JP6035711B2 - 検知装置、受電装置、送電装置、非接触電力伝送システム及び検知方法 - Google Patents

Description

本開示は、金属等の導体の存在を検知する検知装置、受電装置、送電装置、非接触電力伝送システム及び検知方法に関する。

非接触電力伝送において、送受電用コイルの近くに存在する金属などの導体又はコイルを含む回路を検知することは、安全性及び効率の良い充電を行う上で非常に重要である。

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

特許第４４１３２３６号（特開２００８−２０６２３１号公報）

しかしながら、送電装置と受電装置を組み合わせて、受電装置（２次側）の負荷が変化したときの振幅及び位相の情報から金属物を検知する方法や、送受電電力効率の変化から金属物を検知する方法では、送電装置と受電装置を組み合わせて通信をしなければ金属物を検知できない。例えば、送電装置のコイルに、受電回路ではない金属物や通信が不可となった正規の受電装置との間で発生する信号が載っても、金属物を検知できない。また送電装置（送電コイル）と受電装置（受電コイル）の電磁的な結合度やキャリア信号の周波数に依存するため、検知結果のばらつきが大きく精度が悪い。

また、磁気センサ、容量センサあるいは赤外線センサなどを用いて金属物を検知する方法では、送電コイルもしくは受電コイル以外に送電装置及び受電装置にセンサを配置しなければならない。これは、装置筺体にデザイン制約に加えることになってしまい、またコストの面でも不利である。

本開示は、上記の状況を考慮してなされたものであり、給電中でも精度よく金属異物の検知が行えるようにする。

本開示の一側面は、外部と電磁的に結合するコイルを含む回路と接続された検知部によって、この回路のＱ値を、給電用コイルに流れる交流信号の周波数とは異なる周波数の交流信号を用いて測定する。このコイルを含む回路のＱ値測定は、給電が行われているときに行う。
一例としては、Ｑ値の測定に用いられる上記コイルが、給電用コイルと別である。

本開示の一側面によれば、給電用コイルに流れる交流信号の周波数とは異なる周波数の交流信号を用いることにより、給電用の交流信号とＱ値測定用の交流信号が分けられ、給電中にＱ値の測定が行えるようになる。

本開示によれば、給電中でも精度よく金属異物の検知が行える。

本開示の第１の実施形態例に係る非接触電力伝送システムの概要を示す概略構成図である。 本開示の第１の実施形態例に係る受電装置に設けられたＱ値測定回路３０の構成例を示すブロック図である。 Ａ,Ｂは、共振回路の他の例（並列共振回路）を示す回路図である。 本開示の第１の実施形態例に係る非接触電力伝送システムの給電時における処理を示すフローチャートである。 導体を検知する方法を示す説明図である。 送電装置及び受電装置に用いられるコイルの一例を示す概略図である。 Ｑ値検知用コイルに用いられるコイルの一例を示す概略図である。 送電コイル、受電コイル及びＱ値検知用コイルの間に金属物を挟んだ状態における概略断面図である。 本開示の第１の実施形態例に係る金属サイズ角に対する諸特性を示すグラフである。 送電側Ｑ値の共振周波数特性を示すグラフである。 本開示の第２の実施形態例に係る非接触電力伝送システムの概要を示す概略構成図である。 本開示の第３の実施形態例に係る非接触電力伝送システムの概要を示す概略構成図である。 直列共振回路におけるインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。 並列共振回路におけるインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。 インピーダンスの実部成分と虚部成分の比からＱ値を計算するための回路図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示を実施するための形態の例について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能又は構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。

なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．第１の実施の形態（Ｑ値測定用コイルと受電コイルを別に備える例）
２．第２の実施の形態（受電コイルがタップを備える例）
３．第３の実施の形態（Ｑ値測定用コイルと受電コイルを共通とした例）
４．その他（Ｑ値測定の他の例）

本開示は、送電側（１次側）と受電側（２次側）の間に存在する金属異物をコイルのＱ値の変化を用いて検出する際に、給電する交流信号の周波数と、Ｑ値を測定するための交流信号の周波数を異ならせることを特徴とする。
なお、金属異物とは、送電側と受電側の間に存在する金属などの導体やコイルを含む回路を指す。本明細書でいう導体には、広義の導体すなわち半導体も含まれる。以下、金属などの導体やコイルを含む回路を検知することを、「導体等を検知する」ともいう。

コイルを含む共振回路のＱ値は、エネルギーの保持と損失の関係（共振回路の共振の強さ）を表す指標である。送電側の送電コイルもしくは受電側の受電コイルの近くに例えば金属物があると、磁力線が金属物を通過して金属物に渦電流が発生する。これはコイルからみると、金属物とコイルが電磁的に結合して、コイルに実抵抗負荷がついたように見え、コイルのＱ値を変化させる。このＱ値の変化を測定することによって、コイルの近くにある金属物（電磁結合している状態）を検知する。電磁結合は、「電磁界共振結合」あるいは「電磁共鳴」などとも呼ばれ、電界結合と磁界結合がある。いずれも共振（共鳴）を利用し、共振しているデバイスのみに電界もしくは磁界の結合で電力伝送を行う。

＜１．第１の実施形態＞
［非接触電力伝送システムの概要］
まず第１の実施形態例（以下、「本例」ともいう）では、給電用コイルとＱ値測定用コイルを別々に設けた例について説明する。
Ｑ値を測定するＱ値測定回路３０を含む非接触電力伝送システムの概要を、図１に示す。本例の非接触電力伝送システムは、送電装置１０（検知装置の一例）と、Ｑ値測定用コイル２８を含む受電装置２０（検知装置の一例）から構成される。

送電装置１０は、交流信号を発生させる交流電源１２及び抵抗素子１３を含む信号源１１と、キャパシタと、送電コイル１５（１次側コイル）を備える。
抵抗素子は、交流電源１２の内部抵抗（出力インピーダンス）を図示化したものである。本例では、信号源１１に対しキャパシタ１４と送電コイル１５が直列共振回路を形成するように接続されている。そして、給電したい周波数において共振するように、キャパシタ１４のキャパシタンス（静電容量とも呼ばれる）の値（Ｃ値）、及び送電コイル１５のインダクタンスの値（Ｌ値）が調整されている。信号源１１とキャパシタ１４で構成される送電部１７は、送電コイル１５を通じて外部へ非接触で電力を伝送する（送電）。

受電装置２０は、キャパシタ２５（もしくは二次電池）及び抵抗素子２６を含む充電部２４と、交流信号を直流信号に変換する整流部２３と、受電コイル２１（２次側コイル）と、その受電コイル２１と共振回路を構成するキャパシタ２２を備える。また、Ｑ値測定用コイル２８と、そのＱ値測定用コイル２８と共振回路を構成するキャパシタ２９と、Ｑ値測定回路３０（検知部の一例）を備える。

抵抗素子２６は、キャパシタ２５の内部抵抗（出力インピーダンス）を図示化したものである。本例では、充電部２４に対しキャパシタ２２と受電コイル２１が直列共振回路を形成するように接続され、給電周波数において共振するように、キャパシタ２２のキャパシタンスの値（Ｃ値）、及び受電コイル２１のインダクタンスの値（Ｌ値）が調整されている。

同様に、キャパシタ２９とＱ値測定用コイル２８が直列共振回路を形成するように接続され、Ｑ値測定周波数において共振するように、キャパシタ２９のキャパシタンスの値（Ｃ値）、及びＱ値測定用コイル２８のインダクタンスの値（Ｌ値）が調整されている。その直列共振回路がＱ値測定回路３０と接続されている。充電部２４、整流部２３及びキャパシタ２２で構成される受電部２７は、受電コイル２１を通じて外部から非接触で電力の供給を受ける（受電）。充電部２４に充電した電力はＱ値測定回路３０へ供給される。

直列共振回路を構成するＱ値測定用コイル２８とキャパシタ２９間の電圧をＶ１、Ｑ値測定用コイル２８両端の電圧をＶ２とすると、直列共振回路のＱ値は、式（１）で表される。
ｒ_ｓ：周波数ｆにおける実効抵抗値

電圧Ｖ１がＱ倍されて電圧Ｖ２が得られる。Ｑ値測定用コイル２８に金属物が近づくと実効抵抗値ｒｓが大きくなり、Ｑ値が下がる。このように金属物がＱ値測定用コイル２８に近づくと、測定されるＱ値（電磁結合している状態）が変化するので、この変化を検知することにより、Ｑ値測定用コイル２８の近くにある金属物を検知できる。

なお、図１の例は直列共振回路を備える基本の回路を示したものであるから、上記回路の機能を備えていれば詳細な構成は種々の形態が考えられる。例えば図１では、受電装置２０に設けた負荷の一例としてキャパシタ(２次電池)を示したが、この例に限られない。
また、受電装置２０が信号源１１を有し、受電コイル２１を介して外部装置へ非接触で電力を伝送するようにしてもよいし、送電装置１０が負荷を備え、送電コイル１５を介して外部装置から非接触で電力の供給を受けるようにしてもよい。

（Ｑ値測定回路の説明）
図２は、第１の実施形態例の受電装置２０に設けられるＱ値測定回路３０の構成例を示すブロック図である。
このＱ値測定回路３０により、金属等の導体やコイルを含む回路を検知する。Ｑ値測定回路３０内のブロックを含む受電装置２０を構成する各ブロックは、充電部２４から供給される電力により動作する。Ｑ値測定回路３０が設けられた受電装置２０は、電磁結合状態を検知する検知装置の一例である。

本例のＱ値測定回路３０は、検知部の一例であり、フィルタ部３１Ａ,３１Ｂと、整流部３２Ａ，３２Ｂと、アナログ−デジタル変換器（以下、「ＡＤＣ」という）３３Ａ，３３Ｂと、メイン制御部３４を備える。

フィルタ部３１Ａは、Ｑ値測定用コイル２８とキャパシタ２９との間から入力される交流信号（交流電圧）に含まれる、受電した微弱な給電周波数信号やその高調波など、Ｑ値を測定する際に不要なノイズ成分を取り除くフィルタ回路である。同様に、フィルタ部３１Ｂは、信号源３８とキャパシタ２９との間から入力される交流信号（交流電圧）に含まれる、Ｑ値を測定する際に不要なノイズ成分を取り除くフィルタ回路である。

整流部３２Ａ，３２Ｂの各々は、フィルタ部３１Ａ，３１Ｂによりノイズが除去された、Ｑ値測定交流信号を直流信号（直流電圧）に変換して出力する。

ＡＤＣ３３Ａ，３３Ｂの各々は、整流部３２Ａ，３２Ｂから入力されるアナログの直流信号をデジタルの直流信号に変換して、メイン制御部３４へ出力する。

メイン制御部３４は、制御部の一例であり、例えばＭＰＵ（Micro-Processing Unit）から構成され受電装置２０全体の制御を行う。このメイン制御部３４は、演算処理部３４Ａと判定部３４Ｂとしての機能を備える。

演算処理部３４Ａは、所定の演算処理を行うブロックであり、本例では、ＡＤＣ３３Ａ，３３Ｂから入力される直流信号から電圧Ｖ１と電圧Ｖ２の比、すなわちＱ値を計算し、計算の結果を判定部３４Ｂへ出力する。

判定部３４Ｂは、演算処理部３４Ａから入力される計算の結果を、不揮発性のメモリ３５に保存されている閾値と比較して、比較の結果に基づいて金属等の導体やコイルを含む回路が近くにあるか否かを判定する。Ｑ値測定用コイル２８つまりは受電コイル２１の近傍に何もない又は受電コイル２１に何も置かれていない状態でのＱ値の閾値（Ｒｅｆ_Ｑ）を予め測定して、メモリ３５に保存しておく。

通信制御部３６は、送電装置１０が備える同機能を持つ通信制御部（図示略）との間で通信を行う。例えば、給電前に送電装置１０とネゴシエーションのための通信をし、また給電中にメイン制御部３４の指示に従い送電装置１０へ信号を送出し、送電装置１０の信号源１１による交流電圧の発生及び停止を制御する。それにより、送電装置１０と受電装置２０との間で非接触による電力伝送が安全かつ良好に行われる。また、通信制御部３６は、Ｑ値測定時における信号源３８の交流信号の発生を制御する。なお、通信制御部３６を介さず、メイン制御部３４から信号源３８へ直接指示を出すようにしてもよい。

入力部３７は、ユーザ操作に応じた入力信号を生成し、メイン制御部３４に出力する。

なお、本例では、受電装置２０にＱ値測定回路３０を内蔵している構成としているが、送電装置１０と受電装置２０のどちらに設けてもよく、もしくは両方に設けてもよい。

また、本例は、Ｑ値測定回路３０を直列共振回路に接続して適用した例を説明したが、共振回路としてその他の共振回路を用いてもよい。図３（ａ）,（ｂ）にそれぞれ例を示す。
図３（ａ）の例では、キャパシタ２９ＢとＱ値測定用コイル２８の並列共振回路に対し、キャパシタ２９Ａを直列に接続して共振回路を構成している。
また、図３（ｂ）の例では、キャパシタ２９ＡとＱ値測定用コイル２８の直列共振回路に対し、キャパシタ２８Ｂを並列に接続して共振回路を構成している。Ｑ値測定回路３０は、図３（ａ）,（ｂ）に示す共振回路に得られる、Ｑ値測定用コイル２８及びキャパシタ２９Ｂ間の電圧Ｖ１と、Ｑ値測定用コイル２８両端の電圧Ｖ２を利用して、Ｑ値を計算する。
以上、説明した直列共振回路及びその他の共振回路は、本開示の電磁結合状態検知方法の原理を説明するために例示したのであり、共振回路の構成をこれらの例に限定するものではない。

（給電及びＱ値測定の処理）
次に、本開示の第１の実施形態に係る非接触電力伝送システムの全体制御処理を説明する。
図４は、送電装置１０と受電装置２０を備えて構成される非接触電力伝送システムの給電時における処理を示すフローチャートである。
まず送電装置１０を起動し、受電装置２０を送電装置１０の近くに置くと、送電装置１０の図示しないメイン制御部と受電装置２０のメイン制御部３４との間でネゴシエーションを行う。送電装置１０と受電装置２０が相互に認識した後に、送電装置１０から受電装置２０への給電を開始する（ステップＳ１）。送電装置１０又は受電装置２０のメイン制御部は、給電開始に際してＱ値測定用コイルのＱ値測定を行うが、そのＱ値測定の回数が初回であるか否かを判定する（ステップＳ２）。

一例として、送電装置１０又は受電装置２０の電源が入った直後であれば、各々の装置のメイン制御部は、初回のＱ値測定であると判定する。あるいは、ネゴシエーションの結果、送電装置１０は、受電装置２０のＩＤ情報（識別情報）から当該受電装置２０が初めての通信相手であるとき、初回のＱ値測定であると判定する。または、送電装置１０は、ネゴシエーション時に、受電装置２０が計算したＱ値測定回数の結果を当該受電装置２０から受信し、Ｑ値測定の回数を把握するようにしてもよい。

さらに他の例として、前回のＱ値測定からの経過時間により判断するようにしてもよい。送電装置１０（及び受電装置２０）は、図示しない時計部を有し、Ｑ値測定を行ったとき、測定したＱ値を測定時刻と対応づけてメモリへ記憶する。そして、前回のＱ値測定時刻と今回のＱ値測定時刻を比較して、所定値を超える時間差があれば初回のＱ値測定であると判断する。Ｑ値測定回数は、例えば周波数スイープを伴うＱ値測定を初回とし、これを基準に回数を計算する。なお、前回のＱ値測定時に時計部のタイマー機能を起動し、タイマーの経過時間を元に判断するようにしてもよい。

そして、初回のＱ値測定である場合は、受電装置２０のメイン制御部３４は、信号源３８が出力する測定用のテスト信号（正弦波）に複数の周波数を用い（スイープ測定）、得られた複数のＱ値のうち最も大きいＱ値を得る（ステップＳ３）。Ｑ値が最も大きいときのテスト信号の周波数をメモリ３５に保存しておく。

Ｑ値を測定するためには共振周波数となる正弦波を受電装置２０へ入力する必要があるが、受電装置２０の部品のばらつきや２次側コイルの周りの環境、金属異物の混入等でも共振周波数は変化する。そのため共振周波数のずれを考慮し、ある程度の適切なレンジ（測定範囲）で異なる複数の周波数を用いて測定（周波数スイープ）することにより、共振周波数を探す必要がある。この周波数スイープに関しては、非接触電力伝送システム全体で考えると、初回のＱ値測定では必ず必要であるが、２回目以降は省くことが可能である。

一方、ステップＳ２の判定処理において初回のＱ値測定ではない場合、受電装置２０は、１回目のＱ値測定で求められた周波数のテスト信号を用いてＱ値を得る（ステップＳ４）。

送電装置１０又は受電装置２０は、２次側Ｑ値に基づいて金属異物が存在する可能性があるか否かを判定する（ステップＳ５）。金属異物が存在する可能性がない場合はステップＳ７へ進む。

一方、ステップＳ５の判定処理で金属異物が存在する可能性がある場合は、ステップＳ３へ進み、受電装置２０のメイン制御部３４は、テスト信号の周波数スイープを行い、複数のＱ値のうち最も大きなＱ値を得る。

ステップＳ３の処理が終了後、送電装置１０又は受電装置２０のメイン制御部は、計算により得られた２次側Ｑ値に基づいて金属異物の有無を判定する（ステップＳ６）。金属異物がある場合は、終了処理ということで給電の強制終了やユーザへの警告を行う。給電の強制処理としては、送電装置１０が送電を停止するか、あるいは送電装置１０が送電を行ったとしても受電装置２０が受電を停止する方法がある。

上述したステップＳ３〜Ｓ６におけるＱ値測定は、受電装置２０が行う場合には送電装置１０から受電した電力を利用して行う。他の方法として、キャパシタやバッテリなどの蓄電部に充電された電力を用いてもよい。

そして、ステップＳ６において金属異物がない場合は、受電装置２０のメイン制御部３４は、図示しないバッテリ等（負荷）が満充電されたか否かを判定する（ステップＳ７）。満充電された場合は、送電装置１０の送電処理を停止又は受電装置２０の受電処理を停止することにより充電処理を終了し、満充電されていない場合は、ステップＳ２へ移行して上記処理を繰り返す。

（測定結果）
次に、実際に受電装置２０のＱ値測定用コイル２８の近くに金属物を置いたときの、Ｑ値の測定結果を説明する。
測定は、図５に示すように、台座４０に載置した送電装置１０と受電装置２０を近づけ、間に金属物を挟み、Ｑ値測定回路３０を操作して行った。今回の測定では送電コイル１５として、図６に示すような、複数の細い銅線を縒りあわせた導線であるリッツ線４１（線径φ１．０ｍｍ）を巻いた１５０ｍｍ（Ｗ１）×１９０ｍｍ（Ｗ２）のスパイラルコイルを用いた。またスパイラルコイルの裏面には、厚さ１．０ｍｍのフェライト材の磁性体４２が敷いてある。金属物が近くにないときの送電コイル１５のＬ値は、１９２．０μＨ、Ｑ値は２３０．７である。共振させるキャパシタ１４のＣ値は８．２ｎＦである。この場合、送電コイル１５を含む直列共振回路の共振周波数は１２７．０ｋＨｚとなる。

また、一般に共振回路のＱ値はキャパシタのＱ値をＱｃ、コイルのＱ値をＱ_Ｌとすると、１／｛（１／Ｑｃ）＋（１／Ｑ_Ｌ）｝の関係で表される。この測定に用いたキャパシタ１４のＱ値は送電コイル１５のＱ値に対して十分高く設計されており、直列共振回路のＱ値への影響は無視できる。ただし、逆に送電コイル１５のＱ値をキャパシタ１４のＱ値に対して十分に高くなるよう設計してもよいし、又はどちらも同程度のＱ値であってもよい。

また受電コイル２１として用いたコイルは、図６に示したものと同様な構造であり、線径φが０．６５ｍｍのリッツ線４１を用いて巻かれた、コイルサイズ３０ｍｍ（Ｗ１）×５０ｍｍ（Ｗ２）のスパイラルコイルである。このスパイラルコイルの裏面には、磁性体４２に替えて、厚さ０．２ｍｍのフェライト材の磁性シートが貼られている。受電装置２０が近くにないときの送電コイルのＬ値は１４．０μＨ、Ｑ値は４８．４である。受電コイル２１を含む直列共振回路の共振周波数は、１２７．０ｋＨｚである。また、送電コイル１５と受電コイル２１の電磁結合の度合いである結合係数ｋは０．１０、コイル間効率は０．８３である。本例では二次側コイル（受電コイル２１）に対して、一次側コイル（送電コイル１５）が大きいが、それに限定されるものではなく、例えば同じ大きさであってもよい。

ところで、コイル間効率（理論最大値）η_ｍａｘは、下記の式（２）で示されることが知られている。
ここで、Ｓは以下の式で表される。

Ｑ _{ｔｏｔａｌ} は非接触電力伝送システム全体のＱ値、Ｑ_１は１次側のＱ値、Ｑ_２は２次側のＱ値を示す。すなわち磁界共鳴方式において、コイル間効率η_ｍａｘは、１次側コイルと２次側コイルの電磁結合の度合いである結合係数ｋと、それぞれ無負荷の共振回路のＱ値である１次側のＱ値（Ｑ_１）と、２次側のＱ値（Ｑ_２）から理論的に一意に求められる。ゆえに結合係数ｋが低くても送電側と受電側の双方のＱ値が高ければ、高効率での電力伝送が可能である。ただし、本例は、上記の数値例に限られるものではないことは勿論である。

さらに、受電コイル２１とは別に、図７に示すＱ値測定用コイル２８には、φ７ｍｍ、長さ６ｍｍのフェライトからなるコア２８ａを有し、その側面に線径φが０．６５ｍｍのリッツ線を用いて巻かれたコイルを使用している。送電装置１０が近くにないときの受電コイル２１のＬ値は１．０ｕＨ、Ｑ値は４７．２である。Ｑ値測定用コイル２８を含む直列共振回路の共振周波数は、１ＭＨｚである。コア２８ａを有するＱ値測定用コイル２８の構成は一例であってこれに限るものではない。

このＱ値測定用コイル２８を含む直列共振回路に対し、厚さ１．０ｍｍの鉄（Ｆｅ）又はアルミニウム（Ａｌ）を近づける。送電コイル１５と各金属物の距離はスペーサ等により８ｍｍに固定してある。そして、金属サイズを変えながら受電装置２０のＱ値測定回路３０によりＱ値を測定する。

図８は、上述の測定において送電コイル１５と受電コイル２１の間に金属物を挟んだ状態の概略断面を示している。
裏面に磁性体４２を敷いた送電コイル１５と、裏面に磁性シート５２を貼り付けた受電コイル２１との間に、Ｑ値測定用コイル２８と金属物５３とスペーサ５４を配置している。

金属サイズ角に対するＱ値の特性を表したグラフを、図９に示す。この図９に示すグラフは、金属物を挟まないとき（金属サイズ角０ｍｍに相当）のＱ値を１００％として正規化した変化率で表わしてある。
鉄（Ｆｅ）及びアルミニウム（Ａｌ）を用いた測定結果から、金属物のサイズが大きくなることで等価的に実効抵抗値が上がったように見え、Ｑ値が劣化することが分かる。すなわち、金属物のサイズが大きくなることは、同じサイズの金属物であれば、より送電コイル１５の近くにあることに等しい。判定部３４Ｂは、測定したＱ値（もしくはそのＱ値の変化率）を、メモリ３５に保存してある閾値と比較し、Ｑ値が閾値の範囲内にあるかどうかにより金属物があるか否かを判定する。

以上より、Ｑ値の測定結果に基づいて金属物がＱ値測定用コイル２８の近くにあることを検知することができる。金属材質によって、Ｑ値の劣化量は変化するが、Ｑ値の劣化が大きい金属ほど、発熱しやすい。つまり、Ｑ値は発熱要因と結びついており、検知しなければならない発熱しやすい金属ほど検知しやすくなる。

ここで、本実施形態に係る共振回路のＱ値を用いて金属異物を検出する方法において、給電用コイル（受電コイル２１）とＱ値測定用コイル（Ｑ値測定用コイル２８）を分けた理由を説明する。

まず、給電周波数が同一であって、かつ給電用コイルとＱ値測定用コイルを兼ねた場合、大電力の給電信号をフィルタリングすることができない。それにより、例えば信号源３８のドライバ出力に大電力がかかるなど、Ｑ値測定回路３０を破壊してしまう恐れがある。
また、給電中に相対する送電コイルもしくは受電コイルのＱ値を測定しようとすると、負荷に接続された状態の共振回路のＱ値を測定することになり、本来測定したい無負荷Ｑ(オープン状態の共振回路のＱ値)を測定することができない。
それゆえ、単に共振回路のＱ値を用いて金属異物を検出する方法では、給電中に精度よくＱ値を測定することが不可能である。

また、共振回路のＱ値を用いて異物を検出する方法において給電用コイルとＱ値測定用コイルを分けない場合、高感度に異物金属を検知するには給電を止めて、無負荷Ｑが測定できる状態にしてからＱ値を測定する必要があった。このため、定期的に受電側への給電を止める必要があり、受電側機器の電源がオフになる、もしくは受電側機器のバッテリからＱ値検知回路への給電に切り替える制御が必要となる。したがって、受電側機器の制御フローが複雑になったり、送電側から受電側へ給電をしない時間が発生したりするため、単位時間あたりの給電効率が下がってしまうという問題がある。

ここで、図１０に、受電側の共振回路のキャパシタのキャパシタンスの値を変化させることによって、共振周波数を変化させたときの送電コイルのＱ値測定結果を示す。
測定の際、受電側の負荷には１０Ωの抵抗負荷を接続してある。受電コイルを含む共振回路の共振周波数が送電コイルを含む共振回路の共振周波数に近づくにつれて、測定されるＱ値の測定値が下がっていることがわかる。結合係数ｋの値を変えて測定を行っても同様の傾向が見られる。
これは、送電コイルを含む共振回路の共振周波数と受電コイルを含む共振回路の共振周波数が近づくことによって、両者の電磁的結合が強くなり、２次側の負荷の影響が見えやすくなるためである。

これを避けるために、給電用コイルとＱ値測定用コイルを分け、給電時とＱ値測定時の共振周波数を違わせることによって、給電信号をフィルタリングすることが可能となり、かつ無負荷状態に近いＱ値を測定することが可能となった。給電中にＱ値測定を実施するので、少なくともＱ値測定用コイルの周囲に自装置外ではない任意のコイルを含む回路の存在が有ることは認識している。

上述のように構成された本実施形態によれば、送電側と受電側との間で給電している最中に、精度のよいＱ値測定を行うことができる。
したがって、給電中にＱ値測定が行えるので受電側における制御が簡単になる。
また、Ｑ値測定のために給電を停止する必要がなくなるので、時間あたりの給電効率が向上する。
さらに、Ｑ値測定のために給電を停止する必要がないということは給電とＱ値測定の同期をとる必要がないということであり、送電側から受電側へ送電開始及び送電停止の信号を送信することが不要となる。

なお、本実施形態では、主に給電中にＱ値を測定することを説明したが、給電中でなくてもＱ値を測定できることは勿論である。また、受電装置２０にＱ値測定用コイル２８を設けてＱ値測定及び金属異物の有無の判定をしたが、送電装置１０に設けてもよいし、両方に設けてもよい。

＜２．第２の実施形態＞
第２の実施形態は、第１の実施形態の給電用コイルに対してタップを設けた例である。
図１１に、本開示の第２の実施形態例に係る非接触電力伝送システムの概要を示す。
受電装置２０Ａは、タップ２１ａが設けられた受電コイル２１Ａを有する。タップ２１ａは、キャパシタ２９を介してＱ値測定回路３０のＶ１測定用の入力端子に接続している。またタップ２１ａは、Ｖ２測定用の入力端子に接続している。

受電コイル２１Ａの接地グラウンド側の端部からタップ２１ａまでのコイル部分とキャパシタ２９から構成される共振回路の共振周波数を給電周波数と変えて、その共振周波数でＱ値測定を行う。

本実施形態によれば、タップ付きの受電コイルを利用して給電時の共振周波数とＱ値測定時の共振周波数を変える構成を採っているので、受電コイルとは別のＱ値測定用コイルが不要である。
したがって、第１の実施形態に係る受電装置による作用効果に加え、受電装置の小型化が可能になるという効果がある。

なお、本実施形態では、受電装置２０Ａにタップ２１ａ付きの受電コイル２１Ａを設けてＱ値測定及び金属異物の有無の判定をしたが、送電装置１０に設けてもよいし、両方に設けてもよい。

＜３．第３の実施形態＞
第３実施形態は、第２の実施形態のように給電用コイルにタップを設けるのではなく、給電用コイルとＱ値測定用コイルを共通としたものである。
図１２に、本開示の第３の実施形態例に係る非接触電力伝送システムの概要を示す。
受電装置２０Ｂは、給電用コイル（受電コイル２１）とＱ値測定用コイルを共通とし、給電用の共振回路のキャパシタ２２とＱ値測定用の共振回路のキャパシタ２９を分けている。受電コイル２１の接地グラウンドと反対側の端部は、キャパシタ２９を介してＱ値測定回路３０のＶ１測定用の入力端子に接続している。また受電コイル２１の接地グラウンドと反対側の端部はＶ２測定用の入力端子に接続している。

給電用の共振回路のキャパシタ２２とＱ値測定用の共振回路のキャパシタ２９を分けて、各々のキャパシタンスを違う値とすることにより、Ｑ値測定用の共振回路の周波数を給電用の共振回路の給電周波数と変えて、Ｑ値測定が行われる。

本実施形態によれば、給電用コイルとＱ値測定用コイルを共通とし、かつ給電用の共振回路のキャパシタとＱ値測定用の共振回路のキャパシタを別にして、各々のキャパシタンスの値を異ならせ、給電時の共振周波数とＱ値測定時の共振周波数を変える構成を採っている。そのため、受電コイルと別にＱ値測定用コイルを設ける必要がない。また、第２の実施形態のように、受電コイルのタップも不要である。
以上のことから、第１及び第２の実施形態に係る受電装置による作用効果に加え、受電装置のさらなる小型化が可能になるという効果がある。

なお、本実施形態では、受電装置２０Ｂにおいて受電コイルとＱ値測定用コイルを共通としてＱ値測定及び金属異物の有無の判定をしたが、送電装置１０を同様の構成としてもよいし、両方に適用してもよい。

＜４．その他＞
（Ｑ値測定の変形例１）
第１〜第３の実施形態例では、Ｑ値測定回路のＱ値演算処理部は、共振回路のＱ値測定用コイルとキャパシタ間の電圧Ｖ１、Ｑ値測定用コイル両端の電圧Ｖ２からＱ値を求めているが、半値幅法によりＱ値を求めてもよい。

半値幅法では、直列共振回路を構成した場合において、図１３のグラフに示すように共振周波数ｆ０でのインピーダンス（Ｚpeak）の絶対値に対して√２倍のインピーダンスとなる帯域（周波数ｆ１〜ｆ２）より、式（５）で求められる。

また、並列共振回路を構成した場合では、図１４のグラフに示すように共振周波数ｆ０でのインピーダンス（Ｚpeak）の絶対値に対して１／√２倍のインピーダンスとなる帯域（周波数ｆ１〜ｆ２）より、式（５）で求められる。

（Ｑ値測定の変形例２）
また、変形例２では、Ｑ値測定回路３０のＱ値演算処理部が、共振回路のインピーダンスの実部成分と虚部成分の比からＱ値を計算する。本例では、自動平衡ブリッジ回路及びベクトル比検出器を用いてインピーダンスの実部成分と虚部成分を求める。

図１５は、変形例２に係る、インピーダンスの実部成分と虚部成分の比からＱ値を計算するための自動平衡ブリッジの回路図である。
図１５に示す自動平衡ブリッジ回路６０は一般によく知られた反転増幅回路と同様の構成である。反転増幅器６３の反転入力端子（−）にコイル６２を接続し、非反転入力端子（＋）をグラウンドに接続する。そして帰還抵抗素子６４によって反転増幅器６３の出力端子より反転入力端子（−）に負帰還をかける。また、コイル６２に交流信号を入力する交流電源６１の出力（電圧Ｖ１）と、反転増幅器６３の出力（電圧Ｖ２）をベクトル比検出器６５に入力する。コイル６２は、図１に示したＱ値測定用コイル２８に対応する。

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

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

なお、本開示は以下のような構成も取ることができる。
（１）
外部と電磁的に結合するコイルと、
前記コイルを含む回路と接続され、前記回路のＱ値を、非接触で給電される交流信号の周波数とは異なる周波数の交流信号を用いて測定する検知部と、を備える
検知装置。
（２）
前記検知部は、前記回路のＱ値を測定して前記コイルと外部との電磁結合状態を検知する
前記（１）に記載の検知装置。
（３）
非接触の給電に用いられる給電用コイル、を有し、
前記Ｑ値の測定に用いられる前記コイルが、前記給電用コイルと別である
前記（２）に記載の検知装置。
（４）
外部と電磁結合している状態とは、前記コイルの近傍における導体又は任意のコイルを含む回路の存在の有無のことである
前記（１）〜（３）に記載の検知装置。
（５）
前記検知部は、
前記コイルとキャパシタを含む共振回路の該コイルと該キャパシタ間にかかる第１電圧と、前記コイルの両端にかかる第２電圧を取得し、第１電圧と第２電圧の比からＱ値を計算する演算処理部と、
前記演算処理部により求めたＱ値を、前記コイルの近傍における導体又は任意のコイルが存在しないときに予め測定したＱ値に基づいて設定した閾値と比較することにより、前記外部と電磁結合している状態を判断する判定部と、を備える
前記（１）〜（４）に記載の検知装置。
（６）
前記コイルとキャパシタを含む直列共振回路の共振周波数でのインピーダンスの絶対値に対して√２倍となる帯域からＱ値を求める半値幅法を用いてＱ値を計算する演算処理部と、
前記演算処理部により求めたＱ値を、前記コイルの近傍における導体又は任意のコイルが存在しないときに予め測定したＱ値に基づいて設定した閾値と比較することにより、前記外部と電磁結合している状態を判断する判定部と、を備える
前記（１）〜（４）に記載の検知装置。
（７）
前記コイルとキャパシタを含む並列共振回路の共振周波数でのインピーダンスの絶対値に対して１／√２倍となる帯域からＱ値を求める半値幅法を用いてＱ値を計算する演算処理部と、
前記演算処理部により求めたＱ値を、前記コイルの近傍における導体又は任意のコイルが存在しないときに予め測定したＱ値に基づいて設定した閾値と比較することにより、前記外部と電磁結合している状態を判断する判定部と、を備える
前記（１）〜（４）に記載の検知装置。
（８）
自動平衡ブリッジ回路及びベクトル比検出器を用いて前記共振回路のインピーダンスの実部成分及び虚部成分を求め、その比からＱ値を計算する演算処理部と、
前記演算処理部により求めたＱ値を、前記コイルの近傍における導体又は任意のコイルが存在しないときに予め測定したＱ値に基づいて設定した閾値と比較することにより、前記外部と電磁結合している状態を判断する判定部と、を備える
前記（１）〜（４）に記載の検知装置。
（９）
非接触の給電に用いられる、タップ付きの給電用コイル、を有し、
前記Ｑ値の測定に用いられる前記コイルは、前記タップによって分割された前記給電用コイルの一部である
前記（２）に記載の検知装置。
（１０）
非接触の給電に用いられる給電用コイルと前記Ｑ値の測定に用いられる前記コイルが共通であり、
給電用の回路に含まれるキャパシタのキャパシタンスとＱ値測定用の回路に含まれるキャパシタのキャパシタンスが異なる
前記（２）に記載の検知装置。
（１１）
前記検知部は、給電が行われているときに前記コイルを含む回路のＱ値を測定する
前記（１）〜（１０）に記載の検知装置。
（１２）
外部から受電するのに用いられる受電コイルと、
前記受電コイルを介して交流信号を受電する受電部と、
外部と電磁的に結合するコイルと、
少なくとも前記コイルを含む回路と接続され、前記回路のＱ値を、前記受電部が受電する交流信号の周波数とは異なる周波数の交流信号を用いて測定する検知部と、を備える
受電装置。
（１３）
非接触の送電に用いられる送電コイルと、
前記送電コイルに交流信号を供給する送電部と、
外部と電磁的に結合するコイルと、
少なくとも前記コイルを含む回路と接続され、前記回路のＱ値を、前記送電部から供給される交流信号の周波数とは異なる周波数の交流信号を用いて測定する検知部と、を備える
送電装置。
（１４）
電力を無線により送電する送電装置と、該送電装置からの電力を受電する受電装置を含んで構成され、
前記送電装置又は前記受電装置の少なくとも一方は、
非接触の給電に用いられる給電用コイルと、
外部と電磁的に結合するコイルと、
少なくとも前記コイルを含む回路と接続され、前記回路のＱ値を、前記給電用コイルに流れる交流信号の周波数とは異なる周波数の交流信号を用いて測定する検知部と、を備える
非接触電力伝送システム。
（１５）
外部と電磁的に結合するコイルを含む回路と接続された検知部によって、前記回路のＱ値を、給電用コイルに流れる交流信号の周波数とは異なる周波数の交流信号を用いて測定する
検知方法。

上述した一実施の形態例における一連の処理は、ハードウェアにより実行することができるが、ソフトウェアにより実行させることもできる。一連の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが専用のハードウェアに組み込まれているコンピュータ、または、各種の機能を実行するためのプログラムをインストールしたコンピュータにより、実行可能である。例えば汎用のパーソナルコンピュータなどに所望のソフトウェアを構成するプログラムをインストールして実行させればよい。

また、上述した実施の形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記録媒体を、システムあるいは装置に供給してもよい。また、そのシステムあるいは装置のコンピュータ（またはＣＰＵ等の制御装置）が記録媒体に格納されたプログラムコードを読み出し実行することによっても、機能が実現されることは言うまでもない。

この場合のプログラムコードを供給するための記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭなどを用いることができる。

また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、上述した実施の形態の機能が実現される。加えて、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳなどが実際の処理の一部又は全部を行う。その処理によって上述した実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。

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

以上、本開示は上述した各実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の変形例、応用例を取り得ることは勿論である。
すなわち、上述した各実施形態の例は、本開示の好適な具体例であるため、技術的に好ましい種々の限定が付されている。しかしながら、本開示の技術範囲は、各説明において特に本開示を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。例えば、以下の説明で挙げる使用材料とその使用量、処理時間、処理順序および各パラメータの数値的条件等は好適例に過ぎず、また説明に用いた各図における寸法、形状および配置関係も概略的なものである。

１０…受電装置、１４…キャパシタ、１５…送電コイル、２０，２０Ａ，２０Ｂ…送電装置、２１，２１Ａ…受電コイル、２１ａ…タップ、２２…キャパシタ、２８…Ｑ値測定用コイル、２９…キャパシタ、３０…Ｑ値測定回路、３２Ａ，３２Ｂ…整流部、３３…アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）、３４…メイン制御部、３４Ａ…演算処理部、３４Ｂ…判定部、３５…メモリ、３６…通信制御部、３８…信号源

Claims (11)

1. 外部と電磁的に結合するコイルと、
   前記コイルを含む回路と接続され、前記回路のＱ値を、非接触で給電される交流信号の周波数とは異なる周波数の交流信号を用いて測定し、前記コイルと外部との電磁結合状態を検知する検知部と、を備え、
   前記非接触の給電に用いられる給電用コイルと前記Ｑ値の測定に用いられる前記コイルが共通であり、
   給電用の回路に含まれるキャパシタのキャパシタンスとＱ値測定用の回路に含まれるキャパシタのキャパシタンスが異なる
   検知装置。
2. 外部と電磁結合している状態とは、前記コイルの近傍における導体又は任意のコイルを含む回路の存在の有無のことである
   請求項１に記載の検知装置。
3. 前記検知部は、
   前記コイルとキャパシタを含む共振回路の該コイルと該キャパシタ間にかかる第１電圧と、前記コイルの両端にかかる第２電圧を取得し、第１電圧と第２電圧の比からＱ値を計算する演算処理部と、
   前記演算処理部により求めたＱ値を、前記コイルの近傍における導体又は任意のコイルが存在しないときに予め測定したＱ値に基づいて設定した閾値と比較することにより、前記外部と電磁結合している状態を判断する判定部と、を備える
   請求項１又は２に記載の検知装置。
4. 前記コイルとキャパシタを含む直列共振回路の共振周波数でのインピーダンスの絶対値に対して√２倍となる帯域からＱ値を求める半値幅法を用いてＱ値を計算する演算処理部と、
   前記演算処理部により求めたＱ値を、前記コイルの近傍における導体又は任意のコイルが存在しないときに予め測定したＱ値に基づいて設定した閾値と比較することにより、前記外部と電磁結合している状態を判断する判定部と、を備える
   請求項１又は２に記載の検知装置。
5. 前記コイルとキャパシタを含む並列共振回路の共振周波数でのインピーダンスの絶対値に対して１／√２倍となる帯域からＱ値を求める半値幅法を用いてＱ値を計算する演算処理部と、
   前記演算処理部により求めたＱ値を、前記コイルの近傍における導体又は任意のコイルが存在しないときに予め測定したＱ値に基づいて設定した閾値と比較することにより、前記外部と電磁結合している状態を判断する判定部と、を備える
   請求項１又は２に記載の検知装置。
6. 自動平衡ブリッジ回路及びベクトル比検出器を用いて前記共振回路のインピーダンスの実部成分及び虚部成分を求め、その比からＱ値を計算する演算処理部と、
   前記演算処理部により求めたＱ値を、前記コイルの近傍における導体又は任意のコイルが存在しないときに予め測定したＱ値に基づいて設定した閾値と比較することにより、前記外部と電磁結合している状態を判断する判定部と、を備える
   請求項１又は２に記載の検知装置。
7. 前記検知部は、給電が行われているときに前記コイルを含む回路のＱ値を測定する
   請求項１乃至６のいずれかに記載の検知装置。
8. 外部から受電するのに用いられる受電コイルと、
   前記受電コイルを介して交流信号を受電する受電部と、
   外部と電磁的に結合するコイルと、
   少なくとも前記コイルを含む回路と接続され、前記回路のＱ値を、前記受電部が受電する交流信号の周波数とは異なる周波数の交流信号を用いて測定し、前記コイルと外部との電磁結合状態を検知する検知部と、を備え、
   前記受電コイルと前記Ｑ値の測定に用いられる前記コイルが共通であり、
   前記受電部に含まれるキャパシタのキャパシタンスとＱ値測定用の回路に含まれるキャパシタのキャパシタンスが異なる
   受電装置。
9. 非接触の送電に用いられる送電コイルと、
   前記送電コイルに交流信号を供給する送電部と、
   外部と電磁的に結合するコイルと、
   少なくとも前記コイルを含む回路と接続され、前記回路のＱ値を、前記送電部から供給される交流信号の周波数とは異なる周波数の交流信号を用いて測定し、前記コイルと外部との電磁結合状態を検知する検知部と、を備え、
   前記送電コイルと前記Ｑ値の測定に用いられる前記コイルが共通であり、
   前記送電部に含まれるキャパシタのキャパシタンスとＱ値測定用の回路に含まれるキャパシタのキャパシタンスが異なる
   送電装置。
10. 電力を無線により送電する送電装置と、該送電装置からの電力を受電する受電装置を含んで構成され、
    前記送電装置又は前記受電装置の少なくとも一方は、
    非接触の給電に用いられる給電用コイルと、
    外部と電磁的に結合するコイルと、
    少なくとも前記コイルを含む回路と接続され、前記回路のＱ値を、前記給電用コイルに流れる交流信号の周波数とは異なる周波数の交流信号を用いて測定し、前記コイルと外部との電磁結合状態を検知する検知部と、を備え、
    前記給電用コイルと前記Ｑ値の測定に用いられる前記コイルが共通であり、
    給電用の回路に含まれるキャパシタのキャパシタンスとＱ値測定用の回路に含まれるキャパシタのキャパシタンスが異なる
    非接触電力伝送システム。
11. 外部と電磁的に結合するコイルを含む回路と接続された検知部によって、前記回路のＱ値を、非接触の給電に用いられる給電用コイルに流れる交流信号の周波数とは異なる周波数の交流信号を用いて測定し、前記コイルと外部との電磁結合状態を検知し、
    前記給電用コイルと前記Ｑ値の測定に用いられる前記コイルが共通であり、
    給電用の回路に含まれるキャパシタのキャパシタンスとＱ値測定用の回路に含まれるキャパシタのキャパシタンスが異なる
    検知方法。