技術紹介

三次元形状測定機の材料損傷調査への活用
三谷幸寛 *1

Mitani Yukinori

工業製品は、品質管理のためにさまざまな手法で寸法が測定されている。従来、寸法計測にはノギスやマイクロメータなどが用いられてきたが、最近では、三次元測定機も広く使用されはじめている。本稿では、近年急速に普及が進んでいる非接触式の三次元形状測定機について原理と適用例を説明し、今後の材料損傷調査への展望を紹介する。
キーワード：三次元計測、形状測定、断面プロファイル、材料調査、損傷調査、表面粗さを保持したまま（非破壊）で測定することは難し

1. はじめにい。さらに細断するなどの手間が必要な場合もあ

工業製品は、品質管理のためにさまざまな手法り、その手間に比べて破壊調査をして得られる情で寸法が測定されている。ノギスやマイクロメータ

報は限定されたものであった。近年では、図 1 になどを用いて手作業で寸法を測定することもある

示すように、さまざまな形式の形状測定機が目的が、これらの測定機では 2 点間の距離しか測定でに応じて運用され、短時間かつ損傷を保持したまきないため、複雑な形状の測定対象物を大量かつまで形状測定ができる。プラント部材の摩耗や腐短時間に測定するには、三次元測定機が活用され食の形状なども精度良く測定でき、迅速な保守対ている。三次元測定機は、測定対象を立体的に捉え、策が立てられるようになっている。

高さ、幅、奥行きの三次元の位置情報を得るもの

本稿では、近年急速に普及が進んでいる非接触であり、測定対象の 2 点間の距離を測定するだけ式の三次元形状測定機について原理と適用例を説でなく、さまざまな位置の距離を設計データと比明し、今後の材料損傷調査への展望を紹介する。

較し、平面度、表面粗さ、真円度、断面プロファ

2. 三次元形状測定機（非接触式）についてイルなどを短時間に評価できるという利点をもつ。
一方、メーカの品質管理だけではなく、使用済

2.1 非接触式三次元形状測定機のメリットと種類

み部材の状態確認や、損傷の調査に対しても三次非接触式の三次元形状測定機の最大の特徴は、元測定機は非常に強力なツールである。これまで非破壊で試料の三次元情報が得られることであプラントや工場では、損傷部材の正確な形状を測る。接触式の三次元測定機は、プローブと呼ばれ定することができず、取り外すか破壊するなどしる球体を試料に当てることで XYZ 座標データをて現場から持ち出し、実験室などで測定していた。

取得するため、接触により試料の表面状態を維持部材を実験室に持ち込んだとしても、損傷の状態することが難しい。また、測定対象の走査速度の*1：計測事業部

材料試験部課長

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図1

三次元測定機の分類（2）2.3 レーザ共焦点（コンフォーカル）光学系調整などに習熟を要する。一方、非接触式測定機

レーザ共焦点（コンフォーカル）光学系では、は、試料に接触せず光学的に位置データが得られ試料に均一に光を照射する光学顕微鏡と異なり、るため、急速に普及が進んでいる。
非接触式の三次元形状測定機の多くは光学式で周辺からの散乱光を除外しながら得られるフォーあり、試料の大きさによって装置を使い分ける必

カス画像のコントラストの強弱によって正確な高要がある。各形式の三次元形状測定機の例を表 1

さ情報を得る。コンフォーカル系を用いたレーザに示す。

顕微鏡の原理を図 2 に示す。
コンフォーカル系を用いた顕微鏡は焦点からの2.2 測定原理光のみを検出する。破線で示すように、試料の観本章では、表 1 に示した非接触三次元計測の察箇所が対物レンズのフォーカス位置からずれる

うち、レーザ共焦点光学系および光切断法についと、全ての反射光がピンホールを通過することはて測定原理を説明する。なお、3D スキャンおよできず、一部の反射光のみが検出器に入る。そのび Structure from Motion については、26～29ページため、対物レンズのフォーカス位置からずれた像（1）および別号 で既述しているため割愛する。
表1は観察されず、フォーカス位置だけの観察像のみ

非接触式三次元形状測定機の種類と適用例—

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が得られる。また、フォーカス位置を光軸方向に投影光は点 O の位置に当たって見える。一方、対走査することで試料の三次元情報が得られ、対物象物の表面形状に高さがあるとき、縞投影光は点レンズを高さ方向に駆動させ、最も反射光量の高A の位置に当たって見える。あらかじめカメラ光いフォーカス位置を焦点として、高さ情報と反射軸に対して斜めから光を当てる角度が q と決まっ光量を得ることができ、これに XY 情報を加えるている場合、垂直な面に射影した照明光のゆがみことで、試料の三次元情報を得ることができる。

（OA 間距離）d より、試料の高低差 h は、式（1）レーザ顕微鏡による三次元計測では、測定範囲のように表される。これに XY の座標情報を加えが数 mm であることから、適用できる試料の大きることで、試料の三次元情報を得ることができる。

さは限られるが、測定精度が高いため、減肉が数 µm 程度しか進展しないような摩耗や腐食の定量評価には有効な装置である。

図3 光切断法による三次元測定機（キーエンス社製）（3）

図 2 レーザ共焦点光学系を用いた顕微鏡の原理（4）2.4 光切断法

光切断法による三次元測定では、光源からライン状の光を試料に照射し、反射光をカメラで撮影して画像処理することで三次元情報を得る。
図 3、図 4 に当社が導入した光切断法のキーエンス社製三次元測定機の外観写真および原理を示す。光源より発せられたライン状の縞投影光は、投光レンズにより斜めから試料に照射される。試料の表面に高低差がある場合、試料に対して斜めから光を当てて生じる縞投影画像を真上からカメラで撮影すると、試料の高低に応じてひずみが生
図4じる。また、試料の表面に高低差が無いとき、縞—32—

光三次元測定機（光切断法）の原理

果を示す。シャフトの腐食が軽微な場合や、表面

3. 光切断法の材料調査への適用例

全体が均一に腐食している場合（全面腐食）には、

光切断法による三次元測定機は、表 1 に示す

ノギスでシャフト径を測定し減肉量を容易に推算ようにレーザ顕微鏡よりも測定精度は劣るものできるが、著しく腐食が進展している場合や表面の、測定範囲がレーザ顕微鏡よりも広く（当社装が不均一に腐食された状態（部分腐食）では、ノ置では 75mm 角）、広範囲の評価が可能である。

ギスで正確に径を測定できず、減肉量を推算できまた、短時間で三次元形状データと画像データのない。このような場合には、非接触式の三次元測両方が取得可能であることから、摩耗や摩擦など定機によりシャフト腐食部の断面プロファイルお形状変化によって生じる部品の損傷調査や点検なよび 3D イメージを取得することで詳細な形状をどにも適用されている。以下に光切断法による三把握でき、減肉量を正確に推算でき、次回定期検次元測定機の適用例を紹介する。

査時に比較のためのデータとして活用することが各種プラントや工場で機器や製品が損傷した場できる。

合には、材料表面にキズや打痕などの痕跡が残る

図 7 は使用済みボルト表面の腐食状況を調査ことがある。その場合、損傷部の形状について、した結果を示す。ボルトやナットのねじ底は狭部

非接触式三次元形状測定機を適用することで、表であることから触針式（接触式）の三次元測定機

面の状態を維持したまま損傷部の詳細データを取による形状測定が難しい。これまではボルトのね得することができる。図 5 はブリネル硬さの標

じ山の形状やピッチを調べる際には、ボルトを軸準試料の表面形状（測定後）である。損傷部に残っ方向に切断して断面を観察してきた。しかし、こたキズや打痕など複雑な形状でもこれと同様に、の方法では切断した断面（方位）でしか、形状や形状や深さを明らかにすることで、異物の混入やピッチを測定することができない。そこで非接触摩擦の有無など、損傷原因を特定することができ式の三次元測定機を適用することで、容易に各方る。

位の断面プロファイルを取得することができる。

図 6 は、大型ポンプ用シャフト表面の測定結

図5

また、健全なボルトと腐食したボルトの断面プロ

ブリネル硬さの標準試料表面形状測定例（キズや打痕など複雑な形状にも対応可能）
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ファイルを比較し、ボルトの健全性を評価することができ、測定範囲内であれば繰り返しラインをともできる。

指定して、粗さを取得することができる。また非非接触式の三次元測定機は、表面粗さ測定にも接触式であることから、柔らかい材料の表面粗さ適用できる。図 8 は粗さ測定用の標準試料に非測定が可能となり、柔らかい素材でできた転写材接触式の三次元測定機を適用した例である。同測の表面粗さ測定に使用される。

定では一度に広範囲の三次元データを取得するこ

図6

大型ポンプ用シャフトの腐食状況の調査例

図7

腐食したボルトの健全性評価
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図8

表面粗さ測定例

4. 今後の展開

参考文献

当社では、試料の腐食状況の確認や粗さ測定に、（1） 軽部、長坂：デジタルカメラによる三次元形光切断法による三次元計測を用いている。今後は、

状 計 測 技 術、IIC REVIEW、No.30、2003/10、同測定によって得られる断面プロファイルや 3D

pp.24-28

イメージを、損傷品の破面や損傷部に適用し、よ（2） M. Minsky : U.S. Patent, No.3013467, 1961

りわかりやすい調査報告と対策の提案を行う。

（3） 居波渉：共焦点型偏光顕微鏡の三次元結像特性に関する研究、静岡大学博士論文、2003、
pp.1-107（4） キーエンス製

ワンショット 3D 形状測定機

ユーザーズマニュアル

計測事業部
材料試験部課長

三谷 幸寛
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