JP4578836B2

JP4578836B2 - 手持式作動装置

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Publication number: JP4578836B2
Application number: JP2004080003A
Authority: JP
Inventors: ファーヴル−ブッレベルナルト
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 2003-03-22
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2024-03-19
Also published as: FR2852548A1; US7145329B2; US20040238587A1; DE10313766B4; JP2004284011A; DE10313766A1; FR2852548B1

Description

本発明は手持式作動装置，例えば，磁化可能な被加工材に対して釘，ボルト，ピン等のファスナを締結するための燃焼作動型打ち込み装置に関し，特に，少なくとも１個の励磁コイル手段と評価ユニットとを有する誘導式金属探知器を具える作動装置に関するものである。この種の作動装置は，典型的にはファスナ打ち込み装置として構成することができる。

スチール部材相互間の固定作業，例えばサイディング工事やデッキング工事等において鋼板を鋼材に対して固定するために手持式作動装置を使用する場合には，ファスナを鋼板の背後における梁の設置箇所に締結することが重要である。そのための具体的手段は，例えば，以下の特許文献に記載されている。
欧州特許出願第0366221号公開公報米国特許第5500783号明細書ドイツ特許第19847688号明細書

すなわち，特許文献１は，ドリル装置等の手持式作動装置を使用する場合に，被加工材中の金属部分を金属探知器により探知する方法を記載している。この場合，金属探知器に配置したコイル手段の回転により，又はコイル手段に対する交流電流の供給により，空間的に回転する交流磁界が生じる。コイル手段を作動させる交流電流の周波数は，一定値に保たれる。コイル手段により誘導された電気エネルギの変化を測定するものである。

特許文献１に記載されたコイル手段によれば，被加工材中に隠れている金属が探知可能であり，所要に応じて被加工材中での配列状態を確認することができる。しかし，被加工材が金属製である場合，例えば鋼板を鋼材上に固定する場合には，鋼板の影響により鋼材の位置を確定することが不可能である。

特許文献２は，ファスナを表面及び支持体に締結する工程を自動的に開始するための制御システムを記載している。この場合，センサからの第１信号をコンパレータに供給し，第１信号と所定値との間の所定の条件が充たされると中間信号を発生する。コントローラにより，センサからの中間信号及び一次信号を受けた後に制御信号を発する。制御信号に従い，ファスナはアクチュエータにより支持体表面に打ち込まれる。なお，特許文献2は，センサ構造及び信号処理について記載するものではない。

特許文献３は，パルスレーダ又はステップ周波数型レーダ等を用いてコンクリート，レンガ，石膏，木材等の媒体中における物体を探知する方法を記載している。この方法では，レーダ波を送受信アンテナから極めて短時間だけ媒体に向けて照射し，媒体中で反射したレーダ信号を検出し，予備処理の後に所定のアルゴリズムに基づいて信号評価を行う。このアルゴリズムは，スペクトルパターンの保存した比較値に対する出力スペクトル等の信号形態における差異を認識可能とし，所定限界値に対する相関係数の偏差を確定する相関関係により直ちに比較される。

特許文献３に記載された方法によれば，スチール相互間の固定作業に際して，照射したレーダ波の大部分が第１金属層において反射され，その背後に金属部材が存在する場合であってもその存在を探知することができない。

さらに，特許文献３に記載された方法においては，鋼板等の前側の金属層を貫通させるために，大出力のレーダ探知機が必要とされる。したがって，外部電源を接続しない手持式作動装置において，前記の探知システムを実現することは不可能である。更に，この装置に用いるマイクロ波発生器自体も相当に高価である。

本発明の課題は，従来技術における上記の問題点を解消し，鋼材に対する鋼板の固定作業を容易に実行可能とする手持式作動装置を提案することにある。

この課題を解決するため，本発明による作動装置は，少なくとも1個の励磁コイル手段と，評価ユニットとを有する誘導式金属探知器を具え，該金属探知器が，開始周波数f₀から終了周波数f_maxまでの範囲内で周波数f_nが交互に変化する交流電流を励磁コイル手段に供給する手段と，システム固有の高調波パターンを補償するために前記評価ユニットに設けられた補償手段と，該補償手段により補正された測定高調波パターンを，既知の被加工材について保存された高調波パターンと比較するためのデータ処理ユニットとを具えることを特徴とするものである。

本発明によれば，誘導式金属探知器は，励磁コイル手段のために交流を発生する手段を具える。この交流は開始周波数f₀から終了周波数f_maxまでの範囲内で交互に変化する周波数f_nを有する。このような構成に基づき，誘導式金属探知器の励磁コイル手段から周波数の異なる磁界が発生し，評価又は検出用のコイル手段に周波数の異なる二次電流が生じる。これらの二次電流は，異なる磁化可能な被加工材又は単一又は複数の磁化可能な構造体からなる被加工材に対して固有の高調波パターンを有する。この「指紋」に準じる高調波パターンに基づき，固定すべき鋼板の下方における打ち込み箇所に鋼材が配置されている場合，その鋼材を金属探知器により確認することができる。

本発明において，開始周波数f₀から終了周波数f_maxまでの範囲内で交互に変化する周波数f_nを発生するための手段は，段階調整型の周波数発生器で構成するのが好適である。このような周波数発生器はデジタル型の正弦波発振器等として構成し，評価・制御ユニットにより制御可能とするのが有利である。段階調整型の周波数発生器を使用する場合には，誘導式金属探知器を有利に実現することができ，連続的測定を極めて迅速に実施することが可能である。

コイル手段のコンパクトな対称構造を実現するため，評価コイル手段を励磁コイル手段と同軸的に，好適には外周側に配置するのが好適である。

本発明に係る誘導式金属探知器における評価ユニットは，システム固有の高調波パターンを補償するための補償手段を具えている。このような誘導式金属探知器は，手持式作動装置自体から発生された，システムの「基本指紋」を示す高調波パターンを，求めた測定値から除外することが可能である。すなわち，磁化可能な被加工材の残留パターンだけを，更なる解析のために残すものである。

本発明に係る誘導式金属探知器は，補償手段により補償された測定高調波パターンと，既知の磁化可能な被加工材について保存された高調波パターンとを比較するためのデータ処理ユニットを更に具えている。このような誘導式金属探知器は，例えばマイクロプロセッサ等の電子的なデータ処理ユニットを用いることにより効果的に製造可能となり，実行された測定を極めて迅速に評価することができる。

更に，誘導式金属探知器にはスイッチ手段を対応させるのが有利である。誘導式金属探知器により磁化可能な第１構造体の背後に磁化可能な第２造体が探知されると，前記スイッチ手段により手持式作動装置を作動可能モードに切り替える。誘導式金属探知器により第１構造体の背後に第２構造体が探知されないと，手持式作動装置は作動不能モードに切り替えられる。このような構成により作動装置の誤操作が確実に阻止され，手持式作動装置の操作性が向上する。

前記の作動装置は，燃焼作動型打ち込み装置等として構成することができる。誘導式金属探知器により打ち込み箇所で第１構造体の背後に第２構造体が探知されると，点火ユニットを前記スイッチ手段により起動可能とし，金属探知器により打ち込み箇所で第１構造体の背後に第２構造体が探知されない場合にはスイッチ手段により点火ユニットを起動不能とする。このような構成により，サイディング，デッキング等の作業に使用される燃焼作動型打ち込み装置が，作業者にとって極めて優れた操作性を有するものとなる。

打ち込み装置として構成した手持式作動装置において，励磁コイル手段及び／又は評価コイル手段をガイド部材の前部領域に配置するのが好適である。打ち込み工程を開始するためには，作業者が打ち込み装置におけるガイド部材の前部領域を被加工材に押圧する必要がある。したがって，前部領域に励磁コイル手段及び／又は評価コイル手段を配置することにより，コイル手段は常に磁化可能な被加工材に対して確実に当接する。コイル手段は，打ち込み装置を被加工材に固定するための一時的な保持手段等として機能する。励磁コイル手段に通電している間は，励磁コイル手段の磁界により保持手段が被加工材に密着する。

本発明は，手持式作動装置に装備した誘導式金属探知器を用いて，第１構造体の背後に隠れた第２構造体を探知する方法も提案する。この場合，第１及び第２構造体は，いずれも磁化可能な材料からなるものとする。本発明において，誘導式金属探知器は少なくとも１個の励磁コイル手段と，少なくとも１個の評価コイル手段と，評価ユニットとを具え，下記の工程を実行するものである：
a) 誘導式金属探知器を初期化する。
b) 周波数領域f₀〜f_max内において周波数fnを調整する。
c) 励磁コイル手段により周波数f_nを有する磁界を発生させる。
d) 二次電流を発生させる評価コイル手段により二次磁界を受信する。
e) 評価コイル手段から生じる二次電流の周波数スペクトルを評価ユニットにより評価する。
f) 評価ユニットにより確定した高調波，周波数及び振幅を一時的に保存する。
g) f_maxに達するまで工程b)〜f)を反復する。
h) 評価ユニットに保存したデータに基づき，作動装置を磁化させ，第１構造体により生じた高調波の全周波数を除去する。
i) 高周波の残留した周波数パターンを，評価ユニットに保存された第２構造体の周波数パターンと比較する。
j) 金属探知器により第１構造体の背後に第２構造体が探知された場合，作動装置を作動可能モードに切り替える。

求められたデータは，高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等により評価することができる。しかし，異なる周波数を多チャンネル受信手段により受信すると共に，更なる評価のために送信することも考えられる。

本発明の方法により，磁化可能な被加工材につき，複数の構造体が連続的に位置する箇所と，単一の構造体のみが位置する箇所とを自動的に識別することが可能である。本発明による方法を燃焼作動型打ち込み装置等に適用すれば，スチール同士を結合させるための打ち込み箇所を自動的に認識できることが，作業者にとっての重要な利点である。

以下，本発明を図示の実施形態について更に具体的に説明する。

図１は，本発明に係る燃焼作動型打ち込み装置として構成した手持式作動装置を示している。本実施形態における打ち込み装置10は，打ち込み装置の燃料タンクに貯蔵された燃焼ガスにより作動する。打ち込み装置10はハウジング11を具え，ハウジング11内にはファスナを被加工材に締結するための打撃機構を配置する。この打撃機構の要部は，燃焼スペース又は燃焼室12と，ピストンガイド14及びファスナを案内するためのガイド部材15であり，ピストン14内には推進ピストン13が変位可能に配置されている。打ち込み工程のために燃焼室12に送られた空気・燃料混合気に点火するため，燃焼室には点火ユニット18が設けられている。

打ち込み装置10には誘導式の金属探知器20を配置する。金属探知器20は，励磁コイル手段21，評価コイル手段22及び評価・制御ユニット24を有する。励磁コイル手段21及び評価コイル手段22は，ガイド部材14の前部領域16に環状に配置され，リード線29を介して制御ユニット24に接続されている。

図２は，金属探知器20の具体的構造を示している。励磁コイル手段21には，評価・制御ユニット24により制御されるデジタル型の正弦波発振器等で構成した段階型の周波数発生器23を接続する。励磁コイル手段21により磁束30が生じる。その結果，被加工材40における磁化可能な構造体41，42と，打ち込み装置10におけるガイド部材15等の磁化可能な構造体には，磁束30により漂遊磁界が発生する（図１参照）。この漂遊磁界により評価コイル手段22に電圧が誘起され，評価・制御ユニット24に送られて更に評価される。この誘起電圧は，増幅器27により入力される。増幅器27は，更なる評価対象としての信号をコリレータ手段25（補償手段）と，Ａ／Ｄ変換器付きマイクロプロセッサ等のデータ処理ユニット26に供給する。以下，評価方法を図３及び図４について更に詳述する。

評価・制御ユニット24はスイッチ手段28を具える。このスイッチ手段28により，点火ユニット18は起動モード又は不起動モードに切り替え可能である。不起動モードでは，打ち込み装置10の点火及び打ち込み工程の開始が不可能となる。

図１に示した打ち込み装置10が被加工材40に当接すると，誘導式金属探知器20が起動する。周波数f_n〜f_maxが周期的に変化する交流が励磁コイル手段21に供給される。ここで，f₀は開始周波数を，f_maxは終了周波数を時間経過と共に示している。励磁コイル手段21の電流は交流磁界を生じる。この交流磁界は，一方では評価コイル手段22におけるコア（ガイド部材15）中の磁束30を介して誘導電流を誘起し，他方では磁束30をもって被加工材40の構造体41，42を貫通する。

コアの磁気特性に関連し，磁化曲線の非線形性により高調波が発生する。この高調波は，励磁コイル手段21における磁界強度（すなわち電流値）と，周波数f_nとに依存する。高調波パターンは，コア内及びコイル手段21，22の周囲に磁化可能材料が存在する「指紋」を示し，これを図３に例示する。図３は，各励磁周波数f_n＝ｆ₁〜ｆ₃及び関連する高調波31を示す。例えば，f₁からf₂への周波数変化に際し，高調波31の振幅分布も変化する。このことは，一義的に磁化曲線の非線形性により現れ，より高い励磁周波数f_nでは付加的に影響を受ける。装置に無関係の磁化可能材料（例えば，第1及び第２構造体41，42）が存在しない場合，この高調波パターンは，誘導式金属探知器２０を具える打ち込み装置10固有の「基本指紋」を示す。この「基本指紋」を評価・制御ユニット24で学習して保存する。打ち込み装置10を被加工材40に適用する場合，求めた高調波パターンは補償手段25により「基本指紋」だけ補償される。したがって，以下，被加工材40に磁化可能材料が存在することにより生じた高調波パターンだけを考察・解析の対象とする。調整された高調波パターンに基づき，第１構造体41（例：鋼板）の背後に配置されている第２構造体42（例：鋼材）が評価・制御ユニット24により探知されると，評価・制御ユニット24はスイッチ手段28を介して点火ユニット18を起動する。作業者は，打ち込み装置10の始動スイッチを押し込んで打ち込み工程を開始することが可能である。

図４は，本発明に係る手持式作動装置に装備した誘導式金属探知器を用いて，第１構造体の背後に隠れた第２構造体を探知する方法を示すものである。

打ち込み装置10が被加工材40に当接すると，先ず誘導式金属探知器が初期化される。評価・制御ユニット24により，周波数f₀〜f_maxの範囲内で調整した第１周波数f_nを段階型周波数発生器23のために設定する。周波数発生器23が周波数f_nの交流電流を励磁コイル手段21に供給するため，周波数f_nの磁界が励磁コイル手段21に発生する。評価コイル手段22に二次磁界が作用するため，二次電流が評価コイル手段22内に生じる。評価コイル手段22から生じる二次電流の周波数スペクトルは，高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等による評価ユニット24で評価する。確定した高調波，周波数及び振幅のデータは評価ユニットにおいて一時的に保存される。評価・制御ユニット24は，周波数発生器23の周波数が既にf_maxに等しいか否かに応じて作動する。周波数がf_maxでない場合，より高い新たな周波数f_nで新規の測定ループを実行する。これらの測定ループはf_n＝f_maxとなるまで反復される。

打ち込み装置10の磁化及び第１構造体41により発生した高調波の全周波数を，評価・制御ユニット24に保存したデータに基づき，補償手段25により除去する。高調波の残留した周波数パターン（蓋然的な第２構造体42の指紋）を，評価ユニットに保存された第２構造体のパターンと比較する。高調波パターンに基づき，誘導式金属探知器により第１構造体41の背後に第２構造体42が探知されると，打ち込み装置10を作動可能モードに切り替える。第２構造体42が探知されない場合，打ち込み装置10は作動可能モードには切り替えられない。

ＦＦＴ解析による設定された電流値の数値評価に代わり，評価コイル手段に接続した多チャンネルレシーバ等による周波数領域内でのフィルタ処理も適用可能である。

本発明に係る手持式作動装置としての燃焼作動型打ち込み装置を示す断面図である。誘導式金属探知器のブロック線図である。誘導式金属探知器の評価コイル信号における周波数スペクトル，励磁周波数（ｆ），振幅（A）及び高調波（O）を例示するグラフである。本発明による磁化可能物体の探知方法を示すチャートである。

符号の説明

10 打ち込み装置
11 ハウジング
12 燃焼室
13 推進ピストン
14 ピストンガイド
15 ガイド部材
16 ガイド部材の前部領域
17 燃料タンク
18 点火ユニット
20 誘導式金属探知器
21 励磁コイル手段
22 評価コイル手段
23 ステップ周波数発生器
24 評価・制御ユニット
25 補償手段
26 データ処理ユニット
27 増幅器
28 スイッチ手段
29 電線
30 磁束
31 高調波
40 被加工材
41 第１構造体
42 第２構造体

Claims

磁化可能な被加工材に対して釘，ボルト，ピン等のファスナを締結するための燃焼作動型打ち込み装置（10）等で構成される手持式作動装置であって，
少なくとも1個の励磁コイル手段（21）と，評価ユニットとを有する誘導式金属探知器（20）を具え，
該金属探知器（20）が，開始周波数f₀から終了周波数f_maxまでの範囲内で周波数f_nが交互に変化する交流電流を励磁コイル手段（21）に供給する手段と，システム固有の高調波パターンを補償するために前記評価ユニットに設けられた補償手段（25）と，該補償手段（25）により補正された測定高調波パターンを，既知の被加工材について保存された高調波パターンと比較するためのデータ処理ユニット（26）とを具えることを特徴とする作動装置。
請求項１記載の装置において，交互に変化する周波数の発生手段が，段階調整型の周波数発生器（23）であることを特徴とする作動装置。
請求項１記載の装置において，前記金属探知器（20）が評価コイル手段（22）を具えることを特徴とする作動装置。
請求項３記載の装置において，前記評価コイル手段（22）が前記励磁コイル手段（21）と同軸的に配置されていることを特徴とする作動装置。
請求項１〜４の何れか一項に記載の装置において，前記金属探知器（20）における評価ユニット（26）が，金属探知器（20）により第１構造体（41）の背後に第２構造体（42）が探知される際に作動装置を作動可能モードとし，金属探知器（20）により第１構造体（41）の背後に第２構造体（42）が探知されない場合に作動装置を作動不能モードとするスイッチ手段（28）を具えることを特徴とする作動装置。
請求項１〜５の何れか一項に記載の装置において，該装置を燃焼作動型打ち込み装置（10）で構成し，前記金属探知器（20）により打ち込み箇所で第１構造体（41）の背後に第２構造体（42）が探知される際にスイッチ手段（28）により点火ユニット（18）を起動可能とし，金属探知器（20）により打ち込み箇所で第１構造体（41）の背後に第２構造体（42）が探知されない場合にスイッチ手段（28）により点火ユニット（18）を起動不能とすることを特徴とする作動装置。
請求項１〜６の何れか一項に記載の装置において、該装置を燃焼作動型打ち込み装置（10）で構成し，前記励磁コイル手段（21）及び／又は評価コイル手段（22）を，打ち込み装置（10）におけるファスナガイド部材（15）の前部領域（16）に配置することを特徴とする作動装置。
請求項１記載の手持式作動装置（10）に装備した誘導式金属探知器（20）により，第１構造体（41）の背後に隠れた第２構造体（42）を探知する方法において，前記金属探知器（20）が少なくとも１個の励磁コイル手段（21）と，少なくとも１個の評価コイル手段（22）と，評価ユニットとを具え，下記の各工程を実行することを特徴とする探知方法。
a) 前記金属探知器（20）を初期化する。
b) 周波数領域f₀〜f_max内において周波数f_nを調整する。
c) 前記励磁コイル手段（21）により，調整された周波数f_nを有する磁界を発生させる。
d) 二次電流を発生させる評価コイル手段（22）により二次磁界を受信する。
e) 評価コイル手段（22）から生じる二次電流の周波数スペクトルを評価ユニットにより評価する。
f) 評価ユニットにより確定した高調波，周波数及び振幅を一時的に保存する。
g) f_maxに達するまで工程b)〜f)を反復する。
h) 評価ユニットに保存したデータに基づいて手持式作動装置を磁化させ，第１構造体（41）により生じた高調波の全周波数を除去する。
i) 高周波の残留する周波数パターンを，評価ユニットに保存された第２構造体（42）の周波数パターンと比較する。
j) 金属探知器（20）により第１構造体（41）の背後に第２構造体（42）が探知された場合，手持式作動装置を作動可能モードとする。
請求項８記載の方法において，手持式作動装置として燃焼作動型打ち込み装置（10）を使用することを特徴とする探知方法。
請求項８記載の方法において，評価ユニットによる二次電流の周波数スペクトル評価を，高速フーリエ変換（FFT）で行うことを特徴とする探知方法。