CH711496A2 - Halte- und Ladevorrichtung für ein mobiles Endgerät. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Halte- und Ladevorrichtung (1) für ein mobiles Endgerät (2), insbesondere für Smartphones und Tablet-Computer, umfassend ein Gehäuse (10), in welchem eine Sendespule (11) und mindestens eine Abschirmlage (12) angeordnet ist, wobei die lösbare Befestigung des mobilen Endgeräts (2) an der Halte- und Ladevorrichtung (1) durch eine Wirkverbindung mit einem Permanentmagnet (13) innerhalb des Gehäuses (10) und einer ferromagnetischen Einlage (22) des mobilen Endgeräts erreichbar ist, bei welcher keine störenden thermischen Belastungen auftreten. Dies wird dadurch erreicht, dass ein erster Permanentmagnet (13) und ein zweiter Permanentmagnet (13´) innerhalb des Gehäuses (10) eine Lage bildend innerhalb der Lage voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei beide Permanentmagnete (13, 13´) entgegengesetzt zueinander in Längsrichtung (L) der Halte- und Ladevorrichtung (1) orientiert polarisiert sind und wobei der erste Permanentmagnet (13) einen ersten Windungsabschnitt und der zweite Permanentmagnet (13´) einen zweiten Windungsabschnitt (W) der Sendespule (11) überdeckt.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Halte- und Ladevorrichtung für ein mobiles Endgerät, insbesondere für Smartphones und Tablet-Computer, umfassend ein Gehäuse in welchem eine Sendespule und mindestens eine Abschirmlage angeordnet ist, wobei die lösbare Befestigung des mobilen Endgeräts an der Halte- und Ladevorrichtung durch eine Wirkverbindung mit einem Permanentmagnet innerhalb des Gehäuses und einer ferromagnetischen Einlage des mobilen Endgeräts erreichbar ist.

Stand der Technik

[0002] Der Wunsch Mobilgeräte bzw. mobile Endgeräte kabellos durch Induktion aufzuladen besteht schon seit längerem. Dies ist unter dem Sammelbegriff der drahtlosen Energieübertragung im Nahfeld bekannt, wobei die technischen Anwendungen auf Bereiche zwischen einigen Zentimeter bis Meter limitiert sind.

[0003] Es sind Ladegeräte kommerziell erhältlich, auf die man ein Mobiltelefon, Smartphones, Personal Digital Assistants, Navigationsgeräte oder Tablet-Computer einfach auflegen kann und schon beginnt der Ladevorgang. Dazu ist eine Ladeelektronik nötig, die mit einer Sendespule in einem Gehäuse verbunden ist. In einer Empfangsspule des Mobiltelefons wird durch den Wechselstrom in der Sendespule eine Wechselspannung induziert. Die Wechselspannung in der Empfangsspule wird gleichgerichtet und dem Laderegler des Mobiltelefons zur Aufladung mittels Empfangselektronik; zugeführt. Neben einer induktiven Kopplung der Sende- und Empfangsspule kann auch eine resonant induktive Kopplung durchgeführt werden. Diese Verfahren werden seit geraumer Zeit durchgeführt und es haben sich Standards wie Qi und Powermat etabliert, durch welche sich unterschiedliche Smartphones verschiedener Hersteller mittels Induktion an unterschiedlichen Halte- und Ladegeräten aufladen lassen, unabhängig vom Hersteller des jeweiligen Endgerätes.

[0004] Nun sind Halte- und Ladevorrichtungen gefragt, welche beispielsweise ein Mobiltelefon nicht nur auf einem Tisch horizontal aufliegend aufladen können, sondern ein Aufstellen des Mobiltelefons ermöglichen. Entsprechend muss das Mobiltelefon bzw. mobile Endgerät lösbar gehalten werden.

[0005] Dazu ist eine Halte- und Ladevorrichtung bekannt, welche eine Halterung des Mobiltelefons mittels einer Mehrzahl von Permanentmagneten bewerkstelligt, wobei die Permanentmagnete von der Sendespule beabstandet ausserhalb der Sendespule in einem Gehäuse angeordnet sind. Das Mobilgerät, z.B. das Mobiltelefon wird dadurch ausreichend gut festgehalten und es ist sogar eine vertikale Stellung des Mobiltelefons erreichbar. Die Zentrierung des mobilen Endgerätes bzw. der Empfangsspule über der Sendespule erfolgt durch mechanische Mittel. Aufgrund der ausladenden Anordnung der Permanentmagnete ausserhalb des Sendespulenbereiches folgt ein ausladender grosser Aufbau des Gehäuses und damit der Halte- und Ladevorrichtung. Eine weitere Verkleinerung scheint nicht möglich, da die Sendespule möglichst gross sein soll und ausreichend viele Windungen aufweisen muss.

[0006] In einer weiteren Ausgestaltung einer Halte- und Ladevorrichtung unter Ausnutzung einer magnetischen Haltekraft zur Halterung eines mobilen Endgerätes, wurde im Kern der Sendespule ein Permanentmagnet platziert, welcher für die geforderte Magnetkraft auf das mobile Endgerät sorgt. Durch Vorkehrungen am oder im Mobilgerät in Form von ferromagnetischen Einlagen ist eine Zentrierung des mobilen Endgerätes über der Sendespule erreichbar, da der Permanentmagnet mit der ferromagnetischen Einlage zusammenwirkt. Beide Spulen, Sendespule in der Halte- und Ladevorrichtung und Empfangsspule im mobilen Endgerät müssen möglichst exakt übereinander zu liegen kommen, um eine optimale Energieübertragung zu erreichen.

[0007] Mit einer solchen Ausgestaltung mit einem zentralen Permanentmagneten war der Aufbau der Halte- und Ladevorrichtung stark verkleinerbar. Wie aber Versuche gezeigt haben, tauchen beim Betrieb thermische Probleme auf. Eine starke Temperaturerhöhung des Permanentmagneten sowie der Ladeelektronik kann gemessen werden. Diese Temperaturerhöhungen können auch mit Abschirmlagen, beispielsweise aus Mu-Metall mit hoher Permeabilität nicht beseitigt werden, da in der Regel nur niederfrequentere Magnetfelder gut abschirmbar sind. Derart hohe Temperaturen schaden auf Dauer der Ladeelektronik und dem Permanentmagneten und müssen vermieden werden. Den zentralen Permanentmagneten könnte man zum Schutz dicker ausführen, sodass der Permanentmagnet aufgrund einer höheren Masse längere Zeit zum Aufheizen braucht. Die Ladeelektronik müsste zusätzlich noch abgeschirmt werden oder aber bei geringerer Leistungszufuhr betrieben werden, was natürlich die Effizienz verschlechtert. Bislang wurde keine Lösung einer magnetischen Halterung mit effizienter induktiver Aufladung gefunden.

Darstellung der Erfindung

[0008] Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt eine Halte- und Ladevorrichtung mit permanentmagnetischer Kopplung eines mobilen Endgerätes zu schaffen, wobei keine störende thermische Belastung auftritt und eine automatische Zentrierung der Empfangsspule zur Sendespule gegeben ist.

[0009] Diese Aufgabe erfüllt eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0010] Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie der Zeichnungen. Es sind dargestellt in <tb>Fig. 1<SEP>zeigt eine perspektivische Schemaansicht einer Halte- und Ladevorrichtung und eines mobilen Endgerätes in einer Explosionsdarstellung. <tb>Fig. 2a<SEP>zeigt in einer schematischen Aufsicht eines Teils der lagenartigen Halte- und Ladevorrichtung die Anordnung der beiden Permanentmagnete relativ zu den Windungsabschnitten der Sendespule, während <tb>Fig. 2b<SEP>eine Schnittansicht entlang der Linie A–A aus Fig. 2a zeigt. <tb>Fig. 3<SEP>zeigt ein System aus einer Halte- und Ladevorrichtung mit lösbar magnetisch befestigtem mobilem Endgerät.

Beschreibung

[0011] Im Folgenden wird eine Halte- und Ladevorrichtung 1 für ein mobiles Endgerät 2 oder Mobilgerät 2, insbesondere für ein Mobiltelefon, Smartphone, Personal Digital Assistant, Navigationsgerät oder einen Tablet-Computer beschrieben. Mittels Magnetkraft ist das mobile Endgerät 2 lösbar an der Halte- und Ladevorrichtung 1 befestigbar, wodurch ein System aus Mobilgerät 2 und Halte- und Ladevorrichtung 1 gebildet wird.

[0012] Die Halte- und Ladevorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 10, in welchem eine Sendespule 11, eine Lage mit zwei Permanentmagneten 13, 13 ́ gehalten von einem Halterahmen 14 und eine Abschirmlage 12 lagenförmig gestapelt gelagert sind. Die Sendespule 11 ist mit einer Ladeelektronik 16 verbunden, wobei die Ladeelektronik 16 ausserhalb oder innerhalb des Gehäuses 10 gelagert sein kann. Bevorzugt wird die Ladeelektronik 16 mit in das Gehäuse 10 als Teil des Stapels aufgenommen, wobei dann eine Isolationslage 15 zur Abschirmung von Magnetfeldern eingelegt sein sollte, um Störungen zu vermeiden.

[0013] Das Gehäuse 10 sollte möglichst dünnwandig ausgestaltet sein, sodass ein minimaler Abstand zwischen dem Mobilgerät 2 und der Grundflächenwand 100 des Gehäuses 10 erreichbar ist. Die Sendespule 11 ist üblicherweise als Flachspule ausgebildet mit maximal möglicher Windungszahl, sodass eine optimierte induktive bzw. resonant induktive Kopplung der Sendespule 11 mit einer Empfangsspule 22 im Mobilgerät 2 resultiert. Beide Spulen 11, 22 weisen üblicherweise eine zentrische Aussparung auf, in welchem ein windungsfreier Raum verbleibt. Auch wenn die hier dargestellten Spulen 11, 12 runde Querschnittsflächen aufweisen, funktioniert die vorliegende Erfindung auch, wenn die Spulen 11, 12 mit eher vieleckigen Querschnittsflächen ausgebildet sind.

[0014] Damit eine Kopplung von Mobilgerät 2 und Halte- und Ladevorrichtung 1 möglich ist, muss das Mobilgerät 2 neben der Empfangsspule 22 eine Empfangselektronik aufweisen, welche die Aufladung eines Akkus 20 erlaubt. Heute sind die meisten Smartphones 2 bereits mit Empfangsspule 22 und Empfangselektronik ausgestattet. Die kommerziell erhältlichen Kopplungsmittel weisen ausserdem zusätzlich eine Isolationslage 21 zur Abschirmung auf. Um eine magnetische Kopplung zu erreichen ist mindestens eine ferromagnetische Einlage 23 innerhalb des Mobilgerätes 2 verbaut. Sollte das Mobilgerät 2 nicht standardmässig eine solche ferromagnetische Einlage 23 aufweisen, kann ein Benutzer dies einfach nachrüsten, beispielsweise durch Einlegen eines geeigneten zugeschnittenen Bleches.

[0015] Wie Versuche gezeigt haben, kommt es bei der erfindungsgemässen Halte- und Ladevorrichtung 1 auf die Anordnung eines ersten Permanentmagneten 13 und eines zweiten Permanentmagneten 13 ́ in einer Lage relativ zur Sendespule 11 an, was im Folgenden näher erläutert wird.

[0016] Wie in Fig. 2a dargestellt, kommen beide Permanentmagnete 13, 13 ́ in einer Lage auf der Sendespule 11, also in Längsrichtung L von der Sendespule 11 beabstandet, zu liegen. Die Windungen der Sendespule 11 sind in zwei Abschnitte unterteilt definierbar, ein erster Windungsabschnitt W1 und ein zweiter Windungsabschnitt W2. Beide Windungsabschnitte W1, W2 sind Teil aller Windungen und unterteilen die Windungen entlang einer Querrichtung (Linie A–A) der Sendespule 11, wobei die Windungsabschnitte W1, W2 hier mit identischen Querschnittsflächen bzw. deckungsgleich dargestellt sind.

[0017] Die Sendespule 11 bildet eine Ebene und ist als Flachspule ausgestaltet. Der erste und der zweite Permanentmagnet 13, 13 ́ sind magnetisch unterschiedlich polarisiert auf jeweils einem Windungsabschnitt W1, W2 platziert. Dabei sind die Permanentmagnete 13, 13 ́ in ihrer Ebene voneinander getrennt ausgerichtet. Auch hier sind die Permanentmagnete 13, 13 ́ bevorzugt eben ausgeführt. Während der Nordpol N des ersten Permanentmagnets 13 oberhalb der Papierebene von Fig. 2a liegt, liegt beim zweiten Permanentmagnet 13 ́ der Südpol S oberhalb der Papierebene.

[0018] Der Halterahmen 14 hält die Permanentmagnete 13, 13 ́ in einer Ebene örtlich fixiert und parallel zur Lage der Sendespule 11, wobei verhindert wird, dass beiden Permanentmagnete 13, 13 ́ eine ungewünschte magnetische Verbindung ausbilden. Eine Berührung der Permanentmagnete 13, 13 ́ ist damit ausgeschlossen. Hier ist der Halterahmen 14, zweiteilig ausgeführt, wobei der Halterahmen 14 Aussparungen für beide Permanentmagnete 13, 13 ́ umfasst. Der Halterahmen 14 sollte auf die Permanentmagnete 13, 13 ́ derart abgestimmt sein, dass möglichst viel Oberfläche der Permanentmagnete 13, 13 ́ freiliegt.

[0019] Der Halterahmen 14 hält beide Permanentmagnete 13, 13 ́ in einer Lage parallel zur Lage der Sendespule 11. Die Permanentmagnete 13, 13 ́ können den windungsfreien Raum der ihnen zugeordneten Windungsabschnitte W1, W2 teilweise überdecken. Der Halterahmen 14 muss dann entsprechend auf die Ausgestaltung der Permanentmagnete 13, 13 ́ angepasst sein.

[0020] Versuche haben gezeigt, dass optimale Halteergebnisse erzielt werden, wenn die Permanentmagnete 13, 13 ́ derart fixiert werden, dass zwischen ihnen ein Zwischenraum verbleibt, wobei die in Längsrichtung L beabstandete Sendespule (11) im Bereich des Zwischenraumes ebenfalls mindestens teilweise windungsfrei ausgestaltet ist.

[0021] Die unterschiedlichen Polarisierungen der Permanentmagnete 13, 13 ́ sind deutlich in Fig. 2b erkennbar, wobei die magnetischen Feldlinien schematisch durch Pfeile dargestellt werden, welche vom jeweiligen Nordpol N zum Südpol S verlaufen. Jeder Permanentmagnet 13, 13 ́ überdeckt hier die Windungen des ihm zugeordneten Windungsabschnittes W1, W2 vollständig. Die Breiten der Windungsabschnitte W1, W2 können aber auch breiter als die Breiten der Permanentmagnete 13, 13 ́ ausgebildet sein, sodass die Windungen die Permanentmagnete 13, 13 ́ in der Lage der Sendespule 11 überlappen. Der Durchmesser der Permanentmagnete 13, 13 ́ sollte grösser gleich der Breite der Windungen in den Windungsabschnitten W1, W2 sein, damit eine ausreichend hohe magnetische Haltekraft erreichbar ist.

[0022] In Fig. 3 ist eine Ausgestaltung einer Halte- und Ladevorrichtung 1 dargestellt, wobei ein mobiles Endgerät 2 hier in Form eines Smartphones 2 etwa vertikal ausgerichtet magnetisch gehalten wird. Durch die Wirkung der Permanentmagnete 13, 13 ́ findet eine automatische Ausrichtung und Zentrierung des Smartphones 2 an der Halte- und Ladevorrichtung 1 statt. Dabei findet eine lösbare Befestigung statt, wobei die Empfangsspule 22 des Smartphones 2 und die Sendespule 11 der Halte- und Ladevorrichtung 1 in möglichst geringem Abstand relativ zueinander platziert sind. Durch die Anordnung einer ferromagnetischen Einlage 23 an oder im mobilen Endgerät 2 und das zusammenwirken beider Permanentmagnete 13, 13 ́ wird das mobile Endgerät 2 derart gehalten, dass die ferromagnetische Einlage 23 in Querrichtung zwischen beiden Permanentmagneten 13, 13 ́ zu liegen kommt.

[0023] Die verwendeten Permanentmagnete 13, 13 ́ sind insbesondere Seltenerdmagnete, umfassend eine Legierung aus Neodym-Eisen-Bor. Damit sind ausreichend hohe Magnetkräfte erreichbar, welche Smartphones und auch Tablet-Computer halten können. Insbesondere sind Permanentmagnete 13, 13 ́ mit runder Querschnittsfläche zu verwenden.

[0024] Für die Abschirmlage 12 und die Isolationslage 15 wird in der Regel Mu-Metall eingesetzt, welches sich durch eine hohe Permeabilität auszeichnet. Damit ist ein Abschirmeffekt erreichbar, der magnetische Störfelder beispielsweise von der Sendespule 11 oder der Ladeelektronik 16 abhält, wodurch eine Schirmdämpfung erreicht wird. Derartige Lagen aus Mu-Metall sind formstabil aber spröde und müssen vor Biegebeanspruchungen geschützt werden. Da Mu-Metall teuer ist, werden möglichst dünne Lagen verwendet, die noch zusätzlich mit Klebelagen verstärkt werden sollten. In einem Lagenverbund, wie hier vorgestellt innerhalb des Gehäuses 10 kann das Mu-Metall seine Wirkung gesichert entfalten.

[0025] Mit der hier vorgestellten Halte- und Ladevorrichtung 1 konnten Akkus 20 mobiler Endgeräte 2 bei voller elektrischer Leistung der Ladeelektronik 16 aufgeladen werden, wobei die mit einer Wärmebildkamera an unterschiedlichen Orten gemessenen Temperaturspitzen im Bereich bis zu maximal 50°C bestimmt wurden. Diese geringe thermische Belastung hat keine schädlichen Einflüsse auf die Ladeelektronik 16 oder andere Bauteile der Halte- und Ladevorrichtung 1 und garantiert einen langen Betrieb der Halte- und Ladevorrichtung 1. Eine automatische Zentrierung des mobilen Endgerätes 2 an der Halte- und Ladevorrichtung 1 bzw. der Sendespule 11 über der Empfangsspule 22 wird durch die Magnetkraft der Permanentmagnete 13, 13 ́ auf die ferromagnetische Einlage 23 erreicht. Da mobile Endgerät 2 richtet sich so an der Halte- und Ladevorrichtung 1 aus, dass die ferromagnetische Einlage 23 zwischen den Permanentmagneten 13, 13 ́ zu liegen kommt.

Bezugszeichenliste

[0026] <tb>1<SEP>Halte- und Ladevorrichtung <tb><SEP>10<SEP>Gehäuse <tb><SEP><SEP>100<SEP>Grundflächenwand <tb><SEP>11<SEP>Sendespule (Flachspule) <tb><SEP>W1<SEP>erster Windungsabschnitt <tb><SEP>W2<SEP>zweiter Windungsabschnitt <tb><SEP>12<SEP>Abschirmlage (Mü-Metall) <tb><SEP>13, 13 ́<SEP>erster und zweiter Permanentmagnet <tb><SEP>14<SEP>Halterahmen <tb><SEP>15<SEP>Isolationslage <tb><SEP>16<SEP>Ladeelektronik <tb>2<SEP>Mobiles Endgerät <tb><SEP>20<SEP>Akku <tb><SEP>21<SEP>Isolationslage <tb><SEP>22<SEP>Empfangsspule <tb><SEP><SEP>Empfangselektronik <tb><SEP>23<SEP>ferromagnetische Einlage

Claims (10)

1. Halte- und Ladevorrichtung (1) für ein mobiles Endgerät (2), insbesondere für Smartphones und Tablet-Computer, umfassend ein Gehäuse (10) in welchem eine Sendespule (11) und mindestens eine Abschirmlage (12) angeordnet ist, wobei die lösbare Befestigung des mobilen Endgeräts (2) an der Halte- und Ladevorrichtung (1) durch eine Wirkverbindung mit einem Permanentmagnet (13) innerhalb des Gehäuses (10) und einer ferromagnetischen Einlage (22) des mobilen Endgeräts erreichbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Permanentmagnet (13) und ein zweiter Permanentmagnet (13 ́) innerhalb des Gehäuses (10) eine Lage bildend innerhalb der Lage voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei beide Permanentmagnete (13, 13 ́) entgegengesetzt zueinander in Längsrichtung (L) der Halte- und Ladevorrichtung (1) orientiert polarisiert sind und wobei der erste Permanentmagnet (13) einen ersten Windungsabschnitt (W1) und der zweite Permanentmagnet (13 ́) einen zweiten Windungsabschnitt (W2) der Sendespule (11) überdeckt.

2. Halte- und Ladevorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder Permanentmagnet (13, 13 ́) alle Windungen seines ihm zugeordneten Windungsabschnittes (W1, W2) vollständig überdeckt.

3. Halte- und Ladevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Permanentmagnete (13, 13 ́) derart fixiert sind, dass zwischen ihnen ein Zwischenraum verbleibt, in welchem die Sendespule (11) in Längsrichtung (L) beabstandet mindestens teilweise windungsfrei ist.

4. Halte- und Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beide Permanentmagnete (13, 13 ́) eben ausgeführt sind.

5. Halte- und Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lage der Permanentmagnete (13, 13 ́) parallel zur eben ausgeführten Flachspule ausgestaltet ist.

6. Halte- und Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beide Permanentmagneten (13, 13 ́) in einem Halterahmen (14) unbewegbar im Gehäuse (10), eine Magnetlage bildend gehalten sind.

7. Halte- und Ladevorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Halterahmen (14) zweiteilig ausgeführt ist und auf die Permanentmagnete (13, 13 ́) derart abgestimmt ist, dass möglichst viel Oberfläche der Permanentmagnete (13, 13 ́) freiliegt.

8. Halte- und Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Abschirmlage (12), insbesondere aus Mu-Metall, zwischen Sendespule (11) und erstem und zweiten Permanentmagneten (13, 13 ́) angeordnet ist.

9. Halte- und Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ladeelektronik (16) ebenfalls im Gehäuse (10) verstaut ist und zwischen der Permanentmagnetlage und der Ladeelektronik (16) eine Isolationslage (15) angeordnet ist.

10. System umfassend ein mobiles Endgerät (2) mit einer Empfangsspule (22), einer elektrischen Verbindung zu einem Akku (20) und eine Halte- und Ladevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mobile Endgerät (2) mindestens eine ferromagnetische Einlage (23) umfasst, mit welcher der erste und zweite Permanentmagnet (13, 13 ́) der Halte- und Ladevorrichtung wirkverbindbar ist, wodurch eine lösbare Befestigung ausbildbar ist.