JP2590312B2 - 静電磁気センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、壁面の背後にある下地材を探知し、探知さ
れた下地材が金属か否かを判別する下地材探知センサに
関するものであり、特に、その製造がコンパクト化され
ている下地材探知センサに関する。

（従来の技術） 壁面と電極間に構成されるコンデンサの静電容量の変
化を感知して下地材の存在する場合を特定する技術が米
国特許第4,099,118号に開示されている。

コイルを壁面に密着させながら移動させた場合のイン
ダクタンスの変化を感知して磁性体の存在する場所を特
定する技術が実際に応用されて市販されている。これは
左右一対のコイルを同時に壁面に密着させながら移動さ
せた場合のインダクタンス変化を感知するタイプであ
る。

（発明が解決しようとする問題点） コンデンサの容量の変化を利用して壁面の背後の状態
を感知する技術では、測定原理が誘電率の差異に依存す
るため、壁面の背後が空気か物質かを判定することはで
きても、物質が金属か否かを判定することはできない。
このためコンデンサの容量変化から場所が特定できて
も、それが金属か否かを判断しようとすると別にコイル
式の測定器具が必要となり、そのうえコイル式測定器具
が用意されていたとしてもコンデンサ式測定器具をコイ
ル式測定器具に交換するうちに、せっかく特定した場所
を見失うおそれが存在する。

一方コイル式測定器具による場合には、磁性体は発見
できても垂木などの非磁性体を発見することはできな
い。

しからばコンデンサの容量変化とコイルのインダクタ
ンス変化を感知する手段を一台の測定器具中に組込もう
とすると、コイルは通常長さを有し、しかも壁面に垂直
に配置されなければならず、一方コンデンサの電極は面
的広がりを要し、しかも壁面に平行に配置されなければ
ならないことから、測定器具全体が大型化し実用化され
ていない。

そこで本発明は、下地材が探知でき、探知された下地
材が金属か否か判別でき、しかもそのために必要な面状
電極とコイルがコンパクト化されていて、小型でハンデ
ィな下地材探知センサを実現するものである。

（問題点を解決するための技術的手段） 上記課題は、壁面の背後にある下地材を探知し、探知
された下地材が金属か否かを判別する下地材探知センサ
であり、下地材の有無を静電容量の変化によって探知す
るための面状電極と、金属か否かを判別するためにコイ
ルが偏平な形状に一体化されている下地材探知センサに
よって構成される。

（作用） 面状電極とコイルを偏平な形状に一体化することによ
り、センサは小形化され、一台の測定器具中に容易に組
込むことができる。このため一台の測定器具でコンデン
サの容量変化と、コイルのインダクタンス変化の双方を
測定できることになり、垂木等の下地材（磁性体である
か否かを問わない）を発見し、さらにこれが磁性体であ
るか否かを一台の器具で判別することができることとな
る。

（実施例） 以下図面を参照していくつかの実施例について具体的
に説明する。まず最初に面状電極とコイルについて説明
する。

（第１実施例） 第１実施例のセンサ平面図が第１図（イ）に示され、
その（ロ）−（ロ）線で切断された端面が第１図（ロ）
に示されている。

全体は２枚の基板13と14とから構成され、基板13の上
面には金属膜11がプリントされて面状電極が構成されて
いる。２枚の基板はスペーサ15a〜ｃにより所定の距離
隔てられ、また他の１頂点は導電性のかしめピン18でか
しめられている。かしめピン18の下側は電極11のための
はんだ付け用ランド11hとなっている。かしめピン18は
２枚の基板13,14の分離を防ぐ機能も営んでいる。

スペーサ15a〜ｃとかしめピン18のまわりにはエナメ
ル線が巻き回されてコイル16が形成されている。コイル
は（ロ）に示されるように２枚の基板間に収容され、全
体は偏平な形状に仕上げられている。なおコイルの端子
は基板14に開けられた小孔を介して下側に引出され、は
んだ付け用ランド16a,bとなっている。

このセンサはコイルの断面積が充分にとれ、その分だ
け巻数を節約することができる。

なおこの実施例において、基板を一枚とすることもで
きる。このためにはコイル16を収容するための溝を一枚
の基板の側面に設けておけばよい。

（第２実施例） 第２図には第２実施例が示されている。これは基板23
の上面に２つの面状電極21と22が設けられている点を省
けば他は第１実施例と同様である。ただし第１実施例の
スペーサ15aに代わってかしめピン28aが設けられてい
る。これは面状電極22の電気的接続に利用される。

本実施例では２枚の面状電極が用いられている。電極
が１枚の場合には面状電極と壁面との間でコンデンサが
形成される。この場合コンデンサ容量を計測する電源回
路のマイナス電位が壁面と同電位であれば、通常のコン
デンサ容量計測回路で電極と壁面間で構成されるコンデ
ンサ容量が測定される。通常人間が手で測定器具を掴ん
で測定すれば、器具が作業者を介して接地されてこの条
件を満すことができる。

電極が２枚の場合には電極間にもコンデンサが構成さ
れる。この場合電極間には壁面およびその背後を経由す
る電束が形成されることから、電極間のコンデンサ容量
は壁面とその背後の誘電率によって影響されることにな
る。この場合には器具が接地されなくてもコンデンサ容
量が測定され、壁面とその背後の誘電率が感知される。

（第３実施例） 第３図に第３実施例が示されている。この実施例では
２枚の基板33,34が４つのスペーサ35a〜ｄで所定距離離
れるように配置され、基板33の上面には３枚の面状電極
31,32a,32hがプリントされ構成されている。電極32aに
は導電性のかしめピン32bが、電極32hには導電性のかし
めピン32gが基板33,34を貫通して設けられ、かつその下
側端部間にはリード線32cがはんだ付けられ、電極32aと
32hの電気的接続が保たれている。電極31にはおなじく
かしめピン31aが配置されている。電極32aにはかしめピ
ン32dが設けられ、基板34の下面側に配線パターン32eが
プリントされはんだ付け用ランド32fと接続されてい
る。各かしめピンは２枚の基板33,34の分離を防ぐ機能
も営んでいる。

スペーサ35a〜ｄのまわりにはエナメル線が巻き回さ
れてコイル36が形成され、コイルの端子は基板34に設け
られた２つのスルーホールを介してはんだ付け用ランド
36a,bと接続されている。

（第４実施例）…………………第４図参照 この実施例はセンサが１枚の基板43に実装された例を
示す。基板の中央には丸穴が開けられ、ここにコイルが
固定される。コイルは上下に鍔49a,cのある偏平円筒49b
のまわりにエナメル線46が巻き回されて形成される。偏
平円筒49の中心には鉄心47が固定されインダクタンスの
増大が計られている。コイルは基板の中央の丸穴に挿入
され、上下の鍔により脱落が防止される。コイルの端子
46g,hは基板43の下面で配線パターン46c,dに46e,fでは
んだ付けされ、はんだ用ランド46a,bと接続されてい
る。

基板43の上面には３枚の面状電極42a,41,42hがプリン
トされ、電極42aと42hはパターン42eと42iを介してはん
だ用ランド42fとそれぞれ接続されている。

本実施例ではコイルの断面積が充分得られないが、そ
の分を鉄心47を挿入することによりおぎなっている。こ
のセンサは位置精度よく磁性体の存在箇所を特定するの
に適している。

（第５実施例）……………………第５図参照 本実施例は基板の形状を円にした外は基本的に第３実
施例と同じである。ただし第３実施例ではリード線32c
によっていたところをこの例ではパターン52e,iにかえ
た点相違している。あと随所に導電性かしめピン52d,g,
51aを利用している点基本的に第３実施例と同様であ
る。

（第６実施例）…………………第６図参照 この例は一枚の基板63上に面状電極61とコイル66の両
者を共にプリント基板作成の要領でパターン形成したも
のである。具体的な製造工程はエッチングによろうと導
電ぺーストを塗布する方法によろうといずれでもよい。
61は面状電極である。66はコイルであり、１本の配線パ
ターンが渦巻き状に連続しており、ランド66a,bにはん
だ付けされて使用される。61aは導電性ピンであり、面
状電極61aの接続が裏面側から可能にしている。

この実施例によるとセンサを極めて薄く仕上げること
ができ、しかも安価に製造しうる。

（第７実施例）…………………第７図参照 この実施例は１枚の基板73上に３枚の面状電極72a,7
1,72hと中央部にコイル76をパターン形成した例であ
る。作成手段は第６実施例と同様であり、コイルと面状
電極の特性は第４実施例と類似している。

次に本センサの利用方法の一例を説明する。第８図は
本センサに適した検出回路の一例を示す。

100は電源回路で、スイッチ101を101aの側にセットし
た時コイルのインダンタンス変化を感知する回路120の
電源線がオンする。この場合電池103の電圧は定電圧ト
ランジスタ111により一定電圧化される。この場合発光
ダイオード106がダイオード108を介して点灯してパイロ
ットランプとなる。

120はコイルのインダクタンスの変化を感知する回路
で、トランジスタ129で発振するように構成されてい
る。発振周波数ならびに波高値はコンデンサ122,125,12
6,127の容量、抵抗123,130の抵抗値の他、本センサのコ
イル124の実質的インダクタンス（自己インダクタンス
から周囲の磁性体と相互作用する分変化している）およ
び可変抵抗121,128によって変化する。この場合コイル1
24に磁性体を接近させた状態で、発振周波数ならびに波
高値が充分の値となるように可変抵抗121,128は予め調
整されている。

得られた信号は抵抗133とコンデンサ134で平滑化し、
信号電圧とする。

この信号電圧はコンパレータ132の一方の端子に入力
される。コンパレータ132の他方の端子には基準電圧を
入力する。基準電圧は可変抵抗131によって調整され
る。この基準電圧は壁面の材質、厚さ等が変化しても誤
感知しないように、測定器具の感知感度を調整する機能
を有し、測定時作業者が可変抵抗131を調整して設定す
る。

コンパレータに入力される信号電圧が基準電圧以上で
あれば、コンパレータの出力はハイとなりトランジスタ
137,138で増幅されて発光ダイオード140が点灯する。

前記したように、コンパレータ132に入力される信号
電圧はコイル124に磁性体が接近した状態で大きくなる
ように設定されているから、発光ダイオード140が点灯
した状態はコイル124の近傍に磁性体が存在しているこ
とを知らせる。

次にコンデンサの容量変化する感知する回路150につ
いて説明する。

スイッチ101が101bの側にセットされ、かつスイッチ1
02がオンされると回路150の電源線がオンする。この場
合ツェナーダイオード110によって電源電圧の一定化が
図られる。またこの状態ではダイオード105を介して発
光ダイオード106が点灯する。スイッチ101が101bの側に
セットされ、スイッチ102がオフの時電源回路がオフと
なる。スイッチ101により、120と150の回路に同時に通
電されることはない。

回路150ではIC 151と152（たとえばＣ−MOSのTC7400
が利用できる）、抵抗153,154,コンデンサ155でマルチ
バイブレータ回路を構成し、本実施例ではＡ点の電圧変
化を示す第９図Ａのように、約100kHzのパルスを発生さ
せている。

コンデンサ156は抵抗157を介して電源のプラス線に接
続されており、Ａ点の電圧がハイからローに切り変わっ
た瞬間放電してローレベルに落ち、ついで抵抗157を介
して充電される。この変化の様子はＢ点の電圧変化を図
示する第９図Ｂに示される。

Ｂ点の電圧が指数関数的に上昇する過程で、IC 158
のスレッシュホールド電圧を越え、その瞬間からＣ点の
電位はローレベルとなり次にコンデンサ156が放電する
までローレベルが維持される。

Ｃ点のパルス電圧によって本願のセンサに設けられた
２枚の面状電極160,161間に形成されたコンデンサが充
電される。１枚の面状電極しかないセンサを利用してい
る場合は、通常測定器具が作業者の体を介して壁面と等
電位となることからＩに示すように面状電極160が接地
され（すなわち160が壁面にあたる）、さらにＪに示す
ようにマイナス線が接地された状態と電気的には同現象
となり、面状電極161に電荷が帯電する。

Ｃ点の電圧がローレベルに変化した瞬間から面状電極
160,161とで構成されるコンデンサは抵抗162を介して放
電を開始する。この際160と161で構成されるコンデンサ
の容量が大きいほど、電圧の低下速度はゆるやかであ
る。コンデンサ容量が小さいときのＤ点の電圧変化を第
９図のＤ−１に、大きいときの変化をＤ−２に示す。

ゲートIC163には第９図Ｄの電圧変化が入力される。
ここで、Ｅ点の電圧はＤ点の電圧がスレッシュホールド
電圧を越えて変化するたびに反転して第９図Ｅに示すよ
うなパルス波形となる。Ｅ−１はコンデンサ容量が小さ
い状態に対応し、Ｅ−２は大きい状態に対応している。

Ｅ点のパルス信号はコンデンサ167と抵抗168で平滑さ
れ、電圧信号に変換される。すなわち面状電極160,161
間で構成されるコンデンサーの容量が小さいほどコンデ
ンサ167が充電される時間は長く、Ｆ点の信号電圧は高
くなる。

信号電圧はオペアンプ169の一方の端子に入力され
る。オペアンプの他方の端子には基準電圧が入力され
る。この基準電圧は可変抵抗165によって調整可能であ
り、前記したコイルのインダクタンスを感知する場合と
同様に感知感度の調整が可能となっている。オペアンプ
169では信号電圧と基準電圧との差に応じて増幅し、増
幅された信号電圧がＧ点に生じる。

この増幅された信号電圧は３つのコンパレータ175,17
6,177の一方の端子に各入力される。他方の端子には基
準電圧が入力されるが、各コンパレータに入力される基
準電圧は抵抗171,172,173,174によってそれぞれ異なる
ように調整されている。

Ｇ点の信号電圧が最も高い状態（これは面状電極160,
161間で構成されるコンデンサ容量が最も小さい状態に
対応する）では、コンパレータ175のみが導通して発光
ダイオード178,179が点灯する。

Ｇ点の信号電圧が少し落ちた状態（これは面状電極16
0,161間で構成されるコンデンサ容量が少し増加した状
態に対応する）では、コンパレータ175と176が導通する
が、175と176は同電位の為、発光ダイオード180,181の
みが点灯する。

Ｇ点の信号電圧が最も落ちた状態（これは面状電極16
0,161間で構成されるコンデンサ容量が最も増加した状
態に対応する）では、すべてのコンパレータが導通する
が、各コンパレータの出力線は同電位の為、発光ダイオ
ード182のみが点灯する。なおこの場合には圧電ブザー1
89にIC184,186等で発振されたパルスが印加され、鳴動
するようになっている。

本回路が組込まれた測定器具を実際に使用する場合に
は壁面に密着させた状態で可変抵抗165を調整して発光
ダイード178,179が点灯状態からちょうど消灯状態にな
るようにしておいて、壁面に沿って移動させれば、背後
に空気以外の物が存在する箇所では面状電極160,161間
に構成されるコンデンサー容量が増大して発光ダイオー
ドが点灯しはじめ、発光ダイオード182が点灯すること
により、下地材の存在する箇所に最も近接した事が感知
され同時にブザー音でも判別可能になっている。

この状態でスイッチ101を切り替えてコイルのインダ
クタンスの変化を感知することにより、発見した下地材
が磁性体か否かを判断することができる。

（効果） 本発明によると、静電容量の変化によって下地材を探
知する面状電極と、金属か否かを判別するコイルが偏平
な形状に一体化されて下地材探知センサに組込まれてい
ることから、下地材探知センサの小型化が図られ、しか
も金属・非金属をとわず下地材の存在位置を発見するこ
とが可能で、さらに発見された下地材が金属か否か判別
可能となっている。このため、この下地材探知センサは
著しく使用性が高い。

【図面の簡単な説明】

第１図から第７図の各（イ）は本発明の各種実施例に係
わるセンサの平面図を示し、第１図、第２図、第４図、
第６図、第７図の各（ロ）は各（イ）の（ロ）−（ロ）
線断面図を示し、第３図と第５図の各（ロ）は各センサ
の側面図を示し、第４図（ハ）はコイル部分の斜視図を
示している。第８図は本センサの利用に適した回路の一
例を示す図であり、第９図は第８図の回路における各所
の電圧の変化を示す図である。 11,21,31,41,51,61,71……面状電極 22,32,42,52,72……面状電極 16,26,36,46,56,66,76……コイル 13,23,33,43,53,63,73……基板 14,24,34,54……基板

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−133716（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−111486（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−42167（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−92872（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−45585（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭46−2869（ＪＰ，Ｂ１) 米国特許4099118（ＵＳ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】壁面の背後にある下地材を探知し、探知さ
   れた下地材が金属か否かを判別する下地材探知センサで
   あり、 下地材の有無を静電容量の変化によって探知するための
   面状電極と、金属か否かを判別するためにコイルが偏平
   な形状に一体化されていることを特徴とする下地材探知
   センサ。