ガルバノメータ

ガルバノメータは、電流を測定する電気機械式 計測器です。初期のガルバノメータは校正されていませんでしたが、電流計と呼ばれる改良版は校正されており、電流の流れをより正確に測定できます。ガルバノメータは、一定の磁場内のコイルを流れる電流に応じて指針を偏向させることで機能します。このメカニズムは、ハードディスクなどのアプリケーションでアクチュエータとしても使用されます。

ガルバノメータは、 1820年にハンス・クリスチャン・エルステッドが初めて指摘した、電流が流れる電線の近くで方位磁針の針が振れるという観察から生まれました。ガルバノメータは微量の電流を検出し測定するために使用された最初の機器でした。エルステッドの発見を数学的に表現したアンドレ＝マリー・アンペールは、1791年に電流が死んだカエルの足をピクピク動かすという カエル検流計の原理を発見したイタリアの電気研究者ルイジ・ガルヴァーニにちなんで、この機器に^{[1]名前を付けました。}

検流計は多くの分野で科学技術の発展に欠かせない存在でした。例えば、1800 年代には、初期の大西洋横断電信ケーブルなどの海底ケーブルを介した長距離通信を可能にし、電流を細かく測定することで 心臓や脳の電気的活動を発見するのにも不可欠でした。

ガルバノメータは、他の種類のアナログメータ（例：露出計やVUメータ）の表示コンポーネントとしても使用され、これらのメータのセンサーの出力を捕捉します。現在でも使用されているガルバノメータの主なタイプは、ダルソンバル/ウェストン型です。

現代のダルソンバル/ウェストン型の検流計は、永久磁石の磁場内にスピンドルと呼ばれる小さな回転するワイヤーコイルで構成されています。コイルは、目盛りを横切る細い指針に取り付けられています。小さなねじりバネがコイルと指針をゼロの位置に引っ張ります。

コイルに直流電流(DC) が流れると、コイルは磁場を生成します。この磁場は永久磁石に作用します。コイルはねじれてバネを押し、指針を動かします。針は電流を示す目盛りを指します。磁極片を慎重に設計することで磁場が均一になり、指針の角度の偏向が電流に比例します。実用的なメーターには通常、可動コイルと指針の機械的共振を減衰する機構が備わっており、指針は振動することなくすぐに所定の位置に落ち着きます。

メーターの基本的な感度は、たとえば、フルスケールで 100マイクロアンペア(最大電流で 50 ミリボルトの電圧降下) です。このようなメーターは、その大きさの電流に変換できる他の量を読み取るように較正されることがよくあります。シャントと呼ばれる電流分割器を使用すると、メーターを較正してより大きな電流を測定できます。フルスケール電流を生成するために必要な電圧を計算することでコイルの抵抗がわかっている場合は、メーターを DC 電圧計として較正できます。メーターを電圧分割回路に配置することで、他の電圧を読み取るように構成できます。これは通常、メーターのコイルと直列に抵抗器を配置することで行います。メーターを既知の電圧 (バッテリー) と調整可能な抵抗器と直列に配置することで、抵抗を読み取ることができます。準備段階では、回路が完成し、抵抗器がフルスケールの偏向を生成するように調整されます。未知の抵抗器が回路に直列に接続されると、電流はフルスケールより小さくなり、適切に校正されたスケールは、以前は未知であった抵抗器の値を表示できます。

さまざまな種類の電気量をポインタの動きに変換するこれらの機能により、ガルバノメータは、（何らかの形で）電気を出力する他のセンサーの出力を、人間が読み取れる形式に変換するのに最適です。

メーターの指針は通常メーターの目盛りより少し上にあるため、オペレーターが指針と「一直線に並ぶ」目盛り線を読み取ろうとすると視差エラーが発生する可能性があります。これに対処するため、一部のメーターには主目盛りの目盛りとともに鏡が付いています。鏡面目盛りの読み取り精度は、目盛りを読むときに、指針と指針の反射が一直線になるように頭の位置を調整することで向上します。この時点で、オペレーターの目は指針の真上にあり、視差エラーは最小限に抑えられます。

おそらく、ガルバノメータの最大の用途は、電子機器のアナログ メーターで使用されている D'Arsonval/Weston 型でした。1980 年代以降、ガルバノメータ型のアナログ メーター ムーブメントは、多くの用途でアナログ/デジタル コンバータ(ADC) に置き換えられました。デジタル パネル メーター (DPM) には、ADC と数値ディスプレイが含まれています。デジタル計器の利点は、精度と正確性が高いことですが、消費電力やコストなどの要因により、アナログ メーター ムーブメントの適用が依然として有利になる場合があります。

ガルバノメータ機構の最新の用途は、位置決めおよび制御システムです。ガルバノメータ機構は、可動磁石型と可動コイル型のガルバノメータに分けられ、さらに、閉ループ型と開ループ型（または共振型）に分けられます。

ミラーガルバノメータシステムは、レーザースキャンシステムでビーム位置決めまたはビームステアリング要素として使用されます。たとえば、高出力レーザーによる材料処理では、サーボ制御システムで閉ループミラーガルバノメータ機構が使用されます。これらは通常、高出力ガルバノメータであり、ビームステアリングアプリケーション用に設計された最新のガルバノメータは、適切なサーボ技術により 10 kHz を超える周波数応答を実現できます。閉ループミラーガルバノメータは、ステレオリソグラフィー、レーザー焼結、レーザー彫刻、レーザービーム溶接、レーザーテレビ、レーザーディスプレイ、および光干渉断層撮影(OCT) や走査型レーザー眼底検査(SLO) による網膜スキャンなどのイメージングアプリケーションでも同様に使用されます。これらのガルバノメータのほとんどは可動磁石型です。閉ループは、赤外線エミッターと 2 つのフォトダイオードを使用して回転軸の位置を測定することで得られます。このフィードバックはアナログ信号です。

オープン ループまたは共振ミラー ガルバノメータは、主にレーザー ベースのバーコード スキャナ、印刷機、画像処理アプリケーション、軍事アプリケーション、宇宙システムなどで使用されます。潤滑油を使用しないベアリングは、高真空で動作する必要があるアプリケーションで特に注目されています。

ムービングコイル型ガルバノメータ機構（ハードディスク製造業者は「ボイスコイル」と呼ぶ）は、ハードディスクドライブや CD/DVD プレーヤーのヘッド位置決めサーボを制御し、質量（およびアクセス時間）を可能な限り低く抑えるために使用されます。

ガルバノメータの初期の主な用途は、通信ケーブルの障害検出でした。この用途では、20 世紀後半に時間領域反射計がガルバノメータに取って代わりました。

ガルバノメータ機構は、フィルムカメラの計測機構内のフォトレジスタからの読み取り値を取得するためにも使用されていました(隣の画像を参照)。

心電計、脳波計、ポリグラフなどで使われるアナログのストリップチャートレコーダーでは、ペンの位置を決めるためにガルバノメーター機構が使われていました。ガルバノメーター駆動のペンを使ったストリップチャートレコーダーは、フルスケールの周波数応答が 100 Hz で、たわみが数センチになることがあります。

電線に流れる電流によって磁気コンパスの針が振れる現象は、1820 年にハンス・クリスチャン・エルステッドによって初めて説明されました。この現象は、それ自体の目的だけでなく、電流を測定する手段としても研究されました。

最も古い検流計は、1820年9月16日にハレ大学のヨハン・シュヴァイガーによって報告された。アンドレ＝マリー・アンペールもその開発に貢献した。初期の設計では、電流によって発生する磁場の効果を、ワイヤを複数回巻くことで高めていた。この共通の設計上の特徴から、当初この機器は「マルチプライヤ」と呼ばれていた。^{[2] 1836年までに一般的に使われていた「検流計」という用語は、1791年に電流が}死んだカエルの足をピクピク動かすことを発見したイタリアの電気研究者ルイージ・ガルヴァーニの姓に由来している。

当初、これらの機器は、コンパスの針の復元力を得るために地球の磁場を利用していました。これらは「接線」検流計と呼ばれ、使用前に方向を合わせる必要がありました。その後の「無定形」タイプの機器は、反対の磁石を使用して地球の磁場から独立し、どの方向でも動作しました。

初期のミラーガルバノメーターは、1826年にヨハン・クリスチャン・ポッゲンドルフによって発明されました。^[要出典]無静圧ガルバノメーターは、 1849年にヘルマン・フォン・ヘルムホルツによって発明されました。そのデバイスのより感度の高いバージョンであるトムソンミラーガルバノメーターは、1858年にウィリアム・トムソン（ケルビン卿）によって特許を取得しました。 ^[3]トムソンの設計では、コンパスの針の代わりに、糸で吊るされた軽量のミラーに取り付けられた小さな磁石を使用することで、非常に急速な電流の変化を検出できました。ミラー上の光線の偏向により、小さな電流によって引き起こされる偏向が大幅に拡大されました。あるいは、吊り下げられた磁石の偏向を顕微鏡で直接観察することができました。

電圧と電流を定量的に測定する能力により、ゲオルク・オームは1827 年に、導体にかかる電圧は導体を流れる電流に正比例するという オームの法則を定式化しました。

初期の可動磁石型検流計は、近くにある磁石や鉄の塊の影響を受け、偏向が電流に比例しないという欠点があった。1882年、ジャック＝アルセーヌ・ダルソンヴァルとマルセル・デプレは、固定永久磁石と可動コイルを備えた検流計を開発した。細いワイヤーで吊り下げられたワイヤーは、コイルへの電気接続とゼロ位置への復元トルクの両方を提供した。磁石の磁極片の間にある鉄管は、コイルが回転する円形の隙間を定義した。この隙間はコイル全体に一貫した放射状の磁場を発生させ、機器の範囲全体にわたって線形応答を与えた。コイルに取り付けられたミラーは、光線を偏向させてコイルの位置を示した。集中した磁場と繊細な吊り下げにより、これらの機器は高感度となり、ダルソンヴァルの最初の機器は10マイクロアンペアを検出できた。^[4]

エドワード・ウェストンは、検流計の設計を大幅に改良しました。彼は、細いワイヤのサスペンションをピボットに置き換え、従来の腕時計のテンプのヘアスプリングではなく、らせん状のスプリングを介して復元トルクと電気接続を提供しました^{[詳細な説明が必要]}。彼は永久磁石の磁場を安定させる方法を開発し、機器が長期間にわたって一貫した精度を保つようにしました。彼は、光線とミラーを、直接読み取ることができるナイフエッジのポインターに置き換えました。ポインターの下のミラーは、スケールと同じ平面にあり、視差による観測誤差を排除しました。磁場の強さを維持するために、ウェストンの設計では、コイルが最小限の空隙で移動する非常に狭い円周スロットを使用しました。これにより、コイル電流に対するポインターの偏向の直線性が向上しました。最後に、コイルは、ダンパーとして機能する導電性の金属製の軽量フォームに巻かれました。1888 年までに、エドワード・ウェストンは、この機器の特許を取得して市販のフォームを発売し、それが標準的な電気機器コンポーネントになりました。この装置は、設置位置や場所の移動による影響がほとんどないため、「ポータブル」装置として知られていました。この設計は、今日では可動コイル型メーターでほぼ普遍的に使用されています。^{[引用が必要]}

当初、ガルバノメータは地球自身の磁場を利用して指針の復元力を得る実験室用機器でしたが、電気技術の発展に欠かせない、コンパクトで頑丈、高感度のポータブル機器へと発展しました。

タウトバンドムーブメントは、ダルソンバル・ウェストンムーブメントの現代的発展型である。宝石の軸とヒゲゼンマイは、張力のかかった小さな金属片に置き換えられている。このようなメーターは、現場での使用に耐えるほど頑丈である。^{[5] [6]}

ガルバノメータには、大きく分けて 2 つの種類があります。一部のガルバノメータは、スケール上の固体ポインタを使用して測定値を表示します。他の非常に感度の高いタイプは、小型のミラーと光線を使用して低レベル信号を機械的に増幅します。

タンジェントガルバノメーターは、電流の測定に使用された初期の測定機器です。コンパスの針を使用して、未知の電流によって生成された磁場を地球の磁場と比較することで機能します。その動作原理である磁気のタンジェント法則にちなんで名付けられました。これは、コンパスの針が作る角度のタンジェントが、2つの垂直な磁場の強度の比に比例するというものです。1834年にヨハン・ヤコブ・ネルヴァンダーによって初めて説明されました。 ^{[7] [8] [9] [10]}

タンジェントガルバノメーターは、円形の非磁性フレームに巻かれた絶縁銅線のコイルで構成されています。フレームは、水平調整ネジを備えた水平ベースに垂直に取り付けられています。コイルは、中心を通る垂直軸を中心に回転できます。コンパスボックスは、円形スケールの中央に水平に取り付けられています。これは、コイルの中心で回転する小型の強力な磁針で構成されています。磁針は水平面内で自由に回転します。円形スケールは 4 つの象限に分割されています。各象限には 0° から 90° の目盛りが付いています。細長いアルミニウムのポインターが、針の中心に直角に取り付けられています。視差による誤差を回避するために、コンパスの針の下に平面鏡が取り付けられています。

操作にあたっては、まず、コンパスの針が示す地球の磁場がコイルの平面と平行になるまで、機器を回転させます。次に、未知の電流をコイルに流します。これにより、コイルの軸上に、地球の磁場に垂直な第 2 の磁場が生成されます。コンパスの針は、 2 つの磁場のベクトル和に反応し、2 つの磁場の比の正接に等しい角度に偏向します。コンパスの目盛りから読み取った角度から、表から電流を見つけることができます。^[11]電流供給ワイヤは、豚のしっぽのように小さならせん状に巻かなければなりません。そうしないと、ワイヤによる磁場がコンパスの針に影響し、不正確な読み取り値が得られます。

• タンジェントガルバノメータ
• 
  ジュネーブ市科学歴史博物館に展示されている1850 年のプイエ接線検流計
• 
  1890 年頃に JH Bunnell 社によって製造された接線検流計。
• 
  1950 年頃に作られた接線ガルバノメーターの上面図。コンパスの指示針は、短い黒い磁針に対して垂直になっています。

ガルバノメータは、コイルの平面が垂直で、地球の磁場の水平成分B _Hと平行になるように配置されます (つまり、ローカルの「磁気子午線」と平行になります)。電流がガルバノメータのコイルを流れると、2 番目の磁場Bが生成されます。コイルの中心、つまりコンパスの針がある場所では、コイルの磁場はコイルの平面に対して垂直です。コイルの磁場の大きさは次のとおりです。

${\displaystyle B={\mu _{0}nI \over 2r}\,}$

ここで、Iはアンペア単位の電流、nはコイルの巻き数、r はコイルの半径です。これら 2 つの直交する磁場はベクトル的に加算され、コンパスの針はそれらの合成磁場B _H +Bの方向を指します。コイルの電流により、コンパスの針は角度θ回転します。

${\displaystyle \theta =\tan ^{-1}{\frac {B}{B_{H}}}\,}$

正接の法則から、B = B _H Tan θ、つまり

${\displaystyle {\mu _{0}nI \over 2r}=B_{H}\tan \theta \,}$

または

${\displaystyle I=\left({\frac {2rB_{H}}{\mu _{0}n}}\right)\tan \theta \,}$

またはI = K tan θ、ここでK は接線ガルバノメータの減少係数と呼ばれます。

タンジェントガルバノメータの問題点は、高電流でも低電流でも分解能が低下することです。最大分解能はθの値が45°のときに得られます。θの値が0°または90°に近い場合、電流の大きなパーセンテージの変化によって針は数度しか動きません。^[12]

接線型ガルバノメータは、地磁気の水平成分の強さを測定するのにも使用できます。この方法で使用する場合、電池などの低電圧電源が、可変抵抗器、ガルバノメータ、および電流計と直列に接続されます。最初に、コイルが地磁気と平行になるようにガルバノメータを調整します。コイルに電流が流れていないときに、地磁気の方向はコンパスによって示されます。次に、電池を接続し、可変抵抗器を調整して、コンパスの針が地磁気から 45 度偏向し、コイルの中心の磁場の強さが地磁気の水平成分の強さと同じであることを示します。この磁場の強さは、電流計で測定された電流、コイルの巻き数、およびコイルの半径から計算できます。

接線型ガルバノメータとは異なり、無静圧型ガルバノメータは測定に地球の磁場を使用しないため、地球の磁場に対して方向を合わせる必要がなく、使いやすい。1825年にレオポルド・ノビリによって開発された^[13]このメータは、互いに平行だが磁極が逆になっている2本の磁化された針で構成されています。これらの針は1本の絹糸で吊り下げられています。^[14]下の針は垂直の電流検知コイルの中にあり、上記の接線型ガルバノメータと同様に、通過する電流によって生成される磁場によって偏向します。2本目の針の目的は、最初の針の双極子モーメントを打ち消すことです。そのため、吊り下げられたアーマチュアには正味の磁気双極子モーメントがなく、地球の磁場の影響を受けません。針の回転は、角度に比例する吊り下げ糸のねじり弾性によって阻止されます。

• Nobiliの無静電気ガルバノメータ
• 
  ジュネーブ市科学歴史博物館に展示されている検流計
• 
  無静置ガルバノメータの詳細。

非常に小さな電流を検出する感度を高めるために、ミラーガルバノメータでは、指針の代わりに軽量のミラーが使用されています。これは、垂直のワイヤコイル内の細い繊維から吊り下げられた水平の磁石と、磁石に取り付けられたミラーで構成されています。ミラーから反射された光線は、部屋の向こう側の目盛り付きスケールに当たり、質量のない長い指針として機能します。ミラーガルバノメータは、1850 年代に最初の大西洋横断海底電信ケーブルで受信機として使用され、大西洋の下を 1,000 マイル旅した後の非常に微弱な電流パルスを検出しました。オシログラフと呼ばれる装置では、移動する光線を使用して、写真フィルムに測定値を記録し、電流と時間のグラフを作成します。ストリングガルバノメータは、非常に感度が高いミラーガルバノメータの一種で、人間の心臓の電気的活動を示す最初の心電図を作成するために使用されました。

弾道ガルバノメータは、それを通して放電される電荷​​の量を測定するための高感度ガルバノメータの一種です。電流測定ガルバノメータとは異なり、応答の時定数が長いため、積分器です。可動部分には大きな慣性モーメントがあり、積分測定を行うのに十分な振動周期が得られます。可動コイル型または可動磁石型のどちらかになりますが、通常はミラーガルバノメータです。

• 振動ガルバノメータ
• サーモガルバノメータ
• ストリングガルバノメータ
• 電気化学の歴史

ウィキメディア・コモンズには、ガルバノメータに関連するメディアがあります。

• ガルバノメータ - インタラクティブ Java チュートリアル 国立高磁場研究所
• マックス・プランク科学史研究所の仮想実験室における歴史的な検流計の選択
• 歴史コーナー：ガルバノメーター、ニック・ジョイスとデイビッド・ベイカー著、2008年4月1日、生理科学協会。2022年2月26日閲覧。
• 可動コイルガルバノメータ