JP6594417B2 - 誘導充電装置のための異物検知方法および誘導充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項に記載の種類の誘導充電装置のための異物検知方法および誘導充電装置に関するものである。

歯ブラシ、モバイルトランシーバーのようなバッテリーで作動する手持ち機器、電気で作動する手持ち工作機械等をワイヤレスで充電することは知られている。このため、手持ち機器の誘導充電装置からバッテリー装置へ誘導エネルギー伝送するために電磁場が利用され、この場合誘導充電装置およびバッテリー装置または手持ち機器はそれぞれコイルを有しており、これらのコイルは互いにわずかな間隔で位置決め可能であり、したがって協働して実質的に１つの変圧器を形成している。

電磁場の領域に導電性の異物が入り込むと、異物を加熱する渦電流が形成されることがある。異物が磁化可能であれば、磁気ヒステリシス損失またはヒステリシス損失によっても異物が加熱される。加熱は相当のものであり、その結果誘導充電システムの作動安定性をもはや保証できない。さらに、異物は電磁場からエネルギーを引き出し、その結果バッテリー装置へのエネルギー伝送が損なわれる。

特許文献１から、バッテリー装置へワイヤレスでエネルギーを伝送するための誘導充電装置を備えた誘導式充電システムが知られている。この場合、充電コイルを備えた誘導充電装置の共振変圧器が交番電磁界を発生させる。電気パラメータに依存して充電コイルの領域で物体を検知するために、共振変圧器に特定機構が設けられている。さらに、誘導充電装置は共振変圧器のクオリティ係数を変化させるためのコントロールユニットを含み、低クオリティ係数時のエネルギー伝送と、高クオリティ係数時の物体の検知とを可能にしている。

さらに、まだ公開されていない特許文献２からは、誘導充電装置のための異物検知方法が知られている。この方法では、誘導充電装置の発振回路の共振周波数とこれに属する実クオリティとが検知され、次にこの実クオリティが共振周波数に依存する目標クオリティと比較される。その後、所定の目標クオリティ範囲を用いて、異物があるかないかの判定が行われる。

独国特許出願公開第１０２０１２２０５６９３号明細書 独国特許出願公開第１０２０１３２１２５８８号明細書

本発明の課題は、技術水準から知られている誘導充電装置用異物検知方法および対応する誘導充電装置をさらに改善して、異物の検知精度を高めることである。

本発明によれば、誘導充電装置のための異物検知方法には、特にワイヤレスエネルギー伝送の間に、誘導充電装置の内部温度を検知し、実クオリティに、内部温度をベースにした修正係数を乗じることが設けられている。さらに本発明は、特に手持ち工作機械のための、発振回路とコントロールユニットとを備えた、本発明による異物検知方法を実施するための誘導充電装置に関し、誘導充電装置内に組み込まれた温度センサが誘導充電装置の内部温度を検知する。このようにして、温度の影響とはほとんど関係なく、小さな異物をも検知できるより堅固な異物検知が可能である。

有利な構成では、目標クオリティ範囲の上限および／または下限に、修正係数の逆数を乗じる。これにより、修正した実クオリティと目標クオリティ範囲の限界値との間に一定の間隔を得ることができ、このことは、異物検知のための簡単な比較と、共振周波数とは独立の、異物検知の精度の十分一定の精度とを可能にする。

修正係数は、少なくとも１つの充電コイルの測定した抵抗値から導出することができ、或いはこれとは択一的に、または、これに加えて、検知した内部温度を用いて算出することができる。この場合、修正係数を、特に２５℃の平均室温に対し１．０の値に規格化する。このようにして、温度検知を損なわせる異物の影響を最小限にとどめること、または、回避させることができる。

異物検知の精度をさらに良くするため、内部温度が比較的高いときの、特に室温よりも上のときの修正係数の推移を、実際に検知した温度に比べて平坦化させる。

特に有利な態様では、少なくとも１つの温度センサは、発振回路の充電コイルに直接配置されておらず、また電力スイッチング要素のすぐ近くおよび誘導充電装置の他の自己発熱構成要素のすぐ近くにも配置されていない。これによって、誘導充電装置または発振回路の平均内部温度の正確な評価が可能である。

本発明の他の利点は、従属請求項に記載された構成および図面並びに以下の説明から明らかである。

次に、本発明を、図１ないし図４を用いて例を挙げて説明する。なお、図中の同じ参照符号は同じ機能を備えた同じ構成部材を示唆している。

本発明による異物検知方法を実施するための誘導充電装置と、充電すべきバッテリー装置との図である。 技術水準による誘導充電装置のコントロールユニットの関係テーブルをグラフの形態で示したものである。 誘導充電装置の検知した内部温度Ｔに依存する修正係数の推移の第１実施形態のグラフである。 誘導充電装置の検知した内部温度Ｔに依存する修正係数の推移の第２実施形態のグラフである。

図１は、異物１１を検知するための本発明による方法を実施する誘導充電装置１０を示している。図１は、さらに、示していない手持ち工作機械を充電するバッテリー装置１２を示している。誘導充電装置１０は、充電システム１４の一次側を形成し、手持ち工具バッテリーまたはバッテリーを組み込んだ手持ち工作機械として形成されたバッテリー装置１２を充電するために設けられている。しかしながら、基本的には、誘導充電装置１０を用いて、当業者にとって有意味と思われる他のバッテリー装置を充電することも考えられる。

図１は、誘導充電装置１０と充電すべきバッテリー装置１２とを１つの充電作動で示している。この場合、バッテリー装置１２は誘導充電装置１０のハウジング１６の上面に載置されており、誘導充電装置１０の少なくとも１つの充電コイル１８を介してワイヤレスで充電される。誘導充電装置１０は充電電子ユニット２０を有し、該充電電子ユニットは、コントロールユニット２２と、少なくとも１つの充電コイル１８および少なくとも１つのコンデンサ１９を備えた発振回路２４とを含み、発振回路は少なくとも１つの充電コイル１８と電気接続されている。

誘導充電装置１０のコントロールユニット２２は、共振周波数ｆ_Ｒとこれに属する実クオリティＱ_Ｉ（ｆ_Ｒ）とを特定するために設けられている。さらに、コントロールユニット２２は、実クオリティＱ_Ｉ（ｆ_Ｒ）を、共振周波数ｆ_Ｒに依存する目標クオリティＱ_Ｓ（ｆ_Ｒ）と比較するために設けられている。この目的のため、コントロールユニット２２はメモリ２６を有し、該メモリ内には、検出された共振周波数ｆ_Ｒに対して、複数の目標クオリティＱ_Ｓ（ｆ_Ｒ）を備えた目標クオリティ範囲ｑ_Ｓを含んでいる関係テーブルがファイルされている（これに対しては、図２に対する以下の説明も参照）。

誘導充電装置１０の充電作動の間、規則的な間隔で異物検知を実施する。異物検知の際には、充電作動を損なわせるような１つまたは複数の異物１１が誘導充電装置１０とバッテリー装置１２との間、または、単純には誘導充電装置１０の上だけにあるかどうか、および／または、操作者または誘導充電装置１０に危険をもたらすかどうかをチェックする。異物検知は、まだ公開されていないＤＥ１０２０１３２１２５８８号に記載されている方法に従って行い、すなわちまず共振周波数ｆ_Ｒとこれに属する実クオリティＱ_Ｉ（ｆ_Ｒ）とを特定するように行う。次に実クオリティＱ_Ｉ（ｆ_Ｒ）を、共振周波数ｆ_Ｒに依存する目標クオリティＱ_Ｓ（ｆ_Ｒ）と比較することで、定義された目標クオリティ範囲ｑ_Ｓに基づいて、少なくとも１つの異物１１が存在しているかどうかを最終的に判定する。

図２は、メモリ２６内にファイルされているコントロールユニット２２の関係テーブルをグラフの形態で示したもので、横軸に共振周波数ｆ_Ｒが、縦軸にクオリティＱがプロットされている。グラフは３つの範囲３０，３２，３４に分けられている。第１の範囲３０は、バッテリー装置１２を用いた作動に対する目標クオリティ範囲ｑ_ｓによって形成されている。実クオリティＱ_Ｉ（ｆ_Ｒ）が範囲３０の上限ｑ_Ｓｏと下限ｑ_Ｓｕとの内側にあれば、誘導充電装置１０とバッテリー装置１２との間の領域に異物１１がないと前提する。さらに、バッテリー装置１２が誘導充電装置１０の上に載置されて充電をされるべきものと前提する。第２の範囲３２は、バッテリー装置１２なしの作動に対する目標クオリティ範囲ｑ_Ｓによって形成されている。実クオリティＱ_Ｉ（ｆ_Ｒ）が範囲３２の上限ｑ_Ｓｏと下限ｑ_Ｓｕとの内側にあれば、誘導充電装置１０の上に異物１１がないと前提する。さらに、バッテリー装置１２は誘導充電装置１０の上にないと前提する。

第１の範囲３０と第２の範囲３２とを取り囲んでいる第３の範囲３４は、誤差範囲によって形成されている。実クオリティＱ_Ｉ（ｆ_Ｒ）がこの範囲３４にあれば、任意の誤差が存在するか、或いは、誘導充電装置１０に対するバッテリー装置１２の位置決めが悪く、バッテリー装置１２の充電が可能でないか、または、非常に制限的にのみ可能であると前提する。なお誤差は誘導充電装置１０内、バッテリー装置１２内、および充電システム１４の周囲にも存在しうる。第３の範囲３４は２つの部分範囲３４’，３４”を有している。第３の範囲３４の第１の部分範囲３４’は、クオリティＱに関し、第１の範囲３０の下限ｑ_Ｓｕの下側に配置されている。実クオリティＱ_Ｉ（ｆ_Ｒ）がこの第１の部分範囲３４’の内側にあれば、少なくとも１つの異物１１が誘導充電装置１０とバッテリー装置１２との間の領域にあると前提する。第３の範囲３４の第２の部分範囲３４”は、クオリティＱに関し、第２の範囲３２の下限ｑ_Ｓｕの下側に配置されている。実クオリティＱ_Ｉ（ｆ_Ｒ）がこの第２の部分範囲３４”の内側にあれば、少なくとも１つの異物１１が誘導充電装置１０の上にあると前提する。

しかしながら、実クオリティＱ_Ｉ（ｆ_Ｒ）の推移はとりわけ温度の影響に依存している。すなわち、誘導充電装置１０の内部温度Ｔが上昇すれば、実クオリティＱ_Ｉ（ｆ_Ｒ）は低下する。逆に、温度値の降下とともに実クオリティＱ_Ｉ（ｆ_Ｒ）は上昇する。これは、主に、充電コイル１８の内部抵抗が温度Ｔの上昇とともに増大し、温度Ｔの降下とともに減少することに起因している。たとえばコンデンサのような発振回路２４の他の構成要素も、実クオリティＱ_Ｉ（ｆ_Ｒ）に対して対応する温度の影響を持つことがある。温度の影響は異物検知の精度に悪影響する。それ故本発明の課題は、実クオリティＱ_Ｉ（ｆ_Ｒ）をこの種の温度の影響に十分依存しないようにすることである。

本発明によれば、誘導充電装置１０は温度センサ３６（図１を参照）を有し、該温度センサはコントロールユニット２２と接続されて、少なくとも１つの充電コイル１８の付近で誘導充電装置１０の内部温度Ｔを検知する。誘導充電装置１０または発振回路２４の平均内部温度Ｔを可能な限り正確に評価するため、温度センサ３６は、有利には、充電コイル１８に直接配置されておらず、また電力スイッチング要素のすぐ近くおよび誘導充電装置１０の他の自己発熱構成要素のすぐ近くにも配置されていない。このようにして、温度検知に対するこれら構成要素の温度悪影響を十分に最小化または回避させることができ、その結果少なくとも１つの充電コイル１８によって発生する（加えて、充電コイル１８のアースによって安定化される）誘導充電装置１０の内部温度Ｔの影響を第一義的に考慮することができる。

したがって、本発明による異物検知方法によれば、特にワイヤレスエネルギー伝送の間に誘導充電装置１０の内部温度Ｔを検知し、測定した実クオリティＱ_Ｉ（ｆ_Ｒ）に、内部温度Ｔをベースにした修正係数Ｋを乗じる。補助的に、目標クオリティ範囲ｑ_ｓの上限ｑ_Ｓｏおよび／または下限ｑ_Ｓｕに修正係数Ｋの逆数１／Ｋを乗じる。修正係数Ｋは、上述したように内部温度Ｔに依存して変化するので、少なくとも１つの充電コイル１８の測定抵抗値から導出することができる。これとは択一的に、または、これに加えて、温度センサ３６を用いて検知した内部温度Ｔを用いて修正係数Ｋを算出することが可能である。

図３には、内部温度Ｔに依存する修正係数Ｋの推移が図示されている。修正係数Ｋは、温度限界値Ｔ_ｍｉｎとＴ_ｍａｘとによって定義される作業範囲内で、内部温度Ｔの上昇とともに非線形的に増大する。Ｔ_Ｒはたとえば２５℃の平均室温であり、この平均室温のもとで修正係数Ｋは値Ｋ＝１．０に規格化されている。しかし、室温Ｔ_Ｒとして、コントロールユニット２２のメモリ２６の内部にたとえば２３℃または２４．５℃のような他の値がファイルされていてよい。

異物検知の感度は、内部温度Ｔが比較的高ければ、図４に従って修正係数Ｋを適合させることによってさらに改善させることができる。この場合、室温Ｔ_Ｒのいくぶん上までは修正係数Ｋの推移は図３の推移に対応している。しかしながら、これよりも高い温度値に対しては、修正係数Ｋの曲線は、破線で示したもともとの推移に比べて最大温度値Ｔ_ｍａｘまで平坦になる。このことは、実際に検知された温度影響をいくぶん少なめに相殺させるが、しかし他方で異物検知の精度を向上させる。

最後に指摘しておくが、示した本発明の実施形態は図面に示した曲線推移にも、図１による誘導性充電システムの構成にも限定されるものではない。

１０ 誘導充電装置
１１ 異物
１８ 充電コイル
２２ コントロールユニット
２４ 発振回路
３６ 温度センサ
ｆ_Ｒ 共振周波数
Ｋ 修正係数
Ｑ_Ｉ（ｆ_Ｒ） 実クオリティ
Ｑ_Ｓ（ｆ_Ｒ） 目標クオリティ
ｑ_Ｓ 目標クオリティ範囲
ｑ_Ｓｏ 目標クオリティ範囲の上限
ｑ_Ｓｕ 目標クオリティ範囲の下限
Ｔ 誘導充電装置の内部温度
Ｔ_Ｒ 室温

Claims (10)

1. バッテリー装置（１２）を誘導充電するための少なくとも１つの充電コイル（１８）を有する発振回路（２４）を備えた誘導充電装置（１０）用の異物検知方法であって、
   前記発振回路（２４）の共振周波数（ｆＲ）とこれに属する実クオリティ（ＱＩ（ｆＲ））とを検知し、次に該実クオリティ（ＱＩ（ｆＲ））を、前記共振周波数（ｆＲ）に依存する目標クオリティ（ＱＳ（ｆＲ））と比較し、該実クオリティ（ＱＩ（ｆＲ））と所定の目標クオリティ範囲（ｑＳ）を用いて異物（１１）があるかないかを判定し、該実クオリティ（ＱＩ（ｆＲ））が前記目標クオリティ範囲（ｑＳ）を下回る場合に前記異物（１１）があると判定し、該実クオリティ（ＱＩ（ｆＲ））が前記目標クオリティ範囲（ｑＳ）内にある場合に前記異物（１１）がないと判定するようにした前記異物検知方法において、
   前記実クオリティ（ＱＩ（ｆＲ））に、前記誘導充電装置（１０）の内部温度（Ｔ）をベースにした修正係数（Ｋ）を乗じ、前記バッテリー装置（１２）が充電されている状態で、該修正係数（Ｋ）が乗じられた該実クオリティ（ＱＩ（ｆＲ））と前記目標クオリティ範囲（ｑＳ）としての第１の目標クオリティ範囲（３０）を用いて前記異物（１１）があるかないかを判定し、前記バッテリー装置（１２）が載置されていない状態で、該修正係数（Ｋ）が乗じられた該実クオリティ（ＱＩ（ｆＲ））と前記第１の目標クオリティ範囲（３０）と異なる前記目標クオリティ範囲（ｑＳ）としての第２の目標クオリティ範囲（３２）を用いて前記異物（１１）があるかないかを判定し、前記修正係数（Ｋ）は、前記充電コイル（１８）の測定抵抗値から導出される
   ことを特徴とする異物検知方法。
2. 前記目標クオリティ範囲（ｑＳ）の上限（ｑＳｏ）および／または下限（ｑＳｕ）に、前記修正係数（Ｋ）の逆数（１／Ｋ）を乗じる
   ことを特徴とする、請求項１に記載の異物検知方法。
3. 前記修正係数（Ｋ）を、検知した前記内部温度（Ｔ）を用いて算出する
   ことを特徴とする、請求項１または２に記載の異物検知方法。
4. 前記修正係数（Ｋ）を、室温（ＴＲ）に対し１．０の値に規格化する
   ことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一つに記載の異物検知方法。
5. 前記内部温度（Ｔ）が室温（ＴＲ）よりも上のときの前記修正係数（Ｋ）の推移を、実際に検知した前記内部温度（Ｔ）の推移に比べて平坦化させる
   ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一つに記載の異物検知方法。
6. 前記内部温度（Ｔ）は、ワイヤレスエネルギー伝送の間に検知される
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の異物検知方法。
7. 前記誘導充電装置（１０）は、手持ち工作機械のための誘導充電装置である
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の異物検知方法。
8. バッテリー装置（１２）を誘導充電するための少なくとも１つの充電コイル（１８）を有する発振回路（２４）と、コントロールユニット（２２）と、を備えた誘導充電装置（１０）であって、
   前記コントロールユニット（２２）が、前記発振回路（２４）の共振周波数（ｆＲ）と、これに属する実クオリティ（ＱＩ（ｆＲ））とを検知し、次に該実クオリティ（ＱＩ（ｆＲ））を、前記共振周波数（ｆＲ）に依存する目標クオリティ（ＱＳ（ｆＲ））と比較し、該実クオリティ（ＱＩ（ｆＲ））と所定の目標クオリティ範囲（ｑＳ）を用いて異物（１１）があるかないかを判定し、該実クオリティ（ＱＩ（ｆＲ））が前記目標クオリティ範囲（ｑＳ）を下回る場合に前記異物（１１）があると判定し、該実クオリティ（ＱＩ（ｆＲ））が前記目標クオリティ範囲（ｑＳ）内にある場合に前記異物（１１）がないと判定するようにした前記誘導充電装置において、
   前記コントロールユニット（２２）が、前記実クオリティ（ＱＩ（ｆＲ））に、前記誘導充電装置（１０）の内部温度（Ｔ）をベースにした修正係数（Ｋ）を乗じ、前記バッテリー装置（１２）が充電されている状態で、該修正係数（Ｋ）が乗じられた該実クオリティ（ＱＩ（ｆＲ））と前記目標クオリティ範囲（ｑＳ）としての第１の目標クオリティ範囲（３０）を用いて前記異物（１１）があるかないかを判定し、前記バッテリー装置（１２）が載置されていない状態で、該修正係数（Ｋ）が乗じられた該実クオリティ（ＱＩ（ｆＲ））と前記第１の目標クオリティ範囲（３０）と異なる前記目標クオリティ範囲（ｑＳ）としての第２の目標クオリティ範囲（３２）を用いて前記異物（１１）があるかないかを判定し、前記修正係数（Ｋ）は、前記充電コイル（１８）の測定抵抗値から導出される
   ことを特徴とする誘導充電装置（１０）。
9. 前記内部温度（Ｔ）は、ワイヤレスエネルギー伝送の間に検知される
   ことを特徴とする請求項８に記載の誘導充電装置（１０）。
10. 手持ち工作機械のための誘導充電装置である
    ことを特徴とする請求項８または９に記載の誘導充電装置。

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