JP5910490B2 - 金属物体検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、１次側コイルと２次側コイルとの間で非接触で電力授受を行う非接触給電装置に適用される金属物体検知装置に関する。

この種の装置としては、下記特許文献１に見られるように、１次側コイル上に複数の温度センサを備えるものが知られている。この装置は、非接触給電時に１次側コイル上に金属物体が存在する場合において、金属物体に渦電流が流れることによる金属物体の温度の上昇を温度センサによって検出することで金属物体を検知する。この金属物体検知装置によれば、金属物体が検知された場合に非接触給電の給電電力を低下させたり、給電を停止させたりすることができる。これにより、１次側コイル上に存在する金属物体の温度の上昇を抑制することができ、ひいては非接触給電装置の安全性を高めることができる。

米国特許出願公開第２０１１／００７４３４６号明細書

しかしながら、上記特許文献１に記載された金属物体検知装置では、以下に説明する不都合が懸念される。詳しくは、１次側コイル上の金属物体及び温度センサ間に空気層などが存在することにより温度センサによって検出される金属物体の温度が金属物体の実際の温度よりも低くなることで、金属物体の検知精度が低下する懸念がある。また、金属物体が大きい場合、非接触給電が開始されてから金属物体が高温となるまでの時間が短くなる。このため、非接触給電により金属物体の温度が上昇し始めてから金属物体の温度が検出すべき温度に到達するまでの間に金属物体を検知することができない懸念もある。さらに、非接触給電装置の動作中にしか金属物体を検知できない懸念もある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、上記不都合を解消することのできる新たな金属物体検知装置を提供することにある。

上記課題を解決すべく、本発明は、１次側コイル（２２）と２次側コイル（４２）との間で非接触で電力授受を行う非接触給電装置に適用され、前記非接触で電力授受が行われる場合において、前記１次側コイル及び前記２次側コイルのうち少なくとも一方によって生成される磁束の経路に存在する金属物体を検知対象とする検知コイル（Ｌｉｊ）と、前記検知コイルに交流電力を供給する供給手段（７０）と、前記供給手段によって交流電力が供給される場合における前記検知コイルのインピーダンスの変化に基づき、前記金属物体を検知する処理を行う処理手段（８０）と、を備え、前記検知コイルは、前記１次側コイル及び前記２次側コイル間を循環する主磁束が該検知コイルを通過する場合、所定方向に誘導電流が流れる部分と、前記所定方向とは逆方向に誘導電流が流れる部分とを備えることを特徴とする。

検知コイルに交流電力が供給される状況下、検知コイルに検知対象となる金属物体が接近した場合、電磁誘導によって渦電流損が生じることで、検知コイルのインピーダンスが変化する。この点に鑑み、上記発明では、検知コイルのインピーダンスの変化に基づき、金属物体を検知することができる。こうした検知手法によれば、上記特許文献１に記載された金属物体検知装置とは異なり、温度センサによる金属物体の温度上昇の検出が不十分な場合や、非接触給電装置が動作していない場合であっても、金属物体を検知することができる。

さらに、上記発明では、検知コイルが、１次側コイル及び２次側コイル間を循環する主磁束が検知コイルを通過する場合、所定方向に誘導電流が流れる部分と、上記所定方向とは逆方向に誘導電流が流れる部分とを備えている。こうした形状によれば、非接触で電力授受が行われる状況下において１次側コイル及び２次側コイル間を循環する主磁束が検知コイルを通過する場合、検知コイルに電流が流れることを抑制することができ、金属物体検知装置の信頼性が低下する事態を回避したり、１次側コイルから２次側コイルへの電力伝送効率の低下を抑制したりすることができる。すなわち、主磁束が金属物体の検知や非接触の電力授受に及ぼす影響を抑制することができる。

第１の実施形態にかかる非接触給電システムの構成図。 同実施形態にかかる送電パッド及び受電パッドの斜視図。 同実施形態にかかる金属物体検知装置の回路図。 同実施形態にかかる検知コイルの形状を示す図。 同実施形態にかかる送電パッドにおける検知コイルの配置図。 同実施形態にかかる金属物体検知処理の手順を示す流れ図。 同実施形態にかかる金属物体の有無による発振回路の出力電圧の違いを示す図。 第２の実施形態にかかる金属物体検知処理の手順を示す流れ図。 同実施形態にかかる金属物体の有無による発振回路の出力電圧の違いを示す図。 第３の実施形態にかかる金属物体検知装置の回路図。 同実施形態にかかる発振回路の出力電圧の推移を示す図。 第４の実施形態にかかる検知コイルの形状を示す図。 同実施形態にかかる送電パッドにおける検知コイルの配置図。 その他の実施形態にかかる検知コイルの形状を示す図。 その他の実施形態にかかる検知コイルの形状を示す図。 その他の実施形態にかかる送電パッドにおける検知コイルの配置図。 その他の実施形態にかかる検知コイルの形状を示す図。 その他の実施形態にかかる検知コイルの形状を示す図。 その他の実施形態にかかる検知コイルの形状を示す図。 その他の実施形態にかかる検知コイルの形状を示す図。

（第１の実施形態）
以下、本発明にかかる金属物体検知装置を車載主機として回転機を備える車両（ハイブリッド車や電気自動車）の非接触給電システムに適用した第１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、非接触給電システムは、車両１０の外部に設けられた送電システムと、車両１０に設けられた受電システムとを備えている。

送電システムは、送電部材としての送電パッド２０と、送電回路３０とを備えている。詳しくは、送電回路３０は、車両１０の外部に設けられた交流電源３２（系統電源）の周波数を所定の高周波数（数ｋＨｚ〜十数ＭＨｚ）に変換する電力変換回路（例えばフルブリッジ回路）と、電力変換回路から出力された電力を送電パッド２０に供給する共振回路とを備えている。

送電パッド２０は、１次側コア及びこれに巻回された送電用の１次側コイルを備え、電磁誘導によって受電システムの備える受電パッド４０に電力を送るための部材である。なお、送電パッド２０の構成については、後に詳述する。

一方、受電システムは、受電部材としての受電パッド４０、受電回路５０、ＤＣＤＣコンバータ５２、蓄電手段としてのメインバッテリ５４、及び制御装置５６を備えている。詳しくは、受電パッド４０は、２次側コア及びこれに巻回された受電用コイルとしての２次側コイルを備え、送電パッド２０から送られる電力を受けとるための部材である。受電パッド４０は、車両１０の下部（床面の外側）に配置されている。なお、受電パッド４０の構成については、後に詳述する。

受電パッド４０によって受けとられた電力は、受電回路５０に供給される。受電回路５０は、受電パッド４０によって受けとられた電力が入力される共振回路と、共振回路から出力される高周波の交流電流を直流電流に変換する整流回路と、整流回路の出力電圧を所定に変換してメインバッテリ５４に印加する電力変換回路とを備えている。受電回路５０やメインバッテリ５４の出力電圧は、ＤＣＤＣコンバータ５２によって降圧されて車載補機５８や補機バッテリ６０に印加される。

なお、メインバッテリ５４は、その端子電圧が例えば百Ｖ以上となるものであり、具体的には例えば、ニッケル水素２次電池やリチウムイオン２次電池である。また、補機バッテリ６０は、その端子電圧がメインバッテリ５４の端子電圧よりも十分に低いものであり、具体的には例えば、鉛蓄電池である。さらに、車両１０には、受電システムの他に、メインバッテリ５４の直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ６２及びインバータ６２から出力された交流電力によって回転駆動される車載主機としてのモータジェネレータ６４が備えられている。

制御装置５６は、モータジェネレータ６４の駆動制御を行うべくインバータ６２を操作したり、車載補機５８や補機バッテリ６０に電力を供給すべくＤＣＤＣコンバータ５２を操作したりする。また、制御装置５６は、車両を給電対象とした充電処理の実行を受電回路５０に指示する。これにより、受電回路５０は、受電回路５０及び送電回路３０のそれぞれに備えられる無線通信用のインターフェースによってこれら回路同士で情報のやりとりを行いながら車両１０を充電すべく動作する。

続いて、図２を用いて、本実施形態にかかる送電パッド２０及び受電パッド４０について詳述する。ここで、図２は、送電パッド２０及び受電パッド４０の構成部材の斜視図である。

図示されるように、送電パッド２０は、１次側コア２１と、１次側コア２１に巻回された１次側コイル２２とを備え、扁平形状をなしている。詳しくは、１次側コア２１は、矩形板状であってかつ互いに離間した一対の１次側離間部２１ａと、これら１次側離間部２１ａ同士を連結する長方形板状の１次側連結部２１ｂとが一体形成されてなる部材である。一対の１次側離間部２１ａのそれぞれは、板面（平面）と、周縁部２１ｃとを有している。これら１次側離間部２１ａのそれぞれの有する一対の板面のうち受電パッド４０側とは反対側に１次側連結部２１ｂが連結されている。また、これら１次側離間部２１ａのそれぞれの周縁部２１ｃには、１次側コイル２２が複数周巻回されている。なお、本実施形態では、１次側コア２１として、フェライトを用いている。

一方、受電パッド４０は、２次側コア４１と、２次側コア４１に巻回された２次側コイル４２とを備え、扁平形状をなしている。詳しくは、２次側コア４１は、矩形板状であってかつ互いに離間した一対の２次側離間部４１ａと、これら２次側離間部４１ａ同士を連結する長方形板状の２次側連結部４１ｂとが一体形成されてなる部材である。一対の２次側離間部４１ａのそれぞれは、板面（平面）と、周縁部４１ｃとを有している。これら２次側離間部４１ａのそれぞれの有する一対の板面のうち送電パッド２０側とは反対側に２次側連結部４１ｂが連結されている。また、これら２次側離間部４１ａのそれぞれの周縁部４１ｃには、２次側コイル４２が複数周巻回されている。なお、本実施形態では、２次側コア４１として、１次側コア２１と同様にフェライトを用いている。

１次側コア２１及び２次側コア４１は、非接触給電が行われる場合において、１次側離間部２１ａの板面及び２次側離間部４１ａの板面同士が対向してかつ平行となるように配置されている。

ここで、図２には、１次側コイル２２に流れる電流Ｉ１の流通方向及び２次側コイル４２に流れる電流Ｉ２の流通方向の一例を矢印にて示している。１次側コイル２２に高周波電流が流れると、１次側コイル２２の内部に磁界が生じることで、図中破線の矢印にて示すように、一対の１次側離間部２１ａのうち一方の板面側からこれに対向する２次側離間部４１ａの板面側に磁束が流入し、２次側コイル４２に誘導電流が流れる。このため、２次側コイル４２の内部に磁界が生じ、一対の２次側離間部４１ａのうち他方の板面側からこれに対向する１次側離間部２１ａの板面側に磁束が流入する。これにより、１次側コア２１及び２次側コア４１間を循環する主磁束が形成されることとなる。そして、これにより、１次側コイル２２から２次側コイル４２へと非接触で電力が供給されることとなる。

続いて、図３〜図７を用いて、送電システムに備えられる本実施形態にかかる金属物体検知装置について説明する。

図３に、金属物体検知装置の回路図を示す。

図示されるように、金属物体検知装置は、発振回路７０、検出回路８０及び出力回路８２を備えている。本実施形態において、発振回路７０は、コルピッツ型発振回路であり、反転増幅回路７１、抵抗体７２、第１のコンデンサ７３ａ、第２のコンデンサ７３ｂ及び複数の検知コイルＬｉｊ（ｉ＝１〜３，ｊ＝１〜３）を備えている。詳しくは、反転増幅回路７１の出力端子は、抵抗体７２の一端に接続され、抵抗体７２の他端は、第１のスイッチ７４ａを介して複数の検知コイルＬｉｊのそれぞれの一端に接続されている。複数の検知コイルＬｉｊのそれぞれの他端は、第２のスイッチ７４ｂを介して反転増幅回路７１の反転入力端子側に接続されている。第１のスイッチ７４ａ及び第２のスイッチ７４ｂは、切替回路７５によって操作されることで、複数の検知コイルＬｉｊのうちいずれか１つを抵抗体７２の他端及び反転増幅回路７１の反転入力端子側の間に接続する。

抵抗体７２の他端と第１のスイッチ７４ａとの間は、第１のコンデンサ７３ａを介して接地されている。また、反転増幅回路７１の反転入力端子側と第２のスイッチ７４ｂとの間は、第２のコンデンサ７３ｂを介して接地されている。

なお、本実施形態において、発振回路７０が供給手段に相当する。また、第１のスイッチ７４ａ及び第２のスイッチ７４ｂが接続手段を構成する。

ちなみに、図中、第１のコンデンサ７３ａのキャパシタンスを「Ｃ１」にて示し、第２のコンデンサ７３ｂのキャパシタンスを「Ｃ２」にて示している。また、本実施形態では、検知コイルＬｉｊのそれぞれは、互いに同一仕様（形状や材質等）のコイルを用いている。

こうした構成によれば、発振回路７０の発振周波数ｆｄは、検知コイルＬｉｊのそれぞれのインダクタンスを「Ｌ」とすると、以下の式（ｅｑ１）によって表される。

なお、本実施形態において、発振回路７０の発振周波数ｆｄは、非接触給電の使用周波数ｆｅ（１次側コイル２２に対して印加される電圧の周波数であり、例えば数ｋＨｚ〜十数ＭＨｚ）よりも高い周波数に設定されている。

また、本実施形態において、検知コイルＬｉｊとしては、例えば、フレキシブル基板上にパターン形成されているものを用いることができる。さらに、送電パッド２０は、実際には、１次側コイル２２の上方に検知コイルＬｉｊが配置されてかつ、１次側コア２１、１次側コイル２２及び検知コイルＬｉｊが樹脂モールドされているものとする。すなわち、検知コイルＬｉｊは、送電パッド２０内に埋設されている。なお、受電パッド４０は、送電パッド２０と同様に、２次側コア４１及び２次側コイル４２が樹脂モールドされているものとする。

続いて、図４を用いて、本実施形態にかかる検知コイルＬｉｊについて説明する。

図示されるように、検知コイルＬｉｊは、送電パッド２０上に存在する異物としての金属物体を検知対象とし、本実施形態では、８の字型コイルである。詳しくは、検知コイルＬｉｊは、１次側コイル２２及び２次側コイル４２間を循環する主磁束が検知コイルＬｉｊを通過する場合、所定方向に誘導電流が流れる部分と、上記所定方向とは逆方向に誘導電流が流れる部分とからなる。より詳しくは、検知コイルＬｉｊは、これら２つの部分として、互いに平行でかつ離間した第１の軸線Ｐ１及び第２の軸線Ｐ２のうち第１の軸線Ｐ１を中心として規定方向に巻かれた第１の巻線部Ｌａｉｊと、第２の軸線Ｐ２を中心として第１の巻線部Ｌａｉｊとは逆方向に巻かれた第２の巻線部Ｌｂｉｊとの直列接続体を備えている。ここで、第１の巻線部Ｌａｉｊ及び第２の巻線部Ｌｂｉｊは、第１の軸線Ｐ１及び第２の軸線Ｐ２と直交する単一の平面上に形成されている。すなわち、検知コイルＬｉｊは、第１の巻線部Ｌａｉｊ及び第２の巻線部Ｌｂｉｊの直列接続体の両端を巻き始め及び巻き終わりとする平面コイルである。

図５に、送電パッド２０内における複数の検知コイルＬｉｊの配置態様を示す。

図示されるように、検知コイルＬｉｊは、１次側コイル２２及び２次側コイル４２のうち少なくとも一方によって生成される磁束の経路に存在する金属物体を検知可能なように配置されている。本実施形態では、検知コイルＬｉｊは、コイルが形成される平面と送電パッド２０の板面（１次側離間部２１ａの板面）とが平行となるように整列配置されている。ちなみに、検知コイルＬｉｊの配置について、１次側コイル２２及び２次側コイル４２のうち少なくとも一方によって生成される磁束の経路に存在する金属物体を検知可能なようにとしたのは、これらコイル２２，４２間を循環する主磁束に加えて、これらコイル２２，４２のうち一方からの漏洩磁束が存在することによる。

ここで、本実施形態において、上記発振周波数ｆｄは、送電パッド２０上に物体がない状況下において設定されている。このため、送電パッド２０上に金属物体が存在し、金属物体が検知コイルＬｉｊに接近すると、電磁誘導によって渦電流損が生じる。これにより、検知コイルＬｉｊの抵抗の増加及びインダクタンスの増減によって検知コイルＬｉｊのインピーダンスが減少し、発振回路７０の出力電圧Ｖｏｕｔが小さくなる。したがって、出力電圧Ｖｏｕｔによれば、送電パッド２０上の金属物体を検知することができる。

なお、検知コイルＬｉｊを発振回路７０の構成要素として送電パッド２０上の金属物体を検知する構成は、金属物体の検知精度を高めるために採用した。つまり、送電パッド２０上の金属物体が小さいと、検知コイルＬｉｊのインピーダンスの変化が小さくなる。ここで、発振回路７０のゲインを調整することで、インピーダンスの変化による感度を良くすることができるため、金属物体の検知精度を高めることができる。

図６に、本実施形態にかかる金属物体検知処理の手順を示す。この処理は、発振回路７０の電源がオンされたことをトリガとして、検出回路８０によって例えば所定周期で繰り返し実行される。なお、本実施形態において、検出回路８０が処理手段及び検出手段に相当する。

この一連の処理では、まずステップＳ１０において、発振回路７０の構成要素としての検知コイルＬｉｊを選択する。この処理は、第１のスイッチ７４ａ及び第２のスイッチ７４ｂを操作を切替回路７５に指示することによって行われる。この処理によれば、処理周期毎に、発振回路７０を構成する検知コイルが順次切り替えられる。

続くステップＳ１２では、発振回路７０の出力電圧Ｖｏｕｔの直近の極大値Ｖｍａｘ（波高値ともいう）が上限電圧Ｖα（＞０）未満であるとの条件、及び出力電圧Ｖｏｕｔの直近の極小値Ｖｍｉｎが上限電圧Ｖαよりも低い下限電圧Ｖβ（＞０）未満であるとの条件の論理和が真であるか否かを判断する。この処理は、送電パッド２０上に金属物体が存在するか否かを判断するための処理である。つまり、図７に示すように、送電パッド２０上に金属物体が存在すると、発振回路７０の出力電圧Ｖｏｕｔの振幅が小さくなることで、出力電圧の極大値Ｖｍａｘが上限電圧Ｖα未満となったり、出力電圧の極小値Ｖｍｉｎが下限電圧Ｖβを超えたりする。

先の図６の説明に戻り、ステップＳ１２において肯定判断された場合には、送電パッド２０上に金属物体が存在すると判断し、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、先の図３に示す出力回路８２に対して、送電パッド２０から受電パッド４０への電力供給の停止と、金属物体が存在する旨のユーザに対する報知とを指示する。これにより、出力回路８２は、送電パッド２０から受電パッド４０への電力供給の停止を送電回路３０に指示することとなる。また、金属物体が存在する旨が何らかの報知手段によってユーザに報知されることとなる。

ちなみに、金属物体が存在すると判断された場合、その後、送電パッド２０上から金属物体が除去されたと判断されるまで、出力回路８２に対する給電の停止指示や報知指示が継続される。

なお、上記ステップＳ１２において否定判断された場合や、ステップＳ１４の処理が完了した場合には、この一連の処理を一旦終了する。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

（１）第１の軸線Ｐ１を中心として規定方向に巻かれた第１の巻線部Ｌａｉｊと、第２の軸線Ｐ２を中心として上記規定方向とは逆方向に巻かれた第２の巻線部Ｌｂｉｊとの直列接続体として検知コイルＬｉｊを構成した。このため、１次側コイル２２及び２次側コイル４２間を循環する主磁束によって検知コイルＬｉｊに電流が流れることを抑制することができ、金属物体検知装置の信頼性が低下する事態を回避したり、１次側コイル２２から２次側コイル４２への電力伝送効率の低下を抑制したりすることができる。さらに、非接触給電中においても、金属物体検知処理によって送電パッド２０上の金属物体を検知することもできる。

特に、本実施形態では、第１の巻線部Ｌａｉｊ及び第２の巻線部Ｌｂｉｊを、送電パッド２０の表面のうち受電パッド４０と対向する面と平行な単一の平面上に形成した。すなわち、非接触給電が行われる場合において、第１の巻線部Ｌａｉｊを通過する主磁束と第２の巻線部Ｌｂｉｊとを通過する主磁束とが等しくなるように検知コイルＬｉｊを配置した。このため、１次側コイル２２及び２次側コイル４２間を循環する主磁束によって検知コイルＬｉｊに電流が流れることを抑制する効果を大きくすることができる。

（２）第１のスイッチ７４ａ及び第２のスイッチ７４ｂの操作によって発振回路７０を構成する検知コイルＬｉｊを検出回路８０の処理周期毎に順次変更した。このため、例えば、検知コイルＬｉｊのそれぞれに対応して発振回路７０及び検出回路８０を備える構成と比較して、検知コイルＬｉｊのインピーダンスの変化を検出するために要求される発振回路７０及び検出回路８０の数を減らすことができる。

（３）出力電圧Ｖｏｕｔの振幅に基づく金属物体検知処理を行った。このため、金属物体を適切に検知することができる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

本実施形態では、金属物体検知処理の手法を変更する。

図８に、本実施形態にかかる金属物体検知処理の手順を示す。この処理は、発振回路７０の電源がオンされたことをトリガとして、検出回路８０によって例えば所定周期で繰り返し実行される。なお、図８において、先の図６に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一のステップ番号を付している。

この一連の処理では、ステップＳ１０の処理の完了後、ステップＳ１２ａに進み、発振回路７０の出力電圧Ｖｏｕｔの周波数ｆｒ及び発振周波数ｆｄの差の絶対値が規定値Δを超えたか否かを判断する。この処理は、先の図６のステップＳ１２の処理と同様に、送電パッド２０上に金属物体が存在するか否かを判断するための処理である。つまり、送電パッド２０上に金属物体が存在し、金属物体が検知コイルＬｉｊに接近すると、検知コイルＬｉｊの抵抗が増加してかつ検知コイルＬｉｊのインダクタンスが増減する。これにより、発振回路７０の実際の発振周波数が当初の発振周波数ｆｄからずれることとなる。ここで、図９に、インダクタンスの増大によって発振周波数が低下する様子を示す。なお、出力電圧Ｖｏｕｔの周波数ｆｒは、例えば、周波数カウンタによって検出すればよい。

ステップＳ１２ａにおいて肯定判断された場合には、送電パッド２０上に金属物体が存在すると判断し、ステップＳ１４に進む。

なお、上記ステップＳ１２ａにおいて否定判断された場合や、ステップＳ１４の処理が完了した場合には、この一連の処理を一旦終了する。

以上説明した本実施形態によっても、上記第１の実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

本実施形態では、金属物体検知装置の構成を変更する。

図１０に、本実施形態にかかる金属物体検知装置の回路図を示す。なお、図１０において、先の図３に示した部材と同一の部材については、便宜上、同一の符号を付している。

図示されるように、発振回路７０の出力電圧Ｖｏｕｔは、フィルタ回路８４に入力される。本実施形態では、フィルタ回路８４として、抵抗体及びコンデンサからなるハイパスフィルタを用いている。フィルタ回路８４の出力信号は、検出回路８０に取り込まれる。

次に、図１１を用いて、フィルタ回路８４を備える技術的意義について説明する。

図示されるように、発振回路７０の出力電圧Ｖｏｕｔには、破線にて示すように、非接触給電の使用周波数成分が重畳することがある。この場合、出力電圧Ｖｏｕｔの波形に歪みが生じることから、金属物体の検知精度が低下する懸念がある。こうした問題を回避すべく、フィルタ回路８４を備えることとした。

以上説明した本実施形態によれば、使用周波数の影響を出力電圧Ｖｏｕｔから除去することができる。

（第４の実施形態）
以下、第４の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

本実施形態では、検知コイルＬｉｊの形状を変更する。詳しくは、図１２に示すように、検知コイルＬｉｊを構成する第１の巻線部Ｌｃｉｊ及び第２の巻線部Ｌｄｉｊのそれぞれを、第１の軸線Ｐ１及び第２の軸線Ｐ２方向からこれら巻線部Ｌｃｉｊ，Ｌｄｉｊを見た場合にこれら巻線部Ｌｃｉｊ，Ｌｄｉｊのそれぞれが渦巻き状となるように形成する。こうした形状は、送電パッド２０上の金属物体の検知精度のばらつきを抑制するためになされたものである。

つまり、検知コイルＬｉｊを構成する導線から離れるほど、導線に流れる電流よって形成される電磁界が弱まる。このため、送電パッド２０の板面の正面視において、検知コイルＬｉｊの外形によって区画される領域に含まれるように金属物体が存在したとしても、上記領域における金属物体の位置によっては、検知コイルＬｉｊのインピーダンスの変化量が異なることがある。この場合、出力電圧Ｖｏｕｔに基づく金属物体の検知精度にばらつきが生じる懸念がある。こうした問題を回避すべく、第１の巻線部Ｌｃｉｊ及び第２の巻線部Ｌｄｉｊのそれぞれを渦巻き状とすることで、送電パッド２０の板面の正面視において検知コイルＬｉｊの外形によって区画される領域における電磁界を極力均等にする。これにより、金属物体が検知コイルＬｉｊに接近した場合における検知コイルＬｉｊのインピーダンスの変化量のばらつきを抑制することができ、ひいては金属物体の検知精度のばらつきを抑制することができる。

さらに、本実施形態では、図１２に示したように、第１の巻線部Ｌｃｉｊ及び第２の巻線部Ｌｄｉｊのそれぞれの外形を、第１の軸線Ｐ１及び第２の軸線Ｐ２方向からこれら巻線部Ｌｃｉｊ，Ｌｄｉｊを見た場合に、これら一対の軸線Ｐ１，Ｐ２間の中心Ｏを通ってかつこれら一対の軸線Ｐ１，Ｐ２に平行な平面Ｓに対して対称な矩形形状に形成する。これにより、図１３に示すように、送電パッド２０内に検知コイルＬｉｊを整列配置する場合、隣接する検知コイルの隙間を小さくすることができる。こうした構成によっても、送電パッド２０上における金属物体の検知精度のばらつきを抑制することができる。なお、図１３は、先の図５に対応している。

（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・「検知コイル」の形状としては、上記第１の実施形態に例示したものに限らない。例えば、図１４に示すように、第１の巻線部Ｌｅｉｊ及び第２の巻線部Ｌｆｉｊのそれぞれの外形を矩形形状としてもよい。また、例えば、図１５に示すように、第１の巻線部Ｌｇｉｊ及び第２の巻線部Ｌｈｉｊのそれぞれの外形を正六角形形状としてもよい。これらの場合であっても、隣接する検知コイルの隙間を小さくすることができることから、送電パッド２０上における金属物体の検知精度のばらつきを抑制することができる。なお、図１６に、先の図１５に示した検知コイルの送電パッド２０内における配置態様の一例を示す。ここで、図１６は、先の図５に対応している。

また、「検知コイル」としては、第１の巻線部及び第２の巻線部同士で形状が同一のものに限らず、相違していてもよい。この場合であっても、第１の巻線部と第２の巻線部とで巻方向が互いに逆であることから、１次側コイル２２及び２次側コイル４２間を循環する主磁束が検知コイルを通過することによって検知コイルに流れる電流を抑制することはできる。

さらに、「検知コイル」としては、第１の巻線部及び第２の巻線部の直列接続体の両端が検知コイルの巻き始め及び巻き終わりとなるものに限らない。例えば、上記直列接続体の両端のうち少なくとも一方に更に巻線部が直列接続されるものであってもよい。この場合であっても、上記直列接続体の部分が存在することで、主磁束が検知コイルを通過することによって検知コイルに流れる電流の抑制効果を得ることはできる。

加えて、「検知コイル」としては、第１の巻線部及び第２の巻線部が離間部２１ａ，４１ａの平面と平行な単一の平面上に形成されているものに限らない。例えば、これら巻線部が離間部２１ａ，４１ａの平面と平行でない単一の平面上に形成されてなるものであってもよい。この場合であっても、主磁束が検知コイルを通過することによって検知コイルに流れる電流を抑制することはできる。

加えて、「検知コイル」としては、第１の巻線部及び第２の巻線部の直列接続体を備えるものに限らず、例えば図１７に示す８の字型コイルであってもよい。この場合であっても、主磁束が検知コイルを通過する場合、所定方向に誘導電流が流れる部分と上記所定方向とは逆方向に誘導電流が流れる部分とを検知コイルＬｉｊが備えることから、主磁束によって検知コイルＬｉｊに電流が流れることを抑制することができる。

加えて、「検知コイル」としては、平面コイルに限らない。例えば、図１８に示すように、多層基板にパターン形成されたコイルであってもよい。ここで、図１８には、４つの基板ＣＢ１〜ＣＢ４にパターン形成された検知コイルを例示している。なお、図１８の左側には、４つの基板ＣＢ１〜ＣＢ４のそれぞれの正面図を示し、右側には、これら基板ＣＢ１〜ＣＢ４の断面図を示している。また、図１８では、各基板間の絶縁層の図示を省略している。

図１８に示すように、第１〜第４の基板ＣＢ１〜ＣＢ４のそれぞれは、その板面の正面視において矩形形状をなしている。詳しくは、図１８（ａ）に示す第１の基板ＣＢ１には、第１の端子Ｔ１に接続された第１のコイル部Ｗ１がパターン形成され、また、第１のコイル部Ｗ１の両端のうち第１の端子Ｔ１とは反対側に接続された第１のスルーホールＳＨ１が形成されている。そして、図１８（ｂ）に示す第２の基板ＣＢ２には、第１のスルーホールＳＨ１を介して一端が第１のコイル部Ｗ１に接続された第２のコイル部Ｗ２がパターン形成されている。また、第２の基板ＣＢ２には、第２のコイル部Ｗ２の両端のうち第１のスルーホールＳＨ１側とは反対側に接続された第２のスルーホールＳＨ２が形成されている。

そして、図１８（ｃ）に示す第３の基板ＣＢ３には、第２のスルーホールＳＨ２を介して一端が第２のコイル部Ｗ２に接続された第３のコイル部Ｗ３がパターン形成されている。また、第３の基板ＣＢ３には、第３のコイル部Ｗ３の両端のうち第２のスルーホールＳＨ２側とは反対側に接続された第３のスルーホールＳＨ３が形成されている。そして、図１８（ｄ）に示す第４の基板ＣＢ４には、第３のスルーホールＳＨ３を介して一端が第３のコイル部Ｗ３に接続された第４のコイル部Ｗ４がパターン形成されている。ここで、第４のコイル部Ｗ４の両端のうち第３のスルーホールＳＨ３側とは反対側には、第２の端子Ｔ２が接続されている。

こうした構成によれば、図１８（ｅ）に示すように、第１の端子Ｔ１及び第２の端子Ｔ２のうち一方を巻き始めとし、他方を巻き終わりとする検知コイルＬｉｊが形成されることとなる。こうした検知コイルＬｉｊによれば、量産時に製造しやすいといったメリットが得られる。なお、図１８（ｅ）の左側は、第１〜第４の基板ＣＢ１〜ＣＢ４のうちいずれか１つの板面に、他の３つのそれぞれに形成されたパターンを投影した図である。

加えて、「検知コイル」としては、図１９及び図２０に示すように、両面基板にパターン形成されたコイルであってもよい。ここで、図１９及び図２０には、第１面Ｓａ及び第１面Ｓａの裏面である第２面Ｓｂを有する両面基板ＣＢにパターン形成された８の字型の検知コイルを例示している。なお、図１９及び図２０の左側には、両面基板の正面図（第１面，第２面）を示し、右側には、両面基板の断面図を示している。また、図１９（ｂ），図２０（ｂ）は、両面基板ＣＢの第１面Ｓａに第２面Ｓｂに形成されたパターン等を投影した図である。

まず、図１９について説明すると、第１面Ｓａには、第１の端子Ｔａに接続された８の字型の第１のコイル部Ｗａがパターン形成されている。ここで、第１のコイル部Ｗａの両端のうち第１の端子Ｔａとは反対側は、第１のスルーホールＳＨａを介して第２面Ｓｂにパターン形成された８の字型の第２のコイル部Ｗｂの一端に接続されている。

第２のコイル部Ｗｂの両端のうち第１のスルーホールＳＨａ側とは反対側は、第２のスルーホールＳＨｂを介して第１面Ｓａにパターン形成された第３のコイル部Ｗｃの一端に接続されている。第３のコイル部Ｗｃは、第１面Ｓａにおいて第２のコイル部Ｗｂを跨ぐようにパターン形成されている。第３のコイル部Ｗｃの両端のうち第２のスルーホールＳＨｂとは反対側は、第３のスルーホールＳＨｃを介して第２面Ｓｂにパターン形成された第４のコイル部Ｗｄの一端に接続されている。

第４のコイル部Ｗｄは、第２面Ｓｂにおいて第１のコイル部Ｗａを跨ぐようにパターン形成されている。そして、第４のコイル部Ｗｄの両端のうち第３のスルーホールＳＨｃとは反対側は、第４のスルーホールＳＨｄを介して第１面Ｓａにパターン形成された第５のコイル部Ｗｅの一端に接続されている。この第５のコイル部Ｗｅの両端のうち第４のスルーホールＳＨｄとは反対側は、第２の端子Ｔｂに接続されている。

続いて、図２０について説明すると、第１面Ｓａには、第１の端子Ｔａに接続された第１のコイル部Ｗａがパターン形成されている。ここで、第１のコイル部Ｗａの両端のうち第１の端子Ｔａとは反対側は、第１のスルーホールＳＨａを介して第２面Ｓｂにパターン形成された８の字型の第２のコイル部Ｗｂの一端に接続されている。

第２のコイル部Ｗｂの両端のうち第１のスルーホールＳＨａ側とは反対側は、第２のスルーホールＳＨｂを介して第１面Ｓａにパターン形成された第３のコイル部Ｗｃの一端に接続されている。第３のコイルＷｃの両端のうち第２のスルーホールＳＨｂ側とは反対側は、第２の端子Ｔｂが接続されている。

以上説明した構成によっても、第１の端子Ｔａ及び第２の端子Ｔｂのうち一方を巻き始めとし、他方を巻き終わりとする検知コイルを形成することができる。

・「検知コイル」の配置手法としては、上記各実施形態に例示したものに限らない。例えば、送電パッド２０が車両１０の上方に配置される給電設備があるなら、受電パッド４０が車両の上部に設けられると考えられるため、受電パッド４０上に検知コイルを配置してもよい。この場合であっても、１次側コイル２２及び２次側コイル４２によって生成される磁束の経路に存在する金属物体を検知コイルの検知対象とすることができる。また、例えば、送電パッド２０が車両１０の後方に配置される給電設備があるなら、受電パッド４０が車両１０の後部に設けられると考えられるため、送電パッド２０及び受電パッド４０のうち少なくとも一方の上に検知コイルを配置してもよい。この場合であっても、送電パッド２０上や受電パッド４０上に金属物体が付着するおそれがあると考えられることから、本発明の適用が有効である。

・「検知コイル」の配置数としては、非接触給電によって金属物体が加熱されるエリアをカバーできてかつ、金属物体による検知コイルのインピーダンス変化が金属物体の検知精度を満足する検知コイルのサイズであれば、複数に限らず、１つであってもよい。

・「接続手段」としては、上記第１の実施形態に例示したものに限らない。例えば、複数の検知コイルＬｉｊのうち一部であってかつ２以上の検知コイルを発振回路７０の構成要素として順次選択するものであってもよい。この場合であっても、発振回路７０及び検出回路８０の数を減らすことはできる。なお、上記構成の場合、検知コイルの選択数によって発振回路７０の発振条件が変化することから、検知コイルの選択数に応じて発振回路７０を構成するコンデンサの静電容量を変更可能な構成を備えればよい。

・「供給手段」としての発振回路は、上記第１の実施形態に例示したものに限らない。例えば、ハートレー型発振回路であってもよい。この場合、例えば、ハートレー型発振回路を構成する一対のコイルのうちいずれかを検知コイルとすればよい。

また、「供給手段」としては、発振回路に限らず、例えば、所定の振幅を有する交流電流を出力する電源であってもよい。この場合、電源から出力される交流電流に対する検知コイルの両端の電位差（以下、端子間電圧）の基準位相差から実際の位相差がずれると判断された場合、送電パッド２０上に金属物体が存在すると判断すればよい。この手法は、金属物体の接近による検知コイルのインピーダンスの減少によって、電源から出力される交流電流に対する端子間電圧の位相が変化することを用いたものである。

・上記第1の実施形態の図６の処理や、上記第２の実施形態の図８の処理を、金属物体検知装置が正常に動作するか否かを判断する初期動作確認ルーチンとしても用いることができる。つまり、図６のステップＳ１２や図８のステップＳ１２ａにおいて肯定判断される状況は、送電パッド２０上に金属異物が存在する状況でもあり、また、金属物体検知装置を構成する検知コイルや回路等が異常である状況であるとも考えられる。

・発振回路７０の発振周波数ｆｄを、非接触給電の使用周波数ｆｅよりも低くなるように設定してもよい。

・「１次側コイル」及び「２次側コイル」としては、上記第１の実施形態に例示したものに限らず、例えば、渦巻き状の円形平面コイルであってもよい。

・上記第１の実施形態において、発振回路７０や、検出回路８０、出力回路８２を送電パッド２０に埋設してもよい。

・「フィルタ手段」としては、ハイパスフィルタに限らず、バンドパスフィルタであってもよい。また、「フィルタ手段」としては、アナログフィルタに限らず、デジタルフィルタであってもよい。

・上記第１の実施形態の図６のステップＳ１２において、出力電圧Ｖｏｕｔの直近の極大値Ｖｍａｘに関する条件、又は出力電圧Ｖｏｕｔの直近の極小値Ｖｍｉｎに関する条件のいずれかを除去してもよい。

・上記第１の実施形態の図６のステップＳ１４では、電力供給の停止を指示したがこれに限らず、給電電力の低下を指示してもよい。

２２…１次側コイル、４２…２次側コイル、７０…発振回路、８０…検出回路、Ｌｉｊ…検知コイル、Ｌａｉｊ…第１の巻線部、Ｌｂｉｊ…第２の巻線部。

Claims (11)

1. 車両の外部に設けられた給電設備を構成する１次側コイル（２２）と、前記車両に設けられた２次側コイル（４２）との間で非接触で電力授受を行う非接触給電装置に適用され、
   前記非接触で電力授受が行われる場合において、前記１次側コイル及び前記２次側コイルのうち少なくとも一方によって生成される磁束の経路に存在する金属物体を検知対象とする検知コイル（Ｌｉｊ）と、
   前記検知コイルに交流電力を供給する供給手段（７０）と、
   前記供給手段によって交流電力が供給される場合における前記検知コイルのインピーダンスの変化に基づき、前記金属物体を検知する処理を行う処理手段（８０）と、
   を備え、
   前記検知コイルは、複数であり、
   前記検知コイルは、前記１次側コイル及び前記２次側コイル間を循環する主磁束が該検知コイルを通過する場合、互いに平行でかつ離間した一対の軸線の一方（Ｐ１）を中心として規定方向に巻かれた第１の巻線部（Ｌｃｉｊ）と、前記一対の軸線の他方（Ｐ２）を中心として前記規定方向とは逆方向に巻かれた第２の巻線部（Ｌｄｉｊ）との直列接続体を備え、
   前記第１の巻線部及び前記第２の巻線部のそれぞれは、前記一対の軸線方向から該巻線部を見た場合に該巻線部が渦巻き状となるように形成されており、
   前記第１の巻線部及び前記第２の巻線部のそれぞれの外形は、前記一対の軸線方向から該巻線部を見た場合に該一対の軸線間の中心を通ってかつ該軸線に平行な平面に対して対称な形状に形成されていることを特徴とする金属物体検知装置。
2. 前記第１の巻線部及び前記第２の巻線部のそれぞれは、前記一対の軸線方向から該巻線部を見た場合に、前記検知コイルの外形によって区画される領域において前記検知コイルに流れる電流によって形成される電磁界を均等にするような渦巻き状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の金属物体検知装置。
3. 前記非接触給電装置は、
   前記車両の外部に設けられ、前記１次側コイルを有してかつ扁平形状をなす送電部材（２０）と、
   前記車両に設けられ、前記２次側コイルを有してかつ扁平形状をなす受電部材（４０）と、
   を備え、
   前記第１の巻線部及び前記第２の巻線部のそれぞれの外形は、前記一対の軸線方向から該巻線部を見た場合に該一対の軸線間の中心を通ってかつ該軸線に平行な平面に対して対称な矩形形状又は正六角形形状に形成されており、
   複数の前記検知コイルは、前記送電部材及び前記受電部材のうち少なくとも一方に整列配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の金属物体検知装置。
4. 前記非接触給電装置は、前記非接触で電力授受が行われる場合において前記１次側コイル及び前記２次側コイル同士が対向するように構成され、
   前記第１の巻線部と前記第２の巻線部との直列接続体は、前記１次側コイル及び前記２次側コイル同士が対向する方向と直交する単一の平面上に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属物体検知装置。
5. 前記第１の巻線部と前記第２の巻線部との直列接続体は、多層基板又は両面基板上にパターン形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属物体検知装置。
6. 前記供給手段と、複数の前記検知コイルのうち一部であってかつ少なくとも１つとを選択的に接続する接続手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属物体検知装置。
7. 前記検知コイルは、前記非接触にて電力授受が行われる場合において前記第１の巻線部を通過する主磁束と前記第２の巻線部とを通過する主磁束とが等しくなるように配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属物体検知装置。
8. 前記供給手段は、前記検知コイルを構成要素とする発振回路であり、
   前記発振回路の出力電圧を検出する検出手段（８０）を更に備え、
   前記処理手段は、前記検出手段によって検出された出力電圧の振幅に基づき、前記検知する処理を行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の金属物体検知装置。
9. 前記供給手段は、前記検知コイルを構成部品とする発振回路であり、
   前記発振回路の出力電圧を検出する検出手段（８０）を更に備え、
   前記処理手段は、前記検出手段によって検出された出力電圧の周波数に基づき、前記検知する処理を行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の金属物体検知装置。
10. 前記非接触で電力授受が行われる場合に前記１次側コイルに対して印加される電圧の周波数の影響を前記検出手段の検出値から除去するフィルタ手段（８４）を更に備え、
    前記処理手段は、前記フィルタ手段によって前記影響が除去された前記検出手段の検出値に基づき、前記検知する処理を行うことを特徴とする請求項８又は９記載の金属物体検知装置。
11. 前記非接触給電装置は、
    前記１次側コイルが巻回された１次側コア（２１）と、
    前記２次側コイルが巻回された２次側コア（４１）と、
    を備え、
    前記１次側コア及び前記２次側コアのそれぞれは、
    互いに平行な平面を有してかつ互いに離間した一対の離間部（２１ａ，４１ａ）と、
    これら離間部同士を連結する連結部（２１ｂ，４１ｂ）と、
    を備え、
    前記非接触給電装置は、前記非接触で電力授受が行われる場合において前記１次側コアの備える前記離間部（２１ａ）の平面及び前記２次側コアの備える前記離間部（４１ａ）の平面同士が平行となるように構成され、
    前記第１の巻線部と前記第２の巻線部との直列接続体は、前記離間部の平面と平行な単一の平面上に形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の金属物体検知装置。

Images