JP2015023723A

JP2015023723A - 給電装置及び非給電対象物検知方法

Info

Publication number: JP2015023723A
Application number: JP2013151657A
Authority: JP
Inventors: 英樹田邊; Hideki Tanabe
Original assignee: Funai Electric Co Ltd
Current assignee: Funai Electric Co Ltd
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2015-02-02
Also published as: US20150022014A1

Abstract

【課題】給電面上の非給電対象物の有無を高精度で検知する給電装置及び非給電対象物検出方法を提供すること【解決手段】給電装置は、給電対象物が載置される給電面と、前記給電面に沿って配置される複数の電極と、各電極に生じる静電容量を検出する静電容量検出部と、前記複数の電極を走査駆動して前記静電容量検出部によって検出された各電極に生じる静電容量に基づいて前記給電面に対する静電容量の分布を特定すると共に静電容量の分布に基づいて前記給電面上の非給電対象物の有無を判定して所定の処理を実行する制御部と、を備える。非給電対象物検出方法は、給電面に沿って配された複数の電極を走査駆動するステップと、走査駆動された各電極に生じた静電容量を取得するステップと、取得した各電極に生じた静電容量に基づいて給電面に対する静電容量の分布を特定するステップと、特定した静電容量の分布に基づいて前記給電面上の非給電対象物の有無を判定するステップと、前記給電面上の非給電対象物の有無に基づいて所定の処理を実行するステップと、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、非接触電力伝送に係る給電装置及び非給電対象物検知方法に関する。

近年、給電装置から受電装置（以下、本明細書及び特許請求の範囲において「受電装置」を「給電対象物」と称することがある。）に対して非接触で（物理的な電気的接続を要さずに）電力を伝送するシステムが開発されている。非接触で電力を伝送するための方法として、給電装置及び受電装置にコイルモジュールを設けて電磁結合方式で電力を伝送する方法が採用されることが多い。非接触で電力を伝送することで、携帯電話、スマートフォン、タブレット端末等種々の電子機器が受電装置として給電装置から電力を受電することができる。

非接触給電は一般的に給電装置が備える給電面に受電装置を載置した状態で行う。この給電面に受電装置以外の異物（以下、本明細書及び特許請求の範囲において「異物」を「非給電対象物」と称することがある）が存在した場合、特に、給電面と受電装置との間に異物が侵入したような場合には給電効率が低下する。また、異物が金属等の磁性体である場合には給電装置から発生する磁界により磁性体に渦電流が発生して異物自体が異常加熱してしまうことがある。

そこで特許文献１の非接触給電システムは、給電装置と給電装置より電力が供給される受電装置を備え、両装置に静電容量を生じさせるための電極を配して、両電極間における静電容量に基づいて金属異物の有無を判定している。

特開２０１２−２１３２７０号公報

特許文献１の非接触給電システムでは給電装置及び受電装置の双方に静電容量を生じさせるための電極を配する必要がある。しかしながら、特に受電装置に関して、静電容量を生じさせるための電極を有していない受電装置が広く提供されており、静電容量を生じさせるための電極を有さない受電装置に給電する場合には金属異物の有無を判定することができない。

本発明は上述した問題点に鑑み、給電面上の非給電対象物の有無を高精度で検知する給電装置及び非給電対象物検出方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の給電装置は、給電対象物が載置される給電面と、前記給電面に沿って配置される複数の電極と、各電極に生じる静電容量を検出する静電容量検出部と、前記複数の電極を走査駆動して前記静電容量検出部によって検出された各電極に生じる静電容量に基づいて前記給電面に対する静電容量の分布を特定すると共に静電容量の分布に基づいて前記給電面上の非給電対象物の有無を判定して所定の処理を実行する制御部と、を備えることを特徴としている。

また上記構成の給電装置において、前記制御部は前記給電面に対する静電容量の分布において静電容量の値が所定値を超えた部分の面積及び形状に基づいて前記給電面上の非給電対象物の有無を判定することが望ましい。

また上記構成の給電装置において、前記制御部は前記給電面上に非給電対象物がある場合に所定の処理として給電対象物に対する給電を停止することが望ましい。

また上記構成の給電装置において、前記制御部は前記給電面上に非給電対象物があるときに非給電対象物の位置を特定し、非給電対象物が給電対象物の周辺に位置する場合に所定の処理として給電対象物に対する給電を停止することが望ましい。

また上記構成の給電装置において、前記制御部は前記給電面上に非給電対象物がある場合に所定の処理として非給電対象物の存在を報知することが望ましい。

また上記構成の給電装置において、前記制御部は少なくとも１個の電極における静電容量の変化を示す情報に基づいて前記複数の電極を走査駆動して前記給電面に対する静電容量の分布を特定することが望ましい。

また上記構成の給電装置において、前記複数の電極は給電対象物への給電時に発生する磁界による前記複数の電極に発生する渦電流を抑制するように配置されることが望ましい。

また上記構成の給電装置において、各電極はクシ型に形成されることが望ましい。

上記目的を達成するために本発明の非給電対象物検出方法は、給電面に沿って配された複数の電極を走査駆動するステップと、走査駆動された各電極に生じた静電容量を取得するステップと、取得した各電極に生じた静電容量に基づいて給電面に対する静電容量の分布を特定するステップと、特定した静電容量の分布に基づいて前記給電面上の非給電対象物の有無を判定するステップと、前記給電面上の非給電対象物の有無に基づいて所定の処理を実行するステップと、を有することを特徴としている。

本発明の給電装置は複数の電極を備え、各電極に生じる静電容量に基づいて給電面に対する静電容量の分布を特定し、この分布に基づいて給電面上の非給電対象物の存在が検出されて所定の処理が実行される。従って、給電対象物が電極を備える必要はなく、給電装置単体で非給電対象物の存在を高精度に検出可能である。

本発明の非給電対象物検出方法は、給電面に沿って配された複数の電極を走査して走査駆動された各電極に生じた静電容量を取得し、取得した各電極に生じた静電容量に基づいて給電面に対する静電容量の分布を特定する。この静電容量の分布に基づいて給電面上の非給電対象物の有無を判定されて給電面上の非給電対象物の有無に基づいて所定の処理を実行する。従って、給電対象物が電極を備える必要はなく、給電装置単体で非給電対象物の存在を高精度に検出可能である。

非接触給電システムの構成を示す図電極のパターン及び配置の第１例を示す図電極のパターン及び配置の第２例を示す図Ｘ方向における電極のパターン及び配置の第３例を示す図Ｙ方向における電極のパターン及び配置の第３例を示す図第１実施形態の給電装置の制御部が実行する処理の流れを示すフローチャー第２実施形態の給電装置の制御部が実行する処理の流れを示すフローチャート第３実施形態の給電装置の構成を示すブロック図第３実施形態の給電装置の制御部が実行する処理の流れを示すフローチャート

＜第１実施形態＞
以下に本発明の給電装置を備える非接触給電システムについて図面を参照して説明する。なお、本実施形態及び以降の実施形態において非接触給電システムが備える給電装置及び受電装置は、本発明の技術的思想を具体化するために給電装置及び受電装置の一例を示すものであって、本発明をこれら給電装置及び受電装置に特定することを意図するものではなく、特許請求の範囲に含まれるその他の実施形態の給電装置及び受電装置にも等しく適応し得るものである。

図１は非接触給電システムの構成を示す図である。非接触給電システム１は給電装置２及び受電装置３を備える。給電装置２は電源部２１、制御部２２、給電駆動部２３、給電素子２４、電極２５及び静電容量検出部２６を備える。電源部２１は図示しない商用電源から交流電力を供給され、電源部２１は制御部２２及び給電駆動部２３に電力を供給する。

制御部２２は給電装置２全体を制御する制御手段である。また、制御部２２は給電面２ａ上の異物の有無を判定して所定の処理を実行する（詳細は後述）。給電駆動部２３は交流電力を給電素子２４に供給する。

給電素子２４に交流電力が供給されると給電素子２４に交流の電流が流れ、給電面２ａに垂直な方向に交番磁界が生じる。この交番磁界により給電素子２４に近づけられた受電素子３１に誘導電流が励起され、電力が伝送される。

本実施形態及び以降の実施形態において給電素子２４の材質や形状は特に限られるものではないが、例えば上面視で渦巻きの中心に向かって反時計回りに渦を巻く形状を有するコイルモジュールが使用される。また、給電素子２４は給電面２ａに沿ってマトリクス状に配される複数の給電素子からなることとしてもよいし、給電面２ａに沿って移動可能に構成される単一の給電素子（ムービングコイル）からなることとしてもよい。

ムービングコイルは給電面２ａ上に載置された給電対象物の位置まで移動して電力を供給する。給電対象物の位置の検知方法は特に限られるものではないが、例えば従来より行われている共振周波数のずれによって検知する。

給電面２ａには複数の電極２５が配置される。電極２５としては静電タッチパネル等で広く採用されているＩＴＯフィルム等の電極フィルムを用いることで給電素子２４と受電素子３１の物理的な距離が遠くなることによる給電効率の低下を防ぐことができる。ところで本実施形態において電極２５は給電面２ａ、言い換えれば給電素子２４の上側に配置されて給電素子２４と受電素子３１の間に位置する。上述したように給電素子２４から給電面２ａに垂直な方向に交番磁界が生じると、電極２５の形状や配置によっては電極２５に渦電流によるジュール熱が発生して電極２５が異常加熱されるおそれがある。

そこで本実施形態において電極２５は給電素子２４から生じる交番磁界による渦電流の発生を抑制するように配置される。具体的には電極間２５の間を大きくとると共に電極２５を小さくした上でＸ方向及びＹ方向（給電面２ａの縦方向及び横方向）に並列に配置する。例えば図２に示すように畝状の電極部２５１同士を直線状の電極部２５２で連結してなる電極２５をＸ方向及びＹ方向に２層構造で配置し（すなわちＸ方向に伸びる電極とＹ方向に伸びる電極は面内では接続されていない、図３も同様である）、且つ、Ｘ方向に伸びる電極２５の直線状の電極部２５２とＹ方向に伸びる電極２５の直線状の電極部２５２が上下に重なるように配置する。これにより静電容量検出部２６は図２に示す破線部分における静電容量を中心として静電容量を検出する。

また、図３に示すように畝状の電極部２５１から一端が開放した針状の電極部２５３を設けることとしてもよい。針状の電極部２５３は渦電流が発生しにいからである。これにより渦電流の発生を抑制しながらも給電面２ａにおける電極２５が占める割合（カバー率）を高めることができる。また、図４に示すように櫛状の電極部２５としてもよい。特に図４に示す櫛状の電極２５は渦電流の発生を抑制すると共に、２層構造としたときの給電面２ａに対するカバー率が他の形状に比べて高くなる。従って電界シールド効果が高くなり、高出力の電磁誘導方式による電力伝送時に交番電界による電磁波の遠方放射を抑制できる。なお、図４はＸ方向に並列に配置された電極２５を示しているが図２及び図３と同様にＹ方向に配列に配置された電極２５（図５参照）と２層構造で配置される。

静電容量検出部２６は電極２５に電気的に接続されており、静電容量検出部２６は各電極２５と指や異物との間に生じる静電容量（以下、本明細書及び特許請求の範囲において「各電極２５と指や異物との間に生じる静電容量」を「各電極２５に生じる静電容量」とも称する。）を検出して制御部２２に供給する。例えば図２ではＸ方向にはＸ（１）〜Ｘ（ｎ）の電極２５が並列に配置され、Ｙ方向にはＹ（１）〜Ｙ（ｍ）の電極２５が並列に配置されており、静電容量検出部２６はライン毎に静電容量を検出する。制御部２２は静電容量検出部２６から取得した各電極２５に生じる静電容量を示す情報に基づいて給電面２ａ上に対する静電容量の分布を特定すると共に静電容量の分布に基づいて給電面２ａ上の異物の有無を判定する。

給電面２ａ上に異物が存在するときと存在しないときを比較すると、図１に示すように異物４が給電面２ａ上に存在するときに異物４の位置に対応する電極２５の静電容量は、異物４が存在しないときの電極２５の静電容量よりも大きくなる。従って制御部２２は静電容量検出部２６が検出する各電極２５の静電容量の分布を特定し、静電容量が所定の値を超える部分があれば異物が存在すると判定する。或いは、静電容量が所定の値を超える範囲がある程度の面積・大きさ（例えば硬貨程度の面積・大きさ）を有する場合に異物が存在すると判定することとしてもよい。

受電装置３は受電素子３１、整流部３２、電源部３３、制御部３４及び充電池３５を備える。受電素子３１は上述したように給電素子２４から伝送された電力を受電する。受電素子３１が受電した交流の電力は整流部３２に供給される。整流部３２は例えばダイオードやコンデンサなどで構成されており、受電素子３１から供給された交流の電力を直流の電力に変換する。

整流部３２によって直流に変換された電力は電源部３３に供給される。制御部３４は受電装置３全体を制御する制御手段であり、整流部３２による受電素子３１が受電した交流電力の直流電力への変換や、電源部３３による充電池３５への蓄電を制御する。

以下、給電装置２の制御部２２が実行する異物検出に関する処理について図６を参照して説明する。図６は給電装置２の制御部２２が実行する処理の流れを示すフローチャートである。

ステップＳ０１において制御部２２は各電極２５をスキャン走査駆動する。スキャン走査駆動により静電容量検出部２６は各電極２５に生じる静電容量を検出する。ステップＳ０２において制御部２２は静電容量検出部２６により検出された各電極２５に生じた静電容量を示す情報を取得する。ステップＳ０３において制御部２２はステップＳ０２で取得した各電極２５で生じた静電容量を示す情報に基づいて給電面２ａに対する静電容量の分布を特定する。例えば、図２を参照してＸ（ｎ−１)の電極２５の静電容量とＹ（ｍ−１）の電極２５の静電容量が夫々所定の値を超えている場合には静電容量の分布において両電極ラインの交点付近である図２の中央領域が他の領域に比べて静電容量が大きいことが示される。

ステップＳ０４において制御部２２は給電面２ａ上に異物があるか否かを判定する。上述した例によれば、図２の中央領域は異物の大きさに相当する面積・大きさであって他の領域に比べて静電容量が大きいことから当該領域に異物があると判定する。静電容量の分布において静電容量が所定の値を超えているが異物の大きさに相当する面積・大きさの領域ではない或いは静電容量が所定の値を超える領域がない場合には給電面２ａ上に異物がないと判定する。

給電面２ａ上に異物があれば（ステップＳ０４Ｙ）ステップＳ０５に進み、給電面２ａ上に異物がなければ（ステップＳ０４のＮ）異物検出に関連する処理を終了する。ステップＳ０５において制御部２２は異物の存在に基づく危険や給電効率の低下を防止する所定の処理を実行する。本実施形態では所定の処理として、給電対象物に対して給電を行っている場合に給電を停止する。具体的には給電駆動部２３を制御して電源部２１から供給された交流電力を給電素子２４に供給しないこととする。

なお、制御部２２によるスキャン走査駆動（ステップＳ０１の処理）は定期又は不定期に実行することとすればよい。

本実施形態によれば、複数の電極がＸ方向及びＹ方向に配置されてスキャン走査駆動さされて各電極に生じる静電容量が静電容量検出部により検出される。制御部は各電極に生じる静電容量に基づいて給電面に対する静電容量の分布を特定し、当該分布に基づいて給電面上の異物の有無を判定して、異物があれば所定の処理を実行する。従って、給電対象物が電極を備える必要はなく、給電装置単体で非給電対象物の存在を高精度に検出可能である。

また、所定の処理として給電対象物に対する給電を停止するので、異物の異常加熱よる火災等の発生を未然に防ぐことができる。

また、電極は給電対象物への給電時に発生する交番磁界による渦電流の発生を抑制する形状及び配置とされるので、電極の異常加熱や給電効率の低下を抑制することができる。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では給電面２ａ上に異物が存在する場合に所定の処理を実行することとしたが、異物の位置が給電対象物の位置から離れている場合には異物が異常加熱するほどの渦電流が異物に発生する可能性は低い。そこで本実施形態では給電面２ａ上に異物が存在する場合であっても、異物が受電装置３の周辺に位置しなければ異物の存在に基づく危険や給電効率の低下を防止する所定の処理を実行しない。

図７は本実施形態の給電装置２の制御部２２が実行する処理の流れを示すフローチャートである。なお、図７のステップＳ１１〜Ｓ１４及びＳ１６は図６のステップＳ０１〜０４及びＳ０５と同様であるため説明を省略する。

ステップＳ１５において制御部２２は異物が受電装置３の周辺に位置しているか否かを判定する。異物が受電装置３の周辺に位置していれば（ステップＳ１５のＹ）ステップＳ１６に進み、異物が受電装置３の周辺に位置していなければ（ステップＳ１５のＮ）異物検出に関連する処理を終了する。

受電装置３及び異物の位置は上述したように給電面２ａに対する静電容量の分布から特定できる。例えば静電容量の分布において静電容量が所定の値を超える領域が２箇所以上存在する場合に、その領域の大きさが受電装置３の大きさに相当する領域には受電装置３が載置されており、その領域の大きさが受電装置３の大きさよりも小さい領域には異物があると特定される。そしてその位置関係において異物が受電装置３への給電時に発生する交番磁界の影響を強く受ける位置であれば給電を停止し、影響が小さい位置であれば給電を停止しない。

本実施形態によれば第１実施形態と同様の効果を奏する。加えて、給電面上に異物が存在する場合であっても、異常加熱や給電効率の低下を招くおそれが低い場合には給電を停止しない。

＜第３実施形態＞
第１実施形態及び第２実施形態では所定の処理として給電を停止することとしたが、所定の処理はこれに限られるものではなく、上述したように異物の存在に基づく危険や給電効率の低下を防止しうる処理であればよい。そこで本実施形態では異物の存在をユーザに対して異物の除去を促す報知を行う。

例えは本実施形態の給電装置２は図８に示すように上記構成に加えて報知部２７を備える。報知部２７としては給電面２ａ上に異物が存在することを表示する表示画面、音声案内にて知らせるスピーカー、赤色や黄色等の警告色のＬＥＤ、給電装置２全体を振動させる振動手段（バイブレーション機能）が例示される。報知部２７を介しては給電面２ａ上に異物が存在すること報知することで、ユーザに対して給電面２ａ上の異物を除去するように促すことができる。

なお、異物の除去を促す報知は第１実施形態及び第２実施形態における給電の停止処理と併せて行うこととしてもよい。特に第２実施形態においては、ステップＳ１５で異物４が受電装置３の周辺に位置しない（ステップＳ１５のＮ）と判定した場合に異物の除去を促す報知を行うことが望ましい。これにより以後の給電の際に異物が異常加熱したり給電効率を低下したりすることを防ぐことができる。

本実施形態によれば、給電面上に異物が存在する場合に所定の処理として、報知部を介して給電面上に異物が存在することを報知する。これによりユーザに対して給電面上からの異物の除去を促すことができる。

＜第４実施形態＞
第１実施形態〜第３実施形態において制御部２２によるスキャン走査駆動は定期又は不定期に実行することとしたが、所定の条件を満たした場合に制御部２２によるスキャン走査駆動を実行することとしてもよい。所定の条件とは給電面２ａ上に異物が存在するか否かを判定する必要が生じた場合であり、例えば受電装置３が給電面２ａに接近していることを検出した場合である。

図９は本実施形態の給電装置２の制御部２２が実行する処理の流れを示すフローチャートである。なお、図９のステップＳ２２〜Ｓ２６は図６のステップＳ０１〜Ｓ０５と同様であるため説明を省略する。

ステップＳ２１において制御部２２は受電装置３が給電面２ａに接近しているか否かを判定する。受電装置３が給電面２ａに接近すると接近位置に対応する電極２５の静電容量が変化するため、受電装置３が給電面２ａに接近しているか否かは少なくとも１個の電極２５の静電容量の変化に基づいて判定可能である。

なお、ステップＳ２２の走査駆動は静電容量分布を特定するために実行されるものであるが、静電容量の変化は各電極２５をスキャン走査駆動を実行することなく静電容量検出部２６によって検出可能である。

少なくとも１個の電極２５の静電容量の変化を示す情報を取得した場合（ステップＳ２１のＹ）はステップＳ２２に進み、電極２５の静電容量の変化を示す情報を取得しなければ（ステップＳ２１のＮ）異物検出に関連する処理を終了する。

本実施形態によれば所定の条件を満たした場合に制御部２２によるスキャン走査駆動を実行される。

１非接触給電システム
２給電装置（給電対象物）
３受電装置（非給電対象物）
４異物
２１電源部
２２制御部
２３給電駆動部
２４給電素子
２５電極
２６静電容量検出部
２７報知部

Claims

給電対象物が載置される給電面と、
前記給電面に沿って配置される複数の電極と、
各電極に生じる静電容量を検出する静電容量検出部と、
前記複数の電極を走査駆動して前記静電容量検出部によって検出された各電極に生じる静電容量に基づいて前記給電面に対する静電容量の分布を特定すると共に静電容量の分布に基づいて前記給電面上の非給電対象物の有無を判定して所定の処理を実行する制御部と、
を備える給電装置。
前記制御部は前記給電面に対する静電容量の分布において静電容量の値が所定値を超えた部分の面積及び形状に基づいて前記給電面上の非給電対象物の有無を判定する請求項１に記載の給電装置
前記制御部は前記給電面上に非給電対象物がある場合に所定の処理として給電対象物に対する給電を停止する請求項１又は請求項２に記載の給電装置。
前記制御部は前記給電面上に非給電対象物があるときに非給電対象物の位置を特定し、非給電対象物が給電対象物の周辺に位置する場合に所定の処理として給電対象物に対する給電を停止する請求項１又は請求項２に記載の給電装置。
前記制御部は前記給電面上に非給電対象物がある場合に所定の処理として非給電対象物の存在を報知する請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の給電装置。
前記制御部は少なくとも１個の電極における静電容量の変化を示す情報に基づいて前記複数の電極を走査駆動して前記給電面に対する静電容量の分布を特定する請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の給電装置。
前記複数の電極は給電対象物への給電時に発生する磁界による前記複数の電極に発生する渦電流を抑制するように配置される請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の給電装置。
各電極はクシ型に形成される請求項７に記載の給電装置。
給電面に沿って配された複数の電極を走査駆動するステップと、
走査駆動された各電極に生じた静電容量を取得するステップと、
取得した各電極に生じた静電容量に基づいて給電面に対する静電容量の分布を特定するステップと、
特定した静電容量の分布に基づいて前記給電面上の非給電対象物の有無を判定するステップと、
前記給電面上の非給電対象物の有無に基づいて所定の処理を実行するステップと、
を有する非給電対象物検出方法。