JP2020521131A - 異物検出器、異物検出システム、異物検出器の使用、および異物検出方法 - Google Patents

Abstract

外部磁場の影響を受けず、金属物質または誘電体物質の存在を判定できる異物検出器を提供する。この検出器は、第１部分と第２部分を有する導線を含む。第１部分は複数の垂直セグメントを有し、第２部分は複数の水平セグメントを有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば無線電力伝送システム用の異物検出の分野に関する。

無線電力伝送システムは、コイル間の直接的な物理的接触を必要とせずに、１次コイルから２次コイルに電力を伝送するために使用することができる。無線電力伝送システムは、充電ベースコイルから２次コイルに電力を伝送してバッテリなどの電気負荷を充電または給電するために使用することができる。

高い電力伝送速度が要求される場合には、１次コイルから２次コイルに強磁場が生じる。近傍の金属物体または誘電体は、熱の形でエネルギーを吸収することができる。特に、金属物体および生物などの誘電体が加熱される可能性がある。

したがって、特に動作中および電力伝送動作を開始する前に、無線電力伝送の近傍を監視する必要がある。

ＵＳ２０１３ ００６９４４１ Ａ１により、コイルを利用する監視システムが知られている。

他の解決策は、誘導センサーを切り替えて無線電力伝送システムの環境を監視することに基づくものである。

米国特許公開公報 ＵＳ２０１３ ００６９４４１ Ａ１

既知の解決策は全領域をカバーしていない。生物を検出することができない既知の解決策がある。特に強磁場が存在する場合、ノイズの影響を受けやすい既知の解決策もある。このようなシステムは、複雑なノイズフィルタリングを必要とし、干渉を受けて無線電力伝送システムを干渉する。

したがって、電磁信号の影響を受けない異物検出が望まれている。さらに、検出器は、金属物体および生物の近接を検知できる必要がある。この検出器は、無線電力伝送システムの磁場などの強磁場に適合するべきである。それに応じて、検出器は、電力伝送工程を干渉すべきではなく、その逆も同様である。検出器は、最小の誘導ノイズでクリア信号を提供する必要があり、また、この検出器は、サイズおよび形状の異なる複数の要監視領域
に適合するべきである。

そのために、本発明は、独立請求項に記載の異物検出器の使用、および金属異物または誘電体異物を検出する方法を提供する。従属請求項は、好ましい実施形態を提供する。

上記異物検出器は、第１部分と第２部分を有する導線を含む。さらに、この異物検出器は、第１ノード、第２ノード、および中間ノードを含む。第１部分は、第１ノードを中間ノードに電気的に接続し、３つ以上の複数の垂直セグメントを有する。第２部分は、中間ノードを第２ノードに電気的に接続し、３つ以上の複数の水平セグメントを有する。

第２ノードは、第１ノードの近傍に配置されてもよい。

このような導線は、好ましくは、矩形領域を覆うように使用することができる。しかしながら、平坦でない表面が平坦な表面のパッチによって局所的に近似され得る場合、本異物検出器の原理は、平坦でない表面を覆うために利用してもよい。

水平および垂直とは、対応する部分の相対的な方向を表す。異物検出器全体としての方向は限定されない。

第１ノードと第２ノードは、可能な限り短い距離で配置されることが好ましい。複数の水平セグメントと複数の垂直セグメントは、例えば矩形メッシュ要素または菱形メッシュ要素などのメッシュ要素を備えたメッシュ構造を構築する。メッシュ要素のサイズが現在の磁場の勾配の絶対値に比べて十分に小さい場合、異なるメッシュ要素からの信号に対する磁場の影響が互いに相殺され、異物検出器の全体の信号は主に現在の磁場に依存しない。したがって、本異物検出器は、外部磁場および変化する磁場の影響を受けない。

一方の第１ノードおよび第２ノードと他方の中間ノードとは、主に矩形の対角に配置される。

ノードは、ハードウェアノードであってもよく、等価回路図の仮想ノードであってもよい。そして、第１部分および第２部分は、単一導体の一部である。

第１部分の垂直セグメントの数および第２部分の水平セグメントの数は、奇数であってもよい。

しかしながら、第１部分の垂直セグメントの数および第２部分の水平セグメントの数は、偶数であってもよい。

垂直セグメントの数と水平セグメントの数は等しくてもよい。しかしながら、垂直セグメントの数と水平セグメントの数は異なってもよい。

さらに、第１部分の垂直セグメントおよび第２部分の水平セグメントは、蛇行パターンに配置されてもよい。

そして、第１部分と第２部分を有する導線は、メッシュ要素を備えたメッシュを構築し、導線の電気的挙動を評価することにより、このようなメッシュ近傍の金属物体、誘電体、および生物を検出することができる。

該導線は、さらに、垂直セグメントの間および水平セグメントの間に転回セグメントを含んでもよい。転回セグメントは、円形セグメントの形状（例えば、半円の形状）、２つの９０°転回の形状または４つの４５°転回の形状であってもよい。このような転回セグメントの巻数は０．５であり得る。

第１部分と第２部分は、交点において菱形のメッシュ要素を構築してもよい。したがって、導線の第１部分と第２部分との間で９０°交差からのずれが可能である。

したがって、該導線は、円柱の側面部分または円錐の側面部分の矩形形状であるメッシュを構築してもよい。

１つのメッシュまたは複数の対応するメッシュを利用して、無線電力伝送システムの一次部分または無線電力伝送システムの二次部分の感度領域を覆うことができる。

そのために、異物検出器は、さらに、それぞれが追加メッシュを構築する１つまたは複数の追加導線を含んでもよい。

さらに、異物検出器は駆動回路を含んでもよい。１つまたは複数の導線は、単一または複数のインピーダンス素子を構築する。駆動回路は、共振の有無にかかわらず、１つのインピーダンス素子または複数のインピーダンス素子を励起するために設けられる。

導線および駆動回路を含む共振回路の可能な共振周波数は、キロヘルツからギガヘルツまでの範囲であってよく、例えば１００ｋＨｚ〜１００ＧＨｚである。

さらに、数百キロヘルツの範囲内のより低い共振周波数と数ギガヘルツ程度のより高い共振周波数との間で共振周波数が変化する１つまたは複数の駆動回路が設けられてもよい。

当該回路は、励起周波数に応じて誘導性挙動および容量性の挙動を示すことができる。

上述した導線の配線トポロジーにより、金属物体または誘電体物質の存在の検出が可能になることが明らかになった。

１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの中間周波数範囲において導線をインピーダンス素子として駆動してもよい。そして、この導線は、誘導性感知素子および容量性感知素子の特性を示し、金属物体と誘電体の両方について異物検出器の環境を探索することができる。

異物検出器は、さらに評価回路を含んでもよい。この評価回路は、導線のパラメータの変化を検出するために設けられる。パラメータは、導線のインピーダンス、信号の振幅、信号の共振周波数、および周波数の変化から選択することができる。

信号は、導線を励起するために利用される駆動回路の信号であってもよい。

評価回路は、導線の近傍の金属物質と誘電体物質とを区別することができる。

このような異物検出器は、無線電力伝送（ＷＰＴ）システム近傍の金属異物または誘電体異物を検出するために使用することができる。

ＷＰＴシステムの操作前、操作中および／または操作後に、異物検出器を使用することができる。

上述した異物検出器を使用する金属異物または誘電体異物を検出する方法は、
ＡＣ信号（ＡＣ＝交流電流）によって導線を励起するステップと、
導線のインピーダンス、ＡＣ信号の振幅、およびＡＣ信号の共振周波数から選択されるパラメータを監視するステップと、
監視されるパラメータの変化を検出するステップとを含む。

したがって、導線の容量性挙動は誘電体の存在を示し、導線の誘導性挙動は金属物体の存在を示すことが可能である。

異物検出システムにおいて異物検出器を一体化することができる。この異物検出システムは、異物検出器のほか、さらなる部品を含んでもよい。

異物検出器は、配線トポロジーの上述した可能性による実施形態に基づくものである。このトポロジーの可能性により、外部電磁場に対する耐性が得られ、ＷＰＴシステムの１次コイルまたは２次コイルの周囲全体の領域が覆われることが可能となる。

メッシュのサイズおよびメッシュ要素のサイズは、主にゼロと外部電磁場との結合が得られるように選択することができる。これは、メッシュ要素のサイズが磁場の不均一性の大きさに比べて十分に小さい場合に得られる。そのため、評価回路に印加された信号にノイズが実質的に存在せず、異物検出器は、例えば無線電力伝送システムなどの周囲回路素子の動作に影響を与えない。その結果、異物検出器は、ＷＰＴシステムの動作中に加熱されない。

導線の駆動に必要な電力は数ミリワットと小さくてもよい。異物検出器の感度は、導線の駆動に使用されるＡＣ信号の電力を選択することによって選択可能である。さらに、共振部材と共に、または共振部材なしで、電気的に直列または並列接続された上述した２本の導線によって、１つのパッチ例えば矩形パッチを覆うことができる。

１つのメッシュを有するパッチのサイズまたはメッシュの１つの素子のサイズは、原則としてナノメートルからキロメートルまでの非常に広い範囲にあってよい。１つのパッチの好ましいサイズは１０×１０ｃｍの範囲にあってもよい。メッシュ要素のサイズは、１×１ｍｍ^２〜１×１ｃｍ^２の範囲にあってもよい。

好ましいメッシュ要素の数は、２×２（３本の水平セグメントおよび３本の垂直セグメントの場合）〜２０×２０（２１本の水平セグメントおよび２１本の垂直セグメントの場合）であってもよい。

１つのメッシュ用の導線または複数のメッシュ用の複数の導線は、固体またはフレキシブルＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ、プリント回路基板）に実装可能である。該導線は、また、電力伝送システムの接地組立体のカバーに埋め込むこともできる。

導線、駆動回路、および評価回路は、ＷＰＴシステムの１次コイルの回路および２次コイルの回路から直流的に絶縁されてもよい。

パッチは約１×１ｍのサイズであってもよい。メッシュ要素は１．５×１．５ｃｍのサイズであってもよい。駆動回路は、振幅が１１Ｖの信号をメッシュの導線に印加することができる。そして、メッシュ近傍の人の手の存在が、１１Ｖから９．５２Ｖまでの比較的大きな振幅低下として観察できる。同時に、６０ｋＨｚの周波数変化（１４．９８ＭＨｚから１５．０４ＭＨｚまで）も観察できる。

好ましい実施形態の作動原理と詳細は添付の概略図に記載されている。

図１は、導線の可能なトポロジーを示す図である。 図２は、導線の第１部分の可能なトポロジーを示す図である。 図３は、導線の第２部分の可能な実施形態を示す図である。 図４は、外部磁場の影響を受けない検出器の作動原理および説明を例示する図である。 図５は、８×８素子の実施形態を示す図である。 図６は、１つのパッチの面積がより小さい実施形態を示す図である。 図７は、同じパッチを覆って感度を上げる３つのメッシュを例示する図である。 図８は、マトリックス配置において９つの導線を配置する可能性を示す図である。 図９は、パッチのサイズは同じであるが、要素のサイズが異なるメッシュを有するパッチを組み合わせる可能性を示す図である。 図１０は、矩形パッチと組み合わせた正方形パッチを示す図である。 図１１は、ＷＰＴシステムの１次コイルの上の平面において矩形の異物検出器を配置する可能性を示す図である。 図１２は、さらなるパッチを加えて１次コイルの周囲のさらなる領域を覆う可能性を示す図である。 図１３は、異なるトポロジーを覆う可能性を例示する図である。 図１４は、偶数のセグメントの可能性を例示する図である。 図１５は、９０°の角度からずれる可能性を例示する図である。 図１６は、転回セグメントの異なる可能性を例示する第１の図である。 図１７は、転回セグメントの異なる可能性を例示する第２の図である。 図１８は、転回セグメントの異なる可能性を例示する第３の図である。

図１は、異物検出器ＦＯＤの導線ＣＷの可能な配置を示す。異物検出器ＦＯＤは、第１ノードＮ１および第２ノードＮ２を有する。導線は、第１ノードＮ１を中間ノードＮＩに電気的に接続する第１セグメントを有する。第２部分は、中間ノードＮＩを第２ノードＮ２に電気的に接続する。第２ノードは第１ノードＮ１の近傍に配置されることが好ましい。そして、ｎ×ｍのメッシュ要素のマトリックス配置が得られる。メッシュに覆われるパッチの形状は実質的に矩形としてもよい。一方の第１ノードＮ１および第２ノードＮ２と、他方の中間ノードＮＩとは、矩形の対角端に配置される。メッシュの列数ｎと行数ｍは偶数であってもよい。そして、垂直セグメントの数はｎ＋１であり、水平セグメントの数はｍ＋１である。

図２は、導線ＣＷの第１部分の可能な形状を例示する。第１部分は、転回セグメントＴＳを介して互いに電気的に接続される垂直セグメントＶＳを有する。

図３は、導線ＣＷの対応する第２部分を示す。第２部分は、転回セグメントＴＳによって互いに電気的に接続される水平セグメントＨＳを有する。

図２に示す導線の第１部分および図３に示す導線の第２部分は上下に配置され、第２ノードＮ２が第１ノードＮ１の位置に近い位置となるように、中間ノードＮＩによって互いに接続されている。そして、図１のメッシュ構造が得られる。

図４は、作動原理および外部磁場との相互作用を示す。

ＡＣ信号またはＲＦ信号が第１ノードＮ１と第２ノードＮ２を含むポートに印加される場合、図４は、３×３のメッシュ要素のそれぞれについての誘導磁場の方向（円形矢印）を示す。メッシュ要素の特異な配線素子の全体の磁場に対する影響が互いに相殺されるメッシュ要素（矢印がない）がある。さらに、メッシュ要素の全体の磁場に対する４つの影響がすべて合計されるメッシュ要素（上矢印または下矢印で示される）がある。上向きの磁場を有する１つのメッシュ要素につき、下向きの磁場を有する１つのメッシュ要素がある。したがって、外部磁場による誘導コストに起因する相互作用は合計するとゼロになる。しかしながら、金属物体または誘電体をパッチに近づけた場合に、パッチのインピーダンスが局所的に変化し、ポートに印加されたＡＣ信号またはＲＦ信号のパラメータの変化を監視することができる。

図５は、メッシュ要素のサイズを大きくして大型のパッチを得る可能性を示す。

図６は、メッシュ要素のサイズを縮小して小型のパッチを得る可能性を示す。

覆われる領域のサイズに応じてパッチのサイズを選択することができる。磁場の均一性に応じて対応するメッシュ要素のサイズを選択することができる。

図７は、単一パッチ内に３つのメッシュを配置し、メッシュの配線を電気的に直列に接続する可能性を示す。

図８は、マトリックス配置において複数のパッチに複数のメッシュを隣接して配置し、より大きな領域を覆う可能性を示す。メッシュの導線を電気的に直列もしくは並列接続することができ、または専用の駆動回路および評価回路をそれぞれのメッシュに提供することができる。

図９は、パッチのサイズは同じであるが、メッシュ要素サイズの異なる、異なるメッシュを持つパッチを配置する可能性を例示する。

図１０は、正方形形状に制限されないメッシュおよびパッチを設ける可能性を例示する。正方形パッチと矩形パッチを組み合わせることができる。

図１１は、無線電力伝送システムＷＰＴの１次コイルＰＣにわたってメッシュＭを構築する導線ＣＷの可能な配置を示す。無線電力伝送システムの電源を入れる前または無線電力伝送システムの動作中に、異物検出器のメッシュは、無線電力伝送システムの近傍に不要な金属物質および／または誘電体物質がないかどうかを確認するために利用できる。

図１２は、１次コイルＰＣの周囲にメッシュＭをさらに追加する可能性を例示する。異物検出器のメッシュは、例えば無線電力伝送システムＷＰＴＳの１次コイルＰＣの周囲の直方体の前後側、左右側、および上側などの部位表面の位置に配置可能である。

図１３は、矩形の表面に限定されないさらなる面を覆う可能性を例示する。円柱の上面Ｓ１（円盤状である）および側面Ｓ２は、複数の小さな矩形形状で非矩形形状に近づくことにより、帯状のパッチまたは複数のパッチで覆うこともできる。

図１４は、第１部分の垂直セグメントが偶数であり、第２部分の水平セグメントが偶数であるトポロジーを例示する。第２ノードは、第１ノードから離間していてもよい。

図１５は、メッシュＭを構成する菱形形状のメッシュ要素ＭＥの可能性を例示する。したがって、α＝９０°のずれが可能である。導線の部分は、図示された実施例における検出を４×４のメッシュ要素の格子に分割している。しかしながら、ｎとｍが２以上の自然数であれば、原則として任意の格子サイズｎ×ｍが可能である。

図１６は、２つの９０°転回を伴う転回セグメントを示す。

図１７は、半円形の転回セグメントを示す。

図１８は、４つの４５°転回を伴う転回セグメントを示す。

異物検出器、異物検出器の使用、および金属異物または誘電体異物を検出する方法は、上述した実施例に限定されない。さらなるメッシュと回路素子、およびさらなるステップを含むこともできる。

ＣＷ 導線
ＦＯＤ 異物検出器
ＨＳ 垂直セグメント
Ｍ メッシュ
ＭＥ メッシュ要素
Ｎ１ 第１ノード
Ｎ２ 第２ノード
ＮＩ 中間ノード
ＰＣ １次コイル
Ｓ１、Ｓ２ 任意形状の物体の非矩形側面
ＴＳ 転回セグメント
ＶＳ 垂直セグメント
ＷＰＴＳ 無線電力伝送システム

Claims (16)

1. 第１部分と第２部分を有する導線（ＣＷ）、第１ノード（Ｎ１）、第２ノード（Ｎ２）、および中間ノード（ＮＩ）を含み、
   前記第１部分は、前記第１ノード（Ｎ１）を前記中間ノード（ＮＩ）に電気的に接続し、３つ以上の複数の垂直セグメント（ＶＳ）を有し、
   前記第２部分は、前記中間ノード（ＮＩ）を前記第２ノード（Ｎ２）に電気的に接続し、３つ以上の複数の水平セグメント（ＨＳ）を有する異物検出器（ＦＯＤ）。
2. 前記第１部分の前記垂直セグメント（ＶＳ）の数および前記第２部分の前記水平セグメントの数が奇数である請求項１に記載の異物検出器。
3. 前記第１部分の前記垂直セグメント（ＶＳ）の数および前記第２部分の前記水平セグメント（ＨＳ）の数が偶数である請求項１に記載の異物検出器。
4. 前記第１部分の前記垂直セグメント（ＶＳ）および前記第２部分の前記水平セグメント（ＨＳ）が蛇行パターンに配置されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の異物検出器。
5. 前記導線（ＣＷ）は、さらに、前記垂直セグメント（ＶＳ）の間および前記水平セグメント（ＨＳ）の間に転回セグメント（ＴＳ）を含み、
   前記転回セグメント（ＴＳ）は、円弧状、２つの９０°転回の形状、または４つの４５°転回の形状であり、
   前記転回セグメント（ＴＳ）の巻数は、０．５である請求項１〜４のいずれか１項に記載の異物検出器。
6. 前記第１部分と前記第２部分は、交点において菱形のメッシュ要素（ＭＥ）を構築する請求項１〜５のいずれか１項に記載の異物検出器。
7. 前記導線（ＣＷ）は、円柱の側面部分または円錐の側面部分の矩形形状であるメッシュ（Ｍ）を構築する請求項１〜６のいずれか１項に記載の異物検出器。
8. １つまたは複数の追加導線（ＣＷ）をさらに含み、前記追加導線がそれぞれメッシュ（Ｍ）を構築する請求項１〜７のいずれか１項に記載の異物検出器。
9. 駆動回路をさらに含み、
   前記導線（ＣＷ）は、インピーダンス素子を構築し、
   前記駆動回路は、共振により前記インピーダンス素子を励起するために設けられている請求項１〜８のいずれか１項に記載の異物検出器。
10. 導線のインピーダンス、信号の振幅、および信号の共振周波数から選択されるパラメータの変化を検出するために設けられる評価回路をさらに含む請求項９に記載の異物検出器。
11. 前記評価回路は、前記導線（ＣＷ）近傍の金属物質と誘電体物質とを区別することができる請求項１０に記載の異物検出器。
12. ＷＰＴシステム近傍の金属異物または誘電体異物を検出する請求項１〜１１のいずれか１項に記載の異物検出器（ＦＯＤ）の使用。
13. ＷＰＴシステムの操作前および／または操作中における請求項１〜１２のいずれか１項に記載の異物検出器の使用。
14. ＡＣ信号によって導線（ＣＷ）を励起するステップと、
    前記導線のインピーダンス、前記ＡＣ信号の振幅、および前記ＡＣ信号の共振周波数から選択されるパラメータを監視するステップと、
    監視されるパラメータの変化を検出するステップと
    を含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の異物検出器（ＦＯＤ）を使用して金属異物または誘電体異物を検出する方法。
15. 前記導線（ＣＷ）の容量性挙動は誘電体の存在を示し、前記導線の誘導性挙動は金属物体の存在を示す請求項１４に記載の方法。
16. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の異物検出器（ＦＯＤ）を含む検出システム。

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