CN111164901B

CN111164901B - 近场通信装置

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Publication number: CN111164901B
Application number: CN201880064495.0A
Authority: CN
Inventors: M.谢赫; F.拉蒂埃
Original assignee: Continental Automotive GmbH; Continental Automotive France SAS
Current assignee: Continental Automotive GmbH; Continental Automotive France SAS
Priority date: 2017-10-03
Filing date: 2018-10-02
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2038-10-02
Also published as: FR3071988A1; FR3071988B1; KR102505468B1; US11171686B2; WO2019069009A1; KR20200061394A; US20200336174A1; CN111164901A

Abstract

本发明的目的在于与便携式用户设备（P）进行近场通信的装置（D'），其包括：位于第一载体（PCB1、PCB10）上的第一通信天线（A1），第一激活部件（M1），其用于激活所述第一天线（A1），该第一激活部件位于第二载体（PCB2、PCB20）上，该第二载体位于第一载体（PCB1、PCB10）对面并通过销（I）机械连接到所述第一载体，本发明提出了销（I'）是由导体金属制成的，并且该装置还包括：第二天线（A2、A3、A20、A30、A2'、A3'），其绕组的第一部分（A21、A31）位于第一载体的一端，绕组的第二部分（A22、A32）位于第二载体的一端，这两端处于彼此相对，并且每个绕组的第一部分和第二部分通过销（I'）而电连接，第二天线发射电磁场（B2、B3、B2'、B3'），所述电磁场的主要分量垂直于第一天线所发射的电磁场（B1）的主要分量，第二激活部件（M10、M10'），其用于激活所述第二天线。

Description

近场通信装置

技术领域

本发明涉及用于与便携式用户设备进行近场通信的装置。

更特别地但非排他性地，本发明适用于便携式装置的感应充电器，所述感应充电器旨在车载在机动车辆中，并且包括近场通信装置，以便当便携式设备被安置在感应充电器的安置表面上时与所述设备进行通信。

背景技术

磁耦合充电装置使得能够对便携式设备（便携式电话、便携式计算机、触摸平板电脑、数码相机等）进行无线充电，目前正经历飞速发展。

传统上，磁耦合充电装置包括称为“初级天线”的传导线圈，其连接到充电模块。在对便携式设备充电的过程中，充电模块形成充电信号，该信号使得能够使电流在初级天线中流动，所述电流的强度随时间而变化。被这样馈电的初级天线形成可变磁场。

便携式设备包括接收模块，该接收模块包括称为“次级天线”的传导线圈。当所述次级天线被置于由初级天线形成的可变磁场中时，在所述次级天线中感应出电流。该电流使得能够对连接到次级天线的蓄电池进行充电，从而向便携式设备馈电。

已知将其便携式设备置于充电装置上，以便对便携式设备进行感应充电，并且以便使其在充电时段的同时或在此之后通过近场通信或NFC（英语的“Near FieldCommunication”）与车辆中车载的电子系统进行通信。这种短距离（通常约为几毫米）无线通信尤其使得车辆能够下载包含在便携式设备中的特定用户的配置文件，从而根据该配置文件来调整车辆的元件，例如，调节车辆驾驶员座椅的位置、制订偏爱的广播电台、改变仪表板的外观、或激活“E-call”（英语的Emergency call，或者说紧急呼叫）功能、等等。

为此，众所周知，这些充电装置包括：专用于感应充电的射频天线，称为充电天线，它是WPC型天线（WPC即英语的“Wireless Power Consortium（无线充电联盟）”，亦即根据该联盟的标准的无线感应充电天线），其使得能够在100到200 kHz的频率中进行感应充电；以及另一具有更高频率的天线，该更高频率一般约为13.56 MHz，其专用于该近场通信。其也可以是使得能够实现便携式设备与连接到车辆上车载的电子系统的充电装置之间的短距离耦合通信的任何其他射频天线。

以已知的方式，用于WPC充电的初级天线在充电装置的中央居中，以便处于与便携式设备的次级天线面对面地对准，该次级天线通常也位于所述设备的中心。NFC天线通常围绕WPC天线布置，一直沿着充电装置的外周。类似地，便携式设备的NFC天线也位于便携式设备的背面的外周，因此当便携式设备被安置在充电装置上时，便携式设备的NFC天线处于充电装置的NFC天线的对面，这使得能够实现有效的NFC通信。

NFC天线在载体外周的布置并不特定于感应充电器。实际上，在任何近场通信装置中，NFC天线通常都布置在载体的外周，这确保了在装置的整个表面上的均匀的通信区域。

然而，最近投放市场的大多数智能手机都不再包括位于外周的NFC天线，而是位于智能手机背面上部的NFC天线，以便尤其是有助于例如NFC支付。这样，握住他们的智能手机的用户将其智能手机的顶部朝向集成于终端中的NFC读取器倾斜，以便与所述终端进行通信，例如进行支付。此手势要比在NFC天线盘绕在便携式设备的外周的情况下将电话的背面置于平行于NFC读取器的表面的手势更符合人体工程学。

将NFC天线仅置于便携式设备的背面上部、即相对于WPC天线偏心还使得能够减小与所述天线的干扰。

然而，包括位于其外周边缘中的仅一个上的NFC天线的便携式设备与包括位于其整个外周的NFC天线的充电装置之间的NFC通信的效率被大幅降低，甚至无法通信。

另外，如果便携式设备的背面被由用户添加的镀铬金属外壳覆盖，则该金属的存在会干扰充电装置的NFC天线的频率并导致其失配。便携式设备和充电装置之间的NFC通信于是不再可行。

发明内容

因此，有必要设计一种近场通信装置，其针对任何类型的便携式用户设备都能工作，因此针对在其背面上部配备有NFC天线的这些新型智能手机也能工作，以便能够与所述智能手机有效地进行NFC通信。

本发明旨在缓解现有技术的这个问题。

本发明提出了一种与便携式用户设备进行近场通信的装置，包括：

• 位于第一载体上的第一近场通信天线，

• 第一激活部件，其用于激活所述第一天线，该第一激活部件位于第二载体上，该第二载体位于第一载体对面并通过销机械连接到所述第一载体，

该装置的特征在于，销是由导体金属制成的，并且在于，其还包括：

• 第二近场通信天线，其绕组的第一部分位于第一载体的一端，绕组的第二部分位于第二载体的一端，这两端处于该装置的同一侧，并且每个绕组的第一部分和第二部分通过由导体金属制成的销而电连接，使得第二天线发射电磁场，所述电磁场的主要分量垂直于第一近场通信天线所发射的电磁场的主要分量，

• 第二激活部件，其用于激活所述第二通信天线。

第一载体可以由壳体底部或盖构成，并且第二载体可以是印刷电路。

优选地，第一载体和第二载体是印刷电路。

在特定实施例中，绕组的第一部分在其连续绕组中的两个绕组之间包括距离间隔。

在第一实施例中，该装置包括两个第二近场通信天线，它们位于第一和第二载体的相对端，第二激活部件包括：

• 具有两个位置的射频断续器：第一位置，其中该断续器连接到第一频率匹配部件和第一通信天线；第二位置，其中该断续器连接到第二频率匹配部件和两个第二通信天线，

• 切换部件，其包括两个晶体管，所述切换部件各自连接到第二NFC天线之一，并且还包括控制换向开关，

• 切换部件的二进制控件，其连接到控制换向开关，从而使得能够同时激活一个第二通信天线并去激活另一个第二通信天线，

• 用于操控射频断续器和二进制控件的操控部件。

在第二实施例中，第二激活部件包括在一侧电磁耦合到第一通信天线的至少一个无源谐振器、天线匹配部件和晶体管，所述天线匹配部件和晶体管在一侧电连接到第二通信天线并在另一侧电连接到谐振器。

本发明还涉及包括感应充电天线的任何感应充电器，其特征在于，第一通信天线围绕感应充电天线，并且在于，所述感应充电器包括根据前文列举的特征中的任一个的近场通信装置。

本发明适用于任何便携式用户设备，其特征在于，所述便携式用户设备包括根据前文列举的特征中的任一个的近场通信装置。

最后，本发明还适用于包括根据前文列举的特征中的任一个的近场通信装置的任何机动车辆，所述近场通信装置集成在或不集成在感应充电器中。

附图说明

通过阅读以非限制性示例的名义的以下描述并通过考虑附图，本发明的其他目的、特征和优点将变得显而易见，在附图中：

• 图1示出了安置在现有技术的近场通信装置D上的便携式用户设备P，所述设备P包括位于其背面顶部的近场通信天线A，并且所述装置D包括布置在所述装置的外周上的第一近场通信天线A1，

• 图2示出了安置在根据本发明的近场通信装置D'上的便携式用户设备P，近场通信装置D'还包括两个第二近场通信天线A2、A3，

• 图3以曲线图沿纵轴x和横轴y示出了根据现有技术（区域Z1）和根据本发明（区域Z1、Z2、Z3）的近场通信区域，所述纵轴x和横轴y是相对于通信装置的安置表面S定义的，

• 图4示出了现有技术的通信装置D中的第一NFC通信天线A1，其在此被集成在感应充电器中，并且还包括感应充电天线B，

• 图5示出了根据本发明的近场通信装置D'，还包括两个第二近场通信天线A2和A3，

• 图6示意性地示出了根据本发明的第二激活部件M10的第一实施例，

• 图7示出了根据本发明的两个第二近场通信天线A20、A30的变型，

• 图8示意性地示出了利用图7所示的变型获得的近场通信区域Z1、Z2'和Z3'，

• 图9示出了根据本发明的第二激活部件M10'的第二实施例。

具体实施方式

图1和图4示出了根据现有技术的近场通信装置D，其中近场通信或NFC天线A1（在下文中称为“第一NFC天线A1”）位于所述装置的安置表面S下方，更确切地说，位于第一载体上，第一载体例如是印刷电路类型的载体PCB1，其集成在所述装置中。

通常，但并非排他性地，NFC天线A1被印刷在印刷电路的外周并且形成由多个绕组构成的环。

装置D还包括用于激活第一NFC天线A1的第一激活部件M1，其被集成在位于第二载体上的电子电路10中，该电子电路10例如在位于第一载体PCB1对面的印刷电路PCB2中，所述两个载体通过位于所述载体四端的销I来机械连接。第一激活部件M1以本身已知的方式尤其包括天线频率匹配部件（以电容器的形式）以及NFC收发器，并且电连接到第一NFC天线A1。

“位于……对面”应理解为载体的至少一部分位于面向与另一载体的一部分，这两个部分分隔基本上等于销I的高度的距离。PCB1、PCB2这两个载体可以具有相同的尺寸或不同的尺寸。一个载体还可以在平行于该载体的平面或甚至垂直于另一载体的平面的方向上相对于另一载体偏移。在这种情况下，一个载体相对于另一载体倾斜。

第一NFC天线A1以有线方式、例如通过导线C连接到第一激活部件M1。

“第一载体”应理解为由塑料或金属材料、或由树脂或任何其他材料制成的平面，第一NFC天线A1与该平面连成一体，所述第一NFC天线A1可以印刷到第一载体上，或者通过诸如夹子、粘合等的固定手段来固定到第一载体。

第一载体可以是例如其上印刷有所述第一NFC天线A1的印刷电路PCB1，或者是第一NFC天线A1被包覆成型或粘合在其中的壳体底部或盖。

“第二载体”应理解为由塑料或金属材料、或由树脂或任何其他材料制成的平面，用于激活所述第一NFC天线A1的第一激活部件M1位于其上。

第一载体PCB1通过机械支撑销I连接到第二载体PCB2。

第一载体PCB1和第二载体PCB2通过支撑销I彼此间隔开，以防止第一NFC天线A1与位于第一激活部件M1中的电子组件之间的干扰问题，该干扰可能导致所述第一NFC天线A1频率失配。

这从现有技术中是已知的。

图4作为例示示出了WPC天线型的感应充电天线B，在通信装置D被包括在感应充电器中的情况下，感应充电天线B位于所述通信装置D的中心。

图1还示出了安置在通信装置D的安置表面S上的便携式用户设备，在该示例中为智能手机P（法语为téléphone intelligent（智能电话）），所述便携式设备P包括近场通信天线A，以便与通信装置D进行通信。所述天线A位于便携式设备P的背面的顶部，背面是安置在安置表面S上的面。

第一NFC天线A1发射电磁场B1，其主要分量垂直于安置表面S并限定通信区域Z1（见图1）。

由于用户设备包括位于其背面（即，处于安置表面S对面的面）的一端的NFC天线A，因此NFC天线A既不处于第一NFC天线A1对面，也不相对于通信装置D的第一NFC天线A1居中。

另外，取决于其尺寸，在用户设备P的长度大于通信装置的第一NFC天线A1的长度L（见图2）——就像市场上某些较大智能手机的情况一样，如诺基亚830®、索尼Xperia Z3®、HTC®One M8、iPhone6等——的情况下，那么所述便携式设备的NFC天线A不再完全位于或完全不再位于第一NFC通信天线A1的通信区域Z1中。

如前文解释的，通信装置D与便携式设备P之间的NFC通信效率将会受到影响，并且大幅降低，或甚至在某些情况下无法通信。

本发明旨在缓解该问题。

在图2、图5、图7、图8和图9中示出根据本发明的近场通信装置D'。

根据本发明，机械支撑销I'由导体金属制成，并且近场通信装置D'还包括至少一个第二NFC近场通信天线A2，其是以绕组的形式，例如铜线的绕组，使得每个绕组的第一部分A21处于第一载体PCB10的一端，并且每个绕组的第二部分A22处于第二载体PCB20的一端，这两端处于装置的同一侧，其中一个在另一个上方。优选地，这两端处于彼此对面。

本发明巧妙地提出，每个绕组的第一部分A21通过由导体金属制成的销I'电连接到所述绕组的第二部分A22。因此，根据本发明，由导体金属制成的销I'不仅起到机械支持的作用，而且构成了第二NFC天线A2的一部分（见图5）。

这样，由导体金属（例如，铜）制成的销I'使得能够实现通过第二NFC天线A2的信号传输。

根据本发明的通信装置D'还包括第二激活部件M10，其连接到所述第二NFC天线A2。

图5示出了两个第二NFC天线A2和A3，其各自位于第一和第二载体PCB10和PCB20的相对端。

这样，由在第一载体PCB10、第二载体PCB20和销I'之间形成的绕组所构成的第二NFC天线A2产生第二磁场B2，该第二磁场B2的主要分量垂直于由第一NFC天线A1发射的磁场B1的主要分量。

类似地，由在第一载体PCB10、第二载体PCB20和销I'之间形成的绕组这样构成的第二NFC天线A3产生第三磁场B3，该第三磁场B3的主要分量垂直于由第一NFC天线A1发射的磁场B1的主要分量。

这在图2中示出。

在图2中，相对于第一NFC天线A1的平面（即，相对于安置表面S的平面，其优选地平行于所述第一NFC天线A1）定义了彼此垂直的两个轴：纵轴x，其平行于第一NFC天线A1的平面，以及横轴y，其垂直于所述平面。

由第一NFC天线A1产生的电磁场B1主要沿着方向y定向，而由第二NFC天线A2发射的第二电磁场B2主要沿着方向x定向，从而形成第二通信区域Z2，该第二通信区域Z2优选地沿着方向x从第一和第二载体PCB10和PCB20的边缘延伸。

“主要”沿着一个方向应理解为电磁场的主要分量沿着一个方向，当然显而易见的是，由绕组产生的电磁场导致这样的场：该场由位于主要分量两侧且略微倾斜的场线组成，如图1、图4和图5所示。尤其是第二天线A2和A3的场线相对于主要分量的这种倾斜使得根据本发明能够巧妙地扩展区域Z1的两侧的检测区域，不仅是沿着纵轴x、而且还沿着横轴y的检测区域。

当便携式用户设备P靠近装置D'的边缘或端部之一时，该第二检测区域Z2于是使得能够在通信装置D'的边缘之一上进行通信。

因此，第二NFC天线A2使得能够实现在通信装置D'的侧向边缘上的NFC通信区域的不可忽略的扩展。

通过在装置D'的另一侧以类似的方式添加另一个第二NFC天线A3来获得该扩展，该第二NFC天线A3类似地产生第三电磁场B3，其主要分量沿轴x定向。

这在图3中以曲线图示出。

在图3中，沿纵轴x表示电磁场的强度。可以清楚地看到，两个第二NFC天线A2和A3通过各自在第一NFC天线A1的每一侧上形成一个磁场而各自使得能够沿x轴扩展NFC通信区域，一侧扩展距离x1，并且另一侧扩展距离x2，其强度高于确保有效NFC通信所需的最小阈值Th。

图7示出了通信装置D'的一种变型，其中，两个第二NFC天线A20和A30在位于第一载体PCB10上的其连续绕组中的两个绕组之间具有沿x轴的距离间隔e。

该间隔e使得能够扩展由所述第二NFC天线A20和A30产生的电磁场，并且这样形成的通信区域Z3和Z4大于由图2和图3中所示的具有彼此等距的绕组的第二NFC天线A2和A3形成的通信区域Z2和Z3。

图8示出了利用图7所示的通信装置D'的变型获得的通信区域Z2'和Z3'。所述区域Z2'和Z3'大于图2所示的区域Z2和Z3。

根据本发明，通信装置D'还包括用于激活第二NFC天线A2的第二激活部件M10，如图6所示。

第二激活部件M10例如包括在位于第二载体PCB20上的印刷电路中。

根据第一实施例，第二激活部件M10包括：

• 第一激活部件M1还包括用于匹配第一天线A1的频率的第一匹配部件，例如以两个电容器C1和C2的形式，

• 第二匹配部件，其用于匹配一个或多个第二天线A2和A3的频率，其以连接到两个天线A2、A3的两个电容器C3、C4的形式，

• 具有两个位置的射频断续器Int：第一位置S1使得能够激活第一激活部件M1和第一NFC天线A1，并且第二位置S2使得能够激活第二匹配部件以及两个第二NFC天线A2和A3，

• 包括两个晶体管T1和T2的切换部件，所述切换部件各自连接到第二NFC天线A2、A3，并且还包括控制换向开关Inv，

• 二进制控件µ1，其借助于切换部件而使得能够同时激活一个第二天线并去激活另一个第二天线，即使得能够操控换向开关Inv，

• 操控部件M20，其用于操控射频断续器Int和二进制控件µ1，

• 操控部件M20例如采用集成在微控制器中的软件的形式。

当断续器Int在第一位置S1上时，第一NFC天线A1被激活并且发射电磁场B1，该电磁场B1限定了通信区域Z1。

当断续器Int在第二位置S2上并且控件µ1在二进制位置1上（或从操控部件20接收到定值1）时，第二NFC天线A2被激活并发射电磁场B2，该电磁场B2限定了通信区域Z2（或Z2'）。

当断续器Int在第二位置S2上并且控件µ1在0上（或从操控部件20接收到定值0）时，第二NFC天线A3被激活并发射电磁场B3，该电磁场B3限定了通信区域Z3（或Z3'）。

因此，二进制控件μ1使得能够选择第二通信天线A2、A3中的一个或另一个来连接到第二匹配部件C3、C4。

图6所示的电子线路布置使得能够明智地轮流选择第一NFC天线A1、或第二NFC天线A2或第二NFC天线A3。

当然，第一和第二输出S1和S2可以直接连接到操控部件M20（没有断续器Int），使得当第二天线之一、A2或者A3被激活时，第一NFC天线A1总是被激活。

根据图9所示的第二实施例，电连接到第二天线A2或A3的第二激活部件M10'包括：

• 无源谐振器R1，其是以由导体金属（例如铜）制成的绕组环的形式，其连接到

• 电容器C1'，以及到

• 晶体管T1'。

无源谐振器R1位于第一NFC天线A1附近，以与第一NFC天线A1电磁耦合，从而使得能够产生通过谐振器R1的电流，从而向第二NFC天线A2馈送电流。

在第二激活部件M10'的该第二实施例中，第一天线A1和一个或多个第二天线A2、A3同时工作，而不是如图6所示的第一实施例那样轮流工作。

本发明适用于包括感应充电天线和近场通信装置的任何便携式设备感应充电器。

本发明还可以适用于便携式设备本身。实际上，根据本发明的通信装置可以被集成在便携式用户设备中，使得便携式用户设备能够与任何类型的感应充电器或任何近场通信装置进行通信。在根据本发明的通信装置集成在便携式设备中的情况下，由于所述设备拥有多个有效通信区域，因此可以更有效地进行通信。

因此，本发明是明智的，因为其通过在两个载体上添加次级天线A2、A3、使用机械支撑销I'作为导体而使得能够在通信装置D'的边缘处扩展NFC通信区域。

因此，本发明是基于借助于导体金属销而在两个载体上的第二天线的绕组。

因此，本发明易于实现、成本低并且解决了现有技术的问题。

Claims

1.与便携式用户设备（P）进行近场通信的近场通信装置（D'），包括：

• 位于第一载体（PCB1、PCB10）上的用于近场通信的第一天线（A1），

• 第一激活部件（M1），其用于激活所述第一天线（A1），该第一激活部件（M1）位于第二载体（PCB2、PCB20）上，该第二载体（PCB2、PCB20）位于第一载体（PCB1、PCB10）对面并通过机械支撑销（I）机械连接到所述第一载体，

• 用于近场通信的第二天线（A2、A3、A20、A30、A2'、A3'），其绕组的第一部分（A21、A31）位于第一载体（PCB1、PCB10）的一端，绕组的第二部分（A22、A32）位于第二载体（PCB2、PCB20）的一端，这两端处于近场通信装置（D'）的同一侧，

• 第二激活部件（M10、M10'），其用于激活所述第二天线（A2、A3、A20、A30、A2'、A3'），

该近场通信装置（D'）的特征在于，机械支撑销（I'）是由导体金属制成的，并且在于：

• 每个绕组的第一部分（A21、A31）和第二部分（A22、A32）通过由导体金属制成的机械支撑销（I'）而电连接，使得第二天线（A2、A3、A20、A30、A2'、A3'）发射电磁场（B2、B3、B2'、B3'），所述电磁场（B2、B3、B2'、B3'）的主要分量垂直于第一天线（A1）所发射的电磁场（B1）的主要分量。

2.根据前一权利要求所述的近场通信装置（D'），其特征在于，第一载体（PCB1、PCB10）由壳体底部或盖构成，并且第二载体（PCB2、PCB20）是印刷电路。

3.根据权利要求1所述的近场通信装置（D'），其特征在于，第一载体（PCB1、PCB10）和第二载体（PCB2、PCB20）是印刷电路。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的近场通信装置（D'），其特征在于，绕组的第一部分（A21、A31）在两个连续绕组之间包括距离间隔（e）。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的近场通信装置（D'），包括两个第二天线（A2、A3、A20、A30、A2'、A3'），它们位于第一载体（PCB1、PCB10）和第二载体（PCB2、PCB20）的相对端，所述近场通信装置（D'）的特征在于，第二激活部件（M10）包括：

• 具有两个位置（S1、S2）的射频断续器（Int）：第一位置（S1），其中该断续器连接到第一频率匹配部件（C1、C2）和第一天线（A1）；第二位置（S2），其中该断续器（Int）连接到第二频率匹配部件（C3、C4）和两个第二天线（A2、A3、A20、A30），

• 包括两个晶体管的切换部件（T1、T2），所述切换部件各自连接到第二天线（A2、A3）之一，并且还包括控制换向开关（Inv），

• 切换部件（T1、T2）的二进制控件（μ1），其连接到控制换向开关（Inv），从而使得能够同时激活一个第二天线（A2、A3）并去激活另一个第二天线（A2、A3），

• 用于操控射频断续器（Int）和二进制控件（μ1）的操控部件（M20）。

6.根据权利要求1至3中的任一项所述的近场通信装置（D'），其特征在于，第二激活部件（M10'）包括在一侧电磁耦合到第一天线（A1）的至少一个无源谐振器（R1、R2）、天线匹配部件（C1'、C2'）和晶体管（T1'、T2'），所述天线匹配部件（C1'、C2'）和晶体管（T1'、T2'）在一侧电连接到第二天线（A2、A3、A20、A30、A2'、A3'）并在另一侧电连接到谐振器（R1、R2）。

7.包括感应充电天线（B）的感应充电器（100），其特征在于，用于通信的第一天线（A1）围绕感应充电天线（B），并且在于，所述感应充电器（100）包括根据前述权利要求中的任一项所述的近场通信装置（D'）。

8.便携式用户设备（P），其特征在于，所述便携式用户设备（P）包括根据权利要求1至6中的任一项所述的近场通信装置（D'）。

9.机动车辆，其包括根据权利要求1至6中的任一项所述的近场通信装置（D'）。

10.机动车辆，其包括根据权利要求7所述的感应充电器（100）。