(57)【要約】【課題】複数の容量型感知素子からのキャパシタンス測定値の比率を用いるスタッドまたはジョイストセンサデバイスおよび関連する感知方法を提供すること。【解決手段】本発明によるセンサは、表面の背後のスタッド、床板の下のジョイスト、シートロックの背後のギャップ、表面の背後の金属導体等のエッジおよび／または中心の表面または壁の背後の物体または不連続部分の特徴の位置を特定する。センサは、表面全体にわたって移動され得、これにより、キャパシタンスの変化を検出する。スタッド等の隠れた物体の上を通過することによって引き起こされる実効誘電率に基づいてキャパシタンスが変化する。２つの容量型感知素子が等価のキャパシタンス測定値を提供した場合、センサは、スタッドの中心線上にある。キャパシタンス測定値の比率が遷移比率と等しい場合、センサはスタッドのエッジ上にある。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のプレートと第２のプレートとを有するセンサを用いて表面の背後の特徴を見つけ出す方法であって、図５Ｅに示される比率曲線を用いる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子センサ、特に、壁、床、および他の非導電性構造等（であるが、建造物の構造に限定されない）の種々の表面の背後の物体の位置を検出するための適切なセンサに関する。より具体的には、本発明は、壁用スタッド、床ジョイスト等の中心線およびエッジを検出するために有用である電子センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
１９８４年８月７日に発行され、かつ、参考のため、本明細書中にその全体が援用される「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｗａｌｌ  ｓｔｕｄ  ｓｅｎｓｏｒ」と称される特許文献１は、壁面の背後に配置されたスタッドの位置を特定するための、特に適切な壁用電子スタッドセンサを開示する。（「スタッド」は、壁合板またはパネリング等の屋内壁面が貼られた建造物の構造部材である。）通常、米国では「ツーバイフォー」木製スタッドが構造に用いられる。名目上、ツーバイフォースタッドは、５１ｍｍ（２インチ）幅および１０２ｍｍ（４インチ）深さ、および任意の適切な長さである。ツーバイフォーの実際寸法は、より典型的には、３８ｍｍ（１  １／２インチ）幅および８９ｍｍ（３  １／２インチ）深さである。英国の単位（インチ）および米国のスタッドサイズの使用は、ここで、米国施工法（ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ  ｐｒａｃｔｉｃｅ）と一致し、かつ、例示的であるに過ぎず、限定することを意味しない。スタッドを見つけ出すことは、建造物の修復、絵画の吊り下げ等の場合の典型的な問題である。
【０００３】
センサは、誘電率が壁沿いに変化するために、キャパシタンスの変化を測定することによってスタッドを検出する。スタッドが配置されていると、センサが壁面に沿って移動する際に、壁面は誘電率の変化を示す。センサは、複数のキャパシタプレート、キャパシタンスの変化を検出するための回路、およびインジケータを備える。
【０００４】
センサに複数のキャパシタプレートが取り付けられ、これにより、これらのプレートは、壁の表面近くに配置され得る。キャパシタプレートが表面に沿って移動させられた場合、表面の平均誘電率が変化するために、回路はプレートのキャパシタンスの変化を検出する。壁の実効キャパシタンスまたはキャパシタンスの変化を測定するためにキャパシタプレートが用いられる。検出が開始する前に、センサは、まず、較正を実行して、スタッドがない壁の効果をゼロにする。キャパシタプレートは、センタープレートと、電気的に接続されたエッジプレートの対称的な対とから構成される。スタッドのエッジの位置を判定するためにセンタープレートとエッジプレートとの間のキャパシタンスの差が用いられる。スタッドの中心線は、その後、スタッドの左右のエッジを見つけ出し、その後、エッジ間の距離の中間に向かって測定することによって判定される。従って、スタッドの中心線を検出するために、複数の測定が行われなければならない。インジケータは、キャパシタプレートのキャパシタンスの変化を表示し、これにより、オペレータに壁のスタッド位置を知らせる。インジケータは、さらに、較正が行われた場合にオペレータに知らせる。
【０００５】
この手順は、スタッドの中心線を判定する際に有効である一方で、スタッドのエッジの位置を判定する際に著しいエラーが生じ得る。１つの要因は、表面の背後のスタッドの深さである。シートロック（石膏壁ボードとも呼ばれ、かつ、１６ｍｍの厚さまたは同等に５／８インチを有する）、または他の壁面材料の厚さが原因で、「バルーニング（ｂａｌｌｏｏｎｉｎｇ）」効果がスタッドの知覚された幅を歪め得る。この方法で感知された場合に、スタッドの位置が表面に近いほど、スタッドはより幅広く見える。同様に、スタッドの位置がより遠いか、またはより深いほど、スタッドはより幅狭く見える。より深いスタッドを検出することを支援するようにセンサの感度が高まった場合、このバルーニング
効果は悪化する。電線、金属管および他の物体がスタッドの近傍にあるために、バルーニングは非対称的であり得、これは、その後、スタッドの中心線を正確に判定する能力を低下させる。バルーニングが過剰である場合、スタッドのエッジの位置が、５１ｍｍ（２インチ）だけ不正確に表示され得る。同様に、スタッドの中心線は、実際のスタッド位置から完全にずれた不正確さで表示され得る。
【０００６】
バルーニング効果を補償する第１の方法は、「Ｓｔｕｄ  ｓｅｎｓｏｒ  ｗｉｔｈ  ｄｕａｌ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ」（２０００年２月８日出願）と称される特許文献２に示され、参考のため、本明細書中にその全体が援用される。残念ながら、デュアル感度制御（ｄｕａｌ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  ｃｏｎｔｒｏｌ）を用いることは、バルーニング効果を部分的にしか最小化しない。
【０００７】
バルーニング効果を補償する第２の方法は、「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｗａｌｌ−ｓｔｕｄ  ｓｅｎｓｏｒ  ｗｉｔｈ  ｔｈｒｅｅ  ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ」（１９９９年６月２９日）と称される、特許文献３に示され、参考のため、本明細書中に援用される。この第２の方法は、３つの並列感知プレート（ｐａｒａｌｌｅｌ  ｓｅｎｓｉｎｇ  ｐｌａｔｅ）、および種々のプレートキャパシタンス間の和および差を用いて、スタッドの中心線およびエッジを判定する。
【０００８】
壁用電子スタッドセンサを用いる上述の方法は、３８ｍｍ（１  １／２インチ）を越える厚さの表面を通ってスタッドのエッジ（または他の構造部材）を確実かつ正確に感知することはできない。さらに、これらのセンサは、過度に感度が高い場合、存在しないスタッドの存在を誤って表示する。従って、公知のセンサは、不利な点を有する。
【特許文献１】米国特許第４，４６４，６２２号明細書
【特許文献２】米国特許第６，０２３，１５９号明細書
【特許文献３】米国特許第５，９１７，３１４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、複数の導電性プレートからのキャパシタンス測定値を用いて、壁、床、天井等のカバー表面の背後に隠れたスタッドおよびジョイスト等の物体の存在を判定することができるレシオメトリック容量型センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（簡単な要旨）
表面の背後に配置された未知の厚さの部材の効果を低減する一方で、表面の背後に配置された部材の特徴を判定する装置および方法が提供される。この特徴は、例えば、スタッドまたはジョイスト（ｊｏｉｓｔ）であるが、これらに限定されない建築用物体または部材の中心線および／またはエッジである。この特徴は、構造のギャップまたは不連続部分のエッジでもあり得る。センサ装置は、複数の容量プレートを含む。センサは、プレート、カバー（ｃｏｖｅｒｉｎｇ）、およびこのカバーの背後の物体によって生成された実効キャパシタンスを感知する回路をさらに備え得る。センサは、１対のプレートのキャパシタンス測定値間の比率をコンピュータ計算し得る。約１の比率は、スタッドまたはジョイストあるいは同様の部材の中心線を示し得る。所定の範囲の比率は、スタッドまたはジョイストのエッジを示し得る。
【００１１】
本発明のいくつかの実施形態は、第１および第２のプレートを有するセンサを用いて表面の背後の特徴を見つけ出す方法を提供し、この方法は、センサと表面とを互いに移動させて近付けるステップと、第１のプレートおよび特徴を含む第１のキャパシタの第１のキャパシタンスを測定するステップと、第２のプレートおよび特徴を含む第２のキャパシタ
の第２のキャパシタンスを測定するステップと、第１のキャパシタンス測定値と第２のキャパシタンス測定値との比率をコンピュータ計算するステップと、第１のキャパシタンスと第２のキャパシタンスとの比率をコンピュータ計算するステップとを包含する。
【００１２】
いくつかの実施形態は、ほぼ等しい面積の第１および第２のプレートを有するセンサを用いて表面の背後の特徴を見つけ出す方法を提供し、この方法は、センサと表面とを互いに近付くように移動させるステップと、第１のプレートを備える第１のキャパシタの第１のキャパシタンスを測定するステップと、第２のプレートを備える第２のキャパシタの第２のキャパシタンスを測定するステップと、第１のキャパシタンスを第２のキャパシタンスと比較するステップと、測定するステップおよび比較するステップを繰返すステップとを包含する。
【００１３】
いくつかの実施形態は、構造の特徴を見つけ出すセンサであって、第１のキャパシタンスを有し、かつ、この構造とともに第１のキャパシタを形成するように適合された第１のプレートと、第２のキャパシタンスを有し、かつ、この構造とともに第２のキャパシタを形成するように適合された第２のプレートと、第１のプレートに結合された第１の測定回路であって、第１のキャパシタの第１のキャパシタンス値を測定する、第１の測定回路と、第２のプレートに結合された第２の測定回路であって、第２のキャパシタの第２のキャパシタンス値を測定する、第２の測定回路と、第１および第２の測定回路に結合された比較回路であって、第１および第２のキャパシタンス値の比率を生成する、比較回路とを備えるセンサを提供する。
【００１４】
いくつかの実施形態は、ほぼ同じ平面上に位置し、間隔を空けて離れ、かつ、表面近くに配置されるように調整される、第１のプレートおよび第２のプレートと、第１および第２のプレートに結合され、これにより、プレートの各々のキャパシタンス値を測定する測定回路と、測定されたキャパシタンス値を受取り、かつ、測定されたキャパシタンス値の変化間の比率を判定するように結合された比較回路とを備える、センサを提供する。
【００１５】
本発明により、第１および第２のプレートを有するセンサを用いて表面の背後の特徴を見つけ出す方法であって、該方法は、該センサと該表面とが互いに近付くように移動させるステップと、該第１のプレートおよび該特徴を備える第１のキャパシタの第１のキャパシタンスを測定するステップと、該第２のプレートおよび該特徴を備える第２のキャパシタの第２のキャパシタンスを測定するステップと、該第１および該第２のキャパシタンス測定値の比率をコンピュータ計算するステップとを包含する、方法が提供され、これにより上記目的が達成される。
【００１６】
前記第１のキャパシタの初期キャパシタンスを表す第１の基準を判定するステップと、前記第２のキャパシタの初期キャパシタンスを表す第２の基準を判定するステップとをさらに包含してもよい。
【００１７】
前記第１のキャパシタンス測定値は、前記第１の基準と該第１のキャパシタンス測定値との間の差であり、前記第２のキャパシタンス測定値は、前記第２の基準と該第２のキャパシタンス測定値との間の差であってもい。
【００１８】
前記第１および第２のキャパシタンス測定値の１つ以上が第２の閾値を超過するかどうかを判定するステップと、前記第１および第２のキャパシタンス測定値の１つ以上が該第２の閾値を超過する場合、該第１および第２のキャパシタンスを再測定するステップとをさらに包含してもよい。
【００１９】
前記比率が所定の範囲内であるかどうかを判定するステップをさらに包含してもよい。
【００２０】
前記比率が前記所定の範囲内である場合、前記表面の背後の物体のエッジが検出されたことを示すステップをさらに包含してもよい。
【００２１】
前記比率は、前記第１および第２のキャパシタンス測定値の最大値の関数であってもよい。
【００２２】
前記所定の範囲は、固定限界を有する範囲であってもよい。
【００２３】
前記所定の範囲は、約０．３〜０．３５であってもよい。
【００２４】
前記所定の範囲をルックアップテーブルから導出するステップをさらに包含してもよい。
【００２５】
前記所定の範囲を生成するステップをさらに包含してもよい。
【００２６】
前記第１のキャパシタンス測定値と第２のキャパシタンス測定値とを比較するステップと、前記第１のキャパシタンス測定値が前記第２のキャパシタンス測定値よりも大きい場合、前記表面の背後の物体のエッジが、前記第２のプレートの中心線よりも、前記第１のプレートの中心線に近いと判定するステップと、該第１のキャパシタンス測定値が該第２のキャパシタンス測定値よりも小さい場合、該エッジは、該第１のプレートの該中心線よりも該第２のプレートの該中心線に近いと判定するステップとをさらに包含してもよい。
【００２７】
前記比率が１の値の所定の範囲内であるかどうかを判定するステップをさらに包含してもよい。
【００２８】
前記所定の範囲は、０．９〜１の範囲内であってもよい。
【００２９】
前記比率が前記所定の範囲内である場合、物体の中心線が検出されたことを示すステップをさらに包含してもよい。
【００３０】
前記第１および第２のキャパシタンスは、前記第１および第２のプレートのそれぞれ１つをそれぞれの基準レベルになるように充電するために必要な継続時間を示してもよい。
【００３１】
前記第１の基準は、前記初期キャパシタンスを有する前記第１のプレートを第１の基準になるように充電するために必要な継続時間を示し、前記第２の基準は、前記初期キャパシタンスを有する前記第２のプレートを第２の基準になるように充電するために必要な継続時間を示し、ここで、前記第１のキャパシタンスは、該第１の基準と、該第１のプレートを該第１の基準になるように充電する継続時間との間の差であり、前記第２のキャパシタンスは、該第２の基準と、該第２のプレートを該第２の基準になるように充電する継続時間との間の差であってもよい。
【００３２】
前記第１の基準は、前記第２の基準と等しくてもよい。
【００３３】
前記移動させるステップは、前記センサを前記表面に付与するステップを包含してもよい。
【００３４】
前記移動させるステップは、前記表面を前記センサに付与するステップを包含してもよい。
【００３５】
本発明により、ほぼ等しい面積の第１のプレートおよび第２のプレートを有するセンサを用いて、表面の背後の特徴を見つけ出す方法であって、該方法は、該センサと該表面とが互いに近付くように移動させるステップと、該第１のプレートおよび該特徴を備える第１のキャパシタの第１のキャパシタンスを測定するステップと、該第２のプレートおよび該特徴を備える第２のキャパシタの第２のキャパシタンスを測定するステップと、該第１のキャパシタンス測定値を該第２のキャパシタンス測定値と比較するステップと、該測定するステップおよび比較するステップを繰返すステップとを包含する方法が提供され、これにより、上記目的が達成される。
【００３６】
前記第１のキャパシタンス測定値を前記第２のキャパシタンス測定値と比較する前記ステップは、該第１のキャパシタンス測定値と第２のキャパシタンス測定値との間の比率をコンピュータ計算するステップと、該比率が所定の範囲内であるかどうかを判定するステップと、該比率が該範囲内である場合、物体のエッジが検出されたことを示すステップとを包含してもよい。
【００３７】
前記第１のキャパシタンス測定値を前記第２のキャパシタンス測定値と比較する前記ステップは、該第１および第２のキャパシタンス測定値が第２の閾値より少ないだけ異なるかどうかを判定するステップと、該第１および第２のキャパシタンスが該閾値より少ないだけ異なる場合、物体の中心線が検出されたことを示すステップとを包含してもよい。
【００３８】
前記第１のキャパシタンス測定値を前記第２のキャパシタンス測定値と比較する前記ステップは、該第１のキャパシタンス測定値と該第２のキャパシタンス測定値との間の比率をコンピュータ計算するステップと、該比率が１の所定の範囲内であるかどうかを判定するステップと、該キャパシタンス比率が該範囲内である場合、物体の中心線が検出されることを示すステップとを包含してもよい。
【００３９】
本発明により、構造の特徴を見つけ出すセンサであって、第１のキャパシタンスを有し、かつ、該構造とともに第１のキャパシタを形成することに適合する第１のプレートと、第２のキャパシタンスを有し、かつ、該構造とともに第２のキャパシタを形成することに適合した第２のプレートと、該第１のプレートに結合された第１の測定回路であって、該第１のキャパシタの第１のキャパシタンス値を測定する、第１の測定回路と、該第２のプレートに結合された第２の測定回路であって、該第２のキャパシタの第２のキャパシタンス値を測定する、第２の測定回路と、該第１および第２の測定回路に結合された比較回路であって、該第１および第２のキャパシタンス値の比率を生成する、比較回路とを備える、センサが提供され、これにより、上記目的が達成される。
【００４０】
前記第１のキャパシタンス値は、前記第１のキャパシタンスと、該第１のキャパシタの初期キャパシタンスとの間の差を表し、前記第２のキャパシタンス値は、前記第２のキャパシタンスと、該第２のキャパシタの初期キャパシタンスとの間の差を表してもよい。
【００４１】
第１および第２の測定回路に結合された閾値回路をさらに備え、該閾値回路は、前記第１および第２のキャパシタンス値が第２の閾値を越えるかどうかを判定してもよい。
【００４２】
前記比較回路に結合され、かつ、前記比率値を受取るように結合された処理回路をさらに備えてもよい。
【００４３】
前記処理回路は、前記比率が所定の範囲内であるかどうかを判定してもよい。
【００４４】
前記処理回路に結合されたインジケータであって、前記比率が前記所定の範囲内である場合、前記センサは前記構造のエッジ上にあるという表示を提供する、インジケータをさ
らに備えてもよい。
【００４５】
前記処理回路は、前記キャパシタンス比率が１の所定の範囲内であるかどうかを判定してもよい。
【００４６】
前記処理回路に結合されたインジケータであって、前記比率が前記１の範囲内である場合、前記センサは、前記構造の物体の中心線上にあるという表示を提供する、インジケータをさらに備えてもよい。
【００４７】
ルックアップテーブルを格納し、かつ、前記処理回路に結合されたメモリをさらに備え、該ルックアップテーブルは、該処理回路の遷移比率を有し、該遷移比率は、前記所定の範囲をセットするために用いられてもよい。
【００４８】
基準電圧のソースをさらに備え、前記第１の測定回路は、第１のインデックスを備え、該第１のインデックスは、前記第１のプレートを前記基準電圧レベルになるように充電するために必要とされる複数のクロックサイクルを示し、該第２の測定回路は、第２のインデックスを備え、該第２のインデックスは、前記第２のプレートを該基準電圧レベルになるように充電するために必要とされる複数のクロックサイクルを示してもよい。
【００４９】
前記第１および第２の測定回路は、前記第１または第２のプレートのそれぞれに結合された電流源と、該第１または第２のプレートのそれぞれに結合された放電スイッチと、前記処理回路および出力端子からデータ信号を受取るように結合された入力端子を有するデジタルアナログコンバータ（ＤＡＣ）と、該第１または第２のプレートのそれぞれに結合された第１の入力端子と、該ＤＡＣに結合された第２の入力端子と、前記測定回路の前記出力信号を提供する出力端子とを有する比較器とをそれぞれ備えてもよい。
【００５０】
本発明により、センサであって、ほぼ同じ平面上に位置し、間隔を空けて離れ、かつ、表面近くに配置されるように調整される、第１のプレートおよび第２のプレートと、該第１および第２のプレートに結合され、これにより、該プレートの各々のキャパシタンス値を測定する測定回路と、該測定されたキャパシタンス値を受取り、かつ、該測定されたキャパシタンス値の変化間の比率を判定するように結合された第１の比較回路とを備える、センサが提供され、これにより、上記目的が達成される。
【００５１】
前記比較回路に結合され、これにより、前記キャパシタンスの前記比率の表示を提供するインジケータをさらに備えていてもよい。
【００５２】
前記表示は、前記比率が所定の比率とほぼ等しいという表示であり、これにより、前記表面の背後の物体のエッジの位置を特定してもよい。
【００５３】
前記表示は、前記比率が１にほぼ等しいという表示であり、これにより、前記表面の背後の物体の中心線の位置を特定してもよい。
【発明の効果】
【００５４】
本発明によれば、レシオメトリック容量型センサにより、複数の導電性プレートからのキャパシタンス測定値を用いて、壁、床、天井等のカバー表面の背後に隠れたスタッドおよびジョイスト等の物体の存在を判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５５】
レシオメトリック容量型センサは、壁、床、天井等のカバー表面の背後に隠れたスタッドおよびジョイスト等の物体の存在を判定するために、複数の導電性プレートからのキャ
パシタンス測定値を用い得る。いくつかの実施形態において、レシオメトリック容量型センサは、２つの導電性プレートを備える。各導電性プレートは、別個のキャパシタの一部分として機能する。各プレートに結合された回路は、プレートに近接する材料の密度によって引き起こされる、別個のキャパシタの容量の実効変化を測定する。その結果、壁、または他の表面カバーと、下に位置するスタッドまたは他の部材との組み合わせが、スタッドなしの壁カバーのみよりも大きいキャパシタンスを有する。キャパシタンス測定値は、各プレートから測定される。あるプレートからのキャパシタンス測定値が、その後、別のプレートのキャパシタンス測定値と比較されて、プレートの付近の材料の境界および特徴を判定し得る。
【００５６】
図１Ａは、隠れたスタッド１００から離れた横方向距離Ｄで壁９９に対して配置された単一のプレート２０２を有する公知の容量型センサ２００の平面図を示す。スタッド１００は、２つのエッジ１０２を有し、壁９９に対するその位置の中心線１０１を規定する。
【００５７】
図１Ｂおよび図１Ｃは、プレート２０２と壁９９との間に生成されたキャパシタンスを示す。キャパシタンス曲線２１０は、各スタッド１００の中心線１０１でピーク、および、１対のスタッド１００間で谷を示す。キャパシタンス曲線２１０は、センサ２００が、直接、１対のスタッド１００間にある場合、最小キャパシタンス値を示す。スタッド１００の中心線をマーキングするために、センサ２００は、キャパシタンス曲線２１０のピークを検出しなければならない。
【００５８】
残念ながら、曲線２１０の絶対頂点は、センサ２００が、スタッド１００にわたって中心またはほぼ中心に位置するとき、キャパシタンス曲線２１０が比較的平坦であるために検出が困難である。そのため、センサ２００は、スタッド１００の中心線１０１を見つけ出すためには用いられない。従って、センサ２００は、スタッド１００のエッジ１０２を示すにすぎない。キャパシタンス曲線２１０は、遷移キャパシタンス値を通過するので、センサ２００の中心線２０４は、スタッド１００のほぼエッジ１０２上にあり得る。キャパシタンスがこの値を超える間、センサ２００は、それがスタッド１００の上にあることを示し得る。遷移キャパシタンス値は、そのファクタに設定され、異なった厚さを有する壁構造の背後に配置されたスタッドおよび異なった幅を有するスタッドのエッジおよびセンターの位置を特定する際に有用であり得ない。
【００５９】
図２Ａ〜図２Ｄは、通常の建築物に見られるように、異なった幅の隠れたスタッド１００および異なった厚さの壁カバー９９を有する種々の壁構造を示す。図２Ａは、シートロック９９Ａの単一層の背後に隠れたエッジ１０２Ａを成す単一スタッド１００Ａを示す。図２Ｂは、シートロック９９Ａの単一層の背後に隠れたエッジ１０２Ｂを成す並んだ２つのスタッド１００Ｂを示す。図２Ｃは、シートロック９９Ｂの２重層の背後に隠れたエッジ１０２Ａを成す単一スタッド１００Ａを示す。図２Ｄは、シートロック９９Ｂの２重層の背後に隠れたエッジ１０２Ｂを成す並んだ２つのスタッドを示す。幅および厚さの各組み合わせは、センサ２００がスタッド（単数または複数）１００にわたって通過すると固有のキャパシタンス曲線をセンサ２００に提供する。
【００６０】
図３は、図２Ａ〜図２Ｄに示された種々の壁構造の距離に対する一連のキャパシタンス測定曲線を示す。距離は、スタッド１００またはスタッドの群の中心線１０１と、例えば、図１Ａのプレート２０２等の容量プレートの中心線との間の距離の測定であり得る。キャパシタンス測定は、例えば、プレート２０２等の容量プレートによって形成されたキャパシタンスの変化の測定であり得、壁構造は、未知の幅を提供する１つ以上のスタッド１００および未知の厚さを有する壁カバー９９により形成される。
【００６１】
曲線２２０は、例えば、図２Ａに示される壁カバー９９Ａのシングルシートによって隠
されたエッジ１０２Ａを規定するシングル幅スタッド１００Ａを有する壁構造にわたって検出されたキャパシタンスを示す。曲線２３０は、例えば、図２Ｂに示される壁カバー９９Ａのシングルシートによって隠されたエッジ１０２Ｂを検出するダブル幅スタッド１００Ｂを有する壁構造にわたって検出されたキャパシタンスを示す。曲線２４０は、例えば、図２Ｃに示される壁カバー９９Ｂの２つのシートによって隠されたエッジ１０２Ａを検出するシングル幅スタッド１００Ａを有する壁構造にわたって検出されたキャパシタンスを示す。曲線２５０は、例えば、図２Ｄに示される壁カバー９９Ｂの２つのシートによって隠されたエッジ１０２Ｂを規定するダブル幅スタッド１００Ｂを有する壁構造にわたって検出されたキャパシタンスを示す。
【００６２】
キャパシタンスが所定の閾値に達すると、センサ２００は、スタッド１００のエッジ１０２が検出されたことを示し得る。しかしながら、スタッド１００のエッジ１０２の位置を適切に特定するために、各特定の壁構造について、固有の閾値が必要とされる。例えば、曲線２２０は、センサ２００がポイント２６１に示されるように、エッジ１０２Ａ上の中心に位置する場合を示すために、閾値２２１を用い得る。同様に、それぞれのポイント２６２、２６３および２６４に示されるように、センサ２００がエッジ１０２Ａまたは１０２Ｂ上の中心に位置する場合、曲線２３０、２４０および２５０は、それぞれの閾値２３１、２４１および２５１を用い得る。
【００６３】
図３は、キャパシタンス測定値が正規化され得、これにより、図２Ａに示されるように、シートロック９９Ａの単層の背後に隠れた単一スタッド１００Ａが、曲線２２０から見出され得るように、１．０のピークキャパシタンス測定値および０．０の最小較正値を生成し得ることをさらに示す。他の壁構造の測定値が単一スタッド単層構造に正規化され得る。曲線２３０は、１．４の相対的最大キャパシタンス値を示す。同様に、曲線２４０および２５０が０．４および０．６の相対的最大キャパシタンス値をそれぞれ示す。
【００６４】
種々の壁構造の、例えば、閾値２２１等の単一の固定閾値を用いるセンサは、スタッド１００のエッジ１０２の位置を正確に識別することもあれば、不正確に測定することもある。壁厚さおよびスタッド幅の想定が正確である場合、エッジ１０２の位置は、適切に識別され得る。例えば、単層のシートロックおよび単一スタッドの較正された閾値２２１を用いるセンサは、ポイント２６１によって示されるように、単層のシートロック９９Ａの背後の単一スタッド１００Ａのエッジ１０２Ａを正確に判定し得る。
【００６５】
センサが、試験中の実際の構造とは異なる特定の壁構造のために設計された単一の固定閾値を用いる場合、センサ２００は、誤ったエッジ表示を提供し得る。例えば、シングルスタッド用に設定された閾値２２１を用いるセンサは、ポイント２６５に示されるようなダブルスタッドの実際のエッジ１０２Ｂではなくエッジの位置を不正確に示し得る。示される例において、バルーニング効果が生じ、これにより、誤ったエッジ表示が、スタッドが実際よりも幅広く見えるようにする態様でスタッドエッジ１０２Ｂが配置されることを示す。
【００６６】
図４Ａは、米国特許第５，９１７，３１４号に記載されるように、１次プレート２０２Ａおよび２つのサイドプレート２１３を有する容量型センサ２００Ａの平面図を示す。センサ２００Ａは、隠れたスタッド１００から離れた横方向の距離Ｄで配置される。２つのサイドプレート２１３は、単一の容量プレートとして機能するように電気的に接続される。サイドプレート２１３は、隠れたスタッド１００の検出を鮮明にすることを支援する。サイドプレート２１３によって感知されたキャパシタンスは、１次プレート２０２Ａのキャパシタンスから減算される。
【００６７】
図４Ｂは、センサ２００Ａと隠れたスタッド１００との間の横方向の距離Ｄに対する１
次プレート２０２Ａおよびサイドプレート２１３のキャパシタンス測定値のグラフを示す。曲線２１０は、センサ２００Ａの１次プレート２０２Ａのキャパシタンスの変化を示す。サイドプレート２１３は、デュアルピーク曲線２７０を示す。各ピークは、サイドプレート２１３の１つがスタッド１００上の中心に位置する場合の、センサ２００Ａの位置を表す。
【００６８】
１次プレート２０２Ａの曲線２１０とサイドプレート２１３の曲線２７０との間の差の減算により、曲線２８０が生じ、曲線２８０は、１次プレート２０２Ａの曲線２１０よりも狭くなる。残念ながら、曲線２１０および２７０に示される測定されたキャパシタンスおよび曲線２８０に示されるようなキャパシタンスの差は、分離する材料の厚さおよびスタッドの幅が未知である場合、スタッドのエッジの位置を直接表示しない。なぜなら、異なった壁構造は、異なった公称キャパシタンスを示すからである。壁カバー厚さとは関係無く、スタッドのエッジを示すために固定差閾値を用いることによって、図２Ａ〜図２Ｄに関してすでに述べられたように、エッジが実際に正確なものよりもスタッドの中心線に近いかまたは遠いように誤った表示をし得る。さらに、曲線２８０の丸み付けされた最上部は、曲線２１０よりも幅が狭いが、スタッド１００の中心線１０１の位置を正確に示すためには依然として尖鋭さが不十分であり得る。
【００６９】
図５Ａは、本発明による、２つの１次プレート３０１、３０２を有するレシオメトリック容量型センサ３００の平面図を示す。センサ３００は、隠れたスタッド１００から離れた横方向の距離Ｄで壁９９に対して配置される。スタッド１００は、２つのエッジ１０２を有し、かつ、壁９９に沿うエッジの位置に対して中心線１０１を規定する。さらに、センサ３００は、第１のプレート３０１と第２のプレート３０２との間に等しく位置し得る中心線３０４を規定する。いくつかの実施形態において、関連した回路および／またはソフトウェア（図示せず）は、各プレート３０１および３０２のキャパシタンスを示す値を独立して測定するように動作する。
【００７０】
図５Ｂおよび図５Ｃは、センサ３００のプレート３０１および３０２の各々と壁９９との間に生成されるキャパシタンスを示す。図５Ｂは、第１のプレート３０１と壁９９とによって生成されたキャパシタンス曲線３１０を示す。図５Ｃは、第２のプレート３０２と壁９９とによって生成されたキャパシタンス曲線３２０を示す。キャパシタンス曲線３１０および３２０が、センサ３００の中心線３０４に関して描かれる。さらに、曲線３１０および３２０は、それぞれのプレート３０１および３０２がスタッド１００の中心線１０１上に位置する場合にピークを示し、かつ、それぞれのプレート３０１および３０２がスタッド１００の対間に位置するときに谷を示す。
【００７１】
センサ３００は、最小キャパシタンス値または低キャパシタンス値を測定するポイントにて、任意のスタッド１００から遠いところに位置し得る。測定されたキャパシタンス値は、センサ３００がスタッド１００に近くなるにつれて増加する。しかしながら、プレートの１つがスタッド１００に近くなると各プレート３０１および３０２のキャパシタンス値が異なる。例えば、第１のプレート３０１がスタッド１００のエッジ１０２に近いか、またはこのエッジ上にあり得る。同時に、第２のプレート３０２が、依然としてスタッド１００から離れた横方向の距離に位置し得る。この場合、第１のプレート３０１によって取得された最小値からのキャパシタンスの変化は、第２のプレート３０２によって取得されたキャパシタンスの変化よりも大きい。
【００７２】
いくつかの実施形態において、キャパシタンス測定値は、比率を計算するために用いられる。第１のキャパシタンス測定値は、第１のプレート３０１にて取得された較正値からのキャパシタンスの変化を表す。第２のキャパシタンス測定値は、第２のプレート３０２にて取得された較正値からのキャパシタンスの変化を表す。第１のキャパシタンス測定値
と第２のキャパシタンス測定値との間の比率がコンピュータ計算され得る。比率が所定の値とほぼ等しい場合、センサ３００の中心線３０４がスタッド１００のエッジ１０２上の中心に位置することが理解され得る。キャパシタンス測定値が等しいか、または比率が１にほぼ等しい場合、両方のプレートは、スタッドのエッジ１０２上の中心に位置し得、センサ３００の中心線３０４は、スタッド１００の中心線１０１上の中心に位置し得る。
【００７３】
図５Ｄは、第１および第２のキャパシタンス曲線３１０および３２０がセンサ３００とスタッド１００との中心線３０４と重なり合うことを示す。曲線３１０および３２０が交差するポイントは、センサ３００の位置を示し得、ここで、各プレートのキャパシタンスが等しくなり、従って、センサ３００の中心線３０４は、スタッド１００の中心線１０１のすぐ上にあり得る。いくつかの実施形態において、少なくとも１つのキャパシタンス値は、キャパシタンス測定値が互いに比較される前に、フロア閾値よりも大きい、すなわち、較正キャパシタンス値より大きい値でなければならない。
【００７４】
図５Ｅは、本発明による、レシオメトリック容量型センサの中心線３０４とスタッド１００の中心線１０１との間の横方向距離に対する２つの１次プレート３０１、３０２のキャパシタンス測定値の比率を表す曲線３３０のグラフを示す。この比率は、より大きいキャパシタンスで除算されたより小さいキャパシタンスとしてコンピュータ計算され得、これにより、比率は、１と等しいか、またはこれよりも少なくなる。
【００７５】
比率曲線３３０で示される計算結果は、図３の単一プレート曲線２１０、２２０、２３０および２４０にすでに見出された丸み付けされた最上部よりも尖鋭なピークを示す。曲線３３０の尖鋭なピークは、レシオメトリックセンサが、丸み付けされた尖った曲線を生成する図１Ａおよび図４Ａのセンサ２００および２００Ａとは異なり、向上した精度でスタッドの特徴の位置を特定することを可能にする。換言すると、比率曲線３３０の尖鋭なポイントは、スタッド１００の中心線１０１をより正確に判定するために用いられ得る。
【００７６】
さらに、遷移比率が計算された比率と比較され、さらに後述されるように、スタッド１００のエッジ１０２の位置が判定され得る。遷移比率は、センサ３００が特定の壁構造のスタッドのエッジ上の中心に位置する場合、スタッドのエッジにて形成されるキャパシタンス比率を予測する。従って、遷移比率は、センサ３００がエッジ１０２上の中心に位置する場合を示すために用いられ得る。
【００７７】
遷移比率は、複数の方法で判定され得る。遷移比率は、工場出荷時設定定数であり得る。あるいは、遷移比率は、オペレータによって設定され得る。いくつかの実施形態において、遷移比率は、動作中に計算される。
【００７８】
いくつかの実施形態において、遷移比率は、工場出荷時設定定数として、製造中に設定され得る。例えば、工場は、例えば、０．３３の固定値に等しくなるように遷移比率を設定し得る。プレートがほぼ０．３３の比率を形成するキャパシタンス測定値を生成した場合、センサ３００は、センサ３００の中心が、スタッド１００のエッジ１０２のすぐ上にあることを示し得る。
【００７９】
いくつかの実施形態において、遷移比率は、センサのオペレータによって直接または間接的に選択され得る。例えば、オペレータは、スタッド幅および／または壁厚さを選択し得る。スタッド幅および／または壁厚さは、例えば、以下の表に示されるように、適切な遷移比率を選択するために用いられ得る。
【００８０】
【表１】
2008197124.tif 000002
いくつかの実施形態において、遷移比率は、キャパシタンス測定値に基づいて、センサ３００によって自動的に判定され得る。キャパシタンスの測定は、図３に示されるように、プレート上の最大キャパシタンスの測定値の測定であり得る。
【００８１】
いくつかの実施形態において、スタッドのエッジ１０２にて測定されたプレートキャパシタンスの実際の比率は、壁厚さと共に予測可能に変化する。従って、最大測定キャパシタンス値は、スタッドのエッジの位置を特定するために用いられる遷移比率を設定するために用いられ得る。この最大値は、壁カバーの厚さを示し得、壁が厚くなるほど最大値が小さくなる。最大値は、さらに、スタッドの幅の表示を提供し得、スタッドの幅が広いほど最大値は大きくなる。スタッドの方向を示すために、測定されたキャパシタンス値が比較されて、プレートがより高いキャパシタンス測定値を有することによってスタッドの中心の方向が示される。
【００８２】
いくつかの実施形態において、遷移比率は、履歴最大キャパシタンス測定値に基づいてセンサ３００によって計算され得る。他の実施形態において、遷移比率は、瞬時最大キャパシタンス測定値に基づいて計算され得る。
【００８３】
履歴最大キャパシタンス測定値は、プレート３０１または３０２から測定されるように、ある期間にわたって判定され得る。プレート３０１または３０２がスタッド上の中心に位置する場合、最大キャパシタンス測定値が期待される。最大キャパシタンス測定値は、センサ３００のメモリに保存され得る。キャパシタンスがある期間にわたって変化すると、更新された最大キャパシタンス値が格納され得る。
【００８４】
あるいは、あるキャパシタンス測定値が用いられ得る。センサ３００がプレート３０１および３０２から各対のキャパシタンス測定値を取得するごとに、キャパシタンス測定値が選択され得る。いくつかの実施形態において、２つのキャパシタンス測定値の大きいほうが、キャパシタンス測定値を表し得る。すなわち、
Ｃｍａｘ＝ｍａｘ｛第１のプレート値，第２のプレート値｝
である。別の実施形態において、瞬時キャパシタンス値は、単一プレート３０１によって形成されるキャパシタンスを試験することによって判定され得る。
【００８５】
キャパシタンス測定値を用いて、センサ３００は、表から遷移比率を選択するか、または、式から遷移比率をコンピュータ計算し得る。プレートが３８ｍｍ（１  １／２インチ）離れて中心に位置し、各プレートが１９ｍｍ（３／４）幅であるセンサ３００は、以下の表に示される遷移比率を用い得る。例えば、ダブル幅のスタッドがシングルシートのシートロックの背後に隠れていることを表す１．４のキャパシタンス測定値は、０．３２の遷移比率を有し得る。センサ３００のメモリにおけるルックアップテーブルは、遷移比率に対するキャパシタンス測定値をマッピングするために用いられ得る。
【００８６】
【表２】
2008197124.tif 000003
あるいは、センサ３００は、比率の計算ごとに遷移比率コンピュータ計算し得る。いくつかの実施形態において、遷移比率は、
【００８７】
【数１】
2008197124.tif 000004
として計算され得、ここで、ＴＲ（Ｐ）は遷移比率であり、Ｐ１／２は設計定数であり、Ｃはキャパシタンス測定値である。設計定数Ｐ１／２は、製造中に設定され得、かつ、幅４４ｍｍ（１  ３／４インチ）のシングル（公称）スタッドおよび厚さ１３ｍｍ（１／２インチ）の壁カバー９９を有する基準壁構造にわたって測定された期待最大キャパシタンスを表し得る。いくつかの実施形態において、キャパシタンスＣのパラメータは、履歴最大キャパシタンスであり得る。他の実施形態において、キャパシタンスＣのパラメータは、上述のように、２つのプレート測定値の瞬時最大キャパシタンスであり得る。式は、Ｃが設計定数Ｐ１／２よりも小さい場合、この式が用いられることを示す。Ｃが設計定数Ｐ１／２よりも大きいか、またはこれと等しい場合、０．３３の固定値が用いられる。
【００８８】
一旦判定されると、センサがスタッドのエッジ上の中心に位置するかどうかを表示するために遷移比率が用いられ得る。センサ３００が第１のプレート３０１の第１のキャパシタンス値と、第２のプレート３０２の第２のキャパシタンス値とを測定し得る。第１のキャパシタンス値と第２のキャパシタンス値との間のキャパシタンス比率が計算され得る。このキャパシタンス比率は、センサ３００が、現在、スタッド１００のエッジ１０２上の中心に位置するかどうかを判定するために、予測される遷移比率と比較され得る。
【００８９】
例えば、１．４の比較的大きいキャパシタンス値を測定するセンサ３００は、センサ３００が厚さ１３ｍｍ（１／２インチ）の単層のシートロックの背後に隠れた幅７６ｍｍ（３インチ）のダブル幅のスタッド上を通過したことを示し得る。この壁構造の遷移比率は、０．３２の値に設定され得る。センサ３００が、第１および第２のキャパシタンス測定値がほぼ０．３２である位置を検出した場合、センサ３００は、センサ３００がエッジ１０２上の中心に位置することを示し得る。いくつかの実施形態において、スタッドのエッジの位置は、１３〜２５ｍｍ（１／２〜１インチ）の範囲の壁カバー厚さにわたって約３ｍｍ（１／８インチ）の精度で判定され得る。
【００９０】
壁の構成を示すために相対的最大キャパシタンス値が用いられ得る。例えば、センサ３００の特定の設計が１．４の最大キャパシタンス値を測定し得、これは、単層のシートロックの背後に隠れたダブル幅スタッドを示す。
【００９１】
測定されたキャパシタンス値は、スタッド１００が配置された方向を示す。スタッドのエッジ１０２にて、一方のプレートが、スタッド１００の中心線１０１のすぐ上にあり得
る一方で、他方のプレートは、スタッド１００の一方の側から離れて位置し得る。スタッド１００上に位置するプレート３０１または３０２は、他方のプレート３０２または３０１よりも大きいキャパシタンスを有し、かつ、センサ３００がスタッド１００にわたって引張られると最大値を通過する。より大きいキャパシタンスを示すプレート３０１または３０２は、センサ３００の中心線３０４が、プレート３０１または３０２の方向に移動される必要があることを示す。
【００９２】
図６Ａ〜図６Ｃは、本発明による２つの１次プレート３０１および３０２を有するレシオメトリック容量型センサ３００Ａの平面図を示す。
【００９３】
図６Ａは、隠れたスタッド１００の中心線１０１からの距離Ｄ１に位置するセンサ３００Ａの中心線３０４を示す。スタッド１００から離れたある実質的距離に配置されたプレート３０２は、任意の公称または最小値と等しいほぼ一定のキャパシタンスを生成する。センサ３００Ａ、従って、そのプレート３０１、３０２は、物体のより近くに移動されるにつれて、各プレート３０１、３０２のキャパシタンスは、増加し始める。センサ３００Ａは、各プレート３０１、３０２のキャパシタンスの変化を周期的にモニタリングし得る。キャパシタンスがその公称値から変化すると、センサ３００Ａは、接近するスタッド１００を感知し得る。第１のプレート３０１は、最初にスタッド１００に近付き得、従って、そのキャパシタンスは、スタッド１００から遠く離れ得る第２のプレート３０２のキャパシタンスよりも大きくなり得る。
【００９４】
図６Ｂは、キャパシタセンサ３００Ａの平面図を示す。センサ３００Ａの中心線３０４は隠れたスタッド１００のエッジ１０２Ａのすぐ上に位置し、スタッド１００の中心線１０１からの距離Ｄ２に位置する。いくつかのセンサ３００Ａは、横方向の寸法を有し、これにより、センサ３００Ａの中心線３０４が隠れたスタッド１００のエッジ１０２Ａのすぐ上に位置する場合、第１のプレート３０１の中心線は、スタッド１００の中心線１０１のすぐ上にある。この状態において、第１のプレート３０１のキャパシタンスは、その最大値にある。さらに、プレート３０１と３０２との間のキャパシタンスの比率は、予測可能な遷移比率と等しくなり得る。従って、センサ３００Ａは、比率を計算することによって、および、その比率がこの遷移比率と等しいかどうかを判定することによって、スタッド１００のエッジ１０２Ａの位置を識別し得る。さらに、第１のプレート３０１が第２のプレート３０２よりも大きいキャパシタンスを有するので、センサ３００Ａは、スタッド１００がセンサ３００Ａの中心線３０４の右にあるのか左にあるのかに関する表示を提供し得る。
【００９５】
図６Ｃは、隠れたスタッド１００の中心線１０１のすぐ上の中心に位置するセンサ３００Ａの中心線３０４を有する容量型センサ３００Ａの平面図を示し、中心から中心の距離が、Ｄ３＝０となる。この位置において、各プレート３０１および３０２は、部分的にスタッド１００の上にあり得る。各プレート３０１および３０２は、公称値を越え、その最大値未満であり、かつ、通常の値とほぼ等しい特定の最小閾値であるキャパシタンス値を有する。従って、物体の中心線は、２つのプレートが任意のフロア閾値を越える通常の値と等しいキャパシタンス値を有するのはいつかを識別することによって位置特定され得る。
【００９６】
フロア閾値は、較正キャパシタンス測定値より大きい値になるように選択され得る。較正キャパシタンス測定値は、センサ３００によって測定された最小キャパシタンスであり得る。フロア閾値を高い値に設定することによって、誤った正のエッジ１０２および中心線１０１が表示される危険が低減される。フロア閾値を低い値に設定することによって、センサ３００が、より幅が狭いスタッドを検出するか、またはより厚い壁カバーを通ってスタッドを検出することが可能になる。
【００９７】
図６Ｄ、図６Ｅおよび図６Ｆは、本発明による、シングル、ダブル、およびトリプル幅のそれぞれを有する隠れたスタッドの距離に対するキャパシタンス測定値、および、比率のグラフを示す。
【００９８】
シングル幅のスタッドは、約３８ｍｍ（１  １／２インチ）幅であり得る。ダブル幅スタッドは、約７６ｍｍ（３インチ）幅であり得る。トリプル幅のスタッドは、約１１４ｍｍ（４  １／２インチ）幅であり得る。スタッドまたはスタッドの群の幅が増加すると、キャパシタンス曲線の幅は増加する。しかしながら、比率曲線は、尖鋭なピークを有する曲線の状態で留まり、これは、スタッドの中心線の位置を特定するために用いられ得る。
【００９９】
図６Ｄは、図２Ａの本発明による、２つのプレートキャパシタンス曲線３１０Ａおよび３１０Ｂならびに比率曲線３３０Ａを示す。グラフの水平軸は、レシオメトリック容量型センサ３００Ａの中心線３０４と、シングル幅の隠れたスタッド１００の中心線１０１との間の距離を表す。スタッド１００からある距離に位置する第１のプレート３０１は、曲線３１０Ａによって示されるキャパシタンスの変化をもたらす。同様に、スタッド１００からある距離に位置する第２のプレート３０２は、横方向にオフセットした曲線３２０Ａによって示されるように、キャパシタンスの等価であるが、シフトした変化をもたらす。
【０１００】
センサ３００Ａの中心線３０４が図６Ａに示されるように、スタッド１００の中心線１０１からの距離Ｄ＝Ｄ１に位置する場合、第１のプレート３０１は、キャパシタンスの実質的変化を示すが、第２のプレート３０２は、ポイント３１２および３２２のそれぞれにて見出されるように、キャパシタンスの実質的に低い変化を示すにすぎない。さらに、ポイント３３２の曲線３３０Ａに示されるように、距離Ｄ１にて、キャパシタンス測定値の比率も実質的に低い。
【０１０１】
距離Ｄ＝Ｄ１にて、センサ３００Ａは、スタッド１００の中心線１０１またはエッジ１０２上の中心に位置しない。ポイント３３２に示される実質的に低いキャパシタンス比率、およびポイント３１２に示される第１のプレート３０１において検出されたキャパシタンスの実質的変化は、スタッド１００の中心線１０１またはエッジ１０２に達するために、オペレータがセンサ３００Ａを移動させなければならない方向を示す。換言すると、より高いキャパシタンスを有するプレートは、センサ３００Ａの中心線３０４に対するスタッド１００の中心線１０１の方向を示す。
【０１０２】
図６Ｂに示されるように、センサ３００Ａは、スタッド１００の中心線１０１からの距離Ｄ＝Ｄ２に位置する場合、ポイント３１３および３３３にそれぞれ見出されるように、第１のプレート３０１は最大キャパシタンスを検出し、第２のプレート３０２は、キャパシタンスの実質的変化を検出する。このキャパシタンスの測定値の組み合わせは、所定の遷移比率とほぼ等しいキャパシタンス比率をもたらす。
【０１０３】
センサ３００Ａが所定の遷移比率とほぼ等しいキャパシタンス比率を計算する場合、センサ３００Ａは、センサ３００Ａがスタッド１００のエッジ１０２上の中心に位置することをオペレータに示し得る。さらに、センサ３００Ａは、スタッド１００が位置するのはセンサ３００Ａの中心線３０４のどちら側かを示し得る。
【０１０４】
センサ３００Ａは、図６Ｃに示されるように、スタッド１００上の距離Ｄ＝Ｄ３＝０で中心に位置する場合、両方のプレート３０１および３０２は、ほぼ等しいキャパシタンス測定値を検出する。曲線３１０Ａおよび３２０Ａが交差するポイントにて、これらの曲線の値は等しく、かつ、比率曲線３３０Ａは、１の最大値で最高である。従って、１の比率または１とほぼ等しい値が、スタッド１００の中心線１０１を識別するために用いられ得
る。
【０１０５】
図６Ｅは、本発明による、ダブル幅の隠れたスタッドの距離に関するキャパシタンス測定値曲線３１０Ｂおよび３２０Ｂ、ならびに比率曲線３３０Ｂを図式化する。曲線３１０Ｂおよび３２０Ｂは、センサ３００Ａがダブル幅スタッド上を通過するときのプレート３０１および３０２のそれぞれのキャパシタンスの変化を表す。曲線３３０Ｂは、曲線３１０Ｂおよび３２０Ｂの比率を表す。曲線３３０Ｂのピークは、ダブル幅スタッドの中心線の位置を特定する。ポイント３３５および３３６に示されるように、ダブル幅スタッドのエッジは、比率曲線３３０Ｂが所定の遷移比率と等しい場合に位置特定され得る。
【０１０６】
図６Ｆは、本発明による、本発明による、トリプル幅の隠れたスタッドの距離に関するキャパシタンス測定値曲線３１０Ｃおよび３２０Ｃ、ならびに比率曲線３３０Ｃを図式化する。曲線３１０Ｃおよび３２０Ｃは、センサ３００Ａがトリプル幅スタッドにわたって通過するときのプレート３０１および３０２のキャパシタンスの変化をそれぞれ表す。曲線３３０Ｃは、曲線３１０Ｃと３２０Ｃとの比率を表す。曲線３３０Ｃのピークは、ダプル幅スタッドの中心線の位置を特定する。ポイント３３７および３３８に示されるように、トリプル幅スタッドのエッジは、比率曲線３３０Ｃが所定の遷移比率と等しい場合に位置特定され得る。
【０１０７】
曲線３３０Ａ、３３０Ｂおよび３３０Ｃは、キャパシタンス曲線の比率を示す。比率曲線３３０は、以下のようにコンピュータ計算され得る。第１のプレート３０１が第２のプレート３０２によって生成されたキャパシタンスよりも大きいキャパシタンスを生成する場合、比率は、第２のプレートのキャパシタンス値の変化をより大きい第１のプレートのキャパシタンス値の変化で除算することによって計算される。同様に、第１のプレート３０１は、第２のプレート３０２によって生成されるキャパシタンスよりも小さいキャパシタンスを生成した場合、その比率は、より小さい第１のプレートのキャパシタンス値の変化を第２のプレートのキャパシタンス値の変化で除算することによって計算される。式で表すと、比率曲線３３０は
【０１０８】
【数２】
2008197124.tif 000005
によってコンピュータ計算され得、ここで、プレート値は、較正中に判定された公称または最小値等の較正値からの値の変化であり得る。理論的には、プレート値は、キャパシタンスの変化の測定値ではなく、キャパシタンスの絶対測定値であり得る。実際、プレート値またはキャパシタンス測定値は、センサの回路および壁カバーの寄生キャパシタンスを除外し得る値からの相対的測定値である。いくつかの実施形態において、プレート値は、キャパシタンスの間接的測定である。例えば、プレート値は、プレート３０１または３０２を基準レベルになるように充電するために必要な多数のクロックサイクルの測定値であり得る。
【０１０９】
いくつかの実施形態において、第１のプレート３０１と第２のプレート３０２との間の面積は、サイドプレートおよび／または回路によって占有される。平面において横並びに位置するプレート３０１、３０２のセットは、プレート３０１と３０２との間の非導電性ギャップ領域をもたらす。ギャップは、サイドプレート２１３（図４Ａ）またはさらなる１次プレートの位置を特定するために用いられる（以下で図８〜図１０を参照）。さらに、ギャップは、各プレート３０１および３０２のキャパシタンス値を判定するために用いられる関連した電子回路を配置するために用いられ得る。
【０１１０】
いくつかの実施形態において、第１および第２のプレート３０１、３０２は、各々、典型的なスタッドのほぼ半分の幅であり、中心は、典型的なスタッドのほぼ一方の幅を空けて位置し、これにより、スタッドの他方の半分の幅をプレート３０１と３０２との間のギャップとして残す。
【０１１１】
本発明のいくつかの実施形態において、第１のプレート３０１および第２のプレート３０２は、同様または等しい寸法を有する。いくつかの実施形態において、各プレートは、同じ幅を有する。例えば、プレート３０１および３０２は、各々、１９ｍｍ（３／４インチ）に相当する幅を有し得る。より大きいプレート幅は、有利にも、プレートのキャパシタンスを増加させるが、これは、さらに、物体または不連続部分の中心線およびエッジの特徴の位置を特定する際の確実性を減少させ得る。同様に、プレート３０１および３０２の分離は、さらに、特定の幅を有する物体または不連続部分の位置特定の精度に影響を及ぼし得る。
【０１１２】
いくつかの実施形態において、各プレートは、同じ高さを有する。例えば、プレート３０１および３０２は、各々、５１ｍｍ（２インチ）の高さを有し得る。より長いプレート高さを有するプレートは、有利にも、プレートのキャパシタンスを増加させ、これにより、物体または不連続部分の中心線およびエッジの特徴の位置をより正確に特定する際のセンサの精度を向上させる。しかしながら、プレートの高さは、センサのハウジングの所望の物理サイズによって制限され得る。
【０１１３】
本発明のいくつかの実施形態において、第１のプレート３０１および第２のプレート３０２は、センサ３００に配置され、これにより、これらのプレートの中心から中心の間隔は、典型的な物体または不連続部分の幅に相当する距離である。例えば、シングルのツーバイフォースタッドの幅は、約３８〜４４ｍｍ（１  １／２〜１  ３／４インチ）、（実際のスタッド幅）であり得る。従って、センサは、４４ｍｍ（１  ３／４インチ）のプレート３０２、３０３の中心から中心の間隔を有するように設計され得る。
【０１１４】
本発明のいくつかの実施形態において、第１のプレート３０１および第２のプレート３０２は、各々、５１ｍｍ（２インチ）×１９ｍｍ（３／４インチ）の寸法を有し、１９ｍｍ（３／４インチ）のギャップによって分離され、４４ｍｍ（１  ３／４インチ）の中心から中心の間隔を有するプレート３０１および３０２の対になる。
【０１１５】
図７は、本発明による、レシオメトリック容量型センサ３００Ｂの代替的実施形態の平面図を示す。センサ３００Ｂは、各々がサイドプレート２１３のセットを有する２つの１次プレート３０１および３０２を備える。サイドプレートの対２１３が１次プレート３０１および３０２を鋏むことによって、図４Ａおよび図４Ｂに関してすでに示されたように、キャパシタンス曲線は、より急峻な勾配を有する。結果として生じた比率曲線は、さらに、ほんの少しより急峻な勾配を有し、これにより、スタッド１００の中心線１０１の位置を特定するために、より尖鋭なポイントを提供する。
【０１１６】
図８は、直交するように配向された１次プレート３０１Ｃ−１、３０２Ｃ−１、３０１Ｃ−２および３０２Ｃ−２の２つの対を有する容量型センサ３００Ｃの平面図を示す。プレートの第１の対３０１Ｃ−１および３０２Ｃ−２は、垂直に配向されたスタッドを見つけ出すために用いられ得る。プレートの第２の対３０１Ｃ−２および３０２−２は、水平に配向されたスタッドを見つけ出すために用いられ得る。
【０１１７】
図９は、一連の３つ以上のプレート、例えば、プレートＡ〜Ｇを有する容量型センサ３００Ｄの平面図を示す。プレートが壁に対して配置され、活性化された場合、その一連の
プレートは較正され得る。いくつかのプレートが部分的または完全にスタッド上に配置され得る一方で、他のプレートは、それらのスタッドから離れた実質的に横方向の距離にあり得る。従って、最低のキャパシタンスを示すプレートは、公称キャパシタンス値を規定するために用いられ得る。一連のプレートを壁全体にわたってスライドさせることを必要とし得る較正の後、これらのプレートは、壁の表面の背後の間隙の位置を示すために用いられ得る。公称キャパシタンス値は、さらに、基準として用いられ得る。公称値は、他のプレートがスタッドの近傍に配置されるか、部分的または完全にスタッド上に配置されるかを判定するために用いられ得る。いくつかの実施形態において、センサ３００Ｄは、センサ３００Ｄを壁全体にわたって移動させることなく、壁の背後に配置された１つ以上のスタッドを検出することができ得る。
【０１１８】
一連の３つ以上のプレートは、種々の幅の物体または不連続部分が測定され得るというさらなる有利な点を有する。さらに、一連のプレートＡ〜Ｇは、他の機器と統合され得る。例えば、水平の一連のプレートが基準面（ｌｅｖｅｌ）の裏側に固定され得る。この基準面が壁に対して配置されて、活性化され得る。一連のＬＥＤがスタッド、あるいは、金属パイプおよび電気配線等の他の物体または不連続部分の位置を示すために用いられ得る。
【０１１９】
あるいは、一連のプレートは、コンベヤベルト上等、移動する物体上に配置され得る。プレートＡ〜Ｇは、通過する物体を検出するために用いられ得、かつ、通過する物体の中心線を識別するために用いられ得る。
【０１２０】
図１０は、本発明による、１次プレート１１〜３４のアレイを有する容量型センサ３００Ｅの平面図を示す。プレートのアレイは、２つ以上のカラムおよび２つ以上のロウのプレートを有し得る。各プレート１１〜３４は、容量型測定値を判定するために、個別に別々に充電されるか、または、他のプレートのサブセットと呼応して充電され得る。キャパシタンス測定値の種々の対間の比率は、隠れた構造の特徴を識別するために取得され得る。
【０１２１】
図１１は、本発明による、２つの１次プレート３０１および３０２を有する容量型センサ３００Ｆと、２つの１次プレート３０１と３０２との間のギャップに配置された関連した信号処理回路４００との平面図を示す。各プレート３０１および３０２は、従来、ＰＣボード上のエッチングされた導体等の導体を有する回路４００に電気的に接続され得る。
【０１２２】
図１２は、本発明による、２つの１次プレート３０１および３０２、ならびに関連した回路４００Ａを有するレシオメトリック容量型センサのブロック図を示す。いくつかの実施形態において、センサは、第１のプレート３０１、第２のプレート３０２、ならびに、第１の測定回路４１０Ａ、第２の測定回路４１０Ｂ、比較回路４１４、およびインジケータ４１６を有する電子回路４００Ａを備える。第１および第２のプレート３０１および３０２は、従来、それぞれの第１および第２の測定回路４１０Ａ、４１０Ｂによって充電および放電される。各測定回路４１０Ａ、４１０Ｂは、キャパシタンス測定値を比較回路４１４に提供する。キャパシタンス測定値は、較正中に取得された公称キャパシタンスからのキャパシタンスの変化の表示であり得る。比較回路４１４は、キャパシタンス測定値を処理する。例えば、比較回路４１４は、キャパシタンス測定値間の比率をコンピュータ計算し得る。比較回路４１４は、キャパシタンス測定値が互いに所定の値の範囲内にあるかどうかを判定し得る。比較回路４１４は、その後、信号をインジケータ４１６に提供する。インジケータ４１６は、スタッド等の物体に関する情報についてオペレータに警告するために用いられ得る。
【０１２３】
比較回路４１４（例えば、比較器）は、キャパシタンス測定値を比較および／または処
理して、物体または不連続部分が存在するかどうか、ならびに／あるいは、物体または不連続部分の特徴が検出されたかどうかを判定し得る。例えば、比較回路４１４は、キャパシタンス測定値が互いに等しく、さらに、フロア閾値を越えることを検出することによってセンサ３００がスタッド１００上の中心に位置することを判定し得る。キャパシタンス測定値は、これらが、互いに対する所定のパーセンテージ値または絶対値の範囲内にある場合に等しいと考えられ得る。比較回路４１４は、キャパシタンス測定値が、遷移比率と等しい比率を形成することを検出することによって、センサがスタッド１００のエッジ１０２上の中心に位置すると判定し得る。遷移比率は、固定値、ユーザによって間接的または直接的に選択された値、ルックアップテーブルから抽出された値、あるいは、コンピュータ計算された値であり得る。キャパシタンス比率が遷移比率に関する値の範囲内に入る場合、遷移比率と等しいと考えられ得る。
【０１２４】
いくつかの実施形態において、比較回路４１４は、キャパシタンス測定値をインジケータ４１６に結合する。インジケータ４１６は、各キャパシタンス値を示す値を視覚的（または聴覚的に）表示し得る。オペレータは、表示された値を用いて、例えば、キャパシタンス測定値の変化を捜すことによって物体または不連続部分が存在するかどうかを視覚的に判定し得る。さらに、オペレータは、表示された値を用いて、例えば、遷移比率と等しいキャパシタンス測定値を捜すことによって、スタッド１００のエッジ１０２および中心線１０１の位置を視覚的に判定し得る。
【０１２５】
図１３は、２つの１次プレート３０１および３０２ならびに回路４００Ｂを有する図１１のセンサの別のバージョンを示す。センサは、第１のプレート３０１、第２のプレート３０２、ならびに、第１の測定回路４２０Ａ、第２の測定回路４２０Ｂ、適切にプログラムされたマイクロコンピュータまたはマイクロコントローラ４２４、およびインジケータ４２６を有する電子回路４００Ｂを備える。ここで、マイクロコントローラ４２４は、図１２の比較回路４１４の比較器機能を実行する。
【０１２６】
第１および第２のプレート３０１および３０２は、それぞれ第１および第２の測定回路４２０Ａ、４２０Ｂによって充電および放電される。各測定値４０２Ａ、４０２Ｂは、キャパシタンス測定値をマイクロコントローラ４２４に提供する。さらに、マイクロコントローラ４２４は、タイミング制御信号または他の制御信号を第１および第２の測定回路４２０Ａおよび４２０Ｂに提供し得る。マイクロコントローラ４２４は、キャパシタンス測定値を処理し、かつ、信号をインジケータ４２６に提供し得る。インジケータ４１６は、液晶ディスプレイおよび／またはＬＥＤ等のディスプレイを含み得、かつ、スピーカまたはブザー等のオーディオデバイスを含み得る。
【０１２７】
図１４は、図１３のレシオメトリック容量型センサの回路４００Ｂのブロック図を示す。回路４００Ｂは、第１の測定回路４２０Ａおよび第２の測定回路４２０Ｂを備える。測定回路４２０Ａ、４２０Ｂは、プレート３０１および３０２によって形成される第１および第２のキャパシタの相対変化時間を測定するために用いられ得る。いくつかの実施形態において、回路４００Ｂは、第３のキャパシタンスを形成するために用いられ得、かつ、プレート３０１および３０２の充電時間が比較され得る基準キャパシタＣＲＥＦ５１４Ｃを有する基準回路５００をさらに備える。
【０１２８】
第１の測定回路４２０Ａおよび第２の測定回路４２０Ｂは、同様に構成され得る。測定回路４２０Ａ／Ｂは、それぞれのプレート３０２、３０３（図１４に図示せず）への電気接続５０２Ａ／Ｂを備え得る。それぞれのプレート３０１または３０２は、接続５０２Ａ／Ｂによって、電流源５０８Ａ／Ｂ、放電スイッチ５０４Ａ／Ｂ、および比較器５１０Ａ／Ｂへの第１の入力信号に接続され得る。比較器５１０Ａ／Ｂへの第２の入力信号は、マイクロコントローラ４２４によって独立して設定および変更され得る入力を有するデジタ
ルアナログコンバータ（「ＤＡＣ」）５１２Ａ／Ｂの出力によって提供され得る。
【０１２９】
比較器５１０Ａの出力信号は、第１の遅延フリップフロップ（「Ｄフリップ−フロップ」）５２０Ａへのデータ入力として提供され得る。比較器５１０Ｂの出力信号は、第２のＤフリップフロップ５２０Ｂへのデータ入力として提供され得る。
【０１３０】
基準キャパシタＣＲＥＦ５１４Ｃは、第３の電流源５０８Ｃ、第３の放電スイッチ５０４Ｃおよび第３の比較器５１０Ｃへの第１の入力に接続され得る。第３の比較器５１０Ｃへの第２の電圧入力は、例えば、工場での較正中にプリセットされた電圧源によって提供され得る。第３の比較器５１０Ｃの出力は、第１および第２のＤフリップフロップ５２０Ａ、５２０Ｂへのクロック信号入力として提供され得る。各Ｄフリップフロップ５２０Ａ、５２０ＢのＱ出力は、マイクロコントローラ４２４への入力として提供され得る。
【０１３１】
マイクロコントローラ４２４は、本明細書中に記載されるように、従来、測定回路４２０Ａ、４２０Ｂ、５００の動作を制御するようにプログラムされ得る。例えば、マイクロコントローラ４２４は、放電スイッチ５０４Ａ、５０４Ｂ、５０４Ｃを同時にオンおよびオフする制御ライン５０６上に信号をセットし得る。マイクロコントローラ４２４は、さらに、ＤＡＣ５１２Ａ、５１２Ｂに提供される値をセットし、かつ、各Ｄフリップフロップ５２０Ａ、５２０ＢのＱ出力を処理するために用いられ得る。その結果、マイクロコントローラ４２４は、スタッドおよびジョイスト等の隠れた物体の感知されたエッジおよび／または感知された中心線の位置の表示を出力信号（単数または複数）として提供し得る。表示は、例えば、表示４３０、スピーカ４３２等によって視覚的および／または聴覚的にユーザに提供され得る。さらに、ディスプレイは、隠れた物体の相対方向を示し得る。
【０１３２】
いくつかの実施形態において、レシオメトリックスタッドセンサの較正は、プレート３０１および３０２を有するセンサ３００を壁に配置し、これへの電力をオンにする（従来、バッテリから、図示せず）ことによって実行される。センサは、その後、各プレートを充電および放電して、比較器を基準回路における比較器と同時に作動させる各ＤＡＣの値を判定する。これらのＤＡＣ値は、キャパシティの変化が判定され得る較正基準点になる。
【０１３３】
センサ３００が、スタッド１００に向かっておよびこの上で移動されるにつれて、各ＤＡＣ値は、基準回路５００における比較器の作動と同時に比較器が作動することを維持するために、連続的に更新される。各ＤＡＣ値の較正基準点からの変化は、そのプレートによって感知されたキャパシタンスの変化の測定値である。ＤＡＣ値の変化は、キャパシタンス測定値として用いられ得る。
【０１３４】
２つのキャパシタンス測定値のうちの小さい方を大きい方で除算することによって、更新されたキャパシタンス比率が求められる。キャパシタンス比率が１に等しい場合、スタッドの中心線が判定され得る。特定の遷移比率と等しいキャパシタンス比率が、スタッドエッジに生じる。特定の遷移比率の正確な値はプレート構成に依存する。マイクロコントローラ４２４は、その後、適切なディスプレイ４３０、４３２を起動して、スタッドの所望の特性を示し得る。
【０１３５】
図１５Ａ〜図１５Ｆは、ＤＡＣ電圧を増加させる回路４００Ｂのタイミング図を示す。図１５Ａは、放電スイッチ５０４Ａにわたる制御電圧５０６を表す波形６１０を示す。図１５Ｂは、容量プレート３０２上の電圧を表す波形６２０を示す。図１５Ｃは、比較器５１０Ａの出力を表す波形６３０を示す。図１５Ｄは、基準キャパシタ５１４Ｃ上の電圧を表す波形６４０を示す。図１５Ｅは、基準比較器５１０Ｃの出力を表す波形６５０を示す。図１５Ｆは、フリップフロップ５２０Ａの出力を表す波形６６０を示す。この図のシー
ケンスにおいて、回路４２０Ａの第１の比較器５１０Ａは、基準回路５００の第３の比較器５１０Ｃの曲線６５０における時間Ｔ３で作動する前に、曲線６５０における時間Ｔ２で作動する。
【０１３６】
図１５Ａは、放電スイッチ、すなわち、第１、第２、および第３の放電スイッチ５０２Ａ〜５０２Ｃを同時に開閉するために用いられ得る制御信号５０６のタイミングを曲線６１０に示す。時間Ｔ１にて、制御信号５０６は、放電スイッチ５０２Ａ〜５０２Ｃを開き、これにより、プレート３０１および３０２ならびにキャパシタ５１４Ｃを充電することが可能になる。時間Ｔ４にて、制御信号５０６は、放電スイッチ５０２Ａ〜５０２Ｃを閉じ、これにより、プレート３０１および３０２、ならびに５１４Ｃを放電する。いくつかの実施形態において、制御信号５０６は、マイクロコントローラ４２４によって提供される。
【０１３７】
図１５Ｂは、第１の比較器５１０Ａに供給される入力電圧を表す曲線６２０を示す。第１の入力信号は、第１のプレート３０１からの電圧レベルとして提供される。第２の入力は、第１のＤＡＣ５１２Ａによって供給される定常電圧レベルとして提供される。第１のプレート３０１のキャパシタ電圧は、これが充電および放電すると変化する。
【０１３８】
スイッチ５０４Ａ／Ｂは、制御信号５０６によって閉じられた場合、プレート電圧は、ゼロボルトの値で保持される。スイッチ５０４Ａ、５０４Ｂ、５０４Ｃを開くと、電流源５０８Ａ〜Ｃは、各プレート３０１および３０２、ならびに基準回路５００における基準キャパシタ５１４Ｃを充電する。すべての電流源５０８Ａ〜Ｃが同一であると想定して、各プレート３０１および３０２、ならびに基準キャパシタ５１４Ｃは、そのキャパシティと反比例するレートか、または、より具体的には、ｄＶ／ｄｔ＝Ｉ／Ｃに従うレートで充電される。プレート電圧が、キャパシタ５１０Ａ／Ｂ／Ｃの第２の入力上の電圧と等しい場合、比較器出力は、状態を変更する。基準比較器５１０Ｃが最初に作動した場合、そのＤフリップフロップ５２０Ａ／Ｂ出力は論理ゼロである一方で、プレート比較器５１０Ａ／Ｂが最初に状態を変更した場合、そのＤフップフロップ５２０Ａ／Ｂの出力は、論理１になる。
【０１３９】
時間Ｔ１の前に、キャパシタ電圧は、既知のレベル、すなわちゼロボルトである。時間Ｔ１とＴ４との間にて、キャパシタの充電が可能になる。特定のポイント、すなわち、時間Ｔ２として、キャパシタの増加する電圧レベルは、第１のＤＡＣ５１２Ａによって提供される定常電圧レベルと等しい。この点にて、比較器５１０Ａは、状態を変更し、これにより、第１のＤフリップフロップ５２０ＡのＤ入力に論理１を提供する。
【０１４０】
図１５Ｃは、曲線６３０において、第１のＤフリップフロップ５２０ＡへのＤ入力信号として提供される第１の比較器５１０Ａの出力信号を示す。
【０１４１】
図１５Ｄは、曲線６４０において、第３の比較器５１０Ｃに供給される入力電圧を示す。第１の信号は、基準キャパシタ５１４Ｃにわたる可変の電圧レベルとして提供される。第２の入力は、基準電圧源５０７によって供給された定常電圧レベルとして提供される。基準キャパシタ５１４Ｃにわたる電圧は、これが変化および放電すると変化する。時間Ｔ１の前に、キャパシタ電圧は、既知のレベルで、すなわち、ゼロボルトである。時間Ｔ１とＴ４との間に、基準キャパシタ５１４Ｃの充電が可能になる。特定のポイント、すなわち、時間Ｔ３として、基準キャパシタ５１４Ｃの増加する電圧レベルは、基準電圧源５０７によって提供される定常電圧レベルと等しい。このポイントにて、比較器５１０Ｃは、状態を変更し、これにより、第１のＤフリップフロップ５２０Ａのクロック入力に論理１を提供する。
【０１４２】
図１５Ｅは、曲線６５０において、第１のＤフリップフロップ５２０Ａのクロック入力として提供される第３の比較器５１０Ｃの出力信号を示す。
【０１４３】
図１５Ｆは、曲線６５０において、第１のＤフリップフロップ５２０ＡのＱ出力信号を示す。一旦基準回路５００によって提供されるクロック信号が第１のＤフリップフロップ５２０Ａを作動させると、Ｑ出力信号は、Ｄ入力にて供給されるサンプルおよびホールドの論理値を表す。第１の比較器５１０Ａは、基準回路５００の前で作動されるので、第１のＤＡＣ５１２Ａによって供給される電圧は、過度に低く、かつ、増加し得る。例えば、マイクロコントローラ４２４は、Ｄフリップフロップ５２０Ａによって提供される論理１を検出して、第１のＤＡＣ５１２Ａによって提供された電圧が図１５Ｂに示されるように、次の充電シーケンスの前にいくらかの量だけ増加されるべきであることを判定し得る。
【０１４４】
図１６Ａ〜図１６Ｆは、ＤＡＣ電圧を低下させる回路４００Ｂのタイミング図を示す。この図のシーケンスにおいて、第３の比較器５１０Ｃは、時間Ｔ３を作動させ、これは、第１の比較器５１０Ａが時間Ｔ２にて作動する前に行われる。
【０１４５】
図１６Ａは、曲線７１０において、制御信号５０６のタイミングを示し、これは、放電スイッチ、すなわち、第１、第２、および第３の放電スイッチ５０２Ａ〜Ｃを同時に開閉するために用いられ得る。時間Ｔ１にて、制御信号５０６は、放電スイッチ５０２Ａ〜Ｃを開き、これにより、キャパシタの充電が可能になる。
【０１４６】
図１６Ｂは、曲線７２０において、第１の比較器５１０Ａに供給される入力電圧を示す。特定のポイント、すなわち、時間Ｔ２として、プレート３０１によって形成されるキャパシタの増加する電圧レベルが、第１のＤＡＣ５１２Ａによって提供される定常電圧レベルと等しい。このポイントにて、比較器５１０Ａは、論理ゼロから論理１へと状態を変更する。
【０１４７】
図１６Ｃは、曲線７３０において、第１の比較器５１０Ａの出力を示し、これは、第１のＤフリップフロップ５２０ＡのＤ入力として提供される。
【０１４８】
図１６Ｄは、曲線７４０において、第３の比較器５１０Ｃに供給される入力電圧を示す。時間Ｔ１とＴ４との間に、基準キャパシタ５１４Ｃの充電が可能になる。特定のポイント、すなわち、時間Ｔ３として、基準キャパシタ５１４Ｃの増加する電圧レベルは、基準電圧源５０７によって提供される定常電圧レベルと等しい。このポイントにて、キャパシタ５１０Ｃは、状態を変更し、これにより、第１のＤフリップフロップ５２０Ａのクロック入力に論理１を提供する。
【０１４９】
図１６Ｅは、曲線７５０において、第３の比較器５１０Ｃの出力を示し、これは、第１のＤフリップフロップ５２０Ａのクロック入力として提供される。
【０１５０】
図１６Ａ〜図１６Ｆに示されるような場合に、基準回路５００は、時間Ｔ３にて作動させられ、これは、第１の回路４２０Ａが時間Ｔ２にて作動される前に行われる。従って、クロック信号は、第１の比較器５１０Ａの出力がＤフリップフロップ５２０ＡのＤ入力に提供される前に、Ｄフリップフロップ５２０Ａを作動させる。図１５Ｆの曲線７６０に示されるように、このタイミングにより、Ｑ出力信号が、論理ゼロの状態に留まる。
【０１５１】
第１の比較器５１０Ａは、基準回路５００の後に作動させられるので、第１のＤＡＣ５１２Ａによって供給される電圧は、過度に高くなり得、かつ、低下し得る。例えば、マイクロコントローラ４２４は、Ｄフリップフロップ５２０Ａによって提供された論理ゼロを検出して、図１６Ｂに示されるように、第１のＤＡＣ５１２Ａによって提供された電圧が
、次の充電シーケンスの前にいくらかの量だけ低減されるべきであることを判定し得る。
【０１５２】
最終的に、ＤＡＣ電圧は、第１の回路４２０Ａを基準回路５００とほぼ同じ時間に作動させる値になるように増減される。初期化中に、回路４２０Ａ、５００を同じ時間に作動させるＤＡＣ値が、第１のプレート３０１の初期キャパシタンスを表す所定のＤＡＣ値として用いられ得る。所定のＤＡＣ値は、スタッドがない壁のキャパシタンスを表し得る。初期化の後、あるＤＡＣ値が回路４２０Ａ、５００を同じ時間に作動させる。
【０１５３】
第２のプレート３０２は、充電および放電され得、第２のＤＡＣ値は、上述の第１の回路４２０Ａに関して用いられるプロセスと等価の態様で判定され得る。第１および第２の回路４２０Ａ、４２０Ｂは、独立したキャパシタンス測定値を生成するために、同じ制御信号によって動作し得る。
【０１５４】
動作中、放電スイッチ５０４Ａ〜Ｃが開かれるごとに、Ｄフリップフロップ５０２Ａ、５０２Ｂからの出力は、最終的に更新される。マイクロプロセッサ４２４は、この情報を用いて、対応するＤＡＣ５１２Ａ／Ｂへの入力を増減させ得、これは、次に、プレート比較器５１０Ａ／Ｂを作動させるために要する時間を増減させる。センサは、各プレートの作動時間を基準チャネルの作動時間と等しい状態で維持する閉ループフィードバックシステムとして動作し得る。ＤＡＣ５１２Ａ／Ｂの最終的値は、プレートキャパシタンスおよびプレートキャパシタンスにおける変化と直接関連し得る。
【０１５５】
２つの独立したキャパシタンス測定値は、第１および第２のＤＡＣ値のこれらの較正値からの変化の形態であり得る。感知された第１のＤＡＣ値は、感知された第２のＤＡＣ値と共に用いられて、スタッド１００の中心線１０１およびエッジ１０２等の物体または不連続部分の存在および特徴を判定し得る。
【０１５６】
図１７〜図１９は、例えば、マイクロコントローラ４２４または比較回路４１４によって実行され得るような、スタッド１００等の物体または不連続部分の中心線１０１およびエッジ１０２を検出するプロセスを示す。提供されたステップの順序は、当業者によって再構成され得る。
【０１５７】
図１７は、プロセッサ４２４によって実行されるプログラムによって実行されるような、本発明のいくつかの実施形態による、センサ３００を処理する上位のフローを示す。ステップ７００にて、センサ３００は、パワーアップし、かつ、表面９９に対して配置されることが想定される。センサ３００は、較正ステップ７１０を実行し、寄生回路および壁キャパシタンスの影響を低減する。較正ステップは、壁構造の絶対キャパシタンスを表し、かつ、センサ３００の寄生キャパシタンスを含むＤＡＣ値等の基準値を判定する。
【０１５８】
ステップ７２０にて、センサ３００は、プレートキャパシタンスを測定するプロセス、例えば、較正値から相対キャパシタンス値の形態でキャパシタンス測定値を判定するプロセスを開始する。ステップ７３０にて、センサ３００は、ステップ７２０からのプレートキャパシタンス測定値間のキャパシタンス比率をコンピュータ計算する。
【０１５９】
ステップ７４０にて、センサ３００は、ステップ７２０のキャパシタンス測定値が、物体または不連続部分の中心線１０１が検出されたことを示すかどうかを判定する。すなわち、キャパシタンス比率が、１とほぼ等しいか、あるいは、キャパシタンス測定値が、互いにほぼ等しいかである。等しい場合、ステップ７５０にて、センサ３００は、物体または不連続部分の中心線１０１が検出されたという視覚的および／または聴覚的表示を提供し得る。等しくない場合、プロセスは続き得る。
【０１６０】
ステップ７６０にて、センサ３００は、ステップ７２０のキャパシタンス測定値が物体または不連続部分のエッジが検出されたことを示すかどうかを判定する。エッジは、キャパシタンス比率が、遷移比率とほぼ等しい場合に検出される。等しい場合、ステップ７７０にて、センサ３００が、物体または不連続部分のエッジが検出されたことの視覚的および／または聴覚的表示を提供する。等しくない場合、センサ３００は、ステップ７２０のプロセスを繰返す。
【０１６１】
さらに、センサ３００は、測定されたプレートキャパシタンスの相対的な大きさに基づいて、物体または不連続部分が存在する相対方向を判定する。例えば、センサ３００は、スタッドがセンサ３００の中心線３０４の左側に位置することを示す。センサ３００は、物体または不連続部分の方向を聴覚的および／または視覚的に示す。
【０１６２】
図１８は、本発明のいくつかの実施形態による、センサ較正プロセス（図１７のステップ７１０）を示す。ステップ８００にて、較正が開始する。ステップ８１０にて、センサおよび表面は、互いに近位に配置される。例えば、センサ３００は壁に対して配置されるか、あるいは、物体は、センサ３００の横に並んで配置される。ステップ８２０にて、センサが使用可能になる。例えば、回路は、オペレータによって制御されるスイッチによって電力供給される。
【０１６３】
ステップ８３０にて、基準測定値が取得される。いくつかの実施形態において、基準測定値は、例えば、プレート３０１または３０２等のプレートごとに作成される。いくつかの実施形態において、ＤＡＣ値は、測定回路を、基準キャパシタを有する基準回路と同じ時間に作動させるＤＡＣ値が判定される。例えば、図１４を参照して、ＤＡＣ値５１２Ａおよび５１２Ｂが、プレート３０１および３０２ごとに１つ判定され、これにより、比較器５１０Ａ、５１０Ｂおよび５１０Ｃが同時に作動する。各プレート３０１および３０２の公称キャパシタンス値は、ＤＡＣ値５１２Ａおよび５１２Ｂそれぞれによって表され得る。
【０１６４】
一旦較正値がステップ８４０に格納されると、ステップ８５０によって示されるように較正が終了する。
【０１６５】
図１９は、本発明のいくつかの実施形態によるさらなるセンサ処理を示す。プロセスは、ステップ９００で較正された後に開始する。ステップ９１０において、プレートキャパシタンス測定値が作成され得る。例えば、キャパシタンスの公称キャパシタンスからの変化は、例えば、較正中に判定されたように、測定され得る。ステップ９２０において、測定値のどちらかおよび／または両方が所定のフロア閾値を越えるかどうかに関して判定が下される。越えない場合、プロセスは、ステップ９１０で再び開始する。
【０１６６】
キャパシタンス測定値が所定のフロア閾値を越えた場合、キャパシタ比率は、ステップ９３０に示されるように、キャパシタンス値のより小さい値とより大きい値との間の比としてコンピュータ計算される。次に、ステップ９４０に示されるように、スタッドの中心線が検出されたかどうかに関して判定される。キャパシタンス値が等しいか、または所定のオフセット範囲内で等しい場合、センサ３００の中心線３０４は、スタッド１００の中心線１０１の上にある。ステップ９５０に示されるように、中心線が見つけ出されたことを示すユーザへの通知が行われる。
【０１６７】
ステップ９６０に示されるように、キャパシタンス値が等しくない場合、遷移比率は、コンピュータ計算される。
【０１６８】
ステップ９７０にて、遷移比率は、キャパシタンス比率と比較される。遷移比率がキャ
パシタンス比率と等しいか、または、所定のオフセット範囲内である場合、エッジが検出される。ステップ９８０に示されるように、エッジが検出された場合、エッジの検出が通知され、および／または、エッジの方向が通知され得る。どちらの場合も、ステップ９１０にて、プロセスは、新しいキャパシタンス値で繰返す。
【０１６９】
本発明による、レシオメトリック容量型センサ３００は、スタッドおよびジョイストに加えて、種々の隠れた物体を検出するために用いられ得る。例えば、長いおよび狭いプレートを有するセンサは、表面の背後に隠れた亀裂またはギャップを見つけ出すために用いられ得る。センサ３００は、壁の背後に隠れた金庫（ｓａｆｅ）を見つけ出すために用いられ得る。センサ３００は、シートロックの背後に隠れたレンガ壁を見つけ出すために用いられ得る。さらにセンサ３００は、隠れた特徴を有する物体がそのプレートを横断することを可能にするように静止し、かつ、配置され得る。
【０１７０】
以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
（要約）
本発明は、複数の容量型感知素子からのキャパシタンス測定値の比率を用いるスタッドまたはジョイストセンサデバイスおよび関連する感知方法に関する。センサは、表面の背後のスタッド、床板の下のジョイスト、シートロックの背後のギャップ、表面の背後の金属導体等のエッジおよび／または中心の表面または壁の背後の物体または不連続部分の特徴の位置を特定する。センサは、表面全体にわたって移動され得、これにより、キャパシタンスの変化を検出する。スタッド等の隠れた物体の上を通過することによって引き起こされる実効誘電率に基づいてキャパシタンスが変化する。２つの容量型感知素子が等価のキャパシタンス測定値を提供した場合、センサは、スタッドの中心線上にある。キャパシタンス測定値の比率が遷移比率と等しい場合、センサはスタッドのエッジ上にある。
【図面の簡単な説明】
【０１７１】
【図１】図１は、Ａ、Ｂ、Ｃにて、隠れたスタッドから離れた横方向距離で壁に対して配置された従来技術の単一のプレート容量型センサの平面図ならびにセンサおよび壁によって生成されたキャパシタンスを示す。
【図２】図２は、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにて、本発明により検出可能な異なった幅および厚さの隠れたスタッドと壁カバーとの組み合わせを示す。
【図３】図３は、種々の壁構造の距離に対するキャパシタンス測定値を示す。
【図４】図４は、Ａにて、隠れたスタッドから離れた横方向距離で配置された一次プレートおよび２つのサイドプレートを有する第２の従来技術の容量型センサの平面図を示し、Ｂにて、センサと隠れたスタッドとの間の横方向距離に対する一次プレートおよび２次（サイド）プレートのキャパシタンス測定値のグラフを示す。
【図５Ａ】図５Ａは、隠れたスタッド等の物体から離れた横方向距離で配置された、本発明による、２つの１次プレートを有するレシオメトリック容量型センサの平面図、およびこれによって生成されたキャパシタンスを示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、隠れたスタッド等の物体から離れた横方向距離で配置された、本発明による、２つの１次プレートを有するレシオメトリック容量型センサの平面図、およびこれによって生成されたキャパシタンスを示す。
【図５Ｃ】図５Ｃは、隠れたスタッド等の物体から離れた横方向距離で配置された、本発明による、２つの１次プレートを有するレシオメトリック容量型センサの平面図、およびこれによって生成されたキャパシタンスを示す。
【図５Ｄ】図５Ｄは、隠れたスタッド等の物体から離れた横方向距離で配置された、本発明による、２つの１次プレートを有するレシオメトリック容量型センサの平面図、およびこれによって生成されたキャパシタンスを示す。
【図５Ｅ】図５Ｅは、本発明による、センサと、隠れたスタッド等の物体との間の横方向距離に対する２つの１次プレートのキャパシタンス測定値の比率のグラフを示す。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明による、隠れたスタッドから離れた横方向距離で配置されたレシオメトリック容量型センサの平面図を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明による、隠れたスタッドのエッジの中心に位置するレシオメトリック容量型センサの平面図を示す。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明による、隠れたスタッドの中心線上の中心に位置するレシオメトリック容量型センサの平面図を示す。
【図６Ｄ】図６Ｄは、本発明による、シングル、ダブル、およびトリプル幅をそれぞれ有する隠れたスタッドの距離に対する正規化されたキャパシタンス測定値および比率のグラフを示す。
【図６Ｅ】図６Ｅは、本発明による、シングル、ダブル、およびトリプル幅をそれぞれ有する隠れたスタッドの距離に対する正規化されたキャパシタンス測定値および比率のグラフを示す。
【図６Ｆ】図６Ｆは、本発明による、シングル、ダブル、およびトリプル幅をそれぞれ有する隠れたスタッドの距離に対する正規化されたキャパシタンス測定値および比率のグラフを示す。
【図７】図７は、本発明による、２つの１次プレートとサイドプレートとを有するレシオメトリック容量型センサの平面図を示す。
【図８】図８は、本発明による、２つの対の直交して配向された１次プレートを有する容量型センサの平面図を示す。
【図９】図９は、本発明による、一連の３つ以上のプレートを有する容量型センサの平面図を示す。
【図１０】図１０は、プレートの格子を有する容量型センサの平面図を示す。
【図１１】図１１は、本発明による、２つの１次プレートを有するレシオメトリック容量型センサと、２つの１次プレート間に配置された回路との平面図を示す。
【図１２】図１２は、本発明による、２つの１次プレートと回路とを有するレシオメトリック容量型センサのブロック図を示す。
【図１３】図１３は、本発明による、２つの１次プレートと回路とを有する別のレシオメトリック容量型センサのブロック図を示す。
【図１４】図１４は、本発明による、レシオメトリック回路のブロック図を示す。
【図１５】図１５は、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆにて、本発明による、ＤＡＣ電圧を増加させる回路のタイミング図を示す。
【図１６】図１６は、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆにて、本発明による、ＤＡＣ電圧を減少させる回路のタイミング図を示す。
【図１７】図１７は、本発明による、スタッド等の物体の中心線およびエッジを検出するプロセスを示す。
【図１８】図１８は、本発明による、スタッド等の物体の中心線およびエッジを検出するプロセスを示す。
【図１９】図１９は、本発明による、スタッド等の物体の中心線およびエッジを検出するプロセスを示す。
【符号の説明】
【０１７２】
９９      壁
１００    スタッド
１０１    スタッドの中心線
１０２    スタッドのエッジ
２００    容量型センサ
２０２    プレート
２０２Ａ  １次プレート
２０４    中心から中心の距離Ｄ
２１０    キャパシタンス曲線
２１１    センサの中心
２１３    サイドプレート
３０１    第１のプレート
３０１Ｂ  第１のプレート
３０２    第２のプレート
３０２Ｂ  第２のプレート
３０３Ｂ  サイドプレート
３０４    センサの中心
４００    回路
４１０Ａ  第１の測定回路
４１０Ｂ  第２の測定回路
４１４    比較回路
４１６    インジケータ
４２０Ａ  第１の測定回路
４２０Ｂ  第２の測定回路
４２４    マイクロコントローラ
４２６    インジケータ
４３０    ディスプレイ
４３２    スピーカ
５０４Ａ  第１の放電スイッチ
５０６    制御
５０７    基準電圧
５０８Ａ  第１の電流源
５１０Ａ  第１の比較器
５１２Ａ  第１のＤＡＣ
５２０Ａ  第１のＤフリップフロップ
５２０Ｂ  第２のＤフリップフロップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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