（第8回）インスツルメンツの歴史 計測と制御の機器を中心に「ウエストンの発明」
横河電機

松 本 栄寿電気計器・エレクトリック・インスツルメンツの歴史にとって，エドワード・ウエストンは 20

電圧標準

世紀前半の最大の功績者であろう（図１参照）．電

いまでは，「標準電池」という聞き慣れない言

圧・電流をどこででも精密に計れるポータブル・葉の意味をご存知ない方も多いだろう．電気回路

インスツルメンツを開発した人物である．の実験の時も，安定な基準電圧が欲しければシリ1886 年にはポータブル（携帯用）精密電気計器，コン・ゼナーダイオードがある．また精密電圧発

続いて 1892 年には抵抗値の変化が百万分の一生器をもってきてダイヤルをくるくる回せば，1（1ppm）と極めて安定な抵抗材料マンガニンを発ボルトでも 100 ボルトでも任意の安定な電圧が得明し，シャント式の大電流計器を実用化した．いられるから，何の不自由もない．かつては日本のまでは当たり前の 100 アンペア以上でもロスの少国家標準も標準電池であったが，現代では，「ジないこのシャント抵抗方式は，電力工業の発展のョゼフソン素子」と物理的な素子になって電池と時期に必要な計器であり，ウエストンの名を高めいう名は消え去った．

た．しかし，それにとどまらなかった．1891 年

しかし，1980 年ころまではそうではなかった．には電圧の基準となる標準電池，ついでどこでも精密な基準を得るには標準電池なるものが存在し使える精度 0.1%や 0.2%の標準用電流計を開発していたし，また正確に電流や電圧を計るには 40ている．要するに百年前に現在の計器の基本を作

センチ角もの大型の標準用計器を使った．驚いたり上げた．

ことにこの両者ともウエストンの発明で 19 世紀末には完成していた．
ウエストンはダイナモの実験や精密電気計器の開発をする際に，電圧，電流を測定するには，簡単にどこでも使える正確な基準となる電圧源が必要なことに気付いた．電気抵抗は，標準の抵抗があればブリッジで比較することができる．しかし，基準となる電圧がなければ計器を現場で校正もできなければ，目盛付けもできない．
ボルタの電堆の発明以来．さまざまな電池が工夫された．大きな電力を得ることが目的の鉛電池や，電位差計・ポテンショメータなどの基準には，年単位で安定な，周囲の温度に影響されない標準電池が必要であった．
ウエストンは標準電池の開発を 1884 年に始めた．それまで電圧標準として使われていた，クラーク電池の電圧は，温度係数が大きく現場では使図172

エドワード・ウエストン

いにくかった．彼の完成したカドミウム標準電池
オートメーションインスツルメンツの歴史

ガ
ラ
ス
容器
硫酸カドミウム溶液
硫酸カドミウム結晶
ペースト

図2

ウエストン型標準電池と構造図（内部写真，電気試験所製）

水 カドミウム
銀 アマルガム白金リード

は IEC の国際標準にもなり，発明以来約 100 年間にわたって使われた．

標準用計器と目盛
前回，ウエストンの携帯用精密電気計器につい

しかし，図 2 に示すように，標準電池はケースて説明した．そこでは「永久磁石」「コイル・ピには入っているが，内部には電解液の入ったガラ

ボット」「ヒゲゼンマイ」を使って，安定な指示ス容器があるある．電池をひっくり返すことは厳計器を追求したと説明した．そして，磁石の安定禁であった．このような扱いにくい電池でも，度を保証し，計器の優秀さを評価したのはアメリ

1960 年代までは自動平衡記録計の増幅回路に一カではなく，ドイツ物理学研究所（PTB）であっ個ずつ使われていた．

たことも説明した．このような計器を作るときに問題となるのは何だろうか．たしかに今述べたよ［電池の歩みを眺めてみよう］

うな計器の部品も重要であるが，具体的な計器の1600 年：ボルタの電堆組立ノウハウもあったに違いない．

1836 年頃：ダニエル電池・硫酸亜鉛に亜鉛と銅１．標準用計器のダイヤゴナル目盛と特許の電極

1980 年頃まで作られていた，標準用計器は計1857 年：プランテ鉛電池（充電可能な二次電池）器の外形が 380mm の四角，重量 11kg と大型で重1867 年：ルクランシェ電池（現代のマンガン電池かった．スケール長は 310mm で電気回路の実験の原型）
1872 年：クラーク電池，亜鉛（−），電解液（硫酸に使われたポータブル携帯用計器のスケール長130mm の約 2.4 倍である．その目盛は細かに読め亜鉛）水銀（＋）

るように工夫されていた．1%のスケール長すな起電力は安定していた．しかし温度特性

わち 1/100 は 3.1mm，0.1%にあたる 1/1000 はに難がある．

0.3mm になるが，この細かな読みを容易にするた1892 年：ウエストン標準電池を完成した．

めに標準用計器ではダイヤゴナル目盛を採用してカドミウムアマルガム（−）
・電解液（硫きた．ダイヤゴナル目盛とは，バーニア目盛が出化カドミウム）・水銀（＋）

現する以前から使われていた一種の副尺である．

飽和型電池で，起電力は 20 ℃で 1.0183

図 3 に示すようにスケールは 6 本の同心円からな

ボルト

り，100 区分された目盛り線と最も外側の同心円

1903 年： AIEE（米国電気学会）標準になる．との交点と，その隣の目盛線との最も内側の同心1908 年： IEC（国際電気標準機構）の国際標準に円との交点を直線で結ぶ．このダイヤゴナル線と1926 年： ETL（電気試験所）が標準電池を製作

同心円との交点が最小目盛 1%の 1/5 となって，1990 年：電圧の国際標準はジョゼフソンに0.2%が直読できることになる．
第２回の「ベーン島の発見」で説明したように

Vol.48 No.2（2003 年 2 月号）

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この微細読み，ダイヤゴナル目盛の原点は少なく事情を知っていて，電気計器へのダイヤゴナル目とも 1600 年のチコ・ブラーエの象限儀までさか盛の適用として特許出願をしたと思われる．それのぼる1)．これを電気計器に適用しようとしたのは残された次の計算書からもうかがえる．

はウエストン自身にあったと推定される．

２．ダイヤゴナル目盛の誤差

その論拠はウエストンの故郷であるニュージャ

実は，ダイヤゴナル目盛は簡単な構造の副尺で，ージー工科大学にある．ここのバンホーテン記念

最小目盛の 1/5 まで直読できると説明したが，細図書館にはウエストンコレクションと呼ばれる歴かに見ると正確な角度の 5 等分にならず場所によ史的な資料・史料が保管されている．これらはって差がある．それは図 3 にあるように，最小目

1936 年にウエストン家から寄贈された品々で，盛間を直線によって結んでいるが，このとき同心ウエストンが作った直流発電機や電球など 246 点，円の一番外側の長さと内側の長さが等しくないか稀覯本 200 冊，機器設計図数百点などが保管されらである．どの程度なのだろうか．図 4 がその計ている．このコレクションをたずねた筆者は，こ算書である．細かには一番内側の角度が僅かに広の中から幾つかのウエストンの特許申請書やウエく外側になるほど角度が狭い．ハインリッヒなるストンの設計ノートを見つけことができた 2)．

人物がこの計器の寸法から細かな計算をしている

通常，登録された特許の明細書は米国特許庁で（図５参照）．その結果 5 区分の差は 0.1%以下であ調べることができる．しかし，特許が却下されたるため，この計器では問題にならないと結論づけもの，あるいは何かの理由で発明者が撤回した文ている．ここまで細かなチェックをしたことにも，書などは，特許庁には残されていないため，特許ウエストンはダイヤゴナル目盛を電気計器に採用がどう扱われたかその詳細を知ることはできない． し，自信をもって特許申請しようとした背景がう
図 4 はこのコレクションに保管されていた米国特かがわれる．

許庁の 1892 年の受領書である．これには付属文３．目盛の作成と校正書があって，そこに特許の拒否理由が明記されて実はこの標準用計器の目盛は一台一台手書きだいる．いったん拒否されても，それに反ばくできった．どうしてか？

る理由があれば発明者は異議を唱えることができ過去の記録を調べ，経験者から状況を聞くと次のる．しかし，この却下に対してウエストンが特許手順が明らかになった．試験台と呼ばれるデスク庁に異議抗告をした記録は見つかっていない．そで２人の作業者が担当した．一人は校正された計こで特許申請を打ち切ったのであろう．チコ・ブ器の前に座り，もう一人は新しい計器に白い目盛

ラーエの象限儀で説明したように，ダイヤゴナル板を取り付けて隣に座る．２台の計器には同一の目盛はかなり以前から天体・測量機器の象限儀な電流が加えられ，電流を加減しながら一人が親のどに使われてきた．おそらくウエストンは，その計器の目盛を読み，もう一人が新しい計器のブラ印刷はできなかったのか？

100150140

図3380×380mm
スケール長 310mm
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標準用計器とダイヤゴナル目盛

オートメーションインスツルメンツの歴史

ンクの目盛板に印をつける．それが終わると新しい目盛板をはずして，つけた印しを基にして細かな目盛を烏口で手書きしていた．
直流計器の場合は電流と振れ角は理論上は比例する．しかし実物の計器
では，磁界が均一でなかったり，摩擦があったりしてごくわずか直線からずれることがある．とくに計器のゼロ付近やフルスケール付近が均一にならない．これは 0.2%の

図4

電気計器の目盛特許受領書（米国
特許庁 1892/11/28）
NJIT バンホーテン記念図書館蔵

図5

ダイヤゴナル目盛の計算書（R.O.Heinrich,1892），NJIT
バンホーテン記念図書館蔵

高精度の計器精度では無視できなかった．このように目盛を手書きするこ欧州各国の標準局にくらべて著しく遅かった．そとによって，微妙な直線からのずれを同時に補正れまでアメリカでは度量衡の標準や電気の標準も，することができた．手書きにした理由がここにあ国として統一的に管理する部署はなかった．

る．なお手書き用には烏口と分割器と呼ばれる専3)用ジグが使われた ．

1900 年にハーバード大学のケネディ教授が議会の委員会でつぎのような証言した．「アメリカ

このように繊細な電気計器には，設計や製作の国内のユーザーでも，権威のある検査証明書を必ノウハウを必要としたと思われる．ノウハウを国要とするユーザーは，ウエストンの計器をドイツ内メーカーはどう収得したのだろうか．技術提携に輸出して PTB の校正書をつけて再輸入していか？

20 世紀の初めではそう言る．ところが，PTB はウエストンの計器を使っった権利意識は少なく，おそらくは現物のコピーている」4)．さすがの議会も驚いた．ウエストンから始まった．の電気計器が NBS の設立をうながし，電気の標技術導入か？

ウエストンと NBS（NIST）
どうして私はウエストンの計器の目盛にこだわったのだろうか．それはどんなインスツルメンツも目盛をもつからである．自動車のダッシュボードでも，航空機の操縦席でも，家庭の健康器具でも，電気のインスツルメンツに限らずインスツルメンツには目盛がある．また現代のノギスの副尺の原点であるダイヤゴナル目盛が，どのようにして違った分野のインスツルメンツに技術展開されたかを知りたかった．
アメリカで電気の標準を担当するのは NIST（国立標準技術研究所）である．この前身の NBS（国立標準局）が発足したのは 1901 年のことで，Vol.48 No.2（2003 年 2 月号）

準の管理と点電気計器の検定を発足させる動機の一つになったことは疑いない．お粗末な話ではあるが，伝統的にアメリカは，州単位の独立行政に国家が関与することをさけてきた国である．
＜参 考 文 献＞
１）松本栄寿「ベーン島の発見」オートメーション，Vol.
48, No. 8, 72/75（2002）．
２）所在： Robert W.Van Houten Library, New Jersey
Institute of Technology, University Heights Newark,
NJ 07102-1982, USA; http://www.njit.edu/archives/weston-museum/index.html．
３）松本栄寿「精密電気計器における細密読み 取りの歴史─ダイヤゴナル目盛を中心に」電気学会論文誌，
Vol.117-A, No. 1,（1997）, 740/748．
４）Rexmond C. Cochrane, "Measures for Progress", USDepartment of Commerce, p. 38（1966）．
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