JP2015223026A - 異物検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位置によって検知精度にバラツキが生じることを抑制する。
【解決手段】非接触で電力を伝送する際に形成される磁界内に異物が存在しているか否かを検知する異物検知装置は、磁界に面する表面部材４３４と、第１コイルと、第２コイルとを備える。第１コイルおよび第２コイルの一方から他方に電磁誘導によって送電した際の他方における受電状態に基づいて異物の有無が判定される。第１コイルおよび第２コイルの各々は、巻き数が互いに同じで且つ巻き方向を逆にした第１コイル要素４６８Ｌ，４７８Ｌおよび第２コイル要素４６８Ｒ，４７８Ｒを互いに直列に接続した形状を有する。第１コイルおよび第２コイルの双方について、第１コイル要素および第２コイル要素同士が互いに接続されている部分は、表面部材４３４に向けて突出する形状を有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、送電装置から受電装置に非接触で電力を伝送する際に形成される磁界内に、異物が存在しているか否かを検知する異物検知装置に関する。

下記の特許文献１〜６は、送電装置から受電装置に非接触で電力を伝送する技術を開示している。特許文献１は、金属異物検知装置に関する技術も開示しており、この金属異物検知装置は、スパイラル形状を有するアンテナコイルに高周波電流を流すことによって、異物の有無を検知する。

特開２０１２−０１６１２５号公報 特開２０１３−１５４８１５号公報 特開２０１３−１４６１５４号公報 特開２０１３−１４６１４８号公報 特開２０１３−１２６３２７号公報 特開２０１３−１１０８２２号公報

アンテナコイルなどのコイルを用いた場合には、送電装置と受電装置との間で電力伝送が実施される前であれば、異物の有無を正確に検知できる。しかしながら、電力伝送が実施されている最中には、コイルが磁界からの影響を受けることに起因して、コイルを用いて異物の有無を正確に検知することが難しい場合がある。これに対して、いわゆる８の字形状を有するコイルの採用が考えられる。このコイルは、巻き数が互いに同じで且つ巻き方向を逆にした一対のコイル要素を互いに直列に接続した形状を有する。

しかしながら、８の字形状のコイルを採用した場合には、一対のコイル要素同士が接続されている部分の付近（コイル線が交差している部分の付近）と、その交差部分以外の部分とで、検知精度（検知能）にバラツキが生じやすい。したがって、位置によって検知精度のバラツキが生じにくい異物検知装置が求められている。

異物検知装置は、送電装置から受電装置に非接触で電力を伝送する際に形成される磁界内に、異物が存在しているか否かを検知する異物検知装置であって、上記磁界に面する表面部材と、上記磁界の側とは反対側から上記表面部材に対向する第１コイルと、上記表面部材の側とは反対側から上記第１コイルに対向する第２コイルとを備え、上記第１コイルおよび上記第２コイルの一方から他方に電磁誘導によって送電した際の上記他方における受電状態に基づいて異物の有無が判定され、上記第１コイルおよび上記第２コイルの各々は、巻き数が互いに同じで且つ巻き方向を逆にした第１コイル要素および第２コイル要素を互いに直列に接続した形状を有し、上記第１コイルおよび上記第２コイルの双方について、上記第１コイル要素および上記第２コイル要素同士が互いに接続されている部分は、上記表面部材に向けて突出する形状を有している。

上記の構成によれば、各コイル要素同士が互いに接続されている部分（コイル線が交差している部分）は、表面部材に向けて突出する形状を有している。各コイル要素のうちの交差部分の付近は、交差部分以外の部分に比べて表面部材の近くに位置する。すなわち、交差部分以外の部分は、交差部分に比べて表面部材から離れている。交差部分以外の部分で形成された検知用磁界は、交差部分の付近で形成された検知用磁界に比べて、表面部材（検知面）に到達するまでに減衰しやすい。したがって、当該構成によれば均一な磁界分布を形成することが可能となっており、位置ごとに発生し得る検知精度のバラツキも改善できると言える。

上記の構成によれば、位置によって検知精度のバラツキが生じにくい異物検知装置が得られる。

実施の形態１における車両および外部給電装置を示す図である。 実施の形態１における異物検知装置を備える送電装置の分解した状態を示す斜視図である。 実施の形態１における異物検知装置および制御装置の電気的な構成を示す図である。 実施の形態１における異物検知装置に備えられる送信コイルおよび受信コイルを示す側面図である。 実施の形態１における異物検知装置に備えられる送信コイルおよび受信コイルを示す斜視図である。 実施の形態１における異物検知装置に備えられる送信コイルおよび受信コイルを示す他の斜視図である。 比較例における異物検知装置に備えられる送信コイルおよび受信コイルを示す側面図である。 比較例における異物検知装置に備えられる送信コイルおよび受信コイルを示す平面図である。 実施の形態２における異物検知装置に備えられる送信コイルおよび受信コイルを示す側面図である。 実施の形態３における異物検知装置に備えられる送信コイルおよび受信コイルを示す側面図である。 実施の形態４における異物検知装置を備える受電装置の分解した状態を示す斜視図である。

実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。個数および量などに言及する場合、本発明の範囲は必ずしもその個数および量などに限定されない。同一の部品および相当部品には同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

［実施の形態１］
図１を参照して、本実施の形態の車両１００は、受電装置２００を含む。受電装置２００は、受電部２１０およびコンデンサ２２０を備え、この受電部２１０は、コア２４０と、このコア２４０の周囲に巻回された受電コイル２５０とを含む。受電コイル２５０は、受電コイル２５０のコイル巻回軸Ｏ１が車両１００の前後方向に延びるように配置される。

本実施の形態の外部給電装置３００は、送電装置４００、高周波電力装置３１０および送電ＥＣＵ３２０を備える。高周波電力装置３１０は、交流電源３３０および送電装置４００に接続される。送電装置４００は、送電部４１０およびコンデンサ４２０を備え、この送電部４１０は、コア４４０と、このコア４４０の周囲に巻回された送電コイル４５０とを含む。送電の際には、受電コイル２５０のコイル巻回軸Ｏ１と送電コイル４５０のコイル巻回軸Ｏ２とは、互いに平行になることが企図される。送電コイル４５０は、高周波電力装置３１０から高周波電力を印加されることにより磁界を形成する。送電コイル４５０は、この磁界を介して電磁誘導により受電コイル２５０に非接触で電力を送電する。

（異物検知装置４６０）
送電装置４００は、異物検知装置４６０および制御装置４８５をさらに備える。受電部２１０と送電部４１０との間に形成される磁界内に金属などの異物が存在している場合、電力の伝送効率（受電部２１０の受電効率）が低下したり、異物が発熱したりする。異物とは、たとえば受電部２１０と送電部４１０との間に存在する金属片（飲料缶やお金等）および動物等が想定される。異物検知装置４６０によって、このような異物を検知することができる。

詳細は後述されるが、異物検知装置４６０は、複数の送信コイル（図３における送信コイル４６８を参照）および複数の受信コイル（図３における受信コイル４７８を参照）を含む。電力伝送の際には、受電部２１０（図１）と送電部４１０との間に磁界が形成される。複数の送信コイル４６８および複数の受信コイル４７８は、この磁界が及ぶ位置に配置される。本実施の形態では複数の送信コイルおよび複数の受信コイルが用いられるが、送信コイルおよび受信コイルはそれぞれ１つずつであってもよい。送信コイルが「第１コイルおよび第２コイルの一方」に相当し、受信コイルが「第１コイルおよび第２コイルの他方」に相当する。

図２は、送電装置４００の分解した状態を示す斜視図である。矢印Ｄは鉛直方向下方を示し、矢印Ｕは鉛直方向上方を示し、矢印Ｌは車両左方向を示し、矢印Ｒは車両右方向を示し、矢印Ｆは車両前進方向を示し、矢印Ｂは車両後退方向を示す。これらについては、後述する図４−１１においても共通する。

送電装置４００に用いられる送電部４１０、コンデンサ４２０および異物検知装置４６０は、筐体４３０の中に収容される。筐体４３０は、シールド４３２および蓋部材４３４（表面部材）を有する。蓋部材４３４は、受電部２１０と送電部４１０との間に形成される磁界に面するように配置される。

異物検知装置４６０を構成する複数の送信コイル４６８および複数の受信コイル４７８は、略同一の大きさおよび形状を有する（図４−図６参照）。１つの送信コイル４６８および１つの受信コイル４７８は、互いに対向するように配置され、１組のコイルペアを構成する。複数の送信コイル４６８および複数の受信コイル４７８は、複数組のコイルペアのそれぞれが行列状に配列されるように、蓋部材４３４の内面上に貼り付けられる（図２参照）。

（異物検知装置４６０などの電気的な構成）
図３は、異物検知装置４６０および制御装置４８５の電気的な構成を示す図である（図１も参照）。異物検知装置４６０は、複数の送信コイル４６８および複数の受信コイル４７８に加えて、発振器４６１、パワーアンプ４６２、共振コンデンサ４６３、マルチプレクサ４６４，４６５および共通配線４６６，４６７、ならびに、信号処理回路４７１、共振コンデンサ４７２、共振抵抗４７３、マルチプレクサ４７４，４７５および共通配線４７６，４７７を含む。

図３の中では、説明上の便宜のため、複数の送信コイル４６８および複数の受信コイル４７８は左右方向に離れて配置されているように図示される。実際には、１つの送信コイル４６８および１つの受信コイル４７８は、互いに対向するように配置され、１組のコイルペアを構成する（図４−図６参照）。本実施の形態では、計１６組のコイルペアが蓋部材４３４（図２）の内面上に貼り付けられる。

異物検知装置４６０の中では、共振コンデンサ４６３と複数の送信コイル４６８の１つ１つとの間に共振周波数ｆ＝１／（２π×（Ｌ×Ｃ）^１／２）の式が満足するように、回路定数が予め定められている。同様に、共振コンデンサ４７２と複数の受信コイル４７８の１つ１つとの間にも共振周波数ｆ＝１／（２π×（Ｌ×Ｃ）^１／２）の式を満足するように回路定数が予め定められている。これらの式において、ｆは発振器４６１の共振周波数［Ｈｚ］であり、Ｌは各コイルのインダクタンス［Ｈ］であり、Ｃは各コンデンサの容量［Ｆ］である。送信コイル４６８および受信コイル４７８は、所定の結合係数で電磁気的に結合している。共振周波数ｆは、受電部２１０と送電部４１０との間で行なわれる電力伝送の周波数よりも十分に高い（たとえま１０倍以上である）ことが好ましい。たとえば、電力伝送の周波数が８５ｋＨｚである場合には、共振周波数ｆは１３．６５ＭＨｚとすることができる。

図４−図６は、それぞれ、送信コイル４６８および受信コイル４７８を示す側面図、斜視図および他の斜視図である。図４−図６に示すように、送信コイル４６８は、巻き数が同じで且つ巻き方向を逆にした一対のコイル要素４６８Ｌ（第１コイル要素）およびコイル要素４６８Ｒ（第２コイル要素）を互いに直列接続した形状を有する。コイル要素４６８Ｌ，４６８Ｒは、いずれも平面視で略矩形形状を有しており、車幅方向（矢印ＬＲ方向）に沿って並んでいる。

同様に、受信コイル４７８も、巻き数が同じで且つ巻き方向を逆にした一対のコイル要素４７８Ｌ（第１コイル要素）およびコイル要素４７８Ｒ（第２コイル要素）を互いに直列接続した形状を有する。コイル要素４７８Ｌ，４７８Ｒも、いずれも平面視で略矩形形状を有しており、車幅方向（矢印ＬＲ方向）に沿って並んでいる。各コイル要素は、車幅方向に限られず、車両前後方向（矢印ＦＢ方向）に沿って並んでいてもよい。

受信コイル４７８は、受電部２１０と送電部４１０との間に形成される磁界の側とは反対側から蓋部材４３４に対向する。言い換えると、蓋部材４３４の図４紙面内の上側を表面とし、蓋部材４３４の図４紙面内の下側を裏面とした場合には、受信コイル４７８は、蓋部材４３４の裏面に対向するように配置される。送信コイル４６８は、蓋部材４３４の側とは反対側から受信コイル４７８に対向する。言い換えると、送信コイル４６８と蓋部材４３４との間に受信コイル４７８が配置される。送信コイル４６８と受信コイル４７８との配置関係は、図４−図６に示す上記のような構成とは上下反対であってもよい。

送信コイル４６８に関して、上述の通り、一対のコイル要素４６８Ｌ，４６８Ｒは互いに直列に接続される。図４に示すように、コイル要素４６８Ｌ，４６８Ｒ同士が互いに接続されている部分（すなわち送信コイル４６８の車幅方向における中央部Ｅ１の付近）は、蓋部材４３４に向けて突出する形状を有する。送信コイル４６８の中央部Ｅ１の付近とは、コイル要素４６８Ｌ，４６８Ｒを構成しているコイル線が交差している部分である。送信コイル４６８を水平な方向から側面視した場合には（図４に現れる様子）、送信コイル４６８は左右対称の山形形状を有しており、コイル要素４６８Ｌとコイル要素４６８Ｒとの間には角度θ１（角度θ１＜１８０°）が設けられている。

受信コイル４７８に関して、上記同様に、一対のコイル要素４７８Ｌ，４７８Ｒは互いに直列に接続される。図４に示すように、コイル要素４７８Ｌ，４７８Ｒ同士が互いに接続されている部分（すなわち受信コイル４７８の車幅方向における中央部Ｅ１の付近）は、蓋部材４３４に向けて突出する形状を有する。受信コイル４７８の中央部Ｅ１の付近とは、コイル要素４７８Ｌ，４７８Ｒを構成しているコイル線が交差している部分である。受信コイル４７８を水平な方向から側面視した場合には（図４に現れる様子）、受信コイル４７８は左右対称の山形形状を有しており、コイル要素４７８Ｌとコイル要素４７８Ｒとの間には角度θ２（角度θ２＜１８０°）が設けられている。

図５および図６に示すように、送信コイル４６８に検知用の交流電圧が印加されると、送信コイル４６８は検知用磁界ＡＲ１を形成する。送信コイル４６８に対向する受信コイル４７８には、検知用磁界ＡＲ１によって誘導電圧が発生する。このとき、コイルペアの近傍に異物Ｄ（図６）が存在すると、検知用磁界ＡＲ１が異物Ｄにより影響を受けて送信コイル４６８と受信コイル４７８との間の結合係数が変化し、受信コイル４７８の受電状態が変化する。制御装置４８５（図１，図３）は、この受電状態の変化に基づいて、異物の有無を判定する。上述の通り、送信コイル４６８と受信コイル４７８との上下関係は、特に限定されない。受信コイル４７８は、図４−図６に示されるように送信コイル４６８の上方（Ｕ方向）に配置してもよいし、送信コイル４６８の下方（Ｄ方向）に配置してもよい。

ここで、電力伝送が行なわれている最中には、各コイル要素は、同一方向かつ同一量の磁束（図５中の矢印ＡＲ２）を受ける。この磁束（矢印ＡＲ２）によって各コイル要素には誘導電圧が発生し得るところ、コイル要素４６８Ｌに発生する誘導電圧は、コイル要素４６８Ｒに発生する誘導電圧によってキャンセルされるので、送信コイル４６８にはトータルで誘導電圧は発生しない。受信コイル４７８についても同様であり、受信コイル４７８が磁束（矢印ＡＲ２）を受けても、受信コイル４７８にはトータルで誘導電圧は発生しない。

このようなコイル形状を有するコイルペアによれば、送電装置４００から受電装置２００への電力伝送時に送電部４１０により形成される磁界の異物検知装置への影響を抑制することができる。電力伝送のために形成される磁界に起因した誘導電圧の発生は抑制され、ひいては受信コイル４７８から出力される検知用磁界による誘導電圧の値にノイズが入り込むことも抑制され、検知感度を向上させることが可能となる。

ここで、本実施の形態では、一対のコイル要素同士が接続されている中央部Ｅ１の付近と、中央部Ｅ１以外の部分とで、検知精度（検知能）にバラツキが生じることも抑制される。以下、比較例を参照しつつこの点について説明する。

［比較例］
図７を参照して、比較例では、送信コイル４６８Ｚおよび受信コイル４７８Ｚが採用される。送信コイル４６８Ｚは、同一平面上で並ぶように配置されたコイル要素４６８Ｌ，４６８Ｒからなるコイルペアを含み、受信コイル４７８Ｚも、同一平面上で並ぶように配置されたコイル要素４７８Ｌ，４７８Ｒからなるコイルペアを含む。送信コイル４６８Ｚに検知用の交流電圧が印加されると、送信コイル４６８Ｚは検知用磁界ＡＲ１Ｚを形成する。

送信コイル４６８Ｚが形成する検知用磁界ＡＲ１Ｚにおいては、一対のコイル要素同士が接続されている中央部Ｅ１の付近（コイル線が交差している部分の付近）と、中央部Ｅ１以外の部分とで、磁界強度が大きく異なる。具体的には、中央部Ｅ１の付近と、中央部Ｅ１以外の部分とを比較すると、中央部Ｅ１の付近の方が磁界が弱くなり、中央部Ｅ１以外の部分の方が磁界が強くなる。コイル線が交差している部分においては、検知用の磁界が形成され難い。したがって、検知精度（検知能）も、中央部Ｅ１の付近の方が低くなる。

図８は、検知精度のバラツキを平面視により説明するための図である。一対のコイル要素同士が接続されている部分付近の領域ＲＡに比べて、コイル線によって囲まれた領域ＲＢ，ＲＣの方が磁界が強くなり、検知精度（検知能）も後者の方が高くなる。すなわち、比較例の構成においては検知精度が位置によってバラツキやすい。

図６を再び参照して、実施の形態１の構成では、各コイル要素同士が互いに接続されている部分（中央部Ｅ１）は、蓋部材４３４に向けて突出する形状を有する。各コイル要素のうちの中央部Ｅ１の付近は、中央部Ｅ１以外の部分に比べて蓋部材４３４の近くに位置している。すなわち、中央部Ｅ１以外の部分は、中央部Ｅ１に比べて蓋部材４３４から離れている。中央部Ｅ１以外の部分で形成された検知用磁界は、中央部Ｅ１の付近で形成された検知用磁界に比べて、蓋部材４３４（検知面）に到達するまでに減衰しやすい。したがって、当該構成によれば比較例の場合に比べて均一な磁界分布を形成することが可能となっており、位置ごとに発生し得る検知精度のバラツキも改善できると言える。

［実施の形態２］
図９を参照して、実施の形態２は、実施の形態１と基本的には同じ構成を有しているが、送信コイル４６８Ａおよび受信コイル４７８Ａが採用される点で異なる。実施の形態１では、各コイル要素は直線状に傾斜する形状を有しているが、本実施の形態の送信コイル４６８Ａおよび受信コイル４７８Ａでは、各コイル要素は曲線状に傾斜する形状を有している。当該構成によれば、各コイル要素の末端領域Ｅ２，Ｅ３が形成する磁界が強くなり、実施の形態１の場合に比べてより均一な磁界強度を有する検知用磁界を形成することが可能となる。

［実施の形態３］
図１０を参照して、実施の形態３では、送信コイル４６８Ｂおよび受信コイル４７８Ｂが採用される。本実施の形態の各コイル要素は、末端領域Ｅ２，Ｅ３が、中腹領域Ｅ４，Ｅ５よりも蓋部材４３４に近い側に位置しており、全体として略Ｕ字形状を有している。当該構成によれば、各コイル要素の末端領域Ｅ２，Ｅ３が形成する磁界が実施の形態２の場合よりも強くなり、実施の形態１，２の場合に比べてより均一な磁界強度を有する検知用磁界を形成することが可能となる。

［実施の形態４］
上述の各実施の形態は、送電装置４００の側に搭載される異物検知装置に基づいて説明した。上述で開示した思想は、車両に搭載される受電装置にも略同一のものが適用可能である。

図１１は、実施の形態４において車両に搭載される受電装置２００Ａの分解斜視図である。受電装置２００Ａは、異物検知器２６０および図示しない制御装置をさらに備える。図２等を参照しながら説明した筐体４３０、シールド４３２および蓋部材４３４は、図１１における筐体２３０、シールド２３２および蓋部材２３４（表面部材）に対応する。異物検知器２６０および制御装置は、上述の各実施の形態における異物検知装置４６０および制御装置４８５に対応し、これらと同様の構成を有している。

すなわち、送信コイル２６８を構成する一対のコイル要素（第１コイル要素および第２コイル要素）は、互いに直列に接続される。一対のコイル要素同士が互いに接続されている部分（すなわち送信コイルの車幅方向における中央部の付近）は、蓋部材２３４に向けて突出する形状を有する。同様に、受信コイル２７８を構成する一対のコイル要素は、互いに直列に接続される。一対のコイル要素同士が互いに接続されている部分（すなわち受信コイルの車幅方向における中央部の付近）は、蓋部材２３４に向けて突出する形状を有する。当該構成によっても、均一な磁界分布を形成することが可能となっており、位置ごとに発生し得る検知精度のバラツキも改善できると言える。

以上、本発明に基づいた各実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００ 車両、２００，２００Ａ 受電装置、２１０ 受電部、２２０，４２０ コンデンサ、２３０，４３０ 筐体、２３２，４３２ シールド、２３４，４３４ 蓋部材（表面部材）、２４０，４４０ コア、２５０ 受電コイル、２６０ 異物検知器、２６８，４６８，４６８Ａ，４６８Ｂ，４６８Ｚ 送信コイル、２７８，４６７，４７８，４７８Ａ，４７８Ｂ，４７８Ｚ 受信コイル、３００ 外部給電装置、３１０ 高周波電力装置、３２０ 送電ＥＣＵ、３３０ 交流電源、４００ 送電装置、４１０ 送電部、４５０ 送電コイル、４６０ 異物検知装置、４６１ 発振器、４６２ パワーアンプ、４６３，４７２ 共振コンデンサ、４６４，４６５，４７４，４７５ マルチプレクサ、４６６，４６７，４７６，４７７ 共通配線、４６８Ｌ，４６８Ｒ，４７８Ｌ，４７８Ｒ コイル要素、４７１ 信号処理回路、４７３ 共振抵抗、４８５ 制御装置、ＡＲ１，ＡＲ１Ｚ 検知用磁界、Ｄ 異物、Ｅ１ 中央部、Ｅ２，Ｅ３ 末端領域、Ｅ４，Ｅ５ 中腹領域、Ｏ１，Ｏ２ コイル巻回軸、ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ 領域。

Claims (1)

1. 送電装置から受電装置に非接触で電力を伝送する際に形成される磁界内に、異物が存在しているか否かを検知する異物検知装置であって、
   前記磁界に面する表面部材と、
   前記磁界の側とは反対側から前記表面部材に対向する第１コイルと、
   前記表面部材の側とは反対側から前記第１コイルに対向する第２コイルとを備え、
   前記第１コイルおよび前記第２コイルの一方から他方に電磁誘導によって送電した際の前記他方における受電状態に基づいて異物の有無が判定され、
   前記第１コイルおよび前記第２コイルの各々は、巻き数が互いに同じで且つ巻き方向を逆にした第１コイル要素および第２コイル要素を互いに直列に接続した形状を有し、
   前記第１コイルおよび前記第２コイルの双方について、前記第１コイル要素および前記第２コイル要素同士が互いに接続されている部分は、前記表面部材に向けて突出する形状を有している、
   異物検知装置。

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