JP5915953B2 - 異物検出装置、送電装置、受電装置、および無線電力伝送システム - Google Patents

Description

本開示は、コイルに近接した異物を検出する異物検出装置に関する。また、本開示は、このような異物検出装置を備え、かつ、非接触で電力を伝送する無線電力伝送のための送電装置および受電装置ならび無線電力伝送システムにも関する。

近年、携帯電話機や電気自動車などの移動性を伴う電子機器やＥＶ機器において、無線充電を行うために、コイル間の誘導結合を用いた無線電力伝送技術の開発が進んでいる。無線電力伝送システムは、送電コイル（送電アンテナ）を備えた送電装置と、受電コイル（受電アンテナ）を備えた受電装置とを含み、送電コイルによって生じた磁界を受電コイルが捕捉することにより、電極を直接に接触させることなく電力を伝送することができる。

特許文献１は、このような無線電力伝送システムの一例を開示している。

特開２０１２−２４４７３２号公報

無線電力伝送システムにおいて、電力伝送を行う際に送電コイルまたは受電コイルに金属異物が近接すると、金属異物に渦電流が発生し、加熱させるリスクを生じる。また、電力伝送中に送電コイルまたは受電コイルに人体などが近接すると、人体に誘導電流が発生するリスクを生じる。従って、コイルに近接した金属や人体などの異物検出は、安全かつ高効率に無線電力伝送をするために必須の機能である。

このような課題に対し、特許文献１は、２次側コイルと電磁的に結合する１次側コイルを含む回路の１次側Ｑ値を測定し、電力伝送効率を１次側コイルのＱ値で補正し、得られた補正値に基づいて２次側コイルとの電磁結合している状態を検知することを開示している。

しかし、特許文献１の方法では、Ｑ値測定のために交流電圧を用いており、交流成分の変化のみを指標としてコイルに近接した異物を検出するため、異物の検出感度が低いという課題がある。

本開示の実施形態は、コイルに近接した金属や人体などの異物を高い感度で検出できる異物検出装置を提供する。また、本開示の実施形態は、そのような異物検出装置を備える無線電力伝送のための送電装置および受電装置、ならびに無線電力伝送システムを提供する。

上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係る異物検出装置は、コイルおよび共振コンデンサを有し、正のサイクルおよび負のサイクルを有する交流成分と直流成分とを含む電圧を出力するように構成された発振回路と、前記コイルに異物が接近したときに前記発振回路から出力される前記電圧における前記交流成分の変化と前記直流成分の変化とを検知する電気回路と、を備えている。

上述の一般的かつ特定の態様は、システム、方法およびコンピュータプログラムを用いて実装され、またはシステム、方法およびコンピュータプログラムの組み合わせを用いて実現され得る。

本開示の実施形態によれば、金属や人体などの異物がコイルに近接した際の、電圧の交流成分（正のサイクルおよび／または負のサイクル）の変化に加え、さらに、直流成分の変化を検知することで、コイルに近接した異物を高い感度で検出できる。

本開示の実施形態１に係る異物検出装置の概略構成を示す回路図である。 発振回路１００の出力端Ｘにおける出力電圧Ｖｉｎ＿Ｘの時間変化の一例を示す図である。 本開示の実施形態２に係る異物検出装置の概略構成を示す回路図である。 本開示の実施形態３に係る異物検出装置における発振回路の概略構成を示す回路図である。 発振回路における端子Ａ−Ｂ間の第１の接続例を示す図である。 発振回路における端子Ａ−Ｂ間の第２の接続例を示す図である。 発振回路における端子Ａ−Ｂ間の第３の接続例を示す図である。 発振回路における端子Ａ−Ｂ間の第４の接続例を示す図である。 本開示の実施形態４に係る異物検出装置における発振回路の概略構成の一例を示す回路図である。 実施形態４における第１の回路例および動作を説明するための図である。（ａ）は回路構成を示し、（ｂ）は点Ｘにおける電圧Ｖｉｎ＿Ｘの時間変化の一例を示し、（ｃ）はコイル１１０に金属異物が近接したときの電圧Ｖｉｎ＿Ｘの時間変化の一例を示している。 実施形態４における第２の回路例および動作を説明するための図である。（ａ）は回路構成を示し、（ｂ）は点Ｘ’における電圧Ｖｉｎ＿Ｘ’の時間変化の一例を示し、（ｃ）はコイル１１０に金属異物が近接したときの電圧Ｖｉｎ＿Ｘ’の時間変化の一例を示している。 実施形態４における第３の回路例および動作を説明するための図である。（ａ）は回路構成を示し、（ｂ）は点Ｘ’における電圧Ｖｉｎ＿Ｘ’の時間変化の一例を示し、（ｃ）はコイル１１０に金属異物が近接したときの電圧Ｖｉｎ＿Ｘ’の時間変化の一例を示している。 実施形態４の変形例を示す図である。 本開示の実施形態５に係る異物検出装置の概略構成を示す回路図である。 本開示の実施形態６に係る無線電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。 実施形態６における送電装置の処理の一例を示すフローチャートである。 本開示の実施形態７に係る無線電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。 実施形態７における受電装置の処理の一例を示すフローチャートである。 本開示の第１の実施例における測定結果を示す図である。 本開示の第２の実施例におけるシミュレーション結果を示す図である。 本開示の第２の実施例におけるシミュレーション結果を示す図である。

上述のように、無線電力伝送システムにおいては、コイルに近接した金属や人体（動物を含む）などの異物を確実に検出する必要がある。この要請に対し、特許文献１に代表される従来の検知回路では、金属異物がコイルに近接したときに発振電圧の交流成分が変化する点に着目した判定方法が主流であった。本願の実施形態では、異物がコイルに近接したときに、発振電圧の交流成分に加えて直流成分も変化するように発振回路を構成し、交流成分および直流成分の両方の変化を測定可能な測定回路が用いられる。このような構成により、本開示の実施形態では、コイルに近接した異物を高い感度で検出できる。また、本開示の実施形態は、そのような異物検出装置を備える無線電力伝送のための送電装置および受電装置、ならびに無線電力伝送システムを実現できる。

本願の実施形態の概要は、以下の通りである。

（１）本開示の一態様に係る異物検出装置は、コイルおよび共振コンデンサを有し、正のサイクルおよび負のサイクルを有する交流成分と直流成分とを含む電圧を出力するように構成された発振回路と、前記コイルに異物が接近したときに前記発振回路から出力される前記電圧における前記交流成分の変化と前記直流成分の変化とを検知する電気回路とを備えている。

（２）ある実施形態において、前記電気回路は、前記発振回路から出力された前記電圧を整流して出力する整流回路を備え、前記整流回路は、前記正のサイクルの電圧を整流する第１の整流素子と、前記直流成分を低下させる第１のコンデンサと、前記直流成分を低下させることによって０よりも小さくなった前記負のサイクルの電圧を整流する第２の整流素子と、を有する。

（３）ある実施形態において、前記整流回路は、前記第１の整流素子から出力された電圧を平滑化する第２のコンデンサをさらに有し、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの分圧比をＵとするとき、０＜Ｕ≦０．５を満足する。

（４）ある実施形態において、前記電気回路は、前記発振回路から出力される電圧を直接的あるいは間接的に測定する測定回路をさらに備える。

（５）ある実施形態において、前記電気回路は、前記整流回路から出力される電圧を測定する測定回路をさらに備える。

（６）ある実施形態において、前記発振回路は、前記発振回路から出力される前記電圧を低下させるように配置された抵抗Ｒｄをさらに有し、前記抵抗Ｒｄは、前記異物が前記コイルから十分に離れている場合において、前記測定回路に入力される電圧が、前記測定回路の測定可能範囲内に収まり、かつ、前記コイルよりも大きい異物がコイルに密着した場合に、前記電圧が、前記測定可能範囲の下限値以上に収まるように設定されている。

（７）ある実施形態において、前記測定回路は、前記測定回路に入力される電圧と所定の基準電圧との差が、所定の閾値以上のとき、前記異物が存在することを示す情報を出力する。

（８）ある実施形態において、前記共振コンデンサを第１の共振コンデンサとするとき、前記発振回路は、前記第１の共振コンデンサの容量とは異なる容量を有する第２の共振コンデンサをさらに備え、前記第１の共振コンデンサの一方の電極は、前記コイルおよび前記発振回路の出力端子に接続されており、前記第１および第２の共振コンデンサは、前記コイルに対して並列に接続されている。

（９）ある実施形態において、前記第１の共振コンデンサの容量をＣｘ、前記第２の共振コンデンサの容量をＣｙ＝αＣｘとするとき、αは１≦α＜１００の範囲内の値に設定されている。

（１０）ある実施形態において、前記第１の共振コンデンサの容量をＣｘ、前記第２の共振コンデンサの容量をＣｙ＝αＣｘとするとき、αは０．０１≦α＜１の範囲内の値に設定されている。

（１１）ある実施形態において、前記コイルは、無線で電力を送出する送電コイルとしても機能するように構成され、前記異物検出装置は、前記コイルと前記発振回路との間の電気的接続を切替えるスイッチをさらに備え、前記スイッチは、異物検出モードでは前記コイルと前記発振回路とを電気的に接続し、送電モードでは前記コイルと前記発振回路とを電気的に切断するように構成されている。

（１２）ある実施形態において、前記コイルは、無線で電力を受け取る受電コイルとしても機能するように構成され、前記異物検出装置は、前記コイルと前記発振回路との間の電気的接続を切替えるスイッチをさらに備え、前記スイッチは、異物検出モードでは前記コイルと前記発振回路とを電気的に接続し、送電モードでは前記コイルと前記発振回路とを電気的に切断するように構成されている。

（１３）本開示の他の態様に係る送電装置は、電力を無線で送出する送電装置であって、上記（１）から（１１）のいずれかに記載の異物検出装置と、前記異物検出装置の検出結果に応じて送電周波数および送電電圧を決定する制御回路と、を備える。

（１４）本開示の他の態様に係る受電装置は、送電装置から無線で送出された電力を受け取る受電装置であって、上記（１）から（１０）、または（１２）に記載の異物検出装置と、前記異物検出装置の検出結果に応じて送電制御のための情報を生成して出力する制御回路と、を備える。

（１５）本開示の他の態様に係る無線電力伝送システムは、電力を無線で送出する送電装置と、前記送電装置から送出された前記電力を受け取る受電装置と、を備え、前記送電装置は、上記（１３）に記載の送電装置である。

（１６）本開示の他の態様に係る無線電力伝送システムは、電力を無線で送出する送電装置と、前記送電装置から送出された前記電力を受け取る受電装置と、を備え、前記受電装置は、上記（１４）に記載の受電装置である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、同様の構成要素については同一の符号を付している。

（実施形態１）
図１は、本開示の実施形態１に係る異物検出装置の概略構成を示す回路図である。この異物検出装置は、例えば無線電力伝送システムの送電装置または受電装置において、金属や人体（動物を含む）などの異物の近接を検出する用途で用いられ得る。異物検出装置は、所定の周期で振動する電圧を出力する発振回路１００と、発振回路１００から出力された電圧を測定する測定回路３００を含む電気回路１５０とを備えている。発振回路１００は、コイル１１０および共振コンデンサＣｘ、Ｃｙを有し、正のサイクルおよび負のサイクルを含む交流成分、および直流成分（本明細書において、「直流電圧」と称することがある。）を含む電圧を出力するように構成されている。この電圧の変化を測定回路３００が測定することにより、コイル１１０および共振コンデンサＣｘ、Ｃｙへの金属や人体などの異物の近接を検出することができる。以下、金属異物の検出に焦点を絞って説明する。

図２は、発振回路１００が異物検出動作のために発振しているときの出力端Ｘからの出力電圧Ｖｉｎ＿Ｘ（以下、「発振波形」と称することがある。）の時間変化の一例を示す図である。図１に示す回路構成では、電圧Ｖｉｎ＿Ｘの波形は、ある電圧Ｖｄｃを振動の中心とする正弦波状の波形となる。電圧Ｖｉｎ＿Ｘにおいて、振動の中心となる電圧Ｖｄｃを、「直流電圧」と呼ぶ。このように、本明細書では、「直流電圧」の用語を、時間によって正負が変化しない電圧そのものを表すだけでなく、ある電圧に含まれる「直流成分」の意味でも使用する。また、電圧Ｖｉｎ＿Ｘにおいて、電圧Ｖｄｃよりも電圧が大きくなる期間を「正のサイクル」と呼び、電圧Ｖｄｃよりも電圧が小さくなる期間を「負のサイクル」と呼ぶ。本発振回路における出力波形は一例であり、上記出力電圧の波形は三角波や矩形波など周期的に変化するすべての波形を含む。

発振回路１００は、コイル１１０および共振コンデンサＣｘ、Ｃｙの他、インバータＩＮＶと、抵抗Ｒｆ、Ｒｄとを備えている。インバータＩＮＶは、不図示の電源から供給された電力により入力波形を増幅して出力する回路要素である。発振回路１００が有する抵抗Ｒｆおよび抵抗Ｒｄは、回路の励振レベルを調整する素子である。共振コンデンサＣｘの一方の電極は、コイル１１０および発振回路１００の出力端子（電子回路１５０に接続される端子）に接続されている。２つの共振コンデンサＣｘ、Ｃｙは、コイル１１０に対して並列に接続され、それぞれの電極の一方は接地されている。

測定回路３００は、発振回路１００から出力された電圧が所定の閾値以下のとき、金属異物が存在することを示す情報を出力するように構成されている。この検出結果を示す情報は、例えば不図示の表示素子に出力されたり、無線電力伝送システムの制御回路に伝達され、送電制御のために利用され得る。そのような制御の例は、実施形態６、７において後述する。測定回路３００は、例えば、アナログ・デジタル変換回路（ＡＤＣ）もしくはコンパレータ、またはそれらを備えたマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）もしくはデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）などによって実現され得る。

以下、図１および図２を参照しながら、本実施形態の異物検出装置の動作原理をより詳細に説明する。

まず、図１では、発振回路１００の一例として、電源電圧Ｖｄｄで動作するゲート発振回路を用いている。異物検出装置は、コイル１１０とコンデンサＣｘとの接続点Ｘから出力電圧を取り出し、測定回路３００で測定する。測定回路３００は、０≦Ｖｏｕｔ＜Ｖｃｃの範囲で電圧を測定できるものとする。

本実施形態における測定回路３００は、電気回路１５０に含まれる回路要素である。電気回路１５０は、測定回路３００によって発振回路１００から出力される電圧における正のサイクルおよび負のサイクルを有する交流成分の変化と、直流成分の変化とを検知する。ここで、「変化」とは発振波形の振幅低下や振幅増加や波形歪みなどのあらゆる波形の変化を含む。

発振回路１００が発振し定常状態に達した時、時間ｔの経過に伴い、発振波形のサイクルの正負が角周波数ωで変化する。このため、接続点Ｘにおける電圧Ｖｉｎ＿Ｘは、以下の式（１）で表される。
Ｖｉｎ＿Ｘ＝Ｖｄｃ（Ｑ）＋Ｖａｃ（Ｑ）×ｓｉｎ（ωｔ） （１）
ここで、ｔは時間、ωは発振波形の角周波数、ＶｄｃはＱ値によって変化する直流電圧、ＶａｃはＱ値によって変化する発振波形の振幅値である。図２にも示すように、Ｖａｃ（Ｑ）×ｓｉｎ（ωｔ）＞０になる期間が正のサイクルであり、Ｖａｃ（Ｑ）×ｓｉｎ（ωｔ）＜０になる期間が負のサイクルである。ＶｄｃはインバータＩＮＶにＣＭＯＳインバータを用いた場合、理想的条件化であればＶｄｃ＝Ｖｄｄ／２であるが、半導体のばらつきや損失の影響などで一般にＶｄｄ／２より低くなる。この発振回路１００の構成例では、コイル１１０に金属異物が近接することによってコイル１１０および共振コンデンサＣｘ、Ｃｙから構成される共振回路のＱ値が低下すると、発振回路の安定性が低下し、ＶｄｃとＶａｃが低下する。すなわち、正のサイクルおよび負のサイクルを有する交流成分と、直流成分が変化している。

振幅値Ｖａｃと直流電圧Ｖｄｃを測定する方法としては、発振波形の周期に比べて十分なサンプリングレートを有するＡＤＣを用いる方法がある。例えば、発振回路１００の出力波形Ｖｉｎ＿Ｘを直接サンプリングした上で、次式の演算によりデジタル的にＶａｃおよびＶｄｃを算出することができる。
Ｖａｃ＝（ｍａｘ（Ｖｉｎ＿Ｘ）−ｍｉｎ（Ｖｉｎ＿Ｘ））÷２
（２）
Ｖｄｃ＝ａｖｇ（Ｖｉｎ＿Ｘ） （３）
ここで、ｍａｘ（・）は測定値の最大値、ｍｉｎ（・）は測定値の最小値、ａｖｇ（・）は発振波形１周期分の測定値の平均値を表す。

また、発振波形の振幅値Ｖａｃをアナログ的に測定する方法としては、ピークホールド回路を用いる方法などがある。直流電圧Ｖｄｃをアナログ的に測定する方法としてはローパスフィルタを用いる方法などがある。あるいは、ホール素子などの磁気センサを、発振回路１００の接続点Ｘに近接させ、得られた出力電圧を増幅するなどの非接触で測定する方法もある。

従来方式では、金属異物がコイルに近接した時に交流電圧の振幅値Ｖａｃが変化することに主眼を置いた検知方法が主流であった。本願では、金属異物がコイルに近接した時に、交流成分だけでなく直流成分も変化するよう発振回路１００を構成し、かつ、ＶａｃとＶｄｃの変化を測定できる測定回路を備えることで、従来方式よりも高感度に異物を検知可能にした。具体的な検知感度の改善の度合いについては実施例１にて後述する。

なお、図１において、コンデンサＣｘ、Ｃｙの容量を異なる値に選定することで、上記の出力電圧の範囲をさらに拡大することも可能である。具体的には、図１に示す点Ｘに接続された共振コンデンサＣｘの容量をＣｘ、電圧をＶｘとし、点Ｙに接続された共振コンデンサＣｙの容量をＣｙ＝αＣｘ、電圧をＶｙとすると、Ｖｘ＝α｜Ｖｙ｜となる。よって、電気回路１５０への入力電圧Ｖｉｎ＿Ｘは、Ｖｙのα倍となる。発振回路１００の発振電圧が十分に大きくない場合や、測定回路３００の測定可能な電圧の範囲が発振回路１００の電源電圧よりも大きい場合は、上記コンデンサの容量の比をアンバランスにすることで、測定回路３００への入力電圧を増加させることができる。αの設定範囲は、Ｃｘ＝Ｃｙである場合も含めて、例えば１≦α≦１００に設定され得る。また、逆に、測定回路３００への入力電圧Ｖｉｎを低く抑えたい場合は、αは、例えば０．０１≦α＜１の範囲内の値に設定され得る。ＣｘとＣｙとのバランスを崩しすぎると発振の安定度が低下するため、上記αの値はシステムの構成に応じて適切に選定する必要がある。

また、発振回路１００は、図１に示すようなゲート発振回路以外にも、例えばコルピッツ発振回路や、ハートレー発振回路、クラップ発振回路、フランクリン発振回路など、ＬＣ共振原理に基づく公知の発振回路を用いることができる。発振回路１００は、共振回路を構成するコイルと共振コンデンサとを少なくとも１つずつ有し、正のサイクル、負のサイクル、および直流電圧を含む電圧を出力するように構成されていればよい。

ダンピング抵抗Ｒｄは、他の回路定数や測定回路３００の検出性能に応じて適当な値に設定される。例えば、金属異物がコイル１１０から十分に離れている場合において、測定回路３００に入力される電圧Ｖｏｕｔが、測定回路３００の測定可能範囲内に収まり、かつ、コイル１１０よりも大きい金属異物がコイル１１０に密着した場合に、電圧Ｖｏｕｔが、上記測定可能範囲の下限値以上に収まるように設定され得る。

なお、図１に示す例では、ダンピング抵抗Ｒｄは、発振回路１００の出力段（インバータＩＮＶと接続点Ｘとの間）に接続されているが、他の位置に接続されていてもよい。ダンピング抵抗Ｒｄは、発振回路１００から出力される電圧を低下させるように配置されている限り、入力段、出力段、あるいはその両方のどの位置に設けられていてもよい。

（実施形態２）
図３は、本開示の実施形態２に係る異物検出装置の概略構成を示す回路図である。本実施形態では、発振回路１００における増幅部（増幅回路）と電源Ｖｄｄとの間に電流制限回路４００をさらに備えている点で実施形態１と異なっている。これにより、発振回路１００から出力される電圧Ｖｉｎにおける正のサイクルの振幅、負のサイクルの振幅、および直流電圧が、異物の近接によってさらに変化するように構成できる。

通常、発振回路の増幅部の電源は電流制限回路４００を備えていない。そのため、コイルへの異物の近接によってエネルギーの損失が生じると、発振電圧の降下が生じる。その場合、発振回路の増幅部は、失ったエネルギーを補って発振が持続するように電力を増幅させるように動作する。増幅回路の電源電圧が一定の場合、失ったエネルギーを補うため、電流を増加させることになり、電源から増幅回路に流入する電流値が増加する。

本実施形態では、電源と増幅部との間に電流制限回路４００を接続することにより、異物の近接の有無に係らず増幅部に流入する電流値の上限値を設定することができる。この場合、発振回路１００は、発振を持続させるため、増幅部の電源電圧Ｖｄｄ’を低下させ、コイルへの異物の近接によって失われるエネルギー損失を低下させるように動作する。その結果、正のサイクルの電圧、負のサイクルの電圧、および直流電圧の３つが同時に低下することにつながり、測定回路３００がこれらの電圧の低下を検出できる。以上の原理により、異物の近接をより高感度に検出することができる。

（実施形態３）
図４Ａ〜４Ｅは、本開示の実施形態３に係る異物検出装置における発振回路の概略構成を示す回路図である。本実施の形態は、発振回路におけるコイルが複数である点で実施形態１と異なっている。以下、実施形態１と異なる点を中心に説明する。

検知エリアを拡大する場合、複数のコイルを配列することで空間的・平面的に検知エリアを拡大することができる。しかし、コイルごとに発振回路を用意するとコストアップおよび回路面積の増大に繋がるという課題がある。そこで、本実施形態では、図４Ａに示すように、端子Ａ−Ｂを発振回路との接続点として、端子Ａ−Ｂ間に複数のコイルを接続する。以下、想定される接続例をいくつか挙げる。

図４Ｂは、２つのコイル＃１、＃２を直列に接続した構成例を示している。複数のコイルを直列に接続することにより、同じ１つのコイルを用いた場合と比べて全体のインダクタンスが増加する。このため、発振周波数を固定したい場合に、共振コンデンサの容量を小さくすることができるという効果がある。また、発振が安定するまでの時定数は、共振コンデンサの容量とダンピング抵抗の積で決まる。このため、共振コンデンサの容量が小さくなることで、発振が開始するまでの時間を短縮できるという効果もある。

図４Ｃは、２つのコイル＃１、＃２を並列に接続した構成例を示している。複数のコイルを並列に接続することにより、同じ１つのコイルを用いた時と比べて全体のインダクタンスが低下する。このため、共振コンデンサの容量を固定したい場合に、発振周波数を高く設定できるという効果がある。発振周波数を高くすると、異物の表皮厚さが薄くなっていくため、渦電流損失も増大し、検知のさらなる高感度化を実現できるという格別の効果がある。

図４Ｄは、複数のコイル＃１〜＃Ｎと、セレクタ（マルチプレクサやスイッチ）とが端子Ａ−Ｂ間に接続された構成例を示している。セレクタによって複数のコイルの中から少なくとも１つのコイルを選択することにより、異物が近接したコイルを知ることができる。例えば、異物検出装置が無線電力伝送システムにおける送電装置（充電台など）に搭載されており、その送電装置上に金属異物が積載された場合、その異物に近接したコイルを特定することができる。このため、異物検出用のコイルが送電コイルとしても機能するように構成されている場合に、異物の近接が検出されたコイル以外のコイルを用いて安全に送電できるという効果がある。また、異物検出用のコイルと送電コイルとを共用しない構成であっても、異物の近接が検出されたコイルから離れた位置にある送電用コイルを選択して安全に送電できるという効果がある。

図４Ｅは、本実施形態の構成を一般化して図示したブロック図である。Ｎ個のコイルの電気特性は自己インピーダンスおよび相互インピーダンスを含むＮ×Ｎのインピーダンス行列Ｚで表すことができ、Ｎ個のコイル端子の先にインピーダンス行列Ｚ_L（コンデンサ、インダクタ、抵抗、開放・短絡を含む）を接続したモデルで表現できる。本開示の趣旨から外れるので、詳細は割愛するが、基本的には複数のコイルであっても、端子Ａ−Ｂ間がインダクティブ（誘導性）に見えるように接続端子を引き出せば、どのようなコイル配列であっても、広い目標検知エリアに対して異物の高感度検知ができるという効果がある。

（実施形態４）
図５は、本開示の実施形態４に係る異物検出装置の概略構成の一例（後述する第３の回路例）を示す回路図である。本実施形態では、発振回路１００の出力点Ｘと測定回路３００との間に整流回路２００をさらに備えている点で実施形態１と異なっている。図５の構成例では、整流回路２００および測定回路３００によって電気回路１５０が構成されている。なお、本実施形態における異物検出装置は測定回路３００を備えているが、測定回路３００は異物検出装置に接続されて利用される外部の要素であってもよい。

整流回路２００は、発振回路１００から出力された電圧Ｖｉｎにおける正のサイクルの電圧を整流する第１の整流素子Ｄ１と、直流電圧を低下させる第１のコンデンサＣ１と、直流電圧の低下によって０よりも小さくなった負のサイクルの電圧を整流する第２の整流素子Ｄ２と、第１の整流素子Ｄ１から出力された電圧を平滑化する第２のコンデンサＣ２とを有している。整流素子Ｄ１、Ｄ２は、例えばダイオードやトランジスタなどの半導体素子を用いて実現され得る。

図６〜図８は、本実施形態における異物検出装置の構成および動作を説明するための図（回路例）である。以下、図６〜図８を参照しながら、本実施形態の異物検出装置の動作原理をより詳細に説明する。図６は第１の回路例を、図７は第２の回路例を、図８は第３の回路例を示している。図８に示す構成が本実施の形態における最良の構成となる。

図６〜図８の全ての構成に共通する動作の概要を説明する。これらの例では、発振回路１００の一例として、電源電圧Ｖｄｄで動作するゲート発振回路を用いている。異物検出装置は、コイル１１０とコンデンサＣｘとの接続点Ｘから出力電圧を取り出し、整流素子Ｄ１を通してコンデンサＣ２で平滑化し、出力端子から電圧Ｖｏｕｔ（図６および図７ではＶｏｕｔ＿ａまたはＶｏｕｔ＿ｂ）を測定回路３００で測定する。測定回路３００は、０≦Ｖｏｕｔ＜Ｖｃｃの範囲で電圧を測定できるものとする。

次に、整流回路２００の回路例について、図６〜図８の順に説明する。

図６（ａ）に示す第１の回路例は、ダイオード（整流素子）Ｄ１を含む半波整流回路である。図６（ｂ）は、接続点Ｘにおける電圧Ｖｉｎ＿Ｘの時間変化の一例を示しており、図６（ｃ）は、コイル１１０に金属異物が近接したときの電圧Ｖｉｎ＿Ｘの時間変化の一例を示している。ダイオードＤ１は、発振回路１００が発振しているとき、主として正のサイクルの電圧および直流電圧を整流する。よって、金属異物の近接に伴う共振回路のＱ値の変化によって得られる電圧の変化は、主として交流電圧の正のサイクルと直流電圧で生じる。最終的な出力電圧Ｖｏｕｔ＿ａの範囲は、ダイオードＤ１の順方向電圧ＶＦなどを無視すると、Ｖｄｄ／２≦Ｖｏｕｔ＿ａ＜Ｖｄｄとなる。したがって、電源電圧Ｖｄｄ＝Ｖｃｃの場合、測定回路の測定可能範囲である０≦Ｖｏｕｔ＜Ｖｃｃの全範囲で動作させることは不可能であるものの、少ない部品点数で高感度の検知ができるという効果がある。

図７（ａ）に示す第２の回路例は、第１の回路例（図６）における半波整流回路にコンデンサＣ１が追加された構成を有した整流回路である。コンデンサＣ１は、接続点ＸとダイオードＤ１との間に直列に接続されている。図７（ｂ）は、コンデンサＣ１とダイオードＤ１との間の点Ｘ’における電圧Ｖｉｎ＿Ｘ’の時間変化の一例を示しており、図７（ｃ）は、コイル１１０に金属異物が近接したときの電圧Ｖｉｎ＿Ｘ’の時間変化の一例を示している。この回路の出力電圧Ｖｏｕｔ＿ｂは、図６に示す整流回路の出力電圧Ｖｏｕｔ＿ａとの間に、以下の式（４）で表される関係がある。
Ｖｏｕｔ＿ｂ＝Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）×Ｖｏｕｔ＿ａ （４）

すなわち、コンデンサＣ１は、平滑コンデンサＣ２と共に、分圧比Ｕ＝Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）を定める分圧コンデンサとして機能する。このため、本明細書では、コンデンサＣ１を「分圧コンデンサ」と呼ぶことがある。この分圧コンデンサＣ１の効果により、図７（ｂ）（ｃ）に示すように、点Ｘ’における直流電圧は、接続点Ｘにおける直流電圧に比べて低下する。ただし、整流素子Ｄ１は主として正のサイクルと直流電圧を整流するので、Ｖｏｕｔ＿ｂの範囲は、ダイオードの順方向電圧ＶＦなどを無視すると、Ｕ×Ｖｄｄ／２≦Ｖｏｕｔ＿ｂ＜Ｕ×Ｖｄｄとなる。したがって、電源電圧Ｖｃｃ＝Ｖｄｄの場合、測定回路の測定可能範囲である０≦Ｖｏｕｔ＜Ｖｃｃの全範囲で動作させることは不可能であるものの、測定回路の電源電圧がＶｃｃ＝Ｕ×Ｖｄｄと低電圧動作をしている場合は、高感度の検知ができ、かつ、測定回路の消費電力を低減できるという効果も得られる。

図８（ａ）に示す第３の回路例は、第２の回路例（図７）における整流回路の構成要素に加えて、接続点Ｘ’とグランドとの間に接続されたダイオードＤ２を更に備えている。図８（ｂ）は、接続点Ｘ’における電圧Ｖｉｎ＿Ｘ’の時間変化の一例を示しており、図８（ｃ）は、コイル１１０に金属異物が近接したときの電圧Ｖｉｎ＿Ｘ’の時間変化の一例を示している。本回路例でも、第２の回路例と同様、分圧コンデンサＣ１の効果により、直流電圧Ｖｄｃが低下し、かつ、異物の接近に伴うＱ値の低下によっても直流電圧Ｖｄｃが低下する。ダイオードＤ２は、分圧コンデンサＣ１による直流電圧（直流成分）の低下によって０よりも小さくなった負のサイクルの電圧を整流する効果をもつ。したがって、整流後の最大の出力電圧は、正負両サイクルの成分の合成により、２×Ｖａｃ≒Ｖｄｄである。ただし、Ｑ値の低下に伴い、ダイオードＤ２の整流効果が小さくなるため、動作モードは第２の回路例（図７）に近づいていく。したがって、整流で得られる最小の出力電圧は、Ｕ×Ｖｄｄ／２となる。まとめると、本実施形態における最終的な出力電圧Ｖｏｕｔの範囲は、Ｕ×Ｖｄｄ／２≦Ｖｏｕｔ＜Ｖｄｄとなる。

さて、測定回路３００は、０≦Ｖｏｕｔ＜Ｖｃｃの範囲で電圧を測定できる。異物の検知感度を最大限に高めるためには、分圧比Ｕを小さくすればよいことがわかる。すなわち、分圧比Ｕを０に近づけることより、出力電圧の下限値Ｕ×Ｖｄｄ／２を０Ｖ付近にまで低下させることができる。下限値を第１の回路例（図６）における下限値よりも小さくするためには、Ｕを０よりも大きく、かつ１未満の値に設定すればよい。第１の回路例における下限値よりも大幅に下限値を下げるためには、Ｕを０よりも大きく、かつ０．５以下に設定することが望ましい。さらに望ましくは、Ｕを０．００１以上かつ０．５以下に設定すればよい。例えば、Ｖｄｄ＝５Ｖ、Ｕ＝０．００１とすると、Ｖｏｕｔの範囲は２．５ｍＶ≦Ｖｏｕｔ＜５Ｖとなる。測定回路３００が、例えば１０ビット（１０２４段階）の検出性能をもつＡＤＣだとすると、1ビットあたり５÷１０２４≒４．８８ｍＶの分解能を有する。この場合、ＡＤＣの出力範囲は１〜１０２３となり、ほぼフルレンジで測定可能となり、検知の高感度化を達成できる。

以上のように、本実施形態の異物検出装置によれば、コイル１１０および共振コンデンサＣｘ、Ｃｙを有し、正のサイクル、負のサイクル、および直流電圧を含む電圧を出力するように構成された発振回路１００と、発振回路１００に接続され、発振回路１００から出力された電圧を整流して出力する整流回路２００とを備える。整流回路２００は、コイル１１０に金属異物が接近したとき、発振回路１００から出力される電圧における正のサイクルの振幅、負のサイクルの振幅、および直流電圧の低下を検知するよう構成されている。最良の構成である第３の回路例に関して、より具体的に述べると、整流回路２００は、正のサイクルの電圧を整流する第１の整流素子Ｄ１と、直流電圧を低下させる第１のコンデンサＣ１と、直流電圧の低下によって０よりも小さくなった負のサイクルの電圧を整流する第２の整流素子Ｄ２とを有する。整流回路２００は、第１の整流素子Ｄ１から出力された電圧を平滑化する第２のコンデンサＣ２をさらに有し、第１のコンデンサＣ１と第２のコンデンサＣ２との分圧比をＵとするとき、例えば０＜Ｕ≦０．５を満足するように構成されている。

このような構成により、整流回路２００から出力される電圧の下限値を下げることができるため、測定回路３００の検出性能を有効に利用でき、検出感度を高めることができる。本実施形態によれば、測定回路３００の前段に増幅回路を設けることなく、検出感度を高くすることができるため、安価な回路構成で感度の高い異物検出装置を実現できる。

なお、本実施形態における異物検出装置は、図５〜図８に示す構成に限定されず、適宜改変を行ってもよい。例えば、図９に示すように、第３の回路例から平滑コンデンサＣ２を省略してもよい。この場合、測定回路３００に入力される電圧Ｖｏｕｔが交流電圧になるため、交流電圧の変化を測定できる比較的サンプリングレートの高いＡＤＣを測定回路３００として用いる必要がある。

整流回路２００は、図５〜図９に示す構成に限定されず、コイル１１０に金属異物が接近したとき、発振回路１００から出力される電圧における正のサイクルの振幅、負のサイクルの振幅、および直流電圧の低下を検出できるよう構成されていればよい。

（実施形態５）
図１０は本開示の実施形態５に係る異物検出装置の概略構成を示す回路図である。本実施形態の異物検出装置は、実施形態４の整流回路２００を多段構成にした整流回路２００ａを備え、かつ、ダンピング抵抗Ｒｄの値を増加させて、測定回路３００に入力される電圧Ｖｏｕｔが測定回路３００の測定可能範囲内に収まるように構成されている点が異なる。以下、実施形態４と異なる点のみを説明し、共通する点についての説明は省略する。

異物検出に用いる発振回路１００の発振レベルが大きいと、コイル部品からノイズを輻射し、外部の電子機器に影響を与える恐れがある。この場合、ダンピング抵抗Ｒｄの値を数ｋΩと大きく設定することで、発振レベルを小さく抑えることができる。しかし同時に異物の検知感度も低下する。このような課題を解決するため、本実施形態では整流回路を多段構成にすることで、取り出せる出力電圧を２倍、４倍と増加させることができ、高感度化と低ノイズ性を両立できるという利点がある。

（実施形態６）
図１１は、本開示の実施形態５に係る無線電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。この無線電力伝送システムは、送電装置５００と受電装置６００とを備え、送電装置５００から受電装置６００へ無線で電力を伝送することができる。送電装置５００は、例えばワイヤレス充電器であり、受電装置６００は、例えば携帯情報端末や電気自動車などの二次電池を備えた機器であり得る。本実施形態では、前述したいずれかの実施形態に係る異物検出装置が送電装置５００の側に設けられている。このため、送電装置５００は、受電装置６００に送電するだけでなく、受電装置６００における受電コイル６１０と送電コイル５１０との間に金属異物２０００があるか否かを検出することができる。その検出結果は、例えば送電装置５００または受電装置６００に設けられた光源５７０または光源６７０から光の情報として使用者に通知され得る。なお、光源５７０、６７０に限らず、例えばディスプレイやスピーカなどの表示素子を用いて光、映像、音声などの情報として異物の検出結果を使用者に通知してもよい。「表示素子」は、視覚的情報を提示する素子に限定されず、聴覚的情報（音または音声）のみを提示する素子をも広く含む。

本実施形態の無線電力伝送システムが備える異物検出装置のこのような機能により、使用者は、受電装置６００を送電装置５００に近づける際、受電コイル６１０と送電コイル５１０との間の異物の有無を知ることができるため、安全な伝送状態を確保することができる。

以下、整流回路２００を有する実施形態４の異物検出装置を備える場合を例に、本実施形態の構成および動作を説明する。

図１１に示されるように、本実施形態における送電装置５００は、送電コイル５１０と、送電回路５２０と、電源５３０と、発振回路１００と、整流回路２００と、測定回路３００と、光源５７０とを備える。これらの構成要素のうち、送電コイル５１０、発振回路１００、整流回路２００、および測定回路３００によって異物検出装置が構成されている。

送電コイル５１０は、上述した実施形態におけるコイル１１０に対応し、図１１では発振回路１００から独立した要素として描かれている。送電コイル５１０は、不図示のコンデンサとともに送電共振器を構成し、送電回路５２０から供給された交流電力を無線で伝送する。送電コイル５１０は、基板パターンで形成された薄型の平面コイルのほか、銅線やリッツ線、ツイスト線などを用いた巻き線コイルなどを用いることができる。十分な検出感度を確保するためには、コイルＬ１のＱ値は、例えば１００以上に設定され得るが、１００よりも小さい値に設定されていてもよい。なお、送電共振器は、不要であればコンデンサを含まなくても良く、コイル５１０自身が有する自己共振特性を含めて送電共振器を形成しても良い。

発振回路１００、整流回路２００、および測定回路３００は、上述したいずれかの実施形態におけるものと同じである。測定回路３００は、送電コイル５１０に近接した金属異物を、整流回路２００から出力された電圧の変化に基づいて検出する。そして、その検出結果を示す情報を直接的に、または不図示のメモリ等の記録媒体を介して間接的に制御回路５４０に通知する。

送電回路５２０は、異物検出完了後に送電のための交流エネルギを出力する回路である。送電回路５２０は、フルブリッジ型のインバータや、Ｄ級、Ｅ級などの他の種類の送電回路であってもよい。また、通信用の変復調回路や電圧・電流などを測定する各種センサを含めても良い。

電源５３０は、商用電源、一次電池、二次電池、太陽電池、燃料電池、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）電源、高容量のキャパシタ（例えば電気二重層キャパシタ）、商用電源に接続された電圧変換器、または、それらの組み合わせを用いて実現され得る全ての電源を含む。

送電制御回路５４０は、送電装置５００全体の動作を制御するプロセッサであり、例えばＣＰＵとコンピュータプログラムを格納したメモリとの組み合わせによって実現され得る。送電制御回路５４０は、本実施形態の動作を実現するように構成された専用のハードウェアであってもよい。送電制御回路５４０は、発振回路１００の発振周波数の切替や、送電回路５２０による送電制御（送電状態の調整）や、測定回路３００の検出結果に基づいて表示素子５７０を発光させる制御を行う。具体的には異物検出モードにおいては、送電回路５２０の動作を停止し、発振回路１００を駆動する。送電モードにおいては、発振回路１００の動作を停止し、送電回路５２０を駆動する。送電制御回路５４０は、異物検出装置の測定結果に応じて送電開始周波数および送電電圧を決定する。

発振回路１００には、前述したゲート発振回路の他、例えばコルピッツ発振回路や、ハートレー発振回路、クラップ発振回路、フランクリン発振回路など、ＬＣ共振原理に基づく公知の発振回路を用いることができる。

測定回路３００は、前述のように、整流回路２００から出力された電圧を測定するために用いられるＡＤＣなどの測定器であり得る。なお、図示しないが、測定回路３００の少なくとも一部の機能と送電制御回路５４０の少なくとも一部の機能とは、半導体パッケージ（例えばマイクロコントローラやカスタムＩＣ）によって実現されてもよい。

光源５７０は、測定回路３００による検出結果を使用者に通知するように構成されている。光源５７０は、例えばＬＥＤまたは有機ＥＬなどの光源によって構成され得るし、複数の光源の集合体であってもよい。光源５７０は、送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間の距離や、金属異物の近接の程度に応じて、複数の光源のうちの異なる光源を発光させたり、発光させる光源の数を段階的に変動させてもよい。また、光源５７０の代わりに、液晶表示素子または有機ＥＬ表示素子のようなディスプレイを用いてもよい。ディスプレイを用いると、画像または文字などで検出結果を表示させることができる。そのような表示素子は、光とともに、または光に代えて、音や音声で検出結果を表示するように構成されていてもよい。

送電装置５００は、異物検出装置を用いて異物を検出する「異物検出モード」と、送電回路５２０を用いて送電を行う「送電モード」の２つのモードで動作することができる。送電装置５００は、送電モードと異物検出モードとを切り換えるスイッチＳ１、Ｓ２を備えている。送電制御回路５４０は、異物検出モードでは送電コイル５１０と発振回路１００とを電気的に接続し、送電モードでは送電コイル５１０と発振回路１００とを電気的に切断するようにスイッチＳ１、Ｓ２の導通状態を制御する。

受電装置６００は、送電コイル５１０から伝送された電力の少なくとも一部を受け取る受電コイル６１０と、負荷６３０と、受け取った電力を整流して負荷６３０に供給する受電回路６２０と、異物の検出結果を伝える光源６７０と、受電装置６００の各部を制御する受電制御回路６４０とを備えている。

受電コイル６１０は、不図示のコンデンサとともに受電共振器を構成し、送電共振器と電磁的に結合する。受電コイル６１０およびコンデンサは、それぞれ、送電側のコイルおよびコンデンサと同様のものであってもよいし、異なっていてもよい。なお、受電共振器は、不要であればコンデンサを含まなくても良く、コイル６１０自身が有する自己共振特性を含めて受電共振器を形成しても良い。

受電回路６２０は、整流回路や周波数変換回路、定電圧・定電流制御回路、通信用の変復調回路などの各種の回路を含み、受け取った交流エネルギを負荷６３０が利用可能な直流エネルギまたは低周波の交流エネルギに変換するように構成されている。また、受電共振器６１０の電圧・電流などを測定する各種センサを受電回路６２０中に含めてもよい。

負荷６３０は、例えば二次電池や高容量キャパシタであり、受電回路６２０から出力された電力によって充給電され得る。

受電制御回路６４０は、受電装置６００全体の動作を制御するプロセッサであり、例えばＣＰＵとコンピュータプログラムを格納したメモリとの組み合わせによって実現され得る。受電制御回路６４０は、この例に限定されず、本実施形態の動作を実現するように構成された専用のハードウェアであってもよい。受電制御回路６４０は、負荷６５０への充給電制御や、光源６７０の制御を行う。

以上のように、本実施形態では、異物検出用のコイルと送電用のコイルとを共用している。このような構成にすることで、コイル部品を共用化することができ、送電装置５００を小型化できるという効果がある。

また、送電コイルを異物検出用のコイルとしても用いることで、送電コイル５１０上の異物の積載状態を直接検知できるという利点がある。これにより、測定回路３００が測定した電圧値に基づいて、送電周波数および送電電力（送電電圧または送電電流）を調整することができる。例えば、異物が存在すると判断した場合、即座に送電を停止する、あるいは送電を開始しないとすると、充電できず、ユーザーの利便性を低下させる恐れがある。そこで、異物の有無の判定基準となる評価値が所定の閾値以下であっても、異物の温度が所定の閾値以下となるように送電制御を加えながら送電するようにしてもよい。そのような制御により、安全性を確保しながら送電を継続することができる。具体的には、予め実験的または解析的に得られたデータに基づいて決定されたパラメータを用いて所定の時間間隔で間欠的に送電したり、送電電力を所定の低減率で低減させた上で送電したり（電力制限モード）、送電コイル５１０の近傍に温度センサを配置し、温度をモニターしながら送電電力を調整するなどの方法を採用してもよい。

図１２は、本実施形態における送電装置５００の処理の一例を示すフローチャートである。異物検出モードを開始すると、まず、ステップＳ１１０において、測定回路３００は、整流回路２００から出力された電圧を測定する。次に、ステップＳ１１１において、測定回路３００は、測定した電圧が第１の閾値以上か否かを判断する。測定した電圧が第１の閾値以上ならば、異物が存在しないので、ステップＳ１１２に進み、送電を開始する（通常送電）。電圧が第１の閾値未満ならば、異物が存在すると推定されるので、ステップＳ１１３に進み、測定回路３００は、その電圧が第２の閾値以上であるか否かを判定する。ここで、電圧が第２の閾値以上ならば、測定回路３００は、発熱が問題にならない小さい異物であると判定し、その旨の情報を送電制御回路５４０に通知する。送電制御回路５４０は、その情報を受けると、上述の電力制限モードに設定して送電を開始する（ステップＳ１１４）。ステップＳ１１３において電圧が第２の閾値未満ならば、測定回路３００は、大きい異物が存在すると判定し、その旨の情報を送電制御回路５４０に通知する。送電制御回路５４０は、その通知を受けて光源５７０（例えばＬＥＤ）を点滅させるなどして、ユーザーに異物が存在することを通告する（ステップＳ１１５）。

なお、無線電力伝送時には、例えば数Ｗ〜数ｋＷの電力が送電コイル５１０から受電コイル６１０に伝送されるため、電力伝送中に送電モードから異物検出モードに移行すると、コイルの蓄積エネルギが異物検出用の回路に流入し、異物検出用の回路の耐圧を越えて焼損する可能性が生じる。そこで、本実施形態では、無線電力伝送中に送電コイル５１０に蓄積されたエネルギをグランドに逃がしてから異物検出モードに移行する。こうすることにより、異物検出用の回路の焼損を防ぐことができる。具体的には、送電モードから異物検出モードに切り替える場合、まず、送電回路５２０に含まれるインバータのうち、グランドに直結されているスイッチング素子（例えばＭＯＳＦＥＴ）のスイッチをＯＮにする。これにより、送電コイル５１０に蓄積されていたエネルギをグランドに逃がすことができる。その後、所定の時間経過後に異物検出モードを開始すればよい。

なお、本実施形態では、送電コイル５１０が異物検出用のコイルとしても機能するように構成されているが、このような例に限らず、送電用のコイルと異物検出用のコイルとを個別に設けてもよい。

（実施形態７）
図１３は、本開示の実施形態７に係る無線電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。本実施の形態では、受電装置６００が、発振回路１００、整流回路２００、および測定回路３００を含む異物検出装置を有している点で実施形態６と異なっている。本実施形態における受電装置６００は、受電モードおよび異物検出モードの２つのモードで動作することができ、受電モードと異物検出モードとを切り換えるためのスイッチＳ１、Ｓ２を、受電コイル６１０と発振回路１００との間に備えている。本実施形態における送電装置５００および受電装置６００の各構成要素は、実施形態６における対応する構成要素と同じものである。なお、本実施形態でも整流回路２００を有する実施形態４の異物検出装置を備える場合を例示しているが、整流回路を有しない異物検出装置を備えていてもよい。

このような構成にすることで、コイル部品を共用化することができ、受電装置６００を小型化できるという効果がある。また、受電コイル６１０を異物検出用のコイルとしても使用することで、受電コイル６１０の下などに存在する異物の積載状態を直接検知できるという利点がある。これにより、測定回路３００が検知した電圧値に応じて、送電周波数および送電電力（電圧または電流）を調整するように送電装置５００側に要求することができる。そのような要求は、例えば受電回路６２０に含まれる通信回路によって実行され得る。例えば、測定回路３００が異物が存在すると判断した場合、送電制御回路５４０が即座に送電を停止する、あるいは送電を開始しないとすると、充電できず、ユーザーの利便性が損なわれる。そこで、異物の有無の判定基準となる評価値が所定の閾値以下であっても、異物の温度が所定の閾値以下となるように送電制御を加えながら送電するようにしてもよい。そのような制御により、安全性を確保しながら送電を継続することができる。具体的には、予め実験的または解析的に得られたデータに基づいて決定されたパラメータを用いて所定の時間間隔で間欠的に送電したり、送電電力を所定の低減率で低減させた上で送電したり（電力制限モード）、受電コイル６１０の近傍に温度センサを配置し、温度をモニターしながら送電電力を調整するなどの方法を採用してもよい。

図１４は、本実施形態における受電装置６００の処理の一例を示すフローチャートである。異物検知モードを開始すると、まず、ステップ１３０において、測定回路３００は、整流回路２００から出力された電圧を測定する。次に、ステップＳ１３１において、測定回路３００は、測定した電圧が第１の閾値以上か否かを判断する。測定した電圧が第１の閾値上ならば、異物が存在しないので、ステップＳ１３２に進み、送電装置５００側に送電開始要求を送る（通常送電）。電圧が第１の閾値未満ならば、異物が存在すると推定されるので、ステップＳ１３３に進み、測定回路３００は、その電圧が第２の閾値以上であるか否かを判定する。ここで、電圧が第２の閾値以上ならば、測定回路３００は、発熱が問題にならない小さい異物であると判定し、その旨の情報（送電開始要求）を送電装置５００の送電制御回路５４０に送る（ステップＳ１３４）。送電制御回路５４０は、送電開始要求を受けると、上述の電力制限モードに設定して送電を開始する。ステップＳ１３３において電圧が第２の閾値未満ならば、測定回路３００は、大きい異物が存在すると判定し、その旨の情報を受電制御回路６４０に通知する。受電制御回路６４０は、その通知を受けて光源６７０（例えばＬＥＤ）を点滅させるなどして、ユーザーに異物が存在することを通告する（ステップＳ１３５）。

なお、無線電力伝送時には、例えば数Ｗ〜数ｋＷの電力が送電コイル５１０から受電コイル６１０に伝送されるため、電力伝送中に受電モードから異物検出モードに移行すると、コイルの蓄積エネルギが異物検出用の回路に流入し、異物検出用の回路の耐圧を越えて焼損する可能性が生じる。そこで、本実施形態では、無線電力伝送中に受電コイル６１０に蓄積されたエネルギをグランドに逃がしてから異物検出モードに移行する。こうすることにより、異物検出用の回路の焼損を防ぐことができる。具体的には、受電回路６２０に含まれる整流回路が同期整流回路の場合、受電モードから異物検出モードに切り替える際に、まず、受電回路６２０に含まれるスイッチング素子のうち、グランドに直結されているスイッチング素子をＯＮにする。これにより、受電コイル６１０内のコイルに蓄積されていたエネルギをグランドに逃がす。その後、所定の時間経過後に異物検出モードを開始すればよい。

なお、本実施形態では、受電コイル６１０が異物検出用のコイルとしても機能するように構成されているが、このような例に限らず、送電用のコイルと異物検出用のコイルとを個別に設けてもよい。

（実施例１）
本開示の実施形態１および実施形態２に係る実施例を説明する。

図１および図３において、Ｖｄｄ＝５Ｖ、Ｌｐ＝６．５ｕＨ、Ｃｘ＝Ｃｙ＝３３ｎＦ、Ｒｄ＝２７０Ω、Ｒｆ＝１ＭΩとして異物検出回路を試作し実験した。測定回路３００は２Ｇサンプル／ｓｅｃのＡＤＣで、測定波形を一端メモリに格納した上、発振波形の振幅値Ｖａｃと直流電圧Ｖｄｃを式（２）（３）を用いて算出した。鉄とアルミホイルの２種を評価異物として選定し、コイルに近接させた時、コイルから離した時（異物なし）の発振波形の測定値を比較した。コイルに異物が近接していない時の電源Ｖｄｄから供給される電流値が７ｍＡだったため、電流制限回路４００の電流制限値は８ｍＡとし、８ｍＡを越えた場合に定電流モードで動作するようにした。

評価結果を図１５の表にまとめる。

表の２列目において、定電流回路なしが実施形態１、定電流回路ありが実施形態２に該当する。表中の丸括弧内の数字は、異物なしの時の電圧値と異物ありの時の電圧値との差分である。例えば、評価異物が鉄、定電流回路なしの場合のＶａｃの差分は、１３１３−７７２＝５４１ｍＶとなり、異物の近接により交流電圧の振幅が５４１ｍＶ低下していることになる。

評価結果より、異物の材質に係らず、金属異物をコイルに近接させることで、振幅Ｖａｃと直流電圧Ｖｄｃがともに低下することがわかる。また、定電流回路を備えることでその低下量も増大することがわかる。従来の検知方式では主に交流電圧の振幅Ｖａｃの変化のみを検知対象としていたが、本願ではこれに加え、直流電圧Ｖｄｃの変化も検知の対象とすることができる。

例えば、評価異物をアルミホイル、定電流回路あり、とした実施形態２の構成例の場合、従来方式は電圧低下量が９００ｍＶとなるが、本願の電圧低下量は９００＋３８１＝１２８１ｍＶであり、約４２％検知感度を向上することができた。

（実施例２）
本開示の実施形態４に係る実施例を説明する。

図１６Ａ、１６Ｂは、実施形態４において図６〜８を参照して説明した３つの回路例におけるＱ値と出力電圧との関係を示すグラフである。Ｖｄｄ＝５Ｖ、Ｃ１＝１ｎＦ、Ｒｆ＝１ＭΩ、Ｒｄ＝４７０Ω、Ｃｘ＝Ｃｙ＝２７ｎＦ、Ｌｐ＝６．５ｕＨとし、異物がコイル上に積載された際にコイルの抵抗Ｒｐが変化することを模擬してＲｐ＝２５〜５０００ｍΩの範囲で変化させ、Ｑ＝０．６〜１３４の範囲を計算対象とした。また、Ｃ２＝１ｎＦ、１０ｎＦの２種類を検討し、異なる分圧比Ｕ＝０．５、０．０９１における出力電圧Ｖｏｕｔの違いを、回路シミュレーションを用いて算出した。なお、シミュレーション結果にはダイオードの順方向電圧ＶＦの特性が含まれている。

はじめに、図１６Ａに示すＣ１＝１ｎＦ、Ｃ２＝１ｎＦとした分圧比Ｕ＝０．５の結果について確認する。図６（第１の回路例）の回路構成における下限電圧はＶｄｄ／２≒２．５Ｖであり、図７（第２の回路例）の回路構成における下限電圧はＵ×Ｖｄｄ／２≒１．２Ｖとなることがわかる。測定回路３００が０≦Ｖｏｕｔ＜５Ｖの範囲で測定可能であるならば、図６および図７に示す回路構成ではその５０％しか検知能力を利用できないことになる。一方、図８（第３の回路例）の回路構成では、下限電圧は回路例２と同様、Ｕ×Ｖｄｄ／２≒１．２Ｖであり、上限電圧は、Ｑ値の増加に伴い、回路例１における上限電圧Ｖｄｄ＝５Ｖに近づく様子が確認できる。従って、実施形態４で説明したように、分圧比Ｕを低下させることで、下限電圧を低下させ、検知のダイナミックレンジを増加させることができると考えられる。

この考え方に基づき、図１６Ｂに示すＣ１＝１ｎＦ、Ｃ２＝１０ｎＦとした分圧比Ｕ＝０．０９１の結果について確認した。回路例２および回路例３の下限電圧がＵ×Ｖｄｄ／２≒０．２Ｖまで低下していることがわかる。結果として、回路例３では、Ｑ≒０〜１３４の範囲において、Ｖｏｕｔ≒０〜５Ｖの範囲で測定可能であり、回路例１、２の回路構成に比べて更なる高感度化を実現できることが明らかになった。

以上、本明細書では金属検出に焦点を絞って説明をしたが、本発明の実施形態においては人体検出も可能である。具体的にはコイルに人体（＝誘電体）が近接すると、コイルのインピーダンスが変化し、Ｑ値が変化する。Ｑ値が変化すると前述のとおり発振波形の交流成分と直流成分が変化するため、これを測定回路２００で検出すればよい。検出結果に基づき、送電制御回路は送電停止処理や電力低減処理を加えることができる。こうすることで、コイルに近接した人体を検出することができ、電磁波に対する人体曝露のリスクを回避できる。

なお、本明細書で提示した数値や回路構成は一例であり、本願発明はこれらの数値や回路構成に限定されるものではない。また、本願では、本発明の趣旨に焦点を絞るため、単一の周波数で動作する発振回路例の説明にとどめたが、スイッチ付きのキャパシタ、あるいはスイッチ付きのインダクタなどを更に備え、これらのスイッチのオン・オフを切替えてＬＣ共振回路の共振周波数を動的に変更する「多周波発振回路」への拡張は容易である。これらは既存の切替手法を用いることができ、複数の周波数で電圧を測定し、各周波数ごとの電圧の変化量を判定することで、本開示の異物検出装置の検出精度をさらに向上させることも可能である。

本開示の異物検出装置、および無線電力伝送システムは、例えば、電気自動車、ＡＶ機器、電池、医療機器などへの充電あるいは給電を行う用途に広く適用可能である。本開示の実施形態によれば、コイルに近接した金属や人体などの異物を高感度に検知し、金属の異常発熱や人体曝露のリスクを回避することができる。

１００ 発振回路
１１０ コイル
１５０ 電気回路
２００、２００ａ 整流回路
３００ 測定回路
４００ 電流制限回路
５００ 送電装置
５１０ 送電コイル
５２０ 送電回路
５３０ 電源
５４０ 送電制御回路
５７０ 光源
６００ 受電装置
６１０ 受電コイル
６２０ 受電回路
６３０ 負荷
６４０ 受電制御回路
６７０ 光源
Ｌｐ コイルのインダクタンス
Ｒｐ コイルの抵抗
Ｒｄ ダンピング抵抗
Ｃｘ 共振コンデンサ
Ｃｙ 共振コンデンサ
Ｃ１ 分圧コンデンサ
Ｃ２ 平滑コンデンサ
Ｄ１ 整流素子
Ｄ２ 整流素子
ＩＮＶ インバータ
Ｓ１、Ｓ２ スイッチ

Claims (16)

1. コイルおよび共振コンデンサを有し、正のサイクルおよび負のサイクルを有する交流成分と直流成分とを含む電圧を出力するように構成された発振回路と、
   前記コイルに異物が接近したときに前記発振回路から出力される前記電圧における前記交流成分の変化と前記直流成分の変化とを検知する電気回路と、
   を備えた異物検出装置。
2. 前記電気回路は、前記発振回路から出力された前記電圧を整流して出力する整流回路を備え、
   前記整流回路は、
   前記正のサイクルの電圧を整流する第１の整流素子と、
   前記直流成分を低下させる第１のコンデンサと、
   前記直流成分を低下させることによって０よりも小さくなった前記負のサイクルの電圧を整流する第２の整流素子と、
   を有する、請求項１に記載の異物検出装置。
3. 前記整流回路は、前記第１の整流素子から出力された電圧を平滑化する第２のコンデンサをさらに有し、
   前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの分圧比をＵとするとき、０＜Ｕ≦０．５を満足する、
   請求項２に記載の異物検出装置。
4. 前記電気回路は、前記発振回路から出力される電圧を直接的あるいは間接的に測定する測定回路をさらに備える、請求項１から３のいずれかに記載の異物検出装置。
5. 前記電気回路は、前記整流回路から出力される電圧を測定する測定回路をさらに備える、請求項２に記載の異物検出装置。
6. 前記発振回路は、前記発振回路から出力される前記電圧を低下させるように配置された抵抗Ｒｄをさらに有し、
   前記抵抗Ｒｄは、前記異物が前記コイルから十分に離れている場合において、前記測定回路に入力される電圧が、前記測定回路の測定可能範囲内に収まり、かつ、前記コイルよりも大きい異物がコイルに密着した場合に、前記電圧が、前記測定可能範囲の下限値以上に収まるように設定されている、
   請求項４または５に記載の異物検出装置。
7. 前記測定回路は、前記測定回路に入力される電圧と所定の基準電圧との差が、所定の閾値以上の場合、前記異物が存在することを示す情報を出力する、請求項４から６のいずれかに記載の異物検出装置。
8. 前記共振コンデンサを第１の共振コンデンサとするとき、
   前記発振回路は、前記第１の共振コンデンサの容量とは異なる容量を有する第２の共振コンデンサをさらに備え、
   前記第１の共振コンデンサの一方の電極は、前記コイルおよび前記発振回路の出力端子に接続されており、
   前記第１および第２の共振コンデンサは、前記コイルに対して並列に接続されている、
   請求項１から６のいずれかに記載の異物検出装置。
9. 前記第１の共振コンデンサの容量をＣｘ、前記第２の共振コンデンサの容量をＣｙ＝αＣｘとするとき、αは１≦α＜１００の範囲内の値に設定されている、請求項８に記載の異物検出装置。
10. 前記第１の共振コンデンサの容量をＣｘ、前記第２の共振コンデンサの容量をＣｙ＝αＣｘとするとき、αは０．０１≦α＜１の範囲内の値に設定されている、請求項８に記載の異物検出装置。
11. 前記コイルは、無線で電力を送出する送電コイルとしても機能するように構成され、
    前記異物検出装置は、前記コイルと前記発振回路との間の電気的接続を切替えるスイッチをさらに備え、
    前記スイッチは、異物検出モードでは前記コイルと前記発振回路とを電気的に接続し、送電モードでは前記コイルと前記発振回路とを電気的に切断するように構成されている、
    請求項１から１０のいずれかに記載の異物検出装置。
12. 前記コイルは、無線で電力を受け取る受電コイルとしても機能するように構成され、
    前記異物検出装置は、前記コイルと前記発振回路との間の電気的接続を切替えるスイッチをさらに備え、
    前記スイッチは、異物検出モードでは前記コイルと前記発振回路とを電気的に接続し、送電モードでは前記コイルと前記発振回路とを電気的に切断するように構成されている、
    請求項１から１０のいずれかに記載の異物検出装置。
13. 電力を無線で送出する送電装置であって、
    請求項１から１１のいずれかに記載の異物検出装置と、
    前記異物検出装置の検出結果に応じて送電周波数および送電電圧を決定する制御回路と、
    を備える送電装置。
14. 送電装置から無線で送出された電力を受け取る受電装置であって、
    請求項１から１０、または１２に記載の異物検出装置と、
    前記異物検出装置の検出結果に応じて送電制御のための情報を生成して出力する制御回路と、
    を備える受電装置。
15. 電力を無線で送出する送電装置と、
    前記送電装置から送出された前記電力を受け取る受電装置と、
    を備え、
    前記送電装置は、請求項１３に記載の送電装置である、
    無線電力伝送システム。
16. 電力を無線で送出する送電装置と、
    前記送電装置から送出された前記電力を受け取る受電装置と、
    を備え、
    前記受電装置は、請求項１４に記載の受電装置である、
    無線電力伝送システム。

Images