二段階設計

二段階設計（２ステップ法）は、パラメータ設計の実質的な部分です。品質工学の真骨頂とも言える部分です。

実験計画法を駆使して、パラメータ（条件）を決めます。その点は、実験計画法そのものなのですが、パラメータの決め方が、二段階からできているので、二段階設計と呼ばれます。二段階設計の一段階目が、ロバスト設計という考え方から来ている部分です。

ばらつきを小さくしてから、目的の物性値に動かすという手順です。平均値と標準偏差という言葉を使うなら、標準偏差を小さくできる条件をまず見つけ、それから、平均値が目的の値になるように調整するとも言えます。
品質工学は、「順序が逆だと、品質のばらつきに振り回されることになる」、と提言しています。

設計思想としての二段階設計

設計思想として二段階設計が語られる場合は、「まず、ばらつきが低減できる技術を確立するのだ。平均値を目標値にする技術はその後で良い。」という思想です。

二段階設計は、実験のデータ解析の手順でもあります。

この場合は、まず、ばらつきが低減できる条件を見つけ、ばらつきが低減できる条件に影響が出ないように気を付けながら、平均値を目標値にできる条件を探す方法のことを指します。

実験のデータ解析に二段階設計を組み込むと、実験と解析は下記の流れになります。

図の例は、制御因子がAとBの2つあって、水準はそれぞれ2水準あり、同じ条件の実験を2回ずつ実施した実験の解析です。非常にシンプルな例ですが、様々なパラメータ設計のアイディアの基礎になるものです。

※１　「ばらつき」の計算方法は、解析者が選ぶことができます。品質工学のSN比や、分散、標準偏差があります。

※２　平均値は単に足し合わせるのではなく、平均値の平均値を計算した方が、実験の考察がしやすいと思います。計算の流れが重要なので、このページでは、上記の説明にしています。

※３　このページの表のように、実験結果を２列以上の列を使って、表記する方法は、「直交表の外側配置」と言います。

二段階設計がうまく活用できるのは、一段階目に影響の大きな因子と、二段階目に影響の大きな因子が異なる場合です。

目的の仕様の値を得るために重要な因子が、ばらつきの最大の原因になっている場合は、珍しいことではありません。そんな場合の対応は、ケースバイケースですが、共通して言えそうなのは、製法の根本的な見直しが必要になりそうなことです。