JP6564005B2 - 異物検出装置、無線電力伝送装置、及び無線電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、異物検出装置、無線電力伝送装置、及び無線電力伝送システムに関する。

無線電力伝送技術の分野では、送電効率の低下や発熱による危険をもたらす異物の有無を検出するために、異物検出装置が利用されている。従来の異物検出装置では、異物の有無を検出するために、共振器のＱ値の変化によって電力損失を推定する方法、送受電コイルの電流値から渦電流の発生を推定する方法、及び送受電電力値から電力損失を推定する方法などが用いられている。

このような従来の異物検出方法で異物の有無を高精度に検出するためには、異物が存在しない場合における基準値、すなわち、電力伝送時の共振器のＱ値、送受電コイルの電流値、及び送受電電力値などを精度よく設定する必要がある。しかしながら、送受電電力値に応じた電力損失の変化、送受電コイルの位置関係や周囲の環境の変化、及び異物検出装置の製造ばらつきや経年変化などを考慮すると、基準値を精度よく設定することは困難であった。このため、従来の異物検出装置では、異物の有無を高精度に検出することは困難であった。

特開２０１３−１３５５１８号公報

異物の有無を高精度に検出することができる異物検出装置、無線電力伝送装置、及び無線電力伝送システムを提供する。

本実施形態に係る異物検出装置は、磁場発生部と、センシング部と、検出部とを備える。磁場発生部は、導電性のコイルを用いて磁場を発生させる。センシング部は、磁場を検出し、検出した磁場の大きさ及び向きの少なくとも一方に応じた信号を出力する磁気センサを複数含む。検出部は、センシング部からの信号に基づいて異物の有無を検出する。センシング部に含まれる少なくとも２つの磁気センサは、異物が存在しない場合に検出される磁場の大きさが等しくなる異なる位置に配置される。

第１実施形態に係る異物検出装置の機能構成を示すブロック図。 第１実施形態に係る異物検出装置の一例を示す構成図。 第１実施形態に係る異物検出装置の他の例を示す構成図。 第１実施形態に係る異物検出装置の他の例を示す構成図。 第２実施形態に係る異物検出処理を示すフローチャート。 第３実施形態に係る異物検出装置の一例を示す構成図。 第４実施形態に係る異物検出装置の一例を示す構成図。 第４実施形態に係る異物検出装置の一例を示す回路図。 第５実施形態に係る無線電力伝送装置の機能構成の一例を示すブロック図。 第５実施形態に係る無線電力伝送装置の機能構成の他の例を示すブロック図。 第５実施形態に係る無線電力伝送装置の一例を示す構成図。 第５実施形態に係る無線電力伝送装置による送電前異物検出処理を示すフローチャート。 第５実施形態に係る無線電力伝送装置による送電中異物検出処理を示すフローチャート。 第６実施形態に係る無線電力伝送システムの機能構成を示すブロック図。 第６実施形態に係る無線電力伝送システムによる位置合わせ制御を示すフローチャート。 第６実施形態に係る相対位置の検出方法を説明する説明図。

以下、実施形態に係る異物検出装置、無線電力伝送装置、及び無線電力伝送システムについて図面を参照して説明する。以下の各実施形態は、導体に電流を流した際に複数の地点で観測される磁場の大きさ、向き、及び時間変化が、無線電力伝送に影響を及ぼす可能性のある異物の有無によって変化する、という基本原理に基づいて異物の検出を行う。異物検出装置により検出可能な異物には、例えば、金属片が含まれるが、これに限られない。

（第１実施形態）
まず、第１実施形態に係る異物検出装置について図１〜図４を参照して説明する。本実施形態に係る異物検出装置は、例えば、無線電力伝送装置による送電前及び送電中に行われる異物検出に利用される。上記の無線電力伝送装置には、磁気共鳴方式、電磁誘導方式、電波方式など、任意の方式の無線電力伝送装置が含まれる。ここで、図１は、本実施形態に係る異物検出装置の機能構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る異物検出装置は、磁場発生部１０と、複数の磁気センサＳｎ（ｎ＝１，２，３，・・・）を含むセンシング部Ｓと、検出部２０とを備える。

磁場発生部１０は、電源１１と、コイル１２とを備え、異物の有無を検出するための磁場（磁束）を発生させる。電源１１は、直流又は交流の電流を発生させ、コイル１２に供給する。コイル１２は導電性である。コイル１２は、電源１１により供給された電流に応じた磁場を発生させる。電源１１は、異物検出装置に内蔵されていてもよいし、電源１１として外部電源が用いられてもよい。外部電源として、例えば、無線電力伝送装置の送電用の電源を用いることができる。電源１１として外部電源を用いることにより、異物検出装置の構成を簡易化することができる。

ここで、図２，図３は、本実施形態に係る異物検出装置の一例を示す構成図である。図２，図３において、上下方向（実線矢印で示す方向）が異物検出方向であり、異物検出装置は、異物検出方向に存在する異物の有無を検出する。通常、異物検出装置は、異物検出方向と、無線電力伝送装置の送電方向とが一致するように配置して利用される。図２，図３において、異物検出装置の筐体１３は、開口面１３１が異物検出方向と垂直な平板状に形成されている。ここで、開口面１３１とは、平板上に形成された筐体１３の面のうち、異物検出方向側の面のことである。例えば、図２及び図３において、斜線を施された面が開口面１３１である。異物検出装置は、当該開口面１３１上又は開口面１３１上方の異物の有無を検出する。

図２において、コイル１２は、筐体１３の開口面１３１に対して垂直に巻かれた垂直巻型のコイルである。すなわち、コイル１２は、異物検出方向に対して平行に巻かれている。

図３において、コイル１２は、筐体１３の開口面１３１に対して水平に巻かれた水平巻型のコイルである。すなわち、コイル１２は、異物検出方向に対して垂直に巻かれている。

図２，図３のいずれの場合であっても、筐体１３の開口面１３１のうち、コイル１２が巻かれていない部分では、コイル１２が発生させる磁場の主成分の方向は、開口面１３１に対して垂直（異物検出方向に対して平行）になる。また、筐体１３の開口面１３１のうち、コイル１２が巻かれている部分では、コイル１２が発生させる磁場の主成分の方向は、開口面１３１に対して平行（異物検出方向に対して垂直）になる。図２，図３の破線矢印は、コイル１２が発生させる磁場の主成分の方向及び向きを示している。

なお、電源１１は、コイル１２に供給する電流の周波数や振幅を調整可能に構成されてもよい。これにより、コイル１２が発生させる磁場の周波数変調や振幅変調が可能となり、異物検出方法を高度化することができる。高度化された異物検出方法として、例えば、複数の周波数帯域で異物検出を行うことが考えられる。

センシング部Ｓは、磁場発生部１０が発生させる磁場を検出する複数の磁気センサＳｎを有し、検出した磁場の大きさ及び向きの少なくとも一方に応じた電流や電圧などの信号を出力する。磁気センサＳｎとして、例えば、コイルを用いることができる。コイルを用いることにより、異物検出装置を安価に製造することができる。また、磁気センサＳｎとして、ホール素子を用いることも可能である。

各磁気センサＳｎは、磁場発生部１０が発生させる磁場の主成分と直交する同一の平面上に複数配置される。より具体的には、図２，図３に示すように、磁気センサＳｎは、筐体１３の開口面１３１のうち、コイル１２が巻かれていない部分に配置される。このような配置により、磁気センサＳｎは、磁場の主成分を検出することができるため、磁場の検出感度が向上する。したがって、異物検出装置による異物検出精度を向上させることができる。なお、図２，図３において、２つの磁気センサＳ１，Ｓｎが図示されているが、センシング部Ｓに含まれる磁気センサＳｎの数は任意である。

また、複数設けられた磁気センサＳｎのうち少なくとも２つは、コイル１２に対して対称に配置される。すなわち、２つ以上の磁気センサＳｎは、磁場発生部１０が発生させる磁場の大きさが、異物が存在しない場合に等しくなる位置に配置される。磁気センサＳｎの対称な配置は、磁気センサＳｎからコイル１２までの距離を考慮することにより実現できる。

例えば、図２，図３において、２つの磁気センサＳ１，Ｓｎは、筐体１３の開口面１３１の中央部に、コイル１２から等距離に配置されている。筐体１３の開口面１３１の中央部では、磁場の大きさはコイル１２からの距離に応じて決まるため、異物が存在しない場合、磁気センサＳ１，Ｓｎが配置された位置における磁場の大きさは等しくなる。すなわち、磁気センサＳ１と磁気センサＳｎとは対称に配置されている。

また、図４に示すように、複数の磁気センサＳｎが筐体１３の開口面１３１の中央部及び周縁部に配置されている場合には、磁気センサＳｎの対称な配置を実現するため、コイル１２及び筐体１３の形状についても考慮する必要がある。例えば、図４において、１２個の磁気センサＳ１〜Ｓ６，Ｓａ〜Ｓｆが配置されており、磁気センサＳ１〜Ｓ３，Ｓｄ〜Ｓｆはコイル１２から等距離に配置されている。また、磁気センサＳ４〜Ｓ６，Ｓａ〜Ｓｃもコイル１２から等距離に配置されている。しかしながら、図４の場合、筐体１３の開口面１３１の中央部と周縁部とでは、必ずしも磁場の大きさが等しくならず、異物が存在しない場合の各位置における磁場の大きさは、概ね以下のようになる。

Ｓ１＝Ｓ３＝Ｓｄ＝Ｓｆ
Ｓ４＝Ｓ６＝Ｓａ＝Ｓｃ
Ｓ２＝Ｓｅ
Ｓ５＝Ｓｂ

上式において、Ｓｘは、異物が存在しない場合の磁気センサＳｘの位置における磁場の大きさを表している。図４において、磁気センサＳ１，Ｓ３，Ｓｄ，Ｓｆが対称に配置され、磁気センサＳ４，Ｓ６，Ｓａ，Ｓｃが対称に配置され、磁気センサＳ２，Ｓｅが対称に配置され、磁気センサＳ５，Ｓｂが対称に配置されている。

以上のように、複数の磁気センサＳｎは、コイル１２からの距離と、コイル１２や筐体１３の形状を考慮して、筐体１３の開口面１３１上に対称に配置される。複数の磁気センサＳｎを対称に配置することにより、センシング部Ｓは、対称に配置された磁気センサＳｎの出力信号を比較して、異物の有無を検出することができる。異物の検出方法については後述する。

なお、本実施形態において、センシング部Ｓに含まれる全ての磁気センサＳｎが対称に配置されてもよいし、一部の磁気センサＳｎのみが対称に配置されてもよい。また、図４に示すように、磁気センサＳｎをアレイ状に配置した場合、各磁気センサＳｎの異物検出空間が分割されるため、異物検出の空間分解能を向上させることができる。

検出部２０は、センシング部Ｓの出力信号を入力され、当該出力信号に基づいて異物の有無を検出する。センシング部Ｓ上又は近傍に異物が存在する場合、磁場発生部１０が発生させる磁場が異物の影響により変化し、当該磁場の変化に応じてセンシング部Ｓの出力信号が変化する。したがって、検出部２０は、センシング部Ｓの出力信号の変化から異物の有無を検出することができる。

検出部２０は、コンピュータ装置を基本ハードウェアとして使用することで実現することができる。例えば、コンピュータ装置は、メモリとＣＰＵとを備え、予め異物検出処理を実現するプログラムをメモリに記憶しておき、前記プログラムをＣＰＵにより実行することで検出部２０の機能構成を実現することができる。

以下、検出部２０による異物検出方法について説明する。上述の通り、本実施形態において複数の磁気センサＳｎは、少なくとも一部が対称に配置されている。対称に配置された磁気センサＳｎを、磁気センサＳ１，Ｓｎ（図２，図３参照）と称すると、磁気センサＳ１，Ｓｎの異物検出範囲に異物が存在しない場合、磁気センサＳ１，Ｓｎの出力信号の大きさ（絶対値）は略等しくなる（｜Ｓ１｜＝｜Ｓｎ｜）。

図２に示すように、磁気センサＳ１，Ｓｎが検出する磁場の向きが反対の場合、磁気センサＳ１，Ｓｎの出力信号の符号は反対になり（Ｓ１＝−Ｓｎ）、図３に示すように、磁気センサＳ１，Ｓｎが検出する磁場の向きが同じ場合、磁気センサＳ１，Ｓｎの出力信号の符号は同じになる（Ｓ１＝Ｓｎ）。しかしながら、いずれの場合も、磁気センサＳ１，Ｓｎの出力信号の大きさ（絶対値）は略等しくなる。

これに対して、図２，図３に示すように、磁気センサＳ１，Ｓｎの異物検出範囲内に異物Ｍが存在する場合、磁気センサＳ１，Ｓｎのいずれか一方又は両方の出力信号の大きさが、異物Ｍが存在しない場合に対して変化する。異物Ｍが磁気センサＳ１，Ｓｎの出力信号に同一の影響を与える可能性は低いため、異物Ｍが存在した場合、磁気センサＳ１，Ｓｎの出力信号の大きさには差が生じる（｜Ｓ１｜≠｜Ｓｎ｜）。したがって、検出部２０は、磁気センサＳ１，Ｓｎの出力信号の大きさを比較することにより異物の有無を検出することができる。

より具体的には、検出部２０は、磁気センサＳ１，Ｓｎの出力信号の大きさの相対値を算出する。相対値として、磁気センサＳ１，Ｓｎの出力信号の大きさの差（｜Ｓ１｜−｜Ｓｎ｜）や商（｜Ｓ１｜／｜Ｓｎ｜）などが用いられる。例えば、相対値として出力信号の大きさの差を用いると、異物が存在しない場合には、相対値は略０となる。異物が存在する場合には、相対値は０から変化する。検出部２０は、当該相対値と所定の閾値とを比較して異物の有無を検出する。

このように、本実施形態によれば、検出部２０は、複数の磁気センサＳｎの出力信号の相対値に基づいて異物の有無を検出することができる。従来の異物検出装置では、送受電電力値に応じた電力損失の変化、送受電コイルの位置関係や周囲の環境の変化、及び異物検出装置の製造ばらつきや経年変化（以下、まとめて「外乱」という）などの複数のパラメータを計測して、各磁気センサＳｎの出力信号の基準値を設定しなければならなかったが、本実施形態によれば、基準値を設定する必要がないため、容易に異物の有無を検出することができる。

また、外乱等の影響は、複数の磁気センサＳｎに対して略均一に及ぶため、相対値に基づいて異物の有無を検出することにより、これらの外乱の影響を抑制することができる。これにより、過剰検出や未検出などを回避し、高精度に異物検出を行うことが可能となる。

寸法の小さな異物や、無線電力伝送に与える影響が小さい異物の場合、出力信号の変化に対する異物の影響よりも、出力信号の変化に対する外乱等の影響の方が大きくなることがある。従来の異物検出装置では、このような異物の検出が困難であったため、送電中における異物の発熱などの深刻な問題が発生するおそれがあった。しかしながら、本実施形態によれば、上述の通り、外乱等の影響を抑制することができるため、寸法の小さな異物や、無線電力伝送に与える影響が小さい異物であっても高精度に検出することができる。

さらに、本実施形態によれば、磁気センサＳｎが複数設けられているため、センシング部Ｓの異物検出空間が分割され、異物検出の空間分解能を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る異物検出装置について図５を参照して説明する。本実施形態に係る異物検出装置の構成は第１実施形態と同じである。本実施形態において、検出部２０は、複数の磁気センサＳの出力信号の相対値だけでなく、各出力信号の値に基づいて異物の有無を検出する。

ここで、図５（Ａ）は、本実施形態の検出部２０による異物検出処理を示すフローチャートである。図５（Ａ）に示すように、異物検出処理が開始されると、電源１１からコイル１２に電流が供給され（ステップＳ１）、コイル１２が異物検出用の磁場を発生させる。複数の磁気センサＳｎは、それぞれが検出した磁場に応じた出力信号を検出部２０に入力し、検出部２０は、入力された各出力信号の値Ｓｎと所定の閾値とを比較する（ステップＳ２）。

閾値は、各磁気センサＳｎに対して設定され、例えば、異物が存在しないときの各磁気センサＳｎの出力信号の基準値ＳＣＡＬから所定のマージン値の範囲として設定される。図５において、出力信号の下限閾値はＳＣＡＬ−Ｍ（Ｍ＞０）であり、上限閾値はＳＣＡＬ＋Ｎ（Ｎ＞０）である。マージン値Ｍ，Ｎは等しい値であってもよいし、異なる値であってもよい。

検出部２０は、磁気センサＳｎの出力信号の値Ｓｎが閾値の範囲内である場合（ステップＳ２のＹＥＳ）、異物が存在しないと判定し（ステップＳ３）、閾値の範囲外である場合（ステップＳ２のＮＯ）、異物が存在すると判定する（ステップＳ４）。

このように、複数の磁気センサＳｎの出力信号の相対値による異物検出処理に加えて、各磁気センサＳｎの出力信号の値に応じた異物検出処理を実行することにより、異物検出精度をさらに向上させることができる。

また、本実施形態において、検出部２０は、磁気センサＳｎの出力信号の基準値ＳＣＡＬを較正（キャリブレーション）する。図５（Ｂ）は、検出部２０によるキャリブレーション処理を示すフローチャートである。キャリブレーション処理は、異物が存在しない条件下で行われる。図５（Ｂ）に示すように、キャリブレーション処理が開始されると、電源１１からコイル１２に電流が供給され、コイル１２が異物検出用の磁場を発生させる（ステップＳ５）。各磁気センサＳｎは、検出した磁場に応じた出力信号を検出部２０に入力する。検出部２０は、各磁気センサＳｎから入力された出力信号の値Ｓｎを記憶し、較正された新たな基準値ＳＣＡＬとして設定する（ステップＳ６）。全ての、あるいは所望の磁気センサＳｎについて新たな基準値ＳＣＡＬが設定されると、電源１１からコイル１２への電流の供給が停止し、キャリブレーション処理が終了する（ステップＳ７）。

キャリブレーション処理以降の異物検出処理では、キャリブレーション処理により設定された新たな基準値ＳＣＡＬに基づいて閾値が設定され、異物の検出が行われる。キャリブレーション処理は、コイル１２の製造時や、実際の使用環境への設置時の他、管理者により定期的に行われるのが好ましい。

キャリブレーション処理を行うことにより、外乱等の影響を考慮した基準値ＳＣＡＬを取得することができる。当該基準値ＳＣＡＬに基づいて異物検出処理を行うことにより、外乱等の影響を抑制し、より高精度な異物検出を行うことができる。なお、キャリブレーション処理により、磁気センサＳｎの出力信号の相対値に対して基準値を設定する構成も可能である。この場合、設定された基準値と、検出された相対値とを比較することにより異物の有無を検出することができる。

（第３実施形態）
以下、第３実施形態に係る異物検出装置について図６を参照して説明する。本実施形態では、センシング部Ｓにおいて、磁気センサＳｎと他の種類のセンサＴｎ（ｎ＝１，２，・・・）とが併用される。図６は、本実施形態にかかる異物検出装置の一例を示す構成図である。図６において、センサＴｎは、各磁気センサＳｎに対してそれぞれ併置されているが、磁気センサＳｎと併置されず、任意の位置に配置することも可能である。また、センサＴｎの個数は任意に設定することができる。

本実施形態において、検出部２０は、磁気センサＳｎの出力信号と、センサＴｎの出力信号とに基づいて異物の有無を検出する。センサＴｎが図６に示すように筐体１３上に対称に配置されている場合には、検出部２０は、対称に配置されたセンサＴｎの出力信号の大きさの相対値に基づいて異物の有無を検出することができる。また、検出部２０は、各センサＴｎの出力信号の値と基準値とを比較することにより異物の有無を検出してもよいし、センサＴｎの基準値に対してキャリブレーション処理を行ってもよい。検出部２０は、例えば、センサＳｎの出力信号に基づく異物検出結果と、センサＴｎの出力信号に基づく異物検出結果と、の少なくとも一方で異物が検出された場合、異物は存在すると判定する。

センサＴｎとして、例えば、静電容量を検出する静電容量センサを用いることができる。静電容量センサを用いることにより、コイル１２の直上などの、筐体１３の開口面１３１に対して磁場が略平行な領域に存在する異物の有無を容易に検出することができる。

また、センサＴｎとして、温度を検出する温度センサを用いることができる。温度センサを用いることにより、異物が存在した場合であっても、異物の温度上昇を監視しながら送電を行うという制御が可能になる。このような制御として、例えば、異物の温度が所定の温度以下の場合には送電を実行する制御や、異物の温度が所定の温度より高くならないように送電電力を調整する制御が挙げられる。このような制御を行う場合、異物検出装置は、センサＴの出力信号を、有線又は無線により無線電力伝送装置に送信可能に構成される。

さらに、センサＴｎとして、赤外線を検出する赤外線センサや、可視光を検出する画像センサを用いることができる。赤外線センサや画像センサを用いることにより、動物などの磁場に与える影響が小さい異物の有無を検出することができる。

またさらに、センサＴｎとして、超音波を検出する超音波センサを用いることができる。超音波センサを用いることにより、上記の各種センサによっても検出が困難な異物の有無を検出することができる。例えば、電気的な特性の変化が小さく、赤外線を発しない異物の有無を、暗い環境で検出する必要がある場合に有効である。また、超音波センサを距離センサとして利用し、異物までの距離を検出する構成も可能である。検出した距離情報に基づいて、送電の可否や、後述する送電前異物検出処理の開始の可否を判定してもよい。

本実施形態によれば、磁気センサＳｎと各種のセンサＴｎを併用することにより、異物の過剰検出や誤検出を抑制し、異物検出装置の異物検出精度をさらに向上させることができる。なお、センサＴｎとして、上記の各種センサ以外の任意のセンサを用いてもよいし、２種類以上のセンサを用いてもよい。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態に係る異物検出装置について図７及び図８を参照して説明する。本実施形態において、磁気センサＳｎは、コイルにより構成され、磁場発生部１０のコイル１２として併用される。図７は、本実施形態に係る異物検出装置の一例を示す構成図である。

図７に示すように、本実施形態では、図１のような独立したコイル１２は設けられず、各磁気センサＳｎがコイル１２として用いられる。すなわち、各磁気センサＳｎは、コイル１２として磁場を発生させるとともに、他の磁気センサＳｎが発生させた磁場を検出し、検出した磁場に応じた信号を出力する。図７において図示されていないが、各磁気センサＳｎは、いずれも電源１１及び検出部２０と接続されている。

複数の磁気センサＳｎは、一部または全てが磁場を発生させ、一部または全てが磁場を検出するように動作する。一部の磁気センサＳｎが磁場を発生させると、全ての磁気センサＳｎの周囲には磁場が形成され、形成された磁場の平均磁場強度に応じた起電力が発生する。平均磁場強度は、異物の存在により変化するため、異物の存在により磁気センサＳｎに発生する起電力も変化する。したがって、一部または全ての磁気センサＳｎにより磁場を発生させ、一部または全ての磁気センサＳｎで生じた起電力を検出することにより、異物の有無を検出することができる。任意の磁気センサＳｎが磁場を発生している際に自らに発生する起電力を検出する場合には、磁気センサＳｎのインダクタンス値に関わるパラメータの変化を検出することは、異物の有無を検出することと等価である。

図８は、本実施形態に係る異物検出装置の一例を示す回路図である。図８において、センシング部Ｓを構成する各磁気センサＳｎは、電源１１及びＡＤコンバータ１４と接続可能に構成されており、制御器１５により接続を切り替えられる。磁気センサＳｎは、電源１１と接続された場合、磁場発生部１０のコイル１２として機能する。一方、磁気センサＳｎは、ＡＤコンバータ１４と接続された場合、磁場を検出する磁気センサＳｎとして機能する。

図８に示すように、交流の電源１１により磁場発生側の磁気センサＳｎが交流磁場を発生させる場合、検出部２０には、例えば、磁場検出側の磁気センサＳｎの起電力を整流し、低いサンプリングレートのＡＤコンバータ１４によりデジタル化した信号が入力される。また、マルチプレクサを用いて、複数の磁気センサＳｎの出力信号から１つの出力ストリームを作成することにより、ＡＤコンバータなどの回路構成を共有化してもよい。これにより、異物検出装置の構成の簡易化や低コスト化が可能となる。

本実施形態によれば、複数の磁気センサＳｎにより磁場を発生させることができるため、異物検出の空間分解能をさらに向上させることができる。また、センシング部ＳやＡＤコンバータなどの回路構成をプリント基板上に実装することで、異物検出装置の低コスト化や機械強度の向上を実現することができる。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態として、上述の異物検出装置を備える無線電力伝送装置について図９〜図１３を参照して説明する。本実施形態に係る無線電力伝送装置は、磁場により無線で電力を伝送する磁気共鳴方式の無線電力伝送装置であり、異物検出装置による異物検出結果に基づいて送電が制御される。

ここで、図９は、本実施形態に係る無線電力伝送装置の機能構成の一例を示すブロック図である。図９に示すように、本実施形態に係る無線電力伝送装置は、磁場発生部１０、検出部２０、及び複数の磁気センサＳｎを含むセンシング部Ｓを備える上述の異物検出装置と、制御部３０と、電源３１と、送電コイル３２と、通知部３３とを備える。異物検出装置の構成は上述の通りであるため、説明を省略する。

制御部３０は、検出部２０から異物検出結果を取得し、異物検出結果に基づいて送電を制御する。制御部３０は、コンピュータ装置を基本ハードウェアとして使用することで実現することができる。

電源３１は、送電コイル３２に電力を供給する交流電源である。電源３１による電力の供給は制御部３０により制御される。

送電コイル３２は、送電方向に対して垂直又は平行に巻かれた導電性のコイルである。送電コイル３２は、電源３１から交流電流を供給されることにより交流磁場を発生させ、電動車両などの送電対象物が備える受電コイルに無線で電力を伝送する。

通知部３３は、制御部３０により制御され、異物検出装置により異物が検出された場合に、異物の存在を送電対象物のユーザや無線電力伝送装置の管理者に通知する。通知部３３として、画像出力が可能なモニターや、音声出力が可能なスピーカなどを用いることができる。また、通知部３３として、ユーザや管理者の携帯電話などの通信手段を用いることもできる。

本実施形態のように、磁気共鳴方式の無線電力伝送装置の場合、異物検出装置の構成と他の構成とを共用することができる。ここで、図１０は、本実施形態に係る無線電力伝送装置の機能構成の他の例を示すブロック図である。

図１０において、制御部２０及び検出部３０、電源１１及び電源３１、コイル１２及び送電コイル３２が、それぞれ共用されている。この場合、検出部２０の機能は、制御部３０により実現される。また、コイル１２として送電コイル３２が利用される。さらに、コイル１２の電源１１として、送電コイル３２の電源３１が利用される。このような構成により、無線電力伝送装置の構成を簡易化し、部品点数を削減することができる。

図１１は、図１０の無線電力伝送装置の一例を示す構成図である。図１０の無線電力伝送装置は、図１１に示すように、送電方向と異物検出方向とが一致し（図１１の実線矢印の方向）、送電コイル３２が発生させる磁場の主成分に対して垂直な同一平面上（筐体１３の開口面１３１）に磁気センサＳｎが配置される。磁気共鳴方式の無線電力伝送装置では、送電コイル３２が発生させる磁場の主成分に対して垂直な平面上に異物Ｍが存在した場合、発熱や電力損失などの問題が顕著となるが、本構成によれば、当該平面上に磁気センサＳが配置されるため、このような影響力の大きい異物Ｍを高精度で検出することができる。

次に、本実施形態に係る無線電力伝送装置による異物検出処理及び送電処理について説明する。図１２は、送電開始前に実施する送電前異物検出処理を示すフローチャートである。無線電力伝送装置は、送電準備が開始されると（ステップＳ８）、異物検出装置による送電前異物検出処理を実施する（ステップＳ９）。異物検出処理を行う回数、時間は任意に設定することができる。異物検出処理により異物が検出されなかった場合（ステップＳ９のＮＯ）、制御部３０は、電源３１に電力の供給を開始させる。これにより、送電が開始される（ステップＳ１０）。

一方、異物検出処理によって異物が検出された場合（ステップＳ９のＹＥＳ）、制御部３０は、送電準備を停止し（ステップＳ１１）、異物が検出されたことを通知部３３によりユーザや管理者に通知する（ステップＳ１２）。これにより、ユーザや管理者に異物を取り除かせ、異物が存在しない状態で送電を開始することができる。したがって、異物の発熱による危険や送電効率の低下を抑制することができる。また、異物の存在をユーザや管理者に通知することにより、異物の除去を促し、異物が検出されてから除去されるまでの時間を短縮することができる。

図１３は、送電中に実施する送電中異物検出処理を示すフローチャートである。無線電力伝送装置は、送電が開始される（ステップＳ１３）、異物検出装置による送電中異物検出処理を実施する（ステップＳ１４）。異物検出処理は、送電が終了するまで、あるいは異物が検出されるまで繰り返し実行される。異物検出処理により異物が検出された場合（ステップＳ１４のＹＥＳ）、制御部３０は、送電を停止し（ステップＳ１５）、異物が検出されたことを通知部３３によりユーザや管理者に通知する（ステップＳ１６）。

これにより、送電中に異物が侵入した場合であっても、ユーザや管理者に異物を取り除かせ、異物が存在しない状態で送電を行うことができる。したがって、異物の発熱による危険や送電効率の低下を抑制することができる。また、異物の存在をユーザや管理者に通知することにより、異物の除去を促し、異物が検出されてから除去されるまでの送電停止時間を短縮することができる。

なお、本実施形態において、無線電力伝送装置は、磁気共鳴方式であったが、送電方式はこれに限られない。例えば、電磁誘導方式や電波方式などの他の方式の無線電力伝送装置が異物検出装置を備える構成も可能である。無線電力伝送装置が送電コイル３２を備える場合には、図１０に示した送電コイル３２とコイル１２とを共用する構成も可能である。

（第６実施形態）
次に、第６実施形態として、第５実施形態に係る無線電力伝送装置を含んで構成される無線電力伝送システム（以下、単に「システム」という）について、図１４〜図１６を参照して説明する。本実施形態に係るシステムでは、送電コイルと受電コイルとの位置合わせ制御が行われる。図１４は、本実施形態に係るシステムの機能構成の一例を示すブロック図である。図１４に示すように、本実施形態に係るシステムは、無線電力伝送装置と、送電対象物４と、からなる。

無線電力伝送装置は、上述の第５実施形態に係る無線電力伝送装置であり、位置調整手段３４をさらに備える。

位置調整手段３４は、送電コイル３２を移動させることにより、送電コイル３２に対する受電コイル４２の相対位置を調整するアクチュエータである。位置調整手段３４は、制御部３０により制御される。位置調整手段３４は、送電コイル３２だけを移動させてもよいし、無線電力伝送装置全体を移動させてもよい。

なお、図１４において、無線電力伝送装置は、図１０と同様の構成であるが、図９と同様の構成であってもよい。また、本実施形態において、制御部３０は、送電対象物と無線通信が可能な通信手段を備えるのが好ましい。

送電対象物４は、無線電力伝送装置から受電可能に構成されている。送電対象物には、例えば、無線給電可能な電動車両や電車などが含まれるが、これに限られない。送電対象物４は、制御部４０と、磁場発生部４１と、受電コイル４２とを備える。

制御部４０は、磁場発生部４１による磁場の発生や、受電コイル４２による受電を制御する。制御部４０は、コンピュータ装置を基本ハードウェアとして使用することで実現することができる。また、制御部４０は、無線電力伝送装置と無線通信が可能な通信手段を備えるのが好ましい。

磁場発生部４１（第２の磁場発生部）は、無線電力伝送装置の磁気センサＳにより検出可能な磁場を発生させる。磁場発生部４１は、例えば、コイルと電源とにより構成される。図１４に示すように、送電対象物４が受電コイル４２を備える場合には、受電コイル４２を磁場発生部４１として用いる構成も可能である。磁場発生部４１は、受電コイル４２に対して所定の位置に配置される。

受電コイル４２は、受電方向、すなわち、無線電力伝送装置による送電方向（図１４の実線矢印の方向）に対して垂直又は平行に巻かれた導電性のコイルである。無線電力伝送装置が磁気共鳴方式の場合、送電コイル３２が発生させた交流磁場に共鳴して電力を受電する。なお、無線電力伝送装置が他の方式である場合、送電対象物４は、受電コイル４２の代わりに、無線電力伝送装置の方式に対応した受電手段を備える。

次に、本実施形態に係るシステムによる送電コイル３２と受電コイル４２との位置合わせ制御について説明する。図１５は、位置合わせ制御を示すフローチャートである。本システムにおいて、位置合わせ制御は、例えば、送電対象物４が停止した時点で開始される。送電対象物４の停止は、制御部３０と制御部４０との無線通信により判定することができる。

位置合わせ制御が開始されると（ステップＳ１７）、送電対象物４の磁場発生部４１は、磁場を発生させる（ステップＳ１８）。無線電力伝送装置のセンシング部Ｓは、磁場発生部４１が発生させた磁場を検出し、検出した磁場の大きさ及び向きの少なくとも一方に応じた信号を制御部３０に入力する。

制御部３０は、センシング部Ｓの出力信号に基づいて、送電コイル３２に対する受電コイル４２の相対位置を検出する（ステップＳ１９）。相対位置は、送電方向に対して垂直な平面上における送電コイル３２の位置に対する受電コイル４２の位置ずれとして検出される。送電方向に対して垂直な平面上における送電コイル３２の位置と受電コイル４２の位置とが一致した場合、送電効率は最大になる。

制御部３０は、例えば、各磁気センサＳｎの出力信号の勾配に基づいて相対位置を検出する。複数の磁気センサＳｎがアレイ状に配置されている場合、各磁気センサＳｎの出力信号の大きさには勾配が生じる。制御部３０は、当該勾配の絶対値や相対値から、理論式やテーブルを用いて受電コイル４２の位置ずれを検出する。テーブルには、送電コイル３２と各磁気センサＳｎとの位置関係や、磁場発生部４１と受電コイル４２との位置関係が記憶されている。磁場発生部４１と受電コイル４２との位置関係は、無線通信により制御部４０から取得することも可能である。磁気センサＳｎの出力信号から相対位置を取得するための変換アルゴリズムは、図１６に示すように、予め制御部３０に記憶されている。

次に、制御部３０は、検出された受電コイル４２の位置ずれと、予め設定された閾値とを比較し、位置ずれが閾値以下か否か判定する（ステップＳ２０）。閾値は、送電コイル３２及び送電コイル４２を構成するコイルの形状を考慮して設定されるのが好ましい。これは、コイルの形状によって、受電コイル４２の位置ずれに対する送電特性が変化するためである。

例えば、コイルが送電方向に対して垂直に巻かれている場合、受電コイル４２の位置ずれに対する送電特性は方向性を有する。したがって、位置ずれの方向に応じて、閾値の大きさを変化させることが考えられる。また、コイルが送電方向に対して水平に巻かれている場合、位置ずれに対する送電特性は方向性をほとんど有さないため、全方向の位置ずれに対して閾値の大きさを一定とすることが考えられる。

制御部３０による判定の結果、位置ずれが閾値以下であった場合（ステップＳ２０のＹＥＳ）、位置合わせ制御は終了する。一方、位置ずれが閾値より大きかった場合（ステップＳ２０のＮＯ）、制御部３０は、位置調整手段３４を制御し、受電コイル４２の位置ずれが小さくなるように、送電コイル３２を移動させる（ステップＳ２１）。

位置調整手段３４による送電コイル３２の移動が終了すると、制御部３０は再び受電コイル４２の相対位置を検出する（ステップＳ１９）。その後、ステップＳ１９〜ステップＳ２１を繰り返し、位置ずれが閾値以下となった時点で位置合わせ制御が終了する。

本実施形態によれば、送電コイル３２に対する受電コイル４２の位置ずれが小さくなるように、送電コイル３２の位置を調整することができるため、送電効率を向上させることができる。また、送電コイル３２に対する受電コイル４２の相対位置は、送電の可否の判断や、送電の際に用いられる各種のパラメータの調整などに利用することができる。

なお、本実施形態において、位置調整手段３４は、無線電力伝送装置に設けられたが、送電対象物４に設けられてもよい。この場合、位置調整手段３４は、受電コイル４２を移動可能なように構成される。送電対象物４の制御部４０は、受電コイル４２の相対位置情報を無線通信により制御部３０から取得し、取得した相対位置情報に基づいて、位置調整手段３４を制御する。位置調整手段３４は、受電コイル４２の位置ずれが小さくなるように、受電コイル４２を移動させる。

また、位置調整手段３４は、無線電力伝送装置及び送電対象物４の両方に設けられてもよいし、無線電力伝送装置及び送電対象物４とは別個に設けられてもよい。この場合、位置調整手段３４は、送電コイル３２及び受電コイル４２の少なくとも一方を移動可能に構成される。位置調整手段３４は、無線電力伝送装置から取得した受電コイル４２の相対位置情報に基づいて、受電コイル４２の位置ずれが小さくなるように、送電コイル３２及び受電コイル４２の少なくとも一方を移動させる。

なお、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。また例えば、各実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除した構成も考えられる。さらに、異なる実施形態に記載した構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０：磁場発生部
１１：電源
１２：コイル
１３：筐体
１３１：開口面
１４：ＡＤコンバータ
１５：制御器
２０：検出部
３０：制御部
３１：電源
３２：送電コイル
３３：通知部
３４：位置調整手段
４：送電対象物
４０：制御部
４１：磁場発生部
４２：受電コイル
Ｍ：異物
Ｓ：センシング部
Ｓｎ：磁気センサ
Ｔｎ：他のセンサ

Claims (18)

1. 平板の構造に対して垂直に巻かれた導電性のコイルを用いて磁場を発生させる磁場発生部と、
   前記平板の構造上において前記コイルが巻かれていない領域に二次元のアレイ状に配置され、かつ、磁場の大きさ及び向きの少なくとも一方に応じた信号を出力する複数の第１磁気センサと、
   前記平板の構造上において前記コイルが巻かれていない領域に二次元のアレイ状に配置され、かつ、磁場の大きさ及び向きの少なくとも一方に応じた信号を出力する複数の第２磁気センサと、
   前記複数の第１磁気センサから出力される複数の信号の大きさと、前記複数の第２磁気センサから出力される複数の信号との大きさの差に基づいて、異物の有無を検出する検出部とを備え、
   前記複数の第１磁気センサの二次元のアレイ状の配置と、前記複数の第２磁気センサの二次元のアレイ状の配置は、前記コイルからの距離が等しい組み合わせを形成し、前記異物が存在しない場合に出力される信号の大きさが等しくなる配置である、
   異物検出装置。
2. 平板の構造に対して水平に巻かれた導電性のコイルを用いて磁場を発生させる磁場発生部と、
   前記平板の構造上において前記コイルが巻かれていない領域に二次元のアレイ状に配置され、かつ、磁場の大きさ及び向きの少なくとも一方に応じた信号を出力する複数の第１磁気センサと、
   前記平板の構造上において前記コイルが巻かれていない領域に二次元のアレイ状に配置され、かつ、磁場の大きさ及び向きの少なくとも一方に応じた信号を出力する複数の第２磁気センサと、
   前記複数の第１磁気センサから出力される複数の信号の大きさと、前記複数の第２磁気センサから出力される複数の信号との大きさの差に基づいて、異物の有無を検出する検出部とを備え、
   前記複数の第１磁気センサの二次元のアレイ状の配置と、前記複数の第２磁気センサの二次元のアレイ状の配置は、前記コイルからの距離が等しい組み合わせを形成し、前記異物が存在しない場合に出力される信号の大きさが等しくなる配置である、
   異物検出装置。
3. 前記複数の第１磁気センサと前記複数の第２磁気センサとは、前記磁場発生部が発生させる前記磁場の主成分と直交する同一平面上に配置される
   請求項１または請求項２に記載の異物検出装置。
4. 前記磁場発生部は、導電性のコイルと、前記コイルに電流を供給する電源と、を備える請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の異物検出装置。
5. 前記検出部は、異物が存在しないときの前記複数の第１磁気センサと前記複数の第２磁気センサとによる信号を基準値に設定し、当該基準値に基づいて前記異物の有無を検出する
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の異物検出装置。
6. 静電容量を検出する静電容量センサをさらに備え、
   前記検出部は、前記複数の第１磁気センサの信号と、前記複数の第２磁気センサの信号と、前記静電容量センサの信号と、に基づいて異物の有無を検出する
   請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の異物検出装置。
7. 温度を検出する温度センサをさらに備え、
   前記検出部は、前記複数の第１磁気センサの信号と、前記複数の第２磁気センサの信号と、前記温度センサの信号と、に基づいて異物の有無を検出する
   請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の異物検出装置。
8. 赤外線強度を検出する赤外線センサをさらに備え、
   前記検出部は、前記複数の第１磁気センサの信号と、前記複数の第２磁気センサの信号と、前記赤外線センサの信号と、に基づいて異物の有無を検出する
   請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の異物検出装置。
9. 可視光を検出する画像センサをさらに備え、
   前記検出部は、前記複数の第１磁気センサの信号と、前記複数の第２磁気センサの信号と、前記画像センサの信号と、に基づいて異物の有無を検出する
   請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の異物検出装置。
10. 超音波を検出する超音波センサをさらに備え、
    前記検出部は、前記複数の第１磁気センサの信号と、前記複数の第２磁気センサの信号と、前記超音波センサの信号と、に基づいて異物の有無を検出する
    請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の異物検出装置。
11. 送電を制御する制御部と、
    請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の異物検出装置と、
    を備え、
    前記制御部は、前記異物検出装置による異物検出結果に基づいて送電を制御する
    無線電力伝送装置。
12. 磁場を介して無線で電力を伝送する送電コイルを備え、
    前記制御部は、前記送電コイルによる送電を制御する
    請求項１１に記載の無線電力伝送装置。
13. 前記磁場発生部を構成する前記コイルは、送電コイルとして用いられ、
    前記制御部は、前記送電コイルによる送電を制御する
    請求項１１に記載の無線電力伝送装置。
14. 前記検出部により前記異物が検出された場合、前記制御部は送電を停止する
    請求項１１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の無線電力伝送装置。
15. 前記異物検出装置による異物検出結果を通知する通知部をさらに備える
    請求項１１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の無線電力伝送装置。
16. 請求項１２または請求項１３に記載の無線電力伝送装置と、
    前記送電コイルにより無線で電力を伝送される受電コイルと、前記受電コイルに対して所定の位置に配置され、磁場を発生させる第２の磁場発生部と、を備える送電対象物と、を含んで構成される無線電力伝送システム。
17. 前記複数の第１磁気センサおよび前記複数の第２磁気センサは、前記第２の磁場発生部が発生させる磁場を検出し、検出した磁場の大きさ及び向きのうちの少なくとも前記磁場の大きさに応じた信号を出力し、
    前記制御部は、前記複数の第１磁気センサおよび前記複数の第２磁気センサの前記信号に基づいて、前記送電コイルに対する前記受電コイルの相対位置を検出する
    請求項１６に記載の無線電力伝送システム。
18. 前記送電コイル及び受電コイルの少なくとも一方の位置を調整する位置調整手段をさらに備え、
    前記位置調整手段は、前記相対位置に基づいて、前記送電コイルから前記受電コイルへの送電効率が上昇するように、前記送電コイル及び前記受電コイルの少なくとも一方を移動させる
    請求項１７に記載の無線電力伝送システム。

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