WO2015015720A1

WO2015015720A1 - 送電装置及び無線電力伝送システム

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Publication number: WO2015015720A1
Application number: PCT/JP2014/003637
Authority: WO
Inventors: 松本　啓; 菅野　浩; 山本　浩司
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2015-02-05
Also published as: JP6314985B2; US9859720B2; JPWO2015015720A1; US20160064952A1

Abstract

　本開示は、受電コイルを備えた受電装置に向けて非接触で電力を送る送電装置に関する。本開示の送電装置は、上記受電装置が設置される上記送電装置の設置面に対向して配置され、上記受電コイルと電磁的に結合可能な送電コイルと、上記送電コイルを介して上記設置面と対向して少なくとも上記送電コイルの外側に配置され、上記送電コイルに電磁的に結合する磁性体と、上記送電コイルに第１交流電力を供給し、上記第１交流電力の電圧、電流、周波数、上記第１交流電力の直流成分の電圧または直流成分の電流の少なくとも１つの変化を検出することにより、少なくとも上記送電コイルの外側に存在する金属異物を検出する異物検出回路と、を備えたものである。

Description

送電装置及び無線電力伝送システム

　本開示は、送電コイル及び受電コイルの間の電磁誘導によって非接触で電力を送る送電装置及び無線電力伝送システムに関する。

　近年、携帯電話機をはじめとする様々なモバイル機器が普及しつつあり、モバイル機器の消費電力量は、機能及び性能の向上ならびにコンテンツの多様化に起因して増大し続けている。予め決められた容量のバッテリで動作するモバイル機器の消費電力量が増大すると、当該モバイル機器の動作時間が短くなる。バッテリの容量の制限を補うための技術として、無線電力伝送システムが注目されている。無線電力伝送システムは、送電装置の送電コイルと受電装置の受電コイルとの間の電磁誘導によって送電装置から受電装置に非接触で電力を送る。特に、共振型の送電コイル及び受電コイルを用いた無線電力伝送システムは、送電コイル及び受電コイルの位置が互いにずれているときであっても高い伝送効率を維持できるので、様々な分野における応用が期待されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００６－６０９０９号公報

　しかし、かかる従来技術では、送電コイルから離れた上記金属異物の発熱を防ぐことが求められていた。
　本開示の一態様に係る送電装置は、
　受電コイルを備えた受電装置に向けて非接触で電力を送る送電装置であって、
　上記受電装置が設置される上記送電装置の設置面に対向して配置され、上記受電コイルと電磁的に結合可能な送電コイルと、
　上記送電コイルを介して上記設置面と対向して少なくとも上記送電コイルの外側に配置され、上記送電コイルに電磁的に結合する磁性体と、
　上記送電コイルに第１交流電力を供給し、上記第１交流電力の電圧、電流、周波数、上記第１交流電力の直流成分の電圧または直流成分の電流の少なくとも１つの変化を検出することにより、少なくとも上記送電コイルの外側に存在する金属異物を検出する異物検出回路と、
　を備えたものである。
　上記態様に係る送電装置は、送電コイルから離れた上記金属異物の発熱を防ぐことができる。

図１は、第１の実施形態に係る無線電力伝送システムの構成を示す断面図である。図２は、図１の無線電力伝送システムの構成を示すブロック図である。図３は、図２の異物検出回路２５の詳細構成を示すブロック図である。図４は、図１の送電コイル２１及び受電コイル３１の位置が互いにずれた状態を示す断面図である。図５は、比較例に係る無線電力伝送システムの構成を示す断面図である。図６は、図５の送電コイル１２１及び受電コイル１３１の位置が互いにずれた状態を示す断面図である。図７は、図１の送電コイル２１及び図５の送電コイル１２１によって発生される磁界密度を示すグラフである。図８は、第２の実施形態に係る無線電力伝送システムの送電装置２Ａの構成を示すブロック図である。図９は、第３の実施形態に係る無線電力伝送システムの送電装置２Ｂの構成を示すブロック図である。図１０は、図５の送電コイル１２１の外周より外側における金属異物５を検出可能な領域Ａ１を示す断面図である。図１１は、図９の送電コイル２１の外周より外側における金属異物５を検出可能な領域Ａ２を示す断面図である。図１２は、図１１の磁性体２２による、金属異物５を検出可能な領域の拡大を示すグラフである。図１３は、第４の実施形態に係る無線電力伝送システムの送電装置２Ｃの構成を示す断面図である。図１４は、図１３の送電装置２Ｃの構成を示す上面図である。図１５は、第５の実施形態に係る無線電力伝送システムの送電装置２Ｄの構成を示す断面図である。図１６は、図１５の送電装置２Ｄの構成を示す上面図である。図１７は、第６の実施形態に係る無線電力伝送システムの送電装置２Ｅの構成を示す断面図である。図１８は、第７の実施形態に係る無線電力伝送システムの構成を示す断面図である。図１９は、図１８の無線電力伝送システムの構成を示すブロック図である。

　（本開示の基礎となった知見）
　本発明者らは、「背景技術」の欄において記載した無線電力伝送システムに関し、以下の問題が生じることを見いだした。
　無線電力伝送システムにおいて、送電コイル及び受電コイルの間に金属異物が存在する場合、送電コイルまたは受電コイルからの磁界による誘導電流（渦電流）により発熱する可能性がある。この磁界が発生する領域の幅は、送電コイルまたは受電コイルの幅とほぼ同等である。
　特許文献１では、送電装置から受電装置の位置合わせが完了し、送電装置から受電装置に電力を供給しているときに、送電コイルの電圧変化を検出する。その電圧変化を検知し変化があれば金属異物を検出したと判断し、ランプを光らせて、ユーザに知らせている。
　特許文献１の発明は、送電コイル及び受電コイルの間に金属異物が存在する場合、金属異物を検出することは可能である。しかしながら、次のような送電コイルから遠隔した金属異物を検出することができないという課題があることを本発明者らは見出した。次に詳細に説明する。
　送電コイル及び受電コイルの位置が互いにずれているときで、送電装置から受電装置に電力を供給しているとき、送電コイルから遠隔した金属異物は送電コイルとは電磁的に結合しないが、受電コイルと電磁的に結合し得る。この場合、受電コイルの磁界による誘導電流により金属異物が発熱するおそれがある。特許文献１では、上述したように送電コイル及び受電コイルが電磁的に結合したとき、送電コイル及び受電コイルから発生する磁界の領域の幅は、ほぼ送電コイルまたは受電コイルの幅と同等である。従って、特許文献１では、受電コイルが送電コイルと電磁的に結合し、かつ受電コイルが送電コイルと位置ずれしている場合、送電コイルから外側の領域に存在する磁界が弱いため、送電装置は送電コイルから遠隔し受電コイルのみに近接した金属異物を検出することができない。
　よって、無線電力伝送システムは、送電コイルの近傍の金属異物だけでなく、受電コイルが送電コイルと電磁的に結合し、かつ受電コイルが送電コイルと位置ずれている場合、送電コイルから遠隔し受電コイルのみに近接した金属異物も検出することが望まれている。
　以上の考察により、本発明者らは、以下の発明の各態様を想到するに至った。
　本開示にかかる一態様は、
　受電コイルを備えた受電装置に向けて非接触で電力を送る送電装置であって、
　上記受電装置が設置される上記送電装置の設置面に対向して配置され、上記受電コイルと電磁的に結合可能な送電コイルと、
　上記送電コイルを介して上記設置面と対向して少なくとも上記送電コイルの外側に配置され、上記送電コイルに電磁的に結合する磁性体と、
　上記送電コイルに第１交流電力を供給し、上記第１交流電力の電圧、電流、周波数、上記第１交流電力の直流成分の電圧または直流成分の電流の少なくとも１つの変化を検出することにより、少なくとも上記送電コイルの外側に存在する金属異物を検出する異物検出回路と、を備えている。
　上記態様によると、送電コイルを介して、受電装置が設置される送電装置の設置面と対向して少なくとも送電コイルの外側に配置され、送電コイルに電磁的に結合する磁性体を設けることで、今までより広い、磁性体の領域まで磁界を作り出すことができる。その結果、送電コイルの外側の磁界の変化を検出することで、受電コイルと送電コイルと位置ずれしているが、受電コイルと送電コイルとが電磁的に結合している場合、送電コイルの近傍の金属異物だけでなく、送電コイルから遠隔し受電コイルのみに近接した金属異物をも検出できる。
　また、送電装置から受電装置に電力を供給する前に金属異物の検出を行うことで、未然に金属異物が発熱することを防止できる。
　また、送電装置から受電装置に供給する電力（以後、第２交流電力と呼ぶ）より小さい、微弱な電力（以後、第１交流電力と呼ぶ）で検知することで、金属異物に渦電流が発生せず、金属異物があったとしても発熱を防止できる。
　以下、本開示の実施形態に係る無線電力伝送システムについて、図面を参照しながら説明する。

　図１は、第１の実施形態に係る無線電力伝送システムの構成を示す断面図である。無線電力伝送システムは、送電装置２及び受電装置３を備え、送電装置２から受電装置３へ非接触で電力を送る。

　図１に示すように、送電装置２は、送電コイル２１及び磁性体２２を備え、受電装置３は、受電コイル３１及び磁性体３２を備える。受電コイル３１は、受電装置３が送電装置２に対向して配置されたとき、送電コイル２１と電磁的に結合可能である。通常、受電装置３が設置される送電装置２の設置面に、受電装置３が置かれる。

　図２は、図１の無線電力伝送システムの構成を示すブロック図である。図２に示すように、送電装置２は電源装置１に接続され、受電装置３は負荷装置４に接続される。送電装置２は、さらに、送電回路２３、制御回路２４、及び異物検出回路２５を備える。送電回路２３は、電源装置１から直流又は交流の電力供給を受けて、送電コイル２１に交流電力を供給する。
　異物検出回路２５は、送電コイル２１における交流電力の電圧、電流、周波数、直流成分の電圧または直流成分の電流の少なくとも１つの変化を検出することにより、送電コイルの近傍の金属異物を検出する。
　ここで、異物検出回路２５は、２つの交流電力を検出していることについて説明する。第１番目は、後述する発振回路を備えて、送電コイル２１に第１交流電力を送り、第１交流電力の電圧、電流、周波数、直流成分の電圧または直流成分の電流の少なくとも１つの変化を検出する場合である。通常、送電コイルに供給する第２交流電力より小さい第１交流電流を送電コイルに供給する。つまり、上記異物検出回路２５は、上記第２交流電力より小さい、即ち、微弱な第１交流電力を上記送電コイルに供給する。これにより、上記異物検出回路は、上記第２交流電力の供給期間中ではなく第２交流電力を供給する前に、微弱な第１交流電力を用いて金属異物を検知できる。そのため、金属異物があったとしても、金属異物に渦電流が発生せず、金属異物の発熱することを防止できる。
　次に第２番目は、送電回路２３より送電コイル２１に供給される第２交流電力の電圧、電流、周波数、直流成分の電圧または直流成分の電流の少なくとも１つの変化を検出する場合である。
　送電回路が送電コイルに供給する第２交流電力を用いて、異物検知回路は異物検知を行っている。これにより、受電装置に電力を供給する期間中に金属異物を検出することになる。そのため、受電装置に送電を行っている間に金属異物を検知した場合、金属異物の発熱を防ぐことができる。
　ここで、送電コイル２１の外側に存在する金属異物の発熱について説明する。
　例えば、図４に示すように、送電コイル２１及び受電コイル３１の位置が互いにずれているが、送電装置から受電装置に電力を供給している場合がある。このとき、送電コイル２１とは電磁的に結合しないが、受電コイル３１のみと電磁的に結合し、送電コイル２１から遠隔し、受電コイル３１の磁界による誘導電流により金属異物が発熱する場合がある。このような受電コイル３１の磁界による金属異物の発熱は、送電コイル２１から外へ離れた位置でも起こる。
　このように、金属異物の発熱領域が、図４に示すＸ軸（磁性体に平行）に投影された範囲を結合領域と呼ぶ。例えば、図４に示すように、磁性体２２は、結合領域内のどこかに配置され得る。磁性体２２は、結合領域において送電コイル２１の巻線が巻回されていない領域を覆うように結合領域に沿って設けられ、送電コイル２１に電磁的に結合する。また、磁性体２２は、図１に示すように、少なくとも送電コイル２１の外側に配置される。また、磁性体２２は、送電コイル２１の外周より内側に配置されていてもよい。受電コイル３１の巻線の少なくとも一部は、受電装置３が送電装置２に対向する面に沿って巻回される。
　制御回路２４は、異物検出回路２５により結合領域の近傍の異物を検出したとき、送電回路２３から送電コイル２１への交流電力の供給を停止する。受電装置３は、さらに、受電コイル３１を介して送電装置２から受けた交流電力の整流及び平滑を行って負荷装置４に供給する受電回路３３を備える。負荷装置４は、充電対象のバッテリ又は電力を消費する他の回路を含む。受電回路３３及び負荷装置４の間にＤＣ／ＤＣコンバータを挿入してもよい（図示せず）。これにより、送電コイル２１及び受電コイル３１の結合係数あるいは負荷装置４のインピーダンスによらず、定電圧の電力を負荷装置４に供給することができる。図示の簡単化のために、図１では、送電回路２３、制御回路２４、異物検出回路２５、及び受電回路３３を省略し、図２では、磁性体２２，３２を省略している。

　送電回路２３は、送電コイル２１及び受電コイル３１の間で通過可能な周波数（伝送周波数）を有する交流電力を発生する。通常、送電コイル２１は、交流電力を通過させるために、交流電力の周波数に等しい共振周波数を有する。ただし、交流電力が通過するのであれば、交流電力の周波数と送電コイル２１の共振周波数とは不一致であってもよい。同様に、受電コイル３１は、交流電力を通過させるために、交流電力の周波数に等しい共振周波数を有する。ただし、交流電力が通過するのであれば、交流電力の周波数と受電コイル３１の共振周波数とは不一致であってもよい。

　図３は、図２の異物検出回路２５の詳細構成を示すブロック図である。図３は、送電コイル２１における交流電力に係る電圧の変化を検出する異物検出回路２５の例を示す。異物検出回路２５は、ピークホールド回路５１、ディスチャージャ５２、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）５３、基準電圧源５４、及びコンパレータ５５を備える。ピークホールド回路５１及びディスチャージャ５２は、送電コイル２１における交流電力に係る瞬時のピーク電圧を検出する。帯域通過フィルタ５３は、検出されたピーク電圧からＤＣオフセット及び不要な周波数成分を除去してコンパレータ５５に入力する。基準電圧源５４は、予め決められたしきい値電圧をコンパレータ５５に入力する。コンパレータ１３８は、帯域通過フィルタ５３から入力された電圧をしきい値電圧と比較し、比較結果の信号を制御回路２４に送る。検出精度を向上させるために、帯域通過フィルタ５３及びコンパレータ１３８の間に増幅器（図示せず）を挿入してもよい。制御回路２４は、比較結果の信号が、送電コイル２１における交流電力に係る電圧が変化したこと（すなわち、結合領域の近傍の金属異物を検出したこと）を示すとき、送電回路２４から送電コイル２１への交流電力の供給を停止する。

　以下、図４～図７を参照して、図１の無線電力伝送システムの動作について説明する。

　図５は、比較例に係る無線電力伝送システムの構成を示す断面図である。図５の無線電力伝送システムは、送電装置１０２及び受電装置１０３を備える。送電装置１０２は、送電コイル１２１及び磁性体１２２を備え、さらに、図２の送電回路２３、制御回路２４、及び異物検出回路２５（図示せず）を備える。受電装置１０３は、受電コイル１３１及び磁性体１３２を備え、さらに、図２の受電回路３３（図示せず）を備える。送電コイル１２１の巻線の少なくとも一部は、送電装置１０２が受電装置１０３に対向する面に沿って巻回される。受電コイル１３１の巻線の少なくとも一部は、受電装置１０３が送電装置１０２に対向する面に沿って巻回される。

　無線電力伝送システムでは、送電コイル及び受電コイルの近傍の金属異物を確実に検出することが重要である。特に、送電コイル及び受電コイルの位置が互いにずれているとき、送電コイルの近傍の金属異物だけでなく、送電コイルから遠隔し、受電コイルのみに近接した金属異物も検出することができれば、金属異物の発熱をより確実に防ぎ、ユーザの利便性を飛躍的に高める。

　図６は、図５の送電コイル１２１及び受電コイル１３１の位置が互いにずれた状態を示す断面図である。結合領域の近傍の金属異物は、送電コイル１２１及び受電コイル１３１の少なくとも一方と電磁的に結合し、発熱する可能性がある。図６の金属異物５は、結合領域内にあるので、送電装置１０２から受電装置１０３に電力を伝送しているとき、受電コイル１３２の磁界に起因する誘導電流により発熱する可能性がある。しかしながら、図５の無線電力伝送システムでは、送電コイル１２１及び受電コイル１３１の位置が互いにずれているとき、送電コイル１２１から遠隔し、受電コイル１３１のみに近接した金属異物５を検出することができない。

　図７のグラフの点線は、図５の送電コイル１２１によって発生される磁界密度を示す。図７の横軸は図６（及び図４）のＸ座標を示し、縦軸は送電装置１０２の表面における磁界密度を示す。図７に示すように、送電コイル１２１によって発生される磁界は、送電コイル１２１の外周（点Ｐ１）より外側では急激に減衰する。従って、送電コイル１２１に流れる電流は、送電コイル１２１から遠隔した金属異物５からの影響を受けにくい。従って、送電コイル１２１における交流電力に係る電圧又は電流などの変化を検出することにより送電コイル１２１の近傍の金属異物を検出する無線電力伝送システムでは、送電コイル１２１から遠隔した金属異物５を検出することは非常に困難である。

　図４は、図１の送電コイル２１及び受電コイル３１の位置が互いにずれた状態を示す断面図である。図７のグラフの実線は、図１の送電コイル２１によって発生される磁界密度を示す。図１の送電装置２は、結合領域において送電コイル２１の巻線が巻回されていない領域を覆うように結合領域に沿って設けられ、送電コイル２１に電磁的に結合する磁性体２２を備えたことにより、送電コイル２１の外周（点Ｐ１）より外側における磁界密度の減衰を低減する。これにより、送電装置２は、結合領域の近傍の金属異物であれば、送電コイル２１の近傍の金属異物だけでなく、送電コイル２１から遠隔し、受電コイル３１のみに近接した金属異物５も検出することができる。

　異物検出回路２５は、例えば、送電装置２から受電装置３に電力を送っているとき、送電コイル２１における交流電力に係る電圧、電流、及び周波数の少なくとも１つの変化を検出することにより結合領域の近傍の金属異物を検出する。制御回路２３は、送電装置２から受電装置３に電力を送っているとき、かつ、異物検出回路２５により結合領域の近傍の異物を検出したとき、送電回路２４から送電コイル２１への交流電力の供給を停止する。送電コイル２１における交流電力に係る電圧、電流、及び周波数は、送電コイル２１及び受電コイル３１の各共振周波数、送電コイル２１及び受電コイル３１の結合状態、負荷装置４の電力消費量などの条件に応じてさまざまに変化する。従って、異物検出回路２５は、予め、これらの条件下で結合領域の近傍に金属異物を配置し、このとき、送電コイル２１における交流電力に係る電圧、電流、及び周波数の少なくとも１つの変化を測定し、測定値をテーブル（図示せず）に格納しておく。異物検出回路２５は、実際に金属異物を検出しようとするときには、送電コイル２１における交流電力に係る電圧、電流、又は周波数を、テーブルに予め格納された測定値と比較し、変化の有無を検出する。

　また、制御回路２３は、送電装置２から受電装置３に電力を送っていないとき（例えば、受電装置３が送電装置２に対向して配置されていないとき）、間欠的に、予め決められた周波数のテスト信号を送電コイル２１に供給するように送電回路２３を制御してもよい。この場合、異物検出回路２５は、送電コイル２１におけるテスト信号に係る電圧、電流、及び周波数の少なくとも１つの変化を検出することにより結合領域の近傍の金属異物を検出する。制御回路２３は、テスト信号に基づいて結合領域の近傍の金属異物を検出したとき、送電回路２３から送電コイル２１へ交流電力を供給しない。これにより、制御回路２３は、例えば、受電装置３が送電装置２に対向して配置されていないときテスト信号を用いて金属異物を検出し、その後、受電装置３が送電装置２に対向して配置されたときに、送電装置２から受電装置３への電力伝送の開始を抑制する。制御回路２３は、結合領域の近傍に金属異物が存在していないと判断するまでは、送電装置２から受電装置３への電力伝送の開始を抑制し続ける。テスト信号の周波数は、電力伝送のための交流電力の周波数と異なっていてもよい。この場合、テスト信号の周波数は、送電コイル２１のＱ値が最も高くなるように設定される。これにより、金属異物を検出する精度が向上する。通常は、テスト信号の周波数は、交流電力の周波数よりも高く設定される。この場合、金属異物に起因して、送電コイル２１における交流電力に係る電圧及び電流はいずれも高くなる。従って、異物検出回路２５は、予め決められたしきい値よりも高い電圧又は電流を検出したときに、結合領域の近傍に金属異物が存在していると判断する。

　また、磁性体２２は、送電装置２が受電装置３に対向する面に沿った領域であって、結合領域よりも広い領域にわたって設けられてもよい。

　また、結合領域内に巻回された送電コイルの巻線の中心（単に、送電コイルの中心と呼んでもよい）から磁性体２２の外周までの距離は、例えば図１２を参照して後述するように、送電コイル２１の巻線の中心から送電コイル２１の巻線の外周（単に、送電コイルの外周と呼んでもよい）までの距離の１．２倍以上かつ２倍以下であってもよい。

　また、磁性体２２は、結合領域内に巻回された送電コイル２１の巻線を含む面に対して、受電装置３とは逆の側に設けられてもよい。

　磁性体２２は、送電コイル２１の外周より外側における磁界密度の減衰を低減するためだけでなく、送電装置２のためのシールドとして機能する。磁性体２２は、送電コイル２１の直下に配置される金属部品及び他の部品による送電コイル２１の特性の劣化を低減するとともに、送電コイル２１が発生させる磁界による、送電コイル２１の直下に配置される金属部品及び他の部品への影響を低減する。シールドをより強化するために、磁性体２２の下にさらに金属板を配置してもよい（図示せず）。金属板を配置することで、送電装置２の下側に金属が配置された環境であっても、送電コイル２１は安定した特性を発揮することができる。磁性体３２も同様に、受電装置３のためのシールドとして機能する。

　図８は、第２の実施形態に係る無線電力伝送システムの送電装置２Ａの構成を示すブロック図である。図８の送電装置２Ａは、送電コイル２１における交流電力に係る電流の変化を検出する異物検出回路２５Ａを備える。送電コイル２１に直列に抵抗Ｒが挿入され、異物検出回路２５Ａに流れる電流を検出する。異物検出回路２５Ａは、送電コイル２１における交流電力に係る電流の変化を検出することにより、結合領域の近傍の金属異物を検出する。

　図９は、第３の実施形態に係る無線電力伝送システムの送電装置２Ｂの構成を示すブロック図である。図９の送電装置２Ｂは、図２の制御回路２４及び異物検出回路２５に代えて、制御回路２４Ｂ及び異物検出回路２５Ｂを備える。異物検出回路２５Ｂは、送電コイル２１とともに発振回路を構成し、発振回路の自励発振周波数の変化を検出することにより結合領域の近傍の異物を検出する。異物検出回路２５Ｂは、さらに、送電コイル２１における交流電力に係る電圧の変化を検出することにより、結合領域の近傍の金属異物を検出する。

　異物検出回路２５Ｂは、スイッチＳＷ１，ＳＷ２、キャパシタＣ１，Ｃ２、抵抗Ｒ１，Ｒ２、整流回路６１、ロジックインバータ６２，６３を備える。送電コイル２１及び異物検出回路２５Ｂは、例えばピアース回路である発振回路を構成し、これは、送電コイル２１及びキャパシタＣ１，Ｃ２によって決まる自励発振周波数と、抵抗Ｒ１，Ｒ２によって決まる発振条件とを有する。制御回路２４Ｂは、金属異物を検出しようとするとき、予め決められた周波数のテスト信号を送電コイル２１に供給するように送電回路２３を制御する。スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、制御回路２４Ｂの制御下で、金属異物を検出しようとするときのみ閉じられる。異物検出回路２５Ｂは、結合領域の近傍の金属異物に起因する、キャパシタＣ１の電圧の変化と、発振回路の自励発振周波数の変化とを検出する。キャパシタＣ１の電圧は、整流回路６１により整流され、電圧信号として制御回路２４Ｂに送られる。整流回路６１を用いることにより、金属異物を検出する精度が向上する。また、整流回路６１として倍電圧整流回路を用いることにより、金属異物を検出する精度がさらに向上する。また、整流回路６１の後段に増幅器（図示せず）を挿入しても、金属異物を検出する精度が向上する。制御回路２４Ｂは、電圧信号をアナログ／ディジタル変換する。一方、ロジックインバータ６２，６３は、発振回路の自励発振周波数を有する周波数信号を発生する増幅素子であり、制御回路２４Ｂは、ロジックインバータ６３が出力する周波数信号の周波数をカウントすることで、発振回路の自励発振周波数の変化を検出する。異物検出回路２５Ｂは、ピアース回路を応用したクロック生成回路として構成されているので、周波数信号は矩形波のクロック信号であり、これにより、周波数カウントの精度が向上する。ただし、発振回路はピアース回路に限定されず、ハートレー回路、コルピッツ回路などの一般的な発振回路により正弦波を発生し、正弦波を矩形波に変換して用いてもよい。

　例えば、抵抗Ｒ１は１．１ｋΩであり、抵抗Ｒ２は２．２ＭΩであり、キャパシタＣ１，Ｃ２は２０ｎＦであり、テスト信号の周波数は３００ｋＨｚ帯に設定される。通常、テスト信号の周波数は、送電時の電力の周波数より高い。第２交流電力の周波数より高い周波数のテスト信号を用いるので、異物検知の時間的分解能が向上する。その結果、高精度で金属異物を検知できる。

　送電コイル２１及び異物検出回路２５Ｂにより発振回路を構成することにより、結合領域の近傍の金属異物に起因する送電コイル２１のインダクタンスあるいは抵抗値の変化が、発振回路における電圧、電流、及び周波数の変化に顕著に現れる。従って、金属異物を検出する感度を向上させることができる。

　図１０は、図５の送電コイル１２１の外周より外側における金属異物５を検出可能な領域Ａ１を示す断面図である。図１１は、図９の送電コイル２１の外周より外側における金属異物５を検出可能な領域Ａ２を示す断面図である。送電コイル２１，１２１の外周は、半径１９．５ｍｍを有する。金属異物５は、直径５ｍｍ及び厚さ１ｍｍの鉄である。図１０及び図１２について、送電コイル２１，１２１に同じ異物検出回路２５が接続され、異物検出回路２５は、同じしきい値を用いて、送電コイル２１又は１２１における交流電力に係る電圧、電流、及び周波数の少なくとも１つの変化を検出することにより、金属異物５を検出する。図１０によれば、送電コイル１２１の外周より外側であっても、送電コイル１２１と電磁的に結合する範囲内であれば（領域Ａ１）、金属異物５を検出することができる。一方、図１１によれば、結合領域において送電コイル２１の巻線が巻回されていない領域を覆うように結合領域に沿って設けられた磁性体２２を備えたことにより、広い範囲（領域Ａ２＝Ａ１×４．５）にわたって金属異物５を検出することができる。図１２は、図１１の磁性体２２による、金属異物５を検出可能な領域の拡大を示すグラフである。図１２の横軸は、結合領域内に巻回された送電コイル２１の巻線の中心Ｏから送電コイル２１の巻線の外周Ｐ１までの距離に対する、送電コイル２１の巻線の中心Ｏから磁性体２２の外周Ｐ２までの距離の比を表す（図４参照；以下、「Ｐ２／Ｐ１」とする）。図１２の縦軸は、図１０の送電コイル１２１に係る金属異物５を検出可能な領域Ａ１を基準とする、図１１の送電コイル２１に係る金属異物５を検出可能な領域Ａ２の比を表す。図１２によれば、Ｐ２／Ｐ１が１～１．２の範囲では、金属異物５を検出可能な領域Ａ２は線形に拡大しているが、Ｐ２／Ｐ１が１．２以上のときは、領域Ａ２の拡大は飽和している。送電コイル２１の１．２倍以上のサイズを有する磁性体２２を用いることにより、製造ばらつきによる検出レベルへの影響を小さくすることができる。磁性体２２の材料のコストを考慮して、磁性体２２のサイズを送電コイル２１のサイズの２倍以下にしてもよい。ここで、送電コイルと磁性体の形状が相似形でないときの上記Ｐ１とＰ２の測定方法について説明する。送電コイルの中心から磁性体の外周までの距離が一番近くなる線分を決定する。上記線分と磁性体の外周とが交わる点と送電コイルの中心との距離をＰ２とする。上記線分と送電コイルの外周とが交わる点と送電コイルの中心との距離をＰ１とする。

　図１３は、第４の実施形態に係る無線電力伝送システムの送電装置２Ｃの構成を示す断面図である。図１４は、図１３の送電装置２Ｃの構成を示す上面図である。送電コイル２１と電磁的に結合する範囲内であれば、結合領域において送電コイル２１の巻線が巻回されていない領域であっても、磁性体を設けなくてもよい。図１３及び図１４の送電装置２Ｃでは、送電コイル２１の巻線の外周よりも外側の領域を覆うようにリング形状の磁性体２２Ｃを設け、送電コイル２１の巻線の外周よりも内側には磁性体を設けていない。また、送電コイル２１の巻線の内周よりも内側の領域を覆うように磁性体を設けてもよい。図１３及び図１４の送電装置２Ｃによれば、磁性体の材料を削減することができ、送電装置２の軽量化及びコスト削減に寄与する。

　図１５は、第５の実施形態に係る無線電力伝送システムの送電装置２Ｄの構成を示す断面図である。図１６は、図１５の送電装置２Ｄの構成を示す上面図である。図１５及び図１６の送電装置２Ｄでは、送電コイル２１の巻線の外周よりも内側の領域を覆うように磁性体２２Ｄ１を設け、送電コイル２１の巻線の外周よりも外側の領域を覆うようにリング形状の磁性体２２Ｄ２を設けている。図１３及び図１４の送電装置２Ｃによれば、構成の自由度を向上させることができる。また、送電コイルが発生する磁界であって磁性体側に発生する磁界を、上記送電コイルの外周より内側に配置された磁性体で吸収することができる。そして、送電装置から磁性体側に電磁波が漏れるのを防ぐことができる。その結果、上記電磁波が他の部材へ悪影響を及ぼすのを防止できる。このことは、図１の送電装置についても同様のことが言える。

　図１７は、第６の実施形態に係る無線電力伝送システムの送電装置２Ｅの構成を示す断面図である。送電装置２Ｅは、送電装置２Ｅの上面に近接して設けられる受電装置（図示せず）に向かって突出した部分を含む磁性体２２Ｅを備える。図１７の送電装置２Ｅによれば、送電コイルの巻線の外周よりも外側における磁界密度の減衰がさらに低減され、金属異物を検出することができる範囲をさらに拡大することが可能となる。また、図１７の送電装置２Ｅによれば、送電コイル２１から上方に離れた位置にある金属異物、又は小さな金属異物を検出できるようになる。

　図１８は、第７の実施形態に係る無線電力伝送システムの構成を示す断面図である。送電装置２Ｆは、送電コイル２１及び磁性体２２Ｆを備え、受電装置３Ｆは、受電コイル３１及び磁性体３２Ｆを備える。受電コイル３１の巻線の少なくとも一部は、受電装置３Ｆが送電装置２Ｆに対向する面における領域であって、送電コイル２１及び受電コイル３１が互いに電磁的に結合して送電コイル２１から受電コイル３１に電力を送るときに受電コイル３１が近接して配置され得る領域である「結合領域」内に巻回される。磁性体３２Ｆは、結合領域において受電コイル３１の巻線が巻回されていない領域を覆うように結合領域に沿って設けられ、送電コイル３１に電磁的に結合する。

　図１９は、図１８の無線電力伝送システムの構成を示すブロック図である。送電装置２Ｆは、さらに、送電回路２３及び制御回路２４Ｆを備える。受電装置３Ｆは、さらに、受電回路３３、異物検出回路３４、及び制御回路３５を備える。異物検出回路３４は、受電コイル３１における交流電力に係る電圧、電流、及び周波数の少なくとも１つの変化を検出することにより、結合領域の近傍の金属異物を検出する。受電装置３Ｆの制御回路３５は、異物検出回路３４により結合領域の近傍の異物を検出したとき、送電装置２Ｆから受電装置３Ｆへの電力伝送を停止させる制御信号を、受電回路３３Ｆ及び受電コイル３１を介して送電装置２Ｆに送る。送電装置２Ｆの制御回路２４Ｆは、送電コイル２１を介して受電装置３Ｆから制御信号を受信したとき、送電回路２４から送電コイル２１への交流電力の供給を停止させる。

　図１８及び図１９に示すように、受電装置３Ｆにより結合領域の近傍の金属異物を検出してもよい。

　（変形例）
　実施形態に係る送電コイル及び磁性体は、例えば円形に構成されるが、楕円形、正方形、長方形など、他の任意の形状であってもよい。また、送電コイルは、スパイラル形状に巻回されてもよく、又は、ソレノイド形状に巻回されてもよい。

　結合領域は、例えば送電装置が受電装置に対向する面の全体であってもよく、それに代わって、送電装置及び受電装置の筐体の形状に応じて、他の範囲にわたる領域であってもよい。

　送電装置が異物検出装置を備えた場合、汎用の受電装置を使用することができる。汎用の受電装置を用いても、結合領域の近傍の金属異物を検出し、金属異物の発熱を確実に防止することができる。

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

　（本開示の第１側面にかかる送電装置）
　本開示の第１側面にかかるヒートポンプ制御装置は、
　受電コイルを備えた受電装置に向けて非接触で電力を送る送電装置であって、
　上記受電装置が設置される上記送電装置の設置面に対向して配置され、上記受電コイルと電磁的に結合可能な送電コイルと、
　上記送電コイルを介して上記設置面と対向して少なくとも上記送電コイルの外側に配置され、上記送電コイルに電磁的に結合する磁性体と、
　上記送電コイルに第１交流電力を供給し、上記第１交流電力の電圧、電流、周波数、上記第１交流電力の直流成分の電圧または直流成分の電流の少なくとも１つの変化を検出することにより、少なくとも上記送電コイルの外側に存在する金属異物を検出する異物検出回路と、を備えている。
　上記側面によると、上記磁性体を少なくとも送電コイルの外側に配置した。これにより、上記磁性体と上記送電コイルとの間に生成された磁界を、上記送電コイルの外側まで広げる。そのため、送電コイルの外側の磁界の変化を検出することが可能になる。その結果、受電コイルと送電コイルと位置ずれしているが、受電コイルと送電コイルとが電磁的に結合している場合、送電コイルの近傍の金属異物だけでなく、送電コイルから遠隔し受電コイルのみに近接した金属異物をも検出できる。

　また、上記異物検出回路は、上記送電コイルに上記第１交流電力を供給する。これにより、例えば、受電装置に電力を供給する期間中ではなく、受電装置に電力を供給する前に金属異物を検出することが可能となる。そのため、金属異物の発熱を防ぐことができる。

　上記側面において、上記異物検出回路は、前記少なくとも上記送電コイルの外側に配置された磁性体の領域で、金属異物を検出してもよい。
　ここで、磁性体の領域の意味について以下に説明する。磁性体の領域の意味は、送電コイルから遠隔し受電コイルのみに近接した金属異物の存在する領域のことで、図４のＰ１とＰ２の間で磁性体を含むＺ方向の領域と－Ｐ１と－Ｐ２の間で磁性体を含むＺ方向の領域のことである。

　上記側面において、上記磁性体は、上記送電コイルの外周より内側にも配置されていてもよい。
　上記側面によると、上記送電コイルが発生する磁界であって磁性体側に発生する磁界を、上記送電コイルの外周より内側に配置された磁性体で吸収する。上記送電装置から上記磁性体側に電磁波が漏れるのを防ぐ。その結果、上記電磁波が他の部材へ悪影響を及ぼすのを防止できる。

　上記側面において、上記異物検出回路が供給する上記第１交流電力より大きい第２交流電力を供給する送電回路を設け、上記受電装置が上記送電装置の設置面に設置された状態で上記異物検出回路が上記金属異物を検出しなかった場合、前記送電回路は前記第２交流電力を上記送電コイルに供給してもよい。
　上記側面によると、上記異物検出回路は、上記第２交流電力より小さい、即ち、微弱な第１交流電力を上記送電コイルに供給する。これにより、上記異物検出回路は、上記第２交流電力の供給期間中ではなく第２交流電力を供給する前に、微弱な第１交流電力を用いて金属異物を検知できる。そのため、金属異物があったとしても、金属異物に渦電流が発生せず、金属異物の発熱することを防止できる。
　また、異物検出の結果、少なくとも送電コイルの外側の金属異物を検出しなかった場合、送電回路は送電コイルに第２交流電力を供給する。そのため、送電コイルに第２交流電力を供給する際、安全を確保できる。
　上記側面において、上記送電コイルの中心から上記磁性体の外周までの距離は、上記送電コイルの中心から上記送電コイルの外周までの距離の１．２倍以上かつ２倍以下であってもよい。
　上記側面によると、磁性体の大きさのばらつきがあっても、安定して磁界を生成できる。

　上記側面において、上記磁性体は、上記磁性体の外周部に、上記設置面に向かって突出した部分を備えていてもよい。
　上記側面によると、上記設置面に向かって突出した部分により、前記送電コイルによって生成された磁界の拡散を防止する。これにより、送電コイルの外周よりも外側において磁界密度の増加させている。そのため、上記送電装置の設置面から垂直方向に離間した位置に存在する金属異物をも検出できる。

　上記側面において、上記異物検出回路は、上記第２交流電力の周波数より高い周波数を発振して、上記送電コイルとともに上記第１交流電力を生成する発振回路を構成してもよい。
　上記側面によると、上記第２交流電力の周波数より高い周波数を用いるので、異物検知の時間的分解能が向上するので、高精度で金属異物を検知できる。
　なお、上記の側面は、無線電力伝送システムとして実現されてもよい。

　（本開示の第２側面にかかる送電装置）
　本開示の第２側面にかかる送電装置は、
　受電コイルを備えた受電装置に向けて非接触で電力を送る送電装置であって、
　上記受電装置が設置される上記送電装置の設置面に対向して配置され、上記受電コイルと電磁的に結合可能な送電コイルと、
　上記送電コイルを介して上記設置面と対向して少なくとも上記送電コイルの外側に配置され、上記送電コイルに電磁的に結合する磁性体と、
　上記送電コイルに交流電力を供給する送電回路と、
　上記交流電力の電圧、電流、周波数、上記交流電力の直流成分の電圧または直流成分の電流の少なくとも１つの変化を検出することにより、少なくとも上記送電コイルの外側に存在する金属異物を検出する異物検出回路と、を備えている。
　上記側面において、上記磁性体を少なくとも送電コイルの外側に配置した。これにより、上記磁性体と上記送電コイルとの間に生成された磁界を、上記送電コイルの外側まで広げる。そのため、送電コイルの外側の磁界の変化を検出することが可能になる。その結果、受電コイルと送電コイルと位置ずれしているが、受電コイルと送電コイルとが電磁的に結合している場合、送電コイルの近傍の金属異物だけでなく、送電コイルから遠隔し受電コイルのみに近接した金属異物をも検出できる。
　また、上記送電回路が上記送電コイルに供給する上記交流電力を用いて、上記異物検知回路は異物検知を行っている。これにより、受電装置に電力を供給する期間中に金属異物を検出することになる。そのため、受電装置に送電を行っている間に金属異物を検知した場合、金属異物の発熱を防ぐことができる。
　なお、上記の側面は、無線電力伝送システムとして実現されてもよい。

　（本開示の第３側面にかかる送電装置）
　本開示の第３側面にかかる送電装置は、
　受電コイルを備えた受電装置に向けて非接触で電力を送る送電装置において、上記送電装置は、
　上記受電コイルと電磁的に結合可能な送電コイルを備え、上記送電コイルの巻線の少なくとも一部は、上記送電装置が上記受電装置に対向する面における領域であって、上記送電コイル及び上記受電コイルが互いに電磁的に結合して上記送電コイルから上記受電コイルに電力を送るときに上記受電コイルが近接して配置され得る領域である結合領域内に巻回され、
　上記送電装置は、さらに、
　上記結合領域において上記送電コイルの巻線が巻回されていない領域を覆うように上記結合領域に沿って設けられ、上記送電コイルに電磁的に結合する磁性体と、
　上記送電コイルに交流電力を供給する送電回路と、
　上記送電コイルにおける交流電力に係る電圧、電流、及び周波数の少なくとも１つの変化を検出することにより上記結合領域の近傍の異物を検出する異物検出回路と、
　上記異物検出回路により上記結合領域の近傍の異物を検出したとき、上記送電回路から上記送電コイルへの交流電力の供給を停止する制御回路と、を備える。
　なお、上記の側面は、上記磁性体は、上記送電装置が上記受電装置に対向する面に沿った領域であって、上記結合領域よりも広い領域にわたって設けられてもよい。
　なお、上記の側面は、上記結合領域内に巻回された上記送電コイルの巻線の中心から上記磁性体の外周までの距離は、上記送電コイルの巻線の中心から上記送電コイルの巻線の外周までの距離の１．２倍以上かつ２倍以下であってもよい。
　なお、上記の側面は、上記磁性体は、上記結合領域内に巻回された上記送電コイルの巻線を含む面に対して、上記受電装置とは逆の側に設けられてもよい。
　なお、上記の側面は、上記磁性体は、上記受電装置に向かって突出した部分を含んでいてもよい。
　なお、上記の側面は、上記異物検出回路は、上記送電装置から上記受電装置に電力を送っているとき、上記送電コイルにおける交流電力に係る電圧、電流、及び周波数の少なくとも１つの変化を検出することにより上記結合領域の近傍の異物を検出してもよい。
　なお、上記の側面は、上記制御回路は、上記送電装置から上記受電装置に電力を送っていないとき、予め決められた周波数のテスト信号を上記送電コイルに供給するように上記送電回路を制御し、上記異物検出回路は、上記送電コイルにおける上記テスト信号に係る電圧、電流、及び周波数の少なくとも１つの変化を検出することにより上記結合領域の近傍の異物を検出し、上記制御回路は、上記テスト信号に基づいて上記結合領域の近傍の異物を検出したとき、上記送電回路から上記送電コイルへ上記交流電力を供給しなくてもよい。
　なお、上記の側面は、上記異物検出回路は、上記送電コイルとともに発振回路を構成し、上記発振回路の自励発振周波数の変化を検出することにより上記結合領域の近傍の異物を検出してもよい。
　なお、上記の側面は、無線電力伝送システムとして実現されてもよい。

　本開示の送電装置及び無線電力伝送システムは、モバイル機器及びＥＶ車両などへ非接触で電力を送る際に、送電コイル又は受電コイルの近傍の金属異物を確実に検出することに有用である。

　１　電源装置
　２，２Ａ～２Ｆ　送電装置
　３，３Ｆ　受電装置
　４　負荷装置
　５　金属異物
　２１　送電コイル
　２２，２２Ｃ，２２Ｄ１，２２Ｄ２，２２Ｅ，２２Ｆ　磁性体
　２３　送電回路
　２４，２４Ｂ，２４Ｆ　制御回路
　２５，２５Ａ，２５Ｂ　異物検出回路
　３１　受電コイル
　３２，３２Ｆ　磁性体
　３３，３３Ｆ　受電回路
　３４　異物検出回路
　３５　制御回路
　５１　ピークホールド回路
　５２　ディスチャージャ
　５３　帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）
　５４　基準電圧源
　５５　コンパレータ
　６１　整流回路
　６２，６３　ロジックインバータ
　Ｃ１，Ｃ２　キャパシタ
　Ｒ，Ｒ１，Ｒ２　抵抗
　ＳＷ１，ＳＷ２　スイッチ

Claims

　受電コイルを備えた受電装置に向けて非接触で電力を送る送電装置であって、
　上記受電装置が設置される上記送電装置の設置面に対向して配置され、上記受電コイルと電磁的に結合可能な送電コイルと、
　上記送電コイルを介して上記設置面と対向して少なくとも上記送電コイルの外側に配置され、上記送電コイルに電磁的に結合する磁性体と、
　上記送電コイルに第１交流電力を供給し、上記第１交流電力の電圧、電流、周波数、上記第１交流電力の直流成分の電圧または直流成分の電流の少なくとも１つの変化を検出することにより、少なくとも上記送電コイルの外側に存在する金属異物を検出する異物検出回路と、を備えた、
　送電装置。
　上記異物検出回路は、前記少なくとも上記送電コイルの外側に配置された磁性体の領域で、金属異物を検出する、
　請求項１記載の送電装置。
　上記磁性体は、上記送電コイルの外周より内側にも配置されている、
　請求項１記載の送電装置。
　上記異物検出回路が供給する上記第１交流電力より大きい第２交流電力を供給する送電回路を設け、
　上記受電装置が上記送電装置の設置面に設置された状態で上記異物検出回路が上記金属異物を検出しなかった場合、前記送電回路は前記第２交流電力を上記送電コイルに供給する、
　請求項１～３記載の送電装置。
　上記送電コイルの中心から上記磁性体の外周までの距離は、上記送電コイルの中心から上記送電コイルの外周までの距離の１．２倍以上かつ２倍以下である請求項１～４記載の送電装置。
　上記磁性体は、上記磁性体の外周部に、上記設置面に向かって突出した部分を備える請求項１～５のいずれか１つに記載の送電装置。
　上記異物検出回路は、上記第２交流電力の周波数より高い周波数を発振して、上記送電コイルとともに上記第１交流電力を生成する発振回路を構成する、
　請求項４～６のいずれか１つに記載の送電装置。
　請求項１～７のいずれか１つに記載の送電装置と、受電コイルを備えた受電装置とを備えた無線電力伝送システム。
受電コイルを備えた受電装置に向けて非接触で電力を送る送電装置であって、
　上記受電装置が設置される上記送電装置の設置面に対向して配置され、上記受電コイルと電磁的に結合可能な送電コイルと、
　上記送電コイルを介して上記設置面と対向して少なくとも上記送電コイルの外側に配置され、上記送電コイルに電磁的に結合する磁性体と、
　上記送電コイルに交流電力を供給する送電回路と、
　上記交流電力の電圧、電流、周波数、上記交流電力の直流成分の電圧または直流成分の電流の少なくとも１つの変化を検出することにより、少なくとも上記送電コイルの外側に存在する金属異物を検出する異物検出回路と、を備えた、
　送電装置。
　請求項９記載の送電装置と、受電コイルを備えた受電装置とを備えた無線電力伝送システム。