温度による材料の伸び縮み

質問

ミクロンオーダの精密な試料位置制御が必要な機械を設計しています。
以下の「棒」の材料はどのような特性が大切かを教えていただきたいのです。

直径30mmφ程度、長さ200mm程度の棒を水平保持して、棒の先に試料を保持し、ミクロンオーダで試料位置を固定したいのです。
この場合、温度によって棒が伸び縮みすることにより試料の位置変化がおきてしまいます。
熱膨張係数が比較的小さいアルミナセラミクスでも、変形に対する棒の硬さを無視した場合、1℃程度棒の上面と下面で変化すると1ミクロン程度試料が動いてしまいます（計算があっていれば・・・）。

もちろん温度制御も重要ですなのですが、棒に要求される材料特性として

（熱膨張係数が低いもの）は当然だと思いますが、
（熱伝導率も高い）方が良いでしょうか。

熱伝導率が高い方が棒の温度ムラがなくなると考えたのですがいかがでしょうか。

また、このような情報が掲載されているサイトや会社などがございましたら教えていただけないでしょうか。

宜しくお願いします。

回答No.3

tance · ベストアンサー

tanceです。

温度分布を考えると金属が有利ですが、下記など参考にしてください。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%90%E3%83%BC

こんなのもあります。

http://www.cvimgkk.com/products/01_kougaku/guide/4/4material_10.html

よほど強烈な輻射熱などがない限り、φ20くらいの棒の上下で１℃
の温度差はでないと思いますよ。真空中ですか？

やはり振動が怖いですね。

棒だけでなく、何に対する安定性かも重要です。相対的な位置
だとするとどちらも安定でなくてはなりません。
ただ、１ミクロンというと、何か対策すれば何とかなるレベルです。
（もちろん200mmに対しての話）0.1ミクロンだとちょっと世界が
変わります。

お礼

何度も恐れ入ります。
スーパーインバー、ゼロデュアーともに魅力的な材料です。
自分の無知が恥ずかしい限りです。
特にmgkkのサイトは私にとって非常に参考になります。

真空中ではないのですが試料の冷却（50K以下）が必要で、その冷却による熱塊が周囲に及ぼす影響が曲者です・・・。
その場合、上下１℃の違いというのも現実的かと思います。

熱膨張率を小さくすることと熱伝導率が高いこと、長短を考えて選択をしようと思います。

振動減は試料周辺にはございません。
床からの振動も1E-3 ミクロン程度なので影響ないかと思っています。

最終的には0.1ミクロン精度まで持っていければうれしいですのでこれを取っ掛かりにチャレンジしてみようと思います。

本当にありがとうございました。本当はお会いして色々とお話をお伺いしてみたいところですが・・・。
頑張ってみます。

回答No.4

tance

再度tanceです。

50Kですか。これはちょっと検討を要する温度ですね。

しつこいようですが、振動は安心できるとは限らないと見ます。
共振は振幅を1000倍くらい増幅する作用があります。場合に
よると10000倍にもなることがあるので注意してください。
解決策は特定の周波数で共振しないように共振点をバラすか
ダンピングでエネルギーを吸収してしまうことです。

低熱膨張の材料も常温の熱膨張率が小さいだけ、ということが
あるので50Kのデータがなかったり、ちっとも低熱膨張率では
なかったりします。

やりがいのあるテーマだと思うので頑張ってください。

お礼

そういえば・・・。
50K付近の温度領域における熱膨張係数がどうなっているかが最重要ですね。
しっかり調査いたします。

床からの振動は架台のダンパーで減衰させれば1/10程度には出来そうなので心配していませんが、架台上の振動源の洗い出しを含め再検討してみます。
モータの励磁もミクロンオーダだとシビアに考えなければいけないでしょうか。

激励、ありがとうございます。

回答No.2

tance

どの方向の位置精度が重要なのかにもよりますが、温度分布を
問題にするのなら、熱伝導率の良いものを使うことが重要です。
それより、発熱部分があるのかどうか、絶対位置が問題なのか
相対位置だけが問題なのか、再現性が良ければOKなのか・・・
と、いろいろな考え方があります。

200mmで1ミクロンを問題にするのなら、温度は±1℃はラフ
過ぎませんか？本当に精度が必要な機器では実際に±0.002℃
くらいに抑えている機械もあります。温度を管理する方が
安上がりかもしれない、ということも考慮してみてください。

また、細長い棒ですから振動も気になります。共振すると
始末に負えないでしょう。テーパ状の棒にすると共振が
抑えられます。

さらに、根本にピエゾアクチュエータか何かをつけて、熱膨張を
補正する方法もあります。精度の良い位置センサと安定な
保持方法が得られれば、これは何かと自由度が上がる方法です。

もちろん熱膨張率の極端に小さい金属やガラスもあります。
たくさんある選択肢のなかからどれを選ぶかが「設計」です。
他の条件を考え合わせて結論をだすと良いでしょう。

お礼

私のあいまいな質問に対して大変具体的で分かりやすい回答をありがとうございます。

試料は絶対位置が止まっている必要があり、それが満たされれば再現性は必要ありません。

試料周囲の温度制御が大変難しいですが、0.002℃という精度での温度制御も可能なのですね。大変参考になりました。
現状で温度制御は±0.1℃くらいにはしたいと考えているのですが、制御したい空間体積が大きいため、安く精度を上げるのが難しいかと思っています。熱源がたくさん周囲にあり、それらが必要不可欠なものでして・・・。

次に保持している棒の材質で何とかならないかなぁと考えました。
やはり熱伝導率が温度分布をそろえるには重要なのですね。

最終的にはtanceさんのおっしゃるとおりアクティブにフィードバックをかけることが落としどころなのかも知れません。

棒の材質→温度制御→ピエゾフィードバック

の順に検討を進めてみようと考えました。
的確なアドバイス本当にありがとうございました。

回答No.1

noname#160321

材質はともかく、長さの方はキーエンス様に聞いて下さい。
http://www.keyence.co.jp/
だいたい、原子間力顕微鏡でnm単位の測定をしているというのに、μmの変位で悩むというのは百年前の話ですか？

補足

アドバイスありがとうございます。
おっしゃる通り、測定機器の分解能はいまやすばらしいですね。
が、変位を計測することについて悩んでいるのではなくそれを制御する方法について悩んでいます。