JP6079026B2 - コイルユニットおよびそれを用いたワイヤレス給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、コイルユニットおよびそれを用いたワイヤレス給電装置に関する。

電源コードなしで電力を供給するワイヤレス給電技術が注目されつつある。現在のワイヤレス給電技術は、（Ａ）電磁誘導を利用するタイプ（近距離用）、（Ｂ）電波を利用するタイプ（遠距離用）、（Ｃ）磁場の共振現象を利用するタイプ（中距離用）の３種類に大別できる。例えば電気自動車の車両下部に受電コイルを配置して、地中の給電コイルからワイヤレスで電力を伝送するという案も検討されており、このワイヤレス給電技術を用いれば、完全に絶縁されたシステムが構築可能となる。

ところで、電気自動車等へワイヤレス給電を応用する際には、例えば給電コイルと受電コイルの直径を４０〜５０ｃｍとした場合に、両コイル間のギャップは両コイルの直径の１／２以下の１０〜２０ｃｍ程度に設計できる。このようなワイヤレス給電装置において、給電コイルが発生する強い交流磁束のため、誤って給電コイルと受電コイルとの間に金属等の異物が混入すると、渦電流が金属等に流れて受電コイルへの伝送電力が損なわれるという問題があった。このため、コイル近傍に温度検出手段を設けて異物を検出する技術が提案されていた。（特許文献１、２）

特開２０１１−２２９２６４号公報 特開２００９−２７７６９０号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に開示される技術は、コイル間に混入した金属等の異物の温度上昇を温度検出素子が検出するまでに時間を要するため、異物混入を瞬時に検出することができないという課題があった。

特に電気自動車等への応用として、大電力（例えば数ｋ〜数１０ｋＷ）をワイヤレス給電する場合、給電コイルと受電コイルの間に金属等の異物、例えば鉄板やアルミニウム板、銅板等が誤って混入すると、渦電流が金属等に流れて受電コイルへの伝送電力が損なわれるという問題が考えられ、この問題を未然に防ぐ仕組みが必要であった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、給電コイルと受電コイルの間に金属等の異物が混入したときに、温度上昇が発生する前に瞬時に異常を検出することが可能なコイルユニットと、当該コイルユニットを用いて伝送電力が損なわれることを回避できるワイヤレス給電装置を提供することを目的とする。

本発明に係るコイルユニットは、給電コイルと、給電コイルからワイヤレスで伝送される電力を受電する受電コイルと、給電コイルの近傍に具備された検出コイルと、を備え、検出コイルのコイル領域は、給電コイルの巻線部の内側に位置する内側領域と、給電コイルの巻線部の外側に位置する外側領域とを有することを特徴とする。

本発明によれば、検出コイルのコイル領域は、給電コイルの巻線部の内側に位置する内側領域と給電コイルの巻線部の外側に位置する外側領域とを有している。このため、給電コイルと受電コイルの間に金属等の異物が混入していないときは、給電コイルの内側と外側とでは給電コイルから発生する交流磁束の向きが互いに逆向きであるために、検出コイルの内側領域における交流磁束と外側領域における交流磁束の少なくとも一部が打ち消しあい、検出コイルのコイル領域内での交流磁束が平衡状態に保たれる。逆に給電コイルと受電コイルの間に金属等の異物が混入したときには、検出コイルの内側領域における交流磁束と外側領域における交流磁束の打ち消しあうバランスが変化し、検出コイルのコイル領域内での交流磁束の平衡状態が崩れるため、瞬時に異物を検出することができる。

ここで、検出コイルのコイル領域内での交流磁束の変化を検出する手段として、例えばオシロスコープを用いて検出コイルの出力波形を検出する方法や、電流センサを用いて検出コイルの電流波形を検出する方法などが挙げられる。

さらに検出コイルの内側領域の占める割合が外側領域の占める割合よりも大きいことが望ましい。この場合、検出コイルの給電コイルの巻線部外側への突出長さを短くすることが可能となり、システム全体の形状を小型化できる。

検出コイルは、共振コンデンサと検出信号出力用抵抗器に接続されて閉回路を構成するようにしてもよい。この場合、検出コイルと共振コンデンサが共振することにより大きな検出信号が得られるため、検出感度を向上させることができる。

本発明に係るワイヤレス給電装置は、上記コイルユニットと、コイルユニットの給電コイルに電力増幅器を介して接続される駆動信号源と、検出コイルの出力信号が接続される第１の入力端子と駆動信号源の出力信号が接続される第２の入力端子を備えた位相比較器と、位相比較器の出力信号が接続される判定器と、判定器の出力信号と電力増幅器に接続される一次側電力制御部とを備え、位相比較器は第１の入力端子と第２の入力端子に入力された信号を比較して位相差が検出され、判定器は位相比較器で検出された位相差に基づいて異物が混入したかどうかを判定し、一次側電力制御部は判定器によって異物が混入したと判定されたときに給電コイルを駆動する電力増幅器の電力を減少または停止させることを特徴とする。

このワイヤレス給電装置によれば、給電コイルと受電コイルの間に金属等の異物が混入すると、位相比較器において検出された位相の変化（位相差）が判定器に出力され、判定器によって異物が混入したかどうかの判定が行われ、異物が混入したと判定されたときに一次側電力制御部が給電コイルを駆動する電力増幅器の電力を減少または停止させている。このため、伝送電力が損なわれることを回避できる。

本発明のコイルユニットによれば、給電コイルと受電コイルの間に金属等の異物が混入したときに、温度上昇が発生する前に瞬時に異常を検出することができる。また当該コイルユニットを用いたワイヤレス給電装置によれば、伝送電力が損なわれることを回避できる。

本発明の第１実施形態におけるコイルユニットの側面図である。 本発明の第１実施形態における給電ユニットコイルの上面図である。 本発明の第１実施形態における検出コイルの詳細図である。 検出コイルの変形例を示す図である。 本発明の第２実施形態における給電ユニットコイルの上面図である。 （ａ）は本発明の第３実施形態における給電ユニットコイルの上面図である。（ｂ）は（ａ）の検出コイルを１つ抜粋した図である。 本発明の第４実施形態における給電ユニットコイルの上面図である。 （ａ）は検出コイルの回路構成例である。（ｂ）は（ａ）に共振コンデンサを追加した検出コイルの回路構成例である。 本発明の実施形態におけるワイヤレス給電装置の構成図である。 駆動周波数と受電電力と検出信号の振幅の関係を示す図である。 駆動信号源の波形と共振電流と検出信号の関係を示す図である。 （ａ）は給電コイルに対する検出コイルの位置が外側寄りに配置された場合の各部信号を示す図である。（ｂ）は給電コイルに対する検出コイルの位置がヌルポイントに配置された場合の各部信号を示す図である。（ｃ）は給電コイルに対する検出コイルの位置が内側寄りに配置された場合の各部信号を示す図である。 （ａ）は鉄板が混入したときのコイルユニットの側面図である。（ｂ）は鉄板が混入したときの給電ユニットコイルの上面図である。 鉄板の水平距離に対する駆動信号と検出信号との位相差を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

まず、図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態に係るコイルユニットＬ１の構成について説明する。図１は、第１実施形態に係るコイルユニットＬ１の側面図である。図２は、本発明の第１実施形態に係るコイルユニットＬ１の給電コイル２と検出コイル３を含む給電ユニットコイル１の上面図である。図３は、本発明の第１実施形態に係るコイルユニットＬ１の検出コイル３の詳細を示した図である。

コイルユニットＬ１は、図１に示されるように、給電コイル２と、検出コイル３と、受電コイル４と、ロードコイル５を含む。給電コイル２と受電コイル４は、給電に際し、その間に所定の距離を空けつつ、ワイヤレスで近接して配置される。本実施形態では、給電コイル２と受電コイル４の間の距離は例えば１２０ｍｍに設定されている。検出コイル３は、給電コイル２上に配置されている。ロードコイル５は、図示されない負荷装置に電力を伝送するよう受電コイル４の外側に巻回される。受電コイル４とロードコイル５は電磁結合している。

給電ユニットコイル１は、図２に示されるように、給電コイル２と検出コイル３を含む。本実施形態では、給電コイル２は略正方形を呈しており、その大きさは例えば外径３６０ｍｍ、内径３００ｍｍである。検出コイル３は、１個または複数から構成され、本実施形態では４個配置されている。検出コイル３のコイル領域は、給電コイル２の巻線部の内側に位置する内側領域と、給電コイル２の巻線部の外側に位置する外側領域とを有している。

本実施形態における検出コイル３の形状は、図３に示されるように、Ｔ字型を呈しており、数回巻きから１０回巻き程度で構成されている。

以上のように、本実施形態では、検出コイル３のコイル領域が給電コイル２の巻線部の内側に位置する内側領域と、給電コイル２の巻線部の外側に位置する外側領域とを有している。このため、給電コイル２の近傍に金属等の異物が混入していないときは、給電コイル２の巻線部の内側と外側とで給電コイル２から発生する交流磁束の向きが互いに逆向きとなるため、検出コイル３の内側領域における交流磁束と外側領域における交流磁束の少なくとも一部が打ち消しあい、検出コイル３のコイル領域内での交流磁束が平衡状態に保たれる。逆に給電コイル２の近傍に金属等の異物が混入したときには、検出コイル３の内側領域における交流磁束と外側領域における交流磁束の打ち消しあうバランスが変化し、検出コイル３のコイル領域内での交流磁束の平衡状態が崩れるため、瞬時に異物を検出することができる。

続いて、図４を参照して、検出コイル３の変形例の構成について説明する。図４は、変形例に係る給電ユニットコイル１１の上面図である。

図４に示された変形例では、検出コイル１３は略長方形を呈している。検出コイル１３のコイル領域は、第１実施形態の検出コイル３のコイル領域と同様に、給電コイル２の巻線部の内側に位置する内側領域と、給電コイル２の巻線部の外側に位置する外側領域とを有している。このため、給電コイル２の近傍に金属等の異物が混入していないときは、給電コイル２の巻線部の内側と外側とで給電コイル２から発生する交流磁束の向きが互いに逆向きとなるため、検出コイル１３の内側領域における交流磁束と外側領域における交流磁束の少なくとも一部が打ち消しあい、検出コイル１３のコイル領域内での交流磁束が平衡状態に保たれる。逆に給電コイル２の近傍に金属等の異物が混入したときには、検出コイル１３の内側領域における交流磁束と外側領域における交流磁束の打ち消しあうバランスが変化し、検出コイル１３のコイル領域内での交流磁束の平衡状態が崩れるため、瞬時に異物を検出することができる。

ここで、Ｔ字型の検出コイル３と長方形型の検出コイル１３を比較すると、検出コイル３のコイル領域は給電コイル２の中心付近まで延びている。言い換えると、検出コイル３の内側領域の占める割合が外側領域の占める割合よりも大きくなっている。一方、検出コイル１３のコイル領域は給電コイル２の巻線部内側への突出長さよりも給電コイル２の巻線部外側への突出長さが長くなっている。言い換えると、検出コイル１３の内側領域の占める割合が外側領域の占める割合よりも小さくなっている。このように、検出コイル３の内側領域を給電コイル２の中心付近まで延ばして配置したとしても、検出コイル３の外側領域を給電コイル２の巻線方向に沿って延ばして配置することで、検出コイル３の内側領域における交流磁束と外側領域における交流磁束の少なくとも一部が打ち消しあい、検出コイル３のコイル領域内での交流磁束が平衡状態に保たれる。したがって、検出コイル３の内側領域の占める割合を外側領域の占める割合よりも大きくすることによって、検出コイル３の給電コイル２の巻線部外側への突出長さを短くすることが可能となり、システム全体の形状を小型化できる。

次に、図５を参照して、本発明の第２実施形態に係る給電ユニットコイル２１の構成について説明する。図５は、本発明の第２実施形態に係る給電ユニットコイル２１の上面図である。

給電ユニットコイル２１は、図５に示されるように、給電コイル２と複数の検出コイル２３を含む。検出コイル２３は、検出コイル３の形状を変形したものであって、給電コイル２の中心部に向かって延びるように３２個配置されている。各検出コイル２３のコイル領域は、給電コイル２の巻線部の内側に位置する内側領域と、給電コイル２の巻線部の外側に位置する外側領域とを有している。

以上のように、本実施形態では、検出コイル２３のコイル領域が給電コイル２の巻線部の内側に位置する内側領域と、給電コイル２の巻線部の外側に位置する外側領域とを有している。このため、給電コイル２の近傍に金属等の異物が混入していないときは、給電コイル２の巻線部の内側と外側とで給電コイル２から発生する交流磁束の向きが互いに逆向きとなるため、検出コイル２３の内側領域における交流磁束と外側領域における交流磁束の少なくとも一部が打ち消しあい、検出コイル２３のコイル領域内での交流磁束が平衡状態に保たれる。逆に給電コイル２の近傍に金属等の異物が混入したときには、検出コイル２３の内側領域における交流磁束と外側領域における交流磁束の打ち消しあうバランスが変化し、検出コイル２３のコイル領域内での交流磁束の平衡状態が崩れるため、瞬時に異物を検出することができる。

本実施形態においては、複数の検出コイル２３のコイル領域が給電コイル２の中心部に向かって配置されている。これにより、給電コイル２のどこに金属等の異物が混入したとしても、精度良く検出することができる。なお、本実施形態では、検出コイル２３の内側領域の占める割合が外側領域の占める割合よりも大きくなっているため、検出コイル２３の給電コイル２の巻線部外側への突出長さを短くすることが可能となり、システム全体の形状を小型化できる。

次に、図６を参照して、本発明の第３実施形態に係る給電ユニットコイル３１の構成について説明する。図６（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る給電ユニットコイル３１の上面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の検出コイル３３を１つ抜粋して示した図である。

給電ユニットコイル３１は、図６（ａ）に示されるように、給電コイル１２と複数の検出コイル３３を含む。給電コイル１２は、略円形を呈している。検出コイル３３は、検出コイル３を変形したものであって、コイル領域が給電コイル１２の中心部に向かって延びるように３２個配置されている。各検出コイル３３は、給電コイル１２の巻線部の内側に位置する内側領域と、給電コイル１２の巻線部の外側に位置する外側領域とを有している。本実施形態では、検出コイル３３のコイル領域の内側領域は、図６（ｂ）に示されるように、先が鋭角の略二等辺三角形の形状を呈している。

以上のように、本実施形態では、検出コイル３３のコイル領域が給電コイル１２の巻線部の内側に位置する内側領域と、給電コイル１２の巻線部の外側に位置する外側領域とを有している。このため、給電コイル１２の近傍に金属等の異物が混入していないときは、給電コイル１２の巻線部の内側と外側とで給電コイル１２から発生する交流磁束の向きが互いに逆向きとなるため、検出コイル３３の内側領域における交流磁束と外側領域における交流磁束の少なくとも一部が打ち消しあい、検出コイル３３のコイル領域内での交流磁束が平衡状態に保たれる。逆に給電コイル１２の近傍に金属等の異物が混入したときには、検出コイル３３の内側領域における交流磁束と外側領域における交流磁束の打ち消しあうバランスが変化し、検出コイル３３のコイル領域内での交流磁束の平衡状態が崩れるため、瞬時に異物を検出することができる。

本実施形態においては、複数の検出コイル３３のコイル領域が給電コイル１２の中心部に向かって配置されている。これにより、給電コイル１２のどこに金属等の異物が混入したとしても、精度良く検出することができる。なお、本実施形態では、検出コイル３３の内側領域の占める割合が外側領域の占める割合よりも大きくなっているため、検出コイル３３の給電コイル１２の巻線部外側への突出長さを短くすることが可能となり、システム全体の形状を小型化できる。

本実施形態においては、検出コイル３３のコイル領域の内側領域は先が鋭角の略二等辺三角形の形状を呈している。すなわち、検出コイル３３のコイル領域の内側領域が外側領域から内側領域に向かって漸次細くなっている。これにより、給電コイル１２の形状が円形であっても、中心部まで検出コイル３３のコイル領域を延ばすことが可能となるため、金属等の異物を中心部まで精度良く検出することができる。

次に、図７を参照して、本発明の第４実施形態に係る給電ユニットコイル４１の構成について説明する。図７は、本発明の第４実施形態に係る給電ユニットコイル４１の上面図である。

給電ユニットコイル４１は、図７に示されるように、給電コイル２２と複数の検出コイル４３を含む。給電コイル２２は、略長方形を呈している。検出コイル４３は、検出コイル３を変形したものであって、コイル領域が略長方形を呈している。本実施形態では、５個の検出コイル４３がそれぞれ給電コイル２２の巻線部の内側に位置する内側領域と、給電コイル２２の巻線部の外側に位置する２箇所の外側領域を有している。

以上のように、本実施形態では、検出コイル４３のコイル領域が給電コイル２２の巻線部の内側に位置する内側領域と、給電コイル２２の巻線部の外側に位置する外側領域とを有している。このため、給電コイル２２の近傍に金属等の異物が混入していないときは、給電コイル２２の巻線部の内側と外側とで給電コイル２２から発生する交流磁束の向きが互いに逆向きとなるため、検出コイル４３の内側領域における交流磁束と外側領域における交流磁束の少なくとも一部が打ち消しあい、検出コイル４３のコイル領域内での交流磁束が平衡状態に保たれる。逆に給電コイル２２の近傍に金属等の異物が混入したときには、検出コイル４３の内側領域における交流磁束と外側領域における交流磁束の打ち消しあうバランスが変化し、検出コイル４３のコイル領域内での交流磁束の平衡状態が崩れるため、瞬時に異物を検出することができる。

本実施形態においては、検出コイル４３のコイル領域が給電コイル２２の巻線部の外側に位置する２箇所の外側領域を有している。これにより、検出コイル４３のコイル領域の外側領域に比較的大きな領域を有しているため、給電コイル２２の巻線部の外側に金属等の異物が混入したとしても、広範囲において精度良く検出することができる。

続いて、図８を参照して、検出コイルの回路構成について説明する。図８は、検出コイルの回路構成例を示した図である。

図８（ａ）の回路構成例では、検出コイル５３が検出用抵抗器Ｒ１と接続されて閉回路を構成し、検出信号ｖ１が出力される。一方、図８（ｂ）の回路構成例では、検出コイル５３が検出用抵抗器Ｒ１と共振コンデンサＣ１と接続されて閉回路を構成し、検出信号ｖ２が出力される。図８（ｂ）の回路構成例は、図８（ａ）の回路構成例に対して、検出コイル５３と直列共振するように共振コンデンサＣ１が追加されている。この場合、検出コイル５３と共振コンデンサＣ１が共振することによって大きな検出信号が得られるため、検出コイル５３の検出感度を向上させることができる。

続いて、図９を参照して、本発明のワイヤレス給電装置Ｓ１の構成について説明する。ここでは、本実施形態では交流磁束の変化を検出する手段として、位相比較器を用いて説明する。図９は、本発明のワイヤレス給電装置Ｓ１の構成図である。

ワイヤレス給電装置Ｓ１は、図９に示されるように、給電ユニット１００と、受電ユニット２００を含む。給電ユニット１００は、給電コイル１０１と、検出コイル１０２、１１２と、駆動信号源１０４と、電力増幅器１０５と、第１の位相比較器１０６と、第２の位相比較器１１６と、判定器１０７と、一次側電力制御部１０８と、を備える。受電ユニット２００は、受電コイル２０１と、ロードコイル２０２と、負荷２０３と、を備える。

検出コイル１０２、１１２は、２個で構成されており、検出コイル１０２、１１２はそれぞれ給電コイル１０１の巻線部の内側に位置する内側領域と、給電コイル１０１の巻線部の外側に位置する外側領域とを有している。

検出コイル１０２は、検出用抵抗器Ｒ２に接続されて、閉回路を構成している。検出コイル１０２は、受電コイル２０１が発生する交流磁束を検出信号に変換して、検出信号出力端子１０３から出力され、第１の位相比較器１０６の第１の入力端子に入力される。ここで、検出信号出力端子１０３から出力される検出信号は、検出用抵抗器Ｒ２によって閉回路を流れる電流を電圧に変換したものである。

検出コイル１１２は、検出用抵抗器Ｒ３に接続されて、閉回路を構成している。検出コイル１１２の信号は、検出用抵抗器Ｒ３から受電コイル２０１が発生する交流磁束を検出信号として、検出信号出力端子１１３から出力され、第２の位相比較器１１６の第１の入力端子に入力される。

駆動信号源１０４は、電力増幅器１０５を介して給電コイル１０１に接続されており、電力増幅器１０５が電力を増幅して給電コイル１０１を駆動する。駆動信号源１０４の信号は、第１の位相比較器１０６及び第２の位相比較器１１６の第２の入力端子にもそれぞれ入力される。駆動信号源１０４の周波数は、共振周波数ｆｒで駆動する。

第１の位相比較器１０６及び第２の位相比較器１１６は、判定器１０７に接続されており、第１の入力端子と第２の入力端子に入力された信号を比較して位相差が検出される。

判定器１０７は、第１の位相比較器１０６及び第２の位相比較器１１６で検出した位相差に基づいて、給電コイル１０１と受電コイル２０１の間に金属等の異物が混入したかどうかの判定が行われる。

一次側電力制御部１０８は、判定器１０７と電力増幅器１０５に接続されており、入力された判定器１０７の判定結果に基づいて、電力増幅器１０５の給電コイル１０１を駆動する電力を減少または停止させる動作が行われる。

受信コイル２０１は、共振コンデンサＣ２と直列に接続されて共振器を構成している。受電コイル２０１のインダクタンスＬと共振コンデンサＣ２の静電容量Ｃの定数によって共振周波数ｆｒが決定される。

ロードコイル２０２は、受電コイル２０１の近傍に配置され、負荷２０３に接続されている。受電コイル２０１とロードコイル２０２は電磁結合している。

負荷２０３は、例えば電気自動車をワイヤレスで充電するシステムを構築する場合、図示しない整流／平滑回路、充電制御回路、リチウム・イオン二次電池等により構成される。

以上のように、本実施形態では、給電コイル１０１と受電コイル２０１の間に金属等の異物が混入すると、第１の位相比較器１０６及び第２の位相比較器１１６において検出された位相の変化（位相差）が判定器１０７に出力され、判定器１０７によって異物が混入したかどうかの判定が行われ、異物が混入したと判定されたときに一次側電力制御部１０８が給電コイル１０１を駆動する電力増幅器１０５の電力を減少または停止させている。このため、伝送電力が損なわれることを回避することができる。

続いて、図１０及び図１１を参照して、本発明のワイヤレス給電装置Ｓ１による金属等の異物を検出する原理について詳細に説明する。図１０及び図１１は本発明のワイヤレス給電装置Ｓ１の原理を説明するための各種特性を示した図である。

図１０に示すグラフは、横軸は図９に示す駆動信号源１０４の駆動周波数を表示し、縦軸は図９に示す負荷２０３の受電電力３００と、検出信号出力端子１０３、１１３から出力される検出信号の振幅３０１を表示している。受電電力３００と検出信号の振幅３０１は、図１０に示されるように、同一周波数で最大値となる。受電コイル２０１と共振コンデンサＣ２の定数により決定される共振周波数で最大電力が得られ、検出コイル１０２、１１２の検出信号も最大となるためである。

図１１に示すグラフは、駆動信号３０２と、受電コイル２０１に流れる共振電流３０３と、検出信号出力端子１０３または１１３から出力される検出信号３０４、３１４の関係が示されている。金属等の異物が混入していないときの検出信号３０４を基準として、給電コイル１０１と受電コイル２０１の間に金属等の異物が混入したときは、図１１に示されるように、検出信号３１４の波形であって、位相差が小さくなり検出可能である。このように位相差が小さくなる原因としては、金属等の異物が混入したことにより、検出コイル１０２、１１２の内側領域における交流磁束が減少し、検出コイル１０２、１１２の内側領域における交流磁束と外側領域における交流磁束の打ち消しあうバランスが変化し、検出信号３０４の波形が歪むためである。

ここで、図１２を参照して、検出コイルの好ましい配置について詳細に説明する。図１２は、駆動信号３１２と、図２に示す検出コイル３から出力される検出信号３２４の関係を示した図である。

図１２（ａ）に示すグラフは、図２に示す検出コイル３が給電コイル２の外側寄りに配置された状態が示されており、検出コイル３の内側領域における交流磁束と外側領域における交流磁束の一部が打ち消しあい、検出コイル３のコイル領域内での交流磁束が駆動信号３１２と同位相の状態で平衡に保たれていることが検出信号３２４として現れている。図１２（ｂ）に示すグラフは、図２に示す検出コイル３がヌルポイントに配置された状態が示されており、給電コイル２から発生する交流磁束は、検出コイル３の内側領域における交流磁束と外側領域における交流磁束が相殺され、検出コイル３のコイル領域内での交流磁束がゼロの状態で平衡に保たれていることが検出信号３２４として現れている。図１２（ｃ）に示すグラフは、図２に示す検出コイル３が給電コイル２の内側寄りに配置された状態が示されており、給電コイル２から発生する交流磁束は、検出コイル３の内側領域における交流磁束と外側領域における交流磁束の一部が打ち消しあい、検出コイル３のコイル領域内での交流磁束が駆動信号３１２と１８０°位相がずれた状態で平衡に保たれていることが検出信号３２４として現れている。

すなわち、図１２（ａ）、図１２（ｂ）、図１２（ｃ）のいずれの状態であっても、検出コイル３のコイル領域が給電コイル２の巻線部の内側に位置する内側領域と、給電コイル２の巻線部の外側に位置する外側領域とを有しているため、金属等の異物が混入していないときは、検出コイル３の内側領域における交流磁束と外側領域における交流磁束が相殺または一部打ち消しあい、検出コイル３のコイル領域内での交流磁束が平衡状態に保たれていることが検出信号３２４として現れている。一方、金属等の異物が混入すると、検出コイル３の内側領域における交流磁束と外側領域における交流磁束の打ち消しあうバランスが変化し、検出コイル３のコイル領域内での交流磁束の平衡状態が崩れるのに伴って、検出信号３２４も平衡状態が崩れて現れるため、金属等の異物を検出することが可能となる。特に、図１２（ｂ）のように、検出信号３２４がゼロの平衡状態を保つ位置に検出コイル３を配置すると、精度良く金属等の異物を検出可能であるため好ましい。

続いて、図１３、図１４を参照して、鉄板６が混入したときと混入していないときの特性変化について具体的な例を用いて詳細に説明する。図１３（ａ）は、鉄板６が混入したときのコイルユニットＬ２の側面図である。図１３（ｂ）は、鉄板６が混入したときの給電ユニットコイル５１の上面図である。図１４は、鉄板の水平距離に対する駆動信号と検出信号の位相差を示す図である。

まず、鉄板６が混入した状態を図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示す。コイルユニットＬ２は、図１３（ａ）に示すように、給電コイル３２と、検出コイル６３と、受電コイル１４、ロードコイル１５を含む。図１３（ａ）に示されるように、鉄板６が給電コイル３２と受電コイル１４との間に混入した状態が示されており、給電コイル３２から混入した鉄板６までの距離をｚｍｍとする。

給電ユニットコイル５１は、図１３（ｂ）に示すように、給電コイル３２と、検出コイル６３を含む。図１３（ｂ）に示されるように、検出コイル６３上に鉄板６が混入した状態が示されており、基準線から水平方向に移動した鉄板６の水平距離を±ｘｍｍとする。ここで、鉄板６の大きさは例えば１６０ｍｍ×１６０ｍｍ×０．２５ｍｍのものを使用した。

図１４に示すグラフは、横軸に基準線から水平方向に移動した鉄板６の水平距離±ｘｍｍを表示し、縦軸に駆動信号と検出信号との位相差を表示している。図１４に示す例においては、鉄板６が混入していないときの駆動信号と検出信号との位相差（３．５４μｓ）を基準として、鉄板６の給電コイル３２からの距離ｚを０ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍに変化させて測定した。測定結果から、鉄板６の水平距離ｘが±２００ｍｍの範囲において、基準値よりも位相差が小さくなっており、検出が可能であった。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

再充電可能な二次電池を有する機器に利用可能であり、例えば、小容量では、電気シェーバー、据え置き型コードレス電話器、携帯電話機、携帯音楽プレーヤ等である。中容量では、業務用電動工具、工場内の搬送機、ロボット、ＬＥＤ照明、大型扇風機等である。大容量では、電気自動車、太陽光発電等のワイヤレス電力伝送システムに利用できる。

１，１１，２１，３１，４１，５１…給電ユニットコイル、２，１２，２２，３３，１０１…給電コイル、３，１３，２３，３３，４３，５３，６３，１０２，１１２…検出コイル、４，１４，２０１…受電コイル、５，１５，２０２…ロードコイル、６…鉄板、１００…給電ユニット、１０３，１１３…検出信号出力端子、１０４…駆動信号源、１０５…電力増幅器、１０６…第１の位相比較器、１１６…第２の位相比較器、１０７…判定器、１０８…一次側電力制御部、２００…受電ユニット、２０３…負荷、３００…受電電力、３０１…検出信号の振幅、３０２，３１２…駆動信号、３０３…共振電流、３０４，３１４，３２４…検出信号、Ｌ１，Ｌ２…コイルユニット、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３…検出用抵抗器、Ｃ１，Ｃ２…共振コンデンサ、Ｓ１…ワイヤレス給電装置

Claims (4)

1. 給電コイルと、前記給電コイルからワイヤレスで伝送される電力を受電する受電コイルと、前記給電コイルの近傍に具備された複数の検出コイルと、を備え、前記複数の検出コイルの各検出コイルのコイル領域は、前記給電コイルの巻線部の内側に位置する内側領域と、前記給電コイルの巻線部の外側に位置する外側領域とを有し、前記複数の検出コイルの各検出コイルの前記内側領域の占める割合が前記複数の検出コイルの各検出コイルの前記外側領域の占める割合よりも大きいことを特徴とするコイルユニット。
2. 前記複数の検出コイルは、各検出コイルのコイル領域内での前記給電コイルから発生する交流磁束がゼロの状態で平衡に保たれるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のコイルユニット。
3. 前記検出コイルは、共振コンデンサと検出信号出力用抵抗器に接続されて閉回路を構成することを特徴とする請求項１または２に記載のコイルユニット。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のコイルユニットと、前記コイルユニットの前記給電コイルに電力増幅器を介して接続される駆動信号源と、前記検出コイルの出力信号が供給される第１の入力端子と前記駆動信号源の出力信号が供給される第２の入力端子を備えた位相比較器と、前記位相比較器の出力信号が供給される判定器と、前記判定器の出力信号と前記電力増幅器に接続される一次側電力制御部とを備え、前記位相比較器は前記第１の入力端子と前記第２の入力端子に入力された信号を比較して位相差が検出され、前記判定器は前記位相比較器で検出された位相差に基づいて異物が混入したかどうかを判定し、前記一次側電力制御部は前記判定器によって異物が混入したと判定されたときに前記給電コイルを駆動する前記電力増幅器の電力を減少または停止させることを特徴とするワイヤレス給電装置。

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