KR20200023522A

KR20200023522A - 전력 수신기 및 전력 전송기

Info

Publication number: KR20200023522A
Application number: KR1020207005459A
Authority: KR
Inventors: 히로아키 나카노; 신이치 후쿠다; 유지 무라야마; 겐이치 후지마키; 도모미치 무라카미
Original assignee: 소니 주식회사
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2020-03-04
Also published as: KR20140036344A; US9530558B2; CN103765728B; US11271428B2; KR20190038947A; KR101965205B1; JP5071574B1; CN105743137B; EP2730007B1; KR102224451B1; US20140125287A1; CN105743137A; CN103765728A; EP3396807A1; US20170047777A1; KR102083407B1; US20200343769A1; US11011930B2; EP2730007A1; WO2013005860A1

Abstract

에너지 수신기는, 전력 전송기로부터 송전된 전력을 무선으로 수전하도록 구성된 전력 수신기 코일; 이물질을 검출하도록 구성된 검출부; 및 이물질의 검출 중에 검출부에 전력을 공급하도록 구성된 축전부를 포함한다.

Description

전력 수신기 및 전력 전송기{POWER RECEIVER AND POWER TRANSMITTER}

본 개시는, 금속 등의 도체의 존재를 검출하는 검출기, 전력 수신기, 전력 전송기, 비접촉 전력 전송 시스템, 및 검출 방법에 관한 것이다. 특히, 본 개시는, 에너지 수신기, 검출 방법, 전력 전송 시스템, 검출 장치, 및 에너지 전송기에 관한 것이다.

최근에, 무선으로, 즉 접촉 없이, 전력을 공급하는 비접촉 전력 전송 시스템이 활발히 개발되고 있다. 비접촉 전력 전송을 실현하는 방법으로서는, 자계 공명 방법이 주목을 끌고 있다. 자계 공명 방법은, 송신측 코일과 수신측 코일 간의 자계 결합을 이용해서 전력 전송을 행한다. 자계 공명 방법은, 적극적으로 공진 현상을 이용함으로써, 급전원과 급전처 간에 공유되는 자속이 감소되는 특성을 갖는다.

공지된 전자기 유도 방법에서는, 송전측과 수전측의 결합도가 매우 높고, 고효율로의 급전이 가능하다. 그러나, 결합 계수가 높게 유지될 필요가 있기 때문에, 송전측과 수전측 간의 거리가 증가하거나 위치 편차가 발생할 경우에 송전측 코일과 수전측 코일 간의 전력 전송 효율(이하, "코일간 효율"이라고 한다)이 크게 저하된다. 한편, 자계 공명 방법은 결합 계수가 작아도, 품질 계수가 높으면, 코일간 효율이 저하되지 않는 특성을 갖는다. 즉, 송전측 코일과 수전측 코일 간의 축 맞춤이 불필요해 지고, 코일 간의 위치 및 거리에서의 자유도가 높다고 하는 장점이 있다. 품질 계수는, 송전측 코일 또는 수전측 코일을 갖는 회로에서의 에너지의 유지와 손실 간의 관계를 나타내는(공진 회로의 공진의 강도를 나타내는) 지표이다.

비접촉 전력 전송 시스템에 있어서 가장 중요한 요소 중 하나는, 금속 이물질의 발열에 대한 대책이다. 전자기 유도 방법 또는 자계 공명 방법에 관계없이, 접촉 없이 급전을 행할 때, 송전측과 수전측 사이에 금속이 존재하는 경우, 와전류가 발생하여, 금속이 열을 발생할 수 있다. 이 발열을 억제하기 위해서, 금속 이물질을 검출하는 다양한 방법이 제안되어 있다. 예를 들어, 광 센서 또는 온도 센서를 사용하는 방법이 알려져 있다. 그러나, 센서를 사용한 검출 방법은, 자계 공명 방법과 같이, 급전 범위가 넓을 경우에는 비용이 많이 든다. 또한, 예를 들어, 사용된 센서가 온도 센서이면, 온도 센서의 출력 결과가 그 주위의 열전도율에 의존하기 때문에, 송신측 및 수신측의 기기가 디자인에 있어서 제약된다.

따라서, 송전측과 수전측의 사이에 금속 이물질이 존재할 때의 파라미터(전류, 전압 등)의 변화를 관측하여, 금속 이물질의 존재를 판정하는 방법이 제안되어 있다. 이러한 방법에서는, 디자인의 제약 없이, 비용이 감소하게 된다. 예를 들어, 특허문헌 1에서는, 송전측과 수전측 간의 통신 시의 파라미터의 변조 정도를 이용하여 금속 이물질을 검출하는 방법이 제안된다. 특허문헌 2에서는, 와전류 손실을 이용하여 금속 이물질을 검출하는 방법(DC-DC 효율에 의한 이물질의 검출)이 제안된다.

일본 특허 공개 제2008-206231호 공보 일본 특허 공개 제2001-275280호 공보

그러나, 특허문헌 1 및 2에 의해 제안된 방법에서, 수전측의 금속 하우징의 영향은 고려되지 않는다. 일반적인 휴대 기기에 충전을 하는 경우, 휴대 기기에 어떠한 금속(금속 하우징, 금속 부품 등)도 사용될 가능성이 있으므로, 파라미터의 변화가 "금속 하우징 등의 영향"에 의한 것인지, 또는 "금속 이물질을 함유한 것"에 의한 것인지를 판정하기가 어렵다. 한 예인 특허문헌 2에서는, 와전류 손실이 휴대 기기의 금속 하우징에 의해서 발생하고 있는 것인지, 또는 송전측과 수전측과의 사이에 존재하는 금속 이물질에 의해 발생하고 있는 것인지를 판정하기가 어렵다. 이와 같이, 특허문헌 1 및 2에서 제안된 방법은, 금속 이물질을 고정밀도로 검출하지 못한다.

또한, 통상, 휴대 기기는 비접촉으로 수전한 전력을 충전하는 배터리와, 상기 배터리를 적절하게 제어하는 제어 회로를 포함한다. 그러나, 휴대 기기에 있어서 배터리에 충전된 전력을 사용하여 금속 이물질을 검출하는 검출 회로를 동작시킬 경우, 휴대 기기는, 배터리를 적절하게 제어하면서 검출 회로를 제어할 필요가 있으므로, 제어에 관한 부하가 커진다.

또한, 배터리의 잔류 용량이 거의 없을 경우, 휴대 기기는 자신과 송전측과의 사이에 존재하는 금속 이물질을 검출하기가 어렵다. 금속 이물질의 검출을 행할 수 없으면, 안전이 확보되지 않으므로 송전측으로부터의 전력 전송은 행해지지 않아서, 배터리를 충전할 수 없다.

수전측에 시스템(제어)을 로딩하지 않고, 송전측과 수전측과의 사이에 존재하는 금속 이물질의 검출을 행하고, 검출 정밀도를 향상시키는 것이 바람직하다.

본 개시의 한 실시 형태에 의하면, 전력 전송기로부터 송전된 전력을 무선으로 수전하도록 구성된 전력 수신기 코일; 이물질(foreign object)을 검출하도록 구성된 검출부; 및 상기 이물질의 검출 중에 상기 검출부에 전력을 공급하도록 구성된 축전부를 포함하는 에너지 수신기가 제공된다.

본 개시의 한 실시 형태에 의하면, 전력 수신기 코일로부터 무선으로 수전된 전력을 사용하여 축전부를 충전하는 단계; 검출부를 이용하여 이물질이 전력 수신기 코일의 범위 내에 있는지를 검출하는 단계; 및 상기 축전부를 이용하여 상기 이물질의 검출 중에 상기 검출부에 전력을 제공하는 단계를 포함하는 검출 방법이 제공된다.

본 개시의 한 실시 형태에 의하면, 전력 수신기에 전력을 무선으로 송전하도록 구성된 전력 전송기를 포함하는 전력 전송 시스템이 제공되며, 상기 전력 전송기가, (i) 상기 전력 수신기에 전력을 송전하도록 구성된 전력 전송 코일, (ii) 상기 전력 전송 코일에 교류 신호를 공급하도록 구성된 송전부, 및 (iii) 상기 전력 수신기로부터 송신된 신호에 응답하여, 상기 송전부로부터의 상기 교류 신호의 공급을 제어하도록 구성된 전력 전송기 제어부를 포함하며, 상기 전력 수신기가, (i) 상기 전력 전송기로부터 전력을 무선으로 수전하도록 구성된 전력 수신기 코일, (ii) 이물질을 검출하도록 구성된 검출부, (iii) 상기 전력 전송기로부터 수전된 전력을 저장하도록 구성되고, 상기 이물질의 검출 중에 상기 검출부에 수전된 전력을 공급하도록 작동 가능한 축전부, 및 (iv) 상기 검출부를 작동시키고, 상기 이물질이 상기 전력 전송 코일의 범위 내에 있는지를 판정하도록 구성된 전력 수신기 제어부를 포함한다.

본 개시의 한 실시 형태에 의하면, 전력 전송기로부터 송전된 전력을 무선으로 수전하도록 구성된 전력 수신기 코일; 이물질이 상기 전력 수신기 코일의 범위 내에 있는지를 검출하도록 구성된 검출부; 및 상기 이물질의 검출 중에 상기 검출부에 전력을 공급하도록 구성된 축전부를 포함하는 검출 장치가 제공된다.

본 개시의 한 실시 형태에 의하면, 전력 수신기에 전력을 무선으로 송전하도록 구성된 전력 전송 코일; 이물질을 검출하도록 구성된 검출부; 및 상기 이물질의 검출 중에 상기 검출부에 전력을 공급하도록 구성된 축전부를 포함하는 에너지 전송기가 제공된다.

본 개시의 한 실시 형태에 의하면, 전력 전송기로부터 송전된 전력을 무선으로 수전하도록 구성된 전력 수신기 코일; 이물질을 검출하도록 구성된 검출부; 및 상기 전력 수신기 코일에의 송전의 정지 중에 상기 검출부를 활성화하도록 구성된 제어부를 포함하는 에너지 수신기가 제공된다.

본 개시의 한 실시 형태에 의하면, 2차측 코일을 포함하는 공진 회로; 상기 공진 회로의 품질 계수를 측정하는 검출부; 상기 검출부에서의 품질 계수 측정 중에 소비된 전력량만큼, 1차측 코일로부터 2차측 코일을 통해 수전된 전력으로부터 전력을 충전하는 축전부; 및 상기 축전부에 충전된 전력을 사용하여, 상기 1차측 코일로부터의 송전의 정지 중에, 상기 검출부를 작동시키는 제어부를 포함하는 검출기가 제공된다.

본 개시의 한 실시 형태에 의하면, 2차측 코일; 상기 2차측 코일을 포함하는 공진 회로; 상기 공진 회로의 품질 계수를 측정하는 검출부; 상기 검출부에서의 품질 계수 측정 중에 소비된 전력량만큼, 1차측 코일로부터 2차측 코일을 통해 수전된 전력으로부터 전력을 충전하는 축전부; 및 상기 축전부에 충전된 전력을 사용하여, 상기 1차측 코일로부터의 송전의 정지 중에, 상기 검출부를 작동시키는 제어부를 포함하는 전력 수신기가 제공된다.

본 개시의 한 실시 형태에 의하면, 2차측 코일에 전력을 송전하는 1차측 코일; 상기 1차측 코일에 교류 신호를 공급하는 송전부; 및 전력 수신기의 품질 계수에 기초하여 전자기 결합 상태를 나타내는 신호 - 이 신호는 상기 2차측 코일이 탑재된 상기 전력 수신기로부터 송신됨 - 에 응답하여 상기 송전부로부터 교류 신호의 공급을 제어하는 제어부를 포함하는 전력 전송기가 제공된다.

본 개시의 한 실시 형태에 의하면, 무선으로 전력을 송전하는 전력 전송기; 및 상기 전력 전송기로부터 송전된 전력을 수전하는 전력 수신기를 포함하는 비접촉 전력 전송 시스템이 제공된다. 전력 수신기는, 2차측 코일을 포함하는 공진 회로; 상기 공진 회로의 품질 계수를 측정하는 검출부; 상기 검출부에서의 품질 계수 측정 중에 소비된 전력량만큼, 1차측 코일로부터 2차측 코일을 통해 수전된 전력으로부터 전력을 충전하는 축전부; 및 상기 축전부에 충전된 전력을 사용하여, 상기 1차측 코일로부터의 송전의 정지 중에, 상기 검출부를 작동시키는 제1 제어부를 포함한다. 전력 전송기는, 상기 전력 수신기의 2차측 코일에 전력을 송전하는 1차측 코일; 상기 1차측 코일에 교류 신호를 공급하는 송전부; 및 상기 전력 수신기의 품질 계수에 기초하여 전자기 결합 상태를 나타내는 신호 - 이 신호는 상기 전력 수신기로부터 송신됨 - 에 응답하여 상기 송전부로부터 교류 신호의 공급을 제어하는 제2 제어부를 포함한다.

본 개시의 한 실시 형태에 의하면, 전력 수신기 내에 제공되는 공진 회로의 2차측 코일을 통해 전력 전송기의 1차측 코일로부터 수전된 전력으로부터, 상기 전력 수신기의 검출부에서의 품질 계수 측정 중에 소비된 전력량만큼, 비접촉 전력 전송 시스템에서의 전력 수신기의 축전부에 전력을 충전하는 단계; 상기 축전부에 충전된 전력을 사용하여, 상기 1차측 코일로부터의 송전의 정지 중에, 상기 검출부를 작동시키고 상기 공진 회로의 품질 계수를 판정하는 데 필요한 물리적인 양을 획득하는 단계; 및 상기 비접촉 전력 전송 시스템에서의 상기 전력 수신기 또는 상기 전력 전송기에 의해, 상기 품질 계수를 판정하는 데 필요한 물리적인 양으로부터 상기 품질 계수를 계산하는 단계를 포함하는 검출 방법이 제공된다.

본 개시의 한 실시 형태에 의하면, 급전이 송전측으로부터 수전측으로 행해지지 않은 경우에도, 축전부에 저장되어 있는 품질 계수 측정 중에 소비된 전력량만큼의 전력을 사용하고 수전측의 시스템으로부터 금속 이물질을 검출하기 위한 회로를 분리함으로써, 송전측과 수전측 사이에 존재하는 금속 이물질이 검출 가능하다. 또한, 급전이 송전측으로부터 수전측으로 행해지지 않는 동안에 2차측 품질 계수를 측정함으로써 금속 이물질의 검출이 수행된다. 따라서, 금속 이물질의 검출은 급전에 의해 영향을 받지 않고, 검출 정밀도가 향상된다.

도 1은 직렬 공진 회로의 품질 계수가 변화되었을 때의 게인의 주파수 특성의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 2는 S 값(결합 계수×품질 계수)과 코일간 효율 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3a 내지 도 3c는, 금속의 위치를 변경해서 1차측 품질 계수를 측정했을 때의 측정 조건을 설명하는 모식도이다.
도 4는 본 개시의 제1 실시 형태에 관한, 비접촉 전력 전송 시스템에 사용되는 전력 전송기의 개요를 도시하는 회로도이다.
도 5는 본 개시의 제1 실시 형태에 관한, 전력 전송기(1차측)의 내부 구성예를 도시하는 블록도이다.
도 6은 본 개시의 제1 실시 형태에 관한, 전력 수신기(2차측)의 내부 구성예를 도시하는 블록도이다.
도 7은 캐패시터 충전에 의한 제1 레귤레이터의 입력단에서의 전압 강하의 상태를 나타내는 파형도이다.
도 8은 본 개시의 제1 실시 형태에 관한, 비접촉 전력 전송 시스템의 급전 중에 있어서의 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 9는 1차측(전력 전송기)에 있어서 주파수 스위프(sweep)를 반영한 품질 계수가 계산되는 경우에서의 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 10은 본 개시의 제1 실시 형태에 관한, 비접촉 전력 전송 시스템에 있어서의 동작의 타이밍 차트이다.
도 11은 복수의 주파수와 품질 계수를 플롯팅한 그래프이다.
도 12는 2차측(전력 수신기)에 있어서 주파수 스위프를 반영한 품질 계수가 계산되는 경우에서의 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 13은 1차측(전력 전송기)에 있어서 품질 계수가 계산되는 경우에서의 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 14는 2차측(전력 수신기)에 있어서 품질 계수가 계산되는 경우에서의 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 15a 및 도 15b는, 비접촉 전력 전송 시스템에 사용되는 공진 회로의 다른 예를 나타내는 회로도이다.
도 16은 본 개시의 제2 실시 형태에 관한, 직렬 공진 회로에 있어서의 임피던스의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 개시의 제2 실시 형태에 관한, 병렬 공진 회로에 있어서의 임피던스의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 개시의 제3 실시 형태에 관한, 임피던스의 실부 성분에 대한 허부 성분의 비를 이용하여 품질 계수를 계산하기 위한 회로도이다.

이하, 본 개시의 실시 형태에 대해서, 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 설명은 하기의 순서로 행한다. 도면에 있어서 공통인 구성 요소를 나타내는 데에는, 동일한 부호를 사용해서, 중복하는 설명을 적절히 생략한다.

1. 제1 실시 형태(제1 내지 제3 전환부: 급전시와 품질 계수 측정시 간에 회로를 전환하는 예)

2. 제2 실시 형태(연산 처리부: 하프 대역폭 방법에 의해 품질 계수를 계산하는 예)

3. 제3 실시 형태(연산 처리부: 임피던스의 실부 성분와 허부 성분의 비를 이용하여 품질 계수를 계산하는 예)

4. 기타(다양한 변형예)

<1. 제1 실시 형태>

[도입 설명]

본 발명자들은, 우선, 상기 과제를 해결하기 위해서, 수전측(2차측)의 품질 계수의 변화를 이용해서 금속 이물질을 검출하는 것을 연구했다. 금속 이물질은, 송전측(1차측)과 수전측의 사이에 존재하는 금속 등의 도체를 의미한다. 본 명세서에서 설명한 도체는, 광의의 도체, 즉 반도체를 포함한다.

품질 계수는, 에너지 유지와 에너지 손실 간의 관계를 나타내는 지표이며, 일반적으로 공진 회로의 공진 피크의 첨예도(공진의 강도)를 나타내는 값으로 사용된다. 코일과 캐패시터("콘덴서"라고도 불린다)를 사용하는 직렬 공진 회로의 경우, 품질 계수는, 일반적으로 수학식 1로 표현되며, 여기서 R은 직렬 공진 회로의 저항값이고, L은 인덕턴스 값이며, C는 정전 용량값이다.

도 1은, 직렬 공진 회로의 품질 계수가 변경된 게인의 주파수 특성의 일례를 나타내는 그래프이다.

일례로서 품질 계수를 5 내지 100의 사이에서 변화시켰을 때, 품질 계수가 증가될수록, 게인의 주파수 특성의 피크의 첨예도가 증가된다. 또한, 수학식 1에 나타내는 저항값 R과 인덕턴스 값 L은, 금속 이물질의 접근 또는 금속 이물질에 발생하는 와전류의 영향에 의해 변화되는 것으로 알려져 있다. 특히, 코일 주위의 금속 이물질의 영향에 의해 공진 회로의 품질 계수와 공진 주파수가 크게 변화된다.

이어서, 자계 공명 방법에서의 비접촉 전력 전송 시스템에 있어서의 1차측 코일과 2차측의 코일 간의 전력 전송 효율(코일간 효율)에 대해서 설명한다.

코일간 효율의 이론적 최대값 η_max는, 수학식 2로 나타내는 것으로 알려져 있다.

여기서, S 및 Q는 이하의 수학식으로 표현된다.

Q는 비접촉 전력 전송 시스템 전체에서의 품질 계수를 나타내고, Q₁은 1차측 품질 계수를 나타내며, Q₂은 2차측 품질 계수를 나타낸다. 즉, 자계 공명 방법에 있어서, 코일간 효율 η_max는, 결합 계수 k, 1차측 품질 계수(Q₁) 및 2차측 품질 계수(Q₂)로부터 이론적으로 그리고 일의적으로 결정된다. 결합 계수 k는 1차측 코일과 2차측 코일 간의 전자 결합의 정도를 나타낸다. 품질 계수 Q₁ 및 Q₂는 무부하의 공진 회로에서의 품질 계수이다. 따라서, 결합 계수 k가 낮은 경우에도 송전측과 수전측의 양쪽의 품질 계수가 높으면, 고효율로 전력 전송이 행해지게 된다.

S 값(결합 계수×품질 계수)과 코일간 효율 η_max 간의 관계는, 도 2에 도시된다.

자계 공명 방법에서는, 결합 계수 k가 낮아도, 공진 회로의 1차측 품질 계수와 2차측 품질 계수가 높아져서, 1차측 코일과 2차측 코일의 배치에서의 자유도를 높인다. 일례로서, 1차측 코일과 2차측 코일 간의 결합 계수 k를 0.5 이하, 1차측 코일과 2차측 코일 중 한쪽 또는 양쪽의 품질 계수를 100 이상으로 가정하여 설계하고 있다. 이는, 후술하는 제2 및 제3 실시 형태에서도 마찬가지이다.

자계 공명 방법에 있어서는, 어느 정도 높은 품질 계수를 갖는 코일을 급전하는데 사용해서, 1차측 코일과 2차측 코일의 배치에서의 자유도를 향상시킨다. 그러나, 상술한 일반적인 공진 회로와 마찬가지로, 품질 계수와 공진 주파수는 금속의 영향으로 인해 크게 변화된다.

도 3a 내지 도 3c는 여러 금속 위치에 따른 1차측 품질 계수 측정 조건을 나타낸다.

측정에서는, 1차측 코일(1)로서 사용된 스파이럴 코일은, 150 mm(세로)×190 mm(가로)의 사이즈를 가졌다. 스파이럴 코일은, 복수의 가는 동선을 서로 꼬아 만든 도선인 리츠 선(선 직경φ이 1.0 mm)을 감아서 만든 것이다. 2차측에서는, 금속 하우징 대신에, 50 mm(세로)×60 mm(가로)×0.05 mm(두께)의 금속편(6)을 사용했다. 알루미늄 또는 스테인리스강으로 만들어진 2개의 금속편(6)을 준비했다. (1) 금속편(6)이 1차측 코일(1)의 중앙에 위치한 경우(도 3a), (2) 금속편(6)이 중앙으로부터 가로 방향으로 시프트(이동)한 장소에 위치한 경우(도 3b), 및 (3) 금속편(6)이 1차측 코일(1)의 단부에 위치한 경우(도 3c), 즉 3가지의 경우에서 측정을 행했다.

금속의 위치에 따른 1차측 품질 계수 측정 결과를, 표 1에 나타낸다.

이 표 1에 나타내는 측정 결과로부터, 1차측에서 본 금속편(6)의 위치와 금속의 재질에 따라 1차측 품질 계수가 크게 변동하는 것을 확인할 수 있다. 상술한 수학식 1 내지 수학식 3으로부터, 1차측 품질 계수는 코일간 효율(와전류 손실)에 크게 영향을 끼친다는 것을 분명히 알 수 있다. 따라서, 코일간 효율의 저하(와전류 손실 증대)에는, 작은 금속 이물질보다도 금속 하우징의 영향 정도의 변동이 지배적이고, 작은 금속 이물질의 검출이 어렵다는 것을 알 수 있다. 즉, 1차측 품질 계수는, 2차측(하우징에 탑재된 금속의 위치가 상이하다고 생각되는)에 따라 크게 변한다. 따라서, 품질 계수의 변화가 혼합된 이물질에 의한 것인지, 또는 2차측의 금속 하우징의 영향에 의한 것인지를 판정하기가 어렵다.

한편, 2차측 코일에서 보면, 2차측 코일과 금속 하우징 간의 위치 관계는 전혀 변화하지 않고, 1차측 코일과 2차측 코일 간의 위치 관계에도 상관성이 없다. 특히, 2차측 코일의 품질 계수도 금속 하우징의 영향을 받아서 저하하고 있지만, 1차측 코일의 부근에 큰 금속 이물질이 존재하지 않으면, 위치 관계 및 효율에 관계없이 2차측 품질 계수는 일정하다.

일반적으로, 수전측의 기기로서는, 휴대 전화기 및 디지털 스틸 카메라 등의 휴대 기기가 상정되어 있다. 그러한 휴대 기기에서는, 강도를 유지하기 위해서 또는 통화 또는 촬영 등 그 밖의 다른 주된 기능을 수행하기 위해서, 기기 본체로부터 금속을 제거하는 것은 곤란하다. 그러나, 1차측 코일의 주된 목적이 충전을 가능케 하기 위한 것이기 때문에, 송전측의 기기 본체는 금속의 영향을 배제한 구성을 가질 수 있는 가능성이 있다. 그러한 경우에, 2차측 품질 계수는 일정한 값을 가지며, 금속 이물질의 접근에 의해서만 크게 변화한다.

금속 이물질에 의해 발생된 2차측 품질 계수의 변화 정도가 측정되었고, 그 결과를 표 2에 나타낸다.

표 2는, 40 mm×50 mm의 외경과 20 mm×30 mm의 내경을 갖는 코일에 대하여, 10 mm 사각형의 크기 및 1.0 mm의 두께를 갖는 철편이 접근했을 때의 2차측 품질 계수의 변화량을 측정한 것을 나타낸다. "Ls값"은 코일의 인덕턴스 값을 나타내고, "Rs값"은 주파수 f에 있어서의 공진 회로의 실효 저항값을 나타내며, "변화량"은 철이 존재하지 않을 때의 품질 계수를 기준으로 한 변화량을 나타내고 있다. 품질 계수의 변화량이 철편의 위치에 의해 좌우되지만, 철이 존재하지 않을 때(금속 편이 중앙에 위치할 때)와 비교하면 적어도 25%만큼 품질 계수가 변화(저하)된다.

이렇게, 2차측 품질 계수의 변화는, 금속 이물질의 검출에 이용될 수 있는 가능성이 있다. 즉, 품질 계수의 변화량에 대하여 임계값을 설정함으로써 금속 이물질의 검출이 가능하게 된다고 생각된다. 그러나, "발명의 요약"에서 설명한 바와 같이, 송전측으로부터 수전한 전력을 사용해서 품질 계수를 측정했을 경우, 예를 들어, 송전측으로부터 수전한 전력의 영향으로 인해 품질 계수를 정확하게 측정할 수 없는 어려움이 있다. 품질 계수의 변화를 금속 이물질의 검출에 이용하기 위해서는, 측정 방법의 고안이 필요하다. 이하, 본 개시에 의한 품질 계수 측정 방법에 대해서 설명한다.

[품질 계수 측정의 원리]

품질 계수 측정의 원리에 대해서, 도 4를 참조하여 설명한다.

도 4는, 본 개시의 제1 실시 형태에 관한, 비접촉 전력 전송 시스템에 사용되는 전력 전송기의 개요를 도시하는 회로도이다. 도 4에 도시한 전력 전송기(10)의 회로는, 1차측 품질 계수 측정 원리를 나타낸 가장 기본적인 회로 구성(자계 결합의 경우)의 일례이다. 직렬 공진 회로를 포함하는 회로를 나타낸 것이지만, 회로가 공진 회로의 기능을 포함하고 있는 한, 상세한 구성의 다양한 실시 형태가 이용가능하다. 공진 회로의 품질 계수 측정은, 측정기(LCR 미터)에서도 사용되고 있는 방법을 사용한다. 또한, 도 4에 도시한 회로는, 전력 전송기(1차측)의 공진 회로의 예이지만, 동일한 측정 원리가 전력 수신기(2차측)의 공진 회로에도 적용된다.

예를 들어, 전력 전송기(10)의 1차측 코일(15)의 가까이에 금속편이 존재하면, 자력선이 금속편을 통과해서 금속편에 와전류를 발생한다. 이것은 1차측 코일(15)에서 볼 때, 금속편이 1차측 코일(15)과 전자적으로 결합하고, 1차측 코일(15)이 실제적인 저항 부하를 가짐으로써, 1차측 품질 계수를 변화시키는 것으로 여겨진다. 품질 계수를 측정함으로써, 1차측 코일(15)에 가까이 있는 금속 이물질(전자기 결합하고 있는 상태)을 검출하게 한다.

본 실시 형태의 전력 전송기(10)는, 신호원(11), 캐패시터(14) 및 1차측 코일(15)(전력 전송 코일, 코일의 일례)을 포함한다. 신호원(11)은 교류 신호(정현파)를 발생시키는 교류 전원(12) 및 저항 소자(13)를 포함한다. 저항 소자(13)는, 교류 전원(12)의 내부 저항(출력 임피던스)을 도시화하여 나타낸다. 신호원(11)에 캐패시터(14)와 1차측 코일(15)이 접속되어, 직렬 공진 회로(공진 회로의 일례)를 형성한다. 측정될 주파수에서 공진하게 하기 위해서, 캐패시터(14)의 캐패시턴스의 값(C값) 및 1차측 코일(15)의 인덕턴스의 값(L값)이 조정된다. 신호원(11)과 캐패시터(14)를 포함하는 송전부는, 부하 변조 시스템 등을 이용해서 1차측 코일(15)을 통해서 외부에 비접촉으로 전력을 송전한다.

직렬 공진 회로를 구성하는 1차측 코일(15)과 캐패시터(14) 사이의 전압이 V1(공진 회로에 인가된 전압의 일례)이고, 1차측 코일(15) 양단 간의 전압이 V2이면, 직렬 공진 회로의 품질 계수는, 수학식 5로 표현된다.

여기서, r_s는 주파수 f에 있어서의 실효 저항값이다.

전압 V2는 전압 V1을 Q로 곱해서 구해진다. 1차측 코일(15)에 금속편이 근접하면, 실효 저항값 r_s가 커지고, 품질 계수는 저하된다. 이렇게, 금속편이 1차측 코일(15)에 근접하면, 측정될 품질 계수(전자기 결합하고 있는 상태)가 변화한다. 이 변화를 검출함으로써, 1차측 코일(15)에 가까이 있는 금속편을 검출할 수 있다.

상기 측정 원리를 전력 수신기(2차측)에 적용함으로써, 전력 수신기가 품질 계수를 측정할 수 있게 한다. 그러나, 품질 계수 측정 시에 급전이 행해지고 있으면, 송전측으로부터 출력된 자계로 인해 전력 수신기의 코일에 대전력이 발생하므로, 전압 V2이 정상적으로 측정되지 않는다. 따라서, 품질 계수가 정확하게 얻어지지 않게 되는데, 이는 금속 이물질을 정밀하게 검출할 수 없게 한다.

상기의 단점을 해소하기 위해서는, 측정 시에 급전을 멈추게 할 필요가 있다. 그러나, 급전을 중단하면, 2차측 품질 계수를 측정하기 위한 회로를 가동시키는 대형의 배터리가 필요하다. 또한, 다른 해결책으로서 전력 수신기에 배터리가 탑재되면, 제품 수명이 영향을 받게 되고, 휴대 기기의 배터리의 충전 용량이 없어서 바로 충전이 필요한 때에는 금속 이물질의 검출을 실행할 수 없다.

따라서, 본 발명자들은, 1차측으로부터 공급된 전력을 이용해서 2차측에서 품질 계수 측정을 행하지만, 1차측으로부터 전력을 수전하고 있을 시에는 2차측에서 품질 계수 측정을 행하지 않는, 배터리 없는 전자기 결합 상태 검출 기술을 발명하였다.

[제1 실시 형태의 구성]

(전력 전송기의 구성예)

본 개시의 제1 실시 형태에 관한 전력 전송기(1차측)의 구성예를 설명한다.

도 5는, 본 개시의 제1 실시 형태에 관한, 전력 전송기의 내부 구성예를 도시하는 블록도이다. 블록도에서 나타낸 검출 회로를 사용하여, 금속 등의 도체(금속 이물질)을 검출한다. 검출 회로가 제공된 전력 전송기는, 전자기 결합 상태 검출 장치의 일례이다.

본 실시 형태의 검출 회로는, 정류부(21A 및 21B), 아날로그/디지털 변환기(이하, "ADC"이라고 한다)(22A 및 22B), 및 메인 제어부(23)를 포함한다.

정류부(21A)는, 신호원(11)과 캐패시터(14) 사이에서 입력되는 교류 신호(교류 전압)를 직류 신호(직류 전압)로 변환한 다음, 이 변환된 신호를 출력한다. 마찬가지로, 정류부(21B)는, 1차측 코일(15)와 캐패시터(14) 사이에서 입력되는 교류 신호(교류 전압)를 직류 신호(직류 전압)로 변환한 다음, 이 변환된 신호를 출력한다. 변환된 각각의 직류 신호는 ADC(22A 및 22B)에 입력된다.

ADC(22A 및 22B)는, 각각 정류부(21A 및 21B)로부터 입력된 아날로그 직류 신호를 디지털 직류 신호로 변환한 다음, 이 디지털 직류 신호를 메인 제어부(23)에 출력한다.

메인 제어부(23)는, 제어부의 일례이며, 예를 들어 MPU(Micro-Processing Unit)로 구성되어, 전력 전송기(10) 전체를 제어한다. 이 메인 제어부(23)는, 연산 처리부(23A)와 판정부(23B)로서의 기능을 포함한다.

연산 처리부(23A)는, 소정의 연산 처리를 행하는 블록이다. 본 실시 형태에서는, 연산 처리부(23A)가 ADC(22A 및 22B)로부터 입력된 직류 신호로부터 전압 V1에 대한 전압 V2의 비를 계산하고, 즉 품질 계수를 계산하고, 계산 결과를 판정부(23B)에 출력한다. 또한, 연산 처리부(23A)는, 수전측(2차측)으로부터 금속 이물질의 검출에 관한 정보(전압값 등의 물리량)을 취득하고, 상기 정보에 기초하여 2차측 품질 계수를 계산할 수 있다.

판정부(23B)는, 연산 처리부(23A)로부터 입력된 계산 결과를, 불휘발성 메모리(24)에 저장되어 있는 임계값과 비교하여, 그 비교 결과에 기초하여 금속 이물질이 가까이 있는지의 존재 여부를 판정한다. 또한, 판정부(23B)는, 상기 수전측 품질 계수를 임계값과 비교하여, 금속 이물질이 가까이 있는지의 존재 여부를 판정할 수도 있다.

메모리(24)는, 2차측 코일 위에 또는 그 근방에 아무것도 놓이지 않은 상태에서 미리 측정된 1차측 품질 계수의 임계값(Ref_Q1)을 저장하고 있다. 또한, 메모리(24)는, 수전측(2차측)으로부터 취득한 2차측 품질 계수의 임계값(Q_Max)을 저장한다.

통신 제어부(25)는, 1차측 통신부의 일례이며, 후술하는 전력 수신기의 통신 제어부와의 통신을 행한다. 통신 제어부(25)는, 금속 이물질의 검출에 관한 정보의 송수신, 예를 들어, 2차측 코일을 포함하는 전력 수신기의 공진 회로의 품질 계수와 전압 V1 및 V2의 수신을 행한다. 또한, 통신 제어부(25)는, 메인 제어부(23)의 제어에 따라 신호원(11)에 교류 전압의 발생 또는 정지를 지시한다. 전력 수신기와의 통신에 있어서의 통신 규격으로서는, 예를 들어 IEEE 802.11 규격의 무선 LAN이나 블루투스(Bluetooth)(등록 상표)가 사용될 수 있다. 1차측 코일(15)과 전력 수신기의 2차측 코일을 통해서 정보를 전송하는 구성이 채택될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 또한, 통신 제어부(25)를 통하지 않고, 메인 제어부(23)가 직접 신호원(11)에 지시할 수 있다.

입력부(26)는, 유저 조작에 따른 입력 신호를 생성하고, 이 입력 신호를 메인 제어부(23)에 출력한다.

또한, 본 실시 형태에서는, 전력 전송기(10)가 검출 회로를 포함하고, 1차측 품질 계수에 기초하는 금속 이물질의 검출과, 2차측 품질 계수에 기초하는 금속 이물질의 검출이 가능한 구성에 대해서 설명하고 있다. 이 구성은 이에 한정되지 않고, 전력 전송기(10)가, 적어도 연산 처리 및 판정 처리를 행하는 메인 제어부(23)와, 통신 제어부(25)를 포함하고, 전력 수신기의 품질 계수에 기초하여 금속 이물질을 검출하는 기능을 포함하는 한, 다른 구성도 적용가능하다.

(전력 수신기의 구성예)

이어서, 본 개시의 제1 실시 형태에 관한 전력 수신기(2차측)의 구성예를 설명한다.

도 6은, 휴대 기기 등에 적용되는, 전력 수신기의 내부 구성예를 도시하는 블록도이다. 이 블록도에서 나타낸 검출 회로는, 금속 이물질을 검출한다. 검출 회로가 제공된 전력 수신기는, 전자기 결합 상태 검출 장치의 일례이다. 검출 회로는, 검출부의 일례이다.

본 실시 형태의 전력 수신기(30)는, 2차측 코일(31)과, 상기 2차측 코일(31)에 병렬로 접속된 캐패시터(32)를 포함한다. 병렬 접속되어 있는 코일(31)과 캐패시터(32) 각각의 제1 단부가 캐패시터(33)의 제1 단부에 접속되고, 캐패시터(33)의 제2 단부가 정류부(34)의 제1 입력단에 접속되어 있다. 또한, 병렬 접속되어 있는 2차측 코일(31)과 캐패시터(32) 각각의 제2 단부가 정류부(34)의 제2 입력단에 접속되어 있다.

또한, 정류부(34)의 제1 출력단이 제2 스위치(39)를 통해서 제1 레귤레이터(36)의 입력단에 접속된다. 제1 레귤레이터(36)의 출력단은 부하에 접속되고, 정류부(34)의 제2 출력단이 그라운드 단자에 접속되어 있다. 정류부(34)의 제1 출력단 또한 제2 레귤레이터(37)에 접속되어 있다.

또한, 캐패시터(35)는 제1 스위치(38)에 직렬로 접속되고, 캐패시터(35)의 한 단부가 정류부(34)의 제1 출력단에 접속되고, 제1 스위치(38)의 한 단부가 정류부(34)의 제2 출력단에 접속되어 있다.

제1 레귤레이터(36)는, 출력 전압 및 출력 전류가 항상 일정하게 유지되도록 제어하고, 예를 들어 5 V의 전압을 부하에 공급한다. 마찬가지로, 제2 레귤레이터(37)는, 예를 들어 3 V의 전압을, 대응하는 스위치를 포함하는 각 블록에 공급한다.

캐패시터(33)의 제2 단부는, 제3 스위치(40)에 접속되어 있고, 상기 제3 스위치(40), 저항 소자(52) 및 증폭기(51)를 통해서 교류 전원(50)(발진 회로)에 접속되어 있다. 또한, 캐패시터(33)의 제2 단부는, 제3 스위치(41)를 통해서 증폭기(44A)의 입력단에 접속되어 있다. 한편, 캐패시터(33)의 제1 단부는, 제3 스위치(42)를 통해서 증폭기(44B)의 입력단에 접속되어 있다. 또한, 병렬 접속되어 있는 2차측 코일(31)과 캐패시터(32) 각각의 제2 단부가, 제3 스위치(43)를 통해서 그라운드 단자에 접속되어 있다.

제1 스위치(38)(제1 전환부의 일례), 제2 스위치(39)(제2 전환부의 일례), 및 제3 스위치(40 내지 43)(제3 전환부의 일례)로서는, 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 등의 스위칭 소자가 적용된다.

증폭기(44A)의 출력단은, 검출 회로(45) 내에서 엔벨로프 검출부(45A)에 접속되어 있다. 엔벨로프 검출부(45A)는, 캐패시터(33)의 제2 단부로부터 제3 스위치(41) 및 증폭기(44A)를 통해서 입력되는 교류 신호(전압 V1에 대응)의 엔벨로프(envelope)를 검출하고, 이 검출된 신호를 아날로그/디지털 변환기(ADC)(46A)에 공급한다.

한편, 증폭기(44B)의 출력단은, 검출 회로(45) 내에서 엔벨로프 검출부(45B)에 접속되어 있다. 엔벨로프 검출부(45B)는, 캐패시터(33)의 제1 단부로부터 제3 스위치(42) 및 증폭기(44B)을 통해서 입력되는 교류 신호(전압 V2에 대응)의 엔벨로프를 검출하고, 이 검출된 신호를 아날로그/디지털 변환기(ADC)(46B)에 공급한다.

ADC(46A 및 46B)는 각각, 엔벨로프 검출부(45A 및 45B)로부터 입력되는 아날로그 검출 신호를 디지털 검출 신호로 변환한 다음, 이 디지털 검출 신호를 메인 제어부(47)에 출력한다.

메인 제어부(47)는, 제어부의 일례이며, 예를 들어 마이크로 처리 장치(MPU: Micro-Processing Unit)로 구성되고, 전력 수신기(30) 전체를 제어한다. 이 메인 제어부(47)는, 연산 처리부(47A)와 판정부(47B)로서의 기능을 갖는다. 메인 제어부(47)는, 제2 레귤레이터(37)로부터 공급되는 전력을 이용해서 각 스위치(MOSFET의 게이트 단자)에 구동 신호를 공급하고, 온/오프 제어(전환 기능)를 행한다.

연산 처리부(47A)는, 소정의 연산 처리를 행하는 블록이다. 연산 처리부(47A)는, ADC(46A 및 46B)로부터 입력된 검출 신호로부터 전압 V1에 대한 전압 V2의 비를 계산하고, 즉 품질 계수를 계산하고, 계산 결과를 판정부(47B)에 출력한다. 또한, 연산 처리부(47A)는, 설정에 따라, 입력된 검출 신호의 정보(전압값 등)를 송전측(1차측)에 송신할 수도 있다. 또한, 연산 처리부(47A)는, 금속 이물질의 검출 처리 중에 주파수 스위프 처리(frequency sweep processing)를 실행한다(스위프 처리 기능).

판정부(47B)는, 연산 처리부(47A)로부터 입력된 품질 계수를, 불휘발성 메모리(48)에 저장되어 있는 임계값과 비교하여, 그 비교 결과에 기초하여 금속 이물질이 가까이 있는지의 존재 여부를 판정한다. 후술하는 바와 같이, 측정 정보는 전력 전송기(10)에 송신될 수 있고, 전력 전송기(10)는 2차측 품질 계수를 계산하여, 금속 이물질의 존재 여부를 판정할 수 있다.

메모리(48)는, 품질 계수와 비교될 임계값을 저장한다. 임계값은 2차측 코일(31) 위에 또는 그 근방에 아무것도 놓이지 않은 상태에서 미리 측정된다.

증폭기(44A 및 44B), 그 후단의 엔벨로프 검출부(45A 및 45B), ADC(46A 및 46B), 메인 제어부(47)(연산 처리부(47A) 및 판정부(47B)), 및 메모리(48)는, 검출 회로를 구성하는 요소의 일례이다.

통신 제어부(49)는, 2차측 통신부의 일례이며, 전력 전송기(10)의 통신 제어부(25)와의 통신을 행한다. 통신 제어부(49)는, 금속 이물질의 검출에 관한 정보의 송수신을, 예를 들어 2차측 코일(31)을 포함하는 전력 수신기(30)의 공진 회로의 품질 계수와 전압 V1 및 V2의 송신을 행한다. 통신 제어부(49)에 적용되는 통신 규격은, 전력 전송기(10)의 통신 제어부(25)에 적용되는 통신 규격과 유사하다. 2차측 코일(31)과 전력 전송기(10)의 1차측 코일(15)을 통해서 정보를 전송하는 구성이 이용될 수 있다는 점에 유의해야 한다.

교류 전원(50)은, 메인 제어부(47)의 제어 신호에 기초하여 품질 계수 측정 중에 교류 전압(정현파)을 발생시키고, 이 교류 전압을 증폭기(51) 및 저항 소자(52)를 통해서 캐패시터(33)의 제2 단부에 공급한다.

입력부(53)는, 유저 조작에 따른 입력 신호를 생성하고, 이 입력 신호를 메인 제어부(47)에 출력한다.

[전력 수신기의 동작]

상술한 바와 같이 구성된 전력 수신기(30)의 검출 회로는, 3개의 스위치 군, 즉 제1 스위치(38), 제2 스위치(39) 및 제3 스위치(40 내지 43)의 온/오프 전환에 의해 제어된다. 이하, 각 스위치의 전환에 주목해서 전력 수신기(30)의 동작을 설명한다.

우선, 2차측 코일(31)을 통해 전력 전송기(10)로부터 수전한 전력은, 정류부(34)의 후단에 제공된 캐패시터(35)(축전부의 일례)에 충전된다. 캐패시터에 충전된 전력에 의해 동작할 수 있는 전류값 및 시간은, 수학식 6으로 결정된다.

수학식 6에서, C는 캐패시터의 정전 용량값이고, V는 캐패시터의 전압값이며, i는 캐패시터의 전류값이고, t는 시간을 나타낸다. 특히, 10μF의 캐패시터에 충전된 전압값이 예를 들어, 9 V로부터 4 V로 변화할 때, 50 mA의 전류는 1 msec 동안 흐르게 된다. 캐패시터의 정전 용량값이 크면, 큰 전류를 흐르게 하거나 전류를 흘리는 시간을 연장하는 것이 가능하다.

또한, 정류부(34)의 후단에 정전 용량값이 큰 캐패시터(35)가 제공되면, 전력 수신기(30)와 외부 장치 간의 통신 시에 결함이 발생할 수 있다. 따라서, 스위치(38)에 의한 제어가 바람직하다. 즉, 품질 계수 측정 시에만 제1 스위치(38)의 드레인과 소스 간의 도통이 이루어지고, 캐패시터(35)가 접속됨으로써, 그 악영향이 제거된다.

도 7은, 실제로 캐패시터(35)에 충전된 전압(제1 레귤레이터(36)의 입력단에서의 전압)이 강하되어 가는 상태의 파형도이다.

원래, 전력 전송기(10)의 캐리어 신호가 멈추면, 제1 레귤레이터(36)의 입력단에서의 전압은 0 V로 강하된다. 그러나, 도면에서, 캐패시터(35)에 축적된 전하로 인해 전압 강하가 완만해져 있는 것을 확인할 수 있다. 도 7의 예에서는, 약1.8 ms의 캐리어 정지 기간 동안, 제1 레귤레이터(36)의 입력단에서의 전압이 9.5 V로부터 8.5 V로 서서히 강하한다.

따라서, 검출부가 다소 적은 전류를 소비하고, 또한 품질 계수 측정의 시간이 짧으면, 전력 전송기(10)로부터 출력된 캐리어 신호가 멈추고 있는 사이에 품질 계수를 측정하는 것은 가능하다. 전력 전송기(10)로부터 출력된 캐리어 신호가 멈출 때(품질 계수 측정시)에는, 부하가 확실하게 검출부로부터 전기적으로 분리될 필요가 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 제2 스위치(39)로서 P 채널 MOSFET를 사용하고, 전력 수신기(30)가 캐리어 신호의 입력에 응답하여 오프되는 제어를 이용하거나, 제1 레귤레이터(36)의 인에이블 기능을 이용함으로써, 그러한 전기적 분리가 제어된다. 캐패시터(35)의 충전 또는 통신 제어부(49)를 통한 통신을 행하고 있는 동안에는, 검출 회로로부터 부하를 분리할 필요가 없다.

품질 계수 측정 시에는, 상술한 측정기(LCR 미터)에 유사한 방법을 사용하여, 캐패시터(33)의 양단 간의 전압값을 측정한다. 구체적으로는, 캐리어 신호를 멈춘 타이밍에서 제3 스위치(40 내지 43)가 온되고, 교류 전원(50)으로부터 출력된 정현파를 정류하여 취득되고 캐패시터(33)의 제1 단부 및 제2 단부에서 검출되는 2개의 전압 파형으로부터, 품질 계수가 계산된다. 계산된 품질 계수와 미리 설정한 임계값을 비교함으로써, 금속 이물질의 검출이 행해진다.

[비접촉 전력 전송 시스템의 전체 제어]

이어서, 본 개시의 제1 실시 형태에 관한 비접촉 전력 전송 시스템의 전체 제어에 대해서 설명한다.

도 8은, 전력 전송기(10)(도 5 참조)와 전력 수신기(30)(도 6 참조)를 포함하도록 구성되는 비접촉 전력 전송 시스템의 급전 시에 있어서의 처리를 나타내는 흐름도이다.

전력 전송기(10)(1차측)가 작동하고, 전력 수신기(30)(2차측)가 전력 전송기(10)의 근방에 배치되면, 전력 전송기(10)와 전력 수신기(30)의 사이에서 네고시에이션(negotiation)이 행해진다. 전력 전송기(10)와 전력 수신기(30)가 서로 다른 측을 인식한 후에 급전이 개시된다. 전력 전송기(10) 또는 전력 수신기(30)는, 급전 개시 시에 품질 계수 측정을 행하고, 현재의 품질 계수 측정이 첫 번째 측정인지를 판정한다(단계 S1).

예를 들면, 전력 전송기(10) 또는 전력 수신기(30)가 온된 직후에 측정이 행해지면, 각각의 장치는, 현재의 품질 계수 측정이 첫 번째 품질 계수 측정이라고 판정한다. 대안적으로, 네고시에이션의 결과, 전력 수신기(30)의 ID 정보(식별 정보)로부터 전력 수신기(30)가 제1 통신 파트너로서 식별될 때, 전력 전송기(10)는 현재의 품질 계수 측정이 첫 번째 측정이라고 판정한다. 또 다른 대안으로서는, 네고시에이션 시에, 전력 전송기(10)는, 전력 수신기(30)에 의해 계산되는 품질 계수 측정의 횟수의 결과를 전력 수신기(30)로부터 수신하고, 품질 계수 측정의 횟수를 파악할 수 있다.

또 다른 예로서, 전회의 품질 계수 측정으로부터의 경과 시간을 이용하여, 판정이 행해질 수 있다. 전력 전송기(10)(및 전력 수신기(30))는, 시계부(도시하지 않음)를 갖고, 품질 계수 측정을 행했을 때, 전력 전송기(10)(및 전력 수신기(30))는 측정 시각에 대응되는 측정된 품질 계수를 메모리(24)(및 메모리(48))에 기억해 둔다. 그 다음, 전력 전송기(10)(및 전력 수신기(30))는 전회의 품질 계수 측정의 시각과 현재의 품질 계수 측정의 시각을 비교하고, 소정값을 초과하는 시간차가 검출되면, 현재의 품질 계수 측정이 첫 번째 품질 계수 측정으로서 판정된다. 예를 들어, 주파수 스위프를 수반하는 품질 계수 측정이 첫 번째 품질 계수 측정으로서 정의되고, 품질 계수 측정의 횟수는 이 정의된 첫 번째 측정을 기준으로 결정된다. 전회의 품질 계수 측정시에 시계부의 타이머 기능이 작동될 수 있고, 품질 계수 측정의 횟수는 타이머의 경과 시간을 기초로 하여 결정될 수 있다는 점에 유의해야 한다.

품질 계수 측정이 첫 번째 측정으로 판정된 경우, 전력 수신기(30)는, 교류 전원(50)으로부터 출력된 측정용의 테스트 신호(정현파)에 복수의 주파수를 사용해서(스위프 측정), 복수의 획득된 2차측 품질 계수로부터 가장 큰 품질 계수를 얻는다(단계 S2). 품질 계수가 가장 클 때의 테스트 신호의 주파수는 메모리에 저장된다. 단계 S2에서의 처리의 상세에 대해서는 후술한다.

품질 계수를 측정하기 위해서는, 공진 주파수의 정현파가 전력 수신기(30)에 입력될 필요가 있다. 그러나, 전력 수신기(30)에서의 부품 품질의 변동, 실장된 코일과 장치의 내부 금속(예를 들어, 하우징) 간의 위치 관계의 변동, 2차측 코일(31) 주위의 환경, 함유된 금속 이물질 등으로 인해, 공진 주파수가 변화된다. 따라서, 공진 주파수의 시프트를 고려하여, 적절한 범위 내에서 복수의 상이한 주파수를 사용하여 측정(주파수 스위프)함으로써, 공진 주파수를 찾을 필요가 있다. 주파수 스위프가 첫 번째 품질 계수 측정에 필요하나, 비접촉 전력 전송 시스템 전체를 고려하면, 2회째 이후의 품질 계수 측정은 생략될 수 있다. 2회째 이후의 품질 계수 측정에 있어서 주파수 스위프를 생략할 수 있는 예로서는, 전력 전송기(10)와 전력 수신기(30) 간의 위치 관계가, 첫 번째 품질 계수 측정시와 크게 변하지 않은 경우가 예시된다.

한편, 단계 S1에서의 판정 처리에 있어서 현재의 품질 계수 측정이 첫 번째 품질 계수 측정으로 판정되지 않은 경우, 전력 수신기(30)는, 첫 번째 품질 계수 측정에서 판정된 주파수의 테스트 신호를 사용해서 품질 계수를 얻는다(단계 S3). 단계 S3에서의 처리의 상세에 대해서는 후술한다.

전력 전송기(10) 또는 전력 수신기(30)는, 2차측 품질 계수에 기초하여 금속 이물질이 존재할 가능성이 있는지를 판정한다(단계 S4). 금속 이물질이 존재할 가능성이 없는 경우에는, 단계 S6으로 진행한다.

한편, 단계 S4에서의 판정 처리에서 금속 이물질이 존재할 가능성이 있는 경우에는, 처리는 단계 S2로 진행하고, 전력 수신기(30)는, 테스트 신호의 주파수 스위프를 행하여, 복수의 2차측 품질 계수로부터 가장 큰 품질 계수를 얻는다.

단계 S2의 처리가 종료된 후, 전력 전송기(10) 또는 전력 수신기(30)는, 계산에 의해 취득된 2차측 품질 계수에 기초하여 금속 이물질의 존재 유무를 판정한다(단계 S5). 금속 이물질이 존재하는 경우에는, 종료 처리로서, 급전이 강제 종료되거나 유저에게 경고를 행한다. 급전의 강제 종료는, 전력 전송기(10)의 송전을 정지시키거나, 전력 전송기가 송전을 계속 하더라도 전력 수신기(30)의 수전을 정지시킴으로써 가능하다.

상술한 단계 S2 내지 S5에 있어서의 품질 계수 측정은, 축전부(캐패시터(35))에 충전한 전력을 이용해서 행한다. 예를 들어, 주파수 스위프의 경우에, 1 주파수의 테스트 신호에 대해서 품질 계수(즉, 전압 V1 및 V2)의 측정을 가능케 하는 양만큼 전하를 캐패시터(35)에 충전한 후에, 품질 계수 측정, 충전, 및 후속 주파수의 테스트 신호에 대한 품질 계수 측정을 반복한다.

그 다음, 단계 S5에 있어서 금속 이물질이 검출되지 않은 경우에는, 전력 전송기(10)로부터 전력 수신기(30)로의 급전이 소정의 시간 동안 행해진다(단계 S6).

마지막으로, 전력 수신기(30)는, 배터리 등(부하, 도시하지 않음)이 만충전 되었는지를 판정하고, 그 판정 결과를 전력 전송기(10)에 송신한다(단계 S7). 배터리가 만충전된 경우에는, 충전 처리를 종료하고, 배터리가 만충전되어 있지 않은 경우는, 처리는 단계 S1로 이행해서 상기 처리들을 반복한다. 만충전에 대한 판정 및 통신은, 급전중에 행할 수 있다는 점에 유의해야 한다.

이와 같이, 첫 번째 품질 계수 측정에서만 주파수 스위프를 행하고, 2회째 이후에서의 품질 계수는 첫 번째 품질 계수 측정에서 최적으로 판정된 주파수의 테스트 신호에 대해서만 측정된다. 그러나, 금속 이물질이 존재할 가능성이 있는 2회째 이후의 품질 계수 측정에서 판정이 이루어진 경우에, 1차측 코일과 2차측 코일 간의 위치 관계의 변화로 인해 주파수 시프트의 가능성이 있기 때문에, 다시 주파수를 스위프해서 판정을 행한다. 주파수를 스위프해도 금속 이물질이 있는 것으로 판정된 경우에는, 급전은 강제 종료되거나 유저에게 경고를 행한다. 이 방법은 품질 계수 측정의 시간을 대폭 저감시킬 수 있다.

[1차측에서 주파수 스위프를 수반하는 품질 계수 측정을 행하는 예]

이어서, 단계 S2에서의 주파수 스위프를 수반하는 품질 계수 측정을 1차측에서 행하는 경우의 처리를 설명한다. 주파수 스위프를 행하므로, 품질 계수 측정이 첫 번째 측정으로서 판정된다고 가정한다. 본 처리는, 전력 전송기(10)가, 현재의 품질 계수 측정이 첫 번째 측정이라고 판정했을 경우에, 또는 전력 수신기(30)가, 현재의 품질 계수 측정이 첫 번째 품질 계수 측정이라고 판정해서 그 결과를 전력 전송기(10)에 송신한 경우에, 행해질 것으로 여겨진다.

도 9는, 1차측(전력 전송기(10))에 있어서 주파수 스위프를 반영한 품질 계수 측정을 행하는 경우의 처리를 나타내는 흐름도이다.

우선, 전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)와의 네고시에이션을 종료한 후, 전력 전송기(10)의 메인 제어부(23)는, 1차측 코일(15)로부터 전자파를 출력시켜, 전력 수신기(30)로의 송전(캐리어 신호의 송신)을 개시한다(단계 S11). 전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 전력 전송기(10)로부터 출력된 전자파를 2차측 코일(31)을 통해 수신해서, 수전 처리를 개시한다(단계 S12).

송전 처리를 개시하면, 전력 전송기(10)의 메인 제어부(23)는, 통신 제어부(25)를 통해서 첫 번째 품질 계수 측정의 커맨드를 전력 수신기(30)에 송신한다(단계 S13). 전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 통신 제어부(49)를 통해서 첫 번째 품질 계수 측정의 커맨드를 전력 전송기(10)로부터 수신한다(단계 S14).

도 10은, 본 개시의 제1 실시 형태에 관한, 비접촉 전력 전송 시스템에 있어서의 동작 타이밍 차트이다.

본 실시 형태에서는, 품질 계수 측정을 행하기 위한 "품질 계수 측정 기간(61-1, 61-2 및 61-3)", 및 전력 공급(품질 계수 측정 이외) 등의 처리를 행하기 위한 "전력 공급 기간(62)"이 교대로 설정되어 있다. 전력 전송기(10)와 전력 수신기(30) 간의 통신이 확립되었을 때에, 전력 전송기(10)의 메인 제어부(23)가, 단계 S13에 있어서의 첫 번째 품질 계수 측정의 커맨드를 발행한다. 첫 번째 품질 계수 측정의 커맨드는, 예를 들어 첫 번째 품질 계수 측정 기간 61-1의 선두에서 송신된다. 첫 번째 품질 계수 측정 기간은, "충전", "주파수 f₁에서의 품질 계수 측정", "충전", "주파수 f₂에서의 품질 계수 측정", ... , "주파수 f_n-1에서의 품질 계수 측정", "충전", "주파수 f_n에서의 품질 계수 측정", "충전", 및 "1차측으로의 송신"을 포함하는 복수의 기간으로 나누어진다.

전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 이들 복수의 기간에 대응하도록 제1 스위치(38), 제2 스위치(39) 및 제3 스위치(40 내지 43)의 온/오프를 전환한다. 이하에서는, 제1 스위치(38), 제2 스위치(39) 및 제3 스위치(40 내지 43)의 주된 전환 타이밍에 대해서 설명한다.

1. 제1 스위치(38)는, 품질 계수 측정 기간 동안에 온되고(캐패시터(35)를 충전), 그 이외의 기간(전력 공급 기간) 동안에는 오프된다.

2. 제2 스위치(39)는, 품질 계수 측정 기간 동안에 오프되고, 그 이외의 기간(전력 공급 기간) 동안에는 온된다.

3. 제3 스위치(40 내지 43)는, 품질 계수 측정 기간 동안에(특히, 전압 V1 및 V2의 검출시에) 온되고, 그 이외의 기간 동안에는 오프된다.

첫 번째 품질 계수 측정의 커맨드를 수신하면, 전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 제1 스위치(38)를 온시키고, 정류부(34)를 캐패시터(35)에 전기적으로 접속시키며, 1차측으로부터 수전한 전력을 충전한다. 이때, 전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 제2 스위치(39)를 오프시키고, 캐패시터(35)로부터 제1 레귤레이터(36), 즉 부하를 분리한다(단계 S15).

계속해서, 전력 수신기(30)의 교류 전원(50)은, 메인 제어부(47)의 제어에 응답하여, 측정용의 테스트 신호(정현파)를 출력한다. 이때의 테스트 신호의 주파수 Freq는 초기값 f₁로 설정된다(단계 S16).

전력 전송기(10)의 메인 제어부(23)는, 전력 수신기(30)로의 송전(캐리어 신호의 송신)을 정지한다(단계 S17). 단계 S13에서의 송전 개시부터 단계 S17에서의 송전 정지까지의 대기 시간은, 적어도 캐패시터(35)를 원하는 전력(1 주파수에서의 품질 계수 측정에 필요한 전력)으로 충전하는데 필요로 하는 시간 이상이다.

전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 전력 전송기(10)로부터의 송전의 정지에 응답하여, 수전을 정지한다(단계 S18).

이때, 메인 제어부(47)는, 제3 스위치(40 내지 43)를 온한다(단계 S19). 제3 스위치(40)를 온함으로써, 교류 전원(50)에서 발생한 주파수 f₁의 테스트 신호는, 제3 스위치(40)를 통해서 캐패시터(33)의 제2 단부에 공급된다. 또한, 제3 스위치(41)를 온함으로써, 캐패시터(33)의 제2 단부가 증폭기(44A)의 입력단과 도통되고, 제3 스위치(42)를 온함으로써, 캐패시터(33)의 제1 단부가 증폭기(44B)의 입력단과 도통된다.

그 다음, 메인 제어부(47)는, 증폭기(44A), 엔벨로프 검출부(45A) 및 ADC(46A)를 통해서, 캐패시터(33)의 제2 단부에서의 전압 V1을 검출하고, 이 전압 V1을 메모리(48)에 기록한다. 마찬가지로, 메인 제어부(47)는, 증폭기(44B), 엔벨로프 검출부(45B) 및 ADC(46B)를 통해서, 캐패시터(33)의 제1 단부에서의 전압 V2을 검출하고, 이 전압 V2를 메모리(48)에 기록한다(단계 S20).

주파수 f₁의 테스트 신호에 대해 전압 V1 및 V2을 취득한 후, 메인 제어부(47)는, 제3 스위치(40 내지 43)를 오프한다(단계 S21).

이때, 전력 전송기(10)의 메인 제어부(23)는, 전력 수신기(30)로의 송전을 다시 개시한다(단계 S22). 단계 S17에서의 송전 정지로부터 단계 S22에서의 송전 개시까지의 대기 시간은, 적어도 전압 V1 및 V2을 검출하고 기록하는데 필요로 하는 시간 이상이다. 그 다음, 단계 S22에서 전력 수신기(30)로의 송전을 재개한 후, 캐패시터(35)를 충전하는 대기 시간이 경과한 후에 처리는 단계 S17로 복귀되고, 전력 전송기(10)의 메인 제어부(23)는, 송전을 다시 정지한다. 단계 S22에서의 송전 개시부터 단계 S17에서의 송전 정지까지의 대기 시간은, 적어도 캐패시터(35)를 원하는 전력으로 충전하는데 필요로 하는 시간 이상이다.

전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 전력 전송기(10)의 송전의 재개시에 응답하여, 전력 전송기(10)로부터의 수전을 개시하고, 캐패시터(35)를 충전한다(단계 S23). 캐패시터(35)의 충전을 위한 대기 시간 동안에, 전력 수신기(30)의 교류 전원(50)은, 메인 제어부(47)의 제어에 응답하여, 후속 주파수 Freq의 테스트 신호를 출력한다(단계 S24). 이때의 테스트 신호의 주파수 Freq는 f₂이다.

단계 S24에서의 처리가 완료된 후, 캐패시터(35)의 충전을 위한 대기 시간이 경과한 후에 처리는 단계 S18로 복귀되고, 전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 전력 전송기(10)로부터의 송전의 정지에 응답하여, 수전을 정지한다. 그 다음, 전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 단계 S19 이후의 처리를 계속하고, 주파수 f₂의 테스트 신호를 사용하여 품질 계수 측정을 행하고, 전압 V1 및 V2을 취득한다.

단계 S18에서의 수전 정지로부터 단계 S23에서의 수전 개시까지의 기간(단계 S19 내지 S21) 동안에, 검출 회로의 각 블록은 캐패시터(35)에 충전된 전력만으로 동작한다.

각각의 주파수의 각 테스트 신호마다 전압 V1 및 V2을 취득하는 처리(주파수 스위프)가 완료되면, 전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 제1 스위치(38)를 오프하고, 캐패시터(35)를 검출 회로로부터 분리한다(단계 S25). 계속해서, 전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 교류 전원(50)을 제어해서 테스트 신호의 출력을 정지한다(단계 S26).

그 다음, 전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 전력 전송기(10)로부터의 첫 번째 품질 계수 측정의 커맨드에 대해 응답한다. 응답으로서, 전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 메모리(48)에 저장되어 있는, 금속 이물질의 판정에 사용된 임계값, 및 각각의 주파수의 테스트 신호를 사용해서 취득된 측정 데이터 군(Freq, V1 및 V2)을, 통신 제어부(49)를 통해서 전력 전송기(10)에 회신한다(단계 S27).

또한, 도 9에 나타내는 흐름도에서는, 캐패시터(35)를 충전 중에 제2 스위치(39)를 오프하고, 캐패시터(35)로부터 제1 레귤레이터(36)(부하)를 분리한다(단계 S15 참조). 그러나, 부하에는 캐패시터(35)가 충전되고 있는 동안에, 전력이 공급될 수 있다. 급전(캐패시터(35)에의 충전)은 적어도 품질 계수 측정시(특히, 전압 V1 및 V2의 검출시)에는 정지될 필요가 있고, 통신 중에 또는 캐패시터(35)가 충전되고 있는 동안에는, 급전을 계속하거나 정지할 수도 있다. 이것은, 이하에 설명하는 다른 흐름도(도 12, 도 13 및 도 14)에서도 마찬가지로 적용된다.

단계 S27에서의 처리 후, 전력 전송기(10)는, 전력 수신기(30)로부터 임계값과 측정 데이터 군(Freq, V1 및 V2)을 수신하고, 이들 임계값과 측정 데이터 군을 메모리(24)에 저장한다(단계 S28).

그 다음, 전력 전송기(10)의 연산 처리부(23A)가, 수학식 5에 기초하여, 전력 수신기(30)로부터 수신한 테스트 신호의 주파수 Freq 각각에 대해 전압 V1 및 V2로부터 2차측 품질 계수를 계산하고, 주파수와 품질 계수의 표를 작성해서, 이 표를 메모리(24)에 저장한다. 도 11은, 테스트 신호의 주파수와 품질 계수 간의 관계를 그래프로 나타낸다. 가장 큰 2차측 품질 계수(Q_Max)가 판정된다(단계 S29). 도 11의 예에서는, Q_Max는, 품질 계수의 주파수 특성 곡선에서의 최대값 부근의 주파수 f₀에서의 품질 계수이다.

이어서, 전력 전송기(10)의 판정부(23B)는, Q_Max와 메모리(24)에 저장되어 있는 임계값을 비교하여, Q_Max가 임계값보다 낮은지를 판정한다(단계 S30).

단계 S30에서의 판정 처리에 있어서, Q_Max가 임계값보다 낮은 경우에는, 판정부(23B)는, 금속 이물질이 존재하는 것으로 판정하고(도 8의 단계 S5), 완료 처리를 행한다. 한편, Q_Max가 임계값 이상인 경우에는, 판정부(23B)는, 금속 이물질이 없는 것으로 판정하고(도 8의 단계 S5), 처리는 단계 S6으로 이행한다.

표 2에 나타낸 측정 결과에 있어서, 금속 이물질이 있을 때와 금속 이물질이 없을 때와의 사이에는 적어도 25%만큼의 품질 계수의 차이가 있다. 따라서, 예를 들어, 금속 이물질이 있을 때의 품질 계수로부터 25%를 차감하여 취득된 값이 임계값으로서 사용될 수 있다. 그 값은 단지 일례이며, 그 값은 전력 수신기의 구조, 환경, 검출될 금속 이물질의 크기 및 종류에 따라 품질 계수의 변화량이 상이하므로, 측정 대상에 따라서 적절히 설정되는 것이 바람직하다.

[2차측에서 주파수 스위프를 반영한 품질 계수를 계산하는 예]

이어서, 단계 S2에서의 주파수 스위프를 반영한 품질 계수가 2차측에서 계산되는 경우에서의 처리를 설명한다. 주파수 스위프가 행해지기 때문에, 도 9의 흐름도와 마찬가지로, 품질 계수 측정이 첫 번째 측정으로서 판정되는 것으로 가정된다.

도 12는, 주파수 스위프를 반영한 품질 계수 측정을 2차측(전력 수신기(30))에서 행하는 경우의 처리를 나타내는 흐름도이다.

도 12의 단계 S41 내지 S56에서의 처리는, 도 9의 단계 S11 내지 S26에서의 처리와 동일하므로, 그 설명은 생략한다.

단계 S56에 있어서 테스트 신호의 출력이 정지된 후, 전력 수신기(30)의 연산 처리부(47A)는, 수학식 5에 기초하여, 테스트 신호의 각 주파수에 대해 전압 V1 및 V2로부터 2차측 품질 계수를 계산하고, 주파수와 품질 계수의 표를 작성해서, 이 표를 메모리(48)에 저장한다. 그 다음, 전력 수신기(30)의 연산 처리부(47A)는, 가장 큰 2차측 품질 계수(Q_Max)를 판정한다(단계 S57).

이어서, 전력 수신기(30)의 판정부(47B)는, Q_Max와 메모리(48)에 저장되어 있는 임계값을 비교하여, Q_Max가 임계값보다 낮은지를 판정한다(단계 S58).

단계 S58에서의 판정 처리에 있어서, Q_Max가 임계값보다 낮은 경우에는, 판정부(47B)는, 금속 이물질이 존재하는 것으로 판정한다. 한편, Q_Max가 임계값 이상인 경우에는, 판정부(47B)는 금속 이물질이 없는 것으로 판정한다.

그 다음, 전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 전력 전송기(10)로부터의 첫 번째 품질 계수 측정의 커맨드에 대해 응답한다. 응답으로서, 전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 금속 이물질의 판정 결과를, 통신 제어부(49)를 통해서 전력 전송기(10)에 회신한다(단계 S59).

전력 전송기(10)는, 전력 수신기(30)로부터 금속 이물질의 판정 결과를 수신한다(단계 S60).

그 다음, 전력 전송기(10)의 판정부(23B)는, 전력 수신기(30)로부터 수신한 금속 이물질의 판정 결과를 이용하여, 금속 이물질의 존재 유무를 판정한다(단계 S61).

단계 S61의 판정 처리에 있어서, 판정부(23B)는, 수신한 판정 결과가 금속 이물질의 존재를 나타낸 경우(도 8의 단계 S5), 완료 처리를 행한다. 한편, 판정 결과가 금속 이물질의 부재를 나타낸 경우(도 8의 단계 S5), 처리는 단계 S6으로 이행한다.

상술한 바와 같이, 전력 전송기(10)(1차측)에서 품질 계수가 계산된 경우와, 전력 수신기(30)(2차측)에서 품질 계수가 계산된 경우 모두에서, 측정한 품질 계수와 비교될 임계값은 전력 수신기(30)에 의해 저장된다. 전력 전송기(10)에서 계산을 행하는 경우에는, 전압값과 동시에 임계값이 송신되는데, 그 이유는 전력 수신기(30)로서 다양한 기기가 사용되고, 기기에 따라 임계값이 변동될 것으로 예상되기 때문이다.

도 9에 도시한 바와 같이, 전력 전송기(10)(1차측)가 품질 계수의 계산 및 금속 이물질의 판정을 행하는 경우에는, 전력 수신기(30)(2차측)가 연산 처리부와 판정부를 위한 하드웨어를 가질 필요가 없다고 하는 이점이 있다. 예를 들어, 전력 수신기(30)로서 사용되는 휴대 기기는 소형화, 경량화, 및 비용 삭감을 기대할 수 있다.

한편, 도 12에 도시한 바와 같이, 전력 수신기(30)(2차측)가 품질 계수의 계산 및 금속 이물질의 판정을 행하는 경우에는, 전력 수신기(30)(2차측)가 연산 처리부와 판정부를 위한 하드웨어를 가질 필요가 있다. 또한, 금속 이물질의 존재 또는 부재를 나타내는 판정 결과의 정보만이 전력 전송기(10)(1차측)에 송신된다. 따라서, 정보량이 적어서, 통신 시간이 단축될 것으로 기대된다.

[1차측에서 2회째 이후의 품질 계수 측정을 행하는 예]

이어서, 1차측에서 2회째 이후의 품질 계수 측정을 행하는 경우에서의 처리를 설명한다. 이 예에서는, 주파수 스위프를 행한 후의 2회째 품질 계수 측정을 행하는 경우에 대해서 설명하지만, 3회째 이후의 품질 계수 측정에 있어서도 동일하게 적용한다.

도 13은, 1차측(전력 전송기)에 있어서 품질 계수 측정을 행하는 경우에서의 처리를 나타내는 흐름도이다.

도 13의 단계 S71 내지 S85에서의 처리는, 도 9의 단계 S11 내지 S26(단계 S24는 제외)에서의 처리에 대응하고 있어서, 이하에서는 도 9와 도 13의 사이에서 상이한 점을 중심으로 설명한다.

단계 S71 및 S72에서 송전 처리를 개시하면, 전력 전송기(10)의 메인 제어부(23)는, 통신 제어부(25)를 통해서 2회째 품질 계수 측정의 커맨드를 전력 수신기(30)에 송신한다(단계 S73). 전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 통신 제어부(49)를 통해서 2회째 품질 계수 측정의 커맨드를 전력 전송기(10)로부터 수신한다(단계 S74).

2회째 품질 계수 측정의 커맨드는, 예를 들어 2회째 품질 계수 측정 기간 61-2(도 10 참조)의 선두에서 송신된다. 2회째 품질 계수 측정 기간 61-2는, "충전", "주파수 f₀에서의 품질 계수 측정", "충전", 및 "1차측으로의 송신"을 포함하는 4개의 기간으로 나누어진다. 전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 이들 4개의 기간에 대응하도록 제1 스위치(38), 제2 스위치(39) 및 제3 스위치(40 내지 43)의 온/오프를 전환한다.

전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 2회째 품질 계수 측정의 커맨드를 수신하면, 제1 스위치(38)를 온하고, 충전을 위해 검출 회로에 캐패시터(35)를 접속한다. 이때, 전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 제2 스위치(39)를 오프하고, 제1 레귤레이터(36), 즉 부하를 캐패시터(35)로부터 분리한다(단계 S75).

계속해서, 전력 수신기(30)의 교류 전원(50)은, 메인 제어부(47)의 제어에 응답하여 측정용의 테스트 신호(정현파)를 출력한다. 이때의 테스트 신호의 주파수 Freq는, 전회의 주파수 스위프 처리에서 가장 큰 품질 계수(Q_Max)가 얻어졌을 때의 주파수 f₀(≒ 공진 주파수)로 설정된다(단계 S76).

전력 전송기(10)의 메인 제어부(23)는, 전력 수신기(30)로의 송전(캐리어 신호의 송신)을 정지한다(단계 S77). 단계 S73에서의 송전 개시부터 단계 S77에서의 송전 정지까지의 대기 시간은, 적어도 캐패시터(35)를 원하는 전력(1 주파수에서의 품질 계수 측정에 필요한 전력)으로 충전하는데 필요로 하는 시간 이상이다.

전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 전력 전송기(10)로부터의 송전의 정지에 응답하여, 수전을 정지한다(단계 S78).

이때, 메인 제어부(47)는, 제3 스위치(40 내지 43)를 온한다(단계 S79). 그 다음, 메인 제어부(47)는, 캐패시터(33)의 제2 단부에서의 전압 V1을 검출하고, 이 전압 V1을 메모리(48)에 기록한다. 이때, 메인 제어부(47)는, 캐패시터(33)의 제1 단부에서의 전압 V2을 검출하고, 이 전압 V2을 메모리(48)에 기록한다(단계 S80). 주파수 f₀의 테스트 신호에 대한 전압 V1 및 V2을 취득한 후, 메인 제어부(47)는, 제3 스위치(40 내지 43)를 오프한다(단계 S81).

이때, 전력 전송기(10)의 메인 제어부(23)는, 전력 수신기(30)로의 송전을 다시 개시한다(단계 S82). 단계 S77에서의 송전 정지로부터 단계 S82에서의 송전 개시까지의 대기 시간은, 적어도 전압 V1 및 V2을 검출 및 기록하는데 필요로 하는 시간 이상이다. 도 9에서는, 전력 수신기(30)로의 송전을 재개한 후, 캐패시터(35)를 충전하는 대기 시간이 경과한 후에는 다시 송전을 정지한다. 그러나, 본 실시 형태에서는, 주파수 f₀의 테스트 신호에 대한 측정 데이터의 취득만이 필요하기 때문에, 다시 송전이 정지되지는 않는다.

전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 전력 전송기(10)의 송전의 재개에 응답하여 전력 전송기(10)로부터의 수전을 개시하고, 캐패시터(35)를 충전한다(단계 S83).

도 9에서는, 캐패시터(35)의 충전의 대기 시간 동안에, 후속 주파수 Freq(f₂)의 테스트 신호가 출력되지만(단계 S24 참조), 본 예에서는 행하지 않는다.

전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 주파수 f₀의 테스트 신호에 대한 전압 V1 및 V2을 취득하는 처리가 완료된 후, 제1 스위치(38)를 오프하고, 캐패시터(35)를 검출 회로로부터 분리한다(단계 S84). 계속해서, 전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 교류 전원(50)을 제어해서 테스트 신호의 출력을 정지한다(단계 S85).

그 다음, 전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 전력 전송기(10)로부터의 2회째 품질 계수 측정의 커맨드에 대해 응답한다. 응답으로서, 전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 메모리(48)에 저장되어 있는, 금속 이물질의 판정에 사용된 임계값과, 주파수 f₀의 테스트 신호에 대한 측정 데이터 군(f₀, V1 및 V2)을, 통신 제어부(49)를 통해서 전력 전송기(10)에 회신한다(단계 S86).

전력 전송기(10)는, 전력 수신기(30)로부터 임계값과 측정 데이터 군(f₀, V1 및 V2)을 수신하고, 이들 임계값과 측정 데이터 군을 메모리(24)에 저장한다(단계 S87).

그 다음, 전력 전송기(10)의 연산 처리부(23A)가, 수학식 5에 기초하여, 전력 수신기(30)로부터 수신한 주파수 f₀의 테스트 신호에 대한 전압 V1 및 V2로부터 2차측 품질 계수를 계산한다(단계 S88).

이어서, 전력 전송기(10)의 판정부(23B)는, 상기 계산한 2차측 품질 계수를, 메모리(24)에 저장되어 있는 주파수 스위프 시의 Q_Max와 비교하여, 품질 계수가 Q_Max의 소정의 범위 내에 있는지를 판정한다. 구체예로서는, 전력 전송기(10)의 판정부(23B)는, 품질 계수가 Q_Max보다 X%만큼 낮은지를 판정한다(단계 S89). 즉, 전회의 주파수 스위프 시의 Q_Max는 금속 이물질을 검출하기 위해 기준 품질 계수로서 이용된다.

단계 S89에서의 판정 처리에 있어서, 품질 계수가 Q_Max보다 X% 이상 낮은 경우에, 판정부(23B)는, 금속 이물질이 존재할 가능성이 있는 것으로 판정하고(도 8의 단계 S4), 처리는 단계 S2로 이행한다. 한편, 품질 계수가 Q_Max보다 X%만큼 낮지 않은 경우에는, 판정부(23B)는, 금속 이물질이 없는 것으로 판정하고(도 8의 단계 S4), 처리는 단계 S6으로 이행한다.

상기 판정 처리에 있어서, 품질 계수가 Q_Max보다 X% 이상 낮은 경우에는, 금속 이물질이 존재할 가능성 있는 것으로 판정한다. 그 이유는, 상술한 바와 같이, 1차측 코일과 2차측 코일 간의 위치 관계의 변화로 인해 주파수 시프트의 가능성이 있기 때문이다. 즉, 2회째 품질 계수 측정 시의 주파수는, 첫 번째 품질 계수 측정(주파수 스위프)에서 결정된 공진 주파수 f₀로부터 시프트될 수 있다. 따라서, 첫 번째 품질 계수 측정(주파수 스위프)에서 취득된 공진 주파수 f₀에서의 품질 계수(Q_Max)가, 공진 주파수 f₀를 사용하여 2회째 품질 계수 측정에서 취득된 품질 계수와는 크게 다를 가능성이 있다. 따라서, 2회째 품질 계수 측정에서 취득된 품질 계수가 Q_Max보다 X% 이상 낮은 경우에는, 금속 이물질의 가능성이 있는 것으로 판정되고, 처리는 단계 S2로 이행해서, 금속 이물질의 확실한 판정을 위해 다시 주파수 스위프 처리를 행한다.

[2차측에서 2회째 이후의 품질 계수 계산을 행하는 예]

이어서, 2차측에서 2회째 이후의 품질 계수 측정을 행하는 경우의 처리에 대해서 설명한다. 이 예에서는, 주파수 스위프를 행한 후의 2회째 품질 계수 측정의 경우에 대해서 설명한다.

도 14는, 2차측(전력 수신기)에 있어서 품질 계수 계산을 행하는 경우의 처리를 나타내는 흐름도이다.

도 14의 단계 S91 내지 S105의 처리는, 도 13의 단계 S71 내지 S85의 처리와 동일하므로, 그 설명을 생략한다.

단계 S105에 있어서 테스트 신호의 출력이 정지된 후, 전력 수신기(30)의 연산 처리부(47A)는, 수학식 5에 기초하여, 주파수 f₀의 테스트 신호에 대해 전압 V1 및 V2로부터 2차측 품질 계수를 계산한다(단계 S106).

이어서, 전력 수신기(30)의 판정부(47B)는, 상기 계산한 2차측 품질 계수와 메모리(48)에 저장되어 있는 전회의 주파수 스위프 시의 Q_Max(기준 품질 계수)를 비교하여, 품질 계수가 Q_Max보다 X%만큼 낮은지를 판정한다(단계 S107).

단계 S107에서의 판정 처리에 있어서, 품질 계수가 Q_Max보다 X% 이상 낮은 경우에는, 판정부(47B)는, 금속 이물질이 존재할 가능성이 있는 것으로 판정한다. 한편, 품질 계수가 Q_Max보다 X%만큼 낮지 않은 경우에는, 판정부(47B)는, 금속 이물질이 없는 것으로 판정한다.

그 다음, 전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 전력 전송기(10)로부터의 2회째 품질 계수 측정의 커맨드에 대해 응답한다. 응답으로서, 전력 수신기(30)의 메인 제어부(47)는, 금속 이물질의 판정 결과를, 통신 제어부(49)를 통해서 전력 전송기(10)에 회신한다(단계 S108).

전력 전송기(10)는, 전력 수신기(30)로부터 금속 이물질의 판정 결과를 수신한다(단계 S109).

그 다음, 전력 전송기(10)의 판정부(23B)는, 전력 수신기(30)로부터 수신한 금속 이물질의 판정 결과를 이용하여, 금속 이물질의 존재 유무를 판정한다(단계 S110).

단계 S110에서의 판정 처리에 있어서, 판정부(23B)의 처리는, 상기 수신한 판정 결과가 금속 이물질의 존재 가능성을 나타내는 경우(도 8의 단계 S4), 단계 S2로 이행한다. 한편, 상기 수신한 판정 결과가 금속 이물질의 부재를 나타내는 경우(도 8의 단계 S4), 판정부(23B)의 처리는, 단계 S6으로 이행한다.

도 13 및 도 14에 도시한 바와 같이, 첫 번째 품질 계수 측정(금속 이물질의 판정 처리)에서 결정된 주파수 f₀와 품질 계수를 사용하여, 2회째 이후의 품질 계수 측정이 행해짐으로써, 급전 시간에 대한 금속 이물질 검출을 위한 품질 계수 측정 시간을 단축할 수 있게 된다(도 10 참조).

상술한 제1 실시 형태에 있어서는, 2차측 품질 계수를 이물질 검출에 사용함으로써, 2차측(휴대 기기 등)의 금속 하우징의 영향이 제거된다. 그로 인해, 종래의 DC-DC 효율에 의한 이물질 검출 등과 비교하면, 금속 이물질의 검출 정밀도를 향상시키는 것이 가능하게 된다.

또한, 품질 계수를 측정할 때마다, 캐패시터에 전력을 충전하고, 그 전력으로 검출 회로를 구동함으로써, 1차측으로부터 2차측으로 급전이 행해지지 않는 경우에, 2차측의 배터리를 이용하지 않아도, 품질 계수 측정을 행할 수 있게 된다. 따라서, 2차측에는 금속 이물질 검출을 위한 대형의 배터리 또는 그 전력을 제어하기 위한 복잡한 회로가 필요하지 않으므로, 휴대 기기 등이 소형화, 경량화, 및 비용 삭감되는 것이 기대된다.

또한, 급전과 품질 계수 측정에 있어서 제3 스위치(40 내지 43)를 적절히 전환함으로써, 2차측의 교류 전원으로부터 출력되는, 품질 계수 측정에 사용된 측정 신호(정현파 신호)와, 1차측으로부터 급전된 급전 신호 간의 간섭이 방지되어, 고정밀도로 품질 계수가 계산된다.

본 실시 형태에서는, 품질 계수 측정시에 소비될 전하를 축적하는 축전부로서 캐패시터를 이용했지만, 캐패시터 이외의 축전 수단, 예를 들어 소형의 2차 전지도 사용될 수 있다.

[다른 공진 회로의 예]

또한, 본 실시 형태에서는, 전력 전송기(10)가 직렬 공진 회로를 포함하는 예를 설명한다. 그러나, 그 밖의 다른 공진 회로가 공진 회로로서 사용될 수 있다. 도 15a 및 도 15b에는 그 각각의 예를 나타낸다. 도 15a의 예에서는, 캐패시터(14A)가 캐패시터(14B)와 1차측 코일(15)의 병렬 공진 회로와 직렬로 접속되어 공진 회로를 구성하고 있다. 또한, 도 15b의 예에서는, 캐패시터(14B)가 캐패시터(14A)와 1차측 코일(15)의 직렬 공진 회로와 병렬로 접속되어 공진 회로를 구성하고 있다. 검출부는, 1차측 코일(15)과 캐패시터(14A) 간의 전압 V1과, 1차측 코일(15) 양단 간의 전압 V2을 이용하여, 1차측 품질 계수를 계산한다. 양쪽 전압 V1 및 V2는 도 15a 및 도 15b에 나타내는 공진 회로에서 취득된다. 이상 설명한 직렬 공진 회로 및 그 밖의 공진 회로는, 일례에 불과하며, 공진 회로의 구성이 이들 예에 한정되는 것은 아니다. 전력 전송기(10)에서와 마찬가지로, 다양한 공진 회로를 전력 수신기(30)에도 적용할 수 있다. 도 6에서는, 도 15a에 나타낸 공진 회로가 적용되어 있다.

<2. 제2 실시 형태>

제1 실시 형태에서는, 연산 처리부(23A 및 47A)는, 직렬 공진 회로의 1차측 코일과 캐패시터 간의 전압 V1과, 전력 전송 코일 양단 간의 전압 V2으로부터 품질 계수를 결정한다. 제2 실시 형태에서는, 하프 대역폭 방법에 의해 품질 계수를 결정한다.

하프 대역폭 방법에서는, 직렬 공진 회로를 구성하는 경우에 있어서, 도 16의 그래프로 도시한 바와 같이, 공진 주파수 f₀에서의 임피던스(Zpeak)의 절대값에 대하여 √2배의 임피던스가 되는 대역(주파수 f₁와 f₂ 사이)으로부터, 수학식 7에 의해 품질 계수가 결정된다.

또한, 병렬 공진 회로를 구성하는 경우에서는, 도 17의 그래프로 도시한 바와 같이, 공진 주파수 f₀에서의 임피던스(Zpeak)의 절대값에 대하여 1/√2배의 임피던스가 되는 대역(주파수 f₁와 f₂ 사이)으로부터, 수학식 7에 의해 품질 계수가 결정된다.

<3. 제3 실시 형태>

제1 및 제2 실시 형태와는 달리, 제3 실시 형태는, 연산 처리부(23A 또는 47A)가, 공진 회로의 임피던스의 실부 성분에 대한 허부 성분의 비로부터 품질 계수를 계산하는 경우의 예이다. 제3 실시 형태에서는, 자동 평형 브리지 회로(self-balancing bridge circuit) 및 벡터비 검출기를 사용해서 임피던스의 실부 성분과 허부 성분이 결정된다.

도 18은, 제3 실시 형태에 관한, 임피던스의 실부 성분에 대한 허부 성분의 비로부터 품질 계수를 계산하기 위한 자동 평형 브리지의 회로도이다.

도 18에 나타내는 자동 평형 브리지 회로(70)는 일반적으로 잘 알려진 반전 증폭 회로와 유사한 구성을 갖는다. 반전 증폭기(73)의 반전 입력 단자(-)는 코일(72)에 접속되고, 비반전 입력 단자(+)는 접지된다. 그 다음, 귀환 저항 소자(feedback resistance element: 74)는 반전 증폭기(73)의 출력 단자를 통해 반전 입력 단자(-)에 부귀환(negative feedback)을 제공한다. 또한, 코일(72)에 교류 신호를 입력하는 교류 전원(71)의 출력(전압 V1)과, 반전 증폭기(73)의 출력(전압 V2)은 벡터비 검출기(75)에 입력된다. 코일(72)은, 도 5의 1차측 코일(15) 또는 도 6의 2차측 코일(31)에 대응한다.

이 자동 평형 브리지 회로(70)는, 부귀환의 기능에 의해 반전 입력 단자(-)에서의 전압이 항상 제로가 되도록 동작한다. 또한, 교류 전원(71)으로부터 코일(72)로 흐르는 전류는, 반전 증폭기(73)의 큰 입력 임피던스를 가짐으로써, 거의 모든 전류가 귀환 저항 소자(74)에 유입된다. 그 결과, 코일(72)에 인가된 전압은 교류 전원(71)의 전압 V1과 같아지고, 반전 증폭기(73)의 출력 전압은 코일(72)을 통해 흐르는 전류 I와 귀환 저항값 Rs의 곱이 된다. 이 귀환 저항값 Rs는, 공지의 기준 저항값이다. 따라서, 전압 V1과 전압 V2을 검출해서 이들 간의 비를 계산함으로써 임피던스가 구해진다. 벡터비 검출기(75)는, 전압 V1 및 V2을 복소수로서 구하기 위해서, 교류 전원(71)의 위상 정보(일점 쇄선으로 표시)를 이용한다.

본 실시 형태에서는, 자동 평형 브리지 회로(70), 벡터비 검출기(75) 등을 사용해서 공진 회로의 임피던스 Z_L의 실부 성분 R_L과 허부 성분 X_L을 결정하고, 그 비로부터 품질 계수를 결정한다. 하기의 수학식 8 및 9는, 품질 계수를 결정하는 과정을 나타낸 수학식이다.

<4. 기타>

또한, 상술한 제1 내지 제3 실시 형태에서는, 자계 공명 형태의 비접촉 전력 전송 시스템을 가정해서 설명했다. 그러나, 본 개시는, 송전측으로부터 수전측으로의 급전이 행해지지 않을 때에도, 송전측과 수전측 간에 존재하는 금속 이물질의 검출을 행하고, 검출 정밀도를 향상시키기 위한 것이다. 따라서, 비접촉 전력 전송 시스템은 자계 공명 형태에 한정되는 것이 아니고, 결합 계수 k가 높고 품질 계수가 낮은 전자기 유도 형태에도 적용 가능하다.

또한, 전력 수신기는 송전부를 갖고 있고, 2차측 코일을 통해서 전력 전송기에 비접촉으로 전력을 송전할 수 있다. 대안적으로, 전력 전송기는 부하를 갖고 있고, 전력 전송 코일을 통해서 전력 수신기로부터 비접촉으로 전력 공급을 받을 수 있다.

상술한 제1 내지 제3 실시 형태에서는, 공진 주파수에 있어서의 품질 계수를 측정한다는 점에 유의해야 한다. 그러나, 품질 계수가 측정되는 주파수는 공진 주파수에 대응하지 않을 수 있다. 공진 주파수로부터 허용할 수 있는 범위 내에서 시프트되는 주파수를 사용해서 품질 계수를 측정한 경우에도, 본 개시의 기술을 이용함으로써, 송전측과 수전측과의 사이에 존재하는 금속 이물질의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또한, 1차측 코일 또는 2차측 코일에, 금속 등의 도체가 접근하는 것은, 품질 계수뿐만 아니라, L값을 변화시켜서 공진 주파수를 시프트시킨다. 품질 계수와 함께, L값의 변화로 인한 공진 주파수의 시프트량을 사용해서 전자기 결합 상태를 검출할 수 있다.

또한, 1차측 코일과 2차측 코일 간에 금속 이물질이 끼워졌을 때에 결합 계수 k값도 변한다. 그러한 결합 계수 k값의 변화를, 품질 계수의 변화와 함께, 사용해서 전자기 결합 상태를 검출할 수 있다.

또한, 본 개시의 제1 내지 제3 실시 형태에서는, 1차측 코일 및 2차측 코일로서 코어를 갖고 있지 않은 코일의 예를 설명했지만, 자성체를 갖은 코어 주위를 감는 구조의 코일을 채용할 수 있다.

또한, 본 개시의 제1 내지 제3 실시 형태에서는, 2차측의 휴대 기기로서 휴대 전화기를 사용한 예를 설명했다. 그러나, 2차측의 휴대 기기는 이 예에 한정되지 않고, 휴대용 음악 플레이어 및 디지털 스틸 카메라 등, 전력을 필요로 하는 다양한 휴대 기기가 적용가능하다.

상술한 실시 형태에 관한 일련의 처리는, 하드웨어 또는 소프트웨어에 의해 실행될 수 있다. 일련의 처리는, 소프트웨어에 의해 실행되는 경우에는, 그 소프트웨어를 구성하는 프로그램이 전용의 하드웨어에 내장되어 있는 컴퓨터, 또는 각종 기능을 실행하기 위한 프로그램을 인스톨한 컴퓨터에 의해, 실행가능하다. 예를 들어, 원하는 소프트웨어를 구성하는 프로그램은 범용의 퍼스널 컴퓨터에 인스톨됨으로써 실행될 수 있다.

또한, 상술한 실시 형태의 기능을 실현하는 소프트웨어의 프로그램 코드를 기록한 기록 매체를, 시스템 또는 장치에 제공할 수 있다. 시스템 또는 장치의 컴퓨터(또는 CPU 등의 제어 장치)가 기록 매체에 저장된 프로그램 코드를 판독해서 실행함으로써, 기능이 실현되는 것은 물론이다.

이 경우에 있어서 프로그램 코드를 제공하는 기록 매체의 예는, 플렉시블 디스크, 하드 디스크, 광 디스크, 광자기 디스크, CD-ROM, CD-R, 자기 테이프, 불휘발성 메모리 카드 및 ROM을 포함한다.

또한, 컴퓨터가 판독한 프로그램 코드를 실행함으로써, 상술한 실시 형태의 기능이 달성된다. 또한, 프로그램 코드의 지시에 기초하여, 컴퓨터 상에서 가동하고 있는 OS 등이 실제 처리의 일부 또는 전부를 실행한다. 그러한 처리에 의해 상술한 실시 형태의 기능이 실현되는 경우도 가능하다.

또한, 본 명세서에 있어서, 시계열적인 처리를 기술하는 처리 단계는, 기재된 순서를 따라서 시계열적으로 행해지는 처리는 물론, 반드시 시계열적으로 처리되지 않고도, 병렬적 또는 개별로 실행되는 처리(예를 들어, 병렬 처리 또는 오브젝트에 의한 처리)도 포함한다.

본 개시는 상술한 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 그 외 다양한 변형예 및 응용예가 이루어질 수 있다.

즉, 상술한 실시 형태의 예는, 본 개시의 적합한 구체예이므로, 기술적으로 바람직한 다양한 한정이 붙여질 수 있다. 그러나, 본 개시의 기술 범위는, 각 설명에 있어서 특히 한정하는 취지의 기재가 없는 한, 이들 실시 형태에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어, 상기의 설명에서 기술한 사용 재료와 그 사용량, 처리 시간, 처리 순서, 파라미터의 수치적 조건 등은 양호한 예에 지나지 않고, 또한 설명에 사용한 도면에 있어서의 치수, 형상 및 위치 관계도 개략적인 것이다.

본 개시는 이하와 같이 구성될 수 있음에 유의해야 한다.

(1) 에너지 수신기로서,

전력 전송기로부터 송전된 전력을 무선으로 수전하도록 구성된 전력 수신기 코일;

이물질(foreign object)을 검출하도록 구성된 검출부; 및

상기 이물질의 검출 중에 상기 검출부에 전력을 공급하도록 구성된 축전부

를 포함하는 에너지 수신기.

(2) (1)의 에너지 수신기로서,

상기 전력 수신기 코일에 연결된 Q-값 검출 회로를 더 포함하고,

상기 검출부는, 상기 Q-값 검출 회로에 관련된 품질 계수를 측정하도록 구성되는, 에너지 수신기.

(3) (1)의 에너지 수신기로서,

상기 축전부에 저장된 전력을 사용하여 상기 전력 수신기 코일에의 송전의 정지(suspension) 중에 상기 검출부를 활성화하도록 구성된 제어부를 더 포함하는, 에너지 수신기.

(4) (3)의 에너지 수신기로서,

상기 제어부가 연산 처리부 및 판정부를 포함하고, 상기 연산 처리부는 (i) 상기 전력 수신기 코일에 관련된 품질 계수를 계산하고, (ii) 상기 품질 계수를 상기 판정부에 출력하도록 구성되고, 상기 판정부는 상기 이물질이 상기 전력 수신기 코일의 범위 내에 있는지를 판정하기 위해 상기 품질 계수를 임계값과 비교하도록 구성되는, 에너지 수신기.

(5) (4)의 에너지 수신기로서,

상기 이물질이 상기 전력 수신기 코일의 범위 내에 있는지를 판정하기 위한 상기 임계값을 저장하도록 구성된 메모리를 더 포함하고,

상기 메모리가 상기 제어부와 통신하는 불휘발성 메모리이며,

상기 임계값은 상기 전력 수신기 코일이 실질적으로 상기 이물질로부터 격리될 때 취득되는, 에너지 수신기.

(6) (1)의 에너지 수신기로서,

상기 축전부와 통신하는 스위치를 더 포함하고, 상기 스위치는 (i) 송전의 정지 중에 상기 이물질의 검출을 위해 전력을 제공하기 위해 상기 축전부와 상기 검출부를 연결하고, (ii) 상기 이물질이 검출되지 않았을 때는 상기 축전부와 상기 검출부를 분리하도록 구성되는, 에너지 수신기.

(7) 검출 방법으로서,

전력 수신기 코일로부터 무선으로 수전된 전력을 사용하여 축전부를 충전하는 단계;

검출부를 이용하여 이물질이 상기 전력 수신기 코일의 범위 내에 있는지를 검출하는 단계; 및

상기 축전부를 이용하여 상기 이물질의 검출 중에 상기 검출부에 전력을 제공하는 단계를 포함하는, 검출 방법.

(8) (7)의 검출 방법으로서,

상기 축전부에 저장된 전력을 사용하여 상기 전력 수신기 코일에의 송전의 정지 중에 상기 검출부를 활성화하는 단계를 더 포함하는, 검출 방법.

(9) (7)의 검출 방법으로서,

상기 전력 수신기 코일은 Q-값 검출 회로를 포함하고,

상기 이물질이 상기 전력 수신기 코일의 범위 내에 있는지의 여부를 검출하는 상기 단계는, 상기 검출부에 의한 상기 Q-값 검출 회로에 관련된 품질 계수의 측정에 기초하는, 검출 방법.

(10) (9)의 검출 방법으로서,

상기 축전부의 상기 충전 단계가, 상기 품질 계수의 측정 중에 소비된 전력에 기초하여 전력 전송기로부터 무선으로 전력을 수전하는 단계를 포함하는, 검출 방법.

(11) (8)의 검출 방법으로서,

상기 전력 수신기 코일이 상기 이물질로부터 격리될 때 상기 이물질이 상기 전력 수신기 코일의 범위 내에 있는지를 판정하기 위한 임계값을 취득하는 단계;

제어부와 통신하는 불휘발성 메모리에 상기 임계값을 저장하는 단계;

상기 제어부의 연산 처리부를 사용하여 품질 계수를 계산하는 단계; 및

상기 제어부의 판정부를 사용하여 상기 품질 계수를 상기 임계값과 비교하는 단계를 더 포함하는, 검출 방법.

(12) (7)의 검출 방법으로서,

상기 검출부에 전력을 제공하는 상기 단계가,

(i) 상기 이물질의 검출을 위해 송전의 정지 중에 상기 축전부에 전력이 제공되도록, 스위치를 이용하여 상기 축전부에 상기 검출부를 연결하는 단계, 및

(ii) 상기 이물질이 검출되지 않으면, 상기 축전부와 상기 검출부를 분리하는 단계를 포함하는, 검출 방법.

(13) 전력 전송 시스템으로서,

전력 수신기에 전력을 무선으로 송전하도록 구성된 전력 전송기를 포함하고,

상기 전력 전송기가,

(i) 상기 전력 수신기에 전력을 송전하도록 구성된 전력 전송 코일,

(ii) 상기 전력 전송 코일에 교류 신호를 공급하도록 구성된 송전부, 및

(iii) 상기 전력 수신기로부터 송신된 신호에 응답하여, 상기 송전부로부터의 상기 교류 신호의 공급을 제어하도록 구성된 전력 전송기 제어부를 포함하고,

상기 전력 수신기가,

(i) 상기 전력 전송기로부터 전력을 무선으로 수전하도록 구성된 전력 수신기 코일,

(ii) 이물질을 검출하도록 구성된 검출부,

(iii) 상기 전력 전송기로부터 수전된 상기 전력을 저장하도록 구성되고, 상기 이물질의 검출 중에 상기 검출부에 상기 수전된 전력을 공급하도록 작동 가능한 축전부, 및

(iv) 상기 검출부를 작동시키고, 상기 이물질이 상기 전력 전송 코일의 범위 내에 있는지를 판정하도록 구성된 전력 수신기 제어부를 포함하는, 전력 전송 시스템.

(14) (13)의 전력 전송 시스템으로서,

상기 전력 수신기가 상기 전력 수신기 코일에 연결된 Q-값 검출 회로를 포함하고,

상기 검출부가 상기 Q-값 검출 회로에 관련된 품질 계수를 측정하도록 구성된 전력 전송 시스템.

(15) (13)의 전력 전송 시스템으로서,

상기 전력 수신기 제어부가, 상기 축전부에 저장된 전력을 사용하여 상기 전력 전송기와 상기 전력 수신기 사이의 송전의 정지 중에 상기 검출부를 활성화하도록 구성되는, 전력 전송 시스템.

(16) (13)의 전력 전송 시스템으로서,

상기 전력 수신기가, 상기 이물질이 상기 전력 전송 코일과 상기 전력 수신기 코일 사이에 있는지를 판정하기 위한 임계값을 저장하도록 구성된 메모리를 포함하고,

상기 메모리가, 상기 전력 수신기 제어부와 통신하는 불휘발성 메모리인, 전력 전송 시스템.

(17) (13)의 전력 전송 시스템으로서,

상기 전력 수신기가, 상기 축전부와 통신하는 스위치를 포함하고,

상기 스위치가, (i) 상기 검출부의 활성화 중에 상기 전력 전송기와 상기 전력 수신기 사이의 송전의 정지 중에 전력을 제공하기 위해 상기 축전부와 상기 검출부를 연결하고, (ii) 상기 검출부가 활성화되지 않을 때에는 상기 축전부와 상기 검출부를 분리하도록 구성되는, 전력 전송 시스템.

(18) 검출 장치로서,

이물질이 상기 전력 수신기 코일의 범위 내에 있는지를 검출하도록 구성된 검출부; 및

상기 이물질의 검출 중에 상기 검출부에 전력을 공급하도록 구성된 축전부를 포함하는, 검출 장치.

(19) (18)의 검출 장치로서,

상기 전력 수신기 코일이 Q-값 검출 회로를 포함하고,

상기 검출부가, 상기 Q-값 검출 회로에 관련된 품질 계수를 측정하도록 구성되는, 검출 장치.

(20) (18)의 검출 장치로서,

상기 축전부에 저장된 전력을 사용하여 상기 전력 수신기 코일에의 송전의 정지 중에 상기 검출부를 활성화하도록 구성된 제어부를 더 포함하는, 검출 장치.

(21) (19)의 검출 장치로서,

상기 전력 수신기 코일이 상기 이물질로부터 격리될 때 취득된 임계값을 저장하도록 구성된 메모리; 및

상기 메모리와 통신하는 제어부를 더 포함하며,

상기 제어부가, (i) 상기 제어부의 연산 처리부를 사용하여 상기 품질 계수를 계산하고, (ⅱ) 상기 제어부의 판정부를 사용하여 상기 품질 계수를 상기 임계값과 비교하도록 구성되는, 검출 장치.

(22) (18)의 검출 장치로서,

(i) 상기 검출부의 활성화 중에 상기 전력 수신기 코일에의 송전의 정지 중에 전력을 제공하기 위해 상기 축전부와 상기 검출부를 연결하고, (ii) 상기 검출부가 활성화되지 않을 때에는 상기 축전부와 상기 검출부를 분리하도록 구성된 스위치를 더 포함하는, 검출 장치.

(23) 에너지 전송기로서,

전력 수신기에 전력을 무선으로 송전하도록 구성된 전력 전송 코일;

이물질을 검출하도록 구성된 검출부; 및

상기 이물질의 검출 중에 상기 검출부에 전력을 공급하도록 구성된 축전부를 포함하는, 에너지 전송기.

(24) (23)의 에너지 전송기로서,

상기 검출부가, 상기 이물질이 상기 전력 전송 코일의 범위 내에 있는지를 판정하기 위해 품질 계수를 측정하도록 구성되는, 에너지 전송기.

(25) (23)의 에너지 전송기로서,

상기 축전부에 저장된 전력을 사용하여 상기 전력 전송 코일로부터의 송전의 정지 중에 상기 검출부를 활성화하도록 구성된 제어부를 더 포함하는, 에너지 전송기.

(26) (24)의 에너지 전송기로서,

상기 이물질이 상기 전력 전송 코일의 범위 내에 있는지를 판정하기 위한 임계값을 저장하도록 구성된 메모리를 더 포함하고,

상기 메모리가, 상기 제어부와 통신하는 불휘발성 메모리이며,

상기 임계값이, 상기 전력 전송 코일이 실질적으로 상기 이물질로부터 격리될 때 취득되는, 에너지 전송기.

(27) (23)의 에너지 전송기로서,

상기 축전부와 통신하는 스위치를 더 포함하고,

상기 스위치가, (i) 상기 검출부가 활성화될 때 상기 전력 전송 코일로부터의 송전의 정지 중에 전력을 제공하기 위해 상기 축전부와 상기 검출부를 연결하고, (ii) 상기 검출부가 활성화되지 않을 때에는 상기 축전부와 상기 검출부를 분리하도록 구성되는, 에너지 전송기.

(28) 에너지 수신기로서,

이물질을 검출하도록 구성된 검출부; 및

상기 전력 수신기 코일에의 송전의 정지 중에 상기 검출부를 활성화하도록 구성된 제어부를 포함하는, 에너지 수신기.

(29) (28)의 에너지 수신기로서,

상기 이물질의 검출 중에 상기 검출부에 전력을 공급하도록 구성된 축전부를 더 포함하는, 에너지 수신기.

(30) (28)의 에너지 수신기로서,

상기 검출부가, 상기 Q-값 검출 회로에 관련된 품질 계수를 측정하도록 구성되는, 에너지 수신기.

(31) (28)의 에너지 수신기로서,

상기 제어부가 연산 처리부 및 판정부를 포함하고,

상기 연산 처리부가, (i) 상기 전력 수신기 코일에 관련된 품질 계수를 계산하고, (ii) 상기 품질 계수를 상기 판정부에 출력하도록 구성되고,

상기 판정부가, 상기 이물질이 상기 전력 수신기 코일의 범위 내에 있는지를 판정하기 위해 상기 품질 계수를 임계값과 비교하도록 구성되는, 에너지 수신기.

(32) (28)의 에너지 수신기로서,

상기 임계값이, 상기 전력 수신기 코일이 실질적으로 상기 이물질로부터 격리될 때 취득되는, 에너지 수신기.

(33) (29)의 에너지 수신기로서,

상기 축전부와 통신하는 스위치를 더 포함하고,

상기 스위치가, (i) 송전의 정지 중에 상기 이물질의 검출을 위해 전력을 제공하기 위해 상기 축전부와 상기 검출부를 연결하고, (ii) 상기 이물질이 검출되지 않았을 때에는 상기 축전부와 상기 검출부를 분리하도록 구성되는, 에너지 수신기.

(A) 검출기로서,

2차측 코일을 포함하는 공진 회로;

상기 공진 회로의 품질 계수를 측정하는 검출부;

상기 2차측 코일을 통해 1차측 코일로부터 수전한 전력으로부터, 상기 검출부에 있어서의 상기 품질 계수의 측정시에 소비된 전력량만큼 전력을 충전하는 축전부; 및

상기 축전부에 충전된 전력을 사용하여, 상기 1차측 코일로부터의 송전의 정지 중에, 상기 검출부를 작동시키는 제어부를 포함하는, 검출기.

(B) (A)에 따른 검출기로서,

상기 제어부가, 상기 공진 회로의 품질 계수를 측정하기 위해 상기 검출부를 작동시켜, 상기 2차측 코일과 외부 사이의 전자기 결합 상태를 검출하는, 검출기.

(C) (B)에 따른 검출기로서,

상기 1차측 코일로부터 수전한 전력의 상기 축전부에의 공급과 정지를 전환하는 제1 전환부;

상기 축전부와 부하 사이에 제공되고, 상기 축전부와 상기 부하 간의 연결과 분리를 전환하는 제2 전환부; 및

상기 공진 회로와 상기 검출부 간의 연결과 분리를 전환하는 제3 전환부를 더 포함하고,

상기 제어부는, 제1 전환부를 전환해서 상기 2차측 코일로부터의 전력을 상기 축전부에 공급함으로써, 상기 축전부를 충전하고,

상기 검출부에 있어서 상기 품질 계수 측정시에 소비된 전력량만큼 상기 축전부에 상기 전력을 충전한 후, 상기 1차측 코일로부터의 송전의 정지 중에, 상기 제어부는, 상기 제2 전환부를 전환해서 상기 축전부를 상기 부하로부터 분리하고, 상기 제3 전환부를 전환해서 상기 공진 회로와 상기 검출부를 연결하고, 상기 축전부에 충전된 전력을 사용해서 상기 검출부를 작동시켜, 상기 공진 회로의 품질 계수를 측정하는, 검출기.

(D) (C)에 따른 검출기로서,

상기 제어부는, 현재의 품질 계수 측정이 첫 번째 측정인지의 여부를 판정하고, 상기 품질 계수 측정이 첫 번째 측정으로 판정되면, 상기 제어부는, 복수의 주파수의 측정 신호에 대해서 상기 검출부가 품질 계수를 측정하게 하고, 측정한 품질 계수 중 최대의 품질 계수와 임계값을 비교하고, 그 비교 결과에 기초하여 상기 2차측 코일과 상기 외부 간의 전자기 결합 상태를 검출하는, 검출기.

(E) (D)에 따른 검출기로서,

상기 제어부는, 현재의 품질 계수 측정이 2회째 이후의 측정인 것으로 판정되면, 전회의 품질 계수 측정에서 최대의 품질 계수가 취득되는 주파수의 측정 신호를 사용해서 상기 검출부가 품질 계수를 측정하게 하고, 이때 측정한 품질 계수와 임계값을 비교하고, 그 비교 결과에 기초하여 상기 2차측 코일과 상기 외부 간의 전자기 결합 상태를 검출하는, 검출기.

(F) (E)에 따른 검출기로서,

상기 제어부는, 2회째 이후의 품질 계수 측정에서 취득된 품질 계수와, 전회의 품질 계수 측정에서 취득된 최대의 품질 계수를 비교하여, 이때 측정한 품질 계수가 전회 측정한 품질 계수의 소정 범위 내에 있는지의 여부를 판정하고, 상기 품질 계수가 소정 범위 내에 없으면, 상기 제어부는, 복수의 주파수의 측정 신호에 대해서 상기 검출부가 품질 계수를 측정하게 하고, 상기 측정한 품질 계수 중 최대의 품질 계수와 임계값을 비교하고, 그 비교 결과에 기초하여 상기 2차측 코일과 상기 외부 간의 전자기 결합 상태를 검출하는, 검출기.

(G) (C) 내지 (F) 중 어느 하나에 따른 검출기로서,

상기 전력은, 상기 검출부가 1 주파수의 측정 신호를 사용해서 품질 계수를 측정할 수 있게 하는 전력량만큼 상기 축전부에 충전되고,

상기 제어부는, 상기 충전과 상기 품질 계수 측정을 교대로 반복하기 위해, 상기 제1 전환부, 상기 제2 전환부 및 상기 제3 전환부의 전환을 제어하는, 검출기.

(H) (A) 내지 (G) 중 어느 하나에 따른 검출기로서,

상기 축전부가 캐패시터 또는 소형의 2차 전지인, 검출기.

(I) 전력 수신기로서,

2차측 코일;

상기 2차측 코일을 포함하는 공진 회로;

상기 공진 회로의 품질 계수를 측정하는 검출부;

상기 2차측 코일을 통해 1차측 코일로부터 수전한 전력으로부터, 상기 검출부에 있어서의 상기 품질 계수 측정시에 소비된 전력량만큼 전력을 충전하는 축전부; 및

상기 축전부에 충전된 전력을 사용해서, 상기 1차측 코일로부터의 송전의 정지 중에, 상기 검출부를 작동시키는 제어부를 포함하는, 전력 수신기.

(J) 전력 전송기로서,

2차측 코일에 전력을 송전하는 1차측 코일;

상기 1차측 코일에 교류 신호를 공급하는 송전부;

상기 2차측 코일을 탑재한 전력 수신기로부터 송신되는, 상기 전력 수신기의 품질 계수에 기초하는 전자기 결합 상태를 나타내는 신호에 응답하여, 상기 송전부로부터의 상기 교류 신호의 공급을 제어하는 제어부를 포함하는, 전력 전송기.

(K) 비접촉 전력 전송 시스템으로서,

전력을 무선으로 송전하는 전력 전송기; 및

상기 전력 전송기로부터 송전된 전력을 수전하는 전력 수신기를 포함하고,

상기 전력 수신기는,

2차측 코일을 포함하는 공진 회로;

상기 공진 회로의 품질 계수를 측정하는 검출부;

상기 2차측 코일을 통해 1차측 코일로부터 수전한 전력으로부터, 상기 검출부에서의 상기 품질 계수 측정시에 소비된 전력량만큼 전력을 충전하는 축전부; 및

상기 축전부에 충전된 전력을 사용해서, 상기 1차측 코일로부터의 송전의 정지 중에, 상기 검출부를 작동시키는 제1 제어부를 포함하고,

상기 전력 전송기는,

상기 전력 수신기의 상기 2차측 코일에 전력을 송전하는 상기 1차측 코일;

상기 1차측 코일에 교류 신호를 공급하는 송전부; 및

상기 전력 수신기로부터 송신되는, 상기 전력 수신기의 품질 계수에 기초하는 전자기 결합 상태를 나타내는 신호에 응답하여, 상기 송전부로부터의 상기 교류 신호의 공급을 제어하는 제2 제어부를 포함하는, 비접촉 전력 전송 시스템.

(L) 검출 방법으로서,

비접촉 전력 전송 시스템의 전력 수신기의 축전부에, 상기 전력 수신기에 제공되는 공진 회로의 2차측 코일을 통해서 전력 전송기의 1차측 코일로부터 수전한 전력으로부터, 상기 전력 수신기의 검출부에서의 품질 계수 측정시에 소비된 전력량만큼, 전력을 충전하는 단계;

상기 축전부에 충전된 전력을 사용해서, 상기 1차측 코일로부터의 송전의 정지 중에, 상기 검출부를 작동시켜, 상기 공진 회로의 품질 계수를 결정하는데 필요한 물리량을 취득하는 단계; 및

상기 비접촉 전력 전송 시스템의 상기 전력 수신기 또는 상기 전력 전송기에 의해, 상기 품질 계수를 결정하는데 필요한 상기 물리량으로부터 상기 품질 계수를 계산하는 단계를 포함하는, 검출 방법.

본 명세서에서 사용된 용어 "에너지 수신기" 및 "전력 수신기"는 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 용어 "전력 전송 시스템" 및 "비접촉 전력 전송 시스템은" 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 용어 "검출 장치" 및 "검출기"는 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 용어 "에너지 송신기" 및 "전력 전송기는" 상호 교환적으로 사용될 수 있다.

본 개시는 2011년 7월 5일 일본 특허청에 출원된 일본 우선권 특허 출원 JP 2011-149465호에 개시된 것과 관련된 주제를 포함하고, 그 전체 내용은 본 명세서에 참고로 인용된다.

다양한 변형, 조합, 하부 조합 및 변경들이, 첨부된 청구 범위 또는 이들의 등가물의 범위 내에 있는 한, 설계 조건 및 다른 요인에 따라서 발생할 수 있다는 것은 당업자에 의해 이해되어야한다.

Claims

전력 수신기로서,
전력 전송기로부터 전력을 무선으로 수전하도록 구성된 전력 수신 회로부;
상기 전력 수신 회로부에 의해 수전된 전력을 저장하도록 구성된 축전 장치;
상기 전력 수신기의 품질 계수를 저장하도록 구성된 메모리;
상기 축전 장치로부터 전력을 수전하고 상기 품질 계수를 상기 전력 전송기에 송신하도록 구성된 제어부; 및
상기 전력 수신 회로부와 부하를 전기적으로 연결 및 분리하도록 구성된 제1 전환부
를 포함하는, 전력 수신기.