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GEBIET
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Die beschriebenen Ausführungsformen betreffen allgemein eine induktive Energieübertragung und genauer ein Induktionsspulendesign, das ein Rauschen in tragbaren elektronischen Vorrichtungen verringern kann.
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HINTERGRUND
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Jüngste Fortschritte auf dem Gebiet der tragbaren Computer haben zu einem größeren Komfort für Benutzer tragbarer elektronischer Vorrichtungen geführt. Zum Beispiel ermöglichen Mobiltelefone, Computertablets, am Körper tragbare Vorrichtungen, Laptop-Computer und so weiter, einem Benutzer zu kommunizieren, während der Benutzer mobil ist. Das heißt, der Benutzer ist in der Lage, ungehindert zu reisen, während er diese elektronischen Vorrichtungen zur Kommunikation, als Zugang zum Internet, zum Navigieren und für andere Funktionen verwendet. Durch diesen Komfort hat sich die Nachfrage nach tragbaren Ladeeinrichtungen erhöht.
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Eine Akkuladetechnologie, die sich gerade etabliert, ist das induktive Laden unter Verwendung drahtloser Ladegeräte. Eine drahtlose Sendeeinrichtung verwendet ein Magnetfeld zur Übertragung von Elektrizität, wodurch kompatible Vorrichtungen in die Lage versetzt werden, Leistung durch diesen induzierten Strom zu empfangen, statt Leiterdrähte und Kabel verwenden zu müssen. Induktives Laden ist ein Verfahren, bei dem ein Magnetfeld Elektrizität von einem externen Ladegerät auf eine mobile Vorrichtung, beispielsweise ein Telefon oder einen Laptop-Computer überträgt, wodurch eine Verdrahtung überflüssig wird. Induktionsladegeräte verwenden in der Regel eine Induktionsspule, um ein elektromagnetisches Wechselfeld zu erzeugen, und eine zweite Induktionsspule in der tragbaren Vorrichtung, um Leistung aus dem elektromagnetischen Feld abzuziehen und diese wieder in elektrischen Strom umzuwandeln, um den Akku zu laden. Zwei Induktionsspulen, die nahe beieinander liegen, bilden zusammen einen elektrischen Transformator.
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Unter gewissen Umständen kann ein induktives Laden zu unerwünschten elektromagnetischen Effekten führen. Eine herkömmliche Spulenwindung kann eine unausgeglichene Kapazität erzeugen, die ein unerwünschtes Gleichtaktrauschen auf Masseflächen tragbarer elektronischer Vorrichtungen bewirken kann. Ein „Gleichtaktrauschen” ist allgemein eine Form von kohärenter Interferenz, die sich auf zwei oder mehr Elemente einer elektromagnetischen Vorrichtung auf stark gekoppelte Weise auswirkt. Dieses unerwünschte Rauschen ist besonders problematisch bei tragbaren elektronischen Vorrichtungen, die Berührungssensoren einschließen, die für einen optimalen Betrieb rauscharme Masseflächen benötigen. Die Folge ist, dass die Verwendung von Berührungssensoren und Touchscreens deutlich beeinträchtigt ist, während die tragbare elektronische Vorrichtung mit einer induktiven Ladevorrichtung geladen wird. Somit kann die tragbare elektronische Vorrichtung während eines solchen induktiven Akkuladevorgangs effektiv inoperabel sein.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Hierin beschriebene Ausführungsformen betreffen verbesserte Spulenkonstruktionen, die unerwünschte kapazitive Verluste und die Erzeugung von Gleichtaktrauschen in den Sender- und Empfängerspulen verbessern können. Die Windungen der Spule sind so ausgerichtet, dass der Flächeninhalt eines Drahtes in jeder Hälfte der Spule ungefähr gleich groß ist, damit die von den Spulen produzierten, kapazitiven Effekte ausgeglichen werden und das Gleichtaktrauschen somit wesentlich verringert ist. Die tragbare elektronische Vorrichtung kann eine Sendevorrichtung oder eine Empfängervorrichtung sein.
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Eine Ausführungsform kann die Form einer Induktionsspule haben, die Folgendes umfasst: einen elektrisch leitenden Draht, der mindestens eine Windung in einer ersten planen Schicht bildet, wobei die Schicht einen Mittelpunkt einschließt, wobei die mindestens eine Windung umfasst: eine erste Hälfte der Windung; und eine zweite Hälfte der Windung, die an die erste Hälfte anschließt; wobei: der elektrisch leitende Draht sich an einem Rand der ersten und der zweiten Hälfte selbst kreuzt, so dass eine Länge des elektrisch leitenden Drahtes in der ersten Hälfte einer Länge des elektrisch leitenden Drahtes in der zweiten Hälfte ungefähr entspricht.
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Andere Ausführungsformen können die Form einer Induktionsspule haben, die Folgendes umfasst: eine erste und eine zweite Schicht, die aneinander angrenzen und die von einem einzigen zusammenhängenden Stück Draht gebildet werden; wobei die erste Schicht eine Ebene definiert, die von einer Linie durch einen Mittelpunkt der Ebene zweigeteilt wird, wobei die Linie eine erste Hälfte und eine zweite Hälfte der ersten Schicht definiert; wobei die erste Schicht mehrere Windungen umfasst; der Draht einen ersten Windungsabschnitt in der ersten Hälfte der ersten Schicht bildet, bevor er sich selbst kreuzt; und der Draht einen zweiten Windungsabschnitt in der zweiten Hälfte der ersten Schicht bildet, bevor er sich selbst kreuzt.
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Eine noch andere Ausführungsform kann die Form einer tragbaren elektronischen Vorrichtung haben, die umfasst: ein Gehäuse; eine oder mehrere elektronische Komponenten innerhalb des Gehäuses; und eine Induktionsspule, die ein Stück elektrisch leitenden Drahtes einschließt, der zu mindestens einer Windung in einer planen Schicht gebildet ist, wobei die Schicht einen Mittelpunkt in der planen Schicht aufweist, wobei jede Windung einschließt: einen ersten Abschnitt, der ungefähr eine Hälfte der Windung umfasst, wie von einer Linie durch den Mittelpunkt bestimmt wird, die parallel zur planen Schicht verläuft; und einen zweiten Abschnitt, der eine andere Hälfte der Windung in der planen Schicht umfasst, der dem ersten Abschnitt gegenüberliegt; wobei der Draht, der den ersten Abschnitt umfasst, ungefähr gleich lang ist wie der Draht, der den zweiten Abschnitt umfasst.
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Diese und andere Ausführungsformen werden beim Lesen der gesamten Beschreibung deutlich werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die Offenbarung wird leicht durch die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstanden, in denen gleiche Bezugsziffern gleiche strukturelle Elemente bezeichnen, und in denen:
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1 eine tragbare elektronische Vorrichtung und eine separate Ladevorrichtung darstellt;
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2 die tragbare elektronische Vorrichtung und die Ladevorrichtung von 1 darstellt, wobei die Vorrichtungen aneinander angrenzen und induktiv gekoppelt sind;
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3 eine vereinfachte, schematische Querschnittsansicht der tragbaren elektronischen Vorrichtung und der Ladevorrichtung von 2 entlang einer Linie 3-3 in 2 ist und zeigt, wo sich die induktiven Ladespulen innerhalb des Gehäuses befinden, wobei alle anderen internen Komponenten um der Übersichtlichkeit willen weggelassen wurden;
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4 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Beispiels für ein induktives Ladesystem ist;
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5 ein vereinfachter Schaltplan eines Beispiels für ein induktives Ladesystem ist;
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6 eine Draufsicht auf eine spiralförmig gewundene Induktionsspule ist;
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7 eine Draufsicht auf eine kapazitiv ausgeglichene Induktionsspule gemäß einer Ausführungsform ist;
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8 eine seitliche Schnittansicht von induktiven Lade- und Empfangsspulen gemäß einer Ausführungsform ist und die Windungen der Übersichtlichkeit halber mit Abstand zueinander zeigt; und
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9 ein Ablaufschema ist, das ein Verfahren zur Herstellung einer induktiven Spule gemäß einer Ausführungsform zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es wird nun detailliert auf stellvertretende Ausführungsformen Bezug genommen, die in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht sind. Es sollte verstanden werden, dass die folgenden Beschreibungen nicht als die Ausführungsformen auf eine einzige bevorzugte Ausführungsform einschränkend beabsichtigt sind. Im Gegenteil ist es beabsichtigt, dass Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abgedeckt sind, wie sie innerhalb des Geistes und Umfangs der beschriebenen, durch die angehängten Ansprüche definierten Ausführungsformen eingeschlossen sein können. Beispielsweise kann eine geeignete elektronische Vorrichtung eine beliebige tragbare oder semi-tragbare elektronische Vorrichtung sein, die Energie auf induktive Weise empfangen kann („Empfängervorrichtung”), und eine geeignete Docking-Vorrichtung kann eine beliebige tragbare oder semi-tragbare Docking-Station oder Ladevorrichtung sein, die Energie auf induktive Weise übertragen kann („Sendevorrichtung”).
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Hierin beschriebene Ausführungsformen stellen ein induktives Energieübertragungssystem bereit, das Energie induktiv von einer Sendevorrichtung zu einer Empfängervorrichtung überträgt, um einen Akku zu laden oder die Empfängervorrichtung zu betreiben. Zusätzlich oder alternativ dazu können Kommunikations- oder Steuersignale zwischen den Sende- und Empfangsvorrichtungen induktiv übertragen werden. Die Begriffe Energie, Leistung und/oder Signal(e) sollen somit die Übertragung von Energie zum drahtlosen Laden, die Übertragung von Energie als Kommunikations- und/oder Steuersignale oder sowohl drahtloses Laden als auch Übertragung von Kommunikations- und/oder Steuersignalen umfassen.
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Genauer können hierin beschriebene Ausführungsformen die Form einer kapazitiv ausgeglichenen Spule zur Verwendung in einem induktiven Ladesystem haben, entweder als Ladespule oder als Empfangsspule. Eine solche Spule kann eine oder mehrere Windungen, Schichten oder beides aufweisen. Wie hierin verwendet, bezeichnet „Windung” ein Stück elektrisch leitenden Drahtes, das einem solchen Pfad folgt, dass ein erster Teil des Drahtes an einen zweiten Teil des Drahtes angrenzt; Beispiele für Windungen schließen ein Stück Draht ein, das zu einem Kreis, einem Serpentinenmuster, einem Teil einer Spirale und anderen geeigneten Mustern (geometrischen und anderen) geformt ist. Eine Spule besteht in der Regel aus einer oder mehreren Drahtwindungen, und manche Spulen können viele Schichten aufweisen, von denen jede aus einer oder mehreren Windungen besteht. Zum Beispiel kann ein elektrisch leitender Draht zu einer Spirale gewunden werden, um eine Spule oder eine Schicht einer Spule zu bilden. Der elektrisch leitende Draht kann einmal oder mehrmals in einer einzigen Schicht über sich selbst laufen oder kann so gewunden werden, dass er zwischen Schichten wechselt. Zum Beispiel kann der Draht von einer ersten Schicht zu einer zweiten Schicht und hin- und zurücklaufen, statt erst eine ganze Schicht oder Spule zu bilden und dann die nächste Spule zu bilden.
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In manchen Ausführungsformen kann der elektrisch leitende Draht an einem Mittelpunkt einer Spule oder Schicht über sich selbst laufen. In solchen Ausführungsformen kann jede Hälfte oder eine Spule oder Schicht im Wesentlichen gleiche Längen des elektrisch leitenden Drahtes aufweisen oder aus solchen gebildet sein. Durch Angleichen der Drahtlängen zwischen den Hälften der Induktionsspule (oder einer Schicht der Induktionsspule) können parasitäre Kapazitäten, die von der Spule erzeugt werden, im Wesentlichen ausgeglichen und berücksichtigt werden. Somit kann eine Kompensation des Rauschens, das von der Spule erzeugt wird, vereinfacht werden. Somit können negative Effekte einer induktiven Ladespule (oder Empfangsspule), die wie hierin beschrieben ausgebildet ist, verringert werden, und die Spule kann sich weniger auf andere Komponenten einer elektronischen Vorrichtung, in der die Spule enthalten ist, auswirken.
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Es wird nun auf 1 Bezug genommen, in der ein Beispiel eines induktiven Energieübertragungssystems 11 in einer ungesteckten Konfiguration gezeigt ist. Die dargestellte Ausführungsform zeigt eine Sender- oder Ladevorrichtung 12, die dafür ausgelegt ist, Energie drahtlos an eine Empfängervorrichtung weiterzugeben, bei der es sich um eine tragbare elektronische Vorrichtung 13 handeln kann. Auch wenn das System 11, das in 1 und 2 dargestellt ist, eine Uhr als tragbare elektronische Vorrichtung abbildet, kann jede elektronische Vorrichtung so gestaltet werden, dass sie mit hierin beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden kann. Beispiele für elektronische Vorrichtungen, die so gestaltet werden können, dass sie ein induktives Laden wie hierin beschrieben ermöglichen, schließen Folgendes ein: Tablet-Rechenvorrichtungen; Mobiltelefone; Computer; Gesundheitsmonitore; am Körper zu tragende Rechenvorrichtungen (z. B. Brillen, eine Uhr, Kleidung oder dergleichen); und so weiter.
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In vielen Ausführungsformen kann ein am Körper tragbares Accessoire, beispielsweise eine elektronische Vorrichtung 13, wie sie in 1 dargestellt ist, eine Steuereinrichtung, einen Prozessor oder eine oder mehrere andere Verarbeitungseinheiten einschließen, die mit einem Speicher, einer oder mehreren Kommunikationsschnittstellen, Ausgabevorrichtungen, wie z. B. Displays und Lautsprechern, einem oder mehreren Sensoren, wie z. B. biometrischen und bildgebenden Sensoren, und einem oder mehreren Eingabevorrichtungen, wie z. B. Tasten, Skalen, Mikrofonen oder berührungsempfindlichen Schnittstellen, gekoppelt sind oder kommunizieren. Die Kommunikationsschnittstelle(n) können elektronische Kommunikation zwischen der Kommunikationsvorrichtung und einem externen Kommunikationsnetzwerk, einer Vorrichtung oder einer Plattform bereitstellen, wie z. B., aber ohne diesbezügliche Einschränkung, zu drahtlosen Schnittstellen, Bluetooth-Schnittstellen, Nahfeldkommunikationsschnittstellen, Infrarotschnittstellen, USB-Schnittstellen, Wi-Fi-Schnittstellen, TCP/IP-Schnittstellen, Netzwerkkommunikationsschnittstellen oder beliebigen konventionellen Kommunikationsschnittstellen. Die am Körper tragbare Vorrichtung kann zusätzlich zur Kommunikation Informationen zu Zeit, Gesundheit, Status von extern verbundenen oder kommunizierenden Vorrichtungen und/oder Software, die auf derartigen Vorrichtungen ausgeführt wird, Meldungen, Videos, Bedienbefehle usw. bereitstellen (und sie kann beliebige der aufgeführten Informationen von einer externen Vorrichtung empfangen).
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Wie oben angegeben, kann die elektronische Vorrichtung 13 eine Steuereinrichtung 26 oder andere elektronische Komponenten einschließen. Die Steuereinrichtung kann Anweisungen ausführen und Schritte abarbeiten, die mit tragbaren elektronischen Vorrichtungen wie hierin beschrieben assoziiert sind. Unter Verwendung von Anweisungen (die aus einem Vorrichtungsspeicher geholt werden können) kann eine Steuereinrichtung den Empfang und die Bearbeitung von Eingangs- und Ausgangsdaten zwischen Komponenten der elektronischen Vorrichtung regeln. Die Steuereinrichtung kann in einem oder mehreren Computerchips implementiert sein. Es können verschiedene Architekturen für die Steuereinrichtung verwendet werden, beispielsweise Mikroprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) und so weiter. Die Steuereinrichtung kann zusammen mit einem Betriebssystem Computercode ausführen und Daten bearbeiten. Bei dem Betriebssystem kann es sich um ein bekanntes System, wie iOS, Windows, UNIX, oder ein zweckgebundenes Betriebssystem oder um andere Systeme, die in der Technik bekannt sind, handeln. Die Steuereinrichtung kann eine Speicherfähigkeit aufweisen, um das Betriebssystem und Daten zu speichern. Die Steuereinrichtung kann auch Anwendungssoftware einschließen, um verschiedene Funktionen zu implementieren, die mit der tragbaren elektronischen Vorrichtung assoziiert sind.
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Die elektronische Vorrichtung 13 weist ein Gehäuse 14 auf, das elektronische, mechanische und bauliche Komponenten der elektronischen Vorrichtung 13 umschließt. Ebenso kann das Gehäuse 15 elektronische Komponenten der Ladevorrichtung 12 umschließen. In manchen Ausführungsformen kann die elektronische Vorrichtung 13 einen größeren lateralen Querschnitt aufweisen als die Ladevorrichtung 12, obwohl eine derartige Gestaltung nicht notwendig ist. In anderen Beispielen kann die Ladevorrichtung 12 einen größeren lateralen Querschnitt aufweisen als die Empfängervorrichtung. In noch anderen Beispielen können die Querschnitte der Ladevorrichtung und der Empfangsvorrichtung im Wesentlichen gleich sein. In anderen Ausführungsformen kann die Ladevorrichtung 12 dafür ausgelegt sein, in einen (nicht gezeigten) Ladeport in der Empfangsvorrichtung eingesetzt zu werden.
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In der dargestellten Ausführungsform kann die Ladevorrichtung 12 über ein Kabel oder einen Steckverbinder 16 an eine Stromquelle angeschlossen werden. Beispielsweise kann die Ladevorrichtung 12 Strom aus einer Wandsteckdose oder über einen Steckverbinder, wie z. B. einen USB-Steckverbinder, von einer anderen elektronischen Vorrichtung empfangen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Ladevorrichtung 12 batteriebetrieben sein. Obwohl die dargestellte Ausführungsform mit dem Steckverbinder 16 dargestellt ist, der mit dem Gehäuse der Ladevorrichtung 12 gekoppelt ist, kann der Steckverbinder 16 ebenso mittels beliebiger geeigneter Mittel elektromagnetisch verbunden werden. Beispielsweise kann der Steckverbinder 16 abnehmbar sein, und er kann einen Steckverbinder einschließen, der so bemessen ist, dass er in eine Öffnung oder Aufnahmedose passt, die im Gehäuse 15 der Ladevorrichtung 12 vorgesehen ist.
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Die elektronische Vorrichtung 13 kann eine erste Schnittstellenoberfläche 17 einschließen, die sich mit einer zweiten Schnittstellenoberfläche 18 der Ladevorrichtung 12 verbinden oder an dieser ausrichten kann, oder die diese auf sonstige Weise kontaktieren kann. Auch wenn die Schnittstellen 17, 18 im Wesentlichen gerundet dargestellt sind (z. B. konvex bzw. konkav) können sie rechteckig, dreieckig sein oder in drei Dimensionen oder im Querschnitt eine andere geeignete Form aufweisen. In manchen Ausführungsformen kann die Form der Schnittstellenoberflächen 17, 18 die gegenseitige Ausrichtung der elektronischen Vorrichtung 13 und der Ladevorrichtung 12 erleichtern. Zum Beispiel, und wie dargestellt, kann die zweite Schnittstellenoberflächen 18 der Ladevorrichtung 12 so gestaltet sein, dass sie eine besondere Form aufweist, die mit einer komplementären Form der elektronischen Vorrichtung 13 zusammenpasst, wie in 2 gezeigt ist. Im aktuellen Beispiel kann die zweite Schnittstellenoberfläche 18 eine konkave Form aufweisen, die einer ausgewählten Kurve der ersten Schnittstellenoberfläche 17 folgt. Das heißt, die erste Schnittstellenoberfläche 17 der elektronischen Vorrichtung 13 kann eine konvexe Form aufweisen, die der gleichen oder einer im Wesentlichen ähnlichen Kurve folgt wie die konkave Form der zweiten Schnittstellenoberfläche 18.
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3 zeigt eine vereinfachte, schematische Querschnittsansicht des induktiven Energieübertragungssystems entlang der Linie 3-3 von 2. Wie oben erörtert, können sowohl die Ladevorrichtung 12 als auch die tragbare elektronische Vorrichtung 13 elektronische, mechanische und/oder bauliche Komponenten aufweisen, und beide sind der Einfachheit halber in Blockform dargestellt. Die dargestellte Ausführungsform von 3 lässt viele elektronische, mechanische und bauliche Komponenten weg, um die Darstellung zu vereinfachen.
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3 zeigt ein beispielhaftes, induktives Energieübertragungssystem in einer gesteckten und ausgerichteten Gestaltung. Die tragbare elektronische Vorrichtung 13 schließt eine oder mehrere Empfängerspulen 19 mit einer oder mehreren Windungen ein. Ebenso schließt die Ladevorrichtung 12 eine oder mehrere Senderspulen 21 mit einer oder mehreren Windungen ein. Eine Senderspule 21 kann Energie auf eine Empfangsspule 19 in der elektronischen Vorrichtung 13 übertragen. Die Empfängerspule 19 kann Energie von der Ladevorrichtung 12 empfangen und die empfangene Energie verwenden, um eine oder mehrere Funktionen der elektronischen Vorrichtung 13 auszuführen oder zu koordinieren und/oder um einen Akku (nicht dargestellt) in der elektronischen Vorrichtung 13 aufzuladen. Die Empfängerspule 19 und die Senderspule 21 können jede beliebige Anzahl von Reihen, Spalten, Windungen und so weiter aufweisen.
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Die Senderspulen 21 und die Empfängerspulen 19 können mit jeder geeigneten Art von Induktor implementiert werden, und jede Spule kann eine beliebige Zahl von Formen und Abmessungen aufweisen. Wie unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen näher erörtert werden wird, können die Senderspulen 21 und die Empfängerspulen 19 die gleiche Anzahl von Windungen oder eine jeweils andere Anzahl von Windungen aufweisen. In der Regel sind die Senderspulen 19 und die Empfängerspulen 21 von einer Ummantelung umgeben, um den magnetischen Fluss in einer gewünschten Richtung zu lenken (z. B. in Richtung auf die andere Spule). Die Ummantelungen sind in 3 weggelassen, um die Darstellung zu vereinfachen.
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4 ist ein schematisches Diagramm, das ein vereinfachtes Beispiel für die Gestaltung eines induktiven Ladesystems darstellt. Wie dargestellt, schließt eine Ladevorrichtung 12 eine Leistungseinheit und eine Steuerschaltung 23 ein. Die Sendespule 21 erzeugt ein Magnetfeld 20. Eine mobile Vorrichtung weist einen Akkupack 10 auf, der einen Akku 25 und eine zugehörige Steuerschaltung 26 aufweist. Die Empfangsspule 19 empfängt ein Magnetfeld 20 von der Ladevorrichtung 12. In der Empfangsspule 19 wird durch das Magnetfeld 20 elektrischer Strom induziert, wenn die Empfangsspule 19 nahe an der Sendespule 21 angeordnet und die Akkuladevorrichtung 12 erregt wird.
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Die Sendespule 21 wird dadurch erregt, dass ein Strom an sie angelegt wird, wodurch Magnetflusslinien 20 erzeugt werden, die der Empfangsspule 19 gestatten, eine Spannung zu empfangen, wenn sie sich ausreichend nahe an der Sendespule 21 befindet. Eine Spannung, die in der Empfangsspule 19 empfangen wird, kann einen Strom darin induzieren, der den Akku 25 laden kann, nachdem er in der Steuerschaltung 26 gleichgerichtet worden ist. Wie oben erörtert, sollten die Ladespule 21 und die Empfangsspule 19 ausreichend nahe beieinander liegen, damit die Ladespule 21 den elektrischen Strom über einen Magnetfluss 20 in der Empfangsspule 19 induzieren kann.
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Es wird auf 5 Bezug genommen, in der eine schematische Darstellung der Schaltung gezeigt ist, die mit dem induktiven Ladesystem assoziiert ist. Die Ladevorrichtung 12 schließt in der Regel einen Stromeingang 16 ein. Die Ladevorrichtung 12 schließt in der Regel eine Steuerschaltung 23 ein, die ein Schaltnetzteil sein kann, um die Spannung und/oder die Frequenz eines Stroms an der Ladespule 21 zu verstärken. Ein Wechselstrom, der durch die Spule 21 geleitet wird, kann Magnetflusslinien 20 erzeugen, die es der Empfangsspule 19 in der Nähe gestatten, Spannung zu empfangen, und diese Spannung kann einen Strom in der Empfangsspule 19 induzieren. In bestimmten Ausführungsformen kann die Empfangsspule 19 ausreichend groß sein, um eine induzierte Spannung von der Ladespule 21 auf einem Spannungspegel und einer Frequenz zu empfangen, die ausreichen, um damit einen Akku 25 zu laden und auch noch andere Funktionen der elektronischen Vorrichtung zu aktivieren. Der Strom, der in der Empfangsspule 19 induziert wird, kann durch die Steuerschaltung 26 gleichgerichtet werden, bevor er dem Akku 25 bereitgestellt wird.
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Die Spulengeometrie in induktiven Ladesystemen kann eine parasitäre oder unerwünschte Kapazität erzeugen, dargestellt durch Phantomkondensatoren 24a und b. Diese Kondensatoren sind gestrichelt dargestellt, da sie in der Realität nicht existieren, sondern einen parasitären kapazitiven Effekt darstellen, der von den Spulen 19 und 21 hervorgebracht wird (z. B. eine „Phantomkapazität”) wie hierin noch erörtert werden wird.
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Zwei einander benachbarte Leiter mit einem resultierenden Potenzialunterschied können als Kondensator betrachtet werden. Die Kapazität ist umgekehrt proportional zur Distanz, so dass ein größerer Abstand zu einer geringeren Kapazität führt, so dass zwischen Leitern, die einander sehr nahe sind, eine größere Kapazität vorhanden sein kann. Die Streukapazität ist in der Regel klein, solange die Leiter nicht nahe beieinander liegen, eine große Fläche bedecken oder beides zutrifft. Zum Beispiel kann eine Streukapazität zwischen den Teilen einer Induktorwicklung einfach deswegen existieren, weil die leitenden Drähte einander nahe sind. Wenn ein Potenzialunterschied über den Windungen eines Induktors besteht, können sich die Spulen wie die Platten eines Kondensators verhalten und Ladung speichern.
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In der in 5 gezeigten Ausführungsform können parasitäre Kapazitäten von den Spulen 19 und 21 erzeugt werden. Wenn die Spulen auf herkömmliche Weise gewunden werden, können die parasitären Kapazitäten ferner unausgeglichen sein. Das heißt, die Kapazität, die vom Kondensator 24a dargestellt wird, kann größer sein als die Kapazität, die vom Kondensator 24b dargestellt wird, oder umgekehrt. Diese unausgeglichene Kapazität kann unerwünschtes Rauschen in der tragbaren elektronischen Vorrichtung 13 erzeugen, das den Betrieb verschiedener Merkmale und Funktionen der tragbaren elektronischen Vorrichtung 13 stören kann, beispielsweise ein kapazitives Erkennen von Berührungen, biometrisches Erkennen, Erkennen einer Kraft und andere Funktionalitäten.
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In einem Parallelplattenkondensator ist die Kapazität direkt proportional zum Flächeninhalt der Leiterplatten und umgekehrt proportional zum trennenden Abstand zwischen den Platten. Dieser Effekt wird manchmal als „parasitäre Kapazität” bezeichnet. In der Ausführungsform, die in 5 gezeigt ist, wird die parasitäre Kapazität, die von den Spulen 19 und 21 erzeugt wird, durch die Kondensatoren 24a und 24b dargestellt. Man beachte, dass diese Kondensatoren 24a, 24b keine wirklichen physischen Elemente oder Strukturen sind, die in der Ausführungsform vorhanden sind, sondern nur „Phantomkondensatoren”, welche die genannte parasitäre Kapazität darstellen und als Modell dafür dienen.
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Das Vorhandensein einer parasitären Kapazität führt einen Verschiebungsstrom in die Streukapazität zwischen dem Vorrichtungsmassebezug und dem Erdmassebezug (z. B. dem Kondensator 24c in 5) ein. Dies erzeugt wiederum einen Spannungsunterschied zwischen dem Vorrichtungsmassebezug und dem Erdmassebezug. Der Spannungsunterschied kann als Rauschen in verschiedenen Schaltungen in der tragbaren elektronischen Vorrichtung 13 auftreten und ihre Funktion und/oder ihren Betrieb stören. Zum Beispiel kann er sich auf kapazitive Berührungssensoren, biometrische Sensoren, Kraftsensoren und andere Schaltungen oder Strukturen der tragbaren elektronischen Vorrichtung 13 auswirken.
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Die Wirkung der parasitären Kapazität kann durch Ansteuern der beiden Anschlüsse der Senderspule 21 mit komplementären Spannungen (das heißt Spannungen mit gleichen Amplituden und Formen, aber mit entgegengesetzten Polaritäten) und Sicherstellen, dass die parasitären Kondensatoren 24a und 24b einen sehr ähnlichen Wert haben, stark reduziert werden. Dies kann Ströme mit einem nahezu gleichen Absolutwert, aber mit entgegengesetzten Vorzeichen in den Kondensator 24c einspeisen und im Gegenzug dazu führen, dass so gut wie kein Spannungsunterschied zwischen dem Vorrichtungsmassebezug und dem Erdmassebezug besteht.
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Eine Draufsicht auf eine herkömmliche Drahtwickelspule 27 für eine induktive Ladevorrichtung ist in 6 gezeigt, wenngleich der Abstand zwischen Windungen der Spule vergrößert ist, um die Betrachtung und das Verstehen der Figur zu erleichtern. Ein einziges Stück eines elektrisch leitenden Drahtes 28 (oder einfach ein „Draht”) wird in einer herkömmlichen induktiven Spule 27 spiralförmig gewunden, so dass der Radius jeder Windung des Drahtes 28 vom Mittelpunkt 30 aus zunimmt. In 6 verlaufen die Linien 34-34 und 38-38 durch den Mittelpunkt 30 der Spule 27, die im Allgemeinen in einer Ebene liegt. Eine Windung ist definiert als ein Umlauf des Drahtes 28, der am Schnittpunkt eines halbierenden Radius beginnt und endet, der von einem Mittelpunkt der Spule 27 ausgeht, beispielsweise einer Hälfte der Linie 34-34 oder einer anderen Linie, die durch den Mittelpunkt der Spule verläuft. Zum Beispiel schneidet der Draht 28 die Linie 34 an einem bestimmten Punkt auf der Linie. Eine einzelne Spulenwindung beginnt an dem Schnittpunkt, setzt sich um die Spule herum und durch die Linie 34 fort und endet an der Stelle, an der der Draht 28 die gleiche Linie 34 das dritte Mal schneidet.
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Ein elektrischer Strom wird durch den Draht 28 geleitet, wie von den Plus- bzw. Minus-Zeichen 31 bzw. 32 angegeben ist. (Man beachte, dass die Richtung des Stromflusses von Ausführungsform zu Ausführungsform oder während des Betriebs verschieden sein kann und daher nicht festgelegt ist.) Der Draht 28 weist eine Oberflächenabmessung 33 auf, die durch einen Mittelpunkt des Drahtes genommen wird. Die Länge des Drahtes mal r (die Hälfte der Drahtbreite 33) mal 2pi (2πrh), wobei r ein Drahtradius ist und h die Drahtlänge ist) ergibt einen Flächeninhalt des Drahtes, so dass ein längerer Draht einen größeren Flächeninhalt hat. Die Kapazität des Drahtes ist allgemein proportional zum Flächeninhalt des Drahtes, so dass die Kapazität umso größer ist, je größer der Flächeninhalt ist.
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Wenn sie entlang der Linie 34-34 betrachtet wird, so weist die rechte Seite 35 der Spule 27 einen größeren Flächeninhalt auf als die linke Seite 36. Dies liegt in erster Linie daran, dass die Länge des Drahtes in der äußeren Windung 37 im Gegensatz zu der kleineren entsprechenden Windung der gegenüberliegenden Seite vergrößert ist. Das heißt, die Länge des Drahtes 28 in jeder Hälfte einer Windung wird größer, wenn der radiale Abstand vom Mittelpunkt 30 größer wird. Ebenso enthält die zweite (oder untere) Hälfte 39 der Spule 27, wenn man sie entlang der Linie 38-38 betrachtet, mehr Draht als die erste (oder obere) Hälfte 41, und somit ist der Flächeninhalt des Drahtes 28 größer. Ein solches Ungleichgewicht besteht für jede Hälfte der Spule 27, unabhängig davon, ob entlang der Linien 34-34 oder 38-38 oder entlang einer anderen Achse, die den Mittelpunkt 29 schneidet, betrachtet. Dieses Ungleichgewicht der Drahtlänge und somit des Flächeninhalts ist der Geometrie einer spiralförmig gewundenen Spule inhärent, und zwar wegen des zunehmenden Radius einer Windung, während diese sich vom Mittelpunkt entfernt. Somit können viele spiralförmig gewundene, induktive Spulen eine Seite mit einer Kapazität aufweisen, die größer ist als die der anderen, was wiederum ein Rauschen über der induktiven Kopplung und in eine elektronische Vorrichtung einbringen kann. Dieses Rauschen kann sich, wie bereits erwähnt, nachteilig auf den Betrieb und die Genauigkeit verschiedener Sensoren, einschließlich kapazitiver Sensoren, in der elektronischen Vorrichtung und/oder der Ladevorrichtung auswirken.
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Es wird auf 7 Bezug genommen, in der eine Ausführungsform einer Spule 42 gezeigt ist, bei der ein Draht 28 so gewunden ist, dass er den Flächeninhalt des Drahtes 28, der in jeder Hälfte der Spule 42 vorhanden ist, z. B. zwischen einer ersten Hälfte und einer zweiten Hälfte (oder einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt) im Wesentlichen ausgleicht. Wiederum sei klargestellt, dass der Abstand zwischen Windungen der Spule übertrieben dargestellt ist, um die Betrachtung und das Verständnis der Figur zu erleichtern. Wie die Spule 27 besteht die Spule 42 aus einem einzigen Stück Draht, der in einer oder mehreren Windungen gewunden ist, um die Spule zu bilden. In dieser Ausführungsform kann der Draht 28 jedoch so gewunden werden, dass jede Windung der Spule im Wesentlichen kreisförmig ist und auf jeder Seite einer zweiteilenden Linie, die durch den Mittelpunkt 29 verläuft (wenn man sie von oben betrachtet, z. B. in der Ausrichtung von 7), im Wesentlichen den gleichen Flächeninhalt aufweist. Dieser Ausgleich des Flächeninhalts wird dadurch erreicht, dass der Draht 28 so gewunden wird, dass er über oder unter sich selbst verläuft, um die andere Hälfte der Windung zu bilden. In manchen Fällen, aber nicht notwendigerweise, kreuzt der Draht sich selbst an einem gemeinsamen Rand der ersten und der zweiten Hälfte. Wie an den Punkten 43 und 44 gezeigt ist, verläuft der Draht 28 über und unter sich selbst, um eine Spule 42 mit im Wesentlichen kreisförmigen und ausgeglichenen Windungen zu bilden. Somit kann sich der Draht in bestimmten Ausführungsformen selbst zweimal oder öfter in jeder Schicht kreuzen. Ferner kann eine solche Kreuzung an einem gemeinsamen Rand oder einem Abschnitt stattfinden, an dem die erste und die zweite Hälfte aneinander angrenzen. In Ausführungsformen, bei denen mehrere Schichten aus mehreren Windungen gebildet werden, kann sich der elektrisch leitende Draht an dem gemeinsamen Rand in vielen Schichten selbst kreuzen. Zum Beispiel kann sich der Draht einmal (oder öfter) in einer ersten Schicht am gemeinsamen Rand und einmal (oder öfter) in einer zweiten Schicht am gemeinsamen Rand selbst kreuzen.
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In dieser Ausführungsform führt eine Linie 45, die durch den Mittelpunkt 30 der Spule 42 gezeichnet ist, dazu, dass die erste Hälfte 46 und die zweite Hälfte 47 der Spule 42 ungefähr die gleiche Länge an Draht 28 enthalten. Somit wird die Kapazität, die von jeder Hälfte der Spule 42 erzeugt wird, ausgeglichen, und die parasitären Kapazitäten, die aus der Unausgewogenheit zwischen der ersten und der zweiten Hälfte resultieren, werden im Wesentlichen eliminiert. Obwohl die in 7 gezeigte Ausführungsformen einen Draht 28 aufweist, der an jedem Wendepunkt der Windung über sich selbst verläuft (eine „Kreuzung”), kann bzw. können, um die Herstellung zu erleichtern und in anderen Ausführungsformen, eine oder mehrere herkömmliche Spiralwindungen zwischen die in dieser Ausführungsform beschriebenen, kreisförmigen Windungen eingefügt werden. So kann in manchen Ausführungsformen nur jede zweite, dritte, vierte usw. Windung eine Kreuzung aufweisen. Das heißt, herkömmliche, spiralförmig gewundene Windungen (wie zum Beispiel in 6 gezeigt) können sich mit der in 7 gezeigten Windung abwechseln oder zwischen diese eingefügt sein, um eine ausgeglichene oder nahezu ausgeglichene Kapazität bereitzustellen.
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Diese alternativen Ausführungsformen können die Streukapazität in einer Spule ebenfalls verringern und somit ein Gleichtaktrauschen verringern. Es wird auf 5 Bezug genommen, in der gezeigt ist, dass die Kapazität, die von den Kondensatoren 24a und 24b dargestellt wird, in diesen Ausführungsformen im Wesentlichen ausgeglichen ist, weswegen unerwünschtes Gleichtaktrauschen reduziert oder eliminiert ist. Diese Ausführungsformen können zu einer besseren Herstellbarkeit und einer Verkleinerung der resultierenden Spule führen. Obwohl die Spule 42 in 7 im Wesentlichen kreisförmig dargestellt ist, kann sie jede beliebige symmetrische Geometrie (beispielsweise ein Quadrat, ein Rechteck, eine Ellipse und so weiter) oder achsensymmetrische Form aufweisen, vorausgesetzt, der Flächeninhalt des elektrisch leitenden Drahtes 28 in aneinander angrenzenden Hälften einer Windung, wenn man diese von oben betrachtet, ist ungefähr oder im Wesentlichen gleich.
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Es wird auf 8 Bezug genommen, in der eine Seitenansicht einer Empfängerspule 19 und einer Senderspule 21 einer anderen Ausführungsform gezeigt ist, wobei wiederum der Abstand zwischen aneinander angrenzenden Drähten übertrieben dargestellt ist. In herkömmlichen Induktionsspulen können zwei Windungsschichten aneinander angrenzen, wie in 8 gezeigt ist, und es kann eine parasitäre Kapazität zwischen diesen Windungen erzeugt werden. In der in 8 gezeigten Ausführungsform weist die Spule 19 zwei Windungsschichten 48 und 49 auf. Die Senderspule 21 weist ebenfalls zwei Windungsschichten 50 und 51 auf. In Spulen mit mehreren Schichten, beispielsweise in der in 8 gezeigten Ausführungsform, kann ebenfalls eine parasitäre Kapazität zwischen Schichten einer einzigen Sende- oder Empfangsspule oder zwischen Schichten der beiden Spulen gebildet werden.
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Zum Beispiel können in manchen Fällen parasitäre Kapazitäten zwischen Spulenschichten 48 und 49 der Empfangsspule 19, zwischen Schichten 50 und 51 der Sendespule 21, zwischen der Schicht 48 der Empfangsspule und der Schicht 51 der Sendespule 21, zwischen der Schicht 48 der Empfangsspule und der Schicht 50 der Sendespule 21, zwischen der Schicht 49 der Empfangsspule 19 und der Schicht 50 der Sendespule 21 und zwischen der Schicht 49 der Empfangsspule 19 und der Schicht 51 der Sendespule 21 vorhanden sein. Wenn man sie vergleicht, so ist die Kapazität zwischen zwei näher beieinander liegenden Schichten höher als die Kapazität zwischen zwei weiter voneinander entfernten Schichten. Somit weist jede gegebene Schicht eine höhere parasitäre Kapazität mit einer näher liegenden Spule auf als mit einer weiter entfernt liegenden Spule, vorausgesetzt, alle Eigenschaften der Schichten sind gleich. So ist die Kapazität 24a zwischen der Spulenschicht 48 und der Schicht 50 in der Regel niedriger als eine Kapazität 24b zwischen der Spulenschicht 49 und der Schicht 50. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Kapazität zwischen den Schichten der induktiven Sende- und Empfangsspulen und zur Erzeugung eines Gleichtaktrauschens, das sich, wie oben erörtert, nachteilig auf bestimmte Funktionen der tragbaren elektronischen Vorrichtung auswirken kann.
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Wie oben erörtert, kann die Kapazität sowohl mit dem Flächeninhalt des Leiters als auch mit dem Abstand zwischen Leitern in Beziehung stehen. In der in 8 beschriebenen Ausführungsform wechselt das einzige Stück Draht 28, aus dem die Empfängerspule 19 gebildet ist, nach Art einer Serpentine zwischen aneinander angrenzenden Windungsschichten 48 und 49. Das Gleiche gilt für den Draht 28, aus dem die Windungsschichten 50 und 51 der Senderspule 21 gebildet sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind aneinander angrenzende Windungen mit den Symbolen + und/ausgewiesen, während die Reihenfolge, in der Windungen von einem Draht gebildet werden (z. B. dem Verlauf des Drahtes) durch die Abfolge von Pfeilen 52/53 gezeigt wird. Das heißt, die Pfeile 52/53 zeigen die Reihenfolge, in der Windungen von dem Draht 28 gebildet werden.
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Diese alternierende Windung kann die Kapazität zwischen Windungsschichten 48 und 49 und zwischen Schichten 50 und 51 im Wesentlichen oder vollständig ausgleichen, so dass eine Rauschspannung, die zwischen der Vorrichtungsmasse und der Erdmasse entwickelt wird, wesentlich verringert ist. Das Gleiche gilt für Ausführungsformen mit mehr oder weniger Schichten und mehr oder weniger Windungen.
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Obwohl gezeigt ist, dass das kontinuierliche Stück Draht 28 in der Richtung der Pfeile 52 zwischen den Schichten 48 und 49 wechselt, kann der Draht 28 in einer anderen Ausführungsform und wie von den Pfeilen 53 gezeigt, Windungen in einem Treppenstufenmuster bilden und zwischen Schichten und dann zwischen aneinander angrenzenden Windungen wechseln. Als nicht beschränkendes Beispiel kann der Draht, wie von den Pfeilen 53 dargestellt ist, vertikal von einer angrenzenden Spulenschicht 50 zur Spulenschicht 51, dann horizontal zwischen aneinander angrenzenden Windungen in der Schicht 51, dann horizontal zurück zur Schicht 50 wechseln. Dieses Muster kann auch dabei helfen, die Kapazität zwischen Schichten und/oder Spulen auszugleichen.
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Wie in Bezug auf 7 erörtert wurde, wechseln Windungen eines kontinuierlichen Drahts 28 in jeder Halbwindung, so dass die Länge des Drahtes in jeder Windung in jeder Hälfte einer Windung ungefähr oder im Wesentlichen gleich ist. In einer anderen Ausführungsform kann bei Spulen, die mehrere Windungsschichten enthalten, beispielsweise 48/49 und 50/51, die Ausführungsform der Windung von 7 mit den Ausführungsformen der Windungen von 8 kombiniert werden, wie in 8 gezeigt. Tatsächlich wird durch Konstruieren einer Spule gemäß einer Kombination der in 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen das Rauschen, das durch eine Streukapazität zwischen Systemmasse und Erdmasse erzeugt wird, verringert oder eliminiert, da die Kapazität innerhalb einer Spulenschicht und zwischen mehreren Spulenschichten ausgeglichen ist und demgemäß die kapazitiven Werte der Phantomkondensatoren 24a und 24b im Wesentlichen gleich sind.
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Es wird auf 9 Bezug genommen, wo ein Ablaufschema gezeigt ist, das ein Verfahren zur Herstellung einer Ausführungsform einer Spule 19 oder 21 gezeigt ist. Im Schritt 54 wird ein rotierender Wickeldorn verwendet. Ein elektrisch leitendes Stück Draht wird im Schritt 55 auf den Wickeldorn gewickelt. Dieses Wickeln kann das Wickeln eines kontinuierlichen Drahtes auf solche Weise einschließen, dass jede Halbwindung des Drahtes über sich selbst verläuft, um im Wesentlichen kreisförmige Windungen zu bilden, wie unter Bezugnahme auf 7 beschrieben wurde. Im Schritt 56 wird der Draht in Verbindung mit dem Wicklungsschritt verlagert, um den kontinuierlichen Draht für eine Spule mit mehreren Windungsschichten in alternierenden Windungen zu führen. In diesem Schritt 56 können die Ausführungsformen erhalten werden, die in Bezug auf 7 und 8 beschrieben wurden. Das heißt, der kontinuierliche Draht 28 kann über oder unter sich selbst innerhalb einer Windung verlagert werden, wie mit Bezug auf 7 beschrieben wurde, und/oder der kontinuierliche Draht 28 kann alternativ in aneinander angrenzenden Schichten 48/49 oder 50/51 verwoben werden, wie mit Bezug auf 8 beschrieben wurde. Alternativ dazu kann entweder der Schritt 55 oder der Schritt 56 eliminiert werden, um eine Spulenwindung gemäß der Ausführungsform von 7 oder von 8 zu erhalten. Das heißt, wenn der Schritt 55 weggelassen wird, dann kann eine Spule mit mehreren Windungsschichten produziert werden, aber der kontinuierliche Draht wechselt nicht in jeder Halbwindung über, wie mit Bezug auf 7 beschrieben wurde. Wenn der Schritt 56 weggelassen wird, kann eine Spule mit nur einer Windung produziert werden, wobei der kontinuierliche Draht in jeder Halbwindung überwechselt. In beliebigen der obigen Ausführungsformen wird im Schritt 57 der gewickelte Draht zu einer Induktionsspulenstruktur gebildet, die in eine tragbare elektronische Vorrichtung eingebaut werden kann.
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Die vorhergehende Beschreibung verwendete zu Zwecken der Erklärung eine spezifische Nomenklatur, um ein vollständiges Verständnis der beschriebenen Ausführungsformen bereitzustellen. Es wird jedoch für den Fachmann ersichtlich sein, dass die spezifischen Details nicht benötigt werden, um die beschriebenen Ausführungsformen auszuführen. Somit werden die vorstehenden Beschreibungen der spezifischen Ausführungsformen zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung vorgelegt. Sie haben nicht zum Ziel, umfassend zu sein oder die Ausführungsformen auf die präzisen, offenbarten Formen zu beschränken. Zum Beispiel wurden die Senderspule 21 und die Empfängerspule 19 zwar als allgemein kreisförmig beschrieben, aber es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die hierin offenbarten Ausführungsformen mit Spulen anderer geometrischer Formen verwendet werden können. Ferner sei klargestellt, dass die vorliegende Erörterung, die eine induktive Ladespule betrifft, beschreibt oder anderweitig auf eine solche Bezug nimmt, gleichermaßen auf eine induktive Empfangsspule anwendbar ist. Somit sollen Aussagen zu einer Ladespule ebenso auf eine Empfangsspule zutreffen. Es wird für den Fachmann ersichtlich sein, dass viele Modifikationen und Variationen in Hinblick auf die vorstehenden Lehren möglich sind.
