(57)【要約】【課題】高い精度で異物を検出できる異物検出装置を提供する。【解決手段】  異物検出装置は、複数のコイルを含むコイルアレイ１２０と、前記複数のコイルにそれぞれ並列に接続された複数の短絡スイッチを含む短絡スイッチ群１３０と、前記複数のコイルに交流成分を含む電圧を出力する発振回路１００と、前記複数のコイルと発振回路１００との間にそれぞれ接続された複数の選択スイッチを含む選択スイッチ群１４０と、電圧等の物理量の変化に基づいて異物を検出する検出回路３００と、短絡スイッチ群１３０及び選択スイッチ群１４０に含まれる各スイッチの導通及び非導通の状態を制御する制御回路５４０と、を備える。第１選択スイッチが導通状態のとき、これに接続された第１短絡スイッチは非導通状態に制御され、他の選択スイッチは非導通状態に、他の短絡スイッチは導通状態に制御される。【選択図】図１
2017034972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコイルを含むコイルアレイと、
前記複数のコイルの各々のコイルに並列に接続され、前記各々のコイルの両端の電気的接続を導通及び非導通の間で切替える、複数の短絡スイッチの各々を含む短絡スイッチ群と、
前記複数のコイルの各々と発振回路との間の電気的接続を導通及び非導通の間で切替える、複数の選択スイッチの各々を含む選択スイッチ群と、
前記複数のコイルの各々のインピーダンスの変化に応じて変化する物理量の、所定の基準値からの変化量を検出する検出回路と、
前記短絡スイッチ群及び前記選択スイッチ群に含まれる各スイッチの導通状態及び非導通状態とを制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記選択スイッチ群に含まれる第１選択スイッチを導通状態にすることによって前記複数のコイルに含まれる第１コイルと前記発振回路との間を導通状態にし、前記短絡スイッチ群のうち、前記第１コイルに並列に接続された第１短絡スイッチを非導通状態にし、
前記選択スイッチ群に含まれる第２選択スイッチを非導通状態にすることによって前記複数のコイルに含まれる第２コイルと前記発振回路との間を非導通状態にし、前記短絡スイッチ群のうち、前記第２コイルに並列に接続された第２短絡スイッチを導通状態にし、
前記検出回路は、前記発振回路と導通状態である前記第１コイルのインピーダンスの変化に応じて変化する前記物理量の前記基準値からの変化量を検出し、前記変化量に基づき、前記第１コイルの近傍に異物が存在するか否かを判断する、異物検出装置。
【請求項２】
前記制御回路は、
第１異物検出期間において、前記第１選択スイッチを導通状態にし、前記第１短絡スイッチを非導通状態にし、前記第２選択スイッチを非導通状態にし、前記第２短絡スイッチを導通状態にし、
前記第１異物検出期間の後の第２異物検出期間において、前記第１選択スイッチを非導通状態にし、前記第１短絡スイッチを導通状態にし、前記第２選択スイッチを導通状態にし、前記第２短絡スイッチを非導通状態にし、
前記検出回路は、
前記第１異物検出期間において、前記発振回路と導通状態である前記第１コイルのインピーダンスの変化に応じて変化する前記物理量の前記基準値からの変化量を検出し、前記変化量に基づき、前記第１コイルの近傍に異物が存在するか否かを判断し、前記第２異物検出期間において、前記発振回路と導通状態である前記第２コイルのインピーダンスの変化に応じて変化する前記物理量の前記基準値からの変化量を検出し、前記変化量に基づき、前記第２コイルの近傍に異物が存在するか否かを判断する、
請求項１に記載の異物検出装置。
【請求項３】
前記複数のコイルは、第３コイルを含み、
前記選択スイッチ群は、前記第３コイルと前記発振回路との間に接続された第３選択スイッチを含み、
前記短絡スイッチ群は、前記第３コイルに並列に接続された第３短絡スイッチを含み、
前記制御回路は、
前記第１異物検出期間において、前記第１選択スイッチを導通状態にし、前記第１短絡スイッチを非導通状態にし、前記第２および第３選択スイッチを非導通状態にし、前記第２および第３短絡スイッチを導通状態にし、
前記第１異物検出期間の後の前記第２異物検出期間において、前記第２選択スイッチを導通状態にし、前記第２短絡スイッチを非導通状態にし、前記第１および第３選択スイッチを非導通状態にし、前記第１および第３短絡スイッチを導通状態にし、
前記第２異物検出期間の後の第３異物検出期間において、前記第３選択スイッチを導通状態にし、前記第３短絡スイッチを非導通状態にし、前記第１および第２選択スイッチを非導通状態にし、前記第１および第２短絡スイッチを導通状態にし、
前記検出回路は、さらに、前記第３異物検出期間において、前記発振回路と導通状態である前記第３コイルのインピーダンスの変化に応じて変化する前記物理量の前記基準値からの変化量を検出し、前記変化量に基づき、前記第３コイルの近傍に異物が存在するか否かを判断する、
請求項２に記載の異物検出装置。
【請求項４】
前記制御回路は、１つの異物検出期間において、前記選択スイッチ群に含まれる１つの選択スイッチを導通状態にし、他の全ての選択スイッチを非導通状態にし、前記短絡スイッチ群に含まれる、前記１つの選択スイッチに接続された１つの短絡スイッチのみを非導通状態にし、他の全ての短絡スイッチを導通状態にする、
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】
前記制御回路は、導通状態にある前記複数の選択スイッチの１つに接続された前記複数のコイルの１つに流れる電流量よりも、非導通状態にある前記複数の選択スイッチの他の１つに接続された前記複数のコイルの他の１つに流れる電流量を少なく制御する、
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】
前記検出回路は、導通状態にある前記複数の選択スイッチの１つに接続された前記複数のコイルの１つのインピーダンスの変化に応じて変化する前記物理量の前記基準値からの変化量を検出し、前記変化量が所定の値を超えると、前記コイルの近傍に異物が存在すると判断する、
請求項１から５のいずれか１項に記載の異物検出装置。
【請求項７】
前記制御回路は、前記選択スイッチ群に含まれる１つ以上の選択スイッチを導通状態にする前は、前記選択スイッチ群および前記短絡スイッチ群の電気的接続を全て非導通とする、
請求項１から６のいずれか１項に記載の異物検出装置。
【請求項８】
平面状の表面を有し、前記コイルアレイを収納する筐体をさらに備え、
前記コイルアレイは、前記筐体の前記表面に平行な面上に配置されている、
請求項１から７のいずれか１項に記載の異物検出装置。
【請求項９】
平面状の表面を有し、前記コイルアレイを収納する筐体をさらに備え、
前記コイルアレイは、前記筐体の前記表面から第１の距離に位置する少なくとも１つのコイルを含む第１コイル群と、前記表面から前記第１の距離とは異なる第２の距離に位置する少なくとも２つのコイルを含む第２コイル群とを有し、
前記筐体の前記表面に垂直な方向から見た前記第１コイル群に属する前記１つのコイルは、前記表面に垂直な方向から見た前記第２コイル群に属する隣接する２つのコイルの間に位置する、
請求項１から７のいずれか１項に記載の異物検出装置。
【請求項１０】
前記発振回路は、前記複数のコイルに、正のサイクルおよび負のサイクルを有する交流成分と直流成分とを含む電圧を出力する、
請求項１から９のいずれか１項に記載の異物検出装置。
【請求項１１】
前記発振回路は、前記複数のコイルに、周波数が１０００ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下の交流成分を含む前記電圧を出力する、
請求項１から１０のいずれか１項に記載の異物検出装置。
【請求項１２】
前記検出回路は、前記複数のコイルの１つに与えられる電圧の交流成分の所定の基準値からの変化量を検出し、前記変化量に基づき、前記コイルの近傍に異物が存在するか否かを判断する、
請求項１から１１のいずれか１項に記載の異物検出装置。
【請求項１３】
請求項１から１２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１４】
請求項１３に記載の無線送電装置と、
前記送電コイルから伝送された電力を受電する無線受電装置と、を備える、無線電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、コイルに近接した異物を検出する異物検出装置に関する。また、本開示は、異物検出装置を備え、かつ、非接触で電力を伝送する無線電力伝送のための送電装置および無線電力伝送システムにも関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話機や電気自動車などの移動性を伴う電子機器やＥＶ機器において、無線充電を行うために、コイル間の誘導結合を用いた無線電力伝送技術の開発が進んでいる。無線電力伝送システムは、送電コイル（送電アンテナ）を有する送電装置と、受電コイル（受電アンテナ）を有する受電装置とを備える。無線電力伝送システムは、送電コイルによって生じた磁界を受電コイルが捕捉することにより、電極を直接に接触させることなく電力を伝送する。
【０００３】
特許文献１は、無線電力伝送システムの一例を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２４４７３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、かかる従来技術では、高精度で異物を検出できる異物検出装置が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、
複数のコイルを含むコイルアレイと、
前記複数のコイルの各々のコイルに並列に接続され、前記各々のコイルの両端の電気的接続を導通及び非導通の間で切替える、複数の短絡スイッチの各々を含む短絡スイッチ群と、
前記複数のコイルの各々と発振回路との間の電気的接続を導通及び非導通の間で切替える、複数の選択スイッチの各々を含む選択スイッチ群と、
前記複数のコイルの各々のインピーダンスの変化に応じて変化する物理量の、所定の基準値からの変化量を検出する検出回路と、
前記短絡スイッチ群及び前記選択スイッチ群に含まれる各スイッチの導通状態及び非導通状態とを制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記選択スイッチ群に含まれる第１選択スイッチを導通状態にすることによって前記複数のコイルに含まれる第１コイルと前記発振回路との間を導通状態にし、前記短絡スイッチ群のうち、前記第１コイルに並列に接続された第１短絡スイッチを非導通状態にし、
前記選択スイッチ群に含まれる第２選択スイッチを非導通状態にすることによって前記複数のコイルに含まれる第２コイルと前記発振回路との間を非導通状態にし、前記短絡スイッチ群のうち、前記第２コイルに並列に接続された第２短絡スイッチを導通状態にし、
前記検出回路は、前記発振回路と導通状態である前記第１コイルのインピーダンスの変化に応じて変化する前記物理量の前記基準値からの変化量を検出し、前記変化量に基づき、前記第１コイルの近傍に異物が存在するか否かを判断する。
【０００７】
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】
【０００８】
本開示の一態様によれば、高い精度で異物を検出できる異物検出装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本開示の実施形態１に係る異物検出装置の概略構成を示す回路図である。
【図２】図２は、発振回路１００から出力される電圧の時間変化の一例を示す図である。
【図３】図３は、比較例に係る異物検出装置の概略構成を示す回路図である。
【図４】図４は、比較例に係る異物検出装置の等価回路を示す回路図である。
【図５】図５は、本開示の実施形態１に係る異物検出装置の等価回路を示す回路図である。
【図６】図６は、本開示の実施形態１に係る選択スイッチ群と短絡スイッチ群の制御パターンの第１の例を示す図である。
【図７】本開示の実施形態１に係る異物検出装置の変形例を示す図である。
【図８】図８は、本開示の実施形態１に係る選択スイッチ群と短絡スイッチ群の制御パターンの第２の例を示す図である。
【図９】図９は、本開示の実施形態１に係る異物検出モードでの動作を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、本開示の実施形態２に係る異物検出装置を有する送電装置と、受電装置とを備える無線電力伝送システムの概略構成を示す図である。
【図１１】図１１は、本開示の実施形態２に係る送電装置における異物検出モードでの動作を示すフローチャートである。
【図１２】図１２は、コイルアレイの構成例を示す図である。
【図１３】図１３は、コイルアレイの他の構成例を示す図である。
【図１４】図１４は、図１３に示すコイルアレイ５１０の配置を示す上面図である。
【図１５】図１５は、本開示の実施例１に係る発振回路の構成例を示す図である。
【図１６】図１６は、本開示の実施例１に係る発振回路の発振周波数の計算結果を示す図である。
【図１７】図１７は、本開示の実施例２に係るコイルアレイのコイル数Ｎに対するインダクタンスの閾値Ｌｔｈの依存性についての計算結果を示す図である。
【図１８】図１８は、本開示の実施例２に係るコイルアレイのコイル数Ｎに対する電流の閾値Ｉｔｈの依存性についての計算結果を示す図である。
【図１９】図１９は、本開示の実施例３に係る異物検出装置と比較例に係る異物検出装置の電圧の変化量の比較結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（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おける異物の検出に関し、以下の課題が生じることを見出した。
【００１１】
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金属などの物体を意味する。
【００１２】
無線電力伝送システムにおいて、電力伝送を行う際に送電コイルまたは受電コイルに金属などの異物が近接すると、異物に渦電流が発生し、加熱させるリスクを生じる。従って、コイルに近接した金属などの異物の検出は、安全かつ高い効率で無線電力伝送を行うために要望される事項である。
【００１３】
このような要望される事項に対し、特許文献１は、２次側コイルと電磁的に結合する１次側コイルを含む回路の１次側Ｑ値を測定し、電力伝送効率を１次側コイルのＱ値を用いて補正し、得られた補正値に基づいて２次側コイルとの電磁結合している状態を検知することを開示している。
【００１４】
特許文献１の方法では、Ｑ値の測定のために交流電圧が用いられる。特許文献１に代表される従来の検知回路では、異物がコイルに近接したときに交流電圧が変化する点に着目した判定方法が主流であった。
【００１５】
本発明者らは、上記の方法では、複数のコイルが配列されたコイルアレイ構成に拡張した場合、コイルアレイに付随するスイッチ（例えば半導体スイッチ）との不要な共振モードが発生することを見出した。そして、そのような不要な共振モードの影響で、上記交流電圧の波形が本来期待される波形とは異なる波形に変形し、異物の検出感度が低下する、という新しい課題を発見するに至った。
【００１６】
従って、そのような不要な共振モードの発生を抑え、コイルアレイに近接した異物を高い感度で検出できる異物検出装置が求められている。言い換えれば、高い精度で異物を検出できる異物検出装置が求められている。
【００１７】
以上の考察により、本発明者らは、以下に説明する本開示の各態様を想到するに至った。
【００１８】
本開示の一態様に係る異物検出装置は、
複数のコイルを含むコイルアレイと、
前記複数のコイルの各々のコイルに並列に接続され、前記各々のコイルの両端の電気的接続を導通及び非導通の間で切替える、複数の短絡スイッチの各々を含む短絡スイッチ群と、
前記複数のコイルの各々と発振回路との間の電気的接続を導通及び非導通の間で切替える、複数の選択スイッチの各々を含む選択スイッチ群と、
前記複数のコイルの各々のインピーダンスの変化に応じて変化する物理量の、所定の基準値からの変化量を検出する検出回路と、
前記短絡スイッチ群及び前記選択スイッチ群に含まれる各スイッチの導通状態及び非導通状態とを制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記選択スイッチ群に含まれる第１選択スイッチを導通状態にすることによって前記複数のコイルに含まれる第１コイルと前記発振回路との間を導通状態にし、前記短絡スイッチ群のうち、前記第１コイルに並列に接続された第１短絡スイッチを非導通状態にし、
前記選択スイッチ群に含まれる第２選択スイッチを非導通状態にすることによって前記複数のコイルに含まれる第２コイルと前記発振回路との間を非導通状態にし、前記短絡スイッチ群のうち、前記第２コイルに並列に接続された第２短絡スイッチを導通状態にし、
前記検出回路は、前記発振回路と導通状態である前記第１コイルのインピーダンスの変化に応じて変化する前記物理量の前記基準値からの変化量を検出し、前記変化量に基づき、前記第１コイルの近傍に異物が存在するか否かを判断する。
【００１９】
上記態様によれば、
前記制御回路は、
前記選択スイッチ群に含まれる第１選択スイッチを導通状態にすることによって前記複数のコイルに含まれる第１コイルと前記発振回路との間を導通状態にし、前記短絡スイッチ群のうち、前記第１コイルに並列に接続された第１短絡スイッチを非導通状態にし、
前記選択スイッチ群に含まれる第２選択スイッチを非導通状態にすることによって前記複数のコイルに含まれる第２コイルと前記発振回路との間を非導通状態にし、前記短絡スイッチ群のうち、前記第２コイルに並列に接続された第２短絡スイッチを導通状態にする。
【００２０】
上記により、導通状態にある第１選択スイッチに接続された第１コイル以外の第２のコイルの両端に接続された第２短絡スイッチを導通状態にすることで、第２コイルの入出力端子間のインダクタンスを実効的に低下させ、第２コイルのインダクタンスに起因する不要な共振を抑制することができる。
【００２１】
よって、コイルアレイに近接した異物を高い感度で検出できる。また、上記不要な共振の抑制を簡易な回路構成で実現できる。
【００２２】
以下、本開示の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示している。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。本明細書において説明される種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。以下の説明において、実質的に同じまたは類似する機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略することがある。
【００２３】
（実施形態１）
図１は、本開示の実施形態１に係る異物検出装置の概略構成を示す回路図である。
【００２４】
本実施形態における異物検出装置は、例えば無線電力伝送システムにおける送電装置または受電装置において、金属などの異物の近接を検出する用途で用いられ得る。異物検出装置は、異物の検出を目的とする他の用途（例えば、工場での検査）に用いることもできるが、以下の説明では、主に無線電力伝送システムにおいて用いられる場合を想定する。
【００２５】
異物検出装置は、複数のコイル１１０を含むコイルアレイ１２０と、複数のコイル１１０にそれぞれ並列に接続された複数の短絡スイッチを含む短絡スイッチ群１３０と、複数のコイル１１０に交流成分を含む電圧を出力する発振回路１００と、複数のコイル１１０と発振回路１００との間にそれぞれ接続された複数の選択スイッチを含む選択スイッチ群１４０と、短絡スイッチ群１３０及び選択スイッチ群１４０に含まれる各スイッチの導通及び非導通の状態を制御する制御回路５４０と、異物検出のための処理を行う検出回路３００とを備える。図１は、簡単のため、コイル、短絡スイッチ、および選択スイッチの各々の数が２個の場合を示している。
【００２６】
各短絡スイッチは、制御回路５４０から入力される制御信号に応答して、導通（ＯＮ）および非導通（ＯＦＦ）の状態を相互に切り替える。これにより、短絡スイッチ群１３０は、複数のコイル１１０の各々の両端の、短絡スイッチを介した電気的接続を導通及び非導通の間で切替える。
【００２７】
各選択スイッチは、制御回路５４０から入力される制御信号に応答して、導通及び非導通の状態を相互に切り替える。これにより、選択スイッチ群１４０は、複数のコイル１１０の各々と発振回路１００との間の電気的接続を導通及び非導通の間で切替える。
【００２８】
本明細書において「導通状態」とは、発振回路１００を動作させたときに電流が流れ得る状態を意味する。逆に、「非導通状態」とは、発振回路１００を動作させても電流が流れない状態を意味する。各スイッチは、異物検出動作中、制御回路５４０によって導通状態または非導通状態のいずれかに制御される。ある選択スイッチが導通状態にあるとき、その選択スイッチに接続された短絡スイッチは、非導通状態に制御される。逆に、ある選択スイッチが非導通状態にあるとき、その選択スイッチに接続された短絡スイッチは、導通状態に制御される。
【００２９】
発振回路１００は、複数のコイル１１０に交流成分を含む電圧を出力する。「交流成分を含む電圧」とは、時間に応じて電圧値が変動する電圧を意味する。「交流成分を含む電圧」は、時間に応じて極性が反転する「交流電圧」だけでなく、時間に応じて極性が反転しない「脈流」の電圧を含む。
【００３０】
図２は、発振回路１００から出力される電圧（以下、「発振電圧」と称することがある。）の時間変化の一例を示す図である。図示される電圧Ｖｉｎは、直流成分Ｖｄｃと、Ｖｄｃを中心として正弦波状に変動する交流成分とを含む。電圧Ｖｉｎにおいて、Ｖｄｃよりも電圧が大きくなる期間を「正のサイクル」と呼び、Ｖｄｃよりも電圧が小さくなる期間を「負のサイクル」と呼ぶことがある。発振回路１００の出力電圧の波形は、三角波や矩形波などの周期的に変化する他の波形であってもよい。この例のように、直流成分と交流成分とを含む電圧を出力する場合、直流成分および交流成分の一方または双方の変化に基づいて異物の有無を判断することができる。
【００３１】
制御回路５４０は、短絡スイッチ群１３０と選択スイッチ群１４０に含まれる各スイッチの導通および非導通の状態を所定のパターンで制御する。制御回路５４０は、所定の時間（異物検出期間と称する。）ごとに、選択するコイルを切り替えながら動作する。コイルの選択は、そのコイルと発振回路１００との間に接続されている選択スイッチをＯＮにすることによって行われる。この際、その選択スイッチに接続されている短絡スイッチをＯＦＦにする。より具体的には、制御回路５４０は、第１の異物検出期間において、選択スイッチ＃１を導通状態（ＯＮ）にすることによってコイル＃１と発振回路１００との間を導通状態にし、コイル＃１に並列に接続された第１短絡スイッチ＃１を非導通状態（ＯＦＦ）にし、選択スイッチ＃２を非導通状態（ＯＦＦ）にすることによってコイル＃２と発振回路１００との間を非導通状態にし、コイル＃２に並列に接続された短絡スイッチ＃２を導通状態（ＯＮ）にする。続く第２異物検出期間において、制御回路５４０は、選択スイッチ＃１を非導通状態（ＯＦＦ）にすることによって第１コイル＃１と発振回路１００との間を非導通状態にし、短絡スイッチ＃１を導通状態（ＯＮ）にし、選択スイッチ＃２を導通状態（ＯＮ）にすることによってコイル＃２と発振回路１００との間を導通状態にし、短絡スイッチ＃２を非導通状態（ＯＦＦ）にする。
【００３２】
検出回路３００は、複数のコイル１１０の各々のインピーダンスの変化に応じて変化する物理量を測定する。そして、当該物理量の、所定の基準値からの変化量を検出する。その変化量に基づいて、各コイルの近傍に異物が存在するか否かを判断し、判断結果を示す情報を出力する。
【００３３】
検出回路３００は、第１異物検出期間における第１コイル＃１のインピーダンスの変化に応じて変化する物理量の基準値からの変化量を検出し、その変化量に基づき、第１コイル＃１の近傍に異物が存在するか否かを判断する。さらに、第２異物検出期間における第２コイル＃２のインピーダンスの変化に応じて変化する物理量の基準値からの変化量を検出し、その変化量に基づき、第２コイル＃２の近傍に異物が存在するか否かを判断する。この判断の結果は、例えば不図示のランプやディスプレイ等に光または映像の情報として出力され得る。
【００３４】
検出回路３００が測定する物理量は、各コイルのインピーダンスの変動に応じて変化する任意の物理量であり得る。コイルに異物が近接すると、磁界が乱れ、コイルのインピーダンスが変化する。この変化を検出することにより、異物を検出することができる。インピーダンスの変化は、例えば電圧、Ｑ値、電流、インダクタンス、抵抗値、周波数、結合係数といった、インピーダンスの変化に応じて変化する物理量を測定することによって検出され得る。ある例では、発振回路１００から出力される電圧の変化に基づいて異物の有無が検出される。この場合、検出回路３００は、発振回路１００から出力される電圧を測定し、当該電圧の直流成分および交流成分の少なくとも一方の、所定の基準値からの変化量を検出する。これにより、コイル１１０への異物の近接を検出することができる。
【００３５】
ここで、交流成分の変化量とは、振幅、周波数、周期、またはひずみなどの変化の程度を示す量を含む。「変化」とは、発振波形の振幅低下、振幅増加、および波形歪みなどのあらゆる波形の変化を含む。
【００３６】
図３は、比較例に係る異物検出装置の概略構成を示す回路図である。この比較例に係る異物検出装置は、短絡スイッチ群１３０が付加されていない点で、図１に示す実施形態の異物検出装置と異なる。
【００３７】
以下、金属異物の検出に焦点を絞り、図１および図３を参照しながら、本実施形態の異物検出装置の動作原理をより詳細に説明する。
【００３８】
図３は、従来のコイルアレイ構成を示している。２つのコイル＃１と＃２に対し、選択スイッチ＃１と＃２がそれぞれ直列に接続されている。制御回路５４０は、選択スイッチのＯＮ（導通）およびＯＦＦ（非導通）を制御することによって、コイル＃１に近接した異物の検知や、コイル＃２に近接した異物の検知を個別に行うことができる。たとえば、図３では選択スイッチ＃２がＯＮ、＃１がＯＦＦになっているので、発振回路１００から出力された電圧は、コイル＃２に印加される。これにより、コイル＃２に電流が流れるので、コイル＃２の周囲に磁界が発生する。異物がコイル＃２に近接すると、磁界が乱れ、電圧波形も変化する。ただし、検知レベルを向上させるために発振周波数を高くすると、上記動作は確保できないことが筆者らの検討により明らかになった。理由を以下に説明する。
【００３９】
図４は、比較例に係る異物検出装置の等価回路を示す回路図である。図４は、図３の構成を等価回路に置き換えた構成を示している。選択スイッチ１４０は、例えば半導体で構成される。選択スイッチ＃１がＯＦＦのとき、選択スイッチ＃１は所定の容量（Ｃｏｆｆ）をもつ。また、選択スイッチ＃２がＯＮのとき、選択スイッチ＃２は所定の抵抗（Ｒｏｎ）をもつ。このとき、コイル＃１のインダクタンスＬ１と選択スイッチ＃１の容量Ｃｏｆｆとが、直列共振回路を形成する。このため、コイル＃１のインピーダンス（即ちインダクタンスＬ１）は、上記直列共振回路の共振周波数近傍においてコイル＃２のインピーダンス（即ちインダクタンスＬ２）よりも低下する。
【００４０】
その結果、コイル＃２だけでなくコイル＃１にも上記直列共振回路の共振周波数成分の交流電流Ｉａが流れてしまう。コイル＃２に流れる電流よりもコイル＃１に流れる電流Ｉａの方が多くなる場合もある。電流Ｉａが流れることにより、コイル＃２の検知レベルが低下する。コイル＃１への電流を抑制するためには、前述の共振現象を抑制すればよい。共振現象を抑制するためには、選択スイッチのオフ容量Ｃｏｆｆを低減させるか、インダクタンスＬ１を低減させればよい。
【００４１】
本実施形態では、インダクタンスＬ１を低減するために、図１に示すように、コイル＃１の両端での電圧差を低減することが可能な短絡スイッチ群１３０が設けられている。複数のコイル１１０のそれぞれに並列に複数の短絡スイッチを接続することにより、選択されていないコイルに電流が流れることを抑制できる。
【００４２】
図５は、本実施形態に係る異物検出装置の等価回路を示す回路図である。図５は、図１の構成を等価回路に置き換えた構成を示している。
【００４３】
図５に示すコイル＃１について、制御回路５４０は、選択スイッチ＃１をＯＦＦにしているとき、短絡スイッチ＃１をＯＮにする。これにより、コイル＃１の入出力端子間のインダクタンスＬ１を実効的に低減させる。
【００４４】
その結果、コイル＃１のインピーダンスよりもコイル＃２のインピーダンスが低下し、より多くの電流Ｉｂをコイル＃２に流すことができる。よって、本実施形態の構成によれば、所望のコイルにおいて高い検知レベルを確保することができる。
【００４５】
図６は、本実施形態における選択スイッチ群１４０および短絡スイッチ群１３０の制御パターンを示す図である。図６に示すように、コイル＃１が選択されるとき、選択スイッチ＃１はＯＮに、短絡スイッチ＃１はＯＦＦに、選択スイッチ＃２はＯＦＦに、短絡スイッチ＃２はＯＮに設定される。一方、コイル＃２が選択されるとき、選択スイッチ＃２はＯＮに、短絡スイッチ＃２はＯＦＦに、選択スイッチ＃１はＯＦＦに、短絡スイッチ＃１はＯＮに設定される。
【００４６】
以上の説明では、２つのコイルをスイッチで切り替える場合を想定したが、３つ以上のコイルをスイッチで順次切り替える構成においても動作原理は同じである。
【００４７】
図７は、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）のコイル＃１〜＃Ｎを選択スイッチ群１４０で切り替える場合の概略構成を示す図である。この構成例では、制御回路５４０は、選択スイッチ＃１、＃２、・・・、＃Ｎを順次オンにすることにより、コイル＃１、＃２、・・・、＃Ｎを順次選択する。
【００４８】
図８は、図７に示す構成例における選択スイッチ群１４０及び短絡スイッチ群１３０の制御パターンを示す図である。選択コイルを＃ｉ（ｉ＝１、２、・・・、Ｎ）と表すと、選択スイッチ＃ｉはＯＮ、短絡スイッチ＃ｉはＯＦＦに設定される。選択コイル＃ｉ以外の選択スイッチはＯＦＦ、短絡スイッチはＯＮとする。図８に示す制御パターンでスイッチを制御することにより、上記の共振現象を低減できる。これにより、選択コイル＃ｉについてのみ、異物が近接しているか否かを確実に検出することができる。なお、この例では同時に選択されるコイルは１つであるが、同時に２つ以上のコイルが選択されてもよい。例えば、隣接する２つのコイルを同時に選択し、選択する２つのコイルを異物検出期間ごとに代えながら異物を検出してもよい。
【００４９】
図９は、本実施形態に係る異物検出装置の動作の一例を示すフローチャートである。異物検出モードを開始すると、ステップＳ１００において、制御回路５４０は、パラメータｉに値１を設定する。このパラメータｉは、コイル、選択スイッチ、および短絡スイッチの各々の番号を表す。次に、ステップＳ１０１において、制御回路５４０は、ｉがＮ以下か否かを判断する。ｉがＮ以下の場合、ステップＳ１０２に進み、ｉがＮを超えている場合、異物検出モードを終了する。ステップＳ１０２において、制御回路５４０は、全ての選択スイッチをＯＦＦにし、全ての短絡スイッチをＯＮにする。次に、ステップＳ１０３において、制御回路５４０は、図８に示す制御パターンに従って、選択スイッチ＃ｉをＯＮにし、短絡スイッチ＃ｉをＯＦＦにする。ステップＳ１０４において、検出回路３００は、コイル＃ｉの電圧を測定する。ステップＳ１０５において、測定した電圧（例えば交流成分の振幅）と所定の基準値との差の絶対値が第１の閾値未満か否かを判断する。測定した電圧と基準値との差の絶対値が第１の閾値未満ならば、異物が存在しないと判断し、ステップＳ１０６に進み、異物なしのフラグを立てる。「異物なしのフラグを立てる」とは、異物がないことを示す情報を、所定の記憶領域に記録することを意味する。たとえば、検出回路３００を構成するＭＰＵやＣＰＵなどの所定の記憶領域（たとえばメモリ）に論理値ＦＡＬＳＥを設定する等の動作を指す。一方、測定した電圧が第１の閾値以上の場合、異物が存在すると判断し、ステップＳ１０７に進み、異物ありのフラグを立てる。「異物ありのフラグを立てる」とは、異物があることを示す情報を、所定の記憶領域に記録することを意味する。たとえば、所定の記憶領域に論理値ＴＲＵＥを設定する等の動作を指す。次に、ステップＳ１０８において、制御回路５４０は、パラメータｉに１を加算し、ステップＳ１０１〜Ｓ１０８の動作を、ｉがＮを超えるまで繰り返す。
【００５０】
以上の動作により、コイル＃１〜Ｎの近傍に存在する異物の有無を順次判定できる。異物の有無の判定結果は、たとえばＬＥＤなどの表示素子を点灯させることでユーザーに知らせてもよいし、送電処理をどのようにすべきかの判断材料としてもよい。詳細は実施形態２において説明する。
【００５１】
図９の例では、異物の有無の判断（ステップＳ１０５〜Ｓ１０７）を行った後にスイッチの切替を行っているが、異物の有無の判断を行わずにスイッチの切替を行ってもよい。その場合、全てのコイルについての電圧の測定が完了した後に、記録された各回の測定値と閾値との比較を行い、各コイルの近傍の異物の有無を判断することができる。
【００５２】
図９の例では、電圧に基づいて異物の有無を判断しているが、前述のように、他の物理量に基づいて異物の有無を判断してもよい。その場合でも、ステップＳ１０４における測定対象の物理量と、ステップＳ１０５における第１の閾値の値とが異なる点を除き、同様の動作で異物を検出できる。
【００５３】
（実施形態２）
図１０は、本開示の実施形態２に係る無線電力伝送システムの概略構成を示す図である。この無線電力伝送システムは、実施形態１の異物検出装置を有する無線送電装置５００と、受電装置６００とを備える。送電装置５００から受電装置６００へ無線で電力を伝送することができる。送電装置５００は、例えばワイヤレス充電器であり、受電装置６００は、例えば携帯情報端末や電気自動車などの二次電池を備えた機器であり得る。本実施形態では、前述した実施形態１に係る異物検出装置が送電装置５００に設けられている。このため、送電装置５００は、受電装置６００に送電するだけでなく、受電装置６００における受電コイル６１０と送電コイルアレイ５１０（詳細は後述する）との間に金属などの異物２０００があるか否かを検出することができる。その検出結果は、例えば送電装置５００または受電装置６００に設けられた光源５７０または光源６７０から光の情報として使用者に通知され得る。なお、光源５７０、６７０に限らず、例えばディスプレイやスピーカなどの表示素子を用いて光、映像、音声などの情報として異物の検出結果を使用者に通知してもよい。「表示素子」は、視覚的情報を提示する素子に限定されず、聴覚的情報（音または音声）のみを提示する素子をも広く含む。
【００５４】
本実施形態の無線電力伝送システムが備える異物検出装置のこのような機能により、使用者は、受電装置６００を送電装置５００に近づける際、受電コイル６１０と送電コイルアレイ５１０との間の異物の有無を知ることができる。このため、安全な伝送状態を確保することができる。
【００５５】
図１０に示されるように、本実施形態における送電装置５００は、送電コイルアレイ５１０と、送電回路５２０と、電源５３０と、制御回路５４０と、発振回路１００と、整流回路２００と、検出回路３００と、光源５７０とを備える。これらの構成要素のうち、送電コイルアレイ５１０、制御回路５４０、発振回路１００、および検出回路３００によって異物検出装置が構成されている。
【００５６】
送電コイルアレイ５１０は、上述した実施形態１におけるコイルアレイ１２０に対応する。図１０には示されていないが、送電コイルアレイ５１０は、図１または図７に示すような短絡スイッチ群１３０および選択スイッチ群１４０を含む。送電コイルアレイ５１０に含まれる各コイルは、不図示のコンデンサとともに送電共振器を構成し、送電回路５２０から供給された交流電力を無線で伝送する。送電コイルアレイ５１０に含まれる各コイルは、基板パターンで形成された薄型の平面コイルのほか、銅線やリッツ線などを用いた巻き線コイルなどを用いることができる。なお、送電共振器は、不要であればコンデンサを含まなくても良く、コイル５１０自身が有する自己共振特性を含めて送電共振器を形成しても良い。
【００５７】
発振回路１００および検出回路３００は、上述した実施形態１におけるものと同じである。検出回路３００は、送電コイルアレイ５１０に近接した異物２０００を、発振回路１００から出力された電圧の変化に基づいて検出する。そして、検出結果を示す情報を直接的に、または不図示のメモリ等の記録媒体を介して間接的に制御回路５４０に通知する。
【００５８】
送電回路５２０は、電源５３０から入力された直流エネルギを送電のための交流エネルギに変換して出力する回路である。送電回路５２０は、例えばフルブリッジ型のインバータや、Ｄ級、Ｅ級などの他の種類の送電回路であり得る。
【００５９】
制御回路５４０は、送電装置５００全体の動作を制御するプロセッサであり、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によって実現され得る。制御回路５４０は、本実施形態の動作を実現するように構成された専用のハードウェアであってもよい。制御回路５４０は、実施形態１で説明したように、各選択スイッチおよび各短絡スイッチのＯＮ、ＯＦＦの制御を行う。さらに、発振回路１００の発振周波数の切替や、送電回路５２０による送電制御（即ち送電状態の調整）や、検出回路３００の検出結果に基づいて表示素子５７０を発光させる制御を行う。具体的には異物検出モードにおいては、送電回路５２０の動作を停止し、発振回路１００を駆動する。送電モードにおいては、発振回路１００の動作を停止し、送電回路５２０を駆動する。制御回路５４０は、異物検出装置の測定結果に応じて送電開始周波数および送電電圧を決定する。
【００６０】
検出回路３００は、整流回路２００から出力された電圧を測定するために用いられるＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ  ｔｏ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）などの測定器であり得る。なお、図示しないが、検出回路３００の少なくとも一部の機能と制御回路５４０の少なくとも一部の機能とは、半導体パッケージ（例えばマイクロコントローラやカスタムＩＣ）によって実現されてもよい。
【００６１】
送電装置５００は、異物検出装置を用いて異物を検出する「異物検出モード」と、送電回路５２０を用いて送電を行う「送電モード」の２つのモードで動作する。送電装置５００は、送電モードと異物検出モードとを切り換えるスイッチＳ１、Ｓ２を備えている。
【００６２】
制御回路５４０は、異物検出モードでは送電コイルアレイ５１０と発振回路１００とを電気的に接続し、送電モードでは送電コイルアレイ５１０と発振回路１００とを電気的に切断するようにスイッチＳ１、Ｓ２の導通および非導通の状態を制御する。異物検出モードでは、制御回路５４０は、送電回路５２０から送電コイルアレイ５１０への電力供給を停止する。
受電装置６００は、送電コイルアレイ５１０から伝送された電力の少なくとも一部を受け取る受電コイル６１０と、負荷６３０と、受け取った電力を整流して負荷６３０に供給する受電回路６２０と、異物の検出結果を伝える光源６７０と、受電装置６００の各部を制御する制御回路６４０とを備えている。
【００６３】
受電コイル６１０は、不図示のコンデンサとともに受電共振器を構成し、送電共振器と電磁的に結合する。受電コイル６１０およびコンデンサは、それぞれ、送電側のコイルおよびコンデンサと同様のものであってもよいし、異なっていてもよい。なお、受電共振器は、不要であればコンデンサを含まなくても良く、コイル６１０自身が有する自己共振特性を含めて受電共振器を形成しても良い。
【００６４】
受電回路６２０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。受電回路６２０は、受け取った交流エネルギを負荷６３０が利用可能な直流エネルギまたは低周波の交流エネルギに変換する。受電共振器６１０の電圧・電流などを測定する各種センサを受電回路６２０中に含めてもよい。
【００６５】
負荷６３０は、例えば二次電池や高容量キャパシタであり、受電回路６２０から出力された電力によって充給電され得る。
【００６６】
制御回路６４０は、受電装置６００全体の動作を制御するプロセッサであり、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によって実現され得る。制御回路６４０は、この例に限定されず、本実施形態の動作を実現するように構成された専用のハードウェアであってもよい。制御回路６４０は、負荷６３０への充給電制御や、光源６７０の制御を行う。
【００６７】
以上のように、本実施形態では、異物検出用のコイルと送電用のコイルとを共用している。コイル部品を共用化することで送電装置５００を小型化できるという効果がある。
【００６８】
また、送電コイルを異物検出用のコイルとしても用いることで、送電コイルアレイ５１０上の異物の積載状態を直接検知できるという効果もある。この効果により、送電コイルアレイ５１０上の異物の積載状態に応じて変化する検出回路３００の測定値（例えば電圧値）に基づいて、送電周波数および送電電力（即ち、送電電圧および／または送電電流）を調整することができる。例えば、送電コイル上に異物が存在すると判断した場合、即座に送電を停止すると充電できずユーザーの利便性を低下させる恐れがある。そこで、異物の有無の判定基準となる評価値が所定の閾値以下であっても、異物の温度が所定の閾値以下となるように送電制御を加えながら送電するようにしてもよい。これを電力制限モードと呼ぶ。具体的には、予め実験的または解析的に得られたデータに基づいて決定されたパラメータを用いて所定の時間間隔で間欠的に送電したり、送電電力を所定の低減率で低減させた上で送電したりすることができる。あるいは、送電コイルアレイ５１０の近傍に温度センサを配置し、温度をモニターしながら送電電力や送電周波数を調整するなどの方法を採用することができる。電力制限モードの導入の結果、ユーザーの安全性を確保しつつ利便性を損ねずに送電することができる。
【００６９】
図１１は、本実施形態における送電装置５００の処理の一例を示すフローチャートである。異物検出モードを開始すると、ステップＳ２００において、制御回路５４０は、パラメータｉに値１を設定する。このパラメータｉは、コイル、選択スイッチ、および短絡スイッチの各々の番号を表す。次に、ステップＳ２０１において、制御回路５４０は、ｉがＮ以下か否かを判断する。ｉがＮ以下の場合、ステップＳ２０２に進み、ｉがＮを超えている場合、ステップＳ２１１に進む。ステップＳ２０２において、制御回路５４０は、全ての選択スイッチをＯＦＦにし、全ての短絡スイッチをＯＮにする。次に、ステップＳ２０３において、制御回路５４０は、図８に示す制御パターンに従って、選択スイッチ＃ｉをＯＮにし、短絡スイッチ＃ｉをＯＦＦにする。ステップＳ２０４において、検出回路３００は、コイル＃ｉの電圧を測定する。ステップＳ２０５において、制御回路５４０は、パラメータｉに１を加算する。以後、ｉがＮを超えるまで、ステップＳ２０１〜Ｓ２０５の動作を繰り返す。ｉがＮを超えると、ステップＳ２１１に進み、検出回路３００は、測定した電圧（例えば交流成分の振幅）と所定の基準値との差の絶対値が第１の閾値未満か否かを判断する。測定した電圧と基準値との差の絶対値が第１の閾値未満ならば、異物が存在しないと判断し、ステップＳ２１２に進み、送電を開始する。このときの送電モードを「通常モード」と呼ぶ。測定した電圧と基準値との差の絶対値が第１の閾値以上の場合、異物が存在すると推定されるので、ステップＳ２１３に進む。ステップＳ２１３において、検出回路３００は、測定した電圧と所定の基準値との差の絶対値が第２の閾値未満か否かを判定する。ここで、電圧と基準値との差の絶対値が第２の閾値未満ならば、検出回路３００は、発熱が問題にならない小さい異物が存在すると判定し、制御回路５４０に判定結果を通知する。制御回路５４０は、判定結果を受けると、上述の電力制限モードに設定して送電を開始する（ステップＳ２１４）。ステップＳ２１３において電圧が第２の閾値未満でなければ、検出回路３００は、大きい異物が存在すると判定し、判定結果を制御回路５４０に通知する。制御回路５４０は、判定結果を受けて光源５７０（例えばＬＥＤ）を点滅させるなどして、ユーザーに異物が存在することを通知する（ステップＳ２１５）。ここで、第２の閾値は、第１の閾値よりも大きい。
【００７０】
なお、無線電力伝送時には、例えば数Ｗ〜数ｋＷの電力が送電コイルアレイ５１０から受電コイル６１０に伝送される。このため、電力伝送中に送電モードから異物検出モードに移行すると、コイルの蓄積エネルギが異物検出用の回路に流入し、異物検出用の回路の耐圧を越えて焼損する可能性が生じる。そこで、本実施形態では、無線電力伝送中に送電コイルアレイ５１０に蓄積されたエネルギをグランドに逃がしてから異物検出モードに移行することで、異物検出用の回路の焼損を防ぐことができる。具体的には、送電モードから異物検出モードに切り替える場合、まず、送電回路５２０に含まれるインバータのうち、グランドに直結されている不図示のスイッチング素子（例えばＭＯＳＦＥＴ）のスイッチをＯＮにする。その結果、送電コイルアレイ５１０に蓄積されていたエネルギをグランドに逃がすことができる。その後、所定の時間経過後に異物検出モードを開始すればよい。
【００７１】
本実施形態では、送電コイルアレイ５１０が異物検出用のコイルとしても機能するように構成されているが、このような構成に限定されない。送電用のコイルと異物検出用のコイルとを個別に設けてもよい。送電用のコイルと異物検出用のコイルとを個別に設けることで、送電コイルのみでカバーできない領域においても異物検出が可能になるという効果がある。
【００７２】
異物検出のための発振周波数は、以下のように設定され得る。例えば、送電周波数を１００ｋＨｚとした場合、送電周波数よりも１０倍以上高い１０００ｋＨｚ以上を異物検出のための下限発振周波数とすることができる。これにより、送電回路５２０と検出回路３００との干渉を抑えることができるという効果がある。一方、制御回路５２０のクロック周波数を１００ＭＨｚとした場合、クロック周波数の１０分の１程度離れた１０ＭＨｚ以下を異物検出のための上限発振周波数とすることができる。これにより、高い分解能で異物を検出することができるという効果がある。したがって、ある例において、発振回路１００は、コイルアレイに、周波数が１０００ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下の交流成分を含む電圧を出力する。
【００７３】
次に、図１２および図１３を参照しながら、異物検出のためのコイルアレイの配置の例を説明する。
【００７４】
図１２は、コイルアレイ５１０の配置の一例を示す断面図である。図示される異物検出装置は、コイルアレイ５１０を収納する筐体５８０を備えている。筐体５８０は、平面状の表面５９０を有する。この表面５９０は、例えば、送電装置（充電装置）の上面であり得る。車両におけるコンソールボックスの内部に異物検出装置を含む送電装置を設ける場合には、コンソールボックスの上面が表面５９０であり得る。表面５９０の上に、携帯情報端末等の受電装置が置かれた状態で充電が行われ得る。図１２は、表面５９０の上に異物２０００が存在する状況を示している。
【００７５】
図１２に示す例では、コイルアレイ５１０は、筐体５８０の表面５９０に平行な面に沿って配置されている。言い換えれば、コイルアレイ５１０に含まれる各コイルと表面５９０との距離は一定である。コイルアレイ５１０を表面５９０から同一の距離の面上に配置することで、複数のコイルのいずれにも同一の異物の検出指標（例えば基準値）を用いることができる。その結果、少ない演算量で高速に異物を検知することができるという効果がある。
【００７６】
図１３は、コイルアレイ５１０の配置の他の例を示す断面図である。この例では、コイルアレイ５１０は、筐体５８０の表面５９０から第１の距離に位置する少なくとも１つのコイルを含む第１コイル群５１０ａと、表面５９０から第１の距離とは異なる第２の距離に位置する少なくとも２つのコイルを含む第２コイル群５１０ｂとを有する。図１３は、一例として、第１コイル群５１０ａが２つのコイルを含み、第２コイル群５１０ｂが３つのコイルを含む構成を示している。第１コイル群５１０ａと第２コイル群５２０ｂとの位置関係は図１３に示す位置関係とは逆転していてもよい。
【００７７】
図１４は、図１３に示すコイルアレイ５１０の配置を、表面５９０に垂直な方向から見たときの状況を示す図である。図示されるように、筐体５８０の表面５９０に垂直な方向から見た第１コイル群５１０ａに属する１つのコイルは、表面５９０に垂直な方向から見た第２コイル群５１０ｂに属する隣接する２つのコイルの間に位置している。この態様によれば、コイルアレイ５１０は筐体５８０の表面５９０から異なる距離に位置する２つの面上に配置される。これにより、コイルごとに異なる磁界分布を発生させることができる。一方のコイル群では十分にカバーできない隣接する２つのコイル間の上の領域を、他方のコイル群によってカバーできる。このため、広い検知領域内を高い精度で異物を検知できるという効果がある。
【００７８】
（実施例１）
次に、本開示の実施例１を説明する。
【００７９】
図１５は、実施形態１に係る異物検出装置の第１の実施例の回路構成例を示している。
【００８０】
解析諸元として、選択スイッチ群１４０のオフ容量をＣｏｆｆ＝３５０ｐＦ、選択スイッチ群１４０のオン抵抗をＲｏｎ＝１０ｍΩとした。コイルアレイ１２０のコイル数ＮはＮ＝３とした。コイル＃２を選択コイルとし、コイル＃１と＃３を非選択コイルとした。コイル＃２のインダクタンスＬ２をＬ２＝１４μＨ、コイル＃１および＃３のインダクタンスＬ１およびＬ３を、それぞれ０μＨ≦Ｌ１、Ｌ３≦１４μＨの範囲で変化させ、発振特性をシミュレーションによって解析した。
【００８１】
なお、短絡スイッチ＃１と＃３を理想的に短絡した場合はインダクタンスＬ１およびＬ３を、Ｌ１＝Ｌ３＝０μＨに設定した場合と同等である。発振回路１００はピアス発振回路とし、発振周波数を１７３４ｋＨｚに設計した。
【００８２】
図１６は、シミュレーション結果を示している。横軸はインダクタンスＬ１（＝Ｌ３）、縦軸は発振周波数を表している。図１６に示すように、Ｌ１を１４μＨから０μＨまで下げていくと、Ｌ１＝１０μＨ付近で発振周波数が急激に変化することがわかる。これは、インダクタンスＬ１がある値よりも高いと、ピアス発振回路における所望の発振モードの他に、スイッチＣｏｆｆの影響で発現した不要な発振モードが発生することに起因している。インダクタンスＬ１を下げていくと、Ｌ１＝１０ｕＨ付近で不要な発振モードから、所望の発振モードに動作が切り替わるため、図１６に示すような発振周波数の急激な変化が生じる。
【００８３】
本実施形態をより詳細に分析したところ、所望の発振動作が行われている状態と、不要な発振動作が行われている状態とでは、各コイルに流れる電流量も異なることが明らかになった。また、所望の発振動作と不要な発振動作とが切り替わるインダクタンスの閾値をＬｔｈ、電流量の閾値をＩｔｈとすると、ＬｔｈとＩｔｈはコイルアレイのコイル数Ｎの関数となることも明らかになった。詳細は実施例２で説明する。
【００８４】
（実施例２）
コイルアレイのコイル数Ｎに対するインダクタンスの閾値Ｌｔｈと、電流の閾値Ｉｔｈとを計算した。計算条件は、コイル数Ｎ以外は実施例１と同様とした。以下の説明では、選択コイルのインダクタンスと電流値をそれぞれＬｓ、Ｉｓとし、選択コイル以外のコイルのインダクタンスと電流値をそれぞれＬｕ、Ｉｕと表記する。
【００８５】
図１７は、コイルアレイのコイル数Ｎに対するインダクタンスの閾値Ｌｔｈの計算結果を示すグラフである。図中のマーカーは計算結果を示している。縦軸はインダクタンスの閾値ＬｔｈをＬｓで割って正規化した値を示している。横軸はコイル数Ｎの逆数を示している。図１７の計算結果より、コイル数Ｎの増加（即ち、１／Ｎの減少）に応じて閾値Ｌｔｈは低下していく関係が確認できる。この関係を定式化するため、ＬｔｈとＬｓとの比をｙ＝Ｌｔｈ／Ｌｓとすると、
y = -14.914×(1/N)3 + 11.406×(1/N)2 + 0.0255×(1/N)             （式１）
という関係が得られる（図１７実線部）。式１を変形すると、不要な発振動作から所望の発振動作に切り替わるインダクタンスＬｔｈは、
Lth = Ｌｓ×（-14.914×(1/N)3 + 11.406×(1/N)2 + 0.0255×(1/N)）（式２）
と表すことができる。Ｎ≧２の範囲においてｙ＜１であるから、Ｌｔｈの値は常にＬｓ未満である。以上の結果より、選択コイル以外のコイルのインダクタンスＬｕを、０≦Ｌｕ＜Ｌｔｈの範囲（図中の点線内の範囲）に低減する短絡スイッチを設けることで、不要な発振を防ぎ、選択コイルの検出レベルを向上することができる。
【００８６】
図１８は、コイルアレイのコイル数Ｎに対する電流の閾値Ｉｔｈの計算結果を示すグラフである。図中のマーカーは計算結果を示している。縦軸は電流の閾値Ｉｔｈを選択コイルの電流Ｉｓで割って正規化した値を示している。横軸はコイル数Ｎの逆数を示している。図１８の計算結果より、コイル数Ｎの増加（即ち、１／Ｎの減少）に応じて閾値Ｉｔｈが低下する関係が確認できる。この関係を定式化するため、ＩｔｈとＩｓの比をｙ＝Ｉｔｈ／Ｉｓとすると、
y = -2.2954×(1/N)2 + 3.1258×(1/N)     （式３）
という関係が得られる（図１８実線部）。式３を変形すると、不要な発振動作から所望な発振動作に切り替わる電流Ｉｔｈは、
Ith = Is×（-2.2954×(1/N)2 + 3.1258×(1/N)）              （式４）
と表すことができる。Ｎ≧２の範囲においてｙ＜１であるから、Ｉｔｈの値は常にＩｓ未満である。以上の結果より、選択コイル以外のコイルの電流Ｉｕを、０≦Ｉｕ＜Ｉｔｈの範囲（図中の点線内の範囲）に低減する短絡スイッチを設けることで、不要な発振を防ぎ、選択コイルの検出レベルを向上することができる。
【００８７】
（実施例３）
実施形態１の回路を試作した。短絡スイッチがある場合（実施例）と短絡スイッチがない場合（比較例）のそれぞれについて、異物を積載する前と後での電圧の変化量ΔＶを測定し、異物の検出性能を比較した。ここで、電圧の変化量とは、選択コイルに異物を積載する前の発振電圧Ｖ０と、異物を積載した後の発振電圧Ｖ１との差をいう。すなわち、
ΔＶ＝Ｖ１−Ｖ０                （式５）
を異物検出の指標とする。
【００８８】
図１９は、本実施例に係る異物検出装置と比較例に係る異物検出装置の電圧の変化量の比較結果を示す。比較例の電圧の変化量は２４であり、本実施例の電圧の変化量は７９０を達成した。すなわち、本実施例の異物検出装置は、比較例に対し、７９０／２４≒３３倍の精度で異物を検出できると言える。以上の結果より、コイルアレイに選択スイッチだけでなく、短絡スイッチを新たに設けて、適切にスイッチを制御することの有効性が確認できた。本開示の実施形態の構成により、選択コイルに適切な電流を配分することが可能になり、高い精度の異物検出を実現することが可能になる。
【００８９】
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、上記の実施形態に限定されず、例えば以下の項目に記載の構成を備える。
【００９０】
［項目１］
複数のコイルを含むコイルアレイと、
前記複数のコイルの各々のコイルに並列に接続され、前記各々のコイルの両端の電気的接続を導通及び非導通の間で切替える、複数の短絡スイッチの各々を含む短絡スイッチ群と、
前記複数のコイルの各々と発振回路との間の電気的接続を導通及び非導通の間で切替える、複数の選択スイッチの各々を含む選択スイッチ群と、
前記複数のコイルの各々のインピーダンスの変化に応じて変化する物理量の、所定の基準値からの変化量を検出する検出回路と、
前記短絡スイッチ群及び前記選択スイッチ群に含まれる各スイッチの導通状態及び非導通状態とを制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記選択スイッチ群に含まれる第１選択スイッチを導通状態にすることによって前記複数のコイルに含まれる第１コイルと前記発振回路との間を導通状態にし、前記短絡スイッチ群のうち、前記第１コイルに並列に接続された第１短絡スイッチを非導通状態にし、
前記選択スイッチ群に含まれる第２選択スイッチを非導通状態にすることによって前記複数のコイルに含まれる第２コイルと前記発振回路との間を非導通状態にし、前記短絡スイッチ群のうち、前記第２コイルに並列に接続された第２短絡スイッチを導通状態にし、
前記検出回路は、前記発振回路と導通状態である前記第１コイルのインピーダンスの変化に応じて変化する前記物理量の前記基準値からの変化量を検出し、前記変化量に基づき、前記第１コイルの近傍に異物が存在するか否かを判断する、異物検出装置。
【００９１】
上記態様によれば、
前記制御回路は、
前記選択スイッチ群に含まれる第１選択スイッチを導通状態にすることによって前記複数のコイルに含まれる第１コイルと前記発振回路との間を導通状態にし、前記短絡スイッチ群のうち、前記第１コイルに並列に接続された第１短絡スイッチを非導通状態にする。
【００９２】
そして、前記選択スイッチ群に含まれる第２選択スイッチを非導通状態にすることによって前記複数のコイルに含まれる第２コイルと前記発振回路との間を非導通状態にし、前記短絡スイッチ群のうち、前記第２コイルに並列に接続された第２短絡スイッチを導通状態にする。
【００９３】
上記により、選択された第１コイル以外の他のコイル（第２コイル）の両端が第２短絡スイッチによって導通されるため、第２コイルの入出力端子間のインダクタンスを実効的に低下させ、第２コイルに起因する不要な共振現象の発生を抑制することができる。
【００９４】
よって、コイルアレイに近接した異物を高い感度で検出できる。また、上記不要な共振現象の抑制を、簡易な回路構成で実現できる。
【００９５】
［項目２］
前記制御回路は、
第１異物検出期間において、前記第１選択スイッチを導通状態にし、前記第１短絡スイッチを非導通状態にし、前記第２選択スイッチを非導通状態にし、前記第２短絡スイッチを導通状態にし、
前記第１異物検出期間の後の第２異物検出期間において、前記第１選択スイッチを非導通状態にし、前記第１短絡スイッチを導通状態にし、前記第２選択スイッチを導通状態にし、前記第２短絡スイッチを非導通状態にし、
前記検出回路は、
前記第１異物検出期間において、前記発振回路と導通状態である前記第１コイルのインピーダンスの変化に応じて変化する前記物理量の前記基準値からの変化量を検出し、前記変化量に基づき、前記第１コイルの近傍に異物が存在するか否かを判断し、前記第２異物検出期間において、前記発振回路と導通状態である前記第２コイルのインピーダンスの変化に応じて変化する前記物理量の前記基準値からの変化量を検出し、前記変化量に基づき、前記第２コイルの近傍に異物が存在するか否かを判断する、
項目１に記載の異物検出装置。
【００９６】
上記態様によれば、第１選択スイッチと第２選択スイッチとを、順次選択して導通させることで、第１コイルの近傍に位置する異物と、第２コイルの近傍に位置する異物とを、順次検出することができる。これにより、異物の検知領域を広げることができる。
【００９７】
［項目３］
前記複数のコイルは、第３コイルを含み、
前記選択スイッチ群は、前記第３コイルと前記発振回路との間に接続された第３選択スイッチを含み、
前記短絡スイッチ群は、前記第３コイルに並列に接続された第３短絡スイッチを含み、
前記制御回路は、
前記第１異物検出期間において、前記第１選択スイッチを導通状態にし、前記第１短絡スイッチを非導通状態にし、前記第２および第３選択スイッチを非導通状態にし、前記第２および第３短絡スイッチを導通状態にし、
前記第１異物検出期間の後の前記第２異物検出期間において、前記第２選択スイッチを導通状態にし、前記第２短絡スイッチを非導通状態にし、前記第１および第３選択スイッチを非導通状態にし、前記第１および第３短絡スイッチを導通状態にし、
前記第２異物検出期間の後の第３異物検出期間において、前記第３選択スイッチを導通状態にし、前記第３短絡スイッチを非導通状態にし、前記第１および第２選択スイッチを非導通状態にし、前記第１および第２短絡スイッチを導通状態にし、
前記検出回路は、さらに、前記第３異物検出期間において、前記発振回路と導通状態である前記第３コイルのインピーダンスの変化に応じて変化する前記物理量の前記基準値からの変化量を検出し、前記変化量に基づき、前記第３コイルの近傍に異物が存在するか否かを判断する、
項目２に記載の異物検出装置。
【００９８】
上記態様によれば、３個以上のコイルについて、順次異物が存在するか否かの判断を行うことができるため、異物の検知領域をさらに広げることができる。
【００９９】
［項目４］
前記制御回路は、１つの異物検出期間において、前記選択スイッチ群に含まれる１つの選択スイッチを導通状態にし、他の全ての選択スイッチを非導通状態にし、前記短絡スイッチ群に含まれる、前記１つの選択スイッチに接続された１つの短絡スイッチのみを非導通状態にし、他の全ての短絡スイッチを導通状態にする、
項目１から３のいずれか１項に記載の異物検出装置。
【０１００】
上記態様によれば、
１つの異物検出期間においては、導通状態にある選択スイッチに直列に接続された１つのコイルの近傍に近接した異物を高い感度で検出できる。
【０１０１】
［項目５］
前記制御回路は、導通状態にある前記複数の選択スイッチの１つに接続された前記複数のコイルの１つに流れる電流量よりも、非導通状態にある前記複数の選択スイッチの他の１つに接続された前記複数のコイルの他の１つに流れる電流量を少なく制御する、
項目１から４のいずれか１項に記載の異物検出装置。
【０１０２】
上記態様によれば、
選択された１つのコイルに流れる電流量よりも、選択されなかった他のコイルに流れる電流量が少なくなるように制御される。これにより、コイルアレイに近接した異物を高い感度で検出できる。
【０１０３】
［項目６］
前記検出回路は、導通状態にある前記複数の選択スイッチの１つに接続された前記複数のコイルの１つのインピーダンスの変化に応じて変化する前記物理量の前記基準値からの変化量を検出し、前記変化量が所定の値を超えると、前記コイルの近傍に異物が存在すると判断する、
項目１から５のいずれか１項に記載の異物検出装置。
【０１０４】
上記態様によれば、
導通状態にある前記複数の選択スイッチの１つに接続された前記複数のコイルの１つの近傍に位置する異物を高い感度で検出できる。
【０１０５】
［項目７］
前記制御回路は、前記選択スイッチ群に含まれる１つ以上の選択スイッチを導通状態にする前は、前記選択スイッチ群および前記短絡スイッチ群の電気的接続を全て非導通とする、
項目１から６のいずれか１項に記載の異物検出装置。
【０１０６】
上記態様によれば、
前記選択スイッチ群を用いて、前記コイルアレイの中から1つ以上のコイルを選択する前は、全てのスイッチの電気的接続を非導通とする。
【０１０７】
このことにより、異物検知を行う際、一度リセット（電気的接続を全て非導通とする）する必要がないので、早く異物検知を行うことができる。
【０１０８】
［項目８］
平面状の表面を有し、前記コイルアレイを収納する筐体をさらに備え、
前記コイルアレイは、前記筐体の前記表面に平行な面上に配置されている、
項目１から７のいずれか１項に記載の異物検出装置。
【０１０９】
上記態様によれば、
前記コイルアレイが筐体の表面から一定の距離の面上に配置されることで、全てのコイルに同一の異物検出指標を用いることができ。よって、少ない演算量で高速に異物を検知することができる。
【０１１０】
［項目９］
平面状の表面を有し、前記コイルアレイを収納する筐体をさらに備え、
前記コイルアレイは、前記筐体の前記表面から第１の距離に位置する少なくとも１つのコイルを含む第１コイル群と、前記表面から前記第１の距離とは異なる第２の距離に位置する少なくとも２つのコイルを含む第２コイル群とを有し、
前記筐体の前記表面に垂直な方向から見た前記第１コイル群に属する前記１つのコイルは、前記表面に垂直な方向から見た前記第２コイル群に属する隣接する２つのコイルの間に位置する、
項目１から７のいずれか１項に記載の異物検出装置。
【０１１１】
上記態様によれば、
第２コイル群に属する隣接する２つのコイルの間の、異物検出精度の低い領域を、第１コイル群に属する１つのコイルで補うことができるため、広い範囲に亘ってより高い精度で異物を検出できる。
【０１１２】
［項目１０］
前記発振回路は、前記複数のコイルに、正のサイクルおよび負のサイクルを有する交流成分と直流成分とを含む電圧を出力する、
項目１から９のいずれか１項に記載の異物検出装置。
【０１１３】
上記態様によれば、
各コイルに印加される電圧の交流成分及び直流成分の少なくとも一方の変化に基づいて異物の有無を判断できるため、高い感度で異物を検知することができる。
【０１１４】
［項目１１］
前記発振回路は、前記複数のコイルに、周波数が１０００ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下の交流成分を含む前記電圧を出力する、
項目１から１０のいずれか１項に記載の異物検出装置。
【０１１５】
上記態様によれば、
高周波化することで検出の分解能を高め、異物の検出精度を向上させることができる。
【０１１６】
［項目１２］
前記検出回路は、前記複数のコイルの１つに与えられる電圧の交流成分の所定の基準値からの変化量を検出し、前記変化量に基づき、前記コイルの近傍に異物が存在するか否かを判断する、
項目１から１１のいずれか１項に記載の異物検出装置。
【０１１７】
上記態様によれば、
コイルに与えられる電圧の交流成分の変化に基づいて異物を高い精度で検出することができる。
【０１１８】
［項目１３］
項目１から１２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。
【０１１９】
［項目１４］
項目１３に記載の無線送電装置と、
前記送電コイルから伝送された電力を受電する無線受電装置と、を備える、無線電力伝送システム。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
本開示の異物検出装置、および無線電力伝送システムは、例えば、電気自動車、ＡＶ機器、電池、医療機器などへの充電あるいは給電を行う用途に広く適用可能である。本開示の実施形態によれば、コイルに近接した金属などの異物を高い感度で検知し、異物の異常発熱のリスクを回避することができる。
【符号の説明】
【０１２１】
１００  発振回路
１１０  コイル
１２０  コイルアレイ
１３０  短絡スイッチ群
１４０  選択スイッチ群
２００  整流回路
３００  検出回路
５００  送電装置
５１０  送電コイルアレイ
５２０  送電回路
５３０  電源
５４０  制御回路
５７０  光源
５８０  筐体
５９０  筐体の表面
６００  受電装置
６１０  受電コイル
６２０  受電回路
６３０  負荷
６４０  制御回路
６７０  光源
Ｓ１、Ｓ２  スイッチ
【図１】
2017034972.tif 000003
【図２】
2017034972.tif 000004
【図３】
2017034972.tif 000005
【図４】
2017034972.tif 000006
【図５】
2017034972.tif 000007
【図６】
2017034972.tif 000008
【図７】
2017034972.tif 000009
【図８】
2017034972.tif 000010
【図９】
2017034972.tif 000011
【図１０】
2017034972.tif 000012
【図１１】
2017034972.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2017034972.tif 000015
【図１４】
2017034972.tif 000016
【図１５】
2017034972.tif 000017
【図１６】
2017034972.tif 000018
【図１７】
2017034972.tif 000019
【図１８】
2017034972.tif 000020
【図１９】
2017034972.tif 000021