JPWO2015033860A1 - 送電装置、ワイヤレス電力伝送システム及び電力伝送判別方法 - Google Patents

Abstract

送電装置のアクティブ電極及びパッシブ電極へ印加する交流電圧の周波数を掃引し、交流電圧の周波数の変化毎に、ＤＣ−ＡＣインバータ回路から受電装置側を視た入力インピーダンス（入力電圧ＤＣＶ）を検出する。送電装置の直列共振回路、及び受電装置の並列共振回路の共振周波数により決定される第１の周波数（領域（Ａ））で検出した入力電圧ＤＣＶが２５０ｍＶ〜４５０ｍＶに含まれるか否かを判定する。第２の周波数（領域（Ｂ））で検出した入力電圧ＤＣＶが１００ｍＶ以下であるか否かを判定する。各判定の結果が真である場合に、電力伝送を行うべき状態と判定する。これにより、電力伝送の開始を適切に判定できる送電装置、ワイヤレス電力伝送システム及び電力伝送判別方法を提供する。

Description

本発明は、受電装置へ容量結合によりワイヤレスで電力を伝送する送電装置、ワイヤレス電力伝送システム及び電力伝送判別方法に関する。

送電装置から受電装置へワイヤレスで電力を伝送するワイヤレス電力伝送システムとして、電界結合方式を用いたものがある。このシステムでは、送電装置の電極と受電装置の電極とが電界結合して、電力が伝送される。特許文献１には、送電装置から受電装置への電力伝送効率を高めるために、電力伝送の駆動周波数を設定する方法が開示されている。特許文献１に記載のワイヤレス電力伝送システムは、送電装置に受電装置を載置した状態で、周波数スイープして共振周波数（駆動電圧のピーク値）を探索し、探索して得られた共振周波数を駆動周波数として、受電装置への電力伝送を行う。

特開２０１２−７０６１４号公報

特許文献１に記載されているように、周波数スイープして共振周波数が検出されるか否かにより、送電装置に受電装置が載置されているか否かを判定できる。この判定を行うことで、送電装置から受電装置へ電力伝送を開始するか否かを判定できる。しかしながら、特許文献１に記載されている方法では、送電装置に給電対象でない金属片などの異物が載置された場合、又は、純正品でない受電装置が送電装置に載置された場合であっても、共振周波数が検出されると、電力伝送を開始すべきと判定する場合がある。

電界結合方式では、送電装置に対する受電装置の載置位置の自由度が高く、また、送電電力も大きい。したがって、例えば、電極同士がほとんど対向しない状態で送電装置に受電装置が載置された状態、又は、給電対象でない異物が載置された状態で、前記のように電力伝送が開始されるという不具合が生じる場合がある。

そこで、本発明の目的は、電力伝送の開始を適切に判定できる送電装置、ワイヤレス電力伝送システム及び電力伝送判別方法を提供することにある。

本発明は、外部共振回路が接続された外部電力伝送作用部を備える外部装置に、ワイヤレスに電力伝送する送電装置において、前記外部電力伝送作用部へ電力を伝送する送電側電力伝送作用部と、前記送電側電力伝送作用部に接続された送電側共振回路と、前記送電側共振回路を介して前記送電側電力伝送作用部に交流電圧を印加する交流発生回路と、前記交流電圧の周波数を変化させる周波数調整回路と、前記交流電圧の周波数毎に、前記送電側電力伝送作用部側の入力インピーダンスを検出する検出回路と、前記外部共振回路、及び前記送電側共振回路の共振周波数により決定される第１の周波数範囲で、前記検出回路が検出した入力インピーダンスが、所定のインピーダンス範囲内に含まれるか否かを判定する第１判定手段と、前記第１の周波数範囲により決定され、前記第１の周波数範囲より低域側の第２の周波数範囲で、前記検出回路が検出した入力インピーダンスが所定のインピーダンス範囲内に含まれるか否かを判定する第２判定手段と、前記第１判定手段の判定結果が真、かつ、前記第２判定手段の判定結果が真である場合に、電力伝送を行うべき状態と判定する電力伝送判定手段とを備えることを特徴とする。

この構成では、２つの周波数範囲それぞれで、検出した入力インピーダンスが適切値であるかを判定することで、送電装置に載置された装置が、電力伝送を行う対象装置であるか否かを判定する。例えば、送電装置に金属片が載置されている場合、第１の周波数範囲で検出した入力インピーダンスが所定範囲内に含まれていても、第２の周波数範囲で検出した入力インピーダンスが所定範囲内に含まれていない場合、送電装置に載置されたものは、電力伝送する対象装置でないと判定する。電力伝送する対象装置でないと判定した場合、送電装置は電力伝送を開始しない。このように、送電装置は、電力伝送の開始を適切に判定でき、より安全な電力伝送を行える。

前記外部電力伝送作用部は第１外部電極、及び、第２外部電極であり、前記送電側電力伝送作用部は、前記第１外部電極と対向し容量結合する送電側第１電極、及び、前記第２外部電極と対向し容量結合する又は直接導通する送電側第２電極であり、前記交流発生回路は、前記送電側第１電極及び前記送電側第２電極に前記交流電圧を印加することが好ましい。

この構成では、容量結合方式のワイヤレス出力伝送システムにおいて、電力伝送の開始を適切に判定でき、より安全な電力伝送を行える。

前記交流発生回路は、直流電圧から交流電圧に変換する直流交流変換回路を含み、前記検出回路は、前記直流交流変換回路の入力側から前記外部電力伝送作用部側を視た入力インピーダンスを検出することが好ましい。

前記第１の周波数範囲及び前記第２の周波数範囲の間の第３の周波数範囲で、前記検出回路が検出した入力インピーダンスが、所定のインピーダンス範囲内に含まれるか否かを判定する第３判定手段を備え、前記電力伝送判定手段は、前記第１判定手段の判定結果が真、前記第２判定手段の判定結果が真、かつ、前記第３判定手段の判定結果が真である場合に、電力伝送を行うべき状態と判定することが好ましい。

この構成では、第１の周波数範囲及び第２の周波数範囲に加え第３の周波数範囲で、検出された入力インピーダンスが適切値であるかを判定することで、送電装置に載置された装置が、電力伝送を行う対象装置であるか否かを判定する。これにより、送電装置は、電力伝送の開始をより適切に判定でき、より安全な電力伝送を行える。

前記第１の周波数範囲により決定され、前記第１の周波数範囲より高域側の第４の周波数範囲に含まれる、前記検出回路により検出された入力インピーダンスが、所定のインピーダンス範囲内に含まれるか否かを判定する第４判定手段を備え、前記電力伝送判定手段は、前記第１判定手段の判定結果が真、前記第２判定手段の判定結果が真、かつ、前記第４判定手段の判定結果が真である場合に、電力伝送を行うべき状態と判定することが好ましい。

この構成では、第１の周波数範囲及び第２の周波数範囲、第３の周波数範囲に加え、第４の周波数範囲で、検出された入力インピーダンスが適切値であるかを判定することで、送電装置に載置された装置が、電力伝送を行う対象装置であるか否かを判定する。これにより、送電装置は、電力伝送の開始をより適切に判定でき、より安全な電力伝送を行える。

前記第１の周波数範囲及び前記第２の周波数範囲の間の第３の周波数範囲で、前記検出回路が検出した入力インピーダンスが、所定のインピーダンス範囲内に含まれるか否かを判定する第３判定手段、及び、前記第１の周波数範囲により決定され、前記第１の周波数範囲より高域側の第４の周波数範囲に含まれる、前記検出回路により検出された入力インピーダンスが、所定のインピーダンス範囲内に含まれるか否かを判定する第４判定手段を備え、前記電力伝送判定手段は、前記第１判定手段の判定結果が真、前記第２判定手段の判定結果が真、前記第３判定手段の判定結果が真、かつ、前記第４判定手段の判定結果が真である場合に、電力伝送を行うべき状態と判定することが好ましい。

この構成では、第１の周波数範囲及び第２の周波数範囲に加え、第３の周波数範囲及び第４の周波数範囲で、検出された入力インピーダンスが適切値であるかを判定することで、送電装置に載置された装置が、電力伝送を行う対象装置であるか否かを判定する。これにより、送電装置は、電力伝送の開始をより適切に判定でき、より安全な電力伝送を行える。

前記第２の周波数範囲は、前記第１の周波数範囲の１／２倍であることが好ましい。

この構成では、送電装置に載置された装置に外部共振回路が含まれている場合、第１の周波数範囲には極大値を持つ波形が現れる。この波形は送電側共振回路と外部共振回路との間で生じる複合共振によって現れる波形である。このため、第１の周波数範囲の１／２倍した第２の周波数範囲には、こうした極大値を持つ波形は現れない。これを利用して、送電装置に載置された装置が、電力伝送を行う対象装置であるか否かを判別することができる。

前記第２判定手段は、前記第２の周波数範囲において、前記検出回路が検出した入力インピーダンスが特定の閾値以下であるか否かを判定することが好ましい。

前記第３判定手段は、前記第３の周波数範囲において、前記検出回路が検出した入力インピーダンスが特定の閾値以下であるか否かを判定することが好ましい。

前記第４判定手段は、前記第４の周波数範囲において、前記検出回路が検出した入力インピーダンスが特定の閾値以下であるか否かを判定することが好ましい。

本発明によれば、電力伝送の開始を送電装置側で適切に判定でき、送電装置から受電装置へのより安全な電力伝送が行える。

実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの回路図 送電装置に対する受電装置の載置位置関係を説明するための図 送電装置における入力インピーダンスの周波数特性を示す図 入力電圧ＤＣＶの周波数特性の波形を示す図 送電装置に金属片を置いた場合の入力電圧ＤＣＶの周波数特性の波形を示す図 コントローラが実行する処理のフローチャート

図１は本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの回路図である。本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システム１は、送電装置１０１と受電装置２０１とで構成されている。受電装置２０１は負荷回路ＲＬを備えている。この負荷回路ＲＬは、二次電池及び充電回路を含む。受電装置２０１は、例えば携帯電子機器である。携帯電子機器としては携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、携帯音楽プレーヤ、ノート型ＰＣ、デジタルカメラなどが挙げられる。送電装置１０１には受電装置２０１が載置される。そして、送電装置１０１は、載置された受電装置２０１の二次電池を充電する。

なお、図１では、負荷回路ＲＬは受電装置２０１内に設けられているが、負荷回路ＲＬは、例えば受電装置２０１の外部に設けられていてもよいし、受電装置２０１に対し着脱可能な回路であってもよい。

送電装置１０１の入力端子ＩＮ１，ＩＮ２には、直流電圧Ｖｉｎが接続されている。直流電圧Ｖｉｎは、ＡＣアダプタにより変換される直流電圧である。送電装置１０１はこの直流電圧Ｖｉｎを電源として動作する。ＡＣアダプタは、商用電源に接続されていて、ＡＣ１００Ｖ〜２３０ＶをＤＣ５Ｖ又は１２Ｖへ変換する。

送電装置１０１の入力端子ＩＮ１，ＩＮ２には、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４からなるＤＣ−ＡＣインバータ回路１０が接続されている。このＤＣ−ＡＣインバータ回路１０は、本発明に係る直流交流変換回路に相当する。スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４はｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴである。スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２が直列接続され、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４が直列接続されている。また、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２の接続点とスイッチ素子Ｑ３，Ｑ４の接続点とには、昇圧トランスＴ１の１次コイルが接続されている。昇圧トランスＴ１は、直流電圧Ｖｉｎから変換された交流電圧を昇圧する。

スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４はドライバ１１によりＰＷＭ制御される。ドライバ１１は、コントローラ１２からの制御信号に応じて、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４とスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３とを交互にオンオフする。ＤＣ−ＡＣインバータ回路１０は、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４とスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３とが交互にオンオフされることで、直流電圧Ｖｉｎを交流電圧に変換する。

入力端子ＩＮ１には、ＤＣ−ＡＣインバータ回路１０に定電流を供給するための抵抗Ｒ１及びバイパススイッチ１７からなるインピーダンス切替回路が接続されている。抵抗Ｒ１のインピーダンスは、抵抗Ｒ１から負荷回路ＲＬ側を視たインピーダンスより十分に大きい。バイパススイッチ１７はコントローラ１２によりオンオフ制御される。バイパススイッチ１７が閉状態の場合、ＤＣ−ＡＣインバータ回路１０に定電圧が印加される。バイパススイッチ１７が開状態の場合、負荷回路ＲＬ側のインピーダンスよりも大きい抵抗Ｒ１により負荷回路ＲＬに略定電流が供給される。

また、入力端子ＩＮ１，ＩＮ２には、電圧検出用の分圧抵抗Ｒ２，Ｒ３が接続されている。コントローラ１２は、分圧抵抗Ｒ２，Ｒ３から入力電圧ＤＣＶを検出する。コントローラ１２は、バイパススイッチ１７を開状態にして定電流をＤＣ−ＡＣインバータ回路１０に供給した状態で検出した入力電圧ＤＣＶに基づいて、受電装置２０１が送電装置１０１に載置されているかを判定し、電力伝送を開始すべきか否かを決定する。また、コントローラ１２は、検出した入力電圧ＤＣＶを基に、電力伝送のための駆動周波数を設定し、その周波数でスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４をスイッチングする。コントローラ１２は、ドライバ１１を介してスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４をＰＷＭ制御し、伝送電力を調整する。コントローラ１２については後に詳述する。

本実施形態では、分圧抵抗Ｒ２，Ｒ３等の電圧検出用回路を、ＤＣ−ＡＣインバータ回路１０の入力側に設けている。これにより、ＤＣ−ＡＣインバータ回路１０のスイッチング又は昇圧トランスＴ１の影響を受けることなく、入力電圧ＤＣＶを検出できる。なお、電圧検出用回路は、ＤＣ−ＡＣインバータ回路１０の出力側に設けてもよいし、昇圧トランスＴ１の２次側に設けてもよい。

昇圧トランスＴ１の２次コイルにはアクティブ電極１３及びパッシブ電極１４が接続されている。アクティブ電極１３は、本発明に係る送電側第１電極であり、パッシブ電極１４は、本発明に係る送電側第２電極である。アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４には、昇圧トランスＴ１により昇圧された交流電圧が印加される。

昇圧トランスＴ１の２次コイルにはキャパシタＣ１が並列に接続されていて、キャパシタＣ１は、昇圧トランスＴ１の２次コイルと並列共振回路１５を形成している。また、キャパシタＣ１は、昇圧トランスＴ１の２次コイルの漏れインダクタンスＬ_leak（又は実部品のインダクタ）と共に直列共振回路１６を形成している。キャパシタＣ１は、実部品であってもよいし、２次コイルに生じる寄生容量であってもよい。

受電装置２０１はアクティブ電極２３及びパッシブ電極２４を備えている。アクティブ電極２３は、本発明に係る第１外部電極及び受電側第１電極であり、パッシブ電極２４は、本発明に係る第２外部電極及び受電側第２電極である。アクティブ電極２３及びパッシブ電極２４それぞれは、アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４それぞれと略同面積を有し、受電装置２０１を送電装置１０１に載置した場合に、送電装置１０１のアクティブ電極１３及びパッシブ電極１４と間隙を介して対向する。なお、パッシブ電極１４，２４は直接接触していてもよい。アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４間に電圧が印加されることで、対向配置となったアクティブ電極１３，２３に電界が生じ、この電界を介して送電装置１０１から受電装置２０１へ電力が伝送される。

受電装置２０１のアクティブ電極２３及びパッシブ電極２４には、降圧トランスＴ２の１次コイルが接続されている。この１次コイルにはキャパシタＣ２が並列接続されている。キャパシタＣ２は、降圧トランスＴ２の２次コイルの励磁インダクタンスと並列共振回路２５を形成している。

送電装置１０１の直列共振回路１６と、並列共振回路２５とは、ほぼ共振周波数が同じとなるように設定されている。そして、送電装置１０１に受電装置２０１を載置すると、それぞれの共振回路１６，２５は結合共振（複合共振）する。直列共振回路１６と並列共振回路２５との共振周波数を同じにすることで、効率よく電力伝送が行える。そして、後に詳述するが、送電装置１０１から受電装置２０１への電力伝送における駆動周波数は、直列共振回路１６及び並列共振回路２５の共振周波数近傍に定められる。

降圧トランスＴ２の２次コイルには、ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４から構成されたダイオードブリッジが接続されている。ダイオードブリッジの一方の出力は、平滑キャパシタＣ３及びＤＣ−ＤＣコンバータ２０を介して出力端子ＯＵＴ１に接続されている。ダイオードブリッジの他方の出力は、出力端子ＯＵＴ２に接続されている。出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２には、二次電池、充電回路及びその他の負荷回路である負荷回路ＲＬが接続されている。ダイオードブリッジ及び平滑キャパシタＣ３は、本発明に係る整流平滑回路に相当し、降圧トランスＴ２で降圧された交流電圧を整流及び平滑する。整流及び平滑された直流電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０で安定化された所定電圧に変換される。

以上のように構成されるワイヤレス電力伝送システム１において、送電装置１０１のコントローラ１２は、送電装置１０１に受電装置２０１が適切な位置に載置されているか否かを検出する。適切な位置とは、送電装置１０１のアクティブ電極１３及びパッシブ電極１４と、受電装置２０１のアクティブ電極２３及びパッシブ電極２４とが対向した状態で、送電装置１０１から受電装置２０１への電力伝送が安全に行える給電可能範囲内の位置をいう。例えば、送電装置１０１のアクティブ電極１３と、受電装置２０１のパッシブ電極２４とが対向した状態では、コントローラ１２は、受電装置２０１が適切な位置（給電可能範囲内）に載置されていないと判定する。

また、コントローラ１２は、送電装置１０１に正規の受電装置２０１が載置されているか否か、又は、送電装置１０１に金属片等の異物が載置されていないか等の判定も行う。受電装置２０１が正規なものでない場合とは、例えば、受電装置２０１側の並列共振回路２５が、送電装置１０１の直列共振回路１６の共振周波数と同じとなるよう定数設定されていない場合、受電装置２０１のアクティブ電極２３及びパッシブ電極２４の材質又は形状等が規定されたものと異なる場合などである。

コントローラ１２は、正規の受電装置２０１が適切な位置（給電可能範囲）に載置されていると判定した場合には、受電装置２０１への電力伝送のための駆動周波数の設定を行う。この駆動周波数は、結合共振（複合共振）した共振回路１６，２５の共振周波数である。以下、コントローラ１２が行う具体的な動作について説明する。

まず、送電装置１０１に対する受電装置２０１の載置位置関係について説明する。

図２は、送電装置１０１に対する受電装置２０１の載置位置関係を説明するための図である。受電装置２０１が送電装置１０１の給電可能範囲に載置されているか否かにより、電力伝送を行うか否かが判別される。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、受電装置２０１が送電装置１０１の給電可能範囲内に載置されている状態を示す。図２（Ａ）では、アクティブ電極２３及びパッシブ電極２４が、アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４に対し完全に一致する状態で受電装置２０１が送電装置１０１に載置されている。以下、この状態となる受電装置２０１の位置を、正位置という。図２（Ｂ）では、アクティブ電極２３及びパッシブ電極２４が、アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４の少なくとも一部と対向する状態で受電装置２０１が送電装置１０１に載置されている。

図２（Ｃ）は、受電装置２０１が送電装置１０１の給電可能範囲外に載置されている状態を示す。電界結合方式によるワイヤレス電力伝送システム１では、パッシブ電極１４，２４はアクティブ電極１３，２３より大きい形状とし、パッシブ電極１４，２４と比較してアクティブ電極１３，２３が高電圧となるようにしている。このため、図２（Ｃ）のように受電装置２０１が位置ずれして載置された場合、アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４が、受電装置２０１のパッシブ電極２４で覆われ、パッシブ電極２４を介して、アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４間に不要な（電力伝送に寄与しない）容量が形成される。

次に、受電装置２０１の載置位置の検出方法、正規の受電装置２０１が載置されたか否かの検出方法、及び、受電装置２０１に受電装置２０１以外のものが載置されているか否かの検出方法について説明する。

図３は、送電装置１０１における入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。この入力インピーダンスは、ＤＣ−ＡＣインバータ回路１０からアクティブ電極１３及びパッシブ電極１４側を視たインピーダンスである。なお、実際の周波数特性は複雑に表されるが、説明の都合上、図３では、簡易的に示している。

図３上部の破線で示す波形は、送電装置１０１に受電装置２０１を載置していない場合の入力インピーダンスの周波数特性を示す。この波形では、送電装置１０１の並列共振回路１５の共振周波数ｆ０と、直列共振回路１６の共振周波数ｆ１とのそれぞれにピーク（極大値及び極小値）が現れる。

図３上部の実線で示す波形は、正規の受電装置２０１を送電装置１０１の正位置に載置した場合の入力インピーダンスの周波数特性を示す。この波形では、周波数ｆ１近傍（図中破線丸印内）において、送電装置１０１の直列共振回路１６と、受電装置２０１の並列共振回路２５とが結合して、複合共振による周波数ピークが複数現れる。

図３中部で示す波形は、正規の受電装置２０１を送電装置１０１の給電可能範囲外に載置した場合の入力インピーダンスの周波数特性を示す。送電装置１０１の給電可能範囲外に受電装置２０１を載置した場合、図２（Ｃ）で説明したように、送電装置１０１のアクティブ電極１３と、受電装置２０１のパッシブ電極２４とが対向する場合がある。そうすると、図１に示す送電装置１０１側の直列共振回路１６において、キャパシタＣ１にアクティブ電極１３及びパッシブ電極２４による容量が並列接続される構成となり、キャパシタンスが変動する。すなわち、共振周波数が変動し、その結果、図３中部の波形で示すように、複合共振による周波数ピークは変化する。

図３下部に示す波形は、送電装置１０１に金属片を載置した場合の入力インピーダンスの周波数特性を示す。この例では、金属片は、アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４の両方に対向しているものとする。この場合、送電装置１０１のアクティブ電極１３及びパッシブ電極１４の間に金属片を介して容量が形成される。したがって、図１に示す送電装置１０１側の直列共振回路１６において、キャパシタＣ１にアクティブ電極１３及びパッシブ電極２４による容量が並列接続される構成となり、キャパシタンスが増大する。すなわち、共振周波数が低くなり、その結果、図３下部に示すように、入力インピーダンスの周波数特性は、図３上部の破線で示す波形が低周波側にシフトした波形となる。

以上より、コントローラ１２は、入力インピーダンスの周波数特性から、受電装置２０１が送電装置１０１の給電可能範囲内又は給電可能範囲外に載置されているか、あるいは、送電装置１０１に金属片などの異物が載置されているか否かを判定できる。

図４は、入力電圧ＤＣＶの周波数特性の波形を示す図である。

コントローラ１２は、第１の周波数（図中領域Ａ）及び第２の周波数（図中領域Ｂ）で、検出した入力電圧ＤＣＶが所定範囲内であるか否かを判定し、両方の条件を満たす場合に、正規の受電装置２０１が送電装置１０１の給電可能範囲に載置されていると判定する。

第１の周波数及び第２の周波数は、複合共振の共振周波数により定められる。この例では、送電装置１０１の直列共振回路１６、及び受電装置２０１の並列共振回路２５は、複合共振の共振周波数が６００ｋＨｚ（±５０ｋＨｚ）となるように定数設定されている。この場合、第１の周波数範囲は６００ｋＨｚ（±５０ｋＨｚ）、第２の周波数範囲は、第１の周波数範囲の１／２の３００ｋＨｚ（±２５ｋＨｚ）である。第１の周波数では、入力電圧ＤＣＶは約２５０ｍＶ〜４５０ｍＶの範囲内で極大値をとる。第２の周波数では、何れの周波数範囲においても範囲内の少なくとも一部の入力電圧ＤＣＶは約１００ｍＶの以下の値をとる。

図４の波形（１）及び波形（２）は、正規の受電装置２０１が、送電装置１０１の給電可能範囲に載置されている場合の周波数特性である。波形（１）及び波形（２）の場合、第１の周波数（領域Ａ）では、入力電圧ＤＣＶは２５０ｍＶ〜４５０ｍＶの範囲内で極大値をとり、第２の周波数（領域Ｂ）では、入力電圧ＤＣＶは１００ｍＶ以下である。すなわち、第１の周波数（領域Ａ）及び第２の周波数（領域Ｂ）の何れにおいても条件を満たすため、コントローラ１２は、送電装置１０１から受電装置２０１への電力伝送を開始すると判定する。

図４の波形（３）及び波形（４）は、受電装置２０１が送電装置１０１の給電可能範囲外に載置されている場合、又は給電対象が正規の受電装置２０１でない場合の周波数特性である。波形（３）及び波形（４）の場合、第２の周波数（領域Ｂ）では、条件を満たしているが、第１の周波数（領域Ａ）では、条件を満たしていない。したがって、コントローラ１２は、送電装置１０１から受電装置２０１への電力伝送を開始しないと判定する。

図４の波形（５）は、送電装置１０１に受電装置２０１を載置していない場合の周波数特性である。この波形（５）の場合、第１の周波数（領域Ａ）、及び第２の周波数（領域Ｂ）では条件を満たしていない。したがって、コントローラ１２は、送電装置１０１から受電装置２０１への電力伝送を開始しないと判定する。

また、第１の周波数及び第２の周波数の間の周波数である第３の周波数（図中領域Ｃ）をさらに設定し、第１の周波数及び第２の周波数の判定条件に加え、第３の周波数で、範囲内の少なくとも一部の検出した入力電圧ＤＣＶが閾値１００ｍＶ以下であるか否かを判定して、正規の受電装置２０１が送電装置１０１の給電可能範囲に載置されているか否かを判定するようにしてもよい。第３の周波数は、第１の周波数、及び第２の周波数の間であって、入力電圧ＤＣＶが極小値をとる周波数である。この例では、第３の周波数は約４００ｋＨｚ（±２５ｋＨｚ）である。さらに、第３の周波数では、入力電圧ＤＣＶは約１００ｍＶの以下で極小値をとる。

図４の波形（１）及び波形（２）の場合、第１の周波数（領域Ａ）では、入力電圧ＤＣＶは２５０ｍＶ〜４５０ｍＶの範囲内で極大値をとり、第２の周波数（領域Ｂ）、及び第３の周波数（領域Ｃ）では、入力電圧ＤＣＶは１００ｍＶ以下である。すなわち、第１の周波数（領域Ａ）、第２の周波数（領域Ｂ）及び第３の周波数（領域Ｃ）の何れにおいても条件を満たすため、コントローラ１２は、送電装置１０１から受電装置２０１への電力伝送を開始すると判定する。

図４の波形（３）及び波形（４）の場合、第２の周波数（領域Ｂ）では、条件を満たしているが、第１の周波数（領域Ａ）、及び第３の周波数（領域Ｃ）では、条件を満たしていない。したがって、コントローラ１２は、送電装置１０１から受電装置２０１への電力伝送を開始しないと判定する。

図４の波形（５）の場合、第３の周波数（領域Ｃ）では条件を満たしているが、第１の周波数（領域Ａ）、及び第２の周波数（領域Ｂ）では条件を満たしていない。したがって、コントローラ１２は、送電装置１０１から受電装置２０１への電力伝送を開始しないと判定する。

さらに、第１の周波数より高域側の第４の周波数（領域Ｄ）を設定し、第１の周波数及び第２の周波数の判定条件に加え、第４の周波数で、範囲内の少なくとも一部の検出した入力電圧ＤＣＶが所定範囲内であるか否かを判定し、すべての条件を満たす場合に、正規の受電装置２０１が送電装置１０１の給電可能範囲に載置されていると判定するようにしてもよい。第４の周波数は、第１の周波数より高域側であって、正規の受電装置２０１を送電装置１０１の正位置に載置した場合に、入力電圧ＤＣＶが略０ｍＶ近傍となる周波数である。送電装置１０１に給電対象物が搭載されていない場合、又は、金属片等の異物が搭載されている場合は、第４の周波数（領域Ｄ）での入力電圧ＤＣＶが一定値以上となることがあり、そのような場合に、さらに精度よく判別が行える。

なお、第１の周波数、第２の周波数、第３の周波数及び第４の周波数それぞれで、検出した入力電圧ＤＣＶが所定範囲内であるか否かを判定し、すべての条件を満たす場合に、正規の受電装置２０１が送電装置１０１の給電可能範囲に載置されていると判定するようにしてもよい。

図５は、送電装置１０１に金属片を置いた場合の入力電圧ＤＣＶの周波数特性の波形を示す図である。図５に示す何れの波形も、第１の周波数（領域Ａ）、第２の周波数（領域Ｂ）、及び第３の周波数（領域Ｃ）の何れの条件も満たしていない。したがって、何れの場合も、コントローラ１２は、送電装置１０１から受電装置２０１への電力伝送を開始しないと判定する。

以上のように、コントローラ１２は、第１の周波数、第２の周波数、第３の周波数及び第４の周波数それぞれの入力電圧ＤＣＶから、電力伝送の開始の有無を判定できる。次に、このコントローラ１２が実行する処理について詳述する。

図６は、コントローラ１２が実行する処理のフローチャートである。

コントローラ１２は、バイパススイッチ１７をオフにして、ＤＣ−ＡＣインバータ回路１０へ定電流を供給するように設定する（Ｓ１１）。コントローラ１２は、第２の周波数（図４の領域Ｂ）で、入力電圧ＤＣＶを検出し、その入力電圧ＤＣＶが閾値（１００ｍＶ）以下であるか否かを判定する（Ｓ１２）。詳しくは、コントローラ１２は、３００ｋＨｚを中心とした±２５ｋＨｚの帯域内で、入力電圧ＤＣＶを検出する。そして、その入力電圧ＤＣＶが閾値（１００ｍＶ）以下であるか否かを判定する。

入力電圧ＤＣＶが閾値（１００ｍＶ）以下でない場合（Ｓ１２：ＮＯ）、コントローラ１２は、正規の受電装置２０１が送電装置１０１の給電可能範囲に載置されていない、送電装置１０１の給電可能範囲に受電装置２０１が載置されていない、又は、送電装置１０１に金属片などの異物が載置されていると判定し、Ｓ１２の処理を再度実行する。再度Ｓ１２を実行する際、例えば、別の給電対象が載置されるまで所定時間待機してもよいし、外部（使用者）にエラーを通知してもよい。

入力電圧ＤＣＶが閾値（１００ｍＶ）以下の場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、コントローラ１２は、第３の周波数（図４の領域Ｃ）で、入力電圧ＤＣＶを検出し、その入力電圧ＤＣＶが閾値（１００ｍＶ）以下であるか否かを判定する（Ｓ１３）。詳しくはＳ１２と同様に、コントローラ１２は、４００ｋＨｚを中心とした±２５ｋＨｚの帯域内で、入力電圧ＤＣＶを検出する。そして、その入力電圧ＤＣＶが閾値（１００ｍＶ）以下であるか否かを判定する。

入力電圧ＤＣＶが閾値（１００ｍＶ）以下でない場合（Ｓ１３：ＮＯ）、コントローラ１２は、正規の受電装置２０１が送電装置１０１の給電可能範囲に載置されていない、送電装置１０１の給電可能範囲に受電装置２０１が載置されていない、又は、送電装置１０１に金属片などの異物が載置されていると判定し、Ｓ１２の処理へ戻る。

入力電圧ＤＣＶが閾値（１００ｍＶ）以下の場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、コントローラ１２は、第４の周波数（図４の領域Ｄ）で、入力電圧ＤＣＶを検出し、その入力電圧ＤＣＶが閾値（５０ｍＶ）以下であるか否かを判定する（Ｓ１４）。詳しくはＳ１２，Ｓ１３と同様に、コントローラ１２は、８５０ｋＨｚを中心とした±２５ｋＨｚの帯域内で、入力電圧ＤＣＶを検出する。そして、その入力電圧ＤＣＶが閾値（５０ｍＶ）以下であるか否かを判定する。

入力電圧ＤＣＶが閾値（５０ｍＶ）以下でない場合（Ｓ１４：ＮＯ）、コントローラ１２は、正規の受電装置２０１が送電装置１０１の給電可能範囲に載置されていない、送電装置１０１の給電可能範囲に受電装置２０１が載置されていない、又は、送電装置１０１に金属片などの異物が載置されていると判定し、Ｓ１２の処理へ戻る。

入力電圧ＤＣＶが閾値（５０ｍＶ）以下の場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、コントローラ１２は、スイープ（掃引）すべき周波数範囲を第１の周波数（図４の領域Ａ）に設定し、その周波数でＤＣ−ＡＣインバータ回路１０を駆動することで、アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４に印加する交流電圧の周波数を掃引する（Ｓ１５）。

コントローラ１２は、入力電圧ＤＣＶの極大値が第１の周波数にあるか否かを判定する（Ｓ１６）。極大値がない場合（Ｓ１６：ＮＯ）、コントローラ１２は、正規の受電装置２０１が送電装置１０１の給電可能範囲に載置されていない、送電装置１０１の給電可能範囲に受電装置２０１が載置されていない、又は、送電装置１０１に金属片などの異物が載置されていると判定し、Ｓ１２の処理へ戻る。

極大値がある場合（Ｓ１６：ＹＥＳ）、コントローラ１２は、その極大値が所定範囲内（２５０ｍＶ〜４５０ｍＶ）であるか否かを判定する（Ｓ１７）。所定範囲内でない場合（Ｓ１７：ＮＯ）、コントローラ１２は、正規の受電装置２０１が送電装置１０１の給電可能範囲に載置されていない、送電装置１０１の給電可能範囲に受電装置２０１が載置されていない、又は、送電装置１０１に金属片などの異物が載置されていると判定し、Ｓ１２の処理へ戻る。所定範囲内である場合（Ｓ１７：ＹＥＳ）、コントローラ１２は、検出した極大値を、電力伝送を行うための駆動周波数に決定する（Ｓ１８）。そして、コントローラ１２は、決定した駆動周波数で電力伝送を行う（Ｓ１９）。

なお、図６に示す処理は、コントローラ１２が実行する処理の一例であり、コントローラ１２が実行する処理は、図６に限定されるものでない。

また、各実施例では直接的に電圧を検出しているが、これは、実質的には送電装置１０１内において、送電装置１０１のアクティブ電極１３とパッシブ電極１４側を視た入力インピーダンスの変化を検出している。つまり、受電装置２０１又は金属片などの異物等の送電装置１０１外の外的要因により生じる、送電装置１０１のアクティブ電極１３及びパッシブ電極１４側を視た入力インピーダンスの周波数特性の変化を電圧の変化として検出し、電力伝送判定を行っている。例えば、電流の周波数特性を検出することによって電力伝送判定を行ってもよい。また、電圧又は電流の検出位置も、ＤＣ−ＡＣインバータ回路１０の前後、昇圧トランスＴ１の前後に限らず、直接的又は間接的に送電装置２０１のアクティブ電極２３及びパッシブ電極２４側を視た入力インピーダンスの周波数特性を読取れる位置であれば、何れの箇所で検出してもよい。

さらに、各実施例では電界結合方式のワイヤレス電力伝送システムについて述べたが、電界結合方式に限定されるものでない。例えば磁界結合方式のワイヤレス電力伝送システムであってもよい。この場合、送電装置及び受電装置それぞれに共振回路を設け、同様に受電装置又は金属片などの異物等の送電装置外の外的要因により生じる入力インピーダンスの周波数特性の変化を電圧の変化として検出し、電力伝送判定を行う。

１…ワイヤレス電力伝送システム
１０…ＤＣ−ＡＣインバータ回路
１１…ドライバ（周波数調整回路）
１２…コントローラ（検出回路、第１判定手段、第２判定手段、第３判定手段、第４判定手段、電力判定手段）
１３…アクティブ電極
１４…パッシブ電極
１５…並列共振回路
１６…直列共振回路（送電側共振回路）
１７…バイパススイッチ
２０…ＤＣ−ＤＣコンバータ
２３…アクティブ電極
２４…パッシブ電極
２５…並列共振回路（外部共振回路、受電側共振回路）
１０１…送電装置
２０１…受電装置（外部装置）
Ｃ１…キャパシタ
Ｃ２…キャパシタ
Ｃ３…平滑キャパシタ
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４…ダイオード
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４…スイッチ素子
Ｒ１…抵抗
Ｒ２，Ｒ３…分圧抵抗（検出回路）
ＲＬ…負荷回路
Ｔ１…昇圧トランス
Ｔ２…降圧トランス

Claims (12)

1. 外部共振回路が接続された外部電力伝送作用部を備える外部装置に、ワイヤレスに電力伝送する送電装置において、
   前記外部電力伝送作用部へ電力を伝送する送電側電力伝送作用部と、
   前記送電側電力伝送作用部に接続された送電側共振回路と、
   前記送電側共振回路を介して前記送電側電力伝送作用部に交流電圧を印加する交流発生回路と、
   前記交流電圧の周波数を変化させる周波数調整回路と、
   前記交流電圧の周波数毎に、前記送電側電力伝送作用部側の入力インピーダンスを検出する検出回路と、
   前記外部共振回路、及び前記送電側共振回路の共振周波数により決定される第１の周波数範囲で、前記検出回路が検出した入力インピーダンスが、所定のインピーダンス範囲内に含まれるか否かを判定する第１判定手段と、
   前記第１の周波数範囲により決定され、前記第１の周波数範囲より低域側の第２の周波数範囲で、前記検出回路が検出した入力インピーダンスが所定のインピーダンス範囲内に含まれるか否かを判定する第２判定手段と、
   前記第１判定手段の判定結果が真、かつ、前記第２判定手段の判定結果が真である場合に、電力伝送を行うべき状態と判定する電力伝送判定手段と、
   を備える、送電装置。
2. 前記外部電力伝送作用部は第１外部電極、及び、第２外部電極であり、
   前記送電側電力伝送作用部は、前記第１外部電極と対向し容量結合する送電側第１電極、及び、前記第２外部電極と対向し容量結合する又は直接導通する送電側第２電極であり、
   前記交流発生回路は、前記送電側第１電極及び前記送電側第２電極に前記交流電圧を印加する、
   請求項１に記載の送電装置。
3. 前記交流発生回路は、直流電圧から交流電圧に変換する直流交流変換回路を含み、
   前記検出回路は、前記直流交流変換回路の入力側から前記外部電力伝送作用部側を視た入力インピーダンスを検出する、
   請求項１または２に記載の送電装置。
4. 前記第１の周波数範囲及び前記第２の周波数範囲の間の第３の周波数範囲で、前記検出回路が検出した入力インピーダンスが、所定のインピーダンス範囲内に含まれるか否かを判定する第３判定手段
   を備え、
   前記電力伝送判定手段は、
   前記第１判定手段の判定結果が真、前記第２判定手段の判定結果が真、かつ、前記第３判定手段の判定結果が真である場合に、電力伝送を行うべき状態と判定する、
   請求項１から３の何れかに記載の送電装置。
5. 前記第１の周波数範囲により決定され、前記第１の周波数範囲より高域側の第４の周波数範囲に含まれる、前記検出回路により検出された入力インピーダンスが、所定のインピーダンス範囲内に含まれるか否かを判定する第４判定手段
   を備え、
   前記電力伝送判定手段は、
   前記第１判定手段の判定結果が真、前記第２判定手段の判定結果が真、かつ、前記第４判定手段の判定結果が真である場合に、電力伝送を行うべき状態と判定する、
   請求項１から３の何れかに記載の送電装置。
6. 前記第１の周波数範囲及び前記第２の周波数範囲の間の第３の周波数範囲で、前記検出回路が検出した入力インピーダンスが、所定のインピーダンス範囲内に含まれるか否かを判定する第３判定手段、及び、前記第１の周波数範囲により決定され、前記第１の周波数範囲より高域側の第４の周波数範囲に含まれる、前記検出回路により検出された入力インピーダンスが、所定のインピーダンス範囲内に含まれるか否かを判定する第４判定手段
   を備え、
   前記電力伝送判定手段は、
   前記第１判定手段の判定結果が真、前記第２判定手段の判定結果が真、前記第３判定手段の判定結果が真、かつ、前記第４判定手段の判定結果が真である場合に、電力伝送を行うべき状態と判定する、
   請求項１から３のいずれかに記載の送電装置。
7. 前記第２の周波数範囲は、前記第１の周波数範囲の１／２倍である、請求項１から６の何れかに記載の送電装置。
8. 前記第２判定手段は、前記第２の周波数範囲において、前記検出回路が検出した入力インピーダンスが特定の閾値以下であるか否かを判定する、
   請求項１から７の何れかに記載の送電装置。
9. 前記第３判定手段は、前記第３の周波数範囲において、前記検出回路が検出した入力インピーダンスが特定の閾値以下であるか否かを判定する、
   請求項４又は６に記載の送電装置。
10. 前記第４判定手段は、前記第４の周波数範囲において、前記検出回路が検出した入力インピーダンスが特定の閾値以下であるか否かを判定する、
    請求項５又は６に記載の送電装置。
11. 送電側電力伝送作用部と、前記送電側電力伝送作用部に接続された送電側共振回路と、前記送電側共振回路を介して前記送電側電力伝送作用部に交流電圧を印加する交流発生回路とを有する送電装置と、
    前記送電側電力伝送作用部から電力が伝送される受電側電力伝送作用部と、前記受電側電力伝送作用部に接続された受電側共振回路と有し、前記送電装置から伝送された電力を負荷へ供給する受電装置と、
    を備え、
    前記送電装置は、
    前記交流電圧の周波数を変化させる周波数調整回路と、
    前記交流電圧の周波数毎に、前記送電側電力伝送作用部側の入力インピーダンスを検出する検出回路と、
    前記受電側共振回路、及び前記送電側共振回路の共振周波数により決定される第１の周波数範囲で、前記検出回路が検出した入力インピーダンスが、所定のインピーダンス範囲内に含まれるか否かを判定する第１判定手段と、
    前記第１の周波数範囲により決定され、前記第１の周波数範囲より低域側の第２の周波数範囲で、前記検出回路が検出した入力インピーダンスが所定のインピーダンス範囲内に含まれるか否かを判定する第２判定手段と、
    前記第１判定手段の判定結果が真、かつ、前記第２判定手段の判定結果が真である場合に、電力伝送を行うべき状態と判定する電力伝送判定手段と、
    を有する、ワイヤレス電力伝送システム。
12. 外部共振回路を備える外部装置の外部電力伝送作用部へ電力を伝送する送電側電力伝送作用部と、
    前記送電側電力伝送作用部に接続された送電側共振回路と、
    前記送電側共振回路を介して前記送電側電力伝送作用部に交流電圧を印加する交流発生回路と、
    を備える送電装置で実行する電力伝送判別方法において、
    前記交流電圧の周波数を変化させる周波数調整ステップと、
    前記交流電圧の周波数毎に、前記送電側電力伝送作用部側の入力インピーダンスを検出する検出ステップと、
    前記外部共振回路、及び前記送電側共振回路の共振周波数により決定される第１の周波数範囲で、前記検出ステップが検出した入力インピーダンスが、所定のインピーダンス範囲内に含まれるか否かを判定する第１判定ステップと、
    前記第１の周波数範囲により決定され、前記第１の周波数範囲より低域側の第２の周波数範囲で、前記検出回路が検出した入力インピーダンスが所定のインピーダンス範囲内に含まれるか否かを判定する第２判定ステップと、
    前記第１判定ステップの判定結果が真、かつ、前記第２判定ステップの判定結果が真である場合に、電力伝送を行うべき状態と判定する電力伝送判定ステップと、
    を備える、電力伝送判別方法。

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