精密測定と測定器の温度特性についての考察

これについて少々補足します。ここでの主張は、「温度特性」の無視ではなく、「計測器の温度特性による誤差は、計測環境を適切に管理していれば軽視できる」、という主張が今回のメインテーマです。

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測定誤差はなぜ生まれる？高精度で測定するための注意点

長さ、角度、重さ…など、あらゆる種類の測定において、どんなに高精度な機器を用いたとしても測定誤差は必ず発生します。 本記事では、測定誤差が生まれる要因とその種類、可能な限り高精度で測定するための注意点などについて解説します。

簡単にいいますと、部材の熱膨張による影響を指します。温度が上昇すれば部材が膨張し、下降すれば収縮します。これにより、筐体の金属、樹脂やゴムに微妙な歪みが生じれば、当然、個々の測定器の結果にも影響が出ることが予想できます。

測定器の温度特性は、弊社の場合、一例として以下のようにご案内しています。

　　Smart LPS 1D H810シリーズの温度特性：0.01% of F.S./℃　　

—  H810-15R-080SA/WA（測定レンジ±15 ｍｍ） : ±３μｍ/℃  —

—  H810-40R-150SA/WA（測定レンジ±40 ｍｍ） : ±８μｍ/℃  —

これらは、1℃の温度差で±３ μｍや±８ μｍの誤差が出ることを意味します。因みに、基準温度は２３℃です。

これらの数字を一見すると、このような誤差は大きな問題に思えるかもしれません。しかし、そもそも、数 μmの誤差が問題になる測定において、内部温度が測定中に１℃上昇することがあってはならないのです。たとえば、とある品質検査の計測時間が１回６０秒と仮定して、その単位時間内で測定器の内部温度を１℃上昇させるには、周辺気温の急上昇や、何らかの高熱源体が隣接するなど、異常で設計の想定外な環境であると思われます。

「温度特性が小さい測定器ほど、よい測定器である」とは単純に言えません。取り付け方法ひとつで温度特性は変わるため、現実問題として、「±８μｍ/℃」という数値だけで測定器の良し悪しを判断するのは早計です。被測定物自体も温度変化の影響を受けやすいという点を忘れてはならず、精密計測においては、各測定器の性能を発揮できる「測定環境」と「対象物」の温度管理が重要です。

一般的な室内空調環境下で、測定器内部の温度が短時間に1℃上昇することは考えにくいですが、例外的に、レーザモジュールや電源系ICなどの発熱する電子部品を内蔵している場合、電源投入後に３～5℃程度、内部温度が上昇します。弊社では内部温度が安定するまで30分程度の暖機運転を推奨しています。

暖機運転後は、原点復帰と同時に計測器の基準値を取得してください。理想的には、機構側の原点復帰を行うたびに、測定器のゼロリセットも行うべきですが、作業効率の観点から省略されることもあります。その場合でも、測定器内部の温度変化には注意を払い、1℃以上の温度変化があった際には必ず再キャリブレーションを行ってください。

精密測定の現場では、誤差要因を排除する日々の努力が欠かせません。振動対策やレーザ測定器使用時の光害防止、ゴミやホコリの除去に至るまで、あらゆる誤差要因除去対策をされていると思います。

その中で、計測環境の温度安定化も重要な一環です。測定器の温度特性に過剰にこだわるのではなく、それを「統計的な誤差」として認識しつつ、本質的な環境管理に注力することが、精密計測の精度を高める鍵であると言えるでしょう。             

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