公差とは？公差の定義や種類をまとめて解説

機械部品を設計したり、図面を書いたりする際には、公差に対する知識が欠かせません。ここでは公差とは何かや、公差について学ぶ際に必要な情報をまとめて紹介します。

公差とは

公差とは、加工において避けることができない誤差に対し、許容される数値の上限と下限との差（許容範囲）を示したものです。

製造や設計において、すべての部品を完全に理想的な寸法で作ることは現実的ではありません。物理的な寸法や面積、測定値や物理的特性、温度や湿度などの測定値、距離や空間などの値において、性能に影響せず一定の実用的範囲内で変化する余裕を寸法に持たせるため、基準値に対して設定された許容範囲を公差と呼びます。公差の表示は標準値に対する係数、割合（パーセンテージ）、最大偏差、許容値などで記されます。公差で許容範囲を明確に定めることで、部品の品質を保証しながら、コストや製造効率を最適化することができます。

例えば切削などの機械加工で50mmの円柱を削ろうとした場合、ちょうど50mmに仕上げることはできません。ハサミでまっすぐな線の上を切ろうと思っても、微妙な歪みが出てしまうのと同じように、機械にも微妙な誤差が発生するからです。また、温度による素材や機械の膨張、材料の固定の誤差なども関わってきます。そのため「50mmを目指して」加工することはできますが、50mmちょうどに仕上げるのは非常に難しいのです。
そこで設計においては、どこまでの誤差ならば許容できるかを決めています。そして設計図面や加工図面では、設計上許可できる誤差の範囲を「公差」として指定しています。

基本的に誤差は、公差の範囲内で正規分布の形で現れます。加工された製品の寸法をチェックし、この分布のピークが公差の範囲内のどの位置にあるかや、分布の裾野がどのように広がっているかを分析するのは、品質管理を行うためにとても大切です。
公差を定める際には、このような分布から、適切な公差を求めるケースもあります。さらに複数の部品を組み合わせる際には、誤差が積み上がります。しかし公差をそのまま積み上げたのでは、十分な精度が得られなくなってしまいます。そのため誤差の分布を利用し、計算によって新たに公差を求めるのが一般的です。

また、材料を3mmに切ろうとしていれば1mmの誤差は大きく感じますが、3mの材料を切ろうとしている場合には1mmの誤差はあまり気になりません。したがって、材料が大きくなればなるほど、誤差の値も大きくなるのが一般的です。
公差は長さだけでなく、角度や形にも設けられます。

公差の種類

図面における寸法や形状の指示には、さまざまな種類があります。それにともない、公差にも次の4種類があります。

一般公差 – 個々の寸法を一括して指定する許容差
寸法公差 – 長さなどのサイズに関わる許容差（サイズ公差）
幾何公差 – 形状を規定する許容差
はめあい公差 – 穴と対応する軸に対してセットで指定する寸法公差

公差の種類について説明しましょう。

一般公差
一般公差とは加工方法や材料の大きさにより「だいたいこれくらいが標準」といわれる誤差の範囲で、JISによって定められています。普通公差とも呼ばれています。一般公差は加工法と加工される部位の寸法によって変わります。
一般公差は、図面中の寸法に付属させて表記する必要はありません。図枠内の注釈などに「指示なき部位は一般公差とする」などの文言を加えることで、JIS B 0405：1991などに定められた指示なき加工寸法の普通許容差標準が適用されます。また、加工方法や材料によっては一般公差に等級が適用されるケースもあります。詳しくは、一般公差の解説ページをご覧ください。
寸法公差（サイズ公差）
寸法公差とは、図面の中で指示される寸法に適用される公差で、長さ、距離、位置、角度、大きさ、穴径、角の丸みや面取り寸法などがこれに該当します。一般公差とは異なる許容差を指示したい場合に使用します。一般公差と異なって明確な基準がなく、設計者の意図に合わせて任意の数値を指定できますが、加工方法などにより実現可能な範囲があります。
寸法公差には、両側公差と片側公差があります。詳しくは、寸法公差についての解説ページをご覧ください。
また、図面における寸法公差の表記・記入方法についてもご参照ください。
幾何公差
寸法だけでは定義できない誤差の範囲を定めるものに幾何公差があります。例えば2つの穴の中心の位置に誤差の範囲を定めたい場合などに使用します。図面上に寸法などと併せて記載します。詳しくは、幾何公差の解説ページをご覧ください。
はめあい公差
はめあい公差とは、軸と穴に対する精度です。機械では穴と軸の関係は頻繁に使われますが、例えば回転する軸とそれを支える穴や、回転する軸と共に回転するように取り付ける部品など、穴と軸のきつさの関係はそれぞれです。このような関係を「はめあい」といい、目的とするはめあいに応じた公差をはめあい公差とよびます。
はめあいには次の3つの種類があります。
すきまばめ：軸と穴の間にすき間がある関係。鉄板にポルトを通すときのように、簡単に外せるようにする場合や、ピストンなどのように軸が穴の中をスライドする場合に用いられます。
しまりばめ：穴の径よりも軸の径の方がほんの少し大きい関係。穴のある部品を加熱して膨張により穴を広げ、そこに軸を押し込む「焼きばめ」などのように、かなり強い機械的な力を使わなければ、はめることができません。そのためしまりばめの場合、基本的に「圧入」が必要になります。
中間ばめ：すきまばめとしまりばめの中間にあたるはめあいです。ガタつきのない精密な関係になります。

詳しくは、はめあい公差の解説ページをご覧ください。

公差と製造コストの関係性

それでは、このような公差は加工や製造コストにどう影響するのでしょうか。
機械部品を組み合わせる際には、部品同士がガタつきなく組み合わさることや、片方に部品を押し込むなど、より高い精度が求められるケースも少なくありません。このような精度は一般公差では得られません。そのため寸法に対して個別に公差を指示する必要があります。
公差を指示した場合、加工後の寸法が公差内に入っているかどうか確認する必要があります。また、当たり前ですが、高い精度の公差を指示すれば、それだけ加工も難しくなりますし、細かい寸法をチェックするためには、細かい目盛りまで読める測定器具が必要になります。そのため高い精度で公差を求めれば、加工や検査に関わるコストは高くなります。ですから、公差を指示する際には、本当にその公差や精度が必要なのかをしっかりと考えなければいけません。また指示した公差に対する検査方法も併せて考えておく必要があります。

公差設計のメリット

公差を適切に設定することは、製品の品質とコストのバランスを最適化するうえで非常に重要です。公差が厳しすぎると品質は上がる反面、製造コストが上昇し、逆に緩めすぎるとコストは下がりますが、不具合のリスクが高まります。

このようなトレードオフを考慮しながら公差を決定するのが、公差設計の基本的な考え方です。品質を維持しつつコストを削減したり、予算の制約を抑えながら性能を向上させたりと、製品開発の効率化と競争力強化を両立することが大切です。

公差の最適化には、統計的手法や3D CADを活用した解析など、さまざまなアプローチがあります。これらを駆使することで、製品設計の精度を高めるとともにトライ＆エラーの時間を短縮でき、開発スピードと品質の双方を高水準で実現することが可能です。

詳しくは、公差設計のメリット/計算事例に関するページをご覧ください。

材料、加工と寸法公差

寸法公差は、使用する材料や加工方法によって大きく変化します。金属材料と樹脂材料では、同じ加工方法でも達成可能な公差が異なります。切削加工やプレス加工、鋳造といった加工方法も、適切な公差に違いが生じる要素です。

設計者は、選択した材料の特性や採用する加工方法の特徴を十分に理解し、実現可能な公差を設定しなければなりません。材料の熱膨張係数や加工時の熱変形などを考慮した設計が求められます。

製品の品質確保とコスト削減の両立に適切な寸法公差の設定は不可欠です。設計段階から製造部門と緊密に連携し、材料特性や加工技術に関する最新の知見を取り入れましょう。

詳しくは、材料や加工方法による寸法公差の設定についての解説ページをご覧ください。

機械要素と公差

機能や用途に応じて、機械要素ごとに独自の公差等級が設定されている場合があります。例えば、ねじやベアリングなどの標準部品は、JISやISO規格で定められた特定の公差等級に従います。歯車やカム、リンク機構などの複雑な機械要素では、動作精度を確保するために、より厳密な公差管理が求められます。

これらの機械要素には、一般公差とは異なる特殊な公差が適用されるため、設計者はそれぞれの要素に適した公差を正確に理解しておかなければなりません。機械要素の公差を適切に設定すれば、部品の互換性が向上し、組立効率の改善や保守性の向上につながります。

機械全体の性能や信頼性を最適化するためには、個々の要素の公差だけでなく、それらの相互作用も考慮した総合的な公差設計が求められます。

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まとめ

公差とは、加工において避けることができない誤差に対し、許容できる範囲を定めたものです。
公差には一般公差、寸法公差、幾何公差、はめあい公差があります。
設計担当者は、機能に必要な公差を指示するよう意識しましょう。必要があって厳しい公差指示をする場合には、加工担当者に確認を行なってみるといいでしょう。