JP2017022999A - 検知装置及び送電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送電側と受電側との間に存在する金属異物の検出精度を向上させる。
【解決手段】本発明の一態様の検知装置は、コイルおよび１以上のコンデンサを含む共振回路に対して、信号を印加する信号源と、印加された信号に対して共振回路が出力する応答波形を検出する応答波形検出部と、その応答波形検出部で検出された応答波形から共振回路のＱ値を測定するＱ値測定部と、そのＱ値測定部により測定されたＱ値と、予め設定された基準値と、を比較し、比較結果に基づいて異物の有無を判定する判定部と、を備える。
【選択図】図３

Description

本開示は、非接触電力伝送システムにおいて金属等の導体の存在を検知する検知装置及び送電装置に関する。

近年、非接触で電力を供給（ワイヤレス給電）する非接触電力伝送システムの開発が盛んに行われている。ワイヤレス給電を実現する方式としては大きく２種類の手法が存在する。

一つは既に広く知られている電磁誘導方式であり、電磁誘導方式では、送電側と受電側の結合度が非常に高く、高効率での給電が可能である。しかし、送電側と受電側との間の結合係数を高く保つ必要があるため、送電側と受電側の距離を離した場合や位置ずれがある場合には、送電側と受電側のコイル間の電力伝送効率（以下、「コイル間効率」という。）が大きく劣化してしまう。

もう一つは磁界共鳴方式と呼ばれる手法であり、積極的に共振現象を利用することで給電元と給電先とで共有する磁束が少なくてもよいという特徴を持つ。磁界共鳴方式は、結合係数が小さくてもＱ値(Quality factor)が高ければコイル間効率が劣化しない。Ｑ値は、送電側又は受電側のコイルを有する回路の、エネルギーの保持と損失の関係を表す（共振回路の共振の強さを示す）指標である。すなわち送電側コイルと受電側コイルの軸合わせが不要で、送電側と受電側の位置や距離の自由度が高いという利点がある。

非接触電力伝送システムにおいて重要な要素の一つに、金属異物の発熱対策がある。電磁誘導方式又は磁界共鳴方式に限らず非接触で給電を行う際、送電側と受電側の間に金属が存在するとその金属に渦電流が発生し、金属を発熱させてしまう恐れがある。この発熱対策として、金属異物を検知する数多くの手法が提案されている。例えば光センサあるいは温度センサを用いる手法が知られている。しかしながら、センサを用いた検知方法では、磁界共鳴方式のように給電範囲が広い場合にコストがかかる。また例えば温度センサであれば、温度センサの出力結果がその周囲の熱伝導率に依存するため、送電側及び受電側の機器にデザイン制約を加えることにもなる。

そこで、送電側と受電側の間に金属異物が入ったときのパラメータ（電流、電圧等）の変化を見て、金属異物の有無を判断する手法が提案されている。このような手法であれば、デザイン制約等を課す必要がなくコストを抑えることができる。例えば、特許文献１では送電側と受電側の通信の際の変調度合い（振幅及び位相の変化情報）によって金属異物を検出する方法、また特許文献２では渦電流損によって金属異物を検出する方法（ＤＣ−ＤＣ効率による異物検知）が提案されている。

特開２００８−２０６２３１号公報 特開２００１−２７５２８０号公報

しかしながら、特許文献１，２により提案された手法は、受電側の金属筺体の影響が加味されていない。一般的な携帯機器への充電を考えた場合、携帯機器に何らかの金属（金属筐体、金属部品等）が使われている可能性が高く、パラメータの変化が「金属筺体等の影響によるもの」か、あるいは「金属異物が混入したことによるもの」なのかの切り分けが困難である。特許文献２を例に挙げると、渦電流損が携帯機器の金属筺体で発生しているのか、それとも送電側と受電側との間に金属異物が混入して発生しているのかがわからない。このように、特許文献１，２で提案された手法は、金属異物を精度よく検知できているとは言えなかった。

本開示は、上記の状況を考慮してなされたものであり、送電側と受電側との間に存在する金属異物の検出精度を向上させるものである。

本開示の一態様の検知装置は、コイルおよび１以上のコンデンサを含む共振回路に対して、信号を印加する信号源と、印加された信号に対して共振回路が出力する応答波形を検出する応答波形検出部と、その応答波形検出部で検出された応答波形から共振回路のＱ値を測定するＱ値測定部と、そのＱ値測定部により測定されたＱ値と、予め設定された基準値と、を比較し、比較結果に基づいて異物の有無を判定する判定部と、を備える。

本開示の一態様によれば、共振回路にパルスを印加し、印加された信号に応じて共振回路が出力する応答波形に基づいて、Ｑ値が測定される。応答波形は、時間領域または周波数領域のいずれでもよい。

本開示によれば、簡易な構成により、送電側と受電側との間に存在する金属異物の検出精度を向上させることができる。

Ｑ値測定により金属異物を検知する検知回路の一例を示す概略回路図である。 直列共振回路における出力電圧の周波数特性例を示すグラフである。 本開示の第１の実施形態に係る検知回路の一例を示す概略回路図である。 図３に示すマイコンの内部構成例を示すブロック図である。 図３に示した検知回路をモデル化したシミュレーション回路である。 第１条件（Ｑ値＝１００、繰り返し周期＝２ｍｓ）において金属異物がないときにシミュレーション回路の各測定点に得られた波形の一例を示しており、Ａはパルス発生器のパルス波形（１パルスを拡大）、Ｂはパルス発生器のパルス列、Ｃはパルス列の周波数応答、Ｄはパルス列の周波数応答の拡大図、Ｅは図５のコンデンサ３２の両端の電圧の周波数応答波形である。 第２条件（Ｑ値＝１００、繰り返し周期＝１０ｍｓ）において金属異物がないときにシミュレーション回路の各測定点に得られた波形の一例を示しており、Ａはパルス発生器のパルス波形（１パルスを拡大）、Ｂはパルス発生器のパルス列、Ｃは周波数領域のパルス列、Ｄは周波数領域のパルス列（１パルス内を拡大）、Ｅは電圧の周波数応答波形である。 コンデンサの両端電圧の波形例（Ｑ値＝１００、繰り返し周期＝１０ｍｓ）であり、Ａは時間応答波形、Ｂは周波数応答波形を示している。 コンデンサの両端電圧の波形例（Ｑ値＝５０、繰り返し周期＝１０ｍｓ）であり、Ａは時間応答波形、Ｂは周波数応答波形を示している。 本開示の第２の実施形態における、検知回路が適用された受電装置の一例を示す概略回路図である。 本開示の第３の実施形態に係る検知回路の一例を示す概略回路図である。 本開示の第４の実施形態に係る検知回路の一例を示す概略回路図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示を実施するための形態の例について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能又は構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。

なお、説明は以下の順序で行う。
１．導入説明
２．第１の実施形態（信号源：パルス発生器を用いた例）
３．第２の実施形態（検知回路：受電装置に適用した例）
４．第３の実施形態（検知回路：包絡線検波回路を設けた例）
５．第４の実施形態（Ｑ値測定：振動数を用いてＱ値を測定する例）
６．第５の実施形態（Ｑ値測定：電圧Ｖ_２が所定範囲内のときＱ値を測定する例）
７．第６の実施形態（Ｑ値測定：電圧Ｖ_２が所定範囲内でなくても時間制限によりＱ値を測定する例）
８．その他

＜１．導入説明＞
［Ｑ値測定による金属異物検知］
送電側と受電側との間に存在する金属異物を高精度に検出するため、外部と電磁的に結合するコイルを含む回路のＱ値（Quality factor）を測定し、Ｑ値の測定結果に基づいてコイルの近くの金属異物の有無を判定する方法が考えられる。これは金属が接近すると共振回路のＱ値が低下することを利用したものである。
Ｑ値は、エネルギーの保持と損失の関係を表す指標であり、一般的に共振回路の共振のピークの鋭さ（共振の強さ）を表す値として用いられる。
金属異物は、送電側と受電側の間に存在する金属などの導体や意図しないコイルを含む回路が対象となる。本明細書でいう導体には、広義の導体すなわち半導体も含まれる。以下、金属などの導体やコイルを含む回路を検知することを、「導体等を検知する」ともいう。

以下、Ｑ値測定により金属異物を検知する検知回路の一例を説明する。
図１は、Ｑ値測定により金属異物を検知する検知回路の一例を示す概略回路図である。
検知回路１は、Ｑ値測定用コイル１１と、コンデンサ１２と、信号源１３と、アナログ−デジタル変換器（以下、「ＡＤＣ」と称する）１６を備えている。この図１に示した回路は、Ｑ値測定による金属異物検知の概要を説明するための概略的なものである。

検知回路１は、Ｑ値測定用コイル１１とコンデンサ１２が直列接続されて共振回路（破線部分）を形成し、測定周波数（共振周波数）において共振するように、Ｑ値測定用コイル１１のインダクタンスの値（Ｌ値）、及びコンデンサ１２のキャパシタンスの値（Ｃ値）が調整されている。このＱ値測定用コイル１１とコンデンサ１２で構成される共振回路に信号源１３が接続され、信号源１３の周波数可変の正弦波発振器１４で発生した正弦波信号が共振回路に供給される。信号源１３内の抵抗素子１５は、正弦波発振器１４の内部抵抗（出力インピーダンス）を図示化したものである。

正弦波信号が供給された共振回路の各測定点に得られる信号が、ＡＤＣ１６に入力され、アナログ信号からデジタル信号に変換される。そして、ＡＤＣ１６で変換された出力信号を用いてＱ値が測定される。なお、検知回路１は、図示しない電源部を有しており、この電源部から検知回路１内の信号源１３やＡＤＣ１６などに電力が供給される。

共振回路のＱ値を測定するには、まず共振回路に印加する正弦波信号を周波数掃引して出力電圧が最大となる点である共振周波数ｆ０を求める。そして、共振周波数ｆ０におけるＱ値測定用コイル１１の両端、及びＱ値測定用コイル１１とコンデンサとの両端の電圧を測定してＱ値を算出する。共振回路のＱ値測定は、測定器（ＬＣＲメータ）でも用いられている手法である。

Ｑ値測定用コイル１１とコンデンサ１２の両端の電圧をＶＩ、Ｑ値測定用コイル１１の両端の電圧をＶＣとすると、共振回路のＱ値は、式（１）で表される。Ｒは、共振周波数ｆ０における直列抵抗値である。

電圧Ｖ_Ｉが約Ｑ倍されて電圧Ｖｃが得られる。式（１）に示す直流抵抗値Ｒやインダクタンス値Ｌは金属が近づくことや、金属に発生する渦電流の影響により変化することが知られている。例えば、Ｑ値測定用コイル１１に金属片が近づくと実効抵抗値Ｒが大きくなり、Ｑ値が下がる。すなわちＱ値測定用コイル１１の周りに存在する金属の影響によって共振回路のＱ値や共振周波数は大きく変化するので、この変化を検知することにより、Ｑ値測定用コイル１１の近くに存在する金属片を検知できる。本開示では、このＱ値測定を１次側と２次側の間に挿入された金属異物の検知に適用する。

上述したＱ値の変化を用いて金属異物を検出することにより、電磁誘導方式又は磁界共鳴方式によらず高精度で金属異物を取り除くことが可能である。特に受電側（２次側）の機器内に設けられたコイルのＱ値は、受電側の機器の金属筐体と該コイルとの位置関係がほぼ固定であるため、コイルに対する金属筐体の影響を取り除くことができ、金属異物に対して感度のよいパラメータとなり得る。つまり、送電側と比較して受電側の共振回路のＱ値は、金属異物を高精度に検知するのにより適している。

また、半値幅法により共振回路のＱ値を算出してもよい。
半値幅法では、共振回路に印加する正弦波信号の周波数掃引を行い、出力電圧（振幅）が最大となる周波数（共振周波数ｆ_０）と、出力電圧がピーク値から３ｄＢ（×１／√２）だけ低下する周波数ｆ_Ｌ，ｆ_Ｈを利用する。共振周波数ｆ_０と、出力電圧がピーク値から３ｄＢ（×１／√２）だけ低下する周波数の帯域幅（ｆ_Ｈ−ｆ_Ｌ）（図２参照）を用いて、式（２）によりＱ値が求められる。

なお、上述例は直列共振回路の例であるが、並列共振回路の場合は上記説明と逆になる。出力電圧（振幅）が最小となる周波数（共振周波数ｆ_０）と、出力電圧が最小値から３ｄＢ（×√２）だけ増加する周波数ｆ_Ｌ，ｆ_Ｈを利用する。共振周波数ｆ_０と、出力電圧が最小値から３ｄＢ（×√２）だけ増加する周波数の帯域幅（ｆ_Ｈ−ｆ_Ｌ）を用いて、式（２）によりＱ値が求められる。

しかし、いずれのＱ値測定方法においても、Ｑ値測定にあたり周波数掃引するので、周波数分解能の高い周波数可変の正弦波発振器が必要である。また、掃引作業を行うことから測定に時間を要する。
さらに、前者の方法においては、電圧Ｖ_Ｉは、電圧Ｖ_Ｃの約１／Ｑと低いレベルのために正確なＱ値測定が困難であり、Ｑ値測定の精度を低くしている。

そこで、共振回路にパルス波を印加して演算処理することにより、共振回路のＱ値を測定する。パルス波を用いた場合、周波数分解能の高い周波数可変の正弦波発振器が不要となる。

＜２．第１の実施形態＞
［検知回路の構成例］
図３は、本開示の第１の実施形態に係る検知装置が適用された検知回路の一例を示す概略回路図である。この図３に示した検知回路は、Ｑ値測定による金属異物検知の概要を説明するための概略的なものである。図３において、図１と実質的に同一の機能又は構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。

本実施形態に係る検知回路１０は、図１に示した検知回路１の信号源１３に代えて信号源２１を備え、信号源２１がＱ値測定用コイル１１及びコンデンサ１２を含む共振回路（破線部分）に接続している。信号源２１は、パルス発生器２２を有し、パルス発生器２２は所定周期でパルス波を発生する。信号源２１内の抵抗素子２３は、パルス発生器２２の内部抵抗（出力インピーダンス）を図示化したものである。
また、検知回路１０は、パルス信号に対して共振回路が出力する応答波形を検出するＡＤＣ１６（応答波形検出部の一例）と、該ＡＤＣ１６が出力するデジタル信号が入力されるマイクロコンピュータ（以下、マイコンと称する）１７を備える。その他の構成は、検知回路１の構成と同じである。
なお、検知回路１０は、検知回路１と同様に図示しない電源部を有しており、この電源部から検知回路１０内の信号源２１やＡＤＣ１６、マイコン１７などの各部に電力が供給される。

検知回路１０の動作を簡単に説明する。
信号源２１（パルス発生器２２）からパルス波を出力して共振回路へ印加する。共振回路のＱ値測定用コイル１１又はコンデンサ１２の両端に掛かる電圧を取り出してＡＤＣ１６でその電圧を随時読み込み、アナログ信号からデジタル信号に変換して共振回路のパルス波に対する時間応答波形を得る。この例では、コンデンサ１２の両端電圧を取り出している。そして、得られた時間応答波形をマイコン１７において演算処理することによりＱ値を算出する。マイコン１７は、算出したＱ値に基づいて金属異物の検知も行うことができる。

以下、本実施形態に係るマイコン１７の金属異物の検知に関わる構成及び動作について説明する。
図４は、マイコン１７の内部構成例を示すブロック図である。
本実施形態のマイコン１７は、Ｑ値測定部１７Ａと、判定部１７Ｂと、メモリ１７Ｃと、制御部１７Ｄを備えて構成される。マイコン１７は、演算処理装置の一例であり、共振回路のＱ値測定や検知回路若しくは該検知回路が設けられた機器全体の制御を行う。

Ｑ値測定部１７Ａは、Ｑ値測定部の一例であり、ＡＤＣ１６から入力されるデジタルの電圧信号を用いて後述する演算によってＱ値を求め、求めたＱ値を判定部１７Ｂへ出力する。ＡＤＣ１６から入力される電圧信号の振幅すなわち振動は、時間的に推移（減衰）する。Ｑ値測定部１７Ａでは、この電圧信号の振動の時間的推移に基づいてＱ値を計算する。

判定部１７Ｂは、判定部の一例であり、Ｑ値測定部１７Ａにより求められたＱ値を、予め設定された基準値と比較することにより、Ｑ値測定用コイル１１の近くに金属異物が存在するか否かを判定し、判定結果を制御部１７Ｄへ出力する。このようにＱ値測定用コイル１１のＱ値と基準値を比較することにより、Ｑ値測定用コイル１１と外部との電磁結合している状態を推定できる。よって、基準値を適切な値に設定することにより、Ｑ値測定用コイル１１と外部との間における金属異物の有無を高精度に判定することできる。

メモリ１７Ｃは、不揮発性の記憶部の一例であり、Ｑ値測定用コイル１１の近傍に何もない、もしくはＱ値測定用コイル１１と外部コイルとの間に何も存在しない状態で予め設定された周波数毎のＱ値測定用コイル１１のＱ値の基準値を保存している。また、検知回路１０を搭載する機器ごとに割り当てられたＩＤ番号（識別情報）や、外部機器から取得したＩＤ番号等を保存していてもよい。

制御部１７Ｄは、制御部の一例であり、判定部１７Ｂから入力される判定結果に応じた制御信号を生成し、検知回路１０全体の制御や外部コイルを搭載している機器と通信を行い非接触電力伝送等の制御を行う。
なお、Ｑ値測定部１７Ａ、判定部１７Ｂ、制御部１７Ｄを１つのマイコン１７に格納した例を示したが、これらのうち１以上の組み合わせを他の演算処理装置に格納する等して分散処理を行う構成としてもよい。

パルス波は時間領域で見ると単純な矩形波であるが、周波数領域に変換すると広帯域なスペクトラムとなっている。パルス波の波形を適当に選ぶことによって共振周波数付近に振幅がほぼ同一の櫛状のスペクトラムを生成できる。よってパルス波を共振回路に印加し、その応答を観測することにより共振回路のインピーダンスの周波数特性を得ることができる。また、時間領域で演算を行ってＱ値を算出することも可能である。

［シミュレーション結果］
ここで、検知回路１０についてシミュレーションを実行して得られた結果を説明する。
図５は、検知回路１０をモデル化したシミュレーション回路である。
図５に示すシミュレーション回路は、パルス波を１００Ｈｚで共振するＬＣ共振回路（破線部分）に印加する例としている。第１条件として、Ｑ値測定用のコイル３１とコンデンサ３２からなるＬＣ共振回路のＱ値を１００とし、パルス発生器３３において振幅１Ｖ及びパルス幅１μｓｅｃのパルス波を２ｍｓｅｃ周期で発生すると設定する。
コイル３１のインダクタンスをＬｓ［Ｈ］、コンデンサ３２のキャパシタンスをＣｓ［Ｆ］とし、ＬＣ共振回路の実効抵抗値Ｒは√（Ｌｓ／Ｃｓ）／Ｑｓに設定している。ＱｓはＬＣ共振回路のＱ値である。

（第１条件の場合）
図６は、第１条件（Ｑ値＝１００、繰り返し周期＝２ｍｓ）において金属異物がないときにシミュレーション回路の各測定点に得られた波形の一例を示しており、Ａはパルス発生器のパルス波形（１パルスを拡大）、Ｂはパルス発生器のパルス列、Ｃはパルス列の周波数応答、Ｄはパルス列の周波数応答の拡大図、Ｅは図５の符号３２で示されるコンデンサの両端の電圧の周波数応答波形である。

図６Ｂに示すように、パルス発生器３３が発生するパルス列は、１パルスの振幅が１Ｖ、パルス幅が１μｓｅｃであり、その周期は２ｍｓｅｃである。図６Ａは、図６Ｂのパルス列の時間軸をｍｓｅｃオーダーからμｓｅｃオーダーに拡大し、１パルスの波形を示している。
そして図６Ａに示す時間領域のパルス波形を周波数領域へ変換すると、図６Ｃに示すような周波数応答が現れる。これを拡大すると、図６Ｄに示すように、共振周波数１００ｋＨｚ付近に振幅が１ｍＶでほぼ同一の櫛状のスペクトラムが得られる。
このようなスペクトラムを持つパルス波をＬＣ共振回路に印加し、コンデンサ３２の両端に掛かる電圧の時間応答波形を周波数領域へ変換して得られたものが、図６Ｅに示す周波数応答波形である。時間−周波数変換処理は、検知回路１０のＡＤＣ１６で行う。またはマイコン１７のＱ値測定部１７Ａが行ってもよい。

第１条件（Ｑ値＝１００、繰り返し周期＝２ｍｓ）のパルス波の場合、パルス間隔が小さく、周波数解析後の振幅値（平均パワー）が大きく、周波数分解能が低い。

（第２条件の場合）
図７は、第２条件（Ｑ値＝１００、繰り返し周期＝１０ｍｓ）において金属異物がないときにシミュレーション回路の各測定点に得られた波形の一例を示しており、Ａはパルス発生器のパルス波形（１パルスを拡大）、Ｂはパルス発生器のパルス列、Ｃはパルス列の周波数応答、Ｄはパルス列の周波数応答Ｃの拡大図、Ｅは図５の符号３２で示されるコンデンサの両端の電圧の周波数応答波形である。

図７Ｂに示すように、パルス発生器３３が発生するパルス列は、１パルスの振幅が１Ｖ、パルス幅が１μｓｅｃであり、その周期は１０ｍｓｅｃである。図７Ａは、図７Ｂのパルス列の時間軸をｍｓｅｃオーダーからμｓｅｃオーダーに拡大し、１パルスの波形を示している。
そして図７Ａに示す時間領域のパルス波形を周波数領域へ変換すると、図７Ｃに示すようなパルス列が現れる。これを拡大すると、図７Ｄに示すように、共振周波数１００ｋＨｚ付近に振幅が２００μＶでほぼ同一の櫛状のスペクトラムが得られる。
このようなスペクトラムを持つパルス波をＬＣ共振回路に印加し、コンデンサ３２の両端に掛かる電圧の時間応答波形を周波数領域へ変換して得られたものが、図７Ｅに示す周波数応答波形である。

第２条件（Ｑ値＝１００、繰り返し周期＝１０ｍｓ）のパルス波の場合、パルス間隔が大きく、周波数解析後の振幅値（平均パワー）が小さく、周波数分解能が高い。

このように、パルス波の振幅だけではなくパルス間隔（周期）によっても、周波数解析後の振幅値と周波数分解能が変化し、両者はトレードオフの関係にある。測定者が測定対象に応じて適宜選択することが望ましい。

第１条件と第２条件のいずれも、Ｑ値を１００に設定している。図６Ｅ及び図７Ｅの周波数応答波形において振幅値がピーク値から１／√２（＝０．７０７１）だけ低下する帯域幅より、Ｑ＝１００ｋＨｚ／（１００．５ｋＨｚ−９９．５ｋＨｚ）＝１００となり、金属異物がないものとして想定したとおりの結果が得られている。

［解析結果に基づくＱ値測定］
以下、上述したパルスを図５のＬＣ共振回路に印加して時間領域と周波数領域で解析した結果から、Ｑ値を測定する方法を説明する。
図８は、コンデンサ３２の両端電圧の波形例（Ｑ値＝１００、繰り返し周期＝１０ｍｓ）を示しており、Ａは時間応答波形、Ｂは周波数応答波形である。
解析に用いたＬＣ共振回路は金属異物が存在しないという想定でのＱ値が１００、印加するパルス列の１パルスの振幅が１Ｖ、パルス幅が１μｓｅｃであり、折り返し周期が１０ｍｓｅｃである。
図８Ａに示すように、ＬＣ共振回路にパルスを印加後、時間領域におけるコンデンサ３２の両端電圧の値は徐々に減衰している。また図８Ｂに示すように、周波数領域におけるコンデンサ３２の両端電圧の値は、共振周波数のときの値をピークとして、周波数が共振周波数から遠ざかるにつれて徐々に減衰している。

［時間領域］
ここで、共振回路の共振周波数をｆ、コンデンサ３２の両端電圧の波形上の計測点ｍ４（時間ｔ１）における電圧の値をＶ_１、同様に計測点ｍ４から時間経過後の計測点ｍ５（時間ｔ２）における電圧の値をＶ_２とおく。このときのＬＣ共振回路のＱ値は、式（３）により求められる。

以下、共振周波数と、時間応答波形の２つの時刻における振幅（電圧値）からＱ値を求める式の導出過程を簡単に説明する。
まず共振回路に与えるエネルギーを式（４）とする。

次に、パワーを考えるが、振動項は簡単のために以降省略し、式（５）とする。式（５）は包絡線項のみを表している。

ここで、パワーＰは「単位時間に使用されるエネルギー」であるので、パワーＰを式（７）のように表すことができる。

Ｑ値を「共振系の内部エネルギー／１周期の間に共振系が失うエネルギー」と定義すると、先の式（７）で示したパワーＰから以下の式を導くことができる。

さらに、式（１０）より式（１１）〜（１３）が導かれ、式（３）が得られる。

図８Ａの時間応答波形の計測点ｍ４（ｔ_１＝３．０１０μｓｅｃ，Ｖ_１＝０．６１６Ｖ）、ｍ５（ｔ_２＝４４３．１μｓｅｃ，Ｖ_２＝０．１５４Ｖ）のデータを、式（３）に適用してＬＣ共振回路のＱ値を計算すると、Ｑ値＝９９．７１が得られる。
Ｑ値＝π・１００×１０^３・（３．０１０×１０^−６−４４３．１×１０^−６）
／ｌｎ（０．６１６／０．１５４）
＝９９．７１

［周波数領域］
次に、図８Ｂの周波数応答波形からＱ値を計算する。
図８Ｂより、ピーク値及びそのピーク値から１／√２（＝０．７０７１）だけ低下する計測点として、計測点ｍ１（周波数１００．０ｋＨｚ，電圧０．０２０Ｖ）、ｍ２（周波数：９９．５０ｋＨｚ，電圧：０．０１４Ｖ）、ｍ３（周波数：１００．５ｋＨｚ，電圧：０．０１４Ｖ）が得られている。このときのＬＣ共振回路のＱ値は、式（２）により求められる。
Ｑ値＝１００／（１００．５−９９．５）＝１００
時間領域の応答波形から求めたＱ値もほぼ同じ値が得られている。

なお、図８の解析結果との比較のため、共振回路へ印加するパルスのＱ値を変更して同様に時間領域と周波数領域において解析を行った。
図９は、コンデンサの両端電圧の波形例（Ｑ値＝５０、繰り返し周期＝１０ｍｓ）であり、Ａは時間応答波形、Ｂは周波数応答波形を示している。
解析に用いたＬＣ共振回路は金属異物が存在しないという想定でのＱ値が５０であり、印加するパルスの仕様は図８の場合と同じである。
図９Ａに示すように、ＬＣ共振回路にパルスを印加後、時間領域におけるコンデンサ３２の両端電圧の値は、図８Ａの場合よりも早く減衰している。また図９Ｂに示すように、周波数領域におけるコンデンサ３２の両端電圧の値は、共振周波数のときの値をピークとして、周波数が共振周波数から遠ざかるにつれて徐々に減衰しているが、図８Ｂの場合より尖鋭ではない。

以上説明した第１の実施形態によれば、共振回路にパルスを印加して、時間領域及び周波数領域のいずれの応答波形からもＱ値を正確に測定することができる。それゆえ、高精度な金属異物の検知が可能である。また、周波数分解能の高い周波数可変の正弦波発振器が不要となり、固定のパルス波を発生するパルス発生器で済むため構成を簡単にすることができる。
また、パルス波の周波数領域での分解能、波形取り込みの分解能が十分高ければ、パルス波形の精度は要求されない。
また、周波数掃引の様な繰り返し作業が不要なため、測定時間が大幅に短縮される。
さらに、リアクタンス素子の両端の電圧からＱ値を測定し、共振回路全体に掛かる微小な電圧を測定する必要がないため、高精度の測定が可能である。

時間応答からの演算と周波数応答からの演算を併用したり、場合により使い分けたりしてもよい。使い分けの例としては、平板状の給電台に一度セットされた後の受電装置の共振周波数は殆ど変化しないと考えられるので、初回の給電のみ周波数応答から共振周波数を求め、その後は時間応答からＱ値のみを求める等が考えられる。

ところで、時間応答から算出する場合、時間応答波形に共振周波数以外の信号も含まれてしまうが、上述したように算出されるＱ値の精度は高い。これは共振回路自身のフィルタリングにより共振周波数成分が支配的なためであると考えられる。

＜３．第２の実施形態＞
第２の実施形態は、第１の実施形態に係る検知回路を受電装置に適用した例である。
図１０は、本開示の第２の実施形態における、検知回路が適用された受電装置を備える非接触電力伝送システムの一例を示す概略回路図である。図１０において、図３と対応する部分には同一符号を付して示し、詳細な説明を省略する。
本実施形態に係る非接触電力伝送システムは、送電装置４０と受電装置６０（検知装置の一例）を備えて構成される。この図３に示した回路は、Ｑ値測定による金属異物検知の概要を説明するための概略的なものである。

送電装置４０は、正弦波を発生させる正弦波発振器４４及び抵抗素子４５を含む信号源４３と、コンデンサ４１と、送電コイル４２（１次側コイル）を備えている。抵抗素子４５は、正弦波発振器４４の内部抵抗（出力インピーダンス）を図示化したものである。
本例では、信号源４３に対しコンデンサ４１と送電コイル４２が直列共振回路を形成するように接続されている。そして、給電したい周波数において共振するように、コンデンサ４１のキャパシタンス（静電容量とも呼ばれる）の値（Ｃ値）、及び送電コイル４２のインダクタンスの値（Ｌ値）が調整されている。信号源４３とコンデンサ４１を含んで送電部が構成され、送電部から供給される送電信号が送電コイル４２を通じて無線により非接触で外部へ伝送される。

受電装置６０は、送電装置４０から非接触により受電する受電回路５０（受電部の一例）と、送電装置４０との間にある金属異物を検知するための検知回路１０（検知部の一例）の２つの機能に分けられる。

受電回路５０は、受電コイル５１と、その受電コイル５１と共振回路を構成するコンデンサ５２と、交流信号を直流信号に変換する整流回路５３と、バッテリー５４（２次電池）とを備えている。整流回路５３は、整流処理に加えて平滑処理をするように構成してもよい。バッテリー５４は、パルス発生器２２を有する信号源２１を始めとして受電装置６０内の各部に電力を供給する。図１０では、バッテリー５４と信号源２１との接続を実線で記載し、その他については記載を省略している。

さらに受電回路５０は、受電コイル５１とコンデンサ５２の直列接続に対して並列に接続された負荷変調部５５を備える。負荷変調部５５は、一例として抵抗等の負荷とスイッチの直列接続回路から構成される。マイコン１７の制御部１７Ｄの制御の下、スイッチのオン・オフにより負荷を切り替え、送電装置４０と受電装置６０の間の電磁結合の状態を変化させて送電装置４０へ情報を通信する。スイッチは、一例としてトランジスタやＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子を適用することができる。

本実施形態の受電回路５０は、受電コイル５１とコンデンサ５２が直列共振回路を形成するように接続され、給電周波数において共振するように、受電コイル５１のインダクタンスの値（Ｌ値）、及びコンデンサ５２のキャパシタンスの値（Ｃ値）が調整されている。

上記構成の受電装置６０において、検知回路１０によりＱ測定を行った際にマイコン１７の判定部１７Ｂ（図４参照）が受電装置６０と送電装置４０の間に金属異物が存在すると判定した場合、マイコン１７の制御部１７Ｄは、送電装置４０による送電を停止すべく制御を行う。すなわち、マイコン１７の制御部１７Ｄは、負荷変調部５５の動作を制御し、送電装置４０による送電を停止するための停止信号を、受電コイル５１を通じて受電装置６０から送電装置４０へ送る。送電装置４０の図示しない制御部は、受電装置６０から受信した停止信号に基づいて、正弦波発振器４４を停止させる制御を行う。

なお、本実施形態では、検知回路１０を受電装置６０へ適用したが、送電装置４０へ適応してもよい。そして、送電装置と受電装置の間に金属異物ありと検知した場合は、送電装置からの送電を停止する。

＜４．第３の実施形態＞
第１及び第２の実施形態において、Ｑ値を時間領域の応答波形から計算する場合、共振回路のリアクタンス素子に得られた電圧信号の包絡線を、ＡＤＣ１６により信号処理で算出していたが、ハードウェア、即ち、包絡線検波回路により変換してもよい。

図１１は、本開示の第３の実施形態に係る検知回路の一例を示す概略回路図である。図１１において、図３と対応する部分には同一符号を付して示し、詳細な説明を省略する。
本実施形態の検知回路７０は、図３の検知回路１０のコンデンサ１２とＡＤＣ１６の間に、ダイオード７１とコンデンサ７２と抵抗素子７３を有する包絡線検波回路（破線部分）を設けた構成としている。ダイオード７１とコンデンサ７２の直列接続を、コンデンサ１２の両端に接続し、また、コンデンサ７２及びＡＤＣ１６に対して抵抗素子７３を並列に接続する。

第３の実施形態のように、ハードウェアで包絡線検波を行った場合、後段での測定及び演算処理は極めて単純になる。共振回路のリアクタンス素子に得られた電圧信号から包絡線を算出する処理が不要であり、２つの時刻に電圧を測定するだけでよい．

＜５．第４の実施形態＞
ハードウェアで包絡線検波を行った場合、後段での測定及び演算処理は極めて単純になるが、Ｑ値の算出には時間的な要素が必要となる。例えば「共振周波数と測定を行った２つの時刻（における時間応答波形の振幅値）」といった情報が必要である。
ところで、測定により共振周波数を求める場合には振動数をカウントして共振周波数を求める手法が適用できる。共振周波数は、一例として規定振動数に要した時間から、若しくは、規定時間内の振動数から求められる。これは比較的容易な処理である。そのためには別途その様な経路及び回路を設けるか、包絡線検波回路を回避する経路を用意する必要がある。

図１２は、本開示の第４の実施形態に係る検知回路の一例を示す概略回路図である。図１２において、図１１と対応する部分には同一符号を付して示し、詳細な説明を省略する。
図１２に示した検知回路８０は、図１１の検知回路７０に対し、リミッタアンプ８１と、カウンタ８２を設けた構成である。
リミッタアンプ８１は、共振回路と包絡線検波回路の間から入力された信号振幅の異なる入力信号を一定振幅の信号に増幅し波形整形する。
カウンタ８２は、入力信号の振動数をかぞえ、マイコン１７及びＡＤＣ１６へ振動数を通知する。これにより、ＡＤＣ１６は、規定振動数に要した時間や規定時間内の振動数などの情報をマイコン１７へ出力する。

上記検知回路８０と並行して、計算式について検討する。
共振周波数ｆを、規定振動数（ｃｏｕｎｔ数）に要した時間Ｔの逆数、若しくは、規定時間Ｔ内の振動数（ｃｏｕｎｔ数）とすると、式（３）は、式（１４）のように変形でき、最終的に式（１５）が得られる。なお、規定時間Ｔの開始時における振幅値をＶ_１、規定時間Ｔの終了時における振幅値をＶ_２としている。

式（１５）からわかるように、計算式より振動数をカウントするだけで時間を計測する必要はないことが分かる。よってＡＤＣ１６に掛かる信号処理の負荷は画期的に下げられる。

＜６．第５の実施形態＞
第５の実施形態は、時間領域の応答波形の第２の振幅値が第１の振幅値の所定範囲内のときＱ値を測定する例である。
振動数（ｃｏｕｎｔ値）を用いた式（１５）によりＱ値が得られるが、ＡＤＣの量子化誤差により、応答波形の減衰量が大き過ぎて電圧Ｖ_２が零付近に張り付いてしまうと正しいＱ値は算出できない（振動数の設定値を変えても電圧Ｖ_２＝０のままであるため）。
また、応答波形の減衰量が小さ過ぎると(Ｖ_１≒Ｖ_２)、やはりＡＤＣの量子化誤差の影響が大きい。したがって、時間領域の応答波形の第２の振幅値（電圧Ｖ_２）が、第１の振幅値（電圧Ｖ_１）の所定範囲内であるとき、マイコン１７のＱ値測定部１７ＡでＱ値を測定する。
一例として、場合にもよるが、電圧Ｖ_２の値が電圧Ｖ_１の４０〜２５％程度の時にＱ値の誤差が小さくなる。よって精度を求める場合、測定アルゴリズムとしてはその様な閾値になった時に電圧Ｖ_２の測定を行う様にするとよい。

第５の実施形態によれば、ＡＤＣの量子化誤差をなくし、Ｑ値を正確に求めることができるので、金属異物の検出精度が向上する。

＜７．第６の実施形態＞
また、Ｑ値が高く、時間領域の応答波形の第２の振幅値が、第５の実施形態で設定した閾値まで減衰するのに時間が掛かり過ぎる様な場合、閾値にならなくても時間制限（振動数制限）によりＱ値測定を行う様にするとよい。すなわち、時間領域の応答波形の電圧Ｖ_２が、設定時間内に電圧Ｖ_１の設定した所定範囲内とならないときは、設定時間が経過した時点の電圧Ｖ_２を検出してＱ値を測定する。
第６の実施形態によれば、Ｑ値測定に要する時間を一定時間以上長くならないように短縮できる。

＜８．その他＞
第１〜第５の実施形態において、共振回路に供給するパルスの数は複数でなく、単一（孤立波）としてもよい。複数のパルスを含む方が大きなエネルギーを持つ為，周波数応答の信号レベルが大きくなるという利点が得られるが、単一のパルス波でもＱ値の測定は可能である。

また、第１〜第５の実施形態において、所望の測定時間に対してＡＤＣの取り込み時間が長い場合、２つのＡＤＣを並列動作させることで、取り込み時間の問題を回避することができる。

また、第１〜第５の実施形態では、自機器内の共振回路に対し有線にてパルスを供給しているが、外部機器から磁界結合によりパルスを印加し、これを外部機器で磁界結合により読み取り、Ｑ値を測定してもよい。
例えば、図１０において、送電装置４０から磁界結合により受電装置６０へパルスを印加し、このパルスに応じて受電装置６０のＱ値測定用コイル１１が出力する磁束を送電装置４０で磁界結合により読み取り、Ｑ値を測定する。

また、第１〜第５の実施形態に掛かる検波回路（検知装置）は、電磁共鳴方式の非接触電力伝送システム、または電磁誘導方式の非接触電力伝送システムのいずれにも適用することができる。

なお、本開示は以下のような構成も取ることができる。
（１）
パルスが印加されるＱ値測定用コイルと、
前記Ｑ値測定用コイル及び一以上のコンデンサを含む共振回路と、
前記パルスに対して前記共振回路が出力する応答波形を検出する応答波形検出部と、
前記応答波形検出部で検出された応答波形から前記共振回路のＱ値を測定するＱ値測定部と、を備える
検知装置。
（２）
前記応答波形検出部が検出する応答波形は、時間領域の応答波形である
前記（１）に記載の検知装置。
（３）
前記Ｑ値測定部は、前記時間領域の応答波形の第１の時間における振幅値と前記第１の時間から所定時間経過後の第２の時間における振幅値を用いて、前記共振回路のＱ値を測定する
前記（２）に記載の検知装置。
（４）
前記共振回路の共振周波数をｆ、前記時間領域の応答波形の前記第１の時間（ｔ_１）における第１の振幅値をＶ_１、前記第２の時間（ｔ_２）における第２の振幅値をＶ_２とした
とき、前記Ｑ値は次式により求められる
Ｑ＝πｆ・（ｔ_２−ｔ_１）／ｌｎ（Ｖ_１／Ｖ_２）
前記（３）に記載の検知装置。
（５）
前記Ｑ値測定部は、前記時間領域の応答波形の前記第２の振幅値が、前記第１の振幅値の所定範囲内であるとき前記Ｑ値を測定する
前記（４）に記載の検知装置。
（６）
前記Ｑ値測定部は、前記時間領域の応答波形の前記第２の振幅値が、設定時間内に前記第１の振幅値の所定範囲内とならないとき、前記設定時間が経過した時点の前記第２の振幅値を検出して前記Ｑ値を測定する
前記（４）に記載の検知装置。
（７）
前記所定範囲内は、前記時間領域の応答波形の前記第２の振幅値が、前記第１の振幅値に対して４０〜２５％である
前記（５）又は（６）に記載の検知装置。
（８）
前記時間領域の応答波形の所定期間における振動数をカウント数、前記所定期間の開始時点における振幅値をＶ_１、前記所定期間の終了時点における振幅値をＶ_２としたとき、前記Ｑ値は次式により求められる
Ｑ＝π・カウント数／ｌｎ（Ｖ_１／Ｖ_２）
前記（２）に記載の検知装置。
（９）
前記Ｑ値測定部により測定されたＱ値を、予め設定された基準値と比較することにより、Ｑ値測定用コイルと外部との電磁結合状態を判定する判定部を、さらに備える
前記（１）〜（８）のいずれかに記載の検知装置。
（１０）
前記Ｑ値測定用コイルと前記外部との電磁結合状態とは、前記Ｑ値測定用コイルと前記外部との間における導体又は任意のコイルを含む回路の存在の有無である
前記（９）に記載の検知装置。
（１１）
前記応答波形検出部が検出する応答波形は、周波数領域の応答波形である
前記（１）に記載の検知装置。
（１２）
前記Ｑ値測定部は、前記Ｑ値測定用コイルと前記一以上のコンデンサを含む直列共振回路の共振周波数における、前記周波数領域の応答波形の振幅値に対して１／√２倍となる２つの周波数の帯域幅を用いてＱ値を測定する
前記（１１）に記載の検知装置。
（１３）
前記Ｑ値測定部は、前記Ｑ値測定用コイルと前記一以上のコンデンサを含む並列共振回路の共振周波数における、前記周波数領域の応答波形の振幅値に対して√２倍となる２つの周波数の帯域幅を用いてＱ値を測定する
前記（１１）に記載の検知装置。
（１４）
前記共振回路に印加されるパルスは、単一のパルスである
前記（１）〜（１３）のいずれかに記載の検知装置。
（１５）
パルスを発生させて前記共振回路に印加するパルス発生器、をさらに備える
前記（１）〜（１４）のいずれかに記載の検知装置。
（１６）
前記Ｑ値測定用コイルと外部との間に導体又は任意のコイルを含む回路ありと判定した場合、前記外部からの送電信号の出力を停止させるための制御を行う制御部を、さらに備える
前記（１０）に記載の検知装置。
（１７）
外部と電磁的に結合する受電コイルと、
前記受電コイルを介して外部から電力を受電する受電部と、
パルスが印加されるＱ値測定用コイルと、
前記Ｑ値測定用コイル及び一以上のコンデンサを含む共振回路と、
前記パルスに対して前記共振回路が出力する応答波形を検出する応答波形検出部と、
前記応答波形検出部で検出された応答波形から前記共振回路のＱ値を測定するＱ値測定部と、を備える
受電装置。
（１８）
電力を非接触で送電する送電装置と、該送電装置からの電力を受電する受電装置を含んで構成され、
前記受電装置は、
前記送電装置の送電コイルと電磁的に結合する受電コイルと、
前記受電コイルを介して前記送電装置から電力を受電する受電部と、
パルスが印加されるＱ値測定用コイルと、
前記Ｑ値測定用コイル及び一以上のコンデンサを含む共振回路と、
前記パルスに対して前記共振回路が出力する応答波形を検出する応答波形検出部と、
前記応答波形検出部で検出された応答波形から前記共振回路のＱ値を測定するＱ値測定部と、を備える
非接触電力伝送システム。
（１９）
Ｑ値測定用コイル及び一以上のコンデンサを含む共振回路にパルスを印加することと、
応答波形検出部により、前記パルスに対して前記共振回路が出力する応答波形を検出することと、
Ｑ値測定部により、前記応答波形検出部で検出された応答波形から前記共振回路のＱ値を測定すること
を含む検知方法。

なお、上述した実施形態例における一連の処理は、ハードウェアにより実行することができるが、ソフトウェアにより実行させることもできる。一連の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが専用のハードウェアに組み込まれているコンピュータ、または、各種の機能を実行するためのプログラムをインストールしたコンピュータにより、実行可能である。例えば汎用のパーソナルコンピュータなどに所望のソフトウェアを構成するプログラムをインストールして実行させればよい。

また、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記録媒体を、システムあるいは装置に供給してもよい。また、そのシステムあるいは装置のコンピュータ（またはＣＰＵ等の制御装置）が記録媒体に格納されたプログラムコードを読み出し実行することによっても、機能が実現されることは言うまでもない。

この場合のプログラムコードを供給するための記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭなどを用いることができる。

また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、上述した実施の形態の機能が実現される。加えて、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳなどが実際の処理の一部又は全部を行う。その処理によって上述した実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。

また、本明細書において、時系列的な処理を記述する処理ステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理（例えば、並列処理あるいはオブジェクトによる処理）をも含むものである。

以上、本開示は上述した各実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の変形例、応用例を取り得ることは勿論である。
すなわち、上述した各実施形態の例は、本開示の好適な具体例であるため、技術的に好ましい種々の限定が付されている。しかしながら、本開示の技術範囲は、各説明において特に本開示を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。例えば、以下の説明で挙げる使用材料とその使用量、処理時間、処理順序および各パラメータの数値的条件等は好適例に過ぎず、また説明に用いた各図における寸法、形状および配置関係も概略的なものである。

１１…Ｑ値測定用コイル、１２…コンデンサ、１６…ＡＤＣ、１７…マイコン、２１…信号源、２２…パルス発生器、２３…抵抗素子、４０…送電装置、４１…送電コイル、４２…コンデンサ、４３…信号源、４４…正弦波発振器、４５…抵抗素子、５０…受電回路、５１…受電コイル、５２…コンデンサ、５３…整流回路、５４…バッテリー、５５…負荷変調部、６０…受電装置、７０…検知回路、７１…ダイオード、７２…コンデンサ、７３…抵抗素子、８０…検知回路、８１…リミッタアンプ、８２…カウンタ

Claims (6)

1. コイルおよび１以上のコンデンサを含む共振回路に対して、信号を印加する信号源と、
   前記信号に対して前記共振回路が出力する応答波形を検出する応答波形検出部と、
   前記応答波形検出部で検出された応答波形から前記共振回路のＱ値を測定するＱ値測定部と、
   前記Ｑ値測定部により測定されたＱ値と、予め設定された基準値と、を比較し、比較結果に基づいて異物の有無を判定する判定部と、を備える
   検知装置。
2. 前記信号源は、
   パルスを発生するパルス発生器と、
   前記パルス発生器で発生したパルスから前記信号を生成して前記共振回路に印加する抵抗素子と、を備える
   請求項１に記載の検知装置。
3. 前記判定部により異物が存在すると判定されると、送電装置から受電装置への非接触での送電を停止させる
   請求項１に記載の検知装置。
4. コイルおよび１以上のコンデンサを含む共振回路に対して、信号を印加する信号源と、
   前記信号に対して前記共振回路が出力する応答波形を検出する応答波形検出部と、
   前記応答波形検出部で検出された応答波形から前記共振回路のＱ値を測定するＱ値測定部と、
   前記Ｑ値測定部により測定されたＱ値と、予め設定された基準値と、を比較し、比較結果に基づいて異物の有無を判定する判定部と、
   判定の結果に応じて受電装置に非接触給電する送電部と、
   を備える
   送電装置。
5. 前記信号源は、
   パルスを発生するパルス発生器と、
   前記パルス発生器で発生したパルスから前記信号を生成して前記共振回路に印加する抵抗素子と、を備える
   請求項４に記載の送電装置。
6. 前記送電部は、前記判定部により異物が存在すると判定されると、前記受電装置への非接触給電を停止する
   請求項４に記載の送電装置。