(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１端子及び第２端子を有する巻回された第１導線である第１コイルと、
前記第１コイルと隣接して配置され、第３端子及び第４端子を有する巻回された第２導線である第２コイルであって、前記第３端子から前記第４端子への巻回方向は、前記第１端子から前記第２端子への巻回方向と同一である第２コイルと、
第１所定波形を有する第１検出信号を前記第１コイルの前記第１端子に出力し、前記第１所定波形と同じ極性の第２所定波形を有する第２検出信号を前記第２コイルの前記第３端子に出力し、
異物の有無によって生じる前記第１コイル又は前記第２コイルのいずれか一方のインピーダンス値の変化量を測定し、
前記インピーダンス値の変化量が所定値を超えたとき、前記第１コイル又は前記第２コイルの上に異物があると判断し、
前記インピーダンス値の変化量が前記所定値を超えないとき、前記第１コイル又は前記第２コイルの上に異物がないと判断する、１つの異物検出回路と、を備え、
前記第２端子及び前記第４端子の電位は、前記異物検出回路の基準電位と同電位であり、
前記第１コイル及び前記第２コイルの各々は、各コイルの軸に垂直な方向に配列され、
前記第１検出信号及び前記第２信号が出力されたとき、前記第１コイルと前記第２コイルとの間の領域に、前記第１コイル及び前記第２コイルの軸方向に増強された合成磁界が発生する、
異物検出装置。
【請求項２】
前記第１端子及び前記第３端子は、それぞれ、前記第１コイル及び前記第２コイルの外側に配置された外側端子、又は前記第１コイル及び前記第２コイルの内側に配置された内側端子のいずれか一方の端子であり、
前記第２端子及び前記第４端子は、それぞれ、前記第１コイル及び前記第２コイルの前記外側端子又は前記内側端子のいずれか他方の端子である、
請求項１に記載の異物検出装置。
【請求項３】
前記第１コイル及び前記第２コイルの各々は、同一平面上に隣接して配置されている、
請求項１又は２に記載の異物検出装置。
【請求項４】
前記第１検出信号及び前記第２検出信号は、交流信号又はパルス信号である、
請求項１から３のいずれか１項に記載の異物検出装置。
【請求項５】
前記異物検出回路は、前記第１検出信号及び前記第２検出信号を同時に前記第１コイル及び前記第２コイルにそれぞれ出力する、
請求項１から４のいずれか１項に記載の異物検出装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の異物検出装置と、
送電コイルと、
前記送電コイルに高周波電力を送電する送電回路と、を備える、
無線送電装置。
【請求項７】
前記送電コイルを内部に配置した筐体を備え、
前記第１コイル及び前記第２コイルの各々の外周は、前記送電コイルの外周より小さく、
前記第１コイル及び前記第２コイルは、前記筐体の主面と前記送電コイルの間に配置されている、
請求項６に記載の無線送電装置。
【請求項８】
前記第１コイル及び前記第２コイルのうちの少なくとも一つと前記送電コイルとを兼用した、
請求項６に記載の無線送電装置。
【請求項９】
前記第１検出信号の電力及び前記第２検出信号の電力は、前記高周波電力より小さい、
請求項６から８のいずれか１項に記載の無線送電装置。
【請求項１０】
前記異物検出回路が前記第１コイル又は前記第２コイルの上に異物がないと判断した後に、前記送電回路に前記高周波電力を送電させる制御回路をさらに備えた、
請求項６から９のいずれか１項に記載の無線送電装置。
【請求項１１】
請求項６から１０のいずれか１項に記載の無線送電装置と、
無線受電装置と、を備える、無線電力伝送システム。
【請求項１２】
第１端子及び第２端子を有する巻回された導線であるコイルを３つ以上含むコイル群であって、隣接する第１コイル及び第２コイルを含み、前記第１コイル及び前記第２コイルにおける前記第１端子から前記第２端子への巻回方向は同一である、コイル群と、
前記コイル群の中から隣接する前記第１コイルと前記第２コイルとを選択する異物検出回路と、
前記第１コイル及び前記第２コイルと前記異物検出回路とを電気的に接続する少なくとも１つのスイッチと、を備え、
前記異物検出回路は、
第１所定波形を有する第１検出信号を前記第１コイルの前記第１端子に出力し、前記第１所定波形と同じ極性の第２所定波形を有する第２検出信号を前記第２コイルの前記第１端子に出力し、
異物の有無によって生じる前記第１コイル又は前記第２コイルのいずれか一方のインピーダンス値の変化量を測定し、
前記インピーダンス値の変化量が所定値を超えたとき、前記第１コイル又は前記第２コイルの上に異物があると判断し、
前記インピーダンス値の変化量が所定値を超えないとき、前記第１コイル又は前記第２コイルの上に異物がないと判断し、
前記第１コイル及び前記第２コイルの各々における前記第２端子の電位は、前記異物検出回路の基準電位と同電位であり、
前記第１コイル及び前記第２コイルの各々は、各コイルの軸に垂直な方向に配列され、
前記第１検出信号及び前記第２信号が出力されたとき、前記第１コイルと前記第２コイルとの間の領域に、前記第１コイル及び前記第２コイルの軸方向に増強された合成磁界が発生する、
異物検出装置。
【請求項１３】
前記第１コイル及び前記第２コイルにおける前記第１端子は、それぞれ、前記第１コイル及び前記第２コイルの外側に配置された外側端子、又は前記第１コイル及び前記第２コイルの内側に配置された内側端子のいずれか一方の端子であり、
前記第１コイル及び前記第２コイルにおける前記第２端子は、それぞれ、前記第１コイル及び前記第２コイルの前記外側端子又は前記内側端子のいずれか他方の端子である、
請求項１２に記載の異物検出装置。
【請求項１４】
前記異物検出回路は、前記第１検出信号及び前記第２検出信号を同時に前記第１コイル及び前記第２コイルにそれぞれ出力する、
請求項１２に記載の異物検出装置。
【請求項１５】
請求項１２又は１３に記載の異物検出装置と、
送電コイルと、
前記送電コイルに高周波電力を送電する送電回路と、を備える、
無線送電装置。
【請求項１６】
前記送電コイルを内部に配置した筐体を備え、
前記第１コイル及び前記第２コイルの各々の外周は、前記送電コイルの外周より小さく、
前記第１コイル及び前記第２コイルは、前記筐体の主面と前記送電コイルの間に配置されている、
請求項１５に記載の無線送電装置。
【請求項１７】
前記第１コイル及び前記第２コイルのうちの少なくとも一つと前記送電コイルとを兼用した、
請求項１５に記載の無線送電装置。
【請求項１８】
前記第１検出信号の電力及び前記第２検出信号の電力は、前記高周波電力より小さい、
請求項１５から１７のいずれか１項に記載の無線送電装置。
【請求項１９】
前記異物検出回路が前記第１コイル又は前記第２コイルの上に異物がないと判断した後に、前記送電回路に前記高周波電力を送電させる制御回路をさらに備えた、
請求項１５から１８のいずれか１項に記載の無線送電装置。
【請求項２０】
請求項１５から１９のいずれか１項に記載の無線送電装置と、
無線受電装置と、を備える、無線電力伝送システム。
【請求項２１】
前記第１コイル及び前記第２コイルの各々は、同一平面上に隣接して配置されている、
請求項１２に記載の異物検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、例えば無線電力伝送システムにおける無線送電装置の近傍に存在する金属、人体、動物などの異物を検出する異物検出装置に関する。本開示は、さらに、そのような異物検出装置を備えた無線送電装置及び無線電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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ている。モバイル機器の消費電力量は、機能及び性能の向上、並びにコンテンツの多様化に伴って増大し続けている。モバイル機器は、予め決められた容量のバッテリで動作するため、消費電力量が増大すると、当該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、無線送電装置（以下、単に「送電装置」という）における送電コイルと、無線受電装置（以下、単に「受電装置」という）における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無線で電力を伝送する。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。このため、共振型の無線電力伝送システムは様々な分野において応用が期待されている。送電コイルを大型化したり、複数の送電コイルのアレーを構成したりすることによって充電可能なエリアを拡大することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４５２５７１０号公報
【特許文献２】特許第４７８０４４７号公報
【特許文献３】特開２０１２−１６１７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
無線電力伝送システムでは、送電コイル又は受電コイルの近傍に位置する金属などの異物を広い範囲に亘って高い精度で検出することが求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本開示の一態様に係る異物検出装置は、第１端子及び第２端子を有する巻回された第１導線である第１コイルと、前記第１コイルと隣接して配置され、第３端子及び第４端子を有する巻回された第２導線である第２コイルであって、前記第３端子から前記第４端子への巻回方向は、前記第１端子から前記第２端子への巻回方向と同一である第２コイルと、第１所定波形を有する第１検出信号を前記第１コイルの前記第１端子に出力し、前記第１所定波形と同じ極性の第２所定波形を有する第２検出信号を前記第２コイルの前記第３端子に出力し、前記第１コイルと前記第２コイルの間において、前記第１コイルからの磁界と前記第２コイルからの磁界とを反発させ、異物の有無によって生じる前記第１コイル又は前記第２コイルのいずれか一方のインピーダンス値の変化量を測定し、前記インピーダンス値の変化量が所定値を超えたとき、前記第１コイル又は前記第２コイルの上に異物があると判断する１つの異物検出回路と、を備える。前記第２端子及び前記第４端子の電位は、物検出回路の基準電位と同電位である。
【０００６】
本開示の他の態様に係る異物検出装置は、第１端子及び第２端子を有する巻回された導線であるコイルを３つ以上含むコイル群であって、隣接する第１コイル及び第２コイルを含み、前記第１コイル及び前記第２コイルにおける前記第１端子から前記第２端子への巻回方向は同一である、コイル群と、前記コイル群の中から隣接する前記第１コイルと前記第２コイルとを選択する異物検出回路と、前記第１コイル及び前記第２コイルと前記異物検出回路とを電気的に接続する少なくとも１つのスイッチと、を備える。前記異物検出回路は、第１所定波形を有する第１検出信号を前記第１コイルの前記第１端子に出力し、前記第１所定波形と同じ極性の第２所定波形を有する第２検出信号を前記第２コイルの前記第１端子に出力し、前記第１コイルと前記第２コイルの間において、前記第１コイルからの磁界と前記第２コイルからの磁界とを反発させ、異物の有無によって生じる前記第１コイル又は前記第２コイルのいずれか一方のインピーダンス値の変化量を測定し、前記インピーダンス値の変化量が所定値を超えたとき、前記第１コイル又は前記第２コイルの上に異物があると判断する。前記第１コイル及び前記第２コイルの各々における前記第２端子の電位は、前記異物検出回路の基準電位と同電位である。
【０００７】
本開示の他の態様に係る異物検出装置は、導線が巻回された第１コイルと、前記第１コイルと隣接して配置され、導線が巻回された第２コイルと、第１所定波形を有する第１検出信号を前記第１コイルに出力し、第２所定波形を有する第２検出信号を前記第２コイルに出力し、前記第１コイルに流れる前記第１検出信号に基づく電流及び前記第２コイルに流れる前記第２検出信号に基づく電流の両方を時計回り、又は、反時計回りに流れさせ、前記第１コイルと前記第２コイルの間において、前記第１コイルからの磁界と前記第２コイルからの磁界とを反発させ、異物の有無によって生じる前記第１コイル又は前記第２コイルのいずれか一方のインピーダンス値の変化量を測定し、前記インピーダンス値の変化量が所定値を超えたとき、前記第１コイル上又は前記第２コイル上に異物があると判断する、１つの異物検出回路と、を備える。
【０００８】
これらの包括的又は具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、又は、記録媒体で実現されてもよい。あるいは、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム及び記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の一態様によると、従来よりも広い範囲に亘って高い精度で異物を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態に係る異物検出装置を模式的に示す図である。
【図２】図１のＡ１−Ａ１’線における検出コイル１１ａ及び１１ｂの断面、並びに生成される磁界を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る異物検出装置の動作を示す図である。
【図４Ａ】第１の実施形態の実装例に係る異物検出装置の検出コイル１１ａ、１１ｂを示す上面図である。
【図４Ｂ】第１の比較例に係る異物検出装置の検出コイル１１ａを示す上面図である。
【図４Ｃ】第２の比較例に係る異物検出装置の検出コイル１１ａ〜１１ｃを示す上面図である。
【図４Ｄ】図４Ａ〜４Ｃの各構成における異物２０によるＱ値の変化率の距離依存性を示すグラフである。
【図５Ａ】第１の実施形態の実装例に係る異物検出装置の検出コイル１１ａ、１１ｂを示す上面図である。
【図５Ｂ】第３の比較例に係る異物検出装置の検出コイル１１ａ、１１ｂを示す上面図である。
【図５Ｃ】図５Ａ、図５Ｂ及び図４Ｂの各構成における異物２０によるインダクタンスを示すグラフである。
【図６】第１の実施形態の第１の変形例に係る異物検出装置を模式的に示す図である。
【図７】第２の実施形態に係る無線電力伝送システムを示すブロック図である。
【図８Ａ】図７に示す送電装置３０の一部を示す図である。
【図８Ｂ】図８ＡのＡ２−Ａ２’線における検出コイル１１ａ、１１ｂ及び送電コイル３１ａ、３１ｂの断面を示す図である。
【図９Ａ】第２の実施形態の第１の変形例に係る無線電力伝送システムにおける検出コイル１１ａ〜１１i及び送電コイル３１の配置を示す図である。
【図９Ｂ】図９ＡのＡ３−Ａ３’線における検出コイル１１ａ〜１１ｉ及び送電コイル３１の断面を示す図である。
【図１０】第２の実施形態に係る送電装置の動作を示す図である。
【図１１】第３の実施形態に係る無線電力伝送システムを示すブロック図である。
【図１２】図１１の送電装置３０ａの一部を示す図である。
【図１３】第３の実施形態の第１の変形例に係る無線電力伝送システムにおける送電装置の一部を示す図である。
【図１４】第２の実施形態及び第３の実施形態に係る送電装置の動作を示す図である。
【図１５】送電を行う前に異物を検知し、且つ、送電を行っている最中においても異物を検知する送電装置の動作を示す図である。
【図１６】送電装置上に、受電装置を備えたスマートフォンが置かれた状態を示した図である。
【図１７】無線電力システムを備えた駐車場を示した図である。
【図１８】病院などで用いられるロボットに、壁から電力を非接触で伝送する無線電力伝送システムの構成例を示す図である。
【図１９】特許文献１に係る異物検出装置の検出コイル１１１を示す上面図である。
【図２０】図１９のＡ１１−Ａ１１’線における検出コイル１１１の断面及び生成される磁界を示す図である。
【図２１Ａ】図１９に示す検出コイル１１１と金属異物の位置関係を示す図である。
【図２１Ｂ】図１９に示す検出コイル１１１のＱ値の変化率の距離依存性を示す図である。
【図２２】特許文献２に係る異物検出装置の検出コイル１１１ａ、１１１ｂを示す上面図である。
【図２３】図２２のＡ１２−Ａ１２’線における検出コイル１１１ａ、１１１ｂの断面及び生成される磁界を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（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、異物を高い精度で検出できる範囲が十分に広くないという課題があることを見出した。以下、この課題を詳細に説明する。
【００１２】
まず、「異物」の定義を説明する。本開示において、「異物」とは、無線電力伝送システムにおける送電コイル又は受電コイルの近傍に位置したときに、送電コイル及び受電コイルの間で伝送される電力に起因して発熱する物体を意味する。そのような物体は、例えば金属、人体、又は動物であり得る。
【００１３】
無線電力伝送システムでは、電力が伝送される空間に異物が存在すると、その異物が発熱する危険性が高まる。ここで、異物が金属である場合を考える。送電コイルから受電コイルに無線で電力を伝送するとき、送電コイルに流れる電流に起因してその周囲に磁界が発生する。この発生した磁界によって異物の表面に渦電流が流れ、異物が発熱する。この発熱は、数十度以上の温度上昇を引き起こす虞がある。
【００１４】
ワイヤレスパワーコンソーシアム（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ：ＷＰＣ）が策定するＱｉ（チー）規格には、許容される温度上昇の上限が規定されている。Ｑｉ規格に準拠した無線電力伝送を行う機器においては、この温度上昇の上限を超えないことが要求される。このため、無線で送電している最中に、送電コイル及び受電コイルの間に異物が混入しないようにすることが望ましい。より安全性を高めるためには、送電を開始する前に送電コイルの近傍の異物を検出することが望ましい。このような検出動作を行った上で、異物が検出されなかった場合にのみ送電動作に移行するようにすれば、発熱の危険性を予め取り除くことができる。
【００１５】
一方、スマートフォンなどの機器への充電可能なエリアを拡大したいという要望がある。例えば、送電コイルを大きくするなどして、送電コイルが送電できる範囲を広げたいという要望がある。そのような要望に伴い、高い精度で異物を検出できる範囲を広げることが望まれている。
【００１６】
特に、車両内のコンソールボックスの下に送電装置を配置する充電システムにおいては、送電コイルとスマートフォンなどの機器との距離が大きくなる場合がある。送電コイルと受電機器との高さ方向の距離が大きくなっても、高い精度で異物の検出を行うことが要求される。
【００１７】
特許文献１は、１つのコイルを送電コイル及び検出コイルとして共用するシステムを開示している。特許文献１のシステムは、検出コイルにパルス信号を送信し、その反射波による検出コイルの電圧の変化を検出して、異物の有無を判別する。
【００１８】
特許文献２は、異物を検出できる範囲を広げるために、２つ以上の検出コイルを並べて配置することを開示している。特許文献２は、異物の検出を行うために、軸方向に並べた送信コイル（即ち検出コイル）及び受信コイルに、互いに逆相の電流を供給することを開示している。このような構成により、送信コイルから送信された信号を直接に受信コイルで受信しないようにして、異物からの反射波を高い感度で受信し、異物の検出を行うことが開示されている。
【００１９】
特許文献３は、複数の送電コイルを有する送電装置を備える無線電力伝送システムを開示している。送電コイルは、異物検出用の検出コイルとしても機能する。複数の送電コイルの各々に異物検出部が接続されている。複数の異物検出部が、同時に複数箇所の異物検出を行っても良いことが開示されている。
【００２０】
本発明者らは、特許文献１〜特許文献３に開示された検出コイルから生じる磁界分布を解析した結果、これらの検出コイルでは、高い精度で異物を検出できる範囲を広げることが困難であることを見出した。以下、この課題を詳細に説明する。
【００２１】
まず、特許文献１について説明する。
【００２２】
特許文献１における検出コイルは、検出コイルの巻線の中心を通る軸に垂直な平面上に巻線が巻回された平面コイルである。
【００２３】
図１９は、特許文献１に開示された異物検出装置における検出コイル１１１と、その上に位置する異物１２０とを模式的に示す上面図である。図１９では、図を簡単にするため、検出コイル１１１の巻線のうち、最外周部分及び最内周部分のみが示されている。実際には、最外周部分と最内周部分との間に巻線が複数回巻回されている。本開示において検出コイルを図示する他の図についても同様である。
【００２４】
図２０は、図１９のＡ１１−Ａ１１’線における検出コイル１１１及び異物１２０の断面、並びに検出コイル１１１の周辺の磁界分布を模式的に示す図である。図２０は、検出コイル１１１の巻線内を、異物１２０の側から見て反時計回りに信号電流が流れている状態を示している。なお、本開示において、異物又は受電コイルの側から見たときに右回りであることを「時計回り」と称し、異物又は受電コイルの側から見たときに左回りであることを「反時計回り」と称する。
【００２５】
検出コイル１１１の近傍に存在する異物１２０（例えば金属片）は、検出コイル１１１の周囲に発生する磁界と相互作用し、検出コイル１１１に流れる信号電流の周波数及び／又は振幅を変化させる。この変化を検出することにより、異物１２０を検出することができる。検出コイル１１１によって異物１２０を検出できる範囲は、おおよそ、検出コイル１１１の巻線が巻回された範囲の上に限定される。検出コイル１１１の巻線の中心部の直上では異物１２０を検出しやすいが、巻線から離れると急激に異物１２０の検出感度が低下する。
【００２６】
図２１Ａ及び図２１Ｂは、このことを示す実験結果を説明するための図である。図２１Ａに示すように、検出コイル１１１の軸上に金属異物１２０を配置し、検出コイル１１１の巻線が形成された面（「コイル面」という）と、異物１２０との距離ｈを変えながらＱ値の変化率を測定した。Ｑ値の変化率は、異物１２０が存在しないときのＱ値の値に対してどの程度Ｑ値が変化するかを表す量である。本実験では、一例として、直径５６ｍｍの円形の検出コイル１１１と、厚さ１ｍｍ、１辺の長さ２０ｍｍの直方体の鉄板からなる異物１２０とを用いた。
【００２７】
図２１Ｂに示すように、コイル１１１のＱ値（＝２πｆＬ／Ｒ、ｆ：周波数、Ｌ：インダクタンス、Ｒ：抵抗）の変化率は、距離ｈが９ｍｍ以上になると、約１０％以下にまで低下し、著しく感度が低下することが分かる。この結果から、特許文献１の構成では、コイル面から離れた位置では磁界の強度が著しく低いことが分かる。特許文献１の構成では、高い精度で異物を検出できる高さ方向の距離を大きくすることは困難である。
【００２８】
次に、特許文献２について説明する。
【００２９】
特許文献２に開示された平面フレキシブルアンテナは、軸方向に並べられた複数の平面コイルを有する検出コイル群を横方向に複数配列した構成を有する。このような構成により、異物を検出できる範囲を広げることができる。ここで、各検出コイル群に含まれる複数の平面コイルは、並列に接続されている。このため、これらのコイルをまとめて１つのコイルと考えることができる。単純化のため、以下の説明では、検出コイル群を１つの検出コイルとして扱う。
【００３０】
図２２は、特許文献２に開示された平面フレキシブルアンテナにおける複数の検出コイルのうち、隣接する２つの検出コイル１１１ａ、１１１ｂを模式的に示す上面図である。図２２は、異物１２０が検出コイル１１１ａの中心部の上に位置している状況を示している。
【００３１】
図２３は、図２２のＡ１２−Ａ１２’線における検出コイル１１１ａ、１１１ｂ、及び異物１２０の断面、並びに検出コイル１１１ａの周辺の磁界分布を模式的に示す図である。ここでは、検出コイル１１１ａ上に異物が存在するため、検出コイル１１１ａにのみ検出信号が入力されている。このように、特許文献２の構成では、同時に１つの検出コイル（群）にのみ検出信号が入力される。
【００３２】
図２３に示すように、２つの検出コイル１１１ａ、１１１ｂを用いた場合においても、磁界分布は、図２０に示した検出コイルが１つの場合の磁界分布と同様である。よって、特許文献２の構成においても、コイル面から離れた位置で磁界を十分に強くすることができない。このような構成では、高い精度で異物を検出できる高さ方向の距離を大きくすることは困難である。
【００３３】
一方、特許文献３は、複数の異物検出コイルを備えた送電装置を開示している。複数の送電コイルの各々は、異物検出部に接続され、異物検出用のコイルとしても用いられる。複数の異物検出部が、同時に複数箇所の異物検出を行っても良いことが開示されている。しかしながら、一度に検出動作を行うコイルは１つなので、特許文献１及び２の構成と同様に、コイル面から離れた場所で磁界を強くできない。したがって、高精度で異物を検出できる距離を大きくすることは困難である。
【００３４】
上述した考察から、本発明者らは、特許文献２及び３に開示されているような複数の検出コイルを配列した異物検出装置を用いても、検出コイルと異物との距離が大きい場合には、異物を高い精度で検出できないという新しい課題を発見するに至った。特許文献１〜特許文献３の構成では、高い精度で異物を検出できる距離を大きくすることが困難である。特に、高さ方向の距離を大きくすることが困難である。
【００３５】
無線電力伝送システムでは、送電コイルと受電コイルとの間隔を一定の距離に保った状態で、送電コイルから生じる磁界をできるだけ変化させずに、受電コイルに安定して電力を送電することが求められる。
【００３６】
送電時の電力は、例えば、１Ｗ〜５０ｋＷ程度である。送電中に２つのコイルの間に異物が侵入すると、異物が発熱する虞がある。
【００３７】
一方、異物検出動作時に検出コイルから送信される信号の電力は、例えば、１０ｍＷ〜１００ｍＷ程度である。検出コイルから送信される信号の電力は、送電時の電力と比較して非常に小さい(例えば、送電時の電力の約１０００分の１以下)。よって、異物検出動作時には異物の発熱による危険性はない。
【００３８】
送電コイルと検出コイルとでは、当然のことながら目的が異なるので、出力する電力が大きく異なる。例えば、異物を検出せずに送電すると、上記のように異物が発熱する虞がある。
【００３９】
以上のように、無線電力伝送システムでは、高い精度で異物を検出できる距離を拡大することが求められる。以上の考察により、本発明者らは、以下に開示する各態様を想到するに至った。
【００４０】
本開示の一態様に係る異物検出装置は、
第１端子及び第２端子を有する巻回された第１導線である第１コイルと、
前記第１コイルと隣接して配置され、第３端子及び第４端子を有する巻回された第２導線である第２コイルであって、前記第３端子から前記第４端子への巻回方向は、前記第１端子から前記第２端子への巻回方向と同一である第２コイルと、
第１所定波形を有する第１検出信号を前記第１コイルの前記第１端子に出力し、前記第１所定波形と同じ極性の第２所定波形を有する第２検出信号を前記第２コイルの前記第３端子に出力し、前記第１コイルと前記第２コイルの間において、前記第１コイルからの磁界と前記第２コイルからの磁界とを反発させ、
異物の有無によって生じる前記第１コイル又は前記第２コイルのいずれか一方のインピーダンス値の変化量を測定し、
前記インピーダンス値の変化量が所定値を超えたとき、前記第１コイル又は前記第２コイルの上に異物があると判断する１つの異物検出回路と、を備え、
前記第２端子及び前記第４端子の電位は、物検出回路の基準電位と同電位である。
【００４１】
上記態様によると、
異物検出装置は、第１端子及び第２端子を有する巻回された第１導線である第１コイルと、前記第１コイルと隣接して配置され、第３端子及び第４端子を有する巻回された第２導線である第２コイルであって、前記第３端子から前記第４端子への巻回方向は、前記第１端子から前記第２端子への巻回方向と同一である第２コイルと、異物検出回路とを備えている。
【００４２】
異物検出回路は、第１所定波形を有する第１検出信号を前記第１コイルの前記第１端子に出力し、前記第１所定波形と同じ極性の第２所定波形を有する第２検出信号を前記第２コイルの前記第３端子に出力する。そして、前記第１コイルと前記第２コイルの間において、前記第１コイルからの磁界と前記第２コイルからの磁界とを反発させる。これにより、第１コイルの上側と第２コイルの上側の磁界を強くすることができる。
【００４３】
そして、異物の有無によって生じる前記第１コイル又は前記第２コイルのいずれか一方のインピーダンス値の変化量を測定する。そして、前記インピーダンス値の変化量が所定値を超えたとき、前記第１コイル又は前記第２コイルの上に異物があると判断する。
【００４４】
これにより、単に複数のコイルを配置して異物を検出する範囲を広げるだけではなく、検出コイルの上側の磁界を強めて、第１コイル又は第２コイルの上側に位置する異物を高い精度で検出することができる。
【００４５】
その結果、高精度で異物を検出できる範囲（特に高さ方向の範囲）を拡大することができる。
【００４６】
さらに、汎用の検出コイルを用いることができるので、部品数、寸法、及び製造コストの増大を抑えることができる。
【００４７】
ここで、「インピーダンス値の変化量」とは、第１コイル〜第２コイルの近傍に異物が存在しないときに検出されるインピーダンス値からの変化量を意味する。すなわち、第１コイル及び第２コイルの近傍に異物が存在しないときのインピーダンス値と、現在のインピーダンス値との差が「インピーダンス値の変化量」である。「インピーダンス値の変化量を測定する」とは、インピーダンス値の変化量を直接測定することのみならず、インピーダンスの変化に応じて変化する他の物理量の変化量を測定することを広く意味する。それらの物理量の測定によって間接的にインピーダンスの変動を測定することができる。インピーダンスの変化に応じて変化する物理量には、第１コイル及び第２コイルの少なくとも一方の電圧値、電流値、電圧若しくは電流の周波数、インダクタンス値、結合係数、又はＱ値などがあり得る。第１検出信号及び第２検出信号の少なくとも一方の反射信号、又は、第１検出信号及び第２検出信号の反射信号を合成した信号の周波数及び／又は振幅などの変化量を測定することも「インピーダンスの変化量を測定する」ことに該当する。これらの定義は、以下の開示内容についても同様に適用される。
【００４８】
以下、本開示のより具体的な実施形態を説明する。以下の説明において、必要に応じて図中のＸＹＺ座標を用いる。
【００４９】
（実施形態１）
図１は、第１の実施形態に係る異物検出装置１００を模式的に示す図である。異物検出装置１００は、検出コイル１１ａ及び１１ｂと、異物を検出する異物検出回路１０とを備える。以後、検出コイルを単に「コイル」と呼ぶことがある。検出コイル１１ａ及び１１ｂは、同一平面上に一方向に近接して配置されている。図１は、検出コイル１１ｂに対向する位置に異物２０が存在する状況を表している。異物検出回路１０は、２つの検出コイル１１ａ及び１１ｂに、互いに同じ向きの電流を同時に流すように検出信号Ｓを出力する。これにより、コイル１１ａおよび１１ｂの間において、コイル１１ａからの磁界とコイル１１ｂからの磁界とを反発させる。そして、異物２０の有無によって生じるコイル１１ａ又はコイル１１ｂの少なくとも一方のインピーダンス値の変化量に基づいて、異物２０を検出する。
【００５０】
図１には２つの検出コイル１１ａ及び１１ｂが示されているが、さらに多くの検出コイルが配列されていてもよい。各コイルは巻回された導線の両端に２つの端子を有する。一方の端子は異物検出回路１０の基準電位と同電位であり、他方の端子は異物検出回路１０の出力端子に接続される。ここで「基準電位」とは、異物検出回路１０が出力する検出信号の基準となる電位であり、典型的には接地電位である。異物検出回路１０の「出力端子」とは、異物検出のための検出信号Ｓが出力される端子を意味する。以下、基準電位が接地電位であるものとするが、基準電位は任意の電位であってよい。
【００５１】
異物検出回路１０は、あるタイミングにおいて、複数の検出コイルから選択した隣接する２つの検出コイル１１ａ及び１１ｂに同じ方向の電流を流す。他のタイミングでは、検出コイル１１ａ及び１１ｂの対とは異なる隣接する２つの検出コイルの対（例えば、検出コイル１１ｂ及び不図示の第３の検出コイル）に同方向の電流を流す。この制御は、異物検出回路１０から出力される検出信号Ｓの送信先を切り替えることによって実現される。このように、異物検出回路１０は、検出信号Ｓの送信先の２つのコイルを順次切り替えながら異物検出動作を行う。これにより、複数の検出コイルが配置された領域の全体に亘って異物検出を行うことができる。以下、簡単のため、図１に示す２つの検出コイル１１ａ及び１１ｂのみに着目してより具体的な構成および動作を説明する。
【００５２】
検出コイル１１ａ及び１１ｂの各々は、２つの端子を有する巻回された導線である。第１コイル１１ａは第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２とを有する。第２コイル１１ｂは第３端子Ｔ３と第４端子Ｔ４とを有する。第１端子Ｔ１及び第３端子Ｔ３は、巻線の外側に位置する外側端子である。第２端子Ｔ２及び第４端子Ｔ４は、巻線の内側に位置する内側端子である。図１には、各導線の巻回方向が矢印で示されている。本実施形態における巻回方向は、外側端子Ｔ１及びＴ３から内側端子Ｔ２及びＴ４にそれぞれ向かう方向であり、時計回りの方向である。しかし、本開示はこのような巻回方向に限定されない。
【００５３】
外側端子Ｔ１及びＴ３は、異物検出回路１０の出力端子に接続され、異物検出回路１０が出力する検出信号を受け取る。内側端子Ｔ２及びＴ４は、グラウンドに接続される。外側端子Ｔ１及びＴ３は、巻線の外側の部分から異物検出回路１０までの間であれば、どこに配置されていてもよい。内側端子Ｔ２及びＴ４は、巻線の内側の部分からグラウンドまでの間であれば、どこに配置されていてもよい。外側端子及び内側端子は、それぞれ、異物検出回路１０に直接接続される接点、及びグラウンドに直接接続される接点であってもよい。その場合は、図１に示す例とは異なり、端子が明確に見えない場合がある。以下の説明において参照する図面では、端子を示す●印の記載を省略することがある。
【００５４】
各外側端子及び各内側端子と、異物検出回路１０及びグラウンドとの接続関係は、前述の関係とは逆であってもよい。すなわち、各外側端子がグラウンドに接続され、各内側端子が異物検出回路１０の出力端子に接続されていてもよい。各コイルの導線の巻き方によっては、２つの端子のうち、いずれが外側でいずれが内側かが明確ではない態様もあり得る。本開示は、そのような態様も含む。
【００５５】
異物検出回路１０は、隣接する２つの検出コイル１１ａ及び１１ｂに、所定波形を有する検出信号Ｓを送信する（本開示において、「出力する」とも表現する）。異物検出回路１０は、検出信号Ｓが２つの検出コイル１１ａ及び１１ｂで反射されることによって生じる反射信号を受信する。反射信号に基づいて、検出コイル１１ａ又は１１ｂの上側における異物の有無を判断する。検出信号Ｓは、隣接する２つの検出コイル１１ａ及び１１ｂのうちの一方に流れる第１検出信号と、他方に流れる第２検出信号とに分岐する。第１検出信号の波形と第２検出信号の波形とは、実質的に同じであり、同一の極性を有する。図１に示す例では、第１検出信号は、検出コイル１１ａの外側端子Ｔ１に送信され、第２検出信号は、検出コイル１１ｂの外側端子Ｔ３に送信されている。これにより、第１及び第２の検出信号に起因する２つの電流のうちの一方が検出コイル１１ａ及び１１ｂを含む面上において時計回りに流れているとき、他方も検出コイル１１ａ及び１１ｂを含む面上において同じ時計回りに流れる。すなわち、２つの検出コイル１１ａ及び１１ｃに同じ方向の電流が流れる。
【００５６】
検出信号Ｓは例えば交流信号またはパルス信号であり得る。パルス信号は、単極性であっても両極性であってもよい。図１は、一例として、検出信号Ｓが正弦波状の交流信号である例を示している。
【００５７】
図２は、図１のＡ１−Ａ１’線における検出コイル１１ａ及び１１ｂの断面及び生成される磁界を模式的に示す図である。異物検出回路１０は、検出コイル１１ａ及び１１ｂからの反射信号を観測する。これにより、検出コイル１１ａ又は１１ｂの上側における異物２０の有無を判断する。図２に示すように、異物検出回路１０から送信された検出信号Ｓを受けて、検出コイル１１ａ及び１１ｂはその近傍に磁界を生成する。ある瞬間において、検出コイル１１ａには時計回りの電流が流れ、検出コイル１１ｂにも時計回りの電流が流れる。他の瞬間には、検出コイル１１ａに反時計回りの電流が流れ、検出コイル１１ｂにも反時計回りの電流が流れる。図２は、両方のコイルに反時計回りの電流が流れている状況を例示している。これにより、２つのコイルは同様の磁界を発生させる。しかし、検出コイル１１ａ及び１１ｂが近接して配置されているために、図２に示されるように、互いに近接した側の磁界がＸ方向に圧縮されＺ方向に強められる。言い換えれば、検出コイル１１ａ及び１１ｂの間の磁界が反発して、磁界はＺ方向に強められる。このとき、異物２０が検出コイル１１ａ又は１１ｂの上側に存在すると、磁界の一部が遮られ、反射信号に変化が生じる。異物２０が検出コイル１１ａ又は１１ｂとの間で容量を生じるときには、容量に起因して検出コイル１１ａ又は１１ｂのインダクタンスが変化する。これに応じて、反射信号の周波数も変化する。検出コイル１１ａ又は１１ｂのインダクタンスが低下すると、反射信号の周波数が増大し、検出コイル１１ａ又は１１ｂのインダクタンスが増大すると、反射信号の周波数が低下する。異物２０が誘導電流によって加熱するときには、検出信号のエネルギーが消費され、反射信号の振幅が減少する。反射信号の変化は、反射信号を直接に測定するか、送信した検出信号と受信した反射信号との合成信号を測定することにより検出される。
【００５８】
異物検出回路１０は、例えば以下のようにして異物２０の有無を判断する。まず、検出コイル１１ａ及び１１ｂの近傍に異物２０が存在しないときの反射信号又は合成信号の周波数及び／又は振幅を予め測定し、その値を基準値としてメモリに記憶しておく。この基準値と異なる周波数及び／又は振幅を有する反射信号又は合成信号を検出したとき、異物２０が存在すると判断する。
【００５９】
ここでは、受信した反射信号又は合成信号の周波数及び／又は振幅の変化に基づいて異物の有無を判断することを説明したが、前述のように、インピーダンスの変化に応じて変化する他の物理量の変化に基づいて異物の有無を判断してもよい。このことは、以下に開示する他の態様についても、同様に適用される。
【００６０】
次に、図３を参照しながら、本実施形態における異物検出装置の動作の一例を説明する。
【００６１】
まず、異物検出装置の動作を開始する（ステップＳ１）。例えば、装置（ＩＣ、メモリ等）の初期化等の動作を行う。その後、異物検出処理を実行する（ステップＳ２）。異物検出処理では、まず、異物検出回路１０は、検出信号Ｓを第１コイル１１ａ及び１１ｂに送信する（ステップＳ１１）。検出信号Ｓは、第１コイル１１ａに流れる第１検出信号（「検出信号１」ともいう）と第２コイル１１ｂに流れる第２検出信号（「検出信号２」ともいう）とに分岐する。これらの２つの信号に起因して、第１コイル１１ａ及び第２コイル１１ｂに時計回り又は反時計回りの電流が流れる。その結果、第１コイル１１ａからの磁界と第２コイル１１ｂからの磁界との合成磁界が発生する。ここで「合成磁界」とは、第１コイル１１ａが生成する磁界及び第２コイル１１ｂが生成する磁界の全体を意味する。この合成磁界は、異物２０の有無によって変化する。よって、第１検出信号及び第２検出信号の反射信号は、異物の有無による合成磁界の変化に応じて変化する。
【００６２】
次に、異物検出回路１０は、異物の有無によって変化する反射信号の変化を検出する（ステップＳ１２）。
【００６３】
続いて、異物検出回路１０は、異物の有無によって生じる合成磁界の変化に対応した反射信号の変化量が所定の閾値を超えたか否かの判定を行う（ステップＳ１３）。ここで、反射信号の変化量とは、第１コイル１１ａ及び第２コイル１１ｂの近傍に異物がないときの反射信号の周波数又は振幅などの値と、異物検出回路１０が検出した反射信号の周波数又は振幅などの値との差をいう。異物検出回路１０は、反射信号の変化量が所定の閾値を越えたとき、第１コイル１１ａ又は第２コイル１１ｂの上側に異物があると判断し（ステップＳ１４）、そうでないとき、異物がないと判断する（ステップＳ１５）。異物があると判断した場合、異物検出回路１０は、異物がないと判断するまでステップＳ１１〜Ｓ１４の動作を繰り返す。
【００６４】
反射信号の変化量が所定の閾値を越えていないとき、異物検出回路１０は、異物が存在しないことを示す信号を出力する（ステップＳ３）。この信号は、異物検出装置が無線電力伝送システムの一部である場合、例えば当該システムにおける送電装置に送信され得る。送電装置は、この信号を受け、例えば送電動作を開始する等の動作を行う。異物が存在しないことを示す信号は、送電装置に拘わらず、異物の有無の情報を必要とする任意の機器に送信され得る。
【００６５】
次に、図４Ａから図４Ｄを参照しながら、本実施形態における異物検出装置の効果を説明する。
【００６６】
図４Ａは、図１に示す異物検出装置１００の実装例における検出コイル１１ａ及び１１ｂを模式的に示す上面図である。検出コイル１１ａにおける導線の外側端子から内側端子への巻回方向と、検出コイル１１ｂにおける導線の外側端子から内側端子への巻回方向とは、互いに同じである。各コイルの外周の直径は５６ｍｍである。各コイルの導線の巻数は１２回である。検出コイル１１ａ及び１１ｂの中心間隔は５８ｍｍである。検出コイル１１ａの中心の位置に、２０×２０×１［ｍｍ］の直方体の鉄からなる異物２０を配置した。検出コイル１１ｂの上面と、異物２０の下面との距離を変化させながら、Ｑ値の変化率を測定した。検出コイル１１ａ及び１１ｂの給電点は、検出信号Ｓを出力する異物検出回路に接続された。検出コイル１１ａ及び１１ｂは、各コイルに同じ方向の電流が流れるように、異物検出回路に結線された。
図４Ｂは、第１の比較例における異物検出装置の検出コイル１１ａを示す上面図である。この異物検出装置は、図４Ａに示す２つの検出コイルのうち、検出コイル１１ａのみを含む。検出コイル１１ａの中心の位置に、２０×２０×１［ｍｍ］の直方体の鉄からなる異物２０を配置した。検出コイル１１ａの上面と、異物２０の下面との距離を変化させながら、Ｑ値の変化率を測定した。検出コイル１１ａの給電点は、検出信号Ｓを出力する異物検出回路に接続された。
【００６７】
図４Ｃは、第２の比較例における異物検出装置の検出コイル１１ａ〜１１ｃを示す上面図である。この異物検出装置は、１列に配列された３個の検出コイル１１ａ〜１１ｃを有する。検出コイル１１ａ〜１１ｃの各々は、図４Ａの実施例における検出コイル１１ａと同じ構造を有する。中央の検出コイル１１ｂの中心の位置に、２０×２０×１［ｍｍ］の直方体の鉄からなる異物２０を配置した。検出コイル１１ａの上面と、異物２０の下面との距離を変化させながら、Ｑ値の変化率を測定した。検出コイル１１ａ〜１１ｃの給電点は、検出信号Ｓを出力する異物検出回路に接続された。検出コイル１１ａ〜１１ｃは、各検出コイルに同じ方向の電流が流れるように異物検出回路に結線された。
【００６８】
図４Ｄは、図４Ａ〜４Ｃの各構成における異物２０によるＱ値（＝２πｆＬ／Ｒ、ｆ：周波数、Ｌ：インダクタンス、Ｒ：抵抗）の変化率の距離依存性を示すグラフである。図４Ａに示す検出コイル１１ａ及び１１ｂについて、異物２０が存在するときのＱ値（合成インピーダンスから算出されたＱ値：Ｑ１）を測定し、異物が存在しないときのＱ値（Ｑ０１）からの変化率ΔＱ１を計算した。同様に、図４Ｂに示す検出コイル１１ａについて、異物２０が存在するときのＱ値（Ｑ２）を測定し、異物が存在しないときのＱ値（Ｑ０２）からの変化率ΔＱ２を計算した。図４Ｃに示す検出コイル１１ａ〜１１ｃについても、異物２０が存在するときのＱ値（合成インピーダンスから算出されたＱ値：Ｑ３）を測定し、異物が存在しないときのＱ値（Ｑ０３）からの変化率ΔＱ３を計算した。Ｑ値の変化率ΔＱ１〜ΔＱ３は、以下の式で表される。
ΔＱ１＝（Ｑ１−Ｑ０１）／Ｑ０１×１００  ［％］  （図４Ａ）
ΔＱ２＝（Ｑ２−Ｑ０２）／Ｑ０２×１００  ［％］  （図４Ｂ）
ΔＱ３＝（Ｑ３−Ｑ０３）／Ｑ０３×１００  ［％］  （図４Ｃ）
【００６９】
図４Ｄより、実施例におけるＱ値の変化率ΔＱ１は、コイル面−異物間距離に関わらず、比較例におけるＱ値の変化率ΔＱ２及びΔＱ３よりも大きいことが分かる。コイル面−異物感距離が１０ｍｍを超えた場合においても、変化率ΔＱ１の落ち込みは、変化率ΔＱ２及びΔＱ３の落ち込みに比べて小さい。すなわち、２つの検出コイルを用いた実施例の構成では、単一の検出コイル又は３つの検出コイルを用いた比較例の構成よりも、より安定した出力が得られることが分かる。これは、図２に示すように、２つの検出コイル１１ａ及び１１ｂからの合成磁界が、検出コイル１１ａ及び１１ｂに挟まれた領域において圧縮され、その上側の磁界が強められるからである。
【００７０】
３個のコイルを用いた図４Ｃの構成では、隣接した２個のコイルを用いた図４Ａの構成に比べＱの変化率が低下した。この変化率ΔＱ３は、１つのコイルを用いた図４Ｂの構成における変化率ΔＱ２に近い値を示した。これは以下のことが原因であると考えられる。異物がコイルの近傍に存在すると、コイルが生成する磁界分布に強く影響を及ぼしＱ値を変化させる。コイルの数を増やしすぎると、コイル全体に対する１つのコイルの影響が小さくなるため、結果として、Ｑの変化率が低下したものと考えられる。
【００７１】
以上のように、給電するコイルの数が２つの場合に最もＱ値の変化率が大きくなり、検出感度が向上することが分かる。
【００７２】
本実施形態における２つのコイル１１ａ及び１１ｂには、同時に同じ方向の電流が流れるように給電される。検出コイル１１ａ及び１１ｂにそれぞれ入力される検出信号は、各周期の前半及び後半で反転した波形を有する周期的な信号（例えば、正弦波などの交流信号）であり得る。このとき、検出コイル１１ａ及び１１ｂに、実質的に同位相（位相差がほぼ０）の検出信号又は電流が流れる。これにより、検出コイル１１ａ及び１１ｂの上側に存在する異物を高い精度で検出することができる。ここで、「実質的に同位相」とは、検出コイル１１ａ及び１１ｂをそれぞれ流れる２つの検出信号又は２つの電流の位相差が、検出コイル１１ａ及び１１ｂの上側の異物２０を検知できる範囲内にあることを意味する。２つの検出信号または電流の位相差が０度±９０度であれば効果が得られるが、より好ましい位相差の範囲は０度±４５度である。
【００７３】
以上説明したように、本実施形態における異物検出装置によれば、部品数、寸法、及び製造コストの増大を抑えながら、２つの検出コイルから離れた異物を、より確実に検知することができる。
【００７４】
次に、検知感度に影響を与えるインダクタンスについての検討結果を説明する。
【００７５】
図５Ａは、図４Ａと同様の実装例を示す図である。図５Ａは、異物が検出コイル１１ｂの上に位置している状況を表している。図５Ｂは、隣接する２つの検出コイル１１ａ及び１１ｂに逆位相で給電する異物検出装置の比較例を示す図である。図５Ｃは、図５Ａ、図５Ｂ、及び図４Ｂの各構成における異物が存在しない場合のインダクタンスの値を測定した結果を示す図である。
【００７６】
図５Ｂに示す２つの検出コイル１１ａ及び１１ｂは、図４Ａに示す２つの検出コイル１１ａ及び１１ｂと同じものである。この比較例では、異物検出回路から出力された１つの検出信号が、検出コイル１１ａの内側端子（又は外側端子）と検出コイル１１ｂの外側端子（又は内側端子）とに分かれて入力される。その結果、検出コイル１１ａ及び１１ｂに、互いに逆相の検出信号（即ち逆相の電流）が流れる。隣接する検出コイル１１ａ及び１１ｂの一方に時計回りの電流が流れているとき、他方には反時計回りの電流が流れる。これにより、検出コイル１１ａと検出コイル１１ｂとの間を跨る合成磁界が生成される。
【００７７】
なお、２つの検出コイルに逆位相で給電する際の検討事項として、例えば以下の事項が挙げられる。
（ａ）２つの検出コイルの導線の巻回方向を同じ方向にするか逆方向にするか、
（ｂ）外側端子と内側端子のいずれの端子から検出信号を入力するか、
（ｃ）１つの検出信号を用いる場合、移相器を使用するか否か、
（ｄ）２つの検出信号を用いる場合、それらの信号の位相を約１８０度ずらすか否か、
【００７８】
これらを単独又は組合せて検討することにより、２つの検出コイルに逆位相の電流を流すことができる。
【００７９】
図５Ａ及び図５Ｂの例において、２つの検出コイル１１ａ及び１１ｂうちの一方におけるインダクタンスの値を測定した。図４Ｂの例についても、検出コイル１１ａのインダクタンスの値を測定した。
【００８０】
図５Ｃに示すように、図５Ａの実施例におけるインダクタンスは、図５Ｂの比較例におけるインダクタンスと同程度である。いずれのインダクタンスも図４Ｂの比較例におけるインダクタンスの約半分の値であった。
【００８１】
検出コイルのインダクタンスが変化すると、検出信号の周波数が変化する。具体的には、インダクタンスが大きくなるほど、周波数が低下する。図５Ａの構成では、検出コイルの上側の検知の感度を向上させることができるが、２つの検知コイル間の上に位置する異物の検知の感度は比較的低い。
【００８２】
このため、隣接する２つの検出コイル間の上に位置する異物の検出には、図５Ｂに示すような隣接する２つのコイルを逆位相で給電する検知方法と組み合わせることが有効である。図５Ａの構成と図５Ｂの構成とを組み合わせることにより、コイル面に平行な平面上に位置する異物の確実な検知が可能になる。このような構成では、２つの検知方法を切り替えて異物を検出することになる。この場合、２つの検知方法で検出信号の周波数が同一又は近いことが望まれる。これにより、同一の異物検出回路を使用することができるため、部品点数の削減及び検出回路の簡素化が可能となる利点がある。
【００８３】
２つの検知方法における検出信号の周波数を近づけるために、２つの検知方法におけるインダクタンスが近いことが望まれる。図５Ｃに示すように、図５Ａ及び図５Ｂの例では、インダクタンスが非常に近い値を示している。よって、本実施形態における異物検出装置と図５Ｂに示す異物検出方法を実現する異物検出装置とを容易に組み合わせることができる。このように２つの異物検出方法を併用することにより、隣接する２つの検出コイルの間の上の領域、及び各検出コイルの中心部の上の領域を含め、異物が発熱する可能性がある領域全体において、異物を検出することができる。
【００８４】
本実施形態における異物検出装置は、第２及び第３の実施形態で説明するように、１つ又は複数の送電コイル（例えば、送電コイルのアレー又は大型の送電コイル）を備えた無線送電装置又は無線電力伝送システムに適用され得る。これにより、送電前又は送電中に異物を確実に検出することができるという優れた効果を奏する。
【００８５】
以上、主に２つの検出コイルを有する異物検出装置を説明したが、前述のように、異物検出装置はさらに多数の検出コイルを有していてもよい。以下、図６を参照しながら、４つの検出コイルを有する異物検出装置の例を説明する。
【００８６】
図６は、第１の実施形態の第１の変形例に係る異物検出装置を模式的に示す図である。図６に示す異物検出装置は、４つの検出コイル１１ａ〜１１ｄ、異物検出回路１０ａ、及びスイッチ１３を備える。４つの検出コイル１１ａ〜１１ｄは、１つの面上において互いに近接して配置される。検出コイル１１ａ〜１１ｄのうちの隣接した２つの検出コイル（例えば１１ａ及び１１ｂ、又は１１ｂ及び１１ｃ）には、同時に同じ方向の電流が流れるように同位相の検出信号が同じ向きに入力される。これを実現するために、本変形例における異物検出装置は、異物検出回路１０ａと各コイルとの電気的な接続状態を切り替えるスイッチ１３を備える。スイッチ１３は、隣接する２つの検出コイルを異物検出回路１０ａに接続し、他の検出コイルを異物検出回路１０ａから切断する。異物検出回路１０ａは、検出信号Ｓを出力し、さらに上記の動作が実現されるようにスイッチ１３を制御する。
【００８７】
図６は、隣接する検出コイル１１ａ及び１１ｂに検出信号が送信されている状況を示している。検出コイル１１ａに送信される検出信号は、他方の検出コイル１１ｂに送信される検出信号に対して、実質的に同位相（位相差が略０）である。このとき、検出コイル１１ａ又は１１ｂの上側の異物を高い精度で検出できる。この状態から、スイッチ１３が検出コイル１１ｂ及び１１ｃを異物検出回路１０ａに接続した場合、一方の検出コイル１１ｂに送信される検出信号は、他方の検出コイル１１ｃに送信される検出信号に対して、実質的に同位相（位相差が略０）である。このとき、検出コイル１１ｂ又は検出コイル１１ｃの上側の異物を高い精度で検出できる。
【００８８】
図６に示す異物検出装置によれば、４つ以上の検出コイルが配置されている構成において、少なくとも１つのスイッチを用いることで、簡易な構成で、複数の検出コイルの上側の異物を感度よく検出することができる。
【００８９】
ここでは検出コイルが４つの例を説明したが、検出コイルが３つ又は５つ以上の場合も同様に構成される。そのような３つ以上のコイルを含むコイル群を用いることにより、同様のことを実現できる。そのような構成では、３つ以上のコイルの各々は、第１端子及び第２端子を有する巻回された導線である。３つ以上のコイルのうち、隣接する少なくとも２つのコイルは、第１端子から第２端子への巻回方向が同一である。異物検出回路は、コイル群の中から隣接する上記２つのコイル（第１コイル及び第２コイル）を給電対象として選択する。このために、第１コイル及び第２コイルと異物検出回路とを電気的に接続する少なくとも１つのスイッチの接続状態を制御する。ここで、第１コイル及び第２コイルの各々の第２端子は、異物検出回路の基準電位と同電位の点に接続されている。異物検出回路は、第１所定波形を有する第１検出信号を第１コイルの第１端子に出力し、第１所定波形と同じ極性の第２所定波形を有する第２検出信号を第２コイルの第１端子に出力する。これにより、第１コイルと第２コイルの間において、第１コイルからの磁界と第２コイルからの磁界とを反発させる。異物検出装置は、異物の有無によって生じる前記第１コイル又は前記第２コイルのいずれか一方のインピーダンス値の変化量を測定し、インピーダンス値の変化量が所定値を超えたとき、第１コイル又は第２コイルの上に異物があると判断する。
【００９０】
ここまで、複数の検出コイルを１次元的に配置した例を挙げて説明したが、２次元的に配置された複数の検出コイルについても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００９１】
（実施形態２）
図７は、第２の実施形態に係る無線電力伝送システムを示すブロック図である。この無線電力伝送システムは、送電装置３０及び受電装置４０を含む。送電装置３０は、異物検出回路１０、検出コイル１１ａ、１１ｂ、送電コイル３１ａ、３１ｂ、送電回路３２ａ、３２ｂ、通信回路３３、及び制御回路３４を備える。送電回路３２ａ、３２ｂは、それぞれ、送電コイル３１ａ、３１ｂに接続されており、高周波電力を発生して出力する。送電装置３０の制御回路３４は、異物検出回路１０、送電回路３２ａ、３２ｂ、通信回路３３に接続され、これらを制御する。受電装置４０は、受電コイル４１、受電回路４２、通信回路４３、制御回路４４、及び負荷４５を備える。受電装置４０の制御回路４４は、受電回路４２及び通信回路４３を制御する。送電装置３０は、図１に示す異物検出装置（異物検出回路１０、検出コイル１１ａ、１１ｂを含む）を備える。これにより、送電コイル３１ａ、３１ｂの上側の異物を検出することができる。
【００９２】
各送電コイルおよび各検出コイルは、例えば、基板に形成された薄型の平面コイルであり得る。各コイルは、一層の導電体パターンまたは積層された複数の導電体パターンによって基板に形成され得る。銅線やリッツ線、ツイスト線などを用いた巻き線コイルを用いることもできる。
【００９３】
送電回路３２ａ、３２ｂは、例えば、フルブリッジ型のインバータ、またはＤ級もしくはＥ級などの発振回路であり得る。送電回路３２ａ〜３２ｂは、不図示の直流電源に接続され、直流電源から入力された直流電力を交流電力に変換して出力する。この交流電力は、複数の送電コイル３１ａ〜３１ｂから選択された少なくとも１つの送電コイルによって空間に送出される。
【００９４】
制御回路３４は、送電装置３０全体の動作を制御するプロセッサである。制御回路３４は、例えばＣＰＵと、コンピュータプログラムを格納したメモリとの組み合わせ、またはマイクロコンピュータ（マイコン）などの集積回路によって実現され得る。
【００９５】
異物検出回路１０は、実施形態１において説明した異物検出のための動作を行う。異物検出回路１０は、例えばマイコン、パルス発生器、測定回路、スイッチ回路等の複数の構成要素の組み合わせによって実現され得る。測定回路は、回路上の電圧、電流、周波数、インダクタンスといったインピーダンスの変化に伴って変動する物理量を測定する。
【００９６】
通信回路３３は、受電装置４０における通信回路４３と通信し、例えば受電装置４０の負荷４５のインピーダンス等の情報を受信する。この情報は、制御回路３４に送信され、伝送周波数および伝送電力の制御等に利用される。
【００９７】
受電回路４２は、整流回路や周波数変換回路、定電圧・定電流制御回路、通信用の変復調回路などの各種の回路を含み得る。受け取った高周波の交流電力を負荷４５が利用可能な直流電力または低周波の交流電力に変換する。受電コイル４１から出力される電圧・電流などを測定する各種センサを設けてもよい。
【００９８】
図８Ａは、図７に示す送電装置３０の一部を模式的に示す図である。図８Ａは、検出コイル１１ａ、１１ｂ及び送電コイル３１ａ、３１ｂのＸＹ面上の位置関係を示している。図８Ｂは、図８ＡのＡ２−Ａ２’線における検出コイル１１ａ、１１ｂ及び送電コイル３１ａ、３１ｂの断面を示す図である。図８Ｂに示すように、検出コイル１１ａ、１１ｂ及び送電コイル３１ａ、３１ｂは、磁性体基板５上に設けられている。送電装置３０は、筐体（カバー）４内に設けられている。筐体４は、プラスチック等の、電磁界を通す材料で構成されている。
【００９９】
図を簡単にするために、８Ａでは、磁性体基板５、筐体４、及び他の回路の記載を省略し、図８Ｂでは、送電装置３０内の各回路の記載を省略している。この送電装置３０では、送電コイル３１ａ、３１ｂの外周の外側に検出コイル１１ａ、１１ｂがそれぞれ設けられている。すなわち、１つの送電コイルに１つの検出コイルが対応して設けられている。これにより、送電コイル３１ａ、３１ｂの上側において発熱するおそれのある異物２０を確実に検出することができる。検出コイル１１ａ、１１ｂ及び送電コイル３１ａ、３１ｂを同じ面上に配置することで、送電装置３０自体の薄型化が可能になるという効果がある。さらに、図８Ａの構成によれば、送電コイルと検出コイルとを別に設けることにより、送電動作と独立に異物２０を検出できるという効果もある。このため、送電中においても、異物２０を検出できる。
【０１００】
検出コイル１１ａ、１１ｂにそれぞれ入力される検出信号（検出信号１及び検出信号２）の周波数は、送電される電力の周波数と同じであっても異なっていてもよい。電力の周波数が例えば１００ｋＨｚ〜２００ｋＨｚであるとき、検出信号の周波数は同じ又はより高い周波数（例えば１００ｋＨｚ〜２ＭＨｚ）であり得る。
【０１０１】
図８Ａ及び図８Ｂの構成では、検出コイル１１ａ、１１ｂ及び送電コイル３１ａ、３１ｂが同じ面上に配置されている。しかし、このような構成に限られるものではない。検出コイル１１ａ、１１ｂが、送電コイル３１ａ、３１ｂの上（例えば、送電コイル３１ａ、３１ｂと筐体４との間）にそれぞれ設けられていてもよい。そのような構成により、異物検出の感度が向上するという利点がある。また、検出コイル１１ａ、１１ｂが、送電コイル３１ａ、３１ｂの下（例えば、送電コイル３１ａと磁性体基板５との間）にそれぞれ設けられてもよい。これにより、送電コイル３１ａ、３１ｂによる無線電力伝送の効率が向上するという利点がある。
【０１０２】
図７〜図８Ｂは、一例として、２つの送電コイル３１ａ、３１ｂを備えた送電装置の例を示しているが、これに限定されず、送電装置は３つ以上の送電コイルを備えていてもよい。
【０１０３】
図９Ａ及び図９Ｂは、第２の実施形態の変形例に係る送電装置における検出コイル１１ａ〜１１ｉ及び送電コイル３１の配置を示す図である。図９Ａは、検出コイル１１ａ〜１１ｉ及び送電コイル３１のＸＹ面上の位置関係を示している。図９Ｂは、図９ＡのＡ３−Ａ３’線における検出コイル１１ａ〜１１ｉ及び送電コイル３１の断面を示す図である。図を簡単にするために、図９Ａでは、磁性体基板５、筐体４、及び他の回路を省略し、図９Ｂでは、送電装置内の各回路を省略している。
【０１０４】
図９Ａ及び図９Ｂは、１つの大型の送電コイル３１の上に、より小さな複数の検出コイル１１ａ〜１１ｉを配置した例を示している。この例では、検出コイル１１ａ〜１１ｉは、送電コイル３１の上方において、送電コイル３１に平行な１つの面上に配置されている。このように、送電コイル３１よりも小さい複数の検出コイル１１ａ〜１１ｉを２次元的に配列することで、送電コイル３１に対して小型の異物２０を高い精度で検出できるという効果がある。さらに、図９Ａ及び図９Ｂの構成によれば、図８と同様に、送電コイルと検出コイルとが別に設けられているため、送電動作と独立に異物２０を検出することが可能である。すなわち、送電中においても、異物２０を検出できるという効果がある。
【０１０５】
本実施形態では、送電装置の筐体４の下面に沿って複数の検出コイルが設けられているが、このような例に限定されない。複数の検出コイルは、送電コイルによって発生する磁界が通る任意の場所に設けられていてもよい。例えば、送電コイルを包囲する曲面上の任意の場所に複数の検出コイルが配置されていてもよい。
【０１０６】
以上のように、本実施形態の送電装置によれば、送電を行っている最中においても異物の検知を行うことにより、危険を未然に防ぐことができるという効果がある。
【０１０７】
以下、図１０を参照しながら、本実施形態における送電装置の動作の一例を説明する。
【０１０８】
まず、送電装置の動作を開始する（ステップＳ２１）。例えば、電源投入後の装置（ＩＣ、メモリ等）の初期化等の動作を行う。その後、電力を送電（ステップＳ２４〜Ｓ２５）している間に、異物検出処理（ステップＳ２２）を実行する。異物検出処理では、まず、異物検出回路１０が検出信号を送信する（ステップＳ３１）。次に、実施形態１において説明した方法によって、反射信号の変化を検出する（ステップＳ３２）。続いて、反射信号の変化量が所定の閾値を超えたか否かを判定する（ステップＳ３３）。この判定がＹＥＳの場合、異物があると判定する（ステップＳ３５）。この場合、送電を停止し（ステップＳ２３）、送電装置の動作を終了する（ステップＳ２７）。ステップＳ３３の判定がＮＯの場合、異物がないと判定する（ステップＳ３４）。この場合、異物検出処理（ステップＳ２２）のステップＳ３３において異物があると判定されるまで（すなわち、異物の侵入を検知し送電を停止するまで）、ステップＳ３１〜Ｓ３４が繰り返される。但し、並行して行われている送電動作がステップＳ２６において完了し、送電装置の電源が切られるなどした場合には、送電装置の動作が終了する（ステップＳ２７）。ステップＳ３４において、異物がないと判定された後、すぐにステップＳ３１に戻らずに、予め定められた所定の時間を待った後に検出信号を送信してもよい。これにより、不要な電力の消費を抑制することができる。
【０１０９】
尚、送電終了後、再度、異物がないと判定して送電を開始する場合、異物検出回路１０と複数の検出コイルとが電気的に接続された状態から、送電回路と送電コイルとが電気的に接続された状態に切り替えて、送電を開始してもよい。このような制御は、図７に示す制御回路３４が行う。
【０１１０】
また、異物がないと判定され、送電を開始する場合、隣接して配置された２つの送電コイルを用いて送電することも可能である。これにより、１つの送電コイルよりも大型の受電コイルに送電が可能になるという効果がある。この場合、２つの送電コイルに流れる交流電力の方向は同じ方向がよい。
【０１１１】
（実施形態３）
図１１は、第３の実施形態における無線電力伝送システムを示すブロック図である。この無線電力伝送システムは、送電装置３０ａ及び受電装置４０を含む。送電装置３０ａは、異物検出回路１０、送電コイル３１ａ、３１ｂ、送電回路３２ａ、３２ｂ、通信回路３３、制御回路３４ａ、及びスイッチ回路３５を備える。制御回路３４ａは、異物検出回路１０、送電回路３２ａ、３２ｂ、通信回路３３、及びスイッチ回路３５を制御する。受電装置４０は、図７に示す受電装置４０と同様の構成を有する。
【０１１２】
送電装置３０ａは、送電コイル３１ａ、３１ｂを、図７に示す検出コイル１１ａ、１１ｂとしても動作させている。すなわち、送電コイル３１ａ、３１ｂは、送電及び異物検出のために共用される。スイッチ回路３５は、送電回路３２ａ、３２ｂの少なくとも一方を送電コイル３１ａ、３１ｂの少なくとも一方に接続するか、異物検出回路１０を送電コイル３１ａ、３１ｂに接続する。
【０１１３】
送電回路３２ａ、３２ｂの少なくとも一方を送電コイル３１ａ、３１ｂの少なくとも一方に接続しているときは、送電装置３０ａから受電装置４０に送電することができる。異物検出回路１０を送電コイル３１ａ、３１ｂに接続しているときには、これらのコイルの上側の異物を検出することができる。これにより、図７に示す検出コイル１１ａ、１１ｂを削減することができるため、部品点数の削減により、コストの低減の効果がある。さらに、比較的大型の部品であるコイルを共用することができるので、送電装置の小型化、軽量化、さらには薄型化が可能になる。その結果、デザインの幅が広がるという効果もある。
【０１１４】
図１２は、図１１に示す送電装置３０ａの一部を示す図である。図１２は、送電コイル３１ａ及び３１ｂのＸＹ面上の位置関係を示している。図を簡単にするために、図１２では、送電コイル３１ａ、３１ｂ、送電回路３２ａ、３２ｂ、スイッチ回路３５、異物検出回路１０以外の構成要素の記載を省略している。複数の送電コイル３１ａ、３１ｂは、１つの面上において同じ巻回方向の巻線を有し、互いに近接して配置されている。異物検出回路１０は、所定波形を有する検出信号Ｓを生成して出力する。この検出信号Ｓは、２つの検出信号１、２に分岐してスイッチ回路３５を介して検出コイル３１ａ、３１ｂの外側端子にそれぞれ入力される。
【０１１５】
異物検出回路１０から送信された検出信号Ｓにより、２つの検出コイル３１ａ、３１ｂには同一方向の電流が流れる。これにより、図２に示す合成磁界と同様の合成磁界が形成され、送電コイル３１ａ、３１ｂの上側に存在する異物の検出が可能になる。スイッチ回路３５はスイッチ３５ａ及び３５ｂを含む。スイッチ３５ａは、異物検出の際には、送電コイル３１ａを異物検出回路１０に接続し、送電の際には、送電コイル３１ａを送電回路３２ａに接続する。スイッチ３５ｂも同様に、異物検出の際には、送電コイル３１ｂを異物検出回路１０に接続し、送電の際には、送電コイル３１ｂを送電回路３２ｂに接続する。これらのスイッチング動作は、図１１に示す制御回路３４ａによって行われる。これにより、送電コイル３１ａ及び３１ｂを、送電及び異物検出のために共用することができる。このように、図１１及び図１２の構成によれば、検出コイル及び送電コイルを単一の部品で構成することができる。このため、送電装置及び無線電力伝送システムの製作コストを低く抑えることができるという効果がある。
【０１１６】
図１３は、第３の実施形態の第１の変形例に係る無線電力伝送システムにおける送電装置の一部を示す図である。これは、図６に示す４個の検出コイルを用いた構成に対応する構成例である。図１３に示す異物検出回路１０ａ及び送電コイル３１ａ〜３１ｄは、図６に示す異物検出回路１０ａと同様に構成される。送電コイル３１ａ〜３１ｄは、１つの面上において同じ巻回方向の巻線を有する。異物検知の際には、隣接する２つの送電コイル（例えば、送電コイル３１ａ及び３１ｂ）が、スイッチ１３により異物検出回路１０ａに接続される。本変形例における異物検知の動作は、図６を参照して説明した動作と同様である。送電動作と異物検出動作との組み合わせについては、図１２を参照して説明した動作と同様である。図１３の構成によれば、検出コイル及び送電コイルを単一の部品で構成することが可能になる。このため、送電装置及び無線電力伝送システムの製作コストを低く抑えることができるという効果がある。
【０１１７】
第２の実施形態及び第３の実施形態に係る送電装置においては、本開示の異物検出装置を用いて異物を検出することにより、危険を未然に防ぐことができるという効果がある。以下、図１４を参照しながら、そのための動作の一例を説明する。
【０１１８】
送電装置の動作を開始（ステップＳ４１）した後、異物検出処理（ステップＳ４２）を実行する。図１４に示す異物検出処理は、図３に示す異物検出処理（ステップＳ２）と同様である。
【０１１９】
この異物検出処理では、まず、異物検出回路１０が、検出信号を２つのコイルに送信する（ステップＳ５１）。続いて、実施形態１で説明した方法によって反射信号の変化の検出（ステップＳ５２）及び反射信号の変化量が所定の閾値を超えたか否かの判定（ステップＳ５３）を行う。
【０１２０】
異物がないと判定された場合（ステップＳ５５）には、送電を開始（ステップＳ４３）し、送電装置の動作を終了するまで送電を続ける（ステップＳ４３〜Ｓ４６）。一方、異物があると判定された場合（ステップＳ５４）には、ステップＳ５５において異物がないと判定されるまで、ステップＳ５１〜Ｓ５４を繰り返す。但し、途中で送電装置の電源が切れるなどした場合には直ちに終了する。
【０１２１】
予め定められた所定の時間まで異物検出処理（ステップＳ４２）を継続した後、なお異物がある場合には、送電装置の電源を切るように構成することも可能である。これにより、不要な電力の消費を抑えることができる。
【０１２２】
以上のように、異物検出装置を備える送電装置を用いて送電開始前に異物の検知を行うことにより、発熱等の危険を未然に防ぐことができる。
【０１２３】
送電装置においては、送電を行う前に異物検知処理を行い、且つ、送電を行っている最中においても異物検出処理を行ってもよい。そのようにすることで、危険を未然に防ぐことができるという効果が一層高くなる。以下、図１５を参照しながら、そのような動作の一例を説明する。
【０１２４】
送電装置の動作を開始（ステップＳ２１）した後、送電前に異物検出処理（ステップＳ６１：図１４のステップＳ４２と同様）を行う。異物がないことが確認された後、送電を開始（ステップＳ２４）するとともに、送電中の異物検出処理（ステップＳ２２：図１０のステップＳ２２と同様）を行う。図１５におけるステップＳ２１〜Ｓ２７の動作は、図１０におけるステップＳ２１〜Ｓ２７とそれぞれ同様である。図１５におけるステップＳ６１の動作は図１４のステップＳ４２と同様である。よって、これらのステップの説明は省略する。
【０１２５】
図１５に示す送電処理によれば、送電前に異物を検出し、送電中においても異物の混入を検知して送電を停止する事が可能になる。このため、安全性が一層高くなるという効果が得られる。
【０１２６】
（変形例）
添付の図面では、検出コイル及び送電コイルを円形又は四角形のコイルとして示したが、これらに限られるものではない。例えば、正方形、長方形、長円、楕円、その他のコイル形状でも可能である。
【０１２７】
第２及び第３の実施形態では、送電装置及び受電装置が通信回路を備えた構成を例に挙げているが、これに限られるものではない。送電装置及び受電装置の一方が送信回路を備え、他方が受信回路を備えることで、一方向の通信を行う構成も可能である。これにより回路構成が簡素化されるので、コスト削減の効果がある。予め決まった値の電力を送受電する場合には、通信の必要はなく、通信回路を含まない構成も可能である。これにより、通信回路の削減によりコスト削減の効果がある。
【０１２８】
第２及び第３の実施形態では、送電装置３０、３０ａにおいては、通信回路３３が送電コイル３１ａ、３１ｂに接続され、送電コイル３１ａ、３１ｂを用いて通信を行う構成を示しているが、これに限られるものではない。例えば、通信回路３３が別のアンテナもしくは他のコイルに接続される構成も可能である。受電装置４０においても同様に、受電コイル４１を用いて通信を行う構成を示しているが、これに限られるものではない。例えば、通信回路４３が別のアンテナ又は他のコイルに接続される構成も可能である。
【０１２９】
第２及び第３の実施形態では、送電コイル３１ａ、３１ｂ毎に送電回路３２ａ、３２ｂがそれぞれ接続された例を説明したが、これに限られるものではない。１つの送電回路が送電コイル３１ａ、３１ｃの全てに接続された構成も可能である。これにより、送電回路の個数を減らすことができ、コストの削減に繋がる。１つの送電回路がスイッチを介して送電コイル３１ａ、３１ｂの一方に選択的に接続される構成も可能である。これにより、送電が必要な送電コイルにのみ電力を供給することができ、エネルギーの無駄が減り、伝送効率の向上に繋がる。
【０１３０】
第２及び第３の実施形態では、磁性体基板５は、検出コイル１１ａ、１１ｂ及び送電コイル３１ａ、３１ｂが配置される領域よりも広い面積を有する。これにより、検出コイル１１ａ、１１ｂ及び送電コイル３１ａ、３１ｂに対して、コイルの下側に配置された金属等（例えば金属製の机の上板）からの影響を低減することができる。図８Ａ及び図８Ｂでは、１つの大面積の磁性体基板５を用いた例を説明したが、これに限られるものではない。例えば、送電コイル及び検出コイルの組毎に別個の磁性体基板を設けてもよい。これにより、不要な箇所の磁性体を削減することが可能になり、部材コストを軽減できる。
【０１３１】
（他の実施形態）
本開示の技術は、上述した実施形態に限定されず、多様な変形が可能である。以下、上述した異物検出装置を備えた無線送電装置、及び無線送電装置と無線受電装置とを備えた無線電力伝送システムの他の実施形態の例を説明する。
【０１３２】
図１６は、送電装置６１の上に、受電装置を備えたスマートフォン６２が置かれた状態を示した図である。送電装置６１には、上述したいずれかの異物検出装置が備えられている。送電を開始する前に異物検出装置は、送電装置６１上の異物の有無を判断する。その結果、送電装置６１上に異物がないと判断した場合、送電装置６１内の送電回路は無線で交流電力をスマートフォン６２内の受電装置に送電する。送電装置６１とスマートフォン６２内の受電装置とが、無線電力伝送システムを構成している。
【０１３３】
このことにより、送電を開始する前に異物を検知するので、異物の発熱の危険性を未然に防止できる。
【０１３４】
また、上記送電装置においては、送電を行っている最中においても、上記異物検出装置を用いて異物の検知をすることにより、危険を未然に防ぐことができる。
【０１３５】
図１７は、無線電力システムを備えた駐車場を示す図である。車両７２は、受電コイル７２ａを有する受電装置を備えている。道路に略垂直に立てられた、例えば車止めである塀の中に、送電装置７１が設けられている。送電装置７１は、上述したいずれかの異物検出装置を備えている。送電コイル７１ａは、道路に埋め込まれており、電気ケーブルで送電装置７１と繋がっている。
【０１３６】
送電装置７１が送電を開始する前に、上記異物検出装置は、送電コイル７１ａ上の異物の有無を判断する。送電コイル７１ａ上に異物がないと判断し、さらに、車両７２内の受電コイル７２ａと送電コイル７１ａとの位置合わせが完了した場合、送電装置７１から送電コイル７１ａに電気ケーブルを介して高周波電力が送られる。そして、送電コイル７１ａから受電コイル７２ａに無線で高周波電力が送電される。
【０１３７】
このことにより、送電を開始する前に異物を検知するので、異物の発熱の危険性を未然に防止できる。
【０１３８】
また、上記送電装置７１においては、送電を行っている最中においても、上記異物検出装置を用いて異物の検知をすることにより、危険を未然に防ぐことができる。
【０１３９】
図１８は、病院などで用いられるロボット９０に、壁８０から電力を非接触で伝送する無線電力伝送システムの構成例を示す図である。この例では、壁８０に、直流電源８１及び送電装置８２が埋め込まれている。送電装置８２は、例えば、制御回路８３、送電回路８４、送電コイル８５、異物検出回路８６、及び検出コイル８７を備える。送電装置８２は、例えば、図７に示す送電装置３０と同様に構成され得る。ロボット９０は、受電コイル９２及び受電回路９３を含む受電装置９１を備える。受電装置９１は、図７に示す受電装置４０と同様に構成され得る。ロボット９０は、さらに、二次電池９４と、駆動用電気モータ９５と、移動のための複数の車輪９６とを備える。
【０１４０】
このようなシステムにより、例えば病院内のロボット９０に、壁８０から電力を非接触で伝送し、人の手を借りることなく自動で充電を行うことができる。
【０１４１】
このことにより、送電を開始する前に異物を検知するので、異物の発熱の危険性を未然に防止できる。
【０１４２】
また、送電装置８２においては、送電を行っている最中においても、上記異物検出装置を用いて異物の検知をすることにより、危険を未然に防ぐことができる。
【０１４３】
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。
【０１４４】
本開示は、以下の項目に記載の異物検出装置、無線送電装置及び無線電力伝送システムを含む。
【０１４５】
［項目１］
第１端子及び第２端子を有する巻回された第１導線である第１コイルと、
前記第１コイルと隣接して配置され、第３端子及び第４端子を有する巻回された第２導線である第２コイルであって、前記第３端子から前記第４端子への巻回方向は、前記第１端子から前記第２端子への巻回方向と同一である第２コイルと、
第１所定波形を有する第１検出信号を前記第１コイルの前記第１端子に出力し、前記第１所定波形と同じ極性の第２所定波形を有する第２検出信号を前記第２コイルの前記第３端子に出力し、前記第１コイルと前記第２コイルの間において、前記第１コイルからの磁界と前記第２コイルからの磁界とを反発させ、
異物の有無によって生じる前記第１コイル又は前記第２コイルのいずれか一方のインピーダンス値の変化量を測定し、
前記インピーダンス値の変化量が所定値を超えたとき、前記第１コイル又は前記第２コイルの上に異物があると判断する１つの異物検出回路と、を備え、
前記第２端子及び前記第４端子の電位は、物検出回路の基準電位と同電位である、
異物検出装置。
【０１４６】
上記態様によると、
異物検出装置は、第１端子及び第２端子を有する巻回された第１導線である第１コイルと、前記第１コイルと隣接して配置され、第３端子及び第４端子を有する巻回された第２導線である第２コイルであって、前記第３端子から前記第４端子への巻回方向は、前記第１端子から前記第２端子への巻回方向と同一である第２コイルと、異物検出回路とを備えている。
【０１４７】
異物検出回路は、第１所定波形を有する第１検出信号を前記第１コイルの前記第１端子に出力し、前記第１所定波形と同じ極性の第２所定波形を有する第２検出信号を前記第２コイルの前記第３端子に出力する。そして、前記第１コイルと前記第２コイルの間において、前記第１コイルからの磁界と前記第２コイルからの磁界とを反発させる。これにより、第１コイルの上側と第２コイルの上側の磁界を強くすることができる。
【０１４８】
そして、異物の有無によって生じる前記第１コイル又は前記第２コイルのいずれか一方のインピーダンス値の変化量を測定する。そして、前記インピーダンス値の変化量が所定値を超えたとき、前記第１コイル又は前記第２コイルの上に異物があると判断する。
【０１４９】
これにより、単に複数のコイルを配置して異物を検出する範囲を広げるだけではなく、検出コイルの上側の磁界を強めて、第１コイル又は第２コイルの上側に位置する異物を高い精度で検出することができる。
【０１５０】
その結果、高精度で異物を検出できる範囲（特に高さ方向の範囲）を拡大することができる。
【０１５１】
さらに、汎用の検出コイルを用いることができるので、部品数、寸法、及び製造コストの増大を抑えることができる。
【０１５２】
［項目２］
前記第１端子及び前記第３端子は、それぞれ、前記第１コイル及び前記第２コイルの外側に配置された外側端子、又は前記第１コイル及び前記第２コイルの内側に配置された内側端子のいずれか一方の端子であり、
前記第２端子及び前記第４端子は、それぞれ、前記第１コイル及び前記第２コイルの前記外側端子又は前記内側端子のいずれか他方の端子である、
項目１に記載の異物検出装置。
【０１５３】
［項目３］
前記第１コイル及び前記第２コイルの各々は、各コイルの軸に垂直な方向に配列されている、項目１又は２に記載の異物検出装置。
【０１５４】
上記態様によれば、
第１コイルおよび第２コイルの各々を、各コイルの軸に垂直な方向に一列に配置することで、第１コイル及び第２コイルから放出される磁界分布が均一となり、異物を高精度で検出できる。
【０１５５】
［項目４］
前記第１検出信号及び前記第２検出信号は、交流信号又はパルス信号である、
項目１から３のいずれか１項に記載の異物検出装置。
【０１５６】
上記態様によれば、
第１検出信号及び第２検出信号に交流信号を用いる場合は、比較的、異物の侵入が多い場合および／または長時間使用する場合に適している。交流信号は徐々に電力が変動するので、連続して長時間使用する場合、第１コイル及び第２コイルへの負担を少なくできる。また、第１検出信号及び第２検出信号にパルス信号を用いる場合は、比較的、異物の侵入が少ない場合に適している。パルス信号は間欠信号を作り易く、電力消費を削減して異物の検出を行うことができる。
【０１５７】
［項目５］
前記異物検出回路は、前記第１検出信号及び前記第２検出信号を同時に前記第１コイル及び前記第２コイルにそれぞれ出力する、
項目１から４のいずれか１項に記載の異物検出装置。
【０１５８】
上記態様によれば、
第１検出信号及び第２検出信号の位相のずれがないので、第１コイル及び第２コイルから放出される磁界分布が均一となり、異物を高精度で検出できる。
【０１５９】
［項目６］
項目１から５のいずれか１項に記載の異物検出装置と、
送電コイルと、
前記送電コイルに高周波電力を送電する送電回路と、を備える、
無線送電装置。
【０１６０】
上記態様によれば、
高精度で異物を検出できる範囲を広げることができる本開示の異物検出装置を備えているので、送電回路が高周波電力を送電する範囲を広げることができる。
【０１６１】
また、第１コイル及び第２コイルと送電コイルとが別々のコイルである場合、高周波電力を送電しているときでも、異物の侵入を検出できるので、異物の発熱を防止できる。
【０１６２】
［項目７］
前記送電コイルを内部に配置した筐体を備え、
前記第１コイル及び前記第２コイルの各々の外周は、前記送電コイルの外周より小さく、
前記第１コイル及び前記第２コイルは、前記筐体の主面と前記送電コイルの間に配置されている、
項目６に記載の無線送電装置。
【０１６３】
上記態様によれば、
第１コイル及び第２コイルの各々の外周は、送電コイルの外周よりも小さいので、送電コイルよりも相対的に小さい異物でも検出することができる。
【０１６４】
［項目８］
前記第１コイル及び前記第２コイルのうちの少なくとも一つと前記送電コイルとを兼用した、項目６に記載の無線送電装置。
【０１６５】
上記態様によれば、
第１コイル及び第２コイルのうちの少なくとも一つと送電コイルとを兼用するので、コストが削減できる。また、装置の薄型化、軽量化を図ることができる。
【０１６６】
［項目９］
前記第１検出信号の電力及び前記第２検出信号の電力は、前記高周波電力より小さい、
項目６から８のいずれか１項に記載の無線送電装置。
【０１６７】
［項目１０］
前記異物検出回路が前記第１コイル又は前記第２コイルの上に異物がないと判断した後に、前記送電回路に前記高周波電力を送電させる制御回路をさらに備えた、
項目６から９のいずれか１項に記載の無線送電装置。
上記態様によれば、
異物検出回路が第１コイルおよび第２コイルによって形成される磁界内に異物がないと判断した後に、送電回路に高周波電力を送電させるので、安全に送電することができる。
【０１６８】
［項目１１］
項目６から１０のいずれか１項に記載の無線送電装置と、
無線受電装置と、を備える、無線電力伝送システム。
【０１６９】
［項目１２］
第１端子及び第２端子を有する巻回された導線であるコイルを３つ以上含むコイル群であって、隣接する第１コイル及び第２コイルを含み、前記第１コイル及び前記第２コイルにおける前記第１端子から前記第２端子への巻回方向は同一である、コイル群と、
前記コイル群の中から隣接する前記第１コイルと前記第２コイルとを選択する異物検出回路と、
前記第１コイル及び前記第２コイルと前記異物検出回路とを電気的に接続する少なくとも１つのスイッチと、を備え、
前記異物検出回路は、
第１所定波形を有する第１検出信号を前記第１コイルの前記第１端子に出力し、前記第１所定波形と同じ極性の第２所定波形を有する第２検出信号を前記第２コイルの前記第１端子に出力し、
前記第１コイルと前記第２コイルの間において、前記第１コイルからの磁界と前記第２コイルからの磁界とを反発させ、
異物の有無によって生じる前記第１コイル又は前記第２コイルのいずれか一方のインピーダンス値の変化量を測定し、
前記インピーダンス値の変化量が所定値を超えたとき、前記第１コイル又は前記第２コイルの上に異物があると判断し、
前記第１コイル及び前記第２コイルの各々における前記第２端子の電位は、前記異物検出回路の基準電位と同電位である、
異物検出装置。
【０１７０】
上記態様によれば、
３つ以上含むコイル群の中から隣接する第１コイルと第２コイルとを選択する。コイル群の任意の位置で異物の検出を行うことができるので、広範囲で異物の有無を判断することができる。
【０１７１】
［項目１３］
前記第１コイル及び前記第２コイルにおける前記第１端子は、それぞれ、前記第１コイル及び前記第２コイルの外側に配置された外側端子、又は前記第１コイル及び前記第２コイルの内側に配置された内側端子のいずれか一方の端子であり、
前記第１コイル及び前記第２コイルにおける前記第２端子は、それぞれ、前記第１コイル及び前記第２コイルの前記外側端子又は前記内側端子のいずれか他方の端子である、
項目１２に記載の異物検出装置。
【０１７２】
［項目１４］
前記異物検出回路は、前記第１検出信号及び前記第２検出信号を同時に前記第１コイル及び前記第２コイルにそれぞれ出力する、
項目１２に記載の異物検出装置。
【０１７３】
上記態様によれば、
第１検出信号及び第２検出信号の位相のずれがないので、第１コイル及び第２コイルから放出される磁界分布が均一となり、異物を高精度で検出できる。
【０１７４】
［項目１５］
項目１２又は１３に記載の異物検出装置と、
送電コイルと、
前記送電コイルに高周波電力を送電する送電回路と、を備える、
無線送電装置。
【０１７５】
上記態様によれば、
高精度で異物を検出できる範囲を広げることができる本開示の異物検出装置を備えているので、送電回路が高周波電力を送電する範囲を広げることができる。
【０１７６】
また、第１コイル及び第２コイルと送電コイルとが別々のコイルである場合、高周波電力を送電しているときでも、異物の侵入を検出できるので、異物の発熱を防止できる。
【０１７７】
［項目１６］
前記送電コイルを内部に配置した筐体を備え、
前記第１コイル及び前記第２コイルの各々の外周は、前記送電コイルの外周より小さく、
前記第１コイル及び前記第２コイルは、前記筐体の主面と前記送電コイルの間に配置されている、
項目１５記載の無線送電装置。
【０１７８】
上記態様によれば、
第１コイル及び第２コイルの各々の外周は、送電コイルの外周よりも小さいので、送電コイルよりも相対的に小さい異物でも検出することができる。
【０１７９】
［項目１７］
前記第１コイル及び前記第２コイルのうちの少なくとも一つと前記送電コイルとを兼用した、
項目１５に記載の無線送電装置。
【０１８０】
上記態様によれば、
第１コイル及び第２コイルのうちの少なくとも一つと送電コイルとを兼用するので、コストが削減できる。また、装置の薄型化、軽量化を図ることができる。
【０１８１】
［項目１８］
前記第１検出信号の電力及び前記第２検出信号の電力は、前記高周波電力より小さい、
項目１５から１７のいずれか１項に記載の無線送電装置。
【０１８２】
［項目１９］
前記異物検出回路が前記第１コイル又は前記第２コイルの上に異物がないと判断した後に、前記送電回路に前記高周波電力を送電させる制御回路をさらに備えた、
項目１５から１８のいずれか１項に記載の無線送電装置。
【０１８３】
上記態様によれば、
異物検出回路が第１コイルおよび第２コイルによって形成される磁界内に異物がないと判断した後に、送電回路に高周波電力を送電させるので、安全に送電することができる。
【０１８４】
［項目２０］
項目１５から１９のいずれか１項に記載の無線送電装置と、
無線受電装置と、を備える、無線電力伝送システム。
【０１８５】
［項目２１］
導線が巻回された第１コイルと、
前記第１コイルと隣接して配置され、導線が巻回された第２コイルと、
第１所定波形を有する第１検出信号を前記第１コイルに出力し、第２所定波形を有する第２検出信号を前記第２コイルに出力し、前記第１コイルに流れる前記第１検出信号に基づく電流及び前記第２コイルに流れる前記第２検出信号に基づく電流の両方を時計回り、又は、反時計回りに流れさせ、前記第１コイルと前記第２コイルの間において、前記第１コイルからの磁界と前記第２コイルからの磁界とを反発させ、
異物の有無によって生じる前記第１コイル又は前記第２コイルのいずれか一方のインピーダンス値の変化量を測定し、
前記インピーダンス値の変化量が所定値を超えたとき、前記第１コイル上又は前記第２コイル上に異物があると判断する、１つの異物検出回路と、を備えた、
異物検出装置。
【０１８６】
上記態様によると、
単に複数のコイルを配置して異物を検出する範囲を広げるだけではなく、検出コイルの上側の磁界を強めて、第１コイル又は第２コイルの上側に位置する異物を高い精度で検出することができる。
【０１８７】
その結果、高精度で異物を検出できる範囲（特に高さ方向の範囲）を拡大することができる。
【０１８８】
さらに、汎用の検出コイルを用いることができるので、部品数、寸法、及び製造コストの増大を抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１８９】
本開示の異物検出装置、無線送電装置、及び無線電力伝送システムは、モバイル機器及びＥＶ車両などの受電装置へ無線で電力を送る際に、送電コイル又は受電コイルの近傍の異物を検出する用途に有用である。
【符号の説明】
【０１９０】
１０、１０ａ    異物検出回路
１１ａ〜１１i 検出コイル
１２    移相器
２０    異物
３０、３０ａ〜３０ｆ    送電装置
３１ａ〜３１ｄ    送電コイル
３２ａ〜３２ｄ    送電回路
３３    通信回路
３４、３４ａ    制御回路
３５、３５ａ〜３５ｃ    スイッチ回路
４    筐体
４０    受電装置
４１    受電コイル
４２    受電回路
４３    通信回路
４４    制御回路
４５    負荷
５    磁性体基板
６１    送電装置
６２    スマートフォン
７１    送電装置
７１ａ    送電コイル
７２ａ    受電コイル
８０    壁
８１    直流電源
８２    送電装置
８３    制御回路
８４    送電回路
８５    送電コイル
８６    異物検出回路
８７    検出コイル
９０    ロボット
９１    受電装置
９２    受電コイル
９３    受電回路
９４    二次電池
９５    駆動用電気モータ
９６    車輪
１００  異物検出装置
１１１  検出コイル
１２０  異物
【図１】
0006741985.tif 000002
【図２】
0006741985.tif 000003
【図３】
0006741985.tif 000004
【図４Ａ】
0006741985.tif 000005
【図４Ｂ】
0006741985.tif 000006
【図４Ｃ】
0006741985.tif 000007
【図４Ｄ】
0006741985.tif 000008
【図５Ａ】
0006741985.tif 000009
【図５Ｂ】
0006741985.tif 000010
【図５Ｃ】
0006741985.tif 000011
【図６】
0006741985.tif 000012
【図７】
0006741985.tif 000013
【図８Ａ】
0006741985.tif 000014
【図８Ｂ】
0006741985.tif 000015
【図９Ａ】
0006741985.tif 000016
【図９Ｂ】
0006741985.tif 000017
【図１０】
0006741985.tif 000018
【図１１】
0006741985.tif 000019
【図１２】
0006741985.tif 000020
【図１３】
0006741985.tif 000021
【図１４】
0006741985.tif 000022
【図１５】
0006741985.tif 000023
【図１６】
0006741985.tif 000024
【図１７】
0006741985.tif 000025
【図１８】
0006741985.tif 000026
【図１９】
0006741985.tif 000027
【図２０】
0006741985.tif 000028
【図２１Ａ】
0006741985.tif 000029
【図２１Ｂ】
0006741985.tif 000030
【図２２】
0006741985.tif 000031
【図２３】
0006741985.tif 000032