水準器
管状の水準器
カメラの三脚に取り付けられたブルズアイ水準器

水準器、気泡水準器、または単にレベルは、表面が水平（レベル）か垂直（鉛直）かを示すために設計された器具です。この器具の容器内の液体が一般的にアルコール、または「スピリット」であるため、「スピリット・レベル」と呼ばれます。この名称は、このアルコールベースの溶液が気泡と反応して、表面が水平か鉛直かを示すことに由来します。アルコールは歴史的に水よりも好まれてきました。なぜなら、アルコールは温度範囲が広く、凍結せず、気泡の摩擦が少ないため、器具の精度と寿命が向上するからです。水準器には、管状（または直線状）とブルズアイ（または円形）の2つの基本的な設計があります。大工、石工、レンガ職人、その他の建築業従事者、測量士、製材工、その他の金属加工業者、そして一部の写真やビデオ撮影の現場 では、様々なタイプの水準器が使用されています。

歴史

水準器の歴史は、1887年に『サイエンティフィック・アメリカン』誌に掲載された記事で簡潔に論じられている。[ 1 ]フランスの科学者メルキゼデク・テヴノーは、1661年2月2日より前にこの器具を発明した。この日付は、テヴノーと科学者クリスティアーン・ホイヘンスの書簡から特定できる。発明から1年後、発明者はロンドンのロバート・フックやフィレンツェのヴィンチェンツォ・ヴィヴィアーニを含む他の人々に、発明の詳細を伝えた。これらの「気泡式水準器」が広く普及したのは18世紀 初頭になってからだと時折主張されることがあるが（現存する最古のものは18世紀初頭のものである） 、アドリアン・オーズは、1666年の王立科学アカデミーのマダガスカル探検に「テヴノー型水準器」を持参するよう推奨していた。これらの水準器は、世紀の変わり目よりずっと前からフランスをはじめとする各地で使用されていた可能性が高い。

フェル・オールウェイ精密水準器は、工作機械用として最初に成功したアメリカ製のブルズアイ水準器の一つで、1939年にイリノイ州ロックフォードのウィリアム・B・フェルによって発明された。[ 2 ]この装置は、機械ベッドに設置でき、同時にXY軸の傾きを表示できるため、水準器を90度回転させなくてもよいというユニークなものだった。この水準器は非常に正確であったため、第二次世界大戦中は輸出が制限された。この装置は、1フィートあたり0.0005インチの分解能（1フィートあたり5万倍または5秒角の傾き）という新しい標準を確立した。この水準器の生産は1970年頃に中止され、1980年代にイリノイ州ロックフォードのトーマス・バトラー・テクノロジーによって再開されたが、最終的には1990年代半ばに終了した。しかし、この装置は現在でも何百台も現存している。

設計と建設

機械工の精度レベル

初期の管状水準器は、各視点で内径が一定で、わずかに湾曲したガラス管を備えていました。これらの管には、通常は着色されたスピリットまたはアルコール など の液体 が不完全に充填されており、管内には気泡が残ります。管はわずかに上向きに湾曲しているため、気泡は自然に中央、つまり最も高い位置に留まります。わずかに傾くと、気泡はマークされた中心位置から離れていきます。水準器を逆さまや横向きでも使用できるようにする必要がある場合、湾曲した一定径の管は、中央の内径がわずかに大きい、湾曲していない樽型の管に置き換えられました。

水の代わりに、エタノールなどのアルコールがよく使用されます。アルコールは粘度と表面張力が低いため、気泡はチューブ内を素早く移動し、ガラス表面からの干渉を最小限に抑えて正確に沈降します。また、アルコールは液体の温度範囲がはるかに広く、水のように氷の膨張によってバイアルが破損することもありません。気泡の視認性を高めるために、フルオレセインなどの着色剤（通常は黄色または緑色）を添加することもあります。

直線水準器の派生形として、ブルズアイ水準器があります。これは円形で底が平らな装置で、中央に円が描かれたわずかに凸状のガラス面の下に液体が入っています。これは平面を横切って表面を水平にするのに対し、管状水準器は管の方向のみを水平にします。

較正

レベル調整

大工用水準器の精度を確認するのに、完全に水平な面は必要ありません。水準器を平らでほぼ水平な面に置き、気泡管の指示値を記録します。この指示値は、水準器の精度に基づいて、面が水平面に対してどの程度平行であるかを示します。この段階では、水準器の精度は不明です。次に、水準器を水平面内で180度回転させ、再度指示値を記録します。水準器が正確であれば、水平面に対して同じ方向を示します。差がある場合は、水準器が不正確であることを意味します。

水準器の調整は、水準器を回転させ、ハウジング内の気泡管を移動させて差異のおよそ半分を吸収し、水準器を反転させたときに読み取り値が一定になるまで行います。

測量士用光学式水準器やセオドライトといったより高度な機器にも同様の手順が適用され、機器を設置するたびに当然のことながら行われます。後者の場合、機器の回転面と水準器を水平に合わせます。これは、2つの垂直な水平方向で行われます。

感度

感度は水準器にとって重要な仕様です。装置の精度はその感度に依存するからです。水準器の感度は、気泡を単位距離だけ移動させるのに必要な角度または勾配の変化として表されます。気泡ハウジングに目盛りが付いている場合、感度とは気泡をこれらの目盛りの 1 つ分だけ移動させる角度または勾配の変化です。目盛りの間隔は通常 2 mm (0.079 インチ) です。測量士の水準器では、気泡管が約 0.005 度傾くと気泡は 2 mm (0.079 インチ) 移動します。目盛りが 2 mm (0.079 インチ) の精密機械工用水準器では、気泡管が 1 目盛り傾くと、水準器はピボット ポイントから 1 メートルで 0.04 mm (0.0016 インチ) 変化します。これは、機械工の間では 1 フィートあたり 5 分の 1 と呼ばれます。この用語は機械工に特有のもので、 1000 分の1 インチの5 分の 1 の長さを示します。 [ 3 ] [ 4 ]

種類

水平を確立するために使用されているレベル ツール。

水準器には用途に応じてさまざまなタイプがあります。

  • 大工用水平器（木材、アルミニウム、または複合材料）
  • メイソンのレベル
  • 魚雷型水平器 - 魚雷型のフレームと垂直、水平、場合によっては 45° のチューブ水平器を備えた水平器
  • ポストレベル
  • ラインレベル
  • エンジニアの精度レベル
  • 電子レベル
  • 傾斜計
  • スリップまたは横滑りインジケーター
  • 的を射たレベル

コンビネーション定規のヘッド部分には通常、水準器が付いています。

大工のレベル

カーペンターのブルズアイレベル

伝統的な大工用水準器は、短い木の板のような形をしており、安定性を確保し、測定対象面を正確に測定するために、多くの場合、本体が幅広になっています。水準器の中央には、気泡管とチューブが取り付けられた小さな窓があります。2つのノッチ（またはリング）は、測定面が水平である場合に気泡管が位置する位置を示します。多くの場合、45度の傾斜を示すインジケーターが付いています。

エンジニアの精度レベル

エンジニア用精密水準器は、単純な水準器よりも高い精度で対象物の水平出しを可能にします。機械の基礎やベッドの水平出しに使用され、機械があらかじめ設定された精度でワークピースを出力できるようにします。

ラインレベル

ラインレベルと巻尺を使用して標高を測定します。

ラインレベルは、建築業者のひもに吊るすように設計された水準器です。本体には小さなフックが組み込まれており、ひもに引っ掛けて吊るすことができます。本体は軽量で、ひもが実質的に本体となるため、ひもに負担がかかりません。また、本体は小型です。ひもの中心に水準器を吊るすと、ひもの各「脚」が水準器の平面を延長します。

魚雷レベル

魚雷レベル

トルピード型水準器は、おおよそ魚雷型の枠の中に、垂直、水平、そして時には45°の管状水準器が収められた水準器です。トルピード型水準器は特に狭い場所で役立ちます。枠は通常、プラスチックまたは金属製です。[ 5 ]

測量士の水準器

建設現場で使用されている最新の自動レベル

水準器と光学望遠鏡を組み合わせると、傾斜レベルまたはダンピーレベルになります。[ 6 ]これらの水準器は測量で長距離の高低差を測定するために使用されます。測量士の水準器は、十字線の付いた望遠鏡 (おそらく 30 倍) に水準器が取り付けられており、望遠鏡自体は三脚に設置されています。観測者は、2 本の目盛り付き垂直ロッド (1 本は「後ろ」、もう 1 本は「前」) の高さの値を読み取り、ロッドが置かれている地上点間の高低差を取得します。標高がわかっている地点から始めて横断的に進むと (連続する点間の間隔はおそらく 100 メートル (328 フィート) です)、長距離にわたる高低差を累積的に測定し、標高を計算できます。精密な水準器では、1 キロメートル (0.62 マイル) 離れた 2 点間の高低差を数ミリメートル以内の精度で測定できるはずです。

代替案

代替案としては以下が挙げられます。

現在、ほとんどのスマートフォンでは、デバイスの加速度計を利用した高度なツールが利用可能です。これらのモバイルアプリは、様々な機能とシンプルなデザインを備えています。[ 7 ]また、新しいWeb標準により、ウェブサイトはデバイスの向きを取得できるようになりました。

デジタル水準器は、従来の水準器に代わるものとして、特に従来の建築工事や鉄骨構造物の建設といった土木工事において、現場での角度調整や水平出し作業にますます普及しています。業界関係者は、これらの水準器を「建設用水準器」「ヘビーデューティー水準器」「傾斜計」「分度器」と呼ぶことがよくあります。これらの最新の電子水準器は、360°の範囲内で0.1°～0.05°の精度で正確な数値角度を表示でき、遠くからでも明瞭に読み取ることができ、普及率が高いため価格も手頃です。従来の水準器では実現できない機能を備えています。通常、これらの機能により、建設中の鉄骨梁フレームを必要な方向に正確に位置合わせし、水平出しすることが可能になります。これは、現場における鉄骨構造物の安定性、強度、剛性を確保するために不可欠です。角度調整MEMS技術を組み込んだデジタル水準器は、多くの現代の土木構造物の生産性と品質を効果的に向上させます。最近のモデルの中には、過酷な作業環境に対応するIP65防水性能と耐衝撃性を備えたものもあります。

参照

参考文献

  1. ^ Scientific American . Munn & Company. 1887年8月27日. p. 136.
  2. ^ William B Fell (1940-08-01). 「機械工用精密レベル (US2316777A)」 . Google Patents . 2018年8月2日閲覧。
  3. ^ 「機械工場の数字と価値を読み取るための初心者向けガイド」。2021年11月24日。
  4. ^ 「水準器の感度と精度」 2022年12月13日。
  5. ^ 「小型魚雷レベル：狭い空間に最適なレベル」 Keson、2019年10月31日。 2025年7月9日閲覧。
  6. ^ 「Equipment Database Menu」 . Sli.unimelb.edu.au. 1998年10月19日. 2009年7月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年7月29日閲覧。
  7. ^ 「水準器の使い方は？」 iPhoneFAQ . 2018年8月2日閲覧。
ウィキメディア コモンズには、水準器に関連するメディアがあります。
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