JP5904251B2 - コイルユニットおよび非接触電力伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、コイルユニットおよび異物検知装置に関する。

電源コードを用いずに電力を供給する非接触電力伝送技術が注目されつつある。現在の非接触電力伝送技術は、主に電磁誘導を利用するタイプであり、さまざまな分野での応用が期待されている。

こうした背景から、例えば電気自動車の車両下部に受電コイル（受電側）を具備して、地上側の給電コイル（給電側）から非接触で大電力（例えば数（ｋＷ）〜数１０（ｋＷ））を伝送するという案も検討されており、この非接触電力伝送技術を用いれば、給電側と受電側を機械的に結合させることなく電力伝送を行うことができる。

ところで、非接触にて電力を伝送する際に給電コイルと受電コイルとの間隙に異物が混入すると、異物が金属の場合にはその金属異物を貫通する磁束によって発生する渦電流や、異物が磁性体の場合にはその磁性体異物を貫通する磁束によって発生するヒステリシス損などに起因して、異物を発熱させてしまう虞があった。

この発熱対策として、特許文献１には、複数のコイルで構成される１または複数の磁気結合素子と、磁気結合素子もしくは磁気結合素子を少なくとも含む回路に関する電気的なパラメータを測定し、電気的なパラメータの変化から、磁束によって発熱しうる異物の有無を判定する検知部を備える検知装置が提案されていた。

特開２０１３−１９２３９０号公報

しかしながら、特許文献１に開示される技術では、共振用コンデンサが接続されて所定の周波数で共振する複数の検知コイル（磁気結合素子）を、金属異物を検知できない不感帯が解消されるように隙間なく配置しているため、それぞれの検知コイル（磁気結合素子）の共振周波数が複数存在してしまい、測定が困難となるとともに、それぞれの検出コイルのＱ値も著しく低下し、測定精度が低下してしまう。したがって、金属異物の検出精度が低いという問題があった。

そこで、本発明は係る問題に鑑みてなされたものであり、非接触にて電力を伝送する際の異物の検出精度を向上させたコイルユニットおよび異物の検出精度を向上させた異物検知装置を提供することを目的とする。

本発明に係るコイルユニットは、給電側から受電側への非接触電力伝送に用いられるコイルユニットであって、電力伝送用コイルと、異物検知装置と、を備え、前記異物検知装置は、共振コイルと共振キャパシタを有する複数の共振器と、複数の共振器を励磁させる励磁コイルと、を有し、複数の共振器は、少なくとも電力伝送用コイルが発生する磁束に鎖交する領域を覆うとともに、相互インダクタンスの影響が小さくなるように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、複数の共振器が、少なくとも電力伝送用コイルが発生する磁束に鎖交する領域を覆うとともに、相互インダクタンスの影響が小さくなるように配置されている。そのため、複数の共振器を金属検出エリアに隙間なく配置したとしても、それぞれの共振器が互いに影響を及ぼし合うことが抑制されるため、それぞれの共振器の共振周波数が複数発生することを抑制できるとともに、Ｑ値の低下を抑制することができる。その結果、非接触にて電力を伝送する際の異物の検出精度を向上させることができる。

本発明に係るコイルユニットは、給電側から受電側への非接触電力伝送に用いられるコイルユニットであって、電力伝送用コイルと、異物検知装置と、を備え、異物検知装置は、共振コイルと共振キャパシタを有する複数の共振器と、複数の共振器を励磁させる励磁コイルと、を有し、複数の共振器は、少なくとも電力伝送用コイルが発生する磁束に鎖交する領域を覆うように行列配置されるとともに、列方向または行方向に隣接配置される複数の共振器は、面直方向から見て互いに重なり合わず、且つ、励磁コイルとの距離がそれぞれ異なるように層状に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、複数の共振器が、少なくとも電力伝送用コイルが発生する磁束に鎖交する領域を覆うように行列配置されるとともに、列方向または行方向に隣接配置される複数の共振器は、面直方向から見て互いに重なり合わず、且つ、励磁コイルとの距離がそれぞれ異なるように層状に配置されている。そのため、複数の共振器を金属検出エリアに隙間なく配置したとしても、それぞれの共振器が互いに影響を及ぼし合うことが抑制されるため、それぞれの共振器の共振周波数が複数発生することを抑制できるとともに、Ｑ値の低下を抑制することができる。その結果、非接触にて電力を伝送する際の異物の検出精度を向上させることができる。

好ましくは、列方向または行方向に隣接配置される複数の共振器は、各共振器の共振コイルの軸が励磁コイルの軸に対して互いに反対方向に傾斜しているとよい。この場合、複数の共振器を金属検出エリアに隙間なく配置したとしても、それぞれの共振器が互いに影響を及ぼし合うことが一層抑制されるため、それぞれの共振器の共振周波数が複数発生することを確実に抑制できるとともに、Ｑ値の低下を一層抑制することができる。したがって、非接触にて電力を伝送する際の異物の検出精度を一層向上させることができる。

好ましくは、異物検知装置は、複数の検出コイルをさらに備え、複数の検出コイルは、それぞれ複数の共振器の各共振器と磁気結合するように配置されていると良い。この場合、Ｑ値の測定手段を複数の共振器に直接接続することなく、複数の共振器のＱ値を間接的に測定することが可能となるため、複数の共振器の共振周波数を変化させることなく、複数の共振器のＱ値の低下をより一層抑制することができる。

本発明に係る異物検知装置は、異物を検知するための異物検知装置であって、共振コイルと共振キャパシタを有する複数の共振器と、複数の共振器を励磁させる励磁コイルと、を備え、複数の共振器は、面内方向に行列配置されており、列方向または行方向に隣接配置される複数の共振器は、面直方向から見て互いに重なり合わず、且つ、励磁コイルとの距離がそれぞれ異なるように層状に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、複数の共振器が、面内方向に行列配置されており、列方向または行方向に隣接配置される複数の共振器は、面直方向から見て互いに重なり合わず、且つ、励磁コイルとの距離がそれぞれ異なるように層状に配置されている。そのため、複数の共振器を金属検出エリアに隙間なく配置したとしても、それぞれの共振器が互いに影響を及ぼし合うことが抑制されるため、それぞれの共振器の共振周波数が複数発生することを抑制できるとともに、Ｑ値の低下を抑制することができる。その結果、異物の検出精度を向上させることができる。

本発明によれば、非接触にて電力を伝送する際の異物の検出精度を向上させたコイルユニットおよび異物の検出精度を向上させた異物検知装置を提供することができる。

本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットが適用される非接触電力伝送装置を負荷とともに示す概略図である。 本発明の第１実施形態に係る給電コイルユニットを上面から見た模式構成図である。 図２におけるＩ−Ｉ線に沿う給電コイルユニットの模式切断部端面図である。 図３に示した本発明の第１実施形態に係る給電コイルユニットの図２におけるＩ−Ｉ線に沿う模式切断部端面図に相当する、本発明の第２実施形態に係る給電コイルユニットの模式切断部端面図である。 本発明の第３実施形態に係る給電コイルユニットを上面から見た模式構成図である。 図５におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う給電コイルユニットの模式切断部端面図である。 本発明の第３実施形態に係る給電コイルユニットにおける信号発生器、異物検知装置、及び異物検知システムのシステム構成図である。 信号発生器が６０００〔ｋＨｚ〕の正弦波信号を出力しているときの複数の検出コイルおよび複数のＡＣ／ＤＣ変換器が出力する信号波形を示す波形図である。 信号発生器が６０００〔ｋＨｚ〕の正弦波信号を出力しているときの複数の検出コイルおよび複数のＡＣ／ＤＣ変換器が出力する信号波形を示す波形図である。

本発明を実施するための形態につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、説明において、同一要素または同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

まず、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットの説明をする前に、図１を参照して、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットが適用される非接触電力伝送装置Ｓ１の全体構成について説明する。図１は、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットが適用される非接触電力伝送装置を負荷とともに示す概略図である。なお、本発明に係るコイルユニットは、給電装置における給電コイルユニットおよび受電装置における受電コイルユニットのいずれにも適用可能であるが、以下の実施形態では本発明に係るコイルユニットを給電装置における給電コイルユニットに適用した例について説明する。

非接触電力伝送装置Ｓ１は、図１に示されるように、給電装置１００と、受電装置２００と、を有する。ここでは、非接触電力伝送装置Ｓ１を電気自動車などの移動体への給電設備に適用した例を用いて説明する。

給電装置１００は、電源ＶＧ、電力変換回路ＩＮＶ、給電コイルユニットＬ１００と、を有する。電源ＶＧは、後述する電力変換回路ＩＮＶに直流電力を供給する。電源ＶＧとしては、直流電力を出力するものであれば特に制限されず、商用交流電源を整流・平滑した直流電源、二次電池、太陽光発電した直流電源、あるいはスイッチングコンバータなどのスイッチング電源などが挙げられる。

電力変換回路ＩＮＶは、電源ＶＧから供給される入力直流電力を交流電力に変換して、後述する給電コイルユニットＬ１００に交流電圧を供給する。すなわち、電力変換回路ＩＮＶはインバータとして機能することとなる。電力変換回路ＩＮＶとしては、例えば図示しない複数のスイッチング素子がブリッジ接続されたスイッチング回路から構成される。このスイッチング回路を構成するスイッチング素子としては、例えばＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＢＧＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの素子が挙げられる。

給電コイルユニットＬ１００は、交流電力を後述する受電装置２００に非接触にて伝送する給電部としての機能を果たす。この給電コイルユニットＬ１００は地中または地面近傍に配設されることとなる。なお、給電コイルユニットＬ１００の具体的な構成については後述する。

受電装置２００は、受電コイルＬ２と、整流回路ＲＥＣと、を有する。本実施形態のように、非接触電力伝送装置Ｓ１を電気自動車などの移動体への給電設備に適用する場合、受電装置２００は移動体に搭載される。ここで、受電装置２００が搭載される移動体としては、二次電池の電力を利用する電気自動車やハイブリッド自動車が挙げられる。

受電コイルＬ２は、給電コイルユニットＬ１００から給電された交流電力を非接触にて受電する受電部としての機能を果たす。この受電コイルＬ２は電気自動車の車両下部に搭載されることとなる。

整流回路ＲＥＣは、受電コイルＬ２が受電した交流電力を直流電力に整流して負荷Ｒに出力する。整流回路ＲＥＣは、例えば図示しないブリッジダイオードと平滑用キャパシタで構成される。ブリッジダイオードにより、受電コイルＬ２から出力された交流電圧は全波整流され、さらに、平滑用キャパシタにより、全波整流された電圧が平滑化される。ここで、負荷Ｒとしては、非接触電力伝送装置Ｓ１を電気自動車などの移動体への給電設備に適用した場合、移動体に搭載される充電器（図示しない）とバッテリー（図示しない）から構成される。充電器は、整流回路ＲＥＣにより整流された直流電力をバッテリーに対して定電流定電圧充電（ＣＣＣＶ充電）を行うように充電を制御する機能を果たし、バッテリーとしては、電力を蓄える機能を有していれば特に制限されず、例えば二次電池（リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケル水素電池など）や容量素子（電気二重層キャパシタなど）が挙げられる。

このような構成を備えることにより、給電装置１００の給電コイルユニットＬ１００から受電装置２００の受電コイルＬ２に非接触にて電力が伝送される非接触電力伝送装置Ｓ１が実現される。

（第１実施形態）
次に、図２および図３を参照して、本発明の好適な第１実施形態に係る給電コイルユニットＬ１００の構成について詳細に説明する。図２は、本発明の第１実施形態に係る給電コイルユニットを上面から見た模式構成図である。図３は、図２におけるＩ−Ｉ線に沿う給電コイルユニットの模式切断部端面図である。

給電コイルユニットＬ１００は、図２に示されるように、給電コイルＬ１（電力伝送用コイル）と、異物検知装置Ｄ１００と、信号発生器ＳＧと、周波数特性分析器Ａ１００と、を有する。

給電コイルＬ１は、図２に示されるように、略正方形を呈しており、例えばφ０．１（ｍｍ）の絶縁された銅線を２千本程度撚り合わせたリッツ線を数ターンから数十ターン程度巻回されて構成されている。すなわち、給電コイルＬ１は、平面状に形成されたいわゆるスパイラル構造のコイルである。この給電コイルＬ１の巻線始端の端子Ａと巻線終端の端子Ｂは、電力変換回路ＩＮＶに接続される。このような構成により、給電コイルＬ１は、電力変換回路ＩＮＶから所定の駆動周波数の交流電圧が供給されると、交流電流が流れて交流磁界を発生させる。そして、この交流磁界により受電コイルＬ２に起電力が発生する。つまり、給電コイルＬ１は、受電コイルＬ２に非接触で電力を伝送する給電コイルとしての役割を果たすこととなる。このとき、給電コイルＬ１に供給される交流電圧の駆動周波数は例えば２０〔ｋＨｚ〕〜２００〔ｋＨｚ〕に設定される。

異物検知装置Ｄ１００は、図３に示されるように、給電コイルＬ１の受電コイルＬ２と対向する面側に配置されている。すなわち、異物検知装置Ｄ１００は、給電コイルＬ１（給電側）と受電コイルＬ２（受電側）との間に配置されることとなる。この異物検知装置Ｄ１００は、例えば銅張の多層基板から構成され、複数の共振器Ｒ１と、励磁コイルＥ１と、を有する。

複数の共振器Ｒ１は、少なくとも給電コイルＬ１が発生する磁束に鎖交する領域を覆うように行列配置されている。言い換えれば、複数の共振器Ｒ１は、図２に示されるように、面内方向に行列配置されている。より具体的には、給電コイルＬ１の巻線によって区画される領域を覆うように配置されており、本実施形態では、３６個の共振器Ｒ１が６行×６列に配置されている。すなわち、複数の共振器Ｒ１が配設される領域が金属検出エリアとなる。複数の共振器Ｒ１は、それぞれ共振コイルＭ１と共振キャパシタＣ１から構成されている。共振コイルＭ１は、図２に示されるように、略正方形を呈しており、例えば銅張の多層基板の給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との対向方向における受電コイルＬ２側の層に４ターンのコイルパターンを印刷して形成される。共振キャパシタＣ１は、共振コイルＭ１と直列接続されて共振回路を形成する。共振キャパシタＣ１としては、例えば積層セラミックコンデンサが挙げられ、静電容量は数百〜数千〔ｐＦ〕に設定されている。なお、φ１０ｍｍ程度のコインなどの極めて微小な金属異物を検出したい場合は、各共振器Ｒ１の大きさは１０ｍｍ×１０ｍｍの略正方形にすればよい。また、複数の共振器Ｒ１は、給電コイルＬ１の巻線によって区画される領域よりも広い領域を覆うように行列配置されていてもよい。この場合、給電コイルＬ１上だけでなく、その周囲に混入した異物も検出することが可能となる。いずれにしても、複数の共振器Ｒ１が行列配置される領域は、少なくとも給電コイルＬ１が発生する磁束に鎖交する領域を覆っていれば任意に設定できる。

上述のような構成を備える複数の共振器Ｒ１は、層状に配置されている。本実施形態では、複数の共振器Ｒ１は、２層構造となっている。具体的には、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との対向方向における受電コイルＬ２側に複数の共振器Ｒ１Ｕが配置され、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との対向方向における給電コイルＬ１側に複数の共振器Ｒ１Ｄが配置されている。これら複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄは、図２に示されるように、給電コイルＬ１から受電コイルＬ２に向かう方向から見て、列方向および行方向に交互に配置されるとともに、互いに重なり合わないように配置されている。言い換えると、共振器Ｒ１Ｕに対して行方向および列方向に共振器Ｒ１Ｄが隣接して配置される。すなわち、列方向および行方向に隣接配置される複数の共振器Ｒ１Ｕと複数の共振器Ｒ１Ｄは、後述する励磁コイルＥ１との距離がそれぞれ異なっている。このように配置することにより、複数の共振器Ｒ１Ｕと複数の共振器Ｒ１Ｄは、相互インダクタンスの影響が小さくなっている。なお、金属検出エリアの全ての領域において、列方向および行方向に隣接配置される複数の共振器Ｒ１が面直方向から見て互いに重なり合わず、且つ、後述する励磁コイルＥ１との距離がそれぞれ異なっていることが好ましいが、本発明の効果が奏される限りにおいて、金属検出エリアの一部の領域において、列方向または行方向に隣接配置される複数の共振器Ｒ１が面直方向から見て互いに重なり合っていてもよく、後述する励磁コイルＥ１との距離がそれぞれ略等しくなるように配置されていてもよい。

また、複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄは、各共振器の共振コイルＭ１のインダクタンスは全て同一であり、各共振器の共振キャパシタＣ１の静電容量も全て同一である。したがって、複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄの共振周波数ｆｒは全て同一となる。本実施形態では、複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄの共振周波数ｆｒは、例えばｆｒ＝６０００［ｋＨｚ］に設定される。言い換えると、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との対向方向から見て行方向および列方向に隣接配置される複数の共振器Ｒ１Ｕと複数の共振器Ｒ１Ｄは、全て同一の共振周波数ｆｒを有する。ここで、行方向および列方向に隣り合うように同一の共振周波数を有する共振器を同一層に配置すると、隣り合う各共振器の共振コイル同士が相互に磁気的に結合されることから、相互インダクタンスが変化してしまい、複数の共振周波数が発生する。また、同時に各共振器の共振コイルのＱ値が著しく低下してしまうという問題が生じる。これに対して、本実施形態では、行方向および列方向に隣り合う複数の共振器Ｒ１Ｕと複数の共振器Ｒ１Ｄが相互インダクタンスの影響が小さくなる位置に配置されている。そのため、行方向および列方向に隣り合う複数の共振器Ｒ１Ｕと複数の共振器Ｒ１Ｄの全ての共振器が互いの影響を受けることなく、相互インダクタンスの変化が抑制される。また、同時に共振器Ｒ１Ｕの共振コイルＭ１のＱ値と共振器Ｒ１Ｄの共振コイルＭ１のＱ値の低下も抑制される。なお、金属検出エリアの全ての領域において、列方向および行方向に隣接配置される複数の共振器Ｒ１Ｕと複数の共振器Ｒ１Ｄが、相互インダクタンスの影響が小さくなる位置に配置されていることが好ましいが、本発明の効果が奏される限りにおいて、金属検出エリアの一部の領域において、列方向または行方向に隣接配置される複数の共振器Ｒ１Ｕと複数の共振器Ｒ１Ｄが、相互インダクタンスの影響を及ぼし合う位置に配置されていてもよい。

励磁コイルＥ１は、図２に示されるように、略正方形を呈しており、例えば銅張の多層基板の給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との対向方向における給電コイルＬ１側の層に３ターンのコイルパターンを印刷して形成される。この励磁コイルＥ１のコイルパターンは、給電コイルＬ１の巻線によって区画される領域の外側に位置するように形成されている。また、励磁コイルＥ１のコイルパターンの始端である端子Ｃとコイルパターンの終端である端子Ｄは、後述する信号発生器ＳＧに接続される。このような構成により、励磁コイルＥ１は、信号発生器ＳＧが出力する正弦波信号を受けて励磁されて磁界を発生させる。そして、励磁コイルＥ１が発生させる磁界により複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄの共振コイルＭ１が励磁される。

信号発生器ＳＧは、単一周波数の正弦波信号を連続的に励磁コイルＥ１に供給している。単一の正弦波信号の周波数は、複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄの共振周波数ｆｒと同じ周波数に設定されている。つまり、本実施形態では、信号発生器ＳＧが出力する正弦波信号の周波数は６０００〔ｋＨｚ〕に設定される。上述したように、信号発生器ＳＧが出力する正弦波信号を受けて励磁コイルＥ１が励磁されて磁界が発生し、この磁界によって複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄの共振コイルＭ１に起電力が発生して電流が流れる。このとき、複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄは、上述したように共振周波数が６０００〔ｋＨｚ〕に設定されているため、信号発生器ＳＧが６０００〔ｋＨｚ〕の正弦波信号を出力しているときに共振状態となり、共振電流が流れる。このように、信号発生器ＳＧが励磁コイルＥ１を励磁させる単一の正弦波信号の周波数は、給電コイルＬ１の駆動周波数とは桁違いに高い周波数に設定されている。言い換えると、励磁コイルＥ１を励磁させる信号発生器ＳＧが出力する単一の正弦波信号の周波数は、給電コイルＬ１を励磁しない周波数帯域に設定されている。

ここで、給電コイルＬ１の駆動周波数と励磁コイルＥ１を励磁させる信号発生器ＳＧが出力する単一の正弦波信号の周波数が近い値の場合、給電コイルＬ１が発生する電力伝送用の非常に強い磁界によって複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄの共振コイルＭ１が励磁されてしまい、複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄに大電流が流れ破損する虞がある。一方、本実施形態では、励磁コイルＥ１を励磁させる信号発生器ＳＧが出力する単一の正弦波信号の周波数は、給電コイルＬ１の駆動周波数に対して桁違いに高い周波数、すなわち給電コイルＬ１が励磁しない周波数帯域に設定されているため、複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄは、給電コイルＬ１が発生する電力伝送用の非常に強い磁界に対してインピーダンスが高いがために電流は流れず、励磁コイルＥ１を励磁させる信号発生器ＳＧが出力する単一の正弦波信号の周波数にのみ同調して励磁されて電流が流れることとなる。したがって、複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄに大電流が流れることによる破損を防止することができる。なお、本実施形態では、励磁コイルＥ１を励磁させる信号発生器ＳＧが出力する単一の正弦波信号の周波数は、給電コイルＬ１の駆動周波数より桁違いに高い周波数に設定しているが、これに限られず給電コイルＬ１の駆動周波数より桁違いに低い周波数に設定してもよい。いずれにしても、励磁コイルＥ１を励磁させる信号発生器ＳＧが出力する単一の正弦波信号の周波数は、給電コイルＬ１を励磁しない周波数帯域に設定されていればよい。

周波数特性分析器Ａ１００は、複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄの共振キャパシタＣ１の両端子に接続されている。この周波数特性分析器Ａ１００を用いれば、複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄのインピーダンス値とＱ値が測定される。本実施形態では、この周波数特性分析器Ａ１００を用いて金属異物の検出を行っている。具体的には、金属異物が混入していない場合の複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄの共振周波数におけるインピーダンス値とＱ値を記憶しておき、周波数特性分析器Ａ１００により測定したインピーダンス値とＱ値とを比較して、その変化により金属異物の有無を判定することが可能となる。より具体的には、金属異物が混入すると、周波数特性分析器Ａ１００により測定したインピーダンス値は上昇し、Ｑ値は低下するため、予め金属異物が混入していないと判断できる閾値をインピーダンス値とＱ値に対してそれぞれ設定しておき、閾値の超過の有無により金属異物の有無を判定すればよい。このように、周波数特性分析器Ａ１００を用いて、複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄの電気的特性であるインピーダンス値とＱ値を観測すれば容易に金属異物の検出が可能となる。

以上のように、本実施形態に係る給電コイルユニットＬ１００は、複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄが、少なくとも給電コイルＬ１が発生する磁束に鎖交する領域を覆うとともに、相互インダクタンスの影響が小さくなるように配置されている。そのため、複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄを金属検出エリアに隙間なく配置したとしても、それぞれの共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄが互いに影響を及ぼし合うことが抑制されるため、それぞれの共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄの共振周波数が複数発生することを抑制できるとともに、Ｑ値の低下を抑制することができる。その結果、非接触にて電力を伝送する際の異物の検出精度を向上させることができる。

また、本実施形態に係る給電コイルユニットＬ１００は、複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄが、少なくとも給電コイルＬ１が発生する磁束に鎖交する領域を覆うように行列配置されるとともに、列方向または行方向に隣接配置される複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄは、面直方向から見て互いに重なり合わず、且つ、励磁コイルＥ１との距離がそれぞれ異なるように層状に配置されている。そのため、複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄを金属検出エリアに隙間なく配置したとしても、それぞれの共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄが互いに影響を及ぼし合うことが抑制されるため、それぞれの共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄの共振周波数が複数発生することを抑制できるとともに、Ｑ値の低下を抑制することができる。その結果、非接触にて電力を伝送する際の異物の検出精度を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態に係る給電コイルユニットＬ２００の構成について詳細に説明する。図４は、図３に示した本発明の第１実施形態に係る給電コイルユニットの図２におけるＩ−Ｉ線に沿う模式切断部端面図に相当する、本発明の第２実施形態に係る給電コイルユニットの模式切断部端面図である。

給電コイルユニットＬ２００は、第１実施形態に係る給電コイルユニットＬ１００と同様に、給電コイルＬ１と、異物検知装置Ｄ２００と、信号発生器ＳＧと、周波数特性分析器Ａ１００と、を有する。給電コイルＬ１、信号発生器ＳＧ、周波数特性分析器Ａ１００の構成は、第１実施形態に係る給電コイルユニットＬ１００と同様である。本実施形態では、異物検知装置Ｄ２００の複数の共振器Ｒ２の共振コイルＭ１の構成が第１実施形態と相違する。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

異物検知装置Ｄ２００は、図４に示されるように、給電コイルＬ１の受電コイルＬ２と対向する面側に配置されている。すなわち、異物検知装置Ｄ２００は、給電コイルＬ１（給電側）と受電コイルＬ２（受電側）との間に配置されることとなる。この異物検知装置Ｄ２００は、例えば銅張の多層基板から構成され、複数の共振器Ｒ２と、励磁コイルＥ１と、を有する。

複数の共振器Ｒ２は、少なくとも給電コイルＬ１が発生する磁束に鎖交する領域を覆うように行列配置されている。言い換えれば、複数の共振器Ｒ２は、面内方向に行列配置されている。また、複数の共振器Ｒ２は、層状に配置されている。本実施形態では、複数の共振器Ｒ２は、２層構造となっている。具体的には、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との対向方向における受電コイルＬ２側に複数の共振器Ｒ２Ｕが配置され、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との対向方向における給電コイルＬ１側に複数の共振器Ｒ２Ｄが配置されている。複数の共振器Ｒ２Ｕ，Ｒ２Ｄは、第１実施形態に係る給電コイルユニットＬ１００と同様に、列方向および行方向に隣接配置される複数の共振器Ｒ２Ｕと複数の共振器Ｒ２Ｄは、励磁コイルＥ１との距離がそれぞれ異なっている。これら複数の共振器Ｒ２Ｕ，Ｒ２Ｄは、それぞれ共振コイルＭ１と共振キャパシタＣ１から構成されている。本実施形態では、複数の共振器Ｒ２Ｕ，Ｒ２Ｄの各共振器の共振コイルＭ１の軸が励磁コイルＥ１の軸に対して傾斜している。この点に関して、図４を参照して詳細に説明する。なお、第１実施形態と同様に、複数の共振器Ｒ２は、給電コイルＬ１の巻線によって区画される領域よりも広い領域を覆うように行列配置されていてもよい。この場合、給電コイルＬ１上だけでなく、その周囲に混入した異物も検出することが可能となる。いずれにしても、複数の共振器Ｒ２が行列配置される領域は、少なくとも給電コイルＬ１が発生する磁束に鎖交する領域を覆っていれば任意に設定できる。また、金属検出エリアの全ての領域において、列方向および行方向に隣接配置される複数の共振器Ｒ２が面直方向から見て互いに重なり合わず、且つ、励磁コイルＥ１との距離がそれぞれ異なっていることが好ましいが、本発明の効果が奏される限りにおいて、金属検出エリアの一部の領域において、列方向または行方向に隣接配置される複数の共振器Ｒ２が面直方向から見て互いに重なり合っていてもよく、励磁コイルＥ１との距離がそれぞれ略等しくなるように配置されていてもよい。

複数の共振器Ｒ２Ｕは、図４に示されるように、各共振器の共振コイルＭ１の軸が励磁コイルＥ１の軸に対して図示左側に傾斜している。一方、複数の共振器Ｒ２Ｄは、図４に示されるように、各共振器の共振コイルＭ１の軸が励磁コイルＥ１の軸に対して図示右側に傾斜している。つまり、列方向および行方向に隣接配置される複数の共振器Ｒ２Ｕと複数の共振器Ｒ２Ｄは、各共振器の共振コイルＭ１の軸が励磁コイルＥ１の軸に対して互いに反対方向に傾斜していることとなる。つまり、列方向および行方向に隣接配置される共振器Ｒ２Ｕと共振器Ｒ２Ｄの磁気結合が弱まり、相互インダクタンスの変化が抑制され、共振周波数が複数発生することを確実に抑制することができる。また、同時に共振器Ｒ２Ｕの共振コイルＭ１のＱ値と共振器Ｒ２Ｄの共振コイルＭ１のＱ値の低下も抑制される。

以上のように、本実施形態に係る給電コイルユニットＬ２００は、列方向または行方向に隣接配置される複数の共振器Ｒ２Ｕ，Ｒ２Ｄが各共振器の共振コイルＭ１の軸が励磁コイルＥ１の軸に対して互いに反対方向に傾斜している。そのため、複数の共振器Ｒ２Ｕ，Ｒ２Ｄを金属検出エリアに隙間なく配置したとしても、それぞれの共振器Ｒ２Ｕ，Ｒ２Ｄが互いに影響を及ぼし合うことが一層抑制されるため、それぞれの共振器Ｒ２Ｕ，Ｒ２Ｄの共振周波数が複数発生することを確実に抑制できるとともに、Ｑ値の低下を一層抑制することができる。したがって、非接触にて電力を伝送する際の異物の検出精度を一層向上させることができる。

（第３実施形態）
次に、図５〜図７を参照して、本発明の第３実施形態に係る給電コイルユニットＬ３００の構成について詳細に説明する。図５は、本発明の第３実施形態に係る給電コイルユニットを上面から見た模式構成図である。図６は、図５におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う給電コイルユニットの模式切断部端面図である。図７は、本発明の第３実施形態に係る給電コイルユニットにおける信号発生器、異物検知装置、及び異物検知システムのシステム構成図である。

給電コイルユニットＬ３００は、第１実施形態に係る給電コイルユニットＬ１００と同様に、給電コイルＬ１と、異物検知装置Ｄ３００と、信号発生器ＳＧと、異物検知システムＳ１００と、を有する。給電コイルＬ１、信号発生器ＳＧの構成は、第１実施形態に係る給電コイルユニットＬ１００と同様である。本実施形態では、異物検知装置Ｄ３００が複数の検出コイルＫ１を備えている点、および、周波数特性分析器Ａ１００の代わりに異物検知システムＳ１００を備えている点において第１実施形態と相違する。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

異物検知装置Ｄ３００は、図６に示されるように、給電コイルＬ１の受電コイルＬ２と対向する面側に配置されている。すなわち、異物検知装置Ｄ３００は、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間に配置されることとなる。この異物検知装置Ｄ３００は、例えば銅張の多層基板から構成され、複数の共振器Ｒ１と、励磁コイルＥ１と、複数の検出コイルＫ１と、を有する。複数の共振器Ｒ１、励磁コイルＥ１の構成は、第１実施形態に係る給電コイルユニットＬ１００と同様である。

複数の検出コイルＫ１は、図５に示されるように、それぞれ略正方形を呈しており、例えば銅張の多層基板の給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との対向方向における複数の共振器Ｒ１の共振コイルＭ１が形成される層と励磁コイルＥ１が形成される層の間の層に４ターンのコイルパターンを印刷して形成される。この複数の検出コイルＫ１の各コイルパターンは、複数の共振器Ｒ１の各共振器と電磁結合（磁気結合）するように行列配置されている。すなわち、複数の検出コイルＫ１の各コイルパターンは、複数の共振器Ｒ１の各共振コイルＭ１と互いに向かい合っている。また、複数の検出コイルＫ１の各コイルパターンの軸は、複数の共振器Ｒ１の各共振コイルＭ１の軸と一致していると電磁的に強く結合して好ましい。これら複数の検出コイルＫ１は、複数の共振器Ｒ１の各共振器と電磁結合しているため、励磁コイルＥ１によって励磁された共振器に交流電流が流れることにより、起電力が発生して交流電流が流れる。そして、複数の検出コイルＫ１から交流信号Ｖｋが後述する複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶに出力される。このとき、共振器Ｒ１Ｕに対向配置された検出コイルＫ１ａからは交流信号Ｖｋ１が出力され、共振器Ｒ１Ｄに対向配置された検出コイルＫ１ｂからは交流信号Ｖｋ２が出力される。

異物検知システムＳ１００は、図７に示されるように、複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶと、複数の比較回路ＣＰと、判定器Ｊ１と、表示器Ｈ１と、を有する。なお、本実施形態においては、２つの共振器Ｒ１Ｕと２つの共振器Ｒ１Ｄの場合について図示しているが、
複数の共振器Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄの数に応じて異物検知システムＳ１００が構成されていればよい。

複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶは、複数の検出コイルＫ１の各コイルの両端に接続されている。この複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶは、複数の検出コイルＫ１から出力される交流信号Ｖｋを直流信号Ｖｘに変換し、後述する複数の比較回路ＣＰに出力する。具体的には、複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶは、検出コイルＫ１ａに接続される複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶ１と検出コイルＫ１ｂに接続される複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶ２を有し、複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶ１によって交流信号Ｖｋ１は直流信号Ｖｘ１に変換され、複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶ２によって交流信号Ｖｋ２は直流信号Ｖｘ２に変換される。

複数の比較回路ＣＰのそれぞれは、図７に示されるように、コンパレータＣＯＭＰ１とダイオードＤ１から構成されている。コンパレータＣＯＭＰ１の反転入力端子には複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶの出力である直流信号Ｖｘが入力され、コンパレータＣＯＭＰ１の非反転入力端子には基準電圧Ｖｒｅｆが入力され、コンパレータＣＯＭＰ１の出力端子にはダイオードＤ１のアノード端子が接続されている。また、ダイオードＤ１のそれぞれのカソード端子は後述する判定器Ｊ１が接続されている。このような構成を備えた複数の比較回路ＣＰは、コンパレータＣＯＭＰ１の反転入力端子に入力された直流信号Ｖｘと非反転入力端子に入力された基準電圧Ｖｒｅｆとの大小関係を比較し、直流信号Ｖｘが基準電圧Ｖｒｅｆよりも高い場合はコンパレータＣＯＭＰ１の出力端子からＬｏｗレベルの信号がダイオードＤ１を介して後述する判定器Ｊ１に出力される。逆に、直流信号Ｖｘが基準電圧Ｖｒｅｆよりも低い場合はコンパレータＣＯＭＰ１の出力端子からＨｉｇｈレベルの信号がダイオードＤ１を介して後述する判定器Ｊ１に出力される。具体的には、複数の比較回路ＣＰは、複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶ１の出力である直流信号Ｖｘ１がコンパレータＣＯＭＰ１の反転入力端子に入力される複数の比較回路ＣＰ１と複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶ２の出力である直流信号Ｖｘ２がコンパレータＣＯＭＰ１の反転入力端子に入力される複数の比較回路ＣＰ２を有する。

判定器Ｊ１は、複数の比較回路ＣＰに接続されている。このように、判定器Ｊ１は、複数の比較回路ＣＰに共通して接続されているため、複数の比較回路ＣＰから出力される信号が全てＬｏｗレベルのときは、判定器Ｊ１にはＬｏｗレベルの信号が入力される。一方、複数の比較回路ＣＰから出力される信号のうち、いずれか１つがＨｉｇｈレベルの信号のとき、判定器Ｊ１にはＨｉｇｈレベルの信号が入力される。具体的には、判定器Ｊ１は、信号発生器ＳＧが６０００〔ｋＨｚ〕の正弦波信号を出力している期間においては、複数の比較回路ＣＰによる直流信号Ｖｘと基準電圧Ｖｒｅｆとの大小関係の比較結果である信号のレベルが全てＬｏｗレベルの場合は金属異物が混入していないと判定し、複数の比較回路ＣＰによる直流信号Ｖｘと基準電圧Ｖｒｅｆとの大小関係の比較結果である信号のレベルのいずれか１つがＨｉｇｈレベルの信号の場合は金属異物が混入していると判定する。このように判定器Ｊ１は、複数の比較回路ＣＰから出力される信号の波形を分析して、金属異物の有無を判定する。そして、判定器Ｊ１によって判定した結果（金属異物の有無）は、表示器Ｈ１に出力される。

表示器Ｈ１は、判定器Ｊ１に接続されている。この表示器Ｈ１は、判定器Ｊ１が判定した結果（金属異物の有無）をユーザーに認識させる機能を有している。例えば、表示器Ｈ１が図示しない緑色と赤色のランプを具備し、判定器Ｊ１によって判定した結果、金属異物が検知されないときには緑色のランプを点灯させ、判定器Ｊ１によって判定した結果、金属異物が検知されたときに赤色のランプを点灯させるようにすればよい。このように、表示器Ｈ１によってユーザーに金属異物の有無を知らせることで、ユーザーが非接触電力伝送装置Ｓ１の給電動作を制限（動作継続あるいは動作停止）させることが可能となる。なお、判定器Ｊ１ならびに表示器Ｈ１を用いずに金属異物の有無を判断する手段としては、複数の比較回路ＣＰがＬｏｗレベルの信号を出力しているときには、電力変換回路ＩＮＶの動作を継続させ、複数の比較回路ＣＰがＨｉｇｈレベルの信号を出力している場合には、電力変換回路ＩＮＶの動作を停止させるようにしてもよい。

ここで、図８および図９を参照して、本実施形態に係る給電コイルユニットＬ３００の異物検知システムＳ１００の信号波形に関して詳細に説明する。図８および図９は、信号発生器が６０００〔ｋＨｚ〕の正弦波信号を出力しているときの複数の検出コイルおよび複数のＡＣ／ＤＣ変換器が出力する信号波形を示す波形図である。ここでは、信号発生器ＳＧが６０００〔ｋＨｚ〕の正弦波信号を出力している期間の検出コイルＫ１ａおよび複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶ１が出力する信号波形について説明する。なお、検出コイルＫ１ｂおよび複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶ２が出力する信号波形は、検出コイルＫ１ａおよび複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶ１が出力する信号波形と同様のため、説明は省略する。

信号発生器ＳＧから６０００〔ｋＨｚ〕の正弦波信号が励磁コイルＥ１に供給されると、複数の共振器Ｒ１Ｕが共振状態となり共振電流が流れ、複数の共振器Ｒ１Ｕにそれぞれ対向配置された複数の検出コイルＫ１ａに起電力が発生して交流電流が流れる。複数の検出コイルＫ１ａからは交流信号Ｖｋ１が複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶ１に出力され、複数のＡＣ／ＤＣ変換器ＣＯＮＶ１によって直流信号Ｖｘ１に変換される。そして、複数の比較回路ＣＰ１は、コンパレータＣＯＭＰ１の反転入力端子に入力された直流信号Ｖｘ１と非反転入力端子に入力された基準電圧Ｖｒｅｆとの大小関係を比較する。ここで、金属異物が混入していないときは、図８に示されるように、直流信号Ｖｘ１が基準電圧Ｖｒｅｆよりも高くなるため、比較回路ＣＰ１からＬｏｗレベルの信号が出力される。一方、金属異物が混入したときは、複数の共振器Ｒ１Ｕの共振周波数が６０００〔ｋＨｚ〕よりも高くなり、また同時にＱ値が低下するために、図９に示されるように、直流信号Ｖｘ１が基準電圧Ｖｒｅｆよりも低くなるため、比較回路ＣＰ１からＨｉｇｈレベルの信号が出力される。

以上のように、本実施形態に係る給電コイルユニットＬ３００は、異物検知装置Ｄ３００は、複数の検出コイルＫ１をさらに備え、複数の検出コイルＫ１は、それぞれ複数の共振器Ｒ１の各共振器と磁気結合するように配置されていると良い。この場合、Ｑ値の測定手段を複数の共振器Ｒ１に直接接続することなく、複数の共振器Ｒ１のＱ値を間接的に測定することが可能となるため、複数の共振器Ｒ１の共振周波数を変化させることなく、複数の共振器Ｒ１のＱ値の低下をより一層抑制することができる。

なお、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、本実施形態では、異物検知装置を、給電側から受電側への非接触電力伝送に用いられるコイルユニットに適用した例を用いて説明したがこれに限られることなく、本発明に係る異物検知装置は、包装材で包まれた食品、医薬品、工業材料等に混入した金属異物の検出にも適用することが可能である。

地上側から駐車中の電気自動車に非接触で電力伝送を行い、２次電池を充電する電気自動車用非接触給電装置に装備する異物検知装置ならびに包装材で包まれた食品、医薬品、工業材料等に混入した金属異物を検出する異物検知装置に利用できる。

１００…給電装置、２００…受電装置、Ａ〜Ｄ…端子、Ａ１００…周波数特性分析器、Ｃ１…共振キャパシタ、ＣＯＭＰ１…コンパレータ、ＣＯＮＶ，ＣＯＮＶ１，ＣＯＮＶ２…複数のＡＣ／ＤＣ変換器、ＣＰ，ＣＰ１，ＣＰ２…複数の比較回路、Ｄ１…ダイオード、Ｄ１００，Ｄ２００，Ｄ３００…異物検知装置、Ｅ１…励磁コイル、Ｈ１…表示器、ＩＮＶ…電力変換回路、Ｊ１…判定器、Ｋ１，Ｋ１ａ，Ｋ１ｂ…複数の検出コイル、Ｌ１…給電コイル、Ｌ１００，Ｌ２００，Ｌ３００…給電コイルユニット、Ｌ２…受電コイル、Ｍ１…共振コイル、Ｒ１，Ｒ１Ｕ，Ｒ１Ｄ，Ｒ２，Ｒ２Ｕ，Ｒ２Ｄ…複数の共振器、ＲＥＣ…整流回路、Ｓ１…非接触電力伝送装置、Ｓ１００…異物検知システム、ＳＧ…信号発生器、ＶＧ…電源。

Claims (4)

1. 給電側から受電側への非接触電力伝送に用いられるコイルユニットであって、
   電力伝送用コイルと、
   異物検知装置と、を備え、
   前記異物検知装置は、共振コイルと共振キャパシタを有する複数の共振器と、前記複数の共振器を励磁させる励磁コイルと、を有し、
   前記複数の共振器は、少なくとも前記電力伝送用コイルが発生する磁束に鎖交する領域を覆うように行列配置されるとともに、
   列方向または行方向に隣接配置される前記複数の共振器は、給電側から受電側に向かう方向から見て互いに重なり合わず、且つ、前記励磁コイルとの距離がそれぞれ異なるように層状に配置されていることを特徴とするコイルユニット。
2. 列方向または行方向に隣接配置される前記複数の共振器は、各共振器の前記共振コイルの軸が前記励磁コイルの軸に対して互いに反対方向に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載のコイルユニット。
3. 前記異物検知装置は、複数の検出コイルをさらに備え、
   前記複数の検出コイルは、それぞれ前記複数の共振器の各共振器と磁気結合するように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のコイルユニット。
4. 給電装置と、
   受電装置と、を備え、
   前記給電装置および前記受電装置のいずれか一方が請求項１〜３のいずれか一項に記載のコイルユニットを備えることを特徴とする非接触電力伝送装置。
   

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