JP6417184B2 - 非接触給電システム用異物検知装置 - Google Patents
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Description
この方式では、図16に示すように、車両の床裏面に搭載された非接触給電トランスの二次側コイル(受電コイル)102と、地上側に設置された一次側コイル(送電コイル)202とを対向させて、地上側から停車中の車両に非接触で給電が行われる。
送電コイル202は、図17に示すように、樹脂製のコイルケース90に内蔵されて地上側に設置される。受電コイル102も同様に樹脂製のコイルケースに内蔵されて車両の床裏面に固定される。
そのため、異物を検知する方法が種々検討されている。
例えば、下記特許文献1には、金物異物の有無により給電効率等の特性が変化することを利用して金物異物を検知する方法が開示されている。また、温度変化を検出して金物異物を検知する方法も知られている。
この異物検知装置は、平面上に離間して配置された電極を有する異物検知センサーの電極間の静電容量が、異物により変化することを利用して異物を検知しており、この異物検知センサーを送電コイルのケース上に多数配置して、送電コイルと受電コイルとの隙間に侵入した異物を検知している。
図18は、その異物検知センサーの一例を示している。この異物検知センサーは、中心部に配置された検出電極312と外周部に配置された接地電極322とを備えており、検出電極312及び接地電極322は、それぞれ、電極内で、非接触給電時の磁束により相反する方向の誘導電流が生起され、それらが互いに打ち消し合って誘導電流がゼロになるパターン(無誘導コイル形状)を有している。
異物検知センサーは、その複数個が、図17の送電コイルケース90の上面に並べて配置される。発振回路に対して、異物検知センサーが、マルチプレクサ等を介して、順番に接続されるようにすれば、発振周波数の変化が現れた異物検知センサーを特定することが可能になり、異物の存在位置が識別できる。
異物検知センサーは、検知対象物に見合う大きさに設定する必要があるが、特許文献2で提案した異物検知センサーを送電コイルケースの大きさに合わせて相似的に大面積化すると、電極部の中心に不感帯が生じ、適切に異物が検知できなくなってしまう。
そのため、特許文献2の異物検知センサーを使用する場合は、送電コイルケース上に非常に多くの異物検知センサーを配置する必要があり、それに伴って配線作業も複雑化し、異物検知センサーの設置作業に多くの時間が取られると言う問題がある。
アレー型異物検知センサーは、単独の異物検知センサーに比べて、広い範囲をカバーできるため、送電コイルケース上に設置する際の負担が軽減できる。アレー型異物検知センサーに含める異物検知センサー(キャパシタ)の接続数は、検出対象や検出環境等を考慮して適宜設定する。無誘導コイル形状の検出電極及び接地電極を有するアレー型異物検知センサーは、給電中の送電コイルの真上に配置されていても、非接触給電に悪影響を及ぼさない。
並列接続されたキャパシタの合成容量は単一のキャパシタの容量より大きいため、コイル等を加えて異物検知回路を構成する際に都合が良い。
直列接続されたキャパシタの合成容量は単一のキャパシタの容量より小さくなるが、キャパシタの接続数を減らしたり、付加するコイルのインダクタンスを大きくしたりすれば、支障なく異物検出ができる。
アレー型異物検知センサー上に異物が在ると共振周波数での特性が変化する。その変化を観察すれば、異物の有無が検知できる。
並列共振回路では、直列共振回路に比べて、異物の存在によるインピーダンスの変化が概して大きい。そのため、高精度の異物検出が可能である。
なお、本発明の異物検知装置では、この共振回路が直列共振回路であっても良い。
共振周波数でのインピーダンスの値(|Z|)や位相の変化に基づいて異物の有無を検知する。
例えば、アレー型異物検知センサーのキャパシタの接続数を、送電コイルの真上に配置するアレー型異物検知センサーでは少なく、送電コイルから離れた位置に配置するアレー型異物検知センサーでは多くしても良い。
アレー型異物検知センサーを、送電コイルケースの送電コイル上の領域に設置した場合と、その他の領域に設置した場合とで共振周波数が変化するため、領域毎に検出回路を独立させた方が良い。
また、アレー型異物検知センサーは、単独の異物検知センサーに比べて、広い範囲をカバーできるため、送電コイルケース上に設置する際の負担が軽減できる。
このアレー型異物検知センサー10は、平面上に間隔を空けて直線状に配置された6個の検出電極21、22、23、24、25、26と、検出電極21〜26の各々の外周を電気的に接続された状態で取り囲む接地電極30とを有している。検出電極21〜26及び接地電極30は、無誘導コイル形状を有している。
このアレー型異物検知センサー10では、検出電極21〜26の各々と、それらを取り囲む接地電極30とで構成された6個の異物検知センサー(キャパシタ)がアレー状に結合されており、隣接する検出電極(21と22、22と23、23と24、24と25、25と26)の間の接地電極部分は、隣接する検出電極の各々を取り囲む接地電極の一部として両方の異物検知センサーで共用されている。
このアレー型異物検知センサー10は、直線状に配置した6個のキャパシタを並列接続したものに相当している。
アクリル樹脂等の不導体の基板80を用意し、その上に銅やITO(透明電極材料)等の導電性薄膜81を形成する。その上にフォトレジスト82を塗布し、フォトリソグラフィを用いて、アレー型異物検知センサーの繰り返しパターンをフォトレジスト82に焼き付ける(図3(a))。
次に、導電性薄膜81の露出している部分をウエットエッチングやドライエッチングで除去する(図3(b))。
次に、残存するフォトレジスト82を除去する。このとき、導電性薄膜81の腐食を防ぐため、導電性薄膜81のパターンを不導体83で覆うようにしても良い(図3(c))。
また、図3の工程を繰り返して、検出電極及び接地電極を積層化してもよい。これら電極を積層することで、電気的に接続がし易くなり、無誘導化が容易になるという利点がある。
次に、基板80からアレー型異物検知センサーのアレー形状を切り離す。
こうしてアレー型異物検知センサーが完成する。
図4、図5に示すように、複数のキャパシタが並列接続されたアレー型異物検知センサー10にコイル62を接続して共振回路を形成し、この共振回路の共振周波数の交流をLCRメーター61に内蔵された発振器から供給する。そして、共振回路のインピーダンスの値(|Z|)や位相をLCRメーター61で測定する。なお、発振器は、LCRメーター61から独立していても良い。
異物が存在しないとき、並列共振回路では、共振周波数の近傍で、図6(a)に示すようにインピーダンスの値(1)と位相(2)が変化する。一方、直列共振回路では、共振周波数の近傍で、図6(b)に示すようにインピーダンスの値(1)と位相(2)が変化する。
この共振回路に共振周波数の交流を供給した場合、アレー型異物検知センサー10の上に異物が存在していると、共振が得られなくなり、インピーダンスの値や位相が、図6(a)(b)の共振時の状態から変化する。
また、図8は、図7の結果を基に、位相差について並列共振回路の測定値(1)と直列共振回路の測定値(2)とを比べている。図9は、図7の結果を基に、インピーダンスの変化の割合について並列共振回路の測定値(1)と直列共振回路の測定値(1)とを比べている。
図8、図9から、図5の直列共振回路に比べて、図4の並列共振回路の方が異物による変化率が概して大きく、異物検出回路として望ましいことが分かる。
図10は、送電コイルケース90上に霧雨程度の微小な水滴が浮いている状態(Wet1)、雨粒程度の水滴が浮いている状態(Wet2)、及び、表面に一様に水がある状態(Wet3)を作り出し、図4の異物検出回路により、各状態及びDry状態(ただし、異物は存在していない)でのインピーダンス(図10(a))、及び、位相角度(図10(b))の周波数特性を測定した結果を示している。図10より、送電コイルケース90が雨に濡れても、インピーダンスの値や位相に大きな変化がないことが分かる。
図11より、送電コイルケース90が雨に濡れても、異物検知が可能であることが分かる。また、位相差の変化の方が顕著であり、雨に濡れる環境下でも安定して異物検知ができることが分かる。
この制御系は、図12に示すように、送電コイルケース90上に設置された1または複数のアレー型異物検知センサー10と、発振器を内蔵するLCRメーター61と、LCRメーター61が検出した並列共振回路のインピーダンスの値や位相角度から異物の有無を識別する異物判定部64と、異物判定部64の識別結果に基づいて非接触給電用高周波電源(不図示)のオン・オフを制御する高周波電源制御部63とを備えている。
LCRメーター61に内蔵された発振器から、周波数が、アレー型異物検知センサー10を含む並列共振回路の共振周波数に設定された交流が出力される(St.1)。
LCRメーター61は、この並列共振回路の位相及びインピーダンスを検出し(St.2)、検出結果を異物判定部64に出力する。
異物判定部64は、異物が存在しない状態での共振回路の共振周波数における位相及びインピーダンスのデータを予め保持しており、この保持しているデータと、LCRメーター61から送られた位相及びインピーダンスとを比較して、アレー型異物検知センサー10の上に異物が存在するか否かを判定する(St.3)。異物が存在しないと判定したとき(St.3でNo)は、その旨を高周波電源制御部63に伝え、高周波電源制御部63は、非接触給電用高周波電源をオンにして非接触給電が行われる(St.4)。
LCRメーター61は、並列共振回路の位相及びインピーダンスの検出を続け(St.5)、検出結果を異物判定部64に送り続ける。
異物判定部64が、異物が存在すると判定したとき(St.6でYes)は、異物判定部64から高周波電源制御部63にその旨が伝えられ、高周波電源制御部63は、非接触給電用高周波電源をオフにし(St.7)、異物検知警報の表示が行われる(St.8)。
また、非接触給電が開始される以前に異物判定部64が、異物が存在すると判定した場合は(St.3でYes)、St.8に移行して異物検知警報の表示が行われる。
異物検知警報の表示の後、St.2以降の手順が繰り返され、アレー型異物検知センサー10の上の異物が無くなっていれば、非接触給電用高周波電源がオンにされて非接触給電が行われる。
このアレー型異物検知センサー10でのキャパシタの接続数は、検出対象や検出環境等に応じて適宜選択できる。異物の位置を特定する必要がある場合は、キャパシタの接続数が多すぎると、位置の分解能が低下することを考慮してキャパシタの接続数を選択する必要がある。
送電コイル202の真上の位置に設置した場合(図14(b))は、送電コイル202のフェライトコアの影響等があるため、図14(a)の特性と比べて、共振周波数の位置がずれており、また、共振周波数でのインピーダンスの値が増えている。
こうした、アレー型異物検知センサー10の設置位置による特性の違いは、アレー型異物検知センサー10のキャパシタの接続数を設置位置に応じて変えることで解消できる。
また、ここでは、複数のキャパシタが並列接続されたアレー型異物検知センサーを示した。この場合、アレー型異物検知センサーの共振回路を構成するとき、例えば、4pF程度の静電容量C0のキャパシタをn個並列接続したときの合成容量はnC0となり、共振周波数を適切なレベルに設定するための共振用コイルの選択が容易である。
しかし、図15に示すように、アレー型異物検知センサーに含まれる複数のキャパシタを直列接続した場合でも、合成容量C0/nが小さくなり過ぎないようにキャパシタの接続数を減らしたり(図15では5個のキャパシタを接続している。)、大きめのインダクタンスを持つ共振用コイルを用いたりすることで異物の検知は可能である。
21 検出電極
22 検出電極
23 検出電極
24 検出電極
25 検出電極
26 検出電極
30 接地電極
40 電線
50 接続端
61 LCRメーター
62 コイル
63 高周波電源制御部
64 異物判定部
80 基板
81 導電性薄膜
82 フォトレジスト
83 不導体
90 送電コイルケース
102 二次側コイル(受電コイル)
202 一次側コイル(送電コイル)
312 検出電極
313 抵抗
322 接地電極
323 抵抗
Claims (9)
- 非接触給電トランスの送電コイルが内蔵された送電コイルケースに設置され、非接触給電トランスの受電コイルが内蔵された受電コイルケースと前記送電コイルケースとの間に侵入する異物を検知する異物検知装置であって、
同一平面上にアレー状に配置された複数の検出電極と該検出電極の各々の外周を取り囲む接地電極とを備えるアレー型異物検知センサーを有し、
前記アレー型異物検知センサーが前記送電コイルケースに1または複数個設置され、
前記アレー型異物検知センサーの前記検出電極及び接地電極が、それぞれ、無誘導コイル形状を有し、
前記検出電極と前記接地電極との間の静電容量の変化に基づいて異物の有無が検知される
ことを特徴とする非接触給電システム用異物検知装置。 - 請求項1に記載の異物検知装置であって、前記アレー型異物検知センサーの前記接地電極が相互に電気的に接続され、前記検出電極の各々と前記接地電極とで構成される複数のキャパシタが、電気的に並列接続されていることを特徴とする非接触給電システム用異物検知装置.
- 請求項1に記載の異物検知装置であって、前記アレー型異物検知センサーの前記検出電極と該検出電極を取り囲む前記接地電極とで構成される複数のキャパシタが、電気的に直列接続されていることを特徴とする非接触給電システム用異物検知装置。
- 請求項2または3に記載の異物検知装置であって、前記アレー型異物検知センサーの前記複数のキャパシタにコイルが付加されて共振回路が構成され、該共振回路に共振周波数の交流が供給されて異物の有無が検知されることを特徴とする非接触給電システム用異物検知装置。
- 請求項4に記載の異物検知装置であって、前記共振回路が並列共振回路であることを特徴とする非接触給電システム用異物検知装置。
- 請求項4に記載の異物検知装置であって、前記共振回路が直列共振回路であることを特徴とする非接触給電システム用異物検知装置。
- 請求項4記載の異物検知装置であって、前記共振回路のインピーダンスの変化に基づいて異物の有無を検知することを特徴とする非接触給電システム用異物検知装置。
- 請求項1に記載の異物検知装置であって、前記送電コイルケースに設置された複数個の前記アレー型異物検知センサーの中に、前記検出電極の数が異なる前記アレー型異物検知センサーが含まれていることを特徴とする非接触給電システム用異物検知装置。
- 請求項1に記載の異物検知装置であって、前記送電コイルケースの送電コイル上の領域に設置された前記アレー型異物検知センサーによる異物の検知と、前記送電コイルケースのその他の領域に設置された前記アレー型異物検知センサーによる異物の検知とが、それぞれ、独立して行われることを特徴とする非接触給電システム用異物検知装置。
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