JP6772829B2 - ワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置、及びワイヤレス電力伝送システム - Google Patents

ワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置、及びワイヤレス電力伝送システム Download PDF

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Description

本発明は、ワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置、及びワイヤレス電力伝送システムに関する。
近年、ワイヤレスで電力を供給するワイヤレス給電の検討が盛んに行われている。そのようなワイヤレス給電の具体的な方式としては各種のものがあるが、その一つとして、磁界を利用する方式が知られている。この磁界を利用する方式は、より細かく見ると、電磁誘導方式と磁界共鳴方式の２種類に分けられる。
電磁誘導方式は、既に広く知られている方式であり、電力を供給する給電装置と、電力を受電する受電装置との結合度が非常に高く、高効率での給電が可能である一方、給電装置と受電装置の距離が近くないと給電できないという特徴がある。これに対し、磁界共鳴方式は積極的に共振（共鳴）現象を利用する方式であり、給電装置と受電装置との結合度が低くてもよく、給電装置と受電装置とがある程度離れていても給電できるという特徴を有する。
電磁誘導方式と磁界共鳴方式は、いずれも磁気を利用して給電を行う方式である。したがっていずれの方式においても、給電装置は、磁界を利用して電力を供給するためのコイルである給電コイルを有し、受電装置は、磁界を利用して電力を受電するためのコイルである受電コイルを有する。そして、給電コイルと受電コイルが磁気的に結合することによって、給電装置から受電装置への給電が行われる。
ところで、磁気的に結合した給電コイルと受電コイルとの間に金属異物が入ると、磁束により金属異物に渦電流が流れて発熱すること等により、給電効率が低下する。そのため、給電装置と受電装置との間に混入した金属異物を検出する必要がある。
金属異物を検出する具体的な方法としては、コイル及びコンデンサからなる共振回路を用いる方式が知られている。例えば特許文献１には、コイル及びコンデンサからなる共振回路にインパルスを印加し、その応答波形（減衰振動波形）の振幅値と時間情報から求められるＱ値の変化に基づき、金属異物を検出する装置が開示されている。
また、特許文献２には、電力伝送のための磁界の強度が所定値以下となるタイミングで異物検出を行うことにより、電力伝送が行われている間にも異物の有無を検出可能とする装置が開示されている。
特開２０１３−１３２１３３号公報 特開２０１５−２１１５３６号公報
コイル及びコンデンサからなる共振器による異物の検出については、電力伝送のための磁界の影響により、正確に行うことが難しくなる場合がある。特に、交流から直流又は直流から交流に変換するためのスイッチング素子を給電装置又は受電装置内に使用する場合、スイッチングに伴って電力伝送のための交番磁界に電力伝送周波数より高い周波数の成分が発生し、この高周波数成分がノイズとして作用するため、異物の検出がより困難になる。
特許文献２に記載の技術は、電力伝送のための磁界が異物検出に与える影響を軽減しようとするものである。しかしながら、この技術によっても、磁界が電力伝送周波数より高い周波数の成分を含む場合には、その影響を軽減することはできない。むしろ、電力伝送のための磁界の強度が所定値以下となるタイミング（すなわち、ゼロクロスの近傍）は、スイッチングに伴う高周波成分が重畳される可能性が高いタイミングでもあるため、特許文献２に記載の技術を用いると、影響が増大してしまう可能性もある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ワイヤレス給電中における、給電コイルと受電コイルとの間の金属異物の検出精度を向上することを目的とする。
本発明によるワイヤレス給電装置は、所定の電力伝送周波数で振動する交番磁界によりワイヤレスで電力伝送を行うワイヤレス給電装置であって、給電コイルと、アンテナコイルと、前記アンテナコイルとともに共振回路を形成するコンデンサと、前記電力伝送周波数よりも高い周波数で振動するノイズを検出するノイズ検出部と、前記共振回路に生ずる電圧又は電流の変化と、前記ノイズ検出部によるノイズの検出結果とに基づき、金属異物の有無を検出する異物検出部と、を備えることを特徴とする。
また、本発明によるワイヤレス受電装置は、所定の電力伝送周波数で振動する交番磁界によりワイヤレスで電力を受電するワイヤレス受電装置であって、受電コイルと、アンテナコイルと、前記アンテナコイルとともに共振回路を形成するコンデンサと、前記電力伝送周波数よりも高い周波数で振動するノイズを検出するノイズ検出部と、前記共振回路に生ずる電圧又は電流の変化と、前記ノイズ検出部によるノイズの検出結果とに基づき、金属異物の有無を検出する異物検出部と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、異物検出部がノイズ検出部によるノイズの検出結果にも基づいて金属異物の有無を検出するため、ワイヤレス給電中における、給電コイルと受電コイルとの間の金属異物の検出精度を向上することが可能となる。
上記ワイヤレス給電装置において、前記異物検出部は、前記共振回路に対して電圧を印加する駆動部と、前記ノイズ検出部によるノイズの検出結果により前記共振回路に生ずる振動信号に歪みが発生しないことが示されるタイミングで前記電圧を印加するよう前記駆動部を制御する制御部と、を有し、前記電圧に応じて前記共振回路に生ずる振動信号に対応する信号の１より大きい所定波数分の振動に要する時間の長さを示す振動時間長に基づき、金属異物の有無を検出するよう構成されることとしてもよい。また、上記ワイヤレス受電装置において、前記異物検出部は、前記共振回路に対して電圧を印加する駆動部と、前記ノイズ検出部によるノイズの検出結果により前記共振回路に生ずる振動信号に歪みが発生しないことが示されるタイミングで前記電圧を印加するよう前記駆動部を制御する制御部と、を有し、前記電圧に応じて前記共振回路に生ずる振動信号に対応する信号の１より大きい所定波数分の振動に要する時間の長さを示す振動時間長に基づき、金属異物の有無を検出するよう構成されることとしてもよい。これらによれば、電圧に応じて共振回路に生ずる振動信号に対応する信号の周期に基づいて金属異物の有無を検出するタイプの異物検出部を、ノイズ検出部によるノイズの検出結果によりノイズの不発生が示されるタイミングで電圧を印加するように構成することができるので、ワイヤレス給電中における、給電コイルと受電コイルとの間の金属異物の検出精度を向上することが可能となる。
上記ワイヤレス給電装置において、前記ノイズ検出部は、少なくとも１つのノイズ検出用コイルを有することとしてもよい。また、上記ワイヤレス受電装置において、前記ノイズ検出部は、少なくとも１つのノイズ検出用コイルを有することとしてもよい。これらによれば、ノイズ検出部は、アンテナコイルとは異なる専用のコイルによりノイズを検出することが可能になる。また、ノイズ検出にコイルを用いることで交流磁界を直接計測することが可能になるので、ワイヤレス給電装置に生じたノイズとワイヤレス受電装置に生じたノイズとの双方を精度よく検出することが可能になる。
上記ワイヤレス給電装置において、前記アンテナコイルと前記コンデンサの接続状態を切り替える切替部をさらに備え、前記ノイズ検出部は、前記アンテナコイルに生ずる信号に基づいて前記ノイズを検出し、前記切替部は、前記異物検出部による金属異物の有無の検出を行う期間においては前記アンテナコイルと前記コンデンサとを接続し、前記ノイズ検出部による前記ノイズの検出を行う期間においては前記コンデンサを前記アンテナコイルから切り離すこととしてもよい。また、上記ワイヤレス受電装置において、前記アンテナコイルと前記コンデンサの接続状態を切り替える切替部をさらに備え、前記ノイズ検出部は、前記アンテナコイルに生ずる信号に基づいて前記ノイズを検出し、前記切替部は、前記異物検出部による金属異物の有無の検出を行う期間においては前記アンテナコイルと前記コンデンサとを接続し、前記ノイズ検出部による前記ノイズの検出を行う期間においては前記コンデンサを前記アンテナコイルから切り離すこととしてもよい。これらによれば、アンテナコイルをノイズ検出用のコイルとしても使用することが可能になる。
上記ワイヤレス給電装置において、前記異物検出部は、前記ノイズ検出部によりノイズが検出されたことに応じて、前記共振回路に生ずる電圧又は電流の変化に基づいて実施した金属異物の有無の検出の結果を破棄するよう構成されることとしてもよい。また、上記ワイヤレス受電装置において、前記異物検出部は、前記ノイズ検出部によりノイズが検出されたことに応じて、前記共振回路に生ずる電圧又は電流の変化に基づいて実施した金属異物の有無の検出の結果を破棄するよう構成されることとしてもよい。これらによれば、ノイズに影響されていない検出結果のみを採用することができるので、ワイヤレス給電中における、給電コイルと受電コイルとの間の金属異物の検出精度を向上することが可能となる。
また、本発明の一側面によるワイヤレス電力伝送システムは、給電コイルから受電コイルにワイヤレスにて電力伝送するワイヤレス電力伝送システムであって、前記給電コイルを有するワイヤレス給電装置と、前記受電コイルを有するワイヤレス受電装置と、を備え、前記ワイヤレス給電装置は、上記各ワイヤレス給電装置のいずれかであることを特徴とする。
また、本発明の他の一側面によるワイヤレス電力伝送システムは、給電コイルから受電コイルにワイヤレスにて電力伝送するワイヤレス電力伝送システムであって、前記給電コイルを有するワイヤレス給電装置と、前記受電コイルを有するワイヤレス受電装置と、を備え、前記ワイヤレス受電装置は、上記各ワイヤレス受電装置のいずれかであることを特徴とする。
本発明によれば、ワイヤレス給電中における、給電コイルと受電コイルとの間の金属異物の検出精度を向上することが可能となる。
本発明の第１の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システム１の概略構成と、このワイヤレス電力伝送システム１に接続される負荷２とを示す図である。 図１に示したワイヤレス給電装置１０及びワイヤレス受電装置２０それぞれの内部回路構成を示す図である。 図２に示した制御信号ＳＧ１〜ＳＧ４、出力電圧Ｏ１、電圧Ｖ１，Ｖ２、及び電流Ｉ１，Ｉ２の波形を示す図である。 図２に示した電流Ｉ１，Ｉ２の周波数スペクトラムを示す図である。 （ａ）は、図２に示した給電コイルＬ１とアンテナコイルＬ３の位置関係を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線に対応する給電コイルＬ１及びアンテナコイルＬ３の断面図である。 図２に示した金属異物検出装置１４Ａの機能ブロックを示す略ブロック図である。 図２に示した電圧Ｖ１，Ｖ２及び電流Ｉ１，Ｉ２、並びに、図６に示した振動信号Ｖｂの波形を示す図である。 本発明の第２の実施の形態による金属異物検出装置１４Ｂの機能ブロックを示す略ブロック図である。 図８に示したパルス印加信号ＰＡ、振動信号Ｖｂ，Ｖｃ、及び二値信号Ｖｄの波形を示す図である。 本発明の第３の実施の形態によるワイヤレス給電装置１０及びワイヤレス受電装置２０それぞれの内部回路構成を示す図である。 図１０に示した電圧Ｖ１，Ｖ２及び電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ４、並びに、ハイパスフィルタ回路１５１の出力信号Ｉ４ａの波形を示す図である。 本発明の第４の実施の形態によるワイヤレス給電装置１０及びワイヤレス受電装置２０それぞれの内部回路構成を示す図である。 本発明の第５の実施の形態によるワイヤレス給電装置１０及びワイヤレス受電装置２０それぞれの内部回路構成を示す図である。 本発明の実施例における振動信号Ｖｂ及び出力信号Ｉ４ａの波形及び周期Ｃの計測結果を示す図である。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する内容により、本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、説明において同一要素また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。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るワイヤレス電力伝送システム１の概略構成と、このワイヤレス電力伝送システム１に接続される負荷２とを示す図である。同図に示すように、ワイヤレス電力伝送システム１は、ワイヤレス給電装置１０と、ワイヤレス受電装置２０とを有して構成される。負荷２は、ワイヤレス受電装置２０に接続される。
ワイヤレス電力伝送システム１は、例えば、二次電池の電力を利用する電気自動車(EV: Electric Vehicle)やハイブリッド自動車(HV: Hybrid Vehicle)などの移動体への給電用に用いられるシステムである。この場合、ワイヤレス給電装置１０は地上に配設される給電設備内に搭載され、ワイヤレス受電装置２０は車両に搭載されることになる。以下では、ワイヤレス電力伝送システム１が電気自動車への給電用のものであるとして説明を続ける。
図２は、ワイヤレス給電装置１０及びワイヤレス受電装置２０それぞれの内部回路構成を示す図である。以下、図１に加えてこの図２も適宜参照しながら、初めにワイヤレス電力伝送システム１の構成の概略を説明し、その後、本発明に特徴的な構成について詳しく説明する。
ワイヤレス給電装置１０は、図１及び図２に示すように、直流電源１１、電力変換器１２、給電コイル部１３、金属異物検出装置１４Ａ、及びノイズ検出部１５Ａを有して構成される。
直流電源１１は、電力変換器１２に直流電力を供給する役割を果たす。直流電源１１の具体的な種類は、直流電力を供給できるものであれば特に限定されない。例えば、商用交流電源を整流・平滑した直流電源、二次電池、太陽光発電した直流電源、又はスイッチングコンバータなどのスイッチング電源を、直流電源１１として好適に用いることが可能である。
電力変換器１２は、直流電源１１から供給された直流電力を交流電力に変換し、それによって給電コイル部１３に、図２に示す交流電流Ｉ１を供給するインバータである。具体的には、図２に示すように、複数のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４がブリッジ接続されてなるスイッチング回路（フルブリッジ回路）と、スイッチ駆動部１２０とを有して構成される。なお、ここでは電力変換器１２内のスイッチング回路をフルブリッジ回路により構成する例を示しているが、他の種類のスイッチング回路を用いることも可能である。
スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、スイッチ駆動部１２０からそれぞれのゲートに供給される制御信号ＳＧ１〜ＳＧ４によって、互いに独立してオンオフ動作を行うよう構成される。スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の具体的な種類としては、ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)又はＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いることが好適である。
スイッチ駆動部１２０は、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４からなるスイッチング回路の出力電圧Ｏ１が所定周期で振動する矩形の交流電圧信号となるよう、制御信号ＳＧ１〜ＳＧ４の生成を行う信号生成部である。したがって、後述する給電コイルＬ１には、この所定周期で振動する矩形の交流電圧信号が供給されることになる。以下では、この所定周期の逆数を電力伝送周波数ｆｐと称する。電力伝送周波数ｆｐの具体的な値は、例えば２０〔ｋＨｚ〕〜２００〔ｋＨｚ〕に設定される。
図３（ａ）〜図３（ｅ）はそれぞれ、制御信号ＳＧ１，ＳＧ４，ＳＧ３，ＳＧ２及び出力電圧Ｏ１の波形を示す図である。なお、同図において各信号が「ＯＮ」となっている期間は、対応するスイッチング素子が閉状態となっている期間に対応し、各信号が「ＯＦＦ」となっている期間は、対応するスイッチング素子が開状態となっている期間に対応する。これらの図に示すように、制御信号ＳＧ１〜ＳＧ４はいずれも電力伝送周波数ｆｐで振動する矩形波信号であり、制御信号ＳＧ１，ＳＧ４と制御信号ＳＧ２，ＳＧ３とでは位相が１８０度異なっている。その結果、出力電圧Ｏ１も、電力伝送周波数ｆｐで振動する矩形波信号となる。
図２に戻り、給電コイル部１３は、直列に接続された給電側コンデンサＣ１及び給電コイルＬ１によって構成される共振回路（給電側共振回路）であり、電力変換器１２から供給される交流電圧に基づいて交番磁界を生成する役割を果たす。給電コイル部１３を構成する給電側共振回路の共振周波数は、上述した電力伝送周波数ｆｐと同一又はそれに近い周波数に設定される。なお、給電側コンデンサＣ１は、給電コイルＬ１と並列に接続してもよい。
給電コイルＬ１は、例えばφ０．１（ｍｍ）の絶縁された銅線を２千本程度撚り合わせたリッツ線を数ターンから数十ターン程度、平面状に巻回することによって形成されたスパイラル構造のコイルであり、例えば地中または地面近傍に配置される。電力変換器１２から給電コイルＬ１に交流電圧が供給されると、給電コイルＬ１に図２に示す交流電流Ｉ１が流れ、それによって交番磁界が発生する。この交番磁界は、給電コイルＬ１と後述する受電コイルＬ２との間の相互インダクタンスＭ１２によって受電コイルＬ２内に起電力を発生させ、それによって電力の伝送が実現される。
図３（ｆ）及び図３（ｇ）はそれぞれ、給電コイルＬ１の両端間の電圧Ｖ１、及び、給電コイルＬ１に流れる電流Ｉ１の波形を示す図である。これらの図に示すように、電圧Ｖ１及び電流Ｉ１はそれぞれ、電力伝送周波数ｆｐで振動する略正弦波信号となる。これは、給電側コンデンサＣ１及び給電コイルＬ１が構成する共振回路によって、高周波成分がフィルタリングされるためである。
図４（ａ）は、電流Ｉ１の周波数スペクトラムを示す図である。同図に示すように、電流Ｉ１においては、電力伝送周波数ｆｐよりも高い周波数帯域に多数のピークが認められる。つまり、電流Ｉ１は完全な正弦波ではなく、多数の高周波成分を含んでいる。これは主として、図３（ｆ）に示すように、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチングのタイミングで電圧Ｖ１に高周波成分が発生していることに対応するものである。これらの高周波成分は、給電コイル部１３により生成される交番磁界に重畳され、金属異物検出装置１４Ａの共振回路ＲＣ（後述）に現れる信号波形に影響を与える。本発明の目的の一つは、この影響によって生ずる金属異物検出装置１４Ａによる検出精度の低下を抑制することにある。
図２に戻る。金属異物検出装置１４Ａは、給電コイルＬ１に接近する金属異物の有無を検出する機能を有する装置であり、それぞれアンテナコイルＬ３及び金属異物検出装置用コンデンサＣ３を含む複数の共振回路ＲＣと、各共振回路ＲＣに接続された異物検出部１４０とを有して構成される。なお、図２に示した抵抗Ｒ３は、アンテナコイルＬ３の直列抵抗を明示したものである。
金属異物検出装置１４Ａを設置する目的は、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間にある金属異物を検出することにある。そこで金属異物検出装置１４Ａの少なくとも一部（より具体的には各アンテナコイルＬ３）は、図１に示すように、給電コイルＬ１の受電コイルＬ２との対向面上に、すなわち給電コイルＬ１と受電コイルＬ２の間に配置される。なお、金属異物検出装置１４Ａと給電コイルＬ１とは、一体のユニットとして構成してもよいし、別々のユニットとして構成してもよい。
ノイズ検出部１５Ａは、電力伝送周波数ｆｐよりも高い周波数の信号（以下、「ノイズ」と称する）を検出可能に構成される。ノイズ検出部１５Ａの具体的な構成は特に限定されないが、例えば、給電コイルＬ１に流れる電流波形を検出する電流検出回路と、その出力信号から高周波数成分のみを取り出すハイパスフィルタと、ハイパスフィルタの出力信号の振幅が所定値を上回っている場合に、すなわち高周波成分の発生期間に同期信号を発する同期信号生成部とによって、ノイズ検出部１５Ａを構成することが挙げられる。電流検出回路に代え、抵抗分圧回路などの電圧検出回路を用いてもよい。また、ハイパスフィルタのカットオフ周波数は、電力伝送周波数ｆｐよりも高い周波数に設定することが好ましい。他に、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２の間にホール素子や磁気抵抗効果素子等の磁気センサを配置することによって、ノイズ検出部１５Ａを構成することも可能である。
次に、ワイヤレス受電装置２０は、図１及び図２に示すように、受電コイル部２１と、整流器２２とを有して構成される。
受電コイル部２１は、図２に示すように、直列に接続された受電側コンデンサＣ２と受電コイルＬ２とによって構成される共振回路（受電側共振回路）を有して構成され、給電コイルＬ１から伝送された交流電力をワイヤレスにて受電する受電部としての役割を果たす。受電コイル部２１を構成する受電側共振回路の共振周波数も、上述した電力伝送周波数ｆｐと同一又はそれに近い周波数に設定される。なお、受電側コンデンサＣ２は、受電コイルＬ２と並列に接続してもよい。
受電コイルＬ２は、給電コイルＬ１と同様に、例えばφ０．１（ｍｍ）の絶縁された銅線を２千本程度撚り合わせたリッツ線を数ターンから数十ターン程度、平面状に巻回することによって形成されたスパイラル構造のコイルである。一方、受電コイルＬ２の設置位置は、給電コイルＬ１とは異なり、例えば電気自動車の車両下部となる。給電コイルＬ１によって生成される磁束が受電コイルＬ２に鎖交すると、電磁誘導作用による起電力が受電コイルＬ２に生じ、図２に示す交流電流Ｉ２が流れる。この交流電流Ｉ２は、整流器２２により直流電流に変換されたうえで、負荷２に供給される。これにより、負荷２に対して直流電力を供給することが実現される。
整流器２２は、受電コイル部２１から出力された交流電流を直流電流に整流することにより、負荷２に対して直流電力を供給する機能を有する回路である。具体的には、図２に示すように、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４がブリッジ接続されてなるブリッジ回路と、このブリッジ回路と並列に接続された平滑用キャパシタＣ０とによって構成される。
図３（ｈ）及び図３（ｉ）はそれぞれ、受電コイルＬ２の両端間の電圧Ｖ２、及び、受電コイルＬ２に流れる電流Ｉ２の波形を示す図である。これらの図に示すように、電圧Ｖ２及び電流Ｉ２はそれぞれ、電圧Ｖ１及び電流Ｉ１と同様、電力伝送周波数ｆｐで振動する略正弦波信号となる。これは、受電側コンデンサＣ２と受電コイルＬ２が構成する共振回路によって、高周波成分がフィルタリングされるためである。ただし、電圧Ｖ２及び電流Ｉ２はそれぞれ、電圧Ｖ１及び電流Ｉ１に対して若干（図３の例では１／４周期強）遅延した信号となる。
図４（ｂ）は、電流Ｉ２の周波数スペクトラムを示す図である。同図に示すように、電流Ｉ２においても、電流Ｉ１と同様、電力伝送周波数ｆｐよりも高い周波数帯域に多数のピークが認められる。つまり、電流Ｉ２も完全な正弦波ではなく、多数の高周波成分を含んでいる。これは主として、図３（ｈ）に示すように、ダイオードＤ１〜Ｄ４を流れる電流経路の切り替わりに起因する高周波成分が電圧Ｖ２に発生していることに対応するものである。これらの高周波成分も、給電コイル部１３により生成される交番磁界に重畳され、金属異物検出装置１４Ａの共振回路ＲＣ（後述）に現れる信号波形に影響を与える。この影響によって生ずる金属異物検出装置１４Ａによる検出精度の低下を抑制することも、本発明の目的の一つである。
負荷２は、図示しない充電器及びバッテリーを含んで構成される。このうち充電器は、整流器２２から出力された直流電力に基づいてバッテリーを充電する機能を有する回路である。この充電は、例えば定電圧定電流充電（ＣＶＣＣ充電）により実行される。バッテリーの具体的な種類は、電力を蓄える機能を有するものであれば特に限定されない。例えば、二次電池（リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケル電池など）や容量素子（電気二重層キャパシタなど）を、負荷２を構成するバッテリーとして好適に用いることが可能である。
次に、図５及び図６を参照しながら、金属異物検出装置１４Ａの詳細について説明する。図５（ａ）は、給電コイルＬ１とアンテナコイルＬ３の位置関係を示す平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ線に対応する給電コイルＬ１及びアンテナコイルＬ３の断面図であり、図６は、金属異物検出装置１４Ａの機能ブロックを示す略ブロック図である。
初めに図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照すると、金属異物検出装置１４Ａに設けられる複数の共振回路ＲＣは、平面的に見て給電コイルＬ１の内側に相当する領域内にマトリクス状に並べて配置される。このような共振回路ＲＣの配置は、表面に導電性のコイルパターンが形成されたプリント基板（図示せず）を給電コイルＬ１上に設置することによって、実現できる。
この配置により、給電コイルＬ１において上述した交番磁界（電力伝送周波数ｆｐで振動する磁界）が発生すると、図２に示した給電コイルＬ１と各アンテナコイルＬ３との間の相互インダクタンスＭ１３、及び、受電コイルＬ２と各アンテナコイルＬ３との間の相互インダクタンスＭ２３によって、各アンテナコイルＬ３に起電力が誘起される。この起電力は、各アンテナコイルＬ３に振動信号Ｖｂ（図６参照）を発生させる。つまり、本実施の形態によるアンテナコイルＬ３は、磁界を受けて振動信号Ｖｂを発生するものとなっている。
各アンテナコイルＬ３に発生する振動信号Ｖｂは、交番磁界の周波数である電力伝送周波数ｆｐの成分に加え、各共振回路ＲＣの共振周波数ｆｒの成分を含む信号となる。共振周波数ｆｒの具体的な値は、アンテナコイルＬ３のインダクタンスとコンデンサＣ３のキャパシタンスとを調整することにより、電力伝送周波数ｆｐよりも桁違いに高い単一の値に設定される。具体的な例では、ｆｒ＝３，０００〔ｋＨｚ〕とすることが好ましい。なお、コンデンサＣ３のキャパシタンスは、数百から数千〔ｐＦ〕程度の値とすることが好ましい。
次に図６を参照すると、異物検出部１４０は機能的に、検出切替スイッチ１４１、フィルタ回路１４２、二値化回路１４３、カウンタ回路１４４、振動時間長計測回路１４５、判定回路１４６、及び制御回路１４７Ａを有して構成される。このうち検出切替スイッチ１４１及びフィルタ回路１４２は、各共振回路ＲＣとともにセンサ部Ｓを構成する。
検出切替スイッチ１４１は、フィルタ回路１４２に接続された共通端子と、各共振回路ＲＣに接続された複数の選択端子とを有する１回路多接点のスイッチであり、制御回路１４７Ａから供給されるコイル選択信号ＣＳに応じて、いずれか１つの選択端子を共通端子に接続するよう構成される。検出切替スイッチ１４１として具体的には、半導体スイッチやマルチプレクサを使用することが好適である。
制御回路１４７Ａは、コイル選択信号ＣＳを生成して検出切替スイッチ１４１に供給するとともに、選択したアンテナコイルＬ３を含む共振回路ＲＣに生ずる電圧又は電流の変化と、ノイズ検出部１５Ａによるノイズの検出結果とに基づき、金属異物の有無の検出を行う回路（制御部）である。金属異物の有無の検出を行うに当たり、制御回路１４７Ａは、カウンタ回路１４４にカウント開始信号ＳＴを、振動時間長計測回路１４５に参照期間指示信号ＲＰをそれぞれ供給する処理も行う。
コイル選択信号ＣＳは、複数のアンテナコイルＬ３のうちの１つを示す信号である。制御回路１４７Ａは、等しい時間間隔で１つずつ順次各アンテナコイルＬ３を選択し、選択したアンテナコイルＬ３を示すコイル選択信号ＣＳを検出切替スイッチ１４１に供給するよう構成される。これにより、フィルタ回路１４２には、各アンテナコイルＬ３が１つずつ順次接続されていくことになる。制御回路１４７Ａは、最後のアンテナコイルＬ３を選択した後には、最初のアンテナコイルＬ３に戻って選択動作を繰り返す。
なお、制御回路１４７Ａは、ユーザによる設定等に応じて、複数のアンテナコイルＬ３のうちのいくつかを上記選択の対象から外せるように構成されてもよい。こうすれば、金属異物の検出対象となる領域を限定することが可能になるとともに、すべてのアンテナコイルＬ３を用いる場合に比べ、１つ１つのアンテナコイルＬ３による金属異物の検出時間を長くすることができる。
以下、制御回路１４７Ａが行う金属異物の有無の検出について、異物検出部１４０内の他の回路の動作説明も含めて、詳しく説明する。なお、以下で説明する異物検出のための動作は、１つのアンテナコイルＬ３が選択されている間に、制御回路１４７Ａによって１回以上繰り返し実行される。
選択中のアンテナコイルＬ３において発生した振動信号Ｖｂは、検出切替スイッチ１４１を介して、フィルタ回路１４２に入力される。フィルタ回路１４２は、振動信号Ｖｂから電力伝送周波数ｆｐの成分を取り除くことにより、振動信号Ｖｃを生成する回路である。具体的には、共振周波数ｆｒと同じ帯域の周波数を取り出すバンドパスフィルタによりフィルタ回路１４２を構成してもよいし、電力伝送周波数ｆｐより高周波数の成分のみを取り出すハイパスフィルタによりフィルタ回路１４２を構成してもよい。また、フィルタ回路１４２は、アクティブフィルタで構成されてもよいし、パッシブフィルタで構成されてもよい。
二値化回路１４３は、フィルタ回路１４２から出力される振動信号Ｖｃの電圧値と、予め設定された基準電圧値とを比較することにより、二値信号Ｖｄを生成する機能を有する。二値信号Ｖｄは、振動信号Ｖｃの電圧値が基準電圧値以上である場合にハイレベルとなり、振動信号Ｖｃの電圧値が基準電圧値より小さい場合にローレベルとなる二値の信号となる。
カウンタ回路１４４は、二値化回路１４３から出力される二値信号Ｖｄの波数をカウントすることにより、振動信号Ｖｃの波数をカウントする機能を有する。カウンタ回路１４４がカウントを開始するタイミングは、制御回路１４７Ａから供給されるカウント開始信号ＳＴによって指示される。
振動時間長計測回路１４５は、１より大きい所定波数分の振動信号Ｖｃ（共振回路に生ずる振動信号Ｖｂに対応する信号）の振動に要する時間の長さを示す振動時間長ＴＬを計測する回路である。なお、ここでいう波数は、周期と言い換えることも可能である。具体的には、カウンタ回路１４４のカウント値が第１のカウント値に達した時点から、カウンタ回路１４４のカウント値が第２のカウント値に達した時点までの時間長を計測し、振動時間長ＴＬとして出力するよう構成される。第１及び第２のカウント値は、制御回路１４７Ａから供給される参照期間指示信号ＲＰによって指示される。振動時間長計測回路１４５により振動時間長ＴＬは、判定回路１４６に供給される。
判定回路１４６は、振動時間長計測回路１４５から供給される振動時間長ＴＬと、制御回路１４７Ａに予め設定される基準時間長ＣＴＬとを比較し、その結果に基づいて、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２の間における金属異物の有無を検出する機能部である。具体的な例では、振動時間長ＴＬと基準時間長ＣＴＬの差が所定値以上である場合に金属異物が検出されたと判定し、それ以外の場合に金属異物が検出されていないと判定する。判定の結果は、制御回路１４７Ａを通じて、ワイヤレス電力伝送システム１内のシステム全体を制御する制御部（図示せず）に送信される。この制御部は、金属異物が検出されたとの判定結果が供給された場合、図２に示した電力変換器１２による電力の変換を停止させる動作を行う。すなわち、電力変換器１２から交流電力が出力されないよう、図２に示したスイッチ駆動部１２０による制御信号ＳＧ１〜ＳＧ４の生成を制御する。これにより、ワイヤレス給電装置１０による給電動作が停止するので、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２の間に生ずる交番磁界に起因して金属異物に渦電流が発生し、それによって金属異物が発熱することを防止することが可能になる。
制御回路１４７Ａは、ノイズ検出部１５Ａによるノイズの検出結果に基づき、カウント開始信号ＳＴを活性化することによってカウンタ回路１４４にカウント開始を指示するタイミングと、参照期間指示信号ＲＰによって振動時間長計測回路１４５に通知する第１及び第２のカウント値の内容とを決定する。本実施の形態では、この決定により、ワイヤレス給電中における、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間の金属異物の検出精度の向上が実現される。以下、図７も参照しながら詳しく説明する。
図７は、電圧Ｖ１，Ｖ２、電流Ｉ１，Ｉ２、及び振動信号Ｖｂの波形を示す図である。なお、同図には電力伝送周波数ｆｐの１周期分を示している。上述したように、振動信号Ｖｂは共振回路ＲＣの共振周波数ｆｒの成分を含む信号であるが、図７に示すように、振動信号Ｖｂにはその他の周波数成分も多数含まれている。特に、電圧Ｖ１，Ｖ２に高周波成分が重畳するタイミング（図７の例では、時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４）で、振動信号Ｖｂの波形に大きな歪み（電力伝送のための交番磁界に起因する歪み）が発生する。このような歪みは異物検出の精度の低下を招くことから、制御回路１４７Ａは、このような歪みができるだけ発生しないタイミングで金属異物の検出が行われることとなるよう、カウント開始信号ＳＴの活性化タイミング並びに第１及び第２のカウント値の内容を決定する。
より具体的に説明すると、制御回路１４７Ａは、ノイズ検出部１５Ａによるノイズの検出結果の履歴から、電力伝送のための交番磁界に起因する大きな歪みが振動信号Ｖｂに発生しないタイミングを予測する。図７の例では、時刻ｔ２と時刻ｔ３の間の期間（以下、「ノイズレス期間ＮＬＰ」と称する）が、電力伝送のための交番磁界に起因する大きな歪みが振動信号Ｖｂに発生しないタイミングである。ノイズレス期間ＮＬＰは、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチングによって生じているものであるから、定期的に出現する。制御回路１４７Ａは、このような定期的に出現するノイズレス期間ＮＬＰの出現周期をノイズ検出結果の履歴から取得することにより、次のノイズレス期間ＮＬＰの出現タイミングを予測する。そして、その予測結果に基づき、次のノイズレス期間ＮＬＰの中で金属異物の検出が行われることとなるよう、カウント開始信号ＳＴの活性化タイミング及び第１及び第２のカウント値の内容を決定する。
具体的な例では、制御回路１４７Ａは、ノイズレス期間ＮＬＰの開始直後にカウント開始信号ＳＴを活性化すればよい。また、第１のカウント値は例えば２とすればよい。第１のカウント値を１ではなく２とするのは、ノイズレス期間ＮＬＰが開始した直後の振動信号Ｖｂには歪みが残っている可能性があるからである。さらに、第２のカウント値は、金属異物の検出期間がノイズレス期間ＮＬＰを超えてしまうことのないように決定すればよい。具体的には、ノイズレス期間ＮＬＰの時間長と共振回路ＲＣの共振周波数ｆｒとからノイズレス期間ＮＬＰ内に含まれることが期待される振動信号Ｖｃの波数を算出し、算出結果を超えない値を第２のカウント値とすればよい。例えば図７の例であれば、ノイズレス期間ＮＬＰ内に含まれることが期待される振動信号Ｖｃの波数は６（丸数字の１〜６に対応）となるので、第２のカウント値としては、６を超えない数字を用いればよい。
制御回路１４７Ａがこのようにしてカウント開始信号ＳＴの活性化タイミング及び第１及び第２のカウント値の内容を決定することにより、電力伝送のための交番磁界に起因する大きな歪みが振動信号Ｖｂに発生しないノイズレス期間ＮＬＰ内に、金属異物の検出が行われることになる。したがって、ワイヤレス給電中における、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間の金属異物の検出精度を向上することが可能となる。
以上説明したように、本実施の形態によるワイヤレス給電装置１０によれば、異物検出部１４０がノイズ検出部１５Ａによるノイズの検出結果にも基づいて金属異物の有無を検出しているので、ワイヤレス給電中における、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間の金属異物の検出精度を向上することが可能となる。より具体的に言えば、制御回路１４７Ａが、電力伝送のための交番磁界に起因する大きな歪みが振動信号Ｖｂに発生しないノイズレス期間ＮＬＰ内に金属異物の検出が行われることとなるよう、カウント開始信号ＳＴの活性化タイミング及び第１及び第２のカウント値の内容を決定しているので、ワイヤレス給電中における、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間の金属異物の検出精度を向上することが可能となる。
また、本実施の形態によるワイヤレス給電装置１０によれば、制御回路１４７Ａがノイズの検出結果の履歴からノイズレス期間ＮＬＰを予測しているので、仮にスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチング以外の要因によるノイスが発生したとしても、そのノイズが周期的なものである限り、そのノイズを避けて金属異物の検出を行うことが可能になる。
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態に係るワイヤレス電力伝送システム１について、説明する。本実施の形態に係るワイヤレス電力伝送システム１は、金属異物検出装置１４Ａに代えて金属異物検出装置１４Ｂを用いる点で、第１の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システム１と相違する。その他の点では第１の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システム１と同様であるので、以下では、第１の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付し、第１の実施の形態との相違点にのみ着目して説明する。
図８は、本実施の形態による金属異物検出装置１４Ｂの機能ブロックを示す略ブロック図である。同図に示すように、金属異物検出装置１４Ｂは、第１の実施の形態による金属異物検出装置１４Ａの異物検出部１４０に駆動回路１４８を追加するとともに、制御回路１４７Ａを制御回路１４７Ｂに置き換えたものとなっている。駆動回路１４８は、各共振回路ＲＣに対して電圧を供給する回路（駆動部）であり、各アンテナコイルＬ３は、駆動回路１４８から供給される電圧を受けて、振動信号Ｖｂを発生するように構成される。
駆動回路１４８について、より詳しく説明する。駆動回路１４８は、図８に示すように、スイッチング回路１４８ａ及び電源１４８ｂを有して構成される。
スイッチング回路１４８ａは、電源１４８ｂに接続された端子と、検出切替スイッチ１４１の共通端子に接続された端子とを有する１回路１接点のスイッチであり、制御回路１４７Ｂから供給されるパルス印加信号ＰＡに応じて、開閉動作を行うよう構成される。スイッチング回路１４８ａとして具体的には、バイポーラトランジスタ又はＭＯＳＦＥＴを使用することが好適である。
電源１４８ｂは、アンテナコイルＬ３に電流を流すための電源であり、直流電源、交流電源のいずれであってもよい。以下では、電源１４８ｂが直流電源であるとして説明を続ける。電源１４８ｂの一端はスイッチング回路１４８ａに接続され、他端は接地される。
本実施の形態による制御回路１４７Ｂは、コイル選択信号ＣＳによる検出切替スイッチ１４１の制御、カウント開始信号ＳＴによるカウンタ回路１４４の制御、及び、参照期間指示信号ＲＰによる振動時間長計測回路１４５の制御に加え、パルス印加信号ＰＡによるスイッチング回路１４８ａの制御を行う。以下、図９も参照しながら詳しく説明する。
図９は、図８に示したパルス印加信号ＰＡ、振動信号Ｖｂ，Ｖｃ、及び二値信号Ｖｄの波形を示す図である。制御回路１４７Ｂは、金属異物の検出を実行するにあたり、まず初めに、同図に示す期間Ｐ１の間、パルス印加信号ＰＡを活性状態とする。すると、コイル選択信号ＣＳによって選択中の共振回路ＲＣに対し、期間Ｐ１の間、駆動回路１４８から電圧が供給される。この電圧によってアンテナコイルＬ３にエネルギーが蓄積され、こうして蓄積されたエネルギーにより、パルス印加信号ＰＡが非活性に戻った後、振動信号Ｖｂに周波数ｆｒの減衰振動が発生する。
減衰振動を含む振動信号Ｖｂに対する処理は、第１の実施の形態で説明したものと同様である。すなわち、フィルタ回路１４２により、振動信号Ｖｂから電力伝送周波数ｆｐの成分を取り除いてなる振動信号Ｖｃが生成され、二値化回路１４３により、振動信号Ｖｃの電圧値と予め設定された基準電圧値とを比較してなる二値信号Ｖｄが生成され、カウンタ回路１４４により、二値信号Ｖｄの波数がカウントされる。カウンタ回路１４４がカウントを開始するタイミングは、第１の実施の形態と同様、制御回路１４７Ｂから供給されるカウント開始信号ＳＴによって制御される。なお、制御回路１４７Ｂは、パルス印加信号ＰＡを非活性に戻すと同時にカウント開始信号ＳＴを活性化すればよい。その後の振動時間長計測回路１４５及び制御回路１４７Ｂの処理については、第１の実施の形態で説明したとおりである。
本実施の形態による制御回路１４７Ｂは、第１の実施の形態による制御回路１４７Ａと同様の処理により、電力伝送のための交番磁界に起因する大きな歪みが振動信号Ｖｂに発生しないタイミング（図７に示したノイズレス期間ＮＬＰ）を取得する。そして、このノイズレス期間ＮＬＰの中で異物検出を行えるよう、パルス印加信号ＰＡの活性化タイミングと、参照期間指示信号ＲＰにより振動時間長計測回路１４５に通知する第１及び第２のカウント値の内容とを決定する。
具体的な例では、制御回路１４７Ｂは、ノイズレス期間ＮＬＰの開始直後にパルス印加信号ＰＡを活性化すればよい。こうすることで制御回路１４７Ｂは、ノイズ検出部１５Ａによるノイズの検出結果により振動信号Ｖｂに歪みが発生しないことが示されるタイミングで電圧を印加するよう、駆動回路１４８を制御することができる。一方、第１及び第２のカウント値の内容については、第１の実施の形態と同様にして決定すればよい。つまり、第１のカウント値は例えば２とすればよく、第２のカウント値は、金属異物の検出期間がノイズレス期間ＮＬＰを超えてしまうことのないように決定すればよい。例えば図９の例では、第１及び第２のカウント値をそれぞれ２及び６とすることで、図示した丸数字２から丸数字６までに対応する期間が金属異物の検出期間となる。
制御回路１４７Ｂがこのようにしてパルス印加信号ＰＡの活性化タイミング及び第１及び第２のカウント値の内容を決定することにより、電力伝送のための交番磁界に起因する大きな歪みが振動信号Ｖｂに発生しないノイズレス期間ＮＬＰ内で、金属異物の検出が行われることになる。したがって、本実施の形態においても、ワイヤレス給電中における、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間の金属異物の検出精度を向上することが可能となる。
以上説明したように、本実施の形態によるワイヤレス給電装置１０によれば、制御回路１４７Ｂが、電力伝送のための交番磁界に起因する大きな歪みが振動信号Ｖｂに発生しないノイズレス期間ＮＬＰ内に金属異物の検出が行われることとなるよう、パルス印加信号ＰＡの活性化タイミング及び第１及び第２のカウント値の内容を決定しているので、ワイヤレス給電中における、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間の金属異物の検出精度を向上することが可能となる。
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態に係るワイヤレス電力伝送システム１について、説明する。本実施の形態に係るワイヤレス電力伝送システム１は、ノイズ検出部１５Ａに代えてノイズ検出部１５Ｂを用いる点で、第１の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システム１と相違する。その他の点では第１の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システム１と同様であるので、以下では、第１の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付し、第１の実施の形態との相違点にのみ着目して説明する。
図１０は、本実施の形態によるワイヤレス給電装置１０及びワイヤレス受電装置２０それぞれの内部回路構成を示す図である。同図に示すように、ノイズ検出部１５Ｂは、ノイズ検出用コイルＬ４と、検出部１５０とを有して構成される。検出部１５０の内部には、ハイパスフィルタ回路（ＨＰＦ）１５１が設けられる。なお、図１０に示した抵抗Ｒ４は、ノイズ検出用コイルＬ４の直列抵抗を明示したものである。また、ノイズ検出用コイルＬ４の個数は１個であってもよいし、複数個であってもよい。
ノイズ検出用コイルＬ４は、ワイヤレス電力伝送の実施中に生ずる交番磁界内に配置される。具体的には、給電コイルＬ１と対向する位置にノイズ検出用コイルＬ４を配置することが好ましい。このような配置により、給電コイルＬ１において上述した交番磁界（電力伝送周波数ｆｐで振動する磁界）が発生すると、図１０に示した給電コイルＬ１とノイズ検出用コイルＬ４との間の相互インダクタンスＭ１４、及び、受電コイルＬ２とノイズ検出用コイルＬ４との間の相互インダクタンスＭ２４によって、ノイズ検出用コイルＬ４に起電力が誘起される。この起電力により、ノイズ検出用コイルＬ４に交流電流Ｉ４が流れる。
ハイパスフィルタ回路１５１は、交流電流Ｉ４から電力伝送周波数ｆｐよりも高い周波数の成分（ノイズ成分）のみを取り出すことにより、出力信号Ｉ４ａ（図１１参照）を生成する回路である。ハイパスフィルタ回路１５１も、アクティブフィルタで構成されてもよいし、パッシブフィルタで構成されてもよい。ハイパスフィルタ回路１５１によって生成された出力信号Ｉ４ａは、ノイズの検出結果として、異物検出部１４０（具体的には、図６に示した制御回路１４７Ａ）に対して供給される。
図１１は、図１０に示した電圧Ｖ１，Ｖ２及び電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ４、並びに、ハイパスフィルタ回路１５１の出力信号Ｉ４ａの波形を示す図である。なお、同図には電力伝送周波数ｆｐの１周期分を示している。同図に示すように、電流Ｉ４には、電力伝送周波数ｆｐで振動する成分に加え、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチング等に起因して電圧Ｖ１，Ｖ２及び電流Ｉ１，Ｉ２に重畳したノイズが現れる。出力信号Ｉ４ａは、この電流Ｉ４から電力伝送周波数ｆｐで振動する成分を除去したものとなるので、図１１に示すように、ノイズ成分のみを含む信号となる。
出力信号Ｉ４ａにノイズが現れるタイミング（時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４）は、図７に示した時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４と一致している。このことは、出力信号Ｉ４ａの履歴を参照すれば、上述したノイズレス期間ＮＬＰを取得することができる、ということを意味している。そこで本実施の形態による制御回路１４７Ａ（図６参照）は、ノイズ検出部１５Ｂから供給される出力信号Ｉ４ａの履歴を参照することにより、次のノイズレス期間ＮＬＰの出現タイミングを予測する。ノイズレス期間ＮＬＰを予測した後の制御回路１４７Ａの処理は、第１の実施の形態で説明したとおりである。
以上説明したように、本実施の形態によるワイヤレス給電装置１０によれば、制御回路１４７Ａは、ノイズ検出部１５Ｂから供給される出力信号Ｉ４ａに基づき、次のノイズレス期間ＮＬＰの出現タイミングを予測することができる。したがって、本実施の形態によっても、ワイヤレス給電中における、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間の金属異物の検出精度を向上することが可能となる。
なお、本実施の形態では、ワイヤレス給電装置１０が第１の実施の形態による金属異物検出装置１４Ａを有する例を取り上げて説明したが、ワイヤレス給電装置１０が第２の実施の形態による金属異物検出装置１４Ｂを有する場合にも、同様に、ノイズ検出部１５Ａに代えてノイズ検出部１５Ｂを用いることが可能である。この場合、図８に示した制御回路１４７Ｂが、ノイズ検出部１５Ｂから供給される出力信号Ｉ４ａの履歴を参照することにより、次のノイズレス期間ＮＬＰの出現タイミングを予測すればよい。
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態に係るワイヤレス電力伝送システム１について、説明する。本実施の形態に係るワイヤレス電力伝送システム１は、金属異物検出装置１４Ａ及びノイズ検出部１５Ｂの機能を統合してなる金属異物検出装置１６を有する点で、第３の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システム１と相違する。その他の点では第３の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システム１と同様であるので、以下では、第３の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付し、第３の実施の形態との相違点にのみ着目して説明する。
図１２は、本実施の形態によるワイヤレス給電装置１０及びワイヤレス受電装置２０それぞれの内部回路構成を示す図である。金属異物検出装置１６は、給電コイルＬ１に接近する金属異物の有無を検出する機能（異物検出部）と、電力伝送周波数ｆｐよりも高い周波数の信号（ノイズ）を検出する機能（ノイズ検出部）とを有する装置であり、図１２に示すように、それぞれアンテナコイルＬ３及び金属異物検出装置用コンデンサＣ３を含む複数の共振回路ＲＣと、各共振回路ＲＣに接続された検出部１６０とを有して構成される。なお、図１２に示した抵抗Ｒ３は、アンテナコイルＬ３の直列抵抗を明示したものである。
本実施の形態による共振回路ＲＣには、アンテナコイルＬ３とコンデンサＣ３の接続状態を切り替える切替部ＳＷが設けられる。切替部ＳＷは、異物検出機能による金属異物の有無の検出を行う期間においてはアンテナコイルＬ３とコンデンサＣ３とを接続し、ノイズ検出機能によるノイズの検出を行う期間においてはコンデンサＣ３をアンテナコイルＬ３から切り離すという動作を行う。切替部ＳＷのこの動作は、検出部１６０によって制御される。
検出部１６０は、初めに所定時間長の期間にわたり、ノイズ検出機能によるノイズの検出動作を実行する。具体的には、まず、コンデンサＣ３をアンテナコイルＬ３から切り離すよう、切替部ＳＷを制御する。次いで、検出部１６０は、ノイズ検出用コイルＬ４（図１０参照）ではなくアンテナコイルＬ３により受信される信号に基づいて、第３の実施の形態で説明した検出部１５０の動作（出力信号Ｉ４ａの生成）と、出力信号Ｉ４ａに基づくノイズレス期間ＮＬＰの予測とを実行する。
次のノイズレス期間ＮＬＰの出現タイミングの予測を完了した検出部１６０は、続いて、異物検出機能による金属異物の有無の検出動作を実行する。具体的には、まず、アンテナコイルＬ３とコンデンサＣ３とを接続するよう、切替部ＳＷを制御する。次いで、検出部１６０は、取得したノイズレス期間ＮＬＰを用いて、第３の実施の形態で説明した異物検出部１４０と同様の異物検出動作を実行する。これにより検出部１６０は、ノイズレス期間ＮＬＰの中で異物検出を行うことができるので、本実施の形態によっても、第３の実施の形態と同様、ワイヤレス給電中における、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間の金属異物の検出精度を向上することが可能となる。
以上説明したように、本実施の形態によれば、アンテナコイルＬ３をノイズ検出用のコイルとしても使用することが可能になる。したがって、図１０に示したノイズ検出用コイルＬ４が不要になるので、ワイヤレス給電装置１０を小サイズ化することが可能になる。
（第５の実施の形態）
次に、本発明の第５の実施の形態に係るワイヤレス電力伝送システム１について、説明する。本実施の形態に係るワイヤレス電力伝送システム１は、金属異物検出装置１４Ａ及びノイズ検出部１５Ｂがワイヤレス給電装置１０ではなくワイヤレス受電装置２０に設けられる点で、第３の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システム１と相違する。その他の点では第３の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システム１と同様であるので、以下では、第３の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付し、第３の実施の形態との相違点にのみ着目して説明する。
図１３は、本実施の形態によるワイヤレス給電装置１０及びワイヤレス受電装置２０それぞれの内部回路構成を示す図である。同図に示すように、本実施の形態による金属異物検出装置１４Ａ及びノイズ検出部１５Ｂは、ワイヤレス受電装置２０内に配置される。アンテナコイルＬ３及びノイズ検出用コイルＬ４は、本実施の形態でも、それぞれ給電コイルＬ１と受電コイルＬ２の間（ワイヤレス電力伝送の実施中に生ずる交番磁界の内部）に配置される。
本実施の形態によっても、金属異物検出装置１４Ａ及びノイズ検出部１５Ｂは、第３の実施の形態で説明したものと同様の動作を行うことができる。したがって、本実施の形態によっても、第３の実施の形態と同様、ワイヤレス給電中における、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間の金属異物の検出精度を向上することが可能となる。
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明が、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施され得ることは勿論である。
例えば、上記各実施の形態では、制御回路１４７Ａ，１４７Ｂはいずれも、ノイズ検出部１５Ａによるノイズの検出結果の履歴から電力伝送のための交番磁界に起因する大きな歪みが振動信号Ｖｂに発生しないタイミングを予測し、その結果に基づき、電力伝送のための交番磁界に起因する大きな歪みが振動信号Ｖｂに発生しないタイミングで金属異物の検出を行っていたが、予測をするのではなく、ノイズ検出部１５Ａによるノイズの検出結果の確認と金属異物の検出動作とを並行して実施し、ノイズ検出部１５Ａによりノイズが検出されたことに応じて、金属異物の有無の検出の結果を破棄することとしてもよい。つまり、ノイズ検出部１５Ａによりノイズが検出されたタイミングで得られた金属異物の有無の検出結果を、ノイズによる影響を受けた不適切な結果であるとみなし、破棄することとしてもよい。こうすることによっても、ワイヤレス給電中における、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間の金属異物の検出精度を向上することが可能となる。
また、図１３には、金属異物検出装置１４Ａ及びノイズ検出部１５Ｂをワイヤレス受電装置２０内に設ける例を示したが、金属異物検出装置１４Ａに代えて金属異物検出装置１４Ｂ（図８参照）をワイヤレス受電装置２０内に設けてもよいし、ノイズ検出部１５Ｂに代えてノイズ検出部１５Ａ（図２参照）をワイヤレス受電装置２０内に設けてもよいし、金属異物検出装置１４Ａ及びノイズ検出部１５Ｂに代えて金属異物検出装置１６（図１２参照）をワイヤレス受電装置２０内に設けてもよい。
以下、本発明の実施例について、図１４を参照しながら説明する。
図１４は、本発明の実施例における信号Ｖｂ，Ｉ４ａの波形及び周期Ｃの計測結果を示す図である。なお、同図に示す計測結果を得るにあたっては、図１０に示した構成を有するワイヤレス電力伝送システム１を使用した。また、計測を始める前に、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２の間に金属異物がないことを目視確認した。
直流電源１１としては、４５０Ｖの直流電圧を用いた。また、電力伝送周波数ｆｐは８９ｋＨｚとした。したがって、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のオンオフ動作の周波数も８９ｋＨｚであり、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２の間に発生する交番磁界の周波数も８９ｋＨｚである。給電側コンデンサＣ１及び受電側コンデンサＣ２の容量はそれぞれ、７ｎＦ及び１８ｎＦとし、給電コイルＬ１、受電コイルＬ２、アンテナコイルＬ３、及びノイズ検出用コイルＬ４のインダクタンスはそれぞれ、５００μＨ、２００μＨ、０．７μＨ、及び０．７μＨとした。コンデンサＣ３の容量は、アンテナコイルＬ３とコンデンサＣ３によって構成される共振回路ＲＣの共振周波数が１．７３ＭＨｚとなるように設定した。また、負荷２としては２７．３Ωの抵抗素子を用い、負荷２の消費電力が３．３ｋＷとなるように、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２の対向位置を調節した。アンテナコイルＬ３及びノイズ検出用コイルＬ４はそれぞれ、給電コイルＬ１の近傍かつ給電コイルＬ１と対向する位置に配置した。
また、図８に示す電源１４８ｂとしては５Ｖの直流電圧を用い、フィルタ回路１４２としては、カットオフ周波数が１．５ＭＨｚであるハイパスフィルタを用いた。二値化回路１４３に予め設定する基準電圧値は、０Ｖとした。
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）はそれぞれ、振動信号Ｖｂ及びハイパスフィルタ回路１５１（図１０参照）の出力信号Ｉ４ａの波形の計測結果を示している。図１４（ｂ）に示すように、出力信号Ｉ４ａには、電力伝送周波数ｆｐの１周期内で４回のノイズ発生（時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４）が観測された。これは、図１１に示したものと同様の結果である。また、図１４（ａ）に示すように、４回のノイズ発生時刻のうち時刻ｔ１，ｔ３は、振動信号Ｖｂがゼロクロスするタイミングとほぼ一致した。このことは、上述した特許文献２のように電力伝送のための磁界の強度が所定値以下となるタイミングで異物検出を行うこととすると、異物検出におけるノイズの影響が増大してしまうことを意味する。
図１４（ｃ）には、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に示した電力伝送周波数ｆｐの周期の次の周期において、振動時間長計測回路１４５から出力される振動時間長ＴＬをプロットしたものである。ただし、同図の振動時間長ＴＬを得るにあたり、カウンタ回路１４４には、連続的にカウントを実施させた。また、振動時間長計測回路１４５には、カウンタ回路１４４のカウント値が１増える都度、そこから次のカウント値までの期間の時間長を振動時間長ＴＬとして出力させた。これにより、図１４（ｃ）における振動時間長ＴＬは、振動信号Ｖｃの周期に等しくなっている。
図１４（ｃ）に示すように、振動時間長ＴＬは、時刻ｔ１＋１／ｆｐと時刻ｔ２＋１／ｆｐの間、及び、時刻ｔ３＋１／ｆｐと時刻ｔ４＋１／ｆｐの間では大きく変動する一方で、時刻ｔ２＋１／ｆｐと時刻ｔ３＋１／ｆｐの間ではあまり変動せず、共振回路ＲＣの共振周波数ｆｒの逆数にほぼ等しい値を維持している。この結果から、時刻ｔ２＋１／ｆｐと時刻ｔ３＋１／ｆｐの間をノイズレス期間ＮＬＰとして用いれば、ノイズの影響を受けずに金属異物の検出を行えることが理解される。
１ ワイヤレス電力伝送システム
２ 負荷
１０ ワイヤレス給電装置
１１ 直流電源
１２ 電力変換器
１３ 給電コイル部
１４Ａ，１４Ｂ，１６ 金属異物検出装置
１５Ａ，１５Ｂ ノイズ検出部
２０ ワイヤレス受電装置
２１ 受電コイル部
２２ 整流器
１２０ スイッチ駆動部
１４０ 異物検出部
１４１ 検出切替スイッチ
１４２ フィルタ回路
１４３ 二値化回路
１４４ カウンタ回路
１４５ 振動時間長計測回路
１４６ 判定回路
１４７ メモリ部
１４７Ａ，１４７Ｂ 制御回路
１４８ 駆動回路
１４８ａ スイッチング回路
１４８ｂ 電源
１５０，１６０ 検出部
１５１ ハイパスフィルタ回路
Ｃ０ 平滑用キャパシタ
Ｃ１ 給電側コンデンサ
Ｃ２ 受電側コンデンサ
Ｃ３ 金属異物検出装置用コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード
Ｌ１ 給電コイル
Ｌ２ 受電コイル
Ｌ３ アンテナコイル
Ｌ４ ノイズ検出用コイル
ＲＣ 共振回路
Ｓ センサ部
ＳＷ 切替部
ＳＷ１〜ＳＷ４ スイッチング素子

Claims (12)

  1. 所定の電力伝送周波数で振動する交番磁界によりワイヤレスで電力伝送を行うワイヤレス給電装置であって、
    給電コイルと、
    アンテナコイルと、
    前記アンテナコイルとともに共振回路を形成するコンデンサと、
    前記電力伝送周波数よりも高い周波数で振動するノイズを検出するノイズ検出部と、
    前記共振回路に生ずる電圧又は電流の変化と、前記ノイズ検出部によるノイズの検出結果とに基づき、金属異物の有無を検出する異物検出部と、
    を備えることを特徴とするワイヤレス給電装置。
  2. 前記異物検出部は、前記共振回路に対して電圧を印加する駆動部と、前記ノイズ検出部によるノイズの検出結果により前記共振回路に生ずる振動信号に歪みが発生しないことが示されるタイミングで前記電圧を印加するよう前記駆動部を制御する制御部と、を有し、前記電圧に応じて前記共振回路に生ずる振動信号に対応する信号の１より大きい所定波数分の振動に要する時間の長さを示す振動時間長に基づき、金属異物の有無を検出するよう構成されることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
  3. 前記ノイズ検出部は、少なくとも１つのノイズ検出用コイルを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のワイヤレス給電装置。
  4. 前記アンテナコイルと前記コンデンサの接続状態を切り替える切替部をさらに備え、
    前記ノイズ検出部は、前記アンテナコイルに生ずる信号に基づいて前記ノイズを検出し、
    前記切替部は、前記異物検出部による金属異物の有無の検出を行う期間においては前記アンテナコイルと前記コンデンサとを接続し、前記ノイズ検出部による前記ノイズの検出を行う期間においては前記コンデンサを前記アンテナコイルから切り離すことを特徴とする請求項１又は２に記載のワイヤレス給電装置。
  5. 前記異物検出部は、前記ノイズ検出部によりノイズが検出されたことに応じて、前記共振回路に生ずる電圧又は電流の変化に基づいて実施した金属異物の有無の検出の結果を破棄するよう構成されることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
  6. 所定の電力伝送周波数で振動する交番磁界によりワイヤレスで電力を受電するワイヤレス受電装置であって、
    受電コイルと、
    アンテナコイルと、
    前記アンテナコイルとともに共振回路を形成するコンデンサと、
    前記電力伝送周波数よりも高い周波数で振動するノイズを検出するノイズ検出部と、
    前記共振回路に生ずる電圧又は電流の変化と、前記ノイズ検出部によるノイズの検出結果とに基づき、金属異物の有無を検出する異物検出部と、
    を備えることを特徴とするワイヤレス受電装置。
  7. 前記異物検出部は、前記共振回路に対して電圧を印加する駆動部と、前記ノイズ検出部によるノイズの検出結果により前記共振回路に生ずる振動信号に歪みが発生しないことが示されるタイミングで前記電圧を印加するよう前記駆動部を制御する制御部と、を有し、前記電圧に応じて前記共振回路に生ずる振動信号に対応する信号の１より大きい所定波数分の振動に要する時間の長さを示す振動時間長に基づき、金属異物の有無を検出するよう構成されることを特徴とする請求項６に記載のワイヤレス受電装置。
  8. 前記ノイズ検出部は、少なくとも１つのノイズ検出用コイルを有することを特徴とする請求項６又は７に記載のワイヤレス受電装置。
  9. 前記アンテナコイルと前記コンデンサの接続状態を切り替える切替部をさらに備え、
    前記ノイズ検出部は、前記アンテナコイルに生ずる信号に基づいて前記ノイズを検出し、
    前記切替部は、前記異物検出部による金属異物の有無の検出を行う期間においては前記アンテナコイルと前記コンデンサとを接続し、前記ノイズ検出部による前記ノイズの検出を行う期間においては前記コンデンサを前記アンテナコイルから切り離すことを特徴とする請求項６又は７に記載のワイヤレス受電装置。
  10. 前記異物検出部は、前記ノイズ検出部によりノイズが検出されたことに応じて、前記共振回路に生ずる電圧又は電流の変化に基づいて実施した金属異物の有無の検出の結果を破棄するよう構成されることを特徴とする請求項６に記載のワイヤレス受電装置。
  11. 給電コイルから受電コイルにワイヤレスにて電力伝送するワイヤレス電力伝送システムであって、
    前記給電コイルを有するワイヤレス給電装置と、
    前記受電コイルを有するワイヤレス受電装置と、を備え、
    前記ワイヤレス給電装置は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のワイヤレス給電装置であることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
  12. 給電コイルから受電コイルにワイヤレスにて電力伝送するワイヤレス電力伝送システムであって、
    前記給電コイルを有するワイヤレス給電装置と、
    前記受電コイルを有するワイヤレス受電装置と、を備え、
    前記ワイヤレス受電装置は、請求項６乃至１０のいずれか一項に記載のワイヤレス受電装置であることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
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