CN110121665B - 金属异物检测装置、无线供电、受电装置、电力传输系统 - Google Patents

金属异物检测装置、无线供电、受电装置、电力传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种金属异物检测装置，关于使用天线线圈进行的金属异物的检测，抑制供电中的检测精度的降低。金属异物检测装置(14)以如下方式构成，具备：天线线圈(L3)；与天线线圈(L3)一起形成谐振电路(RC)的电容器(C3)；通过对谐振电路(RC)施加电压，使谐振电路(RC)产生振动信号Vb的电源(148b)；基于振动信号(Vb)的波形判定金属异物的有无的判定电路(145)；插入谐振电路(RC)内的谐振电容器开关(149)；控制谐振电容器开关(149)的开闭状态的控制电路(147)，控制电路(147)被构成为，对应于开始由电源(148b)进行的电压向谐振电路RC的施加，将谐振电容器开关(149)设为闭状态。

Description

金属异物检测装置、无线供电、受电装置、电力传输系统
技术领域
本发明涉及金属异物检测装置、无线供电装置、无线受电装置、及无线电力传输系统。
背景技术
近年来，积极进行着通过无线供给电力的无线供电的研究。作为这种无线供电的具体的方式，具有各种方式，但作为其之一，已知有利用磁场的方式。利用该磁场的方式更仔细地区分时，分成电磁感应方式和磁场谐振方式两种。
电磁感应方式是已经广泛已知的方式，具有如下特征：供给电力的供电装置与受电电力的受电装置的耦合度非常高，以高效率可进行供电，另一方面，供电装置与受电装置的距离不近时不能供电。与之相对，磁场谐振方式是积极地利用谐振(谐振)现象的方式，具有如下特征：供电装置与受电装置的耦合度也可以较低，即使供电装置和受电装置离开某个程度也能够供电。
电磁感应方式和磁场谐振方式均是利用磁力进行供电的方式。因此，在任意方式中，供电装置均具有用于利用磁场供给电力的线圈即供电线圈，受电装置具有用于利用磁场受电电力的线圈即受电线圈。而且，通过供电线圈与受电线圈进行磁耦合，进行从供电装置向受电装置的供电。
但是，当金属异物进入磁耦合的供电线圈与受电线圈之间时，由于通过磁通向金属异物流通涡电流而进行发热等，供电效率降低。因此，需要检测混入供电装置与受电装置之间的金属异物。
作为检测金属异物的具体的方法，已知有使用检测用的天线线圈的检测线圈方式。例如专利文献1中公开有一种装置，对天线线圈施加脉冲，基于根据其响应波形(衰减振动波形)的振幅值和时间信息求得的Q值的变化，而检测金属异物。
另外，专利文献2中公开有一种非接触送电装置，在不向送电线圈供给电力时，执行使用天线线圈的金属检测，另一方面，在向送电线圈供给电力时，停止天线线圈的金属检测，并利用温度传感器监视温度，由此，进行异物的检测。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-132133号公报
专利文献1：日本特开2015-204707号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，专利文献1所公开的技术中，存在金属异物的检测精度在供电中降低的问题。即，在供电中，有时在天线线圈产生从供电线圈产生的磁通能量或供电侧的开关噪声引起的谐振，但若对天线线圈施加异物检测用的脉冲时产生该谐振，则脉冲的响应波形不仅由于金属异物的有无而变化，而且还由于该谐振而变化。因此，由于响应波形的变化而难以正确地检测金属异物。
根据专利文献2所公开的技术，在供电中，不利用天线线圈而利用温度传感器进行异物的检测，因此，这种问题最初不会产生。但是，需要温度传感器，因此，当专利文献2中采用公开的技术时，产生装置的大型化、高成本化的其它问题。
另外，如果在进行金属有无的判定时停止供电，则可一次解决所述问题。但是，由于必须周期性地停止供电，因此，产生充电时间的长期化的新的问题。
本发明是鉴于所述问题而研发的，其目的在于，关于使用天线线圈进行的金属异物的检测，抑制供电中的检测精度的降低。
用于解决课题的方案
本发明提供一种金属异物检测装置，其特征在于，构成为具备：天线线圈；电容器，其与所述天线线圈一起形成谐振电路；驱动部，其通过对所述谐振电路施加电压，使所述谐振电路产生振动信号；判定部，其基于所述振动信号的波形判定金属异物的有无；第一开关，其插入所述谐振电路内；控制部，其控制所述第一开关的开闭状态，所述控制部根据开始由所述驱动部进行的电压向所述谐振电路的施加，将所述第一开关设为闭状态。
根据本发明，在直到开始由驱动部进行的电压的施加的期间，未构成谐振电路，因此，防止从供电线圈产生的磁通能量或供电侧的开关噪声引起的谐振的产生。因此，关于使用天线线圈进行的金属异物的检测，可抑制供电中的检测精度的降低。由此，不需要如专利文献2那样使用温度传感器，因此，能够避免装置的大型化、高成本化，也不需要周期性地停止供电，因此，也能够避免充电时间的长期化。
所述金属异物检测装置中，所述控制部也可以以如下方式构成，在由所述驱动部进行的向所述谐振电路的电压的施加的结束的同时，将所述第一开关设为闭状态。据此，在利用驱动部对谐振电路施加电压的期间，也可防止由于从供电线圈产生的磁通能量或供电侧的开关噪声而在谐振电路产生谐振。因此，可进一步抑制供电中的检测精度的降低。
所述各金属异物检测装置中，也可以以如下方式构成，还具备第二开关，该第二开关插入所述驱动部与所述谐振电路之间，所述控制部具有：开关驱动信号生成电路，其生成用于控制所述第一开关的开闭状态的开关驱动信号；脉冲施加信号生成电路，其生成用于控制所述第二开关的开闭状态的脉冲施加信号，所述开关驱动信号生成电路被构成为，对应于所述脉冲施加信号成为了无效，将所述开关驱动信号设为有效，并且启动计时器，在计时器值达到预定值的情况下将所述开关驱动信号设为无效。据此，控制部可在由驱动部进行的向所述谐振电路的电压的施加的结束(即，脉冲施加信号成为了无效)的同时，将第一开关设为闭状态(即，将开关驱动信号设为有效)。
所述各金属异物检测装置中，也可以以如下方式构成，还具备第二开关，该第二开关插入所述驱动部与所述谐振电路之间，所述控制部具有：开关驱动信号生成电路，其生成用于控制所述第一开关的开闭状态的开关驱动信号；脉冲施加信号生成电路，其生成用于控制所述第二开关的开闭状态的脉冲施加信号；延迟电路，其接收所述脉冲施加信号的输入，所述延迟电路对应于所述脉冲施加信号成为了有效，将该延迟电路的输出信号设为有效，并且启动计时器，在计时器值达到预定值的情况下将所述输出信号设为无效，所述开关驱动信号生成电路被构成为，对应于所述输出信号成为了无效，将所述开关驱动信号设为有效，并且启动计时器，在计时器值达到预定值的情况下将所述开关驱动信号设为无效。据此，控制部可将脉冲施加信号的无效时刻和开关驱动信号的有效时刻错开。
所述各金属异物检测装置中，所述驱动部也可以用作构成所述控制部的一部分的电路的驱动电源。据此，能够实现零件数量减少及低成本化。
所述各金属异物检测装置中，也可以还具备第二开关，该第二开关插入所述驱动部与所述谐振电路之间，所述控制部具有：开关驱动信号生成电路，其生成用于控制所述第一开关的开闭状态的开关驱动信号；脉冲施加信号生成电路，其生成用于控制所述第二开关的开闭状态的脉冲施加信号，所述开关驱动信号生成电路及所述脉冲施加信号生成电路的驱动电源共用。由此，也能够实现零件数量减少及低成本化。
本发明提供一种无线供电装置，从供电线圈向受电线圈无线地进行电力传输，其特征在于，具备所述供电线圈和所述各金属异物检测装置的任一项。根据本发明，能够得到具备关于使用天线线圈进行的金属异物的检测，能够抑制供电中的检测精度的降低的金属异物检测装置的无线供电装置。
本发明提供一种无线受电装置，从供电线圈向受电线圈无线地进行电力传输，其特征在于，具备所述受电线圈和所述各金属异物检测装置的任一项。根据本发明，能够得到具备关于使用天线线圈进行的金属异物的检测，能够抑制供电中的检测精度的降低的金属异物检测装置的无线受电装置。
本发明提供一种无线电力传输系统，从供电线圈向受电线圈无线地进行电力传输，其特征在于，具备具有所述供电线圈的无线供电装置和具有所述受电线圈的无线受电装置，所述无线供电装置及所述无线受电装置的至少一方具备所述各金属异物检测装置的任一项。根据本发明，能够得到在无线供电装置及无线受电装置的至少一方具备关于使用天线线圈进行的金属异物的检测能够抑制供电中的检测精度的降低的金属异物检测装置的无线电力传输系统。
发明效果
根据本发明，关于使用天线线圈进行的金属异物的检测，可抑制供电中的检测精度的降低。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的无线电力传输系统1的概略结构和连接于该无线电力传输系统1的负载2的图；
图2是表示图1所示的无线供电装置10及无线受电装置20各自内部电路结构的图；
图3(a)是表示图2所示的供电线圈L1与天线线圈L3的位置关系的平面图，(b)是与(a)的A-A线对应的供电线圈L1及天线线圈L3的剖面图；
图4是表示图2所示的金属异物检测装置14的功能块的大致方框图；
图5是将图4所示的金属异物检测装置14的结构的一部分(振动信号Vb的生成的电路部分)拔出并表示的图；
图6是表示图4所示的控制电路147的功能块中、脉冲施加信号PA及开关驱动信号SD的生成的部分的大致方框图；
图7是表示图6所示的脉冲施加时间计数用计时器T1及开关驱动时间计数用计时器T2的内部结构的图；
图8是图4及图5所示的各信号(振动信号Vb，线圈选择信号CS，脉冲施加信号PA、及开关驱动信号SD)的波形图；
图9是图4所示的各信号等(振动信号Vc，信号Vd，积分值IV，二值信号CK)的波形图；
图10是表示本发明实施方式的第一变形例的控制电路147的功能块的大致方框图；
图11是本发明实施方式的第一变形例的振动信号Vb、线圈选择信号CS、脉冲施加信号PA、修正脉冲施加信号PAd、及开关驱动信号SD的波形图；
图12是表示本发明实施方式的第二变形例的金属异物检测装置14的结构的一部分(振动信号Vb的生成的电路部分)的图；
图13(a)是表示脉冲施加时间计数用计时器T1及开关驱动时间计数用计时器T2的电源结构的第一例的图，(b)是表示脉冲施加时间计数用计时器T1及开关驱动时间计数用计时器T2的电源结构的第二例的图；
图14是本发明的背景技术的振动信号Vb、线圈选择信号CS、及脉冲施加信号PA的波形图。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。此外，不是通过以下说明的内容限定本发明。另外，以下所记载的构成要素中包含本领域技术人员能够容易假定的要素、实际上相同的要素。另外，说明中对相同要素或具有相同功能的要素使用相同符号，并省略重复的说明。
图1是表示本发明的实施方式的无线电力传输系统1的概略结构和连接于该无线电力传输系统1的负载2的图。如同图所示，无线电力传输系统1构成为具有无线供电装置10和无线受电装置20。负载2连接于无线受电装置20。
无线电力传输系统1是例如利用二次电池的电力的电动汽车(EV：ElectricVehicle)及混合动力汽车(HV：Hybrid Vehicle)等的用于向移动体的供电用的系统。在该情况下，无线供电装置10搭载于在地上配设的供电设备内，无线受电装置20搭载于车辆。以下，设为无线电力传输系统1是向电动汽车的供电用的系统继续说明。
图2是表示无线供电装置10及无线受电装置20各自内部电路结构的图。以下，不仅参照图1，还适宜参照该图2，同时首先说明无线电力传输系统1的结构的概略，然后，对本发明中特征性的结构进行详细地说明。
如图1及图2所示，无线供电装置10构成为具有：直流电源11、电力转换器12、供电线圈部13、金属异物检测装置14、及噪声检测部15。此外，本实施方式中，设为在无线供电装置10内设置金属异物检测装置14进行说明，但也可以在无线受电装置20内设置金属异物检测装置14。
直流电源11发挥向电力转换器12供给直流电力的作用。直流电源11的具体的种类如果能够供给直流电力，则没有特别限定。例如，可将对商用交流电源进行了整流·平滑的直流电源、二次电池、太阳光发电的直流电源或开关变换器等的开关电源适当用作直流电源11。
电力转换器12是将从直流电源11供给的直流电力转换成交流电力，由此，向供电线圈部13供给图2所示的交流电流I1的逆变器。具体而言，如图2所示，构成为具有多个开关元件SW1～SW4桥接而成的开关电路(全桥电路)和开关驱动部120。此外，在此表示将电力转换器12内的开关电路通过全桥电路构成的例子，但也可使用其它种类的开关电路。
开关元件SW1～SW4以如下方式构成，根据从开关驱动部120向各个栅极供给的控制信号SG1～SG4，相互独立地进行接通切断动作。作为开关元件SW1～SW4的具体的种类，适当使用MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)或IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)。
开关驱动部120是以由开关元件SW1～SW4构成的开关电路的输出电压成为预定频率的交流电压的方式，进行控制信号SG1～SG4的生成的信号生成部。因此，向后述的供电线圈L1供给该预定频率的交流电压。以下，将该预定频率称为电力传输频率fp。电力传输频率fp的具体的值设定成例如20〔kHz〕～200〔kHz〕。
如图2所示，供电线圈部13是由串联地连接的供电侧电容器C1及供电线圈L1构成的谐振电路(供电侧谐振电路)，发挥基于从电力转换器12供给的交流电压生成交变磁场的作用。构成供电线圈部13的供电侧谐振电路的谐振频率设定成与上述的电力传输频率fp相同或与其接近的频率。此外，供电侧电容器C1也可以与供电线圈L1并联地连接。
供电线圈L1是通过将例如绞合2千根左右的
Figure GDA0003417310030000071
的绝缘的铜线的绞合线以数匝～数十匝左右卷绕成平面状而形成的螺旋结构的线圈，例如配置于地下或地面附近。当从电力转换器12向供电线圈L1供给交流电压时，向供电线圈L1流通图2所示的交流电流I1，由此，产生交变磁场。该交变磁场通过供电线圈L1与后述的受电线圈L2之间的互感M12在受电线圈L2内产生电动势，由此，实现电力的传输。
金属异物检测装置14是具有检测接近供电线圈L1的金属异物的有无的功能的装置，如图2所示，构成为具有包含多个天线线圈L3的线圈阵列CA和连接于各天线线圈L3的检测部140。各天线线圈L3的一端连接于检测部140，另一端进行接地。图2中虽未表示，但各天线线圈L3与设置于检测部140内的电容器C3(参照图4)一起构成谐振电路RC(参照图4)。
设置金属异物检测装置14的目的在于，检测处于供电线圈L1与受电线圈L2之间的金属异物。因此，如图1所示，金属异物检测装置14的至少一部分(更具体而言各天线线圈L3)配置于供电线圈L1的与受电线圈L2的对置面上即供电线圈L1与受电线圈L2之间。此外，金属异物检测装置14和供电线圈L1也可以作为一体的单元进行构成，也可以作为分开的单元进行构成。
图3(a)是表示供电线圈L1与天线线圈L3的位置关系的平面图，图3(b)是与图3(a)的A-A线对应的供电线圈L1及天线线圈L3的剖面图。如这些图所示，以平面看，多个天线线圈L3在相当于供电线圈L1的内侧的区域内排列配置成矩阵状。这种天线线圈L3的配置通过将在表面形成有导电性的线圈图案的印刷基板(未图示)设置于供电线圈L1上而能够实现。
返回图2，噪声检测部15构成为可检测比电力传输频率fp高的频率的噪声。噪声检测部15的具体的结构没有特别限定，但优选利用例如检测流通于供电线圈L1的电流波形的电流检测电路、从该输出信号仅取出高频数成分的高通滤波器、在高通滤波器的输出信号的振幅超过预定值的情况即高频成分的产生期间发出同步信号的同步信号生成部，构成噪声检测部15。也可以代替电流检测电路，而使用电阻分压电路等的电压检测电路。另外，优选高通滤波器的截止频率设定成比电力传输频率fp高的频率。另外，通过在供电线圈L1与受电线圈L2之间配置霍尔元件或磁阻效应元件等的磁传感器，也可构成噪声检测部15。
接着，如图1及图2所示，无线受电装置20构成为具有受电线圈部21和整流器22。
如图2所示，受电线圈部21构成为具有由串联地连接的受电侧电容器C2和受电线圈L2构成的谐振电路(受电侧谐振电路)，发挥作为将从供电线圈L1传输的交流电力通过无线进行受电的受电部的作用。构成受电线圈部21的受电侧谐振电路的谐振频率也设定成与上述的电力传输频率fp相同或与其接近的频率。此外，受电侧电容器C2也可以与受电线圈L2并联地连接。
与供电线圈L1一样，受电线圈L2是通过将例如绞合2千根左右的
Figure GDA0003417310030000091
的绝缘的铜线的绞合线以数匝～数十匝左右卷绕成平面状而形成的螺旋结构的线圈。另一方面，受电线圈L2的设置位置与供电线圈L1不同，例如成为电动汽车的车辆下部。当由供电线圈L1生成的磁通与受电线圈L2交链时，电磁感应作用的电动势产生于受电线圈L2，而流通图2所示的交流电流I2。该交流电流I2通过整流器22转换成直流电流之后，供给至负载2。由此，实现对负载2供给直流电力。
整流器22是具有通过将从受电线圈部21输出的交流电流整流成直流电流，而对负载2供给直流电力的功能的电路。具体而言，如图2所示，利用4个二极管D1～D4桥接而成的桥电路、和与该桥电路并联地连接的平滑用电容器C0构成。
负载2包含未图示的充电器及电池而构成。其中，充电器是具有基于从整流器22输出的直流电力对电池进行充电的功能的电路。该充电通过例如定电压定电流充电(CVCC充电)执行。电池的具体的种类如果具有储存电力的功能则没有特别限定。例如，可将二次电池(锂离子电池，锂聚合物电池，镍电池等)或容量元件(双电层电容器等)作为构成负载2的电池适当使用。
接着，参照图4～图10说明金属异物检测装置14的详情。
图4是表示金属异物检测装置14的功能块的大致方框图，图5是将图4所示的金属异物检测装置14的结构的一部分(振动信号Vb的生成的电路部分)拔出并表示的图。如图4所示，检测部140在功能上构成为具有：检测切换开关141、滤波器电路142、整流电路143、积分电路144、判定电路145、波数检测电路146、控制电路147、驱动电路148、电容器C3、及谐振电容器开关149。其中，波数检测电路146构成为具有波形整形电路146a及计数器电路146b，驱动电路148构成为具有开关电路148a及电源148b。
检测切换开关141是由各自的一端共用地连接于滤波器电路142、各自的另一端连接于各天线线圈L3的多个开关构成的复合开关，以根据从控制电路147供给的线圈选择信号CS，将任一个开关选择性地设为闭状态的方式构成。以下，有时将共用地连接于滤波器电路142的各开关的一端统一称为检测切换开关141的共用端子。作为检测切换开关141，具体而言，优选使用半导体开关或多路转换器。检测切换开关141的共用端子中出现的电压作为振动信号Vb供给至滤波器电路142。
电容器C3及谐振电容器开关149在检测切换开关141的共用端子与接地端子之间以该顺序串联地连接。谐振电容器开关149是插入利用根据线圈选择信号CS选择的天线线圈L3和电容器C3构成的谐振电路RC内的开关(第一开关)，以根据从控制电路147供给的开关驱动信号SD进行开闭动作的方式构成。在谐振电容器开关149为闭状态的情况下，形成包含天线线圈L3及电容器C3的循环电路，作为其结果，谐振电路RC作为谐振电路发挥功能。在谐振电容器开关149为开状态的情况下，谐振电路RC不会作为谐振电路发挥功能。作为谐振电容器开关149，具体而言，如图5中示例，优选使用例如n沟道型的MOSFET。
开关电路148a是具有连接于电源148b的端子和连接于检测切换开关141的共用端子的端子的1回路1接点的开关(第二开关)，以根据从控制电路147供给的脉冲施加信号PA进行开闭动作的方式构成。作为开关电路148a，具体而言，优选使用双极型晶体管或MOSFET。
电源148b是生成用于施加于谐振电路RC的电压的电源电路(驱动部)。电源148b也可以是直流电源、交流电源的任一种。以下，如图5中示例，设为利用生成直流电压Vpp的直流电源构成电源148b的情况继续说明。电源148b的一端连接于开关电路148a，另一端进行接地。
控制电路147是具有生成上述的线圈选择信号CS、开关驱动信号SD、及脉冲施加信号PA，并分别供给至检测切换开关141、谐振电容器开关149、及开关电路148a的功能的电路(控制部)。
线圈选择信号CS是表示多个天线线圈L3中的一个的信号。控制电路147以如下方式构成，以相等的时间间隔逐一依次选择各天线线圈L3，并将表示选择的天线线圈L3的线圈选择信号CS供给至检测切换开关141。由此，各天线线圈L3逐一依次连接于滤波器电路142。控制电路147选择最后的天线线圈L3之后，返回最初的天线线圈L3并重复进行选择动作。
此外，控制电路147也可以以如下方式构成，供给用户的设定等，将多个天线线圈L3中的一些从上述选择的对象除去。这样，可限定成为金属异物的检测对象的区域，并且与使用所有的天线线圈L3的情况相比，能够延长一个接一个的天线线圈L3的金属异物的检测时间。
脉冲施加信号PA是表示对谐振电路RC施加电压的定时的信号。控制电路147通过根据线圈选择信号CS选择1个天线线圈L3后，以预定的定时将脉冲施加信号PA设为有效，而将开关电路148a设为闭状态。由此，相对于包含根据线圈选择信号CS选择的天线线圈L3的谐振电路RC，从电源148b施加直流电压Vpp。另外，控制电路147以如下方式构成，从成为有效经过预定时间之后，将脉冲施加信号PA恢复成无效。由此，开关电路148a成为开状态，因此，相对于包含根据线圈选择信号CS选择的天线线圈L3的谐振电路RC的直流电压Vpp的施加停止。
开关驱动信号SD是表示对于包含根据线圈选择信号CS选择的天线线圈L3和电容器C3的谐振电路RC，开始作为谐振电路的功能的定时的信号。控制电路147以如下方式构成，根据通过脉冲施加信号PA成为有效开始向谐振电路RC的电压的施加，将开关驱动信号SD设为有效，由此，将谐振电容器开关149设为闭状态。当谐振电容器开关149成为闭状态时，如上述，谐振电路RC作为谐振电路发挥功能。另外，控制电路147以在从成为有效经过预定时间之后，将开关驱动信号SD恢复成无效的方式构成。由此，谐振电容器开关149成为开状态，谐振电路RC未作为谐振电路发挥功能。
图6是表示控制电路147的功能块中、脉冲施加信号PA及开关驱动信号SD的生成的部分的大致方框图。另外，图7是表示图6所示的脉冲施加时间计数用计时器T1及开关驱动时间计数用计时器T2的内部结构的图，图8是本实施方式的振动信号Vb、线圈选择信号CS、脉冲施加信号PA、及开关驱动信号SD的波形图。
控制电路147生成脉冲施加信号PA及开关驱动信号SD的目的在于，使包含根据线圈选择信号CS选择的天线线圈L3的谐振电路RC产生图8的振动信号Vb所示那样的衰减振动信号。该衰减振动信号是也如图8所示以谐振电路RC的谐振频率fr振动的信号，但谐振频率fr根据供电线圈L1与受电线圈L2之间的金属异物的有无进行变化。另外，衰减振动信号的振幅也根据供电线圈L1与受电线圈L2之间的金属异物的有无进行变化。控制电路147利用这种衰减振动信号的频率及振幅的变化，进行金属异物的检测动作。以下，首先说明根据脉冲施加信号PA及开关驱动信号SD得到衰减振动信号，然后，详细地说明利用衰减振动信号的频率及振幅的变化的金属异物的检测动作。
如图6所示，控制电路147构成为具有生成脉冲施加信号PA的脉冲施加时间计数用计时器T1(脉冲施加信号生成电路)和生成开关驱动信号SD的开关驱动时间计数用计时器T2(开关驱动信号生成电路)。如图7所示，这些分别构成为具有16位计时器/计数器30、比较器31、设定值寄存器32。
首先参照图7时，16位计时器/计数器30是随着开始触发的输入开始计数的计数电路。另外，设定值寄存器32是预先存储由用户等设定的值的存储电路。比较器31是具有比较16位计时器/计数器30的计数值与存储于设定值寄存器32的值的功能的电路，以如下方式构成，随着向16位计时器/计数器30的开始触发的输入，将输出信号设为有效，在16位计时器/计数器30的计数值与存储于设定值寄存器32的值一致的情况下，将输出信号恢复成无效。
接着参照图6时，脉冲施加时间计数用计时器T1作为图7所示的开始触发，使用从控制电路147内的未图示的电路供给的开始信号的上升边缘。另外，脉冲施加时间计数用计时器T1的设定值寄存器32中作为设定值预先设定图8所示的时间C2。
控制电路147以如下方式构成，从根据线圈选择信号CS选择新的天线线圈L3经过预定时间C1之后，将上述开始信号设为有效。因此，如图8所示，从脉冲施加时间计数用计时器T1输出的脉冲施加信号PA，从根据线圈选择信号CS选择新的天线线圈L3的时刻t1起在时间C1后的时刻t2成为有效，然后，在经过了时间C2的时刻t3恢复成无效的信号。在脉冲施加信号PA有效的期间(时刻t2与时刻t3之间)，向图4所示的滤波器电路142供给的振动信号Vb的振幅，如图8所示，固定成从电源148b供给的直流电压Vpp。
开关驱动时间计数用计时器T2作为图7所示的开始触发，使用由脉冲施加时间计数用计时器T1生成的脉冲施加信号PA的下降边缘。另外，开关驱动时间计数用计时器T2的设定值寄存器32中，作为设定值预先设定图8所示的时间C3。因此，如图8所示，从开关驱动时间计数用计时器T2输出的开关驱动信号SD在由电源148b进行的向谐振电路RC的直流电压Vpp的施加的结束(时刻t3)同时设为有效，然后，在经过了时间C3的时刻t4恢复成无效的信号。
如上述，当开关驱动信号SD成为有效时，天线线圈L3和电容器C3构成的谐振电路RC作为谐振电路发挥功能。根据脉冲施加时间计数用计时器T1及开关驱动时间计数用计时器T2的上述动作，在开关驱动信号SD成为有效的时点，在天线线圈L3中蓄积有直流电压Vpp的能量。开关驱动信号SD成为有效之后的谐振电路RC中产生该能量的衰减振动，这成为图8所示的频率fr的衰减振动信号。产生于谐振电路RC的衰减振动信号，作为振动信号Vb供给至图4所示的滤波器电路142。
接着，说明利用衰减振动信号的频率及振幅的变化的金属异物的检测动作。
图9是图4所示的各信号等(振动信号Vc，信号Vd，积分值IV，二值信号CK)的波形图。此外，同图中仅图示与图8的时刻t3以后对应的波形。以下，与图4一起一边参照该图9一边继续说明。
谐振电路RC中产生的振动信号Vb首先输入滤波器电路142。滤波器电路142利用取出与谐振频率fr相同的频带的频率的带通滤波器构成。因此，如图9(a)所示，作为滤波器电路142的输出信号的振动信号Vc，成为从振动信号Vb除去与谐振频率fr不同的频带的频率的成分的信号。这样除去的成分中包含供电用的交变磁场所引起的电力传输频率fp的成分。从滤波器电路142输出的振动信号Vc输入整流电路143。
整流电路143是通过整流振动信号Vc，而生成图9(b)所示的脉冲状的信号Vd的电路。作为整流电路143，具体而言，优选使用二极管、二极管桥电路或半导体开关等的开关元件。整流电路143也可以是半波整流电路、全波整流电路、或其它整流电路。从整流电路143输出的信号Vd输入积分电路144及波数检测电路146的各个。
积分电路144是得到信号Vd的波形的积分值IV的电路。信号Vd如上述为脉冲状的信号，因此，在产生信号Vd的期间，积分电路144的积分值IV如图9(c)所示台阶状地上升。积分电路144的积分的开始及结束由控制电路147控制。图9中表示与开关驱动信号SD的有效化同时(时刻t3)开始积分，且与开关驱动信号SD的无效化同时(时刻t4)结束积分的例子。
波数检测电路146是检测振动信号Vb的波数(＝信号Vd的波数)的电路。具体地说明时，首先，利用波形整形电路146a，根据信号Vd生成图9(d)所示的二值信号CK，接着利用计数器电路146b，对该二值信号CK的波数进行计数，由此，检测信号Vd的波数。以下，对各个电路的动作进行详细地说明。
波形整形电路146a通过进行整流电路143生成的信号Vd的阈值判定，生成图9(d)所示的二值信号CK。作为该阈值判定中使用的阈值，优选使用预先设定的基准电压值。基准电压值的具体的值设定成例如没有金属异物时的信号Vd的最小振幅(在时刻t4，开关驱动信号SD恢复成无效之前的信号Vd的振幅的最小值)的振幅中心电压。二值信号CK是在阈值判定的结果为阈值以上的情况下成为高，在阈值判定的结果低于阈值的情况下成为低的信号。因此，二值信号CK的周期与谐振电路RC的谐振频率的倒数一致。此外，本实施方式中，通过整流电路143生成的信号Vd的阈值判定生成二值信号CK，但波形整形电路146a通过进行从滤波器电路142输出的振动信号Vc的阈值判定，也可以生成二值信号。在该情况下，作为阈值判定中使用的阈值，优选为0V。
计数器电路146b是以由波形整形电路146a生成的二值信号CK为时钟进行计数动作，并生成表示该结果的数字值(计数值)的电路。计数器电路146b进行的计数的开始及结束的定时由控制电路147控制。由计数器电路146b生成的计数值与信号Vd的波数相等，因此，波数检测电路146以将该计数值作为信号Vd的波数的检测结果进行输出的方式构成。
控制电路147通过控制积分电路144、判定电路145、及波数检测电路146，进行金属异物的检测动作。该检测动作在选择1个天线线圈L3的期间，利用控制电路147重复执行一次以上。
具体地说明时，控制电路147每次将开关驱动信号SD设为有效，供给预定的波数检测开始信号，由此，使波数检测电路146开始波数的检测，并且通过供给预定的积分开始信号，使积分电路144开始积分。此外，控制电路147也可以与开关驱动信号SD成为有效的同时使波数检测电路146开始波数的检测，也可以开关驱动信号SD成为有效后经过预定时间后，使波数检测电路146开始波数的检测。
控制电路147然后监视波数检测电路146的波数的检测结果(具体而言，计数器电路146b输出的计数值)，在该检测结果达到预定值(以下，称为“积分对象波数”)的情况下，供给预定的积分结束信号，由此，使积分电路144结束积分，并且通过供给预定的波数检测结束信号，使波数检测电路146结束波数的检测。积分电路144以将这样在积分结束的时点的积分值IV供给至判定电路145的方式构成。
另外，控制电路147以还进行用于得到成为积分值IV的基准的基准积分值CIV的动作的方式构成。基准积分值CIV是在供电线圈L1与受电线圈L2之间不存在金属异物时的积分值IV，控制电路147通过在保证金属异物不存在于供电线圈L1与受电线圈L2之间的状态下执行上述控制，取得基准积分值CIV。此时，对于上述的积分对象波数，控制电路147使用与通过通常动作取得积分值IV时相同的值。因此，积分值IV和基准积分值CIV成为对同一波数量的波形进行积分的值。控制电路147将取得的基准积分值CIV输出至判定电路145并存储。
判定电路145是基于从积分电路144供给的积分值IV和从控制电路147预先供给并存储的基准积分值CIV，检测供电线圈L1与受电线圈L2之间的金属异物的有无的电路。具体而言，如果积分值IV与基准积分值CIV的差的绝对值为预定值以内，则判定为没有金属异物，如果不是这样，则判定为具有金属异物。图8所示的衰减振动信号的频率及振幅的变化导致积分值IV的变化，因此，利用判定电路145可进行这种判定。此外，本实施方式中，利用信号Vd的波形的积分值IV检测金属异物的有无，但也可以以如下方式构成，利用比1大的预定波数量的振动信号Vc的振动所需要的时间的长度即振动时间长(比1个周期长的期间)检测金属异物的有无。
判定电路145的判定的结果供给至控制电路147。控制电路147以如下方式指示，在供给检测到金属异物的判定结果的情况下，相对于图2所示的开关驱动部120，停止电力转换器12的电力的转换。接收到该指示的开关驱动部120以不从电力转换器12输出交流电力的方式，调整图2所示的控制信号SG1～SG4。由此，无线供电装置10的供电动作停止，因此，由于产生于供电线圈L1与受电线圈L2之间的交变磁场，在金属异物中产生涡电流，由此，可防止金属异物发热。
在此，为了说明本发明效果，说明本发明的背景技术的金属异物检测装置14的动作。本发明的背景技术的金属异物检测装置14在不具有谐振电容器开关149的点，与本实施方式的金属异物检测装置14不同。因此，利用根据线圈选择信号CS选择的天线线圈L3和电容器C3构成的谐振电路RC，从根据线圈选择信号CS切换检测切换开关141之后，成为作为谐振电路完成的状态。
图14是本发明的背景技术的振动信号Vb、线圈选择信号CS、及脉冲施加信号PA的波形图。如同图所示，背景技术中，在脉冲施加信号PA成为有效的时刻t2以前，在谐振电路RC内产生谐振。该谐振是由于从图2所示的供电线圈L1产生的磁通的能量或图2所示的开关元件SW1～SW4的开关噪声而产生的。这样，当在脉冲施加信号PA成为有效之前的时点产生谐振时，脉冲施加信号PA恢复成无效后，作为振动信号Vb，向供给至滤波器电路142的信号重叠该谐振的振动信号。因此，积分值IV由于金属异物的有无以外的主要原因而变化，因此，不能在供电中正确地检测金属异物。
与之相对，根据本实施方式的金属异物检测装置14，在直到利用电源148b的直流电压Vpp的施加开始为止的期间，谐振电路RC未作为谐振电路发挥功能，因此，如图8所示，能够防止从供电线圈L1产生的磁通的能量或开关元件SW1～SW4的开关噪声引起的谐振的产生。因此，抑制积分值IV由于金属异物的有无以外的主要原因而变化，因此，在供电中也可正确地检测金属异物。
如以上说明，根据本实施方式的金属异物检测装置14，关于使用天线线圈L3进行的金属异物的检测，可抑制供电中的检测精度的降低。由此，不需要如专利文献2那样使用温度传感器，因此，能够避免装置的大型化、高成本化，为了金属异物检测也不需要周期性地停止供电，因此，也能够避免充电时间的长期化。
以上，对本发明优选的实施方式进行了说明，但本发明不丝毫限定于这样的实施方式，当然本发明可在不脱离其宗旨的范围内以各种方式实施。
例如，上述实施方式中，图6所示的开关驱动时间计数用计时器T2作为图7所示的开始触发使用脉冲施加信号PA的下降边缘，作为其结果，脉冲施加信号PA的无效化和开关驱动信号SD的有效化一定同时执行，但也可采用能够将脉冲施加信号PA的无效化时刻和开关驱动信号SD的有效化时刻错开的结构。以下，详细地说明。
图10是表示本发明实施方式的第一变形例的控制电路147的功能块的大致方框图。另外，图11是本发明实施方式的第一变形例的振动信号Vb、线圈选择信号CS、脉冲施加信号PA、修正脉冲施加信号PAd、及开关驱动信号SD的波形图。
如图10所示，第一变形例的控制电路147构成为在开关驱动时间计数用计时器T2的前段具有延迟计时器T3(延迟电路)。延迟计时器T3的内部结构与图7所示的脉冲施加时间计数用计时器T1等的内部结构一样。
延迟计时器T3作为图7所示的开始触发使用脉冲施加信号PA的上升边缘。另外，延迟计时器T3的设定值寄存器32(参照图7)中作为设定值预先设定图11所示的时间C4。因此，如图11所示，从延迟计时器T3输出的信号(修正脉冲施加信号PAd)成为在脉冲施加信号PA的上升边缘有效，且在时间C4的经过后恢复成无效的信号。如图11所示，时间C4的具体的值优选设为比时间C2短的值。修正脉冲施加信号PAd代替脉冲施加信号PA而供给至开关驱动时间计数用计时器T2。因此，如图11所示，本变形例的开关驱动信号SD成为从脉冲施加信号PA的上升边缘起在经过时间C4的时刻t5成为有效，然后，在经过了时间C3的时刻t6恢复成无效的信号。在该情况下，如图11所示，振动信号Vb的衰减振动在时刻t3开始。
本变形例中，时间C4可任意地设定。因此，能够任意地设定开关驱动信号SD的有效化时刻，因此，也可将脉冲施加信号PA的无效化时刻和开关驱动信号SD的有效化时刻错开。当然，如果将时间C4设定成与时间C2相同的值，则与上述实施方式一样，也可同时执行脉冲施加信号PA的无效化和开关驱动信号SD的有效化。
另外，上述实施方式中，如图5等所示，通过相对于检测部140并联地连接各天线线圈L3，而构成线圈阵列CA，但也可通过其它连接方法构成线圈阵列CA。以下，详细地说明。
表示本发明实施方式的第二变形例的金属异物检测装置14的结构的一部分(振动信号Vb的生成的电路部分)的图，本变形例的金属异物检测装置14中，在构成为格子状的多个配线的各交点设置天线线圈L3，由此，构成线圈阵列CA。
本变形例的检测切换开关141由设置于构成为格子状的多个配线中、沿着列方向延伸的多个配线各自的一端的开关、设置于沿着行方向延伸的多个配线各自的一端的开关构成。前者的开关与谐振电路RC共用地连接，后者的开关分别接地。根据该结构，通过将列方向的开关之一和行方向的开关之一设为闭状态，将其它设为开状态，可选择1个天线线圈L3。因此，通过本变形例，也与上述实施方式一样，可根据线圈选择信号CS选择1个天线线圈L3，并与电容器C3一起构成谐振电路RC。
以下，对图7或图10所示的脉冲施加时间计数用计时器T1及开关驱动时间计数用计时器T2的电源结构进行说明。
图13(a)是表示脉冲施加时间计数用计时器T1及开关驱动时间计数用计时器T2的电源结构的第一例的图。另外，图13(b)是表示脉冲施加时间计数用计时器T1及开关驱动时间计数用计时器T2的电源结构的第二例的图。此外，这些图中，作为构成脉冲施加时间计数用计时器T1及开关驱动时间计数用计时器T2的具体的电路的一例，仅图示构成各个计时器的最终阶段的缓冲存储器。
图13(a)所示的第一例中，开关电路148a由n沟道型MOSFET40、41、电容器42、开关43构成。其中，n沟道型MOSFET40、41作为双方向开关进行动作。另外，MOSFET40的源极与MOSFET41的源极一起连接于与脉冲施加时间计数用计时器T1共用的接地配线。另外，MOSFET40的漏极连接于电源148b的正极，MOSFET41的漏极连接于振动信号Vb的输出端。脉冲施加信号PA经由开关43共用地供给至MOSFET40、41的控制电极。电容器42连接于MOSFET40、41的控制电极与MOSFET40、41的源极之间。
通过这样构成开关电路148a，第一例中，如图13(a)所示，作为开关驱动时间计数用计时器T2的驱动电源可使用电源148b。也就是，可将构成控制电路147的一部分的开关驱动时间计数用计时器T2的驱动电源和电源148b进行共用化，因此，能够实现零件数量减少及低成本化。
图13(b)所示的第二例中，开关电路148a由p沟道型MOSFET构成，脉冲施加信号PA经由NOT电路44供给至该p沟道型MOSFET的控制电极。通过这样构成开关电路148a，第二例中，如图13(b)所示，可将脉冲施加时间计数用计时器T1和开关驱动时间计数用计时器T2的驱动电源进行共用化。因此，通过第二例，也可实现零件数量减少及低成本化。
符号说明
1 无线电力传输系统
2 负载
10 无线供电装置
11 直流电源
12 电力转换器
13 供电线圈部
14 金属异物检测装置
15 噪声检测部
20 无线受电装置
21 受电线圈部
22 整流器
30 16位计时器/计数器
31 比较器
32 设定值寄存器
40、41 n沟道型MOSFET
42 电容器
43 开关
120 开关驱动部
140 检测部
141 检测切换开关
142 滤波器电路
143 整流电路
144 积分电路
145 判定电路
146 波数检测电路
146a 波形整形电路
146b 计数器电路
147 控制电路
148 驱动电路
148a 开关电路
148b 电源
149 谐振电容器开关
C0 平滑用电容器
C1 供电侧电容器
C2 受电侧电容器
C3 电容器
CA 线圈阵列
CIV 基准积分值
D1～D4 二极管
IV 积分值
L1 供电线圈
L2 受电线圈
L3 天线线圈
RC 谐振电路
SG1～SG4 控制信号
SW1～SW4 开关元件
T1 脉冲施加时间计数用计时器
T2 开关驱动时间计数用计时器
T3 延迟计时器

Claims (5)

1.一种金属异物检测装置，其特征在于，
具备：
天线线圈；
电容器，其与所述天线线圈一起形成谐振电路；
驱动部，其通过对所述谐振电路施加电压，使所述谐振电路产生振动信号；
判定部，其基于所述振动信号的波形判定金属异物的有无；
第一开关，其插入所述谐振电路内；
第二开关，其被插入所述驱动部与所述谐振电路之间；以及
控制部，其控制所述第一开关和第二开关的开闭状态，
所述控制部具有：开关驱动信号生成电路，其生成用于控制所述第一开关的开闭状态的开关驱动信号；脉冲施加信号生成电路，其生成用于控制所述第二开关的开闭状态的脉冲施加信号；以及延迟电路，其接收所述脉冲施加信号的输入，
所述脉冲施加信号生成电路将所述脉冲施加信号设为有效，并且启动计时器，在计时器值达到第一时间的情况下将所述脉冲施加信号设为无效，
所述延迟电路对应于所述脉冲施加信号成为了有效，将该延迟电路的输出信号设为有效，并且启动计时器，在计时器值达到比所述第一时间短的第二时间的情况下将所述输出信号设为无效，
所述控制部被构成为，开始由所述驱动部进行的向所述谐振电路的电压的施加并经过所述第二时间后，将所述第一开关设为闭状态，
所述开关驱动信号生成电路被构成为，对应于所述输出信号成为了无效，将所述开关驱动信号设为有效，并且启动计时器，在计时器值达到预定值的情况下将所述开关驱动信号设为无效。
2.根据权利要求1所述的金属异物检测装置，其特征在于，
所述驱动部作为构成所述控制部的一部分的电路的驱动电源来使用。
3.一种无线供电装置，其特征在于，
是从供电线圈向受电线圈无线地进行电力传输的无线供电装置，
其具备：所述供电线圈；以及
权利要求1或2所述的金属异物检测装置。
4.一种无线受电装置，其特征在于，
是从供电线圈向受电线圈无线地进行电力传输的无线受电装置，
其具备：所述受电线圈；以及
权利要求1或2所述的金属异物检测装置。
5.一种无线电力传输系统，其特征在于，
是从供电线圈向受电线圈无线地进行电力传输的无线电力传输系统，
其具备：
具有所述供电线圈的无线供电装置；以及
具有所述受电线圈的无线受电装置，
所述无线供电装置及所述无线受电装置的至少一方具备权利要求1或2所述的金属异物检测装置。
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