ミラーガルバノメータ

ミラーガルバノメーターは、光線をミラーで屈折させることで電流を感知したことを示す電流計です。スケールに投影された光線は、長い質量のないポインターとして機能します。1826 年、ヨハン・クリスチャン・ポッゲンドルフは電流を検出するためのミラーガルバノメーターを開発しました。この装置は、一部のモデルで生成される光のスポットにちなんで、 スポットガルバノメーターとも呼ばれています。

信頼性が高く安定した電子増幅器が利用可能になる前は、ミラーガルバノメータは科学機器で広く使用されていました。最も一般的な用途は、地震計の記録装置や電信用の海底ケーブルでした。

現代では、ミラーガルバノメータという用語は、ガルバノメータセットアップを介してミラーを回転させてレーザービームを移動するデバイスにも使用され、多くの場合、サーボのような制御ループを備えています。この名前は、多くの場合、ガルボと略されます。

ミラーガルバノメーターは、後にケルビン卿となるウィリアム・トムソンによって大幅に改良されました。彼はミラーガルバノメーターという用語を作り出し、1858年に特許を取得しました。トムソンは、この機器が非常に長い海底電信ケーブル上の微弱な信号電流を読み取ることを意図していました。^{[1]この機器は、それ以前のものよりもはるかに}感度が高く、ケーブルの製造中および海底に沈められている間にケーブルの芯線に生じたわずかな欠陥も検出することができました。

トムソンは、1857年に大西洋横断電信ケーブル敷設の失敗に関わった後、極めて感度の高い機器が必要だと判断した。翌年、新たな探検を待つ間に、この装置の開発に取り組んだ。最初に着目したのは、ヘルマン・フォン・ヘルムホルツが1849年に神経信号の速度を測定するために使用した検流計の改良だった。ヘルムホルツの検流計では、可動針に鏡が固定されており、これを使って反対側の壁に光線を投影し、信号を大幅に増幅していた。トムソンは可動部品の質量を減らして感度を高めるつもりだったが、首から下げた片眼鏡から反射する光を眺めていたとき、ひらめきが起こり、針とその取り付け部をまったく使わなくてもよいことに気づいた。代わりに、小さな鏡面ガラスの裏側に小さな磁化鋼片を接着したものを使用した。これを、固定された感知コイルの磁場内に糸で吊り下げた。トムソンは急いでこのアイデアを試し、最初は自分の犬の毛を使ったが、後に姪のアグネスのドレスの絹糸を使った。^[1]

以下はトムソンの楽器に関する当時の記録からの抜粋である: ^[2]

ミラーガルバノメーターは、絹で覆われた銅線の長いコイルでできています。コイルの中心にある小さな空気室の中に、小さな円形の鏡が 1 本のフロスシルク繊維で吊り下げられており、その背面には 4 つの小さな磁石が接着されています。ランプから鏡に光線が当てられ、数フィート離れた白いスクリーンまたはスケールに反射され、明るい光点を形成します。機器に電流が流れていないときは、光点はスクリーンのゼロの位置に静止しています。しかし、コイルの長いワイヤに電流が流れると、吊り下げられた磁石が元の位置から水平にねじれ、鏡がそれとともに傾き、光線は電流の性質に応じてスクリーンに沿ってどちらかの側に偏向します。正の電流がゼロの右に偏向する場合、負の電流はゼロの左に偏向し、その逆も同様です。

ミラーを囲む小さなチャンバー内の空気は、クッションのように機能し、ミラーの動きを鈍らせるように、任意に圧縮されます。これにより、針は各偏向で無為に揺れ動くことがなくなり、個々の信号は急激になります。受信ステーションでは、ケーブルから入ってくる電流をコイルに通してから地面に送るだけでよく、スクリーン上の移動する光点は、その変化をすべて忠実に事務員に伝えます。事務員はそれを見て、それを解釈し、メッセージを一語一語読み上げます。この機器の可動部分を形成するミラーと磁石の重量が小さく、また、ミラーの微細な動きを反射光線によってスクリーン上で拡大できる範囲が長い触知できない針またはポインターとして機能するため、ミラー検流計は、特に他の形式の受信機器と比較すると、電流に対して驚くほど敏感です。メッセージは、大西洋ケーブルを経由して英国から米国へ送られ、また別のケーブルを経由して米国へ戻され、そこで鏡付き検流計で受信されました。使用された電流は、女性の銀の指ぬき、亜鉛の粒、酸性水一滴で作られたおもちゃの電池からの電流でした。

この極めて繊細な機能の実際的な利点は、電流の信号波が互いに非常に接近してほぼ完全に合体し、流れの表面に生じるさざ波のように、波頭のごくわずかな上昇と下降のみを残しても、光点がそれぞれに反応することです。電流の主流によって光点のゼロがシフトするのは当然ですが、この場所の変化に加えて、光点はメッセージの個々の信号を形成する電流の瞬間的な変動に追従します。このゼロのシフトと、急速な信号によって生じる電流のごくわずかな上昇と下降により、通常の地上線機器は長いケーブルでの作業にはまったく役に立ちません。

可動コイル型検流計は、1880 年頃にマルセル・デプレと ジャック・アルセーヌ・ダルソンバルによって独立して開発されました。デプレの検流計は高電流用に開発され、ダルソンバルは弱電流の測定用に設計しました。ケルビンの検流計とは異なり、このタイプの検流計では磁石は固定されており、コイルは磁石の隙間に吊り下げられています。コイル フレームに取り付けられたミラーはコイルと一緒に回転します。この形式の計器はより感度が高く正確であるため、ほとんどの用途でケルビンの検流計に取って代わりました。可動コイル型検流計は、周囲の磁場の影響を受けません。もう 1 つの重要な機能は、磁場内でのコイルの動きによってコイルに誘導される電流による電磁力によって生成される自己減衰です。これはコイルの角速度に比例します。

現代では、レーザー ライト ショーで高速ミラーガルバノメータが使用され、レーザー ビームを動かして観客の周りの霧の中に色鮮やかな幾何学模様を作り出しています。このような高速ミラー ガルバノメータは、レーザー エッチングのハンド ツール、容器、部品から、半導体デバイス製造における半導体ウェーハのバッチ コーディングまで、あらゆるレーザー マーキングシステムに欠かせないものとなっています。通常、Nd:YAGおよびCO ₂レーザーマーカーのX 方向と Y 方向を制御して、赤外線出力レーザー スポットの位置を制御します。レーザー アブレーション、レーザー ビーム加工、ウェーハ ダイシングはすべて、高速ミラー ガルバノメータが使用されている産業分野です。

^{この可動コイル型ガルバノメータは、主に 10 −9}  A 程度の非常に微弱な電流または低電流を測定するために使用されます。

ガルバノメータの可動範囲全体にわたってコイル全体の磁場を線形化するために、軟鉄シリンダーのダルソンバル設計がコイルに触れずにコイル内に配置されます。これにより、平行な線形磁場ではなく、一貫した放射状の磁場が得られます。

• ストリングガルバノメータ

• 「マルセル・デプレの強電流用ガルバノメーター」。ネイチャー。22 ( 559): 246–7。1880年7月15日。Bibcode :1880Natur..22R.246.. doi : 10.1038/022246b0。

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• ミラーガルバノメータ - インタラクティブ Java チュートリアル 国立高磁場研究所