JP2016039643A - 送電装置および無線電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の送電コイルのインピーダンス特性を均一に近づける。
【解決手段】送電装置１００は、受電コイル２１０を備える受電装置２００に非接触で電力を伝送する。送電装置１００は、面上の第１の方向に配列された複数の送電コイル１１０と、複数の送電コイル１１０のうち、端の送電コイルに近接して、複数の送電コイル１１０の外側に配置された金属部材を含む無給電素子１８０ａと、前記複数の送電コイル１１０に接続され、複数の送電コイル１１０に交流電力を供給する送電回路とを備える。
【選択図】図３

Description

本開示は、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関する。

近年、携帯情報端末や電気自動車などの移動性を伴う充電可能な機器が普及している。このような機器を対象とする無線電力伝送システムの開発が進められている。無線電力伝送技術には、電磁誘導方式、磁界共鳴方式（共振磁界結合方式）、および電界結合方式などの方式が知られている。

電磁誘導方式および磁界共鳴方式による無線電力伝送システムは、送電コイルを備えた送電装置と、受電コイルを備えた受電装置とを備える。送電コイルによって生じた磁界を受電コイルが補足することにより、電極を直接接触させることなく電力を伝送することができる。

無線電力伝送において求められる要件の１つに、送電装置と受電装置との位置合わせを不要にすることが挙げられる。すなわち、受電装置の位置および向きを特定の位置および向きに合わせることなく高効率な電力伝送が可能であることが求められる。例えば、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、送電装置１００に対する受電装置２００の相対位置が異なっていたとしても、電力の伝送効率が大きく変わらないように維持することが求められる。このような位置合わせを不要にする技術の１つに、コイルアレイ方式と呼ばれる方式がある。

コイルアレイ方式では、送電装置が、複数の送電コイルからなるコイルアレイを有し、受電コイルの位置に応じて、通電する送電コイルを選択する。これにより、受電コイルの位置に関わらず、高効率な電力伝送を行うことができる。このようなコイルアレイ方式の無線電力伝送システムは、例えば特許文献１から３、および非特許文献１に開示されている。

一方、無線電力伝送システムにおいては、金属などの異物がコイルに近接することに伴う発熱の回避が求められている。例えば、ブロードバンドワイヤレスフォーラム（ＢＷＦ）が策定するガイドラインは、鉄、アルミ、銅などの金属異物の近接による温度上昇の上限を規定している。

特開２０１２−５０４８４４号公報 米国特許第８５１９６６８号明細書 米国特許第８６２９６５４号明細書

Hatanaka et al. "Power Transmission of a Desk With a Cord-Free Power Supply" IEEE TRANSACTIONS OF MAGNETICS, VOL. 38, NO. 5, SEPTEMBER 2002, pp3329-3331

コイルアレイ方式の無線電力伝送システムでは、充電エリアが広いため、異物による発熱が生じ得るエリアも広い。そこで、このような異物による発熱を回避するために、異物検出機能を備えることが要求される。異物検出は、例えば、異物の混入による磁界の反射を検出することによって行うことができる。磁界の反射は、例えばインダクタンス、電圧などの電気特性の変化に基づいて検出できる。

しかし、複数の送電コイルが配列された構成においては、端のコイルと内側のコイルとでインピーダンス特性（Ｑ値）が異なる。このため、異物の有無を検出するための閾値の設定が複雑になる。その結果、誤検出につながるおそれがある。

本開示は、複数の送電コイルのインピーダンス特性を均一に近づけることが可能な新たなコイルアレイ方式の無線電力伝送技術を提供する。

上記の課題を解決するため、本開示の一態様に係る送電装置は、受電コイルを備える受電装置に非接触で電力を伝送する送電装置であって、面上の第１の方向に配列された複数の送電コイルと、前記複数の送電コイルのうち、端の送電コイルに近接して、前記複数の送電コイルの外側に配置された金属部材を含む無給電素子と、前記複数の送電コイルに接続され、前記複数の送電コイルに交流電力を供給する送電回路と、を備える。

上述の一般的かつ特定の態様は、システム、方法およびコンピュータプログラムを用いて実装され、またはシステム、方法およびコンピュータプログラムの組み合わせを用いて実現され得る。

本開示の実施形態によれば、複数の送電コイルのインピーダンス特性を均一に近づけることができる。

（ａ）および（ｂ）は、送電装置１００に対する受電装置２００の位置が異なる２つの例を示す図である。 無給電素子が配置されていない場合における複数の送電コイルのＱ値の例を示す図である。 無給電素子が配置されている場合における複数の送電コイルのＱ値の例を示す図である。 （ａ）は、本開示のある実施形態における送電装置１００を示す斜視図であり、（ｂ）は、送電装置１００上に受電装置２００が置かれた第１の例を示す図であり、（ｃ）は、送電装置１００上に受電装置２００が置かれた第２の例を示す図である。 本開示の実施形態１における無線電力伝送システムの概略構成を示す図である。 実施形態１における送電装置の変形例を示す図である。 送電回路の一例を示す図である。 実施形態１の動作を示すフローチャートである。 （ａ）から（ｃ）は、送電コイル対の組み合わせＴｘ＿１、Ｔｘ＿２、Ｔｘ＿３をそれぞれ示す図である。 複数の送電コイルの裏面側にフェライトシートが設けられた構成例を示す図である。 送電コイル対Ｔｘ＿１、Ｔｘ＿２、Ｔｘ＿３のＱ値を示すグラフである。 （ａ）から（ｃ）は、送電コイル対の組み合わせＴｘ＿ａ、Ｔｘ＿ｂ、Ｔｘ＿ｃをそれぞれ示す図である。 図９（ａ）〜（ｃ）の各場合におけるＱ値を示すグラフである。 Ｔｘ＿ｃのＱ値に対するＴｘ＿ａおよびＴｘ＿ｂのＱ値の変化率を示すグラフである。 少なくとも１本の金属線によって構成された無給電素子の例を示す図である。

前述のように、複数の送電コイルが配列された構成においては、端のコイルと内側のコイルとでインピーダンス特性（Ｑ値）が異なる。これにより、異物検出のための閾値の設定が複雑になるという課題がある。この課題を解決するため、本開示の実施形態では、金属部材を含む無給電素子が端のコイルの近傍に配置される。

図２Ａは、そのような無給電素子が配置されていない場合における各コイルのＱ値の例を示す図である。図２Ａでは、簡単のため、各コイルは、ドーナツ状の形状で描かれているが、実際には、巻き線および２つの引き出し線を含む構造を有する。以降の図でも同様に、各コイルは簡略化して描かれている。複数の送電コイルＴｘ１〜Ｔｘ５は、不図示の引き出し線を介して、交流電力を供給する送電回路に電気的に接続される。図示されるように、複数の送電コイルＴｘ１〜Ｔｘ５のうち、両端のコイルＴｘ１、Ｔｘ５のＱ値は、他のコイルＴｘ２〜Ｔｘ４のＱ値よりも高い。これは、内側のコイルＴｘ２〜Ｔｘ４については、両側に隣接する２つのコイルの影響により、コイルの電気抵抗が増加することに起因する。送電周波数をｆ、コイルのインダクタンスをＬ、コイルの電気抵抗をＲとすると、Ｑ値は、Ｑ＝２πｆＬ／Ｒで表される。このため、電気抵抗が増加すると、Ｑ値が低下する。両端のコイルＴｘ１、Ｔｘ５については、１つのコイルのみに隣接するため、Ｑ値の低下の効果が低い。その結果、両側のコイルＴｘ１、Ｔｘ５のＱ値は、他のコイルのＱ値よりも高くなる。

図２Ｂは、両端のコイルＴｘ１、Ｔｘ５に近接して無給電素子１８０ａ、１８０ｂを配置した場合の各コイルのＱ値の例を示す図である。無給電素子１８０ａ、１８０ｂは、この例では、各送電コイルと同じ構造を有しているが、異なっていてもよい。各無給電素子には、給電されない。図示されるように、両側のコイルＴｘ１、Ｔｘ５のＱ値が、内側のコイルＴｘ２〜Ｔｘ４と同様の値に低下している。これは、無給電素子１８０ａ、１８０ｂと両端のコイルＴｘ１、Ｔｘ５との間で、他のコイル間と同様の結合が生じ電気抵抗が増加するためである。この結果、複数の送電コイルＴｘ１〜Ｔｘ５の間でＱ値がほぼ均一になり、異物検出のための閾値の設定を均一化できる。なお、無給電素子１８０ａ、１８０ｂのうち、一方のみが設けられていてもよい。その場合、両端のコイルの一方について、Ｑ値を下げる効果が得られる。

このように、本開示の実施形態における送電装置は、面上の第１の方向に配列された複数の送電コイルと、これらの送電コイルのうち、端の送電コイルに近接して、これらの送電コイルの外側に配置された金属部材を含む無給電素子と、複数の送電装置に交流電力を供給する送電回路とを備える。無給電素子は、近接するコイルの巻き線と同じ構造であってもよいし、異なる構造であってもよい。無給電素子は、容量結合または電磁結合によって端の送電コイルと結合し、そのコイルのＱ値を下げる機能を果たす。

図３は、ある実施形態における送電装置１００の外観および動作を示す図である。この送電装置１００は、ワイヤレス充電器であり、平板状の構造を有している。図３（ａ）に示すように、この送電装置１００は、一列に配列された複数の送電コイル１１０（この例では５個の送電コイル１１０ａ〜１１０ｅ）と、両端の送電コイル１１０ａ、１１０ｅに隣接して配置された２つの無給電素子１８０ａ、１８０ｂとを備える。各送電コイルは、一例として、配列方向（図における横方向）に短く、配列方向に垂直な方向に長い形状を有している。図示されていないが、送電装置１００は、各送電コイルに交流電力を供給する送電回路、および送電回路と各送電コイルとの間の接続状態を制御する制御回路も備える。

この送電装置１００に、受電コイル２１０を備える受電装置２００が近接すると、制御回路は、受電コイル２１０に最も近い２つの送電コイルと送電回路とを電気的に接続する。例えば、図３（ｂ）に示す状態では、２つの送電コイル１１０ｂ、１１０ｃのみが送電回路に接続される。図３（ｃ）に示す状態では、２つの送電コイル１１０ｄ、１１０ｅのみが送電回路に接続される。この例では、常に２つの送電コイルに給電されるが、同時に給電される送電コイルの数は、２以外の数であってもよい。同時に給電される送電コイルの数は、送電コイルの総数よりも小さい数であればよい。このように、同時に給電される送電コイルの数を特定の数に限定すれば、インダクタンスの変動を抑えることができる。また、同時に給電される送電コイルの数を２のような小さい数にすれば、各送電コイルのインダクタンスを過度に大きくする必要がないため、装置の小型化につながる。

以下、本開示の実施形態の概要を説明する。

（１）本開示の一態様に係る送電装置は、受電コイルを備える受電装置に非接触で電力を伝送する送電装置であって、面上の第１の方向に配列された複数の送電コイルと、前記複数の送電コイルのうち、端の送電コイルに近接して、前記複数の送電コイルの外側に配置された金属部材を含む無給電素子と、前記複数の送電コイルに接続され、前記複数の送電コイルに交流電力を供給する送電回路と、を備える。

（２）ある実施形態において、前記無給電素子は、前記端の送電コイルのＱ値が、前記端の送電コイルに隣接する送電コイルのＱ値に実質的に等しくなるように構成されている。

（３）ある実施形態において、前記送電装置は、前記複数の送電コイルのうち、前記端とは反対側の端に位置する送電コイルに近接して、前記複数の送電コイルの外側に配置された他の金属部材を含む他の無給電素子をさらに備える。

（４）ある実施形態において、前記無給電素子および前記他の無給電素子は、前記複数の送電コイルのＱ値が実質的に等しくなるように構成されている。

（５）ある実施形態において、前記無給電素子は、前記端の送電コイルと同一の形状を有している。

（６）ある実施形態において、前記無給電素子は、前記端の送電コイルを半分に切断した形状を有している。

（７）ある実施形態において、前記無給電素子は、前記面上で前記第１の方向に垂直な第２の方向に延びた少なくとも１本の金属線によって構成されている。

（８）ある実施形態において、前記無給電素子と前記端の送電コイルとの間の距離は、前記端の送電コイルに隣接する送電コイルと前記端の送電コイルとの間の距離に実質的に等しい。

（９）ある実施形態において、前記面上において前記第１の方向に垂直な第２の方向における前記無給電素子の長さは、前記第２の方向における各送電コイルの長さに等しい。

（１０）ある実施形態において、前記送電装置は、前記送電回路と各送電コイルとの間の接続状態を制御する制御回路であって、前記複数の送電コイルに対する前記受電コイルの相対位置に応じて、前記複数の送電コイルから選択した隣接する一定数の送電コイルに前記交流電力が供給されるように、前記送電回路と前記複数の送電コイルとの接続状態を切り替える制御回路をさらに備える。

（１１）ある実施形態において、前記制御回路は、前記複数の送電コイルに近接する異物を、前記送電回路内の電気特性の変化に基づいて検出する。

（１２）ある実施形態において、本開示の他の態様に係る無線電力伝送システムは、送電装置と、受電コイルを有する受電装置とを備える。前記送電装置は、面上の第１の方向に配列された複数の送電コイルと、前記複数の送電コイルのうち、端の送電コイルに近接して、前記複数の送電コイルの外側に配置された金属部材を含む無給電素子と、前記複数の送電コイルに接続され、前記複数の送電コイルに交流電力を供給する送電回路と、を有する。

以下、本開示のより詳細な実施形態を説明する。

（実施形態１)
［１．全体構成］
図４Ａは、本開示の第１の実施形態に係る無線電力伝送システムの概略構成を示すブロック図である。無線電力伝送システムは、送電装置１００と、受電装置２００とを備える。送電装置１００における複数の送電コイル１１０から受電装置２００における受電コイル２１０に非接触で電力が伝送される。

受電装置２００は、受電コイル２１０と、キャパシタ２２０ａ、２２０ｂと、受電回路２２０と、二次電池２３０とを備えている。受電コイル２１０と、キャパシタ２２０ａ、２２０ｂは、直列および並列共振回路を構成している。受電回路２２０は、受電コイル２１０が受け取った交流電力を整流して出力する。二次電池２３０は、受電回路２２０から出力された直流電力によって充電される。二次電池２３０に蓄えられたエネルギは、不図示の負荷によって消費される。

受電回路２２０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。受け取った交流エネルギを負荷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ように構成される。受電コイル２１０から出力される電圧・電流などを測定する各種センサを受電回路２２０中に含めてもよい。

送電装置１００は、複数の送電コイル１１０と、複数のスイッチ１３０と、共振キャパシタ１２０と、送電回路１４０と、制御回路１５０とを備える。送電装置１００はさらに、複数の送電コイル１１０の両端に近接して配置された２つの無給電素子１８０ａ、１８０ｂを備える。無給電素子１８０ａ、１８０ｂは、他の要素に接続されていない。複数のスイッチ１３０は、それぞれ、複数の送電コイル１１０に接続されている。ここで「接続される」とは、電気的に導通するように接続されることを意味する。複数の送電コイル１１０は、複数のスイッチ１３０を介して、送電回路１４０に対して互いに並列に接続される。各送電コイルの一端は、キャパシタ１２０の一方の電極に接続されている。キャパシタ１２０の他方の電極は、送電回路１４０に接続されている。複数のスイッチ１３０は、それぞれ、複数の送電コイル１１０におけるキャパシタ１２０が接続されていない側の端子に接続されている。これは、キャパシタ１２０と複数の送電コイル１１０との間では電圧の変動が大きいためである。なお、図４Ｂに示すように、スイッチ１３０と送電回路１４０との間に他の共振キャパシタ１２１が接続されていてもよい。各コイルの両端に２つのキャパシタ１２０、１２１を設けることにより、各コイルに印加される電圧を低減することができる。これにより、耐圧の低いスイッチを使用することができる。

送電コイル１１０は、例えば、基板パターンで形成された薄型の平面コイルであり得る。一層の導電体パターンから構成されている必要はなく、例えば特許文献３の図１８に示されているような、積層された複数の導電体パターンを直列に接続した構成を有していてもよい。このような構成を有するコイルを、「多層配線コイル」と称する。このほか、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。各送電コイルのＱ値は、例えば１００以上に設定され得るが、１００よりも小さい値に設定されていてもよい。キャパシタ１２０、２２０ａ、２２０ｂは、必要に応じて設ければよい。各コイルが有する自己共振特性をこれらのキャパシタの代わりに用いてもよい。

送電回路１４０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。図５は、一例として、フルブリッジ型のインバータで送電回路１４０を構成した例を示している。送電回路１４０は、通信用の変復調回路や電圧・電流などを測定する各種センサを有していてもよい。送電回路１４０は、外部の直流（ＤＣ）電源３００に接続されている。直流電源３００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１１０から選択された２つの送電コイルによって空間に送出される。

電力伝送時の周波数は、例えば、送電コイル１１０およびキャパシタ１２０によって構成される送電共振器の共振周波数と同じ値に設定される。しかし、これに限定されず、例えば、その共振周波数の８５〜１１５％程度の範囲内の値に設定されていてもよい。電力伝送の周波数帯は、例えば１００ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの範囲内の値に設定され得るが、この範囲外の値に設定されてもよい。

電源１３０は、商用電源、一次電池、二次電池、太陽電池、燃料電池、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）電源、高容量のキャパシタ（例えば電気二重層キャパシタ）、商用電源に接続された電圧変換器、または、それらの組み合わせであり得る。

制御回路１５０は、送電装置１００全体の動作を制御するプロセッサである。制御回路１５０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によって実現され得る。制御回路１５０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集積回路であってもよい。制御回路１５０は、送電回路１４０による送電制御（送電状態の調整）、および複数のスイッチ１３０の開閉状態の制御を行う。

制御回路１５０は、さらに、複数の送電コイル１１０に対する受電コイル２１０の相対位置の検出を行う。これに加えて、送電コイル１１０に近接する金属などの異物の検出も行う。受電コイル２１０の位置の検出および異物の検出は、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パラメータの測定値に基づいて行われ得る。より具体的には、制御回路１５０は、複数のスイッチ１３０を一定の数（例えば２個）ずつ順番にオンにし、その都度、上記のいずれかのパラメータを測定する。規定の範囲からずれた値が測定されたとき、そのときに給電している送電コイルの近傍に受電コイル２１０または異物が存在すると判定することができる。このような検出を可能にするため、制御回路１５０は、不図示の検出回路を備え得る。本開示では、受電コイル２１０の検出および異物の検出は、特定の方法に限定されず、公知の任意の方法で行うことができる。

本実施形態における制御回路１５０は、複数の送電コイル１１０に対する受電コイル２１０の相対位置に応じて、電力伝送に用いる２つの送電コイルを選択する。そして、選択した２つの送電コイルのみに送電回路１４０から交流電力が供給されるように、複数のスイッチ１３０の導通状態を切り替える。その結果、選択された２つの送電コイルから空間に交流エネルギが送出される。

制御回路１５０は、受電装置２００との間で通信を行う通信回路を有していてもよい。通信回路によって、例えば、受電装置２００の負荷のインピーダンスの変動を示す情報を得ることができる。制御回路１５０は、その情報に基づき、例えば負荷に一定の電圧が供給されるように、送電回路１４０に送電パラメータを変更するように指示することができる。そのような送電パラメータは、例えば周波数、インバータのスイッチング素子対間の位相差、またはインバータの入力電圧であり得る。入力電圧を調整する場合、送電回路１４０は、ＤＣ電源３００とインバータとの間にＤＣ／ＤＣコンバータを有し得る。これらの送電パラメータを変化させることにより、負荷に供給される電圧を変化させることができる。

送電装置１００は、上記の構成要素以外の要素を備えていてもよい。例えば、制御回路１５０による受電コイル２１０または異物の検出結果を表示する表示素子を備えていてもよい。そのような表示素子は、例えば、ＬＥＤなどの光源であり得る。また、異物検出用の発振回路および検出コイルを設けてもよい。

また、受電装置２００の構成は、図４Ａに示すものに限定されない。送電コイル１１０から送出されるエネルギの少なくとも一部を受け取る受電コイル２１０を有している限り、その構成は任意に設計してよい。

［２．動作］
続いて、図６のフローチャートを参照しながら、本実施形態の送電装置１００の動作の例を説明する。

送電装置１００の電源が投入されると、制御回路１５０は、まず、異物検出処理を行う（ステップＳ１００）。異物検出処理は、例えば、送電コイル１１０の入力インダクタンスや電圧などの物理量(パラメータ)を検出し、その値が所定の範囲を超えるか否かを判定することによって行われる。このパラメータが所定の範囲を超える場合、異物があると推定できる。その場合、制御回路１５０は、送電を行わず、警告表示を行う。異物が検出されなかった場合、制御回路１５０は、変数Ｎに１を代入する（ステップＳ１０１）。変数Ｎは、送電コイル１１０の番号を表している。制御回路１５０は、給電する送電コイルとして、Ｎ番目およびＮ＋１番目の送電コイルを選択する（ステップＳ１０２）。このとき、制御回路１５０は、選択した２つの送電コイルに接続されている２つのスイッチのみをオンにする。その後、送電回路１４０は、送電パラメータを位置検出用の値に設定して一定時間発振する（ステップＳ１０３）。ここで設定されるパラメータには、例えば、周波数、およびインバータのスイッチング素子対間の位相ずれ量またはインバータの入力電圧が含まれ得る。送電回路１４０は、これらのパラメータを、受電コイルの位置検出に適した値に設定して発振する。次に、制御回路１５０は、回路内を流れる電流、電圧、インピーダンス等のモニタ値が所定の範囲内か否かを判定する（ステップＳ１０４）。モニタ値が所定の範囲内であれば、送電回路１４０は、出力を停止する（ステップＳ１０８）。続いて、制御回路１５０は、変数Ｎが、送電コイルの個数Ｎｍａｘに１を減じた値に等しいか否かを判定する（ステップＳ１０９）。ＮがＮｍａｘ−１に等しくない場合、制御回路１５０は、変数ＮにＮ＋１を代入する（ステップＳ１１０）。その後、モニタ値が所定の範囲内になるか、Ｎ＝Ｎｍａｘ−１になるまで、ステップＳ１０２〜Ｓ１０４、Ｓ１０８〜Ｓ１１０が繰り返される。

ステップＳ１０９において、Ｎ＝Ｎｍａｘ−１であると判定された場合、送電装置１００は、所定時間が経過するまで待機する（Ｓ１１１）。このケースは、全ての送電コイル１１０について判定が完了したにも関わらず、モニタ値の大きな変化が検出されなかったケースである。このとき、受電コイル２１０が近くに存在しないと考えられるため、送電装置１００は所定時間だけ待機した後、再びステップＳ１０１を実行する。

ステップＳ１０４において、モニタ値が所定の範囲外であると判定すると、制御回路１５０は、受電装置２００との通信が確立しているか否かを判定する（ステップＳ１０５）。通信が確立している場合、送電回路１４０は、送電用のパラメータ値で送電を実行する（ステップＳ１０６）。このパラメータ値は、送電に適した値であり、受電装置２００の負荷（例えば二次電池）に応じて設定される。制御回路１５０は、送電中、所定時間ごとにステップＳ１０５の動作を実行し、通信が途切れていないかを確認する。

ステップＳ１０５において、通信が確立していないと判定された場合、送電回路１４０は、出力を停止する（ステップＳ１０７）。この場合、所定時間が経過するまで待機する（ステップＳ１１１）。その後、再びステップＳ１０１の動作を実行する。

以上の動作により、受電コイル２１０の近接を検知したときのみ、受電コイル２１０に最も近い２つの送電コイルを用いて電力を伝送することができる。受電コイル２１０の検知は、例えば１ミリ秒〜数秒に１回だけ数周期分の交流を発振する断続的発振（間欠動作）によって行うことができる。受電コイル２１０を検知した場合にのみ連続動作に切替えるため、消費電力の増加を抑えることができる。この検出動作における送電回路１４０の動作周波数は、送電用の周波数と同じであってもよいし異なっていてもよい。

本実施形態によれば、電力伝送に用いられる送電コイルの数は、常に一定の数（上記の例では２個）に限定される。さらに、複数の送電コイルは一列に配列され、配列方向における各送電コイルの長さが、受電コイルの長さよりも小さい。このため、送電装置の小型化および高効率な電力伝送を実現できる。

なお、上記の実施形態では、電力伝送に使用される送電コイルの数が常に一定の数に維持されるが、必ずしもこのような動作である必要はない。例えば、受電コイルの大きさに応じて、給電する送電コイルの数を変化させてもよい。送電コイルの幅Ｄｗｔが、受電コイルの幅Ｄｗｒの例えば１／３以下の場合、受電コイルに３つの送電コイルが対向することになる。このような場合は、２つではなく、３つの送電コイルに給電してもよい。

［３．効果の検証］
次に、本実施形態における無給電素子による効果を検証した結果を説明する。

図７は、比較例として、無給電素子が設けられていない構成を示している。ここでは、４つの送電コイル１１０のうち、隣接する２つの送電コイルに給電した場合におけるＱ値を測定した。測定は、図７（ａ）〜（ｃ）に示す３通りの送電コイル対の組み合わせＴｘ＿１、Ｔｘ＿２、Ｔｘ＿３について行った。各コイルは、基板上のコイルパターンによって形成されている。配列方向における各コイルの長さを１２ｍｍ、配列方向に垂直な方向における各コイルの長さを５０ｍｍ、各コイルの巻き数を５回、コイルパターンの幅を０．５ｍｍ、パターン間の隙間を０．２ｍｍ、Ｔｘ＿１〜Ｔｘ＿３のインダクタンスを一定値３．１μＨ、伝送周波数を１２０ｋＨｚとした。複数のコイル１１０の裏面（受電コイルが対向しない側の面）には、図８に示すように、比透磁率１２０、６０ｍｍ×８０ｍｍ×１ｍｍのフェライトシートが設けられている。

図９は、送電コイル対Ｔｘ＿１、Ｔｘ＿２、Ｔｘ＿３のＱ値を示している。図示されるように、両端のコイル対Ｔｘ＿１、Ｔｘ＿３は、内側のコイル対Ｔｘ＿２に比べて、Ｑ値が高く維持されている。これは、両端のコイルでは、周囲のコイルとの結合の影響が比較的小さいためである。前述のように、このような状況では、異物検出のための閾値の設定が複雑になるという問題がある。

図１０は、無給電素子１８０を一方の端に配置した場合の検証結果を説明するための図である。図１０（ａ）は、無給電素子１８０がない構成において、端の２つのコイル対Ｔｘ＿ａに給電した比較例を示している。図１０（ｂ）は、端のコイルに隣接して無給電素子１８０を配置した構成において、端の２つのコイル対Ｔｘ＿ｂに給電した例を示している。図１０（ｃ）は、無給電素子１８０がない構成において、内部の２つのコイル対Ｔｘ＿ｃに給電した比較例を示している。

図１０（ｂ）に示す無給電素子１８０は、送電コイル１１０を半分に切断した形状を有している。すなわち、無給電素子１８０は、分断された５本の金属線から構成されており、閉じたループを形成していない。複数の送電コイル１１０の配列方向に垂直な方向における無給電素子１８０の長さは、各送電コイルと同じ５０ｍｍである。無給電素子１８０と端のコイルとの間の距離（隙間の距離）は、他のコイル間の隙間の距離と同じく、０．２ｍｍである。

図１１は、図９（ａ）〜（ｃ）の各場合におけるＱ値を示すグラフである。無給電素子１８０を設けたＴｘ＿ｂのＱ値は、Ｔｘ＿ａのＱ値に比べて、Ｔｘ＿ｃのＱ値に近いことがわかる。

図１２は、Ｔｘ＿ｃのＱ値に対するＴｘ＿ａおよびＴｘ＿ｂのＱ値の変化率を示すグラフである。Ｔｘ＿ｂのＱ値は、Ｔｘ＿ｃのＱ値から０．７％程度の変化率に抑えられている。この程度の変化率であれば、閾値の設定に大きく影響することはない。以上の結果から、無給電素子１８０を設けることにより、端のコイルのＱ値を内部のコイルのＱ値に近づけられることが検証できた。

以上のように、本実施形態によれば、無給電素子を端のコイルに近接して設けることにより、端のコイルのインピーダンス特性（Ｑ値）を、他のコイルのインピーダンス特性に近づけることができる。その結果、選択される送電コイルによらず、異物検出の閾値を一定値に設定することができるため、異物検出の精度が向上する。

なお、本実施形態では、無給電素子は、送電コイルと同じ形状、または送電コイルを半分に切断した形状を有している。しかし、無給電素子の形状はこれらの例に限定されない。無給電素子は、例えば、図１３に示すように、少なくとも１本の金属線によって構成されていてもよい。そのような金属線であっても、隣接する端のコイルとの間で結合が生じ得るため、無給電素子として用いることができる。このように、無給電素子は、複数の送電コイルの配列面上で、配列方向（第１の方向）に垂直な第２の方向に延びた少なくとも１本の金属線によって構成され得る。

無給電素子は、複数の送電コイルの配列方向の線上に配置されている必要はなく、端のコイルに近接していればよい。ここで「近接」とは、端のコイルのＱ値を変化させる程度に近いことを意味する。無給電素子と端のコイルとの間の隙間の長さは、例えば、端のコイルのＱ値が、それに隣接するコイルのＱ値に実質的に等しくなるように決定される。ここで、Ｑ値について「実質的に等しい」とは、Ｑ値の変化率が２％以下に収まることをいう。無給電素子と端のコイルとの間の距離（隙間の距離）は、当該端のコイルとそれに隣接するコイルとの間の距離に実質的に等しく設定され得る。ここで、距離について「実質的に等しい」とは、差が３０％以内に収まることをいう。

無給電素子の材料は、金属であれば特定の材料に限定されない。送電コイルと同じ材料（例えば基板上の銅線）であってもよいし、他の金属であってもよい。無給電素子における金属部材として、例えば銅などの非磁性金属を好適に用いることができる。

本実施形態では、複数の送電コイル１１０は、１次元に配列されているが、２次元に配列されていてもよい。そのような配列であっても、ある方向に配列された一群の送電コイルについて、上記の関係が満たされていればよい。すなわち、２次元に配列された複数の送電コイルのうち、端のコイルに近接して金属部材を含む無給電素子が設けられていればよい。

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。

１００ 送電装置
１１０ 送電コイル
１２０、１２１ キャパシタ
１３０ スイッチ
１４０ 送電回路
１５０ 制御回路
１８０ 無給電素子
２００ 受電装置
２１０ 受電コイル
２２０ キャパシタ
２３０ 二次電池
３００ ＤＣ電源

Claims (12)

1. 受電コイルを備える受電装置に非接触で電力を伝送する送電装置であって、
   面上の第１の方向に配列された複数の送電コイルと、
   前記複数の送電コイルのうち、端の送電コイルに近接して、前記複数の送電コイルの外側に配置された金属部材を含む無給電素子と、
   前記複数の送電コイルに接続され、前記複数の送電コイルに交流電力を供給する送電回路と、
   を備える送電装置。
2. 前記無給電素子は、前記端の送電コイルのＱ値が、前記端の送電コイルに隣接する送電コイルのＱ値に実質的に等しくなるように構成されている、請求項１に記載の送電装置。
3. 前記複数の送電コイルのうち、前記端とは反対側の端に位置する送電コイルに近接して、前記複数の送電コイルの外側に配置された他の金属部材を含む他の無給電素子をさらに備える、請求項１または２に記載の送電装置。
4. 前記無給電素子および前記他の無給電素子は、前記複数の送電コイルのＱ値が実質的に等しくなるように構成されている、請求項３に記載の送電装置。
5. 前記無給電素子は、前記端の送電コイルと同一の形状を有している、請求項１から４のいずれかに記載の送電装置。
6. 前記無給電素子は、前記端の送電コイルを半分に切断した形状を有している、請求項１から４のいずれかに記載の送電装置。
7. 前記無給電素子は、前記面上で前記第１の方向に垂直な第２の方向に延びた少なくとも１本の金属線によって構成されている、請求項１から４のいずれかに記載の送電装置。
8. 前記無給電素子と前記端の送電コイルとの間の距離は、前記端の送電コイルに隣接する送電コイルと前記端の送電コイルとの間の距離に実質的に等しい、請求項１から７のいずれかに記載の送電装置。
9. 前記面上において前記第１の方向に垂直な第２の方向における前記無給電素子の長さは、前記第２の方向における各送電コイルの長さに等しい、請求項１から８のいずれかに記載の送電装置。
10. 前記送電回路と各送電コイルとの間の接続状態を制御する制御回路であって、前記複数の送電コイルに対する前記受電コイルの相対位置に応じて、前記複数の送電コイルから選択した隣接する一定数の送電コイルに前記交流電力が供給されるように、前記送電回路と前記複数の送電コイルとの接続状態を切り替える制御回路をさらに備える、請求項１から９のいずれかに記載の送電装置。
11. 前記制御回路は、前記複数の送電コイルに近接する異物を、前記送電回路内の電気特性の変化に基づいて検出する、請求項１から１０のいずれかに記載の送電装置。
12. 送電装置と、
    受電コイルを有する受電装置と、
    を備える無線電力伝送システムであって、
    前記送電装置は、
    面上の第１の方向に配列された複数の送電コイルと、
    前記複数の送電コイルのうち、端の送電コイルに近接して、前記複数の送電コイルの外側に配置された金属部材を含む無給電素子と、
    前記複数の送電コイルに接続され、前記複数の送電コイルに交流電力を供給する送電回路と、
    を有する、無線電力伝送システム。

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