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はかりまたは天秤は、重量または質量を測定するために使用される装置です。これらは、質量はかり、重量はかり、質量天秤、質量計、重量天秤とも呼ばれます。
伝統的な天秤は、支点から等距離に吊り下げられた 2 枚の皿またはボウルで構成されています。一方の皿には質量(または重量)が不明な物体が置かれ、もう一方の皿には質量または重量が既知の物体 (おもり) が加えられ、機械的平衡が達成されて皿が水平になるまで続きます。これは、2 枚の皿の質量が等しくなったときに起こります。理想的な天秤は中立位置で静止します。ばねばかりは、既知のばね定数を使用して質量 (または重量) を測定します。ある質量を吊り下げると、ばね定数 (またはばねの剛性)に応じてばねが一定量伸びます。物体が重いほど、ばねはより大きく伸びます。これはフックの法則で説明されています。異なる物理原理を利用した他のタイプの天秤も存在します。
秤の中には、キログラムなどの質量単位ではなく、ニュートンなどの力（重量）単位で測定できるように校正できるものもあります。多くの製品は質量で販売・包装されるため、秤や天秤は商業において広く利用されています。
天秤は非常に単純な装置であるため、その使用は証拠よりもはるかに古い時代に遡ると考えられます。考古学者が遺物と天秤を結びつけることができたのは、絶対質量を測定するための石のおかげです。天秤自体は、絶対質量よりもずっと前に相対質量を測定するために使用されていたと考えられます。[ 1 ]
秤の存在を示す最も古い証拠は、エジプト第4王朝のスネフェル王の治世（紀元前2600年頃）に発掘されたデベン天秤分銅に遡るが、それ以前の使用も提唱されている。 [ 2 ]質量を示すマークと金を表すエジプト象形文字が刻まれた石が発見されており、エジプトの商人が金の出荷や金鉱山の産出量を記録するために確立された質量測定システムを使用していたことを示唆している。この時代の実際の秤は残っていないが、多くの計量石や天秤の使用を描いた壁画から、広く使用されていたことが示唆される。[ 3 ]
紀元前2400年～1800年頃の例は、 インダス川流域でも発見されている。初期の集落で発見された均一で磨かれた石の立方体は、おそらく天秤の質量設定石として使用されていた。立方体には刻印はないが、その質量は共通の分母の倍数である。立方体は密度が異なる様々な種類の石でできている。明らかに、これらの立方体を彫刻する際に考慮されたのは、大きさやその他の特性ではなく、質量であった。[ 3 ]
中国で発掘された最古の天秤は、紀元前3世紀から4世紀にかけての中国戦国時代の楚の国の墓から出土したもので、湖南省長沙近郊の左家公山にあった。天秤は木製で、青銅製の分銅が使われていた。[ 4 ] [ 5 ]
安価で不正確なビスマル（左右非対称の天秤）[ 6 ]などの様々な天秤は、紀元前400年頃には多くの小規模商人やその顧客の間で広く使われるようになった。歴史を通じて、それぞれに利点や改良点を持つ数多くの天秤が登場し、レオナルド・ダ・ヴィンチのような偉大な発明家もその開発に個人的に関わってきた。[ 7 ]
計量器の設計と開発においてあらゆる進歩があったにもかかわらず、西暦17世紀までのすべての計量器は天秤の変形版であった。使用される分銅の標準化、そして商人が正しい分銅を使用することの徹底は、この時代を通じて政府にとって大きな懸念事項であった。
天秤の原型は、中央に支点を持つ梁で構成されていました。最高の精度を得るためには、支点は浅いV字型の軸受に収まる鋭いV字型の支点で構成されていました。物体の質量を測定するには、梁の一方の端に基準質量の組み合わせを吊り下げ、もう一方の端に質量の未知の物体を吊り下げました（天秤と秤を参照）。実験化学などの高精度な作業においては、中央梁天秤は今でも最も精度の高い技術の一つであり、試験質量の校正によく用いられています。
しかし、ドイツ中部やイタリアで発見された青銅の破片は、青銅器時代に初期の通貨として使用されていた。[ 8 ]同時期に、商人はイギリスからメソポタミアまで、8～10.5グラムの等価価値を持つ標準重量を使用していた。[ 9 ]
天秤（天秤スケール、ビーム天秤、実験室用天秤とも呼ばれる）は、最初に発明された質量測定器具である。[ 1 ]伝統的な形では、同じ長さのアーム（ビームまたはトロン）を持つ回転式の水平レバーと、各アームから吊り下げられた計量皿[ 10 ]で構成されている（そのため、計量器具の複数形は「スケール」と呼ばれる）。未知の質量を一方の皿に置き、ビームが可能な限り平衡に近づくまで、標準質量をもう一方の皿に加える。精密天秤では、目盛りの付いたスケールに沿って移動するスライド質量の位置によって、より正確な質量の決定が得られる。十進天秤では、重り用のアームが計量対象物用のアームの10倍の長さのレバーを使用するため、より軽い重りを使用して重い物体を計量することができる。[ 11 ]同様に、百分率天秤では、1:100の比率でアームを使用する。
ばねばかりとは異なり、天秤は局所的な重力場の変動の影響を受けないため、質量の精密測定に使用されます。（例えば、地球上では、場所によって±0.5%の誤差が生じることがあります。[ 12 ]）天秤を移動させることによって重力場の強さが変化しても、測定される質量は変化しません。これは、中央の天秤軸の両側の力のモーメントが均等に影響を受けるためです。中央天秤は、一定の重力または加速度を受けるあらゆる場所で、質量の正確な測定を可能にします。
非常に精密な測定を実現するには、天秤の支点が実質的に摩擦のない状態になるようにすること（従来はナイフエッジが用いられてきた）、天秤の位置からのずれを増幅する指針をビームに取り付けること、そして最後に、前述のように、ビームの測定アームに沿って小さな質量体を動かすことで分数質量を適用できるてこの原理を用いることが重要である。最高の精度を得るためには、空気中の浮力を考慮する必要があり、その影響は測定対象となる質量体の密度によって異なる。
大きな基準質量の必要性を減らすために、偏心ビームを使用することができます。偏心ビームを備えた天秤は、中心ビームを備えた天秤とほぼ同等の精度を実現できますが、偏心ビームには特別な基準質量が必要であり、中心ビーム天秤のように皿の中身を交換するだけで精度を本質的に確認することはできません。小さな目盛付き基準質量の必要性を減らすために、ポイズと呼ばれるスライド式分銅を取り付けて、校正済みの目盛に沿って配置することができます。ポイズを使用すると、ポイズの正確な質量をビームの正確なレバー比に調整する必要があるため、校正手順がさらに複雑になります。
大型で扱いにくい荷物をより簡単に設置できるように、プラットフォームを片持ち梁システム上に浮かせることができます。このシステムでは、比例した力がノーズアイアンベアリングに伝達され、これがスティヤードロッドを引っ張って、軽減された力を適切なサイズの梁に伝達します。
この設計は、 電気のない過酷な環境で一般的に使用される500kg容量の携帯型ビーム天秤や、より軽量な機械式体重計（実際には内部にバネばかりを使用している）にも見られます。追加のピボットとベアリングはすべて精度を低下させ、校正を複雑にします。天秤のビームとバランスを調整してスパンを補正する前に、フロートシステムのコーナー誤差を補正する必要があります。
1669年、フランス人のジル・ペルソンヌ・ド・ロベルヴァルは、フランス科学アカデミーに新しいタイプの天秤を発表しました。この天秤は、一対の垂直な柱と、その両側に同じ長さの腕が配置され、それぞれの腕の中心で中央の垂直な柱から回転する平行四辺形から構成されていました。各垂直な柱の側面からは、ペグが伸びていました。ロベルヴァルがペグのどこに同じ重さの重りを吊るしても、天秤はバランスを保つという点に、観察者は驚きました。この点で、この天秤は画期的でした。そして、支点の上にある垂直な柱に2つの皿を置き、その下に平行四辺形を配置するという、より一般的な形へと発展していきました。ロベルヴァルの設計の利点は、皿のどこに同じ重さの重りを置いても、天秤はバランスを保つことです。
さらに発展した例としては、平行四辺形を1より大きい奇数個の連動する歯車に置き換え、同じサイズの歯車を交互に配置し、中央の歯車をスタンドに固定し、外側の歯車を皿に固定した「歯車バランス」や、中央の歯車を固定し、最も外側の2つの歯車を自由に回転させて皿に取り付けた、奇数個の歯車に自転車タイプのチェーンを巻き付けた「スプロケット歯車バランス」などがある。
ロベルバル天秤は可動関節が多く摩擦が生じるため、従来のビーム天秤に比べて精度は劣りますが、多くの用途においてはその使いやすさによって補われています。
ねじり天秤は、アナログ天秤の中で最も機械的に正確なものの1つです。米国の薬学部では、今でもねじり天秤の使い方を教えています。従来の天秤と同様に皿を使用し、その皿は機械式チャンバーの上に置かれ、チャンバー内のワイヤーまたはファイバーのねじれ量に基づいて測定を行います。天秤は依然として校正分銅を使用して比較する必要があり、120 mgを超える物体を計量でき、誤差範囲は±7 mg以内です。グラム単位の値を計量する多くのマイクロバランスおよびウルトラマイクロバランスは、ねじり天秤です。一般的なファイバーの種類は水晶です。[ 13 ]
マイクロバランス（ウルトラマイクロバランス、ナノバランスとも呼ばれる）は、比較的質量の小さい物体（1グラムの100万分の1以下）の質量を精密に測定できる装置である。
分析天秤は、ミリグラム以下の微小質量を測定するために設計された天秤の一種です。分析天秤の測定皿（0.1 mg以上）は、埃が溜まらないように、また室内の空気の流れが天秤の動作に影響を与えないように、扉付きの透明な筐体内に収められています。この筐体は、しばしばドラフトシールドと呼ばれます。独自の設計のアクリル製エアフォイルを備えた機械的に通気される天秤安全筐体を使用することで、乱流のない滑らかな気流が実現し、天秤の変動を防ぎ、1 μgまでの質量を変動や損失なく測定できます。また、筐体内部で自然対流による空気の流れが発生して読み取り誤差が生じるのを防ぐため、試料は室温である必要があります。シングルパン式機械置換天秤は、有効容量全体にわたって一貫した応答を維持します。これは、試料が加えられたビームの同じ側の質量を差し引くことで、天秤ビーム、ひいては支点にかかる荷重を一定に保つことによって実現されます。
電子分析天秤は、実際の質量ではなく、測定対象の質量に対抗するために必要な力を測定します。そのため、重力差を補正するための校正調整を行う必要があります。[ 14 ]電磁石を使用して測定対象のサンプルに対抗する力を発生させ、バランスを取るために必要な力を測定して結果を出力します。このような測定装置は、電磁力復元センサと呼ばれます。[ 15 ]
振り子式秤はバネを使用しません。これらの設計では振り子を使用し、重力の差に影響されないバランスとして機能します。この設計の応用例としては、トレドスケール社製の秤があります。[ 16 ]
プログラマブルスケールにはプログラマブルロジックコントローラが内蔵されており、バッチ処理、ラベル貼り、充填（重量チェック機能付き）、トラック計量など、さまざまな用途に合わせてプログラムすることができます。
もう1つの重要な機能は計数で、例えば年次棚卸しの際に大量の小さな部品を数えるのに使用されます。計数スケール（計量のみを行うこともできます）は、ミリグラムからトンまでの範囲で使用できます。[ 17 ]
天秤（特に、2皿の天秤）は、正義の女神像が持つように、正義の伝統的なシンボルの1つです。これは、「天秤にかけられている」という比喩での使用に対応しています。その起源は古代エジプトにあります。[ 18 ]
天秤は、金融、商業、貿易の象徴としても広く用いられており、古代から伝統的かつ重要な役割を果たしてきた。例えば、米国財務省や連邦取引委員会の紋章にも天秤が描かれている。
天秤は、占星術における天秤座のシンボルでもある。
天秤（特に、釣り合いが取れた状態の2皿の天秤）は、エポケーを誘発するために使用された議論の釣り合いが取れていることを示すピュロン主義の伝統的なシンボルである。[ 19 ]
1700年代の記録には質量測定用のばね秤について言及されているが、そのような装置の最初の設計は1770年に遡り、初期の秤製造業者であるリチャード・ソルターによるものとされている。[ 3 ]ばね秤は、統一ペニー郵便制度の導入後に必要となった手紙や小包の重量を測定するためのろうそく秤をRWウィンフィールドが開発した1840年以降、英国で広く使用されるようになった。[ 20 ]ばね秤は瞬時に読み取ることができ、測定ごとに慎重にバランスを取る必要がなかったため、郵便局員は天秤よりもばね秤の方が迅速に作業できた。
1940年代までに、これらの設計にさまざまな電子機器が取り付けられ、読み取り精度が向上しました。[ 3 ] [ 7 ]力を電気信号に変換する変換器であるロードセルは、19世紀後半に始まりますが、広く使用することが経済的にも技術的にも実現可能になったのは20世紀後半になってからです。[ 21 ]
機械式天秤とは、電源を必要とせずに物体の質量、作用力、張力、抵抗を測定する計量装置を指します。機械式天秤の種類には、十進天秤、ばねばかり、吊り下げ式天秤、三連ビーム天秤、力計などがあります。
ばねばかりは、荷重がかかったときのばねのたわみ距離を報告することで質量を測定します。これは、水平レバーを使用して、サンプル重量によるアームのトルクと標準基準質量によるアームのトルクを比較する天秤とは対照的です。ばねばかりは、物体に作用する拘束張力である力を測定します。これは、局所的な重力に抵抗する力です。 [ 22 ]通常、測定された力が地球の重力下での質量に変換されるように校正されています。計量する物体は、ばねから吊るすか、ピボットとベアリングの台に置くことができます。
ばねばかりでは、ばねは伸びるか（食料品店の青果売り場にある吊り下げ式のはかりのように）、縮むか（単純な体重計のように）のいずれかになります。フックの法則によれば、すべてのばねには、引っ張られる強さと伸びる距離の関係を示す比例定数があります。計量器は、ばね定数が既知のばね（フックの法則を参照）を使用し、さまざまな機構でばねの変位を測定して、物体によって加えられる重力の推定値を生成します。 [ 23 ]直線ばね運動をダイヤル読み取り値に変換するために、ラックアンドピニオン機構がよく使用されます。
ばねばかりには、天秤にはない2つの誤差要因があります。1つは、測定される質量が局所的な重力の強さによって変化すること（地球上の場所によって最大0.5%の差が生じる）、もう1つは、測定用ばねの弾性が温度によってわずかに変化することです。しかし、適切な製造と設置を行えば、ばねばかりは商取引において合法とみなすことができます。温度による誤差をなくすには、商取引で合法とみなされるばねばかりは、温度補償ばねを備えているか、ほぼ一定の温度で使用する必要があります。重力変動の影響を排除するには、商取引で合法とみなされるばねばかりは、使用場所で校正する必要があります。
クレーンスケールなどの高容量アプリケーションでは、油圧を使用して質量を検出することも一般的です。テスト力はピストンまたはダイヤフラムに適用され、油圧ラインを介してブルドン管または電子センサーに基づくダイヤルインジケーターに伝達されます。[ 24 ]
電子デジタルスケールは、重量を数値として表示します。通常は液晶ディスプレイ（LCD）に表示します。測定値に基づいて計算を行い、他のデジタル機器に送信できるため、汎用性が高いです。デジタルスケールでは、重量の力によってバネが変形し、その変形量がひずみゲージと呼ばれる1つまたは複数のトランスデューサによって測定されます。ひずみゲージは、長さが変化すると電気抵抗が変化する導体です。ひずみゲージには容量の制限があるため、大型のデジタルスケールでは、代わりにロードセルと呼ばれる油圧トランスデューサが使用される場合があります。デバイスに電圧が印加され、重量によって流れる電流が変化します。電流はアナログ-デジタルコンバータによってデジタル数値に変換され、デジタルロジックによって正しい単位に変換されてディスプレイに表示されます。通常、デバイスはマイクロプロセッサチップによって制御されます。
デジタル体重計は、床に置いて人が乗るタイプの体重計です。体重はデジタルディスプレイに表示されます。デジタル機器は体重を表示するだけでなく、体脂肪率、BMI、除脂肪体重、筋肉量、水分量なども計算できる場合があります。最新の体重計の中には、ワイヤレス接続や携帯電話回線接続に対応し、スマートフォン連携、クラウドストレージ、フィットネストラッキングなどの機能を備えているものもあります。電源は通常、ボタン電池、または単3形もしくは単4形の乾電池です。
デジタルキッチンスケールは、調理中にキッチンで食材の重さを量るために使用されます。これらは通常、軽量でコンパクトです。
電子式ばねばかりでは、未知の質量を支える梁のたわみを、長さに敏感な電気抵抗であるひずみゲージを用いて測定します。このような装置の測定能力は、梁のたわみに対する抵抗によってのみ制限されます。複数の支持点からの測定結果を電子的に加算できるため、この技術はトラックや鉄道車両などの非常に重い物体の質量を測定するのに適しており、現代の計量台で使用されています。
これらの計量器は、現代のベーカリー、食料品店、デリカテッセン、シーフード、精肉、農産物、その他の生鮮食品部門で使用されています。スーパーマーケットの計量器は、ラベルやレシートの印刷、質量と個数の表示、単価、合計金額の表示、場合によっては風袋引きが可能です。最新のスーパーマーケットの計量器の中には、商品の改ざんや返品を追跡するために使用できるRFIDタグを印刷するものもあります。ほとんどの場合、これらのタイプの計量器は、表示が正確で改ざんできないように、校正が密封されています。米国では、計量器は国家型式評価プログラム（NTEP）によって認証され、南アフリカでは南アフリカ標準局によって、オーストラリアでは国立計量研究所（NMI）によって、英国では国際法定計量機関によって認証されています。
工業用計量器は、様々な産業において物体の重量や質量を測定する装置です。小型の卓上秤から大型の計量台まで、様々な種類があり、機能や容量も多岐にわたります。工業用計量器は、品質管理、在庫管理、取引などの目的で使用されます。
産業用計量器には、さまざまな目的や用途で使用される多くの種類があります。一般的な種類には以下のようなものがあります。
計量台 ：トラック、貨物車、コンテナ、その他の大型車両の重量を測定できる大型の計量器。製造業、海運業、鉱業、農業など、様々な産業で利用されている。
コンテナスタッカースケール ：コンテナスタッカースケールは、輸送用コンテナの重量を正確に測定するために設計された特殊な計量システムです。通常、コンテナハンドラーやスタッカークレーンなど、コンテナの積み下ろしに使用される機器に組み込まれています。コンテナスタッカースケールはリアルタイムの重量測定を提供し、物流担当者が各コンテナが規定の重量制限内に積載されていることを確認できます。コンテナスタッカースケールは、港湾、海運、物流などの業界で使用されています。
フォークリフトスケール ：フォークリフトスケールとは、フォークリフトに内蔵された計量システムです。フォークリフトで荷物を持ち上げたり運搬したりしながら、同時に重量を計測できます。これにより、別途計量作業を行う必要がなくなり、資材運搬作業に必要な時間と労力を削減できます。フォークリフトスケールは、製造業、物流業、海運業など、さまざまな業界で使用されています。
マテリアルハンドラースケール ：マテリアルハンドラースケールとは、グラップルやマグネットなどのマテリアルハンドラー機器に組み込まれた計量システムです。これにより、資材の移動、荷降ろし、積み込み中に、正確かつ効率的な計量が可能になります。マテリアルハンドラースケールは、スクラップ、リサイクル、廃棄物、港湾など、さまざまな業界で使用できます。また、計量情報をクラウドサービスやERPシステムに転送することで、資材の流れをリアルタイムで監視・管理することも可能です。
パレットジャッキスケールは、パレットジャッキと計量器を組み合わせた装置です。パレットの重量測定と移動を同時に行うことができ、時間と労力を節約できます。パレットジャッキスケールは、製造業、物流業、海運業など、さまざまな業界で使用されています。
クレーンスケール ：クレーンスケールは、クレーンから吊り下げられた物体の重量または質量を測定する装置です。下部にフックがあり、遠くからでも見やすい大型ディスプレイを備えています。クレーンスケールは、製造、輸送、鉱業、リサイクルなど、さまざまな産業用途で使用されています。
ホイールローダー用計量器 ：ホイールローダー用計量器は、大量の土砂、砂、砂利などの資材を運搬するために使用される重機の一種であるホイールローダーによって持ち上げられた資材の重量を測定するシステムです。ホイールローダー用計量器は、積載作業の効率と精度、在庫管理、およびそれらを使用する業界の安全性を向上させるのに役立ちます。ホイールローダー用計量器は通常、油圧センサー、表示ユニット、およびデータ管理システムで構成されています。油圧センサーはホイールローダーに取り付けられ、荷重によって生じる圧力変化を検出します。表示ユニットは重量情報をオペレーターに表示し、目標荷重の設定、製品と顧客の選択、およびデータのエクスポートを可能にします。データ管理システムは、重量データを保存、分析し、他のデバイスまたはプラットフォームに送信できます。
ほとんどの国では、商取引で使用される計量器の設計と保守が規制されています。たとえば、欧州連合では、計量機器は指令2014/31/EUおよび2014/32/EUの対象となります。機器を市場に出す前に適合性評価手続きが実施され、一定期間後に欧州連合加盟国で機器の検証が行われます。このため、新しい設計を導入する際に高額な規制上のハードルが伴うため、計量器技術は他の技術に比べて遅れをとる傾向がありました。しかしながら、専用のアナログコンバータとネットワークがセル自体に組み込まれたひずみゲージセルである「デジタルロードセル」への傾向が見られます。このような設計により、過酷な環境で多数の20ミリボルト信号を結合して送信することに伴う保守上の問題が軽減されました。
政府の規制では、一般的に、認可された研究所に校正がトレーサブルな分銅を使用して、資格のある技術者による定期的な検査が義務付けられています。浴室、診療所、キッチン（分量管理）、価格見積もり（ただし公式な価格決定ではない）など、非取引用途を目的としたはかりは製造できますが、商業上の利益を損なうような方法で再利用されないようにするため、法律で「取引不可」と表示する必要があります。米国では、はかりの設計、設置、商業目的での使用方法を規定する文書は、NISTハンドブック 44です。取引可（LFT）認証では、通常、測定の再現性をテストして最大誤差が 10% であることを保証することにより、読み取りやすさが承認されます。
地球表面では重力が0.5%以上変化するため、重力と質量を区別することは、商業目的の秤を正確に校正する上で重要となる。通常、測定の目的は、特定の場所における重力ではなく、試料の質量を測定することである。
従来の機械式天秤は、本質的に質量を測定します。しかし、一般的な電子天秤は、本質的に試料と地球との間の重力、つまり試料の重量を測定しますが、この重力は場所によって変化します。そのため、正確な質量値を得るには、設置後にその場所に合わせて再校正する必要があります。
計量における誤差の原因としては、以下のようなものが挙げられます。
2014年に、ばねばかりとビームバランスを組み合わせたハイブリッドスケールの概念である弾性変形アームスケール[ 27 ]が導入され、平衡と変形の両方の原理を同時に利用しています。このスケールでは、従来のビームバランス（例えば、スタイラーヤード）の剛性アームが、傾斜した摩擦のないスライドスリーブ内の柔軟な弾性ロッドに置き換えられています。ロッドの両端に2つの垂直デッドロード（または質量）が加えられると、ロッドは一意のスライド平衡に達することができます。剛性アームでは不可能な平衡は、自由スライド条件と弾性ロッドの非線形運動学の両方の結果として、スリーブの両端で構成力が発生するため保証されます。この質量測定装置は、カウンターウェイトなしでも動作できます。
{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）{{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク) pp. 3480–3485。