JP2016136834A - 異物検出装置、送電装置、受電装置、および無線電力伝送システム - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本開示の実施形態1に係る異物検出装置の概略構成を示す回路図である。この異物検出装置は、例えば無線電力伝送システムの送電装置または受電装置において、金属や人体(動物を含む)などの異物の近接を検出する用途で用いられ得る。異物検出装置は、所定の周期で振動する電圧を出力する発振回路100と、発振回路100から出力された電圧を測定する測定回路300を含む電気回路150とを備えている。発振回路100は、コイル110および共振コンデンサCx、Cyを有し、正のサイクルおよび負のサイクルを含む交流成分、および直流成分(本明細書において、「直流電圧」と称することがある。)を含む電圧を出力するように構成されている。この電圧の変化を測定回路300が測定することにより、コイル110および共振コンデンサCx、Cyへの金属や人体などの異物の近接を検出することができる。以下、金属異物の検出に焦点を絞って説明する。
Vin_X=Vdc(Q)+Vac(Q)×sin(ωt) (1)
ここで、tは時間、ωは発振波形の角周波数、VdcはQ値によって変化する直流電圧、VacはQ値によって変化する発振波形の振幅値である。図2にも示すように、Vac(Q)×sin(ωt)>0になる期間が正のサイクルであり、Vac(Q)×sin(ωt)<0になる期間が負のサイクルである。VdcはインバータINVにCMOSインバータを用いた場合、理想的条件化であればVdc=Vdd/2であるが、半導体のばらつきや損失の影響などで一般にVdd/2より低くなる。この発振回路100の構成例では、コイル110に金属異物が近接することによってコイル110および共振コンデンサCx、Cyから構成される共振回路のQ値が低下すると、発振回路の安定性が低下し、VdcとVacが低下する。すなわち、正のサイクルおよび負のサイクルを有する交流成分と、直流成分が変化している。
Vac=(max(Vin_X)−min(Vin_X))÷2
(2)
Vdc=avg(Vin_X) (3)
ここで、max(・)は測定値の最大値、min(・)は測定値の最小値、avg(・)は発振波形1周期分の測定値の平均値を表す。
図3は、本開示の実施形態2に係る異物検出装置の概略構成を示す回路図である。本実施形態では、発振回路100における増幅部(増幅回路)と電源Vddとの間に電流制限回路400をさらに備えている点で実施形態1と異なっている。これにより、発振回路100から出力される電圧Vinにおける正のサイクルの振幅、負のサイクルの振幅、および直流電圧が、異物の近接によってさらに変化するように構成できる。
図4A〜4Eは、本開示の実施形態3に係る異物検出装置における発振回路の概略構成を示す回路図である。本実施の形態は、発振回路におけるコイルが複数である点で実施形態1と異なっている。以下、実施形態1と異なる点を中心に説明する。
図5は、本開示の実施形態4に係る異物検出装置の概略構成の一例(後述する第3の回路例)を示す回路図である。本実施形態では、発振回路100の出力点Xと測定回路300との間に整流回路200をさらに備えている点で実施形態1と異なっている。図5の構成例では、整流回路200および測定回路300によって電気回路150が構成されている。なお、本実施形態における異物検出装置は測定回路300を備えているが、測定回路300は異物検出装置に接続されて利用される外部の要素であってもよい。
Vout_b=C1/(C1+C2)×Vout_a (4)
図10は本開示の実施形態5に係る異物検出装置の概略構成を示す回路図である。本実施形態の異物検出装置は、実施形態4の整流回路200を多段構成にした整流回路200aを備え、かつ、ダンピング抵抗Rdの値を増加させて、測定回路300に入力される電圧Voutが測定回路300の測定可能範囲内に収まるように構成されている点が異なる。以下、実施形態4と異なる点のみを説明し、共通する点についての説明は省略する。
図11は、本開示の実施形態5に係る無線電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。この無線電力伝送システムは、送電装置500と受電装置600とを備え、送電装置500から受電装置600へ無線で電力を伝送することができる。送電装置500は、例えばワイヤレス充電器であり、受電装置600は、例えば携帯情報端末や電気自動車などの二次電池を備えた機器であり得る。本実施形態では、前述したいずれかの実施形態に係る異物検出装置が送電装置500の側に設けられている。このため、送電装置500は、受電装置600に送電するだけでなく、受電装置600における受電コイル610と送電コイル510との間に金属異物2000があるか否かを検出することができる。その検出結果は、例えば送電装置500または受電装置600に設けられた光源570または光源670から光の情報として使用者に通知され得る。なお、光源570、670に限らず、例えばディスプレイやスピーカなどの表示素子を用いて光、映像、音声などの情報として異物の検出結果を使用者に通知してもよい。「表示素子」は、視覚的情報を提示する素子に限定されず、聴覚的情報(音または音声)のみを提示する素子をも広く含む。
図13は、本開示の実施形態7に係る無線電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。本実施の形態では、受電装置600が、発振回路100、整流回路200、および測定回路300を含む異物検出装置を有している点で実施形態6と異なっている。本実施形態における受電装置600は、受電モードおよび異物検出モードの2つのモードで動作することができ、受電モードと異物検出モードとを切り換えるためのスイッチS1、S2を、受電コイル610と発振回路100との間に備えている。本実施形態における送電装置500および受電装置600の各構成要素は、実施形態6における対応する構成要素と同じものである。なお、本実施形態でも整流回路200を有する実施形態4の異物検出装置を備える場合を例示しているが、整流回路を有しない異物検出装置を備えていてもよい。
本開示の実施形態1および実施形態2に係る実施例を説明する。
本開示の実施形態4に係る実施例を説明する。
110 コイル
150 電気回路
200、200a 整流回路
300 測定回路
400 電流制限回路
500 送電装置
510 送電コイル
520 送電回路
530 電源
540 送電制御回路
570 光源
600 受電装置
610 受電コイル
620 受電回路
630 負荷
640 受電制御回路
670 光源
Lp コイルのインダクタンス
Rp コイルの抵抗
Rd ダンピング抵抗
Cx 共振コンデンサ
Cy 共振コンデンサ
C1 分圧コンデンサ
C2 平滑コンデンサ
D1 整流素子
D2 整流素子
INV インバータ
S1、S2 スイッチ
Claims (16)
- コイルおよび共振コンデンサを有し、正のサイクルおよび負のサイクルを有する交流成分と直流成分とを含む電圧を出力するように構成された発振回路と、
前記発振回路から出力される前記電圧における前記交流成分の変化と前記直流成分の変化とを検知する電気回路と、
を備えた異物検出装置。 - 前記電気回路は、前記発振回路から出力された前記電圧を整流して出力する整流回路を備え、
前記整流回路は、
前記正のサイクルの電圧を整流する第1の整流素子と、
前記直流成分を低下させる第1のコンデンサと、
前記直流成分を低下させることによって0よりも小さくなった前記負のサイクルの電圧を整流する第2の整流素子と、
を有する、請求項1に記載の異物検出装置。 - 前記整流回路は、前記第1の整流素子から出力された電圧を平滑化する第2のコンデンサをさらに有し、
前記第1のコンデンサと前記第2のコンデンサとの分圧比をUとするとき、0<U≦0.5を満足する、
請求項2に記載の異物検出装置。 - 前記電気回路は、前記発振回路から出力される電圧を直接的あるいは間接的に測定する測定回路をさらに備える、請求項1から3のいずれかに記載の異物検出装置。
- 前記電気回路は、前記整流回路から出力される電圧を測定する測定回路をさらに備える、請求項2に記載の異物検出装置。
- 前記発振回路は、前記発振回路から出力される前記電圧を低下させるように配置された抵抗Rdをさらに有し、
前記抵抗Rdは、前記異物が前記コイルから十分に離れている場合において、前記測定回路に入力される電圧が、前記測定回路の測定可能範囲内に収まり、かつ、前記コイルよりも大きい異物がコイルに密着した場合に、前記電圧が、前記測定可能範囲の下限値以上に収まるように設定されている、
請求項4または5に記載の異物検出装置。 - 前記測定回路は、前記測定回路に入力される電圧と所定の基準電圧との差が、所定の閾値以上の場合、前記異物が存在することを示す情報を出力する、請求項4から6のいずれかに記載の異物検出装置。
- 前記共振コンデンサを第1の共振コンデンサとするとき、
前記発振回路は、前記第1の共振コンデンサの容量とは異なる容量を有する第2の共振コンデンサをさらに備え、
前記第1の共振コンデンサの一方の電極は、前記コイルおよび前記発振回路の出力端子に接続されており、
前記第1および第2の共振コンデンサは、前記コイルに対して並列に接続されている、
請求項1から6のいずれかに記載の異物検出装置。 - 前記第1の共振コンデンサの容量をCx、前記第2の共振コンデンサの容量をCy=αCxとするとき、αは1≦α<100の範囲内の値に設定されている、請求項8に記載の異物検出装置。
- 前記第1の共振コンデンサの容量をCx、前記第2の共振コンデンサの容量をCy=αCxとするとき、αは0.01≦α<1の範囲内の値に設定されている、請求項8に記載の異物検出装置。
- 前記コイルは、無線で電力を送出する送電コイルとしても機能するように構成され、
前記異物検出装置は、前記コイルと前記発振回路との間の電気的接続を切替えるスイッチをさらに備え、
前記スイッチは、異物検出モードでは前記コイルと前記発振回路とを電気的に接続し、送電モードでは前記コイルと前記発振回路とを電気的に切断するように構成されている、
請求項1から10のいずれかに記載の異物検出装置。 - 前記コイルは、無線で電力を受け取る受電コイルとしても機能するように構成され、
前記異物検出装置は、前記コイルと前記発振回路との間の電気的接続を切替えるスイッチをさらに備え、
前記スイッチは、異物検出モードでは前記コイルと前記発振回路とを電気的に接続し、送電モードでは前記コイルと前記発振回路とを電気的に切断するように構成されている、
請求項1から10のいずれかに記載の異物検出装置。 - 電力を無線で送出する送電装置であって、
請求項1から11のいずれかに記載の異物検出装置と、
前記異物検出装置の検出結果に応じて送電周波数および送電電圧を決定する制御回路と、
を備える送電装置。 - 送電装置から無線で送出された電力を受け取る受電装置であって、
請求項1から10、または12に記載の異物検出装置と、
前記異物検出装置の検出結果に応じて送電制御のための情報を生成して出力する制御回路と、
を備える受電装置。 - 電力を無線で送出する送電装置と、
前記送電装置から送出された前記電力を受け取る受電装置と、
を備え、
前記送電装置は、請求項13に記載の送電装置である、
無線電力伝送システム。 - 電力を無線で送出する送電装置と、
前記送電装置から送出された前記電力を受け取る受電装置と、
を備え、
前記受電装置は、請求項14に記載の受電装置である、
無線電力伝送システム。
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