(57)【要約】【課題】      本発明は、汚れ等に起因する送電電極及び受電電極の接触不良の際にも安定して電気信号を伝送することを可能とする伝送システム等を提供することを目的とする。【解決手段】  送電する送電装置と、受電する受電装置とを備える伝送システムであって、前記送電装置は、交流電力を送電する送電電極を有し、前記受電装置は、前記交流電力を受電する受電電極を有し、前記送電電極は、前記受電電極に接触して前記交流電力を送電する、伝送システムである。【選択図】  図１
2014135880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電する送電装置と、受電する受電装置とを備える伝送システムであって、
前記送電装置は、交流電力を送電する送電電極を有し、
前記受電装置は、前記交流電力を受電する受電電極を有し、
前記送電電極は、前記受電電極に接触して前記交流電力を送電する、伝送システム。
【請求項２】
前記送電装置が前記送電電極と直列に内部コンデンサを有するか、前記受電装置が前記受電電極と直列に内部コンデンサを有するか、又は、前記送電装置及び前記受電装置がそれぞれ前記送電電極及び前記受電電極と直列に内部コンデンサを有し、
前記送電電極は、前記受電電極と接合コンデンサを形成した状態でも、前記交流電力を送電する、請求項１記載の伝送システム。
【請求項３】
前記送電装置は、前記送電電極及び前記受電電極を介して前記送電装置及び前記受電装置が形成する回路の共振周波数を用いて、前記受電装置に前記交流電力を送電する、請求項２記載の伝送システム。
【請求項４】
前記共振周波数を探索する共振周波数探索部をさらに備え、
前記送電装置は、前記共振周波数探索部が探索した前記共振周波数を用いて前記交流電力を供給する、請求項３記載の伝送システム。
【請求項５】
前記受電装置は、
前記受電電極として第１受電電極及び第２受電電極と、
負荷と、
並列コンデンサとをさらに有し、
前記負荷及び前記並列コンデンサは、前記第１受電電極及び前記第２受電電極の間に並列に接続されており、
前記並列コンデンサの容量は、前記内部コンデンサの容量よりも大きい、請求項２から４のいずれかに記載の伝送システム。
【請求項６】
前記内部コンデンサの容量は、３０ｐＦ以下である、請求項２から５のいずれかに記載の伝送システム。
【請求項７】
受電装置に対して送電する送電装置であって、
前記受電装置に供給する交流電力の供給源である交流電源部と、
前記交流電力を送電する送電電極とを有し、
前記交流電源部を制御する電源制御部とを備え、
前記送電電極は、前記受電電極と接触した状態だけでなく、前記受電電極と接合コンデンサを形成した状態でも、前記交流電力を送電する、送電装置。
【請求項８】
送電装置から電力を受電する受電装置であって、
受電する受電電極と、
前記受電電極に直列に接続されたコンデンサとを備え、
前記送電装置の送電電極に接触した状態だけでなく離れた状態でも、前記送電電極から交流にて受電する、受電装置。
【請求項９】
送電する送電装置と、受電する受電装置とを備える伝送システムにおける伝送方法であって、
前記受電装置の受電電極が前記送電装置の送電電極に接触した状態で、前記送電装置が前記受電装置に交流電力を送電するステップを含む、伝送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝送システム、送電装置、受電装置及び伝送方法に関し、特に、電力を送る送電装置と、前記電力を受け取る受電装置とを備える伝送システムに関する。なお、「電力」は、電気信号を含み、以下においても同様とする。
【背景技術】
【０００２】
従来、送電装置から受電装置へ電力を伝送する伝送システムとして、例えば、給電ケーブルを受電装置である携帯端末に接続して充電する充電システムが知られていた（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２２３０７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、送電装置と受電装置とを電気的に接続する箇所が汚れ等によって接触不良を生じると、直ちに充電できない事態ともなりえた。
【０００５】
ゆえに、本発明は、汚れ等に起因する送電電極及び受電電極の接触不良の際にも安定して電気信号を伝送することを可能とする伝送システム等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の観点は、送電する送電装置と、受電する受電装置とを備える伝送システムであって、前記送電装置は、交流電力を送電する送電電極を有し、前記受電装置は、前記交流電力を受電する受電電極を有し、前記送電電極は、前記受電電極に接触して前記交流電力を送電する、伝送システムである。
【０００７】
本発明の第２の観点は、第１の観点の伝送システムであって、前記送電装置が前記送電電極と直列に内部コンデンサを有するか、前記受電装置が前記受電電極と直列に内部コンデンサを有するか、又は、前記送電装置及び前記受電装置がそれぞれ前記送電電極及び前記受電電極と直列に内部コンデンサを有し、前記送電電極は、前記受電電極と接合コンデンサを形成した状態でも、前記交流電力を送電する。
【０００８】
本発明の第３の観点は、第２の観点の伝送システムであって、前記送電装置は、前記送電電極及び前記受電電極を介して前記送電装置及び前記受電装置が形成する回路の共振周波数を用いて、前記受電装置に前記交流電力を送電する。
【０００９】
本発明の第４の観点は、第３の観点の伝送システムであって、前記共振周波数を探索する共振周波数探索部をさらに備え、前記送電装置は、前記共振周波数探索部が探索した前記共振周波数を用いて前記交流電力を供給する。
【００１０】
本発明の第５の観点は、第２から第４のいずれかの観点の伝送システムであって、前記受電装置は、前記受電電極として第１受電電極及び第２受電電極と、負荷と、並列コンデンサとをさらに有し、前記負荷及び前記並列コンデンサは、前記第１受電電極及び前記第２受電電極の間に並列に接続されており、前記並列コンデンサの容量は、前記内部コンデンサの容量よりも大きい。
【００１１】
本発明の第６の観点は、第２から第５のいずれかの観点の伝送システムであって、前記内部コンデンサの容量は、３０ｐＦ以下である。
【００１２】
本発明の第７の観点は、受電装置に対して送電する送電装置であって、前記受電装置に供給する交流電力の供給源である交流電源部と、前記交流電力を送電する送電電極とを有し、前記交流電源部を制御する電源制御部とを備え、前記送電電極は、前記受電電極と接触した状態だけでなく、前記受電電極と接合コンデンサを形成した状態でも、前記交流電力を送電する、送電装置である。
【００１３】
本発明の第８の観点は、送電装置から電力を受電する受電装置であって、受電する受電電極と、前記受電電極に直列に接続されたコンデンサとを備え、前記送電装置の送電電極に接触した状態だけでなく離れた状態でも、前記送電電極から交流にて受電する、受電装置である。
【００１４】
本発明の第９の観点は、送電する送電装置と、受電する受電装置とを備える伝送システムにおける伝送方法であって、前記受電装置の受電電極が前記送電装置の送電電極に接触した状態で、前記送電装置が前記受電装置に交流電力を送電するステップを含む、伝送方法である。
【００１５】
なお、本発明を、コンピュータを交流電源部を制御する送電制御手段として機能させるためのプログラムとしてとらえてもよい。また、そのようなプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体としてとらえてもよい。ここでいう記録媒体は、一時的に記録するものでもよいし、定常的に記録する記録媒体でもよい。
【００１６】
また、第４の観点に係る共振周波数探索部が、以下に示すものであることでさらに有用である。同様に、本発明に係る伝送方法が、対応する共振周波数探索処理を行うものであってもよい。
【００１７】
第１に、本発明に係る伝送システムが、受電装置に電力を伝送する送電装置の共振周波数を探索する共振周波数探索部であって、前記送電装置は、前記送電装置が前記受電装置に電力を伝送している状態で摂動信号が入力され、前記送電装置において前記摂動信号に応じて変動する物理量が計測されるものであり、前記送電装置が前記受電装置に電力を伝送している状態で、前記送電装置において前記摂動信号に応じて計測された前記物理量の周波数軸上の勾配を求める勾配演算手段と、前記物理量の勾配に基づき前記摂動信号の周波数を変更する周波数変更手段を備え、前記勾配演算手段は、前記周波数変更手段により変更された周波数の前記摂動信号に応じて計測された前記物理量の周波数軸上の勾配をさらに求めるものをさらに備えてもよい。
【００１８】
このとき、パワーエレクトロニクス分野において、適応最適化手法として摂動方式を用いて極値探索制御を実現することができる。すなわち、例えば、送電装置を制御するために、制御信号として、摂動信号を与える。ここで、摂動信号は、例えば正弦波励振などの摂動要素を含む信号である。送電装置においては、制御信号が摂動要素を含むために、この摂動要素に応じて、所定の物理量が変動する。勾配演算手段は、摂動要素に応じた物理量の変動を用いて、物理量の周波数軸上の勾配を求める。周波数変更手段は、この物理量の周波数軸上の勾配に基づき、共振周波数に近づくように摂動信号の周波数を変更する。勾配演算手段は、変更後の摂動信号による物理量の周波数軸上の勾配をさらに求める。これを繰り返すことにより、共振周波数を容易に探索することが可能になる。特に、送電装置が受電装置に電力を伝送する場合、制御対象が未知である。上記の摂動方式を利用することにより、例えば摂動振幅を調整する等が可能になる。そのため、例えば山登り法等よりも容易に調整をすることができる。さらに、摂動方式は、微分項が不要で、ノイズの影響も受けにくい。これは、後に説明するように、確かな数式を用いて、シミュレーション結果に基づき、説明することができる稀なものと評価することができる。
【００１９】
第２に、前記共振周波数探索部は、前記物理量は、前記送電装置が前記受電装置に対して伝送する電力量に対応して増加又は減少するものであって、前記共振周波数において最大又は最小となるものであり、前記摂動信号の摂動振幅を、前記物理量が前記共振周波数において最大になる場合に、前記物理量が基準値よりも大きいときには、前記物理量が前記基準値よりも小さいときよりも小さくし、又は、前記物理量が前記共振周波数において最小になる場合に、前記物理量が基準値よりも小さいときには、前記物理量が前記基準値よりも大きいときよりも小さくする摂動振幅決定手段を備えるものであってもよい。
【００２０】
このとき、送電装置において計測される物理量に基づき摂動信号の摂動振幅を制御することにより、共振周波数の追従を迅速に実現することができる。そのため、仮に共振周波数が変動して供給電力が低下しても、一定量以上の電力供給量の回復を容易に実現することが可能になる。すなわち、物理量が基準値以下の場合には、摂動振幅を大きくすることにより高速に共振周波数を探索して送電装置が受電装置に対して伝送する電力を一定以上確保できる状態とすることができる。また、基準値以上の場合には、摂動振幅を小さくすることにより、共振周波数探索の精度を上げ、かつ、共振周波数の変化への追従が容易にできる状態とすることにより、共振周波数の変化にも迅速に対応できる状態とすることができる。特に、受電装置においては、送電装置から供給される電力が中断する場合に備えて、一般に、一定の電力を確保する手段が設けられている。そのため、共振周波数付近になり、一定量以上の電力供給が可能となった状態では、受電装置では、一定の電力量が確保されている。その後、共振周波数が変更し、送電装置が受電装置に対して供給する電力量が低下しても、送電装置では、摂動振幅を大きくすることにより、迅速に共振周波数を探索することができる。そのため、受電装置において、電力を確保する手段は、小さな容量で済むこととなる。なお、基準値以上か以下かによる制御は、例えば、物理量によって単調に摂動振幅を増加又は減少することによって実現することができるものである。
【００２１】
第３に、前記摂動振幅決定手段は、前記物理量が前記共振周波数において最大になる場合に、前記物理量が増加すると前記摂動振幅を小さくし、又は、前記物理量が前記共振周波数において最小になる場合に、前記物理量が減少すると前記摂動振幅を小さくするものであってもよい。
【００２２】
このとき、パワーエレクトロニクス分野では、送電装置が受電装置に電力を伝送する場合、回路特性として、共振周波数付近では物理量の勾配が大きく、共振周波数を外れると物理量の勾配が小さくなる場合がある。そのため、共振周波数を外れている間は、周波数振れ幅を大きくすることにより共振周波数の探索を高速に実現し、共振周波数付近では、周波数振れ幅を縮小することにより、安定した共振を維持させて、安定した電力供給を実現することが可能になる。さらに、共振周波数の追随速度も向上させることができる。
【００２３】
第４に、前記物理量は、上限値又は下限値が定まっており、前記摂動振幅決定手段は、前記物理量が前記共振周波数において最大になる場合には、前記物理量の上限値と計測される物理量との差が小さくなると前記摂動振幅を小さくし、又は、前記物理量が前記共振周波数において最小になる場合には、前記物理量の下限値と計測される物理量との差が小さくなると前記摂動振幅を小さくするものであってもよい。
【００２４】
このとき、上限値又は下限値を利用することにより、摂動振幅の調整を容易に実現することができる。
【００２５】
第５に、前記摂動振幅決定手段は、前記共振周波数において前記物理量が最大又は最小になる場合に、それぞれ、少なくとも前記物理量が前記物理量の最大値又は最小値であるとき、前記摂動振幅を無くすものであってもよい。
【００２６】
このとき、物理量が最大又は最小となった時点で摂動させないようにすることにより、さらに安定した電力供給を可能にする。
【００２７】
第６に、前記物理量は、前記送電装置において計測される電流値から得られるものであってもよい。
【００２８】
このとき、物理量は、送電装置において計測される電流値から得られるものである。例えば、電流値をＡＤ変換して得られる電圧値は、共振周波数で最大となり、共振周波数付近では変化が大きく、共振周波数を外れると変化が小さいことから、共振周波数を外れると摂動振幅を大きくすることにより迅速な共振周波数探索を実現し、かつ、共振周波数付近では摂動振幅を小さくして安定した電力供給を実現することが可能になる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の各観点によれば、送電装置が受電装置に交流で電力を送電する。そのため、送電電極と受電電極が良好に接触している場合に加え、電極面の汚れ等に起因する送電電極と受電電極の接触不良が生じた場合であっても、安定して送電することが可能となる。
【００３０】
ここで、容量結合型無線電力伝送による伝送システム（本願発明者らによる特願２０１１−０１４３６８号、特願２０１２−１８６９１号、特願２０１２−１８６９２号等参照）は、送電電極と受電電極が近接させて送電電極と受電電極との間に形成される接合コンデンサを利用している。送電電極と受電電極を接触させないことを前提とした伝送システムである。このような伝送システムにおいて、送電電極と受電電極が絶縁不良により接触してしまうと、伝送できなくなる。送電装置と受電装置が形成する伝送回路において、インピーダンスマッチングが合わないほどの大きな変化が生じるためである。しかも、安全上も好ましくない。このように、送電電極と受電電極との間で電力の伝送を行う場合には、一般的に、接触させるか否かで、直流と交流のいずれを使用するかが決定されていた。
【００３１】
そこで、本発明の第２の観点によれば、伝送システムは、送電電極又は受電電極と直列に内部コンデンサを備える。この内部コンデンサは、送電電極と受電電極間に形成される接合コンデンサと直列に接続されることとなる。送電電極と受電電極が接触して接合コンデンサが存在しなくても、送電装置と受電装置は、内部コンデンサが存在するために、従来の電力伝送と同様の制御によって電力の送受を実現することができる。また、送電電極と受電電極が接触不良などにより接合コンデンサが存在するようになった場合には、接合コンデンサ及び内部コンデンサに対して、従来の電力伝送と同様の制御によって電力の送受を実現することができる。よって、内部コンデンサの存在により、送電電極と受電電極が接触している場合でも、接触不良等が生じた場合でも、同様の制御によって、安定した電力伝送を実現することができる。さらに、内部コンデンサの容量を想定される接合コンデンサの容量よりも十分に小さく設計することにより、接合コンデンサが伝送回路に及ぼす影響を軽減できる。
【００３２】
さらに、本発明の第３の観点によれば、伝送システムは、共振周波数を用いて送受の制御を行うことにより、電力伝送効率を向上させることができる。
【００３３】
さらに、本発明の第４の観点によれば、共振周波数を求めて、この共振周波数を使用して電力の送受を行う。共振周波数を用いて電力送受の制御を行う。接合コンデンサの容量は、送電電極と受電電極が接触した場合と接触していない場合を比較するだけでも、大きく異なることが予想される。さらに、例えば絶縁体が存在して接触不良となった場合には、絶縁体の種類によっても、接合コンデンサの容量は大きく異なってくる。そのため、本発明の伝送システムにおいて、送電電極と受電電極の近接・接触状況に応じた電力伝送を実現することが可能になる。
【００３４】
さらに、本発明の第５及び第６の観点によれば、並列コンデンサの容量を接合コンデンサの容量よりも十分に大きく設計することにより、接合コンデンサが伝送回路に及ぼす影響をさらに軽減できる。すなわち、送電電極と受電電極の接触不良が生じた場合であっても、安定して送電することがさらに容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本願発明の実施例に係る伝送システム１の概要を示すブロック図である。
【図２】伝送システム１の等価回路の一例であり、（ａ）送電電極と受電電極の接触が良好な状態、及び、（ｂ）送電電極と受電電極とが接触不良の状態を示す回路図である。
【図３】伝送システム１の等価回路の他の例であり、（ａ）送電電極と受電電極の接触が良好な状態、及び、（ｂ）送電電極と受電電極とが接触不良の状態を示す回路図である。
【図４】本願発明の実施例に係る伝送システムの他の例であり、特に、共振周波数探索の機能を備えた伝送システムの例の概略を示すブロック図である。
【図５】図４の共振周波数探索部１１１の動作の一例を示すフロー図である。
【図６】Matlab/Simulinkを利用して作成された極値探索制御モデル（連続時間モデル）を示す図である。
【図７】摂動振幅を一定にした場合の探索結果を示すグラフである。
【図８】摂動振幅を変更した場合の探索結果を示すグラフである。
【図９】伝送システム１の等価回路の他の例であり、（ａ）送電電極と受電電極の接触が良好な状態、及び、（ｂ）送電電極と受電電極とが接触不良の状態を示す回路図である。
【図１０】伝送システム１の等価回路の他の例であり、送電電極と受電電極の接触が片側のみ接触不良となった状態を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、図面を参照して、本願発明の実施例について述べる。なお、本願発明の実施の形態は、以下の実施例に限定されるものではない。また、「電気信号」には、電力が含まれるものとする。
【実施例１】
【００３７】
図１は、本願発明の実施例に係る伝送システム１の概要を示すブロック図である。以下、図１の伝送システム１の概要を説明する。なお、「電力」は、情報が付与されたものを含み、以下においても同様とする。
【００３８】
伝送システム１（本願請求項中の「伝送システム」の一例）は、受電装置３（本願請求項中の「受電装置」の一例）と送電装置５（本願請求項中の「送電装置」の一例）とを備える。
【００３９】
受電装置３は、受電回路７と、第１受電電極９（本願請求項中の「第１受電電極」の一例）と、第２受電電極１１（本願請求項中の「第２受電電極」の一例）とを有する。受電回路７は、負荷１３（本願請求項中の「負荷」の一例）と、コイル部１５とを有する。第１受電電極９及び第２受電電極１１が送電装置５から受け取った電力は、最終的には負荷１３に消費される。
【００４０】
送電装置５は、第１送電電極１７と、第２送電電極１９と、第１内部コンデンサ２１（本願請求項中の「内部コンデンサ」の一例）と、第２内部コンデンサ２３（本願請求項中の「内部コンデンサ」の一例）と、第１送電コイル２５と、第２送電コイル２７と、交流電源部２９（本願請求項中の「交流電源部」の一例）と、電源制御部３１（本願請求項中の「電源制御部」の一例）とを備える。第１送電電極２１及び第２送電電極２３は、それぞれ第１受電電極９及び第２受電電極１１に接触して、受電装置３に電力を送る。また、第１送電電極２１及び第２送電電極２３は、電極面の汚れ等が原因となり、第１受電電極９及び第２受電電極１１との間で接合コンデンサを生じる可能性がある。第１内部コンデンサ２１及び第２内部コンデンサ２３は、送電電極と受電電極とが、接触していても、接触していなくても、同様の制御によって、電気信号の送受を実現する。交流電源部２９は、受電装置３に電力を供給するため、交流信号を生成する。電源制御部３１は、交流電源部２９を制御する。電源制御部３１は、送電電極と受電電極が接触した場合又は接触していないが送電可能な場合に、交流信号を生成させる。
【００４１】
次に、図２を参照して、本実施例の等価回路について述べる。図２は、伝送システム１の等価回路の一例であり、（ａ）送電電極と受電電極の接触が良好な状態、及び、（ｂ）送電電極と受電電極とが接触不良の状態を示す回路図である。
【００４２】
図２（ａ）において、等価回路３３は、抵抗値ＲＬの負荷１３と、第１受電電極９と、第１送電電極１７と、交流信号生成部１９と、第１内部コンデンサ２１と、第１送電コイル２５と、交流電源部２９と、第２送電コイル２７と、第２内部コンデンサ２３と、第２送電電極１９と、第２受電電極１１と、インダクタンスＬｐの並列コイル１６とを有する。負荷１３と、第１受電電極９と、第１送電電極１７と、交流信号生成部１９と、第１内部コンデンサ２１と、第１送電コイル２５と、交流電源部２９と、第２送電コイル２７と、第２内部コンデンサ２３と、第２送電電極１９と、第２受電電極１１とは、順に直列に接続されて閉回路を形成する。また、コイル１６は、負荷１３と並列に接続されている。送電電極と受電電極とが良好に接触していれば、直流でも交流でも問題なく、送電装置５から受電装置３に送電可能である。
【００４３】
他方、電極面の汚れ等により送電電極と受電電極の接触不良が生じた場合、図２（ｂ）のような等価回路となる。図２（ｂ）に示す等価回路３４では、等価回路３３の第１受電電極９と第１送電電極１７との接触不良により、第１接合コンデンサ３５が形成されている。また、第２受電電極１１と第２送電電極１９との接触不良により、第２接合コンデンサ３７が形成されている。
【００４４】
等価回路３４において、受電装置３は、送電装置５から直流では電力の供給を受けることができない。しかし、送電装置５が交流にて電力を供給するため、受電装置３は電力を受け取ることが可能である。
【００４５】
しかも、内部コンデンサの容量Ｃ１は、想定される接合コンデンサの容量Ｃ２よりも十分に小さくしている。Ｃ１＜＜Ｃ２のとき、式（１）で表される内部コンデンサと接合コンデンサの合成容量ＣがほぼＣ１となる。そのため、合成容量Ｃは、接合コンデンサ容量に依存しない。したがって、共振周波数は、Ｃ２が変化しても大きな変化が起らず給電状態の回路定数に大きな変化はない。すなわち、電極の表面状態に関係なく安定して電力を供給可能である。電極面の汚れ等に起因する接合コンデンサの容量として、１［ｎＦ］程度と見込まれる。そのため、内部コンデンサの容量としては、１００［ｐＦ］以下が好ましいと考えられ、３０［ｐＦ］以下がさらに好ましい。発明者らは、実験により、少なくとも内部コンデンサの容量が３０［ｐＦ］以下の場合に良好に作動する結果を得た。
【００４６】
【数１】
2014135880.tif 000003
【実施例２】
【００４７】
続いて、図３を参照して、さらに安定に電力を送る方法について述べる。図３は、伝送システム１の等価回路の他の例であり、（ａ）送電電極と受電電極の接触が良好な状態、及び、（ｂ）送電電極と受電電極とが接触不良の状態を示す回路図である。
【００４８】
図３（ａ）において、等価回路４１は、等価回路３３の構成要素に加え、容量Ｃｐの並列コンデンサ４３を有する。並列コンデンサ４３は、負荷１３及び並列コイル１５のそれぞれと互いに並列に接続されている。接触不良が生じた場合、図３（ｂ）に示す等価回路４２において、第１接合コンデンサ３５と第２接合コンデンサ３７とは、併せて結合容量Ｃｓの１つの結合コンデンサ３９とみることができる。
【００４９】
この回路において、Ｃｓよりも大きなＣｐを設定することにより、送電装置から受電装置へ電気信号を共振角周波数で伝送する際、共振角周波数の変動が小さくなり、制御を容易とすることができる。結果として、負荷１３に安定して大きな電力を供給することが可能となる。
【００５０】
具体的には、第１接合コンデンサ３５及び第２接合コンデンサ３７の結合容量と並列に、容量Ｃｐの並列コンデンサ４３が挿入されたことにより、共振角周波数ωｃは、式（２）で表される。したがって、接触不良等によりＣｓが変動してもＣｐが共振角周波数の変動を低減する役割を果たすことが可能となる。しかも、送電装置５側で高度な制御が不要となるため、送電装置５内の回路規模を縮小することも可能となる。
【００５１】
【数２】
2014135880.tif 000004
【００５２】
式（１）及び式（２）より、少なくとも並列コンデンサ４３の容量は、内部コンデンサの容量の容量よりも大きいことが好ましいといえる。
【００５３】
ここで、共振角周波数wｃは、並列共振回路のみで決まる角周波数ではない。並列共振回路で決まる角周波数で共振するためには、式（２）に示されるように、ＣｓがＣｐに比べ極めて小さくなければならない。ところが、そのような場合は、Ｃｓ／（Ｃｐ＋Ｃｓ）のファクターに比例するゲインＧが、極めて小さくなってしまう。したがって、負荷に安定して大きな電力を供給するためには、単に、並列共振回路のみで与えられる角周波数ではなく、接合容量に基づく角周波数で送信することが重要である。
【実施例３】
【００５４】
そこで、図４から図８を参照して、共振周波数の調整について述べる。従来、送電装置が受電装置に電力を伝送する場合、回路特性として、例えば、共振周波数付近では周波数を変化させた場合の出力電圧の変化量は大きいが、共振周波数を外れると小さくなってしまう場合がある。極値探索制御は、一般的に、パワーエレクトロニクス分野において、適応最適化手法の一つとして採用されてこなかった。そのため、送電装置が受電装置に電力を伝送する場合の送電装置における共振周波数の極値探索を実現するのに適した共振周波数探索方法を提案する。本発明に係る伝送システムにおいては、送電電極及び受電電極が接触状態から非接触状態となっても伝送可能であることを予定している。そのため、共振周波数の探索が特に重要な課題となる。なお、ここで述べる共振周波数探索方法は、実施例１の等価回路３３においても適用可能である。
【００５５】
図４は、本願発明の実施の形態に係る伝送システムの一例を示す概略ブロック図である。伝送システム１０１（本願請求項の「伝送システム」の一例）は、送電装置１０３（本願請求項の「送電装置」の一例）と、受電装置１０５（本願請求項の「受電装置」の一例）を備える。送電装置１０３は、受電装置１０５に対して、電力を伝送するものである。ここで、電力は、電気信号を含むものであってもよい。受電装置５は、送電装置３から電力を受電するものである。
【００５６】
送電装置１０３は、送電部１０７と、計測部１０９と、共振周波数探索部１１１（本願請求項の「共振周波数探索部」の一例）を備える。送電部１０７は、受電装置１０５に対して、電力を送電するものである。計測部１０９は、送電部１０７に対して、制御信号の一つとして、摂動信号を与え、送電部１０７が受電装置１０５に電力を伝送している状態で、送電部１０７において摂動信号に応じて変動する物理量を計測するものである。ここで、摂動信号は、例えば正弦波励振などの摂動要素を含む信号である。送電装置においては、制御信号が摂動要素を含むために、この摂動要素に応じて、所定の物理量が変動する。共振周波数探索部１１１は、受電装置１０５に電力を伝送する送電部１０７の共振周波数を探索する。ここで、物理量は、送電部１０７が受電装置１０５に対して伝送する電力と同様に変動するものであり、送電部１０７が、受電装置１０５に対して電力を伝送している状態で、共振周波数において、最大又は最小になるものである。
【００５７】
受電装置１０５と送電部１０７の共振周波数は、外乱等の影響により変化する。そのため、制御システムが未知のものと評価することができる。送電装置１０３では、電流検出回路の値が最大になるよう探索しながら、さらに出力電力が最適になるよう電源電圧の調整を行う必要がある。このように制御対象の状態により入力する周波数の最適値が不明な場合における最適制御手法の一つに極値探索制御がある。
【００５８】
以下では、計測部１０９が計測する物理量は、送電部１０７において計測される電流値をＡＤ変換して得られる電圧とする。この電圧は、共振周波数で最大となるものであり、ハードウエアで調整されることにより、その最大値が決められている。そのため、共振周波数探索部１１１は、電圧が最大値に達したか否かで、共振周波数か否かを判断することができる。
【００５９】
共振周波数探索部１１１は、物理量取得部１１３と、勾配演算部１１５（本願請求項の「勾配演算手段」の一例）と、摂動振幅決定部１１７（本願請求項の「摂動振幅決定手段」の一例）と、周波数変更部１１９（本願請求項の「周波数変更手段」の一例）と、パラメータ記憶部１２１を備える。
【００６０】
物理量取得部１１３は、計測部１０９において計測された物理量を取得するものである。
【００６１】
勾配演算部１１５は、計測部１０９が計測した物理量の勾配を求める。共振周波数探索部１１１の勾配演算部１１５は、摂動要素に応じた物理量の変動を用いて、物理量の周波数軸上の勾配を求める。求められた勾配は、パラメータ記憶部１２１に記憶される。
【００６２】
摂動振幅決定部１１７は、摂動信号の摂動振幅を決定する。摂動振幅は、パラメータ記憶部１２１に記憶される。摂動振幅決定部１１７は、送電部１０７において計測される電流値をＡＤ変換して得られる電圧の値が増加すると摂動振幅を小さくする。また、この電圧の値が減少すると摂動振幅を大きくする。この電圧の値は、共振周波数において最大となるためである。さらに、この電圧の値は、図７及び図８にあるように、共振周波数付近では勾配が大きく、共振周波数を外れると勾配が小さくなる。そのため、共振周波数から外れているところでは、摂動振幅を大きくすることにより共振周波数探索を高速に行い、共振周波数付近では、摂動振幅を小さくすることにより安定した共振を維持させて、安定した電力供給を実現すると共に、共振周波数探索の精度を上げることが可能になる。
【００６３】
摂動振幅決定部１１７は、電圧が最大値の場合に、摂動振幅をゼロとすることにより、安定した電力供給を実現してもよい。また、摂動振幅決定部１１７は、電圧が最大値の場合でも、摂動振幅を一定の値以上とすることにより、共振周波数が変化した場合への追従を速く行うようにしてもよい。
【００６４】
周波数変更部１１９は、勾配演算部１１５により求められた物理量の勾配に基づき、摂動信号の周波数を変更するものである。変更後の周波数は、パラメータ記憶部１２１に記憶される。例えば、電圧が最大値でない場合に、物理量の大きい側に周波数を変更する。なお、仮に、物理量が最大値でなく、局地的に物理量の勾配がないような場合には、例えば、最初であれば、単に周波数を変更して改めて勾配を求めればよく、２回目以降であれば、前回と同じ向きに周波数を変更すればよい。
【００６５】
計測部１０９は、摂動振幅決定部１１７により決定された摂動振幅、及び、周波数変更部１１９により変更された周波数に基づき、摂動信号を送電部１０７に与え、その応答となる物理量を計測する。勾配演算部１１５は、計測部１０９が計測した物理量の勾配を求める。これらの処理を繰り返すことにより、共振周波数探索部１１１は、安定した電力供給を実現しつつ、共振周波数を高速に探索することができる。
【００６６】
図５を参照して、図４の共振周波数探索部１１１の動作の一例を説明する。図５は、図４の共振周波数探索部１１１の動作の一例を示すフロー図である。
【００６７】
図４の共振周波数探索部１１１は、初期設定を行う（図５のステップＳＴ１）。すなわち、摂動信号の周波数や摂動振幅などの値を初期値に設定する。設定されたパラメータは、パラメータ記憶部１２１に記憶される。
【００６８】
物理量取得部１１３は、計測部１０９が摂動信号に応じて計測された物理量（電圧）を取得する。物理量取得部１１３は、取得した電圧が最大値以上か否かを判断する（図５のステップＳＴ２）。
【００６９】
電圧が最大値以上でない場合、図４の勾配演算部１１５は、計測部１０９が計測した物理量の勾配を求める（図５のステップＳＴ３）（本願請求項の「第１勾配演算工程」の一例）。
【００７０】
摂動振幅決定部１１７は、摂動信号の摂動振幅を決定する（図５のステップＳＴ５）（本願請求項の「摂動振幅決定工程」の一例）。本実施例では、摂動振幅決定部１１７は、計測部１０９が送電部１０７において計測した電流値をＡＤ変換して得られる電圧の値が増加すると摂動振幅を小さくする。
【００７１】
周波数変更部１１９は、勾配演算部１１５により求められた物理量の勾配に基づき、摂動信号の周波数を変更する（図５のステップＳＴ４）。例えば、勾配に基づき電圧が大きくなる側に周波数を変更する。
【００７２】
計測部１０９は、摂動振幅決定部１１７により決定された摂動振幅、及び、周波数変更部１１９により変更された周波数に基づき、摂動信号を送電部１０７に与え、その応答となる電流値を計測する。物理量取得部１１３は、変更後の摂動信号の応答として得られた電流値をＡＤ変換して得られる電圧を取得し、取得した電圧が最大値以上か否かを改めて判断する（図５のステップＳＴ２）。最大値でない場合、勾配演算部１１５は、変更後の摂動信号の応答として得られた電圧の勾配を演算する（図５のステップＳＴ３）（本願請求項の「第２勾配演算工程」の一例）。このように、電圧が最大になるまで、図５のステップＳＴ３〜ＳＴ５の処理は繰り返される。
【００７３】
図５のステップＳＴ２の判断処理において、電圧が最大値以上の場合、振動振幅決定部１１７は、摂動振幅をゼロとする（図５のステップＳＴ６）。
【００７４】
図４の物理量取得部１１３は、電圧が最大値未満となったか否かを判断する（図５のステップＳＴ７）。最大値未満となるまでは、処理を繰り返す。
【００７５】
電圧が最大値未満となった場合、摂動振幅決定部１１７は、摂動振幅を正の値に設定する（図５ステップＳＴ８）。そして、計測部１０９は、摂動振幅決定部１１７により決定された摂動振幅に基づき、摂動信号を送電部１０７に与え、その応答となる電圧を計測する。物理量取得部１１３は、変更後の摂動信号の応答として得られた電圧を取得し、取得した電圧が最大値以上か否かを改めて判断する（図５のステップＳＴ２）。
【００７６】
続いて、図６〜図８を参照して、本願発明の有用性について説明する。図６は、Matlab/Simulinkを利用して作成された極値探索制御モデル（連続時間モデル）を示す図である。発明者らは、検証済みの制御モデルから自動生成されたＣコードをファームウェアに実装し、正常動作を確認している。図７は、摂動振幅を一定にした場合の探索結果を示すグラフである。図８は、摂動振幅を変更した場合の探索結果を示すグラフである。
【００７７】
図６において、極値探索制御モデルは、制御対象１５１と、外乱発生部１５３と、信号生成部１５５と、第１加算部１５７と、計測部１５９と、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１６１と、乗算部１６３と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１６５と、第１ゲイン部１６７と、積分部１６９と、第２ゲイン部１７１と、第２加算部１７３を備える。
【００７８】
制御対象１５１は、制御対象となるシステムである。これは、図４の送電部１０７に対応する。制御対象１５１のモデルは、ルックアップテーブル化し、実際の回路を計測して得られたデータを反映したものである。
【００７９】
信号生成部１５５と、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１６１と、乗算部１６３と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１６５と、第１ゲイン部１６７と、積分部１６９と、第２ゲイン部１７１と、第２加算部１７３が、摂動方式極値探索制御を行う。これらは、図４の計測部１０９及び共振周波数探索部１１１を併せたものに対応する。
【００８０】
図６の極値探索制御モデルにおけるパラメータについて、その一例を説明する。信号生成部１５５では、周波数が500(rad/sec)とした。振幅は、図７では２とし、図８では、電圧に応じて変更した。具体的な変更については、後で説明する。第１ゲイン部１６７のゲインは4000とした。ＨＰＦ６１のカットオフ周波数は、300(rad/sec)とし、これを元にフィルタ係数を算出した。ＬＰＦ６５のカットオフ周波数は、1000(rad/sec)とし、これを元にフィルタ係数を算出した。積分部１６９は、飽和の上限を140とし、下限を20とした。第２ゲイン部１７１のゲインは、１とした。
【００８１】
連続時間で検証済みのモデルをコード自動生成するためにモデルを離散化した。変更ポイントは以下の通りである。まず、ＨＰＦ１６１を離散ＨＰＦのブロックに置き換える。この際、ＨＰＦのフィルタ係数をｚ変換して離散ＨＰＦの係数に反映し、サンプル時間を3msとした。ＬＰＦ１６５及び積分部１６９も同様である。また、実回路のデータを使用するので、外乱発生部１５３を削除した。そして、摂動方式極値探索制御を行う部分（信号生成部１５５と、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１６１と、乗算部１６３と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１６５と、第１ゲイン部１６７と、積分部１６９と、第２ゲイン部１７１と、第２加算部１７３）をSubsystemブロックの中に纏め、Subsystemの出力となる周波数値は整数なので、Rounding  Functionを追加して、丸め演算する。
【００８２】
第１加算部１５７は、制御対象１５１より出力された信号と、外乱発生部１５３により発生された信号を加算する。計測部１５９は、第１加算部１５７の出力信号を計測する。以下では、計測部１５９の出力信号を計測信号という。これが、制御対象１５１の電流値として計測される。ＨＰＦ１６１は、計測信号に対してフィルタリング処理を行う。乗算部１６３は、ＨＰＦ１６１と信号生成部１５５の出力信号を乗算する。ＬＰＦ１６５は、乗算部１６３の出力信号に対してフィルタリング処理を行う。第１ゲイン部１６７は、ＬＰＦ１６５の出力信号に対して振幅調整を行う。積分部１６９は、第１ゲイン部１６７の出力信号に対して積分演算する。第２ゲイン部１７１は、信号生成部１５５の出力信号に対して振幅調整を行う。第２加算部１７３は、積分部１６９と第２ゲイン部１７１の出力信号を加算する。これが、摂動信号である。第２加算部１７３は、摂動信号を制御対象１５１に入力する。制御対象１５１は、入力された摂動信号に対応して応答信号を出力する。
【００８３】
図７は、図６の信号生成部５５の摂動振幅を一定とした場合の探索結果を示すグラフである。横軸は、周波数（MHz）を示す。左側の縦軸は、電流値のＡＤ変換により得られた電圧（Ｖ）を示す。右側の縦軸は、振動回数を示す。グラフにおいて、菱形の点は、各周波数において、計測された電流値をＡＤ変換した電圧を示す。その値は、左側の縦軸により示される。周波数が12.600付近で、最大値となっている。そのため、最大値となる周波数が、共振周波数である。正方形の点は、各摂動における周波数を示す。摂動回数は、右側の縦軸により示されている。13.550の初期値から、一度周波数が増大し、その後、減少傾向になり、約160回で、共振周波数付近を探索している。
【００８４】
図８は、図６の信号生成部１５５の摂動振幅を変更とした場合の探索結果を示すグラフである。横軸は、周波数（MHz）を示す。左側の縦軸は、電流値のＡＤ変換により得られた電圧（Ｖ）を示す。右側の縦軸は、振動回数を示す。グラフにおいて、菱形の点は、各周波数において、計測された電流値をＡＤ変換した電圧を示す。その値は、左側の縦軸により示される。周波数が12.600付近で、最大値となっている。三角の点は、各摂動における周波数を示す。摂動回数は、右側の縦軸により示されている。13.550の初期値から、一度周波数が増大し、その後、減少傾向になり、約70回で、共振周波数付近を探索している。よって、摂動振幅を変更することにより、高速な探索が可能であることがわかる。
【００８５】
図８における摂動振幅の調整について、具体的に説明する。式（３）は、図６の信号生成部１５５の出力信号Ｓを示す。Ｖmaxは、電流値をＡＤ変換した電圧の最大値を示す。図７では、5.0(V)とする。ＶADは、電流値をＡＤ変換した電圧値(V)である。θは、摂動回数（ステップ）に比例し、増加するものであり、500(rad/s)×0.003(s/step)に摂動回数を掛けたものである。
【００８６】
信号生成部１５５は、目標値をＡＤ変換計測の最大値とし、リアルタイムに計測される電流値との偏差をフィードバックして比例（Ｐ）制御する。式（３）の右辺のsin関数の係数が、追加したＰ制御部分であり、摂動振幅である。式（３）の摂動振幅は、電流値をＡＤ変換して得られる電圧の最大値を上限として、電流値をＡＤ変換して得られる電圧に比例して減少する。そのため、図８において、最大値を外れた部分では、最大値付近に比較して、摂動振幅が大きい。なお、このシミュレーションでは、最大値付近でも、摂動させる形としている。式（３）の摂動振幅の動的制御を用いることにより、図７と比較して、図８にあるように、高速な極値探索が実現可能になる。また、最大値付近で摂動振幅を小さくすることにより、安定した共振を維持させて、安定した電力供給を実現することが可能になる。さらに、共振周波数が変化した場合でも、共振周波数の追随速度を向上させることができる。
【００８７】
式（３）は、ＶADが増加すると、単調に減少する。よって、所定の基準値に対して、電圧が、基準値よりも大きい場合は、基準値よりも小さい場合よりも、摂動振幅は小さくすることができる。よって、この基準値によって、送電装置が受電装置に対して伝送する電力量を確保することが可能である。
【００８８】
【数３】
2014135880.tif 000005
【００８９】
本実施例に係る伝送システム１は、内部コンデンサ２１及び２３や並列コンデンサ４３を備えることにより、そもそも共振周波数の大きな変化は起こりにくい。しかし、上記の探索方法を採用することにより、共振周波数にて電力を送ることがさらに容易となる。
【００９０】
なお、実施例１及び２において、内部コンデンサは、送電装置５が有することが好ましい。受電装置３の軽量化に資するためである。しかし、図９に示すように、受電装置３が内部コンデンサを有することとしてもよい。また、内部コンデンサは、接合コンデンサの両方に直列に接続されることが好ましい。しかし、接合コンデンサのいずれか一方にのみ直列に接続されるものであってもよい。
【００９１】
さらに、図１０の回路図５１に示すように、片方の送電電極及び受電電極が接触して接合コンデンサが形成した場合であっても、本実施例に係る伝送システム１は、電力を供給することが可能である。
【００９２】
さらに、交流電源部２９は、交流電力を生成するのではなく商用系統から供給される交流電力を供給するものであってもよい。
【符号の説明】
【００９３】
１及び１０１・・・伝送システム、３及び１０５・・・受電装置、５及び１０３・・・送電装置、９・・・第１受電電極、１１・・・第２受電電極、１７・・・第１送電電極、１９・・・第２送電電極、２１・・・第１内部コンデンサ、２３・・・第２内部コンデンサ、２５・・・第１送電コイル、２７・・・第２送電コイル、３１・・・電源制御部、３３，３４，４１，４２，４５，４６及び５１・・・等価回路、４３・・・並列コンデンサ、１０７・・・送電部、１０９及び１５９・・・計測部、１１１・・・共振周波数探索部、１１３・・・物理量取得部、１１５・・・勾配演算部、１１７・・・摂動振幅決定部、１１９・・・周波数変更部、１５１・・・摂動対象、１５３・・・外乱発生部、１５５・・・信号生成部、１５７・・・第１加算部、１６１・・・ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、１６３・・・乗算部、１６５・・・ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、１６７・・・第１ゲイン部、１６９・・・積分部、１７１・・・第２ゲイン部、１７３・・・第２加算部
【図１】
2014135880.tif 000006
【図２】
2014135880.tif 000007
【図３】
2014135880.tif 000008
【図４】
2014135880.tif 000009
【図５】
2014135880.tif 000010
【図６】
2014135880.tif 000011
【図７】
2014135880.tif 000012
【図８】
2014135880.tif 000013
【図９】
2014135880.tif 000014
【図１０】
2014135880.tif 000015