JP2019097274A - ワイヤレス送電装置、異物検出方法、ワイヤレス充電器 - Google Patents

Abstract

【課題】異物検出可能な送電装置を提供する。【解決手段】送信アンテナ２０１は、直列に接続された共振キャパシタおよび送信コイル２０２を含む。ドライバ２０４は、送信アンテナ２０１に駆動電圧を印加するブリッジ回路２０５を含む。電流センサ２２０は、ブリッジ回路２０５に流れる電流ＩＳを検出する。異物検出器２３０は、ブリッジ回路２０５のスイッチング周波数を変化させながらブリッジ回路２０５に流れる電流ＩＳを検出し、ピークに対して所定比率低い電流を与える２つの周波数ｆＨ、ｆＬの差分にもとづいて、異物の有無を判定する。【選択図】図２

Description

本発明は、ワイヤレス給電技術に関し、特に異物検出に関する。

近年、電子機器へのワイヤレス給電が普及し始めている。異なるメーカーの製品間の相互利用を促進するために、ＷＰＣ（Wireless Power Consortium）が組織され、ＷＰＣにより国際標準規格であるＱｉ（チー）規格が策定された。

Ｑｉ規格にもとづいたワイヤレス給電は、送信コイルと受信コイル間の電磁誘導を利用したものである。給電システムは、送信コイルを有する給電装置と、受信コイルを有する受電端末で構成される。

図１は、Ｑｉ規格に準拠したワイヤレス給電システム１０の構成を示す図である。給電システム１０は、送電装置２０（ＴＸ、Power Transmitter）と受電装置３０（ＲＸ、Power Receiver）と、を備える。受電装置３０は、携帯電話端末、スマートフォン、オーディオプレイヤ、ゲーム機器、タブレット端末などの電子機器に搭載される。

送電装置２０は、送信コイル（１次コイル）２２、ドライバ２４、コントローラ２６、復調器２８を備える。ドライバ２４は、Ｈブリッジ回路（フルブリッジ回路）あるいはハーフブリッジ回路を含み、送信コイル２２に駆動信号Ｓ１、具体的にはパルス信号を印加し、送信コイル２２に流れる駆動電流により、送信コイル２２に電磁界の電力信号Ｓ２を発生させる。コントローラ２６は、送電装置２０全体を統括的に制御するものであり、具体的には、ドライバ２４のスイッチング周波数、あるいはスイッチングのデューティ比を制御することにより、送信電力を変化させる。

Ｑｉ規格では、送電装置２０と受電装置３０の間で通信プロトコルが定められており、受電装置３０から送電装置２０に対して、制御信号Ｓ３による情報の伝達が可能となっている。この制御信号Ｓ３は、後方散乱変調（Backscatter modulation）を利用して、ＡＭ（Amplitude Modulation）変調された形で、受信コイル３２（２次コイル）から送信コイル２２に送信される。この制御信号Ｓ３には、たとえば、受電装置３０に対する電力供給量を制御する電力制御データ（パケットともいう）、受電装置３０の固有の情報を示すデータなどが含まれる。復調器２８は、送信コイル２２の電流あるいは電圧に含まれる制御信号Ｓ３を復調する。コントローラ２６は、復調された制御信号Ｓ３に含まれる電力制御データにもとづいて、ドライバ２４を制御する。

受電装置３０は、受信コイル３２、整流回路３４、平滑コンデンサ３６、変調器３８、負荷４０、コントローラ４２、電源回路４４を備える。受信コイル３２は、送信コイル２２からの電力信号Ｓ２を受信するとともに、制御信号Ｓ３を送信コイル２２に対して送信する。整流回路３４および平滑コンデンサ３６は、電力信号Ｓ２に応じて受信コイル３２に誘起される電流Ｓ４を整流・平滑化し、直流電圧に変換する。

電源回路４４は、送電装置２０から供給された電力を利用して図示しない二次電池を充電し、あるいは直流電圧Ｖ_ＲＥＣＴを昇圧あるいは降圧し、コントローラ４２やその他の負荷４０に供給する。

コントローラ４２は、負荷４０に供給される電力をモニタし、それに応じて、送電装置２０からの電力供給量を制御する電力制御データを生成する。変調器３８は、電力制御データを含む制御信号Ｓ３を変調し、受信コイル３２のコイル電流を変調することにより、送信コイル２２のコイル電流およびコイル電圧を変調する。

この給電システム１０では、送電装置２０と受電端末（電子機器）は、比較的自由な空間に配置されるため、送信コイル２２と受信コイル３２の間、あるいはその近傍に、金属片などの導電性の異物（Foreign Object）が置かれる状況が生じうる。この状態でワイヤレス給電が行われると、異物に電流が流れ、電力損失が発生してしまう。また異物が発熱するという問題がある。かかる状況に鑑みて、ＷＰＣ１．１（System Description Wireless Power Transfer Volume I: Low Power Part 1: Interface Definition Version 1.1）仕様において、異物検出（ＦＯＤ：Foreign Object Detection）が策定された。

このＦＯＤでは、送電装置２００が送出した電力と、受電装置３００が受信した電力と、が比較され、それらの間に許容値を超える不一致が発生した場合に、異物が存在するものと判定される。

現在、中電力向けＱｉ規格（Power Class 0 Extended Power Profile）の策定が進められており、別方式のＦＯＤ方式が模索されている。その中のひとつとして、送信コイル（アンテナ）のＱ値を利用したものが挙げられる。具体的には、送信コイルに異物が近接すると、送信アンテナのＱ値が変化することを利用して、異物の有無を判定しようとするものである。

特開２０１３−３８８５４号公報 特許第５０７１５７４号公報 特開２０１６−１６３４９３号公報

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、異物検出可能な送電装置の提供にある。

本発明のある態様は、ワイヤレス受電装置に電力信号を送信するワイヤレス送電装置に関する。ワイヤレス送電装置は、直列に接続された共振キャパシタおよび送信コイルを含む送信アンテナと、送信アンテナに駆動電圧を印加するブリッジ回路を含むドライバと、ブリッジ回路に流れる電流を検出する電流センサと、ブリッジ回路のスイッチング周波数を変化させながらブリッジ回路に流れる電流を検出し、ピークに対して所定比率低い電流を与える２つの周波数ｆ_Ｈ、ｆ_Ｌの差分にもとづいて、異物の有無を判定する異物検出器と、を備える。

本発明の別の態様は、充電器に関する。充電器は、上述のいずれかのワイヤレス送電装置を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、異物を検出できる。

Ｑｉ規格に準拠したワイヤレス給電システムの構成を示す図である。 実施の形態に係るワイヤレス送電装置を備える給電システムのブロック図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、ブリッジ回路のスイッチング周波数ｆ_ＳＷと電流Ｉ_Ｓの関係を示す図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、比較技術におけるハンド幅Δｆの測定を説明する図である。 異物検出シーケンスの一例を示すフローチャートである。 図５の異物検出シーケンスを説明する波形図である。 異物検出シーケンスの別の一例を示すフローチャートである。 送電装置の構成例を示す回路図である。 図８の送電装置の動作波形図である。 送電装置を備える充電器の回路図である。

（実施の形態の概要）
本明細書の一実施の形態には、ワイヤレス送電装置が開示される。ワイヤレス送電装置は、直列に接続された共振キャパシタおよび送信コイルを含む送信アンテナと、送信アンテナに駆動電圧を印加するブリッジ回路を含むドライバと、ブリッジ回路に流れる電流を検出する電流センサと、ブリッジ回路のスイッチング周波数を変化させながらブリッジ回路に流れる電流を検出し、ピークに対して所定比率低い電流を与える２つの周波数ｆ_Ｈ、ｆ_Ｌの差分にもとづいて、異物の有無を判定する異物検出器と、を備える。

ブリッジ回路に流れる電流のスイッチング周波数の依存性（単に周波数特性という）、たとえばピークを与えるセンター周波数やバンド幅は、送信アンテナの周囲の状況に応じて変化するため、ブリッジ回路に流れる電流の周波数特性を検出することで、異物を検出できる。ここで、電流の周波数特性はセンター周波数に対して必ずしも対称であるとは限らず、むしろ非対称性を有する場合もある。この態様によれば、２つの周波数ｆ_Ｈ，ｆ_Ｌの差分を取得することで、周波数特性の非対称性を考慮することができ、異物検出の精度を高めることができる。

異物検出器は、（i）送信アンテナの共振周波数より低い周波数をスタートとして、ブリッジ回路のスイッチング周波数をスイープアップしながら、電流がピークとなる周波数ｆ_０およびそのときの電流値Ｉ_ＭＡＸを取得し、（ii）電流値Ｉ_ＭＡＸに所定比率を乗じた電流Ｉ_ＬＯＷを算出し、（iii）さらにスイッチング周波数をスイープアップしながら、検出電流が電流Ｉ_ＬＯＷとなったときの周波数ｆ_Ｈを取得してもよい。続いて（iv）スイッチング周波数をスイープダウンしながら、検出電流が電流Ｉ_ＬＯＷとなったときの周波数ｆ_Ｌを取得してもよい。

異物検出器は、（i）送信アンテナの共振周波数より高い周波数をスタートとして、ブリッジ回路のスイッチング周波数をスイープダウンしながら、電流がピークとなる周波数ｆ_０およびそのときの電流値Ｉ_ＭＡＸを取得し、（ii）電流値Ｉ_ＭＡＸに所定比率を乗じた電流Ｉ_ＬＯＷを算出し、（iii）さらに前記スイッチング周波数をスイープダウンしながら、検出電流が電流Ｉ_ＬＯＷとなったときの周波数ｆ_Ｌを取得してもよい。（iv）続いて、スイッチング周波数をスイープアップしながら、検出電流が電流Ｉ_ＬＯＷとなったときの周波数ｆ_Ｈを取得してもよい。

所定比率は、１／√２であってもよい。

異物検出器は、Ｑ＝ｆ_０／（ｆ_Ｈ−ｆ_Ｌ）にしたがいＱ値を算出し、算出したＱ値と所定のしきい値の比較結果にもとづいて、異物の有無を判定してもよい。

異物検出器は、ワイヤレス受電装置からしきい値を受信してもよい。

電流センサは、ＤＣ電源からブリッジ回路の上側電源端子に流入する電流を検出してもよい。この場合、電流を直流に近い信号として測定できるため、精度を高めることができる。特にブリッジ回路の上側電源端子に平滑キャパシタが接続される場合、この効果は顕著である。

電流センサは、ブリッジ回路の下側電源端子から接地に流出する電流を検出してもよい。この場合、電流を直流に近い信号として測定できるため、精度を高めることができる。

電流センサは、検出対象の電流の経路上に設けられた検出抵抗と、検出抵抗の電圧降下を増幅するセンスアンプと、センスアンプの出力を受けるローパスフィルタと、ローパスフィルタの出力をデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータと、を含んでもよい。

電流センサは、送信電力を算出するために必要な電流を検出する電流検出回路と共用されてもよい。この場合、追加のハードウェアをさらに削減できる。

（実施の形態）
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図２は、実施の形態に係るワイヤレス送電装置を備える給電システム１００のブロック図である。給電システム１００は、送電装置２００（ＴＸ、Power Transmitter）と受電装置３００（ＲＸ、Power Receiver）と、を備える。受電装置３００は、携帯電話端末、スマートフォン、オーディオプレイヤ、ゲーム機器、タブレット端末などの電子機器に搭載される。

送電装置２００は、たとえば充電台を有する充電器に搭載される。送電装置２００は、送信コイル（１次コイル）２０２、ドライバ２０４、コントローラ２０６、復調器２０８、ＤＣ電源２１０、電流センサ２２０を備える。

ドライバ２０４は、Ｈブリッジ回路（フルブリッジ回路）あるいはハーフブリッジ回路を含み、送信コイル２０２に駆動信号Ｓ１、具体的にはパルス信号を印加し、送信コイル２０２に流れる駆動電流により、送信コイル２０２に電磁界の電力信号Ｓ２を発生させる。本実施の形態では、ハーフブリッジ回路２０５が使用される。ハーフブリッジ回路２０５の上側電源端子Ｐ１には、ＤＣ電源２１０からの電源電圧Ｖ_ＤＤが供給され、下側電源端子Ｐ２は接地される。上側電源端子Ｐ１には平滑キャパシタＣ_Ｓが接続される。

コントローラ２０６は、送電装置２００全体を統括的に制御するものであり、具体的には、ドライバ２０４のスイッチング周波数ｆ_ＳＷ、あるいはスイッチングのデューティ比を制御することにより、送信電力を変化させる。コントローラ２０６の機能、構成については、後述する異物検出器２３０に関するものを除いて、公知技術を用いればよいため、説明を省略する。

Ｑｉ規格では、送電装置２００と受電装置３００の間で通信プロトコルが定められており、受電装置３００から送電装置２００に対して、制御信号Ｓ３による情報の伝達が可能となっている。この制御信号Ｓ３は、後方散乱変調（Backscatter modulation）を利用して、ＡＭ（Amplitude Modulation）変調された形で、受信コイル３０２（２次コイル）から送信コイル２０２に送信される。この制御信号Ｓ３には、たとえば、受電装置３００に対する電力供給量を制御する電力制御データ（パケットともいう）、受電装置３００の固有の情報を示すデータなどが含まれる。また制御信号Ｓ３には、送信アンテナ２０１のＱ値の適正範囲を規定するしきい値が含まれてもよい。

復調器２０８は、送信コイル２０２の電流あるいは電圧に含まれる制御信号Ｓ３を復調する。コントローラ２０６は、復調された制御信号Ｓ３に含まれる電力制御データにもとづいて、ドライバ２０４を制御する。

続いて、送電装置２００における異物検出（ＦＯＤ）について説明する。
ＦＯＤに関して、送電装置２００は、電流センサ２２０およびコントローラ２０６の異物検出器（Foreign Object Detector）２３０を備える。

電流センサ２２０は、ブリッジ回路２０５に流れる電流Ｉ_Ｓを検出し、検出した電流量を示す電流検出値Ｓ４を生成する。電流検出値Ｓ４は、コントローラ２０６の異物検出器２３０に入力される。「ブリッジ回路に流れる電流」とは、ブリッジ回路の入力電流もしくは、いずれかのアームに流れる電流を含み、出力電流、すなわちアンテナに流れるコイル電流は含まない。またブリッジ回路の入力電流は、ブリッジ回路２０５の上側電源端子に流入する電流、下側電源端子から流出する電流を含む。

受電装置３００への送電開始前に、以下の異物検出処理を実行する。
具体的には異物検出器２３０は、ブリッジ回路２０５のスイッチング周波数ｆ_ＳＷを変化させながらブリッジ回路２０５に流れる電流Ｉ_Ｓを検出し、その結果にもとづいて異物の有無を判定する。より詳しくは、ピーク電流に対して所定比率低い電流を与える２つの周波数ｆ_Ｈ、ｆ_Ｌの差分（ｆ_Ｈ−ｆ_Ｌ）にもとづいて、異物の有無を判定する。

以上が送電装置２００の基本構成である。続いて異物検出器２３０の原理、動作を説明する。

図３（ａ）、（ｂ）は、ブリッジ回路２０５のスイッチング周波数ｆ_ＳＷと電流Ｉ_Ｓの関係を示す図である。本発明者は、ブリッジ回路２０５に流れる電流Ｉ_Ｓのスイッチング周波数依存性（周波数特性という）について検討したところ、たとえばピークＩ_ＭＡＸを与えるセンター周波数ｆ_０、やバンド幅Δｆが、送信アンテナ２０１の周囲の状況に応じて変化することを認識するに至った。図３（ａ）は送信アンテナ２０１の周囲に金属片などの異物が存在しない場合、図３（ｂ）は異物が存在する場合の一例を示す。ｆ_Ｒは、送信アンテナ２０１単体の共振周波数であり、異物が存在しない状況では、ｆ_０＝ｆ_Ｒとなる。異物が存在すると、ピークを与える周波数がｆ_Ｒからシフトする。

バンド幅Δｆは、ピークＩ_ＭＡＸに対して所定比率、低い電流量Ｉ_Ｓを与える２つのスイッチング周波数ｆ_Ｈ，ｆ_Ｌの差分であり、式（１）で定義される。
Δｆ＝｜ｆ_Ｈ−ｆ_Ｌ｜ …（１）
所定比率は、１／√２、１／２、１／ｅなどを使用しうるが、電気通信の分野では１／√２を採るのが通常である。異物はバンド幅Δｆを変化させる。

図２の送電装置２００によれば、電流センサ２２０により、ブリッジ回路２０５に流れる電流Ｉ_Ｓの周波数特性を検出し、周波数特性の変化を監視することにより、異物を検出することができる。

この方法によれば、ブリッジ回路２０５に流れる電流Ｉ_Ｓを測定すれば足りるため、異物検出器２３０の回路構成を従来よりも著しく簡略化し、コストを下げることができる。

送電装置２００のさらなる利点は比較技術との対比によって明確となる。比較技術では、２つの周波数ｆ_Ｈ，ｆ_Ｌのうち一方のみ（ここではｆ_Ｈとする）を検出し、電流ピークを与えるセンター周波数ｆ_０との差分を２倍することによりバンド幅Δｆを取得する。
Δｆ＝２×（ｆ_Ｈ−ｆ_０） …（２）

図４（ａ）、（ｂ）は、比較技術におけるハンド幅Δｆの測定を説明する図である。図４（ａ）に示すように、異物によって、電流の周波数特性がセンター周波数ｆ_０に対して左右対称である場合、式（２）が成り立つ。ところが図４（ｂ）に示すように、電流の周波数特性が左右対称でない場合、式（２）で計算されるバンド幅Δｆは、実際のバンド幅と一致しない。このことは、異物を正確に検出できないことを意味する。

実施の形態に戻る。実施の形態に係る送電装置２００によれば、図４（ｂ）に示すように、電流の周波数特性に左右非対称性が現れた場合においても、バンド幅Δｆを正確に測定することができ、したがって異物を正確に検出することができる。

Ｑｉ規格に準拠した送電装置２００においては、送信アンテナ２０１のＱ値にもとづいて、異物を検出してもよい。
Ｑ＝ｆ_０／Δｆ＝ｆ_０／（ｆ_Ｈ−ｆ_Ｌ） …（３）

図５は、異物検出シーケンスの一例を示すフローチャートである。送信アンテナ２０１の共振周波数ｆ_Ｒより低い所定の周波数ｆ_Ｓをスタート周波数とし、スイッチング周波数ｆ_ＳＷをスイープアップする（Ｓ１００）。

スイープアップの過程において、周波数ｆ_０およびそのときの電流値Ｉ_ＭＡＸを取得する（Ｓ１０２）。続いて、ピーク電流値Ｉ_ＭＡＸに所定比率１／√２を乗じた電流Ｉ_ＬＯＷを算出する（Ｓ１０４）。（iii）さらにスイッチング周波数ｆ_ＳＷをスイープアップしながら、検出電流Ｉ_Ｓが算出した電流Ｉ_ＬＯＷとなったときの周波数ｆ_Ｈを取得する（Ｓ１０６）。

続いて周波数スイープの方向を切りかえ、スイッチング周波数ｆ_ＳＷをスイープダウンさせる（Ｓ１０８）。そして検出電流Ｉ_Ｓが電流Ｉ_ＬＯＷとなったときの周波数ｆ_Ｌを取得する（Ｓ１１０）。そして３つの周波数ｆ_０，ｆ_Ｈ，ｆ_ＬからＱ値を算出する（Ｓ１１２）。

異物検出器２３０はこのように得られたＱ値にもとづいて、異物の有無を判定する（Ｓ１１４）。より具体的には異物検出器２３０は、算出したＱ値と所定のしきい値の比較結果にもとづいて、異物の有無を判定することができる。ここで異物検出器２３０は、所定のしきい値を、ワイヤレス受電装置から受信してもよい。以上が異物検出のフローである。

なお、スイープダウン（Ｓ１０８）の開始周波数は、ｆ_Ｈとしてもよいし、ｆ_０としてもよいし、それらとは無関係に規定した所定値であってもよい。

図６は、図５の異物検出シーケンスを説明する波形図である。スイッチング周波数ｆ_ＳＷを上昇させると、検出電流Ｉ_Ｓの振幅が増大していく。そしてあるスイッチング周波数ｆ_０で検出電流Ｉ_ＳはピークＩ_ＭＡＸをとる。さらにスイッチング周波数ｆ_ＳＷを上昇させると、検出電流Ｉ_Ｓは減少していき、やがてＩ_ＭＡＸ／√２まで低下する。このときのスイッチング周波数がｆ_Ｈである。スイッチング周波数ｆ_ＳＷをスイープダウンさせることで、Ｉ_Ｓ＝Ｉ_ＭＡＸ／√２となるもうひとつの周波数ｆ_Ｌが検出される。ｆ_Ｈ−ｆ_Ｌがバンド幅Δｆとなる。

図７は、異物検出シーケンスの別の一例を示すフローチャートである。図７のシーケンスは、図５のシーケンスのスイープの方向を反転させたものである。送信アンテナ２０１の共振周波数ｆ_Ｒより高い所定の周波数ｆ_Ｓをスタート周波数とし、スイッチング周波数ｆ_ＳＷをスイープダウンする（Ｓ２００）。

スイープダウンの過程において、周波数ｆ_０およびそのときの電流値Ｉ_ＭＡＸを取得する（Ｓ２０２）。続いて、ピーク電流値Ｉ_ＭＡＸに所定比率１／√２を乗じた電流Ｉ_ＬＯＷを算出する（Ｓ２０４）。（iii）さらにスイッチング周波数ｆ_ＳＷをスイープダウンしながら、検出電流Ｉ_Ｓが算出した電流Ｉ_ＬＯＷとなったときの周波数ｆ_Ｌを取得する（Ｓ２０６）。

続いて周波数スイープの方向を切りかえ、スイッチング周波数ｆ_ＳＷをスイープアップさせる（Ｓ２０８）。そして検出電流Ｉ_Ｓが電流Ｉ_ＬＯＷとなったときの周波数ｆ_Ｈを取得する（Ｓ２１０）。そして３つの周波数ｆ_０，ｆ_Ｈ，ｆ_ＬからＱ値を算出する（Ｓ２１２）。異物検出器２３０はこのように得られたＱ値にもとづいて、異物の有無を判定する（Ｓ２１４）。

続いて送電装置２００の具体的な構成例を説明する。図８は、送電装置２００の構成例を示す回路図である。

電流センサ２２０は、ＤＣ電源２１０からブリッジ回路２０５の上側電源端子Ｐ１に流入する電流（入力電流という）Ｉ_Ｓを検出対象とする。電流センサ２２０は、検出対象の電流Ｉ_Ｓの経路上に設けられた検出抵抗Ｒ_Ｓと、検出抵抗Ｒ_Ｓの電圧降下Ｖ_Ｓを増幅するセンスアンプ２２２と、センスアンプ２２２の出力を受けるローパスフィルタ２２４と、ローパスフィルタ２２４の出力をデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータ２２６と、を備える。上側電源端子Ｐ１には平滑キャパシタＣ_Ｓが接続されており、したがって電流センサ２２０は、平滑キャパシタＣ_Ｓに流れ込む電流Ｉ_Ｓを測定しているものと把握することもできる。入力電流Ｉ_Ｓを検出対象とすることで、保護動作の観点からも有利である。

送電装置２００には、自身の送信電力を算出する機能を具備する場合が多く、従来の送電装置も、電力算出のために電流検出のための回路を備えている。この場合、そこで電流センサ２２０は、電力算出のための電流検出回路と共用（流用）することができる。

図９は、図８の送電装置２００の動作波形図である。図９には、送信アンテナ２０１に流れる電流Ｉ_ＣＯＩＬと、ブリッジ回路２０５への入力電流Ｉ_Ｓ、ローパスフィルタ２２４の出力信号Ｓ５が示される。

理論的には、入力電流Ｉ_Ｓは、ブリッジ回路２０５のハイサイドトランジスタがオンの期間のコイル電流Ｉ_ＣＯＩＬに相当するため、入力電流Ｉ_Ｓは半波形であるが、ブリッジ回路２０５の上側電源端子Ｐ１（ＤＣ電源２１０の出力）には、平滑用のキャパシタＣ_Ｓが接続されるため、入力電流Ｉ_Ｓは、コイル電流Ｉ_ＣＯＩＬの振幅に応じたＤＣ成分と、スイッチング周波数ｆ_ＳＷに応じた交流成分の和となる。ローパスフィルタ２２４によって、スイッチング周波数ｆ_ＳＷに応じた交流成分を除去することにより、ＤＣ成分、すなわちコイル電流Ｉ_ＣＯＩＬを検出できる。

続いて送電装置２００の用途を説明する。図１０は、送電装置２００を備える充電器４００の回路図である。充電器４００は、受電装置３００を備える電子機器５００を充電する。充電器４００は、筐体４０２、充電台４０４、回路基板４０６、を備える。給電対象の電子機器は、充電台４０４上に載置される。ドライバ２０４やコントローラ２０６その他の回路部品は、回路基板４０６上に実装される。送信アンテナ２０１は、充電台４０４の直下にレイアウトされる。充電器４００は、ＡＣ／ＤＣコンバータ４１０により直流電圧を受けてもよいし、ＡＣ／ＤＣコンバータを内蔵してもよい。あるいは充電器４００は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）などの給電線を備えるバスを介して、外部からＤＣ電力の供給を受けてもよい。

実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。

（第１の変形例）
電流センサ２２０が監視する電流は、ブリッジ回路の入力電流Ｉ_Ｓには限定されない。たとえばブリッジ回路２０５よりも接地側に検出抵抗Ｒ_Ｓを挿入してもよい。ただし、接地側で電流を測定する場合には、平滑キャパシタＣ_Ｓによる電流の平滑化の効果が期待できなないため、追加の回路および信号処理が必要となる場合もある。ただしこの場合であっても、ブリッジ回路２０５の出力電流（つまりコイル電流Ｉ_ＣＯＩＬ）を測定する場合に比べれば、回路構成および信号処理を簡略化できるというメリットは享受できる。

また、検出抵抗Ｒ_Ｓを挿入する代わりに、ブリッジ回路２０５のスイッチングトランジスタ（ハイサイドトランジスタまたはローサイドトランジスタ）のオン抵抗を利用してもよい。ただし、スイッチングトランジスタのオン抵抗を利用する場合、ブリッジ回路の内部電流を測定することになるため、平滑キャパシタＣ_Ｓによる電流の平滑化の効果が期待できず、追加の回路および信号処理が必要となる場合もある。ただしこの場合であっても、ブリッジ回路２０５の出力電流（つまりコイル電流Ｉ_ＣＯＩＬ）を測定する場合に比べれば、回路構成および信号処理を簡略化できるというメリットは享受できる。

（第２の変形例）
実施の形態では、ハーフブリッジ回路のドライバ２０４について説明したが、Ｈブリッジ回路にも適用可能である。

（第３の変形例）
実施の形態では、Ｑ値にもとづいて異物検出する場合を説明したが、本発明はそれには限定されない。Ｑｉ規格以外の、将来策定されるであろう規格においては、Ｑ値によらずに、センター周波数ｆ_０や、バンド幅Δｆの変化、それらの組み合わせにもとづいて、異物を検出しうる。

（第４の変形例）
送電装置２００を、図５や図７のシーケンスにしたがう動作モード（第１モード）と、比較技術で説明した動作モード（第２モード）を切り替え可能に構成してもよい。動作モードの選択は、送電装置２００の起動時にコントローラ２０６に対して上位のホストプロセッサから与えるパラメータにもとづいてもよい。あるいは送電装置２００が、２つのモードを動的に切りかえてもよい。異物検出のシーケンスを実行する間は通常の給電が妨げられるところ、常に第１モードで動作させると、異物検出に要する時間、すなわち給電不能の期間が長くなる。そこで第１モードと第２モードを交互に、あるいは所定の比率で切りかえることにより、給電不能期間と異物検出の精度のバランスをとることができる。

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００…給電システム、２００，ＴＸ…送電装置、２０１…送信アンテナ、２０２…送信コイル、２０４…ドライバ、２０５…ブリッジ回路、２０６…コントローラ、２０８…復調器、２１０…ＤＣ電源、２２０…電流センサ、２２２…センスアンプ、２２４…ローパスフィルタ、２２６…Ａ／Ｄコンバータ、２３０…異物検出器、３００，ＲＸ…受電装置、３０２…受信コイル、Ｓ１…駆動信号、Ｓ２…電力信号、Ｓ３…制御信号、Ｓ４…電流検出値、４００…充電器、４０２…筐体、４０４…充電台、４０６…回路基板、５００…電子機器。

Claims (14)

1. ワイヤレス受電装置に電力信号を送信するワイヤレス送電装置であって、
   直列に接続された共振キャパシタおよび送信コイルを含む送信アンテナと、
   前記送信アンテナに駆動電圧を印加するブリッジ回路を含むドライバと、
   前記ブリッジ回路に流れる電流を検出する電流センサと、
   前記ブリッジ回路のスイッチング周波数を変化させながら前記ブリッジ回路に流れる前記電流を検出し、ピークに対して所定比率低い電流を与える２つの周波数ｆ_Ｈ、ｆ_Ｌの差分にもとづいて、異物の有無を判定する異物検出器と、
   を備えることを特徴とするワイヤレス送電装置。
2. 前記異物検出器は、
   （i）前記送信アンテナの共振周波数より低い周波数をスタートとして、前記ブリッジ回路のスイッチング周波数をスイープアップしながら、電流がピークとなる周波数ｆ_０およびそのときの電流値Ｉ_ＭＡＸを取得し、
   （ii）電流値Ｉ_ＭＡＸに前記所定比率を乗じた電流Ｉ_ＬＯＷを算出し、
   （iii）さらに前記スイッチング周波数をスイープアップしながら、検出電流が前記電流Ｉ_ＬＯＷとなったときの周波数ｆ_Ｈを取得し、
   （iv）続いて前記スイッチング周波数をスイープダウンしながら、検出電流が前記電流Ｉ_ＬＯＷとなったときの周波数ｆ_Ｌを取得することを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス送電装置。
3. 前記異物検出器は、
   （i）前記送信アンテナの共振周波数より高い周波数をスタートとして、前記ブリッジ回路のスイッチング周波数をスイープダウンしながら、電流がピークとなる周波数ｆ_０およびそのときの電流値Ｉ_ＭＡＸを取得し、
   （ii）電流値Ｉ_ＭＡＸに前記所定比率を乗じた電流Ｉ_ＬＯＷを算出し、
   （iii）さらに前記スイッチング周波数をスイープダウンしながら、検出電流が前記電流Ｉ_ＬＯＷとなったときの周波数ｆ_Ｌを取得し、
   （iv）続いて前記スイッチング周波数をスイープアップしながら、検出電流が前記電流Ｉ_ＬＯＷとなったときの周波数ｆ_Ｈを取得することを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス送電装置。
4. 前記所定比率は、１／√２であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス送電装置。
5. 前記異物検出器は、Ｑ＝ｆ_０／（ｆ_Ｈ−ｆ_Ｌ）にしたがいＱ値を算出し、算出したＱ値にもとづいて異物の有無を判定することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のワイヤレス送電装置。
6. 前記異物検出器は、算出したＱ値と所定のしきい値の比較結果にもとづいて、異物の有無を判定することを特徴とする請求項５に記載のワイヤレス送電装置。
7. 前記異物検出器は、前記ワイヤレス受電装置から前記しきい値を受信することを特徴とする請求項６に記載のワイヤレス送電装置。
8. 前記電流センサは、ＤＣ電源から前記ブリッジ回路の上側電源端子に流入する電流を検出することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のワイヤレス送電装置。
9. 前記ブリッジ回路の上側電源端子に接続された平滑キャパシタをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載のワイヤレス送電装置。
10. 前記電流センサは、
    検出対象の電流の経路上に設けられた検出抵抗と、
    前記検出抵抗の電圧降下を増幅するセンスアンプと、
    前記センスアンプの出力を受けるローパスフィルタと、
    前記ローパスフィルタの出力をデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータと、
    を含むことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のワイヤレス送電装置。
11. 前記電流センサは、送信電力を算出するために必要な電流を検出する電流検出回路と共用されることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のワイヤレス送電装置。
12. Ｑｉ規格に準拠したことを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のワイヤレス送電装置。
13. 直列に接続された共振キャパシタおよび送信コイルを含む送信アンテナと、
    前記送信アンテナに駆動電圧を印加するブリッジ回路を含むドライバと、
    前記ブリッジ回路に流れる電流を検出する電流センサと、
    前記ブリッジ回路のスイッチング周波数を変化させながら前記ブリッジ回路に流れる前記電流を検出し、ピークに対して所定比率低い電流を与える２つの周波数ｆ_Ｈ、ｆ_Ｌの差分にもとづいて、異物の有無を判定する異物検出器と、
    を備えることを特徴とするワイヤレス充電器。
14. ワイヤレス受電装置における異物検出方法であって、
    前記ワイヤレス受電装置は、
    直列に接続された共振キャパシタおよび送信コイルを含む送信アンテナと、
    前記送信アンテナに駆動電圧を印加するブリッジ回路と、
    を含み、
    前記異物検出方法は、
    前記ブリッジ回路のスイッチング周波数を変化させながら前記ブリッジ回路に流れる電流を検出するステップと、
    ピークに対して所定比率低い電流を与える２つの周波数ｆ_Ｈとｆ_Ｌの差分にもとづいて、異物の有無を判定するステップと、
    を備えることを特徴とする異物検出方法。

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