上のものをワークに転写することはできない。

原理的に、この『ハウスブック』に描かれた機械は非常に先進的である。現代に至るまでその設計思想を辿ってみると、それがよく分かる。この機械の図面を残している作者自身は、その機能の詳細について必ずしも精通していたわけではないようだ。図1を参照すると、リードスクリューとワークのねじ山は互いに逆方向に巻かれている。これは描写上の誤りであるに違いない。なぜなら
両者は中間機構を介さずに密接に連動しており、ワークに生じる唯一の可能な結果は元のネジと同じ方向に巻き付くネジ山でなければならない。また、ワークは全長にわたってネジ加工が施されているように描かれているが、これはクロススライドを単一の位置に配置した状態では実現不可能である。ここで疑問が残るのは、このスライドが2箇所で使用されていたのか、それとも作者が何らかのメモや初期のラフスケッチを参考にしていたために、ワークの一方の端部にネジ加工が施されていない部分を意図的に示さなかったのか、という点である。

[図版：図1――糸立てねじ式糸切り機の最古の記録例
マスターねじとワークに右巻きと左巻きの糸が混在しているなど、この図に描かれた不整合性から判断すると、作者は実際の機能についてほとんど理解していなかったと考えられる。出典：『中世家庭手引書――ヴァルトブルク＝ヴォルフエッグ＝ヴァルトゼー侯爵家所蔵の原本に基づき、ドイツ美術研究協会の依頼によりヘルムート・T・ボッサートとヴィリー・F・シュトルクが編集』（ライプツィヒ：E.A.ゼーマン社、1912年）、図版62]

リードスクリューと工作物、およびそれらの相互関係と少なくとも同等に重要なのが、ネジ調整式のクロススライドを備えた工具支持装置である（図2参照）。この装置が機械のフレームにどのように取り付けられ、工具を適切な半径位置に配置していたかについては、再び疑問が残る点である。非常に精巧に設計された切削工具は、金属加工には不向きなほど薄く鋭い刃先を備えており、むしろ軟質で繊維質の物質――この場合は疑いなく木材――の加工に最適である。残念ながら、作者がこの工具の角度をどのように表現したかについては、
このカッターの形状からは、切削するネジの螺旋角度に合わせて工具が適切に調整されているかどうかを判断することはできない。このクロススライドは、往復運動するワークスピンドルと連動することで、18世紀末にヘンリー・モーズリーが考案したとされるスライドレストと同様の機能を実現する機械機構を形成している。実際には、スピンドルとは独立した座標スライドの概念を示す図版は、1569年にベッソン[1]によって既に発表されており、さらに
彼の著した機械工学に関する一般向け著作を通じて広く普及していた。
これらのスライドは、マスタースクリューと工作物の間に、紐を用いたやや不確かな接続方式を採用したネジ切り工作機械の一部として示されている。

著者は最近、スミソニアン博物館のために小型で精巧に作られた真鍮製の器具を入手し、その識別に成功した。この器具は国内2か所のコレクションとドイツ1か所のコレクションに所蔵されていたものの、正体不明の錠前師用工具として扱われていたものであった（図3）。この器具は最終的に以下のものであることが判明した：
金属部品にネジ山を切るための、往復運動式スピンドル型の工具である。
幸いなことに、カッター（図4のA）を含むすべての重要な部品が現存していた。この工具には「マヌエル・ヴェッチギ、アウクスブルク」という銘が刻まれており、これにより同定が可能となった。ヴェッチギ家はアウクスブルクで数世代にわたって銃職人および機械技術者として名を馳せた一族である。同名のエマニュエルが2人存在しており、一人は1678年生まれで1728年に没した。この人物はライフル銃の製造分野で極めて著名であり、死の直前にヘッセン＝カッセル方伯の砲兵隊長に就任している。
彼は51歳でこの世を去った。後のエマニュエル・ヴェッチギについては、1740年にアウクスブルクに在住していたこと以外、ほとんど知られていない。この器具の帰属については、主に彼が卓越した職人として認められていた経歴に基づき、先のエマニュエル・ヴェッチギに暫定的に特定されている。

[図版説明：図2――『中世家庭手引書』掲載の糸立て旋盤用クロススライド機構。図1に示す通りである。この機構は製作年代が古いだけでなく、300年前の時点ではまだ普遍的に採用されていなかったクロスフィードスクリューを備えている点でも特筆に値する。
後年のものである。ソケットから取り出された切削工具は明らかに木材加工用に研ぎ澄まされている。］

この小型機械は、『中世家庭手引書』に描かれた先行機種とはいくつかの点で異なっている。これは、約200年の歳月を隔ててこれらの工具を使用した職人たちの世代の違いを考慮すれば、当然のことと言える。もう一点考慮すべき要素として、これら2台の機械の用途の違いが挙げられる。一方は金属加工用、もう一方はおそらく木材加工専用であった。したがって、以下の特徴が見られるのも不思議ではない：
後の機種では、工作物を支える外付けの「テールストック」機構が追加されている。この支持軸の回転は、工作物を動かす主軸と完全に同期して動く必要があるため、スプリングで荷重を支える構造になっているのは自然な設計と言える。図5では、このスプリングの調整方法を示している。取り付けネジをスプリング本体とフレームの複数の穴に移動させることで、様々な長さの工作物に対応できるようになっている。同じ図で確認できるのが、スプリングの反対側端部にある長方形の突起だ。この突起は「テールストック」支持軸の対応する穴と噛み合い、回転中に工作物が位置ずれするのを防止する役割を果たしている。
その回転に合わせて動作する。

【図版：図3――小型糸立て旋盤】
この旋盤は使用時に万力で固定するように設計されていた。ここに示す状態では、作動クランクのみが欠落していた。全長は約30センチメートルで、部品の調整によって若干のばらつきがある。（スミソニアン博物館所蔵写真46525B）

図6は、機械から取り外された往復動スピンドルとナットを示している。このように容易に分解できるように設計されていることから、当初は様々な種類のスピンドルが用意されていたと考えるのが妥当である。
機械内で相互に交換可能なスピンドルとナットユニットが存在していた。この仮説を裏付けるさらなる証拠として、切削工具（図4）がある。この工具は非対称的なソケットに精密に嵌め込まれており、本格的な作業用に設計されたものであることがうかがえる。実際の使用において、機械内で発見された工具と類似した工具（図7）を用いてサンプルネジを切削したところ、クロススライドがない方が作業性に優れ、リードスクリューへの送り動作を自由に制御できることが判明した。このことから、この工具は現在失われている粗目のリードスクリューと併用することを想定していた可能性が高い。

[図版: 図4――図3の作業領域部分。工具と製作者銘が確認できる。（スミソニアン博物館所蔵写真46525A）]

この機械を『ハウスブッフ』製の機械と比較した場合、最も顕著な相違点は、工具調整用のクロススライドが存在しない点である。この特徴は、工具の鈍角なスクレイピングエッジ（掻き削り刃）によって説明できるかもしれない。実際に最近、この機械で発見されたものと類似した工具（図7参照）を用いてサンプルネジを切削したところ、クロススライドがない方が有利であることが判明した。これにより、工具の送り動作をより自由に制御できるようになり、過度な切削圧力による材料の破損を防ぐことが可能となった。

複数のネジの寸法を均一に再現するためには、工具支持アームが機械本体のフレームに接触した時点で、所望の直径が得られるように工具を調整すればよい。この機械で使用されていたネジは、おそらくこのような方法で製造されていたものと推測される。これらのネジは、ネジ山が材料に非常に滑らかに食い込むように切削されており、ダイスによる切削加工とは異なる製法が採用されていたと考えられる。
スライドレストを使用する場合のように定規で正確に調整するのではなく、工具の感触だけを頼りに工作物に挿入する方法である。この方法により、切削圧力を敏感に感じ取れるため、鋼材を破断させることなく、適切な切削圧を維持しながら糸立て加工が可能となった。複数のネジで同一寸法を再現する場合、工具の支持アームが機械のフレームに接触した時点で、希望する直径が得られるように工具の位置を設定すればよい。この機械で実際に使用されていたネジは、このような方法で製造されていたと考えられる。これらのネジはダイスで切削したものではなく、糸の部分が極めて滑らかに本体に馴染んでいることからも明らかである。
ダイの切削刃が残す特徴的な痕跡が見られない。単一刃工具をクロススライドで制御して切削したねじ山は、ダイで切削した場合よりもさらに急激に終わる傾向がある。我々が考察しているタイプの機械であれば、工具が切削を続けるために必要な圧力を徐々に緩めることで、図8（図3のねじAの別視点）に示すように、ねじ山を穏やかに先細りさせる操作を容易に行える。

【図5】― 従動軸を工作物に押し当てるスプリングの構造と調整範囲を示す図。軸に設けられた矩形の突起が対応するソケットと噛み合い、軸の回転を防止する仕組みに注目されたい。（スミソニアン博物館所蔵写真46525）

【図6】― 工作物用軸とそのナットを機械から取り外した状態の図。異なるピッチの別軸とナットを容易に交換できる構造を説明するために撮影された。（スミソニアン博物館所蔵写真46525C）

この種の一般的な機械設計において、リードスクリューを軸上に配置するという特徴は
このような主軸にリードスクリューを備えた工作機械が、他の加工方法や他の種類の機械と長期間にわたって競争関係にあったことは、図9と図10から明らかである。図9では左側前面に、図10ではより詳細な構造で示されているこの機械は、1483年に出版された『中世の家庭手引書』に描かれたものとほとんど変わらない。二重の工作物支持機構は明らかに大きな改良点であるが、工具支持機構は送りネジを備えていない点で後退している。

工学理論の発展と、産業の高度化に伴う需要の増大が相まって、
産業革命の到来に伴い、特に工業分野では、図9に示すようにネジ切り機と簡易旋盤を組み合わせたネジ切り旋盤の急速な発展がもたらされた。図11ではより詳細に、この種の重要な技術的進歩の一つとして、コードやベルトによる駆動機構が採用されており、手や足の力だけでなく、あらゆる種類の回転動力を利用可能にしている。本研究においてさらに注目すべき技術的意義を持つのは、図11でより明確に確認できる、マスターネジ（主ネジ）を簡単に交換できる機構の採用である。
異なるリードのネジ山を切り替える機構は、すでにマニュエル・ウェッチギの機械で実現されていた。ただし、この機構は現在ほど利便性の高い方法ではなかった。

【図版7】―現代的な形状のネジ山を最近切削した例。従来のネジとナットを使用しつつ、新しい切削工具を用いている。材料は炭素鋼製ドリルロッドである。（スミソニアン博物館所蔵写真49276A）

図12に示すのは、図9および図11に示したものよりもさらに先進的な旋盤の主軸台であるが、同じタイプのものである。ここには「キー」（D）と呼ばれる部品が配置されており、それぞれが異なるピッチのネジ山と噛み合う部分ナットとして機能する。
ピッチが一致するように設計されている。図13の点線は、これらのキーの噛み合った状態と噛み合っていない状態を示している。図14には様々なリード角を持つスピンドルCが示されている。D部分には溝付きカラーが取り付けられており、図12の左側の作動位置にある細いキーと噛み合うことで、糸立て加工ではなく通常の旋削加工を行う際にスピンドルの軸方向の動きを制御する役割を果たす。ウェッチギ機に代表されるような多数の個別スピンドルを使用する場合の利便性とコスト低減という利点と引き換えに、ある種の犠牲が払われている。
切断作業を中断することなく連続的に行えるねじの長さに関しては、一定の制約が生じている。

[図版: 図8 – 図3のA部に示す締結用ネジ。肩部以下のねじ山が滑らかに連続している構造が確認できる。（スミソニアン博物館所蔵写真49276）]

[図版: 図9 – 18世紀第3四半期におけるフランスでのネジ製造工程。『百科全書』（科学・芸術・工芸に関する合理的事典…科学・自由芸術・機械工芸に関する図版集）より]
解説書）第9巻、図版1］

［図版：図10―図9左前景に描かれた機械の詳細図。ネジ調整機構のない粗雑な工具支持部が確認できる。
『百科全書』第9巻、図版2］

このように糸立て加工が可能な長さが短縮されたことは、多くの種類の工作物において大きな欠点とはならなかった。これは図16を見れば明らかである。図16は19世紀中頃を代表するトラバーススピンドル型旋盤の主軸台を示している。19世紀初頭の機械と19世紀中頃の機械の間には、以下のような技術的進歩が見られた：
図12と図16に示すように、主軸の中心からリードネジを取り除くことで、機械の基本設計が大幅に改良された。これにより、より短く剛性の高い主軸が可能となり、主軸の両端をベッドに個別に取り付けるのではなく、単一のフレーム（主軸頭）で支持できるようになった。ネジは主軸受の外側に個別に取り付けられるようになり、対応するナットは円盤の外周部分に部分的に切削加工され、必要に応じて特定のナットを作業位置に移動させることができるようになった。
必要な位置に容易に調整できる。このような設計により、右ネジ・左ネジを問わず多様なネジ山形状を提供可能であり、さらに必要に応じて後から別のネジ山を追加することもできた。このタイプのネジ切り旋盤は、長さの長いネジを切る必要性が少なかった楽器製作者や光学機器職人の間で、非常に長い間広く使用されていた。

[図版: 図11.–図9の右前景に描かれたネジ切り旋盤の詳細図。工作物の駆動機構と支持方法を示している。『百科全書』第9巻、図版1より]

18世紀後半、産業の拡大に伴い工学部品の生産における多様性が求められるようになると、より複雑な機械の開発が進み、ねじ切り旋盤は次第に衰退の道を辿ることになった。1797年から1800年にモーズリーが製作した旋盤（図15）は、まさにこのような時代に登場した。当時の産業界は急速な技術革新を受け入れる準備が整っていた。残念ながら、ヘッドストックの主軸とリードスクリューを接続していた歯車機構は現在では失われており、当初の歯車機構がどのようなものであったかを確実に判断することは極めて困難である。
この機構は様々な減速比を選択できるよう設計されており、1797～1800年にモーズリーが製作した旋盤（図15）や、若干時期が後の旋盤と同様の機能を備えていた。固定減速比説の妥当性は、図15に示されているように、別のピッチのリードスクリューに交換する際に極めて便利な取り外し機構が存在することからも裏付けられる。必要な作業は、尾錠部の支持中心を緩め、分割ナット[2]からスクリューを引き抜き、主軸近くの駆動クラッチから取り外すだけである。この分割ナット自体も、スクリューのピッチに対応した別のものに交換する必要がある。より
固体ナットよりも高価ではあるが、工具を元の位置に戻し、次の切削作業に備えるためにネジを逆回転させる必要を完全に回避できる（しかもその手間を省ける）という利点がある。1798年にデイビッド・ウィルキンソンがロードアイランド州で開発した旋盤（図17）にも、同様のマスターネジの取り付け・駆動方式が採用されている。少なくともアメリカ合衆国においては、このネジ交換方式は変速ギアを使用する方法よりも長年にわたって広く採用され続けた。この可変ネジ機構の実例は、以下の資料で確認することができる：
W. & B. ダグラス社ポンプ工場（コネチカット州ミドルタウン、1830年代）向けに製作された旋盤である。当時ミドルタウンは、主要な工業州の一つである同州において、金属加工の中心地として名を馳せていた。長年にわたり、ホイットニー社と競合するシーモン・ノース社の銃器工場が立地していたこの地では、当時の慣習であったように、地元の機械技術者によって製作された機械装置にも、当時最も先進的な機械設計の洗練が反映されていたと考えるのが妥当である。

[図版: 図12 – 高度に発達した旋盤ヘッドストックの実例]
スピンドルに複数のリード溝を備え、ワークまたはワーク保持チャックをスピンドルに取り付けるための機構を有する。『L’Encyclopedie』第10巻、図版13より転載。]

[図版：図13――図12に示されたヘッドストックの端面図。ガイドと噛み合うキーまたは半ナットが、噛み合った状態と噛み合っていない状態の両方で確認できる。『L’Encyclopedie』第10巻、図版13より。]

[図版：図14――図12および図13のスピンドル部分。複数のリード溝と、駆動プーリー用の多角形の座部を示している。注目すべきは
フィート単位の尺度。『百科全書』第10巻、図版16より転載］

約20年後、ニューヨークのジョセフ・ネイソンが特許を取得した[4]「フォックス」旋盤は、商業的に極めて重要な工作機械であった（図18参照）。この旋盤は工作物主軸と主ネジを接続する歯車対に比率機構を備えているものの、特許文書から明らかなように、歯車自体を変更するのではなく、ネジを交換することで様々なピッチを得ることができるよう設計されている。特許文書には以下のように要約されている：

主軸先端に取り付けられたナット...は、ガイドネジを調整する際に緩められる
 ネジを取り外したり交換したりする。これらの歯車の歯数は共通の倍数でなければならない。これらの歯車が頻繁に取り外されることはほとんどなく、またその直径が異なるのは、マンドレル（工作物保持軸）の回転速度よりもガイドネジの回転速度を遅くするためである。これにより、切削するネジのピッチよりも粗いピッチのネジを使用でき、摩耗を大幅に軽減できる。

スピンドルとリードスクリューの間に歯車機構を導入すること自体、どのような目的であれ、歯車の精度に起因する変動要因を必ず導入することになる。
歯車自体の精度不良や取り付け精度の問題に起因するものである。これらの問題は、特に精度に疑問のあるネジと組み合わせて使用する場合、一般的な作業においてはほとんど問題にならなかった。しかし、科学的計測機器や工作機械が相対的に安定した形態に達した後、より高度な精度が求められるようになると、ねじ部品の精度向上に重点を置く必要性が生じた。

[図版: 図15. – 1797年から1800年にモーダスレイが製作した有名なネジ切り旋盤。可変式マスターギアの取り付け方法と駆動機構を示している]
（写真提供：ロンドン科学博物館）］

［図版：図16―19世紀中頃のドイツ製工作機械用主軸台の典型例。往復運動軸、交換可能なリードスクリュー、複数のリードを内蔵した半円周状のナットを備えている。ナットは主軸台後部上部のレバー操作で噛み合わせが可能で、これによりナットの噛み合わせと同時にスピンドルの端部推力制御が解除される。（スミソニアン博物館所蔵写真49839）］

［図版：図17―デイヴィッド・ウィルキンソン設計のスクリュー切削用旋盤、
1798年にアメリカで特許を取得したものである。図15と同様に、リードスクリューを容易に交換可能であり、支持・駆動機構も同じ方式を採用している点に注目されたい。（米国国立公文書館所蔵写真）]

この問題に対する興味深い解決策は、他の機構を介さずにマスタースクリューから派生する基本運動原理に立ち返るものである（図19参照）。この問題に対する解決策は、チャールズ・バンダー・ワード（元ウォルサム時計会社監督官）に付与された特許[5]によって保護されている。特許文書には問題の本質が以下のように明確に記述されている：

 本発明は、可能な限り高い精度でネジ山を切削する必要がある用途に用いられるリードスクリューの製造に関するものである...。例えば、ガラス板に線を罫書く機械において、太陽光スペクトルの線を分解するための回折格子を作成する場合などが該当する。このような機械では、ガラス板上で往復運動するマーキング装置によって、1インチあたり数千本もの線を正確に罫書く必要がある。このような用途に用いるリードスクリューの製造においては、以下の要因により極めて困難な課題が生じる：
 各線を切削した後にリードスクリューを加工する工程である。この種の用途――例えばガラス板に線を切削して太陽光スペクトルの線分解を行う回折格子製造機など――において、切削線間の微小な隙間に知覚可能なばらつきが生じないほど高精度なねじ山を形成できるリードスクリューの製作は、極めて困難な課題であった。... ロッドやブランクに均一かつ完全な精度でねじ山を形成することを妨げる要因は多岐にわたる。中でも特に重要なのが、時間による温度変化や、
 作動するリードスクリューの微細な欠陥、リードスクリューおよびねじ切り対象のロッドのばね特性、その他避けられない要因が複合的に作用する。これらの要因は、一見すると些細なものに思えるかもしれないが、ロッドやブランクの各部でねじ山の形状にわずかなばらつきを生じさせる。しかし、絶対的な精度が求められる場合、これらの要因は無視できない重大な影響を及ぼす可能性がある。

【図版】図18―1854年に特許取得されたネイソン式旋盤。作業速度よりも低速で駆動されるマスターリードスクリューを備えており、このマスタースクリューによって
工作物よりも粗いピッチで、より耐久性に優れたものとすることが可能である。米国特許第10383号参照。]

図19で興味深いのは、ヴァンダー・ワードの機械が、特許で説明されている問題を解決するため、極めて簡素な設計に戻っている点である。ただし、彼がどのようにしてこの高精度なねじ切り加工用のマスタースクリューを考案したかについては、残念ながら記載されていない。後の世代では、さらなる高精度を追求する過程で、我々が後述するように、機構の改良に必要な基本原理であるマスタースクリューの簡素な構造に再び立ち返っている。
自動車と航空機の発展過程においてである。

【図版説明：図19――ヴァンダー・ヴォールトの特許図。ここに示すように、この特許はマスタースクリュー、ツールスライド、工作物を剛性フレーム内に配置し、外部の精度要求のない駆動手段によって支持・駆動する構成をカバーしていた。米国特許第293930号、1884年2月付与】

自動車と航空機の動力性能と速度が向上するにつれ、重要な部品にかかる応力は著しく増大した。特に歯車とねじ部品は、機構上の重大な問題を引き起こす要因となった。これは主に以下の理由による：
これらの部品には応力が集中しやすく、特に歯車の場合は歯形や歯間間隔の理想的な形状からの微細なずれに起因する内外面の応力が問題となる。これらの課題は全く新しいものではなく、従来は部品の大型化によって対処されてきたが、これは重量が重要な要素となる自動車や航空機の設計分野において、設計者にとって必ずしも有効な解決策ではなかった。熱処理を施した鋼材を使用することで、必要な強度を確保しつつ、部品の寸法と重量を適切な範囲に収めることが可能となった。
熱処理工程の必要性が常に完成品に適用できるわけではなく、場合によっては表面仕上げと精度の両方を損なうことがあったためである。機械機構で広く用いられる単純な平面・円筒面・円錐面の研削加工技術は十分に確立されていたが、これをネジ山や歯車にも適用し、熱処理後に仕上げ加工が可能な状態にしなければならなかった。場合によっては歯車歯自体を研削する必要があり、他の用途では歯車切削工具の精度向上のみで十分な場合もあった。

【図版】図20――1932年に特許取得されたホブ研削盤
マスタースクリュー原理を採用したものである。カール・G・オルソンによる米国特許
1874592号。]

熱処理によって生じる不具合や歪みを完全に排除した歯車ホブの製造を目指した結果、
再びマスターリードスクリュー方式が採用されることになった。図20に示すのは、この
特徴を備えた機械装置で、1932年にカール・G・オルソンによって特許取得されている。[6]
先行特許で開示されていたスピンドル駆動機構について言及した後、この特許はさらに次のように述べている：

 この駆動機構は、一体型スピンドル20を備えており、その
 一方の端部はホブ22を支持するように設計されており、他方の端部はリードスクリュー24を形成するように構成されている。スピンドル20はベアリング26とベアリング28の間に取り付けられており、後者のベアリングはリードスクリュー24が回転するナットとして機能する...。これまでの説明から明らかなように、ベアリングまたはナット28内でリードスクリュー24が回転すると、ホブが軸方向に移動する。このとき、スクリュー24のリードはホブのねじ山のリードと等しくなる。

特許明細書の結論部分である請求項8には以下のように記載されている：

 本発明に係るホブ研削盤において、回転式ワーク支持スピンドル、スピンドルの長手方向移動を実現する手段、ならびに回転および長手方向移動時にスピンドルに支持されるワークに対して研削砥石を適切な位置で保持する工具保持装置を備える...

この特許出願以前に、リードスクリューのピッチを変更するための別の特許が既に出願されていた。この特許は、複雑な機構を用いることなく、リードスクリューの有効ピッチを調整可能な装置に関するものであった。
このような歯車機構が100年以上にわたって広く採用されているにもかかわらず、歯車のピッチを変更する必要性が生じている。

【図示】図21：1933年式ホブ研削盤の平面図[7]。マスタースクリューと修正装置を使用しているが、歯車の変更機構は採用していない。カール・G・オルソンの米国特許第1901926号。

【図示】図22：マスターリードスクリューの有効ピッチを変更するための正弦バー機構。複雑な機構を導入することなく、製造要件で求められる高精度な動作を実現する。カール・G・オルソンの1933年米国特許第1901926号。

図21は当該機械の平面図[7]を示しており、図22はマスタースクリュー6によって駆動される正弦バー機構の詳細図である。この機構は、特許明細書の前文で述べられている実際の使用条件に応じて、リードスクリューの有効ピッチを調整するものである。

本発明は工作機械、特にホブ研削盤などの工作機械に関するものであり、これらの機械ではワークがリードスクリューの作用によって往復運動を行う。

ホブの製造においては、同一の
 様々な直径のホブを研削する研削盤に関する発明であり、このような機械をこの用途で使用するためには、ワークキャリアを駆動するリードスクリューのピッチが、研削対象となるホブの軸方向ピッチと一致している必要がある。これは、ホブの螺旋角度がその直径に応じて変化するため、それに伴って通常のピッチと軸方向ピッチの差も変化するという事実を理解すれば容易に理解できる。ホブの通常ピッチに関しては、直径が異なるホブ間で同一の値が求められる場合もあるが、
 異なる直径のホブを加工する場合、ホブの直径に応じてリードスクリューの軸方向ピッチを変更しなければならない。このホブの軸方向ピッチは、従来使用されてきた研削機においてワークキャリアを駆動するリードスクリューのピッチと一致する。したがって、幅広いリード範囲に対応するためには、多数の交換可能なリードスクリューを用意する必要があり、これは当然ながら多大な投資を要する。さらに、これらスクリューの交換作業には多大な労力が必要となる。
 各作業ごとに機械を調整するのに多大な時間を要するという問題があった。

糸立て研削機の開発と並行して、ホブ研削機の設計が進められていた。これらの多くは、砥石のドレッシング作業特有の問題や自動制御機能といった要素に特化していた。歯車製造用のウォームネジ精密研削にマスターネジ機構を採用する発明は、この時代にフレデリック・A・ウォードによって特許取得されている。[8]この発明のうち、マスターネジの使用に関する部分、すなわち「回転式ワーク
この台車に取り付けられ、駆動用スピンドルを備えた工作物保持装置には、交換可能なマスタースクリューと、スピンドルおよびヘッドに着脱自在に固定された固定ナットが装備されている。…』という構造が図23に示されている。

[図版: 図23―工作物保持装置の詳細図。工作物を装着した状態を示しており、精密なウォームネジのピッチ制御にマスターリードスクリューが使用されている様子が分かる。1933年に米国で特許取得されたF.A.ウォードのウォーム研削機に関する特許第1899654号より]

マスターリードスクリューの原理を採用した工作機械は、以下の分野で確認されている：
現在、産業界では専門的な用途においてこの種の装置が常時使用されている。技術革新が再びねじ切り加工の精度向上や従来の手法の再評価を必要とする状況が生じた場合、我々は1483年に製作された『中世の家庭手引書』に記されたマスタースクリュー方式が再び注目を集めることを予想できる。この種の機械としては現在知られている中で最も古いものであるが、この設計は他のどの方式よりも多くの変数を排除し、自然の根本原理に基づいた確固たる基盤の上に成り立っているからである。

脚注：

[1] ジャック・ベッソン『数学的・機械的器具――多くの難解な事柄を理解し、あらゆる共和国において不可欠なもの』（第1版、オルレアン、1569年）。[後にフランス語、ドイツ語、スペイン語版も刊行されている。]

[2] J・フォスター・ピートリー「序文」、『ヘンリー・モードスライ（1771-1831）とモードスライ社・フィールド社』（ロンドン：モードスライ協会、1949年）所収。

[3] 『アメリカン・マシニスト』誌（1916年9月28日号、第45巻第13号、529-531頁）。

[4] 米国特許第10383号、ニューヨークのジョセフ・ネイソンに対し、1870年1月3日付与。
1854年

[5] 米国特許第293,930号がマサチューセッツ州ウォルサム在住のチャールズ・ヴァンダー・ワードに1884年2月19日付で付与された。

[6] 米国特許第1,874,592号は1929年6月8日に出願され、1932年8月30日にイリノイ州シカゴ在住のC・G・オルソンに付与された。その後、同特許は同じくシカゴに本社を置くイリノイ・ツール・ワークス社に譲渡されている。

[7] 米国特許第1,901,926号は1928年2月16日に出願され、1933年3月21日にイリノイ州シカゴ在住のC・G・オルソンに付与された。この特許もイリノイ・ツール・ワークス社に譲渡されている。

[8] 米国特許第1,899,654号は1931年8月31日に出願され、F・A・ウォードに付与された。
ミシガン州デトロイト、1933年2月28日出願、ミシガン州デトロイトのギア研削会社に譲渡。

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米国政府印刷局：1964年版
米国政府印刷局文書管理官事務所にて販売 ― ワシントンD.C. 20402 ― 価格20セント

索引
ベッソン、ジャック、107頁
ダグラス・W・&・B社、113頁
モードスリー、ヘンリー、106頁・113頁
ネイソン、ジョセフ、114頁
ノース、シメオン、武器工場、114頁
オルソン、カール・G、118頁
ヴァンダー・ワード、チャールズ、116頁・117頁

ウォード、フレデリック・A., 120頁

ウェッチギ、エマニュエル, 108頁

ウェッチギ、マヌエル, 108頁, 111頁

ホイットニー兵器工場, 114頁

ウィルキンソン、デイヴィッド, 113頁

*** プロジェクト・グーテンベルク電子書籍『1480年以降のマスター・スクリュー方式によるネジ切り加工』終章 ***
《完》