ファスナーのしくみ：スライダーが歯をかみ合わせる理由

このモデルが示すもの

ファスナーのスライダーは、互い違いに並ぶ二列の歯を狭まる通路に通し、頭同士をかみ合わせます。逆向きに動かすと、内部の仕切りの両側へ歯列が分かれます。それぞれの歯にばねや動く掛け金がなくても、歯同士が互いを保持します。

ジャケットの引き手を引くと、離れた二つの縁が 1 秒もしないうちに一本につながります。戻すとまた離れます。内部で回るものも、かちりとはまるものも、ばねで動くものもないのに、スライダーは開閉をどう区別するのでしょうか。

モデルは金属ファスナーを 10 倍に拡大し、実物の 1 mm を画面では 1 cm にしています。二本の布テープに真鍮の歯が各 26 個あり、引き手付きスライダー、二つの上止め、一つの下止めがあります。マウスや指でスライダーを上下にドラッグするか、「スライダー」で動かせます。表示欄には全 52 個のうち、かみ合った歯の数が出ます。「速度」で遅くし、「内部を見る」で本体を透かすと、通過する歯を観察できます。

「スライダーの摩耗」は細い出口を 1 mm 未満だけ広げます。安価なスライダーを長年使うと起こる変化で、出てくる歯への影響が見えます。斜め引き、歯の欠損、ロックの有無による横引きの違いも再現できます。「スライダーの断面」は歯の高さで本体を切り、「歯の拡大」はさらに大きな三つの歯が出会う様子をスロー再生します。

チェーンはほかの 6 種類（コイル、樹脂成形、コンシール、防水、ダブルスライダー、オープン）に変更でき、No. 3 から No. 10 に拡縮できます。ジャケット、バッグ、テント入口、宇宙服、ジーンズに縫い付けた状態も選べます。操作欄の下には、5 課題、サイズ表、出典付きの歴史と用途 57 件を備えた実験室があります。

カップが並ぶ二つの列

開いたファスナーの歯を一つ見ると、テープの太い芯ひも部分にかしめられ、自由端の頭は小さなカップ状にプレスされています。頭の片面では突起となり、反対の面ではくぼみになります。Gideon Sundback の 1917 年特許は「細長いカップ状に突き出た係合部で、閉じたとき、一方の外側が隣接部材のくぼみに収まる」と記しています。

この説明に原理の大部分が表れています。両テープの歯は互い違いなので、閉じると中心線に沿って左、右、左、右と頭が並びます。各頭は中心を越えて反対側の二つの頭の間へ入り、突起が隣のくぼみに収まります。カップを重ねた一本の列となり、それぞれの歯が両隣の歯に支えられます。

テープを横に引いても、突起がくぼみからまっすぐ抜ける経路を隣の歯がふさぐため、離れません。長さ方向にもカップ同士がかみ合っています。特許には、すべての歯が同じ形という重要な点もあります。互い違いに置くので左右に同じ部品を使え、何百万個も安く打ち抜けました。

Y 字の通路で閉じる

突起がくぼみから持ち上がらなければ離れないなら、持ち上げる仕組みが必要です。それがスライダーです。内部には Y 字の通路があり、二つの枝に歯列が一本ずつ入り、一本の幹は閉じたチェーンがちょうど通る幅です。

「内部を見る」を有効にし、速度を落として観察します。スライダーが上がると各列は枝を下って幹へ入り、その途中で曲がります。モデルでは扇状に広がり、テープ際は密なまま頭同士の間が開きます。同じテープの隣接する歯の角度によってできた隙間へ、反対側の頭が斜めに入ります。幹へ届くころには列が直線に戻って隙間が閉じ、突起が隣のくぼみに収まっています。

Sundback の請求項には案内面の説明もあります。各突起の傾斜した端は「部材のくぼみ側に連続し、相手部材を導いて係合させる」とされています。多少ずれて来た頭も、隣の歯の斜面に沿って正しい位置へ進みます。

くさびで再び開く

逆向きに引くと、今度は幹が閉じたチェーンを先に受け入れます。広い端の二つの枝の間には、先端の丸い柱があります。ダイヤモンドとも呼ばれ、特許には「分岐する通路の間に入る先端を持つ」ふたとして記されています。ここではくさびと呼びます。

スライダーが下がると、枝が歯列を外側へ引いて再び曲げるため、頭の間が開き、各突起がくぼみから抜けられます。くさびは列の間に広がる空間に入り、頭同士を離しておきます。かみ合った一組を単独でこじ開ける必要はありません。くさびの先に届くころには、曲がることで外れているからです。最低速度で透明なスライダーを真上から見ると分かります。

これが冒頭の問いへの答えです。スライダーは進む向きを知りません。同じ通路がどちら向きにも列を曲げ、Y のどちらの端から入るかだけで歯の行き先が決まります。

モデルの数値

特許図面には歯形はありますが寸法はありません。ここでの寸法は、一般的な金属ファスナーらしい見た目と動きを得るために選んだモデル値です。

• 歯のピッチ：各テープで 2.54 mm ごと、つまり 1 インチに 10 個です。National Inventors Hall of Fame は Sundback が 1 インチ当たり 4 個から 10 個に増やしたとしています。ただし片側かチェーン全体かは明記されず、各テープに適用したのはモデルの判断です。
• 歯の厚さ：長さ方向に 1.2 mm です。左右一つずつで 1 ピッチに収まり、面の間に 0.07 mm が残ります。
• 頭：中心線を 0.9 mm 越え、カップの深さは 0.35 mm です。
• 通路：最初の 3 mm では距離の二乗に 0.05 mm を掛けた量だけ各列が広がる曲線に沿って出会います。その後は傾き 0.3、中心線から約 17 度で続きます。合流点から 10.5 mm 離れた入口では、各列は中心から 2.7 mm 離れています。
• くさび：通路の 7.5 mm 奥から始まり、広がる隙間に沿って太くなります。頭との間隔は最低 0.45 mm です。

作成前に計算で確認しました。スライダー位置を 0.16 mm 刻みで変え、各歯の表面を近くの全歯、内壁、くさびと照合しました。新しいものと摩耗したものの単一スライダー、蝶棒付きオープン式では重なりがなく、開閉時に歯が互いをすり抜けません。

ただし三つの場所では重なりを検出し、隠さず示しています。斜め引きで開いた後ろ、欠損歯の周囲、ダブルスライダーの下側へ歯列が入る場所です。上向きの動きで通路に案内されず再び閉じるため、剛体の歯がほぼ正面衝突して最大 0.6 mm 重なります。実物では歯が少しねじれ、テープもたわむので、金属同士が通り抜けずに移行できます。

表示欄から直接読める数値もあります。下止めでは 52 個中 2 個がかみ合い、上端では全 52 個です。途中では 2.54 mm の 1 ピッチ進むごとに、左右各一つの歯がかみ合うか外れます。

止め具と引き手

止め具がなければ両端からスライダーが抜けます。各テープの最後の歯の先にある小さな金属の上止めが枝に入り、進行を止めます。下では一つの下止めが最初の歯より下で両テープをつなぎ、それ以上開かなくします。Sundback の特許にも、片端で「スライダーに入り、互いに当たって閉じる動きを制限する」止め具と、反対端でストリンガーをつなぐリンクがあります。

引き手は上面の小さな柱、ブリッジにぶら下がっています。特許には「操作用テープまたは弓形部品を通せる輪」があります。モデルでも実物と同じように引く方向へ回り、離すと倒れます。

後ろで開く理由

スライダーの後ろで開いても、必ずしも歯が折れているとは限りません。歯を結合するのはスライダーなので、通路の摩耗や変形によって押し合わせる力が足りなくなると、歯がすべて無傷でもかみ合いません。

「スライダーの摩耗」を有効にして上げると、細い出口が広すぎるため列が十分に押し寄せられず、頭が並んだまま出てきます。突起はくぼみの中ではなく外に乗っています。保持するものがないので後ろが開いたままになり、かみ合った歯の表示も増えません。

家庭では、小さなペンチで後部をほんの少し締める修理がよく行われます。小さな鋳物なので割れないよう慎重にします。単に動きが重い場合、YKK カタログは無理に動かすと誤ってかみ合うと注意しています。代わりに歯の両面にパラフィンかろうを塗り、往復させます。

モデルの 7 種類

金属式は最も古く、Sundback が特許を取った種類です。YKK カタログは現在、金属、コイル、樹脂成形（YKK では VISLON）の 3 系統に分類します。「種類」と実験室のボタンで切り替えます。すべて同じスライダーと歯列配置を使い、原理は変わりません。

コイル。 個別の歯の代わりに、ポリエステルかナイロンの糸を各テープの縁にらせん状に巻きます。一巻きごとに頭ができ、左右の頭が金属製と同じようにかみ合います。カタログでは 3 種類で最も柔らかいとされます。曲がりやすいため、モデルでは曲線を通るテント入口にも使っています。YKK 年表には 1952 年にナイロン製が登場します。

樹脂成形。 歯をテープに直接射出成形します。カタログでは素材はポリアセタール（POM）で、同サイズの金属製より軽量です。歯は厚く、芯ひも上の高いブロックと幅広く浅いカップを持ちます。YKK は 1961 年に Delrin ファスナーとして発売しました。

コンシール。 コイルを覆うようにテープを折り返して縫います。表には歯ではなく二つの折り返し縁が見えます。YKK 年表の CONCEAL は 1958 年で、生地の外観を分断しないためドレスやスカート向けとされています。「内部を見る」で折り返しを透かせます。

防水。 コイルを裏側にして使うこともできます。YKK の AquaGuard はこれを標準とし、テープにポリウレタンフィルムを貼っています。中央で接する二つの縁が縫い目を覆います。別構造の PROSEAL はゴムか樹脂テープ上の洋白の歯を密着させ、水と空気を遮断します。対応水圧は 0.2 から 1.0 bar で、気密試験は 15 秒間気泡が出なければ合格です。

ダブルスライダー。 カタログには頭合わせと尻合わせがあり、モデルは後者です。上側は通常どおり、下側は広い端を下向きにして取り付けます。下から押し上げるとその下のチェーンが開き、二つの間は閉じたままです。どちらもドラッグでき、「下側スライダー」でも操作できます。

オープン。 ジャケットは左右を完全に分けるため下止めがありません。カタログの部品名では片側に箱と箱棒、もう片側に蝶棒があります。スライダーを箱に載せ、蝶棒をスライダー経由で箱に差すと歯列がそろい、動き始められます。手順は箱まで下げ、蝶棒を最後まで差し、蝶棒側を持って上げます。「蝶棒」で抜き差しできます。

サイズ番号はチェーン幅

番号は任意の型番ではありません。YKK カタログは JIS S 2015:2019 に沿って、かみ合った歯の幅で区分します。No. 3 は軽量（4.0 から 5.5 mm）、No. 5 は中量（5.5 から 7.0 mm）、No. 8 は中重量（7.0 から 8.5 mm）、No. 10 は重量（8.5 から 12.0 mm）です。実験室の表で確認できます。

強度も規定されています。化学繊維テープの中量金属・樹脂製は横引き 300 N、コイルは 450 N に耐える必要があります。No. 5 金属製のロックした金属スライダーは、動くまでに 40 N に耐えます。モデルの No. 5 は区分内の 6.6 mm です。「サイズ」では全体を拡縮し、各区分内の 4.8、6.6、7.8、10 mm にします。

生地との釣り合いも重要です。カタログには、厚い生地に No. 3 を使って下部が破損した例があり、厚手には No. 4 以上と回答しています。

閉じたまま保つしくみ

初期にはロックがなく、YKK は歩行中に重力でスライダーが下がり、衣服が開く問題を説明しています。自動ロック式では、引き手を離すと内部の小さなピンが歯の間に落ち、動きを止めます。引き手を持って引くとピンが上がります。ジーンズ用のセミオートマチック式は引き手を平らに押すとロックします。ピンロック式は引き手裏側のピンを歯に押し込みます。

モデルの「ロックピン」ではブリッジ下のピンを示します。「左右に引く」を有効にしてロックを外すと、生地の張力がスライダーを押し下げ、前開きが自然に開く様子を再現します。YKK Asia はロックなしの主な用途を、自由に動く必要があるかばん類としています。

故障の起こり方

実験室の各ボタンで故障を設定できます。その多くはカタログの問題と対策の一覧に説明があります。

• 斜め引き。 コンシールを斜めに上げると歯が変形してかみ合わず、無理に引くと破損すると注意されています。モデルでは 12° 超（モデル値）で後ろの列が開きます。まっすぐに戻し、開いた列より下まで下げて上げ直すと修復できます。
• 歯の欠損。 隣の歯を保持する相手がなくなります。欠損部がスライダーより下にあり、生地が横に引くと、そこで開きます。課題では、保持できる停止位置を考えます。
• スライダーの摩耗。 前述のように、列が並んだまま、かみ合わずに出てきます。
• 蝶棒の差し込み不足。 細いコイルのオープン式では、半分だけ入れた状態でも無理に上げられ、下部が破損します。
• バッグの詰めすぎ。 無理に閉じると歯やテープが壊れます。先に中身を減らして左右を寄せます。
• 生地のかみ込み。 生地をそっと出しながら、スライダーを逆向きへ静かに動かします。
• 熱と化学物質。 アイロンの上限はコイル・コンシール 160 °C、編みテープの FLATKNIT 150 °C、樹脂成形 VISLON 130 °C です。輪ゴムの硫黄は歯を腐食させます。ニッケルを含むスライダーもあり、肌に触れる用途にはニッケルフリー部品があります。

空気を閉じ込めるファスナー

与圧服は特に厳しい用途です。NASA の資料では、B.F. Goodrich 製海軍飛行服を改造した Project Mercury の服は、着用の最後に入口のファスナーを閉じ、補強材をスライダー上で留めました。National Air and Space Museum 所蔵の Apollo 向け Mark V 案は、胴体に斜めのファスナーがありましたが、宇宙飛行士 3 人が横に並ぶには幅が広すぎました。

ASME の資料によると Apollo の胴体には二重の閉鎖部があり、内側の気密ファスナーが酸素を保ち、外側のスライドファスナーが荷重を受け、気密部に負荷を掛けませんでした。NASA の Shuttle 宇宙服の論文では、内側の寿命は約 50 回の開閉で、各飛行服は打ち上げ前に約 3 回交換したとされます。Shuttle では上下の胴体をつなぐ金属リングに置き換えました。

「縫い付け先」では、ジャケット、バッグ、テント入口、白い宇宙服、ジーンズを選べます。生地はファスナーと同じ縮尺のテクスチャで、特定の実物の再現ではなく、テープの位置を示します。

実物との違い

実物には多少の遊びがあります。1917 年の特許では各歯は小さなカップで、外面が隣のくぼみに収まります。横に曲げても互いに接触しない寸法比で突起とくぼみを作ります。モデルの歯は剛体なので、実物より少し大きく列を曲げて余地を作ります。

テープはコードで描いた織物のテクスチャで、台の上で平らなままです。実物は衣服に縫われ、歯を横に引きます。これも摩耗したスライダーから開きが広がる理由です。モデルの本体は単純な板で構成しますが、実物は内部形状がより滑らかに変化する一体鋳物です。

コイルと樹脂成形は独自の歯形を持ちますが、金属と同じ列配置なので間隔はモデル上の選択です。コンシールの折り返し、防水フィルム、生地はテープ縁に沿う面です。下側スライダーは、くさびが歯に食い込まないよう下端から 18.6 mm より下へ行けません。実物では下止めにもっと近づきます。

フック式からフックのない留め具へ

Chicago の Whitcomb Judson は 1893 年 8 月 29 日に「靴の留め具」と「靴の留め具を開閉する装置」の二つの特許を取得しました。Lemelson-MIT Program によると試作品は「頻繁に詰まった」ものの動作し、共同事業者 Lewis Walker と自分たちの長靴に縫い付けました。同年の Chicago 万国博覧会で展示しましたが、ほとんど注目されませんでした。カップではなくフックと輪を使い、衣服でなく靴ひもの代用品を目指していました。

Judson と Walker の会社は 1906 年にスウェーデン人技師 Gideon Sundback を雇いました。改良による信頼性の高い版を Lemelson は 1913 年としています。上述の分離式留め具は 1914 年 8 月 27 日出願、1917 年 3 月 20 日成立の米国特許 1,219,881 で、Pennsylvania 州 Meadville の Hookless Fastener Company に譲渡されました。National Inventors Hall of Fame は、特殊な Y 字断面線材から歯を切り、テープにかしめる製造機も Sundback の功績としています。

名前は後から生まれました。B. F. Goodrich Company は 1923 年にゴムのオーバーシューズへ採用し、音から zipper と呼びました。Smithsonian の National Museum of American History には Goodrich Zipper 長靴の実物があり、金属と布製の 12 × 1 インチの特許模型も American Enterprise 展で公開されています。衣服への普及は、男性のズボン前開きでボタンに代わった 1930 年代まで待つ必要がありました。

Tokyo では Tadao Yoshida が 1934 年 1 月に San-S Shokai を設立して製造販売を始め、1946 年に YKK 商標を登録しました。YKK 年表には、1952 年のナイロン、1958 年の CONCEAL、1961 年の Delrin（現 VISLON）、1983 年の水密・気密製品（現 PROSEAL）が続きます。同社によれば現在の年間生産量は 300 万 km 超で、日本だけでも登録製品は 100,000 種類を超えます。