DE102023124378A1

DE102023124378A1 - Fremdmaterial-erfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102023124378A1
Application number: DE102023124378.0A
Authority: DE
Inventors: Goro Nakao; Yuki Ito; Taichi Mishima
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2022-10-26
Filing date: 2023-09-11
Publication date: 2024-05-02
Also published as: US20240146118A1; JP2024063617A

Abstract

Eine Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung schließt ein: eine Vielzahl von Erfassungsspulen (43-1 bis 43-n) zwischen einer Übertragungsspule (12) einer Stromübertragungsvorrichtung (2) und einer Empfangsspule (21) einer Stromempfangsvorrichtung (3), durch die Strom kontaktlos übertragen wird; eine Vielzahl von Kondensatoren (44-1 bis 44-n), die für jede der Erfassungsspulen zusammen mit der Erfassungsspule eine Resonanzschaltung bildet; eine Stromlieferungsschaltung (41), die jeder Erfassungsspule Wechselstrom mit einer vorbestimmten Frequenz liefert; und eine Erfassungsschaltung (45), die eine von jeder Erfassungsspule ausgegebene Spannung erfasst und ein zwischen die Übertragungsspule (12) und die Empfangsspule (21) eintretendes Fremdmaterial entsprechend der erfassten Spannung erfasst. Dann ist jede Erfassungsspule so angeordnet, dass sie um einen vorbestimmten Betrag überlappt, der es erlaubt, eine elektromagnetische Kopplung zwischen zwei benachbarten der Erfassungsspulen (43-1 bis 43-n) zu ignorieren.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die Offenbarung bezieht sich auf eine Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung, die ein Fremdmaterial in einem Stromübertragungssystem erfasst, durch das Strom kontaktlos übertragen wird.
Beschreibung des Standes der Technik
Es wurden Studien über sogenannte kontaktlose Stromzuführ-Technologien (auch drahtlose Stromlieferung genannt) durchgeführt, die Strom durch den Raum übertragen, ohne Metallkontakte oder dergleichen zu verwenden. Ein System, das Strom durch elektromagnetische Induktion liefert, ist als eine dieser kontaktlosen Stromzuführ-Technologien bekannt. In dem System, das Strom durch elektromagnetische Induktion liefert, sind die Spule (im Folgenden als Übertragungsspule bezeichnet) auf der Primärseite (Stromübertragungsseite oder Stromzuführseite) und die Spule (im Folgenden als Empfangsspule bezeichnet) auf der Sekundärseite (Stromempfangsseite) elektromagnetisch gekoppelt, um Strom von der Übertragungsspule zu der Empfangsspule zu übertragen.
In einem Stromübertragungssystem, das solche kontaktlosen Stromzuführ-Technologien verwendet, kann ein Fremdmaterial, wie z.B. Metall, zwischen die Übertragungsspule und die Empfangsspule eintreten. In einem solchen Fall kann das Fremdmaterial durch Induktion während der Stromübertragung erhitzt und entzündet werden, oder das Gerät kann aufgrund der durch das Fremdmaterial erzeugten Hitze nicht richtig funktionieren. Außerdem kann in einem solchen Stromübertragungssystem die relative Anordnungsbeziehung zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule während der Stromübertragung schwanken, was zu einer Änderung des Kopplungsgrades zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule führt. Daher wurde eine Technologie zur Erfassung des Fremdmaterials vorgeschlagen, das zwischen die Übertragungsspule und die Empfangsspule eintritt (siehe z.B. Patentdokument 1). Gemäß dieser Technologie befinden sich auf einem Substrat, das zwischen der Übertragungsspule der Stromübertragungsvorrichtung und der Empfangsspule der Stromempfangsvorrichtung angeordnet ist, eine Vielzahl erste Erfassungsspulen, die so angeordnet ist, dass sie elektromagnetisch miteinander gekoppelt ist und zusammen mit einem ersten Kondensator eine Resonanzschaltung mit einer ersten Resonanzfrequenz bildet, eine Vielzahl zweite Erfassungsspulen, die so angeordnet ist, dass sie elektromagnetisch miteinander gekoppelt ist und zusammen mit einem zweiten Kondensator eine Resonanzschaltung mit einer zweiten Resonanzfrequenz bildet, eine Stromlieferungsschaltung, die jeder Erfassungsspule Wechselstrom mit einer Frequenz liefert, bei der die Erfassungsspule in Resonanz schwingt, und eine Erfassungsschaltung, die ein Fremdmaterial, das zwischen die Übertragungsspule und die Empfangsspule eintritt, in Abhängigkeit von der Spannung des über jede Erfassungsspule übertragenen Wechselstroms erfasst. Darüber hinaus sind die Vielzahl von ersten Erfassungsspulen und die Vielzahl von zweiten Erfassungsspulen bei Betrachtung aus der Normalrichtung des Substrats abwechselnd angeordnet.
Stand der Technik
Patentdokument
[Patentdokument 1] Japanische Patentanmeldung Veröffentlichungsnr. 2021-52514
ÜBERBLICK
Zu lösende Probleme
Mit der oben beschriebenen Technologie ist es möglich, selbst ein relativ kleines Fremdmaterial zu erfassen, das zwischen die Übertragungsspule und die Empfangsspule eintritt. Da jedoch das Eintreten von Fremdmaterial zwischen die Übertragungsspule und die Empfangsspule ein hohes Risiko darstellt, ist es erforderlich, die Genauigkeit der Erfassung solches Fremdmaterials weiter zu verbessern.
Die Offenbarung stellt eine Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung bereit, die in der Lage ist, die Genauigkeit der Erfassung von Fremdmaterial zu verbessern, das zwischen einer Übertragungsspule einer Vorrichtung auf der Stromübertragungsseite und einer Empfangsspule einer Vorrichtung auf der Stromempfangsseite eintritt.
Mittel zur Lösung der Probleme
Als eine Form der Offenbarung wird eine Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung bereitgestellt. Die Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung schließt ein: eine Vielzahl von Erfassungsspulen, die an unterschiedlichen Anordnungen zwischen einer Übertragungsspule einer Stromübertragungsvorrichtung und einer Empfangsspule einer Stromempfangsvorrichtung angeordnet sind, durch die Strom kontaktlos übertragen wird; eine Vielzahl von Kondensatoren, die für jede der Vielzahl von Erfassungsspulen zusammen mit der Erfassungsspule eine Resonanzschaltung bildet; eine Stromzuführspule, die so angeordnet ist, dass sie mit jeder der Vielzahl von Erfassungsspulen elektromagnetisch gekoppelt ist; eine Stromlieferungsschaltung, die jeder der Vielzahl von Erfassungsspulen über die Stromzuführspule Wechselstrom mit einer vorbestimmten Frequenz liefert; und eine Erfassungsschaltung, die eine von jeder der Vielzahl von Erfassungsspulen ausgegebene Spannung in Bezug auf den zugeführten Wechselstrom erfasst und ein zwischen die Übertragungsspule und die Empfangsspule eintretendes Fremdmaterial entsprechend der erfassten Spannung erfasst. Dann ist jede der Vielzahl von Erfassungsspulen so angeordnet, dass sie um einen vorbestimmten Betrag überlappt, der es erlaubt, eine elektromagnetische Kopplung zwischen zwei benachbarten der Vielzahl von Erfassungsspulen zu ignorieren. Mit einer solchen Konfiguration ist die Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung in der Lage, die Genauigkeit der Erfassung eines Fremdmaterials zu verbessern, das zwischen die Übertragungsspule der Vorrichtung auf der Stromübertragungsseite und die Empfangsspule der Vorrichtung auf der Stromempfangsseite eingetreten ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm des Stromübertragungssystems einschließlich der Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
2 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm der Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung.
3 ist eine schematische Querschnitts-Seitenansicht, die ein Beispiel für die Lagebeziehung zwischen dem Substrat, auf dem die Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung bereitgestellt ist, und der Übertragungsspule zeigt.
4 ist eine schematische Draufsicht, die ein Beispiel für die Anordnung einer Vielzahl von Erfassungsspulen und der Stromzuführspule der Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung zeigt.
5 ist ein Schaltungskonfigurationsdiagramm, das ein Beispiel für die Stromlieferungsschaltung zeigt.
6 ist ein Schaltungskonfigurationsdiagramm, das ein Beispiel für die Erfassungsschaltung zeigt.
7 ist ein Diagramm zur Darstellung des Überlappungsgrades zwischen zwei Erfassungsspulen, die in horizontaler Richtung nebeneinander liegen.
8 ist ein Diagramm zur Darstellung des Überlappungsgrades zwischen zwei Erfassungsspulen, die in schräger Richtung nebeneinander liegen.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung umfasst ein Substrat, das zwischen einer Übertragungsspule einer Vorrichtung auf der Stromübertragungsseite (im Folgenden einfach als Stromübertragungsvorrichtung bezeichnet) und einer Empfangsspule einer Vorrichtung auf der Stromempfangsseite (im Folgenden einfach als Stromempfangsvorrichtung bezeichnet) angeordnet ist, die in einem Stromübertragungssystem eingeschlossen sind, das Strom kontaktlos überträgt. Die Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung schließt eine auf dem Substrat ausgebildete Stromzuführspule zur Lieferung mit Strom für die Fremdmaterialerfassung und eine Vielzahl von Erfassungsspulen ein, die an voneinander verschiedenen Anordnungen innerhalb der Stromzuführspule angeordnet sind, um elektromagnetisch mit der Stromzuführspule gekoppelt zu werden, und die kleiner als die Stromzuführspule sind. Jede der Vielzahl von Erfassungsspulen ist in der Lage, bei einer Frequenz in Resonanz zu schwingen, die sich von der Frequenz des der Übertragungsspule der Stromübertragungsvorrichtung zugeführten Strom unterscheidet und bei der weder die die Übertragungsspule einschließende Resonanzschaltung (wenn die Resonanzschaltung auf der Stromübertragungsseite bereitgestellt ist) noch die die Empfangsspule einschließende Resonanzschaltung in Resonanz schwingt. Die Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung liefert Wechselstrom mit einer Frequenz, bei der diese Erfassungsspulen mitschwingen, an die Stromzuführspule und erfasst die von jeder der Vielzahl von Erfassungsspulen ausgegebene Spannung. Wenn ein leitfähiges Fremdmaterial, wie z.B. Metall, zwischen die Übertragungsspule und die Empfangsspule eintritt, ändern sich die Resonanzeigenschaften einer der Vielzahl von Erfassungsspulen, was zu einer Änderung der erkannten Spannung führt. Dadurch überwacht die Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung die erfasste Spannung und stellt fest, dass ein Fremdmaterial zwischen die Übertragungsspule und die Empfangsspule eingetreten ist, wenn die Spannung von einem vorbestimmten Referenzbereich abweicht, der einem Fall entspricht, dass kein Fremdmaterial vorhanden ist. Darüber hinaus ist jede der Vielzahl von Erfassungsspulen so angeordnet, dass sich zwei benachbarte der Vielzahl von Erfassungsspulen um einen vorbestimmten Betrag überlappen, der es erlaubt, gegenseitige elektromagnetische Kopplung bei Betrachtung aus der Normalrichtung des Substrats zu ignorieren. Infolgedessen wird das Fremdmaterial, das zwischen die Übertragungsspule und die Empfangsspule eintritt, bei Betrachtung aus der Normalrichtung des Substrats innerhalb einer der Erfassungsspulen angeordnet, und da die Erfassungsspule, deren Resonanzeigenschaften durch das Fremdmaterial verändert werden, nicht durch andere Erfassungsspulen beeinflusst wird, wird die Genauigkeit der Erfassung des Fremdmaterials verbessert.
1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Stromübertragungssystems mit einer Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Wie in 1 gezeigt schließt das Stromübertragungssystem 1 eine Stromübertragungsvorrichtung 2, eine Stromempfangsvorrichtung 3 und eine Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung 4 ein. Die Stromübertragungsvorrichtung 2 und die Stromempfangsvorrichtung 3 bilden eine kontaktlose Stromzuführvorrichtung. Der Strom wird von der Stromübertragungsvorrichtung 2 an die Stromempfangsvorrichtung 3 kontaktlos durch den Raum übertragen. Die Stromübertragungsvorrichtung 2 schließt eine Stromlieferungsschaltung 11 und eine Übertragungsspule 12 ein, während die Stromempfangsvorrichtung 3 eine Empfangsspule 21, einen Resonanzkondensator 22 und eine Stromempfangsschaltung 23 einschließt. Das Stromübertragungssystem 1 kann beispielsweise eine kontaktlose Stromzuführvorrichtung eines sogenannten Primär-Serien-Sekundär-Serien-Resonanzkondensator-Systems (SS-System) oder Primär-Serien-Sekundär-Parallel-Resonanzkondensator-Systems (SP-System) sein. Alternativ kann das Stromübertragungssystem 1 eine kontaktlose Stromzuführvorrichtung eines Systems (NS-System) sein, bei dem die Empfangsspule und der Resonanzkondensator sekundärseitig in Reihe schwingen, ohne Resonanz auf der Primärseite zu nutzen, oder eines Systems (NP-System), bei dem die Empfangsspule und der Resonanzkondensator sekundärseitig parallel schwingen, ohne Resonanz auf der Primärseite zu nutzen.
Zunächst wird die Stromübertragungsvorrichtung 2 beschrieben. Die Stromlieferungsschaltung 11 liefert der Übertragungsspule 12 Wechselstrom. Daher umfasst die Stromlieferungsschaltung 11 beispielsweise eine Gleichstromlieferung, die Gleichstrom liefert, eine Wechselrichterschaltung, die den von der Gleichstromlieferung gelieferten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt und den Wechselstrom an die Übertragungsspule 12 liefert, und eine Steuerschaltung, die die Wechselrichterschaltung steuert. Bei der Wechselrichterschaltung kann es sich um einen Vollbrückenwechselrichter handeln, bei dem vier Schaltelemente (z.B. MOSFETs) in einer Vollbrückenform angeschlossen sind, oder um einen Halbbrückenwechselrichter, bei dem zwei Schaltelemente in Halbbrückenform angeschlossen sind. Die Steuerschaltung steuert das Ein- und Ausschalten jedes Schaltelements der Wechselrichterschaltung, um die Frequenz des der Übertragungsspule 12 zugeführten Wechselstroms auf eine vorbestimmte Frequenz einzustellen (z.B. die Frequenz, bei der die Resonanzschaltung der Stromempfangsvorrichtung 3 schwingt).
Die Stromlieferungsschaltung 11 kann ferner einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler zwischen der Gleichstromlieferung und der Wechselrichterschaltung einschließen. Alternativ kann die Stromlieferungsschaltung 11 eine Gleichrichtungsschaltung, die mit einer Wechselstromlieferung verbunden ist und den Wechselstrom von der Wechselstromlieferung gleichrichtet, und eine Stromfaktor-Korrekturschaltung, die mit der Gleichrichtungsschaltung verbunden ist und den pulsierenden Strömungsstrom, der von der Gleichrichtungsschaltung ausgegeben wird, in Gleichstrom umwandelt, anstelle der Gleichstromlieferung einschließen. In diesem Fall kann die Steuerschaltung beispielsweise die Stromfaktor-Korrekturschaltung so steuern, dass sie die Spannung des an die Wechselrichterschaltung gelieferten Gleichstroms anpasst, um die Spannung des von der Stromempfangsvorrichtung 3 empfangenen Stroms konstant zu halten.
Die Übertragungsspule 12 überträgt den von der Stromlieferungsschaltung 11 gelieferten Wechselstrom durch den Raum an die Empfangsspule 21 der Stromempfangsvorrichtung 3. Die Stromübertragungsvorrichtung 2 kann einen Kondensator einschließen, der in Reihe mit der Übertragungsspule 12 zwischen der Übertragungsspule 12 und der Wechselrichterschaltung der Stromlieferungsschaltung 11 geschaltet ist. Dieser Kondensator kann dazu dienen, den Gleichstrom zu blockieren oder eine Resonanzschaltung zu konfigurieren, der zusammen mit der Übertragungsspule 12 mit der Frequenz des der Übertragungsspule 12 zugeführten Wechselstroms schwingt.
Die Stromübertragungsvorrichtung 2 kann außerdem eine Kommunikationsvorrichtung einschließen, die ein Signal empfängt, das den Zustand des Stromempfangs der Stromempfangsvorrichtung 3 anzeigt. In diesem Fall kann die Steuerschaltung der Stromlieferungsschaltung 11 die Ein/Aus-Schaltzeitpunkte der einzelnen Schaltelemente der Wechselrichterschaltung ändern, um die Frequenz des der Übertragungsspule 12 zugeführten Wechselstroms entsprechend dem Zustand des Stromempfangs zu ändern.
Ferner kann die Steuerschaltung der Stromlieferungsschaltung 11, wenn sie von der Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung 4 ein Signal empfängt, das anzeigt, dass ein Fremdmaterial zwischen der Übertragungsspule 12 und der Empfangsspule 21 erkannt wurde, die Stromlieferung von der Stromlieferungsschaltung 11 zur Übertragungsspule 12 durch Ausschalten jedes Schaltelements des Wechselrichters stoppen.
Darüber hinaus kann die Stromlieferungsschaltung 11 anstelle der Wechselrichterschaltung einen Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler einschließen. Ein solcher Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler kann eine Spule, die in Reihe zwischen der Gleichstromlieferung und der Übertragungsspule 12 geschaltet ist, einen Kondensator, dessen eines Ende zwischen der Spule und der Übertragungsspule 12 geschaltet ist und der parallel zu der Übertragungsspule 12 geschaltet ist, und ein Schaltelement, das parallel zu dem Kondensator geschaltet ist, einschließen. Bei dem Schaltelement kann es sich um einen Feldeffekttransistor aus Galliumnitrid (GaN) handeln. Eine solche Konfiguration ermöglicht es der Stromlieferungsschaltung 11, das Schaltelement mit einer in dem ISM-Band eingeschlossenen Schaltfrequenz ein- und auszuschalten, um der Übertragungsspule 12 Wechselstrom zu liefern, dessen Schaltfrequenz in dem ISM-Band eingeschlossen ist.
Als nächstes wird die Stromempfangsvorrichtung 3 beschrieben. Die Empfangsspule 21 bildet zusammen mit dem Resonanzkondensator 22 eine Resonanzschaltung und empfängt Strom von der Übertragungsspule 12, indem sie mit dem durch die Übertragungsspule 12 der Stromübertragungsvorrichtung 2 fließenden Wechselstrom in Resonanz schwingt. Daher kann der Resonanzkondensator 22 in Reihe mit der Empfangsspule 21 oder parallel zu der Empfangsspule 21 geschaltet werden. Dann wird der Wechselstrom, der von der durch die Empfangsspule 21 und den Resonanzkondensator 22 gebildeten Resonanzschaltung ausgegeben wird, an den Stromempfangsschaltung 23 ausgegeben. Die Anzahl der Windungen der Empfangsspule 21 und die Anzahl der Windungen der Übertragungsspule 12 können gleich sein oder sich voneinander unterscheiden.
Die Stromempfangsschaltung 23 wandelt den Wechselstrom aus der durch die Empfangsspule 21 und den Resonanzkondensator 22 gebildeten Resonanzschaltung in Gleichstrom um und gibt den Gleichstrom an eine mit der Stromempfangsschaltung 23 verbundene Lastschaltung (nicht gezeigt) aus. Daher schließt die Stromempfangsschaltung 23 beispielsweise eine Vollwellen-Gleichrichtungsschaltung ein, die den Wechselstrom aus der Resonanzschaltung in pulsierende Strömungsstrom umwandelt, und einen Glättungskondensator zum Glätten des pulsierenden Strömungsstroms, der von der Vollwellen-Gleichrichtungsschaltung ausgegeben wird, und zum Ausgeben desselben an die Lastschaltung. Die Stromempfangsschaltung 23 kann ferner ein Voltmeter zum Messen der an die Lastschaltung ausgegebenen Spannung, eine Kommunikationsvorrichtung zum Übertragen eines Signals, das den Zustand des Stromempfangs anzeigt, wie z.B. die von dem Voltmeter gemessene Spannung, an die Stromübertragungsvorrichtung 2, ein Schaltelement zum Umschalten zwischen Verbindung oder Trennung zwischen der Lastschaltung und der Stromempfangsschaltung 23 und eine Steuerschaltung, die das Ein/Aus-Schalten des Schaltelements steuert, einschließen.
Als nächstes wird die Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung 4 gemäß dieser Ausführungsform beschrieben. Die Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung 4 ist zwischen der Übertragungsspule 12 und der Empfangsspule 21 in einem Fall angeordnet, in dem sich die Stromübertragungsvorrichtung 2 und die Stromempfangsvorrichtung 3 in einer Anordnungsbeziehung befinden, die eine Stromübertragung ermöglicht, d.h. in einer Anordnungsbeziehung, die eine elektromagnetische Kopplung der Übertragungsspule 12 und der Empfangsspule 21 ermöglicht. Dann erfasst die Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung 4 ein leitfähiges Fremdmaterial, wie z.B. Metall, das zwischen die Übertragungsspule 12 und die Empfangsspule 21 eingetreten ist.
2 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm der Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung 4. 3 ist eine schematische Querschnitts-Seitenansicht, die ein Beispiel für die Lagebeziehung zwischen dem Substrat, auf dem die Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung 4 bereitgestellt ist, und der Übertragungsspule 12 zeigt. Darüber hinaus ist 4 eine schematische Draufsicht, die ein Beispiel für die Anordnung einer Vielzahl von Erfassungsspulen und der Stromzuführspule der Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung 4 zeigt.
Wie in 2 gezeigt schließt die Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung 4 eine Stromlieferungsschaltung 41, eine Stromzuführspule 42, eine Vielzahl von Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n (n ist eine ganze Zahl von 2 oder mehr), eine Vielzahl von Kondensatoren 44-1 bis 44-n und eine Erfassungsschaltung 45 ein. Die Stromlieferungsschaltung 41, die Stromzuführspule 42, die Vielzahl von Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n, die Vielzahl von Kondensatoren 44-1 bis 44-n und die Erfassungsschaltung 45 sind auf einem Substrat 46 bereitgestellt, das zwischen der Übertragungsspule 12 und der Empfangsspule 21 angeordnet ist, wenn sich die Übertragungsspule 12 und die Empfangsspule 21 in einer Lagebeziehung befinden, die ihre elektromagnetische Kopplung ermöglicht. In dieser Ausführungsform ist das Substrat 46 an der Stromübertragungsvorrichtung 2 angebracht. Dann wird ein Signal, das ein Fremdmaterial-Erfassungsergebnis von der Erfassungsschaltung 45 anzeigt, an die Stromlieferungsschaltung 11 der Stromübertragungsvorrichtung 2 ausgegeben.
5 ist ein Schaltungskonfigurationsdiagramm, das ein Beispiel für die Stromlieferungsschaltung 41 zeigt. Die Stromlieferungsschaltung 41 schließt beispielsweise eine Gleichstromlieferung 51, die Gleichstrom liefert, einen Kondensator 52, eine Wechselrichterschaltung 53 und eine Steuerschaltung 54, die die Wechselrichterschaltung 53 steuert, ein. Anschließend liefert die Stromlieferungsschaltung 41 den Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n über die Stromzuführspule 42 Strom für die Fremdmaterialerfassung.
Die Stromzuführspule 42 weist ein Ende auf, das über den Kondensator 52 an die Wechselrichterschaltung 53 angeschlossen und mit dem anderen Ende geerdet ist. Die Anschlussreihenfolge der Stromzuführspule 42 und des Kondensators 52 kann jedoch geändert werden.
Die Wechselrichterschaltung 53 wandelt den von der Gleichstromlieferung 51 gelieferten Gleichstrom in Wechselstrom um und liefert den Wechselstrom an die Stromzuführspule 42. In diesem Beispiel ist die Wechselrichterschaltung 53 als Halbbrückenwechselrichter konfiguriert, bei dem zwei Schaltelemente (z.B. MOSFETs) in einer Halbbrückenform verbunden sind, aber die Wechselrichterschaltung 53 kann ein Vollbrückenwechselrichter sein, bei dem vier Schaltelemente in einer Vollbrückenform verbunden sind. Die Steuerschaltung 54 steuert das Ein/Aus-Schalten jedes Schaltelements, das in der Wechselrichterschaltung eingeschlossen ist, um die Frequenz des Wechselstroms, der an die Stromzuführspule 42 geliefert wird, auf eine vorbestimmte Frequenz einzustellen.
Die Frequenz des Wechselstroms, der von der Stromlieferungsschaltung 41 über die Stromzuführspule 42 an die Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n geliefert wird, unterscheidet sich von der Frequenz des Wechselstroms, der an die Übertragungsspule 12 der Stromübertragungsvorrichtung 2 geliefert wird, und ist bevorzugt auf eine Frequenz eingestellt, bei der weder die Resonanzschaltung mit der Übertragungsspule 12 (wenn die Resonanzschaltung in der Stromübertragungsvorrichtung 2 bereitgestellt ist) noch die Resonanzschaltung mit der Empfangsspule 21 in Resonanz schwingt. Beispielsweise kann die Frequenz des von der Stromlieferungsschaltung 41 gelieferten Wechselstroms höher sein als die Frequenz des der Übertragungsspule 12 zugeführten Wechselstroms (z.B. 85 kHz oder 150 kHz), wodurch verhindert wird, dass der von der Stromlieferungsschaltung 41 gelieferte Wechselstrom die Stromübertragung von der Stromübertragungsvorrichtung 2 zur Stromempfangsvorrichtung 3 beeinträchtigt. Außerdem kann durch die Einstellung der Frequenz des von der Stromlieferungsschaltung 41 gelieferten Wechselstroms auf diese Weise die Induktivität jeder der Vielzahl von Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n der Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung 4 relativ klein gemacht werden, so dass es einfach ist, die Größe jeder Erfassungsspule kleiner als die Größe der Übertragungsspule 12 zu machen.
Wiederum Bezug nehmend auf 2 bis 4 ist jede der Stromzuführspule 42 und der Vielzahl von Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n als ein Verdrahtungsmuster eines Leiters, wie z.B. Metall, konfiguriert, das auf dem Substrat 46 bereitgestellt ist. Dann werden jede Erfassungsspule 43-i und der entsprechende Kondensator 44-i (i = 1, 2, ..., n) miteinander verbunden, um eine Resonanzschaltung zu bilden. Die Stromlieferungsschaltung 41, der Kondensator 44-i und die Erfassungsschaltung 45 sind in 4 weggelassen. Die Induktivität jeder Erfassungsspule und die elektrostatische Kapazität jedes Kondensators werden bevorzugt so eingestellt, dass die Resonanzfrequenz der aus der Erfassungsspule und dem Kondensator bestehenden Resonanzschaltung nicht mit der Frequenz des der Übertragungsspule 12 zugeführten Wechselstroms in Resonanz schwingt. Da jede Resonanzschaltung der Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung 4 nicht mit dem von der Stromübertragungsvorrichtung 2 zur Stromempfangsvorrichtung 3 übertragenen Wechselstrom in Resonanz schwingt, kann die Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung 4 verhindern, dass der von der Stromübertragungsvorrichtung 2 zur Stromempfangsvorrichtung 3 übertragene Wechselstrom die Fremdmaterialerfassung beeinträchtigt. Ferner sind die Induktivität jeder Erfassungsspule und die elektrostatische Kapazität jedes Kondensators bevorzugt so eingestellt, dass die Resonanzfrequenz der aus der Erfassungsspule und dem Kondensator bestehenden Resonanzschaltung eine Frequenz ist, die mit der Frequenz des von der Stromlieferungsschaltung 41 über die Stromzuführspule 42 zugeführten Wechselstroms schwingt. Da der Wechselstrom, der von der Stromlieferungsschaltung 41 über die Stromzuführspule 42 zugeführt wird, nicht verloren geht, bis er die Erfassungsschaltung 45 erreicht, ist die Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung 4 in der Lage, eine Abnahme der Fremdmaterial-Erfassungsgenauigkeit zu unterdrücken. Es sollte beachtet werden, dass die Resonanzfrequenz jeder Resonanzschaltung und die Frequenz des von der Stromlieferungsschaltung 41 gelieferten Wechselstroms nicht miteinander übereinstimmen müssen, solange eine Spannung, die dem von der Stromlieferungsschaltung 41 gelieferten Wechselstrom entspricht, von jeder Erfassungsspule an die Erfassungsschaltung 45 ausgegeben wird.
Darüber hinaus ist das Substrat 46 so angeordnet, dass die Richtung der Mittelachse der Übertragungsspule 12 und die Normalrichtung des Substrats 46 im Wesentlichen parallel sind. Dann ist es vorteilhaft, die Stromzuführspule 42 so bereitzustellen, dass der Außendurchmesser der Stromzuführspule 42 bei Betrachtung aus der Normalrichtung des Substrats 46, d.h. der Mittelachsenrichtung der Übertragungsspule 12, ungefähr gleich der Außenform der Übertragungsspule 12 oder größer als die Übertragungsspule 12 ist. Ferner ist es bevorzugt, die Stromzuführspule 42 so bereitzustellen, dass die Übertragungsspule 12 bei Betrachtung aus der Normalrichtung des Substrats 46 innerhalb der Stromzuführspule 42 angeordnet ist. Jede der Vielzahl von Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n ist kleiner als die Stromzuführspule 42 auf einer Oberfläche des Substrats 46 und ist so angeordnet, dass sie elektromagnetisch mit der Stromzuführspule 42 an einer anderen Anordnung innerhalb der Stromzuführspule 42 gekoppelt ist, bei Betrachtung aus der Normalrichtung des Substrats 46. Somit ist die Stromzuführspule 42 in der Lage, jeder Erfassungsspule zuverlässig Strom für die Fremdmaterialerfassung zu liefern. Dementsprechend wird, wenn jede Erfassungsspule mit dem entsprechenden Kondensator als Reaktion auf den von der Stromlieferungsschaltung 41 über die Stromzuführspule 42 zugeführten Wechselstrom in Resonanz schwingt, eine dem Wechselstrom entsprechende Spannung von jeder Erfassungsspule an die Erfassungsschaltung 45 ausgegeben. Es sollte beachtet werden, dass eine oder zwei oder mehr der Vielzahl von Erfassungsspulen außerhalb der Stromzuführspule 42 angeordnet sein können oder die Stromzuführspule 42 bei Betrachtung aus der Normalrichtung des Substrats 46 überlappen können, solange jede der Vielzahl von Erfassungsspulen Strom von der Stromzuführspule 42 empfangen kann.
Darüber hinaus sind zwei benachbarte Erfassungsspulen aus der Vielzahl der Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n so angeordnet, dass sie sich um einen vorbestimmten Betrag überlappen, der es ermöglicht, die elektromagnetische Kopplung zwischen den beiden Erfassungsspulen bei Betrachtung aus der Normalrichtung des Substrats 46 zu ignorieren. Zu diesem Zeitpunkt ist eine Isolierschicht (nicht gezeigt) zwischen den beiden Erfassungsspulen bereitgestellt, um zu verhindern, dass die beiden Erfassungsspulen an der Stelle, an der sich die beiden Erfassungsspulen überlappen, elektrisch verbunden sind.
In dem in 4 gezeigten Beispiel hat jede Erfassungsspule eine rechteckige Form, und die Erfassungsspulen sind in einem versetzten Muster angeordnet. Sowohl in der horizontalen als auch in der vertikalen Richtung sind zwei benachbarte Erfassungsspulen so angeordnet, dass sie sich um einen vorbestimmten Betrag überlappen, der es ermöglicht, die gegenseitige elektromagnetische Kopplung bei Betrachtung aus der Normalrichtung des Substrats 46 zu ignorieren.
Da die Erfassungsspulen so angeordnet sind, dass zwei benachbarte Erfassungsspulen einander teilweise überlappen, wird ein Fremdmaterial, das zwischen die Übertragungsspule 12 und die Empfangsspule 21 eintritt, bei Betrachtung aus der Normalrichtung des Substrats 46 innerhalb einer der Erfassungsspulen angeordnet. Die Erfassungsspule, in der sich der Fremdmaterial befindet, ändert dann unter dem Einfluss des Fremdmaterials die Resonanzeigenschaften. Außerdem kann die elektromagnetische Kopplung zwischen den Erfassungsspulen ignoriert werden. Das heißt, der Einfluss der elektromagnetischen Kopplung zwischen den Erfassungsspulen auf die Resonanzeigenschaften der einzelnen Erfassungsspule ist hinreichend kleiner als die durch das Fremdmaterial verursachte Änderung der Resonanzeigenschaften der Erfassungsspule. Daher wird die Erfassungsspule, deren Resonanzeigenschaften durch das Fremdmaterial verändert werden, von den anderen Erfassungsspulen nicht beeinflusst. Daher ist die Erfassungsschaltung 45, die der Erfassungsspule mit dem Fremdmaterial entspricht, in der Lage, die Änderung der Spannung aufgrund der Änderung der Resonanzeigenschaften genau zu erfassen. Details über den Grad der Überlappung zwischen zwei benachbarten Erfassungsspulen werden später beschrieben.
Darüber hinaus sind in diesem Beispiel die Stromzuführspule 42 und die Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n auf derselben Oberfläche des Substrats 46 angeordnet, aber die Oberfläche des Substrats 46, auf der die Stromzuführspule 42 angeordnet ist, kann sich von der Oberfläche des Substrats 46 unterscheiden, auf der die Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n angeordnet sind. Darüber hinaus können einige der Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n auf derselben Oberfläche wie die Stromzuführspule 42 angeordnet sein, während einige andere Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n auf einer anderen Oberfläche als die Stromzuführspule 42 angeordnet sind.
In dem in 4 gezeigten Beispiel ist jede der Vielzahl von Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n in einer rechteckigen Form ausgebildet, aber die Form jeder Erfassungsspule ist nicht auf eine rechteckige Form beschränkt und kann beispielsweise eine kreisförmige oder elliptische Form haben. Die Formen und Größen der Vielzahl von Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n können die gleichen oder voneinander unterschiedlich sein. Darüber hinaus ist die Größe jeder der Vielzahl von Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n bei Betrachtung aus der Richtung der Mittelachse der Übertragungsspule 12 bevorzugt kleiner als die Größe der Übertragungsspule 12. Somit wird selbst dann, wenn ein Fremdmaterial, das kleiner als die Übertragungsspule 12 ist, zwischen die Übertragungsspule 12 und die Empfangsspule 21 eintritt, jede der Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n leicht von dem Fremdmaterial beeinflusst, was es der Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung 4 ermöglicht, ein solch kleines Fremdmaterial genau zu erfassen.
Die Erfassungsschaltung 45 erfasst die Spannung des Wechselstroms, der von jeder der Vielzahl von Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n ausgegeben wird, und erfasst das Fremdmaterial, das zwischen die Übertragungsspule 12 und die Empfangsspule 21 eintritt, auf der Grundlage der erfassten Spannung.
In dieser Ausführungsform beeinflusst die von der Stromübertragungsvorrichtung 2 an die Stromempfangsvorrichtung 3 übertragene Wechselstrom nicht die Übertragung des Wechselstroms von der Stromlieferungsschaltung 41 an die Erfassungsschaltung 45 über die Stromzuführspule 42 und eine der Vielzahl von Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n. Wenn jedoch ein Fremdmaterial zwischen die Übertragungsspule 12 und die Empfangsspule 21 eintritt, ändern sich die Resonanzeigenschaften der Erfassungsspule, die das Fremdmaterial darin hat, aus der Vielzahl von Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n aufgrund des Fremdmaterials. Daher beeinträchtigt das Vorhandensein des Fremdmaterials die Übertragung des Wechselstroms von der Stromlieferungsschaltung 41 zu der Erfassungsschaltung 45 über die Erfassungsspule, in der sich das Fremdmaterial befindet. Infolgedessen ändert sich die Spannung, die von der Erfassungsspule mit dem Fremdmaterial darin ausgegeben und von der Erfassungsschaltung 45 erkannt wird. Nähert sich beispielsweise Metall einer der Erfassungsspulen, durch die aufgrund des zugeführten Wechselstroms ein Strom fließt, wird durch den Strom ein magnetischer Fluss in der Nähe der Erfassungsspule erzeugt, der einen Wirbelstrom in dem Metall verursacht, was zu einem Verlust führt. Außerdem nimmt die Induktivität der Erfassungsspule aufgrund des magnetischen Flusses, der durch den erzeugten Wirbelstrom entsteht, ab. Insbesondere wenn das Metall magnetisch ist, kann der Verlust relativ groß sein, auch wenn die Änderung der Induktivität gering ist. Infolgedessen ändern sich die Resonanzeigenschaften der Resonanzschaltung, der die Erfassungsspule enthält. Daher bestimmt die Erfassungsschaltung 45, ob die von der Erfassungsspule ausgegebene Spannung innerhalb eines vorbestimmten Referenzbereichs für jede der Vielzahl von Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n liegt. Der vorbestimmte Referenzbereich kann für die Erfassungsspulen gleich sein oder für jede Erfassungsspule festgelegt werden.
6 ist ein Schaltungskonfigurationsdiagramm, das ein Beispiel für die Erfassungsschaltung 45 zeigt. Da die Erfassungsschaltung 45 für jede Erfassungsspule die gleiche Konfiguration haben kann, zeigt 6 die Konfiguration der Erfassungsschaltung 45 für eine Erfassungsspule.
Die Erfassungsschaltung 45 schließt eine Resonanzschaltung 63 mit einer Empfangsspule 61 und einem Resonanzkondensator 62, einen Hochpassfilter 64, einen Verstärker 65, eine Halbwellen-Gleichrichtungsschaltung 66, einen Tiefpassfilter 67, eine Spannungserfassungsschaltung 68, eine Bestimmungsschaltung 69 und eine Speicherschaltung 70 ein. Die Schaltungskonfiguration der Erfassungsschaltung 45 ist jedoch nicht auf die in 6 gezeigte beschränkt, sondern kann aus einer Vielzahl von Schaltungen bestehen, die in der Lage sind, zu bestimmen, ob die erfasste Spannung außerhalb des vorbestimmten Referenzbereichs liegt.
Die Resonanzschaltung 63 erfasst den Wechselstrom, der von der Stromlieferungsschaltung 41 geliefert und über die Stromzuführspule 42 und die entsprechende Erfassungsspule 43-i (i=1, 2, ..., n) aus der Vielzahl der Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n übertragen wird. Daher ist die Empfangsspule 61 der Resonanzschaltung 63 so angeordnet, dass sie elektromagnetisch mit der entsprechenden Erfassungsspule aus der Vielzahl der Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n gekoppelt ist. Dann werden die Induktivität der Empfangsspule 61 und die elektrostatische Kapazität des Resonanzkondensators 62 so eingestellt, dass die Resonanzschaltung 63 mit dem von der Stromlieferungsschaltung 41 gelieferten Wechselstrom in Resonanz schwingt. Obwohl 6 zeigt, dass zwei Resonanzkondensatoren 62 parallel zu der Empfangsspule 61 geschaltet sind, ist die Anzahl der in der Resonanzschaltung 63 eingeschlossenen Resonanzkondensatoren 62 nicht notwendigerweise zwei und kann eins, drei oder mehr sein. Außerdem können die Empfangsspule 61 und der Resonanzkondensator 62 in Reihe geschaltet sein. Gemäß einem modifizierten Beispiel kann die Resonanzschaltung 63 selbst durch die entsprechende Erfassungsspule 43-i und den Kondensator 44-i gebildet werden. Das heißt, die Erfassungsspule 43-i und der Kondensator 44-i können anstelle der Empfangsspule 61 und des Resonanzkondensators 62 bereitgestellt werden, um die Konfiguration der Erfassungsschaltung 45 zu vereinfachen.
Der Hochpassfilter 64 ist zwischen die Resonanzschaltung 63 und den Verstärker 65 geschaltet, um eine Rauschkomponente in dem von der Resonanzschaltung 63 empfangenen Wechselstrom zu dämpfen, deren Frequenz niedriger ist als die Frequenz des von der Stromlieferungsschaltung 41 gelieferten Wechselstroms. Der Verstärker 65 ist zwischen dem Hochpassfilter 64 und der Halbwellen-Gleichrichtungsschaltung 66 angeschlossen und verstärkt den von dem Hochpassfilter 64 ausgegebenen Wechselstrom.
Die Halbwellen-Gleichrichtungsschaltung 66 ist zwischen den Verstärker 65 und den Tiefpassfilter 67 geschaltet und Halbwelle richtet den verstärkten Wechselstrom des Verstärkers 65 gleich und wandelt ihn in pulsierenden Strömungsstrom um. Der Tiefpassfilter 67 ist zwischen die Halbwellen-Gleichrichtungsschaltung 66 und die Spannungserfassungsschaltung 68 geschaltet und glättet den von der Halbwellen-Gleichrichtungsschaltung 66 ausgegebene pulsierende Strömungsstrom und wandelt ihn in Gleichstrom um.
Die Spannungserfassungsschaltung 68 ist mit dem Tiefpassfilter 67 verbunden und erfasst die Spannung der von dem Tiefpassfilter 67 ausgegebenen Spannung. Die Spannungserfassungsschaltung 68 gibt dann die erfasste Spannung an die Bestimmungsschaltung 69 aus. Bei der Spannungserfassungsschaltung 68 kann es sich um eine Spannungserfassungsschaltung zur Erfassung einer Gleichspannung handeln.
Die Bestimmungsschaltung 69 bestimmt, ob die erfasste Spannung innerhalb eines vorbestimmten Referenzbereichs liegt. Liegt die erfasste Spannung innerhalb des vorbestimmten Referenzbereichs, so bestimmt die Bestimmungsschaltung 69 fest, dass sich kein Fremdmaterial zwischen der Übertragungsspule 12 und der Empfangsspule 21 befindet. Weicht die erfasste Spannung jedoch von dem vorbestimmten Referenzbereich ab, so bestimmt die Bestimmungsschaltung 69, dass ein Fremdmaterial zwischen die Übertragungsspule 12 und die Empfangsspule 21 eintritt. Die Bestimmungsschaltung 69 gibt dann ein Signal, das das Ergebnis der Fremdmaterial-Erfassung anzeigt, an die Stromlieferungsschaltung 11 der Stromübertragungsvorrichtung 2 aus.
In dieser Ausführungsform schließt die Bestimmungsschaltung 69 eine Umwandlungsschaltung, die die von der Spannungserfassungsschaltung 68 empfangene Spannung in einen Signalwert umwandelt, eine Rechenschaltung zum Bestimmen, ob der Signalwert innerhalb eines vorbestimmten Referenzbereichs liegt, und eine Kommunikationsschaltung zum Ausgeben des Signals, das das Fremdmaterial-Erfassungsergebnis anzeigt, an die Stromlieferungsschaltung 11 der Stromübertragungsvorrichtung 2, ein.
Die Speicherschaltung 70 ist ein Beispiel für eine Speichereinheit und hat beispielsweise einen nichtflüchtigen Halbleiterspeicher oder einen flüchtigen Halbleiterspeicher und speichert Informationen, die den vorbestimmten Referenzbereich darstellen.
Obwohl 6 ein Beispiel zeigt, in dem die Erfassungsschaltung 45 mit der Bestimmungsschaltung 69 und der Speicherschaltung 70 für jede Erfassungsspule bereitgestellt ist, kann die Erfassungsschaltung 45 mit einer Bestimmungsschaltung 69 und einer Speicherschaltung 70 bereitgestellt sein, die üblicherweise für jede der Vielzahl von Erfassungsspulen 43-1 bis 43-n verwendet werden.
Der Grad der Überlappung zwischen zwei benachbarten Erfassungsspulen wird im Folgenden beschrieben. 7 ist ein Diagramm zur Darstellung des Überlappungsgrades zwischen zwei Erfassungsspulen, die in horizontaler Richtung benachbart sind. In dem in 7 dargestellten Beispiel haben die beiden Erfassungsspulen 43-k und 43-(k+1) die gleiche Größe und Form. Jede der beiden Erfassungsspulen 43-k und 43-(k+1) ist in einer rechteckigen Form gebildet. Bei jeder der beiden Erfassungsspulen 43-k und 43-(k+1) haben zwei horizontale Seiten w1 und w2, die einander zugewandt sind, eine Länge a und zwei vertikale Seiten h1 und h2, die einander zugewandt sind, eine Länge c. Außerdem werden die beiden Erfassungsspulen 43-k und 43-(k+1) jeweils durch eine Wicklung eines Leiters gebildet, der eine Breite t hat. Dann ist die Erfassungsspule 43-(k+1) in Bezug auf die Erfassungsspule 43-k in horizontaler Richtung um einen Abstand (a-b-2t) nach rechts versetzt (wobei b<a). Das heißt, die Breite des Bereichs, der zwischen der rechten Seite h2 der Erfassungsspule 43-k und der linken Seite h1 der Erfassungsspule 43-(k+1) sandwichartig eingeschlossen ist, ist b. Die Anordnung der Erfassungsspule 43-k und die Anordnung der Erfassungsspule 43-(k+1) sind in vertikaler Richtung identisch.
Um eine elektromagnetische Kopplung zwischen der Erfassungsspule 43-k und der Erfassungsspule 43-(k+1) zu verhindern, hebt sich der zwischengeschaltete magnetische Fluss, der von jeder Seite der Erfassungsspule 43-k und der Erfassungsspule 43-(k+1) emittiert wird und durch das Innere der anderen Erfassungsspule 43-k und der Erfassungsspule 43-(k+1) fließt, gegenseitig auf, und als Ergebnis wird die Stärke des zwischengeschalteten magnetischen Flusses Null. Hier wird innerhalb der Erfassungsspule 43-(k+1) ein Bereich, in dem sich die Erfassungsspule 43-k und die Erfassungsspule 43-(k+1) überlappen, als ein Bereich A definiert, und ein Bereich, in dem sich die Erfassungsspule 43-k und die Erfassungsspule 43-(k+1) nicht überlappen, wird als ein Bereich B definiert. Dann sind die Ströme, die durch die Seiten h1, h2, w1 und w2 der Erfassungsspule 43-k fließen, i₁, i₂, i₃ bzw. i₄. Wenn zu diesem Zeitpunkt t«a, b, c ist, dann wird die Bedingung, unter der die Stärke des zwischengeschalteten magnetischen Flusses, der von jeder Seite der Erfassungsspule 43-k emittiert wird und durch das Innere der Erfassungsspule 43-(k+1) fließt, 0 wird, durch die folgende Formel ausgedrückt. $ϕ_{1 A} + ϕ_{2 A} + ϕ_{3 A} + ϕ_{4 A} = ϕ_{2 B} - ϕ_{1 B}$
$ϕ_{1 A} = \frac{μ_{0} \cdot i_{1} \cdot c}{2 \cdot π} \cdot ln (\frac{a}{a - b})$
$ϕ_{1 B} = \frac{μ_{0} \cdot i_{1} \cdot c}{2 \cdot π} \cdot ln (\frac{2 a - b}{a})$
$ϕ_{2 A} = \frac{μ_{0} \cdot i_{2} \cdot c}{2 \cdot π} \cdot ln (\frac{b}{t / 2})$
$ϕ_{2 B} = \frac{μ_{0} \cdot i_{2} \cdot c}{2 \cdot π} \cdot ln (\frac{a - b}{t / 2})$
$ϕ_{3 A} = \frac{μ_{0} \cdot i_{3} \cdot b}{2 \cdot π} \cdot ln (\frac{c}{t / 2})$
$ϕ_{4 A} = \frac{μ_{0} \cdot i_{4} \cdot b}{2 \cdot π} \cdot ln (\frac{c}{t / 2})$
Hier ist Φ_pq der magnetische Fluss, der durch den Strom i_p(p=1, 2, 3, 4) erzeugt wird, der durch die entsprechende Seite der Erfassungsspule 43-k fließt und durch den Bereich q (q=A oder B) fließt. Außerdem ist µ₀ die magnetische Permeabilität des Vakuums. Wenn der Strom, der durch jede Seite der Erfassungsspule 43-k fließt, aufgrund der Symmetrie gleich dem Strom ist, der durch jede Seite der Erfassungsspule 43-(k+1) fließt, und die Formel (1) erfüllt ist, wird die Stärke des zwischengeschalteten magnetischen Flusses, der von jeder Seite der Erfassungsspule 43-(k+1) emittiert wird und durch das Innere der Erfassungsspule 43-k fließt, ebenfalls Null.
Es wird beispielsweise angenommen, dass die Länge jeder Seite der beiden Erfassungsspulen 20 mm beträgt (d.h. a=c=20 mm), die Breite t der Wicklung jeder Erfassungsspule 0,1 mm beträgt und der minimale Abstand zwischen den beiden Wicklungen an dem Abschnitt, an dem sich die Wicklung der Erfassungsspule 43-k und die Wicklung der Erfassungsspule 43-(k+1) überlappen, 0,1 mm beträgt. Dann wird angenommen, dass der Strom, der durch jede Seite der Erfassungsspule 43-k fließt, gleich ist (d. h. il=i2=i3=i4). In diesem Fall beträgt der Wert von b, der die Formel (1) auf der Grundlage der theoretischen Berechnung erfüllt, 2,2 mm. Das heißt, wenn sich die Erfassungsspule 43-k und die Erfassungsspule 43-(k+1) um etwa 11 % der Länge einer Seite der Erfassungsspule 43-k überlappen, sind die beiden Erfassungsspulen nicht mehr elektromagnetisch miteinander gekoppelt und der Kopplungskoeffizient ist Null. Unter der Annahme, dass die Länge jeder Seite der beiden Erfassungsspulen 10 mm beträgt und die anderen Bedingungen die gleichen wie oben sind, beträgt außerdem der Wert von b, der die Formel (1) erfüllt, basierend auf einer theoretischen Berechnung 1,18 mm.
Auch wenn der Kopplungskoeffizient zwischen zwei benachbarten Erfassungsspulen nicht vollständig Null werden kann, kann die gegenseitige elektromagnetische Kopplung bei der Fremdmaterialerfassung weiterhin ignoriert werden, wenn die Änderung der Resonanzeigenschaften aufgrund der elektromagnetischen Kopplung zwischen den beiden Erfassungsspulen ausreichend kleiner ist als die Änderung der Resonanzeigenschaften aufgrund des Vorhandenseins eines Fremdmaterials. Daher ist jede Erfassungsspule so angeordnet, dass sich die beiden Erfassungsspulen in einem Maße überlappen, dass der Kopplungskoeffizient zwischen den beiden benachbarten Erfassungsspulen weniger als 0,02 bis weniger als 0,03 beträgt. Im obigen Beispiel, bei dem die Länge jeder Seite der Erfassungsspule 20 mm beträgt, kann beispielsweise ein vorbestimmter Überlappungsbetrag zwischen zwei benachbarten Erfassungsspulen so eingestellt werden, dass der Wert von b in den Bereich von 1,9 mm bis 2,5 mm fällt.
8 ist ein Diagramm zur Darstellung des Überlappungsgrades zwischen zwei Erfassungsspulen, die in der schrägen Richtung benachbart sind. In dem in 8 gezeigten Beispiel haben, wie das in 7 gezeigte Beispiel, drei Erfassungsspulen 43-k, 43-(k+1) und 43-(k+2) die gleiche Größe und Form. Jede Erfassungsspule ist in einer rechteckigen Form gebildet. Bei jeder Erfassungsspule haben zwei horizontale Seiten w1 und w2, die einander zugewandt sind, eine Länge a und zwei vertikale Seiten h1 und h2, die einander zugewandt sind, eine Länge c. Außerdem wird jede Erfassungsspule durch eine Wicklung eines Leiters gebildet, der eine Breite t hat. Dann ist die Erfassungsspule 43-(k+1) in horizontaler Richtung um einen Abstand (a-b-2t) gegenüber der Erfassungsspule 43-k nach rechts versetzt (wobei b<a). Dieses b ist ein Abstand, bei dem die Erfassungsspule 43-k und die Erfassungsspule 43-(k+1) nicht elektromagnetisch gekoppelt sind. Die Anordnung der Erfassungsspule 43-k und die Anordnung der Erfassungsspule 43-(k+1) sind in vertikaler Richtung gleich. Außerdem ist die Erfassungsspule 43-(k+2) so angeordnet, dass sie sich in horizontaler Richtung in der Mitte zwischen der Erfassungsspule 43-k und der Erfassungsspule 43-(k+1) befindet. Das heißt, die Erfassungsspule 43-(k+2) ist von der Erfassungsspule 43-k bzw. der Erfassungsspule 43-(k+1) entlang der horizontalen Richtung um einen Abstand (a-b-2t)/2 verschoben. Auch in vertikaler Richtung ist die Erfassungsspule 43-(k+2) in Bezug auf jede der Erfassungsspule 43-k und der Erfassungsspule 43-(k+1) um einen Abstand (c-d-2t) nach unten verschoben (wobei d<c). Das heißt, die Breite des Bereichs, der zwischen der unteren Seite w2 der Erfassungsspule 43-k und der oberen Seite w1 der Erfassungsspule 43-(k+2) sandwichartig eingeschlossen ist, ist d.
Um eine elektromagnetische Kopplung zwischen der Erfassungsspule 43-k und der Erfassungsspule 43-(k+2) zu verhindern, hebt sich der zwischengeschaltete magnetische Fluss, der von jeder Seite einer der Erfassungsspulen 43-k und der Erfassungsspule 43-(k+2) emittiert wird und durch das Innere der anderen Erfassungsspule 43-k und der Erfassungsspule 43-(k+2) fließt, gegenseitig auf, und als Ergebnis wird die Stärke des zwischengeschalteten magnetischen Flusses Null. Hier wird innerhalb der Erfassungsspule 43-(k+2) ein Bereich, in dem sich die Erfassungsspule 43-k und die Erfassungsspule 43-(k+2) überlappen, als ein Bereich A definiert, und ein Bereich, in dem sich die Erfassungsspule 43-k und die Erfassungsspule 43-(k+2) nicht überlappen, wird als ein Bereich B definiert. Dann sind die Ströme, die durch die Seiten h1, h2, w1 und w2 der Erfassungsspule 43-k fließen, i₁, i₂, i₃ bzw. i₄. Wenn zu diesem Zeitpunkt t<<a, b, c, d ist, dann wird die Bedingung, unter der der von jeder Seite der Erfassungsspule 43-k emittierte und durch das Innere der Erfassungsspule 43-(k+1) fließende zwischengeschaltete magnetische Fluss 0 wird, durch die folgende Formel ausgedrückt. $ϕ_{1 A} + ϕ_{2 A} + ϕ_{3 A} + ϕ_{4 A} = ϕ_{2 B} + ϕ_{4 B} - ϕ_{1 B} - ϕ_{3 B}$
$ϕ_{1 A} = \frac{μ_{0} \cdot i_{1} \cdot d}{2 \cdot π} \cdot ln (\frac{a - 3 t / 2}{\frac{a}{2} - \frac{b}{2} - \frac{t}{2}}) = \frac{μ_{0} \cdot i_{1} \cdot d}{2 \cdot π} \cdot ln (\frac{2 a}{a - b})$
$ϕ_{1 B} = \frac{μ_{0} \cdot i_{1} \cdot d}{2 \cdot π} \cdot ln (\frac{\frac{3 a}{2} - \frac{b}{2} - \frac{5 t}{2}}{a - \frac{t}{2}}) = \frac{μ_{0} \cdot i_{1} \cdot d}{2 \cdot π} \cdot ln (\frac{3 a - b}{2 a})$
$ϕ_{2 A} = \frac{μ_{0} \cdot i_{2} \cdot d}{2 \cdot π} \cdot ln (\frac{\frac{3 a}{2} + \frac{b}{2} - \frac{t}{2}}{t / 2}) = \frac{μ_{0} \cdot i_{2} \cdot d}{2 \cdot π} \cdot ln (\frac{a - b}{t})$
$ϕ_{2 B} = \frac{μ_{0} \cdot i_{2} \cdot d}{2 \cdot π} \cdot ln (\frac{\frac{a}{2} - \frac{b}{2} - \frac{3 t}{2}}{t / 2}) = \frac{μ_{0} \cdot i_{2} \cdot d}{2 \cdot π} \cdot ln (\frac{a - b}{t})$
$ϕ_{3 A} = \frac{μ_{0} \cdot i_{3} \cdot (a + b - 2 t) / 2}{2 \cdot π} \cdot ln (\frac{c - \frac{3 t}{2}}{c - d - \frac{3 t}{2}}) = \frac{μ_{0} \cdot i_{3} \cdot (a + b - 2 t) / 2}{4 \cdot π} \cdot ln (\frac{c}{c - d})$
$ϕ_{3 B} = \frac{μ_{0} \cdot i_{3} \cdot (a + b - 2 t) / 2}{2 \cdot π} \cdot ln (\frac{2 c - d - \frac{7 t}{2}}{c - \frac{t}{2}}) = \frac{μ_{0} \cdot i_{3} \cdot (a + b - 2 t) / 2}{4 \cdot π} \cdot ln (\frac{2 c - d}{c})$
$ϕ_{4 A} = \frac{μ_{0} \cdot i_{4} \cdot (a + b - 2 t) / 2}{2 \cdot π} \cdot ln (\frac{d}{t / 2}) = \frac{μ_{0} \cdot i_{4} \cdot (a + b) / 2}{4 \cdot π} \cdot ln (\frac{2 d}{t})$
$ϕ_{4 B} = \frac{μ_{0} \cdot i_{4} \cdot (a + b - 2 t) / 2}{2 \cdot π} \cdot ln (\frac{c - d - \frac{5 t}{2}}{t / 2}) = \frac{μ_{0} \cdot i_{4} \cdot (a + b) / 2}{4 \cdot π} \cdot ln (\frac{2 (c - d)}{t})$
Hier ist Φ_pq der magnetische Fluss, der durch den Strom i_p(p=1, 2, 3, 4) erzeugt wird, der durch die entsprechende Seite der Erfassungsspule 43-k fließt und durch den Bereich q (q=A oder B) fließt. Außerdem ist µ₀ die magnetische Permeabilität des Vakuums. Um eine elektromagnetische Kopplung zwischen der Erfassungsspule 43-(k+1) und der Erfassungsspule 43-(k+2) zu verhindern, kann dementsprechend der Abstand d so eingestellt werden, dass die Formel (2) erfüllt ist. Ferner ist die Erfassungsspule 43-(k+2) in der Mitte der Erfassungsspule 43-k und der Erfassungsspule 43-(k+1) in horizontaler Richtung angeordnet, und die Anordnungsbeziehung zwischen der Erfassungsspule 43-(k+2) und der Erfassungsspule 43-k ist die gleiche wie die Anordnungsbeziehung zwischen der Erfassungsspule 43-(k+2) und der Erfassungsspule 43-(k+1) in vertikaler Richtung. Dementsprechend sind die Erfassungsspule 43-(k+1) und die Erfassungsspule 43-(k+2) nicht elektromagnetisch gekoppelt, wenn der Abstand d nicht die Formel (2) erfüllt. Darüber hinaus sind die Erfassungsspulen so angeordnet, dass sich die Erfassungsspule 43-(k+2) und die Erfassungsspule 43-k in vertikaler Richtung um einen vorbestimmten Betrag überlappen, der einem Bereich von etwa einigen Prozent (%) der Länge einer Seite jeder Erfassungsspule entspricht, zentriert auf den Abstand d, mit dem die Formel (2) erfüllt ist, wodurch ermöglicht wird, die elektromagnetische Kopplung zwischen diesen Erfassungsspulen bei der Fremdmaterial-Erfassung zu ignorieren.
Darüber hinaus wurden in einem Fall, in dem die Erfassungsspulen kreisförmig und gleich groß sind, elektromagnetische Feldsimulationen unter der Annahme durchgeführt, dass die Breite der Wicklung jeder Erfassungsspule relativ zu der Länge des Umfangs jeder Erfassungsspule ausreichend klein ist. Wenn sich zwei benachbarte Erfassungsspulen um etwa 25 % des Durchmessers überlappen, ist der Kopplungskoeffizient zwischen den beiden Erfassungsspulen gleich Null. Wenn der Grad der Überlappung zwischen zwei benachbarten Erfassungsspulen innerhalb eines Bereichs von einigen Prozent (%) des Durchmessers liegt, der bei etwa 25 % des Durchmessers zentriert ist, kann dann der Einfluss der elektromagnetischen Kopplung zwischen den beiden Erfassungsspulen auf die Änderung der Resonanzeigenschaften bei Vorhandensein eines Fremdmaterials ignoriert werden. Dementsprechend kann jede der Vielzahl von Erfassungsspulen so angeordnet sein, dass der vorbestimmte Überlappungsbetrag zwischen zwei benachbarten Erfassungsspulen etwa 20 % bis etwa 30 % des Durchmessers der Erfassungsspulen beträgt.
Ferner kann in einem Fall, in dem jede Erfassungsspule eine andere Form als die in dem obigen Beispiel gezeigte hat, eine elektromagnetische Feldsimulation durchgeführt werden, um den vorbestimmten Überlappungsbetrag zu bestimmen, der es ermöglicht, die elektromagnetische Kopplung zwischen zwei benachbarten Erfassungsspulen zu ignorieren.
Wie oben beschrieben schließt die Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung eine Vielzahl von Erfassungsspulen ein, die auf einem Substrat bereitgestellt sind, das zwischen einer Übertragungsspule und einer Empfangsspule angeordnet ist, wenn sich eine Stromübertragungsvorrichtung und eine Stromempfangsvorrichtung in einer Anordnungsbeziehung befinden, die eine Stromübertragung von der Stromübertragungsvorrichtung zur Stromempfangsvorrichtung ermöglicht. Die Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung beliefert jede der Vielzahl von Erfassungsspulen über eine Stromzuführspule, die so angeordnet ist, dass sie elektromagnetisch mit der Vielzahl von Erfassungsspulen gekoppelt ist, mit Wechselstrom und erfasst die Ausgangsspannung entsprechend des zugeführten Wechselstroms für jede Erfassungsspule durch eine Erfassungsschaltung. Dann stellt die Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung fest, dass ein Fremdmaterial zwischen die Übertragungsspule und die Empfangsspule eingetreten ist, wenn die von einer der Erfassungsspulen ausgegebene Spannung von einem vorbestimmten Referenzbereich abweicht. Darüber hinaus ist jede der Vielzahl von Erfassungsspulen so angeordnet, dass zwei benachbarte Erfassungsspulen aus der Vielzahl von Erfassungsspulen um einen vorbestimmten Betrag überlappen, der es ermöglicht, eine gegenseitige elektromagnetische Kopplung bei Betrachtung aus der Normalrichtung des Substrats zu ignorieren. Somit befindet sich das Fremdmaterial, das zwischen die Übertragungsspule und die Empfangsspule eintritt, bei Betrachtung aus der Normalrichtung des Substrats innerhalb einer der Erfassungsspulen, und die Erfassungsspule, deren Resonanzeigenschaften durch das Fremdmaterial verändert werden, wird nicht durch andere Erfassungsspulen beeinflusst. Selbst wenn ein Fremdmaterial, das kleiner ist als die Übertragungsspule und die Empfangsspule, an einer Stelle zwischen die Übertragungsspule und die Empfangsspule eintritt, kann die Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung das Fremdmaterial dennoch erfassen. Daher ist die Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung in der Lage, die Genauigkeit der Erfassung des Fremdmaterials zu verbessern, das zwischen die Übertragungsspule und die Empfangsspule eintritt.
Gemäß einem modifizierten Beispiel kann die Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung 4 an der Stromempfangsvorrichtung 3 angebracht sein. In diesem Fall kann die Stromempfangsvorrichtung 3 ferner ein Schaltelement (nicht gezeigt) parallel zu der Empfangsspule 21 zum Umschalten, ob beide Enden der Empfangsspule 21 kurzgeschlossen werden sollen, und eine Steuerschaltung (nicht gezeigt) zum Umschalten, ob das Schaltelement ein- oder ausgeschaltet werden soll, einschließen. Dann wird ein Signal, das das Fremdmaterial-Erfassungsergebnis von der Erfassungsschaltung 45 anzeigt, an die Steuerschaltung der Stromempfangsvorrichtung 3 ausgegeben, und wenn das Signal anzeigt, dass ein Fremdmaterial zwischen der Übertragungsspule 12 und der Empfangsspule 21 erkannt wurde, schaltet die Steuerschaltung das Schaltelement ein, um beide Enden der Empfangsspule 21 kurzzuschließen. Infolgedessen wird die Stromübertragung von der Stromübertragungsvorrichtung 2 zu der Stromempfangsvorrichtung 3 unterbrochen, um zu verhindern, dass das Fremdmaterial einen Ausfall verursacht.
Ferner können, wie oben beschrieben, die Stromübertragungsvorrichtung 2 und die Stromempfangsvorrichtung 3 jeweils eine Kommunikationsvorrichtung (nicht gezeigt) zur Kommunikation miteinander haben. In diesem Fall, wenn das von der Erfassungsschaltung 45 der Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung 4 empfangene Signal anzeigt, dass ein Fremdmaterial zwischen der Übertragungsspule 12 und der Empfangsspule 21 erfasst wurde, kann die Steuerschaltung der Stromempfangsvorrichtung 3 ein Signal zum Stoppen der Stromübertragung an die Stromübertragungsvorrichtung 2 über die Kommunikationsvorrichtung senden. Die Steuerschaltung der Stromlieferungsschaltung 11 der Stromübertragungsvorrichtung 2 kann die Stromlieferung von der Stromlieferungsschaltung 11 zu der Übertragungsspule 12 stoppen, wenn sie das Signal empfängt, das die Beendigung der Stromübertragung über die Kommunikationsvorrichtung anweist.
Darüber hinaus kann die Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung 4 sowohl an der Stromübertragungsvorrichtung 2 als auch an der Stromempfangsvorrichtung 3 angebracht sein. Das heißt, es können zwei Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtungen 4 zwischen der Übertragungsspule 12 und der Empfangsspule 21 angeordnet sein.
Somit kann der Fachmann verschiedene Modifikationen im Rahmen der Offenbarung gemäß den Ausführungsformen vornehmen.
Bezugszeichenliste

1: Stromübertragungssystem
2: Stromübertragungsvorrichtung
11: Stromlieferungsschaltung
12: Übertragungsspule
3: Stromempfangsvorrichtung
21: Empfangsspule
22: Resonanzkondensator
23: Stromempfangsschaltung
4: Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung
41: Stromlieferungsschaltung
42: Stromzuführspule
43-1 bis 43-n: Erfassungsspule
44-1 bis 44-n: Kondensator
45: Erfassungsschaltung
46: Substrat
51: Gleichstromlieferung
52: Kondensator
53: Wechselrichterschaltung
54: Steuerschaltung
61: Empfangsspule
62: Resonanzkondensator
63: Resonanzschaltung
64: Hochpassfilter
65: Verstärker
66: Halbwellen-Gleichrichtungsschaltung
67: Tiefpassfilter
68: Spannungserfassungsschaltung
69: Bestimmungsschaltung
70: Speicherschaltung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 202152514 [0004]

Claims

Fremdmaterial-Erfassungsvorrichtung (4), umfassend: eine Vielzahl von Erfassungsspulen (43-1 bis 43-n), die an unterschiedlichen Anordnungen zwischen einer Übertragungsspule (12) einer Stromübertragungsvorrichtung (2) und einer Empfangsspule (21) einer Stromempfangsvorrichtung (3) angeordnet sind, durch die Strom kontaktlos übertragen wird; eine Vielzahl von Kondensatoren (44-1 bis 44-n), die für jede der Vielzahl von Erfassungsspulen zusammen mit der Erfassungsspule eine Resonanzschaltung bildet; eine Stromzuführspule (42), die so angeordnet ist, dass sie elektromagnetisch mit jeder der Vielzahl von Erfassungsspulen gekoppelt ist; eine Stromlieferungsschaltung (41), die jeder der Vielzahl von Erfassungsspulen über die Stromzuführspule Wechselstrom mit einer vorbestimmten Frequenz liefert; und eine Erfassungsschaltung (45), die eine von jeder der Vielzahl von Erfassungsspulen ausgegebene Spannung in Bezug auf den zugeführten Wechselstrom erfasst und ein zwischen die Übertragungsspule und die Empfangsspule eintretendes Fremdmaterial entsprechend der erfassten Spannung erfasst, wobei jede der Vielzahl von Erfassungsspulen so angeordnet ist, dass sie um einen vorbestimmten Betrag überlappt, der es erlaubt, elektromagnetische Kopplung zwischen zwei benachbarten der Vielzahl von Erfassungsspulen zu ignorieren.