JP5927429B2 - アレーコイルシステム - Google Patents

Description

本発明は、複数配列されたループ状のコイルに給電を行うアレーコイルシステムに関するものである。

近年、例えば電気自動車などへの非接触充電のために、無線電力伝送システムが開発されている。この無線電力伝送システムにおいては、充電装置側に送電コイルが、電気自動車側に受電コイルが設けられ、電磁誘導方式を用いることにより非接触で高効率の伝送効率を実現してきた。この電磁誘導による無線電力伝送装置では大電力を伝送するために、送電コイルと受電コイルの間およびその周囲に金属の異物が混入すると発熱する危険があり、充電前の金属の異物の検出が安全上、重要な課題となっている。
上記課題に対して一般的には、金属と検出用コイル間の電磁誘導によって生じる検出用コイルのインダクタンスの変化により金属を検出する方法が使用されている。この方式は電磁誘導を用いるため、検出用コイルに高周波成分を持つ電力を給電する。しかし、送電コイルの上に複数の検出用コイルを配置した場合、複数の検出用コイル同士の相互結合により検出の性能が劣化する。
そのため、コイル間の相互結合影響を低減するために、コイルと回路間の接続をスイッチで開閉する手法が用いられていた（例えば特許文献１を参照）。

特開２００４‐３４２０４０号公報

しかしながら、上記特許文献１の方法では、コイルが寄生容量を有する場合、コイルと回路間の接続を切断してもコイルへ電流が誘起され、相互結合の影響を低減できない。
本発明は、上記従来の課題に鑑み、検出用コイル間の相互結合の影響を低減できるアレーコイルシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、複数配列される検出用コイルと、抵抗からなる終端抵抗を備え、前記検出用コイルの複数配列された各コイルの２つの端子を、前記終端抵抗を介してグランドあるいは直流電圧と接続する。

以上の構成により、本発明によれば、検出用コイル間の相互結合の影響を低減できる。

本発明の実施の形態１におけるアレーコイルシステムの構成を示す図 本発明の実施の形態１における異物による受信電力量の変化を示す図 本発明の実施の形態１における無線電力伝送システムの車両３０１への搭載例を示した図 本発明の実施の形態１における送電コイルケース３０４を上部から見た図 本発明の実施の形態１における送電コイルケース３０４の断面図

以下、本発明のアレーコイルシステムを実施するための形態について、図面に沿って説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
以下に、本発明のアレーコイルシステムの実施の形態１の詳細について説明する。図１は、本発明のアレーコイルシステムの構成を示す図である。送信回路１０１は、所定の周波数の高周波電力を生成し、検出用コイル１０２へ出力する送信回路である。検出用コイル１０２は金属の異物２０１を検出するために、高周波の磁界を発生するコイルであり、複数配列される。共振容量素子１０３は検出用コイル１０２の各コイルの両端に接続されて、共振回路を構成する容量素子である。共振容量素子１０３は検出用コイル１０２に近い箇所で接続される。なお本発明は、検知対象物による検出用コイル１０２のインダクタンスの変化を利用して検知するシステムである。そのため、検出用コイル１０２と共振容量素子１０３の間の距離が離れて、検出用コイル１０２と共振容量素子１０３の間を接続する配線が長くなると、配線がインダクタンス成分を有し、検知対象物による検出用コイル１０２のインダクタンスの変化量が小さくなり、検知性能の低下を招く。

以下、本実施の形態では並列共振回路を構成する場合について説明する。寄生容量１０４は検出用コイル１０２が有する寄生容量であり、等価回路においては、検出用コイル１０２の各コイルに並列に容量成分が生じる。

送信回路１０１から出力される高周波電力の周波数と、検出用コイル１０２と共振容量素子１０３および寄生容量１０４により構成される共振回路の共振周波数ｆ０が、ほぼ一致するように共振容量素子１０３の容量値を設定する。検出用コイル１０２は自己共振周波数（検出用コイル１０２のインダクタンスと寄生容量１０４によって生じる共振周波数）より高い周波数領域ではインダクタンス成分を有するコイルとして機能しない。このため、送信回路１０１から出力される高周波電力の周波数は、検出用コイル１０２の自己共振周波数より低い値に設定する。検出回路１０５は、送信回路１０１から出力された高周波電力を、検出用コイル１０２を経由して受信し、受信電力量の変化によって金属の異物２０１を検出する検出回路である。

図２は、異物による受信電力量の変化を示す図である。検出用コイル１０２の近くに異物２０１が無い場合、送信回路１０１から出力される高周波電力の周波数と共振周波数ｆ０がほぼ一致する条件では並列共振により、受信電力量が低い値となる。検出用コイル１０２の近くに異物２０１がある場合、検出用コイル１０２と異物２０１との間に電磁誘導が生じ、検出用コイル１０２のインダクタンスが低下する。これにより共振周波数ｆ０が高くなり、受信電力量が、異物２０１が無い場合に比べて高くなる。この受信電力量の変化によって金属の異物２０１を検出する。スイッチ回路１０６は、複数配列された検出用コイル１０２のうち給電するコイルを選択的に切り替えるスイッチ回路である。

図３は、無線電力伝送システムの車両３０１への搭載例を示した図である。送電コイル３０２が地上側に、受電コイル３０３は車両３０１側に搭載される例を示す。送電コイルケース３０４は送電コイル３０２を収納するケースである。検出用コイル１０２は送電コイル３０２の上に配置され、送電コイルケース３０４の中に納められる。

図４は、送電コイルケース３０４を上部から見た図である。送電コイル３０２の上およびその周囲にある金属の異物を検出するために、送電コイル３０２およびその周囲を隙間なく覆うように検出用コイル１０２が配列されている。これらの検出用コイル１０２をスイッチ回路１０６にて切り替えて、送電コイル３０２およびその周囲に存在する異物２０１を検出する。

図１において検出用コイル１０２は、異物２０１だけでなく近くに存在する送電コイル３
０２とも磁界結合が生じ、送電コイル３０２に電流が誘起される。検出用コイル１０２と送電コイル３０２との結合が生じることで異物２０１による受信電力の変化が小さくなり、検出性能が劣化する。図５は、送電コイルケース３０４の断面図である。検出用コイル１０２と送電コイル３０２との結合を低くするため、異物２０１と検出用コイル１０２間の距離（送電コイルケース３０４の表面と検出用コイル１０２間の距離）をａ、送電コイル３０２と検出用コイル１０２間の距離をｂとするとき、距離ａは距離ｂに比べて短くなるように検出用コイル１０２を配置したほうがよい。

図１において高周波発振源３０５は非接触充電のために送電コイル３０２へ所定の周波数の高周波電力を供給する高周波発振源である。高周波発振源３０５は大電力を伝送するために、検出用コイル１０２と送電コイル３０２間で磁界結合が生じると、送信回路１０１、検出回路１０５、スイッチ回路１０６に大電力が入力され、回路が破壊される危険が生じる。このため、送信回路１０１から出力される高周波電力の周波数と、高周波発振源３０５から出力される高周波電力の周波数は異なる値に設定する。さらに送信回路１０１から出力される高周波電力の周波数は通過させ、高周波発振源３０５から出力される高周波電力の周波数は阻止する特性を有するフィルタ回路である回路保護フィルタ１０７を、スイッチ回路１０６と検出用コイル１０２との間に挿入する。これにより送信回路１０１、検出回路１０５、スイッチ回路１０６を保護できる。

また、検出用コイル１０２と送電コイル３０２間の磁界結合を小さくし、送信回路１０１、検出回路１０５、スイッチ回路１０６に入力される電力を低減するため、図４に示すように検出用コイル１０２のそれぞれのコイルの寸法は、送電コイル３０２に比べて小さくなるように設定する。

以上のように構成されたアレーコイルシステムについて、その動作を説明する。図４に示すように検出用コイル１０２の各コイルは近接して配置されるため、互いに磁界結合が生じる。図１において検出用コイル１０２のうちＬ１が選択されている場合、Ｌ１以外の選択されていないコイルはＬ１と結合し、電流が誘起される。これにより異物２０１による受信電力の変化が小さくなり、検出性能が劣化する。さらに、非選択コイルは容量素子が接続されているため、共振現象が生じ、非選択コイルには大きな電流が誘起される。検出性能の改善のためには、非選択コイルに誘起される電流を低減する必要がある。
そこで本発明では、検出用コイル１０２の各コイルの２つの端子を、抵抗からなる終端抵抗１０８を介してグランドあるいは直流電圧と接続する。終端抵抗１０８により検出用コイル１０２の非選択コイルの両端が抵抗で接続され、非選択コイルが構成する共振回路のＱ値が低下し、共振現象による誘起電流の増大を低減することができる。
以上により、本発明のアレーコイルシステムは、検出用コイル間の相互結合の影響を低減できる。

本発明のアレーコイルシステムは、携帯機器、電気推進車両などの非接触充電器の異物検知システムや、複数のコイル（ループアンテナ）を用いる無線機器（例えば、無線タグリーダライタなど）に適用できる。

１０１ 送信回路
１０２ 検出用コイル
１０３ 共振容量素子
１０４ 寄生容量
１０５ 検出回路
１０６ スイッチ回路
１０７ 回路保護フィルタ
１０８ 終端抵抗
２０１ 異物
３０１ 車両
３０２ 送電コイル
３０３ 受電コイル
３０４ 送電コイルケース
３０５ 高周波発振源

Claims (5)

1. 複数配列される検出用コイルと、
   抵抗からなる終端抵抗を備え、
   前記検出用コイルの複数配列された各コイルの２つの端子を、前記終端抵抗を介してグランドあるいは直流電圧と接続するアレーコイルシステム。
2. 前記検出用コイルの各コイルの両端に接続されて、共振回路を構成する容量素子である共振容量素子を備え、
   前記共振容量素子は前記検出用コイルに近い箇所で接続される請求項１に記載のアレーコイルシステム。
3. 所定の周波数の高周波電力を生成し、前記検出用コイルへ出力する送信回路と、
   非接触充電のために送電コイルへ所定の周波数の高周波電力を供給する高周波発振源を備え、
   前記送信回路から出力される高周波電力の周波数と、前記高周波発振源から出力される高周波電力の周波数は異なる値に設定し、
   前記送信回路から出力される高周波電力の周波数は通過させ、前記高周波発振源から出力される高周波電力の周波数は阻止する特性を有するフィルタ回路である回路保護フィルタを、前記検出用コイルに接続する請求項１に記載のアレーコイルシステム。
4. 前記検出用コイルのそれぞれのコイルの寸法は、送電コイルに比べて小さくなるように設定する請求項１に記載のアレーコイルシステム。
5. 送電コイルを収納するケースである送電コイルケースを備え、
   前記検出用コイルは送電コイルの上に配置されて前記送電コイルケースの中に納められ、前記送電コイルケースの表面と前記検出用コイル間の距離は、送電コイルと前記検出用コイル間の距離に比べて短くなるように前記検出用コイルを配置した請求項１に記載のアレーコイルシステム。

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