JP6471970B2 - 無線電力伝送システム及び無線電力伝送システムの送電装置 - Google Patents

Description

本開示は、コイル間の異物を検出する機能を備えた無線電力伝送システム及び無線電力伝送システムの送電装置に関する。

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機器が普及している。このような機器を対象とする無線電力伝送システムの開発が進められている。無線電力伝送技術には、電磁誘導方式、磁界共鳴方式（共振磁界結合方式）、および電界結合方式などの方式が知られている。

電磁誘導方式および磁界共鳴方式による無線電力伝送システムは、送電コイルを備えた送電装置と、受電コイルを備えた受電装置とを備える。送電コイルによって生じた磁界を受電コイルが補足することにより、電極を直接接触させることなく電力を伝送することができる。このような無線電力伝送システムは、例えば特許文献１および特許文献２に開示されている。

特開２００９−１１１２９号公報 特開２０１２−０１６１７１号公報

しかし、かかる従来技術では、高い効率で継続して電力を送電する無線電力伝送システムの送電装置が求められていた。

本開示の一態様に係る送電装置は、
第１交流電力を受電する第１共振器と、前記第１共振器が受電した前記第１交流電力を第１直流電力に変換して負荷に供給する受電回路とを備えた受電装置に対して非接触方式で前記第１交流電力を送電する送電装置であって、
前記第１共振器と電磁的に結合して前記第１交流電力を前記第１共振器に送電する第２共振器と、
前記第１共振器と電磁的に結合して第２交流電力を前記第１共振器に送電する第３共振器と、
前記第１共振器と前記第２共振器との間の第１共振周波数ｆ０より低い周波数ｆ１１又は前記第１共振周波数ｆ０より高い周波数ｆ２１を用いて前記第１交流電力を生成するインバータ回路と、
前記第１共振器と前記第３共振器との間の第２共振周波数ｆｒより低い周波数ｆ１０又は前記第２共振周波数ｆｒより高い周波数ｆ２０を用いて前記第１交流電力より小さい前記第２交流電力を生成する発振回路と、
前記発振回路に指示して前記周波数ｆ１０又は前記周波数ｆ２０のいずれか一方の前記第２交流電力を前記発振回路から生成させ、前記第２交流電力に応じて変化する前記第３共振器における物理量に基づき、前記第１共振器と前記第３共振器との間に異物が存在するか否かを判断する異物検知判定回路と、
前記周波数ｆ１１又は前記周波数ｆ２１のいずれか一方を前記インバータ回路に指示して前記インバータ回路に前記第１交流電力を生成させる送電制御回路と、を備え、
前記送電制御回路は、
前記第２共振器から前記第１共振器へ前記第１交流電力を送電する第１送電期間と前記第１送電期間の次の第２送電期間との間に前記異物検知判定回路による異物検知期間とを設け、
前記第１送電期間において、前記周波数ｆ１１及び前記周波数f21のいずれか一方を用い、前記異物検知期間において、前記周波数ｆ１０及び前記周波数ｆ２０のいずれか一方を用い、
前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合は、前記第２送電期間において、前記第１送電期間で用いた周波数とは別の前記周波数ｆ１１または前記周波数f21を使用することを前記インバータ回路に指示して前記第１交流電力の送電を開始させる。

なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または、記録媒体によって実現されてもよい。あるいは、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせによって実現されてもよい。

本開示の一態様によると、高い効率で継続して電力を送電できる送電装置を提供できる。

図１は、本開示の第１の実施形態に係る無線電力伝送システムの構成図である。 図２は、本開示の第１の実施形態に係る無線電力伝送システムの動作の概要を示す図である。 図３は、本開示の第１の実施形態に係るインバータ回路の構成を示す図である。 図４Ａは、本開示の第１の実施形態に係るインバータ回路の動作を説明するための図である。 図４Ｂは、本開示の第１の実施形態に係るインバータ回路の動作を説明するための図である。 図５Ａは、本開示の第１の実施形態に係る装置の低周波数の磁界モード（奇モード）における磁束の流れを示す概略図である。 図５Ｂは、本開示の第１の実施形態に係る装置の高周波数の磁界モード（偶モード）における磁束の流れを示す概略図である。 図６は、本開示の第１の実施形態に係る装置における異物検知用の周波数と送電用の周波数とを説明するための図である。 図７は、本開示の第１の実施形態に係る異物検知判定回路を示す構成図である。 図８は、本開示の第１の実施形態に係る発振回路の一例を示す構成図である。 図９は、本開示の第１の実施形態に係る無線電力伝送システムの動作を示すフロー図である。 図１０は、本開示の第１の実施形態に係る無線電力伝送システムの変形例における動作を示すフロー図である。 図１１は、本開示の第２の実施形態に係る異物検知判定回路を示す構成図である。 図１２は、本開示の第２の実施形態に係る第３共振器と第２共振器とが電磁結合しているときの第３共振器の入力インダクタンスの周波数依存性を示すグラフである。 図１３は、本開示の第２の実施形態に係る無線電力伝送システムの動作を示すフロー図である。 図１４は、本開示の第３の実施形態に係る無線電力伝送システムの構成図である。 図１５は、本開示の第３の実施形態に係る異物検知判定回路を示す構成図である。 図１６は、本開示の第４の実施形態に係る無線電力伝送システムの構成図である。

（本開示の基礎となった知見）
本発明者らは、「背景技術」の欄において記載した無線電力伝送システムに関し、以下の課題が生じることを見いだした。

まず、「異物」の定義について説明する。本開示において、「異物」とは、無線電力伝送システムの送電コイル又は受電コイルの近傍に位置したときに、送電コイル及び受電コイルの間で伝送される電力に起因して発熱する、金属及び人体（動物）などの物体のことを示す。

次に無線電力伝送システムの送電装置の動作について説明する。送電装置は、まず、送電装置の電源スイッチがＯＮされると、送電装置と受電装置との位置合せを行う。送電装置と受電装置との位置合せが完了すると、送電装置と受電装置との間に異物が存在するか否かを判断する異物検知を行う。送電装置と受電装置との間に異物が存在しないと判断すると、送電装置から受電装置に非接触で交流電力を送電する。

車載の肘掛部分などに搭載された送電装置は、運転中で、送電中に、送電装置と受電装置との間に異物が侵入する場合がある。その場合、異物に渦電流が発生し、異物が過熱する虞がある。

上記異物の過熱を防止するため、送電を開始した後に、異物検知を行う異物検知期間と、送電を行う送電期間とを繰り返し、異物が過熱しないように監視することが考えられる。

特許文献１には、送電装置が異物を検出すると、送電を停止することが開示されている。特許文献１は、送電を停止することにより、異物の発熱を抑制することができる。しかし、ユーザが異物を除去しない限り送電を再開できないので、やがて受電装置の電池が消費され、受電装置が停止してしまう。運転中に、ユーザが異物を除去するのは、安全面から困難である。よって、運転中で、送電中に、送電装置と受電装置との間に異物が侵入して、異物を検出した場合でも送電を継続できることが望まれる。

異物を検出した場合でも送電を継続する方法として、特許文献２の段落００８０に、次のことが開示されている。まず、一列に並んで配置された複数の送電コイルと複数の送電コイルと対になるように対向する複数の受電コイルとを用いて、異物が検出された第１の送電コイルと、異物が検出されていない第２の送電コイルとを識別する。そして、異物が検出されていない第２の送電コイルを用いて電力を受電コイルに送電する。異物への誤送電を行わないように、異物が検出された第１の送電コイルを用いないで、磁束を制御して送電することが開示されている。このことにより、異物を検出した場合でも送電を継続して行うことができる。

しかしながら、本発明者らは、特許文献２の方法を詳しく調査した結果、次の課題を有することを見出した。

特許文献２の方法では、複数の送電コイルの中から異物が検出されていない第２の送電コイルを識別するのに、複数の対になった送電コイルの周波数または受電コイルの周波数を測定して、測定した双方の周波数のずれに基づいて、異物が検出されない第２の送電コイルの識別を行っている。よって、複数の送電コイルと同数で、複数の送電コイルと対向する複数の受電コイルが必要となる。

例えば、スマートホンのような１つの受電装置に１つの受電コイルしか有さない場合には、特許文献２の方法においては、１つの受電コイルに対応する送電コイルは、複数の送電コイルの中の１つの送電コイルとなり、対をなすことになる。

上記１つの受電コイルと上記１つの送電コイルとが対となっている状態で、上記１対の受電コイルと送電コイルとの間に異物を検出しても、異物の過熱を防止するために、ユーザが受電装置を動かして、異物が検出されない第２の送電コイルを探すことは運転中にはできない。従って、スマートホンのような１つの受電装置に１つの受電コイルしか有さない場合には、特許文献２の方法は、送電を継続できないとう課題を有することを見出した。

また、特許文献２では、複数の送電コイルを用いるので、送電装置の設置台の面積が大きくなる課題がある。また、複数の送電コイル及び複数の受電コイルを用いるので、部品点数が増加し、コストが増加するという課題がある。

従って、例えば、スマートホンのような１つの受電コイルを有する１つの受電装置でも送電を継続でき、設置台の面積が小さい送電装置が望まれている。また、異物の過熱を防止しつつ、高い効率で継続して電力を送電する送電装置が望まれている。

以上の考察により、本発明者らは、以下に開示する各態様を想到するに至った。

本開示の一態様に係る送電装置は、
第１交流電力を受電する第１共振器と、前記第１共振器が受電した前記第１交流電力を第１直流電力に変換して負荷に供給する受電回路とを備えた受電装置に対して非接触方式で前記第１交流電力を送電する送電装置であって、
前記第１共振器と電磁的に結合して前記第１交流電力を前記第１共振器に送電する第２共振器と、
前記第１共振器と電磁的に結合して第２交流電力を前記第１共振器に送電する第３共振器と、
前記第１共振器と前記第２共振器との間の第１共振周波数ｆ０より低い周波数ｆ１１又は前記第１共振周波数ｆ０より高い周波数f21を用いて前記第１交流電力を生成するインバータ回路と、
前記第１共振器と前記第３共振器との間の第２共振周波数ｆｒより低い周波数ｆ１０又は前記第２共振周波数ｆｒより高い周波数ｆ２０を用いて前記第１交流電力より小さい前記第２交流電力を生成する発振回路と、
前記発振回路に指示して前記周波数ｆ１０又は前記周波数ｆ２０のいずれか一方の前記第２交流電力を前記発振回路から生成させ、前記第２交流電力に応じて変化する前記第３共振器における物理量に基づき、前記第１共振器と前記第３共振器との間に異物が存在するか否かを判断する異物検知判定回路と、
前記周波数ｆ１１又は前記周波数f21のいずれか一方を前記インバータ回路に指示して前記インバータ回路に前記第１交流電力を生成させる送電制御回路と、を備え、
前記送電制御回路は、
前記第２共振器から前記第１共振器へ前記第１交流電力を送電する第１送電期間と前記第１送電期間の次の第２送電期間との間に前記異物検知判定回路による異物検知期間とを設け、
前記第１送電期間において、前記周波数ｆ１１及び前記周波数f21のいずれか一方を用い、前記異物検知期間において、前記周波数ｆ１０及び前記周波数ｆ２０のいずれか一方を用い、
前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合は、前記第２送電期間において、前記第１送電期間で用いた周波数とは別の前記周波数ｆ１１または前記周波数f21を使用することを前記インバータ回路に指示して前記第１交流電力の送電を開始させる。

上記態様によると、前記第１送電期間において、前記周波数ｆ１１及び前記周波数f21のいずれか一方を用いる。前記第１送電期間において前記周波数ｆ１１で送電している場合、図５Ａに示すように、前記第１共振器のコイルと前記第２共振器のコイルとの間の中央部Ａの磁界は密となり、周辺部Ｂの磁界が疎となる。よって、中央部Ａの磁界が密で、周辺部Ｂの磁界が疎の状態で送電している。言い換えれば、ほとんど、中央部Ａの磁界で送電を行っている。

前記異物検知期間において、前記周波数ｆ１０及び前記周波数ｆ２０のいずれか一方を用いる。前記異物検知期間において、前記周波数ｆ１０で発振している場合は、図５Ａに示すように、前記第２共振器のコイルと前記第３共振器のコイルとの間の中央部Ａの磁界は密となり、周辺部Ｂの磁界が疎となる。

よって、前記周波数ｆ１０で発振している時、異物が存在すると判断された場合は、異物は中央部Ａに存在していることが分かる。よって、前記第２送電期間では、中央部Ａの磁界が疎で、周辺部Ｂの磁界が密となる磁界分布を有する前記周波数f21で送電することにより、異物の発熱を抑制しながら、高い効率で送電できる。

一方、前記第１送電期間において前記周波数f21で送電している場合、図５Ｂに示すように、前記第１共振器のコイルと前記第２共振器のコイルとの間の中央部Ａの磁界は疎となり、周辺部Ｂの磁界が密となる。よって、中央部Ａの磁界が疎で、周辺部Ｂの磁界が密の状態で送電している。言い換えれば、ほとんど、周辺部Ｂの磁界で送電を行っている。

よって、前記周波数ｆ２０で発振している時、異物が存在すると判断された場合は、異物は周辺部Ｂに存在していることが分かる。よって、前記第２送電期間では、前記中央部Ａの磁界が密で、前記周辺部Ｂの磁界が疎となる磁界分布を有する前記周波数ｆ１１で送電することにより、異物の発熱を抑制しながら、高い効率で送電できる。

以上まとめると、前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合は、前記第２送電期間において、前記第１送電期間で用いた周波数とは別の前記周波数であるｆ１１または前記周波数f21を使用することを前記インバータ回路に指示する。そして、前記第１交流電力の送電を開始させることにより、異物の過熱を防止しつつ、高い効率で継続して送電できる。

また、前記送電装置には、１つの送電コイルのみで実現できるので、スマートホンのような受電コイルが１つの受電装置でも送電でき、設置台の面積が小さい送電装置を実現できる。

以下、図面を参照しながら、本開示の例示的な実施の形態を説明する。なお、本開示は、以下の実施の形態に限定されるものではない。各実施形態に各種の変形を施したり、複数の実施の形態を組み合わせたりすることによって新たな実施の形態を構成してもよい。以下の説明において、同一または類似する構成要素には同一の参照符号を付している。

（実施の形態１）
図１は、本開示の実施の形態１における無線電力伝送システムの構成の概略を示す図である。この無線電力伝送システムは、送電回路１と、受電回路４と、負荷５と、第２共振器２と、第１共振器３と、第３共振器１１とを備える。送電回路１、第２共振器２、および第３共振器１１は、送電装置に搭載され得る。第１共振器３、受電回路４、および負荷５は、受電装置に搭載され得る。受電装置は、例えばスマートホン、タブレット端末、携帯端末などの電子機器、または電気自動車などの電動機械であり得る。送電装置は、受電装置に無線で電力を供給する充電器であり得る。負荷５は、例えば二次電池を備えた機器であり得る。負荷５は、無線電力伝送システムの外部の要素であってもよい。図１には、送電回路１に直流エネルギ（以後、エネルギを電力と言い換えてもよい）を供給する電源０も描かれている。電源０は、本システムに含まれていてもよいし、本システムの外部の要素であってもよい。

第２共振器２、第１共振器３、および第３共振器１１の各々は、コイルおよびキャパシタを含む共振回路である。本システムでは、第２共振器２と第１共振器３との間で非接触の電力伝送が行われる。また、第３共振器１１と第１共振器３との間の電磁結合を利用して異物を検知することができる。以下の説明では、電力伝送を行うモードを「送電モード」と呼び、異物を検知するモードを「異物検知モード」と呼ぶ。ここで、「異物」とは、第２共振器２または第１共振器３に接近したときに発熱する物体をいう。異物には、金属、および人体や動物などの生体が含まれる。

送電回路１は、インバータ回路１０と、送電制御回路１５と、メモリ１４と、発振回路１２と、異物検知判定回路１３とを備える。メモリ１４は、電力伝送の際に設定される制御パラメータ（「送電パラメータ」と称することもある。）を格納する。このため、メモリ１４を「送電パラメータ保持部」と称することがある。送電パラメータは、周波数などの送電制御に関するパラメータである。送電パラメータの詳細は後述する。送電モードでは、送電制御回路１５、インバータ回路１０、第２共振器２によって電力が無線で受電装置に伝送される。異物検知モードでは、発振回路１２および異物検知判定回路１３によって第３共振器１１または第１共振器３の近傍の異物が検出される。

図２は、送電回路１による処理の流れを示す図である。送電回路１は、送電モードと異物検知モードとを、所定の時間ごとに切り替えながら動作する。送電モードの１回の長さは、例えば数秒から数十秒程度に設定され得る。検知モードの１回の長さは、例えば数ｍ秒から数秒程度に設定され得る。ただし、このような例に限定されない。

インバータ回路１０は、電源０と第２共振器２とに接続されている。インバータ回路１０は、電源０から入力された直流エネルギを交流エネルギに変換して第２共振器２に供給する。送電制御回路１５は、インバータ回路１０に含まれる複数のスイッチング素子の切り替えを制御する。具体的には、複数のスイッチング素子の各々の導通状態を所定の周波数で切り替える制御を行う。これにより、送電制御回路１５は、交流エネルギをインバータ回路１０から出力させる。送電制御回路１５は、電力伝送を開始するとき、メモリ１４に格納されている制御パラメータを読み出し、これに基づいてインバータ回路１０を制御する。送電制御回路１５は、電力伝送中、負荷５の状態に応じて制御パラメータを変化させる。送電制御回路１５は、送電モードから異物検知モードに移行するとき、そのときの制御パラメータをメモリ１４に記録する。これにより、次に送電モードを開始するとき、直前の制御パラメータに基づいて電力伝送を再開できる。

第２共振器２および第１共振器３は、周波数ｆ０で共振するように構成されている。言い換えれば、第２共振器２および第１共振器３が共振周波数ｆ０をもつように、各コイルのインダクタンスおよび各キャパシタの容量が設定されている。第２共振器２に含まれるコイルは、送電回路１から供給された交流エネルギを空間に送出する。第１共振器３は、第２共振器２から送出された交流エネルギの少なくとも一部を受け取る。第１共振器３によって受け取られた交流エネルギは、受電回路４に送られる。受電回路４は、受け取った交流エネルギを整流して負荷５に供給する。

送電回路１は、異物検知モードにおいて、発振回路１２および異物検知判定回路１３を駆動する。発振回路１２は、交流成分を含む電圧を第３共振器１１に出力するように構成されている。「交流成分を含む電圧」とは、周期的に変動する成分を含む電圧を意味する。交流成分を含む電圧は、正弦波状に変化する電圧に限らず、三角波や矩形波のような周期的に変化する任意の波形を有する電圧であってもよい。

第３共振器１１および第１共振器３は、周波数ｆｒで共振するように構成されている。言い換えれば、第３共振器１１および第１共振器３が共振周波数ｆｒをもつように、各コイルのインダクタンスおよび各キャパシタの容量が設定されている。第３共振器１１は、発振回路１２から電圧が供給されると、周囲に磁界を形成し、第１共振器３と電磁結合する。

異物検知判定回路１３は、発振回路１２および送電制御回路１５に接続されている。異物検知判定回路１３は、第３共振器１１または第１共振器３の近傍に位置する異物１０００を検出することができる。金属などの異物１０００が第３共振器１１または第１共振器３に接近すると、発振回路１２から出力される電圧の波形が変動する。異物検知判定回路１３は、その変動に基づいて異物の有無を判定する。異物の検知は、電圧の変動に限らず、電圧に応じて変化する他の物理量の変動に基づいて行うこともできる。本明細書において、「電圧に応じて変化する物理量」には、電圧自体のほか、例えば第３共振器１１の入力インピーダンスや入力インダクタンス、Ｑ値、結合係数といった物理量が含まれる。異物検知判定回路１３は、異物検知の結果に基づいて、次の電力伝送に用いる制御パラメータを決定し、送電制御回路１５に指示する。これにより、異物検知後の電力伝送を高い効率で行うことができる。

次に、各構成要素のより具体的な構成および動作を説明する。

図３は、インバータ回路１０の具体的な構成例を示す図である。この例におけるインバータ回路１０は、フルブリッジ型インバータの構成を有している。このインバータ回路１０は、４つのスイッチング素子２１、２２、２３、２４を有する。スイッチング素子２１〜２４のオン（導通）・オフ（非導通）は、送電制御回路１５から入力される制御信号Ｓ１〜Ｓ４によってそれぞれ制御される。第２共振器２および第１共振３は共振周波数ｆ０をもつ。したがって、各スイッチング素子のオン・オフの切り替え周波数、すなわち送電周波数は、ｆ０付近の値に設定される。各スイッチング素子のオン・オフの切り替え周波数を変化させると、第２共振器２の入力インピーダンスが変化する。その結果、第２共振器２の入力電圧Ｖ１および第１共振器３の出力電圧Ｖ２の大きさが変化する。

図４Ａは、送電制御回路１５から出力される制御信号Ｓ１〜Ｓ４、インバータ回路１０の出力電圧Ｖ１、および第１共振器３から出力される電圧Ｖ２の時間変化の一例を示す図である。この例では、スイッチング素子２１、２４のオン・オフのタイミングをそれぞれ決定する制御信号Ｓ１、Ｓ４の位相は一致している。同様に、スイッチング素子２２、２３のオン・オフのタイミングをそれぞれ決定する制御信号Ｓ２、Ｓ３の位相は一致している。スイッチング素子２１、２４がオンになるタイミングと、スイッチング素子２１、２４がオフになるタイミングとは、半周期ずれている。その結果、インバータ回路１０から出力される電圧Ｖ１は、正の値Ｅ０を有する期間と負の値−Ｅ０を有する期間とが交互に繰り返される波形を有する。第１共振器３から出力される電圧Ｖ２は、電圧Ｖ１を平滑化した正弦波状の波形を有する。

図４Ｂは、制御信号Ｓ１〜Ｓ４、電圧Ｖ１、および電圧Ｖ２の時間変化の他の例を示す図である。この例では、制御信号Ｓ１と制御信号Ｓ４との間、および制御信号Ｓ２と制御信号Ｓ３との間に位相のずれが生じている。このため、インバータ回路１０の出力時間比が、図４Ａの例における出力時間比よりも小さくなっている。ここで、「出力時間比」とは、１周期のうち、所定値（例えば振幅の絶対値の数％〜２０％程度）よりも絶対値の大きい電圧が出力される時間の割合を意味する。出力時間比が大きいほど、負荷５に与えられる電圧も大きくなる。この例では、各スイッチング素子に入力される制御信号の位相を調整することにより、出力時間比が制御される。同時にオンになる２つのスイッチング素子に入力される２つの制御信号の位相をずらすことにより、出力電圧Ｖ１のデューティ比が変化する。その結果、第１共振器３の出力電圧Ｖ２の大きさも変化する。

電力伝送中、負荷５のインピーダンスが変化することがある。その場合、負荷５に与えられる電圧が変化する。負荷５が一定の電圧で駆動される必要がある場合、負荷５のインピーダンスが変化しても負荷５に一定の電圧が与えられるように制御する必要がある。そこで、送電制御回路１５は、各スイッチング素子のスイッチングのタイミングの位相を調整することにより、負荷５に与えられる電圧が一定になるように制御する。負荷５のインピーダンスが変化した場合、最適な伝送効率を与える周波数も変化する。そこで、送電制御回路１５は、各スイッチング素子のオン・オフの切り替え周波数も負荷５のインピーダンスに応じて変化させる。すなわち、送電制御回路１５は、各スイッチング素子のオン・オフの切り替え周波数と制御信号の位相とを制御パラメータとして、第１共振器３の出力電圧の大きさを制御する。

負荷５のインピーダンスの変化は、例えば、不図示の通信回路を介して受電回路４から送電回路１０に伝達され得る。受電回路４から送電回路１への情報の伝達方法としては、例えば、受電回路４の出力端に負荷インピーダンスを変動させるスイッチを設け、インバータ回路１の周波数とは十分に異なる周波数でそのスイッチをオン／オフさせる方法がある。スイッチをオン／オフさせることにより、受電回路４が検出した負荷インピーダンスの変化を周波数変調して情報として送電回路１に伝達することができる。送電回路１は、スイッチのオン／オフによって生じる第２共振器２の両端電圧の変動や、インバータ回路１０の入力端に発生する電流量の変動を検出し、検出結果を復調することにより、伝達された情報を読み取ることができる。このような方法に限らず、ＮＦＣ（Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）やＷｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮなどの他の通信方法によって情報を送信してもよい。

出力時間比の調整は、制御信号間の位相ずれ量に限らず、各制御信号のデューティ比を変化させることによって行ってもよい。例えば、各制御信号のディーティ比を小さくすることにより、出力電圧Ｖ１のデューティ比を小さくすることができる。したがって、送電制御回路１５は、位相の代わりに、各制御信号のデューティ比を調整するように構成されていてもよい。

図３に示す例では、インバータ回路１０はフルブリッジ型のインバータであるが、この例に限定されない。インバータ回路１０は、例えば、２個のスイッチング素子と２個のコンデンサとを有するハーフブリッジ型インバータであってもよい。あるいは、１個のスイッチング素子と２個のインダクタと２個のコンデンサとを有するＥ級アンプであってもよい。これらの構成であっても、送電周波数およびスイッチングタイミングの位相等を制御パラメータとして、第１共振器３の出力の大きさを制御することができる。

電源０とインバータ回路１０との間にＤＣ／ＤＣコンバータを設けてもよい。このような構成では、インバータ回路１０に入力される直流電圧をＤＣ／ＤＣコンバータによって変化させることにより、インバータ回路１０の出力電圧を制御することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータを設ける場合、インバータ回路１０の各スイッチング素子に入力される制御信号の位相やデューティ比を調整する必要はない。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を決定するスイッチング素子の切り替え周波数やデューティ比が制御パラメータとして設定され得る。

送電パラメータ保持部１４は、送電に必要な各種の制御パラメータを格納するメモリである。送電パラメータ保持部１４は、最初の送電を開始する際に用いられる制御パラメータの値を「グローバル初期値」として格納する。送電パラメータ保持部１４はまた、送電が一旦停止された後、次に再開する際に必要な制御パラメータの値を「ローカル初期値」として格納する。

送電制御回路１５は、送電モードにおいて、インバータ回路１０の動作を制御する回路である。送電制御回路１５は、例えばゲートドライバとプロセッサとの組み合わせによって実現され得る。送電制御回路１５は、異物検知モードにおいて、第２共振器２が電磁界を発生しないようにインバータ回路１０の出力を止める。これにより、送電電力による磁界の影響を除去して、異物検知の感度を向上させる。送電モードから異物検知モードに移行するとき、送電制御回路１５は、送電パラメータ保持部１４に記録されているローカル初期値を、インバータ回路１０の出力を停止する直前の制御パラメータの値で更新する。更新されたローカル初期値は、異物検知処理後、次に送電モードを再開するときに再設定される。

電力伝送中に金属などの異物１０００が第２共振器２と第１共振器３の近傍に存在すると、第２共振器２から生じた磁界によって異物１０００に渦電流が発生する可能性がある。その場合、そのまま電力伝送を継続すると異物１０００が発熱してしまう。そこで、本実施形態の無線電力伝送システムは、発振回路１２と、異物検知判定回路１３と、第３共振器１１とを用いて異物１０００を検知する。

発振回路１２には、例えばコルピッツ発振回路、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、ピアス発振回路などの、ＬＣ共振原理に基づく自励式の発振回路を用いることができる。上記のものに限定されず、他の発振回路を用いてもよい。

異物検知判定回路１３は、発振回路１２の制御および異物検知処理を行うプロセッサである。異物検知判定回路１３は、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。異物検知判定回路１３は、後述する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。

本実施形態における第１共振器３は、コイルおよびコンデンサを含む並列共振回路から構成されている。第３共振器１１は、第１共振器３と電磁的に結合できるように構成されている。第１共振器３および第３共振器１１は、ともに共振周波数ｆｒをもつ。異物検知判定回路１３は、発振回路１２が発振している状態における第３共振器１１の両端電圧などの物理量に基づいて、異物の有無を判定する。

次に、この異物検知処理について具体的に説明する。本実施例の異物検知の原理の１つは、金属などの異物１０００が磁界を遮ることによって生じる、電圧などの物理量の変化を計測することで異物の有無を判定することである。

図５Ａおよび図５Ｂは、第１共振器３と第３共振器１１とが結合している時の２つの磁界モードにおける磁束の流れを示す概略図である。これらの図は、第１共振器３のコイルと第３共振器１１のコイルとが、中心軸を合わせて平行に置かれている場合において、コイルの面に垂直な平面で両コイルを切断したときの断面を示している。図５Ａは、共振周波数ｆｒよりも低い周波数ｆ１０で第１共振器３と第３共振器１１とが電磁的に結合しているときの磁界モードを示している。このような磁界モードを、奇モード（ｏｄｄ ｍｏｄｅ）と呼ぶ。図５Ｂは、共振周波数ｆｒよりも高い周波数ｆ２０で第１共振器３と第３共振器１１とが電磁的に結合しているときの磁界モードを示している。このような磁界モードを、偶モード（ｅｖｅｎ ｍｏｄｅ）と呼ぶ。

図５Ａに示すように、第１共振器３と第３共振器１１とが、共振周波数ｆｒよりも低い周波数ｆ１０で電磁的に結合しているとき、２つの共振器の間の磁界は、中央部Ａに集中する。すなわち、２つのコイル間の中央部Ａでは、磁束の向きが揃っており、強め合っている。このため、中央部Ａにおける磁束は密になる。逆に、２つのコイルの内径から外径に至る部分の間の周辺部Ｂでは、磁束の向きが逆であり、打ち消し合っている。このため、周辺部Ｂにおける磁束は疎になる。一方、図５Ｂに示すように、第１共振器３と第３共振器１１とが、共振周波数ｆｒよりも高い周波数ｆ２０で電磁的に結合しているとき、２つの共振器の間の磁界は、周辺部Ｂに集中する。すなわち、コイル間の中央部Ａでは磁束が疎になり、２つのコイルの内径から外径に至るまでの周辺部Ｂでは磁束が密になる。

第１共振器３と第３共振器１１との間に異物が存在するとき、その位置における磁束が密であるほど、第３共振器１１の両端の電圧の変化が大きくなると考えられる。したがって、発振周波数がｆ１０のときには、中央部Ａに存在する異物の検出精度が向上すると考えられる。逆に、発振周波数がｆ２０のときには、周辺部Ｂに存在する異物の検出精度が向上すると考えられる。

以上のことは、第２共振器２と第１共振器３とが電磁的に結合しているときも同様である。すなわち、第２共振器２と第１共振器３とが、共振周波数ｆ０よりも低い周波数ｆ１１で電磁的に結合しているとき、２つの共振器の間の磁界は、中央部Ａに集中する。このため、中央部Ａにおける磁束は密になり、周辺部Ｂにおける磁束は疎になる。一方、第２共振器２と第１共振器３とが、共振周波数ｆ０よりも高い周波数ｆ２１で電磁的に結合しているとき、２つの共振器の間の磁界は、周辺部Ｂに集中する。このため、周辺部Ｂにける磁束は密になり、中央部Ａにおける磁束は疎になる。

電力伝送中に異物が第２共振器２と第１共振器３との間に混入した場合、遮られる磁束が少ないほうが異物の発熱が小さくなる。このため、第２共振器２のコイルの中央部付近に異物がある場合には、周波数ｆ２１で発振させた方が周波数ｆ１１で発振させた場合よりも発熱を低減できると考えられる。一方、第２共振器２のコイルの周辺部付近に異物がある場合には、周波数ｆ１１で発振させた方が周波数ｆ２１で発振させた場合よりも発熱を低減できると考えられる。

そこで、本実施形態における異物検知判定回路１３は、異物検知モードにおいて、中央部Ａおよび周辺部Ｂのいずれの近くに異物が存在するかを判定する。その後の送電モードでは、異物が存在すると考えられる位置の磁束が少なくなる周波数で送電するように送電制御回路１５に指示する。より具体的には、異物検知判定回路１３は、周波数ｆ１０で発振しているときの電圧の変動が周波数ｆ２０で発振しているときの電圧の変動よりも大きいか否かを判定する。前者が後者よりも大きく、かつ、その変動が所定の閾値を超えていれば、異物検知判定回路１３は、周波数ｆ２１で送電するように送電制御回路１５に指示する。逆に、後者が前者よりも大きく、かつ、その変動が所定の閾値を超えていれば、異物検知判定回路１３は、周波数ｆ１１で送電するように送電制御回路１５に指示する。このような制御により、異物による電力伝送効率の低下を抑制できる。

図６は、異物検知用の周波数ｆ１０、ｆｒ、ｆ２０と、送電用の周波数ｆ１１、ｆ０、ｆ２１との関係を模式的に示す図である。２つの共振器が電磁的に結合すると、共振周波数が２つに分離する。図６における４つの山は、異物検知時および送電時において分離した２対の共振周波数で共振器間の結合が強くなることを表している。周波数ｆ１０、ｆ２０、ｆ１１、ｆ２１を、これらの分離した共振周波数の付近の値に設定すれば、高い効率で動作させることができる。上述のように、ｆ１０、ｆｒ、ｆ２０、ｆ１１、ｆ０、ｆ２１の間には、ｆ１０＜ｆｒ＜ｆ２０、およびｆ１１＜ｆ０＜ｆ２１の関係がある。周波数ｆ０は、例えば１００ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの範囲内の値に設定され得る。周波数ｆｒは、例えば、５００ｋＨｚ〜１．５ＭＨｚの範囲内の値に設定され得る。周波数ｆ０、ｆｒは、これらの範囲から外れた値に設定されてもよい。本実施形態では、周波数ｆｒの方が周波数ｆ０よりも高い。しかし、周波数ｆ０、ｆｒは等しくてもよいし、周波数ｆ０が周波数ｆｒよりも高くてもよい。

図７は、異物検知判定回路１３、第２共振器２、第１共振器３、および第３共振器１１の具体的な構成を示す図である。異物検知判定回路１３は、電圧測定回路４１、周波数カウンタ４２、インダクタンス測定回路４３、判定回路４４を備える。第２共振器２は、インダクタＬ１と、インダクタＬ１に直列に接続された共振コンデンサＣ１とを有する。第１共振器３は、インダクタＬ２と、インダクタＬ２に直列に接続された共振コンデンサＣ２１と、インダクタＬ２に並列に接続されたコンデンサＣ２２とを有する。第１共振器３は、インダクタＬ２（コイル）及びコンデンサＣ２２（キャパシタ）を含む並列共振回路を有する。第３共振器１１は、インダクタＬ３と、インダクタＬ３に直列に接続された共振コンデンサＣ３とを有する。以下の説明では、インダクタＬ１、Ｌ２、Ｌ３のインダクタンスも、それぞれ記号Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３で表す。同様に、コンデンサＣ１、Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ３の容量も、それぞれ記号Ｃ１、Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ３で表す。Ｌ１とＣ１、およびＬ２とＣ２１は、第２共振器２および第１共振器３の共振周波数がｆ０になるように設定される。Ｌ２とＣ２２、およびＬ３とＣ３は、第１共振器３および第３共振器１１の共振周波数がｆｒになるように設定される。Ｃ２２は、周波数ｆ０においてコンデンサＣ２２が実質的に開放になるように設定される。Ｃ２１は、周波数ｆｒにおいてコンデンサＣ２１が実質的に短絡になるように設定される。

異物検知判定回路１３は、上述のように、ＣＰＵなどのプロセッサと、本実施形態における異物検知処理を規定した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。あるいは、同様の動作を行うように構成された専用の回路であってもよい。図７における電圧測定回路４１、周波数カウンタ４２、インダクタンス測定回路４３、判定回路４４は、必ずしも分離された個別の回路要素である必要はない。１つのプロセッサが、コンピュータプログラムにおける個別のステップを実行することによって上記の各要素の動作を実現してもよい。

図８は、発振回路１２の構成例を示す回路図である。この例における発振回路１２は、自励式のピアス発振回路である。この発振回路１２は、２つの共振コンデンサＣｘ、Ｃｙと、インバータＩＮＶと、抵抗Ｒｆ、Ｒｄと、バッファ回路ＢＵＦ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って入力波形を増幅して出力する。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。このような回路構成に限らず、他の構成の発振回路を用いてもよい。

異物検知処理を開始する際、まず、判定回路４４が処理開始のトリガ信号を送電制御回路１５および発振回路１２に送る。このトリガ信号を受け、送電制御回路１５は、前述したように第２共振器２への電力供給を停止する。トリガ信号を受けた発振回路１２は、周波数ｆ１０で発振を開始する。発振回路１２が発振を開始して所定時間が経過すると、電圧測定回路４１は、第３共振器１１の両端電圧を測定する。電圧測定回路４１は、測定結果を判定回路４４および周波数カウンタ４２に出力する。周波数カウンタ４２は、電圧測定回路４１からの入力を受けて、第３共振器１１の両端電圧の周波数（発振周波数）を求める。そして、その結果を示す情報を判定回路４４に出力する。判定回路４４は、入力された電圧の情報と発振周波数の情報とに基づいて、異物の有無を判定する。

異物が磁界を遮蔽しやすいもの（例えばリング状の金属異物）の場合、金属表面にコイルと逆相の電流が流れる。このため、第３共振器１１の入力インダクタンスが低下する。入力インダクタンスが低下すると、第３共振器１１の発振周波数が高くなる。したがって、判定回路４４は、入力された周波数とｆ１０とを比較し、その差が所定の閾値よりも大きいか否かを判定する。その差が閾値以上である場合には、異物があると判定できる。あるいは、入力された周波数から第３共振器１１の入力インダクタンスを求め、その値が所定の閾値以下になれば異物があると判定してもよい。

また、金属異物が磁界を遮蔽しにくいもの（例えば、鉄など）の場合、磁界が異物を通過するために入力インダクタンス値が変化しにくい。しかし、このような異物は磁界が異物を通過する際に渦電流が発生し、第３共振器１１の両端に電圧降下が生じる。このため、発振電圧の振幅が低下する。したがって、電圧の振幅が所定の閾値以下になれば異物が存在すると判定できる。

異物検知判定回路１３は、発振回路１２を周波数ｆ２０で発振させた場合についても同様の判定を行う。これにより、コイル中心部付近の異物だけでなく、コイル周辺部付近の異物も検知することができる。判定回路４４は、このようにして異物の有無の判定を行い、その結果を送電制御回路１５に出力する。

なお、ここではｆ１０とｆ２０の両方の周波数で異物判定を行うものとしたが、これらの一方の周波数だけを用いて異物の有無を判定してもよい。例えば、第３共振器１１のコイルの中央部付近の異物の有無だけを検知したい場合には、周波数ｆ１０についてのみ判定すればよい。逆に、コイルの周辺部付近の異物だけを検知したい場合には、周波数ｆ２０についてのみ判定すればよい。いずれか一方の周波数だけを用いて判定を行う場合、両方の周波数を使用するよりも処理時間が短くなる。このため、送電を停止する時間を短くできるという実用的な効果がある。ここで、周波数ｆ１０は共振周波数ｆｒの例えば８５％以下に設定され得る。周波数ｆ２０は共振周波数ｆｒの例えば１１５％以上に設定され得る。ただし、これに限定されるものではない。

上記の説明では、第２共振器２および第３共振器１１について、コイルに直列に共振コンデンサが接続されているものとしたが、このような構成に限定されない。共振コンデンサがコイルに並列に接続されていてもよい。あるいは、第２共振器２および第３共振器１１が、コイルに直列に接続された共振コンデンサと、コイルに並列に接続された共振コンデンサとを含んでいてもよい。

判定を行う計測項目として、ここでは発振電圧の振幅、発振周波数、およびインダクタンス値を想定したが、これらに限定されない。これらの物理量に基づいて算出される物理量であれば、同様に異物を検出できる。例えば、各共振器のＱ値などの特性値を用いて異物の有無を判定してもよい。

以上、スマートホンのような１つの受電コイルを有する１つの受電装置でも送電を継続でき、設置台の面積が小さい送電装置を提供できる。また、高い効率で継続して電力を送電する送電装置を提供できる。

また、異物検知判定回路は、送電コイルと受電コイルとの間の異物の存在の有無を検知するだけでなく、送電コイルまたは受電コイルの近傍に異物が存在しても、異物の存在の有無を検知できる。

よって、送電コイルまたは受電コイルの近傍に異物が存在しても、異物の過熱を防止しながら電力伝送を継続できる。

次に、図９のフローチャートを参照しながら、送電および異物検知の全体の制御の流れを説明する。まず、待機状態において、ユーザによる送電開始指令があると、送電制御回路１５は、送電パラメータ保持部１４からグローバル初期値を読み出す（ステップＳ１０２）。そして、その制御パラメータ値で送電を開始する（ステップＳ１０３）。ここでユーザによる送電開始指令とは、例えば、ユーザが電源０のスイッチをオンにすることによって送電回路１に送電トリガがかかることである。あるいは、第１共振器３、受電回路４、負荷５を内蔵した端末が、送電回路１、第２共振器２、第３共振器１１を内蔵した送電ユニットの上に置かれることによって、送電回路に送電トリガがかかるようにしてもよい。

送電開始後、送電制御回路１５は、送電しながら、前述したように負荷５への出力電圧が一定になるように制御パラメータを調整する。そして、その時の制御パラメータをローカル初期値として、送電パラメータ保持部１４に書き出す（ステップＳ１０４）。すでにローカル初期値が記録されているときは、そのローカル初期値を更新する。次に、送電が正常に終了したかを判定する（ステップＳ１０５）。送電の終了は、例えば、ユーザによる送電停止指令があったこと、あるいは、負荷が充電池の場合に、充電が完了したことを検出することによって判定される。送電が正常に終了した場合は、再度、待機状態へ移行する。一方、送電を継続した場合において、異物検知処理を定期的に行う場合には、送電開始から所定時間経過後、送電を停止し、異物検知処理に移行する（ステップＳ１０６〜Ｓ１０８）。また、所定時間が経過していなくても、送電回路１や受電回路４の出力（電圧など）をモニタし、その出力が所定閾値を超える急な変動をした場合にも送電を停止し、異物検知処理に移行する。

異物検知処理は、前述した方法で行われる。まず、判定回路４４は、発振回路１２を周波数ｆ１０で発振させ、異物の有無を判定する（ステップＳ１０９）。ここで異物があると判定した場合、判定回路４４は、送電パラメータ保持部１４に格納された送電周波数のローカル初期値をｆ２１に変更する（ステップＳ１１１）。送電制御回路１５は、そのローカル初期値を送電パラメータ保持部１４から読み出して周波数ｆ２１で送電を再開する（ステップＳ１１３、Ｓ１０３）。

ステップＳ１０９において異物がないと判定した場合、判定回路４４は、発振回路１２を周波数ｆ２０で発振させ、異物の有無を判定する（ステップＳ１１０）。ここで異物があると判定した場合、判定回路４４は、送電パラメータ保持部１４に格納された送電周波数のローカル初期値をｆ１１に変更する（ステップＳ１１２）。送電制御回路１５は、そのローカル初期値を送電パラメータ保持部１４から読み出して周波数ｆ１１で送電を再開する（ステップＳ１１３、Ｓ１０３）。

ステップＳ１１０において異物がないと判定された場合、送電制御回路１５は、ローカル初期値を送電パラメータ保持部１４から読み出して送電を再開する（ステップＳ１１３、Ｓ１０３）。この場合、直前の送電と同じ周波数で送電が再開される。

以上の制御により、異物があると判定された場合には、異物があると考えられる位置における磁束密度が小さくなる周波数で送電を継続することができる。これにより、異物の発熱を低減しながら送電を継続できる。一方、異物がないと判定された場合には、送電を停止する直前の制御パラメータ値で送電を再開することができる。このため、負荷電圧が一定になるように再調整する必要がなくなる。グローバル初期値の制御パラメータを用いて送電を再開する場合と比較して、伝送効率の低下を抑えることができる。

以上のように、本実施形態によれば、コイル付近に異物がある場合でも異物の発熱を低減して送電を継続できる。さらに、異物が検知されなかった場合における送電処理の初期化による効率の低下を抑えることができる。

本実施形態では、異物検知処理において、２つの周波数ｆ１０、ｆ２０の両方で異物の有無を判定しているが、前述のように、これらの少なくとも一方の周波数のみで異物の有無を判定してもよい。図１０は、周波数ｆ１０についてのみ異物検知を行う場合の動作を示すフローチャートである。この例では、ステップＳ１０９において異物がないと判定された場合、それ以上の判定は行われず、直前の送電における制御パラメータで送電が開始される。このような動作であっても、コイルの中央部付近の異物による伝送効率の低下を抑制できるため、有効である。図１０におけるステップＳ１０９、Ｓ１１１を、周波数ｆ２０で異物検知を行うステップ（図９におけるステップＳ１１０、Ｓ１１２）に置換してもよい。その場合、コイルの周辺部付近の異物による伝送効率の低下を抑制できる。

本実施形態では、送電中の制御パラメータをローカル初期値として記録し、次の送電時に利用されるが、このような動作は必須ではない。ローカル初期値の記録を行わず、異物がないと判定された場合には、制御パラメータをグローバル初期値に戻して送電を再開してもよい。この場合でも、異物が検知されたときには、異物があると考えられる位置における磁束が少なくなる周波数で送電を再開できるという効果がある。

本実施形態では、異物の検知を行うことを前提としたが、明示的に異物の有無を示す情報を出力する必要はない。発振回路１２から出力される電圧、またはこれに応じて変化する物理量が、所定の基準値から大きく変化した場合に、送電周波数などの制御パラメータを適切な値に設定するように構成されていればよい。

（実施の形態２）
図１１は、本開示の実施の形態２における異物検知判定回路１３の構成を示す図である。本実施形態では、異物検出判定回路１３が、第３共振器１１と第１共振器３との間の結合係数に基づいて異物を検知する点が実施の形態１と異なっている。以下、実施の形態１と異なる点を中心に説明し、共通する事項についての説明は省略する。

本実施形態における異物検知判定回路１３は、第３共振器１１の入力インダクタンス値を測定するインダクタンス測定回路４３と、結合係数を算出する結合係数算出回路６１を有している。結合係数算出回路６１は、周波数ｆ１０で発振回路１２が発振しているときにインダクタンス測定回路４３が測定した第３共振器１１の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１０）と、周波数ｆ２０で発振回路１２が発振しているときにインダクタンス測定回路４３が測定した第２共振器２の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２０）との比に基づいて、結合係数ｋを算出する。この結合係数ｋに基づいて、第３共振器１１と第１共振器３との間の異物を検出することができる。

結合係数ｋは、第３共振器１１と第１共振器３との間の異物に依存して変化する。例えば、磁界を完全に遮蔽する金属異物がコイル間に存在し、第２共振器２と第３共振器１１とが電磁的に結合していないとき、結合係数ｋはゼロまたはゼロに近似される小さな値を持つ。一方、金属異物がコイル間に存在しない場合、結合係数ｋはゼロより大きく１以下の値を持つ。このため、結合係数ｋの算出値または推定値に基づいて、第３共振器１１と第１共振器３との間の金属異物の有無を決定することができる。

第３共振器１１（コイルのインダクタンスＬ３）と周波数ｆｒで共振する第１共振器３（コイルのインダクタンスＬ２）とが結合係数ｋで電磁的に結合しているとき、第３共振器１１のコイルＬ３から見た入力インダクタンスＬｉｎは次式で求められる。
Ｌｉｎ（ｆ）＝Ｌ３｛１−ｋ²／（１−（ｆｒ／ｆ）²）｝ ・・・式１

図１２は、式１を模式的に示すグラフである。

周波数ｆ＜＜ｆｒにおいて、第１共振器３の両端は実質的に開放されているように見える。ｆｒよりも低い周波数ｆ１０で測定した入力インダクタンス値をＬｉｎ（ｆ１０）とする。一方、周波数ｆ＞＞ｆｒにおいて第１共振器３における並列コンデンサの両端は実質的に短絡しているように見える。ｆｒよりも高い周波数ｆ２０で測定した入力インダクタンス値をＬｉｎ（ｆ２０）とする。

ｆ１０、ｆ２０の大きさが適切に設定されると、式１から以下の近似式が得られる。
Ｌｉｎ（ｆ１０）≒Ｌ３
Ｌｉｎ（ｆ２０）≒Ｌ３（１−ｋ²）

これらの２つの近似式から、以下の式２が得られる。
ｋ²≒１−Ｌｉｎ（ｆ２０）／Ｌｉｎ（ｆ１０） ・・・式２

この式２によれば、測定値であるＬｉｎ（ｆ１０）およびＬｉｎ（ｆ２０）の比に基づいて結合係数ｋを算出することができる。ただし、式２は、第１共振器３のコイル端を完全に開放にした場合の入力インダクタンクスＬｉｎ＿ｏｐｅｎ（ｆ）と受電コイル端を完全に短絡にした場合の入力インダクタンクスＬｉｎ＿ｓｈｏｒｔ（ｆ）との間に以下の式３、４の関係が成立する特殊な条件に基づく。
Ｌｉｎ＿ｏｐｅｎ（ｆ１０）＝Ｌｉｎ＿ｏｐｅｎ（ｆ２０） ・・・式３
Ｌｉｎ＿ｓｈｏｒｔ（ｆ１０）＝Ｌｉｎ＿ｓｈｏｒｔ（ｆ２０） ・・・式４

逆に言えば、式３、４が成立する適切な周波数ｆ１０とｆ２０を選定したうえで無線電力伝送システムを設計すれば、式２が成立し、結合係数ｋの推定が可能となる。通常、これらの周波数ｆ１０、ｆ２０は、共振器の寸法が波長に比べて十分小さいとみなせる周波数の範囲に設定すれば実用上問題ない。

なお、自励式の発振回路を用いると、入力インダクタンスの変化を発振周波数の変化に直接変換することができる。入力インダクタンスは発振周波数の２乗の逆数で決まるため、結合係数ｋは次式で書き換えることができる。
ｋ²≒１−ｆ１０²／ｆ２０² ・・・式５

実用上は回路の線形・非線形要素などを含むため、式２、式５は補正が必要であるが、原理的にはこれらの式から結合係数ｋが推定可能である。

以上のことから、ｆ１０とｆ２０の各周波数で発振する動作を連続的に切り替えながら２つの周波数における入力インダクタンス値または発振周波数を測定すれば、測定結果から結合係数ｋを推定できる。結合係数ｋは第３共振器１１と第１共振器３との間の金属異物による磁界の遮蔽状態に応じて変化する。したがって、例えば、推定した結合係数ｋが所定の閾値以下になった場合、第１共振器３と第３共振器１１との間に金属異物が存在すると判定することができる。

ここで、結合係数ｋは、金属異物の有無だけでなく、第１共振器３と第３共振器１１との位置関係が変化した場合にも変化する。例えば、両者のコイルの中心軸が一致する時に結合係数が最大になるように設計されている場合、両者のコイルの中央部がずれた際には、結合係数ｋの値は小さくなる。したがって、異物判定処理で異物が無いと判定された場合でも、結合係数が上記閾値よりは高いものの、ある程度小さくなっていれば、受電側のコイルの位置が適正な位置からずれたと考えられる。このため、送電を再開する際には位置ずれを考慮して、送電周波数などの制御パラメータを補正して送電してもよい。これにより、送電電力や送電効率の低下を防ぐことができる。

次に、この結合係数ｋに基づく異物検知および送電の全体の制御について、図１３のフローチャートを参照して説明する。図１３におけるステップＳ１０２〜Ｓ１０８、Ｓ１１３は、図９における対応するステップと同じであるため、説明を省略する。

本実施形態における異物検知処理は、前述した処理に加えて、周波数ｆ１０および周波数ｆ２０でそれぞれ発振しているときの入力インダクタンス値の比から結合係数ｋを求め、結合係数ｋに基づいて異物の有無を判定するステップＳ２０１、Ｓ２０２を含む。ステップＳ２０２において、判定回路４４は、例えば結合係数ｋが所定の閾値以下であるとき、異物があると判定する。図１３には示されていないが、結合係数ｋだけでなく、電圧や周波数などの他の物理量の変動も総合的に考慮して異物の有無を判定してもよい。異物があると判定した場合、判定回路４４は、周波数ｆ１０での入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１０）および周波数ｆ２０での入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２０）のうち、基準値からの変化量が大きい方の周波数を求める。変化量がｆ１０のほうが大きい場合には、送電パラメータ保持部１４に格納された送電周波数のローカル初期値をｆ２１に変更する。変化量がｆ２０のほうが大きい場合には、送電パラメータ保持部１４に格納された送電周波数のローカル初期値をｆ１１に変更する（ステップＳ２０５）。その後、送電制御回路１５は、ローカル初期値を送電パラメータ保持部１４から読み出し、送電を再開する（ステップＳ１１３、Ｓ１０３）。

ステップＳ２０２において、異物がないと判定した場合、判定回路４４は、算出された結合係数ｋと設計上の結合係数とを比較し、結合係数ｋが設計上の結合係数から変化したか否かを判定する（ステップＳ２０３）。このとき、結合係数ｋと設計上の結合係数（設計値）との差分が所定の閾値よりも大きいとき、結合係数ｋが設計上の結合係数から変化したと判定する。結合係数ｋが設計上の結合係数から変化している場合、その結合係数ｋの値が設計上の結合係数よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ２０４）。算出された結合係数ｋが設計上の結合係数よりも小さければ、判定回路４４は、送電電力が大きくなるように送電パラメータ保持部１４に格納されたローカル初期値を変更する（ステップＳ２０６）。逆に、算出された結合係数ｋが設計上の結合係数より大きければ、送電電力が小さくなるように送電パラメータ保持部１４に格納されたローカル初期値を変更する（ステップＳ２０７）。送電制御回路１５は、変更された制御パラメータで送電を再開する（ステップＳ１１３、Ｓ１０３）。

ローカル初期値の変更は、例えば、算出された結合係数ｋと設計上の結合係数との比に補正係数をかけた線形補正式を用いた演算を各制御パラメータに施すことで行われ得る。結合係数の値ごとに出力が適正となる制御パラメータのテーブルを予め用意しておき、それを参照して適正な制御パラメータを決定してもよい。

以上の処理により、異物があると判定された場合には、異物があると考えられる位置における磁束密度が低くなる周波数で送電を継続することができる。これにより、異物の発熱を低減しながら送電を継続できる。一方、異物がないと判定された場合でも受電側のコイルの位置ずれが生じている場合に、位置ずれによる影響を低減することができる。

以上のように、本実施形態によれば、コイル付近に異物がある場合でも異物の発熱を低減して送電を継続できる。さらに、異物が検知されなかった場合も送電効率の低下や電力の低下を抑えることができる。

（実施の形態３）
図１４は、本開示の実施の形態３における無線電力伝送システムの構成を示す図である。本実施の形態では、第２共振器２が第３共振器１１の機能を兼ねている点で、実施の形態１、２とは異なっている。本実施形態のように、第２共振器２と第３共振器１１とが１つの共振器によって実現されるシステムも、第２共振器２と第３共振器１１とを備えていると言える。以下、実施の形態１または２と異なる点を中心に説明し、共通する事項についての説明は省略する。

本実施形態における送電回路１は、発振回路１２および異物検知判定回路１３と第２共振器２との間に接続されたスイッチ９１を備えている。異物検知モードでは、スイッチ９１は、発振回路１２および異物検知判定回路１３と第２共振器２とを接続する。送電モードでは、スイッチ９１は、発振回路１２および異物検知判定回路１３と第２共振器２とを切断する。モードの切り替えは、送電制御回路１５からの指令信号によって行われる。

異物検知処理は、実施の形態１、２のいずれかと同様のフローで行われる。ただし、第２共振器２が送電および異物検知の両方の機能を兼ねるため、異物検知で使用する周波数が送電周波数と異なる場合には、共振周波数を切り替える必要がある。このため、第２共振器２に、共振周波数を切り替えるためのインダクタや共振コンデンサが新たに接続され得る。

図１５は、本実施の形態における異物検知判定回路１３の具体的な構成例を示す図である。この異物検知判定回路１３は、第２共振器２にインダクタＬｍを接続するための接続スイッチ１０１を有している。接続スイッチ１０１がオンの状態で第２共振器２に並列にインダクタＬｍが接続される。インダクタＬｍのインダクタンス値は、接続スイッチ１０１がオンの状態で、第１共振器３の共振コンデンサＣ２１が実質的に短絡に見える共振周波数ｆｒになるように設定される。これにより、第２共振器２は、接続スイッチ１０１がオフの状態で第１共振器３との共振周波数がｆ０、接続スイッチ１０１がオンの状態で第１共振器３との共振周波数がｆｒとなる。

このような構成により、異物検知処理を行う場合、スイッチ９１を接続状態にして、前述した実施の形態１または２と同様の方法を適用できる。例えば、接続スイッチ１０１をオフの状態にして、発振回路１２がｆｒよりも低い周波数ｆ１０で発振しているときの第２共振器２の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１０）と、接続スイッチ１０１をオンの状態にして、発振回路１２がｆｒよりも高い周波数ｆ２０で発振しているときの第２共振器２から見た入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２０）とに基づいて金属異物の有無を判定することができる。なお、本実施形態の構成は、周波数を切り替えるためにインダクタＬｍを追加できる構成であるが、他の構成であってもよい。例えば、共振コンデンサを追加できる構成、またはインダクタおよび共振コンデンサの両方を追加できる構成であってもよい。

図１５に示す構成において、結合係数ｋに基づいて、異物を検知する場合、式５を補正した次式６を用いることができる。
ｋ≒１−ｆ１０²／（ｆ２０²ーｆ３０²）・・・式６

ここで、周波数ｆ３０は、スイッチ９１をオフ、接続スイッチ１０１をオンにした場合の発振周波数である。すなわち、周波数ｆ３０を測定することは、調整インダクタＬｍのインダクタンス値を測定していることと等価である。発振回路１２が周波数ｆ２０で発振しているとき、その発振周波数には、コイルＬ１の入力インダクタンス値に基づく成分と、調整インダクタＬｍのインダクタンス値に基づく成分とが含まれている。このため、式６の第２項の分母において、調整インダクタＬｍの影響を取り除いた上で結合係数を算出している。このように、式５の代わりに式５に基づく補正式６によって算出される結合係数ｋに基づいて異物を検出してもよい。なお、自励式のＬＣ発振回路には、種々の回路トポロジが存在するため、補正式は式６に限定されない。例えば、図８に示すコンデンサＣｘ、Ｃｙを異なるコンデンサに切替えることによって発振周波数を変更するような回路トポロジがある。異なる回路トポロジを採用したとしても、式５の補正式の導出は容易である。同様に、式２を用いる場合も、回路トポロジに応じて式２を補正した補正式を用いて結合係数ｋを算出してもよい。

本実施形態によれば、送電のためのコイルと異物検知のためのコイルとを兼用できるため、装置を小型化できる。異物がコイル付近にある場合でも発熱を低減して送電を継続できるとともに、金属異物がない場合でも送電効率低下や電力低下を抑えることができる。

（実施の形態４）
図１６は、本開示の実施の形態４における無線電力伝送システムの構成を示す図である。本実施形態は、異物を検出するための構成要素が送電回路１ではなく受電回路４に搭載されている点で、実施の形態１、２、３とは異なっている。以下、実施の形態１、２、３とは異なる点を中心に説明し、共通する事項についての説明は省略する。

本実施形態では、異物検出のための構成である第３共振器１１と発振回路１２と異物検知判定回路１３とが受電回路４に搭載されている。また、第１共振器３ではなく第２共振器２が並列共振コンデンサを備えている。異物検知処理時には、第２共振器２と第３共振器１１とが電磁結合している状態で、異物検知判定回路１３が、第３共振器１１の入力インピーダンスの変化に基づいて金属異物の有無を判定する。第２共振器２および第３共振器１１の共振周波数はｆｒに設定されている。第２共振器２の並列共振コンデンサは、電力伝送時の周波数では実質的に開放となる値に設定されている。

送電側装置に比べ、受電側装置が大きい場合がある。例えば、タブレット端末などの大型の受電側装置を、小型の送電側装置から充電する場合がある。このような場合、送電側装置が異物の存在を通知するための表示素子を使用していると、表示素子が受電側装置で隠れてしまい、異物が存在するか否かを確認することが困難である。この課題は、受電側装置で異物判定を行い、その結果を受電側装置の表示素子に表示してユーザに知らせる構成にすることで解決できる。

受電回路４は、受電出力回路１１１と、受電制御回路１１２とを備えている。受電出力回路１１１は、整流回路や周波数変換回路、定電圧・定電流制御回路などの各種の回路を含み得る。受電出力回路１１１は、受け取った交流エネルギを負荷５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。受電制御回路１１２は、受電回路４全体の動作を制御する回路である。

本実施の形態における異物検知処理の動作を説明する。異物検知処理を開始するまでの処理は、前述した実施の形態１における処理と同様である。ここでは、異物検知処理を開始する処理から説明する。

実施の形態１と同様、異物検知処理を開始する際、送電制御回路１５は、インバータ回路１０による送電を停止する。送電の停止は、受電制御回路１１２から停止信号が通信回路１１３を介して送電制御回路１５に送られることによって行われる。受電制御回路１１２からの停止信号は、受電出力回路１１１にも送られる。受電出力回路１１１は、出力インピーダンスが実質的に開放となるように出力回路を切り替える。例えば、受電出力回路１１１がスイッチング素子で構成された同期整流回路の場合には、スイッチング素子をすべてオフ状態にする。あるいは、出力端を高インピーダンスの抵抗回路に切り替えるように構成されていてもよい。

次に、受電制御回路１１２は、発振回路１２に信号を送り、発振回路１２を周波数ｆ１０、ｆ２０で発振させる。その間、異物検知判定回路１３は、第３共振器１１の発振周波数を測定する。その発振周波数から求められる第３共振器１１の入力インピーダンスに基づいて、異物の有無を判定する。次に、異物検知判定回路１３は、判定結果を示す情報を、通信回路１１３を介して送電制御回路１５に送る。送電制御回路１５は、実施の形態１と同様、判定結果に従い、送電パラメータ保持部１４に保持されたローカル初期値を変更して送電を開始する。

本実施形態によれば、受電側装置に搭載された表示素子（ディスプレイやランプ等）を通じて、異物が存在するか否かをユーザに通知することができる。さらに、コイル近傍に異物がある場合でも発熱を低減して送電を継続できる。異物がない場合も、送電効率低下や電力低下を抑えることができる。なお、本実施形態の構成は、受電側装置が送電側装置よりも大型である場合に限定されず、小型である場合も採用可能である。

ここに開示した実施形態は、すべての点で例示であって、限定を意図したものではない。本開示の範囲は、以上の説明によってではなく、特許請求の範囲によって決まり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での変形を含むすべての態様を包含することを意図している。

本開示は、以下の項目に記載の送電装置及び送電装置を備えた無線電力伝送システムを含む。

［項目１］
第１交流電力を受電する第１共振器と、前記第１共振器が受電した前記第１交流電力を第１直流電力に変換して負荷に供給する受電回路とを備えた受電装置に対して非接触方式で前記第１交流電力を送電する送電装置であって、
前記第１共振器と電磁的に結合して前記第１交流電力を前記第１共振器に送電する第２共振器と、
前記第１共振器と電磁的に結合して第２交流電力を前記第１共振器に送電する第３共振器と、
前記第１共振器と前記第２共振器との間の第１共振周波数ｆ０より低い周波数ｆ１１又は前記第１共振周波数ｆ０より高い周波数f21を用いて前記第１交流電力を生成するインバータ回路と、
前記第１共振器と前記第３共振器との間の第２共振周波数ｆｒより低い周波数ｆ１０又は前記第２共振周波数ｆｒより高い周波数ｆ２０を用いて前記第１交流電力より小さい前記第２交流電力を生成する発振回路と、
前記発振回路に指示して前記周波数ｆ１０又は前記周波数ｆ２０のいずれか一方の前記第２交流電力を前記発振回路から生成させ、前記第２交流電力に応じて変化する前記第３共振器における物理量に基づき、前記第１共振器と前記第３共振器との間に異物が存在するか否かを判断する異物検知判定回路と、
前記周波数ｆ１１又は前記周波数f21のいずれか一方を前記インバータ回路に指示して前記インバータ回路に前記第１交流電力を生成させる送電制御回路と、を備え、
前記送電制御回路は、
前記第２共振器から前記第１共振器へ前記第１交流電力を送電する第１送電期間と前記第１送電期間の次の第２送電期間との間に前記異物検知判定回路による異物検知期間とを設け、
前記第１送電期間において、前記周波数ｆ１１及び前記周波数f21のいずれか一方を用い、前記異物検知期間において、前記周波数ｆ１０及び前記周波数ｆ２０のいずれか一方を用い、
前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合は、前記第２送電期間において、前記第１送電期間で用いた周波数とは別の前記周波数ｆ１１または前記周波数f21を使用することを前記インバータ回路に指示して前記第１交流電力の送電を開始させる、
送電装置。
上記態様によると、
前記第１送電期間において、前記周波数ｆ１１及び前記周波数f21のいずれか一方を用いる。
前記第１送電期間において前記周波数ｆ１１で送電している場合、図５Ａに示すように、前記第１共振器のコイルと前記第２共振器のコイルとの間の中央部Ａの磁界は密となり、周辺部Ｂの磁界が疎となる。よって、中央部Ａの磁界が密で、周辺部Ｂの磁界が疎の状態で送電している。言い換えれば、ほとんど、中央部Ａの磁界で送電を行っている。
前記異物検知期間において、前記周波数ｆ１０及び前記周波数ｆ２０のいずれか一方を用いる。
前記異物検知期間において、前記周波数ｆ１０で発振している場合は、図５Ａに示すように、前記第２共振器のコイルと前記第３共振器のコイルとの間の中央部Ａの磁界は密となり、周辺部Ｂの磁界が疎となる。
よって、前記周波数ｆ１０で発振している時、異物が存在すると判断された場合は、異物は中央部Ａに存在していることが分かる。よって、前記第２送電期間では、中央部Ａの磁界が疎で、周辺部Ｂの磁界が密となる磁界分布を有する前記周波数f21で送電することにより、異物の発熱を抑制しながら、高い効率で送電できる。
一方、前記第１送電期間において前記周波数f21で送電している場合、図５Ｂに示すように、前記第１共振器のコイルと前記第２共振器のコイルとの間の中央部Ａの磁界は疎となり、周辺部Ｂの磁界が密となる。よって、中央部Ａの磁界が疎で、周辺部Ｂの磁界が密の状態で送電している。言い換えれば、ほとんど、周辺部Ｂの磁界で送電を行っている。
よって、前記周波数ｆ２０で発振している時、異物が存在すると判断された場合は、異物は周辺部Ｂに存在していることが分かる。よって、前記第２送電期間では、前記中央部Ａの磁界が密で、前記周辺部Ｂの磁界が疎となる磁界分布を有する前記周波数ｆ１１で送電することにより、異物の発熱を抑制しながら、高い効率で送電できる。
以上まとめると、前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合は、前記第２送電期間において、前記第１送電期間で用いた周波数とは別の前記周波数であるｆ１１または前記周波数f21を使用することを前記インバータ回路に指示する。そして、前記第１交流電力の送電を開始させることにより、異物の過熱を防止しつつ、高い効率で継続して送電できる。
また、送電装置には、１つの送電コイルのみで実現できるので、スマートホンのような受電コイルが１つの受電装置でも送電でき、設置台の面積が小さい送電装置を実現できる。

［項目２］
前記送電制御回路は、
前記異物検知期間において異物が存在しないと判断された場合は、前記第２送電期間において、前記第１送電期間で用いた周波数と同じ前記周波数であるｆ１１または前記周波数f21を使用することを前記インバータ回路に指示して前記第１交流電力の送電を開始させる、
項目１に記載の送電装置。
上記態様によると、
前記異物検知期間において異物が存在しないと判断された場合は、前記第２送電期間において、前記第１送電期間で用いた周波数と同じ前記周波数であるｆ１１または前記周波数f21を使用する。
このことにより、前記第１送電期間と同じ周波数を前記第２送電期間においても用いるので、周波数を変更する必要がない。よって、前記第２送電期間の送電の開始を早く行うことができる。

［項目３］
前記送電制御回路は、
前記第１送電期間において前記周波数ｆ１１を用い、前記異物検知期間において前記周波数ｆ１０を用いた場合において、前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合、前記第２送電期間において前記周波数f21を使用することを前記インバータ回路に指示して前記周波数f21を用いた前記第１交流電力の送電を開始させる、
項目１に記載の送電装置。
上記態様によると、
前記周波数ｆ１０で発振している時、異物が存在すると判断された場合は、異物は中央部Ａに存在していることが分かる。よって、前記第２送電期間では、例えば、図５Ｂの中央部Ａの磁界が疎で、周辺部Ｂの磁界が密となる磁界分布を有する前記周波数f21で送電することにより、異物の過熱を防止しつつ、高い効率で継続して送電できる。

［項目４］
前記送電制御回路は、
前記第１送電期間において前記周波数ｆ１１を用い、前記異物検知期間において前記周波数ｆ１０を用いた場合において、前記異物検知期間において異物が存在しないと判断された場合、前記第２送電期間において前記周波数ｆ１１を使用することを前記インバータ回路に指示し、前記周波数ｆ１１を用いた前記第１交流電力の送電を開始させる、
項目２に記載の送電装置。
上記態様によると、
前記異物検知期間において異物が存在しないと判断された場合は、前記第２送電期間において、前記第１送電期間で用いた周波数と同じ前記周波数であるｆ１１を使用する。
このことにより、前記第１送電期間と同じ周波数を前記第２送電期間においても用いるので、周波数を変更する処理が不要となる。よって、前記第２送電期間の送電の開始を早く行うことができる。

［項目５］
前記送電制御回路は、
前記第１送電期間において前記周波数f21を用い、前記異物検知期間において前記周波数ｆ２０を用いた場合において、前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合、前記第２送電期間において前記周波数ｆ１１を使用することを前記インバータ回路に指示し、前記周波数ｆ１１を用いた前記第１交流電力の送電を開始させる、
項目１に記載の送電装置。
上記態様によると、
前記周波数ｆ２０で発振している時、異物が存在すると判断された場合は、異物は周辺部Ｂに存在していることが分かる。よって、前記第２送電期間では、例えば、図５Ａの中央部Ａの磁界が密で、周辺部Ｂの磁界が疎となる磁界分布を有する前記周波数ｆ１１で送電することにより、異物の過熱を防止しつつ、高い効率で継続して送電できる。

［項目６］
前記送電制御回路は、
前記第１送電期間において前記周波数f21を用い、前記異物検知期間において前記周波数ｆ２０を用いた場合において、前記異物検知期間において異物が存在しないと判断された場合、前記第２送電期間において前記周波数f21を使用することを前記インバータ回路に指示し、前記周波数f21を用いた前記第１交流電力の送電を開始させる、
項目２に記載の送電装置。
上記態様によると、
前記異物検知期間において異物が存在しないと判断された場合は、前記第２送電期間において、前記第１送電期間で用いた周波数と同じ前記周波数であるf21を使用する。
このことにより、前記第１送電期間と同じ周波数を前記第２送電期間においても用いるので、周波数を変更する処理が不要となる。よって、前記第２送電期間の送電の開始を早く行うことができる。

［項目７］
前記異物検知判定回路は、
前記第２交流電力に応じて変化する前記第３共振器における物理量を測定し、前記変化後の物理量と所定の基準値との差分が、所定の範囲を超えると、前記第１共振器と前記第３共振器との間に異物が存在すると判断する、
項目１〜６のいずれか１項に記載の送電装置。
上記態様によると、
前記第３共振器における物理量を測定し、前記変化後の物理量と所定の基準値との差分が大きくなる場合は、前記差分が前記所定の範囲の上限を超えると、前記第１共振器と前記第３共振器との間に異物が存在すると判断できる。一方、前記差分が小さくなる場合は、前記差分が前記所定の範囲の下限を下回ると、前記第１共振器と前記第３共振器との間に異物が存在すると判断できる。

［項目８］
前記異物検知判定回路は、
前記第３共振器における物理量を測定し、前記測定された物理量から算出した値に基づき、前記異物が存在するか否かを判断する、
項目１〜７のいずれかに記載の送電装置。
上記態様によると、
前記第３共振器における物理量を測定し、前記測定された物理量から算出した値に基づき、前記異物が存在するか否かを判断する。
例えば、前記異物が存在するか否かを判断は、前記異物を高精度で判定できる式に基づいて算出される。
例えば、前記判断する方法は、前記算出した値と基準値との差分が、所定の範囲を超えると、前記第１共振器と前記第３共振器との間に異物が存在すると判断する。前記差分が大きくなる場合は、前記差分が前記所定の範囲の上限を超えると、前記第１共振器と前記第３共振器との間に異物が存在すると判断できる。一方、前記差分が小さくなる場合は、前記差分が前記所定の範囲の下限を下回ると、前記第１共振器と前記第３共振器との間に異物が存在すると判断できる。
よって、前記第１共振器と前記第３共振器との間に異物が存在するか否かを高精度で判断できる。

［項目９］
前記第３共振器における物理量は、前記第３共振器に印加される電圧、前記第３共振器に流れる電流、前記第３共振器に印加される周波数、前記第３共振器の入力インピ−ダンス値、又は、前記第３共振器の入力インダクタンス値である、
項目１〜８のいずれかに記載の送電装置。
上記態様によると、
前記物理量を測定することで、前記第１共振器と前記第３共振器との間に異物が存在するか否かを容易に判断できる。

［項目１０］
前記第１共振器は、コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有し、
前記異物検知判定回路は、
前記第３共振器における物理量が前記第３共振器の入力インダクタンス値である場合、
前記発振回路が前記周波数ｆ１０で発振しているときの前記第３共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１０）と、前記周波数ｆ２０で発振しているときの前記第３共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２０）とを測定し、
ｋ²＝１−Ｌｉｎ（ｆ２０）／Ｌｉｎ（ｆ１０）の式によって結合係数ｋを算出し、前記算出した結合係数ｋに基づいて異物が存在するか否かを判断する、
項目１〜９のいずれかに記載の送電装置。
上記態様によると、
ｋ²＝１−Ｌｉｎ（ｆ２０）／Ｌｉｎ（ｆ１０）の式によって結合係数ｋを算出し、前記算出した結合係数ｋに基づいて異物が存在するか否かを判断する。
Ｌｉｎ（ｆ２０）に、前記コイルの両端が短絡している状態の時の前記第３共振器の入力インダクタンス値を用い、Ｌｉｎ（ｆ１０）に前記コイルの両端が開放している状態の時の前記第３共振器の入力インダクタンス値を用いると高精度の結合係数ｋを算出でき、高精度で異物が存在するか否かを判断することができる。
前記コイル及前記コイルの両端に設けたキャパシタを含む並列共振回路を前記受電装置に設ける。このことにより、前記発振回路で前記第２共振周波数ｆｒよりも低い前記周波数ｆ１０で駆動すると、前記キャパシタに電流が流れないので、前記コイルの両端が実質的に開放されている状態を作り出せる。また、前記第２共振周波数ｆｒよりも高い前記周波数ｆ２０で駆動すると、前記キャパシタに電流が流れるので、前記コイルの両端が短絡している状態を作り出せる。
よって、前記コイルの両端にキャパシタを設けるだけで、前記コイルの両端が実質的に開放されている状態と前記コイルの両端が短絡している状態とを作り出すことができる。そのため、通常行われているように、前記コイルの両端に短絡用スイッチを設け、設けた前記短絡用スイッチを制御する制御回路を前記受電装置に設ける必要はない。よって、通常行われているような、前記送電装置から信号を送って前記短絡用スイッチを制御するという煩わしさをなくすことができる。その結果、精度の高い前記結合係数を用いて異物検知を行うので、コスト増を招くことなく、簡易な構成で前記負荷が変動しても高精度で異物検知を行うことができる。

［項目１１］
前記第１共振器は、コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有し、
前記異物検知判定回路は、
前記第３共振器における物理量が前記第３共振器の入力インダクタンス値である場合、
前記発振回路が前記周波数ｆ１０で発振しているときの前記第３共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１０）と、前記周波数ｆ２０で発振しているときの前記第３共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２０）とを測定し、
前記Ｌｉｎ（ｆ１０）と前記Ｌｉｎ（ｆ２０）との比を算出し、前記算出した比に基づいて異物が存在するか否かを判断する、
項目１〜１０のいずれかに記載の送電装置。
上記態様によると、
測定した前記Ｌｉｎ（ｆ１０）と前記Ｌｉｎ（ｆ２０）との比を算出し、前記算出した比に基づいて異物が存在するか否かを判断する。
「前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１０）と前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２０）の比に基づいて」の意味について説明する。
前記結合係数ｋを算出する式２［ｋ²＝１−Ｌｉｎ（ｆ２０）／Ｌｉｎ（ｆ１０）］は、式［Ｌｉｎ（ｆ２０）／Ｌｉｎ（ｆ１０）＝１−ｋ²］に変形できる。よって、Ｌｉｎ（ｆ２０）／Ｌｉｎ（ｆ１０）が決まると、結合係数ｋを一意的に決めることができる。従って、前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１０）と前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２０）の比に基づいて、前記第１共振器と前記第３共振器との間に異物が存在するか否かを判断できる。
式１による結合係数ｋを算出するには、四則演算以外の平方根の算出処理が求められる。一方、前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１）と前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２）の比は単純な除算であるので、処理の負荷も軽減でき、算出スピ−ドを速くすることができる。
また、前記コイルの両端に短絡用スイッチを設ける必要はなく、前記送電装置から信号を送って前記短絡用スイッチを制御する煩わしさをなくすことができる。

［項目１２］
前記第１共振器は、コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有し、
前記発振回路は、
自励式の発振回路であり、かつ、前記第３共振器における物理量が前記第３共振器の入力インダクタンス値である場合、前記発振回路の発振周波数の２乗は前記第３共振器の入力インダクタンス値に反比例し、
前記異物検知判定回路は、
前記発振回路が発振している前記周波数ｆ１０及び前記周波数ｆ２０を測定し、ｋ²＝１−ｆ１０²／ｆ２０²の式によって結合係数ｋを算出し、前記算出した結合係数ｋに基づいて異物が存在するか否かを判断する、
項目１〜１１のいずれかに記載の送電装置。
上記態様によると、前記発振回路が自励式の発振回路の場合、前記入力インダクタンス値をＬとし、前記キャパシタの容量をＣとすると、前記自励式の発振回路の周波数ｆはＬＣ共振原理に基づく発振回路である場合、ｆ＝１／（２π×（ＬＣ）＾（１／２））の式で表すことができる。容量Ｃは回路定数で既知であるから、前記入力インダクタンス値Ｌが前記発振回路の周波数の２乗に反比例するので、前記結合係数の式であるｋ²＝１−Ｌｉｎ（ｆ２０）／Ｌｉｎ（ｆ１０）をｋ²＝１−ｆ１０²／ｆ２０²の式に置き換えることができる。このことにより、前記異物検知判定回路で前記入力インダクタンスを測定する工程は不要となり、前記発振回路が発振する周波数ｆ１０及びｆ２０の値を用いればよい。よって、前記異物検知判定回路で前記入力インダクタンスを測定する必要がなくなるので、前記結合係数を高精度で算出することができる。なお、前記周波数ｆ１及び前記周波数ｆ２の値は、前記第１共振器の前記周波数ｆ１及び前記周波数ｆ２を前記異物検知判定回路が測定してもよい。また、他の発振回路でも同様の考え方が適用でき当業者では容易に類推可能である。
また、前記コイルの両端に短絡用スイッチを設ける必要はなく、前記送電装置から信号を送って前記短絡用スイッチを制御する煩わしさをなくすことができる。

［項目１３］
前記第１共振器および前記第３共振器は、同一の共振器であり、
前記送電制御回路の制御により、前記インバータ回路と前記同一の共振器との電気的接続と、前記発振回路と前記同一の共振器との電気的接続とを切り替えるスイッチを備え、
前記送電制御回路は、
前記第１送電期間から前記異物検知期間に変更するとき、前記スイッチを制御して、前記インバータ回路と前記同一の共振器との電気的接続から前記発振回路と前記同一の共振器との電気的接続に切り替え、
前記異物検知期間から前記第２送電期間に変更するとき、前記スイッチを制御して、前記発振回路と前記同一の共振器との電気的接続から前記インバータ回路と前記同一の共振器との電気的接続に切り替える、
項目１〜１２のいずれかに記載の送電装置。
上記態様によると、
前記第２共振器および前記第３共振器を同一の共振器とすることで、前記第２共振器に前記第１交流電力を送電する共振器と、前記第２共振器に前記第２交流電力を送電する共振器とが同じ共振器となり、部品点数の削減することができる。そして、送電装置の小型化を図ることができる。

［項目１４］
項目１〜１３のいずれかに記載の送電装置と、
受電装置と、を備える、無線電力伝送システム。

［項目１５］
第１交流電力を受電する第１共振器と、前記第１共振器が受電した前記第１交流電力を第１直流電力に変換して負荷に供給する受電回路とを備えた受電装置に対して非接触方式で前記第１交流電力を送電する送電装置であって、
前記第１共振器と電磁的に結合させて前記第１交流電力を前記第１共振器に送電する第２共振器と、
前記第１共振器と電磁的に結合させて第２交流電力を前記第１共振器に送電する第３共振器と、
前記第１共振器と前記第２共振器との間の第１共振周波数ｆ０より低い周波数ｆ１１又は前記第１共振周波数ｆ０より高い周波数f21を用いて前記第１交流電力を生成するインバータ回路と、
前記第１共振器と前記第３共振器との間の第２共振周波数ｆｒより低い周波数ｆ１０又は前記第２共振周波数ｆｒより高い周波数ｆ２０を用いて前記第１交流電力より小さい前記第２交流電力を生成する発振回路と、
前記発振回路に指示して前記周波数ｆ１０又は前記周波数ｆ２０のいずれか一方の前記第２交流電力を前記発振回路から生成させ、前記第２交流電力に応じて変化する前記第３共振器における物理量に基づき、前記第１共振器と前記第３共振器との間に異物が存在するか否かを判断する異物検知判定回路と、
前記周波数ｆ１１又は前記周波数f21のいずれか一方を前記インバータ回路に指示して前記インバータ回路に前記第１交流電力を生成させる送電制御回路と、を備え、
前記送電制御回路は、
前記第１交流電力の送電を行う前に、前記異物検知判定回路に異物が存在するか否かを判断させる異物検知期間を設け、
前記異物検知期間において、前記周波数ｆ１０及び前記周波数ｆ２０のいずれか一方を用い、
前記第２共振周波数ｆｒより高い周波数ｆ２０を用いて、前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合は、前記第１共振周波数ｆ０より低い周波数ｆ１１を使用することを前記インバータ回路に指示し、または、
前記第２共振周波数ｆｒより低い周波数ｆ１０を用いて、前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合は、前記第１共振周波数ｆ０より高い周波数f21を使用することを前記インバータ回路に指示して前記第１交流電力の送電を開始させる、
送電装置。
上記項目によると、
上記第１の態様では、前記第２共振器から前記第１共振器へ前記第１交流電力を送電する第１送電期間と前記第１送電期間の次の第２送電期間との間に前記異物検知判定回路による異物検知期間を設けたが、前記第１送電期間を設けず、最初に前記異物検知期間後に、前記第１送電期間を設けた場合でも、本開示の発明を適用できる。
前記異物検知期間において、前記周波数ｆ１０及び前記周波数ｆ２０のいずれか一方を用いる。
前記異物検知期間において、前記周波数ｆ１０で発振している場合は、図５Ａに示すように、前記第２共振器のコイルと前記第３共振器のコイルとの間の中央部Ａの磁界は密となり、周辺部Ｂの磁界が疎となる。
よって、前記周波数ｆ２０で発振している時、異物が存在すると判断された場合は、異物は周辺部Ｂに存在していることが分かる。よって、前記第２送電期間では、前記中央部Ａの磁界が密で、前記周辺部Ｂの磁界が疎となる磁界分布を有する前記周波数ｆ１１で送電することにより、異物の過熱を防止しつつ、高い効率で継続して送電できる。
前記異物検知期間において、前記周波数ｆ２０で発振している場合は、図５Ｂに示すように、前記第２共振器のコイルと前記第３共振器のコイルとの間の周辺部Ｂの磁界は密となり、中央部Ａの磁界が疎となる。
よって、前記周波数ｆ１０で発振している時、異物が存在すると判断された場合は、異物は中央部Ａに存在していることが分かる。よって、前記第２送電期間では、中央部Ａの磁界が疎で、周辺部Ｂの磁界が密となる磁界分布を有する前記周波数f21で送電することにより、異物の過熱を防止しつつ、高い効率で継続して送電できる。
また、送電装置には、１つの送電コイルのみで実現できるので、スマートホンのような受電コイルが１つの受電装置でも送電でき、設置台の面積が小さい送電装置を実現できる。

［項目１６］
前記異物検知判定回路は、
前記第２交流電力に応じて変化する前記第３共振器における物理量を測定し、前記変化後の物理量と所定の基準値との差分が、予め設定された閾値よりも大きいとき、前記第１共振器と前記第３共振器との間に異物が存在すると判断する、
項目１５に記載の送電装置。
上記項目によると、
前記変化後の物理量と所定の基準値との差分が、予め設定された閾値よりも大きいとき、前記第１共振器と前記第３共振器との間に異物が存在すると判断する。
このことにより、前記第１共振器と前記第３共振器との間に異物が存在するか否かを容易に判断できる。

［項目１７］
前記異物検知判定回路は、
前記第３共振器における物理量を測定し、前記測定された物理量から算出した値に基づき、前記異物が存在するか否かを判断する、
項目１５〜１６のいずれかに記載の送電装置。
上記項目によると、
前記測定された物理量から算出した値に基づき、前記異物が存在するか否かを判断する。前記算出した値は、異物を高精度で判定できる式に基づいて算出される。よって、前記第１共振器と前記第３共振器との間に異物が存在するか否かを高精度で判断できる。

［項目１８］
前記第３共振器における物理量は、前記第３共振器に印加される電圧、前記第３共振器に流れる電流、前記第３共振器に印加される周波数、前記第３共振器の入力インピ−ダンス値、又は、前記第３共振器の入力インダクタンス値である、
項目１５〜１７のいずれかに記載の送電装置。
上記項目によると、
前記物理量を測定することで、前記第１共振器と前記第３共振器との間に異物が存在するか否かを容易に判断できる。

［項目１９］
前記第１共振器は、コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有し、
前記異物検知判定回路は、
前記第３共振器における物理量が前記第３共振器の入力インダクタンス値である場合、
前記発振回路が前記周波数ｆ１０で発振しているときの前記第３共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１０）と、前記周波数ｆ２０で発振しているときの前記第３共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２０）とを測定し、
ｋ²＝１−Ｌｉｎ（ｆ２０）／Ｌｉｎ（ｆ１０）の式によって結合係数ｋを算出し、前記算出した結合係数ｋに基づいて異物が存在するか否かを判断する、
項目１５〜１８のいずれかに記載の送電装置。
上記項目によると、
ｋ²＝１−Ｌｉｎ（ｆ２０）／Ｌｉｎ（ｆ１０）の式によって結合係数ｋを算出し、前記算出した結合係数ｋに基づいて異物が存在するか否かを判断する。
Ｌｉｎ（ｆ２０）に、前記コイルの両端が短絡している状態の時の前記第３共振器の入力インダクタンス値を用い、Ｌｉｎ（ｆ１０）に前記コイルの両端が開放している状態の時の前記第３共振器の入力インダクタンス値を用いると高精度の結合係数ｋを算出でき、高精度で異物が存在するか否かを判断することができる。
前記コイル及前記コイルの両端に設けたキャパシタを含む並列共振回路を前記受電装置に設ける。このことにより、前記発振回路で前記第２共振周波数ｆｒよりも低い前記周波数ｆ１０で駆動すると、前記キャパシタに電流が流れないので、前記コイルの両端が実質的に開放されている状態を作り出せる。また、前記第２共振周波数ｆｒよりも高い前記周波数ｆ２０で駆動すると、前記キャパシタに電流が流れるので、前記コイルの両端が短絡している状態を作り出せる。
よって、前記コイルの両端にキャパシタを設けるだけで、前記コイルの両端が実質的に開放されている状態と前記コイルの両端が短絡している状態とを作り出すことができる。そのため、通常行われているように、前記コイルの両端に短絡用スイッチを設け、設けた前記短絡用スイッチを制御する制御回路を前記受電装置に設ける必要はない。よって、通常行われているような、前記送電装置から信号を送って前記短絡用スイッチを制御するという煩わしさをなくすことができる。その結果、精度の高い前記結合係数を用いて異物検知を行うので、コスト増を招くことなく、簡易な構成で前記負荷が変動しても高精度で異物検知を行うことができる。

［項目２０］
前記第１共振器は、コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有し、
前記異物検知判定回路は、
前記第３共振器における物理量が前記第３共振器の入力インダクタンス値である場合、
前記発振回路が前記周波数ｆ１０で発振しているときの前記第３共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１０）と、前記周波数ｆ２０で発振しているときの前記第３共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２０）とを測定し、
前記Ｌｉｎ（ｆ１０）と前記Ｌｉｎ（ｆ２０）との比を算出し、前記算出した比に基づいて異物が存在するか否かを判断する、
項目１５〜１９のいずれかに記載の送電装置。
上記項目によると、
測定した前記Ｌｉｎ（ｆ１０）と前記Ｌｉｎ（ｆ２０）との比を算出し、前記算出した比に基づいて異物が存在するか否かを判断する。
「前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１０）と前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２０）の比に基づいて」の意味について説明する。
前記結合係数ｋを算出する式２［ｋ²＝１−Ｌｉｎ（ｆ２０）／Ｌｉｎ（ｆ１０）］は、式２［Ｌｉｎ（ｆ２０）／Ｌｉｎ（ｆ１０）＝１−ｋ²］に変形できる。よって、Ｌｉｎ（ｆ２０）／Ｌｉｎ（ｆ１０）が決まると、結合係数ｋを一意的に決めることができる。従って、前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１０）と前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２０）の比に基づいて、前記第１共振器と前記第３共振器との間に異物が存在するか否かを判断できる。
式２による結合係数ｋを算出するには、四則演算以外の平方根の算出処理が求められる。一方、前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１０）と前記入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２０）の比は単純な除算であるので、処理の負荷も軽減でき、算出スピ−ドを速くすることができる。
また、前記コイルの両端に短絡用スイッチを設ける必要はなく、前記送電装置から信号を送って前記短絡用スイッチを制御する煩わしさをなくすことができる。

［項目２１］
前記第１共振器は、コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有し、
前記発振回路は、
自励式の発振回路であり、かつ、前記第３共振器における物理量が前記第３共振器の入力インダクタンス値である場合、前記発振回路の発振周波数の２乗は前記第３共振器の入力インダクタンス値に反比例し、
前記異物検知判定回路は、
前記発振回路が発振している前記周波数ｆ１０及び前記周波数ｆ２０を測定し、ｋ²＝１−ｆ１０²／ｆ２０²の式によって結合係数ｋを算出し、前記算出した結合係数ｋに基づいて異物が存在するか否かを判断する、
項目１５〜２０のいずれかに記載の送電装置。
上記項目によると、
前記発振回路が自励式の発振回路の場合、前記入力インダクタンス値をＬとし、前記キャパシタの容量をＣとすると、前記自励式の発振回路の周波数ｆはＬＣ共振原理に基づく発振回路である場合、ｆ＝１／（２π×（ＬＣ）＾（１／２））の式で表すことができる。容量Ｃは回路定数で既知であるから、前記入力インダクタンス値Ｌが前記発振回路の周波数の２乗に反比例するので、前記結合係数の式であるｋ²＝１−Ｌｉｎ（ｆ２０）／Ｌｉｎ（ｆ１０）をｋ²＝１−ｆ１０²／ｆ２０²の式に置き換えることができる。このことにより、前記測定回路で前記入力インダクタンスを測定する工程は不要となり、前記発振回路が発振する周波数ｆ１０及びｆ２０の値を用いればよい。よって、前記測定回路で前記入力インダクタンスを測定する必要がなくなるので、前記結合係数を高精度で算出することができる。なお、前記周波数ｆ１０及び前記周波数ｆ２０の値は、前記第１共振器の前記周波数ｆ１０及び前記周波数ｆ２０を前記測定回路が測定してもよい。また、他の発振回路でも同様の考え方が適用でき当業者では容易に類推可能である。
また、前記コイルの両端に短絡用スイッチを設ける必要はなく、前記送電装置から信号を送って前記短絡用スイッチを制御する煩わしさをなくすことができる。

［項目２２］
前記第２共振器および前記第３共振器は、同一の共振器であり、
前記送電制御回路の制御により、前記インバータ回路と前記同一の共振器との電気的接続と、前記発振回路と前記同一の共振器との電気的接続とを切り替えるスイッチを備え、
前記送電制御回路は、
前記第１送電期間から前記異物検知期間に変更するとき、前記スイッチを制御して、前記インバータ回路と前記同一の共振器との電気的接続から前記発振回路と前記同一の共振器との電気的接続に切り替え、
前記異物検知期間から前記第２送電期間に変更するとき、前記スイッチを制御して、前記発振回路と前記同一の共振器との電気的接続から前記インバータ回路と前記同一の共振器との電気的接続に切り替る、
項目１５〜２１のいずれかに記載の送電装置。
上記項目によると、
前記第２共振器および前記第３共振器を同一の共振器とすることで、前記第２共振器に前記第１交流電力を送電する共振器と、前記第２共振器に前記第２交流電力を送電する共振器とが同じ共振器となり、部品点数の削減することができる。そして、送電装置の小型化を図ることができる。

［項目２３］
項目１５〜２２のいずれかに記載の送電装置と、上記受電装置と、を備えた
無線電力伝送システム。

また、本開示の別の態様に係る送電装置、受電装置、及び送電装置と受電装置とを備えた無線電力伝送システムは、以下の構成を備える。

（１）本開示の一態様に係る無線電力伝送システムは、入力された直流エネルギを交流エネルギに変換して出力するように構成された送電回路と、周波数ｆ０で共振し、前記送電回路から出力された前記交流エネルギを送出するように構成された第１共振器と、周波数ｆ０およびｆｒで共振し、前記第１共振器と電磁的に結合することによって前記第１共振器から送出された前記交流エネルギの少なくとも一部を受け取るように構成された第２共振器と、前記第２共振器が受け取った前記交流エネルギを直流エネルギに変換して負荷に供給するように構成された受電回路と、周波数ｆｒで共振し、前記第２共振器と電磁的に結合するように構成された第３共振器とを備える。前記送電回路は、複数のスイッチを有し、入力された直流エネルギを前記複数のスイッチの切り替えによって交流エネルギに変換して前記第１共振器に出力するように構成されたインバータ回路と、前記インバータ回路における前記複数のスイッチの切り替えを制御するように構成された送電制御回路と、前記第３共振器に接続され、周波数ｆｒよりも低い周波数ｆ１０、および周波数ｆｒよりも高い周波数ｆ２０の少なくとも一方で発振可能な発振回路と、前記発振回路から出力された電圧に応じて変化する物理量を測定するように構成された測定回路と、前記発振回路が周波数ｆ１０で発振しており、かつ、測定された前記物理量の基準値からの変化量が、予め設定された閾値よりも大きいとき、周波数ｆ０よりも高い周波数ｆ２１で送電するように前記送電制御回路に指示し、前記発振回路が周波数ｆ２０で発振しており、かつ、前記物理量の基準値からの変化量が、予め設定された閾値よりも大きいとき、周波数ｆ０よりも低い周波数ｆ１１で送電するように前記送電制御回路に指示するように構成された判定回路とを有する。

（２）ある実施形態において、前記送電制御回路は、前記発振回路を、周波数ｆ１０およびｆ２０の両方で発振させるように構成され、前記判定回路は、前記発振回路が周波数ｆ１０で発振しているときの前記物理量の前記基準値からの変化量が、前記閾値よりも大きく、かつ、前記発振回路が周波数ｆ２０で発振しているときの前記物理量の前記基準値からの変化量よりも大きいとき、周波数ｆ２１で送電するように前記送電制御回路に指示し、前記発振回路が周波数ｆ２０で発振しているときの前記物理量の前記基準値からの変化量が、前記閾値よりも大きく、かつ、前記発振回路が周波数ｆ１０で発振しているときの前記物理量の前記基準値からの変化量よりも大きいとき、周波数ｆ１１で送電するように前記送電制御回路に指示するように構成されている。

（３）ある実施形態において、前記判定回路は、前記発振回路が周波数ｆ１０およびｆ２０の少なくとも一方で発振しているときの前記物理量の前記基準値からの変化量が前記閾値よりも大きいとき、前記第３共振器または前記第２共振器に異物が接近したことを示す情報を出力するように構成されている。

（４）ある実施形態において、前記判定回路は、前記発振回路が周波数ｆｒよりも低い周波数ｆ１０で発振しているときの前記第３共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１０）と、周波数ｆｒよりも高い周波数ｆ２０で発振しているときの前記第３共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２０）との比に基づいて異物の有無を判定するように構成されている。

（５）ある実施形態において、前記判定回路は、ｋ²＝１−Ｌｉｎ（ｆ２０）／Ｌｉｎ（ｆ１０）の式または前記式に基づく補正式によって算出される結合係数ｋに基づいて異物の有無を判定するように構成されている。

（６）ある実施形態において、前記発振回路は、自励式の発振回路であり、かつ、前記第３共振器の入力インダクタンス値が前記発振回路の発振周波数の２乗に反比例するように構成されており、前記判定回路は、ｋ²＝１−ｆ１０²／ｆ２０²の式または前記式に基づく補正式によって算出される結合係数ｋに基づいて異物の有無を判定するように構成されている。

（７）ある実施形態において、前記第１共振器および前記第３共振器は、１つの共振器によって構成されている。前記無線電力伝送システムは、前記発振回路と前記共振器との間に接続されたスイッチと、異物検知モードでは前記スイッチをオンにし、送電モードでは前記スイッチをオフにするように構成された制御回路とをさらに備えている。

（８）本開示の他の態様に係る無線電力伝送システムは、入力された直流エネルギを交流エネルギに変換して出力するように構成された送電回路と、周波数ｆ０で共振し、前記送電回路から出力された前記交流エネルギを送出するように構成された第１共振器と、周波数ｆ０およびｆｒで共振し、前記第１共振器と電磁的に結合することによって前記第１共振器から送出された前記交流エネルギの少なくとも一部を受け取るように構成された第２共振器と、前記第２共振器が受け取った前記交流エネルギを直流エネルギに変換して負荷に供給するように構成された受電回路と、周波数ｆｒで共振し、前記第２共振器と電磁的に結合するように構成された第３共振器とを備える。前記送電回路は、複数のスイッチを有し、入力された直流エネルギを前記複数のスイッチの切り替えによって交流エネルギに変換して前記第１共振器に出力するように構成されたインバータ回路と、前記第３共振器に接続され、交流成分を含む電圧を出力する発振回路と、前記発振回路から出力された前記電圧に応じて変化する物理量を測定するように構成された測定回路と、測定された前記物理量の基準値からの変化量に基づいて、異物の有無を判定するように構成された判定回路と、送電中、前記インバータ回路から出力される電圧の周波数および前記電圧のデューティ比の少なくとも一方を制御し、前記周波数および前記デューティ比の少なくとも一方に関する制御パラメータをメモリに記録し、前記判定回路による判定処理が行われた後に送電を再開するとき、前記判定処理の結果に基づいて決定された前記制御パラメータを用いて、前記インバータ回路を制御するように構成された送電制御回路とを有する。

（９）ある実施形態において、前記送電制御回路は、前記判定回路によって異物が検出されなかったとき、前記メモリに記録された前記制御パラメータを用いて、前記インバータ回路を制御するように構成されている。

（１０）ある実施形態において、前記判定回路は、前記発振回路が周波数ｆｒよりも低い周波数ｆ１０で発振しているときに前記異物があると判定したとき、周波数ｆ０よりも高い周波数ｆ２１で送電するように前記送電制御回路に指示するように構成されている。

（１１）ある実施形態において、前記判定回路は、前記発振回路が周波数ｆｒよりも高い周波数ｆ２０で発振しているときに前記異物があると判定したとき、周波数ｆ０よりも低い周波数ｆ１１で送電するように前記送電制御回路に指示するように構成されている。

（１２）ある実施形態において、前記判定回路は、前記発振回路が周波数ｆ１０で発振しており、かつ、測定された前記物理量の基準値からの変化量が、予め設定された閾値よりも大きいとき、周波数ｆ０よりも高い周波数ｆ２１で送電するように前記送電制御回路に指示し、前記発振回路が周波数ｆ２０で発振しており、かつ、前記物理量の基準値からの変化量が、予め設定された閾値よりも大きいとき、周波数ｆ０よりも低い周波数ｆ１１で送電するように前記送電制御回路に指示するように構成されている。

（１３）ある実施形態において、前記判定回路は、前記発振回路が発振しているときの前記第３共振器の入力インダクタンス値に基づいて異物の有無を判定するように構成されている。

（１４）ある実施形態において、前記判定回路は、前記発振回路が周波数ｆｒよりも低い周波数ｆ１０で発振しているときの前記第３共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１０）と、周波数ｆｒよりも高い周波数ｆ２０で発振しているときの前記第３共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２０）との比に基づいて異物の有無を判定するように構成されている。

（１５）ある実施形態において、前記判定回路は、ｋ²＝１−Ｌｉｎ（ｆ２０）／Ｌｉ
ｎ（ｆ１０）の式または前記式に基づく補正式によって算出される結合係数ｋに基づいて異物の有無を判定するように構成されている。

（１６）ある実施形態において、前記発振回路は、自励式の発振回路であり、かつ、前記第３共振器の入力インダクタンス値が前記発振回路の発振周波数の２乗に反比例するように構成されており、前記判定回路は、ｋ²＝１−ｆ１０²／ｆ２０²の式または前記式に基づく補正式によって算出される結合係数ｋに基づいて異物の有無を判定するように構成されている。

（１７）ある実施形態において、前記送電制御回路は、前記判定回路が異物がないと判定し、前記結合係数ｋと設計値との差分が所定の閾値以上であるとき、前記メモリに記録された前記制御パラメータを補正した制御パラメータを用いて送電を開始するように構成されている。

（１８）ある実施形態において、前記第１共振器および前記第３共振器は、１つの共振器によって構成されている。前記送電装置は、前記発振回路と前記共振器との間に接続されたスイッチと、異物検知モードでは前記スイッチをオンにし、送電モードでは前記スイッチをオフにするように構成された制御回路とをさらに備えている。

（１９）本開示の他の態様に係る送電装置は、入力された直流エネルギを交流エネルギに変換して出力するように構成された送電回路と、周波数ｆ０で共振し、前記送電回路から出力された前記交流エネルギを送出するように構成された第１共振器と、周波数ｆｒで共振し、受電装置に搭載された第２共振器と電磁的に結合するように構成された第３共振器とを備える。前記送電回路は、複数のスイッチを有し、入力された直流エネルギを前記複数のスイッチの切り替えによって交流エネルギに変換して前記第１共振器に出力するように構成されたインバータ回路と、前記インバータ回路における前記複数のスイッチの切り替えを制御するように構成された送電制御回路と、前記第３共振器に接続され、周波数ｆｒよりも低い周波数ｆ１０、および周波数ｆｒよりも高い周波数ｆ２０の少なくとも一方で発振可能な発振回路と、前記発振回路から出力された電圧に応じて変化する物理量を測定するように構成された測定回路と、前記発振回路が周波数ｆ１０で発振しており、かつ、測定された前記物理量の基準値からの変化量が、予め設定された閾値よりも大きいとき、周波数ｆ０よりも高い周波数ｆ２１で送電するように前記送電制御回路に指示し、前記発振回路が周波数ｆ２０で発振しており、かつ、前記物理量の基準値からの変化量が、予め設定された閾値よりも大きいとき、周波数ｆ０よりも低い周波数ｆ１１で送電するように前記送電制御回路に指示するように構成された判定回路とを有する。

（２０）本開示の他の態様に係る送電装置は、入力された直流エネルギを交流エネルギに変換して出力するように構成された送電回路と、周波数ｆ０で共振し、前記送電回路から出力された前記交流エネルギを送出するように構成された第１共振器と、周波数ｆｒで共振し、受電装置に搭載された第２共振器と電磁的に結合するように構成された第３共振器とを備える。前記送電回路は、複数のスイッチを有し、入力された直流エネルギを前記複数のスイッチの切り替えによって交流エネルギに変換して前記第１共振器に出力するように構成されたインバータ回路と、前記第３共振器に接続され、交流成分を含む電圧を出力する発振回路と、前記発振回路から出力された前記電圧に応じて変化する物理量を測定するように構成された測定回路と、測定された前記物理量の基準値からの変化量に基づいて、異物の有無を判定するように構成された判定回路と、送電中、前記インバータ回路から出力される電圧の周波数および前記電圧の出力時間比の少なくとも一方を制御し、前記周波数および前記出力時間比の少なくとも一方に関する制御パラメータをメモリに記録し、前記判定回路による判定処理が行われた後に送電を再開するとき、前記判定処理の結果に基づいて決定された前記制御パラメータを用いて、前記インバータ回路を制御するように構成された送電制御回路とを有する。

（２１）本開示の他の態様に係る無線電力伝送システムは、入力された直流エネルギを交流エネルギに変換して出力するように構成された送電回路と、周波数ｆ０およびｆｒで共振し、前記送電回路から出力された前記交流エネルギを送出するように構成された第１共振器と、周波数ｆ０で共振し、前記第１共振器と電磁的に結合することによって前記第１共振器から送出された前記交流エネルギの少なくとも一部を受け取るように構成された第２共振器と、前記第２共振器が受け取った前記交流エネルギを直流エネルギに変換して負荷に供給するように構成された受電回路と、周波数ｆｒで共振し、前記第１共振器と電磁的に結合するように構成された第３共振器とを備える。前記送電回路は、複数のスイッチを有し、入力された直流エネルギを前記複数のスイッチの切り替えによって交流エネルギに変換して前記第１共振器に出力するように構成されたインバータ回路と、前記インバータ回路における前記複数のスイッチの切り替えを制御するように構成された送電制御回路とを有する。前記受電回路は、前記第３共振器に接続され、周波数ｆｒよりも低い周波数ｆ１０、および周波数ｆｒよりも高い周波数ｆ２０の少なくとも一方で発振可能な発振回路と、前記発振回路から出力された電圧に応じて変化する物理量を測定するように構成された測定回路と、前記発振回路が周波数ｆ１０で発振しており、かつ、測定された前記物理量の基準値からの変化量が、予め設定された閾値よりも大きいとき、周波数ｆ０よりも高い周波数ｆ２１で送電するように前記送電制御回路に指示し、前記発振回路が周波数ｆ２０で発振しており、かつ、前記物理量の基準値からの変化量が、予め設定された閾値よりも大きいとき、周波数ｆ０よりも低い周波数ｆ１１で送電するように前記送電制御回路に指示するように構成された判定回路とを有する。

（２２）本開示の他の態様に係る無線電力伝送システムは、入力された直流エネルギを交流エネルギに変換して出力するように構成された送電回路と、周波数ｆ０およびｆｒで共振し、前記送電回路から出力された前記交流エネルギを送出するように構成された第１共振器と、周波数ｆ０で共振し、前記第１共振器と電磁的に結合することによって前記第１共振器から送出された前記交流エネルギの少なくとも一部を受け取るように構成された第２共振器と、前記第２共振器が受け取った前記交流エネルギを直流エネルギに変換して負荷に供給するように構成された受電回路と、周波数ｆｒで共振し、前記第１共振器と電磁的に結合するように構成された第３共振器とを備える。前記受電回路は、前記発振回路から出力された前記電圧に応じて変化する物理量を測定するように構成された測定回路と、測定された前記物理量の基準値からの変化量に基づいて、異物の有無を判定するように構成された判定回路とを有する。前記送電回路は、複数のスイッチを有し、入力された直流エネルギを前記複数のスイッチの切り替えによって交流エネルギに変換して前記第１共振器に出力するように構成されたインバータ回路と、前記第３共振器に接続され、交流成分を含む電圧を出力する発振回路と、送電中、前記インバータ回路から出力される電圧の周波数および前記電圧の出力時間比の少なくとも一方を制御し、前記周波数および前記出力時間比の少なくとも一方に関する制御パラメータをメモリに記録し、前記判定回路による判定処理が行われた後に送電を再開するとき、前記判定処理の結果に基づいて決定された前記制御パラメータを用いて、前記インバータ回路を制御するように構成された送電制御回路とを有する。

（２３）本開示の他の態様に係る受電装置は、周波数ｆ０で共振し、送電装置に搭載された第１共振器と電磁的に結合することによって第１共振器から送出された交流エネルギの少なくとも一部を受け取るように構成された第２共振器と、前記第２共振器が受け取った前記交流エネルギを直流エネルギに変換して負荷に供給するように構成された受電回路と、周波数ｆｒで共振し、前記第１共振器と電磁的に結合するように構成された第３共振器とを備える。前記受電回路は、前記第３共振器に接続され、周波数ｆｒよりも低い周波数ｆ１０、および周波数ｆｒよりも高い周波数ｆ２０の少なくとも一方で発振可能な発振回路と、前記発振回路から出力された電圧に応じて変化する物理量を測定するように構成された測定回路と、前記発振回路が周波数ｆ１０で発振しており、かつ、測定された前記物理量の基準値からの変化量が、予め設定された閾値よりも大きいとき、周波数ｆ０よりも高い周波数ｆ２１で送電するように前記送電制御回路に指示し、前記発振回路が周波数ｆ２０で発振しており、かつ、前記物理量の基準値からの変化量が、予め設定された閾値よりも大きいとき、周波数ｆ０よりも低い周波数ｆ１１で送電するように前記送電装置に指示するように構成された判定回路とを有する。

本開示の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または給電を行う用途に広く適用できる。本開示の実施形態によれば、送受電コイル間に存在する金属の異常発熱リスクを回避することができる。異物検知処理に伴う効率低下を低減することもできる。

０ 電源
１ 送電回路
２ 第２共振器（送電コイル、含共振コンデンサ）
３ 第１共振器（受電コイル、含共振コンデンサ）
４ 受電回路
５ 負荷
１０ インバータ回路
１１ 第３共振器（異物検知用コイル、含共振コデンサ）
１２ 発振回路
１３ 異物検知判定回路
１４ 送電パラメータ保持部
１５ 送電制御回路
２１〜２４ スイッチング素子
４１ 電圧測定回路
４２ 周波数カウンタ
４３ インダクタンス測定回路
４４ 判定回路
６１ 結合係数算出部
９１ スイッチ手段
１０１ 接続スイッチ
１１１ 受電出力回路
１１２ 受電制御回路
１１３ 通信回路
Ｌ１〜Ｌ３、Ｌｍ インダクタ
Ｃ１、Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ３ 共振コンデンサ

Claims (14)

1. 第１交流電力を受電する第１共振器と、前記第１共振器が受電した前記第１交流電力を第１直流電力に変換して負荷に供給する受電回路とを備えた受電装置に対して非接触方式で前記第１交流電力を送電する送電装置であって、
   前記第１共振器と電磁的に結合して前記第１交流電力を前記第１共振器に送電する第２共振器と、
   前記第１共振器と電磁的に結合して第２交流電力を前記第１共振器に送電する第３共振器と、
   前記第１共振器と前記第２共振器との間の第１共振周波数ｆ０より低い周波数ｆ１１又は前記第１共振周波数ｆ０より高い周波数ｆ１２を用いて前記第１交流電力を生成するインバータ回路と、
   前記第１共振器と前記第３共振器との間の第２共振周波数ｆｒより低い周波数ｆ１０又は前記第２共振周波数ｆｒより高い周波数ｆ２０を用いて前記第１交流電力より小さい前記第２交流電力を生成する発振回路と、
   前記発振回路に指示して前記周波数ｆ１０又は前記周波数ｆ２０のいずれか一方の前記第２交流電力を前記発振回路から生成させ、前記第２交流電力に応じて変化する前記第３共振器における物理量に基づき、前記第１共振器と前記第３共振器との間に異物が存在するか否かを判断する異物検知判定回路と、
   前記周波数ｆ１１又は前記周波数ｆ１２のいずれか一方を前記インバータ回路に指示して前記インバータ回路に前記第１交流電力を生成させる送電制御回路と、を備え、
   前記送電制御回路は、
   前記第２共振器から前記第１共振器へ前記第１交流電力を送電する第１送電期間と前記第１送電期間の次の第２送電期間との間に前記異物検知判定回路による異物検知期間とを設け、
   前記第１送電期間において、前記周波数ｆ１１及び前記周波数ｆ１２のいずれか一方を用い、前記異物検知期間において、前記周波数ｆ１０及び前記周波数ｆ２０のいずれか一方を用い、
   前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合は、前記第２送電期間において、前記第１送電期間で用いた周波数とは別の前記周波数ｆ１１または前記周波数ｆ１２を使用することを前記インバータ回路に指示して前記第１交流電力の送電を開始させる、
   送電装置。
2. 前記送電制御回路は、
   前記異物検知期間において異物が存在しないと判断された場合は、前記第２送電期間において、前記第１送電期間で用いた周波数と同じ前記周波数であるｆ１１または前記周波数ｆ１２を使用することを前記インバータ回路に指示して前記第１交流電力の送電を開始させる、
   請求項１に記載の送電装置。
3. 前記送電制御回路は、
   前記第１送電期間において前記周波数ｆ１１を用い、前記異物検知期間において前記周波数ｆ１０を用いた場合において、前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合、前記第２送電期間において前記周波数ｆ１２を使用することを前記インバータ回路に指示して前記周波数ｆ１２を用いた前記第１交流電力の送電を開始させる、
   請求項１に記載の送電装置。
4. 前記送電制御回路は、
   前記第１送電期間において前記周波数ｆ１１を用い、前記異物検知期間において前記周波数ｆ１０を用いた場合において、前記異物検知期間において異物が存在しないと判断された場合、前記第２送電期間において前記周波数ｆ１１を使用することを前記インバータ回路に指示し、前記周波数ｆ１１を用いた前記第１交流電力の送電を開始させる、
   請求項２に記載の送電装置。
5. 前記送電制御回路は、
   前記第１送電期間において前記周波数ｆ１２を用い、前記異物検知期間において前記周波数ｆ２０を用いた場合において、前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合、前記第２送電期間において前記周波数ｆ１１を使用することを前記インバータ回路に指示し、前記周波数ｆ１１を用いた前記第１交流電力の送電を開始させる、
   請求項１に記載の送電装置。
6. 前記送電制御回路は、
   前記第１送電期間において前記周波数ｆ１２を用い、前記異物検知期間において前記周波数ｆ２０を用いた場合において、前記異物検知期間において異物が存在しないと判断された場合、前記第２送電期間において前記周波数ｆ１２を使用することを前記インバータ回路に指示し、前記周波数ｆ１２を用いた前記第１交流電力の送電を開始させる、
   請求項２に記載の送電装置。
7. 前記異物検知判定回路は、
   前記第２交流電力に応じて変化する前記第３共振器における物理量を測定し、前記変化後の物理量と所定の基準値との差分が、所定の範囲を超えると、前記第１共振器と前記第３共振器との間に異物が存在すると判断する、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の送電装置。
8. 前記異物検知判定回路は、
   前記第３共振器における物理量を測定し、前記測定された物理量から算出した値に基づき、前記異物が存在するか否かを判断する、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の送電装置。
9. 前記第３共振器における物理量は、前記第３共振器に印加される電圧、前記第３共振器に流れる電流、前記第３共振器に印加される周波数、前記第３共振器の入力インピ−ダンス値、又は、前記第３共振器の入力インダクタンス値である、
   請求項８に記載の送電装置。
10. 前記第１共振器は、コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有し、
    前記異物検知判定回路は、
    前記第３共振器における物理量が前記第３共振器の入力インダクタンス値である場合、
    前記発振回路が前記周波数ｆ１０で発振しているときの前記第３共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１０）と、前記周波数ｆ２０で発振しているときの前記第３共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２０）とを測定し、
    ｋ²＝１−Ｌｉｎ（ｆ２０）／Ｌｉｎ（ｆ１０）の式によって結合係数ｋを算出し、前記算出した結合係数ｋに基づいて異物が存在するか否かを判断する、
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の送電装置。
11. 前記第１共振器は、コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有し、
    前記異物検知判定回路は、
    前記第３共振器における物理量が前記第３共振器の入力インダクタンス値である場合、
    前記発振回路が前記周波数ｆ１０で発振しているときの前記第３共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ１０）と、前記周波数ｆ２０で発振しているときの前記第３共振器の入力インダクタンス値Ｌｉｎ（ｆ２０）とを測定し、
    前記Ｌｉｎ（ｆ１０）と前記Ｌｉｎ（ｆ２０）との比を算出し、前記算出した比に基づいて異物が存在するか否かを判断する、
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の送電装置。
12. 前記第１共振器は、コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有し、
    前記発振回路は、
    自励式の発振回路であり、かつ、前記第３共振器における物理量が前記第３共振器の入力インダクタンス値である場合、前記発振回路の発振周波数の２乗は前記第３共振器の入力インダクタンス値に反比例し、
    前記異物検知判定回路は、
    前記発振回路が発振している前記周波数ｆ１０及び前記周波数ｆ２０を測定し、ｋ²＝１−ｆ１０²／ｆ２０²の式によって結合係数ｋを算出し、前記算出した結合係数ｋに基づいて異物が存在するか否かを判断する、
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の送電装置。
13. 前記第２共振器および前記第３共振器は、同一の共振器であり、
    前記送電制御回路の制御により、前記インバータ回路と前記同一の共振器との電気的接続と、前記発振回路と前記同一の共振器との電気的接続とを切り替えるスイッチを備え、
    前記送電制御回路は、
    前記第１送電期間から前記異物検知期間に変更するとき、前記スイッチを制御して、前記インバータ回路と前記同一の共振器との電気的接続から前記発振回路と前記同一の共振器との電気的接続に切り替え、
    前記異物検知期間から前記第２送電期間に変更するとき、前記スイッチを制御して、前記発振回路と前記同一の共振器との電気的接続から前記インバータ回路と前記同一の共振器との電気的接続に切り替える、
    請求項１〜１２のいずれか１項に記載の送電装置。
14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の送電装置と、
    受電装置と、を備える、無線電力伝送システム。

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