JP6600413B2 - 誘導電力送信機 - Google Patents

Description

本発明は、全般的に、誘導電力送信（inductive power transmitter、IPT）のための誘導電力送信機に関し、特に異物検出に関する。

ＩＰＴはポータブル電子装置のワイヤレス充電を含む多くの適用先で使用されている、よく知られている確立された技術領域である。充電マットは、ポータブル装置に充電する面を有する１つの方法であり、経時変化する磁場を生成する１つ以上の送信コイルを有する電力送信機を組み込んでいる、インターフェース面を有している。磁場は、電力受信機内に好適な受信コイル内に交流を誘導し、次に、交流は電池の充電や、装置や他の負荷への電力供給に使用可能である。

本発明は、改良された誘導電力送信機を提供し得、又少なくとも、公衆に役に立つ選択肢を提供することができる。

例示的な実施形態によると、誘導電力送信機であって、
少なくとも２つの、実質的に異なる周波数の物体検出信号を生成するよう構成されたコンバータと、
物体検出信号に基づいて磁場を生成するよう構成された少なくとも１つの送信コイルと、
コイルと関連した回路パラメータ（単数又は複数）を判定又は測定するよう構成されており、周波数のそれぞれで送信コイルのインダクタンスを判定し、周波数のそれぞれの間のインダクタンスの変化に依存して、物体の存在の有無、及び／又は存在している物体の種類を判定するコントローラと、を含む誘導電力送信機が提供される。

更なる実施形態によると、誘導電力送信機であって、
実質的に異なる周波数の物体検出信号を少なくとも２つ生成するよう構成された少なくとも１つの送信コイルと、
周波数のそれぞれでコイルのインダクタンスの測定値を判定し、周波数のそれぞれの間のインダクタンスの変化に依存して、物体の存在の有無、及び／又は存在している物体の種類を判定するよう構成されたコントローラと、を含む誘導電力送信機が提供される
更に別の実施形態によると、誘導電力送信機であって、
少なくとも１つの物体検出コイルと、
少なくとも２つの共振コンデンサと、
それぞれのコンデンサをコイルに接続するよう構成されており、周波数で共振させる少なくとも２つのスイッチであって、コンデンサの値が実質的に異なる、スイッチと、
周波数のそれぞれでコイルのインダクタンスの測定値を判定し、周波数間のインダクタンスの変化に依存して、物体の存在の有無、及び／又は存在している物体の種類を判定するよう構成されたコントローラと、を含む誘導電力送信機が提供される。

用語「備える、含む（comprise）」、「備える、含む（comprises）」、及び「備える、含む（comprising）」は、様々な権限下で、排他的な意味にも包括的な意味にも対応付けられ得ると認められている。本明細書の目的のために、特に述べられない限り、これらの用語は包括的な意味を有することを意図しており、つまりそれらは、直接的に参照される列挙された構成要素を含み、かつ明言されていない他の構成要素や要素も含む可能性があることを意図して用いられるであろう。

本明細書内のいかなる文書の参照も、他の文書と正当に結合可能であり、又は共通の一般知識の一部を形成する従来技術である、という承認を構成しない。

添付の図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成し、本発明の実施形態を説明し、上述の発明の概略の説明と、以下に記される実施形態の詳細な説明と共に、本発明の原理を説明することに使われる。

誘導電力送信システムの概略図である。 物体検出システムのブロック図である。 例示的な実装の回路図である。 代替的な実装である。

いくつかのＩＰＴの適用先において、ワイヤレス電力送信機は、設定された特定の電力受信機のみに電力を送信し、いわゆる「異物（foreign objects）」には電力を送信しない際に有用であり得る。異物は、充電範囲に配置される任意の物質として定義されるが、受信装置となり得る装置の、所定の組のうちの一部ではない。それらの異物の典型的な例として、コイン、鍵、紙ばさみ等のような金属要素が挙げられる。例えば、金属の物体が有効なＩＰＴ場の近くにある場合、振動する磁場により発生する渦電流により、発熱し得る。そのように寄生している金属の温度が、許容できない程度に上昇することを防ぐために、電力送信機は電力受信機と異物とを区別し、送信される電力を減少させること、又は動作を完全に終了させることができるべきである。様々な例示的実施形態が、異物を検出するために、誘導電力送信機に関連付けられて、以下に説明されるであろう。

異物を検出する第１の方法は、電力損失の測定である。この方法では、受信された実電力は、電力送信機による生成された磁場により、ハンドヘルド装置内に含まれている電力受信機内で浪費された実電力総量を示す。受信された実電力は、電力受信機の出力から利用可能な実電力と、出力電力を生成する際に失われるいかなる実電力との合計にも等しい。電力受信機は、受信した実電力を電力送信機に返信することにより、電力送信機は、電力損失が設定された許容限界以内なのかを判定でき、もしそうでない場合は、電力送信機は、異物の存在を示す異常な動作と判定する。

異物検出のための第２の方法は、別の励磁コイル及びと検出コイルとを送信機内で使用する方法である。検出コイルのインダクタンスの変化を測定して、異物の存在を判定する。

異物検出のための第３の方法は、受信機内又は検出コイル内に活発な共振電圧を生成し、次に送信コイルを経由してＱ値の変化を検出する方法である。

更なる例示的な実施形態によると、異物検出は、異なる周波数での異物の反応の仕方に依存し得る。例えば、ＩＰＴ受信機は、反射されたインピータンスが共振周波数の周囲で異なり得るように、同調され得る。しかし、共振周波数から乖離した周波数では、等価インダクタンスなどの、反射されたパラメータは比較的周波数安定である。そのため、物体検出コイルが、低い第１の周波数と高い第２の周波数（どちらも共振周波数に近くない）で励磁された場合、電流を測定し、物体検出コイルのインダクタンスを判定することができる。低い周波数と高い周波数での物体検出コイルのインダクタンス間の差異は、ＩＰＴ受信機が存在している際は一般的にとても小さいであろう。

異物が介入する際、異なる周波数でのその反応は著しく異なるであろう。例えば、物体検出コイルの、高い周波数で測定されるインダクタンスは、低い周波数でのインダクタンスよりも著しく低く観測されてきた。

そのため、２つの周波数間でのインダクタンスの変化を測定することで、ＩＰＴ環境での比較的安定した検出アルゴリズムを得ることができる。このことにより、以下の利点（単数又は複数）があり得る。
・ 受信機／送信機間の通信に依存しない、
・ ＩＰＴ受信機が存在していても、異物（FO）の存在を確実に識別することができる、
・ ＩＰＴと同時に使用することができる、
・ 検出が比較的速い、
・ 正確性及び検出の信頼性が比較的高く、
・ 適用先の要件に従って選択可能なインダクタンス内の変化を検出するために使用可能な様々な回路がある、
・ 物体検出（OD）電力レベルを比較的抑えることができ、正確性に著しい影響を与えない、
・ 校正の必要性や、比較のための基準パラメータを設定しない、
・ 金属物体と鉄製又は磁性の物体との区別が可能である、及び／又は
・ 受信機に回路や修正を必要としない。

異物検出は、例えば図１にて概して示されているような、誘導電力送信機（ＩＰＴ）システム１内に実施されてもよい。ＩＰＴシステム１は、典型的には誘導電力送信機２及び誘導電力受信機３を含む。誘導電力送信機２は、主電源又はバッテリなどの、適切な電力供給４に連結されている。誘導電力送信機２は、１つ以上のコンバータ５、例えば直流−交流（AC−DC）コンバータ（使用される電力供給の種類に依存する）、と、例えば（存在していれば）コンバータ５に連結されている、インバータ６と、を有する送信回路を含んでいてもよい。インバータ６は交流（AC）信号を送信コイル（単数又は複数）７に供給して、送信コイル（単数又は複数）７は交流磁場を生成する。いくつかの場合において、送信コイル（単数又は複数）７も、インバータ５から分離していると考えられてもよい。送信コイルやコイル７は（不図示の）コンデンサに並列又は直列で連結されており、共振回路を形成してもよい。

コントローラ８はＩＰＴ送信機２の各部位に連結されていてもよい。コントローラ８はＩＰＴ送信機２の各部位から入力を受信し、各部位の動作を制御する出力を生成するよう適合していてもよい。コントローラ８は、その性能に依存してＩＰＴ送信機２の様々な態様を制御するよう構成された、単一のユニット又は別個のユニットとして実装されてもよい。上述の態様には、例えば異物検出、電力の流れ、同調、送信コイルの選択的な励磁、誘導電力受信機の検出、及び／又は通信が含まれる。コントローラ８は、１つ以上のユニット／要素を有していてもよく、マイクロコントローラ、ＰＩＤ、ＦＰＧＡ、ＣＰＬＤ、ＡＳＩＣ等のようなコントローラであってもよい。更に、単一の集積回路上のワイヤレス受信回路全体の重要な部分を統合することが可能であってもよい。

誘導電力受信機３は、負荷１１に電力を次々に供給する電力調整回路１０を含み得る受信回路に連結された、受信コイル（単数又は複数）９を含む。ＩＰＴ送信機２のコイルと誘導電力受信機３とが適切に連結されると、送信（単数又は複数）７が生成する交流磁場が、受信（単数又は複数）９内に交流を誘導する。電力調整回路１０は誘導電流を負荷１１に対して適切な形態に変換するよう構成されており、例えば電力整流器、電力調整回路、又はその両方の複合物を含んでいてもよい。受信（単数又は複数）９は（不図示の）コンデンサに並列又は直列で連結されており、共振回路を形成してもよい。いくつかの誘導電力受信機において、受信機はコントローラ１２を含んでいてもよく、そのコントローラは、受信（単数又は複数）９の同調、電力調整回路１０の動作、及び／又は通信を制御してもよい。

用語「コイル」は、電気回路が磁場を生成する電気誘導構造を含んでいてもよい。例えば、誘導「コイル」は三次元形状又は二次元の平面形状をした電気誘導ワイヤー、複数のプリント配線基板（ＰＣＢ）の「層」上にＰＣＢ技術を用いて三次元形状に組み立てられた電気誘導材料、及びその他のコイルであってもよい。用語「コイル」は、単数形での使用も複数形での使用も、この意味に限定されることを意図しない。適用先に依存して、他の構成を使用してもよい。

いくつかの適用先においては、ＩＰＴ送信機は、関連付けられた受信装置（例えば、携帯電話、リモートコントローラ等）には選択的に電力を供給し、異物（foreign objects、FO）（例えば、紙ばさみ、コイン等）には選択的に電力を供給しないことが望ましいであろう。この目的のため、ＩＰＴ送信機は物体検出（Object Detection、OD）システムを含んでいてもよい。ＯＤシステムは受信機ではない装置に反応してコイルを無効にするか、受信装置のみが存在する際にのみ、コイルを有効化してもよい。コイルのアレイ（例えば充電マット上）などの送信コイルが複数存在する場合は、ＯＤシステムは、受信装置／非受信装置のそれぞれの位置に従って、コイルのサブセットの無効化／有効化のみを行ってもよい。上述のＦＯ検出アルゴリズムは、ＯＤシステムの一部を形成してもよく、又は適用先の要件に依存してＯＤシステム全体であってもよい。

例示的な送信装置２が、図２に示される。インバータ６は、送信コイル７に電力を供給し、ＩＰＴ場を生成する。ＯＤ回路２００は、ＯＤ場を生成する励磁コイル（単数又は複数）２０２と、送信機２の上、又は近くの物体の存在及び／又は位置を検出するために使用される検出回路２０４と、を含む。送信機２のコントローラ８は、直接的に、あるいは別個のコントロール回路を経由して、励磁コイル２０２への励磁を判定し、ＯＤ回路２０４からの出力信号を処理するよう構成されていてもよい。

これは、適用先の要件に依存して、コイルのアレイ及び／又は複数のＯＤ回路を巻き込んでもよい。代替の実装では、ＯＤ場は送信コイル７や、連結された又はその他の方法の同調された別個のコイルによって生成されてもよい。それはＩＰＴ場に続いて、もしくは同時に動作してもよい。

上述のように、ＯＤ場は少なくとも２つの著しく異なる周波数で動作するべきである。適用先に依存して、３つ以上の周波数を使用してもよい。高い周波数及び低い周波数は、特定の適用先においては、想定される異物を確実に検出できるよう選ばれることが望ましい。

異物の反射されたインダクタンスは周波数に伴って減少するという上述の観察は、表皮効果との関係で説明できる。表皮効果により、周波数が増大すると、磁場は誘導金属体への貫通力が弱くなるであろうことが予想されている。渦電流は、より深く貫通する磁場に対抗する逆磁場を生成する。これにより、所与の周波数での所与の金属への磁場の予想貫通量を示す表皮深さの概念が示される。より正確には、表皮深さは、電流密度が、表面での電流密度の１／ｅ又は０．３７となる深さである。

高い周波数でのこの妨害効果は、ＯＤコイルが示す反射された静電容量の生成と等価の効果を有する。言い換えると、ＯＤコイルのインダクタンスが測定されると、金属のＦＯがそれに連結していた場合、それは励磁周波数と共に著しく減少するであろう。

ＩＰＴ送信機の近くに典型的な異物がある状況において、表皮効果は現実的な周波数で利用することができ、それらを既知のＩＰＴ受信機と区別する。例えば、表皮深さは方程式１に従って計算される。

ここで
ρ＝コンダクタの抵抗
ω＝電流の角周波数＝２π×周波数
μ_r＝コンダクタの相対透磁率
μ₀＝自由空間の透磁率
μ＝μ_rμ₀

したがって、表皮深さは周波数の平方根に反比例する。言い換えると、１０倍の表皮深さの違いを出すためには、ＯＤ励磁周波数は１００倍違うべきである。少なくとも５倍の違いがある表皮深さが、実用的な検出には要求されると予想される。同様に、最低周波数は、最低検出可能ＦＯ厚さを判定するために選ばれるべきである。これは、所与の適用先の予想ＦＯに基づいて判定されてもよい。

例えば、携帯電話の充電パッドなどの家庭用電気機器のためのＩＰＴにおいて、主に銅や鉄で作られたコインなどのＦＯに対しては、表皮深さは、高いＯＤ励磁周波数においては１〜２ｍｍの間が望ましく、低いＯＤ励磁周波数においては、０．１〜０．２ｍｍよりも低いことが望ましい。例えば、ＯＤ場は５〜５０ｋＨｚと５００ｋＨｚ超で動作してもよく、ＩＰＴ場は５０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ、例えば１１０〜２０５ｋＨｚで、動作してもよい。受信物体の存在している際に、最大性能での動作を確実にするために、ＯＤ場は、ＩＰＴ周波数の少なくとも５倍低い、及び少なくとも５倍高い、周波数に同調されてもよい。例えば、１１０ｋＨｚのＩＰＴ周波数に対しては、ＯＤ周波数は１０ｋＨｚ以下、及び少なくとも１ＭＨｚに同調されてもよい。更に、ＩＰＴ周波数はＯＤ周波数の高調波でなく、又その逆も同様であることが望ましいであろう。これにより、受信装置の高調波共振（したがって、受信機がＯＤ場から最終的に損失を受けること）を避ける。

いくつかの実施形態において、送信機は、誘導電力送信のためのコイル７と、ＯＤ場の生成のため別個のコイル２０２とを含む。代替の実施形態では、送信機は、誘導電力送信のためと、更にＯＤ場の生成のために構成されたコイル７を含む。

実装１：２つの周波数で励磁される別個のＯＤコイル
別個のＯＤコイルが使用される場合、上述の著しく異なる２つの周波数で励磁することができる。あらかじめ判定されるか、又は測定された励磁電圧と、あらかじめ判定されるか、又は測定された電流に対して、（抵抗が無視される場合、）方程式２に従ってインダクタンスを判定することができる。

図３を参照すると、送信機２、ＯＤ回路２００、ＯＤコイル２０２、及び制御可能なＡＣ電源供給３０２を含むＯＤ回路が示されている。電源供給は、別個のインバータであってもよい。

電源供給は、対象の周波数で実質的に正弦波を供給してもよい。ＯＤ信号の電力レベルは、多大な損失を起こさない程度に十分小さく、かつインダクタンスの測定が困難なほどの程度に小さ過ぎるべきでない。

検出アルゴリズムは、例えば、メイン送信機コントローラに単純な高低信号を提供し、適切な動作を実行する、例えば論理式の、ハードウェア内に実装されてもよい。あるいは、ＦＯが近くにあるかの判定は、メイン送信機コントローラ上で動いているソフトウェア内でなされてもよい。アルゴリズムは、第１の周波数で検査するステップと、回路パラメータを測定するステップと、インダクタンスを判定するステップと、著しく異なる第２の周波数で検査するステップと、回路パラメータを測定するステップと、インダクタンスを判定するステップと、インダクタンスの値の差が閾値を超えているかどうかに基づいて異物が存在あるかを判定するステップと、を含む。

その判定は、例えば１秒や２秒毎に１回のように、電力送信の間に配置される物体の著しい発熱を引き起こさないよう、十分に頻繁になされるべきである。ＦＯについての正確性及び／又は知識を増すために、３つ以上の周波数が加えられてもよい。異物検出（FOD）は、インダクタンスの測定を正確に行うことが可能な限り、ＩＰＴと同時になされてもよい。

適用先に依存して、ＦＯの検出は、ユーザーへの警告、例えばコインを取り除くこと、及び／又はＩＰＴ場を停止するために使用されてもよい。理想的には、ＩＰＴ場は、いかなる過度の発熱にも先んじて停止されるべきであり、別個の温度センサに関連してなされてもよい。

実装１に係るＯＤコイルをＬＣＲメーターに接続することで、実験が行われた。コイルのインダクタンスが、異なるたくさんのシナリオ下で、例えば「コイル」自身、及び上部にフェライト板が配置された「フェライト」コイルによって、２つの異なる周波数で測定された。高い周波数と低い周波数との間のＬの変化は、それぞれ１％と２．５％であった。このことは、異なる周波数にわたって、コイル自身のＬは比較的安定しており、フェライトはいかなる著しい非線形性ももたらさないことを証明している。

次に、様々な異なるＦＯを近くに配置し、コイルで実験を行った。まず、ＯＤコイルの上部に直接２０セントコインを置き、近くにフェライトとコインを置いた（ＦＯＤ２）。これにより、金属物体の存在により、近くのフェライトの有無両方において、異なる周波数にわたってＬに著しい変化が引き起こされることが明確に示される。本実施例において、閾値に対する５〜１０％の変化を、金属物体の判別として使用することが可能であった。これにより、従来の方法と比較して、とても単純な検出方法を提供することができる。

実装２：別個の共振ＯＤコイル
図４は、ＯＤコイルＬ１と、２つの同調された並列コンデンサＣ１、Ｃ２を含む共振タンクと共に、代替のＯＤ回路２００を示している。共振タンクは、方程式３に従って自然共振周波数を有するであろう。

Ｃ１とＣ２の値は、それらが２つのそれぞれ異なる周波数（つまりＦＯＤ周波数）でＬ１と共振するよう選ばれる。

タンクが、刺激又はスイッチＭ３を使ったＤＣ信号により励磁する際、コンデンサと、ＯＤコイルでの反射されたインダクタンスと、に従う過渡応答が発生するであろう。これは、スイッチＭ１が閉じられ、スイッチＭ２が開くことで最初に発生し、結果的な過渡の周波数が（反射インピーダンスを含む）Ｌ１とＣ１によって定義される。過渡応答の周波数／周期はゼロクロス検出器とカウンタを使うことで測定することができる。

そして、周波数が（反射されたインピーダンスを含む）Ｌ１とＣ２によって定義されるよう、Ｍ１が開き、Ｍ２が閉じる。周波数が再度測定される。次に、各場合におけるインダクタンスは方程式２に従って判定される。インダクタンスの変化が閾値を超える場合、次にＦＯが特定されている。

実装３：ＯＤ励磁に用いられる送電（TX）コイル
２つの周波数はまた、メインＩＰＴコイル７を使用して生成されてもよい。この場合、ＯＤ信号は、インバータにより、ＩＰＴ電力送信信号の上に重ねられる。インダクタンスの変化を検出するために、別個のフィルタが、２つの各ＯＤ周波数に対して、電流送信機に関連して用意される。フィルタは、ＩＰＴ周波数に関連したＯＤ周波数に依存して、ノッチフィルタ、又はハイパス／ローパスフィルタであってもよい。しかし、ＩＰＴ信号はＯＤ信号よりも非常に強いことが多いので、急峻なロールオフの（つまり、より高次の）フィルタが要求され得る。

本発明はその実施形態の記述により説明され、実施形態は詳細に記載されてきたが、出願人は、添付の請求項の範囲を、そのように詳細に制限し、又はいかなるようにも限定する意図はない。追加の利点や修正は、当業者により容易になされるであろう。したがって、より広い態様における発明は、特定の詳細、代表的な装置及び方法、並びに示され記載された説明としての例示に限定されない。したがって、出願人の全般的な発明の概念の精神又は範囲から逸脱することなく、そのような詳細からの発展がなされてもよい。

Claims (16)

1. 誘導電力送信機であって、
   少なくとも２つの物体検出信号を生成するように構成されたコンバータであって、前記少なくとも２つの物体検出信号の第１の物体検出信号は、第１の周波数で生成され、前記少なくとも２つの物体検出信号の第２の物体検出信号は、第２の周波数で生成され、前記第１の周波数及び前記第２の周波数は、実質的に異なる周波数である、コンバータと、
   前記少なくとも２つの物体検出信号に基づいて磁場を生成するように構成された少なくとも１つの送信コイルと、
   前記第１の周波数及び前記第２の周波数の各々における前記送信コイルのインダクタンスを表す回路パラメータを判定又は測定し、前記第１の周波数及び前記第２の周波数における前記送信コイルのインダクタンスの差に基づいて、物体の存在の有無、及び／又は存在している物体の種類を判定するように構成されているコントローラと、を備える誘導電力送信機。
2. 物体の存在の有無の判定は、前記インダクタンスの差が、閾値より大きいか小さいかに基づいている、請求項１に記載の送信機。
3. 前記インダクタンスの絶対差が閾値より大きい場合に、異物が存在すると判定される、請求項２に記載の送信機。
4. 前記第１の周波数及び前記第２の周波数が、所定の異物を検出するために、前記所定の異物の既知の表皮深さに基づいて選ばれる、請求項３に記載の送信機。
5. 前記第１の周波数及び前記第２の周波数が、５倍超異なる、請求項１に記載の送信機。
6. 前記第１の周波数及び前記第２の周波数が、１０倍超異なる、請求項５に記載の送信機。
7. 前記第１の周波数が、誘導電力送信周波数よりも著しく低く、前記第２の周波数が、誘導電力送信周波数よりも著しく高い、請求項１に記載の送信機。
8. 前記第１の周波数及び前記第２の周波数の間のインダクタンスの著しい減少が、金属の異物を示している、請求項２に記載の送信機。
9. 金属の異物を検出するための前記閾値が、５〜１０％の間か、又は１０％である、請求項８に記載の送信機。
10. 前記送信コイルは、誘導電力送信コイルから分離されており、前記少なくとも２つの物体検出信号をＩＰＴ信号に重ねて、前記物体検出信号及び前記ＩＰＴ信号が同時に動作するよう構成された、請求項１に記載の送信機。
11. 前記送信コイルが、前記少なくとも２つの物体検出信号を、ＩＰＴ信号に引き続き生成するよう構成された、請求項１に記載の送信機。
12. 前記送信コイルが、誘導電力送信コイルであり、前記少なくとも２つの物体検出信号をＩＰＴ信号に重ねて、前記物体検出信号及び前記ＩＰＴ信号が同時に動作するよう構成された、請求項１に記載の送信機。
13. 前記コントローラが、異物が存在するかに依存して、誘導電力受信機への誘導電力送信を無効化するよう、更に構成された、請求項２に記載の送信機。
14. 前記送信コイルが、前記第１の周波数及び前記第２の周波数のそれぞれで励磁され、前記インダクタンスが、送信コイル電圧と送信コイル電流に基づいて判定される、請求項１３に記載の送信機。
15. 前記ＩＰＴ信号の周波数が、１１０〜２０５ｋＨｚの間である、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の送信機。
16. 前記物体検出信号の前記周波数が５〜５０ｋＨｚの間及び５００ｋＨｚ超である、請求項１５に記載の送信機。