WO2012132818A1

WO2012132818A1 - 検知装置、送電装置、受電装置、給電システムおよび検知方法

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Publication number: WO2012132818A1
Application number: PCT/JP2012/055959
Authority: WO
Inventors: 知倫村上; 功高吉野
Original assignee: ソニー株式会社
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2012-10-04
Also published as: CN103502845B; EP3382427B1; JP2016192901A; US20160261149A1; US10250080B2; JP6418308B2; CN103502845A; EP2693235A1; CN108462260B; TW201246746A; BR112013024390A2; US20140001881A1; EP2693235B1; JP6261978B2; CN108462260A; JP2018050462A; EP3382427A1; EP2693235A4; JPWO2012132818A1; US10003221B2

Abstract

　導体またはコイルを含む回路を利便良く検知することが可能な検知装置等を提供する。検知装置は、外部との電磁結合が可能なコイルを含む回路におけるＱ値またはその変化の度合いを求めるとともに、その求めた結果に基づいて外部との電磁結合状態についての検知を行う検知部を備えている。

Description

検知装置、送電装置、受電装置、給電システムおよび検知方法

　本開示は、金属等の導体またはコイルを含む回路の存在を検知する検知装置および検知方法、ならびにそのような検知装置（検知部）を備えた送電装置、受電装置および給電システムに関する。

　非接触電力伝送（非接触給電システム）において、送受電用コイルの近くに存在する金属などの導体またはコイルを含む回路を検知することは、安全性および充電を行う上で非常に重要である。

　従来は、送電装置と受電装置を組み合わせて、受電装置の負荷が変化したときの振幅および位相の情報から送電装置（１次側コイル）と受電装置（２次側コイル）との間に挿入された金属物を検知していた（例えば、特許文献１参照）。また、送受電電力効率（コイル間効率とも呼ばれる）の変化から金属物を検知したり、磁気センサ、容量センサあるいは赤外線センサなどを用い、センサ出力の変化から金属物を検知したりしていた。

特許第４４１３２３６号（特開２００８－２０６２３１号公報）

　ところで、このような非接触給電システムでは、上記した金属などの導体（半導体を含む）またはコイルを含む回路を、利便良く検知することが望まれる。

　本開示はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、導体またはコイルを含む回路を利便良く検知することが可能な検知装置、送電装置、受電装置、給電システムおよび検知方法を提供することにある。

　本開示の一実施の形態に係る検知装置は、外部との電磁結合が可能なコイルを含む回路におけるＱ値またはその変化の度合いを求めるとともに、その求めた結果に基づいて外部との電磁結合状態についての検知を行う検知部を備えたものである。

　本開示の一実施の形態に係る送電装置は、外部との電磁結合が可能な送電コイルと、この送電コイルを用いた送電を行う送電部と、送電コイルを含む回路におけるＱ値またはその変化の度合いを求めるとともに、その求めた結果に基づいて外部との電磁結合状態についての検知を行う検知部とを備えたものである。

　本開示の一実施の形態に係る受電装置は、外部との電磁結合が可能な受電コイルと、この受電コイルを用いた受電を行う受電部と、受電コイルを含む回路におけるＱ値またはその変化の度合いを求めるとともに、その求めた結果に基づいて外部との電磁結合状態についての検知を行う検知部とを備えたものである。

　本開示の一実施の形態に係る給電システムは、１または複数の受電装置と、この受電装置に対して電磁結合を利用した電力伝送を行う１または複数の送電装置とを備えたものである。送電装置は、外部との電磁結合が可能な送電コイルと、この送電コイルを用いた送電を行う送電部とを有している。受電装置は、外部との電磁結合が可能な受電コイルと、この受電コイルを用いた受電を行う受電部とを有している。送電コイルもしくは受電コイルを含む回路におけるＱ値またはその変化の度合いを求めるとともにその求めた結果に基づいて外部との電磁結合状態についての検知を行う検知部が、送電装置および受電装置のうちの少なくとも一方に設けられている。

　本開示の一実施の形態に係る検知方法は、外部との電磁結合が可能なコイルを含む回路におけるＱ値またはその変化の度合いを求める第１ステップと、この第１ステップにおいて求めた結果に基づいて、外部との電磁結合状態についての検知を行う第２ステップとを含むようにしたものである。

　本開示の一実施の形態に係る検知装置、送電装置、受電装置、給電システムおよび検知方法では、外部との電磁結合が可能なコイル（例えば、送電コイルや受電コイル）を含む回路におけるＱ値またはその変化の度合いが求められ、その求めた結果に基づいて外部との電磁結合状態についての検知が行われる。これにより、１次側（送電側）と２次側（受電側）とを組み合わせなくても、金属などの導体または電磁結合しているコイルを含む回路が検知可能となる。

　本開示の一実施の形態に係る検知装置、送電装置、受電装置、給電システムおよび検知方法によれば、金属などの導体（半導体を含む）またはコイルを含む回路を、１次側（送電側）と２次側（受電側）とを組み合わせなくても検知することができる。よって、導体またはコイルを含む回路を、利便良く検知することが可能となる。

本開示の第１の実施の形態に係る非接触電力伝送システムの概要を示す説明図である。本開示の第１の実施の形態に係る送電装置に設けられた検知装置（検知回路）の構成例を示すブロック図である。本開示の第１の実施の形態に係る検知処理を示すフローチャートである。（ａ）,（ｂ）は、共振回路の他の例（並列共振回路）を示す回路図である。導体を検知する方法を示す説明図である。送電装置および受電装置に用いられるコイルの一例を示す概略図である。金属サイズ角に対するＱ値の特性を示すグラフである。コイルを含む回路を検知する方法を示す説明図である。受電側共振回路負荷抵抗値に対する送電側共振回路Ｑ値の特性を示すグラフである。送電コイルと受電コイルの間に金属物を挟んだ状態における概略断面図である。金属サイズ角に対する諸特性を示すグラフである。本開示の第２の実施の形態に係る、直列共振回路におけるインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。本開示の第２の実施の形態に係る、並列共振回路におけるインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。本開示の第３の実施の形態に係る、インピーダンスの実部成分と虚部成分の比からＱ値を計算するための回路図である。

　以下、本開示の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。説明は下記の順序で行う。なお、各図において共通の構成要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

　１．第１の実施の形態（演算処理部：直列共振回路のコイル両端電圧とＬＣ間電圧との比からＱ値を計算した例）
　２．第２の実施の形態（演算処理部：半値幅法によりＱ値を計算した例）
　３．第３の実施の形態（演算処理部：インピーダンスの実部成分と虚部成分との比からＱ値を計算した例）
　４．その他（種々の変形例）

＜１．第１の実施の形態＞
（非接触電力伝送システムの説明）
　本開示の第１の実施の形態（以下、「本例」ともいう）では、非接触電力伝送システム（非接触給電システム）の送電装置または受電装置を用いて、これらの装置の近くに存在する金属などの導体やコイルを含む回路を検知するための構成および方法を説明する。以下、金属などの導体やコイルを含む回路を検知することを、「導体等を検知する」ともいう。なお、本明細書でいう導体には、広義の導体すなわち半導体も含まれる。

　第１の実施の形態では、導体などを検知するのに送電装置（１次側）または受電装置（２次側）の、エネルギーの保持と損失の関係を表す（共振回路の共振の強さを示す）Ｑ値の変化を用いる。送電装置の送電コイルもしくは受電装置の受電コイルの近くに例えば金属物があると、磁力線が金属物を通過して金属物に渦電流が発生する。これはコイルからみると、金属物とコイルが電磁的に結合して、コイルに実抵抗負荷がついたように見え、コイルのＱ値を変化させる。このＱ値の変化を測定することによって、コイルの近くにある金属物（電磁結合している状態）を検知する。電磁結合は、「電磁界共振結合」あるいは「電磁共鳴」などとも呼ばれ、電界結合と磁界結合がある。いずれも共振（共鳴）を利用し、共振しているデバイスのみに電界もしくは磁界の結合で電力伝送を行う。ただし、このような共振（共鳴）の代わりに、電磁誘導を利用して電磁結合（電界結合または磁界結合）がなされるようにしてもよい。

　図１は、本開示の第１の実施の形態に係る非接触電力伝送システムの概要を示す説明図である。この図１は、非接触電力伝送システムの最も基本的な回路構成（磁界結合の場合）の例を示している。

　本例の非接触電力供給システム（非接触給電システム）は、１または複数（ここでは１つ）の送電装置１と、１または複数（ここでは１つ）の受電装置１１とから構成される。

　送電装置１は、受電装置１１に対して、電磁結合を利用した非接触による電力伝送を行うものである。この送電装置１は、交流信号を発生させる交流電源３および抵抗素子４を含む信号源２と、コンデンサ５と、外部との電磁結合が可能な送電コイル（１次側コイル）６とを備える。抵抗素子４は、交流電源３の内部抵抗（出力インピーダンス）を図示化したものである。信号源２に対しコンデンサ５と送電コイル６（コイルの一例）とが直列共振回路（共振回路の一例）を形成するように接続されている。そして、測定したい周波数において共振するように、コンデンサ５のキャパシタンスの値（Ｃ値）、および送電コイル６のインダクタンスの値（Ｌ値）が調整されている。信号源２とコンデンサ５とで構成される送電部７は、送電コイル６を通じて外部へ非接触で電力を伝送する（送電（給電））。つまり、この送電部７は、送電コイル６を用いた送電を行うようになっている。

　受電装置１１は、送電装置１から電磁結合を利用して非接触により伝送された電力を受け取るものである。この受電装置１１は、コンデンサ１３（二次電池）および抵抗素子１４を含む充電部１２と、交流信号を直流信号に変換する整流部１８と、コンデンサ１５と、外部との電磁結合が可能な受電コイル（２次側コイル）１６とを備える。抵抗素子１４は、コンデンサ１３の内部抵抗（出力インピーダンス）を図示化したものである。充電部１２に対しコンデンサ１５と受電コイル１６とが直列共振回路を形成するように接続され、測定したい周波数において共振するように、コンデンサ１５のキャパシタンスの値（Ｃ値）、および受電コイル１６のインダクタンスの値（Ｌ値）が調整されている。充電部１２、整流部１８およびコンデンサ１５で構成される受電部１７は、受電コイル１６を通じて外部から非接触で電力の供給を受ける（受電）。つまり、この受電部１７は、受電コイル１６を用いた受電を行うようになっている。

　直列共振回路を構成する送電コイル６とコンデンサ５間の電圧をＶ１（第１電圧：共振回路に掛かる電圧の一例）、送電コイル６両端の電圧をＶ２（第２電圧）とすると、直列共振回路のＱ値は、式（１）で表される。

　　ｒｓ：周波数ｆにおける実効抵抗値

　電圧Ｖ１がＱ倍されて電圧Ｖ２が得られる。送電コイル６に金属物が近づくと実効抵抗値ｒｓが大きくなり、Ｑ値が下がる。このように金属物が送電コイル６に近づくと、測定されるＱ値（電磁結合している状態）が変化するので、この変化を検知することにより、送電コイル６の近くにある金属物を検知できる。

　なお、図１は直列共振回路を備える基本の回路を示したものであるから、上記回路の機能を備えていれば詳細な構成は種々の形態が考えられる。例えば図１では、受電装置１１に設けた負荷の一例としてコンデンサ１３を示したが、この例に限られない。また、受電装置１１が信号源２（送電部７）を有し、受電コイル１６を介して外部装置へ非接触で電力を伝送するようにしてもよいし、送電装置１が負荷を備え、送電コイル６を介して外部装置から非接触で電力の供給を受けるようにしてもよい。

（検知回路の説明）
　図２は、本開示の第１の実施の形態に係る送電装置に設けられる検知装置（検知回路）の構成例を示すブロック図である。この検知回路により、金属等の導体やコイルを含む回路を検知する。検知回路（検知装置）が設けられた送電装置は、検知装置（電磁結合状態検知装置）の一例である。

　本例の検知回路２０は、検知部（検知装置）の一例であり、整流部２１Ａ，２１Ｂと、アナログ－デジタル変換器（以下、「ＡＤＣ」という）２２と、メイン制御部２３とを備える。この検知回路２０は、以下詳述するように、外部との電磁結合が可能なコイル（ここでは送電コイル６）を含む回路におけるＱ値またはＱ値の変化の度合いを求めるとともに、その求めた結果に基づいて、外部との電磁結合状態についての検知を行うものである。具体的には、詳細は後述するが、外部との電磁結合状態として、金属などの導体（半導体を含む）、または他のコイル（ここでは受電コイル１６）を含む他の回路が、コイル（ここでは送電コイル６）の近傍に存在するのか否かを検知する。また、このような導体または他の回路が送電コイル６の近傍に存在することが検知された場合、その検知物体が導体および他の回路のうちのいずれであるのかを更に検知する機能も有している。

　整流部２１Ａは、送電コイル６とコンデンサ５との間から入力される交流信号（交流電圧）を、直流信号（直流電圧）に変換して出力する。同様に整流部２１Ｂは、信号源２とコンデンサ５との間から入力される交流信号（交流電圧）を、直流信号（直流電圧）に変換して、ＡＤＣ２２へ出力する。

　ＡＤＣ２２は、整流部２１Ａ，２１Ｂから入力されるアナログの直流信号を、デジタルの直流信号に変換して、メイン制御部２３へ出力する。

　メイン制御部２３は、制御部の一例であり、例えばＭＰＵ（Micro-Processing Unit）から構成され送電装置１全体の制御を行う。このメイン制御部２３は、演算処理部２３Ａおよび判定部２３Ｂとしての機能を備える。

　演算処理部２３Ａは、所定の演算処理を行うブロックであり、本例では、ＡＤＣ２２から入力される直流信号から電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との比、すなわちＱ値を計算し、計算の結果を判定部２３Ｂへ出力する。具体的には、演算処理部２３Ａは、共振回路における送電コイル６とコンデンサ５との間の電圧Ｖ１と、共振回路における送電コイル６の両端間の電圧Ｖ２との比から、共振回路におけるＱ値を求める。このように、この演算処理部２３Ａは、Ｑ値またはその変化の度合いを求める機能を有している。

　判定部２３Ｂは、判定部２３Ｂから入力される計算の結果を、不揮発性のメモリ２４に保存されている閾値と比較して、比較の結果に基づいて金属等の導体やコイルを含む回路が近くにあるか否かを判定する。すなわち、判定部２３Ｂは、演算処理部２３Ａにより求められたＱ値またはその変化の度合いと、所定の閾値とを比較することにより、外部との電磁結合状態を判定する機能を有している。ここで、送電コイル６の近傍に何も無いまたは送電コイル６に何も置かれていない状態でのＱ値の閾値（Ｒｅｆ_Ｑ１）を予め測定して、メモリ２４に保存しておく。つまり、この閾値（Ｒｅｆ_Ｑ１）は、導体および他のコイルを含む回路（他の回路）が送電コイル６の近傍に存在しない条件下における、共振回路でのＱ値に対応する。

　通信制御部２５は、メイン制御部２３からの制御信号に基づいて信号源２（送電部７）による交流電圧の発生を制御し、送電装置１が外部の装置と非接触による電力伝送または通信を行えるようにする。

　入力部２６は、ユーザ操作に応じた入力信号を生成し、メイン制御部２３に出力する。

　なお、本例では、送電装置に検知回路（検知装置）を内蔵している構成としているが、送電装置と受電装置とのどちらに設けてもよく、もしくは両方に設けてもよい。つまり、このような検知装置（検知部）が、送電装置および受電装置のうちの少なくとも一方に設けられているようにすればよい。

　図３のフローチャートを参照して、検知回路２０による検知処理（電磁結合状態検知処理）を説明する。

　検知回路２０のメイン制御部２３は、直列共振回路のＱ値の測定処理を定期的に行っており、Ｑ値の測定を行ったか否かを判定する（ステップＳ１）。測定を行った場合は、ステップＳ２へ進み、測定を行っていない場合は、ステップＳ１の判定処理を繰り返す。なお、Ｑ値の測定は、上述したように、整流部２１Ａ，２１Ｂにより整流後、ＡＤＣ２２によりアナログ－デジタル変換して得られた電圧Ｖ１，Ｖ２を用いて行われる。演算処理部２３Ａは、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２の比（Ｑ値）を計算し、判定部２３Ｂへ出力する。

　なお、メイン制御部２３は、入力部２６からのＱ値測定の指示情報を含む入力信号を検出して、Ｑ値の測定処理を実行してもよい。

　次に、判定部２３Ｂは、測定したＱ値と、送電コイル６の近傍に何もないまたは何も置かれていない状態でのＱ値の閾値（Ｒｅｆ_Ｑ１）とを比較し、測定したＱ値が閾値（Ｒｅｆ_Ｑ１）の範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ２）。

　ここで、測定したＱ値が閾値（Ｒｅｆ_Ｑ１）の範囲内である場合、判定部２３Ｂは、金属などの導体もしくはコイルを含む回路が近くにないと判断し（ステップＳ３）、ステップＳ１に戻る。

　一方、測定したＱ値が閾値（Ｒｅｆ_Ｑ１）の範囲内でない場合、判定部２３Ｂは、金属などの導体もしくはコイルを含む回路が近くにあると判断し（ステップＳ４）、ステップＳ５に進む。

　ここで、判定部２３Ｂは、導体またはコイルを含む回路（他の回路）が送電コイル６の近傍に存在することが検知された場合、送電装置１が外部と通信可能であるか否かを判定する（ステップＳ５）。具体的には、判定部２３Ｂから通信制御部２５に対して外部と通信を行うよう指示する。通信制御部２５は、信号源２（送電部７）に交流電圧を発生させ、送電装置１（送電コイル６）から外部へ無線信号（送信信号）を送出して、外部との通信を試みる。そして、その送信信号に対する応答の有無に応じて、外部との通信が可能であるのか否かを判定する。

　具体的には、送電装置１からの送信信号に対する応答が外部から有った（返ってきた）場合、判定部２３Ｂは、外部との通信が可能であると判定し、近くにコイルを含む回路があると判断する（ステップＳ６）。他方、送電装置１からの送信信号に対する応答が外部から無かった場合、外部との通信が可能ではない（不可能である）と判定し、近くにあるのは金属などの導体であると判定する（ステップＳ７）。

　このように、判定部２３Ｂは、送電コイル６を介した外部との通信が可能であるのか否かの判定結果に基づいて、検知物体が導体および他の回路（他のコイルを含む回路）のうちのいずれであるのかを判断する。具体的には、外部との通信が可能であると判定された場合には、その検知物体が他の回路であると判断する一方、外部との通信が可能ではないと判定された場合には、その検知物体が導体であると判断する。

　なお、本例は、検知回路２０を直列共振回路に接続して適用した例を説明したが、共振回路として並列共振回路を用いてもよい。図４（ａ）および図４（ｂ）にそれぞれ、並列共振回路の例を示す。図４（ａ）の例では、コンデンサ５Ｂと送電コイル６の並列回路に対し、コンデンサ５Ａを直列に接続して並列共振回路を構成している。また、図４（ｂ）の例では、コンデンサ５Ａと送電コイル６との直列回路に対し、コンデンサ５Ｂを並列に接続して並列共振回路を構成している。検知回路２０は、図４（ａ）および図４（ｂ）に示す並列共振回路に得られる、送電コイル６およびコンデンサ５Ａ間の電圧Ｖ１と、送電コイル６両端の電圧Ｖ２とを利用して、Ｑ値を計算する。以上、説明した直列共振回路および並列共振回路は、本開示の検知方法（電磁結合状態検知方法）の原理を説明するために例示したのであり、共振回路の構成をこれらの例に限定するものではない。

（測定結果）
　次に、実際に送電装置１の送電コイル６の近くに金属物を置いたときの、Ｑ値の測定結果を説明する。

　測定は、図５に示すように、台座３０に載置した送電装置１に金属物３１を近づけ、検知回路２０を操作して行った。また、今回の測定では送電コイル６として、図６に示すような、複数の細い銅線を縒りあわせた導線であるリッツ線４１（線径φ１．０ｍｍ）を巻いた１５０ｍｍ（Ｗ１）×１９０ｍｍ（Ｗ２）のスパイラルコイルを用いた。またスパイラルコイルの裏面には、厚さ１．０ｍｍのフェライト材の磁性体４２が敷いてある。金属物３１が近くにないときの送電コイル６のＬ値は、１９２．０μＨ、Ｑ値は２３０．７である。共振させるコンデンサ５のＣ値は８．２ｎＦである。この場合、送電コイル６を含む直列共振回路の共振周波数は１２７．０ｋＨｚとなる。

　また、一般に共振回路のＱ値はコンデンサのＱ値をＱｃ、コイルのＱ値をＱＬとすると、１／｛（１／Ｑｃ）＋（１／ＱＬ）｝の関係で表される。この測定に用いたコンデンサ５のＱ値は送電コイル６のＱ値に対して十分高く設計されており、直列共振回路のＱ値への影響は無視できる。ただし、逆に送電コイル６のＱ値をコンデンサ５のＱ値に対して十分に高くなるよう設計してもよいし、どちらも同程度のＱ値であってもよい。

　この送電コイル６を含む直列共振回路に対し、厚さ１．０ｍｍの鉄（Ｆｅ）とアルミニウム（Ａｌ）を近づける。送電コイル６と各金属物の距離は８ｍｍに固定してある。そして、金属サイズを変えながら送電装置１の検知回路２０によりＱ値を測定する。金属サイズ角に対するＱ値の特性を示すグラフを、図７に示す。

　鉄（Ｆｅ）とアルミニウム（Ａｌ）を用いた測定結果から、金属材質によって差があるが、金属物３１のサイズが大きくなることで等価的に実効抵抗値が上がったように見え、Ｑ値が劣化することが分かる。すなわち、金属物のサイズが大きくなることは、同じサイズの金属物であれば、より送電コイル６の近くにあることに等しい。判定部２３Ｂは、測定したＱ値（もしくはそのＱ値の変化率）を、メモリ２４に保存してある閾ちと比較し、Ｑ値が閾値の範囲内にあるかどうかにより金属物があるか否かを判定する。

　以上より、Ｑ値の測定結果に基づいて金属物が送電コイル６の近くにあることを検知することができる。金属材質によって、Ｑ値の劣化量は変化するが、Ｑ値の劣化が大きい金属ほど、発熱しやすい。つまり、Ｑ値は発熱要因と結びついており、検知しなければならない発熱しやすい金属ほど検知しやすくなる。

　次に、送電装置１の送電コイル６に共振させた受電コイル１６、すなわち受電装置１１を置いたときの、Ｑ値の測定結果を説明する。

　測定は、図８に示すように、金属物３１の場合と同様、台座３０に載置した送電装置１に受電装置１１を近づけ、検知回路２０を操作して行った。また、今回の測定で受電コイル１６として用いたコイルは、図６に示したものと同様な構造であり、線径φが０．６５ｍｍのリッツ線４１を用いて巻かれたコイルサイズ３０ｍｍ（Ｗ１）×５０ｍｍ（Ｗ２）のスパイラルコイルである。このスパイラルコイルの裏面には、磁性体４２に替えて、厚さ０．２ｍｍのフェライト材の磁性シートが貼られている。受電装置１１が近くにないときの送電コイル６のＬ値は１４．０μＨ、Ｑ値は４８．４である。受電コイル１６を含む直列共振回路の共振周波数は、１２７．０ｋＨｚである。送電装置１の送電コイル６は図６に示したものと同じである。この送電コイル６と受電コイル１６間の距離は８ｍｍに固定する。

　この状態で、受電装置１１の直列共振回路に接続した抵抗負荷の値を変化させた際の、送電コイル６のＱ値の変化を検知回路２０により測定した。受電側共振回路負荷抵抗値に対する送電側共振回路Ｑ値の特性を示すグラフを、図９に示す。オープンとは、受電装置１１の直列共振回路の負荷側が開放状態であることを示す。またコイルなしは、受電コイル１６が接続されていない状態を示す。

　図９により、受電側共振回路負荷抵抗値が低ければ低いほど、送電装置１で測定されるＱ値が減少することが分かる。また、図９の特性曲線より変化量は小さいが、共振させていないコイルでも同様の傾向が見られた（図示せず）。判定部２３Ｂは、測定したＱ値（もしくはそのＱ値の変化率）を、メモリ２４に保存してある閾値と比較し、Ｑ値が閾値の範囲内にあるかどうかによりコイルを含む回路があるか否かを判定する。このように、送電コイル６を含む直列共振回路のＱ値を測定することにより、送電コイル６と電磁結合しているコイルを含む回路を検知することができる。

　次に、送電コイル６と受電コイル１６の間に金属物を挟んだときの、Ｑ値の変化を同様に測定した。

　図１０は、送電コイル６と受電コイル１６の間に金属物を挟んだ状態の概略断面図である。裏面に磁性体５１を敷いた送電コイル６と、裏面に磁性シート５２を貼り付けた受電コイル１６との間に、金属物５３とスペーサ５４を配置している。この測定では、金属物を挟まないときの送電装置１の直列共振回路のＱ値は２３０．７、受電装置１１の直列共振回路のＱ値は４８．４、送電コイル６と受電コイル１６の電磁結合の度合いである結合係数ｋは０．１０、コイル間効率は０．８３である。このときの送電コイル６と受電コイル１６間の距離は８ｍｍである。

　同様の回路を用いて、厚さ１．０ｍｍの金属物５３を挟んだときの送電装置１（１次側）、受電装置１１（２次側）の直列共振回路のＱ値、および結合係数ｋおよびコイル間効率の測定結果を、図１１に示す。

　この図１１に示すグラフは、金属物５３を挟まないときの各値を１００％として正規化した変化率で表わしてある。このグラフより、１次側のＱ値、コイル間の距離や向きで変化する結合係数ｋおよびコイル間効率の変化に比べて、２次側コイルのＱ値の方が、変化率が大きいことが分かる。よって、２次側コイルのＱ値の変化を捕えることによって、従来の送受電電力効率方式と比較して、１次側（送電コイル６）と２次側（受電コイル１６）の間に挟まれたより小さい金属物を検知することができる。つまり、受電装置（２次側）にＱ値を検知する本例の検知回路２０を設ければ、受電装置のみで導体等を検知できるばかりでなく、従来方式より検知感度が高くなる。例えば、判定部２３Ｂは、測定した２次側コイルのＱ値の変化率を、メモリ２４に保存してある閾値（例えば９０％）と比較し、当該Ｑ値の変化率が９０％より小さい場合には１次側コイルとの間に金属物があると判定して、これを検知することができる。

　ところで、コイル間効率（ηrf）は、１次側コイルと２次側コイルとの電磁結合の度合いである結合係数ｋと、それぞれ無負荷の直列共振回路のＱ値である１次側のＱ値（Ｑ１）と、２次側のＱ値（Ｑ２）とから理論的に一意に求められる。コイル間効率（ηrf）を求めるために用いられる計算式を、式（２）～式（４）に示す。

　電磁結合を利用する本例では、結合係数ｋが低くても、１次側および２次側の直列共振回路のＱ値を高くして、１次側コイルと２次側コイルとの配置の自由度を高めるようにしている。一例として、１次側コイルと２次側コイルとの結合係数ｋを０．５以下、１次側コイルまたは２次側コイルの少なくとも一方のＱ値を１００以上として設計している。後述する第２および第３の実施の形態でも同様である。ただし、本例は、この数値例に限られるものではないことは勿論である。

（第１の実施の形態の効果）
　以上説明した第１の実施の形態によれば、１次側（送電装置）または２次側（受電装置）に内蔵した検知回路（検知装置）において、外部との電磁結合が可能なコイルを含む回路におけるＱ値またはその変化の度合いを求め、その求めた結果に基づいて外部との電磁結合状態についての検知を行う。これにより、１次側（送電側）と２次側（受電側）とを組み合わせなくても、金属などの導体（半導体を含む）または電磁結合しているコイルを含む回路を検知することができる。よって、導体またはコイルを含む回路を、利便良く検知することが可能となる。

　なお、これに対して、例えば、受電装置（２次側）の負荷が変化したときの振幅および位相の情報から金属物を検知する手法や、送受電電力効率の変化から金属物を検知する手法では、送電装置と受電装置とを組み合わせて通信をしなければ金属物を検知できない。具体的には、送電装置のコイルに、受電回路ではない金属物や通信が不可となった正規の受電装置との間で発生する信号が載っても、金属物を検知できないことになる。

　また、送電装置および受電装置がそれぞれ持っている送電コイルまたは受電コイルをセンサとして用いるので、その他の特別なセンサが必要なく、省スペース、省コストの観点から非常に有効である。これに対して、例えば、磁気センサ、容量センサあるいは赤外線センサなどを用いて金属物を検知する手法では、送電コイルもしくは受電コイル以外に、送電装置および受電装置にセンサを配置しなければならない。これは、装置筺体にデザイン制約に加えることになってしまい、またコストの面でも不利である。

　また、Ｑ値はインダクタンス、キャパシタンスと違い、発熱要因と相関があるので、Ｑ値を用いた第１の実施の形態の検知回路（検知装置）は、より検知しなければいけない発熱しやすい金属ほど検知しやすい。

　また、コイル間効率方式による金属などの導体または電磁結合しているコイルを含む回路を検知する従来の回路よりも、Ｑ値を用いた本実施の形態の方が、検知感度が高い。

　なお、本実施の形態では、電磁結合の例として、磁界結合（図１参照）の場合を説明したが、電界結合を例に説明してもよい。電界結合と磁界結合は、結合が電界か磁界かの違いのみで、同様の振る舞いを示す。電界結合の場合、送電装置のコンデンサと受電装置のコンデンサとが対向した状態の等価回路として記載できる。このとき、電圧Ｖ１として直列共振回路のコイルとコンデンサ間の電圧を測定し、電圧Ｖ２としてコンデンサの両端電圧を測定してＱ値を求める。

＜２．第２の実施の形態＞
　第１の実施の形態では、演算処理部２３Ａは、直列共振回路の送電コイルとコンデンサと間の電圧Ｖ１と、送電コイル両端の電圧Ｖ２とからＱ値を求めているが、第２の実施の形態では、半値幅法によりＱ値を求める。すなわち、第２の実施の形態の演算処理部２３Ａでは、共振回路（直列共振回路または並列共振回路）において半値幅法を用いることにより、この共振回路におけるＱ値を求めるようになっている。

　半値幅法では、直列共振回路を構成した場合において、図１２に示すように共振周波数ｆ_０でのインピーダンス（Ｚ_peak）の絶対値に対して√２倍のインピーダンスとなる帯域（周波数ｆ_１～ｆ_２）より、式（５）で求められる。つまり、この場合、演算処理部２３Ａは、直列共振回路における共振周波数ｆ_０と、その共振周波数ｆ_０でのインピーダンスの絶対値に対して√２倍となる帯域の周波数（周波数ｆ_１～ｆ_２）とに基づいて、半値幅法を用いて、直列共振回路におけるＱ値を求める。

　また、並列共振回路を構成した場合では、図１３に示すように共振周波数ｆ_０でのインピーダンス（Ｚ_peak）の絶対値に対して（１／√２）倍のインピーダンスとなる帯域（周波数ｆ_１～ｆ_２）より、式（５）で求められる。つまり、この場合、演算処理部２３Ａは、並列共振回路における共振周波数ｆ_０と、その共振周波数ｆ_０でのインピーダンスの絶対値に対して（１／√２）倍となる帯域の周波数（周波数ｆ_１～ｆ_２）とに基づいて、半値幅法を用いて、並列共振回路におけるＱ値を求める。

　このような手法を用いてＱ値を求めるようにした第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の作用により、同様の効果を得ることが可能である。なお、この第２の実施の形態も、第１の実施の形態の説明で言及した電界結合および磁界結合のいずれにも適用可能である。

＜３．第３の実施の形態＞
　第３の実施の形態は、第１および第２の実施の形態と異なり、演算処理部２３Ａが、共振回路のインピーダンスの実部成分と虚部成分との比からＱ値を計算する例である。本例では、自動平衡ブリッジ回路およびベクトル比検出器を用いて、インピーダンスの実部成分と虚部成分を求める。すなわち、第２の実施の形態の演算処理部２３Ａでは、自動平衡ブリッジ回路およびベクトル比検出器を用いて、共振回路のインピーダンスにおける実部成分および虚部成分をそれぞれ求めるとともに、これらの実部成分と虚部成分との比から、共振回路におけるＱ値を求めるようになっている。

　図１４は、第３の実施の形態に係る、インピーダンスの実部成分と虚部成分との比からＱ値を計算するための自動平衡ブリッジの回路図である。

　図１４に示す自動平衡ブリッジ回路６０は、一般によく知られた反転増幅回路と同様の構成である。反転増幅器６３の反転入力端子（－）にコイル６２を接続し、非反転入力端子（＋）をグラウンドに接続する。そして帰還抵抗素子６４によって、反転増幅器６３の出力端子より反転入力端子（－）に負帰還をかける。また、コイル６２に交流信号を入力する交流電源６１の出力（電圧Ｖ１）と、反転増幅器６３の出力（電圧Ｖ２）とを、ベクトル比検出器６５に入力する。コイル６２は、図１の送電コイル６または受電コイル１６に対応する。

　この自動平衡ブリッジ回路６０は、負帰還の作用によって常に反転入力端子（－）の電圧がゼロになるように動作する。また、交流電源６１にからコイル６２に流れた電流は、反転増幅器６３の入力インピーダンスが大きいことから、ほぼ全てが帰還抵抗素子６４に流れ込む。その結果、コイル６２にかかる電圧は交流電源６１の電圧Ｖ１と同じになると共に、反転増幅器６３の出力電圧はコイル６２を流れる電流Ｉと帰還抵抗値Ｒｓとの積になる。この帰還抵抗値Ｒｓは、既知のリファレンス抵抗値である。したがって、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２を検出してその比を採れば、インピーダンスが求まる。ベクトル比検出器６５は、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２とを複素数として求めるため、交流電源６１の位相情報（一点鎖線）を利用する。

　本例では、このような自動平衡ブリッジ回路６０およびベクトル比検出器６５などを用いて、共振回路のインピーダンスＺＬの実部成分Ｒ_Ｌ、虚部成分Ｘ_Ｌを求め、その比からＱ値を求める。下記の式（６）および式（７）は、Ｑ値を求める過程を表した計算式である。

　このような手法を用いてＱ値を求めるようにした第３の実施の形態においても、第１および第２の実施の形態と同様の作用により、同様の効果を得ることが可能である。なお、この第３の実施の形態も、第１の実施の形態の説明で言及した電界結合および磁界結合のいずれにも適用可能である。

＜４．その他＞
　なお、上述した本開示の第１～第３の実施の形態では、共振周波数でのＱ値を測定しているが、多少検知感度が落ちることを許容すれば、Ｑ値を測定する周波数は共振周波数と必ずしも一致している必要はなく、共振周波数からずれた周波数で測定したＱ値を用いてもよい。

　また、１次側コイルまたは２次側コイルに、金属などの導体やコイルを含む回路が近づくことでＱ値だけでなく、Ｌ値（コイルのインダクタンスの値）が変化して共振周波数がずれることになるが、そのＬ値の変化による共振周波数のズレとＱ値とを併用して、電磁結合している状態を検知してもよい。つまり、検知部は、共振回路におけるＱ値と、この共振回路におけるＬ値とを併用して、外部との電磁結合状態についての検知を行うようにしてもよい。

　また、送電コイルと受電コイルとの間に金属物が挟まれたときに、結合係数ｋ値も変化するが、電磁結合している状態を判断するのに、結合係数ｋ値とＱ値の変化とを併用してもよい。つまり、検知部は、共振回路におけるＱ値と、電磁結合の際の結合係数ｋ値とを併用して、外部との電磁結合状態についての検知を行うようにしてもよい。

　また、本開示に係る送電コイルおよび受電コイルとして、コアを有していないコイルの例を説明したが、磁性体を有したコアに巻きつけられた構造のコイルを採用してもよい。

　さらに、上述した各実施の形態における一連の処理は、ハードウェアにより実行することができるが、ソフトウェアにより実行させることもできる。一連の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが専用のハードウェアに組み込まれているコンピュータ（ＭＰＵ等）、または、各種の機能を実行するためのプログラムをインストールしたコンピュータにより、実行可能である。

　また、本明細書において、時系列的な処理を記述する処理ステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理（例えば、並列処理あるいはオブジェクトによる処理）をも含むものである。

　なお、本技術は以下のような構成を取ることも可能である。
（１）
　外部との電磁結合が可能なコイルを含む回路におけるＱ値またはその変化の度合いを求めるとともに、その求めた結果に基づいて外部との電磁結合状態についての検知を行う検知部を備えた
　検知装置。
（２）
　前記検知部は、前記外部との電磁結合状態として、導体、または他のコイルを含む他の回路が、前記コイルの近傍に存在するのか否かを検知する
　上記（１）に記載の検知装置。
（３）
　前記検知部は、
　前記導体または前記他の回路が前記コイルの近傍に存在することが検知された場合、
　その検知物体が前記導体および前記他の回路のうちのいずれであるのかを更に検知する
　上記（２）に記載の検知装置。
（４）
　前記検知部は、前記コイルを介した外部との通信が可能であるのか否かの判定結果に基づいて、前記検知物体が前記導体および前記他の回路のうちのいずれであるのかを判断する
　上記（３）に記載の検知装置。
（５）
　前記検知部は、
　前記外部との通信が可能であると判定された場合には、前記検知物体が前記他の回路であると判断するとともに、
　前記外部との通信が可能ではないと判定された場合には、前記検知物体が前記導体であると判断する
　上記（４）に記載の検知装置。
（６）
　前記外部との通信を制御する通信制御部を備え、
　前記検知部は、
　前記導体または前記他の回路が前記コイルの近傍に存在することが検知された場合、
　前記検知物体に対して送信信号を出力するように前記通信制御部への指示を行うとともに、その送信信号に対する応答の有無に応じて、前記外部との通信が可能であるのか否かを判定する
　上記（４）または（５）に記載の検知装置。
（７）
　前記検知部は、
　前記送信信号に対する応答が有った場合には、前記外部との通信が可能であると判定するとともに、
　前記送信信号に対する応答が無かった場合には、前記外部との通信が可能ではないと判定する
　上記（６）に記載の検知装置。
（８）
　前記検知部は、
　前記Ｑ値またはその変化の度合いを求める演算処理部と、
　前記演算処理部により求められたＱ値またはその変化の度合いと所定の閾値とを比較することにより、前記外部との電磁結合状態を判定する判定部とを有する
　上記（１）ないし（７）のいずれかに記載の検知装置。
（９）
　前記回路が、前記コイルとコンデンサとを含む共振回路であり、
　前記演算処理部は、前記共振回路における前記コイルと前記コンデンサとの間の電圧である第１電圧と、前記共振回路における前記コイルの両端間の電圧である第２電圧との比から、前記共振回路におけるＱ値を求める
　上記（８）に記載の検知装置。
（１０）
　前記回路が、前記コイルとコンデンサとを含む共振回路であり、
　前記演算処理部は、前記共振回路において半値幅法を用いることにより、前記共振回路におけるＱ値を求める
　上記（８）に記載の検知装置。
（１１）
　前記共振回路が直列共振回路であり、
　前記演算処理部は、前記直列共振回路における共振周波数と、その共振周波数でのインピーダンスの絶対値に対して√２倍となる帯域の周波数とに基づいて、前記半値幅法を用いて、前記直列共振回路におけるＱ値を求める
　上記（１０）に記載の検知装置。
（１２）
　前記共振回路が並列共振回路であり、
　前記演算処理部は、前記並列共振回路における共振周波数と、その共振周波数でのインピーダンスの絶対値に対して（１／√２）倍となる帯域の周波数とに基づいて、前記半値幅法を用いて、前記並列共振回路におけるＱ値を求める
　上記（１０）に記載の検知装置。
（１３）
　前記回路が、前記コイルとコンデンサとを含む共振回路であり、
　前記演算処理部は、自動平衡ブリッジ回路およびベクトル比検出器を用いて、前記共振回路のインピーダンスにおける実部成分および虚部成分をそれぞれ求めるとともに、前記実部成分と前記虚部成分との比から、前記共振回路におけるＱ値を求める
　上記（８）に記載の検知装置。
（１４）
　前記閾値は、前記導体および前記他の回路が前記コイルの近傍に存在しない条件下における、前記回路でのＱ値に対応する
　上記（８）ないし（１３）のいずれかに記載の検知装置。
（１５）
　前記検知部は、前記回路におけるＱ値と、前記回路におけるＬ値または前記電磁結合の際の結合係数であるｋ値とを併用して、前記外部との電磁結合状態についての検知を行う
　上記（１）ないし（１４）のいずれかに記載の検知装置。
（１６）
　外部との電磁結合が可能な送電コイルと、
　前記送電コイルを用いた送電を行う送電部と、
　前記送電コイルを含む回路におけるＱ値またはその変化の度合いを求めるとともに、その求めた結果に基づいて外部との電磁結合状態についての検知を行う検知部と
　を備えた送電装置。
（１７）
　外部との電磁結合が可能な受電コイルと、
　前記受電コイルを用いた受電を行う受電部と、
　前記受電コイルを含む回路におけるＱ値またはその変化の度合いを求めるとともに、その求めた結果に基づいて外部との電磁結合状態についての検知を行う検知部と
　を備えた受電装置。
（１８）
　１または複数の受電装置と、前記受電装置に対して電磁結合を利用した電力伝送を行う１または複数の送電装置とを備え、
　前記送電装置は、
　外部との電磁結合が可能な送電コイルと、
　前記送電コイルを用いた送電を行う送電部と
　を有し、
　前記受電装置は、
　外部との電磁結合が可能な受電コイルと、
　前記受電コイルを用いた受電を行う受電部と
　を有し、
　前記送電コイルもしくは前記受電コイルを含む回路におけるＱ値またはその変化の度合いを求めるとともにその求めた結果に基づいて外部との電磁結合状態についての検知を行う検知部が、前記送電装置および前記受電装置のうちの少なくとも一方に設けられている
　給電システム。
（１９）
　前記検知部が、前記受電装置に設けられている
　上記（１８）に記載の給電システム。
（２０）
　外部との電磁結合が可能なコイルを含む回路におけるＱ値またはその変化の度合いを求める第１ステップと、
　前記第１ステップにおいて求めた結果に基づいて、外部との電磁結合状態についての検知を行う第２ステップと
　を含む検知方法。

　以上、本開示は上述した各実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の変形例、応用例を取り得ることは勿論である。

　本出願は、日本国特許庁において２０１１年３月３１日に出願された日本特許出願番号２０１１－０８１０１８号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。

Claims

　外部との電磁結合が可能なコイルを含む回路におけるＱ値またはその変化の度合いを求めるとともに、その求めた結果に基づいて外部との電磁結合状態についての検知を行う検知部を備えた
　検知装置。
　前記検知部は、前記外部との電磁結合状態として、導体、または他のコイルを含む他の回路が、前記コイルの近傍に存在するのか否かを検知する
　請求項１に記載の検知装置。
　前記検知部は、
　前記導体または前記他の回路が前記コイルの近傍に存在することが検知された場合、
　その検知物体が前記導体および前記他の回路のうちのいずれであるのかを更に検知する
　請求項２に記載の検知装置。
　前記検知部は、前記コイルを介した外部との通信が可能であるのか否かの判定結果に基づいて、前記検知物体が前記導体および前記他の回路のうちのいずれであるのかを判断する
　請求項３に記載の検知装置。
　前記検知部は、
　前記外部との通信が可能であると判定された場合には、前記検知物体が前記他の回路であると判断するとともに、
　前記外部との通信が可能ではないと判定された場合には、前記検知物体が前記導体であると判断する
　請求項４に記載の検知装置。
　前記外部との通信を制御する通信制御部を備え、
　前記検知部は、
　前記導体または前記他の回路が前記コイルの近傍に存在することが検知された場合、
　前記検知物体に対して送信信号を出力するように前記通信制御部への指示を行うとともに、その送信信号に対する応答の有無に応じて、前記外部との通信が可能であるのか否かを判定する
　請求項４に記載の検知装置。
　前記検知部は、
　前記送信信号に対する応答が有った場合には、前記外部との通信が可能であると判定するとともに、
　前記送信信号に対する応答が無かった場合には、前記外部との通信が可能ではないと判定する
　請求項６に記載の検知装置。
　前記検知部は、
　前記Ｑ値またはその変化の度合いを求める演算処理部と、
　前記演算処理部により求められたＱ値またはその変化の度合いと所定の閾値とを比較することにより、前記外部との電磁結合状態を判定する判定部とを有する
　請求項１に記載の検知装置。
　前記回路が、前記コイルとコンデンサとを含む共振回路であり、
　前記演算処理部は、前記共振回路における前記コイルと前記コンデンサとの間の電圧である第１電圧と、前記共振回路における前記コイルの両端間の電圧である第２電圧との比から、前記共振回路におけるＱ値を求める
　請求項８に記載の検知装置。
　前記回路が、前記コイルとコンデンサとを含む共振回路であり、
　前記演算処理部は、前記共振回路において半値幅法を用いることにより、前記共振回路におけるＱ値を求める
　請求項８に記載の検知装置。
　前記共振回路が直列共振回路であり、
　前記演算処理部は、前記直列共振回路における共振周波数と、その共振周波数でのインピーダンスの絶対値に対して√２倍となる帯域の周波数とに基づいて、前記半値幅法を用いて、前記直列共振回路におけるＱ値を求める
　請求項１０に記載の検知装置。
　前記共振回路が並列共振回路であり、
　前記演算処理部は、前記並列共振回路における共振周波数と、その共振周波数でのインピーダンスの絶対値に対して（１／√２）倍となる帯域の周波数とに基づいて、前記半値幅法を用いて、前記並列共振回路におけるＱ値を求める
　請求項１０に記載の検知装置。
　前記回路が、前記コイルとコンデンサとを含む共振回路であり、
　前記演算処理部は、自動平衡ブリッジ回路およびベクトル比検出器を用いて、前記共振回路のインピーダンスにおける実部成分および虚部成分をそれぞれ求めるとともに、前記実部成分と前記虚部成分との比から、前記共振回路におけるＱ値を求める
　請求項８に記載の検知装置。
　前記閾値は、前記導体および前記他の回路が前記コイルの近傍に存在しない条件下における、前記回路でのＱ値に対応する
　請求項８に記載の検知装置。
　前記検知部は、前記回路におけるＱ値と、前記回路におけるＬ値または前記電磁結合の際の結合係数であるｋ値とを併用して、前記外部との電磁結合状態についての検知を行う
　請求項１に記載の検知装置。
　外部との電磁結合が可能な送電コイルと、
　前記送電コイルを用いた送電を行う送電部と、
　前記送電コイルを含む回路におけるＱ値またはその変化の度合いを求めるとともに、その求めた結果に基づいて外部との電磁結合状態についての検知を行う検知部と
　を備えた送電装置。
　外部との電磁結合が可能な受電コイルと、
　前記受電コイルを用いた受電を行う受電部と、
　前記受電コイルを含む回路におけるＱ値またはその変化の度合いを求めるとともに、その求めた結果に基づいて外部との電磁結合状態についての検知を行う検知部と
　を備えた受電装置。
　１または複数の受電装置と、前記受電装置に対して電磁結合を利用した電力伝送を行う１または複数の送電装置とを備え、
　前記送電装置は、
　外部との電磁結合が可能な送電コイルと、
　前記送電コイルを用いた送電を行う送電部と
　を有し、
　前記受電装置は、
　外部との電磁結合が可能な受電コイルと、
　前記受電コイルを用いた受電を行う受電部と
　を有し、
　前記送電コイルもしくは前記受電コイルを含む回路におけるＱ値またはその変化の度合いを求めるとともにその求めた結果に基づいて外部との電磁結合状態についての検知を行う検知部が、前記送電装置および前記受電装置のうちの少なくとも一方に設けられている
　給電システム。
　前記検知部が、前記受電装置に設けられている
　請求項１８に記載の給電システム。
　外部との電磁結合が可能なコイルを含む回路におけるＱ値またはその変化の度合いを求める第１ステップと、
　前記第１ステップにおいて求めた結果に基づいて、外部との電磁結合状態についての検知を行う第２ステップと
　を含む検知方法。