CN102130473B - 以非接触方式充电的无线充电器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线充电器，公开了一种以非接触方式充电的无线充电器。本发明中，为无线充电器增加了旋转轴，使充电线圈能够绕该旋转轴旋转，信号发射器发出探测信号，被充电对象反射后由信号接收器接收，根据接收情况可以判定充电对象的位置，据此转动充电线圈，无论充电对象放在充电器的任意方向，充电器都可以通过旋转指向充电对象，维持充电线圈和充电对象中的受电线圈磁束密度正交，通过电感耦合防止充电效率降低。

Description

以非接触方式充电的无线充电器

技术领域

本发明涉及无线充电器，特别涉及利用非接触方式给便携电子设备电池充电的无线充电器。

背景技术

一般来说，手机、笔记本电脑、个人数字助理(Personal Digital Assistant，简称“PDA”)等便携设备内部都装有可以反复充电的电池，以便在移动中使用。

为了给电池充电，通常需要有外接的充电器。常见的充电器一方面与电源连接以获得电能输入，另一方面通过接触端子与便携设备连接，将低压直流电输出给便携设备，为电池充电。

要使用这种外接的充电器，必须要在便携设备的表面设置接触端子。接触端子露在外面会影响便携设备的外观，而且可能会被外部异物污染而发生接触不良的问题。甚至有时候还会因为使用者的疏忽发生短路现象，使电池被完全放电。

为解决这些问题，出现了以非接触方式充电的无线充电器。

非接触方式充电就是把高频率工作的充电线圈放置在充电器中，把受电线圈放置在充电对象(如便携设备、电池等)中。通过电感耦合，将能量从充电线圈传递给受电线图，再由受电线圈给电池充电。

这种电感耦合的非接触充电方式已经在一些领域，比如电动牙刷，电动剃须刀上使用。

电感耦合式充电的效率与耦合的磁束密度呈正比，因此对充电线圈和受电线圈的相对位置有较高的要求。

如果充电器只为一种特定外型和体积的充电对象充电，可以通过在充电器上设置特定的结构保证充电器和充电对象的相对位置固定，进而保证了充电线圈和受电线圈的相对位置固定。

但是，为了节约材料，保护环境，通常要求一个非接触式充电器可以为多种外型和体积的充电对象充电，这样就无法通过特定的结构精确限制充电对象的位置，而且也不可能要求用户每次都将充电对象精密地放置到充电器之上。若充电对象的放置位置不理想，充电效率将大大降低，电池充满电所需的时间将极大地延长。尤其手机、微型投影机等便携式电子设备有快速充电的需求，因此位置偏差引起的充电时间变长问题更为严重。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以非接触方式充电的无线充电器，能够防止因充电器和充电对象的相对位置不佳而降低无线充电效率的问题。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种以非接触方式充电的无线充电器，包括用于发射电能的充电线圈，还包括：

旋转轴，充电线圈能够以该旋转轴为中心旋转；

信号发射器，用于发射探测信号，该探测信号遇到充电对象后被反射；

信号接收器，用于接收被充电对象反射的探测信号；

定位单元，用于根据信号接收器接收到的探测信号判定充电对象的位置；

转动装置，用于根据定位单元判定的充电对象位置，驱动充电线圈以旋转轴为中心进行旋转。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

为无线充电器增加旋转轴，使充电线圈能够绕该旋转轴旋转，信号发射器发出探测信号，被充电对象反射后由信号接收器接收，根据接收情况判定充电对象的位置，据此转动充电线圈，无论充电对象放在充电器的任意方向，充电器都可以通过旋转指向充电对象，维持充电线圈和充电对象中的受电线圈磁束密度正交，通过电感耦合防止充电效率降低。

进一步地，不同长度的接收镜筒使两个接收单元具有不同的指向角，充电对象相对于充电器位置的不同，收到的被反射的探测信号也会不同，从而能够判知充电对象的相对位置。

进一步地，转动装置每次旋转的角度小于接收单元的指向角，可以防止出现无限反复左右摇摆的现象。

附图说明

图1是本发明实施方式中无线充电器构造简略图；

图2是本发明实施方式中充电器的磁束放射线圈构造简略图；

图3是本发明实施方式中超声波发射器指向角的简略图；

图4是本发明实施方式中接受镜筒长度变化，收信角度的差异说明图；

图5是本发明实施方式中无线充电器的工作算法的简略图；

图6是本发明实施方式中充电对象内充电线圈的构造简略图。

图纸上主要标记的简单说明：

10：超声波发射器    20，30：超声波接收器

40：旋转轴          50：铁氧体

60：收信镜筒        100：旋转体

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

为了达到上述发明目的，在本发明实施方式中，放置有充电线圈(又可称为1级线圈)的无线充电器和放置有受电线圈(又可称为2级线圈)的充电对象，要调整到互相指向的范围内，防止充电效率急剧降低。也就是说，无线充电器相对于具备有受电线圈的充电对象，持续修改发生磁场的充电线圈的指向，让充电线圈与受电线圈通过电感耦合进行充电，维持比较高的充电效率。

本发明实施方式涉及一种以非接触方式充电的无线充电器，包括：

充电线圈，用于以电磁波的形式发射电能。

旋转轴，充电线圈能够以该旋转轴为中心旋转。具体的物理结构可以有很多种，例如，整个充电器的主体部分(含充电线圈)由旋转轴的一端顶起，旋转轴的另一端落在一个底盘上，等等。

信号发生器，用于发射探测信号，该探测信号遇到充电体后被反射。探测信号可以是多种多样的，优选地是超声波，也可以是红外线、微波等，只要遇到物体会被反射，反射波容易被探测的就可以。

信号接收器，用于接收被充电体反射的探测信号。信号接收器包含两个接收单元，分别具有不同长度的接收镜筒，用于接收被充电体反射的信号发生器发出的信号。接收镜筒的长度可以根据接收单元的所需的指向角和探测信号的频率设计。

定位单元，用于根据信号接收器接收到的探测信号判定充电体的位置。定位单元可以是一个处理器结合软件实现，如用中央处理器(CentralProcessing Unit，简称“CPU”)，数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称“DSP”)等，也可以用一个专用的芯片以纯硬件方式实现。

定位单元根据两个接收单元收到的信号判定充电体的位置。不同长度的接收镜筒使两个接收单元具有不同的指向角，充电体相对于充电器位置的不同，收到的被反射的探测信号也会不同，从而能够判知充电体的相对位置。

转动装置，用于根据定位单元判定的充电体位置，驱动充电线圈以旋转轴为中心进行旋转。优选地，可以用微型电动机作为动力，配合简单的传动机构实现。

为无线充电器增加旋转轴，使充电线圈能够绕该旋转轴旋转，信号发生器发出探测信号，被充电体反射后由信号接收器接收，根据接收情况判定充电体的位置，据此转动充电线圈，无论充电体放在充电器的任意方向，充电器都可以通过旋转指向充电体，维持充电线圈和充电体中的受电线圈磁束密度正交，通过电感耦合防止充电效率降低。

以下以超声波为例，结合附图进行说明。

图1是根据本发明设计的无线充电器构造简略图。如图1所示，在以旋转轴(40)为中心旋转的旋转体(100)的前方存在磁束密度放射面，该放射面上面有着超声波发射器(10)和超声波接收器(20，30)。超声波发射器(10)就是信号发生器，超声波接收器(20，30)就是信号接收器，20、30分别是两个接收单元。定位单元和转动装置在旋转体(100)中，图1中没有明确示出。

上述旋转体(100)以超声波识别充电对象的位置，让上述放射面向着充电对象旋转。为了达到此目的，需要判断上述充电对象的位置，判断位置可以使用红外线或超声波接收器。

指向角(或称“半角”)不依赖于传感器种类。超声波的指向角是声场主瓣和相邻副瓣声压为零的那个方向与中心线轴间的夹角。超声波的接收频率受外型影响很大。使用频率高的端子指向角变小声压变高，现在使用最多的是频率在SRF40(共振频率40Khz)，指向角大约在±30度左右。图3是上述SRF40的指向角的简略图，放射角大约在60度左右。对于红外线，可以调节发光体和透镜之间的距离来调整指向角。发光体和透镜之间距离变短时波越广，离越变长时波变窄传的更远。

如此利用超声波所具有的指向角的范围，即可大致判定充电对象的位置。

这样超声波可以利用入出指向角的范围就可以预测到充电对象的位置。

图4中说明了利用上述超声波来判断充电对象位置的原理。在图4中显示了超声波发射器(10)和两个超声波接收器(20、30)。如上叙述，超声波的指向角大小会根据接收器的外形受到影响。如图4所示，超声波接收器的两个形象相互不同。超声波接收器(20)的接收筒的长度比超声波接收器(30)的接收筒的长度更长，因此超声波接收器的指向角大小比超声波接收器(30)的为小。

图4是利用上述的超声波判断充电对象的原理示意图。图4上可以看到超声波发射器(10)和2个超声波接收器(20、30)。如上所讲，超声波指向角的大小受接收器的外观的影响很大。图4所示超声波接受器2个的形状都不同。超声波接收器(20)的接收镜筒长度比超声波接收器(30)的接收镜筒长，所以超声波接收器指向角的大小比超声波接收器(30)小。

如图4所示，充电对象位置在前上方时，超声波发射器(10)发出的超声波被充电对象反射后，超声波接收器(20)是收不到反射波的，但超声波接收器(30)是可以收到的。要是充电对象在正前方的位置，超声波接收器(20)和超声波接收器(30)都可以接收到反射波。充电对象位置在左前方的时候，2个超声波接收器都收不到反射波。

调节接收镜筒的长度和超声波的频率，把第一个超声波接收器的指向角设为20度，即把接收角调到40度，把第二个接收指向角设为60度，即把接收角调到120度时，无线充电器的前方120度范围内可以把充电对象的位置大概检测出来。本发明实施方式的目的是控制在前方接收角40度范围内。要想控制在前方30的接收范围时，要把第一个超声波接收器的接收角度调整为30度。

在接收反射的超声波时，充电对象不在前方接收范围时，判断上述充电对象的相对位置在左方还是右方非常重要。

图5是在本发明实施方式中调整无线充电器和充电对象之间指向方向的说明图，把作为充电对象的便携设备放置在上述无线充电器的前方，打开充电器后的工作图。

最理想状态是无线充电器处于待机(stand-by)状态，成为充电对象的便携设备上带有超声波发射器，要是成为充电准备状态，就会发生超声波。

收到充电信号的超声波后，上述无线充电器内部的控制IC就会判断是结束充电信号还是要求充电信号，如果是要求充电信号，上述无线充电器会发出超声波信号，接着接收反射波。

接收的反射波经过判读，决定上述充电对象是否在第一个超声波接收器的接收范围，是在左侧还是右侧。

根据上述的判读结果和上述决定的位置，无线充电器以旋转轴为中心，以很小的角度旋转。

接着再次发出和接收超声波，反复上述过程，上述无线充电器会朝着上述充电对象和上述第一个超声波接收器的接收角度里指向。指向一致时就可以开始充电，上述无线充电器会向前方放射磁束。

上述的无线充电器以旋转轴为中心旋转的少量角度要比第一个超声波接收指向角的大小要小，要是大了可能会无限反复左右摇摆。在本发明实施方式中，设定以10度为单位旋转，比第一个超声波接收器的指向角大小20度还要小。

图2是上述无线充电器的磁束放射面中内置的充电线圈的概略图。如图2所示，将在磁束放射面上露出的线圈分为两部分，并且进行并联。这是由于与线圈呈垂直方向的磁束密度，在线圈平行方向上与线圈距离呈现反比，因此在中心部添加另一个线圈进行二重配置进行并联，可以降低上述衰减现象。

图2是上述无线充电器为磁束放射面里内置的充电线圈的简略图。如图2所示，放置磁束放射面的线圈分成2部分并列连接。

图6是在充电对象内置的充电线圈的简略图，在线圈和电容内部包含铁氧体，以提高磁束锁交效率，提升充电效果。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (5)

1.一种以非接触方式充电的无线充电器，包括用于发射电能的充电线圈，其特征在于，还包括：

旋转轴，所述充电线圈能够以该旋转轴为中心旋转；

信号发射器，用于发射探测信号，该探测信号遇到充电对象后被反射；

信号接收器，用于接收被所述充电对象反射的探测信号；

定位单元，用于根据所述信号接收器接收到的探测信号判定所述充电对象的位置；

转动装置，用于根据所述定位单元判定的充电对象位置，驱动所述充电线圈以所述旋转轴为中心进行旋转；

所述信号接收器包含两个接收单元，分别具有不同长度的接收镜筒，用于接收被充电对象反射的探测信号；

所述定位单元根据两个接收单元接收探测信号的情况判定所述充电对象的位置。

2.根据权利要求1所述的以非接触方式充电的无线充电器，其特征在于，所述探测信号为超声波。

3.根据权利要求1所述的以非接触方式充电的无线充电器，其特征在于，所述探测信号为红外线。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的以非接触方式充电的无线充电器，其特征在于，所述转动装置每次旋转的角度小于任意一个所述接收单元的指向角。

5.根据权利要求4所述的以非接触方式充电的无线充电器，其特征在于，所述转动装置每次旋转的角度为10度。

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