JP2016138783A - 金属異物検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型化が図られた金属異物検知装置を提案する。【解決手段】金属異物検知装置２３は、絶縁性の第１絶縁レイヤ４５と、第１絶縁レイヤ４５に形成された送信コイル５０および受信コイル５１と、第１絶縁レイヤ４５の下面側に配置された第２絶縁レイヤ４６と、第２絶縁レイヤ４６に形成され、送信コイル５０に接続された第１配線５２と、第２絶縁レイヤ４６に形成され、受信コイル５１に接続された第２配線５３とを備え、送信コイル５０を形成する第１コイル線は、受信コイル５１の第２コイル線に沿って形成された。【選択図】図３

Description

本願発明は、金属異物検知装置に関し、特に、非接触で電力を受電装置に送電する非接触電力送電システムなどに利用可能な金属異物検知装置に関する。

下記の特許文献１〜５にも提案されているように、送電装置から受電装置に電磁界を用いて非接触で電力を送電する非接触送電システムが知られている。この非接触送電システムにおいては、電力伝送時に送電装置と受電装置との間に金属異物がある場合には、金属異物が高温となる。そのため、各種の金属異物検知装置を備えた非接触送電システムが提案されている。

下記の特許文献６に記載された送電装置は、１次コイルと、１次コイル内に配置された１次側金属検知コイルとを備える。受電装置は、２次コイルと、２次コイル内に配置された２次側金属検知コイルとを備える。そして、２次側金属検知コイルの振幅値及び周波数の変化に基づいて金属片の有無を判断する。

下記の特許文献７に記載された送電装置は、複数の検知コイルが送電装置の筐体内に配置されている。

特開２０１３−１５４８１５号公報 特開２０１３−１４６１５４号公報 特開２０１３−１４６１４８号公報 特開２０１３−１１０８２２号公報 特開２０１３−１２６３２７号公報 特開２０１３−３４２９１号公報 特開２０１４−３９３６９号公報

特許文献６に記載されたシステムにおいては、異物の有無を判断基準となる振幅幅および周波数は、送電装置の上面に受電装置が載せられることが前提として設定されている。このため、受電装置ごとにギャップが変動する場合には、異物の有無を正確に判断することができない。

特許文献７には、検知コイルのレイアウトについて記載されているが、検知コイルの検知動作について何ら記載されていない。

発明者等は、ギャップが受電装置ごとに異なったとしても良好に金属異物を検知する金属異物検知装置を検討した。具体的には、円形の検知用送信コイルと、検知用送信コイルと重ならないように検知用送信コイルと隣り合うように配置された円形の検知用受信コイルとを備えた金属異物検知装置を検討した。この装置においては、金属異物検知時には、検知用送信コイルに電流を供給し、検知用受信コイルの受電電圧を測定する。そして、検知用受信コイルの近傍に金属異物がある場合には、金属異物に渦電流損が生じ、この渦電流損によって検知用受信コイルの受電電圧が低くなる。そして、検知用受信コイルの受電電圧は、検知用送信コイルからの距離によって決まっており、受電装置と送電装置との間のギャップによって殆ど変動しない。

ここで、上記のような金属異物検知装置を構成するには、４つの絶縁レイヤを準備し、第１層目の絶縁レイヤに検知用送信アンテナに接続される配線を形成し、第１層目の絶縁レイヤ上に位置する第２層目の絶縁レイヤに検知用送信アンテナを形成する。そして、第３層目の絶縁レイヤに検知用受信アンテナに接続される配線を形成し、第４層目に検知用受信アンテナを形成することが考えられる。配線とコイルとを別々の絶縁レイヤに形成しているのは、各検知コイルが形成された絶縁レイヤに形成される配線が多くなり、配線束が太くなることで、配線束上に位置する金属異物を検知することができなくなることを抑制するためである。

しかし、上記の発明者等の異物検知システムにおいては、４つの絶縁レイヤが必要となり、検知ユニットが厚くなるという問題が生じる。

本願発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、金属異物を良好に検知することができると共に、薄型化が図られた金属異物検知装置を提案することである。

本発明に係る金属異物検知装置は、絶縁性の第１絶縁レイヤと、第１絶縁レイヤに形成された送信コイルおよび受信コイルと、第１絶縁レイヤの下面側に配置された第２絶縁レイヤとを備える。さらに、金属異物検知装置は、第２絶縁レイヤに形成され、送信コイルに接続された第１配線と、第２絶縁レイヤに形成され、受信コイルに接続された第２配線とを備える。そして、上記送信コイルを形成する第１コイル線は、受信コイルの第２コイル線から間隔をあけて形成されると共に第２コイル線に沿って形成される。

上記の金属異物検知装置においては、絶縁レイヤは２層であり、装置の厚さを薄くすることができる。

上記の金属異物検知装置においては、第１コイル線が第２コイル線に沿って形成されているため、第１コイル線からの磁束が第２コイル線に均等に鎖交する。これにより、金属異物が受信コイルのどの部位に配置されたとしても、当該金属異物による受電電圧の低下は略均一なものとなる。これにより、受信コイルの部位によって金属検知精度がばらつくことを抑制することができ、高い金属検知精度を確保することができる。

本願発明に係る金属異物検知装置によれば、金属異物の検知精度を確保することができるとともに、薄型化を図ることができる。

電力伝送システムを示す模式図である。 送電装置の分解斜視図である。 図２に示す２点鎖線で囲まれた領域の分解斜視図である。 図２に示す２点鎖線で囲まれた領域Ｒの平面図である。

図１から図４を用いて、本実施の形態に係る金属異物検知装置、当該検知装置が搭載された送電装置、および当該送電装置を含む電力送電システムについて説明する。

図１は、電力伝送システム１を示す模式図である。電力伝送システム１は、受電ユニット４を含む車両２と、受電ユニット４に電力を供給する送電装置３とを備える。

受電ユニット４は、送電装置３から非接触で電力を受電する受電装置５と、この受電装置５が受電した交流電力を直流電力に変換すると共に電圧を調整する整流器６と、整流器６からの直流電力が蓄電される駆動用バッテリ７とを備える。駆動用バッテリ７は、たとえば、駆動用モータに供給され、駆動用モータは車輪を駆動する。

受電装置５は、受電コイル１５と、コンデンサ１６とを含み、この受電コイル１５およびコンデンサ１６によってＬＣ共振器が形成されている。送電装置３は、電源１０からの電力を受電装置５に非接触で送電する。

図２は、送電装置３の分解斜視図である。この図２に示すように、送電装置３は、筐体２０と、この筐体２０内に収容されたコイルユニット２１と、筐体２０内に収容された変換器２２と、筐体２０の上面に配置された金属異物検知装置２３とを備える。

筐体２０は、金属製の板状のベース３０と、このベース３０に形成された樹脂製の仕切部材３１と、ベース３０および仕切部材３１を覆うように配置された蓋３２とを含む。蓋３２がベース３０を覆うように設けられることで、筐体２０内に変換器２２およびコイルユニット２１を収容する空間が形成される。そして、仕切部材３１によって、変換器２２を収容する空間と、コイルユニット２１を収容する空間とに仕切られる。

コイルユニット２１は、フェライトコア３５と、フェライトコア３５上に配置された送電コイル３６と、フェライトコア３５の下面側に配置され、送電コイル３６に接続されたコンデンサ３７とを含む。図２に示す例においては、フェライトコア３５は、複数の分割コアによって形成されているが、フェライトコア３５の構成としてはこの図２に示すものに限られない。送電コイル３６は、上下方向に延びる中心線ＣＬの周囲を取り囲むようにコイル線を巻回することで形成された平面コイルである。コンデンサ３７と送電コイル３６とによってＬＣ共振器が形成されており、送電装置３のＬＣ共振器の共振周波数と、受電装置５のＬＣ共振器の共振周波数とは同一または実質的に同一となるように構成されている。受電装置５の共振器のＱ値と、送電装置３の共振器のＱ値は、いずれも、１００以上である。

変換器２２は、電源１０から供給される電流の周波数を変換すると共に、電源１０からの電圧を調整して、送電コイル３６に供給する。送電コイル３６に供給される電流の周波数は、たとえば、８５ＫＨｚ程度である。なお、変換器２２は、各種の状況に応じて、送電コイル３６に供給する電流の周波数を調整するようにしてもよい。

蓋３２は、変換器２２を覆う金属蓋３８と、コイルユニット２１を覆う樹脂蓋３９とを含む。樹脂蓋３９は、送電コイル３６の周囲に形成される電磁界を透過させることができる。金属蓋３８は、変換器２２からのノイズなどが外部に漏れることを抑制すると共に、外部から変換器２２を保護する。なお、蓋３２をすべて、樹脂製としてもよい。

金属異物検知装置２３は、樹脂蓋３９の上面に配置され、コイルユニット２１の上方に位置する。金属異物検知装置２３は、絶縁性の基板４０と、この基板４０の主表面に形成された複数の検知部４１とを含む。

図３は、図２に示す２点鎖線で囲まれた領域Ｒの分解斜視図である。図４は、図２に示す２点鎖線で囲まれた領域Ｒの平面図である。

図３に示すように、金属異物検知装置２３は、送信コイル５０および受信コイル５１と、送信コイル５０および受信コイル５１が形成された第１絶縁レイヤ４５と、第１絶縁レイヤ４５の下面側に配置された第２絶縁レイヤ４６とを備える。さらに、金属異物検知装置２３は、第２絶縁レイヤ４６に形成されると共に送信コイル５０に接続された第１配線５２と、受信コイル５１に接続された第２配線５３とを備える。送信コイル５０を形成するコイル線（第１コイル線）は、受信コイル５１を形成するコイル線（第２コイル線）から間隔をあけて形成されると共に、受信コイル５１を形成するコイル線に沿って形成されている。

金属異物検知装置２３を用いて送電装置３の上面に位置する金属異物を検知する際には、送信コイル５０に交流電流が供給される。送信コイル５０に交流電流が流れると、誘導起電圧が受信コイル５１内に生じ、受信コイル５１に電流が流れる。

そして、受信コイル５１の近傍に金属異物がある場合には、送信コイル５０からの磁束によって金属異物に渦電流が流れ、渦電流損が発生する。この渦電流損が生じることで、受信コイル５１の受電電力および受電電圧が低下する。そこで、受信コイル５１の受電電力または受電電圧をセンシングすることで、金属異物の有無を確認することができる。

ここで、送信コイル５０と受信コイル５１と第１配線５２と第２配線５３とを各々別々の絶縁レイヤに形成した場合には、４つの積層された絶縁レイヤが必要となり、金属異物検知装置が厚くなる。

これに対して、本実施の形態に係る金属異物検知装置２３は、送信コイル５０および受信コイル５１を１つの第１絶縁レイヤ４５に形成すると共に、第１配線５２および第２配線５３を１つの第２絶縁レイヤ４６に形成することで、絶縁レイヤが２層となっている。これにより、本実施の形態に係る金属異物検知装置２３は薄型化が図られている。

また、金属異物検知装置２３においては、第１配線５２および第２配線５３と、送信コイル５０および受信コイル５１とは、各々別々の絶縁レイヤに形成されている。このため、第１絶縁レイヤ４５において、送信コイル５０および受信コイル５１に接続される配線数を低減することができ、第１絶縁レイヤ４５に形成される配線束の太さを細くすることができる。これにより、金属異物が第１絶縁レイヤ４５の配線束上に位置していても、当該金属異物を検知することができる。

さらに、金属異物検知装置２３においては、送信コイル５０を形成するコイル線が受信コイル５１を形成するコイル線と間隔をあけて形成されると共に、受信コイル５１を形成するコイル線に沿って形成されている。これにより、受信コイル５１の全周に亘って、送信コイル５０からの磁束が略均等に鎖交する。これにより、受信コイル５１の位置によって金属異物の検知精度がばらつくことが抑制され、受信コイル５１のどの部分においても、金属異物を良好に検知することができる。

なお、受信コイル５１にコンデンサを接続して共振器を構成すると共に、第１配線５２にコンデンサを接続して共振器を形成するようにしてもよい。このように共振器を構成するようにした場合に、受信コイル５１の近傍に金属異物があると、受信コイル５１のインダクタンスが変動する。これにより、受信コイル５１およびコンデンサによって形成された共振器の共振周波数が変動し、送信コイル５０側の共振器の共振周波数とずれる。その結果、受信コイル５１が受電する受電電圧などが変動する。そこで、受信コイル５１の受電電圧を検知することで、金属異物を検知することができる。

図４に示すように、送信コイル５０は、単位コイル６０と、単位コイル６１と、単位コイル６０および単位コイル６１を接続する渡線６２とを含み、送信コイル５０の一方端に第１配線５２が接続され、他方端に配線６５が接続されている。

単位コイル６０は、コイル線６３と、コイル線６４とを含む。コイル線６３は、一辺が開放された長方形形状に形成され、コイル線６４は、コイル線６３の開放された部分に配置されている。そして、送信コイル５０に電流が流れると、コイル線６３およびコイル線６４に電流が流れ、１つのコイルとして機能する。

受信コイル５１は、単位コイル７０と、単位コイル７１と、単位コイル７０および単位コイル７１を接続する渡線７２とを含み、受信コイル５１の一方端に第２配線５３が接続され、受信コイル５１の他方端に配線７５が接続されている。

単位コイル７０は、コイル線７３およびコイル線７４を含む。コイル線７３は、一辺が開放された長方形形状に形成されており、コイル線７４は、コイル線７３の開放された部分に配置されている。この単位コイル７０においても、受信コイル５１に電流が流れた際に、コイル線７３およびコイル線７４によってコイルが形成される。

ここで、単位コイル７０の巻回方向と、単位コイル７１の巻回方向とは、反対方向となるように形成されている。このため、送電装置３から受電装置５に電力を伝送している時において、送電コイル３６の周囲に形成される電磁界によって単位コイル７０内に生じる誘導起電圧と、単位コイル７１内に形成される誘導起電圧とが互いに打ち消しあうことになる。

同様に、単位コイル６０の巻回方向と単位コイル６１の巻回方向とは反対方向であり、送電コイル３６の周囲に形成される電磁界によって単位コイル６０内に生じる誘導起電圧は、単位コイル６１内に生じる誘導起電圧によって打ち消されることになる。

このため、送電装置３から受電装置５への電力伝送中において、送信コイル５０および受信コイル５１に与えられる影響は低減されており、金属異物検知装置２３は金属異物を良好に検知することができる。

単位コイル６１を形成するコイル線は、単位コイル７１のコイル線に沿って延びている。コイル線６３は、コイル線７３に沿って延び、コイル線６４は、コイル線７４に沿って延びている。

そして、送信コイル５０を形成するコイル線と、受信コイル５１を形成するコイル線との間隔は、略全周に亘って、一定である。これにより、受信コイル５１の一方端から他方端に亘って、送信コイル５０からの磁束が均一に鎖交することになる。

その結果、受信コイル５１に対する金属異物の位置によって検知精度にばらつきが生じることを抑制することができる。

図４に示すように、送信コイル５０および受信コイル５１によって金属異物を検知する検知部４１が構成されており、第１絶縁レイヤ４５および第２絶縁レイヤ４６によって基板４０が形成されている。そして、図２に示すように、複数の検知部４１が基板４０にアレイ状に形成されているため、コイルユニット２１上に位置する金属異物を良好に検知することができる。

なお、本実施の形態においては、金属異物検知装置２３は、樹脂蓋３９上のみに配置されている例について記載したが、蓋３２の全面に亘って配置するようにしてもよい。

以上、実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態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。

本願発明に係る金属異物検知装置は、非接触送電システムに利用することができる。

１ 電力伝送システム、２ 車両、３ 送電装置、４ 受電ユニット、５ 受電装置、６ 整流器、７ 駆動用バッテリ、１０ 電源、１５ 受電コイル、１６，３７ コンデンサ、２０ 筐体、２１ コイルユニット、２２ 変換器、２３ 金属異物検知装置、３０ ベース、３１ 仕切部材、３２ 蓋、３５ フェライトコア、３６ 送電コイル、３８ 金属蓋、３９ 樹脂蓋、４０ 基板、４１ 検知部、４５ 第１絶縁レイヤ、４６ 第２絶縁レイヤ、５０ 送信コイル、５１ 受信コイル、５２ 第１配線、５３ 第２配線、６０，６１，７０，７１ 単位コイル、６２，７２ 渡線、６３，６４，７３，７４ コイル線、６５，７５ 配線。

Claims (1)

1. 絶縁性の第１絶縁レイヤと、
   前記第１絶縁レイヤに形成された送信コイルおよび受信コイルと、
   前記第１絶縁レイヤの下面側に配置された第２絶縁レイヤと、
   前記第２絶縁レイヤに形成され、前記送信コイルに接続された第１配線と、
   前記第２絶縁レイヤに形成され、前記受信コイルに接続された第２配線と、
   を備え、
   前記送信コイルを形成する第１コイル線は、前記受信コイルの第２コイル線から間隔をあけて形成されると共に前記第２コイル線に沿って形成された、金属異物検知装置。

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