計量学

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計量学(けいりょうがく、英語: metrology)とは、計量測定計測度量衡を研究対象とする学問分野。『国際計量用語集』(JCGM 200:2008) によると、「計量学は測定対象の分野や測定の不確かさを問わず、測定という行為のあらゆる理論的および実践的観点を含む」とされる[1]日本語では測定学(そくていがく)、計測学(けいそくがく)、度量衡学(どりょうこうがく)とも呼ばれる。用語については後述

本項では、学問の一分野として、また測定に係る営みとしての計量学について解説する。行為としての測定そのものに関する詳細な解説は「測定」の項目を参照のこと。

フォード・マドックス・ブラウンの連作『マンチェスターの壁画英語版』(1879年〜1893年制作)より、「度量衡に関する布告、紀元1556年」マンチェスター市民に対し、各自が所持する度量衡を持参して測定標準と較正することを命じる勅令が出た時の場景を描く。測定系と測定標準の関連付けは計量学の重要な要素であり、現代ではトレーサビリティの確保という枠組みのもとで推進されている。

用語[編集]

英単語としての metrology古代ギリシア語μέτρον(metron, 秤、物差し[2])と λόγος(logos, 言葉、論理[3])を語源とする。Metrology は時に測定行為自体を指すこともある。

一方、測定にかかわる技術は各分野でそれぞれ独自に発展したこともあって[4]日本語の用語は統一されておらず、英語との対応関係も一対一となっていない[5]Metrology に対応する訳語としては「計量学[6]」、「測定学[7]」、「計測学[8]」、「度量衡学[8]」など多岐にわたる。本項では産業技術総合研究所計量標準総合センターの計量用語集[9]に倣い「計量学」を用いている。

測定の営みと計量学の3種の活動[編集]

トレーサビリティチェーン[10][11]

測定とは、あるを決められた一定の「基準」と比較し、数値または符号で表すことである[12]。例えば日常的に長さの測定を行う時は定規巻尺を用い、機械工場などでより精密な測定が必要となる時はマイクロメータを用いて、長さを数値として得ることができる。このような測定のための計器や他の装置との組合せを測定系(measuring system)と呼ぶ[13]

各測定系の示す値は可能な限り一致している必要があるため、基準として「ある単位又はある量の値を定義、実現、保存又は再現することを意図した計器、実量器、標準物質、測定系[14]」が必要となる。これを標準(standard)と呼ぶ。標準によって実現されるべき値は国際的な合意により定まっているが、実用上は、国際標準と比較して値が決定された国家標準、国家標準と比較された参照標準、さらに実用標準といった連鎖で、各標準が用意されている(それぞれ英語では international standard, national standard, reference standard, working standard[15]

古代エジプトのキュビット標準

この過程を上流から眺め直すと、計量学を主に3種の活動に分類することができる[16][17]

計量単位の定義(definition
例えば、1メートルを「北極点と赤道の距離の1/10000000」と定義すること。1983年には不確実性を低減するために定義が改められ、「真空中で11/299792458の時間にが進む行程の長さ」とされた[18]。現行の国際単位系 (SI) には他にも数々の欠点が指摘されており、定義の改訂は計量学の重要な任務の1つである。
計量単位の実現(realisation
例えば、上記のメートルの定義を実際の長さとして具現化すること。かつてはメートル原器の製作により行われた。現在はヨウ素で安定化されたヘリウムネオンレーザーを用いる[18]
トレーサビリティtraceability)の確立
測定値および測定の正確さを決定して文書化し、その知識を普及すること[16]。また、不確かさがすべて表記された切れ目のない比較の連鎖によって、単位の定義から各種標準、そして測定系を全て関連付けること。これにより、測定結果や標準の値はより高いレベルの標準に関連付けられ、トレーサビリティチェーンを辿っていくことによって最終的に一次標準(primary standard)に到達することができる[10]

分野[編集]

計量学の3分野[編集]

計量学は次の3つの分野に分けることができる[16]。なお、この3つの分野は決して排他的なものではなく、常に一定の共通部分を持っている。

科学計量(scientific metrology
「測定標準」の開発・構築・維持
産業計量(industrial metrology
産業界・生産プロセス等での測定器の適正な機能の確保、較正
法定計量(legal metrology
商取引等に用いられる測定の正確性の担保、法規制の整備

この中でも特に産業計量は工業医療環境物流資源など、社会の中で極めて広い分野に関係し、計測機器の開発・製造や装置の装備と利用(計装)など、工学に特化した課題が極めて多い[19]。こういった課題は計測工学として一つの分野をなしている。

科学と計量学[編集]

国際単位系 (SI) 基本単位(色つき)の新しい(提案中の)定義によるお互いの関連性と、基本単位と基本物理定数(灰色)の間の関係性。詳しくは新しいSIの定義参照

科学的方法においては客観的・測定可能な事実に基づいて議論が展開されるため、計量学が不可欠である。優れた測定ツールがあれば、測定の精度・正確性を向上させることが可能になり、研究をさらに進めることができる[16]

一方、計量学の進展には科学技術の他分野の進展が必要である。これはメートルの定義の変化を考えるとわかりやすい。メートルは地球の大きさを基準に制定されたが、その後の研究により地球が単純な球でないことがわかったため、メートル原器による定義に切り替えられた。しかし原器の精度に限界があることが指摘されたため、その後クリプトン-86元素真空中で発する電磁スペクトルの基準を経て、現在は光速が基準となっている。金属加工技術・電磁気学の発達・高度な装置を構築する技術など、新たな科学の発展や単位実現のための技術の発見などにより、メートルの定義がより高度で精度の高いものへと進化していったことがわかる[18]

産業と計量学[編集]

産業革命以降の人間社会における大量生産においては均質で整った物体を多数製造することが求められる。これを可能にしているのは物体の正確かつ高速な計量であり、計量学の発達は経済的価値に直結してきた。実際、各国の計量標準機関(後述)について、日本(NMIJ)の場合だと文部科学省ではなく経済産業省アメリカ合衆国(NIST)の場合だと商務省の管轄下におかれている事実が、計量学が通商の分野で重要視されるものであるということを端的に示している[20]

法と計量学[編集]

測定はあらゆる人が共通の基準を用いて行うことが求められるため、その共通性を担保し維持するためには政府の関与やによる規制が必要となる。該当条項を遵守しない計量器(measuring instrument)が市場に出回ることを防止するのは政府の責任である[21]

また、計量器以外の製品についても、製品の大きさや量が表示と一致している必要がある。所定の要件に適合する製品を製造することは製造者の責任であり、それを満たさない製品は市場から引き上げさせることが政府の責任である。

このため、例えば日本においては、計量の基準を定め適正な計量の実施を確保することを目的として計量法が制定されている。また、計量器の検査や計量管理を主な職務とし、取引や証明などにおいて信頼される適正な計量を確保するための国家資格計量士がある。

研究機関[編集]

国際機関[編集]

測定において、統一された単位の利用と、その大きさの一致は至上命題である。測定者によって基準が異なっていては測定は意味をなさなくなるからである。メートル条約以降、国際機関を通じた密接な協力体制によって、度量衡の統一が維持されてきたため、計量学に関する国際的な体制は極めて良く整備されている。主な機関を以下に記す。

このほか、国際標準化機構 (ISO) や国際電気標準会議 (IEC) などの標準化団体国際純正・応用化学連合 (IUPAC) や国際純粋・応用物理学連合 (IUPAP) などの国際学術機関、世界貿易機関 (WTO) などの国連機関をはじめ、数多くの機関が関係する[22]

国家計量標準機関[編集]

計量学は国家の産業や市民生活全般に影響をおよぼすため、各国は国立またはそれに準ずる形で計量学に特化した研究機関を設置している。これら機関のことを国家計量標準機関(英語: national metrology institute, NMI)と呼ぶ[9]。以下に例を示す。このほか、各NMIへのリンク集を産総研の国際計量室のウェブサイトで閲覧することができる[23]

機関 略称
アメリカ合衆国の旗 アメリカ合衆国 アメリカ国立標準技術研究所 NIST
イギリスの旗 イギリス イギリス国立物理学研究所 NPL
インドの旗 インド インド国立物理学研究所 NPL
オーストラリアの旗 オーストラリア オーストラリア国立計量研究所 NMI
韓国の旗 韓国 韓国標準科学研究院 KRISS
シンガポールの旗 シンガポール シンガポール科学技術研究庁 国立計量センター NMC/A*STAR
タイの旗 タイ タイ国家計量標準機関 NIMT
中華人民共和国の旗 中華人民共和国 中国計量科学研究院 NIM
ドイツの旗 ドイツ ドイツ物理工学研究所 PTB
日本の旗 日本 産業技術総合研究所 計量標準総合センター NMIJ/AIST
フランスの旗 フランス フランス国立計量試験研究所 LNE

地域計量組織[編集]

各大陸の地域計量組織

各国のNMIは地域別の地域計量組織(regional metrology organisation, RMO)に所属し、連絡・協力体制を構築している[24]。各RMOとおおまかな地域を示す。

出典[編集]

  1. ^ "Metrology includes all theoretical and practical aspects of measurement, whatever the measurement uncertainty and field of application." (JCGM 200:2008, §2.2)
  2. ^ Liddell & Scott 1940, μέτρον.
  3. ^ Liddell & Scott 1940, λόγος.
  4. ^ 南, 木村 & 荒木 2012, p. 1.
  5. ^ Howarth & Redgrave 2009, p. 7.
  6. ^ Howarth & Redgrave 2009, p. 13.
  7. ^ JIS Z 8103:2000, 番号2102.
  8. ^ a b JST、「metrology」 『JST科学技術用語日英対訳辞書』http://ejje.weblio.jp/content/metrology 
  9. ^ a b 『国際計量室ホームページ用語集』 産業技術総合研究所 計量標準管理センター、2010年5月14日https://www.nmij.jp/~imco/yougo/ 
  10. ^ a b Howarth & Redgrave 2009, p. 19.
  11. ^ Czichos, Saito & Smith 2011, p. 4.
  12. ^ JIS Z 8103:2000, 番号2101.
  13. ^ JIS Z 8103:2000, 番号2013.
  14. ^ JIS Z 8103:2000, 番号2123.
  15. ^ JIS Z 8103:2000, 番号2126–2129.
  16. ^ a b c d Howarth & Redgrave 2009, p. 14.
  17. ^ Czichos, Saito & Smith 2011, p. 3.
  18. ^ a b c Howarth & Redgrave 2009, p. 56.
  19. ^ 南, 木村 & 荒木 2012, p. 3.
  20. ^ 中部 2002, p. 1.
  21. ^ Howarth & Redgrave 2009, p. 26.
  22. ^ 『メートル条約』 NMIJ/AIST国際計量室https://www.nmij.jp/~imco/metric/2013年7月14日閲覧 
  23. ^ 『リンク - 国際計量室』 NMIJ/AIST国際計量室https://www.nmij.jp/~imco/link/2013年7月14日閲覧 
  24. ^ Howarth & Redgrave 2009, p. 33.

参考文献[編集]

関連項目[編集]