接触式3Dスキャナを徹底解説！高精度測定の基本から選び方まで

接触式とは？非接触式との違い

接触式3Dスキャナを理解するうえで、まず整理したいのが非接触式3Dスキャナとの違いです。どちらも対象物の形状や座標を取得するための測定方法ですが、測定原理、得意な対象物、測定速度、精度の出し方が異なります。

接触式3Dスキャナは、対象物にプローブを当てて座標を取得します。そのため、寸法検査や幾何公差の評価など、図面に基づいた測定に向いています。一方、非接触式3Dスキャナは、レーザーや構造光などを使って対象物の表面形状を読み取ります。広い面や自由曲面を短時間で取得しやすいため、形状確認やリバースエンジニアリングで使われることが多い方式です。

両者の違いを整理すると、下記のようになります。

ただし、接触式と非接触式はどちらか一方が必ず優れているという関係ではありません。寸法の正確性を重視するなら接触式、取得スピードや形状全体の把握を重視するなら非接触式が向きやすくなります。

測定目的ごとの考え方は、次のように整理できます。

接触式3Dスキャナの基本原理

接触式3Dスキャナは、プローブやスタイラスを対象物に接触させ、その接触点の座標を取得する測定方式です。スタイラスの先端が対象物に触れた位置を機械が読み取り、X軸、Y軸、Z軸の座標データとして記録します。

接触式3Dスキャナの代表的な装置には、三次元測定機、CMM、多関節アーム型の測定機があります。固定式の三次元測定機は、検査室で高精度な寸法測定を行う用途に向いています。一方、多関節アーム型の測定機は、製造現場で対象物の近くまで装置を持ち運び、現物をその場で測定したい場合に使われます。

接触式3Dスキャナの測定方法は、大きく次の2つに分かれます。

接触式3Dスキャナは、対象物に直接触れて測るため、表面の色や光沢の影響を受けにくい点が特徴です。黒色、光沢面、透明体など、光学式の非接触スキャナでは測定しにくい対象物でも、接触式であれば安定して座標を取得できる場合があります。

一方で、接触式3Dスキャナはスタイラスの選定や測定力の調整も重要です。微細形状を測る場合は細いスタイラスが必要になり、柔らかい対象物を測る場合は低測定力のプローブが必要になることがあります。

非接触式との比較ポイント

接触式3Dスキャナと非接触式3Dスキャナを比較する際は、単に精度が高いか低いかだけで判断しないことが重要です。比較すべきポイントは、測定原理、測定速度、対象物の材質、表面状態、必要な検査精度、測定後のデータ活用です。

接触式3Dスキャナは、対象物に直接触れて座標を取得するため、寸法測定や幾何公差検査に向いています。基準面、穴位置、ピッチ、平面度、真円度など、図面上の寸法を正確に評価したい場合に適しています。測定結果の再現性を重視する品質保証部門や検査室では、接触式3Dスキャナが選ばれやすくなります。

一方、非接触式3Dスキャナは、対象物に触れずに広い面を短時間で取得できます。自由曲面、複雑形状、柔らかい素材、触れると変形しやすい対象物を測る場合に向いています。ただし、非接触式3Dスキャナは、黒色、透明、光沢、鏡面などの表面状態によってデータ欠損やノイズが発生する場合があります。

選定時に確認したいポイントは、次の通りです。

接触式は精度と再現性、非接触式は速度と面取得に強みがあります。そのため、重要寸法は接触式で測定し、全体形状は非接触式で取得するように、両方を組み合わせる運用も有効です。

接触式のメリットとデメリット

接触式3Dスキャナには、高精度な寸法測定に向いているという大きなメリットがあります。一方で、対象物に触れて測る方式であるため、測定時間や対象物への接触リスクなどのデメリットもあります。

接触式3Dスキャナのメリットだけを見て導入すると、測定スピードが想定より遅い、対象物にスタイラスが届かない、ワークが変形して正しく測れないといった問題が起こる可能性があります。逆に、接触式3Dスキャナの弱点を理解したうえで導入すれば、寸法検査や品質保証の信頼性を高める設備として活用できます。

高い測定精度と再現性という強み

接触式3Dスキャナの大きな強みは、寸法測定や幾何公差検査で高い精度 and 再現性を出しやすいことです。接触式3Dスキャナは、プローブを対象物に直接当てて座標を取得するため、測定したい位置を明確に指定できます。

たとえば、下記のような項目は接触式3Dスキャナと相性が良い測定対象です。

これらの項目は、基準面や基準穴を正しく設定したうえで評価する必要があります。接触式3Dスキャナは、こうした基準取りを安定して行いやすく、図面に基づいた検査に向いています。

手工具による測定では、測定者ごとの当て方や読み取り方によって結果が変わることがあります。接触式3Dスキャナで測定プログラムを作成すれば、同じ位置を同じ手順で測定しやすくなるため、検査結果の再現性が高まります。

量産品の合否判定を行う現場では、測定結果のばらつきが出出荷判断に直結します。接触式3Dスキャナは、測定結果を安定させたい品質保証部門や、検査基準を標準化したい製造現場にとって有力な選択肢になります。

測定時間の長さや物理的な制約という短所

接触式3Dスキャナには、測定時間が長くなりやすいという短所があります。接触式3Dスキャナは、対象物にプローブを当てて座標を取得するため、広い面を短時間で一気に取得する用途では非接触式3Dスキャナに比べて不利になる場合があります。

特に、点測定を中心に行う場合は、一点ずつ座標を取得するため、測定箇所が多いほど時間がかかります。スキャニング測定に対応した装置であれば連続的にデータを取得できますが、それでも広範囲の面形状を高速に取得する用途では、非接触式の方が向いていることがあります。

接触式3Dスキャナの主な制約は、下記の通りです。

また、接触式3Dスキャナは物理的にプローブを当てる必要があるため、奥まった形状や狭い内部形状を測りにくい場合があります。スタイラスが届かない箇所や、プローブが干渉する箇所では、専用スタイラスや治具の工夫が必要です。

さらに、接触式3Dスキャナは対象物に触れるため、柔らかい素材、薄い部品、フィルム、ゴム、鏡面仕上げの部品などでは注意が必要です。接触によって対象物が変形したり、表面に傷が付いたりする可能性があります。このような場合は、低測定力のプローブを選ぶ、支持治具を使う、非接触式と併用するなどの対策が必要です。

測定精度と規格を理解する

接触式3Dスキャナを選ぶ際は、カタログに記載されている精度の数値を正しく読む必要があります。単に数値が小さいから高性能と判断すると、実際の測定環境や用途に合わない装置を選んでしまう可能性があります。

接触式3Dスキャナの精度を判断する際は、精度、繰り返し精度、分解能、測定不確かさ、校正条件を分けて理解することが重要です。さらに、ISO 10360やJIS B 7440などの規格がどの装置や測定方式を対象にしているかを確認する必要があります。

精度に関する主な用語は、下記のように整理できます。

規格を理解する目的は、規格番号を暗記することではありません。メーカーごとのカタログ値を同じ基準で比較し、見積依頼や検収時に確認すべき条件をそろえることです。

ISO/JIS規格が定める精度表示の見方

接触式3Dスキャナの精度を確認する際に重要なのが、ISO 10360シリーズやJIS B 7440シリーズです。これらの規格は、三次元測定機や多関節アーム型測定機などの性能評価に関係します。

固定式の三次元測定機や接触プロービングシステムでは、ISO 10360-5やJIS B 7440-5が関係します。多関節アーム型の測定機では、ISO 10360-12やJIS B 7440-12が関係します。光学式の3D測定システムと比較する場合は、JIS B 7440-13なども参照対象になります。

接触式3Dスキャナのカタログでは、E0、MPE、長さ測定誤差、容積精度、繰り返し性などの数値が記載されることがあります。これらの数値は、装置タイプや評価条件によって意味が変わります。たとえば、固定式CMMの精度表示と、多関節アーム型測定機の容積精度をそのまま横並びに比較するのは適切ではありません。

精度を比較する際は、下記のポイントを確認してください。

規格準拠という表記だけで判断せず、評価条件まで確認することが大切です。

校正とメンテナンスの重要性

接触式3Dスキャナは、導入した時点の精度がずっと維持されるわけではありません。測定機は使用頻度、設置環境、温度変化、経年劣化、衝撃などの影響を受けるため、定期的な校正とメンテナンスが必要です。

接触式3Dスキャナの精度を維持するためには、メーカー推奨の校正周期を確認し、自社の品質管理体制に合わせて校正計画を立てる必要があります。製造業の品質保証では、測定機が正しい状態で使われていることを証明できる体制が求められます。そのため、校正証明書やトレーサビリティの確認も重要です。

校正やメンテナンスで確認したい項目は、下記の通りです。

また、接触式3Dスキャナは温度管理の影響を受けます。測定機本体や対象物は温度変化によって膨張や収縮を起こすため、高精度な測定では検査室の温度管理や温度補正機能が重要になります。工場現場で使う場合は、振動、粉塵、温度変化への耐性も確認しておく必要があります。

接触式3Dスキャナは、装置本体だけでなく、校正、保守、教育、測定環境まで含めて精度が成立する測定システムです。

接触式スキャナの選び方

接触式スキャナを選ぶ際は、製品ページのスペックだけを見るのではなく、自社の測定目的から逆算して選ぶことが重要です。最初に整理すべきなのは、何を測るのか、どこで測るのか、どの精度が必要なのか、どのくらいの頻度で測るのかという条件です。

接触式スキャナには、固定式の三次元測定機、多関節アーム型、広範囲対応のポータブル機などがあります。それぞれ向いている現場が異なるため、装置タイプを間違えると導入後に使いにくさが出ます。

選定時には、下記の順番で条件を整理すると判断しやすくなります。

ここでは、用途別の考え方と、予算や導入コストの見極め方を整理します。

用途別おすすめ機種例

検査室で量産品の寸法測定や幾何公差検査を行う場合は、固定式の三次元測定機が候補になります。固定式CMMは、安定した環境で高精度な測定を行いやすく、自動測定プログラムを使って検査を標準化しやすい点が強みです。

製造現場で試作品、治具、金型、大型部品をその場で測りたい場合は、多関節アーム型の測定機が候補になります。多関節アーム型は可搬性が高く、対象物を検査室まで運びにくい場合に便利です。

大型構造物や設備、航空機部品、造船部品、橋梁部材などを測る場合は、広範囲対応のポータブル測定機が候補になります。大型物は検査室に持ち込めないことが多いため、現場で測れる測定範囲やセットアップ性を重視する必要があります。

予算と導入コストの見極め方

接触式スキャナを導入する際は、本体価格だけで予算を組むと、導入後に想定外の費用が積み上がることが多いため、運用にかかる総コストを確認する必要があります。産業用の接触式スキャナは個別見積になることが多く、公開価格だけで比較できない場合があります。

導入コストには、下記のような項目が含まれます。

予算を見極める際は、最初に必要精度を明確にしてください。必要以上に高精度な装置を選ぶと、導入費用が大きくなります。一方で、必要精度を満たさない装置を選ぶと、検査結果を合否判定に使えず、再投資が必要になる可能性があります。

接触式スキャナの予算を判断する際は、次の点も確認してください。

接触式スキャナの予算は、安いか高いかではなく、自社の検査目的を満たすために必要な総額で判断することが重要です。

導入前に知っておくべき注意点と準備

接触式3Dスキャナを導入する前には、測定対象、測定環境、運用体制を整理しておく必要があります。装置を購入してから測定条件を考えると、対象物が固定できない、基準面が決まらない、測定プログラムが作れない、データ処理に時間がかかるといった問題が起こりやすくなります。

導入前に確認したい内容は、下記の通りです。

接触式3Dスキャナは、装置単体で成果が出る設備ではありません。対象物の固定、基準設定、測定手順、解析ソフト、レポート出力、校正体制まで含めて運用設計することで、初めて検査業務に定着します。

対象物の固定と基準設定のコツ

接触式3Dスキャナで安定した測定結果を出すためには、対象物の固定と基準設定が重要です。対象物が測定中に動いたり、たわんだりすると、どれだけ高精度な装置を使っても正しい結果は得られません。

まず、対象物をどの向きで固定するかを決めます。図面上の基準面や基準穴を測りやすい向きに配置し、プローブが無理なくアクセスできる状態を作ることが大切です。薄板や樹脂部品など、変形しやすい対象物では、支持治具を使って測定中のたわみを抑える必要があります。

対象物を固定する際のポイントは、次の通りです。

また、基準設定では、どの面を基準面にするか、どの穴を基準穴にするか、どの座標系で測定するかを明確にします。接触式3Dスキャナでは、基準設定がずれると、その後の測定結果全体に影響します。

接触式3Dスキャナの精度は、装置の性能だけでなく、固定方法と基準設定によって大きく左右されます。

データ処理から解析までの流れ

接触式3Dスキャナを導入する際は、測定後のデータ処理まで考えておく必要があります。測定して座標データを取得するだけでは、検査業務としては不十分です。取得したデータをCADデータや図面寸法と照合し、検査結果として使える形に整理する必要があります。

一般的な流れは、下記の通りです。

非接触式3Dスキャナと併用する場合は、接触式で基準面や重要寸法を取得し、非接触式で全体形状を取得する流れが有効です。最終的に、接触データとスキャンデータを同じ座標系で統合し、CADとの差分をカラーマップなどで確認します。

導入前には、次の点も決めておくと運用がスムーズになります。

接触式3Dスキャナは、測定だけでなく、解析とレポート化まで含めて比較する必要があります。

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接触式3Dスキャナは、寸法測定や幾何公差検査に強く、検査結果の再現性を高めたい現場に向いています。一方で、測定時間、接触によるワークへの影響、設置環境、校正体制、ソフトウェアの使いやすさなど、導入前に確認すべきポイントも多くあります。

自社に合う3Dスキャナを選ぶためには、測定対象、必要精度、対象サイズ、使用環境、導入予算、保守体制を総合的に比較することが重要です。検査室で使う固定式CMMが向いている場合もあれば、現場で使える多関節アーム型や、広範囲対応のポータブル機が向いている場合もあります。

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