CN110168413B - 金属异物检测装置、无线供电装置、无线受电装置和无线电力传输系统 - Google Patents

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

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Abstract

本发明公开了一种金属异物检测装置，该金属异物检测装置(14)是被用于以无线的方式从供电线圈向受电线圈进行电力传输的无线电力传输系统中的装置，其具备：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)；构成为能够检测谐振电路(RC)中的振动信号的产生的振动检测电路(145a)；和基于该振动信号检测金属异物的有无的判定电路(144a)。振动检测电路(145a)构成为，输出表示振动信号的产生的检测状态的检测状态信号(DS)。判定电路(144a)构成为，根据检测状态信号(DS)执行金属异物的有无的检测动作。

Description

金属异物检测装置、无线供电装置、无线受电装置和无线电力 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、无线受电装置和无线电力传输系统。
背景技术
不使用电源电缆而以无线的方式从供电线圈向受电线圈传输电力的无线电力传输系统正受到注目。
在无线电力传输系统中，当磁耦合的供电线圈与受电线圈之间混入金属异物时，有可能由于磁通量而在金属异物中流过涡电流从而发热。因此，需要用于检测供电线圈与受电线圈之间存在的金属异物的方案。
作为这样的方案之一，已知使用检测线圈的方式。例如，专利文献1中公开了一种检测装置，其中，对Q值测定用线圈施加脉冲，基于其响应波形的振幅值和时间信息求出Q值，并由此检测金属异物。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1：日本特开2013-132133号公报
发明内容
[发明要解决的技术问题]
可是，在上述的检测线圈中，有时还会存在以下情况：不仅因所施加的脉冲，也因与从供电线圈产生的磁通量重叠的高频成分(具体而言，供电装置的开关噪声)而产生谐振。当因施加脉冲而在检测线圈中产生的振动信号上重叠因高频成分而产生的振动信号时，响应波形发生变形，变得难以正确地判断金属异物的有无，因此需要进行改善。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，即使在电力传输中也能够精度良好地检测出供电线圈与受电线圈之间存在的金属异物。
[解决技术问题的技术手段]
本发明的金属异物检测装置，是被用于以无线的方式从供电线圈向受电线圈进行电力传输的无线电力传输系统中的金属异物检测装置，其具备：天线线圈；与上述天线线圈一起形成谐振电路的电容器；构成为能够检测上述谐振电路中的振动信号的产生的振动检测电路；和基于上述振动信号检测金属异物的有无的判定电路，并且，上述振动检测电路构成为，输出表示上述振动信号的产生的检测状态的检测状态信号，上述判定电路构成为，根据上述检测状态信号执行金属异物的有无的检测动作。
根据本发明，能够在因与从供电线圈产生的磁通量重叠的高频成分等而无意地在谐振电路中产生了振动信号的情况下，中止用于有意地使振动信号产生的脉冲的施加，利用产生的振动信号检测金属异物。因此，能够避免因施加脉冲而在检测线圈中产生的振动信号上重叠因高频成分而产生的振动信号，因此，即使是在电力传输中也能够精度良好地检测供电线圈与受电线圈之间存在的金属异物。
上述金属异物检测装置中，可以为：上述振动检测电路构成为，在上述谐振电路中出现的电压超过第一阈值的情况下，激活上述检测状态信号；上述判定电路构成为，随着上述检测状态信号的激活而执行金属异物的有无的检测动作。据此，能够仅在产生了具有足以进行金属异物的检测的振幅的振动信号的情况下，使判定电路利用该振动信号检测金属异物。
上述各金属异物检测装置中，可以为：上述检测状态信号是表示由上述谐振电路中出现的电压超过第二阈值的次数表现的上述振动信号的波数的信号，上述判定电路构成为，在由上述检测状态信号表示的上述波数成为第三阈值以上的情况下，执行金属异物的有无的检测动作。据此，能够仅在产生了具有足以进行金属异物的检测的波数的振动信号的情况下，使判定电路利用该振动信号检测金属异物。
上述各金属异物检测装置中，可以为：还具备通过对上述谐振电路施加电压而使上述谐振电路产生上述振动信号的驱动电路。据此，在没有产生足以进行金属异物的检测的振动信号的情况下，也能够进行金属异物的检测。
上述金属异物检测装置中，可以为：还具备插入于上述驱动电路与上述谐振电路之间的开关，上述判定电路包含生成用于控制上述开关的开闭状态的开关驱动信号的驱动控制部，上述驱动控制部控制上述开关驱动信号，使得在由上述检测状态信号显示上述振动检测电路检测出上述振动信号的产生的情况下，上述开关维持开状态。据此，即使是在不有意地对谐振电路施加电压也能够进行异物检测的情况下，能够中止向谐振电路施加电压。
上述金属异物检测装置中，可以为：还具备以与对上述供电线圈施加电压的开关电路的输出电压的频率对应的周期将计时结果信号激活的计时电路；在由上述检测状态信号显示在上一次上述计时结果信号的激活后上述振动检测电路没有检测出上述振动信号的产生的情况下，随着上述计时结果信号的激活，上述驱动控制部控制上述开关驱动信号以使得上述开关成为闭状态。据此，在没有产生足以进行金属异物的检测的振动信号的情况下，能够通过驱动电路有意地使振动信号产生。
上述金属异物检测装置中，可以为：在上述无线电力传输系统停止动作的情况或进行小电力的电力传输的情况下，上述驱动控制部控制上述开关驱动信号以使得上述开关成为闭状态。据此，在由于无线电力传输系统停止动作或进行小电力的电力传输，从而没有由与从供电线圈产生的磁通量重叠的高频成分等产生足够的振动信号的情况下，能够通过驱动电路有意地使振动信号产生。
上述金属异物检测装置中，可以为：还具备：插入于上述驱动电路与上述谐振电路之间的开关；和以与对上述供电线圈施加电压的开关电路的输出电压的频率对应的周期将计时结果信号激活的计时电路，并且，上述判定电路包含生成用于控制上述开关的开闭状态的开关驱动信号的驱动控制部，在由上述检测状态信号显示在上一次上述计时结果信号的激活后上述振动检测电路没有检测出上述振动信号的产生的情况下，随着上述计时结果信号的激活，上述驱动控制部控制上述开关驱动信号以使得上述开关成为闭状态。据此，在没有产生足以进行金属异物的检测的振动信号的情况下，能够通过驱动电路有意地使振动信号产生。
上述金属异物检测装置中，可以为：还具备插入于上述驱动电路与上述谐振电路之间的开关，上述判定电路包含生成用于控制上述开关的开闭状态的开关驱动信号的驱动控制部，在上述无线电力传输系统停止动作的情况或进行小电力的电力传输的情况下，上述驱动控制部控制上述开关驱动信号以使得上述开关成为闭状态。据此，在由于上述无线电力传输系统停止动作或进行小电力的电力传输，从而没有由与从供电线圈产生的磁通量重叠的高频成分等产生足够的振动信号的情况下，能够通过驱动电路有意地使振动信号产生。
上述各金属异物检测装置中，可以为：上述异物検出电路构成为，基于表示上述振动信号的大于1的规定波数的振动所需要的时间的长度的振动时间长的变化，检测金属异物的有无。据此，即使是在使用因与从供电线圈产生的磁通量重叠的高频成分等而无意地在谐振电路中产生振动信号这样的振幅不稳定的振动信号的情况下，也能够适宜地实施金属异物的检测。
本发明的无线供电装置是具备上述供电线圈和本发明的金属异物检测装置的无线供电装置。据此，能够得到即使是在电力传输过程中也能够精度良好地检测供电线圈与受电线圈之间存在的金属异物的无线供电装置。
本发明的无线受电装置是具备上述受电线圈和本发明的金属异物检测装置的无线受电装置。据此，能够得到即使是在电力传输过程中也能够精度良好地检测供电线圈与受电线圈之间存在的金属异物的无线受电装置。
本发明的无线电力传输系统具备：具有上述供电线圈的无线供电装置；和具有上述受电线圈的无线受电装置，并且，上述无线供电装置和上述无线受电装置中的至少一方具备本发明的金属异物检测装置。据此，能够得到即使是在电力传输中也能够精度良好地检测供电线圈与受电线圈之间存在的金属异物的无线电力传输系统。
[发明效果]
根据本发明，即使是在电力传输中也能够精度良好地检测出供电线圈与受电线圈之间存在的金属异物。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的无线电力传输系统1的概略结构和与该无线电力传输系统1连接的负载2的图。
图2是表示图1所示的无线供电装置10和无线受电装置20各自的内部电路结构的图。
图3中，(a)是表示图2所示的金属异物检测装置14具有多个天线线圈L3的情况下的供电线圈L1与天线线圈L3的位置关系的俯视图，(b)是表示与(a)的A-A线对应的供电线圈L1和天线线圈L3的剖面图。
图4中，(a)是表示本发明的第一实施方式的金属异物检测装置14中包含的检测部140的功能框的示意框图，(b)是表示(a)所示的振动检测电路145a的内部电路的图。
图5是表示本发明的第一实施方式中的计时结果信号TR、开关驱动信号SD、输出电压VO和检测状态信号DS的时间变化的图。
图6是表示图4的(a)中所示的驱动控制部151a进行的处理的流程图。
图7是表示图4的(a)中所示的异物检测部150进行的处理的流程图。
图8中，(a)是表示本发明的第二实施方式的金属异物检测装置14中包含的检测部140的功能框的示意框图，(b)是表示(a)所示的振动检测电路145b的内部电路的图。
图9是表示本发明的第二实施方式中的计时结果信号TR、开关驱动信号SD、输出电压VO和检测状态信号DS的时间变化的图。
图10是表示图8的(a)中所示的驱动控制部151b进行的处理的流程图。
图11是表示本发明的背景技术的金属异物检测装置14中包含的检测部140的功能框的示意框图。
图12是表示与本发明的背景技术的金属异物检测装置14的动作有关的多个信号的时间变化的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细地对本发明的实施方式进行说明。另外，本发明并不被以下说明的内容所限定。此外，以下记载的构成元件中包含本领域技术人员能够容易想到的元件和实质上相同的元件。而且，在说明中，对同一元件或具有同一功能的元件使用同一标记，省略重复的说明。
图1是表示本发明的第一实施方式的无线电力传输系统1的概略结构和与该无线电力传输系统1连接的负载2的图。如该图所示，无线电力传输系统1具有无线供电装置10和无线受电装置20。负载2与无线受电装置20连接。
无线电力传输系统1是例如用于对利用蓄电池的电力的电动汽车(EV：ElectricVehicle)和混合动力汽车(HV：Hybrid Vehicle)等移动体进行供电的系统。在此情况下，无线供电装置10装载在配置于地上的供电设备内，无线受电装置20装载于车辆上。以下，设无线电力传输系统1为用于对电动汽车进行供电的系统，并对其继续进行说明。
图2是表示无线供电装置10和无线受电装置20各自的内部电路结构的图。以下，参照图1并适当参照该图2，首先对无线电力传输系统1的概略结构进行说明，然后，详细地对本发明的特征结构进行说明。
如图1和图2所示，无线供电装置10具有直流电源11、电力转换器12、供电线圈部13和金属异物检测装置14。另外，本实施方式中，对于在无线供电装置10内设置金属异物检测装置14的情况进行说明，但是，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。关于直流电源11的具体的种类，只要是能够供给直流电力的话就没有特别限定。例如，作为直流电源11可优选使用将商用交流电源整流和平滑而成的直流电源、蓄电池、进行太阳能发电的直流电源、或开关变换器(switch converter)等的开关电源。
电力转换器12是将从直流电源11供给来的直流电力转换为交流电力，由此向供电线圈部13供给图2所示的交流电流I1的变换器(inverter)。具体而言，如图2所示，具有由多个开关元件SW1～SW4桥接而成的开关电路(全桥电路)和开关驱动电路120。另外，这里示出的是由全桥电路构成电力转换器12内的开关电路的例子，但也可以使用其他种类的开关电路。
开关元件SW1～SW4构成为，根据从开关驱动电路120向各自的栅极供给的控制信号SG1～SG4而彼此独立地进行导通/断开(ON/OFF)动作。作为开关元件SW1～SW4的具体的种类，优选使用MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)或IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)。
开关驱动电路120是进行控制信号SG1～SG4的生成的信号生成部，其使得由开关元件SW1～SW4构成的开关电路的输出电压成为规定频率的交流电压。因此，后述的供电线圈L1被供给该规定频率的交流电压。以下，将该规定频率称为电力传输频率fp。电力传输频率fp的具体的值被设定为例如20[kHz]～200[kHz]。
如图2所示，供电线圈部13是由串联连接的供电侧电容器C1和供电线圈L1构成的谐振电路，发挥基于从电力转换器12供给来的交流电压生成交变磁场的作用。构成供电线圈部13的谐振电路的谐振频率被设定为与上述的电力传输频率fp相同或与之相近的频率。另外，供电侧电容器C1也可以与供电线圈L1并联连接。
供电线圈L1是例如通过将2千根左右的φ0.1(mm)的绝缘后的铜线绞合而成的利兹线以平面状缠绕几匝至几十匝程度而形成的螺旋形构造的线圈，其被配置在例如地下或地面附近。当从电力转换器12向供电线圈L1供给交流电压时，在供电线圈L1中流动图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，使受电线圈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是具有检测有无靠近供电线圈L1的金属异物的功能的装置，如图2所示，具有：由天线线圈L3和电容器C3构成的谐振电路(后述的图4中所示的谐振电路RC)；和与该谐振电路连接的检测部140。天线线圈L3和电容器C3各自的一端与接地端连接，另一端共同地连接于检测部140。
设置金属异物检测装置14的目的在于检测位于供电线圈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，天线线圈L3)配置于供电线圈L1与受电线圈L2之间。另外，金属异物检测装置14和供电线圈L1既可以构成为一体的单元，也可以构成为不同的单元。
此处，金属异物检测装置14可以具有多个天线线圈L3。在此情况下，可以对每个天线线圈L3设置电容器C3。
图3的(a)是表示金属异物检测装置14具有多个天线线圈L3的情况下的供电线圈L1与各天线线圈L3的位置关系的俯视图，图3的(b)是与图3的(a)的A-A线对应的供电线圈L1和各天线线圈L3的剖面图。如这些图所示，多个天线线圈L3在俯视图中在相当于供电线圈L1的内侧的区域内排列配置成矩阵形状。这样的天线线圈L3的配置能够通过在供电线圈L1上设置表面形成有导电性的线圈图案的印刷基板(未图示)来实现。
返回到图2中，检测部140构成为：基于由天线线圈L3和电容器C3构成的谐振电路中出现的振动信号的变化来检测金属异物的有无，基于该结果，生成用于控制开关驱动电路120的动作的控制信号DR。如图2所示，由检测部140生成的控制信号DR被供给至开关驱动电路120。
由控制信号DR表示的控制的内容为如下：在检测出金属异物的情况下，其为停止指示；在没有检测出金属异物的情况下，其为继续执行指示。开关驱动电路120在被供给表示停止指示的控制信号DR的情况下，将所有开关元件SW1～SW4断开，由此不生成上述的交变磁场。由此，防止由金属异物引起的异常发热等的发生。另一方面，在被供给表示继续执行指示的控制信号DR的情况下，开关驱动电路120继续执行控制信号SG1～SG4的生成，以使由开关元件SW1～SW4构成的开关电路的输出电压成为电力传输频率fp的交流电压。因此，交变磁场的生成也被继续执行。
接着，如图1和图2所示，无线受电装置20具有受电线圈部21和整流器22。
如图2所示，受电线圈部21具有由串联连接的受电侧电容器C2和受电线圈L2构成的谐振电路，并发挥作为以无线的方式接受从供电线圈L1传输来的交流电力的受电部的作用。构成受电线圈部21的谐振电路的谐振频率也被设定为与上述的电力传输频率fp相同或与之相近的频率。另外，受电侧电容器C2也可以与受电线圈L2并联连接。
与供电线圈L1同样，受电线圈L2是例如通过将2千根左右的φ0.1(mm)的绝缘后的铜线绞合而成的利兹线以平面状缠绕几匝至几十匝程度而形成的螺旋形构造的线圈。然而，受电线圈L2的设置位置与供电线圈L1不同，受电线圈L2的设置位置为例如电动汽车的车辆下部。当由供电线圈L1生成的磁通量与受电线圈L2交链(interlinkage)时，在受电线圈L2中产生由电磁感应作用引起的电动势，并流过图2所示的交流电流I2。该交流电流I2由整流器22将其转换为直流电流后，供给至负载2。由此，实现对负载2的直流电力的供给。
整流器22是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具有对负载2供给直流电力的功能的电路。具体而言，如图2所示，包括：由4个二极管D1～D4桥接而成的桥接电路；和与该桥接电路并联的平滑用电容器C0。
负载2包含未图示的充电器和电池。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。该充电例如通过恒压恒流充电(CVCC充电)来执行。关于电池的具体的种类，只要是具有储蓄电力的功能的话就没有特别限定。作为构成负载2的电池，可以优选使用例如蓄电池(锂离子电池、锂聚合物电池、镍电池等)和电容元件(双电层电容器等)。
接着，对金属异物检测装置14进行详细说明。以下，首先参照图11和图12对本发明的背景技术的金属异物检测装置14进行说明，然后，参照图4～图7对本实施方式的金属异物检测装置14进行说明。其中，以下说明的背景技术自身是本发明的发明人所发明的发明，其在本申请的申请时刻不是公知的技术。
图11是表示本发明的背景技术的金属异物检测装置14中包含的检测部140的功能框的示意框图。如该图所示，本发明的背景技术的检测部140具有驱动电路141、开关142和判定电路144。
驱动电路141是通过向由天线线圈L3和电容器C3构成的谐振电路RC施加电压Vpp而在谐振电路RC内诱发振动信号的电路。具体而言，如图11所示，由电压Vpp的电源电路构成。
开关142是插入于驱动电路141与谐振电路RC之间的开关，其构成为根据从判定电路144供给的开关驱动信号SD而呈“开”或“闭”中的任一状态。在开关142为闭状态的情况下，从驱动电路141对谐振电路RC供给电压Vpp，其结果，谐振电路RC的输出电压VO(天线线圈L3与电容器C3的连接点呈现的电压)变得与电压Vpp相等。然后，当开关142变化为开状态时，向谐振电路RC的电压Vpp的供给停止，在谐振电路RC内产生振动信号。该振动信号的频率成为与谐振电路RC的谐振频率相等的值。
判定电路144是基于谐振电路RC的输出电压VO表现的振动信号而执行金属异物的检测动作的电路，功能上具有异物检测部150和驱动控制部151来构成。判定电路144例如构成为MCU(Micro Control Unit：微控制单元)。
图12是表示与本发明的背景技术的金属异物检测装置14的动作有关的多个信号的时间变化的图。以下，进一步参照该图12对构成判定电路144的异物检测部150和驱动控制部151的功能进行说明。
驱动控制部151是生成用于控制开关142的开闭状态的开关驱动信号SD的电路。开关驱动信号SD是取“高”或“低”中的任一值的二值信号。开关142构成为：在开关驱动信号SD为“低”的情况下，开关142为开状态；在开关驱动信号SD为“高”的情况下，开关142为闭状态。
如图12所示，开关驱动信号SD的初始状态为“低”。驱动控制部151在时刻t1将开关驱动信号SD控制为“高”，然后在经过规定时间T的时刻t2将开关驱动信号SD控制为“低”，于是，在整个从时刻t1至时刻t2的规定时间T开关142都成为闭状态，从驱动电路141向谐振电路RC供给电压Vpp。这相当于向谐振电路RC施加脉冲。
在时刻t2从驱动电路141向谐振电路RC的电压Vpp的供给停止，于是，由于到该此刻为止所施加的电压Vpp的能量，图12所示那样的振动信号在输出电压VO中显现。驱动控制部151控制异物检测部150，使其在结束脉冲的施加的时刻t2开始金属异物的有无的检测动作。异物检测部150根据该控制而开始利用振动信号的金属异物的有无的检测动作。由此，实现利用由施加脉冲生成的振动信号的金属异物的有无的检测。关于异物检测部150的动作的进一步详细的内容，将在后文叙述。
此处，如图12所示，输出电压VO存在即使不施加脉冲也会产生振动信号的情况。这主要是由电力转换器12内的开关电路的开关噪声引起的。更详细而言，供电线圈L1与受电线圈L2之间产生的交变磁场包含由电力转换器12内的开关电路的开关噪声引起的高频成分，该高频成分通过天线线圈L3分别与供电线圈L1及受电线圈L2之间的互感M13、M23(参照图2)，使天线线圈L3产生电动势。通过该电动势，在输出电压VO中产生振动信号。
当这种来自噪声的振动信号与因施加脉冲而产生的振动信号重叠时，如上所述，在应答波形中产生变形，金属异物的有无的正确判定变得困难。本实施方式的金属异物检测装置14是在来自噪声的振动信号的振幅足够大的情况下，为了检测金属异物的有无，不施加脉冲而利用来自该噪声的振动信号，由此解决了上述问题的装置。以下，对本实施方式的金属异物检测装置14的结构和动作进行详细说明。
图4的(a)是表示本实施方式的金属异物检测装置14中包含的检测部140的功能框的示意框图。如该图所示，本实施方式的检测部140具有驱动电路141、开关142、计时电路143、判定电路144a和振动检测电路145a。其中，驱动电路141和开关142与参照图11所说明的情况相同，因此省略重复的说明。
计时电路143是与上述的电力传输频率fp(电力转换器12内的开关电路的输出电压的频率)对应的电路，其被构成为：将作为脉冲信号的计时结果信号TR以电力传输频率fp的周期(＝1/fp)激活。从计时电路143输出的计时结果信号TR被供给至判定电路144a和振动检测电路145a。
振动检测电路145a是构成为能够检测谐振电路RC中的振动信号的产生的电路，其被构成为：输出表示该振动信号的产生的检测状态的检测状态信号DS。本实施方式中的检测状态信号DS是呈“高”或“低”中的任一值的二值信号。振动检测电路145a构成为：在谐振电路RC的输出电压VO超过规定的阈值(后述的第一阈值TH1)的情况下，将检测状态信号DS激活为“高”。
图4的(b)是表示振动检测电路145a的内部电路的图。如该图所示，振动检测电路145a具有复位电路160和峰值保持电路161。
峰值保持电路161是根据输出电压VO生成检测状态信号DS的电路。具体而言，其构成为：在输出电压VO的值超过第一阈值TH1的情况下，将检测状态信号DS激活为“高”并维持该状态，另一方面，受到复位电路160的控制而将检测状态信号DS设为“低”。第一阈值TH1为固定值，预先设定在峰值保持电路161内。
复位电路160是根据从计时电路143供给来的计时结果信号TR，将检测状态信号DS复位为“低”的电路。具体而言，以在计时结果信号TR激活为“高”的情况下将检测状态信号DS设为“低”的方式，控制峰值保持电路161。
返回图4的(a)。与图11所示的判定电路144相比，判定电路144a的不同之处在于：具有驱动控制部151a来代替图11中所示的驱动控制部151；以及，根据振动检测电路145b输出的检测状态信号DS来执行金属异物的有无的检测动作。判定电路144a的其他方面与判定电路144相同，因此，以下着眼于与判定电路144的不同点进行说明。
驱动控制部151a在生成用于控制开关142的开闭状态的开关驱动信号SD这一点上与驱动控制部151相同，但是在其具体的生成方法方面与驱动控制部151不同。
具体来说，驱动控制部151a以如下方式进行控制：在由检测状态信号DS显示振动检测电路145a检测出了振动信号的产生的情况下，控制开关驱动信号SD以使得开关142维持开状态；在由检测状态信号DS显示在周期性地激活的计时结果信号TR的上一次激活后、振动检测电路145a没有检测出振动信号的产生的情况下，随着计时结果信号TR的激活，控制开关驱动信号SD以使得开关142成为闭状态。其中，在本实施方式中，“由检测状态信号DS显示振动检测电路145a检测出了振动信号的产生的情况”是指检测状态信号DS激活的情况。
此外，驱动控制部151a构成为：不仅在结束脉冲的施加的时刻，而且在检测状态信号DS激活的时刻，也使异物检测部150开始金属异物的有无的检测动作。
图5是表示本实施方式中的计时结果信号TR、开关驱动信号SD、输出电压VO和检测状态信号DS的时间变化的图。图5的(a)示出因电力转换器12内的开关电路的开关噪声而在输出电压VO中产生大的振动信号的情况，图5的(b)示出在输出电压VO中没有产生那样的大的振动信号的情况。以下，参照该图5，对驱动控制部151a的动作进行更详细的说明。
在时刻t1计时结果信号TR激活后，驱动控制部151a开始对从振动检测电路145a供给来的检测状态信号DS进行监视。然后，在图5的(a)的例子中，在下一次计时结果信号TR激活的时刻t4(＝t1+1/fp)之前的时刻t3，输出电压VO的值超过第一阈值TH1。接收到此事实，振动检测电路145a在时刻t3将检测状态信号DS激活为“高”。驱动控制部151a由此接收到检测状态信号DS变为“高”的事实，控制异物检测部150，使其开始金属异物的有无的检测动作。异物检测部150受到该控制，开始金属异物的有无的检测动作。该检测动作中利用的振动信号不是从驱动电路141供给至谐振电路RC的电压Vpp(即，施加脉冲)，而是由电力转换器12内的开关电路的开关噪声产生的振动信号。
另一方面，在图5的(b)的例子中，在从时刻t1至时刻t4之间，输出电压VO的值没有超过第一阈值TH1。此情况下的驱动控制部151a随着在时刻t4计时结果信号TR被激活的事实，将开关驱动信号SD控制为“高”，以使得开关142成为闭状态。然后，在其后经过规定时间T的时刻t5，将开关驱动信号SD控制为“低”，以使得开关142成为开状态。由此，在从时刻t4至时刻t5的规定时间T期间，从驱动电路141向谐振电路RC供给电压Vpp。这相当于对谐振电路RC施加脉冲。驱动控制部151a又控制异物检测部150，使其在结束脉冲的施加的时刻t5开始金属异物的有无的检测动作。异物检测部150受到该控制，开始金属异物的有无的检测动作。与背景技术同样，该检测动作中利用的振动信号是由从驱动电路141向谐振电路RC供给的电压Vpp(即，施加脉冲)产生的振动信号。
图6是表示驱动控制部151a进行的处理的流程图。以下，参照该图6，对驱动控制部151a的动作进行进一步详细的说明。
如图6所示，驱动控制部151a构成为重复执行步骤S11～S21的处理(步骤S10)。
在重复处理中，驱动控制部151a首先判定计时结果信号TR是否为“高”(步骤S11)。然后，如果不为“高”，接着判定检测状态信号DS是否为“高”(步骤S12)。其结果，如果检测状态信号DS也不为“高”，则返回步骤S11，重复计时结果信号TR的判定。
在步骤S12中判定为“高”的情况下，驱动控制部151a将内部标记FG设定为T(真)(步骤S13)，并且启动异物检测部150(步骤S14)。由此，异物检测部150基于由电力转换器12内的开关电路的开关噪声等产生的振动信号而执行金属异物的检测动作。在步骤S14中启动异物检测部150后的驱动控制部151a将返回去处理步骤S11。
步骤S11中判定为“高”的情况下，驱动控制部151a首先判定内部标记FG是否为T(真)(步骤S15)。其结果，在判定内部标记FG为T(真)的情况下，驱动控制部151a对内部标记FG设定F(假)，将返回去处理步骤S11。这相当于取消脉冲的施加的处理。
另一方面，在步骤S15中判定内部标记FG不为T(真)的情况下，驱动控制部151a使用开关驱动信号SD使开关142成为闭状态，由此使驱动电路141有效(步骤S17)，并开始计时(步骤S18)。然后，重复进行是否经过了规定时间T的判定(步骤S19)，在判定为经过了规定时间T的情况下，使用开关驱动信号SD使开关142成为开状态，由此使驱动电路141无效(步骤S20)，进一步，启动异物检测部150(步骤S21)。由此，基于由电压Vpp的施加而产生的振动信号，异物检测部150执行金属异物的检测动作。步骤S21中启动了异物检测部150后的驱动控制部151a将返回去处理步骤S11。
以上，对驱动控制部151a的动作进行了详细说明。接着，参照图7对异物检测部150的动作进行详细说明。
图7是表示异物检测部150进行的处理的流程图。如该图所示，异物检测部150被驱动控制部151a启动后，首先测量输出电压VO的n周期时间(输出电压VO振动n次所需要的时间。表示振动信号的大于1的规定波数的振动所需要的时间的长度的振动时间长)，将测量结果转换为电压获取(步骤S30)。接着，判定所获取的n周期时间是否大于预先存储的第四阈值TH4(步骤S31)，如果大于TH4则输出表示检测出了金属异物的信息(步骤S32)，如果不大于TH4则输出表示没有检测出金属异物的的信息(步骤S33)。
这样输出的信息被用于生成参照图2所说明的控制信号DR。具体来说：在输出表示异物检测部150检测出了金属异物的信息的情况下，检测部140生成表示停止指示的控制信号DR，将其向开关驱动电路120供给。另一方面，在输出表示异物检测部150没有检测出金属异物的信息的情况下，检测部140生成表示继续执行指示的控制信号DR，并将其向开关驱动电路120供给。接收到这些控制信号DR的开关驱动电路120的动作如上所述。
如上所述，根据本实施方式的金属异物检测装置14，能够在由与从供电线圈L1产生的磁通量重叠的高频成分等而无意地在谐振电路RC中产生振动信号的情况下，中止用于有意地生成振动信号的脉冲的施加，利用生成的振动信号检测金属异物。因此，能够避免由于在施加脉冲而在天线线圈L3中产生的振动信号上重叠高频成分而产生的振动信号，因而，即使是在电力传输中，也能够精度良好地检测出供电线圈L1与受电线圈L2之间存在的金属异物。
此外，因为以在输出电压VO超过第一阈值TH1的情况下激活检测状态信号DS的方式构成振动检测电路145a，并且以随着检测状态信号DS的激活而执行金属异物的有无的检测动作的方式构成判定电路144a，所以能够仅在产生了具有足以进行金属异物的检测的振幅的振动信号的情况下，使判定电路144a利用该振动信号来检测金属异物。
此外，因为设置有通过电压Vpp的施加而使谐振电路RC产生振动信号的驱动电路141，所以，即使是在由电力转换器12内的开关电路的开关噪声等而产生的振动信号不足以进行金属异物的检测的情况下，也能够进行金属异物的检测。
此外，驱动控制部151a构成为：在振动检测电路145a检测出了振动信号的产生的情况(即，图6所示的步骤S15的判定结果为肯定的情况)下，至下一次计时结果信号TR的激活为止，开关142维持开状态。因此，在即使不有意地对谐振电路RC施加电压Vpp也能够进行异物检测的情况下，能够中止对谐振电路RC施加电压Vpp。
此外，驱动控制部151a构成为：在前一次计时结果信号TR激活后，振动检测电路145a没有检测出振动信号的产生的情况(即，图6所示的步骤S15的判定结果为否定的情况)下，随着计时结果信号TR的激活，使开关142成为闭状态。因此，在没有产生足以进行金属异物的检测的振动信号的情况下，能够通过驱动电路141有意地使输出电压VO产生振动信号。
此外，异物检测部150构成为：基于输出电压VO的n周期时间的变化，检测金属异物的有无。因此，即使是在使用由电力转换器12内的开关电路的开关噪声等而无意地在谐振电路RC中产生的振动信号这样的振幅不稳定的振动信号的情况下，也能够适宜地执行金属异物的检测。
图8的(a)是表示本发明的第二实施方式的金属异物检测装置14中包含的检测部140的功能框的示意框图。如该图所示，本实施方式的检测部140中，具有判定电路144b来代替判定电路144a，具有振动检测电路145b来代替振动检测电路145a。在其他方面，本实施方式的无线电力传输系统1与第一实施方式的无线电力传输系统1相同，因此对同一构成标注同一标记，以下，着眼于不同点进行说明。
与第一实施方式中说明的振动检测电路145a同样，振动检测电路145b是构成为能够检测谐振电路RC中的振动信号的产生的电路，其被构成为输出表示该振动信号的产生的检测状态的检测状态信号DS，但是，在输出的检测状态信号DS的内容方面，与振动检测电路145a不同。振动检测电路145b输出的检测状态信号DS是表示由输出电压VO超过规定的阈值(后述的第二阈值TH2)的次数表现的振动信号的波数的信号。
图8的(b)是表示振动检测电路145b的内部电路的图。如该图所示，振动检测电路145b具有阈值生成电路165、比较器166和计数电路167。
阈值生成电路165是基于输出电压VO而动态地生成第二阈值TH2的电路。但是，也可以将第二阈值TH2设为固定值。以下，将第二阈值TH2设为与上述的第一阈值TH1相同的值的固定值，并对该情况继续进行说明。
比较器166被构成为：对由阈值生成电路165生成的第二阈值TH2与输出电压VO进行比较，在输出电压VO超过第二阈值TH2的情况下输出“高”，在此外的情况下输出“低”。
计数电路167是具有每当输入“高”时进行累计的功能的电路。计数电路167中被输入比较器166的输出。因此，计数电路167的计数结果表示输出电压VO超过第二阈值的次数。计数电路167的计数结果作为检测状态信号DS被供给至判定电路144b。计数电路167构成为：在输入为“低”的状态持续规定时间以上的情况下，将计数结果返回为零。
返回图8的(a)。判定电路144b与第一实施方式的判定电路144a的不同之处在于，判定电路144b具有驱动控制部151b来代替驱动控制部151a。判定电路144b在其他方面与判定电路144a相同，因此，以下着眼于与判定电路144a的不同点进行说明。
与第一实施方式的驱动控制部151a同样，在由检测状态信号DS显示振动检测电路145a检测出了振动信号的产生的情况下，驱动控制部151b控制开关驱动信号SD，以使得开关142维持开状态；另一方面，在由检测状态信号DS显示在周期性激活的计时结果信号TR的上一次激活后，振动检测电路145a没有检测出振动信号的产生的情况下，随着计时结果信号TR的激活，驱动控制部151b控制开关驱动信号SD，以使得开关142成为闭状态。但是，本实施方式中，与第一实施方式不同的是，“由检测状态信号DS显示振动检测电路145a检测出了振动信号的产生的情况”是由检测状态信号DS表示的波数为规定的阈值(后述的第三阈值TH3)以上的情况。
此外，与第一实施方式的驱动控制部151a不同的是，驱动控制部151b构成为：除了结束脉冲的施加的时刻之外，还在由检测状态信号DS表示的波数为第三阈值TH3以上的时刻，使异物检测部150开始金属异物的有无的检测动作。
图9是表示本实施方式中的计时结果信号TR、开关驱动信号SD、输出电压VO和检测状态信号DS的时间变化的图。该图示出因电力转换器12内的开关电路的开关噪声而在输出电压VO中产生大的振动信号的情况。输出电压VO中没有产生那样的大的振动信号的情况下的各信号的时间变化与图5的(b)所示的相同。以下，参照该图9更详细地对驱动控制部151b的动作进行说明。
在时刻t1计时结果信号TR激活后，驱动控制部151a开始对从振动检测电路145a供给的检测状态信号DS进行监视。然后，在图9的例子中，在下一次计时结果信号TR激活的预定的时刻t4(＝t1+1/fp)之前的时刻t6，输出电压VO中产生振幅超过第二阈值TH2的振动信号，通过振动检测电路145b的处理，检测状态信号DS的值每次上升1。此处，当上述的第三阈值TH3为“4”时，随着检测状态信号DS的值在时刻t7达到4，驱动控制部151a使内部标记FG成为“高”，并且，在其之后，将计时电路143复位，以使得在振动信号产生的时刻使计时结果信号TR激活。更具体而言，将计时电路143复位，以使得在从时刻t 6起的1/fp的周期中计时结果信号TR激活。如果振动信号的产生原因是电力转换器12内的开关电路的开关噪声，则在1/fp的周期中产生振动信号，因此通过该复位，能够使计时结果信号TR的激活时刻和振动信号的产生时刻一致。
然后，在从时刻t6起的1/fp后的时刻t8激活计时结果信号TR时，驱动控制部151a参照内部标记FG获知产生了无意的振动信号，并控制异物检测部150，使其开始金属异物的有无的检测动作。异物检测部150受到该控制，开始金属异物的有无的检测动作。该检测动作中利用的振动信号不是从驱动电路141向谐振电路RC供给的电压Vpp(即，施加脉冲)，而是由电力转换器12内的开关电路的开关噪声而产生的振动信号。
图10是表示驱动控制部151b进行的处理的流程图。以下，参照该图10，对驱动控制部151b的动作进行进一步详细的说明。
如图10所示，驱动控制部151b构成为重复执行步骤S41～S51的处理(步骤S40)。
在重复处理中，驱动控制部151b首先判定计时结果信号TR是否为“高”(步骤S41)。然后，如果不为“高”，则接着判定检测状态信号DS是否为第三阈值TH3以上(步骤S42)。其结果，如果检测状态信号DS不为第三阈值TH3以上，则返回步骤S41，重复计时结果信号TR的判定。
在步骤S42中判定为第三阈值TH3以上的情况下，驱动控制部151b将内部标记FG设定为T(真)(步骤S43)，并且将计时电路143复位，以使得在振动信号产生的时刻激活计时结果信号TR(步骤S44)。复位处理的详细内容如上所述。在步骤S44中将计时电路143复位后的驱动控制部151b将返回去处理步骤S41。
在步骤S41中判定为“高”的情况下，驱动控制部151a首先判定内部标记FG是否为T(真)(步骤S45)。其结果，在判定内部标记FG为T(真)的情况下，驱动控制部151a将内部标记FG设定为F(假)(步骤S46)，并且启动异物检测部150(步骤S51)。由此，基于由电力转换器12内的开关电路的开关噪声等而产生的振动信号，异物检测部150执行金属异物的检测动作。步骤S51中启动异物检测部150后的驱动控制部151b将返回去处理步骤S41。
另一方面，在步骤S45中，当判定内部标记FG不为T(真)的情况下，驱动控制部151b使用开关驱动信号SD使开关142成为闭状态，由此使驱动电路141有效(步骤S47)，并且开始计时(步骤S48)。然后，重复进行是否经过了规定时间T的判定(步骤S49)，在判定为经过了规定时间T的情况下，使用开关驱动信号SD使开关142成为开状态，由此使驱动电路141无效(步骤S50)，进一步，启动异物检测部150(步骤S51)。由此，基于由电压Vpp的施加而产生的振动信号，异物检测部150执行金属异物的检测动作。在步骤S51中启动异物检测部150后的驱动控制部151b将返回去处理步骤S41。
如上所述，根据本实施方式的金属异物检测装置14，也能够进行如下检测：即，在由与从供电线圈L1产生的磁通量重叠的高频成分等而无意地在谐振电路RC中产生振动信号的情况下，中止用于有意地产生振动信号的脉冲的施加，利用所生成的振动信号来检测金属异物。因此，能够避免因施加脉冲而在天线线圈L3中生成的振动信号上重叠由高频成分而生成的振动信号，由此，即使是在电力传输中，也能够精度良好地检测供电线圈L1与受电线圈L2之间存在的金属异物。
此外，根据本实施方式，将检测状态信号DS设为表示由谐振电路RC中显现的电压超过第二阈值TH2的次数表现的振动信号的波数的信号，判定电路144b构成为：在由该检测状态信号DS表示的波数为第三阈值TH3以上的情况下，执行金属异物的有无的检测动作。因此，能够仅在产生具有足以进行金属异物的检测的波数的振动信号的情况下，才使判定电路144b利用该振动信号检测金属异物。
以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，然而本发明不受这样的实施方式的任何的限定，本发明在不脱离其要旨的范围内，可以以各种方式来实施，这是不言而喻的。
例如，在上述实施方式中，随着计时结果信号TR的激活，驱动控制部151a、151b将开关驱动信号SD控制为“高”(即，对谐振电路RC施加电压Vpp)，并且，这样的处理仅在上一次计时结果信号TR激活后振动检测电路145a、145b没有检测出振动信号的产生的情况下才进行，但在，当无线电力传输系统1停止动作的情况或进行小电力的电力传输的情况下，无论振动检测电路145a、145b是否检测出了振动信号的产生，驱动控制部151a、151b均可以随着计时结果信号TR的激活而将开关驱动信号SD控制为“高”。另外，也可以是：进行该处理的情况下的驱动控制部151a、151b从图2所示的开关驱动电路120接收表示无线电力传输系统1的动作状况的信息，基于该信息，判定无线电力传输系统1是否停止了动作，或者是否在进行小电力的电力传输。通过这样的设计，在因无线电力传输系统1停止动作或进行小电力的电力传输，从而没有由与从供电线圈L1产生的磁通量重叠的高频成分等产生足够的振动信号的情况下，驱动控制部151a、151b能够通过驱动电路141而有意地使振动信号产生。
[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
20 无线受电装置
21 受电线圈部
22 整流器
120 开关驱动电路
140 检测部
141 驱动电路
142 开关
143 计时电路
144a、144b 判定电路
145a、145b 振动检测电路
150 异物检测部
151a、151b 驱动控制部
160 复位电路
161 峰值保持电路
165 阈值生成电路
166 比较器
167 计数电路
C0 平滑用电容器
C1 供电侧电容器
C2 非受电侧电容器
C3 电容器
D1～D4 二极管
DR 控制信号
DS 检测状态信号
FG 内部标记
L1 供电线圈
L2 受电线圈
L3 天线线圈
M12 互感
RC 谐振电路
SD 开关驱动信号
SG1～SG4 控制信号
SW1～SW4 开关元件
TR 计时结果信号
VO 输出电压。

Claims (11)

1.一种金属异物检测装置，其被用于以无线的方式从供电线圈向受电线圈进行电力传输的无线电力传输系统中，该金属异物检测装置的特征在于，
具备：
天线线圈；
与所述天线线圈一起形成谐振电路的电容器；
构成为能够检测所述谐振电路中的振动信号的产生的振动检测电路；
基于所述振动信号检测金属异物的有无的判定电路；
通过对所述谐振电路施加电压而使所述谐振电路产生所述振动信号的驱动电路；和
插入于所述驱动电路与所述谐振电路之间的开关，
所述振动检测电路构成为，输出表示所述振动信号的产生的检测状态的检测状态信号，
所述判定电路构成为，根据所述检测状态信号执行金属异物的有无的检测动作，
所述判定电路包含：生成用于控制所述开关的开闭状态的开关驱动信号的驱动控制部，
所述驱动控制部控制所述开关驱动信号，使得在由所述检测状态信号显示所述振动检测电路检测出所述振动信号的产生的情况下，所述开关维持开状态。
2.如权利要求1所述的金属异物检测装置，其特征在于，
所述振动检测电路构成为，在所述谐振电路中出现的电压超过第一阈值的情况下，激活所述检测状态信号，
所述判定电路构成为，随着所述检测状态信号的激活而执行金属异物的有无的检测动作。
3.如权利要求1或2所述的金属异物检测装置，其特征在于，
所述检测状态信号是表示由所述谐振电路中出现的电压超过第二阈值的次数表现的所述振动信号的波数的信号，
所述判定电路构成为，在由所述检测状态信号表示的所述波数成为第三阈值以上的情况下，执行金属异物的有无的检测动作。
4.如权利要求1或2所述的金属异物检测装置，其特征在于，
还具备计时电路，该计时电路以与对所述供电线圈施加电压的开关电路的输出电压的频率对应的周期，将计时结果信号激活，
在由所述检测状态信号显示的是，在上一次所述计时结果信号的激活后，所述振动检测电路没有检测出所述振动信号的产生的情况下，随着所述计时结果信号的激活，所述驱动控制部控制所述开关驱动信号以使得所述开关成为闭状态。
5.如权利要求1或2所述的金属异物检测装置，其特征在于，
在所述无线电力传输系统停止动作的情况或进行小电力的电力传输的情况下，所述驱动控制部控制所述开关驱动信号以使得所述开关成为闭状态。
6.如权利要求1或2所述的金属异物检测装置，其特征在于，
所述判定电路构成为，基于所述振动信号的振动时间长的变化，检测金属异物的有无，
其中，所述振动时间长表示所述振动信号大于1的规定波数的振动所需要的时间的长度。
7.一种金属异物检测装置，其被用于以无线的方式从供电线圈向受电线圈进行电力传输的无线电力传输系统中，该金属异物检测装置的特征在于，
具备：
天线线圈；
与所述天线线圈一起形成谐振电路的电容器；
构成为能够检测所述谐振电路中的振动信号的产生的振动检测电路；
基于所述振动信号检测金属异物的有无的判定电路；
通过对所述谐振电路施加电压而使所述谐振电路产生所述振动信号的驱动电路；和
插入于所述驱动电路与所述谐振电路之间的开关，
所述振动检测电路构成为，输出表示所述振动信号的产生的检测状态的检测状态信号，
所述判定电路构成为，根据所述检测状态信号执行金属异物的有无的检测动作，
所述判定电路包含：生成用于控制所述开关的开闭状态的开关驱动信号的驱动控制部，
在所述无线电力传输系统停止动作的情况或进行小电力的电力传输的情况下，所述驱动控制部控制所述开关驱动信号以使得所述开关成为闭状态。
8.如权利要求7所述的金属异物检测装置，其特征在于，
所述判定电路构成为，基于所述振动信号的振动时间长的变化，检测金属异物的有无，
其中，所述振动时间长表示所述振动信号大于1的规定波数的振动所需要的时间的长度。
9.一种无线供电装置，其特征在于，
具备：
供电线圈；和
权利要求1～8中任一项所述的金属异物检测装置。
10.一种无线受电装置，其特征在于，
具备：
受电线圈；和
权利要求1～8中任一项所述的金属异物检测装置。
11.一种无线电力传输系统，其特征在于，
具备：
具有供电线圈的无线供电装置；和
具有受电线圈的无线受电装置，
所述无线供电装置和所述无线受电装置中的至少一方具备权利要求1～8中的任一项所述的金属异物检测装置。
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