マイクロメーター（装置）

マイクロメータは、マイクロメータねじゲージ（MSG）とも呼ばれ、目盛り付きのねじを組み込んだ装置で、機械工学や機械加工、およびほとんどの機械取引における部品の正確な測定に広く使用されています^{[1] 。}ダイヤル、バーニヤ、デジタルノギスなどの他の計測機器も同様です。マイクロメータは通常、ノギス（フレームで結合された反対側の端）の形をしていますが、常にそうであるとは限りません。スピンドルは非常に正確に機械加工されたねじで、測定対象物はスピンドルとアンビルの間に配置されます。ラチェットノブまたはシンブルを回してスピンドルを動かし、測定対象物がスピンドルとアンビルの両方に軽く触れるまで回転させます。

マイクロメータは望遠鏡や顕微鏡でも使用され、天体や微小物体の見かけの直径を測ります。望遠鏡で使用されるマイクロメータは、1638年頃にイギリスの天文学者ウィリアム・ガスコインによって発明されました。^[2]

マイクロメータという言葉は、ギリシア語のμικρός (ローマ字表記micros  、文字通り「小さい」) とギリシア語のμέτρον (ローマ字表記 metron、文字通り「測定」)からできた新古典主義の造語です。メリアム・ウェブスター大学用辞典によると、^[3]この言葉はフランス語から英語に借用されたもので、英語の文献に初めて登場したのは 1670 年です。当時は、今日知られているようなメートルもマイクロメートル(μm) もマイクロメーター (装置) も存在していませんでした。しかし、当時の人々は小さなものや小さな違いを測定できることを大いに必要とし、興味を持っていました。この言葉は、今日の意味を具体的に指してはいなかったとしても、間違いなくこの努力に関連して造られたものです。   

最初のマイクロメートルねじは、バーニヤの改良版として 17 世紀にウィリアム ガスコインによって発明されました。このねじは、望遠鏡で星間の角度距離や天体の相対的な大きさを測定するために使用されました。

ロンドン科学博物館には「ジェームズ・ワットのマイクロメーターねじ付きエンド測定器、1776年」という展示品があり、同博物館はこれがおそらく最初に作られたねじ式マイクロメーターであると主張している。この器具は、2つの金床の間に対象物を置き、細いマイクロメーターねじを使用して一方を前進させて両方が対象物に接触するようにすることで、非常に正確に測定するものである。その距離は2つの目盛りに正確に記録される。しかし、科学博物館が指摘しているように、この器具はワットによって1776年頃に作られたものではなく、1876年にサウスケンジントンで行われた科学器具の特別貸出展示会に展示されたものである可能性がある。^[4]

ヘンリー・モーズレイは19世紀初頭にベンチマイクロメータを製作したが、これは会社の仕事における測定の正確さと精度の最終判定者であったため、スタッフの間では「法官」という揶揄のあだ名がつけられていた。 ^[5] 1844年、ホイットワースの工房マイクロメータの詳細が出版された。^[6]これは鋳鉄製の頑丈なフレームを持ち、その反対側の端には2つの非常に仕上げのよい鋼鉄製の円筒があり、ねじの作用で縦方向に移動すると説明されている。円筒の接合端は半球形だった。1つのねじには10,000分の1インチまで測定できる目盛りのついたホイールが取り付けられていた。モーズレイの目的は、非常に正確な指示を示しながらも、工房での乱暴な取り扱いによってあまり狂いが生じにくい計器を一般の機械工に提供することだった。

手持ち式マイクロメータネジキャリパーの開発は、1848年にパリのジャン・ローラン・パーマーによって初めて文書化されました。 ^[7]そのため、この装置はフランス語でpalmer 、スペイン語でtornillo de Palmer (「パーマーネジ」)、イタリア語でcalibro Palmer (「パーマーキャリパー」) と呼ばれることがよくあります。 (これらの言語では、マイクロメータの同義語であるmicromètre、micromómetro、micrometroも使用されています。) マイクロメータキャリパーは、1867年にブラウン & シャープによって英語圏の国々で大量市場に導入され、^[8]一般的な機械工場での使用に浸透しました。ブラウン & シャープは、いくつかの以前の装置に触発されており、そのうちの1つはパーマーの設計でした。1888年、エドワード W. モーリーはマイクロメトリック測定の精度を高め、一連の複雑な実験でその正確さを証明しました。

工具室の正確さと精度の文化は、グリボーバル、トゥーサード、ノース、ホール、ホイットニー、コルトなどの互換性の先駆者たちから始まり、モーズレイ、パーマー、ホイットワース、ブラウン、シャープ、プラット、ホイットニー、リーランド、ヨハンソンなどのリーダーたちを通じて継続され、機械時代に成長し、応用科学とテクノロジーを組み合わせる上で重要な部分になりました。20世紀初頭からは、計測科学、化学、物理学（冶金学、運動学/動力学、品質）の知識がなければ、工具や金型の製造、工作機械の構築、エンジニアリングを真に習得することはできなくなりました。

各タイプのマイクロメータ キャリパーには、特定の測定タスク用に特殊なアンビルとスピンドル チップを取り付けることができます。たとえば、アンビルは、ねじ山のセグメントの形、V ブロックの形、または大きなディスクの形にすることができます。

• ユニバーサル マイクロメータ セットには、フラット、球状、スプライン、ディスク、ブレード、ポイント、ナイフエッジなどの交換可能なアンビルが付属しています。ユニバーサル マイクロメータという用語は、フレームにモジュラー コンポーネントがあり、1 つのマイクロメータが外部マイク、深度マイク、ステップ マイクなどとして機能するタイプのマイクロメータを指すこともあります (多くの場合、Mul-T-Anvil や Uni-Mike というブランド名で知られています)。
• ブレードマイクロメータには、対応する狭い先端（ブレード）のセットがあり、たとえば、狭いO リング溝の測定が可能になります。
• ピッチ径マイクロメータ（別名、スレッドマイク）には、ねじ山のピッチ径を測定するための、対応するねじ山形状の先端のセットが付いています。
• リミット マイクには 2 つのアンビルと 2 つのスピンドルがあり、スナップ ゲージのように使用されます。検査対象の部品は、最初のギャップを通過し、2 番目のギャップで停止して初めて仕様内に収まります。2 つのギャップは、許容範囲の上限と下限を正確に反映します。
• ボアマイクロメータは、通常、マイクロメータベースに 3 つのアンビルヘッドを備え、内径を正確に測定するために使用されます。
• チューブマイクロメータには、スピンドルに垂直に配置された円筒形のアンビルがあり、チューブの厚さを測定するために使用されます。
• マイクロメータ ストップは、手動フライス盤のテーブル、旋盤のベッドウェイ、またはその他の工作機械に、単純なストップの代わりに取り付けられるマイクロメータ ヘッドです。これにより、オペレーターはテーブルまたはキャリッジを正確に配置できます。ストップは、キックアウト機構やリミット スイッチを作動させて自動フィード システムを停止するためにも使用できます。
• ボールマイクロメータには、ボール型 (球形) のアンビルがあります。 平らなアンビルとボールアンビルが 1 つずつある場合があり、その場合は、チューブの壁の厚さ、穴から端までの距離、および 1 つのアンビルを丸い表面に対して配置する必要があるその他の距離の測定に使用されます。 チューブマイクロメータとの用途の違いは、チューブではない丸い表面に対して測定できる点ですが、ボールアンビルはチューブマイクロメータほど簡単には小さいチューブには収まらない場合があることです。 1 対のボールを備えたボールマイクロメータは、両側で単一の接線点接触が必要な場合に使用できます。 最も一般的な例は、ねじ山のピッチ径の測定です (これは、円錐アンビルまたは 3 線式法でも行われ、後者は 1 対のボール方式と同様の形状を使用します)。
• ベンチマイクロメータは、精度と精密度が約 0.5 マイクロメートル (1 インチの 2000 万分の 1、機械工の専門用語では「10 分の 5」)、再現性が約 0.25 マイクロメートル (「10 分の 1 の 10 分の 1」) である検査用のツールです。例としては、 Pratt & Whitney Supermicrometer ブランドがあります。
• デジットマイクは、回転する機械的な数字が付いたタイプです。
• デジタルマイクとは、エンコーダーを使用して距離を検出し、その結果をデジタル画面に表示するタイプのマイクです。
• V マイクは、アンビル用の小さな V ブロックを備えた外側マイクです。円の直径を、その周囲に等間隔に配置された 3 点から測定するのに便利です (標準的な外側マイクロメータの 2 点とは異なります)。これが必要になる例としては、3 フルート エンドミルやツイスト ドリルの直径を測定する場合が挙げられます。

マイクロメータは、ねじを使用して、小さな距離^[9]（直接測定するには小さすぎる）を、スケールから読み取るのに十分な大きさのねじの大きな回転に変換します。マイクロメータの精度は、その設計の中核となるねじ形状の精度に由来します。場合によっては、差動ねじです。マイクロメータの基本的な動作原理は次のとおりです。

1. 正確に作られたねじの回転量は、ねじのリード( /ˈliːd/ ) と呼ばれる定数を通じて、特定の軸方向の移動量と直接的かつ正確に相関させることができます (逆も同様)。ねじのリードとは、ねじが 1 回転 (360 ° )したときに軸方向に前進する距離です。(ほとんどのねじ (つまり、すべての一条ねじ) では、リードとピッチは基本的に同じ概念を指します。)
2. 適切なリードとネジの長径により、一定量の軸方向の動きが、結果として生じる円周方向の動きに増幅されます。

たとえば、ねじのリードが 1 mm で、外径 (ここでは外径) が 10 mm の場合、ねじの円周は 10π、つまり約 31.4 mm になります。したがって、軸方向の移動 1 mm は、円周方向の移動 31.4 mm に増幅 (拡大) されます。この増幅により、2 つの類似した測定対象物のサイズの小さな差が、マイクロメータのシンブルの位置の大きな差と相関します。一部のマイクロメータでは、差動ねじ調整器を使用して、1 本のねじで可能なよりもはるかに小さな増分でシンブルを動かすことで、さらに高い精度が得られます。^{[10] [11] [12]}

クラシックスタイルのアナログマイクロメーターでは、シンブルの位置はシンブルとスリーブの目盛りから直接読み取られます (部品の名前については次のセクションを参照してください)。バーニヤ目盛りが付いていることが多く、これにより位置を最小目盛りの何分の一かまで読み取ることができます。デジタルマイクロメーターでは、電子読み取り装置によって長さが計器のLCDにデジタル表示されます。また、数字が「ロールオーバー」する車の走行距離計のような機械式数字バージョンも存在します。

マイクロメータは次のもので構成されています。

マイクロメータは高精度の計測器です。マイクロメータを正しく使用するには、マイクロメータの動作そのものを理解するだけでなく、測定対象物の性質や、計測器と測定対象物との間の力学を理解する必要があります。簡潔にするため、以下の図とテキストでは、特に明記しない限り、測定対象物の長さの変形や定義に関する問題は無視できるものと想定しています。

ヤードポンド法および米国慣用法の測定システム用に目盛りが付けられたマイクロメータのスピンドルは、1 インチあたり 40 のねじ山があるため、スピンドルを 1 回転させると、スリーブ上の隣接する目盛り間の距離に等しい 0.025 インチ (1 ÷ 40 = 0.025) 軸方向に移動します。シンブルの 25 目盛りにより、0.025 インチをさらに分割できるため、シンブルを 1 目盛り回すと、スピンドルは軸方向に 0.001 インチ (0.025 ÷ 25 = 0.001) 移動します。したがって、読み取り値は、スリーブの目盛り上に見える目盛りの数に 25 (各目盛りが表す1000 分の 1 インチの数) を掛け、スリーブ上の軸方向のゼロ ラインと一致するシンブル上の目盛りの数を足して算出されます。結果は、1000 分の 1 インチで表​​された直径になります。袖の4番目の小目盛りの下に1、2、3などの数字が表示され、10000分の1を表すため、簡単に読み取ることができます。

シンブルをねじって、目盛り 2 と 3 つの追加目盛りがスリーブ上で見えるようにし (画像に示すように)、シンブルの目盛り 1 がスリーブの軸線と一致するとします。その場合、読み取り値は 0.2000 + 0.075 + 0.001、つまり 0.276 インチになります。

通常のメートル法マイクロメータのスピンドルは 1 ミリメートルあたり 2 本のねじ山があり、スピンドルは 1 回転すると 0.5 ミリメートル移動します。スリーブの縦線には 1 ミリメートルの目盛りと 0.5 ミリメートルの細目が刻まれています。シンブルには 50 の目盛りがあり、それぞれ 0.01 ミリメートル (1 ミリメートルの 100 分の 1) です。したがって、読み取り値は、スリーブの目盛りに見えるミリメートル目盛りの数と、スリーブの軸線と一致するシンブルの目盛りを足したものになります。

画像に示すように、シンブルがねじ込まれ、スリーブに目盛り 5 と追加の 0.5 の細分が 1 つ見えるようになったとします。スリーブの軸線からの読み取り値は、シンブルの目盛り 28 にほぼ達します。最善の推定値は 27.9 目盛りです。その場合、読み取り値は 5.00 (正確) + 0.5 (正確) + 0.279 (推定) = 5.779 mm (推定) となります。最後の桁は「推定 10 分の 1」であるため、5.780 mm と 5.778 mm はどちらも妥当な読み取り値ですが、前者は 5.78 mm と表記することはできません。そうしないと、有効数字の規則により、機器の実際の精度の 10 分の 1 と表現されます。ただし、測定対象の性質により、結果を機器の能力よりも少ない有効数字に丸める必要がある場合が多いことに注意してください。

一部のマイクロメータには、通常の目盛りに加えて、スリーブにバーニヤ目盛りが付いています。これにより、メートル法のマイクロメータでは 0.001 ミリメートル以内、インチ法のマイクロメータでは 0.0001 インチ以内の測定が可能になります。

これらのマイクロメータの追加桁は、スリーブのバーニヤ目盛り上の線とシンブル上の線が正確に一致するところを見つけることによって得られます。この一致するバーニヤ線の数字が追加桁を表します。

したがって、このタイプのメートル法マイクロメータの読み取り値は、通常のマイクロメータと同様に、ミリメートルの整数値（ある場合）と 100 分の 1 ミリメートルの数値、およびスリーブ バーニヤ スケールの一致するバーニヤ線によって示される 1000 分の 1 ミリメートルの数値です。

たとえば、スリーブで 5.5 ミリメートルを読み取り、次に指ぬきで測定した 0.28 ミリメートルを加えると、5.783 ミリメートルという測定値が得られます。次に、バーニヤを使用して 0.003 を読み取ります (画像を参照)。

インチマイクロメータも同様の方法で読み取られます。

注: 0.01 ミリメートル = 0.000393 インチ、0.002 ミリメートル = 0.000078 インチ (78 百万分の 1)、または 0.0001 インチ = 0.00254 ミリメートルです。したがって、メートル法マイクロメータは、同等のインチ単位マイクロメータよりも小さな測定単位を提供します。通常のインチ読み取りマイクロメータの最小目盛りは 0.001 インチですが、バーニヤ型は 0.0001 インチ (0.00254 mm) まで目盛りがあります。バーニヤなしでメートル法またはインチ法のマイクロメータを使用する場合、目盛り間の視覚的な補間によって、目盛り付きよりも小さい読み取り値を取得できます。

ほとんどのマイクロメーターでは、小さなピンスパナを使用してスリーブをバレルに対して回転させ、ゼロラインをシンブルの目盛りに対して再配置します。通常、スリーブにはスパナのピンを受け入れる小さな穴があります。この校正手順により、ゼロエラー (マイクロメーターのジョーが閉じているときにゼロ以外の値が表示される問題) が解消されます。

標準的な1インチマイクロメータの読み取り目盛りは0.001インチで、定格精度は±0.0001インチです^[15]（機械工用​​語では「10分の1」）。正確な測定を行うには、測定器と測定対象物の両方を室温にする必要があります。汚れ、オペレーターのスキルの問題、測定器の誤用（または乱用）が主な誤差の原因です。^[16]

マイクロメータの精度は、長さが正確にわかっているゲージブロック、^[17]ロッド、または同様の標準を測定することで確認されます。ゲージブロックが 0.75000 ± 0.00005 インチ (「750 プラスマイナス 5000 万分の 1」、つまり「750 プラスマイナス 10 分の 1」) であることがわかっている場合、マイクロメータは 0.7500 インチとして測定する必要があります。マイクロメータが 0.7503 インチを測定した場合、校正がずれています。校正時には、清潔さと低い (ただし一貫した) トルクが特に重要です。10 分の 1 (つまり 1 インチの 10,000 分の 1)、または 100 分の 1 ミリメートルが「重要」であり、それぞれが重要です。ほんの少しの汚れや、少しの過剰な締め付けにより、機器が正しく読み取れるかどうかの真実が不明瞭になります。解決策は、単に誠実さ、つまり清掃、忍耐、十分な注意と配慮、そして繰り返しの測定です (優れた再現性は、校正者にその技術が正しく機能していることを保証します)。

校正では通常、範囲に沿って 3 ～ 5 点の誤差をチェックします。ゼロに調整できるのは 1 点だけです。マイクロメータの状態が良ければ、すべての点がゼロに非常に近いため、機器は範囲全体にわたって基本的に「- オン」で読み取られ、どの位置でも目立った誤差は見られません。対照的に、摩耗したマイクロメータ (または最初から品質の悪いもの) では、スリーブを調整することで、範囲のさまざまな位置のいずれかに誤差を上下に移動させることができ、「範囲の上下に誤差を追跡」できますが、一度にすべての位置から誤差を排除することはできません。

校正には、先端の状態（平坦で平行）、ラチェット、スケールの直線性も含まれます。^[18]平坦度と平行度は通常、光学フラットと呼ばれるゲージで測定されます。光学フラットは、非常に正確に研磨されたガラスまたはプラスチックのディスクで、平らで平行な面を持ち、マイクロメーターのアンビルとスピンドルがこれに当たったときに光の帯を数え、幾何学的な不正確さの量を明らかにすることができます。

民間の機械工場、特に特定のカテゴリの作業（軍事または民間航空宇宙、原子力産業、医療など）を行う工場では、さまざまな標準化団体（ISO、ANSI、ASME、^[19] ASTM、SAE、AIA、米軍など）によって、マイクロメーターやその他のゲージをスケジュールに従って（多くの場合は毎年）校正し、各ゲージにID番号と校正有効期限を記載したラベルを貼り付け、すべてのゲージをID番号で記録し、特定の測定にどのゲージが使用されたかを検査報告書に明記することが義務付けられています。

すべての校正が計測ラボで行われるわけではありません。マイクロメータは、高品質のゲージブロックを測定して調整することで、少なくとも最も基本的かつ重要な方法（包括的ではないにしても）で、いつでも現場で校正できます。毎年校正され、有効期限内にあるゲージであっても、毎日使用する場合は、この方法で 1 か月か 2 か月ごとにチェックする必要があります。通常、調整の必要がないため、問題ないと判断されます。

ゲージブロック自体の精度は、国際メートル原器などのマスター標準器までの比較チェーンを通じて追跡可能です。この金属棒は、国際キログラム原器と同様に、世界の主要な計測標準研究所の 1 つであるフランスの国際度量衡局本部で管理された条件下で保管されています。これらのマスター標準器には、極めて正確な地域コピー ( NISTなど、さまざまな国の国立研究所に保管) があり、計量機器が比較チェーンを形成します。現在、メートルの定義は光の波長に基づいているため、国際メートル原器は以前ほど不可欠ではありません。しかし、このようなマスターゲージは、計量機器の較正と認証に依然として重要です。「NIST 追跡可能」と説明されている機器は、マスターゲージとの比較、および他の機器との比較が、NIST 研究所の機器までの文書チェーンを通じて追跡できることを意味します。このレベルのトレーサビリティを維持するにはある程度の費用がかかるため、NIST トレーサビリティが有効な機器は、NIST トレーサビリティが無効な機器よりも高価です。しかし、最高レベルの品質管理を必要とするアプリケーションでは、コストがかかります。

ゼロ調整とテストが行​​われ、誤差が判明したマイクロメータは、さらに調整することで精度を回復できる場合があります。誤差の原因がマイクロメータの部品の形状やサイズが摩耗したことにある場合、この方法で精度を回復することは不可能であり、修理 (研磨、ラッピング、部品の交換) が必要になります。標準的な種類の機器の場合、実際には、修理するよりも新しいものを購入する方が簡単で早く、多くの場合、費用もかかりません。

• 糸状マイクロメーター
• バーニア目盛り

ウィキメディア・コモンズには、マイクロメーターに関連するメディアがあります。

• エラーゼロのマイクロメータシミュレーター。
• 当該科目の教師と生徒向けのレッスンとクイズを含むファイルを印刷します。
• 1000分の1ミリメートルの外側マイクロメータの読み取りと解釈を練習するためのシミュレータ
• マイクロメーターねじゲージの読み方
• 作り方、マイクロメーター

• https://edu-physics.com/2022/08/02/what-is-zero-positive-and-negative-error-in-a-screw-gauge-physics-practical/
• https://edu-physics.com/2020/08/06/screw-gauge-numericals/