WO2013145281A1

WO2013145281A1 - 盗電検査装置及び盗電検査方法

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Publication number: WO2013145281A1
Application number: PCT/JP2012/058651
Authority: WO
Inventors: 俵木　祐二
Original assignee: パイオニア株式会社
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-03
Also published as: US9476917B2; US20150035558A1; JPWO2013145281A1; JP5888825B2

Abstract

　盗電検査装置（１００）は、受電装置（２０）の受電部（２３）と対向して配置される送電部（１３）と、該送電部に交流電力を供給する電力供給部（１２）とを備える送電装置（１０）に搭載される。該盗電検査装置は、送電部を電力供給部から電気的に切り離すと共に、送電部の入力部を短絡可能な短絡手段（ＳＷ１、ＳＷ２）と、送電部に流れる電流を検出する電流検出手段（１０２）と、盗電検査時に、（ｉ）送電部を電力供給部から電気的に切り離すと共に、送電部の入力部を短絡するように短絡手段を制御し、更に、（ｉｉ）受電装置に対して受電部の開放要求を示す信号を送信する制御手段（１０１）と、盗電検査時に、検出された電流に応じて、盗電されているか否かを判定する判定手段（１０１）と、を備える。

Description

盗電検査装置及び盗電検査方法

　本発明は、非接触により電力を授受可能な電力伝送システムにおける盗電の有無を検出する盗電検査装置及び盗電検査方法の技術分野に関する。

　この種の装置として、例えば、コイルによって構成され、送電部の周囲に形成される振動磁場を検知する検知部を備え、該検知部により検知された振動磁場の状態に基づいて盗電されているか否かを判定する装置が提案されている（特許文献１参照）。

特許第４６６５９９１号

　しかしながら、特許文献１に記載の技術では、盗電に起因して振動磁場が変化する可能性はあるが、判定基準の設定が困難になる可能性があるという技術的問題点がある。

　本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、盗電の有無を比較的容易に検出することができる盗電検査装置及び盗電検査方法を提供することを課題とする。

　但し、本発明では、電力の送受電にＬＣＲ共振回路による磁界共鳴方式を用いる装置を対象としている。また、盗電する際には大きな効率を得ようとすることが想定されるので、本発明では、盗電機器についてもＬＣＲ共振回路による磁界共鳴方式で盗電を行う機器を想定している。

　本発明の盗電検査装置は、上記課題を解決するために、受電装置の受電部と対向して配置される送電部と、前記送電部に交流電力を供給する電力供給部とを備える送電装置に搭載され、前記送電部を前記電力供給部から電気的に切り離すと共に、前記送電部の入力部を短絡可能な短絡手段と、前記送電部に流れる電流を検出する電流検出手段と、盗電検査時に、（ｉ）前記送電部を前記電力供給部から電気的に切り離すと共に、前記送電部の入力部を短絡するように前記短絡手段を制御し、更に、（ｉｉ）前記受電装置に対して前記受電部の開放要求を示す信号を送信する制御手段と、前記盗電検査時に、前記検出された電流に応じて、盗電されているか否かを判定する判定手段と、を備える。

　本発明の盗電検査装置によれば、当該盗電検査装置は、送電装置に搭載される。該送電装置は、受電装置の送電部と対向して配置される送電部と、該送電部に交流電力を供給する電力供給部とを備える。送電装置と受電装置とは、送電部及び受電部が磁界共鳴により互いに結合されることで、非接触で電力の授受を行う。

　短絡手段は、送電部を電力供給部から電気的に切り離すと共に、該送電部の入力部を短絡可能に構成されている。「送電部の入力部」とは、送電部のうち、送電部と電力供給部とを電気的に接続する配線が、電気的・機械的に接続される部分を意味する。「送電部の入力部」は、典型的には、二つの端子を有している。該二つの端子間が電気的に接続されることにより、「入力部の短絡」が実現される。

　例えば電流センサ等である電流検出手段は、送電部に流れる電流を検出する。ここで、送電部は、インダクタ要素とキャパシタ要素とを有している。このため、送電部に交流電力が供給された後に、送電部の入力部が短絡された場合、送電部における振動電流は次第に減衰することとなる。

　例えばメモリ、プロセッサ等を備えてなる制御手段は、盗電検査時に、（ｉ）送電部を電力供給部から電気的に切り離すと共に、送電部の入力部を短絡するように短絡手段を制御し、更に、（ｉｉ）受電装置に対して受電部の開放要求を示す信号を送信する。

　ここで、磁界共鳴方式を用いた電力伝送では以下の事項が成立する。即ち、制御手段からの受電部の開放要求を示す信号に応じて、受電装置が受電部を開放した場合、受電部が無い場合と同じになるので、盗電されていなければ、送電部に蓄えられたエネルギーは送電部のみで消費される。このため、送電部における振動電流は、該送電部に係るＱ値と共振周波数に応じて指数関数的に単純に減衰する。他方で、制御手段からの受電部の開放要求を示す信号に応じて、受電装置が受電部を開放した場合、盗電されていると、送電部に蓄えられたエネルギーが盗電を行っている機器により過剰に消費されるため、送電部における振動電流は、盗電されていない場合よりも早く減衰し、かつ減衰の包絡線も異なった変化をすることとなる。

　そこで本発明では、例えばメモリ、プロセッサ、コンパレータ等を備えてなる判定手段により、盗電検査時に、検出されたに電流応じて、盗電されているか否かが判定される。送電部のＱ値と共振周波数は設計時に確定しているので、盗電されていない場合の盗電検査時に検出された電流変化は既知である。それと異なる電流変化を検出・判定することにより、盗電の有無を比較的容易に検出することができる。特に、上述した特許文献１に記載された技術とは異なり、盗電検知用のコイルを、送電部とは別に設ける必要がないので、例えば製造コストの増加等を防止することができる。

　本発明の盗電検査装置の一態様では、前記判定手段は、前記送電部の入力部が短絡された後の所定期間における前記検出された電流に係る減衰の時定数に基づいて、盗電されているか否かを判定する。

　盗電されていない場合の送電部における電流減衰の時定数は、設計時に確定している送電部のＱ値と共振周波数から正確に予測可能である。従って、本発明の盗電検査装置によれば、基準値となる盗電されていない場合の時定数が既知であるので、盗電検査時の時定数が基準値より小であることにより、盗電されているか否かを容易に判定することができ、実用上非常に有利である。

　本発明の盗電検査装置の他の態様では、前記制御手段は、前記盗電検査時に、前記送電部を前記電力供給部から電気的に切り離すと共に、前記送電部の入力部を短絡するように前記短絡手段を制御する前に、前記送電部に供給される交流電力を低下するように、前記電力供給部を制御する。

　この態様によれば、送電部の入力部を短絡した場合に、該送電部に大電流が流れることを防止することができ、実用上非常に有利である。

　本発明の盗電検査方法は、上記課題を解決するために、受電装置の受電部と対向して配置される送電部と、前記送電部に交流電力を供給する電力供給部とを備える送電装置に搭載され、前記送電部を前記電力供給部から電気的に切り離すと共に、前記送電部の入力部を短絡可能な短絡手段と、前記送電部に流れる電流を検出する電流検出手段と、を備える盗電検査装置における盗電検査方法であって、盗電検査時に、（ｉ）前記送電部を前記電力供給部から電気的に切り離すと共に、前記送電部の入力部を短絡するように前記短絡手段を制御し、更に、（ｉｉ）前記受電装置に対して前記受電部の開放要求を示す信号を送信する制御工程と、前記盗電検査時に、前記検出された電流に応じて、盗電されているか否かを判定する判定工程と、を備える。

　本発明の盗電検査方法によれば、上述した本発明の盗電検査装置と同様に、盗電の有無を比較的容易に検出することができる。

　本発明の盗電検査方法においても、上述した本発明の盗電検査装置に係る各種態様と同様の各種態様を採ることができる。

　本発明のコンピュータプログラムは、上記課題を解決するために、受電装置の受電部と対向して配置される送電部と、前記送電部に交流電力を供給する電力供給部とを備える送電装置に搭載され、前記送電部を前記電力供給部から電気的に切り離すと共に、前記送電部の入力部を短絡可能な短絡手段と、前記送電部に流れる電流を検出する電流検出手段と、を備える盗電検査装置に搭載されたコンピュータを、盗電検査時に、（ｉ）前記送電部を前記電力供給部から電気的に切り離すと共に、前記送電部の入力部を短絡するように前記短絡手段を制御し、更に、（ｉｉ）前記受電装置に対して前記受電部の開放要求を示す信号を送信する制御手段と、前記盗電検査時に、前記検出された電流に応じて、盗電されているか否かを判定する判定手段と、して機能させる。

　本発明のコンピュータプログラムによれば、当該コンピュータプログラムを格納するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｄｉｓｃ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＶＤ－ＲＯＭ（ＤＶＤ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）等の記録媒体から、当該コンピュータプログラムを、盗電検査装置に備えられたコンピュータに読み込んで実行させれば、或いは、当該コンピュータプログラムを通信手段を介してダウンロードさせた後に実行させれば、上述した本発明の盗電検査装置を比較的容易にして実現できる。これにより、上述した本発明の盗電検査置と同様に、盗電の有無を比較的容易に検出することができる。

　本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。

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概念図である。（ａ）盗電が無い場合の送電アンテナを流れる電流の時間変動の一例と、（ｂ）盗電が有る場合の送電アンテナを流れる電流の時間変動の一例とである。実施形態に係る盗電検知部内の判定回路を示すブロック図である。送電アンテナを流れる電流と、該電流に応じた積分回路の出力との時間変動の一例である。

　以下、本発明の盗電検査装置に係る実施形態について、図面に基づいて説明する。

　先ず、実施形態に係る無線電力伝送システムについて、図１を参照して説明する。図１は、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概念図である。

　図１において、無線電力伝送システムは、送電装置１０と受電装置２０とを備えて構成されている。当該無線電力伝送システムでは、磁界共鳴により、送電装置１０及び受電装置２０間において、非接触で電力の授受が行われる。

　送電装置１０は、交流電源１１、送電制御部１２及び送電アンテナ１３を備えて構成されている。送電アンテナ１３は、インダクタンスＬ１のコイル、キャパシタンスＣ１のキャパシタ、レジスタンスＲ１の抵抗を有した直列共振回路である。図１の表記は等価回路表現であり、Ｃ１、Ｒ１のいずれかが実体として存在しない場合（例えばＣ１が寄生容量である場合）も包含する。また、使用周波数での送電アンテナ１３の周波数特性が厳密にこの等価回路に一致しなくとも、近似的に等価である場合も包含する。

　受電装置２０は、例えばバッテリ等の負荷２１、受電制御部２２及び受電アンテナ２３を備えて構成されている。受電アンテナ２３は、送電アンテナ１３と同様の等価回路表現であり、インダクタンスＬ２のコイル、キャパシタンスＣ２のキャパシタ、レジスタンスＲ２の抵抗を有した直列共振回路である。Ｃ２、Ｒ２のいずれかが実体として存在しない場合も包含する。また、使用周波数での受電アンテナ２３の周波数特性が厳密にこの等価回路に一致しなくとも、近似的に等価である場合も包含する。受電装置２０には、受電アンテナ２３を、負荷２１等から電気的に切り離すことが可能なスイッチＳＷ３が設けられている。

　盗電機器２００は、詳細は省略したが受電装置２０と同等の構成を有している。主な構成要素は盗電負荷と、盗電アンテナである。盗電アンテナはやはりインダクタンスＬsのコイル、キャパシタンスＣｓのキャパシタ、レジスタンスＲｓの抵抗を有した等価回路で表現している。当然のことながら、盗電機器２００は受電機器とは異なり、盗電検知部１０１によって盗電負荷から盗電アンテナを電気的に切り離すことはできない。

　本実施形態では、送電アンテナ１３及び受電アンテナ２３、盗電アンテナ各々の回路構成は、共通の共振周波数で直列共振となるＬＣＲ共振回路と等価である。

　盗電検査装置１００は、盗電検知部１０１と、電流検出器１０２と、送電アンテナ１３を交流電源１１から電気的に切り離すことが可能なスイッチＳＷ１と、送電アンテナ１３の入力部を短絡可能なスイッチＳＷ２と、を備えて構成されている。尚、送電装置１０から受電装置２０へ電力が供給される際には、スイッチＳＷ１はＯＮとされ、スイッチＳＷ２はＯＦＦとされる。

　盗電検査時には、盗電検知部１０１は以下の３点の動作を司る。

　（１）盗電検知部１０１は、盗電検査時に、スイッチＳＷ１をＯＦＦとすると共に、スイッチＳＷ２をＯＮとする。盗電検知部１０１は、更に、受電装置２０に対して、スイッチＳＷ３のＯＦＦを要求する信号を送信する。

　ここで特に、盗電検知部１０１は、スイッチＳＷ１をＯＦＦする前に、送電アンテナ１３に供給される交流電力を低下するように、交流電源１１を制御する。これにより、送電アンテナ１３が短絡された後に、該送電アンテナ１３に大電流が流れることを防止することができる。

　（２）盗電検知部１０１は、受電装置２０に対してスイッチＳＷ３の制御を行う。受電装置２０がスイッチＳＷ３をＯＦＦとすると、受電アンテナ２３が開放され、受電アンテナ２３内の電流がゼロとなる。つまり、送電装置１０にとっては、受電アンテナ２３が取り払われた状態と同じ状態となる。加えて、送電アンテナ１３が短絡されることにより、該送電アンテナ１３内の電流は増加することなく、レジスタンスＲ１等によって減衰することになる。

　（３）盗電検知部１０１は、送電アンテナ１３が短絡された後の、電流検出器１０２により検出された電流に応じて、盗電がされているか否かを判定する。

　次に、盗電の判定方法について、図２乃至図４を参照して説明を加える。

　初めに送電アンテナ１３を流れる電流変化の理論的な説明を行う。この説明は、前提として磁界共鳴方式を用いた電力伝送システムであり、かつ送受電アンテナと盗電アンテナの共振周波数が共通の値ω０である場合に成り立つ。

　図２は、（ａ）盗電が無い場合の送電アンテナ１３を流れる電流の時間変動の一例と、（ｂ）盗電が有る場合の送電アンテナを流れる電流の時間変動の一例とである。

　先ず、盗電が無い場合の図２（ａ）について説明する。上述の如く、盗電検査時には、受電アンテナ２３が取り払われた場合と同じになるので、盗電されていなければ、送電アンテナ１３に蓄えられたエネルギーは送電アンテナ１３内のレジスタンスＲ１のみで消費される。理論計算によれば、送電部における振動電流の時間変化Ｉ＿ｏｒｇ（ｔ）は

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
となる。ここで、Ｉ０は盗電検査開始時点での送電アンテナにおける振動電流の波高値、ω０は送電アンテナの共振周波数、Ｑは送電アンテナのＱ値（ω０＊Ｌ１／Ｒ１に等しい）、τ０は記載の式で定まる時定数である。なお、共振周波数成分の初期位相項は明示していない。

　つまり、送電アンテナにおける振動電流は、該送電アンテナに係るＱ値と共振周波数に応じて指数関数的に単純に減衰する。（１）式を図示したのが図２（ａ）である。

　次に盗電がされている場合の図２（ｂ）について説明する。盗電検査時に盗電されている場合には、送電アンテナ１３に蓄えられたエネルギーが盗電を行っている機器により過剰に消費される。盗電アンテナも送電アンテナと同じ共振周波数ω０を有する場合、理論計算によれば、送電アンテナにおける振動電流の時間変化Ｉ＿ｓｔｅａｌ（ｔ）は、

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
となる。ここで、Ｉ１は盗電検査開始時点での送電アンテナにおける振動電流の波高値、ω０は送電アンテナと盗電アンテナの共振周波数、ｋは送電アンテナと盗電アンテナ間の結合係数、Φは盗電検査開始時点の状態で定まる初期位相、τ１は送電アンテナと盗電アンテナの状態で定まる時定数である。なお、共振周波数成分の初期位相項は明示していない。（２）式を図示したのが図２（ｂ）である。

　上記（１）、（２）式における、電流減衰の時定数τ０とτ１を比較すると、τ０＞τ１である。つまり、送電アンテナにおける振動電流は、盗電されていない場合よりも早く減衰し、かつ包絡線も異なった変化をすることとなる。

　このように、盗電の有無により、図２（ａ）と図２（ｂ）（または（１）、（２）式）から明らかなように、盗電検査区間での送電アンテナにおける振動電流の変化の様相は異なる。

　本願発明者は、送電アンテナ１３における電流の減衰の違いによって盗電の有無が容易に判定可能なことに着目し、上記の電流減衰の時定数τ０またはτ１（以下時定数と呼ぶ）を測定できる回路を盗電検知部１０１に組み込んだ。

　図３は、実施形態に係る盗電検知部１０１内の判定回路を示すブロック図である。時定数を簡易に測定できる回路例として、ピークホールド回路１１１、２値化回路１１２、積分回路１１３及び２値化回路１１４を有するように構成した。

　図４は判定回路の各部の信号波形を示している。これを用いて判定回路の動作を説明する。なお、図４では省略したが、判定回路の積分回路１１３は検出区間開始時にリセットする。リセットは、例えば積分回路がコンデンサを用いて構成されている場合にはコンデンサを放電することで行う。

　ピークホールド回路１１１は、電流検出器１０２により検出された電流（図４（ａ）参照）から、図４（ｂ）に示すような電流の値が正の場合の包絡線に相当する電圧を出力する。次に、２値化回路１１２は、所定の２値化レベルに応じて、ピークホールド回路１１１の出力を２値化する。この所定の２値化レベルは、例えば検出区間開始時の電流値の１／５～１／１０程度に設定する。

　盗電されている場合には、送電アンテナ１３における電流が比較的急に減衰するので、図４（ｃ）に示すように、比較的早期に、２値化回路１１２の出力が“ゼロ”となる。つまり、検出区間（図２参照）のほとんどの区間で“ゼロ”となる。他方で、盗電されていない場合は、送電アンテナ１３における電流が比較的緩やかに減衰するので、２値化回路１１２の出力は、検出区間（期間）（図２参照）のほとんどの区間で“１”となる。すると、積分回路１１３は２値化回路１１２の出力を積分するので、盗電されている場合と盗電されてない場合とで、検出区間での積分回路１１３の出力（図４（ｄ）参照）に大きな違いが生じる。

　このため、積分回路１１３の出力が、適切な判定レベルを設定された２値化回路１１４に入力されると、盗電されている場合は、検出区間終了時点において、２値化回路１１４から“１”が出力されることはない。他方、盗電されていない場合は、検出区間終了時点で２値化回路１１４から“１”が出力されることとなる。

　従って、盗電検知部１０１は、検出区間終了時点において、２値化回路１１４から“１”が出力されなかったことを条件に、盗電されていると判定する。他方、盗電検知部１０１は、検出区間のいずれかの時点で２値化回路１１４から“１”が出力されたことを条件に、盗電されていないと判定する。

　このように、本実施形態の判定回路は、検出区間での電流の時定数を反映した積分回路１１３の出力を生成するので、非常に簡単な回路で電流の時定数を測定することが可能である。

　判定レベルについて補足する。盗電されていない場合の送電アンテナにおける電流の時定数は、設計時に確定している送電部のＱ値と共振周波数ω０から正確に予測可能である。従って、盗電されていない場合の積分回路１１３の出力値は容易に予測できる。この値に比してより小さい値を判定レベルとすることで、確実に盗電の有無が判定可能となる。

　本実施例における判定回路は簡易に実現できるものの一例であって、他の手法でも実現可能である。例えば、ピークホールド回路１１１の出力をＡＤ変換し、マイクロプロセッサで演算処理することにより、プログラムを用いて時定数を求め、その時定数が盗電が無い場合より小であることによって盗電判定を行うことも可能である。さらに、高度な信号処理を行うことにより、電流変化の形状の差により盗電判定を行うことも可能である。

　尚、検出区間は、送電アンテナ１３における共振周波数をω_０とした場合に、“２Ｑ／ω_０”以上とすることが望ましい。また、盗電検査は、例えば数分～数十分程度の間隔等で、周期的に、実施されることが望ましい。

　実施形態に係る「送電制御部１２」、「送電アンテナ１３」、「受電アンテナ２３」及び「電流検出器１０２」は、夫々、本発明に係る「電力供給部」、「送電部」、「受電部」及び「電流検出手段」の一例である。実施形態に係る「スイッチＳＷ１」及び「スイッチＳＷ２」は、本発明に係る「短絡手段」の一例である。実施形態に係る「盗電検知部１０１」は、本発明に係る「制御手段」及び「判定手段」の一例である。

　本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う盗電検査装置及び盗電検査方法もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

　１０…送電装置、１１…交流電源、１２…送電制御部、１３…送電アンテナ、２０…受電装置、２１…負荷、２２…受電制御部、２３…受電アンテナ、１００…盗電検査装置、１０１…盗電検知部、１０２…電流検出器、２００…盗電機器、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３…スイッチ

Claims

　受電装置の受電部と対向して配置される送電部と、前記送電部に交流電力を供給する電力供給部とを備える送電装置に搭載され、
　前記送電部を前記電力供給部から電気的に切り離すと共に、前記送電部の入力部を短絡可能な短絡手段と、
　前記送電部に流れる電流を検出する電流検出手段と、
　盗電検査時に、（ｉ）前記送電部を前記電力供給部から電気的に切り離すと共に、前記送電部の入力部を短絡するように前記短絡手段を制御し、更に、（ｉｉ）前記受電装置に対して前記受電部の開放要求を示す信号を送信する制御手段と、
　前記盗電検査時に、前記検出された電流に応じて、盗電されているか否かを判定する判定手段と、
　を備えることを特徴とする盗電検査装置。
　前記判定手段は、前記送電部の入力部が短絡された後の所定期間における前記検出された電流に係る減衰の時定数に基づいて、盗電されているか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の盗電検査装置。
　前記制御手段は、前記盗電検査時に、前記送電部を前記電力供給部から電気的に切り離すと共に、前記送電部の入力部を短絡するように前記短絡手段を制御する前に、前記送電部に供給される交流電力を低下するように、前記電力供給部を制御することを特徴とする請求項１に記載の盗電検査装置。
　受電装置の受電部と対向して配置される送電部と、前記送電部に交流電力を供給する電力供給部とを備える送電装置に搭載され、前記送電部を前記電力供給部から電気的に切り離すと共に、前記送電部の入力部を短絡可能な短絡手段と、前記送電部に流れる電流を検出する電流検出手段と、を備える盗電検査装置における盗電検査方法であって、
　盗電検査時に、（ｉ）前記送電部を前記電力供給部から電気的に切り離すと共に、前記送電部の入力部を短絡するように前記短絡手段を制御し、更に、（ｉｉ）前記受電装置に対して前記受電部の開放要求を示す信号を送信する制御工程と、
　前記盗電検査時に、前記検出された電流に応じて、盗電されているか否かを判定する判定工程と、
　を備えることを特徴とする盗電検査方法。
　受電装置の受電部と対向して配置される送電部と、前記送電部に交流電力を供給する電力供給部とを備える送電装置に搭載され、前記送電部を前記電力供給部から電気的に切り離すと共に、前記送電部の入力部を短絡可能な短絡手段と、前記送電部に流れる電流を検出する電流検出手段と、を備える盗電検査装置に搭載されたコンピュータを、
　盗電検査時に、（ｉ）前記送電部を前記電力供給部から電気的に切り離すと共に、前記送電部の入力部を短絡するように前記短絡手段を制御し、更に、（ｉｉ）前記受電装置に対して前記受電部の開放要求を示す信号を送信する制御手段と、
　前記盗電検査時に、前記検出された電流に応じて、盗電されているか否かを判定する判定手段と、
　して機能させることを特徴とするコンピュータプログラム。