JP2005069947A - 水準器 - Google Patents

Abstract

【課題】可動部の制動力を大きくし、安定するまでの時間が短い水準器を提供する。
【解決手段】磁石３を設けた支持部１に、導電体５を有する可動部２が揺動できるように支持され、前記磁石３により生じる磁束が前記導電体５と鎖交するものであって、支持部１が水平面に置かれたときに前記磁石３と前記導電体５は対向し、前記磁石３の着磁方向がこの対向方向である水準器において、前記磁石３は、内方部３ａと前記導電体５側から見て内方部３ａを取り囲む外方部３ｂとを有し、内方部３ａと外方部３ｂの着磁方向が互いに反対方向になるように形成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、重力を利用した水準器に関するものである。

水準器は、建設現場などで用いられ、揺動できるように支持された可動部が重力によって鉛直方向を指し示すことを利用して鉛直方向や水平方向などを知るものである。この結果を迅速に得るためには、可動部の揺動を速く停止させるために制動手段を設ける必要がある。このような制動手段としては、磁石の近傍を導電体が揺動するようにして、導電体に渦電流を生じさせて制動力を生じさせるものがある。

例えば、特許文献１には、可動部の下端に取り付けられた導電体板を可動部の揺動の支点を中心として湾曲させ、４つの磁石をこの支点を中心として導体板の半径よりも大きな半径の周上に配置する構成が開示されている。
実開平６−６２３１５号公報

特許文献１に開示された構成は、可動部の揺動が大きくなっても導電体と磁石の間の距離に変化が生じないようにしているので、揺動が大きくなったときにも制動力が低下せず、効果的である。しかしながら、このものは、制動力を高めるものではなかった。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、可動部の制動力を大きくし、安定するまでの時間が短い水準器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本願発明は、磁石を設けた支持部に、導電体を有する可動部が揺動できるように支持され、前記磁石により生じる磁束が前記導電体と鎖交するものであって、支持部が水平面に置かれたときに前記磁石と前記導電体は対向し、前記磁石の着磁方向がこの対向方向である水準器において、前記磁石は、内方部と前記導電体側から見て内方部を取り囲む外方部とを有し、内方部と外方部の着磁方向が互いに反対方向になるように形成している。

本願発明の水準器においては、磁石の外方部が内方部を取り囲んでいるので、可動部は、どの方向に揺動しても、磁石の内方部と外方部との間ををまたぐように揺動する。そして、磁石の内方部と外方部との間の着磁方向を互いに反対方向にしているので、導電体が内方部と外方部をまたぐように揺動するときに、導電体に鎖交する磁束量の変化が大きくなり、導電体に生じる渦電流を増大させて、可動部に生じる制動力を大きくすることができる。したがって、安定するまでの時間が短い水準器を提供することができる。

まず、渦電流を利用した制動力の発生の原理について、以下に示す式を用いて説明する。ここで、Φは磁束、Ｂは磁束密度、Ｓは断面積、Ｊは電流密度、Ｆは力、ｘは変位、ｔは時間、σは導電率をそれぞれ表している。

導電体５に鎖交する磁束密度に変化が生じると、（３）式のように渦電流Ｊが生じる。この渦電流Ｊは、（１）式を考慮すると磁束Φの時間変化に比例して生じることがわかる。一方、この渦電流Ｊには、（２）式に示されるフレミングの左手の法則により求められる力Ｆが生じ、可動部２は制動力を得ることができる。したがって、磁束Φの時間変化を大きくすることにより、制動力を大きくすることができる。この磁束Φの時間変化を大きくするためには、磁束Φを大きくするか、磁束Φの位置に対する変化量∂Φ／∂ｘを大きくすることにより実現できる。

次に、本願発明の第１の実施形態について、図１〜図３を用いて説明する。このものは、支持部１と、可動部２と、磁石３と、磁性部材４と、導電体５とを有して構成されている。

支持部１は、脚部１ａと、下部ケース１ｂと、上部ケース１ｃと、支柱部１ｄと、接続部１ｅとを有して構成される。脚部１ａは、下部ケース１ｂに３つ設けられ、建造物の床や地面などの面状の固定物の上に配置したときに、水準器を安定して支持するように設けられている。このものは、円柱状の軸１ａａの端部に、点で支持できるように円錐状に形成された接触部１ａｂを有している。

下部ケース１ｂは、径の異なる２つの円柱をそれぞれの中心軸が一致するように重ねて接続したような軸対称形状に形成され、脚部１ａにより支持したとき、径の小さい側が下になるように脚部１ａが設けられている。そして、このものは、内方に可動部２が揺動する揺動空間１ｂａを有している。この揺動空間１ｂａは、中心軸が一致する径の異なる３つの円柱を、下部ケース１ｂの上面から径が大きい順に除去することにより形成され、下部ケース１ｂの上面と下面を貫通している。そして、２番目に除去された円柱形状の底面である磁石配置面１ｂｂに磁石３と磁性部材４が設けられている。また、下部ケース１ｂは、その上部の外周面に上部ケース１ｃと嵌合する嵌合部１ｂｃが設けられている。

上部ケース１ｃは、円筒の一方の端部を椀状のもので塞いだような形状をしており、その開放端は下部ケース１ｂの嵌合部１ｂｃと嵌め合わせられる。このものは、後述する発光素子Ｌ１，Ｌ２・・・から放射された光を通すための窓部Ｗ１，Ｗ２・・・を、椀状の部分や円筒の側面部などの表面に有している。

支柱部１ｄは、円柱状に形成された真鍮製の棒であり、下部ケース１ｂの上面に略直交して４本が上面視で長方形の頂点になるように設けられ、その上端において接続部１ｅを支持している。

接続部１ｅは、回転軸６ａ，６ｂからなる揺動中心６により、可動部２をすべての方向に揺動できるように支持するものである。このものは、上面視で線対称の八角形の外枠部１ｅａを有しており、この外枠部１ｅａに円柱状の回転軸６ａが向かい合う面をつなぐように設けられている。そして、内枠部１ｅｂは、上面視で外枠部１ｅａと相似形をなしており、外枠部１ｅａの内方でベアリングを介して回転軸６ａに接続されている。そして、この内枠部１ｅｂは、回転軸６ａに直交するように回転軸６ｂが向かい合う面をつなぐように設けられている。

可動部２は、例えばアルミニウムにより形成された略四角柱状のものである。このものは、上方端よりに回転軸６ａが通る長円の貫通孔２ａを有しており、ベアリングを介して回転軸６ｂに接続されている。このように接続されることにより、可動部２は支持部１に揺動できるように支持されている。そして、下方端には導電体５が設けられている。また、可動部２の上方端にレーザなどによる発光素子Ｌ１が設けられ、上部ケース１ｃに設けられた窓部Ｗ１を通して外部にある壁面や天井などに、鉛直線や水平線を表示できるようにしている。同様に発光素子Ｌ２，Ｌ３は、可動部２の側面に直交するように設けられ、窓部Ｗ２などから外部に表示できるようにしている。

これらの発光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、水準を表示する水準表示部の働きをしている。このような水準表示部としては、様々な形態が考えられるが、発光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のかわりに、例えば可動部２に支持部１を水平面に置いたときに鉛直方向や水平方向を指し示す基準線を描き、これを窓部Ｗ１，Ｗ２・・・からのぞき見るようにして鉛直方向と水平方向を確認するようにしてもよい。

磁石３は、円形リング状の板状の永久磁石であり、板の厚み方向に着磁されている。このものは、支持部１の下部ケース１ｂ内の磁石配置面１ｂｂに磁性部材４を介して設けられている。そのため、この水準器が脚部１ａを用いて水平面に置かれたときに、磁石３は、水平に配置されていることになり、磁石３と導電体５は対向した状態となる。よって、磁石３は、その着磁方向が磁石３と導電体５との対向方向となり、水準器が脚部１ａを用いて水平面に置かれたときには鉛直方向となっている。

そして、磁石３は、円形リング状の板状に成形された後に、ある半径以下の部分と、以上の部分とが磁石３の厚み方向で互いに反対方向となるように着磁されている。ここでは、このものは、内方部３ａの導電体５側がＮ極に、外方部３ｂの導電体５側がＳ極になるように配設されている。そして、このものは、図３に示すように、磁石３の内側に円形リング状の内方部３ａと、磁石３の外側に円形リング状の外方部３ｂが存在するように一体で形成され、磁石３を導電体５側から見ると外方部３ｂが内方部３ａを取り囲んだ状態になっている。ここで、内方部３ａの外周面と外方部３ｂの内周面とはほぼ一致しており、その境界はほぼ円形状をなしている。この磁石３は、一体に形成されているので、これを別体で作る場合に必要な組み立て作業が不要となっている。

磁石３は、内方部３ａと外方部３ｂの着磁方向が互いに反対方向になっているので、内方部３ａの導電体５側のＮ極において生じた磁束Φは、磁石３の導電体５側に存在する空間を介して外方部３ｂの導電体５側のＳ極に入る。ここで、磁石３の着磁方向で導電体５側に向かう磁束Φの成分を正の値、その逆方向を負の値とし、可動部２の揺動による導電体５の移動方向をｘとすると、磁石３の導電体５側に存在する空間における磁束Φの位置に対する変化量∂Φ／∂ｘは、一方向に着磁された磁石を用いるときと比較して大きくなる。

磁性部材４は、例えば電磁軟鉄などの磁性体により板状に形成されており、磁石３と嵌め合わすように有底円筒状に形成され、下部ケース１ｂに嵌め合わされて磁石配置面１ｂｂに設けられている。このものは、その底面が磁石配置面１ｂｂとちょうど重なり合うように中央に孔が開けられており、磁石３の側面に対向する部分に、ほぼ磁石３の厚みになる高さまで縁が設けられている。ここで、この磁性部材４は、磁石３の内方部３ａと外方部３ｂの近傍に磁石の着磁方向からみて、磁石３の内方部３ａと外方部３ｂとをつなぐように設けられている。そのため、この磁石３を含む磁路の磁気抵抗を小さくすることができるので、導電体５と鎖交する磁束Φを増加させることができる。

導電体５は、例えば銅などで形成されたものであり、径の異なる円柱を中心軸を一致させて接続し、側面視で略Ｔ字状に形成されている。このものは、可動部２の端部に底面の大きい方の側が接続されており、底面の小さい方の側が揺動空間１ｂａ内に配して設けられている。このものは、この水準器が水平面に置かれたときに、その底面が磁石３に小さい空隙を介して対向するように配置され、磁石３により生じる磁束Φが鎖交するようにしている。また、このとき、円柱形状の中心軸が、磁石３の円形リング状の形状の中心軸と一致するようにされている。そのため、内方部３ａと外方部３ｂの境界は、導電体５の円柱形状の軸を中心とする円形状をなしている。このようにして、可動部２が揺動すると、導電体５が磁石３の上方で揺動することになる。

次に、第１の実施形態の動作について説明する。まず、固定物の平面上に水準器を置くと、可動部２が回転中心６の回転軸６ａ，６ｂにより揺動し、可動部２の先端に設けられた導電体５が磁石３の上方において揺動する。すると、導電体５は、磁石３により生じる磁束Φと鎖交し、導電体５内に渦電流を生じる。そのため、フレミングの左手の法則により導電体５は揺動方向とは逆方向に制動力を受け、可動部２は磁石３がない場合と比較して短い時間で鉛直方向を指示して停止する。このとき、発光素子Ｌ１，Ｌ２・・・は、窓部Ｗ１，Ｗ２・・・を通して壁面や天井などに鉛直線や水平線を表示するので、使用者は鉛直方向や水平方向を知ることができる。

ここで、磁石３の外方部３ｂが内方部３ａを取り囲んでいるので、可動部２は、どの方向に揺動しても、ある程度の揺動振幅があると磁石３の内方部３ａと外方部３ｂをまたぐように揺動する。そして、磁石３の内方部３ａと外方部３ｂの着磁方向が互いに反対方向となっているので、導電体５が内方部３ａと外方部３ｂをまたぐように揺動するときに、導電体５に鎖交する磁束量の変化（つまり、前述の∂Φ／∂ｘ）が大きくなり、導電体５に生じる渦電流を増大させて、可動部２に生じる制動力を大きくすることができる。したがって、安定するまでの時間が短い水準器を提供することができる。

このように、第１の実施形態においては、磁石の外方部が内方部を取り囲み、その着磁方向を互いに反対方向にしているので、導電体が内方部と外方部をまたぐように揺動するときに、導電体に鎖交する磁束量の変化が大きくすることにより、安定するまでの時間が短い水準器を提供することができる。

また、水準器を脚部１ａを用いて水平面に置いたときに、導電体５と磁石３が軸対称になっているので、すべての揺動方向の振幅に対する制動力の特性を同じにすることができ、磁石３を一体で形成しているので、組立を容易にすることができる。

次に、本願発明の第２の実施形態について、図１、図４を用いて説明する。このものは、第１の実施形態と比較して磁石３の構成が異なっており、その他は、第１の実施形態と同じ構成である。

磁石３は、内方部３ａと、外方部３ｂと、非磁性体部３ｃの円形リング状の３つの部材により円形リング状の板状に形成されている。内方部３ａと、外方部３ｂは、それぞれ厚み方向に着磁された円形リング状の永久磁石であり、非磁性体部３ｃは、円形リング状の樹脂により形成されている。そして、内方部３ａは、その外周が非磁性体部３ｃの内周と嵌め合わされ、外方部３ｂは、その内周が非磁性体部３ｃの外周と嵌め合わされている。このとき、内方部３ａと外方部３ｂは、一定の間隔が離れた同心円となるように固定されており、その着磁方向は互いに反対方向になるようにしている。したがって、磁石３を導電体５側から見ると、外方部３ｂが内方部３ａを取り囲んだ状態になっている。

このような磁石３を用いた場合においても、磁石３の外方部３ｂが内方部３ａを取り囲み、その着磁方向を互いに反対方向にしているので、第１の実施形態と同様に、導電体５が内方部３ａと外方部３ｂの間をまたぐように揺動するときに、導電体に鎖交する磁束量の変化が大きくすることにより、安定するまでの時間が短い水準器を提供することができる。

なお、この非磁性体部３ｃは、半径方向の幅が小さい方が望ましい。それは、内方部３ａと外方部３ｂとの間における磁束Φの位置に対する変化量（前述の∂Φ／∂ｘ）が大きくなるためである。そのため、加工上の困難性はあるが、外方部３ｂの内周と内方部３ａの外周とを嵌め合わせると、内方部３ａと外方部３ｂとの間における磁束Φの位置に対する変化量が最も大きくなり、可動部２に働く制動力を最大にすることができる。また、内方部３ａと外方部３ｂとを磁性部材４において固定すれば、非磁性体部３ｃを空気とすることもできる。

次に、本願発明の第３の実施形態について、図１，図３，図５を用いて説明する。このものは、第１の実施形態と比較して、導電体５の形状と磁性部材４の形状が異なっており、その他は第１の実施形態の構成と同じである。

導電体５は、磁石３と対向する側の端部が第１の実施形態と比較して半径の大きい円柱形状となっている。そして、支持部１を水平面に置いて磁石３と導電体５の対向方向（磁石の厚み方向）から見たときに、導体部５の外周は、外方部３ｂと重なり合っている。したがって、導電体５は、微小な揺動振幅であっても、磁石３の内方部３ａと外方部３ｂとの間に生じる、磁束Φが急激に変化する領域の大部分を含んで揺動することになるので、大きな制動力を得ることができる。

磁性部材４は、第１の実施形態と異なり、磁石３の底面と合同な形状を底面とする円形リング上に形成されている。しかしながら、この磁性部材４は、磁石３の内方部３ａと外方部３ｂの近傍に磁石３の厚み方向から見て、磁石３の内方部３ａと外方部３ｂとをつなぐように設けられている。そのため、この磁石３を含む磁路の磁気抵抗を小さくすることができるので、導電体５と鎖交する磁束を増加させることができる。

このように、第３の実施形態においては、支持部１を水平面に置いて導電体５から磁石３を見たときに、導体部５は、外方部３ｂと重なり合うようにしているので、微小な揺動振幅であっても、磁石３の内方部３ａと外方部３ｂとの間に生じる磁束Φが急激に変化する領域内で揺動することになり、大きな制動力を得ることができる。

なお、ここでは、円形リング状の磁石３と円柱状の導電体５が対向しているものについて説明したが、磁石３が着磁方向が互いに反対の内方部３ａと外方部３ｂを有していれば、他の形状のリング状であっても同様の効果を得ることができる。

第１〜第３の実施形態に係る水準器を示す断面図である。 第１の実施形態に係る水準器の揺動空間内の磁石と導電体の近傍を示す断面図である。 第１及び第３の実施形態に用いられる磁石の斜視図である。 第２の実施形態に用いられる磁石の斜視図である。 第３の実施形態に係る水準器の揺動空間内の磁石と導電体の近傍を示す断面図である。

符号の説明

１ 支持部
２ 可動部
３ 磁石
３ａ 内方部
３ｂ 外方部
４ 磁性部材
５ 導電体

Claims (4)

1. 磁石を設けた支持部に、導電体を有する可動部が揺動できるように支持され、前記磁石により生じる磁束が前記導電体と鎖交するものであって、支持部が水平面に置かれたときに前記磁石と前記導電体は対向し、前記磁石の着磁方向がこの対向方向である水準器において、前記磁石は、内方部と前記導電体側から見て内方部を取り囲む外方部とを有し、内方部と外方部の着磁方向が互いに反対方向になるものであることを特徴とする水準器。
2. 前記磁石は、成形された後に内方部と外方部を互いに反対方向に着磁してなるものであることを特徴とする請求項１記載の水準器。
3. 前記導電体は、支持部を水平面に置き、前記対向方向から見たときに外方部と重なり合うものであることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の水準器。
4. 前記導電体は、磁石と対向する側が円柱形状であり、前記磁石は、支持部を水平面に置いたときに内方部と外方部の境界が導電体の円柱形状の軸を中心とする円形状をなすものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水準器。

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