(57)【要約】【課題】送電側の装置の送信コイルと受電側の装置の受信コイル間の結合度が変化する場合でも、送信コイルと受信コイル間に混入した異物による故障を防止できる非接触給電装置を提供する。【解決手段】非接触給電装置１の受電装置３は、送電装置２からの電力を受信する受信コイル２１を有する共振回路２０と、共振回路２０から出力された電力を整流する整流回路２４とを有する。一方、送電装置２は、受電装置３へ電力を供給する送信コイル１４と、送信コイル１４に対して、調整可能なスイッチング周波数を持つ交流電力を供給する電力供給回路１０と、スイッチング周波数を所定の周波数領域にわたって変化させても非接触給電装置１が定電圧出力動作しない場合、電力供給回路１０から送信コイル１４への電力供給を停止する制御回路１７を有する。【選択図】図５
2018207764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電装置と、前記送電装置から非接触で電力伝送される受電装置とを有する非接触給電装置であって、
前記受電装置は、
前記送電装置からの電力を受信する受信コイルを有する共振回路と、
前記共振回路から出力される電力を整流する整流回路と、
を有し、
前記送電装置は、
前記受電装置へ電力を供給する送信コイルと、
前記送信コイルに対して、調整可能なスイッチング周波数を持つ交流電力を供給する電力供給回路と、
前記電力供給回路から前記送信コイルに供給される前記交流電力のスイッチング周波数を所定の周波数領域にわたって変化させても前記非接触給電装置が定電圧出力動作しない場合、前記電力供給回路から前記送信コイルへの電力供給を停止する制御回路と、
を有する非接触給電装置。
【請求項２】
前記受電装置は、前記共振回路と前記整流回路の間に、前記受信コイルと直列に接続されるコイルをさらに有し、
前記受電装置の共振回路は、前記受信コイルと並列に接続される共振コンデンサをさらに有し、
前記送電装置の前記制御回路は、前記送信コイルに対して、前記送信コイルが共振しないスイッチング周波数を持つ交流電力が供給されるように前記電力供給回路を制御する、請求項１に記載の非接触給電装置。
【請求項３】
前記受電装置の共振回路は、前記受信コイルと直列に接続される共振コンデンサをさらに有する、請求項１に記載の非接触給電装置。
【請求項４】
前記受電装置は、
前記共振回路から出力される電力の出力電圧を測定して当該出力電圧の測定値を求める電圧検出回路と、
前記出力電圧の測定値に基づいて、前記非接触給電装置が定電圧出力動作しているか否か、及び、前記共振回路の出力電圧の測定値が前記所定の電圧の許容範囲内に含まれるか否かを判定する定電圧判定回路と、
前記非接触給電装置が定電圧出力動作しているか否か、及び、前記出力電圧の測定値が所定の電圧の許容範囲内に含まれるか否かを表す判定情報を含む信号を前記送電装置へ送信する送信器とをさらに有し、
前記送電装置は、
前記判定情報を含む信号を受信する受信器をさらに有し、
前記制御回路は、前記電力供給回路から前記送信コイルに供給される前記交流電力のスイッチング周波数を所定の周波数領域にわたって変化させても、前記非接触給電装置が定電圧出力動作していることを示す前記判定情報を受信しなかった場合、前記電力供給回路から前記送信コイルへの電力供給を停止する、
請求項１〜３の何れか一項に記載の非接触給電装置。
【請求項５】
前記受電装置の前記定電圧判定回路は、所定時間経過する間の前記出力電圧の測定値の変化量を求め、
前記受電装置の前記送信器は、前記判定情報に前記出力電圧の測定値の変化量を含め、
前記送電装置の前記制御回路は、前記電力供給回路から前記送信コイルに供給される前記交流電力のスイッチング周波数を所定量高くなるよう変化させたときに、前記判定情報に含まれる前記出力電圧の測定値の変化量が、前記出力電圧の測定値が上昇していることを示している場合、前記電力供給回路から前記送信コイルへの電力供給を停止する、請求項４に記載の非接触給電装置。
【請求項６】
前記定電圧判定回路は、前記共振回路と接続される回路の抵抗値を変更しても、前記出力電圧の測定値が略一定となる場合、前記非接触給電装置が定電圧出力動作していると判定する、請求項４または５に記載の非接触給電装置。
【請求項７】
前記送電装置は、前記送信コイルに流れる電流を測定して当該電流の測定値を求める電流検出回路をさらに有し、
前記送電装置の前記制御回路は、前記スイッチング周波数を前記所定の周波数領域にわたって変化させながら、前記電流の測定値を監視して、前記電流の測定値が極大値となるスイッチング周波数が検出されるか否か判定し、前記電流の測定値が極大値となるスイッチング周波数が検出されなかった場合、前記電力供給回路から前記送信コイルへの電力供給を停止する、請求項１〜３の何れか一項に記載の非接触給電装置。
【請求項８】
送電装置と、前記送電装置から非接触で電力伝送される受電装置とを有する非接触給電装置における、異常停止方法であって、
前記受電装置は、
前記送電装置からの電力を受信する受信コイルを有する共振回路と、
前記共振回路から出力される電力を整流する整流回路とを有し、
前記送電装置は、
前記受電装置へ電力を供給する送信コイルと、
前記送信コイルに対して、調整可能なスイッチング周波数を持つ交流電力を供給する電力供給回路とを有し、
前記異常停止方法は、
前記電力供給回路から前記送信コイルに供給される前記交流電力のスイッチング周波数を所定の周波数領域にわたって変化させるステップと、
前記交流電力のスイッチング周波数を前記所定の周波数領域にわたって変化させても前記非接触給電装置が定電圧出力動作しない場合、前記電力供給回路から前記送信コイルへの電力供給を停止するステップと、
を含む異常停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触給電装置、及び、非接触給電装置における異常停止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、金属の接点などを介さずに、空間を通じて電力を伝送する、いわゆる非接触給電（ワイヤレス給電とも呼ばれる）技術が研究されている。
【０００３】
非接触給電技術の一つとして、電磁誘導により給電する方式が知られている。電磁誘導により給電する方式では、一次直列二次並列コンデンサ方式（以下、ＳＰ方式と呼ぶ）が利用される（例えば、非特許文献１を参照）。ＳＰ方式では、一次側（送電側）に、トランスの一部として動作する送信コイルと直列にコンデンサが接続され、二次側（受電側）に、トランスの他の一部として動作する受信コイルと並列にコンデンサが接続される。
【０００４】
ＳＰ方式では、受電側の受信コイル及びコンデンサにより構成される共振回路が並列共振するために、共振回路からの出力は定電流出力となる。そのため、受電側で定電圧出力となる、一次直列二次直列コンデンサ方式（以下、ＳＳ方式と呼ぶ）と比較して、ＳＰ方式の方が一般的に制御が難しい。これは、一般的な電子機器は定電圧で制御されるためである。
【０００５】
また、ＳＰ方式において、受電側の共振回路のコイルに対して直列に接続されるリアクトルを設ける技術が提案されている（例えば、非特許文献１及び特許文献１を参照）。なお、この技術による方式は、ＳＰＬ方式と呼ばれることもある。本明細書でも、この方式をＳＰＬ方式と呼ぶ。
【０００６】
このような様々な非接触給電装置において、送電側の送信コイルと受電側の受信コイルとの間に金属製の異物が入り込んでしまうことがある。このような場合、電力伝送中にその異物が誘導加熱により加熱されることで、発火したり、装置のカバーの変形が生じるといった故障が生じることがある。そこで、送信コイルと受信コイルとの間に入り込んだ金属製の異物を検出する技術が提案されている（例えば、非特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−４２０５１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】渡辺他、「一方向非接触給電から拡張容易な双方向非接触給電システム」、電気学会論文誌Ｄ、IEEJ Transactions on Industry Applications、Vol.133、No.7、pp.707-713、2013年
【非特許文献２】駒崎他、「電気自動車用非接触給電装置のギャップ中の異物検知法」、電気学会産業応用部門大会、2012年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非特許文献２には、異物検知方法として、(I)送信コイルと受信コイルの電圧比から推定されるトランス効率と実際の効率を比較する方法、(II)受電側の装置が無い状態で送信コイルに定電圧を印加したときの電流値を比較する方法、(III)伝送損失を定時でサンプリングして比較する方法、の３通りの手法が提案されている。このうち、方法(I)及び(II)は、電力伝送の開始前に混入した異物を検知するための方法であり、方法(III)は、電力伝送の途中で混入した異物を検知するための方法である。しかし、これらの方法は、送信コイルと受信コイル間の結合度が変化しないことが前提となっており、電力伝送中に、例えば、送電側の装置と受電側の装置の相対的な位置関係が変化して結合度が変化する場合には、異物が混入したか、結合度が変化したのかを判別することはできない。
【００１０】
そこで、本発明は、送電側の装置の送信コイルと受電側の装置の受信コイル間の結合度が変化する場合でも、送信コイルと受信コイル間に混入した異物による故障を防止できる非接触給電装置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】
【００１１】
本発明の一つの形態として、送電装置と、送電装置から非接触で電力伝送される受電装置とを有する非接触給電装置が提供される。この非接触給電装置において、受電装置は、送電装置からの電力を受信する受信コイルを有する共振回路と、共振回路から出力される電力を整流する整流回路とを有し、送電装置は、受電装置へ電力を供給する送信コイルと、送信コイルに対して、調整可能なスイッチング周波数を持つ交流電力を供給する電力供給回路と、電力供給回路から送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数を所定の周波数領域にわたって変化させても非接触給電装置が定電圧出力動作しない場合、電力供給回路から送信コイルへの電力供給を停止する制御回路とを有する。
係る構成を有することにより、この非接触給電装置は、送電側の装置の送信コイルと受電側の装置の受信コイル間の結合度が変化する場合でも、送信コイルと受信コイル間に混入した異物による故障を防止できる。
【００１２】
この非接触給電装置において、受電装置は、共振回路と整流回路の間に、受信コイルと直列に接続されるコイルをさらに有するとともに、受電装置の共振回路は、受信コイルと並列に接続される共振コンデンサをさらに有し、送電装置の制御回路は、送信コイルに対して、送信コイルが共振しないスイッチング周波数を持つ交流電力が供給されるように電力供給回路を制御することが好ましい。
係る構成を有することで、この非接触給電装置は、定電圧出力動作するか否かで、送信コイルと受信コイルとの間に異物が混入したか否かを判定できるので、送信コイルと受信コイル間に異物が混入したか否かを正確に判定できる。
【００１３】
あるいは、この非接触給電装置において、受電装置の共振回路は、受信コイルと直列に接続される共振コンデンサをさらに有することが好ましい。
係る構成を有することで、この非接触給電装置は、定電圧出力動作するか否かで、送信コイルと受信コイルとの間に異物が混入したか否かを判定できるので、送信コイルと受信コイル間に異物が混入したか否かを正確に判定できる。
【００１４】
この非接触給電装置において、受電装置は、共振回路から出力される電力の出力電圧を測定してその出力電圧の測定値を求める電圧検出回路と、出力電圧の測定値に基づいて、非接触給電装置が定電圧出力動作しているか否か、及び、共振回路の出力電圧の測定値が所定の電圧の許容範囲内に含まれるか否かを判定する定電圧判定回路と、非接触給電装置が定電圧出力動作しているか否か、及び、出力電圧の測定値が所定の電圧の許容範囲内に含まれるか否かを表す判定情報を含む信号を送電装置へ送信する送信器とをさらに有することが好ましい。一方、送電装置は、その判定情報を含む信号を受信する受信器をさらに有し、送電装置の制御回路は、電力供給回路から送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数を所定の周波数領域にわたって変化させても、非接触給電装置が定電圧出力動作していることを示す判定情報を受信しなかった場合、電力供給回路から送信コイルへの電力供給を停止することが好ましい。
係る構成を有することで、この非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間に混入した異物による故障を確実に防止できる。
【００１５】
この場合において、受電装置の定電圧判定回路は、所定時間経過する間の出力電圧の測定値の変化量を求め、受電装置の送信器は、判定情報に出力電圧の測定値の変化量を含めることが好ましい。そして送電装置の制御回路は、電力供給回路から送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数を所定量高くなるよう変化させたときに、判定情報に含まれる出力電圧の測定値の変化量が、出力電圧の測定値が上昇していることを示している場合、電力供給回路から送信コイルへの電力供給を停止することが好ましい。
係る構成を有することで、この非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間に混入した異物による故障を確実に防止できる。
【００１６】
また、この非接触給電装置において、受電装置の定電圧判定回路は、共振回路と接続される回路の抵抗値を変更しても、出力電圧の測定値が略一定となる場合、非接触給電装置が定電圧出力動作していると判定することが好ましい。
係る構成を有することで、この非接触給電装置は、送信コイルと受信コイルの間に異物が混入していない場合において非接触給電装置が定電圧出力動作しているか否かを正確に判定できる。
【００１７】
あるいは、この非接触給電装置において、送電装置は、送信コイルに流れる電流を測定してその電流の測定値を求める電流検出回路をさらに有し、送電装置の制御回路は、スイッチング周波数を所定の周波数領域にわたって変化させながら、電流の測定値を監視して、電流の測定値が極大値となるスイッチング周波数が検出されるか否か判定し、電流の測定値が極大値となるスイッチング周波数が検出されなかった場合、電力供給回路から送信コイルへの電力供給を停止することが好ましい。
係る構成を有することで、この非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間に混入した異物による故障を確実に防止できる。
【００１８】
本発明の他の形態によれば、送電装置と、送電装置から非接触で電力伝送される受電装置とを有する非接触給電装置における、異常停止方法が提供される。この異常停止方法において、非接触給電装置の受電装置は、送電装置からの電力を受信する受信コイルを有する共振回路と、共振回路から出力される電力を整流する整流回路と、共振回路と整流回路の間に、受信コイルと直列に接続されるコイルとを有し、送電装置は、受電装置へ電力を供給する送信コイルと、送信コイルに対して、調整可能なスイッチング周波数を持つ交流電力を供給する電力供給回路とを有する。そして異常停止方法は、電力供給回路から送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数を所定の周波数領域にわたって変化させるステップと、交流電力のスイッチング周波数を所定の周波数領域にわたって変化させても非接触給電装置が定電圧出力動作しない場合、電力供給回路から送信コイルへの電力供給を停止するステップとを含む。
係る構成を有することにより、この異常停止方法は、送電側の装置の送信コイルと受電側の装置の受信コイル間の結合度が変化する場合でも、送信コイルと受信コイル間に混入した異物による故障を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ＳＰＬ方式による非接触給電装置の等価回路図である。
【図２】ＳＰＬ方式の非接触給電装置の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図３】異物混入時のＳＰＬ方式の非接触給電装置の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、異物混入時のＳＰＬ方式の非接触給電装置の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の他の一例を示す図である。
【図５】本発明の一つの実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。
【図６】本実施形態による非接触給電装置の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図７】図６に示されたシミュレーションにおいて、結合度に応じて送信コイルに印加する電圧を変化させたときの、出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図８】異常停止処理の動作フローチャートである。
【図９】異物混入時の非接触給電装置の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図１０】変形例による、異常停止処理の動作フローチャートである。
【図１１】ＳＰＬ方式の非接触給電装置に関する図２に示されたシミュレーションにおいて、結合度に応じて送電側の共振回路に印加する電圧を変化させたときの、出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図１２】図１１に示されたシミュレーションにおいて、異物混入時における、結合度に応じて送電側の共振回路に印加する電圧を変化させたときの、出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図１３】ＳＬ方式の非接触給電装置について、結合度に応じて送電側の共振回路に印加する電圧を変化させたときの、出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図１４】図１３に示されるシミュレーションにおいて、異物混入時における、結合度に応じて送電側の共振回路に印加する電圧を変化させたときの、出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図１５】図５に示された実施形態による、非接触給電装置の出力電圧の周波数特性と入力インピーダンスの周波数特性との関係の一例を示す図である。
【図１６】変形例による、非接触給電装置の概略構成図である。
【図１７】他の変形例による、非接触給電装置の概略構成図である。
【図１８】図１７に示される変形例による非接触給電装置について、結合度に応じて送信コイルに印加する電圧を変化させたときの出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図１９】異物混入時における、図１７に示される変形例の非接触給電装置についての出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図２０】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、変形例による、電力供給回路の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一つの実施形態による非接触給電装置を、図を参照しつつ説明する。この非接触給電装置は、ＳＰＬ方式と同様に、受電側の共振回路の受信コイルと直列に接続されるコイルを有するが、ＳＰＬ方式と異なり、送電側の送信コイルに、その送信コイルが共振しない周波数を持つ交流電力を供給するとともに、その周波数を調整して、送信コイルと受信コイル間の結合度が変化しても定電圧出力動作することを可能とする。そしてこの非接触給電装置は、送信コイルに供給される交流電力の周波数を調整しても、定電圧出力動作とならない場合に、送信コイルと受信コイルとの間に金属製の異物が混入したと判定して、電力伝送を停止する。
【００２１】
最初に、本発明による非接触給電装置の理解を容易にするために、ＳＰＬ方式による非接触給電装置による、定電圧出力動作と異物混入との関係について説明する。
【００２２】
図１は、ＳＰＬ方式による非接触給電装置の等価回路図である。この等価回路１００において、送電側の共振回路の送信コイルと受電側の共振回路の受信コイルとが結合して、n:1の理想トランスを形成するものとする。Cr1は、送電側の共振回路における、送信コイルと直列接続されるコンデンサの静電容量である。Lr及びLmは、送電側の共振回路の漏れインダクタンス及び励磁インダクタンスである。なお、送電側の共振回路の送信コイルのインダクタンスLpは、(Lm+Lr)と等しく、送信コイルと受信コイル間の結合度をkとすると、Lr=(1-k)Lp、Lm=kLpである。また、Riは、送電側の巻線抵抗値であり、Risは、受電側の巻線抵抗値である。Cpは、受電側の共振回路における、受信コイルと並列接続されるコンデンサの静電容量である。Lopは、受信コイルと直列接続されるコイルのインダクタンスである。そしてRacは、負荷回路の交流等価抵抗値であり、負荷回路の抵抗値Roを用いてRac=(8/π2)×Roで表される。
【００２３】
等価回路１００より、ＳＰＬ方式の非接触給電装置のF行列Fspl(s,k,Rac)は、次式で表される。
【数１】
2018207764.tif 000003
ここでs=j2πfである。ただしfは、送電側の共振回路に供給される交流電力の周波数である。またkは送信コイルと受信コイル間の結合度である。
【００２４】
F行列の定義から、SPL方式の非接触給電装置の出力利得Gspl(s,k,Rac)は、次式で表される。
【数２】
2018207764.tif 000004
ここでVinは、送電側の共振回路に供給される交流電力の電圧（振幅）であり、Fspl(s,k,Rac)0,0は、（１）式で表されたF行列における左上の要素を表す。
【００２５】
図２は、（２）式に従って算出される、ＳＰＬ方式の非接触給電装置の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図２において、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。グラフ２０１は、結合度k=0.15、負荷回路の交流等価抵抗値をRacとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ２０２は、結合度k=0.15、負荷回路の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。また、グラフ２０３は、結合度k=0.3、負荷回路の交流等価抵抗値をRacとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ２０４は、結合度k=0.3、負荷回路の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。さらに、グラフ２０５は、結合度k=0.6、負荷回路の交流等価抵抗値をRacとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ２０６は、結合度k=0.6、負荷回路の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。なお、この例では、Lp=174μH、Cr1=Cp=20nF、Lop=3Lp、Ri=Ris=0.04Ω、n=1、Vin=200V、Ro=200Ω(Rac≒162.1Ω)とした。
【００２６】
図２においてポイント２１１〜２１６で示されるように、結合度kが一定となる条件下で負荷回路の交流等価抵抗値が変化しても出力電圧が略一定となる（すなわち、結合度kが一定の場合に定電圧出力となる）、周波数と出力電圧の組み合わせは６通りある。このうち、低周波数側のポイント２１１〜２１３は、送電側の共振回路の共振周波数に近く、送電側の共振回路の共振に影響される。一方、高周波数側のポイント２１４〜２１６は、送電側の共振回路の共振周波数よりもある程度高く、送電側の共振回路の共振による影響は少ない。なお、一般に、ＳＰＬ方式では、送電側の共振回路も共振させるので、非接触給電装置を定電圧出力動作させるためには、ポイント２１１〜２１３に示されるような周波数を持つ交流電力を送電側の共振回路に供給することとなる。
【００２７】
ここで、送信コイルと受信コイルとの間に、金属製の異物が混入したとする。そのような異物の混入により、漏れインダクタンスLr及び送電側の巻線抵抗値Ri及び受電側の巻線抵抗値Risが影響される。例えば、異物の混入により、漏れインダクタンスLrが50μH減少し、送電側の巻線抵抗値Ri及び受電側の巻線抵抗値Risがそれぞれ3Ω増加すると仮定する。この場合、異物混入時のＳＰＬ方式の非接触給電装置のF行列Fp5(s,k,Rac)は、次式で表される。
【数３】
2018207764.tif 000005
したがって、異物混入時の出力利得Gp5(s, k, Rac)は、次式で表される。
【数４】
2018207764.tif 000006
ここでFp5(s,k,Rac)0,0は、（３）式で表されたF行列における左上の要素を表す。
【００２８】
図３は、（４）式に従って算出される、異物混入時のＳＰＬ方式の非接触給電装置の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図３において、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。グラフ３０１は、結合度k=0.15、負荷回路の交流等価抵抗値をRacとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ３０２は、結合度k=0.15、負荷回路の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。また、グラフ３０３は、比較として、異物が混入しておらず（すなわち、（２）式に従って算出される）、結合度k=0.15、負荷回路の交流等価抵抗値をRacとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ３０４は、比較として、異物が混入しておらず、結合度k=0.15、負荷回路の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。なお、この例では、各回路素子のパラメータとして、図２のシミュレーションと同じ値を使用した。
【００２９】
図３においてポイント３１１及び３１２で示されるように、異物が混入していない場合には、負荷回路の抵抗値が変化しても出力電圧が略一定となる周波数が存在する。これに対して、異物が混入している場合は、負荷回路の抵抗値の変化によらず、出力電圧が略一定となる周波数が存在しない。また、ポイント３１３で示されるように、負荷回路の抵抗値が変化した場合の出力電圧の差が最小となる周波数は、ポイント３１１及び３１２に示される、異物が混入していない場合に出力電圧が略一定となる周波数と異なっている。
【００３０】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、（４）式に従って算出される、異物混入時のＳＰＬ方式の非接触給電装置の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の他の一例を示す図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）において、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。なお、図４（ａ）は、送電側の共振回路が共振する周波数帯域における出力電圧の周波数特性を表し、図４（ｂ）は、送電側の共振回路が共振する周波数帯域よりも高い周波数帯域における出力電圧の周波数特性を表す。グラフ４０１は、結合度k=0.6、負荷回路の交流等価抵抗値をRacとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ４０２は、結合度k=0.6、負荷回路の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。また、グラフ４０３は、比較として、異物が混入しておらず（すなわち、（２）式に従って算出される）、結合度k=0.6、負荷回路の交流等価抵抗値をRacとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ４０４は、比較として、異物が混入しておらず、結合度k=0.6、負荷回路の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。なお、この例では、各回路素子のパラメータとして、図２のシミュレーションと同じ値を使用した。
【００３１】
図４（ａ）及び図４（ｂ）においてポイント４１１及び４１２で示されるように、異物が混入していない場合には、負荷回路の抵抗値が変化しても出力電圧が略一定となる周波数が存在する。これに対して、異物が混入している場合は、負荷回路の抵抗値の変化によらず、出力電圧が略一定となる周波数が存在しない。また、ポイント４１３で示されるように、負荷回路の抵抗値が変化した場合の出力電圧の差が最小となる周波数は、ポイント４１１及び４１２に示される、異物が混入していない場合に出力電圧が略一定となる周波数と異なっている。
【００３２】
図３、図４（ａ）及び図４（ｂ）で示されるように、送信コイルと受信コイルの間に異物が混入しておらず、かつ、送信コイルと受信コイル間の結合度が変化する場合には、送信コイルに供給される交流電力の周波数を調整することで、非接触給電装置は定電圧出力動作を継続できる。これに対して、送信コイルと受信コイルの間に異物が混入した場合には、送信コイルに供給される交流電力の周波数を調整しても、非接触給電装置は定電圧出力動作を行うことができない。
【００３３】
そこで、本発明の実施形態による非接触給電装置は、定電圧出力動作を継続できなくなった場合に、送信コイルに供給される交流電力の周波数を調整して、非接触給電装置が定電圧出力動作する周波数を探索する。そして非接触給電装置が定電圧出力動作する周波数がなければ、非接触給電装置は、送信コイルと受信コイルとの間に異物が混入したと判定し、電力伝送を停止する。一方、非接触給電装置が定電圧出力動作する周波数があれば、非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間の結合度が変化したものとして、その定電圧出力動作する周波数にて電力伝送を継続する。これにより、この非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間の結合度が変化する場合でも、送信コイルと受信コイル間に混入した異物を検出できる。
【００３４】
なお、本明細書において、定電圧出力動作とは、非接触給電装置に接続される負荷回路の仕様などに応じて定められる電圧の許容範囲（例えば、所定の電圧基準値の±10%以内）内で出力電圧が維持されるように、非接触給電装置が動作することをいう。
【００３５】
図５は、本発明の一つの実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。図５に示されるように、非接触給電装置１は、送電装置２と、送電装置２から空間を介して非接触で電力伝送される受電装置３とを有する。送電装置２は、電力供給回路１０と、送信コイル１４と、受信器１５と、ゲートドライバ１６−１、１６−２と、制御回路１７とを有する。一方、受電装置３は、受信コイル２１及び共振コンデンサ２２を有する共振回路２０と、コイル２３と、整流平滑回路２４と、負荷回路２７と、電圧検出回路２８と、定電圧判定回路２９と、送信器３２とを有する。
【００３６】
先ず、送電装置２について説明する。
電力供給回路１０は、調節可能なスイッチング周波数、及び、調節可能な電圧を持つ交流電力を送信コイル１４へ供給する。そのために、電力供給回路１０は、電源１１と、力率改善回路１２と、４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４とを有する。
【００３７】
電源１１は、所定の脈流電圧を持つ電力を供給する。そのために、電源１１は、商用の交流電源と接続され、その交流電源から供給された交流電力を整流するための全波整流回路を有する。
【００３８】
力率改善回路１２は、電源１１から出力された電力の電圧を、制御回路１７からの制御に応じた電圧に変換して出力する。そのために、力率改善回路１２は、例えば、電源１１の正極側端子から順に直列に接続されるコイルL及びダイオードDと、コイルLとダイオードDの間にドレイン端子が接続され、電源１１の負極側端子にソース端子が接続されたnチャネル型のMOSFETであるスイッチング素子SWと、ダイオードDを挟んでスイッチング素子SWと並列に接続される平滑コンデンサCを有する。またスイッチング素子SWのゲート端子は、ゲートドライバ１６−１と接続される。さらに、力率改善回路１２は、電源１１の正極側端子と負極側端子との間に直列に接続される二つの抵抗R1、R2を有する。この抵抗R1、R2は、ダイオードDと平滑コンデンサCとの間に、平滑コンデンサCと並列に接続される。そして抵抗R1と抵抗R2間の電圧が、ダイオードDから出力される電圧を表すものとして、制御回路１７により測定される。
【００３９】
制御回路１７により指示されたデューティ比にしたがって、かつ、ダイオードDから出力される電流波形の軌跡が、電源１１から供給される電圧の軌跡と一致するように、ゲートドライバ１６−１がスイッチング素子SWのオン／オフを制御することにより、力率改善回路１２は、力率改善動作を実行する。そしてスイッチング素子SWがオンとなるデューティ比が高くなるほど、ダイオードDから出力される電圧は高くなる。
【００４０】
ダイオードDから出力される電圧は、平滑コンデンサCにより平滑化されて、４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４を介して送信コイル１４へ供給される。
【００４１】
なお、力率改善回路１２は、上記の構成に限られず、制御回路１７からの制御によって出力電圧を調整可能な他の構成を有していてもよい。
【００４２】
４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４は、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。そして４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４のうち、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−２は、電源１１の正極側端子と負極側端子との間に、力率改善回路１２を介して直列に接続される。また本実施形態では、電源１１の正極側に、スイッチング素子１３−１が接続され、一方、電源１１の負極側に、スイッチング素子１３−２が接続される。そしてスイッチング素子１３−１のドレイン端子は、力率改善回路１２を介して電源１１の正極側端子と接続され、スイッチング素子１３−１のソース端子は、スイッチング素子１３−２のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１３−２のソース端子は、力率改善回路１２を介して電源１１の負極側端子と接続される。さらに、スイッチング素子１３−１のソース端子、及び、スイッチング素子１３−２のドレイン端子は、送信コイル１４の一端に接続され、スイッチング素子１３−２のソース端子は、スイッチング素子１３−４を介して送信コイル１４の他端に接続される。
【００４３】
同様に、４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４のうち、スイッチング素子１３−３とスイッチング素子１３−４は、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−２と並列に、かつ、力率改善回路１２を介して電源１１の正極側端子と負極側端子との間に直列に接続される。また、電源１１の正極側に、スイッチング素子１３−３が接続され、一方、電源１１の負極側に、スイッチング素子１３−４が接続される。そしてスイッチング素子１３−３のドレイン端子は、力率改善回路１２を介して電源１１の正極側端子と接続され、スイッチング素子１３−３のソース端子は、スイッチング素子１３−４のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１３−４のソース端子は、力率改善回路１２を介して電源１１の負極側端子と接続される。さらに、スイッチング素子１３−３のソース端子、及び、スイッチング素子１３−４のドレイン端子は、送信コイル１４の他端に接続される。
【００４４】
また、各スイッチング素子１３−１〜１３−４のゲート端子は、ゲートドライバ１６−２を介して制御回路１７と接続される。さらに、各スイッチング素子１３−１〜１３−４のゲート端子は、オンとなる電圧が印加されたときにそのスイッチング素子がオンとなることを保証するために、それぞれ、抵抗を介して自素子のソース端子と接続されてもよい。そして各スイッチング素子１３−１〜１３−４は、制御回路１７からの制御信号にしたがって、調整可能なスイッチング周波数にてオン／オフが切り替えられる。本実施形態では、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−４とがオンとなっている間、スイッチング素子１３−２とスイッチング素子１３−３とがオフとなり、逆に、スイッチング素子１３−２とスイッチング素子１３−３とがオンとなっている間、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−４とがオフとなるように、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−４の組と、スイッチング素子１３−２とスイッチング素子１３−３との組について交互にオン／オフが切り替えられる。これにより、電源１１から力率改善回路１２を介して供給された直流電力は、各スイッチング素子のスイッチング周波数を持つ交流電力に変換されて、送信コイル１４に供給される。
【００４５】
そして送信コイル１４は、電力供給回路１０から供給された交流電力を、空間を介して受電装置３の共振回路２０へ伝送する。
【００４６】
受信器１５は、受電装置３の送信器３２から無線信号を受信する度に、その無線信号から、非接触給電装置１が定電圧出力動作しているか否かなどを表す判定情報を取り出して、制御回路１７へ出力する。そのために、受信器１５は、例えば、所定の無線通信規格に準じて無線信号を受信するアンテナと、その無線信号を復調する通信回路とを有する。なお、所定の無線通信規格は、例えば、ISO/IEC 15693、ZigBee（登録商標）、あるいはBluetooth（登録商標）とすることができる。
【００４７】
ゲートドライバ１６−１は、制御回路１７から、力率改善回路１２のスイッチング素子SWのオン／オフを切り替える制御信号を受信し、その制御信号に応じて、スイッチング素子SWのゲート端子に印加する電圧を変化させる。すなわち、ゲートドライバ１６−１は、スイッチング素子SWをオンにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子SWのゲート端子に、スイッチング素子SWがオンとなる相対的に高い電圧を印加する。一方、ゲートドライバ１６−１は、スイッチング素子SWをオフにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子SWのゲート端子に、スイッチング素子SWがオフとなる、相対的に低い電圧を印加する。これにより、ゲートドライバ１６−１は、制御回路１７により指示されたタイミングで力率改善回路１２のスイッチング素子SWのオン／オフを切り替える。
【００４８】
ゲートドライバ１６−２は、制御回路１７から、各スイッチング素子１３−１〜１３−４のオン／オフを切り替える制御信号を受信し、その制御信号に応じて、各スイッチング素子１３−１〜１３−４のゲート端子に印加する電圧を変化させる。すなわち、ゲートドライバ１６−２は、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４をオンにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子１３−１のゲート端子及びスイッチング素子１３−４のゲート端子に、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４がオンとなる相対的に高い電圧を印加する。これにより、電源１１からの電流が、スイッチング素子１３−１、送信コイル１４及びスイッチング素子１３−４を介して流れるようになる。一方、ゲートドライバ１６−２は、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４をオフにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子１３−１のゲート端子及びスイッチング素子１３−４のゲート端子に、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４がオフとなり、電源１１からの電流がスイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４を流れなくなる、相対的に低い電圧を印加する。ゲートドライバ１６−２は、スイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３についても同様に、ゲート端子に印加する電圧を制御する。したがって、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４がオフとなり、スイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３がオンとなると、電源１１からの電流が、スイッチング素子１３−３、送信コイル１４及びスイッチング素子１３−２を介して流れるようになる。
【００４９】
制御回路１７は、例えば、不揮発性のメモリ回路及び揮発性のメモリ回路と、演算回路と、他の回路と接続するためのインターフェース回路とを有する。そして制御回路１７は、受信器１５から判定情報を受け取る度に、その判定情報に応じて、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御する。
【００５０】
そのために、本実施形態では、制御回路１７は、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４の組とスイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３の組とが交互にオンとなり、かつ、スイッチング周波数に対応する１周期内でスイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４の組がオンとなっている期間とスイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３の組がオンとなっている期間とが等しくなるように、各スイッチング素子１３−１〜１３−４を制御する。なお、制御回路１７は、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４の組とスイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３の組が同時にオンとなり、電源１１が短絡されることを防止するために、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４の組とスイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３の組のオン／オフを切り替える際に、両方のスイッチング素子の組がオフとなるデッドタイムを設けてもよい。
【００５１】
また、制御回路１７は、スイッチング周波数と、そのスイッチング周波数にて定電圧出力となる、送信コイル１４への印加電圧に相当する、力率改善回路１２のスイッチング素子SWのオン／オフ制御のデューティ比との関係を表す参照テーブルを参照して、スイッチング周波数に応じたデューティ比を選択する。そして制御回路１７は、そのデューティ比と、力率改善回路１２のダイオードDからの出力電圧の変化に応じて、スイッチング素子SWのオン／オフを切り替えるタイミングを決定し、そのタイミングを表す制御信号をゲートドライバ１６−１へ出力する。
【００５２】
さらに、受信器１５が受電装置３からの無線信号を受信できない場合、受電装置３は、送電装置２から電力供給を受けることができる位置に存在しない、すなわち、送電装置２は待機状態にあると想定される。そこでこの場合、制御回路１７は、スイッチング素子SWのオン／オフ制御のデューティ比を0として、電力供給回路１０から送信コイル１４への電力供給を停止してもよい。これにより、送電装置２が待機状態となっている間、エネルギーの損失が抑制される。また後述するように、送信コイル１４と受信コイル２１との間に金属製の異物が混入したと判定される場合にも、制御回路１７は、スイッチング素子SWのオン／オフ制御のデューティ比を0として、電力供給回路１０から送信コイル１４への電力供給を停止する。
【００５３】
なお、制御回路１７による、スイッチング周波数及び送信コイル１４への印加電圧の制御と、異物停止処理の詳細については後述する。
【００５４】
次に、受電装置３について説明する。
共振回路２０は、互いに並列に接続される受信コイル２１と共振コンデンサ２２とからなるＬＣ共振回路である。そして共振回路２０が有する受信コイル２１の一端が共振コンデンサ２２の一端に接続されるとともに、コイル２３を介して整流平滑回路２４の一方の入力端子に接続される。また、受信コイル２１の他端が共振コンデンサ２２の他端に接続されるとともに、整流平滑回路２４の他方の入力端子に接続される。
【００５５】
受信コイル２１は、送電装置２の送信コイル１４に流れる交流電流と共振することで、送信コイル１４から電力を受信する。そして受信コイル２１は、共振コンデンサ２２及びコイル２３を介して、受信した電力を整流平滑回路２４へ出力する。なお、受信コイル２１の巻き数と、送電装置２の送信コイル１４の巻き数は同一でもよく、あるいは、異なっていてもよい。
【００５６】
共振コンデンサ２２は、その一端で受信コイル２１の一端及びコイル２３と接続され、他端で受信コイル２１の他端及び整流平滑回路２４と接続される。そして共振コンデンサ２２は、受信コイル２１にて受信した電力を、コイル２３を介して整流平滑回路２４へ出力する。
【００５７】
コイル２３は、共振回路２０と整流平滑回路２４との間に接続される。本実施形態では、コイル２３は、受信コイル２１と直列となるように、その一端で共振回路２０の受信コイル２１及び共振コンデンサ２２と接続され、他端で整流平滑回路２４と接続される。そしてコイル２３は、共振回路２０からの電力を整流平滑回路２４へ出力する。なお、このコイル２３が設けられることにより、ＳＰＬ方式と同様に、受電した電力の高調波成分が抑制される。
【００５８】
整流平滑回路２４は、整流回路の一例であり、ブリッジ接続された４個のダイオードを有する全波整流回路２５と平滑コンデンサ２６とを有し、共振回路２０により受信され、かつ、コイル２３を介して受け取った電力を整流し、かつ、平滑化して、直流電力に変換する。そして整流平滑回路２４は、その直流電力を、負荷回路２７に出力する。
【００５９】
電圧検出回路２８は、整流平滑回路２４の両端子間の出力電圧を所定の周期ごとに測定する。整流平滑回路２４の両端子間の出力電圧は、共振回路２０の出力電圧と１対１に対応するので、整流平滑回路２４の両端子間の出力電圧の測定値は、間接的に共振回路２０の出力電圧の測定値となる。電圧検出回路２８は、例えば、直流電圧を検出できる公知の様々な電圧検出回路の何れかとすることができる。そして電圧検出回路２８は、その出力電圧の測定値を表す電圧検出信号を定電圧判定回路２９へ出力する。
【００６０】
定電圧判定回路２９は、電圧検出回路２８から受け取った出力電圧の測定値に基づいて、非接触給電装置１が定電圧出力動作しているか否か、及び、出力電圧の測定値が定電圧出力動作が行われているときの電圧の許容範囲内に含まれているか否か判定する。そして定電圧判定回路２９は、その判定結果を送信器３２へ通知する。そのために、定電圧判定回路２９は、例えば、電圧の許容範囲を記憶するメモリ回路と、出力電圧の測定値と電圧の許容範囲とを比較する演算回路とを有する判定回路３０を有する。
【００６１】
さらに、定電圧判定回路２９は、整流平滑回路２４と負荷回路２７との間に接続される、MOSFETといったスイッチング素子３１を有する。このスイッチング素子３１は、オフとなると整流平滑回路２４から負荷回路２７へ電流が流れないようにし（すなわち、Rac=∞）、一方、オンとなると整流平滑回路２４から負荷回路２７へ電流が流れるようにする。そして定電圧判定回路２９の判定回路３０は、出力電圧の測定値が、電圧の許容範囲から外れている間、所定の周期でスイッチング素子３１のオン／オフを切り替える。これにより、その所定の周期で、整流平滑回路２４と接続される、負荷回路２７を含む回路全体の抵抗値が変化する。したがって、判定回路３０は、スイッチング素子３１のオン／オフを切り替えながら、出力電圧の測定値が略一定となるか否かを判定することで、非接触給電装置１が定電圧出力動作しているか否かを判定できる。そこで、判定回路３０は、所定の周期でスイッチング素子３１のオン／オフを切り替えても出力電圧の測定値が略一定となっている間、非接触給電装置１が定電圧出力動作していることを送信器３２へ通知する。
【００６２】
また、判定回路３０は、出力電圧の測定値が所定の周期よりも長い一定期間の間、非接触給電装置１が定電圧出力動作している場合、スイッチング素子３１のオン／オフの切り替えを停止して、オンとなる状態を維持する。そして判定回路３０は、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれるか否か判定し、その判定結果を送信器３２へ通知する。
【００６３】
その際、判定回路３０は、出力電圧の測定値が所定の周期よりも長い一定期間の間、電圧の許容範囲に含まれる場合、非接触給電装置１が定電圧出力動作しており、かつ、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲内であることを表す判定結果を送信器３２へ通知する。
【００６４】
なお、変形例によれば、定電圧判定回路２９は、整流平滑回路２４に対して、負荷回路２７と並列に接続される抵抗を有していてもよい。この場合、スイッチング素子３１は、その抵抗と直列、かつ、負荷回路２７と並列となるように設けられてもよい。この場合には、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれる間、判定回路３０は、スイッチング素子３１をオフにする。一方、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲から外れると、上記の実施形態と同様に、判定回路３０は、所定の周期でスイッチング素子３１のオン／オフを切り替えればよい。この変形例によれば、非接触給電装置１が定電圧出力動作していない場合にも、負荷回路２７への電力供給が継続される。
【００６５】
さらに他の変形例によれば、上記の抵抗と並列、かつ、負荷回路２７と直列に、MOSFETといった第２のスイッチング素子が設けられてもよい。この場合、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれる間、判定回路３０は、第２のスイッチング素子をオンにして、負荷回路２７への電力供給を可能とする。一方、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲から外れると、判定回路３０は、第２のスイッチング素子をオフにして、負荷回路２７への電力供給を停止してもよい。これにより、送電装置２においてスイッチング周波数が調整されている間に、受電した電力の電圧が過度に高くなっても、その過度に高い電圧が負荷回路２７に印加されることが防止される。
【００６６】
送信器３２は、所定の送信周期ごとに、定電圧判定回路２９の判定回路３０から受け取った判定結果に応じて、非接触給電装置１が定電圧出力動作しているか否か、及び、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれるか否かを表す判定情報を含む無線信号を生成し、その無線信号を送電装置２の受信器１５へ向けて送信する。そのために、送信器３２は、例えば、所定の無線通信規格に準じて無線信号を生成する通信回路と、その無線信号を出力するアンテナとを有する。なお、所定の無線通信規格は、受信器１５と同様に、例えば、ISO/IEC 15693、ZigBee（登録商標）、あるいはBluetooth（登録商標）とすることができる。
【００６７】
以下、非接触給電装置１の動作の詳細について説明する。
【００６８】
本実施形態では、送電装置２の制御回路１７は、受信器１５から受け取った判定情報に基づいて、非接触給電装置１が定電圧出力動作を継続するように、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御する。
【００６９】
ここで、本実施形態による非接触給電装置は、ＳＰＬ方式による非接触給電装置と比較して、送電側において共振回路の共振を利用しない点で相違する。このことから、非接触給電装置１の出力電圧の周波数特性は、図１の等価回路において、送電側の共振回路の共振が給電に影響しないように、送電側の共振回路における、送信コイルと直列接続されるコンデンサの静電容量Cr1を大きくして、送電側の共振回路の共振周波数を低下させたときのＳＰＬ方式の非接触給電装置の出力電圧の周波数特性と類似したものとなる。
【００７０】
図６は、本実施形態による非接触給電装置１の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図６において、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。なお、このシミュレーションでは、図２に示されたシミュレーションに用いられた各回路素子のパラメータの値と同じ値を使用した。グラフ６０１は、結合度k=0.15、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRacとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ６０２は、結合度k=0.15、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。また、グラフ６０３は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRacとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ６０４は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。さらに、グラフ６０５は、結合度k=0.6、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRacとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ６０６は、結合度k=0.6、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。
【００７１】
図６では、送信コイル１４が共振しないため、図６に示される周波数の範囲では、図２と比較して、低周波数側で出力電圧の極値がなくなっている。しかし、この場合でも、結合度kが変化しない条件下で、負荷回路２７の交流等価抵抗値が変化しても出力電圧が略一定となる（すなわち、定電圧出力となる）、周波数と出力電圧の組み合わせは、結合度ごとに（図のポイント６１１〜６１３の３通り）存在する。したがって、送信コイル１４が共振しないスイッチング周波数を持つ交流電力を送信コイル１４に印加しても、負荷回路２７の抵抗値の変化に対して非接触給電装置１を定電圧出力動作させることができることが分かる。さらに、ポイント６１１〜６１３で示される通り、負荷回路２７の抵抗値の変動に関して定電圧出力となるときの出力電圧は、結合度に応じて互いに異なっているものの、この出力電圧の差は、送信コイル１４に印加する電圧を調節することで、結合度によらず、略一定の出力電圧とすることができる。
【００７２】
図７は、図６に示されたシミュレーションにおいて、結合度に応じて送信コイル１４に印加する電圧を変化させたときの、出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図７において、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。グラフ７０１は、結合度k=0.15、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRac、送信コイルに印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ７０２は、結合度k=0.15、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイルに印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。また、グラフ７０３は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRac、送信コイルに印加される電圧を(0.47*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ７０４は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイルに印加される電圧を(0.47*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。さらに、グラフ７０５は、結合度k=0.6、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRac、送信コイルに印加される電圧を(0.19*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ７０６は、結合度k=0.6、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイルに印加される電圧を(0.19*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。
【００７３】
図６に示されたポイント６１１〜６１３に対応する、結合度kが変化しない条件下で、負荷回路２７の交流等価抵抗値が変化しても出力電圧が略一定となる（すなわち、定電圧出力となる）、周波数と出力電圧の組み合わせは、ポイント７１１〜７１３の３通りとなる。そしてポイント７１１〜７１３のそれぞれの出力電圧は、互いに略等しい。
【００７４】
以上により、送信コイル１４と受信コイル２１間に異物が混入していなければ、負荷回路２７の抵抗値及び結合度の何れが変動しても、送信コイル１４に印加する交流電力のスイッチング周波数及び電圧を適切に調節することで、出力電圧が略一定に保たれることが分かる。
【００７５】
以上により、制御回路１７は、定電圧出力動作を達成するために、下記のように送信コイル１４に印加される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御する。
【００７６】
受電装置３から受信器１５を介して受けとった無線信号に含まれる判定情報において、非接触給電装置１が定電圧出力動作していないことが示されている場合、制御回路１７は、交流電力のスイッチング周波数を所定の周波数領域内で変化させる。所定の周波数領域は、例えば、送電装置２から受電装置３への給電が行われる場合における、送信コイル１４と受信コイル２１間の想定される結合度の最小値において定電圧出力となる周波数を下限とし、送信コイル１４と受信コイル２１間の想定される結合度の最大値において定電圧出力となる周波数を上限とする周波数領域とすることができる。
【００７７】
制御回路１７は、スイッチング周波数を変化させる際、所定の周波数領域の下限から上限まで順にスイッチング周波数を高くしてもよく、あるいは、逆に、所定の周波数領域の上限から下限まで順にスイッチング周波数を低くしてもよい。その際、制御回路１７は、受電装置３の定電圧判定回路２９が出力電圧が略一定となったか否かを調べることができるように、定電圧判定回路２９の判定回路３０がスイッチング素子３１のオンとオフを切り替える周期よりも長い期間、同じスイッチング周波数を保つように、ステップ状にスイッチング周波数を変化させることが好ましい。
【００７８】
なお、制御回路１７は、スイッチング周波数を調整している間、送信コイル１４に印加する電圧を下限の電圧にまで低下させることが好ましい。これにより、受電装置３に供給される電力の電圧が過度に高くなることが抑制される。
【００７９】
制御回路１７は、スイッチング周波数を所定の周波数領域全体にわたって変化させても、受電装置３から受信器１５を介して受けとった無線信号に含まれる判定情報において、定電圧出力動作が行われていることが示されない場合、送信コイル１４と受信コイル２１間に異物が混入したと判定する。そして制御回路１７は、電力供給回路１０から送信コイル１４への電力供給を停止して、電力伝送を中断する。
【００８０】
一方、制御回路１７は、受電装置３から受信器１５を介して受けとった無線信号に含まれる判定情報において、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲には含まれないものの、負荷回路の抵抗が変化しても略一定となること、すなわち、定電圧出力動作が行われていることが示されていると、それ以降、スイッチング周波数を一定に保つ。そして次に、制御回路１７は、スイッチング周波数と、そのスイッチング周波数において結合度によらず一定の電圧出力となる、力率改善回路１２のスイッチング素子SWのオン／オフ制御のデューティ比との関係を示す参照テーブルを参照して、そのデューティ比を決定する。そして制御回路１７は、そのデューティ比に従って力率改善回路１２のスイッチング素子SWのオン／オフを切り替えるよう、ゲートドライバ１６−１を制御する。これにより、共振回路２０からの出力電圧が電圧の許容範囲に含まれるように、すなわち、結合度によらずに一定の電圧が出力されるように、送信コイル１４に印加される電圧が調整される。そして制御回路１７は、受電装置３から受信器１５を介して受けとった無線信号に含まれる判定情報において、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれることが示されると、送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を一定に保つ。
【００８１】
なお、制御回路１７は、上記の参照テーブルを参照してデューティ比を決定する代わりに、受電装置３から受信器１５を介して受けとった無線信号に含まれる判定情報において、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれることが示されるようになるまで、徐々にデューティ比を変化させてもよい。
【００８２】
図８は、制御回路１７により実行される、異常停止処理の動作フローチャートである。
【００８３】
受電装置３から受信した判定情報が、定電圧出力動作が行われていないことを示していると、制御回路１７は、送信コイル１４に供給される交流電力の電圧を所定値まで下げるよう、電力供給回路１０を制御する（ステップＳ１０１）。
【００８４】
制御回路１７は、スイッチング周波数を調整する所定の周波数領域の下限から上限まで順に、スイッチング周波数を高くするよう、電力供給回路１０を制御する（ステップＳ１０２）。そして制御回路１７は、受電装置３から受信した判定情報を参照して、何れかのスイッチング周波数で定電圧出力動作が行われていることが示されているか否か判定する（ステップＳ１０３）。
【００８５】
何れかのスイッチング周波数で定電圧出力動作が行われていることが示されている場合（ステップＳ１０３−Ｙｅｓ）、制御回路１７は、そのスイッチング周波数を持つ交流電力が送信コイル１４に供給されるよう、電力供給回路１０を制御する。さらに、制御回路１７は、受電装置３の共振回路２０の出力電圧が所定の電圧の許容範囲内となるまで、送信コイル１４に供給される交流電力の電圧を上昇させるよう、電力供給回路１０を制御する（ステップＳ１０４）。
【００８６】
一方、何れのスイッチング周波数でも定電圧出力動作が行われていることが示されていない場合（ステップＳ１０３−Ｎｏ）、非接触給電装置１は、所定の周波数領域、すなわち、想定される結合度の範囲において、定電圧出力動作することができない。したがって、送信コイル１４と受信コイル２１の近傍に、金属製の異物が存在すると判定される。そこで制御回路１７は、電力供給回路１０から送信コイル１４への電力供給を停止して、送電装置２から受電装置３への電力伝送を停止する（ステップＳ１０５）。さらに、制御回路１７は、図示しないインターフェースを介して、他の機器へ、金属製の異物を検出したことを表す異常信号を出力してもよい。
【００８７】
ステップＳ１０４またはＳ１０５の後、制御回路１７は、異常停止処理を終了する。
【００８８】
以上に説明してきたように、この非接触給電装置は、定電圧出力動作しなくなると、送電装置の送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数を、送信コイルと受信コイル間の想定される結合度に応じた周波数領域内で変化させる。そしてこの非接触給電装置は、その周波数領域全体にわたってスイッチング周波数を変化させても、定電圧出力動作を実行できない場合、送信コイルと受信コイルの間に金属製の異物が混入したと判定し、送電装置から受電装置への電力伝送を停止する。これにより、この非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間の結合度が変化する場合でも、送信コイルと受信コイルの間に混入した金属製の異物を検知できるとともに、混入した異物による故障の発生を防止できる。
【００８９】
なお、送信コイルと受信コイルの間に混入された異物によっては、漏れインダクタンス及び巻線抵抗の変動により、受電装置の共振回路からの出力電圧がほとんど変化しない可能性がある。
【００９０】
図９は、異物混入時の非接触給電装置の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図９において、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。グラフ９０１は、送信コイル１４と受信コイル２１との間に異物が混入した場合における、結合度k=0.15、負荷回路の交流等価抵抗値をRacとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ９０２は、送信コイル１４と受信コイル２１との間に異物が混入した場合における、結合度k=0.15、負荷回路の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。また、グラフ９０３は、異物が混入していない場合における、結合度k=0.15、負荷回路の交流等価抵抗値をRacとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ９０４は、異物が混入していない場合における、結合度k=0.15、負荷回路の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。なお、この例では、グラフ９０１及びグラフ９０２に関して、各回路素子のパラメータとして、図２のシミュレーションで用いたものから、漏れインダクタンスLrの値を30μH減らし、送電側の巻線抵抗値Ri及び受電側の巻線抵抗値Risを3Ω減少させた値を用いた。
【００９１】
グラフ９０１とグラフ９０３を比較すると、異物が混入することで、出力電圧のピーク値及び波形はほとんど変化せず、波形がわずかに高周波数側にシフトしていることが分かる。そのため、ポイント９１１で示される、異物が混入していないときの定電圧出力動作となる周波数では、負荷回路２７の交流等価抵抗値がRacであれば、異物が混入したときと、混入していないときとで、出力電圧はほとんど変化しない。そのため、受電装置３の共振回路２０からの出力電圧の測定値が電圧の許容範囲内に収まったままとなり、負荷回路２７の抵抗値が変化しない限り、定電圧出力動作が継続されていると誤判断される可能性がある。実際には、グラフ９０１とグラフ９０２で示されるように、異物が混入することで、負荷回路２７の抵抗値の変動に応じて共振回路２０からの出力電圧も変動し、非接触給電装置１は、定電圧出力動作していない。
【００９２】
また、発明者は、定電圧出力動作する周波数は、周波数が高くなるにつれて出力電圧が低下するような周波数領域に含まれるという知見を得た。このことから、グラフ９０１で示されるように、見掛け上、定電圧出力動作が継続しているときのスイッチング周波数（図９におけるポイント９１１）から、スイッチング周波数を上昇させたときに、出力電圧が上昇すれば、異物が混入していると想定される。
【００９３】
そこで、変形例によれば、定電圧判定回路２９の判定回路３０は、電圧検出回路２８による出力電圧の測定値を取得する度に、その測定値を所定期間（例えば、数10msec）記憶する。そして判定回路３０は、最新の出力電圧の測定値から、記憶している所定期間前の出力電圧の測定値を減じて、出力電圧の変化量Δvを算出する。そして判定回路３０は、判定情報に出力電圧の変化量Δvを含めて、送信器３２を介して送電装置２へ送信する。一方、送電装置２の制御回路１７は、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲内に含まれることを示す判定情報を、継続して受電装置３から受信している場合でも、定期的にスイッチング周波数を所定量Δfだけ上昇させて、そのときの出力電圧の変化量Δvが増加していれば、送信コイル１４と受信コイル２１との間に金属製の異物が混入したと判定し、電力伝送を停止する。
【００９４】
図１０は、この変形例による、制御回路１７により実行される異常停止処理の動作フローチャートである。制御回路１７は、下記の動作フローチャートに従って異常停止処理を実行すればよい。
【００９５】
制御回路１７は、受電装置３から受信した判定情報が、共振回路２０からの出力電圧の測定値が電圧の許容範囲内に含まれていることを示しているか否か判定する（ステップＳ２０１）。判定情報が、共振回路２０からの出力電圧の測定値が電圧の許容範囲から外れていることを示している場合（ステップＳ２０１−Ｎｏ）、この場合、結合度が変化したか、送信コイル１４と受信コイル２１との間に異物が混入した可能性がある。そこで制御回路１７は、図８のステップＳ１０１以降の処理を実行する。
【００９６】
一方、判定情報が、共振回路２０からの出力電圧の測定値が電圧の許容範囲内に含まれていることを示している場合（ステップＳ２０１−Ｙｅｓ）、制御回路１７は、一定期間継続して、定電圧出力動作が行われていることを示す判定情報を受電装置３から受信したか否か判定する（ステップＳ２０２）。定電圧出力動作が行われていることを示す判定情報を継続して受信した期間がその一定期間に達していなければ（ステップＳ２０２−Ｎｏ）、制御回路１７は、所定時間待機した後に、ステップＳ２０２の処理を繰り返す。
【００９７】
一方、定電圧出力動作が行われていることを示す判定情報を継続して受信した期間がその一定期間に達していれば（ステップＳ２０２−Ｙｅｓ）、制御回路１７は、電力供給回路１０から送信コイル１４へ供給される交流電力のスイッチング周波数を所定幅Δfだけ高くする（ステップＳ２０３）。そして制御回路１７は、スイッチング周波数を高くした後に受電装置３から受信した判定情報に含まれる出力電圧の変化量Δvを参照して、Δv/Δfが負となるか否か判定する（ステップＳ２０４）。Δv/Δfが負となる場合、すなわち、スイッチング周波数の上昇に応じて受電装置３の共振回路２０からの出力電圧が低下する場合（ステップＳ２０４−Ｙｅｓ）、制御回路１７は、送信コイル１４と受信コイル２１との間に異物は混入していないと判定する。そこで制御回路１７は、電力供給回路１０から送信コイル１４へ供給される交流電力のスイッチング周波数を所定幅Δfだけ低くする（ステップＳ２０５）。すなわち、制御回路１７は、元のスイッチング周波数に戻す。そして制御回路１７は、ステップＳ２０１以降の処理を繰り返す。
【００９８】
一方、Δv/Δfが正となる場合、すなわち、スイッチング周波数の上昇に応じて受電装置３の共振回路２０からの出力電圧も上昇する場合（ステップＳ２０４−Ｎｏ）、制御回路１７は、送信コイル１４と受信コイル２１との間に異物が混入したと判定する。そこで制御回路１７は、電力供給回路１０から送信コイル１４への電力供給を停止して、送電装置２から受電装置３への電力伝送を停止する（ステップＳ２０６）。なお、この変形例でも、制御回路１７は、図示しないインターフェースを介して、他の機器へ、金属製の異物を検出したことを表す異常信号を出力してもよい。
【００９９】
ステップＳ２０６の後、制御回路１７は、異常停止処理を終了する。なお、異物混入時だけでなく、結合度が変化した場合でも、出力電圧がほとんど変化しない場合もある。そこで制御回路１７は、ステップＳ２０４にて、スイッチング周波数の上昇に応じて受電装置３の共振回路２０からの出力電圧も上昇する場合でも、直ちに電力伝送を停止する代わりに、図８のステップＳ１０１以降の処理を実行して、電力伝送を停止するか否かを判定してもよい。
【０１００】
この変形例によれば、送信コイル１４と受信コイル２１の間に金属製の異物が混入しても受電装置３の共振回路２０からの出力電圧がほとんど変化しない場合でも、非接触給電装置は、その混入した異物を検知して、混入した異物による故障の発生を防止できる。
【０１０１】
なお、異物混入を判定する非接触給電装置は、上記の実施形態に限られず、送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数と電圧とを調節することで、一定の電圧変動の許容範囲内で定電圧出力動作することが可能な非接触給電装置であればよい。
【０１０２】
例えば、非接触給電装置は、ＳＰＬ方式の非接触給電装置であってもよい。この場合、図５に示される非接触給電装置において、送電装置２は、送信コイル１４と直列に接続されるコンデンサを有していてもよい。そして電力供給回路１０は、送信コイル１４とこのコンデンサとにより構成される共振回路（以下、受電装置３の共振回路２０と区別するために、送電側の共振回路と呼ぶ）が共振するスイッチング周波数を持つ交流電力を、送電側の共振回路に供給してもよい。
【０１０３】
図１１は、ＳＰＬ方式の非接触給電装置に関する図２に示されたシミュレーションにおいて、結合度に応じて送電側の共振回路に印加する電圧を変化させたときの、出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図１１において、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。なお、このシミュレーションでは、図２に示されたシミュレーションに用いられた各回路素子のパラメータの値と同じ値を使用した。グラフ１１０１は、結合度k=0.15、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRac、送信コイルに印加される電圧を(0.4*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１１０２は、結合度k=0.15、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイルに印加される電圧を(0.4*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。また、グラフ１１０３は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRac、送信コイルに印加される電圧を(0.67*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１１０４は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイルに印加される電圧を(0.67*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。さらに、グラフ１１０５は、結合度k=0.6、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRac、送信コイルに印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１１０６は、結合度k=0.6、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイルに印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。
【０１０４】
ポイント１１１１〜１１１３で示されるように、結合度kが変化しない条件下で、負荷回路２７の交流等価抵抗値が変化しても出力電圧が略一定となる（すなわち、定電圧出力となる）、周波数と出力電圧の組み合わせのそれぞれの出力電圧は、互いに略等しい。したがって、ＳＰＬ方式でも、送電側の共振回路に供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を調節することで、非接触給電装置は、定電圧出力動作するとともに、略一定の出力電圧を維持できることが分かる。またこの例でも、定電圧出力動作となる周波数は、周波数が上昇するにつれて出力電圧が低下する周波数の範囲内に存在する。
【０１０５】
図１２は、図１１に示されたシミュレーションにおいて、異物混入時における、結合度に応じて送電側の共振回路に印加する電圧を変化させたときの、ＳＰＬ方式の非接触給電装置についての出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図１２において、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。なお、このシミュレーションでは、各回路素子のパラメータとして、図２のシミュレーションで用いたものから、漏れインダクタンスLrの値を30μH減らし、送電側の巻線抵抗値Ri及び受電側の巻線抵抗値Risを3Ω増加させた値を用いた。グラフ１２０１は、結合度k=0.15、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRac、送信コイルに印加される電圧を(0.4*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１２０２は、結合度k=0.15、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイルに印加される電圧を(0.4*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。また、グラフ１２０３は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRac、送信コイルに印加される電圧を(0.67*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１２０４は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイルに印加される電圧を(0.67*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。さらに、グラフ１２０５は、結合度k=0.6、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRac、送信コイルに印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１２０６は、結合度k=0.6、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイルに印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。
【０１０６】
図１２に示される通り、何れの結合度においても、負荷回路２７の交流等価抵抗値の変動により、出力電圧が大きく変動し、非接触給電装置が定電圧出力動作しなくなることが分かる。
【０１０７】
したがって、ＳＰＬ方式の非接触給電装置についても、送電装置の制御回路が、図８または図１０に示される動作フローチャートに従って異常停止処理を実行することで、送信コイルと受信コイル間に金属製の異物が混入したか否かを判定することができ、そして金属製の異物が混入したと判定した場合に、送電装置から受電装置への電力伝送を停止することができる。
【０１０８】
また、ＳＰＬ方式の非接触給電装置において、受電側の共振回路の共振コンデンサが省略されてもよい。この場合も、非接触給電装置は、定電圧出力動作することができる。この変形例では、図５に示される非接触給電装置において、送電装置２は、送信コイル１４と直列に接続されるコンデンサを有し、受電装置３の共振回路２０から共振コンデンサ２２が省略されればよい。この変形例による非接触給電装置を、以下では、便宜上、ＳＬ方式の非接触給電装置と呼ぶ。
【０１０９】
図１３は、ＳＬ方式の非接触給電装置について、結合度に応じて送電側の共振回路に印加する電圧を変化させたときの、出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図１３において、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。なお、このシミュレーションでは、Lp=174μH、Cr1=20nF、Lop=3Lp、Ri=Ris=0.04Ω、n=1、Vin=200V、Ro=200Ω(Rac≒162.1Ω)とした。グラフ１３０１は、結合度k=0.15、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRac、送信コイルに印加される電圧を(0.25*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１３０２は、結合度k=0.15、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイルに印加される電圧を(0.25*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。また、グラフ１３０３は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRac、送信コイルに印加される電圧を(0.5*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１３０４は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac) 、送信コイルに印加される電圧を(0.5*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。さらに、グラフ１３０５は、結合度k=0.6、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRac、送信コイルに印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１３０６は、結合度k=0.6、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイルに印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。
【０１１０】
ポイント１３１１〜１３１３で示されるように、結合度kが変化しない条件下で、負荷回路２７の交流等価抵抗値が変化しても出力電圧が略一定となる（すなわち、定電圧出力となる）、周波数と出力電圧の組み合わせのそれぞれの出力電圧は、互いに略等しい。したがって、ＳＬ方式でも、送電側の共振回路に供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を調節することで、非接触給電装置は、定電圧出力動作するとともに、略一定の出力電圧を維持できることが分かる。またこの例でも、定電圧出力動作となる周波数は、周波数が上昇するにつれて出力電圧が低下する周波数の範囲内に存在する。
【０１１１】
図１４は、図１３に示されるシミュレーションにおいて、異物混入時における、結合度に応じて送電側の共振回路に印加する電圧を変化させたときの、ＳＬ方式の非接触給電装置についての出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図１４において、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。なお、このシミュレーションでは、各回路素子のパラメータとして、図１３のシミュレーションで用いたものから、漏れインダクタンスLrの値を30μH減らし、送電側の巻線抵抗値Ri及び受電側の巻線抵抗値Risを3Ω増加させた値を用いた。グラフ１４０１は、結合度k=0.15、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRac、送信コイルに印加される電圧を(0.25*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１４０２は、結合度k=0.15、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイルに印加される電圧を(0.25*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。また、グラフ１４０３は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRac、送信コイルに印加される電圧を(0.5*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１４０４は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイルに印加される電圧を(0.5*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。さらに、グラフ１４０５は、結合度k=0.6、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRac、送信コイルに印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１４０６は、結合度k=0.6、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイルに印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。
【０１１２】
図１４に示される通り、何れの結合度においても、負荷回路２７の交流等価抵抗値の変動により、出力電圧が大きく変動し、非接触給電装置が定電圧出力動作しなくなることが分かる。
【０１１３】
したがって、ＳＬ方式の非接触給電装置についても、送電装置の制御回路が、図８または図１０に示される動作フローチャートに従って異常停止処理を実行することで、送信コイルと受信コイル間に金属製の異物が混入したか否かを判定することができ、そして金属製の異物が混入したと判定した場合に、送電装置から受電装置への電力伝送を停止することができる。
【０１１４】
また、発明者は、受電装置の負荷回路の抵抗値が予め設定された値となる場合には、上記の実施形態または変形例による非接触給電装置が定電圧出力動作する周波数において、この非接触給電装置の入力インピーダンスが極小値となるという知見を得た。
【０１１５】
図１５は、図５に示される非接触給電装置１の出力電圧の周波数特性と入力インピーダンスの周波数特性との関係の一例を示す図である。図１５の上側のグラフにおいて、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。また、図１５の下側のグラフにおいて、横軸は、周波数を表し、縦軸は、入力インピーダンスを表す。なお、このシミュレーションでは、図２に示されたシミュレーションに用いられた各回路素子のパラメータの値と同じ値を使用した。上側のグラフにおいて、グラフ１５０１（図２のグラフ２０３と同一）は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRacとしたときの非接触給電装置１の出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１５０２（図２のグラフ２０４と同一）は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの非接触給電装置１の出力電圧の周波数特性を表す。また、下側のグラフにおいて、グラフ１５１１は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRacとしたときの非接触給電装置１の入力インピーダンスの周波数特性を表す。さらに、グラフ１５１２は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(100*Rac)としたときの非接触給電装置１の入力インピーダンスの周波数特性を表す。
【０１１６】
図１５に示されるように、非接触給電装置１が定電圧出力動作する周波数f0では、負荷回路２７の交流等価抵抗値がRacのときの入力インピーダンスは極小値となる。すなわち、周波数f0にて、送信コイル１４に流れる電流は極大値を持つ。
【０１１７】
そこで変形例によれば、送電装置の制御回路は、送信コイルを流れる電流の周波数特性に応じて、非接触給電装置が定電圧出力動作するか否かを判定し、その結果に応じて、異物が混入されたか否かを判定してもよい。
【０１１８】
図１６は、この変形例による、非接触給電装置の概略構成図である。図１６に示されるように、非接触給電装置４は、送電装置４２と、送電装置４２から空間を介して非接触で電力伝送される受電装置４３とを有する。送電装置４２は、電力供給回路５０と、送信コイル５４と、コンデンサ５５と、電流検出回路５６と、受信器５７と、ゲートドライバ５８と、制御回路５９とを有する。一方、受電装置４３は、受信コイル６１及び共振コンデンサ６２を有する共振回路６０と、コイル６３と、全波整流回路６５と平滑コンデンサ６６を有する整流平滑回路６４と、負荷回路６７と、電圧検出回路６８と、定電圧判定回路６９と、固定負荷回路７２と、送信器７３とを有する。
【０１１９】
非接触給電装置４は、図５に示された非接触給電装置１と比較して、送電装置４２については、電力供給回路５０の構成と、コンデンサ５５及び電流検出回路５６を有する点と、制御回路５９による制御の一部が相違する。また、受電装置４３については、固定負荷回路７２を有する点で相違する。そこで以下では、上記の相違点及び関連する部分について説明する。
【０１２０】
電力供給回路５０は、調節可能なスイッチング周波数、及び、調節可能な電圧を持つ交流電力を送信コイル５４へ供給する。そのために、電力供給回路５０は、電圧可変電源５１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２と、３個のスイッチング素子５３−１〜５３−３とを有する。
【０１２１】
電圧可変電源５１は、直流電力を供給し、その直流電力の電圧を制御回路５９からの制御によって調整可能な電源である。なお、電圧可変電源５１は、供給する電圧を調整可能な様々な回路構成の何れを有していてもよい。非接触給電装置４が定電圧出力動作している間、電圧可変電源５１から供給される直流電力は、スイッチング素子５３−１及び５３−２を介して交流電力に変換されて送信コイル５４へ供給される。一方、非接触給電装置４が定電圧出力動作するためのスイッチング周波数の調整が行われている間、電圧可変電源５１から供給される直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２及びスイッチング素子５３−３を介して送信コイル５４へ供給される。
【０１２２】
ＤＣ／ＤＣコンバータ５２の入力端子は、電圧可変電源５１の正極側端子と接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２の出力端子は、ダイオードD及びスイッチング素子５３−３を介してコンデンサ５５の一端と接続される。そしてＤＣ／ＤＣコンバータ５２は、電圧可変電源５１から供給された直流電力の電圧を所定の電圧（例えば、5V）に低下させる。
【０１２３】
非接触給電装置４が定電圧出力動作するためのスイッチング周波数の調整が行われている間、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２から出力された電圧は、ダイオードD、スイッチング素子５３−３及びコンデンサ５５を介して送信コイル５４へ供給される。
【０１２４】
スイッチング素子５３−１〜５３−３は、それぞれ、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。スイッチング素子５３−１とスイッチング素子５３−２は、電圧可変電源５１の正極側端子と負極側端子との間に直列に接続される。また、電圧可変電源５１の正極側に、スイッチング素子５３−１が接続され、一方、電圧可変電源５１の負極側に、スイッチング素子５３−２が接続される。そしてスイッチング素子５３−１のドレイン端子は、電圧可変電源５１の正極側端子と接続され、スイッチング素子５３−１のソース端子は、スイッチング素子５３−２のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子５３−１のソース端子、及び、スイッチング素子５３−２のドレイン端子は、コンデンサ５５を介して送信コイル５４の一端と接続される。さらに、スイッチング素子５３−２のソース端子は、電圧可変電源５１の負極側端子、及び、電流検出回路５６を介して送信コイル５４の他端と接続される。
【０１２５】
また、スイッチング素子５３−３のドレイン端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２の出力端子と接続され、スイッチング素子５３−３のソース端子は、コンデンサ５５を介して送信コイル５４の一端と接続される。そして各スイッチング素子のゲート端子は、ゲートドライバ５８と接続される。
【０１２６】
非接触給電装置４が定電圧出力動作している間、ゲートドライバ５８は、制御回路５９からの制御信号に従って、スイッチング素子５３−３をオフに保つ。またゲートドライバ５８は、制御回路５９からの制御信号に従って、スイッチング素子５３−１とスイッチング素子５３−２のオン／オフを、定電圧出力動作となるスイッチング周波数にて交互に切り替える。すなわち、スイッチング素子５３−１がオンとなり、スイッチング素子５３−２がオフとなる場合には、電圧可変電源５１からスイッチング素子５３−１を介してコンデンサ５５へ電力が供給されてコンデンサ５５が充電されるのに伴って、送信コイル５４へ電流が流れる。一方、スイッチング素子５３−１がオフとなり、スイッチング素子５３−２がオンとなる場合には、コンデンサ５５が放電して、コンデンサ５５から送信コイル５４へ電流が流れる。
【０１２７】
また、非接触給電装置４が定電圧出力動作するためのスイッチング周波数の調整が行われている間、ゲートドライバ５８は、制御回路５９からの制御信号に従って、スイッチング素子５３−１をオフに保ち、その代わりに、制御回路５９からの制御信号に従って、スイッチング素子５３−３とスイッチング素子５３−２のオン／オフを、スイッチング周波数にて交互に切り替える。
【０１２８】
コンデンサ５５は、送信コイル５４と電力供給回路５０の間に接続される。そしてコンデンサ５５は、各スイッチング素子のスイッチング周波数でのオン／オフの切り替えに応じて充電と放電とを繰り返すことで、送信コイル５４に、スイッチング周波数を持つ交流電力を供給する。なお、スイッチング周波数が調整される周波数範囲において送信コイル５４とコンデンサ５５とが共振回路として動作しないよう、送信コイル５４とコンデンサ５５の共振周波数は、受電装置４３の共振回路６０の共振周波数及びスイッチング周波数が調整される周波数範囲の下限周波数よりも小さくなるように、コンデンサ５５の静電容量が設定されることが好ましい。
【０１２９】
電流検出回路５６は、送信コイル５４と電力供給回路５０との間に接続され、送信コイル５４を流れる電流を測定する。そして電流検出回路５６は、電流の測定値を制御回路５９へ出力する。なお、電流検出回路５６は、電流検出回路５６に対して直列に接続される分流用のコンデンサ（図示せず）とともに、送信コイル５４に対して、コンデンサ５５と並列に接続されてもよい。この場合、電流検出回路５６は、間接的に送信コイル５４に流れる電流を測定できる。
【０１３０】
また、受電装置４３の定電圧判定回路６９は、上記の実施形態による判定回路３０及びスイッチング素子３１と同様の判定回路７０及びスイッチング素子７１を有する。
【０１３１】
定電圧判定回路６９の判定回路７０は、電圧検出回路６８による、共振回路６０からの出力電圧の測定値が、電圧の許容範囲内に保たれている間、すなわち、非接触給電装置４が定電圧出力動作を行っている間、スイッチング素子７１をオンにして、共振回路６０からの出力電圧が整流平滑回路６４を介して負荷回路６７へ供給されるようにする。一方、出力電圧の測定値が、電圧の許容範囲から外れている間、判定回路７０は、スイッチング素子７１をオフにして、共振回路６０からの出力電圧が負荷回路６７へ供給されないようにする。
【０１３２】
固定負荷回路７２は、整流平滑回路６４に対して、負荷回路６７と並列に接続され、スイッチング周波数の調整が行われている間、負荷回路６７の基準となる負荷（例えば、図９に示されるシミュレーションによるRac）と略等しい負荷を受電装置４３に提供する。そのために、固定負荷回路７２は、整流平滑回路６４に対して負荷回路６７と並列に接続され、かつ、負荷回路６７の基準となる負荷に応じた抵抗値を持つ抵抗R1を有する。そして抵抗R1は、nチャネル型のMOSFETといったスイッチング素子SW1と直列に接続される。さらに、固定負荷回路７２は、整流平滑回路６４の両出力端子間に、正極側から順に直列に接続される抵抗R2とnpn型のバイポーラトランジスタといったスイッチング素子SW2とを有する。また抵抗R2とスイッチング素子SW2とは、抵抗R1と並列に接続される。そしてスイッチング素子SW1のゲート端子は、抵抗R2とスイッチング素子SW2の一端（この例では、コレクタ端子）との間に接続される。さらに、スイッチング素子SW2のベース端子は、抵抗R3及び逆バイアスされたツェナーダイオードZDを介して整流平滑回路６４の正極側端子と接続される。
【０１３３】
非接触給電装置４が定電圧出力動作している間、共振回路６０の出力電圧は、ツェナーダイオードZDの降伏電圧よりも高く、その結果としてスイッチング素子SW2のベース端子には、ツェナーダイオードZD及び抵抗R3を介して電流が供給され、スイッチング素子SW2はオンとなる。その結果、スイッチング素子SW1のゲート端子に印加される電圧は低下して、スイッチング素子SW1はオフとなる。そのため、抵抗R1には共振回路６０からの出力電圧は印加されない。
【０１３４】
一方、非接触給電装置４が定電圧出力動作するためのスイッチング周波数の調整が行われている間、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２から送信コイル５４へ供給される電力の電圧が低いため、送電装置４２から受電装置４３へ供給される電力も低下する。そのため、共振回路６０からの出力電圧も低下して、ツェナーダイオードZDの降伏電圧よりも低くなる。その結果、スイッチング素子SW2はオフとなり、これに伴い、スイッチング素子SW1のゲート端子に印加される電圧が上昇し、スイッチング素子SW1がオンとなる。そのため、共振回路６０からの出力電圧が、抵抗R1に印加されることとなる。その結果、抵抗R1の持つ固定の負荷が受電装置４３に提供される。
【０１３５】
以下、この変形例による、送電装置４２の制御回路５９の動作について説明する。制御回路５９は、非接触給電装置４が定電圧出力動作している間、上記の実施形態と同様に、受電装置４３の共振回路６０からの出力電圧の測定値が所定の許容範囲内となるように、スイッチング周波数に応じた電圧を持つ直流電圧を送信コイル５４に供給するよう、電力供給回路５０の電圧可変電源５１を制御する。また制御回路５９は、ゲートドライバ５８を介して、スイッチング素子５３−３をオフに保つとともに、定電圧出力動作するスイッチング周波数にて、スイッチング素子５３−１及び５３−２のオン／オフを切り替える。
【０１３６】
一方、受電装置４３から受信器５７を介して受けとった無線信号に含まれる判定情報において、非接触給電装置４が定電圧出力動作していないことが示されている場合、制御回路５９は、ゲートドライバ５８を介してスイッチング素子５３−１をオフに保つとともに、スイッチング素子５３−３及び５３−２のオン／オフを交互に切り替えることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２から送信コイル５４に電力が供給されるようにする。また制御回路５９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２から送信コイル５４に供給される電圧が所定値となるように、電圧可変電源５１を制御する。これにより、制御回路５９は、送電装置４２から受電装置４３へ供給される電力を、受電装置４３の固定負荷回路７２の抵抗R1に電圧が印加される程度となるまで低下させる。
【０１３７】
そして制御回路５９は、スイッチング周波数を変化させながら、電流検出回路５６による、送信コイル５４に流れる電流の測定値を監視して、その電流の測定値が極大値となるスイッチング周波数を検出する。送信コイル５４に流れる電流の測定値が極大値となるスイッチング周波数は、図１５に示される周波数f0といった、非接触給電装置４の入力インピーダンスが極小値となる周波数、すなわち、非接触給電装置４が定電圧出力動作する周波数である。そこで制御回路５９は、送信コイル５４に流れる電流の測定値が極大値となるスイッチング周波数が検出されると、そのスイッチング周波数にて、電圧可変電源５１からの電力が送信コイル５４に供給されるように、ゲートドライバ５８を介してスイッチング素子５３−１及び５３−２のオン／オフを制御する。また制御回路５９は、スイッチング素子５３−３をオフにする。これにより、制御回路５９は、非接触給電装置４を定電圧出力動作させることが可能となる。また制御回路５９は、上記のように、受電装置４３の共振回路６０からの出力電圧の測定値が所定の許容範囲内となるように、スイッチング周波数に応じた電圧を持つ直流電圧が送信コイル５４に供給されるよう、電力供給回路５０の電圧可変電源５１を制御する。
【０１３８】
ただし、送信コイル５４と受信コイル６１の間に、金属製の異物が混入すると、非接触給電装置４は定電圧出力動作しなくなり、その結果として、図１５の下側のグラフ１５１１に示されるような、入力インピーダンスの極小値が存在しなくなる。すなわち、入力インピーダンスは、スイッチング周波数の増加に応じて、例えば、単調増加するようになる。したがって、スイッチング周波数が調整される際に、電流検出回路５６による送信コイル５４に流れる電流の測定値を監視しても、電流の測定値が極大値となるスイッチング周波数が検出されなければ、送信コイル５４と受信コイル６１の間に、金属製の異物が混入したと想定される。
【０１３９】
そこでこの変形例によれば、図８の動作フローチャートにおけるステップＳ１０３にて、制御回路５９は、電流検出回路５６による送信コイル５４に流れる電流の測定値が極大値となるスイッチング周波数が検出されたときに、非接触給電装置４が定電圧出力動作すると判定すればよい。逆に、制御回路５９は、電流検出回路５６による送信コイル５４に流れる電流の測定値が極大値となるスイッチング周波数が検出されなかったときに、非接触給電装置４が定電圧出力動作せず、送信コイル５４と受信コイル６１の間に、金属製の異物が混入したと判定すればよい。
【０１４０】
なお、この変形例でも、制御回路５９は、図１０に示される動作フローチャートに従って、送信コイル５４と受信コイル６１の間に、金属製の異物が混入したか否かを判定してもよい。
【０１４１】
なお、図１６に示される非接触給電装置も、図５に示される非接触給電装置と同様に、ＳＰＬ方式またはＳＬ方式に従うように構成されてもよい。
【０１４２】
この変形例によれば、送電装置の制御回路は、送電装置の送信コイルに流れる電流を監視することで、非接触給電装置が定電圧出力動作するスイッチング周波数を検出することができるとともに、送信コイルと受信コイル間に金属製の異物が混入したことを検出できる。
【０１４３】
さらに他の変形例によれば、受電装置の共振回路において、ＳＳ方式の非接触給電装置と同様に、受信コイルと共振コンデンサとが直列に接続されてもよい。この場合も、非接触給電装置は、定電圧出力動作することができるので、上記の実施形態または変形例と同様に、非接触給電装置が定電圧出力動作するスイッチング周波数を検出することができるとともに、送信コイルと受信コイル間に金属製の異物が混入したことを検出できる。
【０１４４】
図１７は、この変形例による非接触給電装置の概略構成図である。図１７に示されるように、この変形例による非接触給電装置５は、送電装置２と、送電装置２から空間を介して非接触で電力伝送される受電装置４４とを有する。送電装置２は、電力供給回路１０と、送信コイル１４と、受信器１５と、ゲートドライバ１６−１、１６−２と、制御回路１７とを有する。一方、受電装置４４は、受信コイル２１及び共振コンデンサ２２を有する共振回路２０ａと、整流平滑回路２４と、負荷回路２７と、電圧検出回路２８と、定電圧判定回路２９と、送信器３２とを有する。この変形例による非接触給電装置５は、図５に示された非接触給電装置１と比較して、共振回路２０ａの構成、及び、コイル２３が省略される点で相違する。そこで以下では、この相違点及び関連する点について説明する。
【０１４５】
共振回路２０ａでは、受信コイル２１と共振コンデンサ２２とは直列に接続される。そして受信コイル２１を介して受電した電力は、共振コンデンサ２２を介して整流平滑回路２４へ出力される。このように、非接触給電装置５は、ＳＳ方式と同様の構成を有するため、定電圧出力動作することができる。またこの例では、ＳＰＬ方式の非接触給電装置とは異なり、共振回路２０ａは、直列共振するので、コイル２３は省略されてよい。なお、ＳＳ方式と異なり、非接触給電装置５は、送電側において送信コイル１４の共振を利用しなくてもよい。すなわち、送電装置２の制御回路１７は、上記の実施形態と同様に、送信コイル１４が共振しないスイッチング周波数を持つ交流電力を送信コイル１４へ供給するよう、電力供給回路１０を制御すればよい。
【０１４６】
図１８は、この変形例による非接触給電装置５について、結合度に応じて送信コイル１４に印加する電圧を変化させたときの出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図１８において、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。なお、このシミュレーションでは、Lp=174μH、Cp=20nF、Ri=Ris=0.1Ω、n=1、Vin=300V、Ro=10Ω(Rac≒8.1Ω)とした。グラフ１８０１は、結合度k=0.15、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRac、送信コイル１４に印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１８０２は、結合度k=0.15、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイル１４に印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。また、グラフ１８０３は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRac、送信コイル１４に印加される電圧を(0.5*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１８０４は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイル１４に印加される電圧を(0.5*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。さらに、グラフ１８０５は、結合度k=0.6、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRac、送信コイル１４に印加される電圧を(0.25*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１８０６は、結合度k=0.6、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイル１４に印加される電圧を(0.25*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。
【０１４７】
図１８におけるポイント１８１１〜１８１３で示される通り、この変形例においても、結合度の値ごとに、結合度kが変化しない条件下で、負荷回路２７の交流等価抵抗値が変化しても出力電圧が略一定となる（すなわち、定電圧出力となる）、周波数と出力電圧の組み合わせが存在する。そしてポイント１８１１〜１８１３のそれぞれでの出力電圧は、互いに略等しい。
【０１４８】
以上により、非接触給電装置５についても、送信コイル１４と受信コイル２１間に異物が混入していなければ、負荷回路２７の抵抗値及び結合度の何れが変動しても、送信コイル１４に印加する交流電力のスイッチング周波数及び電圧を適切に調節することで、出力電圧が略一定に保たれることが分かる。
【０１４９】
図１９は、異物混入時における、非接触給電装置５についての出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図１９において、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。グラフ１９０１は、異物混入時における、結合度k=0.15、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRac、送信コイル１４に印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１９０２は、結合度k=0.15、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイル１４に印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。また、グラフ１９０３は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRac、送信コイル１４に印加される電圧を(0.5*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１９０４は、結合度k=0.3、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイル１４に印加される電圧を(0.5*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。さらに、グラフ１９０５は、結合度k=0.6、負荷回路２７の交流等価抵抗値をRac、送信コイル１４に印加される電圧を(0.25*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ１９０６は、結合度k=0.6、負荷回路２７の交流等価抵抗値を(10*Rac)、送信コイル１４に印加される電圧を(0.25*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。なお、この例では、異物混入による影響を表すために、各回路素子のパラメータとして、図１８のシミュレーションで用いたものから、漏れインダクタンスLrの値を50μH減らし、送電側の巻線抵抗値Ri及び受電側の巻線抵抗値Risを3Ω増加させた値を使用した。
【０１５０】
図１９に示される通り、何れの結合度においても、負荷回路２７の交流等価抵抗値の変動により、出力電圧が大きく変動し、非接触給電装置５が定電圧出力動作しなくなることが分かる。さらに、異物が混入することで、結合度によらず、出力電圧の波形が高周波数側にシフトしていることが分かる。
【０１５１】
したがって、非接触給電装置５についても、送電装置２の制御回路１７が、図８または図１０に示される動作フローチャートに従って異常停止処理を実行することで、送信コイル１４と受信コイル２１間に金属製の異物が混入したか否かを判定することができ、そして金属製の異物が混入したと判定した場合に、送電装置２から受電装置４４への電力伝送を停止することができる。
【０１５２】
なお、非接触給電装置５において、送電装置２は、送信コイル１４と直列に接続されるコンデンサを有し、制御回路１７は、送信コイル１４及びそのコンデンサからなる共振回路が共振するスイッチング周波数を持つ交流電力が送信コイル１４に供給されるように電力供給回路１０を制御してもよい。この場合、非接触給電装置５は、ＳＳ方式の非接触給電装置として動作する。この場合も、制御回路１７は、図８または図１０に示される動作フローチャートに従って異常停止処理を実行することで、送信コイル１４と受信コイル２１間に金属製の異物が混入したか否かを判定することができ、そして金属製の異物が混入したと判定した場合に、送電装置２から受電装置４４への電力伝送を停止することができる。
【０１５３】
さらに、図１６に示される非接触給電装置４において、非接触給電装置５と同様に、受電装置４３は、受信コイル６１と共振コンデンサ６２とが並列に接続される共振回路６０の代わりに、受信コイルと共振コンデンサとが直列に接続される共振回路を有してもよい。そして、共振回路と整流平滑回路６４との間に接続されるコイル６３は省略されてもよい。この場合も、非接触給電装置は、送信コイルと受信コイルの間に異物が混入していない場合に定電圧出力動作し、送信コイルと受信コイルの間に異物が混入すると定電圧出力動作しなくなる。そのため、送電装置４２の制御回路５９は、図１６に示される非接触給電装置４と同様の異常停止処理を実行することで、送信コイルと受信コイル間に金属製の異物が混入したか否かを判定することができ、そして金属製の異物が混入したと判定した場合に、送電装置４２から受電装置４３への電力伝送を停止することができる。
【０１５４】
さらに他の変形例によれば、送電装置において、送信コイルに交流電力を供給する電力供給回路は、スイッチング周波数及び送信コイルに印加する電圧を可変に調節できる回路であれば、上記の実施形態及び変形例とは異なる回路構成を持っていてもよい。
【０１５５】
図２０（ａ）及び図２０（ｂ）は、それぞれ、変形例による、電力供給回路の回路図である。
【０１５６】
図２０（ａ）に示される電力供給回路１１０は、電源１１と、力率改善回路１２と、二つのスイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−２と、送信コイル１４と直列に接続される、直流遮断用のコンデンサ１３１とを有する。なお、この変形例においても、各スイッチング素子は、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。また、力率改善回路１２は、例えば、上記の実施形態における力率改善回路１２と同一とすることができる。
【０１５７】
この変形例では、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−２は、電源１１の正極側端子と負極側端子との間に直列に接続される。また、電源１１の正極側に、スイッチング素子１３−１が接続され、一方、電源１１の負極側に、スイッチング素子１３−２が接続される。そしてスイッチング素子１３−１のドレイン端子は、電源１１の正極側端子と力率改善回路１２を介して接続され、スイッチング素子１３−１のソース端子は、スイッチング素子１３−２のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１３−２のソース端子は、電源１１の負極側端子と力率改善回路１２を介して接続される。さらに、スイッチング素子１３−１のソース端子、及び、スイッチング素子１３−２のドレイン端子は、送信コイル１４の一端に接続され、スイッチング素子１３−２のソース端子は、コンデンサ１３１を介して送信コイル１４の他端に接続される。また、各スイッチング素子のゲート端子は、ゲートドライバ１６−２と接続される。
【０１５８】
この変形例では、ゲートドライバ１６−２が、制御回路１７からの制御信号に従って、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−２のオン／オフを交互に切り替えればよい。すなわち、スイッチング素子１３−１がオンとなり、スイッチング素子１３−２がオフとなる場合には、電源１１から力率改善回路１２及びスイッチング素子１３−１を介して送信コイル１４へ電流が流れ、コンデンサ１３１が充電される。一方、スイッチング素子１３−１がオフとなり、スイッチング素子１３−２がオンとなる場合には、コンデンサ１３１が放電して、コンデンサ１３１から送信コイル１４及びスイッチング素子１３−２を介して電流が流れる。したがって、この変形例では、制御回路１７が、受電装置３から受信した判定情報に応じて、ゲートドライバ１６−２を介して、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−２のオン／オフを切り替えるスイッチング周波数を制御すればよい。
【０１５９】
図２０（ｂ）に示される電力供給回路１２０も、電力供給回路１１０と同様に、電源１１と、力率改善回路１２と、二つのスイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−２と、送信コイル１４と直列に接続されるコンデンサ１３１とを有する。ただし、電力供給回路１２０は、電力供給回路１１０と比較して、送信コイル１４の一端が電源１１の正極側端子と力率改善回路１２を介して接続され、送信コイル１４の他端がコンデンサ１３１を介してスイッチング素子１３−１のソース端子、及び、スイッチング素子１３−２のドレイン端子と接続される。
【０１６０】
この変形例でも、ゲートドライバ１６−２が、制御回路１７からの制御信号に従って、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−２のオン／オフを交互に切り替えればよい。
【０１６１】
また、図５に示される実施形態、図１７に示される変形例、及び、図２０（ａ）及び図２０（ｂ）に示される変形例において、電源と力率改善回路の代わりに、図１６に示されるように、電圧可変電源が用いられてもよい。逆に、図１６に示される変形例において、電圧可変電源の代わりに、図５に示される実施形態における電源と力率改善回路とが用いられてもよい。さらに、図１６に示される変形例において、スイッチング周波数が調整されている間の所定の電圧を持つ電力を送信コイル５４に供給可能なように、電圧可変電源５１が構成されてもよい。この場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２及びスイッチング素子５３−３は省略されてもよい。
【０１６２】
また、上記の実施形態または各変形例において、送電装置の受信器と受電装置の送信器とを有線にて接続することが可能な場合には、受信器及び送信器は、それぞれ、判定情報を含む信号を有線にて通信可能な通信回路を有していればよい。
【０１６３】
このように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。
【符号の説明】
【０１６４】
１、４、５    非接触給電装置
２、４２    送電装置
１０、１１０、１２０    電力供給回路
１１    電源
１２    力率改善回路
５１    電圧可変電源
５２    ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３−１〜１３−４、５３−１〜５３−３    スイッチング素子
１４、５４    送信コイル
５５    コンデンサ
５６    電流検出回路
１５、５７    受信器
１６−１、１６−２、５８    ゲートドライバ
１７、５９    制御回路
３、４３、４４    受電装置
２０、２０ａ、６０    共振回路
２１、６１    受信コイル
２２、６２    共振コンデンサ
２３、６３    コイル
２４、６４    整流平滑回路
２５、６５    全波整流回路
２６、６６    平滑コンデンサ
２７、６７    負荷回路
２８、６８    電圧検出回路
２９、６９    定電圧判定回路
３０、７０    判定回路
３１、７１    スイッチング素子
７２    固定負荷回路
３２、７３    送信器
１１１    交流電源
１３１    コンデンサ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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