JP2015128363A - コイルユニットおよび異物検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非接触にて電力を伝送する際の異物の検出精度を向上させたコイルユニットおよび異物の検出精度を向上させた異物検知装置を提供すること。
【解決手段】給電コイルユニットＬ１００（コイルユニット）は、給電コイルＬ１（電力伝送用コイル）と、異物検知装置Ｄ１００と、を備え、異物検知装置Ｄ１００は、共振コイルＭ１と共振キャパシタＣ１を有する複数の共振器Ｒ１と、複数の共振器Ｒ１を励磁させる励磁コイルＥ１と、を有し、複数の共振器Ｒ１は、少なくとも給電コイルＬ１が発生する磁束に鎖交する領域を覆うように行列配置されており、励磁コイルＥ１は、複数の共振器Ｒ１のうち、行方向および列方向に隣り合う共振器を給電コイルＬ１が励磁しない周波数帯域の互いに異なる共振周波数にて交流磁界を発生させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、コイルユニットおよび異物検知装置に関する。

電源コードを用いずに電力を供給する非接触電力伝送技術が注目されつつある。現在の非接触電力伝送技術は、主に電磁誘導を利用するタイプであり、さまざまな分野での応用が期待されている。

こうした背景から、例えば電気自動車の車両下部に受電コイル（受電側）を具備して、地上側の給電コイル（給電側）から非接触で大電力（例えば数〔ｋＷ〕〜数１０〔ｋＷ〕）を伝送するという案も検討されており、この非接触電力伝送技術を用いれば、給電側と受電側を機械的に結合させることなく電力伝送を行うことができる。

ところで、非接触にて電力を伝送する際に給電コイルと受電コイルとの間隙に異物が混入すると、異物が金属の場合にはその金属異物を貫通する磁束によって発生する渦電流や、異物が磁性体の場合にはその磁性体異物を貫通する磁束によって発生するヒステリシス損などに起因して、異物を発熱させてしまう虞があった。

この発熱対策として、特許文献１には、複数のコイルで構成される１または複数の磁気結合素子と、磁気結合素子もしくは磁気結合素子を少なくとも含む回路に関する電気的なパラメータを測定し、電気的なパラメータの変化から、磁束によって発熱しうる異物の有無を判定する検知部を備える検知装置が提案されていた。

特開２０１３−１９２３９０号公報

しかしながら、特許文献１に開示される技術では、共振用コンデンサが接続されて所定の周波数で共振する複数の検知コイル（磁気結合素子）を、金属異物を検知できない不感帯が解消されるように隙間なく配置しているため、それぞれの検知コイル（磁気結合素子）の共振周波数が複数存在してしまい、測定が困難となるとともに、それぞれの検出コイルのＱ値も著しく低下し、測定精度が低下してしまう。したがって、金属異物の検出精度が低いという問題があった。

そこで、本発明は係る問題に鑑みてなされたものであり、非接触にて電力を伝送する際の異物の検出精度を向上させたコイルユニットおよび異物の検出精度を向上させた異物検知装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係るコイルユニットは、給電側から受電側への非接触電力伝送に用いられるコイルユニットであって、電力伝送用コイルと、異物検知装置と、を備え、異物検知装置は、共振コイルと共振キャパシタを有する複数の共振器と、複数の共振器を励磁させる励磁コイルと、を有し、複数の共振器は、少なくとも電力伝送用コイルが発生する磁束に鎖交する領域を覆うように行列配置されており、励磁コイルは、複数の共振器のうち、行方向および列方向に隣り合う共振器を電力伝送用コイルが励磁しない周波数帯域の互いに異なる共振周波数にて交流磁界を発生させることを特徴とする。

本発明によれば、励磁コイルが、複数の共振器のうち、行方向および列方向に隣り合う共振器を電力伝送用コイルが励磁しない周波数帯域の互いに異なる共振周波数にて交流磁界を発生させている。そのため、複数の共振器を金属検出エリアに隙間なく配置したとしても、それぞれの共振器が互いに影響を及ぼし合うことが抑制されるため、それぞれの共振器の共振周波数が複数発生することを抑制できるとともに、Ｑ値の低下を抑制することができる。その結果、非接触にて電力を伝送する際の異物の検出精度を向上させることができる。

好ましくは、励磁コイルは、複数の共振器のうち、１つの共振器と該共振器の周囲に配置される共振器を互いに異なる共振周波数にて交流磁界を発生させると良い。この場合、複数の共振器を金属検出エリアに隙間なく配置したとしても、それぞれの共振器が互いに影響を及ぼしあうことが一層抑制されるため、それぞれの共振器の共振周波数が複数発生することを確実に抑制できるとともに、Ｑ値の低下を一層抑制することができる。したがって、非接触にて電力を伝送する際の異物の検出精度を一層向上させることができる。

好ましくは、異物検知装置は、複数の検出コイルをさらに備え、複数の検出コイルは、それぞれ複数の共振器の各共振器と磁気結合するように配置されていると良い。この場合、Ｑ値の測定手段を複数の共振器に直接接続することなく、複数の共振器のＱ値を間接的に測定することが可能となるため、複数の共振器の共振周波数を変化させることなく、複数の共振器のＱ値の低下をより一層抑制することができる。

本発明に係る異物検知装置は、異物を検知するための異物検知装置であって、共振コイルと共振キャパシタを有する複数の共振器と、複数の共振器を励磁させる励磁コイルと、を備え、複数の共振器は、面内方向に行列配置されており、励磁コイルは、複数の共振器のうち、行方向および列方向に隣り合う共振器を周波数帯域の互いに異なる共振周波数にて交流磁界を発生させることを特徴とする。

本発明によれば、励磁コイルが、複数の共振器のうち、行方向および列方向に隣り合う共振器を周波数帯域の互いに異なる共振周波数にて交流磁界を発生させている。そのため、複数の共振器を金属検出エリアに隙間なく配置したとしても、それぞれの共振器が互いに影響を及ぼし合うことが抑制されるため、それぞれの共振器の共振周波数が複数発生することを抑制できるとともに、Ｑ値の低下を抑制することができる。その結果、異物の検出精度を向上させることができる。

本発明によれば、非接触にて電力を伝送する際の異物の検出精度を向上させたコイルユニットおよび異物の検出精度を向上させた異物検知装置を提供することができる。

本発明に係るコイルユニットが適用される非接触電力伝送装置を負荷とともに示す概略図である。 本発明の第１実施形態に係る給電コイルユニットを上面から見た模式構成図である。 図２におけるＩ−Ｉ線に沿う給電コイルユニットの模式切断部端面図である。 本発明の第２実施形態に係る給電コイルユニットを上面から見た模式構成図である。 本発明の第３実施形態に係る給電コイルユニットを上面から見た模式構成図である。 図５におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う給電コイルユニットの模式切断部端面図である。 本発明の第３実施形態に係る給電コイルユニットにおける信号発生器、異物検知装置、及び異物検知システムのシステム構成図である。 信号発生器が３０００〔ｋＨｚ〕の正弦波信号を出力しているときの複数の検出コイルおよび複数のＡＣ／ＤＣ変換器が出力する信号波形を示す波形図である。 信号発生器が３０００〔ｋＨｚ〕の正弦波信号を出力しているときの複数の検出コイルおよび複数のＡＣ／ＤＣ変換器が出力する信号波形を示す波形図である。 信号発生器が６０００〔ｋＨｚ〕の正弦波信号を出力しているときの複数の検出コイルおよび複数のＡＣ／ＤＣ変換器が出力する信号波形を示す波形図である。 信号発生器が６０００〔ｋＨｚ〕の正弦波信号を出力しているときの複数の検出コイルおよび複数のＡＣ／ＤＣ変換器が出力する信号波形を示す波形図である。

本発明を実施するための形態につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、説明において、同一要素または同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

まず、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットの説明をする前に、図１を参照して、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットが適用される非接触電力伝送装置Ｓ１の全体構成について説明する。図１は、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットが適用される非接触電力伝送装置を負荷とともに示す概略図である。なお、本発明に係るコイルユニットは、給電装置における給電コイルユニットおよび受電装置における受電コイルユニットのいずれにも適用可能であるが、以下の実施形態では本発明に係るコイルユニットを給電装置における給電コイルユニットに適用した例について説明する。

非接触電力伝送装置Ｓ１は、図１に示されるように、給電装置１００と、受電装置２００と、を有する。ここでは、非接触電力伝送装置Ｓ１を電気自動車などの移動体への給電設備に適用した例を用いて説明する。

給電装置１００は、電源ＶＧ、電力変換回路ＩＮＶ、給電コイルユニットＬ１００と、を有する。電源ＶＧは、後述する電力変換回路ＩＮＶに直流電力を供給する。電源ＶＧとしては、直流電力を出力するものであれば特に制限されず、商用交流電源を整流・平滑した直流電源、二次電池、太陽光発電した直流電源、あるいはスイッチングコンバータなどのスイッチング電源などが挙げられる。

電力変換回路ＩＮＶは、電源ＶＧから供給される入力直流電力を交流電力に変換して、後述する給電コイルユニットＬ１００に交流電圧を供給する。すなわち、電力変換回路ＩＮＶはインバータとして機能することとなる。電力変換回路ＩＮＶとしては、例えば図示しない複数のスイッチング素子がブリッジ接続されたスイッチング回路から構成される。このスイッチング回路を構成するスイッチング素子としては、例えばＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＢＧＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの素子が挙げられる。

給電コイルユニットＬ１００は、交流電力を後述する受電装置２００に非接触にて伝送する給電部としての機能を果たす。この給電コイルユニットＬ１００は地中または地面近傍に配設されることとなる。なお、給電コイルユニットＬ１００の具体的な構成については後述する。

受電装置２００は、受電コイルＬ２と、整流回路ＲＥＣと、を有する。本実施形態のように、非接触電力伝送装置Ｓ１を電気自動車などの移動体への給電設備に適用する場合、受電装置２００は移動体に搭載される。ここで、受電装置２００が搭載される移動体としては、二次電池の電力を利用する電気自動車やハイブリッド自動車が挙げられる。

受電コイルＬ２は、給電コイルユニットＬ１００から給電された交流電力を非接触にて受電する受電部としての機能を果たす。この受電コイルＬ２は電気自動車の車両下部に搭載されることとなる。

整流回路ＲＥＣは、受電コイルＬ２が受電した交流電力を直流電力に整流して負荷Ｒに出力する。整流回路ＲＥＣは、例えば図示しないブリッジダイオードと平滑用キャパシタで構成される。ブリッジダイオードにより、受電コイルＬ２から出力された交流電圧は全波整流され、さらに、平滑用キャパシタにより、全波整流された電圧が平滑化される。ここで、負荷Ｒとしては、非接触電力伝送装置Ｓ１を電気自動車などの移動体への給電設備に適用した場合、移動体に搭載される充電器（図示しない）とバッテリー（図示しない）から構成される。充電器は、整流回路ＲＥＣにより整流された直流電力をバッテリーに対して定電流定電圧充電（ＣＣＣＶ充電）を行うように充電を制御する機能を果たし、バッテリーとしては、電力を蓄える機能を有していれば特に制限されず、例えば二次電池（リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケル水素電池など）や容量素子（電気二重層キャパシタなど）が挙げられる。

このような構成を備えることにより、給電装置１００の給電コイルユニットＬ１００から受電装置２００の受電コイルＬ２に非接触にて電力が伝送される非接触電力伝送装置Ｓ１が実現される。

（第１実施形態）
次に、図２および図３を参照して、本発明の好適な第１実施形態に係る給電コイルユニットＬ１００の構成について詳細に説明する。図２は、本発明の第１実施形態に係る給電コイルユニットを上面から見た模式構成図である。図３は、図２におけるＩ−Ｉ線に沿う給電コイルユニットの模式切断部端面図である。

給電コイルユニットＬ１００は、図２に示されるように、給電コイルＬ１（電力伝送用コイル）と、異物検知装置Ｄ１００と、信号発生器ＳＧと、周波数特性分析器Ａ１００と、を有する。

給電コイルＬ１は、図２に示されるように、略正方形を呈しており、例えばφ０．１（ｍｍ）の絶縁された銅線を２千本程度撚り合わせたリッツ線を数ターンから数十ターン程度巻回されて構成されている。すなわち、給電コイルＬ１は、平面状に形成されたいわゆるスパイラル構造のコイルである。この給電コイルＬ１の巻線始端の端子Ａと巻線終端の端子Ｂは、電力変換回路ＩＮＶに接続される。このような構成により、給電コイルＬ１は、電力変換回路ＩＮＶから所定の駆動周波数の交流電圧が供給されると、交流電流が流れて交流磁界を発生させる。そして、この交流磁界により受電コイルＬ２に起電力が発生する。つまり、給電コイルＬ１は、受電コイルＬ２に非接触で電力を伝送する給電コイルとしての役割を果たすこととなる。このとき、給電コイルＬ１に供給される交流電圧の駆動周波数は例えば２０〔ｋＨｚ〕〜２００〔ｋＨｚ〕に設定される。

異物検知装置Ｄ１００は、図３に示されるように、給電コイルＬ１の受電コイルＬ２と対向する面側に配置されている。すなわち、異物検知装置Ｄ１００は、給電コイルＬ１（給電側）と受電コイルＬ２（受電側）との間に配置されることとなる。この異物検知装置Ｄ１００は、例えば銅張の多層基板から構成され、複数の共振器Ｒ１と、励磁コイルＥ１と、を有する。

複数の共振器Ｒ１は、少なくとも給電コイルＬ１が発生する磁束に鎖交する領域を覆うように行列配置されている。言い換えれば、複数の共振器Ｒ１は、図２に示されるように、面内方向に行列配置されている。より具体的には、給電コイルＬ１の巻線によって区画される領域を覆うように配置されており、本実施形態では、３６個の共振器Ｒ１が６行×６列に配置されている。すなわち、複数の共振器Ｒ１が配設される領域が金属検出エリアとなる。複数の共振器Ｒ１は、それぞれ共振コイルＭ１と共振キャパシタＣ１から構成されている。共振コイルＭ１は、図２に示されるように、略正方形を呈しており、例えば銅張の多層基板の給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との対向方向における受電コイルＬ２側の層に４ターンのコイルパターンを印刷して形成される。共振キャパシタＣ１は、共振コイルＭ１と直列接続されて共振回路を形成する。共振キャパシタＣ１としては、例えば積層セラミックコンデンサが挙げられ、静電容量は数百〜数千〔ｐＦ〕に設定されている。なお、φ１０ｍｍ程度のコインなどの極めて微小な金属異物を検出したい場合は、各共振器Ｒ１の大きさは１０ｍｍ×１０ｍｍの略正方形にすればよい。また、複数の共振器Ｒ１は、給電コイルＬ１の巻線によって区画される領域よりも広い領域を覆うように行列配置されていてもよい。この場合、給電コイルＬ１上だけでなく、その周囲に混入した異物も検出することが可能となる。いずれにしても、複数の共振器Ｒ１が行列配置される領域は、少なくとも給電コイルＬ１が発生する磁束に鎖交する領域を覆っていれば任意に設定できる。

上述のような構成を備える複数の共振器Ｒ１は、共振器Ｒ１ａと共振器Ｒ１ｂの２種類の共振器から構成される。具体的には、共振器Ｒ１ａと共振器Ｒ１ｂはそれぞれ給電コイルＬ１が励磁しない周波数帯域の単一の共振周波数を有し、互いに異なる共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２に設定されている。例えば、共振器Ｒ１ａの共振周波数ｆｒ１は、ｆｒ１＝３０００〔ｋＨｚ〕、共振器Ｒ１ｂの共振周波数ｆｒ２は、ｆｒ２＝６０００〔ｋＨｚ〕に設定されることとなる。これら共振器Ｒ１ａと共振器Ｒ１ｂは、行方向および列方向に隣り合うように交互に配置されている。言い換えると、共振器Ｒ１ａ同士が行方向および列方向に隣り合わず、共振器Ｒ１ｂ同士が行方向および列方向に隣り合わないように配置されている。ここで、行方向および列方向に隣り合うように同一の共振周波数を有する共振器を配置すると、隣り合う各共振器の共振コイル同士が相互に磁気的に結合されることから、相互インダクタンスが変化してしまい、複数の共振周波数が発生する。また、同時に各共振器の共振コイルのＱ値が著しく低下してしまうという問題が生じる。これに対して、本実施形態では、行方向および列方向に隣り合う共振器Ｒ１ａの共振周波数ｆｒ１と共振器Ｒ１ｂの共振周波数ｆｒ２が互いに異なる値に設定されているため、共振器Ｒ１ａの共振周波数ｆｒ１付近あるいは共振器Ｒ１ｂの共振周波数ｆｒ２付近において、互いの影響を受けることなく、共振器Ｒ１ａと共振器Ｒ１ｂがそれぞれ単一の共振周波数となる。また、同時に共振器Ｒ１ａの共振コイルＭ１のＱ値と共振器Ｒ１ｂの共振コイルＭ１のＱ値の低下も抑制される。なお、金属検出エリアの全ての領域において、共振器Ｒ１ａと共振器Ｒ１ｂが行方向および列方向に隣り合うように配置されていることが好ましいが、本発明の効果が奏される限りにおいて、金属検出エリアの一部の領域において、共振器Ｒ１ａ同士あるいは共振器Ｒ１ｂ同士が行方向または列方向に隣り合うように配置されていてもよい。

励磁コイルＥ１は、図２に示されるように、略正方形を呈しており、例えば銅張の多層基板の給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との対向方向における給電コイルＬ１側の層に３ターンのコイルパターンを印刷して形成される。この励磁コイルＥ１のコイルパターンは、給電コイルＬ１の巻線によって区画される領域の外側に位置するように形成されている。また、励磁コイルＥ１のコイルパターンの始端である端子Ｃとコイルパターンの終端である端子Ｄは、後述する信号発生器ＳＧに接続される。このような構成により、励磁コイルＥ１は、信号発生器ＳＧが出力する正弦波信号を受けて励磁されて磁界を発生させる。そして、励磁コイルＥ１が発生させる磁界により複数の共振器Ｒ１の共振コイルＭ１が励磁される。

信号発生器ＳＧは、周波数の異なる２つの正弦波信号を一定の間隔（例えば１００〔ｍｓ〕ごと）で交互に励磁コイルＥ１に供給している。２つの正弦波信号の周波数は、共振器Ｒ１ａの共振周波数ｆｒ１と共振器Ｒ１ｂの共振周波数ｆｒ２と同じ周波数に設定されている。つまり、２つの正弦波信号のうち、一方の正弦波信号の周波数は共振器Ｒ１ａの共振周波数ｆｒ１と同じ３０００〔ｋＨｚ〕に設定され、他方の正弦波信号の周波数は共振器Ｒ１ｂの共振周波数ｆｒ２と同じ６０００〔ｋＨｚ〕に設定される。上述したように、信号発生器ＳＧが出力する正弦波信号を受けて励磁コイルＥ１が励磁されて磁界が発生し、この磁界によって複数の共振器Ｒ１の共振コイルＭ１に起電力が発生して電流が流れる。このとき、共振器Ｒ１ａは、上述したように共振周波数が３０００〔ｋＨｚ〕に設定されているため、信号発生器ＳＧが３０００〔ｋＨｚ〕の正弦波信号を出力しているときのみ共振状態となり、共振電流が流れる。一方、共振器Ｒ１ｂは、上述したように共振周波数が６０００〔ｋＨｚ〕に設定されているため、信号発生器ＳＧが６０００〔ｋＨｚ〕の正弦波信号を出力しているときのみ共振状態となり、共振電流が流れる。このように、信号発生器ＳＧが励磁コイルＥ１を励磁させる２つの正弦波信号の周波数は、給電コイルＬ１の駆動周波数とは桁違いに高い周波数に設定されている。言い換えると、励磁コイルＥ１を励磁させる信号発生器ＳＧが出力する２つの正弦波信号の周波数は、給電コイルＬ１を励磁しない周波数帯域に設定されている。すなわち、励磁コイルＥ１は、複数の共振器Ｒ１のうち、行方向および列方向に隣り合う共振器Ｒ１ａと共振器Ｒ１ｂを給電コイルＬ１が励磁しない周波数帯域の互いに異なる共振周波数にて交流磁界を発生させることとなる。

ここで、給電コイルＬ１の駆動周波数と励磁コイルＥ１を励磁させる信号発生器ＳＧが出力する２つの正弦波信号の周波数が近い値の場合、給電コイルＬ１が発生する電力伝送用の非常に強い磁界によって複数の共振器Ｒ１の共振コイルＭ１が励磁されてしまい、複数の共振器Ｒ１に大電流が流れ破損する虞がある。一方、本実施形態では、励磁コイルＥ１を励磁させる信号発生器ＳＧが出力する２つの正弦波信号の周波数は、給電コイルＬ１の駆動周波数に対して桁違いに高い周波数、すなわち給電コイルＬ１が励磁しない周波数帯域に設定されているため、複数の共振器Ｒ１は、給電コイルＬ１が発生する電力伝送用の非常に強い磁界に対してインピーダンスが高いがために電流は流れず、励磁コイルＥ１を励磁させる信号発生器ＳＧが出力する２つの正弦波信号の周波数にのみ同調して励磁されて電流が流れることとなる。したがって、複数の共振器Ｒ１に大電流が流れることによる破損を防止することができる。なお、本実施形態では、励磁コイルＥ１を励磁させる信号発生器ＳＧが出力する２つの周波数は、給電コイルＬ１の駆動周波数より桁違いに高い周波数に設定しているが、これに限られず給電コイルＬ１の駆動周波数より桁違いに低い周波数に設定してもよい。但し、このとき、共振器Ｒ１ａの共振周波数ｆｒ１と共振器Ｒ１ｂの共振周波数ｆｒ２も同様に、給電コイルＬ１の駆動周波数より桁違いに低い周波数に設定されることとなる。いずれにしても、励磁コイルＥ１を励磁させる信号発生器ＳＧが出力する２つの周波数は、給電コイルＬ１を励磁しない周波数帯域に設定されていればよい。

周波数特性分析器Ａ１００は、複数の共振器Ｒ１の共振キャパシタＣ１の両端子に接続されている。この周波数特性分析器Ａ１００を用いれば、複数の共振器Ｒ１のインピーダンス値とＱ値が測定される。本実施形態では、この周波数特性分析器Ａ１００を用いて金属異物の検出を行っている。具体的には、金属異物が混入していない場合の共振器Ｒ１の共振周波数におけるインピーダンス値とＱ値を記憶しておき、周波数特性分析器Ａ１００により測定したインピーダンス値とＱ値とを比較して、その変化により金属異物の有無を判定することが可能となる。より具体的には、金属異物が混入すると、周波数特性分析器Ａ１００により測定したインピーダンス値は上昇し、Ｑ値は低下するため、予め金属異物が混入していないと判断できる閾値をインピーダンス値とＱ値に対してそれぞれ設定しておき、閾値の超過の有無により金属異物の有無を判定すればよい。このように、周波数特性分析器Ａ１００を用いて、複数の共振器Ｒ１の電気的特性であるインピーダンス値とＱ値を観測すれば容易に金属異物の検出が可能となる。

以上のように、本実施形態に係る給電コイルユニットＬ１００は、励磁コイルＥ１が、複数の共振器Ｒ１のうち、行方向および列方向に隣り合う共振器Ｒ１ａ，Ｒ１ｂを給電コイルＬ１が励磁しない周波数帯域の互いに異なる共振周波数にて交流磁界を発生させている。そのため、複数の共振器Ｒ１を金属検出エリアに隙間なく配置したとしても、それぞれの共振器Ｒ１ａ，Ｒ１ｂが互いに影響を及ぼし合うことが抑制されるため、それぞれの共振器Ｒ１ａ，Ｒ１ｂの共振周波数が複数発生することを抑制できるとともに、Ｑ値の低下を抑制することができる。その結果、非接触にて電力を伝送する際の異物の検出精度を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態に係る給電コイルユニットＬ２００の構成について詳細に説明する。図４は、本発明の第２実施形態に係る給電コイルユニットを上面から見た模式構成図である。

給電コイルユニットＬ２００は、第１実施形態に係る給電コイルユニットＬ１００と同様に、給電コイルＬ１と、異物検知装置Ｄ２００と、信号発生器ＳＧ２と、周波数特性分析器Ａ１００と、を有する。給電コイルＬ１、周波数特性分析器Ａ１００の構成は、第１実施形態に係る給電コイルユニットＬ１００と同様である。本実施形態では、異物検知装置Ｄ２００の複数の共振器Ｒ２が複数の共振器Ｒ２ａ〜Ｒ２ｆを備えている点、および、信号発生器ＳＧ２が周波数の異なる６つの正弦波信号を出力する点において第１実施形態と相違する。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

異物検知装置Ｄ２００は、給電コイルＬ１の受電コイルＬ２と対向する面側に配置されている。すなわち、異物検知装置Ｄ２００は、給電コイルＬ１（給電側）と受電コイルＬ２（受電側）との間に配置されることとなる。この異物検知装置Ｄ２００は、例えば銅張の多層基板から構成され、複数の共振器Ｒ２と、励磁コイルＥ１と、を有する。

複数の共振器Ｒ２は、少なくとも給電コイルＬ１が発生する磁束に鎖交する領域を覆うように行列配置されている。言い換えれば、複数の共振器Ｒ２は、図４に示されるように、面内方向に行列配置されている。本実施形態では、複数の共振器Ｒ２は、共振器Ｒ２ａ〜Ｒ２ｆの６種類の共振器から構成されている。共振器Ｒ２ａ〜Ｒ２ｆは、それぞれ給電コイルＬ１が励磁しない周波数帯域の単一の共振周波数を有し、互いに異なる共振周波数ｆｒ１〜ｆｒ６に設定されている。これら共振器Ｒ２ａ〜Ｒ２ｆは、図４に示されるように、６行×６列に配置されている。より具体的には、第１行、第３行、第５行は、図示左側より共振器Ｒ２ａ、共振器Ｒ２ｂ、共振器Ｒ２ｃ、共振器Ｒ２ｄ、共振器Ｒ２ｅ、共振器Ｒ２ｆの順で配置され、第２行、第４行、第６行は、図示左側より共振器Ｒ２ｆ、共振器Ｒ２ｅ、共振器Ｒ２ｄ、共振器Ｒ２ｃ、共振器Ｒ２ｂ、共振器Ｒ２ａの順で配置されている。すなわち、第１行、第３行、第５行と第２行、第４行、第６行とでは、共振器Ｒ２ａ〜Ｒ２ｆの配置順序が逆となっている。なお、共振器Ｒ２ａ〜Ｒ２ｆを構成する共振コイルＭ１と共振キャパシタＣ１の構成は第１実施形態と同様である。また、第１実施形態と同様に、複数の共振器Ｒ２は、給電コイルＬ１の巻線によって区画される領域よりも広い領域を覆うように行列配置されていてもよい。この場合、給電コイルＬ１上だけでなく、その周囲に混入した異物も検出することが可能となる。いずれにしても、複数の共振器Ｒ２が行列配置される領域は、少なくとも給電コイルＬ１が発生する磁束に鎖交する領域を覆っていれば任意に設定できる。またさらには、金属検出エリアの全ての領域において、共振器Ｒ２ａ〜Ｒ２ｆが行方向に順に配置されていることが好ましいが、本発明の効果が奏される限りにおいて、金属検出エリアの一部の領域において、共振器Ｒ２ａ同士、共振器Ｒ２ｂ同士、共振器Ｒ２ｃ同士、共振器Ｒ２ｄ同士、共振器Ｒ２ｅ同士、あるいは共振器Ｒ２ｆ同士が行方向または列方向に隣り合うように配置されていてもよい。

信号発生器ＳＧ２は、周波数の異なる６つの正弦波信号を一定の間隔（例えば１００〔ｍｓ〕ごと）で切り替えて励磁コイルＥ１に供給している。６つの正弦波信号の周波数はそれぞれ、共振器Ｒ２ａの共振周波数ｆｒ１と共振器Ｒ２ｂの共振周波数ｆｒ２と共振器Ｒ２ｃの共振周波数ｆｒ３と共振器Ｒ２ｄの共振周波数ｆｒ４と共振器Ｒ２ｅの共振周波数ｆｒ５と共振器Ｒ２ｆの共振周波数ｆｒ６のいずれか一つの周波数と同じ周波数に設定されている。このように、信号発生器ＳＧ２が出力する周波数の異なる６つの正弦波信号を受けて励磁コイルＥ１が励磁されて磁界が発生し、この磁界によって共振器Ｒ２ａ〜Ｒ２ｆの共振コイルＭ１に起電力が発生して電流が流れる。本実施形態では、共振器Ｒ２ａ〜Ｒ２ｆが上述のような配置とされているため、信号発生器ＳＧ２が出力する周波数の異なる６つの正弦波信号を受けて励磁する励磁コイルＥ１により、複数の共振器Ｒ２のうち、１つの共振器と該共振器の周囲に配置される共振器を互いに異なる共振周波数にて交流磁界を発生させることが可能となる。例えば、図４に示されるように、２列目および４列目の共振器Ｒ２ｅの周囲には、図示左斜め上側に共振器Ｒ２ａ、図示直上に共振器Ｒ２ｂ、図示右斜め上側に共振器Ｒ２ｃ、図示右側に共振器Ｒ２ｄ、図示右斜め下側に共振器Ｒ２ｃ、図示直下に共振器Ｒ２ｂ、図示左斜め下側に共振器Ｒ２ａ、図示左側に共振器Ｒ２ｆが配置されているため、共振器Ｒ２ｅは、周囲に配置される共振器Ｒ２ａ〜Ｒ２ｄ，Ｒ２ｆと異なる共振周波数にて交流磁界を発生させることとなる。

以上のように、本実施形態に係る給電コイルユニットＬ２００は、励磁コイルＥ１が、複数の共振器Ｒ２のうち、１つの共振器と該共振器の周囲に配置される共振器を互いに異なる共振周波数にて交流磁界を発生させている。そのため、複数の共振器Ｒ２を金属検出エリアに隙間なく配置したとしても、それぞれの共振器Ｒ２ａ〜Ｒ２ｆが互いに影響を及ぼしあうことが一層抑制されるため、それぞれの共振器Ｒ２ａ〜Ｒ２ｆの共振周波数ｆｒ１〜ｆｒ６が複数発生することを確実に抑制できるとともに、Ｑ値の低下を一層抑制することができる。したがって、非接触にて電力を伝送する際の異物の検出精度を一層向上させることができる。

（第３実施形態）
次に、図５〜図７を参照して、本発明の第３実施形態に係る給電コイルユニットＬ３００の構成について詳細に説明する。図５は、本発明の第３実施形態に係る給電コイルユニットを上面から見た模式構成図である。図６は、図５におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う給電コイルユニットの模式切断部端面図である。図７は、本発明の第３実施形態に係る給電コイルユニットにおける信号発生器、異物検知装置、及び異物検知システムのシステム構成図である。

給電コイルユニットＬ３００は、第１実施形態に係る給電コイルユニットＬ１００と同様に、給電コイルＬ１と、異物検知装置Ｄ３００と、信号発生器ＳＧと、異物検知システムＳ１００と、を有する。給電コイルＬ１、信号発生器ＳＧの構成は、第１実施形態に係る給電コイルユニットＬ１００と同様である。本実施形態では、異物検知装置Ｄ３００が複数の検出コイルＫ１を備えている点、および、周波数特性分析器Ａ１００の代わりに異物検知システムＳ１００を備えている点において第１実施形態と相違する。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

異物検知装置Ｄ３００は、図６に示されるように、給電コイルＬ１の受電コイルＬ２と対向する面側に配置されている。すなわち、異物検知装置Ｄ３００は、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間に配置されることとなる。この異物検知装置Ｄ３００は、例えば銅張の多層基板から構成され、複数の共振器Ｒ１と、励磁コイルＥ１と、複数の検出コイルＫ１と、を有する。複数の共振器Ｒ１、励磁コイルＥ１の構成は、第１実施形態に係る給電コイルユニットＬ１００と同様である。

複数の検出コイルＫ１は、図５に示されるように、それぞれ略正方形を呈しており、例えば銅張の多層基板の給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との対向方向における複数の共振器Ｒ１の共振コイルＭ１が形成される層と励磁コイルＥ１が形成される層の間の層に４ターンのコイルパターンを印刷して形成される。この複数の検出コイルＫ１の各コイルパターンは、複数の共振器Ｒ１の各共振器と電磁結合（磁気結合）するように行列配置されている。すなわち、複数の検出コイルＫ１の各コイルパターンは、複数の共振器Ｒ１の各共振コイルＭ１と互いに向かい合っている。また、複数の検出コイルＫ１の各コイルパターンのコイル軸は、複数の共振器Ｒ１の各共振コイルＭ１のコイル軸と一致していると電磁的に強く結合して好ましい。これら複数の検出コイルＫ１は、複数の共振器Ｒ１の各共振器と電磁結合しているため、励磁コイルＥ１によって励磁された共振器に交流電流が流れることにより、起電力が発生して交流電流が流れる。そして、複数の検出コイルＫ１から交流信号Ｖｋが後述する複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶに出力される。このとき、共振器Ｒ１ａに対向配置された検出コイルＫ１ａからは交流信号Ｖｋ１が出力され、共振器Ｒ１ｂに対向配置された検出コイルＫ１ｂからは交流信号Ｖｋ２が出力される。

異物検知システムＳ１００は、図７に示されるように、複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶと、複数の比較回路ＣＰと、判定器Ｊ１と、表示器Ｈ１と、を有する。なお、本実施形態においては、２つの共振器Ｒ１ａと２つの共振器Ｒ１ｂの場合について図示しているが、複数の共振器Ｒ１ａ，Ｒ１ｂの数に応じて異物検知システムＳ１００が構成されていればよい。

複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶは、複数の検出コイルＫ１の各コイルの両端に接続されている。この複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶは、複数の検出コイルＫ１から出力される交流信号Ｖｋを直流信号Ｖｘに変換し、後述する複数の比較回路ＣＰに出力する。具体的には、複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶは、検出コイルＫ１ａに接続される複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶ１と検出コイルＫ１ｂに接続される複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶ２を有し、複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶ１によって交流信号Ｖｋ１は直流信号Ｖｘ１に変換され、複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶ２によって交流信号Ｖｋ２は直流信号Ｖｘ２に変換される。

複数の比較回路ＣＰのそれぞれは、図７に示されるように、コンパレータＣＯＭＰ１とダイオードＤ１から構成されている。コンパレータＣＯＭＰ１の反転入力端子には複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶの出力である直流信号Ｖｘが入力され、コンパレータＣＯＭＰ１の非反転入力端子には基準電圧Ｖｒｅｆが入力され、コンパレータＣＯＭＰ１の出力端子にはダイオードＤ１のアノード端子が接続されている。また、ダイオードＤ１のカソード端子は後述する判定器Ｊ１が接続されている。このような構成を備えた複数の比較回路ＣＰは、コンパレータＣＯＭＰ１の反転入力端子に入力された直流信号Ｖｘと非反転入力端子に入力された基準電圧Ｖｒｅｆとの大小関係を比較し、直流信号Ｖｘが基準電圧Ｖｒｅｆよりも高い場合はコンパレータＣＯＭＰ１の出力端子からＬｏｗレベルの信号がダイオードＤ１を介して後述する判定器Ｊ１に出力される。逆に、直流信号Ｖｘが基準電圧Ｖｒｅｆよりも低い場合はコンパレータＣＯＭＰ１の出力端子からＨｉｇｈレベルの信号がダイオードＤ１を介して後述する判定器Ｊ１に出力される。具体的には、複数の比較回路ＣＰは、複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶ１の出力である直流信号Ｖｘ１がコンパレータＣＯＭＰ１の反転入力端子に入力される複数の比較回路ＣＰ１と複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶ２の出力である直流信号Ｖｘ２がコンパレータＣＯＭＰ１の反転入力端子に入力される複数の比較回路ＣＰ２を有する。

判定器Ｊ１は、複数の比較回路ＣＰに接続されている。このように、判定器Ｊ１は、複数の比較回路ＣＰに共通して接続されているため、複数の比較回路ＣＰから出力される信号が全てＬｏｗレベルのときは、判定器Ｊ１にはＬｏｗレベルの信号が入力される。一方、複数の比較回路ＣＰから出力される信号のうち、いずれか１つがＨｉｇｈレベルの信号のとき、判定器Ｊ１にはＨｉｇｈレベルの信号が入力される。具体的には、判定器Ｊ１は、信号発生器ＳＧが３０００〔ｋＨｚ〕の正弦波信号を出力している期間においては、複数の比較回路ＣＰ１による直流信号Ｖｘ１と基準電圧Ｖｒｅｆとの大小関係の比較結果である信号のレベルが全てＬｏｗレベルの場合は金属異物が混入していないと判定し、複数の比較回路ＣＰ１による直流信号Ｖｘ１と基準電圧Ｖｒｅｆとの大小関係の比較結果である信号のレベルのいずれか１つがＨｉｇｈレベルの信号の場合は金属異物が混入していると判定する。また、判定器Ｊ１は、信号発生器ＳＧが６０００〔ｋＨｚ〕の正弦波信号を出力している期間においては、複数の比較回路ＣＰ２による直流信号Ｖｘ２と基準電圧Ｖｒｅｆとの大小関係の比較結果である信号のレベルが全てＬｏｗレベルの場合は金属異物が混入していないと判定し、複数の比較回路ＣＰ２による直流信号Ｖｘ２と基準電圧Ｖｒｅｆとの大小関係の比較結果である信号のレベルのいずれか１つがＨｉｇｈレベルの信号の場合は金属異物が混入していると判定する。このように判定器Ｊ１は、複数の比較回路ＣＰから出力される信号の波形を分析して、金属異物の有無を判定する。そして、判定器Ｊ１によって判定した結果（金属異物の有無）は、表示器Ｈ１に出力される。

表示器Ｈ１は、判定器Ｊ１に接続されている。この表示器Ｈ１は、判定器Ｊ１が判定した結果（金属異物の有無）をユーザーに認識させる機能を有している。例えば、表示器Ｈ１が図示しない緑色と赤色のランプを具備し、判定器Ｊ１によって判定した結果、金属異物が検知されないときには緑色のランプを点灯させ、判定器Ｊ１によって判定した結果、金属異物が検知されたときに赤色のランプを点灯させるようにすればよい。このように、表示器Ｈ１によってユーザーに金属異物の有無を知らせることで、ユーザーが非接触電力伝送装置Ｓ１の給電動作を制限（動作継続あるいは動作停止）させることが可能となる。なお、判定器Ｊ１ならびに表示器Ｈ１を用いずに金属異物の有無を判断する手段としては、複数の比較回路ＣＰがＬｏｗレベルの信号を出力しているときには、電力変換回路ＩＮＶの動作を継続させ、複数の比較回路ＣＰがＨｉｇｈレベルの信号を出力している場合には、電力変換回路ＩＮＶの動作を停止させるようにしてもよい。

ここで、図８〜図１１を参照して、本実施形態に係る給電コイルユニットＬ３００の異物検知システムＳ１００の信号波形に関して詳細に説明する。図８および図９は、信号発生器が３０００〔ｋＨｚ〕の正弦波信号を出力しているときの複数の検出コイルおよび複数のＡＣ／ＤＣ変換器が出力する信号波形を示す波形図である。図１０および図１１は、信号発生器が６０００〔ｋＨｚ〕の正弦波信号を出力しているときの複数の検出コイルおよび複数のＡＣ／ＤＣ変換器が出力する信号波形を示す波形図である。

まず、信号発生器ＳＧが３０００〔ｋＨｚ〕の正弦波信号を出力している期間（１００〔ｍｓ〕）の各信号波形について説明する。信号発生器ＳＧから３０００〔ｋＨｚ〕の正弦波信号が励磁コイルＥ１に供給されると、共振器Ｒ１ａが共振状態となり共振電流が流れ、共振器Ｒ１ａに対向配置された検出コイルＫ１ａに起電力が発生して交流電流が流れる。検出コイルＫ１ａからは交流信号Ｖｋ１がＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶ１に出力され、ＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶ１によって直流信号Ｖｘ１に変換される。そして、複数の比較回路ＣＰ１は、コンパレータＣＯＭＰ１の反転入力端子に入力された直流信号Ｖｘ１と非反転入力端子に入力された基準電圧Ｖｒｅｆとの大小関係を比較する。ここで、金属異物が混入していないときは、図８に示されるように、直流信号Ｖｘ１が基準電圧Ｖｒｅｆよりも高くなるため、複数の比較回路ＣＰ１から全てＬｏｗレベルの信号が出力される。一方、金属異物が混入したときは、共振器Ｒ１ａの共振周波数が３０００〔ｋＨｚ〕よりも高くなり、また同時にＱ値が低下するために、図９に示されるように、直流信号Ｖｘ１が基準電圧Ｖｒｅｆよりも低くなるため、複数の比較回路ＣＰ１からＨｉｇｈレベルの信号が出力される。

続いて、信号発生器ＳＧが６０００〔ｋＨｚ〕の正弦波信号を出力している期間（１００〔ｍｓ〕）の各信号波形について説明する。信号発生器ＳＧから６０００〔ｋＨｚ〕の正弦波信号が励磁コイルＥ１に供給されると、励磁コイルＥ１が発生する磁界によって共振器Ｒ１ｂに交流電流が流れ、共振器Ｒ１ｂに対向配置された検出コイルＫ１ｂに起電力が発生して交流電流が流れる。検出コイルＫ１ｂからは交流信号Ｖｋ２がＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶ２に出力され、ＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶ２によって直流信号Ｖｘ２に変換される。そして、複数の比較回路ＣＰ２は、コンパレータＣＯＭＰ１の反転入力端子に入力された直流信号Ｖｘ２と非反転入力端子に入力された基準電圧Ｖｒｅｆとの大小関係を比較する。ここで、金属異物が混入していないときは、図１０に示されるように、直流信号Ｖｘ２が基準電圧Ｖｒｅｆよりも高くなるため、複数の比較回路ＣＰ２から全てＬｏｗレベルの信号が出力される。一方、金属異物が混入したときは、共振器Ｒ１ｂの共振周波数が６０００〔ｋＨｚ〕よりも高くなり、また同時にＱ値が低下するために、図１１に示されるように、直流信号Ｖｘ２が基準電圧Ｖｒｅｆよりも低くなるため、複数の比較回路ＣＰ２からＨｉｇｈレベルの信号が出力される。

以上のように、本実施形態に係る給電コイルユニットＬ３００は、異物検知装置Ｄ３００は、複数の検出コイルＫ１をさらに備え、複数の検出コイルＫ１は、それぞれ複数の共振器Ｒ１の各共振器と磁気結合するように配置されている。そのため、Ｑ値の測定手段を複数の共振器Ｒ１に直接接続することなく、複数の共振器Ｒ１のＱ値を間接的に測定することが可能となるため、複数の共振器Ｒ１の共振周波数を変化させることなく、複数の共振器Ｒ１のＱ値の低下をより一層抑制することができる。

なお、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、本実施形態では、異物検知装置を、給電側から受電側への非接触電力伝送に用いられるコイルユニットに適用した例を用いて説明したがこれに限られることなく、本発明に係る異物検知装置は、包装材で包まれた食品、医薬品、工業材料等に混入した金属異物の検出にも適用することが可能である。

地上側から駐車中の電気自動車に非接触で電力伝送を行い、２次電池を充電する電気自動車用非接触給電装置に装備する異物検知装置ならびに包装材で包まれた食品、医薬品、工業材料等に混入した金属異物を検出する異物検知装置に利用できる。

１００…給電装置、２００…受電装置、Ａ〜Ｄ…端子、Ａ１００…周波数特性分析器、Ｃ１…共振キャパシタ、ＣＯＭＰ１…コンパレータ、ＣＯＮＶ，ＣＯＮＶ１，ＣＯＮＶ２…複数のＡＣ／ＤＣ変換器、ＣＰ，ＣＰ１，ＣＰ２…複数の比較回路、Ｄ１…ダイオード、Ｄ１００，Ｄ２００，Ｄ３００…異物検知装置、Ｅ１…励磁コイル、Ｈ１…表示器、ＩＮＶ…電力変換回路、Ｊ１…判定器、Ｋ１，Ｋ１ａ，Ｋ１ｂ…複数の検出コイル、Ｌ１…給電コイル、Ｌ１００，Ｌ２００，Ｌ３００…給電コイルユニット、Ｌ２…受電コイル、Ｍ１…共振コイル、Ｒ１，Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２，Ｒ２ａ〜Ｒ２ｆ…複数の共振器、ＲＥＣ…整流回路、Ｓ１…非接触電力伝送装置、Ｓ１００…異物検知システム、ＳＧ，ＳＧ２…信号発生器、ＶＧ…電源。

Claims (4)

1. 給電側から受電側への非接触電力伝送に用いられるコイルユニットであって、
   電力伝送用コイルと、
   異物検知装置と、を備え、
   前記異物検知装置は、共振コイルと共振キャパシタを有する複数の共振器と、前記複数の共振器を励磁させる励磁コイルと、を有し、
   前記複数の共振器は、少なくとも前記電力伝送用コイルが発生する磁束に鎖交する領域を覆うように行列配置されており、
   前記励磁コイルは、前記複数の共振器のうち、行方向および列方向に隣り合う共振器を前記電力伝送用コイルが励磁しない周波数帯域の互いに異なる共振周波数にて交流磁界を発生させることを特徴とするコイルユニット。
2. 前記励磁コイルは、前記複数の共振器のうち、１つの共振器と該共振器の周囲に配置される共振器を互いに異なる共振周波数にて交流磁界を発生させることを特徴とする請求項１に記載のコイルユニット。
3. 前記異物検知装置は、複数の検出コイルをさらに備え、
   前記複数の検出コイルは、それぞれ前記複数の共振器の各共振器と磁気結合するように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のコイルユニット。
4. 異物を検知するための異物検知装置であって、
   共振コイルと共振キャパシタを有する複数の共振器と、
   前記複数の共振器を励磁させる励磁コイルと、を備え、
   前記複数の共振器は、面内方向に行列配置されており、
   前記励磁コイルは、前記複数の共振器のうち、行方向および列方向に隣り合う共振器を周波数帯域の互いに異なる共振周波数にて交流磁界を発生させることを特徴とする異物検知装置。

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