微細部品はどう測るか:三次元測定機、光学測定、画像測定による検査
大きな部品では、測定は工程の最後に行う確認です。微細部品では、それが最も難しい工程であることが多くあります。0.4 mmの穴に±0.005 mmの公差が付くと、拡大しなければはっきり見えない形状に10 μmの幅が設定されることになります。このガイドでは、微細加工部品の検査に使われる方法、その限界、生産前にメーカーと合意すべき事項を説明します。内容は、微細ミーリングと旋削における形状サイズと公差のガイドを土台にしています。
微細部品で検査が難しい理由
小さな部品の測定が異なる理由は4つあります。
公差が測定方法の不確かさに近い。 よい工場用マイクロメータの精度は約1〜2 μmです。±0.02 mmには十分で、±0.005 mmでは限界ぎりぎり、±0.002 mmでは役に立ちません。
接触力で部品がたわむ。 三次元測定機のプローブが0.15 mmの壁やPEEKの形状を押すと、公差以上に動いてしまうことがあります。そうなると、測定値は押す強さに左右されます。
形状に届きにくい。 0.3 mmの穴には1 mmのスタイラスは入りません。幅より深い溝は、底のエッジがカメラから見えません。
汚れとバリが公差と同じ大きさ。 切りくず1つ、数ミクロンのバリ1つで、読み取り値が変わります。微細部品は、測定の後ではなく測定の前に、洗浄とバリ取りを済ませる必要があります。
測定方法と適した形状
微細加工メーカーは通常、複数の方法を組み合わせます。表は、各方法がどの種類の形状に適しているかを示します。
| 方法 | 一般的な形状 | 接触 | 一般的な分解能 | 限界 |
|---|---|---|---|---|
| 小径スタイラスの三次元測定機 | 穴、位置、平面度、基準 | あり | 0.1〜1 μm | スタイラスのサイズ、接触力 |
| 微小三次元測定機 | 非常に小さな穴と3D形状 | 非常に小さい力 | 0.1 μm未満 | 費用、速度、保有メーカーが少ない |
| 画像・光学測定システム | 輪郭、穴径、溝幅、2Dでの位置 | なし | 0.5〜2 μm | エッジ検出、深さ |
| 測定顕微鏡 | エッジ、バリ、半径、ねじ形状 | なし | 約1 μm | ほぼ2D、作業者に依存 |
| ピンゲージとリングゲージ | 穴と軸のサイズ、通り止まり | あり | 等級による | サイズのみで形状は不可 |
| エアマイクロメータ | 量産での穴径 | なし | 1 μm未満 | サイズごとにマスタが必要 |
| 触針式または光学式の粗さ測定機 | 表面粗さのRa、Rz | あり/なし | ナノメートル領域 | 小さな形状へのアクセス |
数値は目安となる一般的なもので、装置の仕様ではありません。
小径スタイラスの三次元測定機は、3D形状と基準の主力です。ルビーまたはルビー類似のスタイラス先端は、通常の使用で0.3 mm程度まで、特殊なシステムではさらに小さくなります。測定戦略が重要です。何点測るか、スキャン速度、部品の固定方法で結果が変わります。
画像測定システムは、カメラと校正された光学系でシルエットとエッジを測ります。高速で非接触、平らな部品、旋削形状、一方向から見える穴パターンに適しています。深さや、バリや丸みのあるエッジは苦手です。ソフトウェアがエッジの位置を判断しなければならないためです。
測定顕微鏡は、エッジの状態を調べる標準的な道具です。「10倍でバリなし」のような図面注記は、この方法でしか確認できません。
ゲージは、量産でサイズを確認する最も速い方法のままです。⌀0.400 mmの穴は、通り側と止まり側のピンで数秒で確認できます。ゲージは真円度や位置について何も語らないため、三次元測定機に取って代わるのではなく、補完するものです。
測定の不確かさと10対1の経験則
どの測定にも不確かさがあります。公差が意味を持つには、不確かさが公差幅のわずかな部分である必要があります。
| 図面の公差 | 公差幅 | 方法に必要な精度(10:1) | よく許容される最低水準(4:1) |
|---|---|---|---|
| ±0.02 mm | 40 μm | 4 μm | 10 μm |
| ±0.01 mm | 20 μm | 2 μm | 5 μm |
| ±0.005 mm | 10 μm | 1 μm | 2.5 μm |
| ±0.002 mm | 4 μm | 0.4 μm | 1 μm |
経験則上の比率であり、規格上の要件ではありません。
この表は、±0.005 mmが選定した形状の公差である理由を説明しています。これを適切に確認するには約1 μmの精度の方法が必要で、それはよく保守された三次元測定機か画像測定機を管理された室内で使うことを意味し、工場の現場の手工具ではありません。
温度と清浄度
寸法は、ISO 1の基準温度20 °Cで定義されます。微細部品では、部品自体の熱膨張は小さく、5 mmのステンレス部品でも1度あたり約0.1 μmしか伸びません。より大きな問題は測定機器と治具、そして、温かい機械から持ってきた部品が、落ち着いた部品とは異なる値を示すことがある点です。
微細加工メーカーでの望ましい運用は次のとおりです。
- 温度管理された部屋で、通常は20 ± 1 °Cで測定する。
- 測定前に部品を安定させる。
- 検査前に部品を超音波洗浄し、乾燥させる。
- 測定前にバリ取りを行い、エッジの状態は別に検査する。
- 部品はピンセットや真空ピックアップで扱い、決して指で触れない。
バリとエッジ状態の検査
バリは微細部品が不合格になる最も一般的な理由であり、図面で最も定義されないままになりやすい項目でもあります。20 μmのバリは目に見えませんが、0.3 mmの横穴をふさいだり、相手側の穴を傷つけたり、医療機器の内部で脱落したりすることがあります。
エッジの状態は光学的に、通常は実体顕微鏡か測定顕微鏡で、指定した倍率で検査されます。図面または発注書では、次の3点を定義してください。
- 要件。 たとえば「バリなし」、「エッジ面取り0.01〜0.03 mm」、「鋭いエッジ、0.01 mmを超えるバリなし」などです。
- 倍率。 一般的な部品では10倍、医療用や流体用の部品では20〜40倍がよく使われます。何をバリとみなすかは、どれだけ近くで見るかによって変わります。
- 適用範囲。 すべてのエッジか、横穴の出口、シール面、ねじの始まりなど機能上のエッジだけかです。
| 図面のエッジ要件 | 一般的な検査方法 | 一般的なバリ取り方法 |
|---|---|---|
| 10倍でバリなし | 実体顕微鏡、ロットごとに抜き取り | ブラッシング、振動仕上げ |
| 20〜40倍でバリなし | 測定顕微鏡、重要なエッジは全数のことが多い | 顕微鏡下の手作業バリ取り、電解 |
| エッジ面取り0.01〜0.03 mm | 測定顕微鏡または画像測定システム | プログラムでの制御された面取り、砥粒 |
| 鋭いエッジ、バリなし | 顕微鏡、抜き取り | 加工方法の工夫、内側コーナーには放電加工 |
一般的な方法であり、規格ではありません。
バリ取りの方法は寸法にも影響します。砥粒や電解のプロセスは、表面とエッジから数ミクロンを除去します。形状に±0.005 mmの公差が付いている場合、バリ取り工程は後付けではなく、測定される工程の一部でなければなりません。
生産前にメーカーと合意すべきこと
微細部品の検査をめぐる争いの多くは、書き留められなかった思い込みから始まります。次の点を、RFQまたは発注時に合意してください。
- 重要な形状ごとの方法。 たとえば「穴⌀0.40 H7はピンゲージで測定、位置は三次元測定機で測定」です。
- 基準と固定方法。 測定時の部品の保持方法です。とくに、薄い部品や樹脂部品では重要です。
- 抜き取り計画。 すべての形状で初品を確認し、その後は重要な形状をロットごとに抜き取るか、1つの形状だけ全数にするかです。
- エッジの状態と倍率。 「10倍で目に見えるバリなし」は検査できます。「バリなし」だけでは検査できません。
- 表面仕上げのパラメータと測定する場所。 幅0.3 mmの溝のRaは、そもそも測定できないかもしれません。
- 報告書の形式。 初品検査報告書のレイアウト、測定値と合否のどちらを記録するか、生データが必要かどうかです。
- 材料と適合の書類。 ロットまでトレースできる材料証明書と、適合証明書です。
検査が価格に表れる仕組み
公差の厳しい微細部品では、検査に加工と同じ時間がかかることがあります。40の寸法を持つ部品の初品検査報告書は、三次元測定機で数時間かかることがあります。毎ロット5つの重要な形状を抜き取れば、納品ごとに時間が加わります。これは上乗せではなく、部品が正しいと確認するためのコストです。微細加工部品の費用に関するガイドでは、検査が段取りやサイクルタイムとどう関わるかを説明しています。
仮の例を挙げます。医療分野の発注者が、2,000個の小型ハウジングで8つの形状を三次元測定機で全数検査するよう求めたとします。1個あたり約4分とすると、三次元測定機の時間は130時間を超えます。2つの機能穴をピンゲージで全数検査し、残りは抜き取り計画に切り替えれば、機能を守りながら、検査を何分の1かに減らせます。
適した測定室を持つメーカーを選ぶ
微細加工メーカーを比較するときは、設備一覧と同じくらい、測定室が多くを語ります。どの三次元測定機または画像測定システムを使っているか、どのスタイラスサイズがあるか、管理された室内で測定しているかを尋ね、検査報告書のサンプルを見せてもらってください。そのほかに尋ねるべき項目は、微細加工の発注ガイドに挙げています。
Micropartzは、各RFQを測定能力が公差に合う最大3社のメーカーとマッチングし、24営業時間以内にご返信します。一般的な公差と検査の値は公差と材料のリファレンスにあります。図面のご準備ができましたら、RFQを送信し、最も厳しい公差と、どのように測定されることを想定しているかを記載してください。
よくあるご質問
通常の三次元測定機で微細部品を測れますか。
多くの形状では、小径のスタイラスを装着し、部品を変形させずに固定できれば測定できます。先端が0.3 mm程度までのスタイラスなら、小さな穴にも届きます。それ以下の形状や、薄い・柔らかい形状には、画像測定機や専用の微小三次元測定機が使われます。
測定における「10対1の経験則」とは何ですか。
測定システムは公差幅のおよそ10分の1まで分解でき、その精度を持つべきだとするのが一般的な経験則です。±0.005 mmの公差では幅が10 μmなので、方法は約1 μmの精度が必要です。多くの品質システムでは、最低でも4対1の比率を許容しています。
微細部品では全数検査を求めるべきですか。
本当に重要な形状で、数量が少ない場合に限ります。数千個の微細部品で複数の形状を全数検査するのは、時間もかかり費用も高くなります。初品検査報告書に加え、重要な形状の抜き取り計画とするのが一般的です。
微細加工メーカーはどのような書類を提供すべきですか。
一般的には、最初の部品の初品検査報告書、適合証明書、ヒートまたはロットまでトレースできる材料証明書です。規制のある業界では、各ロットの重要な形状の測定記録も加わります。
参照した規格・資料
- ISO 10360 series, Acceptance and reverification tests for coordinate measuring systems
- ISO 21920-2:2021, Surface texture: profile, terms, definitions and parameters
- Wikipedia: Coordinate-measuring machine
このガイドの数値は、目安となる一般的な値です。実際の値は、図面、材料証明書、マッチングしたメーカーによって決まります。