(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受電装置の受電側第１電極と間隙をおいて対向する送電側第１電極と、前記受電装置の受電側第２電極と間隙をおいて対向し、前記送電側第１電極以上の面積を有する送電側第２電極とに交流電圧を印加して、電界結合により前記受電装置へ電力を伝送する送電装置において、
前記送電側第２電極の電圧を監視する電圧監視部と、
前記電圧監視部が監視している電圧の一定時間毎の変化量の絶対値がそれぞれ所定の閾値を超えた場合、前記受電装置への電力伝送を停止する電力伝送停止部と、
を備える送電装置。
【請求項２】
送電側第１電極と、前記送電側第１電極以上の面積を有する送電側第２電極と、直流電圧を交流電圧に変換し、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直流交流変換回路とを有する送電装置と、
前記送電側第１電極と間隙をおいて対向する受電側第１電極と、前記送電側第２電極と間隙をおいて対向し、前記受電側第１電極以上の面積を有する受電側第２電極と、前記受電側第１電極、及び前記受電側第２電極に誘起される電圧を負荷へ供給する電圧供給回路とを有する受電装置と、
を備え、
前記送電装置は、
前記送電側第２電極の電圧を監視する電圧監視部と、
前記電圧監視部が監視している電圧の一定時間毎の変化量の絶対値がそれぞれ所定の閾値を超えた場合、前記受電装置への電力伝送を停止する電力伝送停止部と、
を有するワイヤレス電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界結合方式により受電装置へワイヤレスで電力を伝送する送電装置、及びワイヤレス電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
送電装置から受電装置へワイヤレスで電力伝送するシステムとして、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。そして、この電界結合方式では、送電電力が比較的大きく、電極間に異物が挟まっていると、不具合が生じる場合がある。そこで、特許文献１では、電極に異物が接近したことを検出できるワイヤレス電力伝送システムが提案されている。【０００３】
特許文献１に記載のワイヤレス電力伝送システムでは、送電装置に、電界結合用の電極に隔離して異物検出用の電極を設けている。そして、この電界結合用の電極と異物検出用の電極との間に生じる電圧を監視し、その電圧が一定以上変化した場合、送電装置及び受電装置の電界結合用の電極間に異物が接近していると判定し、電力伝送を停止するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開２０１２／０７０４７９号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の場合、異物検出用の電極を設ける必要があり、また、その異物検出用の電極を、電界結合用の電極を囲うようにして設ける必要があり、送電装置での電極形成が制約されるという問題がある。また、異物検出用の電極が一部欠けた形状である場合、その欠けた部分に異物が近づくと、その異物を検出できないといった問題もある。このため、特許文献１では、異物を精度よく検出できない場合があり、その異物を確実に検出できず、その異物にユーザが触れることで不具合が生じるおそれがある。【０００６】
そこで、本発明の目的は、電極間に異物が挿入された場合に、その異物による不具合を確実に防止できる送電装置及びワイヤレス電力伝送システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、受電装置の受電側第１電極と間隙をおいて対向する送電側第１電極と、前記受電装置の受電側第２電極と間隙をおいて対向し、前記送電側第１電極以上の面積を有する送電側第２電極とに交流電圧を印加して、電界結合により前記受電装置へ電力を伝送する送電装置において、前記送電側第２電極の電圧を監視する電圧監視部と、前記電圧監視部が監視している電圧の一定時間毎の変化量の絶対値がそれぞれ所定の閾値を超えた場合、前記受電装置への電力伝送を停止する電力伝送停止部とを備えることを特徴とする。【０００８】
受電装置の第１電極と送電側第１電極との間に金属異物が挟まっていて、その金属異物に人が触れた場合、送電側第２電極の電位が変動する。このため、送電側第２電極に印加される電圧を監視して、その電圧の経時的変化によって電力伝送を停止させることで、電極間に挟まった金属異物に人が触れることによる不具合を防止できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電極間に挟まった金属異物に人が触れることによる不具合を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの回路図
【図２】Ｐ_ＡＣＶ検出回路の回路を示す図
【図３】コントローラの構成を示すブロック図
【図４】アクティブ電極の間に挟まった金属異物をユーザが触れる場合の等価回路を説明するための図
【図５】離散時間でサンプリングした電圧Ｐ_ＡＣＶの検出結果を示す図
【図６】離散時間でサンプリングした電圧Ａ_ＡＣＶの検出結果を示す図
【図７】コントローラが実行する停止判定処理のフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システム１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。
【００１２】
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。
【００１３】
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で動作する。ＡＣアダプタは、商用電源に接続されていて、ＡＣ１００Ｖ〜２３０ＶをＤＣ１９Ｖへ変換する。ただし、ＤＣ１９Ｖに変換する必要はなく、ＤＣ５Ｖ又は１２Ｖへ変換してもよい。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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はいずれも平板状であり、パッシブ電極１４は、アクティブ電極１３よりも面積が大きい。なお、パッシブ電極１４の面積は、少なくともアクティブ電極１３の面積と同じであればよく、アクティブ電極１３の面積以上であってもよい。アクティブ電極１３はパッシブ電極１４よりも面積が小さい。これらアクティブ電極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。
【００１７】
昇圧トランスＴ１の２次コイルにはキャパシタＣ１１，Ｃ１２が並列に接続されていて、キャパシタＣ１１，Ｃ１２は、昇圧トランスＴ１のインダクタンスと並列共振回路を形成している。また、キャパシタＣ１１，Ｃ１２は、昇圧トランスＴ１の２次コイルの漏れインダクタンス又は実部品のインダクタと共に直列共振回路を形成している。
【００１８】
アクティブ電極１３には、アクティブ電極１３の電圧Ａ_ＡＣＶを検出するＡ_ＡＣＶ検出回路１５が接続されている。また、パッシブ電極１４には、パッシブ電極１４の電圧Ｐ_ＡＣＶを検出するＰ_ＡＣＶ検出回路１６が接続されている。Ａ_ＡＣＶ検出回路１５、及びＰ_ＡＣＶ検出回路１６はそれぞれ同じ回路構成である。なお、アクティブ電極１３の電圧Ａ_ＡＣＶ及びパッシブ電極１４の電圧Ｐ_ＡＣＶは、それぞれアクティブ電極１３の電位及びパッシブ電極１４の電位と基準電位との電位差の大きさとしている。
【００１９】
図２は、Ｐ_ＡＣＶ検出回路１６の回路を示す図である。なお、Ａ_ＡＣＶ検出回路１５は、Ｐ_ＡＣＶ検出回路１６と同じ回路構成であるため、説明は省略する。
【００２０】
Ｐ_ＡＣＶ検出回路１６は、パッシブ電極１４に接続される接続ラインに、キャパシタＣ４１，Ｃ４２からなる分圧回路が接続されている。キャパシタＣ４１，Ｃ４２の接続点には、一端が接地された、抵抗Ｒ１１が接続されている。抵抗Ｒ１１は、低周波成分を消費させるための素子である。また、キャパシタＣ４１，Ｃ４２の接続点には、ＤＣカット用のキャパシタＣ４３を介して、整流用のダイオードＤ１１，Ｄ１２及びキャパシタＣ４４が接続されている。さらに、電圧制御用の抵抗Ｒ１２，Ｒ１３が接続され、コントローラ１２に接続されている。
【００２１】
コントローラ１２は、Ａ_ＡＣＶ検出回路１５により随時検出される電圧Ａ_ＡＣＶが所定の電圧を維持するように、ドライバ１１を制御して、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させる。
【００２２】
また、コントローラ１２は、Ｐ_ＡＣＶ検出回路１６により随時検出される電圧Ｐ_ＡＣＶの経時的な変化を監視し、電力伝送の停止判定処理を行う。停止判定処理とは、アクティブ電極１３と、これに対向する受電装置２０１が有するアクティブ電極２３との間に金属異物が挟まり、その金属異物にユーザが触れたときのユーザの感電を防止するために、電力伝送を停止するか否かを判定する処理を言う。コントローラ１２が行う停止判定処理の詳細は後述する。
【００２３】
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、本発明に係る受電側第１電極であり、パッシブ電極２４は、本発明に係る受電側第２電極である。パッシブ電極２４は、アクティブ電極２３よりも面積が大きい。なお、パッシブ電極２４の面積は、少なくともアクティブ電極２３の面積と同じであればよく、アクティブ電極２３の面積以上であってもよい。これらアクティブ電極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。アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４間に交流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及びパッシブ電極１４，２４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。
【００２４】
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Ｃ２１，Ｃ２２の直列回路が並列接続されている。キャパシタＣ２１，Ｃ２２は、降圧トランスＴ２のインダクタンスと並列共振回路を形成している。なお、この並列共振回路は、効率よく電力伝送を行えるために、送電装置１０１の直列共振回路と、ほぼ同じ共振周波数に設定されている。
【００２５】
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。
【００２６】
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、電圧Ｐ_ＡＣＶを監視し、その電圧Ｐ_ＡＣＶの経時的変化から電力伝送を停止するか否かを判定する停止判定処理を行う。この停止判定処理を行うことで、アクティブ電極１３，２３の間に挟まった金属異物にユーザが触れでも、ユーザの感電を防止できる。以下、停止判定処理について詳述する。
【００２７】
図３は、コントローラ１２の構成を示すブロック図である。コントローラ１２は、マイコンであって、プログラムを実行することで、Ｐ_ＡＣＶ検出部１２１、差分算出部１２２、異物判定部１２３、及び電力伝送停止部１２４の各機能を備える。
【００２８】
Ｐ_ＡＣＶ検出部１２１は、Ｐ_ＡＣＶ検出回路１６により電圧Ｐ_ＡＣＶを時間周期（Δｔ）毎に検出する。Ｐ_ＡＣＶ検出部１２１は、本発明に係る電圧監視部に相当する。
【００２９】
差分算出部１２２は、経時的に変化する電圧Ｐ_ＡＣＶの差分を算出する。詳しくは、差分算出部１２２は、Ｐ_ＡＣＶ検出部１２１がタイミングｔで検出した電圧Ｐ_ＡＣＶと、タイミングｔ+Δｔで検出した電圧Ｐ_ＡＣＶとの差分ΔＰ_ＡＣＶを算出する。
【００３０】
異物判定部１２３は、差分算出部１２２が算出した差分ΔＰ_ＡＣＶの絶対値｜ΔＰ_ＡＣＶ｜が閾値を超えたかを判定する。そして、閾値を超えた場合には、アクティブ電極１３，２３に金属異物が挟まり、その金属異物にユーザが触れたと判定する。
【００３１】
電力伝送停止部１２４は、異物判定部１２３により、アクティブ電極１３，２３に挟まった金属異物にユーザが触れたと判定した場合、ドライバ１１を制御してＤＣ−ＡＣインバータ回路１０の駆動を停止させ、受電装置２０１への電力伝送を停止する。なお、例えば、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４をオフにすることで、電力伝送を停止してもよいし、入力端子ＩＮ１に接続される電源ラインにスイッチ素子を設け、そのスイッチ素子をオフして、直流電圧ＶｉｎからＤＣ−ＡＣインバータ回路１０への電力供給を遮断するようにしてもよい。
【００３２】
このように、コントローラ１２は、電圧Ｐ_ＡＣＶを監視し、電圧Ｐ_ＡＣＶの経時的変化により、電力伝送を停止するか否かの判定を行う。以下に、コントローラ１２が、電圧Ａ_ＡＣＶではなく電圧Ｐ_ＡＣＶを監視し、電圧Ｐ_ＡＣＶの時間周期（Δｔ）毎の変化量が閾値を超えたか場合には、金属異物にユーザが触れたと判定することの理由について説明する。
【００３３】
図４は、アクティブ電極１３，２３の間に挟まった金属異物をユーザが触れる場合の等価回路を説明するための図である。
【００３４】
図４の上部は、正常時におけるワイヤレス電力伝送システム１の一部分の回路である。キャパシタＣ１１，Ｃ１２は、その接続点Ｐを基準電位とし、アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４の間に接続された分圧回路である。送電装置１０１の基準電位であるキャパシタＣ１１，Ｃ１２の接続点Ｐの電位と受電装置２０１の基準電位であるキャパシタＣ２１，Ｃ２２の接続点の電位を等しく安定させるために、キャパシタＣ１１，Ｃ１２及びキャパシタＣ２１，Ｃ２２の容量比は、アクティブ電極１３，２３により形成される容量とパッシブ電極１４，２４により形成される容量との容量比と同じである。そして、キャパシタＣ１１の充電電圧は電圧Ａ_ＡＣＶに対応し、キャパシタＣ１２の充電電圧は電圧Ｐ_ＡＣＶに対応する。本実施形態では、パッシブ電極１４，２４は、アクティブ電極１３，２３より面積が大きく、容量も大きい。
【００３５】
図４の下部は、アクティブ電極１３，２３の間に金属異物（例えばクリップ等）５０が挟まり、その金属異物５０にユーザが触れた場合の回路である。アクティブ電極１３，２３の間に金属異物５０が挟まることで、アクティブ電極１３と金属異物５０との間に容量Ｃ５１が生じる。また、その金属異物５０は、金属異物５０に触れた人体（ユーザ）による抵抗成分Ｒ５１を介して、大地に接地される。
【００３６】
また、送電装置１０１の基準電位に接続されている接続点Ｐは、浮遊容量Ｃｓを介して大地に接地された回路と同視できる。この場合、金属異物５０にユーザが触れると、接続点Ｐ、すなわち、基準電位は大地の電位に対して変位する。よって、容量Ｃ５１と抵抗成分Ｒ５１、及び浮遊容量Ｃｓにより、アクティブ電極１３とパッシブ電極１４の分圧比が変動し、また基準電位の変位が生じ、電圧Ａ_ＡＣＶ、及び電圧Ｐ_ＡＣＶそれぞれを検出した場合、基準電位の変位の影響が各検出結果に現れる。
【００３７】
図５は離散時間でサンプリングした電圧Ｐ_ＡＣＶの検出結果を示す図である。図６は離散時間でサンプリングした電圧Ａ_ＡＣＶの検出結果を示す図である。図５及び図６に示すタイミングｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５，ｔ６はそれぞれ、電極間に挟まった金属異物５０がユーザに触れられたタイミングである。これらのタイミングでは、電圧Ａ_ＡＣＶ、及び電圧Ｐ_ＡＣＶはそれぞれ変動している。
【００３８】
前記したように、キャパシタＣ１２はキャパシタＣ１１より容量が大きい。したがって、基準電位が変位した場合であっても、その変位による影響は、キャパシタＣ１１と比べて、小さくなる。具体的には、図５と図６とを対比した場合、図５に示す電圧Ｐ_ＡＣＶの正常動作電圧Ｖａに対する変動の方が、電圧Ａ_ＡＣＶの正常動作電圧Ｖｂに対する変動よりも少ないことが読み取れる。つまり、電圧Ｐ_ＡＣＶの方が電圧Ａ_ＡＣＶより基準電位の変位に影響されず安定している。このため、コントローラ１２は、電圧Ａ_ＡＣＶよりも電圧Ｐ_ＡＣＶを監視する方が、電極間に挟まった金属異物５０がユーザに触れることによる変動に対して、より精度の良い停止判定処理を行える。
【００３９】
図７は、コントローラ１２が実行する停止判定処理のフローチャートである。
【００４０】
コントローラ１２は、ドライバ１１を制御して電力伝送を開始する（Ｓ１）。次に、コントローラ１２は、タイマーをリセット（ｔ＝０）し（Ｓ２）、タイミングｔにおける電圧Ｐ_ＡＣＶ（ｔ）を検出する（Ｓ３）。コントローラ１２は、時間Δｔ待機した後（Ｓ４）、タイミングｔ＋Δｔにおける電圧Ｐ_ＡＣＶ（ｔ＋Δｔ）を検出する（Ｓ５）。コントローラ１２は、検出した電圧Ｐ_ＡＣＶ（ｔ）と電圧Ｐ_ＡＣＶ（ｔ＋Δｔ）との差分ΔＰ_ＡＣＶを算出する（Ｓ６）。
【００４１】
コントローラ１２は、タイミングｔ+Δｔを新たにタイミングｔとして再設定し（Ｓ７）、差分ΔＰ_ＡＣＶの絶対値｜ΔＰ_ＡＣＶ｜が閾値（例えば、１５Ｖ）を超えたか否かを判定する（Ｓ８）。差分ΔＰ_ＡＣＶが閾値を超えた場合（Ｓ８：ＹＥＳ）、コントローラ１２は、アクティブ電極１３，２３に金属異物５０が挟まり、その金属異物５０にユーザが触れていると判定し、電力伝送を停止する（Ｓ９）。差分ΔＰ_ＡＣＶが閾値を超えていない場合（Ｓ８：ＮＯ）、コントローラ１２は、Ｓ４の処理を実行する。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態では、パッシブ電極１４の電圧Ｐ_ＡＣＶの経時的変化を監視することで、アクティブ電極１３，２３に金属異物５０が挟まれ、その金属異物５０がユーザに触れられたか否かを判定する。これにより、ユーザが金属異物５０を触れることで感電するなどの問題を防止できる。
【符号の説明】
【００４３】
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
１２…コントローラ
１３…アクティブ電極
１３，２３…アクティブ電極
１４，２４…パッシブ電極
１５…Ａ_ＡＣＶ検出回路
１６…Ｐ_ＡＣＶ検出回路
２０…ＤＣ−ＤＣコンバータ
５０…金属異物
１０１…送電装置
１２１…ＡＣＶ検出部
１２２…差分算出部
１２３…異物判定部
１２４…電力伝送停止部
２０１…受電装置
Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ３…キャパシタ
Ｃ４１，Ｃ４２，Ｃ４３、Ｃ４４…キャパシタ
Ｃ５１…容量
Ｃ５２…キャパシタ
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４…ダイオード
Ｄ１１，Ｄ１２…ダイオード
ＩＮ１，ＩＮ２…入力端子
ＯＵＴ１，ＯＵＴ２…出力端子
Ｐ…接続点
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４…スイッチ素子
Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３…抵抗
Ｒ５１…抵抗成分
Ｔ１…昇圧トランス
Ｔ２…降圧トランス
Ｖｉｎ…直流電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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