DE112021001863T5

DE112021001863T5 - Fremdkörperdetektor

Info

Publication number: DE112021001863T5
Application number: DE112021001863.9T
Authority: DE
Inventors: Takanori IMAZAWA; Goro Nakao
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2023-01-26
Also published as: JP7452173B2; JP2021158787A; US20230094624A1; US11982784B2; WO2021192552A1

Abstract

Fremdkörperdetektor, der Detektionsspulen (43-1 bis 43-n) zwischen einer Sendespule (12) in einem Sendegerät (2) und einer Empfangsspule (21) in einem Empfangsgerät (3), eine Energiezufuhrschaltung (41), die jeder Detektionsspule über eine Speisespule (42), die angeordnet ist, dass sie mit jeder Detektionsspule elektromagnetisch gekoppelt ist, Wechselstrom mit einer vorbestimmten Frequenz zuführt, und eine Detektionsschaltung (45), die während Energie, die an die Empfangsspule (21) übertragen werden soll, der Sendespule (12) zugeführt wird, eine Kriteriumsspannung als Kriterium für die Fremdkörperdetektionsausgabe von jeder Detektionsspule, zu Beginn der Energiezufuhr von der Energiezufuhrschaltung (41), detektiert und ein Signal ausgibt, um die Energiezufuhr zu der Sendespule (12) zu unterbrechen, wenn die Kriteriumsspannung für eine beliebige Detektionsspule von einem vorbestimmten Bereich abweicht. Das Sendegerät (2) überträgt die Energie kontaktlos an das Empfangsgerät (3).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fremdkörperdetektor, der Fremdkörper in einem Energieübertragungssystem detektiert, in dem elektrische Energie kontaktlos übertragen wird.
STAND DER TECHNIK
Es wurden Techniken zur kontaktlosen Energieübertragung (auch als drahtlose Energieübertragung bezeichnet) oder zur Übertragung von elektrischer Energie durch den Raum ohne Verwendung von Metallkontakten oder anderen Verbindungen untersucht. Eine bekannte Technik der kontaktlosen Energieübertragung nutzt die elektromagnetische Induktion um Energie zu übertragen. Bei der Energieübertragung durch elektromagnetische Induktion wird eine elektromagnetische Kopplung zwischen einer Primärspule (Übertragungsseite oder Speiseseite) (im Folgenden: Sendespule) und einer Sekundärspule (Empfangsseite) (im Folgenden: Empfangsspule) genutzt, um Energie von der Sendespule zur Empfangsspule zu übertragen.
In einem Energieübertragungssystem, das eine solche kontaktlose Energieübertragungstechnik verwendet, kann sich ein Fremdkörper, z. B. ein Metallgegenstand, zwischen der Sendespule und der Empfangsspule befinden. In diesem Fall könnte der Fremdkörper induktiv erwärmt werden und sich während der Energieübertragung entzünden, oder das Gerät könnte durch die von dem Fremdkörper erzeugte Hitze ausfallen. In einem solchen Energieübertragungssystem kann sich die relative Lagebeziehung zwischen der Sende- und der Empfangsspule während der Energieübertragung ändern, wodurch sich der Grad der Kopplung zwischen der Sende- und der Empfangsspule ändert. Es wurde eine Technik entwickelt, um Störungen durch einen Fremdkörper zwischen der Sende- und der Empfangsspule darzustellen, obwohl deren Kopplungsgrad veränderbar ist (siehe z. B. Patentliteratur 1). Bei dieser Technik bestimmt eine Vorrichtung zur kontaktlosen Energieübertragung, dass sich ein Fremdkörper zwischen der Sendespule in dem entsprechenden Sendegerät und der Empfangsspule in dem entsprechenden Empfangsgerät befindet, wenn die Vorrichtung zur kontaktlosen Energieübertragung nicht mit einer konstanten Spannungsabgabe bei einer beliebigen Frequenz des der Sendespule zugeführten Wechselstroms (AC) arbeitet, der über einen vorbestimmten Frequenzbereich variiert wird.
LISTE ZITIERTER DOKUMENTE
PATENTLITERATUR
Patentliteratur 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2018-207764
KURZDARSTELLUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Ein kleiner Fremdkörper zwischen der Sendespule und der Empfangsspule könnte die Eigenschaften der Energieübertragung von dem Sendegerät zu dem Empfangsgerät nicht verändern und könnte nicht detektierbar sein.
Ein oder mehrere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind auf einen Fremdkörperdetektor mit verbesserter Detektionsgenauigkeit von Fremdkörpern zwischen der Sendespule in dem Sendegerät und der Empfangsspule in dem Empfangsgerät gerichtet.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Fremdkörperdetektor. Der Fremdkörperdetektor umfasst eine Vielzahl von Detektionsspulen an verschiedenen Positionen zwischen einer Sendespule in einem Sendegerät und einer Empfangsspule in einem Empfangsgerät, eine Vielzahl von Kondensatoren, die jeweils zusammen mit einer entsprechenden Detektionsspule der Vielzahl von Detektionsspulen eine Resonanzschaltung ausbilden, eine Speisespule, die gelegen ist, dass sie elektromagnetisch mit jeder der Vielzahl von Detektionsspulen gekoppelt ist, eine Energiezufuhrschaltung, die jeder der Vielzahl von Detektionsspulen über die Speisespule Wechselstrom mit einer vorbestimmten Frequenz zuführt, und eine Detektionsschaltung, die als Antwort auf den zugeführten Wechselstrom von jeder der Vielzahl von Detektionsspulen eine Spannungsabgabe detektiert und auf der Grundlage der detektierten Spannung einen Fremdkörper zwischen der Sendespule und der Empfangsspule detektiert. Das Sendegerät überträgt die Energie kontaktlos an das Empfangsgerät. Die Detektionsschaltung umfasst einen Speicher, der eine Kriteriumsspannung für jede der Vielzahl von Detektionsspulen speichert, eine Steuerung, die während Energie, die zu der Empfangsspule in dem Empfangsgerät übertragen werden soll, der Sendespule zugeführt wird, die Kriteriumsspannungsabgabe von jeder der Vielzahl von Detektionsspulen zu Beginn der Zufuhr mit Wechselstrom mit der vorbestimmten Frequenz von der Energiezufuhrschaltung, detektiert, ein Signal ausgibt, um die Energiezufuhr der Sendespule zu unterbrechen, wenn die Kriteriumsspannung für zumindest eine Detektionsspule der Vielzahl von Detektionsspulen von dem vorbestimmten Bereich abweicht und Kriteriumsspannung für jede der Vielzahl von Detektionsspulen in dem Speicher speichert, wenn die Kriteriumsspannung von jeder der Vielzahl von Detektionsspulen innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt, und eine Bestimmungseinrichtung, die bestimmt, dass sich ein Fremdkörper zwischen der Sendespule und der Empfangsspule befindet, wenn das Verhältnis der detektierten Spannung für zumindest eine Detektionsspule der Vielzahl von Detektionsspulen zu der Kriteriumsspannung für die zumindest eine Detektionsspule von einem vorbestimmten zulässigen Spannungsänderungsverhältnis abweicht.
Der Fremdkörperdetektor gemäß dem obigen Aspekt der vorliegenden Erfindung mit der Struktur kann eine verbesserte Detektionsgenauigkeit von Fremdkörpern zwischen der Sendespule in dem Sendegerät und der Empfangsspule in dem Empfangsgerät aufweisen. Der Fremdkörperdetektor kann verhindern, dass die Kriteriumsspannung ungeeignet eingestellt wird, wenn sich bei dem Einstellen der Kriteriumsspannung bereits ein Fremdkörper zwischen der Sendespule und der Empfangsspule befindet, und somit verhindern, dass ein vorhandener Fremdkörper nicht detektiert wird.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines Energieübertragungssystems mit einem Fremdkörperdetektor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Darstellung des Fremdkörperdetektors.
3 ist eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer Sendespule und eines Substrats, auf dem der Fremdkörperdetektor montiert ist, und zeigt ihre beispielhafte Lagebeziehung.
4 ist eine schematische Draufsicht auf mehrere Detektionsspulen und eine Speisespule, die in dem Fremdkörperdetektor enthalten sind, und zeigt deren beispielhafte Anordnung.
5 ist ein Schaltplan einer beispielhaften Energiezufuhrschaltung.
6 ist ein Schaltplan einer beispielhaften Detektionsschaltung.
7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Position einer Detektionsspule relativ zur Speisespule und dem Grad der Kopplung zwischen den Spulen beschreibt.
8 ist ein Diagramm, das die Messergebnisse zeigt, die die Beziehungen zwischen der Position eines Fremdkörpers und der Spannungsabgabe von jeder Detektionsspule, und zwischen der Position des Fremdkörpers und einem Spannungsänderungsverhältnis, darstellen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird eine Fremdkörperdetektor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Der Fremdkörperdetektor umfasst ein Substrat, das zwischen einer Sendespule in einem Gerät auf der Energieübertragungsseite (im Folgenden einfach als Sendegerät bezeichnet) und einer Empfangsspule in einem Gerät auf der Energieempfangsseite (im Folgenden einfach als Empfangsgerät bezeichnet) angeordnet wird. Das Sendegerät und das Empfangsgerät sind in einem Energieübertragungssystem, in dem elektrische Energie kontaktlos übertragen wird, enthalten. Der Fremdkörperdetektor umfasst auf dem Substrat eine Speisespule zur Energiezufuhr für die Fremdkörperdetektion und mehrere Detektionsspulen, die jeweils kleiner als die Speisespule sind. Die Detektionsspulen befinden sich an verschiedenen Positionen innerhalb der Speisespule und können elektromagnetisch mit der Speisespule gekoppelt werden. Jede der Detektionsspulen kann mit einer Frequenz schwingen, die sich von der Frequenz des Stroms unterscheidet, der der Sendespule in dem Sendegerät zugeführt wird. Die Frequenz, bei der jede Detektionsspule in Resonanz treten kann, ist auch eine Frequenz, bei der weder die Resonanzschaltung einschließlich der Sendespule (bei dem Sendegerät mit einer beliebigen Resonanzschaltung) noch die Resonanzschaltung einschließlich der Empfangsspule in Resonanz tritt. Der Fremdkörperdetektor führt der Speisespule Wechselstrom (AC) mit einer Frequenz zu, bei der die Detektionsspulen in Resonanz schwingen, und detektiert die Spannungsabgabe von jeder der Detektionsspulen. Jeder leitende Fremdkörper, z. B. ein Metallgegenstand, der sich zwischen der Sende- und der Empfangsspule befindet, verändert die Resonanzeigenschaften einer der Detektionsspulen und damit die detektierte Spannung. Der Fremdkörperdetektor überwacht also die detektierte Spannung und bestimmt, dass sich ein Fremdkörper zwischen der Sendespule und der Empfangsspule befindet, wenn die detektierte Spannung von einem vorbestimmten Kriterienbereich zur Bestimmung, dass kein Fremdkörper vorhanden ist, abweicht. Der Fremdkörperdetektor stellt in einem Kalibrierungsprozess eine Spannung als Kriterium ein (im Folgenden einfach als Kriteriumsspannung bezeichnet), um das Vorhandensein eines Fremdkörpers für jede Detektionsspule zu bestimmen, auf Grundlage der Spannungsabgabe von jeder Detektionsspule, als Antwort auf die der Speisespule zugeführte Energie. Der Fremdkörperdetektor legt als Kriterienbereich ein zulässiges Verhältnis der Spannungsänderung für das Verhältnis der detektierten Spannung zur Kriteriumsspannung fest, um die fehlerhafte Detektion eines Fremdkörpers aufgrund der unterschiedlichen Lagebeziehung zwischen jeder Detektionsspule und der Speisespule zu verringern. Während des Kalibrierungsprozesses unterbricht der Fremdkörperdetektor das Einstellen der Kriteriumsspannung, wenn die Spannungsabgabe von einer beliebigen der Detektionsspulen von dem vorbestimmten Anfangseinstellungsbereich abweicht, und unterbricht die Energiezufuhr der Sendespule in dem Sendegerät.
1 ist eine schematische Darstellung des Energieübertragungssystems mit dem Fremdkörperdetektor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 dargestellt, umfasst ein Energieübertragungssystem 1 ein Sendegerät 2, ein Empfangsgerät 3 und einen Fremdkörperdetektor 4. Das Sendegerät 2 und das Empfangsgerät 3 sind in einer Vorrichtung zur kontaktlosen Energieübertragung enthalten, bei der das Sendegerät 2 die elektrische Energie kontaktlos durch den Raum an das Empfangsgerät 3 überträgt. Das Sendegerät 2 umfasst eine Energiezufuhrschaltung 11 und eine Sendespule 12. Das Empfangsgerät 3 umfasst eine Empfangsspule 21, einen Resonanzkondensator 22 und eine Energieempfangsschaltung 23. Das Energieübertragungssystem 1 kann zum Beispiel eine kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung sein, das eine primäre Serien-Sekundär-Serien-Resonanzkondensator-Konfiguration (SS) oder eine primäre Serien-Sekundär-Parallel-Resonanzkondensator-Konfiguration (SP) umfasst. In einem anderen Beispiel kann das Energieübertragungssystem 1 eine kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung sein, die die Resonanz auf der Primärseite nicht nutzt, sondern die Serienresonanz zwischen der Empfangsspule und dem Resonanzkondensator auf der Sekundärseite (NS-Konfiguration) oder eine kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung, die die Resonanz auf der Primärseite nicht nutzt, sondern die Parallelresonanz zwischen der Empfangsspule und dem Resonanzkondensator auf der Sekundärseite (NP-Konfiguration).
Das Sendegerät 2 wird nun beschrieben.
Die Energiezufuhrschaltung 11 führt der Sendespule 12 Wechselstrom zu. Die Energiezufuhrschaltung 11 umfasst zum Beispiel eine Gleichstromzufuhr, die Gleichstrom zuführt, eine Wechselrichterschaltung, die den von der Gleichstromzufuhr zugeführten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, um den Wechselstrom der Sendespule 12 zuzuführen, und eine Steuerschaltung, die die Wechselrichterschaltung steuert. Die Wechselrichterschaltung kann ein Vollbrückenwechselrichter mit vier Schaltelementen (z. B. Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren beziehungsweise MOSFETs) sein, die eine Vollbrückenverbindung ausbilden, oder ein Halbbrückenwechselrichter mit zwei Schaltelementen, die eine Halbbrückenverbindung bilden. Die Steuerschaltung steuert das Ein- und Ausschalten der einzelnen Schaltelemente in der Wechselrichterschaltung, um zu bewirken, dass der der Sendespule 12 zugeführte Wechselstrom eine vorbestimmte Frequenz hat (z. B. der Frequenz, bei der die Resonanzschaltung im Empfangsgerät 3 in Resonanz schwingt). Die Steuerschaltung gibt außerdem, wenn die Energiezufuhr durch die Energiezufuhrschaltung 11 zur Sendespule 12 begonnen wird, ein Signal aus, das den Beginn der Energiezufuhr des Fremdkörperdetektors 4 anzeigt. Die Steuerschaltung unterbricht außerdem die Energiezufuhr der Sendespule 12 von der Energiezufuhrschaltung 11 durch Beibehalten des Aus-Zustandes jedes Schaltelements in der Wechselrichterschaltung, wenn ein Steuersignal des Fremdkörperdetektors 4 anzeigt, dass die Energiezufuhr der Sendespule 12 unterbrochen werden soll oder wenn ein Signal die Detektion eines Fremdkörpers anzeigt. Die Energiezufuhrschaltung 11 kann außerdem einen Gleichspannungswandler zwischen der Gleichstromzufuhr und der Wechselrichterschaltung umfassen. In einem anderen Beispiel kann die Energiezufuhrschaltung 11 anstelle der Gleichstromzufuhr eine Gleichrichterschaltung umfassen, die mit einer Wechselstromzufuhr verbunden ist und den Wechselstrom aus der Wechselstromzufuhr gleichrichtet, und eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung, die mit der Gleichrichterschaltung verbunden ist und den von der Gleichrichterschaltung ausgegebenen Impulsstrom in Gleichstrom umwandelt. In diesem Fall kann die Steuerschaltung beispielsweise die Leistungsfaktorkorrekturschaltung steuern, dass die Spannung der der Wechselrichterschaltung zugeführten Gleichstromleistung angepasst wird, um eine konstante Spannung der Leistung, die von dem Empfangsgerät 3 empfangen wird, zu erhalten.
Die Sendespule 12 überträgt den von der Energiezufuhrschaltung 11 zugeführten Wechselstrom durch den Raum an die Empfangsspule 21 in dem Empfangsgerät 3. Das Sendegerät 2 kann einen Kondensator umfassen, der in Reihe mit der Sendespule 12 zwischen der Sendespule 12 und der Wechselrichterschaltung in der Energiezufuhrschaltung 11 geschaltet ist. Der Kondensator kann verwendet werden, um Gleichstrom zu unterbrechen oder eine Resonanzschaltung auszubilden, die mit der Sendespule 12 in der Frequenz des der Sendespule 12 zugeführten Wechselstroms schwingt.
Das Sendegerät 2 kann außerdem einen Kommunikator umfassen, der ein Signal empfängt, das den Status des Energieempfangs an dem Empfangsgerät 3 anzeigt. In diesem Fall kann die Steuerschaltung in der Energiezufuhrschaltung 11 entsprechend einem Energieempfangsstatus die Ein-Aus-Schaltzeiten der einzelnen Schaltelemente in der Wechselrichterschaltung ändern, um die Frequenz des zu der Sendespule 12 zugeführten Wechselstroms zu ändern.
Die Steuerschaltung in der Energiezufuhrschaltung 11 kann jedes Schaltelement in der Wechselrichterschaltung ausschalten, um die Energiezufuhr von der Energiezufuhrschaltung 11 zu der Sendespule 12 zu unterbrechen, wenn ein Signal von dem Fremdkörperdetektor 4 die Detektion eines Fremdkörpers zwischen der Sendespule 12 und der Empfangsspule 21 anzeigt.
Das Empfangsgerät 3 wird nun beschrieben.
Die Empfangsspule 21 bildet eine Resonanzschaltung mit dem Resonanzkondensator 22 aus. Die Empfangsspule 21 steht in Resonanz mit dem Wechselstrom, der durch die Sendespule 12 in dem Sendegerät 2 fließt, um Energie von der Sendespule 12 zu empfangen. Der Resonanzkondensator 22 kann also in Reihe oder parallel zur Empfangsspule 21 geschaltet werden. Die Resonanzschaltung mit der Empfangsspule 21 und dem Resonanzkondensator 22 gibt Wechselstrom aus, der an die Energieempfangsschaltung 23 abgegeben wird. Die Empfangsspule 21 und die Sendespule 12 können die gleiche oder eine unterschiedliche Anzahl von Windungen haben.
Die Energieempfangsschaltung 23 wandelt den Wechselstrom aus der Resonanzschaltung einschließlich der Empfangsspule 21 und dem Resonanzkondensator 22 in Gleichstrom um und gibt den Gleichstrom an eine Lastschaltung (nicht dargestellt) ab, die mit der Energieempfangsschaltung 23 verbunden ist. Die Energieempfangsschaltung 23 umfasst beispielsweise eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung, die den Wechselstrom aus der Resonanzschaltung in Impulsstrom umwandelt, und einen Glättungskondensator, der die Impulsstromabgabe aus der Vollwellen-Gleichrichterschaltung glättet und den geglätteten Impulsstrom an die Lastschaltung abgibt. Die Energieempfangsschaltung 23 kann ferner ein Voltmeter zum Messen der Spannungsabgabe an die Lastschaltung, einen Kommunikator zum Übertragen eines Signals, das den Status des Energieempfangs anzeigt, wie z. B. die von dem Voltmeter gemessene Spannung, an das Sendegerät 2, ein Schaltelement zum Ein- oder Ausschalten der Verbindung der Energieempfangsschaltung 23 mit der Lastschaltung und eine Steuerschaltung zur Ein-Aus-Steuerung des Schaltelements umfassen.
Der Fremdkörperdetektor 4 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird nun beschrieben. Der Fremdkörperdetektor 4 ist zwischen der Sendespule 12 und der Empfangsspule 21 zu platzieren, die sich in einer Lagebeziehung befinden, in der das Sendegerät 2 Energie an das Empfangsgerät 3 übertragen kann, oder genauer gesagt, in der die Sendespule 12 und die Empfangsspule 21 elektromagnetisch miteinander gekoppelt sein können. Der Fremdkörperdetektor 4 detektiert jeden leitfähigen Fremdkörper, wie z. B. einen Metallgegenstand, zwischen der Sendespule 12 und der Empfangsspule 21.
2 ist eine schematische Darstellung des Fremdkörperdetektors 4. 3 ist eine schematische seitliche Querschnittsansicht der Sendespule 12 und eines Substrats, auf dem der Fremdkörperdetektor 4 montiert ist, und zeigt ihre beispielhafte Lagebeziehung. 4 ist eine schematische Draufsicht auf mehrere Detektionsspulen und eine Speisespule, die in dem Fremdkörperdetektor 4 enthalten sind, und zeigt deren beispielhafte Anordnung.
Wie in 2 gezeigt, umfasst der Fremdkörperdetektor 4 eine Energiezufuhrschaltung 41, eine Speisespule 42, mehrere Detektionsspulen 43-1 bis 43-n (n ist eine ganze Zahl größer oder gleich 2), mehrere Kondensatoren 44-1 bis 44-n und eine Detektionsschaltung 45. Die Energiezufuhrschaltung 41, die Speisespule 42, die Detektionsspulen 43-1 bis 43-n, die Kondensatoren 44-1 bis 44-n und die Detektionsschaltung 45 sind auf einem Substrat 46 montiert, um zwischen der Sendespule 12 und der Empfangsspule 21 angeordnet zu werden, die sich in einer Lagebeziehung befinden, in der die Sendespule 12 und die Empfangsspule 21 elektromagnetisch miteinander gekoppelt werden können. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Substrat 46 an dem Sendegerät 2 angebracht. Die Detektionsschaltung 45 gibt ein Signal, das das Detektionsergebnis eines Fremdkörpers anzeigt, an die Energiezufuhrschaltung 11 in dem Sendegerät 2 aus.
5 ist ein Schaltplan eines Beispiels für die Energiezufuhrschaltung 41. Die Energiezufuhrschaltung 41 umfasst beispielsweise eine Gleichstromzufuhr 51, die Gleichstrom zuführt, einen Kondensator 52, eine Wechselrichterschaltung 53 und eine Steuerschaltung 54, die die Wechselrichterschaltung 53 steuert. Die Energiezufuhrschaltung 41 führt jeder der Detektionsspulen 43-1 bis 43-n über die Speisespule 42 Energie für die Fremdkörperdetektion zu.
Die Speisespule 42 ist mit einer Seite über den Kondensator 52 mit der Wechselrichterschaltung 53 verbunden und mit der anderen Seite geerdet. Die Speisespule 42 und der Kondensator 52 können in umgekehrte Reihenfolge geschaltet werden.
Die Wechselrichterschaltung 53 wandelt den von der Gleichstromzufuhr 51 zugeführten Gleichstrom in Wechselstrom um und führt den Wechselstrom der Speisespule 42 zu. Obwohl die Wechselrichterschaltung 53 in diesem Beispiel ein Halbbrückenwechselrichter mit zwei Schaltelementen (z. B. MOSFETs) ist, die eine Halbbrückenschaltung bilden, kann die Wechselrichterschaltung 53 auch einen Vollbrückenwechselrichter mit vier Schaltelementen umfassen, die eine Vollbrückenschaltung bilden. Die Steuerschaltung 54 steuert das Ein- und Ausschalten jedes Schaltelements in der Wechselrichterschaltung, damit die Wechselstromzufuhr der Speisespule 42 mit einer vorbestimmten Frequenz erfolgt.
Der Wechselstrom, der von der Energiezufuhrschaltung 41 über die Speisespule 42 an jede der Detektionsspulen 43-1 bis 43-n zugeführt wird, kann eine Frequenz haben, die sich von der Frequenz des Wechselstroms unterscheidet, der der Sendespule 12 in dem Sendegerät 2 zugeführt wird. Die Frequenz kann auch eine Frequenz sein, bei der weder die Resonanzschaltung einschließlich der Sendespule 12 (bei dem Sendegerät 2 mit einer beliebigen Resonanzschaltung) noch die Resonanzschaltung einschließlich der Empfangsspule 21 in Resonanz ist. Die Frequenz des von der Energiezufuhrschaltung 41 zugeführten Wechselstroms kann beispielsweise höher sein als die Frequenz des zu der Sendespule 12 zugeführten Wechselstroms (z. B. 85 kHz oder 150 kHz) und kann beispielsweise 13,56 MHz, 27,12 MHz oder 40,68 MHz betragen, was innerhalb der ISM-Funkbänder (Industrie, Wissenschaft und Medizin) liegt. Dadurch wird verhindert, dass der von der Energiezufuhrschaltung 41 zugeführte Wechselstrom die Energieübertragung von dem Sendegerät 2 zum Empfangsgerät 3 beeinträchtigt. Die Frequenz des von der Energiezufuhrschaltung 41 zugeführten Wechselstroms, der auf die vorherige Weise eingestellt wird, kann die Induktivität jeder der im Fremdkörperdetektor 4 enthaltenen Detektionsspulen 43-1 bis 43-n relativ reduzieren. Dadurch kann jede Detektionsspule kleiner sein als die Sendespule 12.
Unter Rückbezug auf die 3 und 4 sind die Speisespule 42 und die Detektionsspulen 43-1 bis 43-n (n = 10 in 4) jeweils ein Verdrahtungsmuster, das sich auf dem Substrat 46 befindet und aus einem leitenden Material wie Metall besteht. Jede Detektionsspule 43-i ist mit dem entsprechenden Kondensator 44-i (i = 1, 2, ..., n) verbunden, um eine Resonanzschaltung auszubilden. Die Induktivität jeder Detektionsspule und die Kapazität jedes Kondensators können eingestellt werden, um eine Resonanz der Resonanzschaltung, die die Detektionsspule und den Kondensator umfasst, bei der Frequenz des der Sendespule 12 zugeführten Wechselstroms zu vermeiden. Jede Resonanzschaltung in dem Fremdkörperdetektor 4 schwingt also nicht mit dem Wechselstrom mit, der von dem Sendegerät 2 zu dem Empfangsgerät 3 übertragen wird. Der Fremdkörperdetektor 4 kann somit verhindern, dass der von dem Sendegerät 2 an das Empfangsgerät 3 übertragene Wechselstrom die Detektion von einem beliebigen Fremdkörper beeinträchtigt. Die Induktivität jeder Detektionsspule und die Kapazität jedes Kondensators können eingestellt werden, um die Resonanzschaltung einschließlich der Detektionsspule und des Kondensators mit der Frequenz des Wechselstroms in Resonanz zu bringen, der von der Energiezufuhrschaltung 41 über die Speisespule 42 zugeführt wird. Dadurch wird der Verlust von Wechselstromleistung, die von der Energiezufuhrschaltung 41 über die Speisespule 42 zugeführt wird, verringert, bevor die Wechselstromleistung die Detektionsschaltung 45 erreicht. Der Fremdkörperdetektor 4 kann somit eine Verringerung der Detektionsgenauigkeit von Fremdkörpern vermeiden. Jede Resonanzschaltung kann eine Resonanzfrequenz aufweisen, die sich von der Frequenz des von der Energiezufuhrschaltung 41 zugeführten Wechselstroms unterscheidet, wenn die Spannung, die des von der Energiezufuhrschaltung 41 zugeführten Wechselstroms entspricht, von jeder Detektionsspule an die Detektionsschaltung 45 abgegeben wird.
Das Substrat 46 ist gelegen, dass die Richtung dessen Normalen im Wesentlichen parallel zu der Mittelachse der Sendespule 12 verläuft. Der Außendurchmesser der Speisespule 42 kann in der Normalrichtung des Substrats 46, genauer gesagt in der Richtung der Mittelachse der Sendespule 12, größer oder etwa gleich dem Profil der Sendespule 12 sein. Die Sendespule 12 kann, bei Betrachtung in der Normalrichtung des Substrats 46, innerhalb der Speisespule 42 gelegen sein. Jede der Detektionsspulen 43-1 bis 43-n ist kleiner als die Speisespule 42 und ist gelegen, dass sie an verschiedenen Positionen innerhalb der Speisespule 42, in der Normalrichtung des Substrats 46 gesehen, elektromagnetisch mit der Speisespule 42 gekoppelt ist. Dadurch kann die Speisespule 42 jeder Detektionsspule zuverlässig Energie für die Fremdkörperdetektion zuführen. Jede Detektionsspule schwingt also zusammen mit dem entsprechenden Kondensator mit dem Wechselstrom, der von der Energiezufuhrschaltung 41 über die Speisespule 42 zugeführt wird, um die Spannung für den Wechselstrom an die Detektionsschaltung 45 abzugeben. Wenn jede der Detektionsspulen von der Speisespule 42 mit Energie versorgt werden kann, können eine oder mehrere der Detektionsspulen außerhalb der Speisespule 42 angeordnet sein oder die Speisespule 42 in normaler Richtung des Substrats 46 gesehen überlappen.
Obwohl die Detektionsspulen in dem in 4 gezeigten Beispiel versetzt angeordnet sind, können die Detektionsspulen auch auf andere Weise, z. B. in einem Gitter, angeordnet sein. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Detektionsspulen kann sich von dem Abstand zwischen einem anderen Paar benachbarter Detektionsspulen unterscheiden. In einem anderen Beispiel können die Detektionsspulen gleichmäßig voneinander beabstandet sein.
Jede der Detektionsspulen 43-1 bis 43-n kann elektromagnetisch miteinander gekoppelt sein oder ohne die Speisespule 42 nicht elektromagnetisch miteinander gekoppelt sein. Die Detektionsspulen können voneinander beabstandet sein, um eine elektromagnetische Kopplung miteinander zu vermeiden. In diesem Fall hat die Spannungsabgabe von jeder Detektionsspule an die Detektionsschaltung 45 vernachlässigbare Auswirkungen auf andere Detektionsspulen. Dadurch kann eine Detektionsspule der Detektionsspulen, in der Nähe eines Fremdkörpers, eine Spannung an die Detektionsschaltung 45 abgeben, die als Antwort auf den Fremdkörper stärker schwankt. So kann der Fremdkörperdetektor 4 einschließlich der Detektionsspulen, die voneinander beabstandet sind, um eine elektromagnetische Kopplung miteinander zu vermeiden, eine verbesserte Detektionsgenauigkeit von Fremdkörpern aufweisen.
In einem anderen Beispiel können die Detektionsspulen nahe beieinander liegen, um elektromagnetisch miteinander gekoppelt zu sein. In diesem Fall befindet sich jede Detektionsspule in einem kürzeren Abstand zu der Detektionsspule, die einem Fremdkörper am nächsten ist. Dies erhöht für einen beliebigen Fremdkörper die Schwankungen in der Spannung, die von jeder der Detektionsspulen an die Detektionsschaltung 45 abgegeben wird. Somit kann der Fremdkörperdetektor 4 einschließlich der Detektionsspulen, die nahe beieinander liegen, um elektromagnetisch miteinander gekoppelt zu sein, auch eine verbesserte Detektionsgenauigkeit von Fremdkörpern aufweisen.
Im Beispiel von 4 sind die Speisespule 42 und die Detektionsspulen 43-1 bis 43-n auf der gleichen Oberfläche des Substrats 46 gelegen. In einem anderen Beispiel können die Speisespule 42 und die Detektionsspulen 43-1 bis 43-n auf verschiedenen Oberflächen auf dem Substrats 46 gelegen sein. In einem weiteren Beispiel können einige der Detektionsspulen 43-1 bis 43-n auf derselben Oberfläche wie die Speisespule 42 gelegen sein und die anderen der Detektionsspulen 43-1 bis 43-n auf einer anderen Oberfläche als die Speisespule 42 gelegen sein.
Obwohl jede der Detektionsspulen 43-1 bis 43-n in dem in 4 dargestellten Beispiel im Wesentlichen kreisförmig ist, können die Detektionsspulen beispielsweise elliptisch oder rechteckig sein, anstatt kreisförmig. Die Form und Größe jeder der Detektionsspulen 43-1 bis 43-n kann gleich oder voneinander verschieden sein. Jede der Detektionsspulen 43-1 bis 43-n kann, gesehen in der zentralen axialen Richtung der Sendespule 12, kleiner sein als die Sendespule 12. Ein Fremdkörper, der kleiner als die Sendespule 12 ist und sich zwischen der Sendespule 12 und der Empfangsspule 21 befindet, kann somit leicht auf eine der Detektionsspulen 43-1 bis 43-n einwirken, so dass der Fremdkörperdetektor 4 ein solches kleines Objekt akkurat detektieren kann.
Die Detektionsschaltung 45 detektiert die Spannung der Wechselstromleistung, die von jeder der Detektionsspulen 43-1 bis 43-n abgegeben wird, und detektiert auf Grundlage der detektierten Spannung jeden Fremdkörper zwischen der Sendespule 12 und der Empfangsspule 21.
In der vorliegenden Ausführungsform beeinflusst der von dem Sendegerät 2 an das Empfangsgerät 3 übertragene Wechselstrom die Übertragung des Wechselstroms von der Energiezufuhrschaltung 41 an die Detektionsschaltung 45 über die Speisespule 42 und eine der Detektionsspulen 43-1 bis 43-n nicht. Jeder Fremdkörper zwischen der Sendespule 12 und der Empfangsspule 21 verändert die Resonanzeigenschaften einer Detektionsspule der Detektionsspulen 43-1 bis 43-n in der Nähe des Fremdkörpers. Der Fremdkörper beeinflusst somit die Übertragung von Wechselstromleistung von der Energiezufuhrschaltung 41 zu der Detektionsschaltung 45 durch die Detektionsspule in der Nähe des Fremdkörpers. Dies verursacht eine Änderung der Spannung, die von der Detektionsspule in der Nähe des Fremdkörpers abgegeben und von der Detektionsschaltung 45 detektiert wird. Wenn sich beispielsweise ein Metallgegenstand in der Nähe einer Detektionsspule befindet, die einen Strom einer zugeführten Wechselstromleistung führt, induziert der magnetische Fluss, der durch den Strom nahe der Detektionsspule erzeugt wird, Wirbelströme in dem Metallgegenstand und verursacht somit Verluste. Der durch die Wirbelströme erzeugte magnetische Fluss reduziert die Induktivität der Detektionsspule. Im Speziellen kann ein magnetischer Metallgegenstand eine kleinere Änderung der Induktivität bewirken, allerdings einen relativ großen Verlust verursachen. Dadurch ändert sich die Resonanzcharakteristik der Resonanzschaltung einschließlich der Detektionsspule. Die Detektionsschaltung 45 bestimmt somit für jede der Detektionsspulen 43-1 bis 43-n, ob die Spannungsabgabe der Detektionsspule innerhalb eines vorbestimmten Kriterienbereichs liegt, und bestimmt, dass sich ein Fremdkörper zwischen der Sendespule 12 und der Empfangsspule 21 befindet, wenn die Spannung von dem vorbestimmten Kriterienbereich abweicht. In der vorliegenden Ausführungsform wird der vorbestimmte Kriterienbereich für jede Detektionsspule festgelegt. Der vorbestimmte Kriterienbereich wird später im Detail beschrieben.
6 ist ein Schaltplan eines Beispiels für die Detektionsschaltung 45. Die Detektionsschaltung 45 umfasst eine Resonanzschaltung 63 mit einer Empfangsspule 61 und Resonanzkondensatoren 62, einen Hochpassfilter 64, einen Verstärker 65, eine Einweggleichrichterschaltung 66, einen Tiefpassfilter 67, eine Spannungsdetektionsschaltung 68, eine Bestimmungsschaltung 69, eine Speicherschaltung 70 und eine Steuerschaltung 71. Anders als in der in 6 gezeigten Konfiguration kann die Detektionsschaltung 45 eine beliebige Schaltungskonfiguration aufweisen, die die Detektion der Spannung der Wechselstromleistung von jeder Detektionsspule und die Bestimmung, ob die detektierte Spannung von dem vorbestimmten Kriterienbereich abweicht, ermöglicht.
Die Konfiguration der Detektionsschaltung 45 kann für jede Detektionsspule gleich sein, und somit zeigt 6 die Konfiguration der Detektionsschaltung 45 für eine Detektionsspule. Die Detektionsschaltung 45 kann eine einzelne Bestimmungsschaltung 69, eine einzelne Speicherschaltung 70 und eine einzelne Steuerschaltung 71 umfassen, die gemeinsam von jeder der Detektionsspulen 43-1 bis 43-n verwendet werden. Bei der Bestimmungsschaltung 69, der Speicherschaltung 70 und der Steuerschaltung 71 kann es sich um getrennte Schaltungen handeln, oder zwei oder alle der Bestimmungsschaltung 69, der Speicherschaltung 70 und der Steuerschaltung 71 können in einer einzigen integrierten Schaltung enthalten sein.
Die Resonanzschaltung 63 detektiert Wechselstrom, der von der Energiezufuhrschaltung 41 zugeführt und durch die Speisespule 42 und die entsprechende Detektionsspule der Detektionsspulen 43-1 bis 43-n übertragen wird. Die Empfangsspule 61 in der Resonanzschaltung 63 ist somit angeordnet, um elektromagnetisch mit der entsprechenden Detektionsspule der Detektionsspulen 43-1 bis 43-n gekoppelt zu sein. Die Induktivität der Empfangsspule 61 und die Kapazität der Resonanzkondensatoren 62 sind eingestellt, um zu bewirken, dass die Resonanzschaltung 63 mit dem von der Energiezufuhrschaltung 41 zugeführten Wechselstrom in Resonanz tritt. Obwohl in 6 zwei Resonanzkondensatoren 62 parallel zur Empfangsspule 61 geschaltet sind, kann die Resonanzschaltung 63 außer den beiden Resonanzkondensatoren 62 auch einen Resonanzkondensator 62 oder drei oder mehr Resonanzkondensatoren 62 umfassen. Die Empfangsspule 61 und der Resonanzkondensator 62 können in Reihe geschaltet werden.
Der Hochpassfilter 64 ist zwischen die Resonanzschaltung 63 und den Verstärker 65 geschaltet, um Rauschkomponenten mit einer Frequenz unterhalb der Frequenz des von dem Energiezufuhrschaltung 41 gelieferten Wechselstroms, des von der Resonanzschaltung 63 empfangenen Wechselstroms abzuschwächen. Der Verstärker 65 ist zwischen den Hochpassfilter 64 und die Einweggleichrichterschaltung 66 geschaltet, um die Wechselstromleistungsabgabe des Hochpassfilters 64 zu verstärken.
Die Einweggleichrichterschaltung 66 ist zwischen den Verstärker 65 und den Tiefpassfilter 67 geschaltet, um die verstärkte Wechselstromleistungsabgabe des Verstärkers 65 durch Einweggleichrichtung in eine Impulsstromleistung umzuwandeln. Der Tiefpassfilter 67 ist zwischen die Einweggleichrichterschaltung 66 und die Spannungsdetektionsschaltung 68 geschaltet, um die Impulsstromleistungsabgabe der Einweggleichrichterschaltung 66 zu glätten und die geglättete Leistung in Gleichstromleistung umzuwandeln.
Die Spannungsdetektionsschaltung 68 ist mit dem Tiefpassfilter 67 verbunden, um die Spannung der Gleichstromleistungsabgabe des Tiefpassfilters 67 zu detektieren. Die Spannungsdetektionsschaltung 68 gibt dann die detektierte Spannung an die Bestimmungsschaltung 69 aus. Die Spannungsdetektionsschaltung 68 kann eine beliebige Spannungsdetektionsschaltung sein, die eine Gleichspannung detektieren kann.
Die Bestimmungsschaltung 69 ist ein Beispiel einer Bestimmungseinrichtung, die eine Wandlerschaltung, die die Spannung, die von der Spannungsdetektionsschaltung 68 empfangen wurde, in einen Signalwert umwandelt und eine arithmetische Schaltung umfasst, die bestimmt, ob der Signalwert innerhalb des vorbestimmten Kriterienbereichs liegt. Die Bestimmungsschaltung 69 bestimmt in einem Fremdkörperdetektionsprozess, ob die für jede Detektionsspule detektierte Spannung innerhalb des vorbestimmten Kriterienbereichs liegt. Wenn die detektierten Spannungen für alle Detektionsspulen innerhalb des vorbestimmten Kriterienbereichs liegen, bestimmt die Bestimmungsschaltung 69, dass sich kein Fremdkörper zwischen der Sendespule 12 und der Empfangsspule 21 befindet. Wenn die detektierten Spannungen für eine beliebige der Detektionsspulen von dem vorbestimmten Kriterienbereich abweichen, bestimmt die Bestimmungsschaltung 69, dass sich ein Fremdkörper zwischen der Sendespule 12 und der Empfangsspule 21 befindet. Die Bestimmungsschaltung 69 gibt dann ein Signal, das das Detektionsergebnis eines Fremdkörpers anzeigt, über die Steuerschaltung 71 an die Energiezufuhrschaltung 11 in dem Sendegerät 2 aus.
In der vorliegenden Ausführungsform haben die Detektionsspulen 43-1 bis 43-n ihre jeweiligen Kriteriumsspannungen. Ein Bereich von Spannungswerten, der sich aus der Multiplikation jeder Kriteriumsspannung mit einem voreingestellten zulässigen Verhältnis (z. B. 0,8 bis 1,2) der Spannungsänderung ergibt, wird als der vorbestimmte Kriterienbereich festgelegt. Mit anderen Worten: Jede Detektionsspule hat einen anderen vorbestimmten Kriterienbereich. Auf diese Weise werden die vorbestimmten Kriterienbereiche für die jeweiligen Detektionsspulen, die jeweils einen unterschiedlichen Kopplungsgrad mit der Speisespule 42 aufweisen, entsprechend eingestellt. In diesem Beispiel umfasst der vorbestimmte Kriterienbereich sowohl die untere als auch die obere Grenze der Spannung, die zur Bestimmung des Nichtvorhandenseins von Fremdkörpern verwendet wird. In einem anderen Beispiel kann der vorgegebene Kriterienbereich nur die untere Grenze oder nur die obere Grenze der Spannung umfassen, die zur Bestimmung des Nichtvorhandenseins von Fremdkörpern verwendet wird.
Die Bestimmungsschaltung 69 bestimmt, dass kein Fremdkörper detektiert wird, wenn die Spannungsänderungsverhältnisse für alle Detektionsspulen innerhalb des zulässigen Spannungsänderungsverhältnisses liegen. Das Spannungsänderungsverhältnis bezieht sich auf das Verhältnis der Spannung zur Kriteriumsspannung, die von jeder Detektionsspule bei der Fremdkörperdetektion durch den Fremdkörperdetektor 4 ausgegeben wird. Wenn das Spannungsänderungsverhältnis für eine beliebige der Detektionsspulen von dem zulässigen Spannungsänderungsverhältnis abweicht, bestimmt die Bestimmungsschaltung 69, dass ein Fremdkörper erkannt wurde.
Die Speicherschaltung 70 ist ein Beispiel für einen Speicher, der z.B. einen nichtflüchtigen Halbleiterspeicher oder einen flüchtigen Halbleiterspeicher umfasst, um Informationen zu speichern, die den vorbestimmten Kriterienbereich für jede der Detektionsspulen 43-1 bis 43-n angeben, wie z.B. die Kriteriumsspannung und das zulässige Spannungsänderungsverhältnis. Die Speicherschaltung 70 speichert auch den vorbestimmten Anfangseinstellungsbereich, der im Kalibrierungsprozess verwendet wird.
Die Steuerschaltung 71 ist ein Beispiel für eine Steuerung, die beispielsweise eine arithmetische Schaltung zur Bestimmung, ob der Signalwert, der die von der Bestimmungsschaltung 69 empfangene Spannung repräsentiert, innerhalb des vorbestimmten Anfangseinstellungsbereichs liegt und eine Kommunikationsschaltung zur Kommunikation mit der Energiezufuhrschaltung 11 in dem Sendegerät 2 umfasst.
Bei dem Kalibrierungsprozess vergleicht die Steuerschaltung 71 für jede der Detektionsspulen 43-1 bis 43-n den vorbestimmten Anfangseinstellungsbereich mit der Spannungsabgabe, die von der Detektionsspule als Antwort auf die Energie, die der Detektionsspule von der Energiezufuhrschaltung 41 über die Speisespule 42 zugeführt wird. Wenn die von jeder Detektionsspule ausgegebene Spannungsabgabe innerhalb des vorbestimmten Anfangseinstellungsbereichs liegt, speichert die Steuerschaltung 71 die Spannung als Kriteriumsspannung der Detektionsspule zur Bestimmung des Vorhandenseins eines Fremdkörpers in der Speicherschaltung 70 und beendet dann den Kalibrierungsprozess. Nach dem Kalibrierungsprozess startet die Steuerschaltung 71 den Fremdkörperdetektionsprozess. Weicht die Spannungsabgabe von einer beliebigen der Detektionsspulen von dem vorbestimmten Anfangseinstellungsbereich ab, so kann sich bei dem Kalibrierungsprozess bereits ein beliebiger Fremdkörper zwischen der Sendespule 12 und der Empfangsspule 21 befinden. In diesem Fall gibt die Steuerschaltung 71 ein Steuersignal an die Energiezufuhrschaltung 11 in dem Sendegerät 2 aus, um die Energiezufuhr der Sendespule 12 zu unterbrechen. Der Fremdkörperdetektor 4 kann somit verhindern, dass die Kriteriumsspannung bei Vorhandensein eines Fremdkörpers im Kalibrierungsprozess falsch eingestellt wird und somit das Vorhandensein eines Fremdkörpers nicht detektiert werden kann. Der Fremdkörperdetektor 4 kann auch verhindern, dass bei Vorhandensein eines Fremdkörpers, fortlaufend Energie von dem Sendegerät 2 an das Empfangsgerät 3 zugeführt wird.
Der Kalibrierungsprozess kann durchgeführt werden, wenn sich kein Fremdkörper zwischen der Sendespule 12 und der Empfangsspule 21 befindet. So wird beispielsweise unmittelbar nach Beginn der Energiezufuhr von dem Sendegerät 2 zu dem Empfangsgerät 3 kein Fremdkörper erwartet. In der vorliegenden Ausführungsform gibt die Steuerschaltung 71 daher als Antwort auf ein Signal von der Energiezufuhrschaltung 11 in dem Sendegerät 2, das anzeigt, dass die Energiezufuhr der Sendespule 12 begonnen hat, ein Steuersignal an die Energiezufuhrschaltung 41 im Fremdkörperdetektor 4 aus, um die Energiezufuhr der Speisespule 42 zu starten, damit der Fremdkörperdetektor 4 den Kalibrierungsprozess startet.
7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Position einer Detektionsspule relativ zu der Speisespule 42 und ihrem Kopplungsgrad beschreibt. In diesem Beispiel ist die Speisespule 42 im Wesentlichen kreisförmig und hat einen Radius von 100 mm. Eine Detektionsspule 43-j ist im Wesentlichen kreisförmig und hat einen Radius von 10 mm. Die horizontale Achse des in 7 dargestellten Diagramms stellt einen Abstand x von der Mitte der Speisespule 42 zu der Mitte der Detektionsspule 43-j dar, die radial von der Mitte der Speisespule 42 näher an die Speisespule 42 herangeführt wird. Die vertikale Achse des in 7 dargestellten Diagramms stellt den Grad der Kopplung zwischen der Speisespule 42 und der Detektionsspule 43-j dar. Ein Graph 700 stellt die Beziehung zwischen dem Abstand x von der Mitte der Speisespule 42 zu der Mitte der Detektionsspule 43-j und dem Kopplungsgrad der Speisespule 42 und der Detektionsspule 43-j dar. Wie aus dem Graph 700 hervorgeht, ist die Detektionsspule 43-j, die weiter von der Mitte der Speisespule 42 entfernt ist, oder genauer gesagt, näher an der Speisespule 42 liegt, stärker mit der Speisespule 42 gekoppelt. Je größer der Kopplungsgrad, desto mehr Energie wird von der Speisespule 42 an die Detektionsspule 43-j abgegeben. Die höhere Energiezufuhr erhöht die Spannungsabgabe der Detektionsspule 43-j an die Detektionsschaltung 45. Dies bedeutet, dass sich die Spannungsabgabe von der Detektionsspule 43-j an die Detektionsschaltung 45 in Abhängigkeit von der Position der Detektionsspule 43-j relativ zu der Speisespule 42 ändert.
8 ist ein Diagramm, das die durch ein Experiment ermittelten Messergebnisse zeigt und die Beziehungen zwischen der Position eines Fremdkörpers und der Spannungsabgabe von jeder Detektionsspule und zwischen der Position des Fremdkörpers und dem Spannungsänderungsverhältnis zeigt. Die Messergebnisse zeigen die Beziehung zwischen der Spannungsabgabe von jeder Detektionsspule (Detektionsspulen 43-p, 43-q, 43-r und 43-s), die auf einer Linie 800 gelegen sind, und dem Spannungsänderungsverhältnis für einen Fremdkörper, der sich zu verschiedenen Positionen entlang der Linie 800 bewegt, die sich in einer Richtung einschließlich der Mitte der Speisespule 42 erstreckt.
In jedem der oberen und unteren Diagramme in 8 stellt die horizontale Achse die Position des Fremdkörpers entlang der Linie 800 dar. Die vertikale Achse des oberen Diagramms stellt die Spannungsabgabe von jeder Detektionsspule dar. Die vertikale Achse des unteren Diagramms stellt das Spannungsänderungsverhältnis dar. Die Graphen 801 bis 804 im oberen Diagramm stellen jeweils die Beziehung zwischen der Position des Fremdkörpers und der Spannungsabgabe von jeder der Detektionsspulen 43-p, 43-q, 43-r und 43-s dar. Die Graphen 811 bis 814 im unteren Diagramm stellen jeweils die Beziehung zwischen der Position des Fremdkörpers und dem Spannungsänderungsverhältnis dar, das für die Spannungsabgabe jeder der Detektionsspulen 43-p, 43-q, 43-r und 43-s berechnet wurde. Eine Position x1 ist die Mitte der Detektionsspule 43-p, eine Position x2 ist die Mitte der Detektionsspule 43-q, eine Position x3 ist die Mitte der Detektionsspule 43-r und eine Position x4 ist die Mitte der Detektionsspule 43-s.
Die Diagramme 801 bis 804 zeigen, dass die Spannungsabgabe für jede der Detektionsspulen abnimmt, wenn sich der Fremdkörper der Detektionsspule nähert, wobei die Spannungsabgabe der Detektionsspule minimal ist, wenn sich der Fremdkörper in der Mitte der Detektionsspule befindet. Jede Detektionsspule ist jedoch unterschiedlich weit von der Speisespule 42 entfernt und gibt daher eine andere Spannungsabgabe (nämlich die Kriteriumsspannung) aus, wenn die Detektionsspule weit genug von dem Fremdkörper entfernt ist, um für den Fremdkörper unempfindlich zu sein. Wenn also dasselbe Bestimmungskriterium für die Fremdkörperdetektion für verschiedene Detektionsspulen verwendet wird, kann es vorkommen, dass einige Detektionsspulen fälschlicherweise einen Fremdkörper detektieren, der gar nicht vorhanden ist, oder dass sie einen vorhandenen Fremdkörper nicht detektieren.
Wie aus den Graphen 811 bis 814 hervorgeht, variiert das Spannungsänderungsverhältnis zwischen den Detektionsspulen dagegen nicht stark, wenn sich ein Fremdkörper in der Nähe der Detektionsspulen befindet. Ebenso variiert das Spannungsänderungsverhältnis zwischen den Detektionsspulen nicht stark, wenn die Detektionsspulen weit genug von einem Fremdkörper entfernt sind, um für den Fremdkörper unempfindlich zu sein. Die Einstellung einer Kriteriumsspannung für jede Detektionsspule und die Bestimmung des Vorhandenseins eines Fremdkörpers auf der Grundlage des Spannungsänderungsverhältnisses ermöglichen es dem Fremdkörperdetektor 4, jeden Fremdkörper unabhängig von der relativen Lagebeziehung zwischen jeder Detektionsspule und der Speisespule genau zu detektieren.
Wie oben beschrieben, umfasst der Fremdkörperdetektor mehrere Detektionsspulen auf dem Substrat, die zwischen der Sendespule und der Empfangsspule zu platzieren sind und sich in einer Lagebeziehung befinden, in der das Sendegerät Energie an das Empfangsgerät übertragen kann. Der Fremdkörperdetektor führt jeder Detektionsspule über die Speisespule, die elektromagnetisch mit den Detektionsspulen gekoppelt ist, Wechselstrom zu und detektiert für jede Detektionsspule die Spannungsabgabe als Antwort auf den mit der Detektionsschaltung zugeführten Wechselstrom. Der Fremdkörperdetektor bestimmt, dass sich ein Fremdkörper zwischen der Sendespule und der Empfangsspule befindet, wenn die Spannungsabgabe von einer beliebigen der Detektionsspulen von dem vorgegebenen Kriterienbereich abweicht. Der Fremdkörperdetektor kann somit jeden Fremdkörper, der kleiner als die Sendespule oder die Empfangsspule ist, genau erkennen. Der Fremdkörperdetektor hat somit eine verbesserte Detektionsgenauigkeit von Fremdkörpern. Der Fremdkörperdetektor setzt auch die Spannungsabgabe von jeder Detektionsspule, wenn kein Fremdkörper vorhanden ist, als Kriteriumsspannung fest und bestimmt, ob die Spannungsabgabe innerhalb des vorbestimmten Kriterienbereichs liegt, basierend auf dem Spannungsänderungsverhältnis, das das Verhältnis der Spannungsabgabe im Fremdkörperdetektionsprozess zu der Kriteriumsspannung ist. Der Fremdkörperdetektor kann somit Fremdkörper unabhängig von der relativen Lagebeziehung zwischen jeder Detektionsspule und der Speisespule genau detektieren. Zusätzlich eliminiert der Fremdkörperdetektor die Kriterieneinstellung für jede Detektionsspule, um das Vorhandensein eines Fremdkörpers zu bestimmen, was die Komplexität der Kriterieneinstellung für die Bestimmung des Vorhandenseins eines Fremdkörpers verringert. Der Fremdkörperdetektor detektiert Fremdkörper mit Hilfe von Wechselstrom, der getrennt von dem Wechselstrom, der von dem Sendegerät an das Empfangsgerät übertragen wird, zugeführt wird, und detektiert somit Fremdkörper, ohne von der Energieübertragung von dem Sendegerät an das Empfangsgerät beeinflusst zu werden. Während des Kalibrierungsprozesses unterbricht der Fremdkörperdetektor das Einstellen der Kriteriumsspannung, wenn die Spannungsabgabe von einer beliebigen der Detektionsspulen von dem vorbestimmten Anfangseinstellungsbereich abweicht, und unterbricht die Zufuhr der Energie der Sendespule in dem Sendegerät. Der Fremdkörperdetektor kann somit verhindern, dass die Kriteriumsspannung bei Vorhandensein eines Fremdkörpers im Kalibrierungsprozess falsch eingestellt wird, so dass das Vorhandensein eines Fremdkörpers nicht detektiert wird, und dass bei Vorhandensein eines Fremdkörpers fortlaufend Energie von dem Sendegerät an das Empfangsgerät zugeführt wird.
In einer Modifikation kann der Fremdkörperdetektor 4 an dem Empfangsgerät 3 angebracht werden. In diesem Fall kann das Empfangsgerät 3 außerdem parallel zu der Empfangsspule 21 ein Schaltelement (nicht dargestellt) zum Umschalten zwischen Kurzschließen oder Öffnen des Schaltkreises zwischen den beiden Enden der Empfangsspule 21 und eine Steuerschaltung (nicht dargestellt) zum Ein- oder Ausschalten des Schaltelements umfassen. Das Signal, das das Detektionsergebnis eines Fremdkörpers von der Detektionsschaltung 45 anzeigt, wird an die Steuerschaltung in dem Empfangsgerät 3 ausgegeben. Als Antwort auf das Signal, das die Detektion eines Fremdkörpers zwischen der Sendespule 12 und der Empfangsspule 21 anzeigt, schaltet die Steuerschaltung das Schaltelement ein und schließt den Schaltkreis zwischen den beiden Enden der Empfangsspule 21 kurz. Dadurch wird die Energieübertragung von dem Sendegerät 2 zu dem Empfangsgerät 3 unterbrochen, so dass eine Störung aufgrund eines Fremdkörpers verhindert wird.
Wie oben beschrieben, können das Sendegerät 2 und das Empfangsgerät 3 jeweils einen Kommunikator (nicht dargestellt) umfassen, um miteinander zu kommunizieren. In diesem Fall kann die Steuerschaltung in dem Empfangsgerät 3 ein Signal senden, um das Sendegerät 2 anzuweisen, die Energieübertragung über den Kommunikator zu unterbrechen, als Antwort auf das von der Steuerschaltung 71 in der Detektionsschaltung 45 im Fremdkörperdetektor 4 empfangene Signal, das die Detektion eines Fremdkörpers zwischen der Sendespule 12 und der Empfangsspule 21 anzeigt. Wenn der Kommunikator das Signal empfängt, das das Sendegerät 2 anweist, die Energieübertragung zu unterbrechen, kann die Steuerschaltung in der Energiezufuhrschaltung 11 in dem Sendegerät 2 die Energiezufuhr der Sendespule 12 aus der Energiezufuhrschaltung 11 unterbrechen.
In dieser Modifikation kann die Energieempfangsschaltung 23 in dem Empfangsgerät 3 ein Voltmeter zur Messung der Spannungsabgabe an den Lastschaltung umfassen. In diesem Fall kann die Steuerschaltung in dem Empfangsgerät 3, wenn die Spannungsabgabe, die durch den Voltmeter gemessen wird, eine bestimmte Zeit lang auf einem Wert bleibt, der kleiner oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist und dann den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, ein Signal ausgeben, das anzeigt, dass die Energieübertragung von dem Sendegerät 2 zu dem Empfangsgerät 3 begonnen hat, oder genauer gesagt, dass der Steuerschaltung 71 in der Detektionsschaltung 45 in dem Fremdkörperdetektor 4 Energie zur Übertragung an die Sendespule 12 zugeführt wird. Die Steuerschaltung 71 kann dann ein Signal ausgeben, um die Energiezufuhrschaltung 41 in dem Fremdkörperdetektor 4 anzuweisen, mit der Energiezufuhr zu beginnen und den Kalibrierungsprozess zu starten. Bei dem von dem Fremdkörperdetektor 4 durchgeführten Kalibrierungsprozess kann die Steuerschaltung in dem Empfangsgerät 3 als Antwort auf ein Steuersignal von der Steuerschaltung 71 in der Detektionsschaltung 45 in dem Fremdkörperdetektor 4, die Energiezufuhr der Sendespule 12 in dem Sendegerät 2 zu unterbrechen, das Steuersignal über einen Kommunikator an das Sendegerät 2 übertragen. Der an dem Empfangsgerät 3 angebrachte Fremdkörperdetektor 4 kann somit wie in der obigen Ausführung verhindern, dass die Kriteriumsspannung bei Vorhandensein eines Fremdkörpers in dem Kalibrierungsprozess falsch eingestellt wird, so dass das Vorhandensein eines Fremdkörpers nicht detektiert wird, und er kann auch verhindern, dass das Empfangsgerät bei Vorhandensein eines Fremdkörpers dem Sendegerät kontinuierlich Energie zuführt.
Der Fremdkörperdetektor 4 kann sowohl an dem Sendegerät 2 als auch an dem Empfangsgerät 3 angebracht werden. Mit anderen Worten, zwei Fremdkörperdetektoren 4 können sich zwischen der Sendespule 12 und der Empfangsspule 21 befinden.
In einer anderen Modifikation kann der Fremdkörperdetektor 4 außerdem einen Entferner (nicht dargestellt) umfassen, der jeden Fremdkörper zwischen der Sendespule 12 und der Empfangsspule 21 entfernt. In diesem Fall kann die Detektionsschaltung 45 bei Detektion eines Fremdkörpers zwischen der Sendespule 12 und der Empfangsspule 21 den Entferner aktivieren, um den Fremdkörper zu entfernen. Ein solcher Entferner kann beispielsweise einen Wischer zum Abwischen der dem Empfangsgerät 3 zugewandten Oberfläche des Gehäuses des Sendegeräts 2 oder der dem Sendegerät 2 zugewandten Oberfläche des Gehäuses des Empfangsgeräts 3 oder eine Luftblaspistole umfassen, die Luft zwischen das Sendegerät 2 und das Empfangsgerät 3 bläst, um den Fremdkörper zu entfernen. Der Fremdkörperdetektor 4 ermöglicht es somit die Energieübertragung von dem Sendegerät 2 zu dem Empfangsgerät 3 bei Detektion eines Fremdkörpers fortzuführen und verhindert eine Störung des Sendegeräts 2 oder des Empfangsgeräts 3 infolge der Entzündung des Fremdkörpers und der durch den Fremdkörper erzeugten Wärme.
Wie oben beschrieben kann der Fachmann, gemäß verschiedener Ausführungsformen im Rahmen der vorliegenden Erfindung, Änderungen vornehmen .

Claims

Fremdkörperdetektor, der umfasst: eine Vielzahl von Detektionsspulen an verschiedenen Positionen zwischen einer Sendespule in einem Sendegerät und einer Empfangsspule in einem Empfangsgerät, wobei das Sendegerät eingerichtet ist, Energie kontaktlos an das Empfangsgerät zu übertragen; eine Vielzahl von Kondensatoren, wobei jeder zusammen mit einer entsprechenden Detektionsspule der Vielzahl von Detektionsspulen eine Resonanzschaltung ausbildet; eine Speisespule, die gelegen ist, dass sie elektromagnetisch mit jeder der Vielzahl von Detektionsspulen gekoppelt ist; eine Energiezufuhrschaltung, die eingerichtet ist, um Wechselstrom mit einer vorbestimmten Frequenz über die Speisespule jeder der Vielzahl von Detektionsspulen zuzuführen; und eine Detektionsschaltung, die eingerichtet ist, um eine Spannungsabgabe von jeder der Vielzahl von Detektionsspulen als Antwort auf den zugeführten Wechselstrom zu detektieren und einen Fremdkörper zwischen der Sendespule und der Empfangsspule auf der Grundlage der detektierten Spannung zu detektieren, wobei die Detektionsschaltung umfasst: einen Speicher, der eingerichtet ist, eine Kriteriumsspannung für jede der Vielzahl von Detektionsspulen zu speichern, eine Steuerung, die eingerichtet ist, dass sie, während Energie, die an die Empfangsspule übertragen werden soll, der Sendespule zugeführt wird, die Kriteriumsspannungsabgabe von jeder der Vielzahl von Detektionsspulen zu Beginn der Wechselstromzufuhr mit der vorbestimmten Frequenz von der Energiezufuhrschaltung detektiert, ein Signal ausgibt, um die Energiezufuhr an die Sendespule zu unterbrechen, wenn die Kriteriumsspannung für zumindest eine Detektionsspule der Vielzahl von Detektionsspulen von dem vorbestimmten Bereich abweicht, und die Kriteriumsspannung für jede der Vielzahl von Detektionsspulen in dem Speicher speichert, wenn die Kriteriumsspannung für jede der Vielzahl von Detektionsspulen innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt, und eine Bestimmungseinrichtung, die eingerichtet ist, um zu bestimmen, dass sich ein Fremdkörper zwischen der Sendespule und der Empfangsspule befindet, wenn ein Verhältnis der detektierten Spannung für zumindest eine Detektionsspule der Vielzahl von Detektionsspulen zu der Kriteriumsspannung für die zumindest eine Detektionsspule von einem vorbestimmten zulässigen Spannungsänderungsverhältnis abweicht.