（第9回）インスツルメンツの歴史 計測と制御の機器を中心に「自動平衡記録計の発明」
横河電機

松 本 栄寿自動平衡計器の原点はどこにあったのだろうか。

灯は明るいと言うより眩しすぎるし、高圧の電気その基本、負帰還方式が使われたのはまず蒸気機を必要とするため家庭の照明には不向きであった。

関に取り付けられた回転数制御のガバナーであり、図１はアーク灯用のエルフー・トムソンの発明蓄音機の取り付けられたレコードの回転数を一定したレギュレータである。彼はカーボンアーク放に保つガバナーである。やがてはアーク灯の制御電部にシャント回路を設けた。メイン回路とシャに応用されるようになった。アーク灯はガス灯にント回路はそれぞれソレノイド電磁石をもってい代わって都市に普及していった電気の照明であるて、それが反対方向に動く、ギャップが大きくなが、放電するに従ってカーボン電極が損耗して行ってアークをバイパスする電流が増えると、シャくために、それを補って電極の間隔を一定に保っントの電磁石がドライブされ上側の電極を下げる。てやらないと明かりが継続しない。フーコー・シ

二つ目の電磁石は、メイン回路と直列になっていーメンス・ブラッシュ・トムソンなどと大勢の発て、ドライブされるとスプリングの力を押して下明家が競い、19 世紀半ばから 20 世紀始めまでに部の電極を引っ張るように動く。シャント回路のアメリカの特許庁だけで 1,000 件もの特許が提出

利点は、制御がアーク抵抗の急変に影響されない

1）

された 。

こと、機構は基本的に電流値に影響されないことと特許に記載されている 2）。

アーク灯の自動制御

トムソンは GE 社の前身であるトムソン・ヒュ

アーク灯は白熱電球が発明されるまで、市街地ーストン社の創設者で、電力工業の発展時に活躍でつかわれた唯一の電気照明である。ただアークした人物である。アーク灯照明システム用の発電機、レギュレータなどを考案して成功を収めた。

E.THOMSON ＆ E.J.HOUSTON.
Regulator for Electric−Lamp.
No.220,508. Patented Oct.14,1879.
DFIG.1.

Tのちに交流時代には実用的な誘導式積算電力計も発明している。晩年にはパロマ天文台の反射鏡のW W′AKL製作にもかかわった技術界の重鎮であった（図１）。

ZY

自動平衡計器X

ブリッジ回路や電位差計回路を自動的にバラン

R
B

GG′C

AC100V

E
E′

NC′

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Q

FIG.2.
Y
WITNESSES

72

K

W

T L
P

RP Z
W

X

A K INVENTORS

図１
米国特許220, 508、Improvementin Regulators
for Electric
Lamps 、構造図
（1879）

測温抵抗
RtS
スライド抵抗増幅器

サーボモータブリッジ電源図２

自動平衡計器の原理（測温抵抗体入力）
オートメーションインスツルメンツの歴史

スさせる方式が自動平衡計器である。測温抵抗
Rt 入力の自動平衡計器を例にとると、ブリッジ回路の出力を増幅器に加えて、ブリッジの偏差を増幅器で増幅してサーボモータを駆動する。モータはブリッジの抵抗のブラシを左右に動かし抵抗値を変えてやる。ブリッジ回路の出力、すなわち増幅器の入力信号がゼロになるようになるとブリッジが平衡したことになる。その時、温度の値がブラシの位置に変換されたことになる。ブラシの先にペンを取り付けると自動平衡式記録計レコーダとなる。現代の実験室で使われる計器はほとんど自動平衡記録計である（図２）。

ケンブリッジ科学機器社

図３
カレンダーレコーダ
英国、ケンブリッジ科学機器社製（1900 年頃）
410mm × 210mm
× 740mm
横河電機技術館準備室蔵

1898 年に英国ケンブリッジ科学機器社を作ったのだろうか。図１を前面から見ると構成（Cambridge Scientific Instrument Company）かの見事さと、豊富に使われている真鍮の輝きは見ら、自動平衡記録計カレンダーレコーダる者を魅了させる。当時の技術者の知恵の結晶を（Callendar Recorder）が発売された。同社は 1881みる思いがする。細かにその構造と動きを見よう

年に、ホリス・ダーウイン（1851 ― 1928）とアルバ（図３）。

ート・デュー・スミス（1848 ― 1903）が設立した。

この記録計は測温抵抗体入力の温度記録計であホリスは進化論を唱えたチャールス・ダーウインる。測温抵抗体は白金線の温度に対する抵抗変化（1845 ― 1912）の子息である。科学者と技術者が協を利用する温度センサで、ホイートストンブリッ

力しあって、ケンブリッジ大学の研究に必要な機ジ回路の一辺に接続して使用する。白金線は器を作る目的で創った企業である。現在では電子0.05mm φで約 100 Ωである。左上に大型の馬蹄顕微鏡など先端技術機器を作るメーカーである。

形磁石を持った可動コイルガルバノメータがあり、19 世紀の英国には、精密機器のメーカーが集コイルはブリッジの中点に接続されている。動作中していた。1870 年創立のエリオット兄弟社は、を順を追って説明しよう（図４）3）。

海底電信用の機器、抵抗ボックス、ガルバノメー（1） ブリッジの偏差に応じてガルバノメータ

タなどで成功を収め、大西洋横断海底ケーブルでのコイルが左右に動くと、その動きは長いレバーはグラスゴー大学のケルビン卿（1824 ― 1907）の指で拡大される。レバーの先には２本のフォーク状導でサイフォンレコーダを製作していた。の接点があって、どちらかのフォークが間に挟ま1890 年代は鉄鋼プロセスが隆盛を迎えた時代れた共通接点に触れる。２本のフォークからは、で、炉の高い温度の測定が必要となった。平炉の絶縁したエナメル線がレバーに沿って２組の電磁発明者であるウイリアム・シーメンス（1823 ―石までつながっていて対応する電磁石リレーを駆1883）は、白金測温抵抗体を使うことを提唱した

動する。

が、安定なものが得られず、それを改良したのは（2） 電磁石の鉄片は、常時は時計モータに直ロングボーン・カレンダー（1863 ― 1930）であった。

結されたアルミ製ドラムにブレーキをかけている。

彼には測温抵抗体とともに自動平衡記録計が必要

ブリッジ偏差に応じて、ドライブされるとブレーになった。

キを緩める。緩められるとドラムが回転をはじめ、カレンダーレコーダの動き左右の回転は差動歯車を介して、中央の駆動軸に伝えられる。

真空管も、トランジスタも、IC も、小型電気（3） 駆動軸の細い繰り糸が左右のプーリーをモータもないころ、どのようにして自動平衡回路介して動き、ペンをとりつけたブラシを左右に動Vol.48 No.3（2003 年 3 月号）

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かす。ブラシの接点は、ブリッジの一辺の白金ス

さらに円盤の回転中心は偏心している。これはフライド抵抗に接触してブリッジをバランスするよォーク状の接点が接触する際に、いつも同じ点にうに動く。このようにしてペンとインクでチャーあたらないように工夫したものと思われる。
これは、現代でも電車の架線に使われている。

トに記録する。
（4） サーボモータに相当する駆動機構、チャ

いま駅のホームに立って電車のパンタグラフと架ートモータ、共通接点部など、すべて時計４組の線を眺めると、架線が斜めにジグザグに走っていゼンマイで動く。全面の写真と動作原理図が１対ることにも気づく。架線とパンタグラフがいつも１に対応していて、形そのものから動作を理解す同一点で接触するのを避けるためである。つまりることができる。

接触部がスムーズに動作して、癒着したり、一部（5） 現代の自動平衡計器では、まずブリッジが摩耗したりすることのないように工夫した。の偏差を検出するガルバノメータが真空管増幅器

ブリッジ、ガルバノメータ、時計巻きモータ、になり、ついで増幅器はトランジスタや IC に置スライド、ブラッシュから構成された機構のペンき代わって、電気のサーボモータを駆動する。モの動きはフルスピードで約 30 秒、平衡するまでータは位相に応じて左右に動く。ここで分かるよ

約１分かかるが、温度記録計としては十分な応答うに、自動平衡の原理は 19 世紀末以来、まった性である。ガルバノメータはブリッジの偏差を検く変わっていない。

出する検出器としては十分な感度を持つが、振動（6） 全体はまことに巧妙な機構であり、材料に弱い欠点がある。また動きがおそく平衡時間がには当時の最高品材料を使ったと思われる。その長いなど、研究室内や温度計測以外には使いにく構造は現代でも学ぶべき点が数多く見受けられる。

かったと思われる。記録紙は一周一日分をドラム

例えばプーリーはアルミニウムでできている。にまいて使い、インクも一日分だけペン先に蓄え

この当時は、アルミはまだ電気分解で安価にできる時代ではなかったと思われる。素早く左右に回り出すことが必要な部分であるから、慣性の小さい金属として、高価なアルミニウム円盤を使ったものと思われる。

た。

電子管式自動平衡記録計
L. カレンダーの自動平衡計器には、ガルバノメータを高感度の検出素子として、また長いレバ

ガルバノメータにつけられた長い接点と接触すーを増幅素子として使った。繊細なガルバノメー

る共通接点は、円盤状をしていて、時計機構で回タではあるが、外部の動力も、電源も必要としな転している。この円盤の左右には鍔（つば）があり、い簡素な原理である。
ついで、1910 年代には、アメリ

ガルバノメータ
車輪型共通接点

レバー（フォーク状接点）

車輪型共通接点（円板の周囲に鍔）

みがき
ブラシ

偏心
回転軸
左右にフォーク状接点

リレー
電源

電磁石リレー

カのリーズ・ノースラップ（L ＆ N）社によってマイクロマックスと呼ばれる自動平衡計器が開発された。この計器もガルバノメータの変位の動きをレバーで拡大するが、ペン記録やスライド駆動力はモータで補う方式で全体がより堅牢な構造である。

ブレーキ

アルミ製ドラム（時計巻き駆動）

このようなガルバノメータに頼らなくなるのは、真空管増幅器が出現

ペンキャリッジ

ブラシ接点

ブリッジ
ブリッジ回路図４

電源
測温抵抗体入力
74してからである。しかしペンやスラ白金
スライドカレンダーレコーダの機構と動作右上：共通接点機構の拡大図

イドを駆動するには、磁気ソレノイドを使った。1940 年代には、真空管と電気のサーボモータ駆動する方式が L ＆ N 社やブラウン社で開発さオートメーション

インスツルメンツの歴史れる 4）。
日本でも 1950 年代に真空管増幅器を使用して自動平衡記録計を作る試みが大倉電気、横河電機などで始められた。自動平衡記録計を開発するには、モータに加えられる位相で回転方向が変わる

ペン指針

サーボモータや、平衡スライド、安定な増幅器な目盛板

ど、コンポーネントは市場で入手できなかった。
計測器メーカが自社で開発する必要があった。20世紀初頭に電気指示計を国産化した時の状況と同じである。何れの企業もコンポーネントに苦労し、折り畳みチャート逆にそこが付加価値をつける原点となった。

図５10mV を選んだ。当時は直流を安定に増幅する増ER 電子管式自動平衡記録計・増幅器・チャート
日本でも 1950 年代に電子管式自動平衡計器が開発され、広く使われた。
320mm × 310mm × 400mm

幅器はなかったから、交流に変換して増幅し交流このようにカレンダーレコーダのガルバノメーサーボモータに加える。それには、ガルバノメー

タは真空管増幅器になり、ペンやスライドを動かタ型直流・交流変換器や機械式チョッパが使われす吸引型電磁石は、左右に回転する電気サーボモた。増幅器の真空管はラジオ受信機に使われたータに置き換わった。真空管の増幅器はトランジST 管である。写真で分かるように大形である。

スタ、IC が採用されていく。つまりカレンダーこの自動平衡ループがはじめて組み上げられたと

レコーダの原理は 100 年間にわたって実際に使わき、ゆっくりと平衡に達する様子を見ていた技術れたが、使われる機構部品はつぎつぎに新しい電責任者は「ああメータと同じだ」と述懐したと伝気部品に置き換わってきた。この計器でいつも時えられている。増幅器のゲインを変えてやると、代の先端電子部品を使いこなしてきたと言えよう。

その動きが電気計器ようにオーバー・ダンピング

1980 年代からのディジタル技術が導入される動作になったり、アンダー・ダンピング動作になと、自動平衡記録計にもそれまでなかった機能・ったからである（図５）。

特性をもつようになる。アナログ記録方式では、その一つは 1951 年の横河電機の ER 電子管自動平衡記録計である。入力は熱電対を意識して直流

当時はプロセスオートメーションの立ち上がり測定レンジの値や、熱電対の種別などのはすべて時期にあたり、電子管式自動平衡記録計と、空気ハードウエアのプリント板をそのつど選んだ。そ式調節計を組み合わせて使うワンループ調節計とれがディジタル技術ではソフトウエアに置き換えして爆発的に売れた。この時の真空管増幅器はミることが出来るようになり、さらにメモリーを内ニアチュア管、ついでトランジスタ、IC とつぎ蔵するようなって、従来にない機能が加えられた。

つぎに新しい素子を採用して行くた。同時に多入

詳しくは後にのべよう。

力の切替スイッチなどメカ部品も半導体化され、信頼性も向上していった 5）。
さらに、測定するレンジをロータリースイッチで自由に選べる、マルチ電圧レンジの記録計も生産された。エレクトロニクス回路の開発実験者、
特に直流増幅器の開発には長時間の連続実験データが必要であり、その記録や解析には便利であった。最初は工業プロセス用向けのパネル取り付け構造であったが、ラボ専用として実験机用のレコーダも開発された。この種のレコーダシリーズは＜参 考 文 献＞
１）Otto Mayer : Feedback Mechanisms , SmithsonianInstitution Press,（1971）
２）米国特許 220, 508 : Improvement in Regulators forElectric Lamps , Elihu Thomson,（1879）
３）P H Sydenham : Measuring Instruments : tools ofknowlegde and control , Peter Peregrinus LTD., 341／ 347,（1979）
４）松本栄寿：「ガルバノメータの発展と自動平衡記録計の出現」横河技報、36 ― 3、37 ／ 42（1992）
５）松本栄寿：「歴史の選んだ計測器」計測と制御、41 ― 1、53 ／ 57、（2002）

横河電機でも 100 万台以上を達成したと見られる。
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