JP2012502610A - 誘導式充電器及び充電方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、同時に１又はそれ以上のバッテリ駆動機器を誘導的に充電する充電器を提供する。充電器は、バッテリ駆動機器に電力を誘導的に充電する外部ユニットを有し、外部ユニットは、円形パターンに配置された２又はそれ以上の一次コイル対と、一次コイル対のそれぞれの一次コイルの間に回転磁場を生成するよう交流（ＡＣ）を一次コイル対に供給するＡＣ電源と、ＡＣ電源を駆動するプロセッサとを有する。１又はそれ以上のバッテリ駆動機器は、外部ユニットの円形パターン内に配置されるよう構成され、各機器は、磁場の一部を囲んで、機器のバッテリを充電する電流を生成する二次コイルを有する。

Description

本発明は、誘導式充電器及び充電方法に関する。充電器は、充電器と機器との間の非接触の誘導結合により１又はそれ以上の機器を同時に充電するために利用可能である。

今日のポータブル機器の多くは、再充電可能なバッテリを内蔵する。機器の一例として、電動歯ブラシ、電気シェーバー、電気かみそり、及び／又は脱毛機などがある。他の例として、携帯電話機又はラップトップ・コンピュータなどがある。

これらの装置の幾つかでは、バッテリは、直接の電気接続ではなく、誘導結合を介して再充電される。例えば、フィリップスのＳｏｎｉｃａｒｅ電動歯ブラシ、パナソニックのＤｉｇｉｔａｌ Ｃｏｒｄｌｅｓｓ Ｐｈｏｎｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ＫＸ−ＰＨ１５ＡＬ、及びパナソニックの男性用シェーバーＥＳ７０／４０シリーズが挙げられる。

これらの装置はそれぞれ、通常は、メイン供給電力、車両のシガレットライタ又は他の電源から電力を得て、その電力をバッテリを充電するのに適した形式に変換するアダプタ又は充電器を有する。これらの機器を充電又は給電するための従来の手段に関連した問題が多数存在する。

各機器内のバッテリの特性と、それらに接続する手段とは、製造者ごと及び装置ごとにおおいに異なる。従って、このような機器を複数所有しているユーザは、複数の異なるアダプタを所有しなければならない。ユーザは、旅行に出かけている最中に、自身の装置を使用することを見越して、それらの充電器のコレクションを持っていかなければならない。

充電器は、直接の電気的接続又は誘導結合のいずれを用いようとも、しばしば、ユーザが小さなコネクタを機器に差し込み、又は正確な位置合わせを備えた装置をスタンドに置くことを必要とし、不便さを引き起こすことがある。

さらに、大部分のアダプタ及び充電器はメインソケットに差し込まれる必要があり、従って、幾つかが一緒に使用される場合、それらはプラグストリップの場所を取り、乱雑かつ混乱した配線もつれを引き起こす。

上記の問題に加えて、開放型の電気接点を有する充電器に付随する更なる実施上の問題が存在する。例えば、このような充電器は、接点を浸食し又は短絡させる可能性があるために、湿った環境では使用することができない。また、それらは、電気火花を引き起こす可能性があるために、可燃性ガス環境では使用することができない。

誘導方式の充電を用いる充電器は、開放型の電気接点を有する必要性がないので、アダプタ又は装置が密閉され、湿った環境で使用することができる。例えば、上述されたような電動歯ブラシ、シェーバー及び脱毛装置は、バスルームで使用されるよう設計される。しかし、このような充電器は、依然として、上述された他の全ての問題を有している。例えば、装置は、依然として、装置及び充電器が所定の相対位置にあるように、正確に充電器に置かれる必要がある。アダプタは、依然として特定の製造元及びモデルの装置専用にしか設計されておらず、依然として一度に１つの装置を充電することしかできない。結果として、ユーザは、依然として、異なるアダプタのコレクションを所有し管理する必要がある。

スプラッシュパワー・リミテッド（英国）の名における米国特許第７２４８０１７（Ｂ２）号明細書（特許文献１）は、上記の問題を認識して、機器が軸方向に充電器と位置合わせされることを必要とする誘導式電力伝達システムの制限を解消する多数の解決法を記載している。

比較的簡単な解決法は、誘導式電力伝達システムを用いて、プライマリユニットが電磁界を広い範囲にわたって放射することができるようにすることである。ユーザは、１又はそれ以上の装置を正確に配置する必要なく、プライマリユニットの範囲内で再充電されるよう、それらの装置を簡単に配置することができる。例えば、このプライマリユニットは、広い範囲を囲む一次コイルを有してよい。一次コイルを電流が流れる場合、広い範囲にわたって延在する電磁界が生成され、二次ピックアップコイルを有する装置はこの範囲内のどこに配置されてもよい。この方法は多数の欠点を有する。第一に、電磁放射の強さは規制限度によって左右される。結果として、この方法は、限られたレートでしか電力を伝達することができない。第二に、ピックアップコイルは、定義によれば、一次コイルよりもずっと小さい範囲を囲むので、ピックアップコイルは、一次コイルによって生成される磁場の然るべきごく一部しか囲まない。この所謂電磁結合は、例えば、一次コイルに対するピックアップコイルの距離、断面積及び方向に依存する。

一次コイルに対する二次コイルの電磁結合係数ｋ_２１は、二次コイルによって囲まれる磁束Φ_２及び一次コイルによって囲まれる磁束Φ_１の比として表される。すなわち、ｋ_２１＝Φ_２／Φ_１である。

結合係数が低ければ低いほど、電磁結合はますます弱くなり、同じエネルギ量を伝達するために一次コイルを流れる電流はますます高くなければならない。一次コイルを流れる電流の増大は、電気抵抗によるエネルギ損失を増大させる。エネルギ伝達を効率的にし、かつ、エネルギ損失を制限するよう、一次コイルとピックアップコイルとの間の電磁結合を最適化することが望ましい。

電磁結合を最適化するよう、一次コイルのアレイを用いて、必要とされるコイルしかアクティブにされないようにすることが提案されている。この方法は、２００１年１１月２９日に「Ｃｏｉｌ Ｓｈａｐｅ ｉｎ ａ Ｄｅｓｋ−ｔｙｐｅ Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ」と題して日本磁気学会の学会誌（Journal of the Magnetics Society of Japan）で公開された論文（非特許文献１）に記載されている。多重コイル概念の実施形態において、検知メカニズムは、プライマリユニットに対する二次装置の相対位置を検知する。次いで、制御システムは、適切なコイルをアクティブにして、限局的に二次装置へ電力を供給する。この方法は、先に挙げられた問題に対する解決法を提供するが、複雑かつ費用がかかる方法でそれを行う。一次場がローカライズされ得る程度は、一次コイルの数、ひいては、使用される駆動回路の数によって、制限される。多重コイルシステムに付随する費用は、この概念の商業利用をおおいに制限する。一様でない磁場分布も欠点である。全てのコイルがプライマリユニットにおいてアクティブにされる場合、それらは大きなコイルと同等のものになり、それらの磁場分布はコイルの中心で最大になると考えられる。

特許文献１は、磁気コイル材料の薄板と、この薄板に巻き付けられているピックアップコイルとを有する再充電可能なバッテリを開示している。ピックアップコイルは、外部ユニットから誘導的に電力を受け取るよう構成される。外部ユニットは、磁場生成面で又はその面上で電磁界を生成する。バッテリを充電するよう、コイルは磁場生成面に近接して置かれ、それにより、薄板の長手方向軸及びコイルの中心軸はそれぞれ面に平行に延在する。外部ユニットは、磁場生成面に沿って回転磁気双極子を生成する多数の導体を有し、それにより、コイルは、その回転方向にかかわらず電力を受け取ることができる。多重コイル設計とは異なり、この解決法が必要とするシステムはより単純であり、かつ、必要とされる部品も少ない。

そのような利点にかかわらず、特許文献１の解決法は、磁場生成面とピックアップコイルとの間の弱結合と、結果として生じる電力損失及び効率の低さとにより、好ましくない。外部ユニットの導体は、ピックアップコイルによって囲まれている範囲よりもずっと広い範囲を取り囲む。電磁結合を強めるよう、特許文献１は、引き起こされる磁束を低リラクタンス経路によって増大させるよう高透磁率磁性材料を二次装置に含めることを教示している。電磁結合の弱さに起因して、比較的高い電流が導体に与えられる。この電流によって生成される磁束を補償するために、磁性材料の層が、磁束のためのリターンパスを提供するよう充電領域の真下に存在する。

米国特許第７２４８０１７（Ｂ２）号明細書

「Ｃｏｉｌ Ｓｈａｐｅ ｉｎ ａ Ｄｅｓｋ−ｔｙｐｅ Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ」、Journal of the Magnetics Society of Japan、２００１年１１月２９日

上記を鑑み、電気結合効率を高めながら、異なるアダプタ及び充電器のコレクションが必要とされないよう単一のプライマリユニットが異なる二次装置に電力を供給することができる汎用の誘導式充電器が必要とされる。

従って、本発明は、１又はそれ以上のバッテリ駆動機器に誘導的に電力を供給する誘導式充電器であって、各機器は、磁場の一部を囲んで、当該機器のバッテリを充電する電流を生成する二次コイルを有する誘導式充電器において、
前記機器の１又はそれ以上の二次コイルを囲むよう適合された円形パターンで配置される２又はそれ以上の一次コイル対と、
前記一次コイル対のそれぞれの一次コイルの間で回転磁場を生成するよう前記一次コイル対に交流電圧を供給するＡＣ電源と
を有する誘導式充電器を提供する。

本発明の誘導式充電器は、下記の特徴を有する。それは汎用である。すなわち、単一の充電器が、異なる電力要求を有する異なる機器に電力を供給することができ、それによって、異なるアダプタ及び充電器のコレクションの必要性を除く。充電器は、機器を一次コイルの円形パターン内のどこにでも配置可能とし、それによって、充電器に対して正確に機器を位置付け又は差し込む必要性を除くので、使い勝手が良い。充電器は、異なる電力要求を有する異なる機器に電力を同時に供給することができる。直接的な電気接触が必要とされず、それにより、湿った、ガスのある、清潔な、及び他の特殊な環境における使用を可能にするので、充電器は異なる環境における使用のための柔軟性を提供する。

米国特許出願公開第２００７／００５７５８１（Ａ１）号明細書は、電力生成システムを開示している。複数の超電導磁石対が、円形パターンで固定コイルの周囲に配置される。制御プロセッサは、所定のシーケンスで電磁石対をオン及びオフするよう電力を印加する。回転磁場が生成され、電流フローが固定コイルで引き起こされる。電磁石は、軟鉄コアの周囲に巻き付けられているコイルを有する。コアを含む電磁石は、ＤＣ駆動電流により駆動される。興味深いが、米国特許出願公開第２００７／００５７５８１（Ａ１）号明細書のシステムは、詳細及び実用性の欠如により、当業者によって尊重されない。例えば、引き起こされた電流が家庭やビジネスのための電気を生成するために使用されてよく、又は、電動の乗り物の一部であって、燃料補給の必要性を除くことができる、と示唆されている。システムの効率を高めるために、絶対零度（０Ｋ）に近い温度まで冷却されなければならない超電導電磁石を使用することが示唆されている。システムから流れ出る電流は、システム内に戻って、超電導磁石を冷却するための冷却用部品や制御プロセッサへ向けられてよい。制御プロセッサ自体は、よく知られていると考えられ、十分には開示されていない。

当業者は、永久機関のような記載のために、米国特許出願公開第２００７／００５７５８１（Ａ１）号明細書を尊重しない。実際には、この特許文献のシステムは、例えば、超電導磁石を冷却するために必要とされる電力のために、背景技術において開示された非接触のエネルギ伝送のためのシステムのいずれよりも効率が悪い。その上、この特許文献のシステムは、例えば、電力供給ビルディング又は乗り物等の大規模な機器を対象としている。

実施形態において、各一次コイル対は、それぞれの一次コイル対を短絡する１又はそれ以上のスイッチを設けられる。任意に、当該充電器は、前記ＡＣ電源を駆動するプロセッサを有し、該プロセッサは、前記一次コイル対の少なくとも１つを対応するスイッチにより短絡し、残りの一次コイル対に前記交流電圧を供給するよう構成される。前記一次コイル対の一部の短絡は、より一様な磁場を供給する。効率及び電磁結合は高められて、エネルギ損失を制限する。電磁結合は、適切な回路を欠く充電器と比べて、例えば最高で３倍まで、強まることができる。

実施形態において、当該充電器は、前記一次コイルの外側を囲む高透磁率材料のカバーを有する。当該充電器の電磁放射は規制限度内にあるが、前記カバーは、電磁放射を所定レベルにまで下げて、充電器の外への電磁放射線を減らすことができる。

他の態様に従って、本発明は、１又はそれ以上のバッテリ駆動機器に誘導的に電力を供給する方法であって、各機器は、磁場の一部を囲んで、当該機器のバッテリを充電する電流を生成する二次コイルを有する方法において、
前記機器の１又はそれ以上の二次コイルを囲むよう適合された円形パターンで配置される２又はそれ以上の一次コイル対を備える充電器を設ける段階と、
前記一次コイル対のそれぞれの一次コイルの間で回転磁場を生成するよう、ＡＣ電源を用いて前記一次コイル対に交流電圧を供給する段階と
を有する方法を提供する。

当該方法は、上記で開示される充電器に関する全ての利点を提供する。

本発明の充電器の更なる特徴及び利点は、添付の図面と関連して、下記の詳細な記載から明らかであろう。

本発明のシステムの誘導式充電器の斜視図を示す。 図１の充電器の断面斜視図を示す Ａ〜Ｄは、回転磁場の連続的な手順を含む、本発明のシステムの上面図を示す。 本発明のシステムの図を示す。 Ａ〜Ｃは、本発明のバッテリ駆動機器の例となる断面側面図を示す。 バッテリ駆動機器に含まれる回路を示す。 本発明の実施例の磁力線の図を示す。 本発明の誘導式充電器の他の実施例の図を示す。 充電器の駆動信号のタイミング図を示す。 図８の充電器のより詳細な図を示す。 一次コイルを短絡する回路の図を示す。 本発明の充電器の実施例の、磁力線を含む上面図を示す。 本発明のシステムの実施例の斜視図を示す。 本発明のシステムの他の実施例の斜視図を示す。

本発明の非接触方式の誘導式充電器１０はコンテナ１２を有する。コンテナは、例えば、カップ形状の部材１４と、内側のカップ形状の部材１６とを有するカップである。多数の一次コイルは、カップ形状の部材１４及び１６の壁面の間に、円周に沿った円形パターンで配置されている。一次コイルは対で配置され、各一次コイル対は２つの対向するコイルを有する。すなわち、第１の対はコイルＬ１及びＬ５を有し、第２の対はコイルＬ２及びＬ６を有する、等。図１の実施形態は、８つのコイルＬ１〜Ｌ８、つまり、４つのコイル対を有する。カップ形状の部材１６は、その内部において、１又はそれ以上のバッテリ駆動機器が充電のために配置可能である空間１８を定める。

各一次コイルは、磁性材料のコアを有さないワイヤコイルである。さもなければ、コアは、磁性材料の残留磁気のために、ＡＣ駆動電流を無効にする。

電力を誘導的に伝えるために、二次コイル２０を有する機器が、一次コイル対の円内に配置される（図３Ａ）。その後、一次コイル対は、回転磁場を生成するために交流電流（ＡＣ）を供給される。磁力線２２が図３Ａ〜３Ｄに示されている。順次にコイル対Ｌ１／Ｌ５、Ｌ２／Ｌ８、Ｌ３／Ｌ７及びＬ４／Ｌ８を駆動することによって、磁場は二次コイル２０の周りを回転する。その後、コイルは、例えば、以下のように駆動される。

１．コイルＬ１〜Ｌ４は、対向するコイルＬ５〜Ｌ８に向かって磁場を生成する（図３Ａ）。

２．コイルＬ２〜Ｌ５は、対向するコイルＬ６〜Ｌ１に向かって磁場を生成する（図３Ｂ）。

３．コイルＬ３〜Ｌ６は、対向するコイルＬ７〜Ｌ２に向かって磁場を生成する（図３Ｃ）。

４．コイルＬ４〜Ｌ７は、対向するコイルＬ８〜Ｌ３に向かって磁場を生成する（図３Ｄ）、等。

図４はマイクロコントローラ３０を示し、マイクロコントローラ３０は、マイクロコントローラによって操作可能である電力変換回路３２、電流シャント３４、論理排他離接（ＸＯＲ）３６、及び４つのドライバ３８に接続されている。論理演算排他離接（排他的ｏｒとも呼ばれる。）（例えば、ＸＯＲ又はＥＯＲとの記号で表される。）は、オペランドのまさに１つが真の値を有する場合かつその場合に限り真の値を生じさせる、２つの入力オペランドに対する論理離接（logical disjunction）の一種である。

電力変換回路３２は、外部電源（例えば、本線電圧）からの電力を、充電器１０にとって適したフォーマットに変換する入力回路である。実際の実施形態において、例えば、電力変換回路３２は、交流本線（例えば、１１０〜１３０又は２２０〜２４０ボルト（Ｖ）ＡＣ）を、例えば電圧５〜１５Ｖの範囲にあるＤＣ電圧に変換する。ＤＣ電圧はマイクロコントローラ３０に給電し、ドライバ３８に供給される。

マイクロコントローラ３０は方形波電圧１００を生成する。電圧１００は論理ＸＯＲ３６に供給される。マイクロコントローラ３０は、ＸＯＲ３６の方形波電圧１０２の位相を制御するようＸＯＲ３６を駆動する。ＸＯＲ３６は、方形波電圧１０２をドライバ３８に供給する。各ドライバ３８は、方形波電圧１０２を方形波電圧１０４に変換する。ドライバ３８は、方形波電圧１０４を、キャパシタ及びコイル対の直列接続に供給する。

電流シャント３４は、一方の端部がマイクロコントローラ３０及び電力変換回路３２に接続されている。他方の端部では、電流シャント３４はドライバ３８に接続されている。電流シャント３４は、ドライバ３８の交流出力電流１０６に関する情報（例えば、振幅）をマイクロコントローラ３０に供給する。

本発明の充電器を用いて充電可能であるバッテリ駆動機器は、１又はそれ以上のバッテリ４０を有する。一般に、バッテリ４０は、円筒形であり、機器の長さに沿って延在する（図５Ａ、５Ｂ及び５Ｃ）。図５Ａは、１つのバッテリを有するフィリップスのＳｏｎｉｃａｒｅ電動歯ブラシ４２を示す。図５Ｂは、１つのバッテリを有するフィリップスの電気かみそりを示す。図５Ｃは、２つのバッテリを有するフィリップスの電気シェーバー４４を示す。

バッテリ及び例えばプリント回路基板等を有する機器のバッテリ収納部４６は、一般に、装置の基部又はハンドルに配置される。バッテリ収納部４６は、装置の最も重い部分であり、従って、ユーザが使用中に手に持つ装置の部分を形成する。バッテリ収納部４６が装置の最も重い部分である場合に、それはまた、充電のために充電器１０に置かれる部分であってもよい。

エネルギが二次コイルに伝わることを可能にするよう、二次コイルは、垂直に配置されている（図２）一次コイルＬ１〜Ｌ８と整列されなければならない。しかし、従来技術による機器は、一般に、別なふうに配置されている二次コイルを有する。

本発明に従って、装置の本体４８は変形され、二次コイル２０はバッテリの長さを囲む（図５Ａ及び５Ｂ）。二次コイル２０は、比較的小さい空間しか占めず、本体４８のサイズは、従来技術の装置に適合する。二次コイル２０の幅は、本体４８の内径によって制限される。二次コイル２０の長さは、本体４８の内壁の長さに沿って延在することができる。二次コイル２０が大きくなればなるほど、二次コイル２０が囲むことができる磁束はますます多くなり、かつ、電磁結合係数はますます高くなる。

フィリップスのＳｏｎｉｃａｒｅ電動歯ブラシのような、非接触の充電に既に適している機器は、垂直に配置されている二次コイル２０を設けられてよい。その上、機器は、二次コイル２０と直列に配置されているキャパシタ５０を設けられてよい（図６）。二次コイル２０とともに、キャパシタ５０は、１又はそれ以上の共振周波数を有する共振回路を形成する。一次コイルＬ１〜Ｌ８に供給される交流電圧は、それらの共振周波数のうちの１つに略対応する周波数を有する。このようにして、駆動回路における（寄生）インピーダンスは、エネルギ損失を減らし、かつ、効率を改善するために、補償され得る。

非接触の充電に未だ適していない機器は、コイル２０及びキャパシタ５０と直列に整流器５２を設けられる。電圧制限のためのツェナーダイオード５４が、整流器５２の出力部に接続される。任意に、バッファキャパシタ５６が、ダイオード５４と並列に配置される（図６）。

改善された実施形態（図示せず。）で、機器４２及び４４は、２又はそれ以上の二次コイルを設けられてよく、各二次コイルは、他の位置付けを有する。例えば、２つの二次コイルは、互いに対して垂直であってよい。磁場が回転する場合に（図３Ａ〜３Ｄ）、二次コイルの１つは常に磁束を囲んでおり、バッテリを完全に充電するのに必要とされる時間が短縮される。

改善された実施形態で、１又はそれ以上の一次コイル対は短絡され、他方、残りの一次コイル対は交流電流を供給される。一次コイルＬ１／Ｌ５は短絡され、残りの一次コイルは交流電流を供給される場合に、磁力線２２が図７に示されている。

一次コイル対の一部の短絡は、磁束の短絡を減らす。短絡されているコイルを通る正味の磁束はゼロに等しい。これは、二次コイルを通過する磁束Φ_１がより多くなるにつれ、電磁結合係数ｋ_２１を増大させる。

実際の実施形態で、１又はそれ以上の一次コイル対が短絡される。充電器が３又は４のコイル対を有する場合に、２又は３の一次コイル対は交流電流を供給される。試験は、後者が最も効率が良く、最も高い結合係数を提供し、かつ、最も一様な磁場を提供することを証明している。

図８は、それぞれの一次コイルＬ１〜Ｌ８を短絡するスイッチＳ１〜Ｓ８を有する、図４の充電器に対応する充電器を示す。各一次コイル対は、キャパシタ（Ｃ２、Ｃ４、Ｃ６、Ｃ８）、ドライバ３８及びＸＯＲ３６と直列に接続されている。マイクロプロセッサ３０は、信号１００を各ＸＯＲ３６の第１入力部に供給する。信号１００は、例えば、方形波状の高周波電圧信号である。出力ＲＢ０、ＲＢ１、ＲＢ２及びＲＢ３は、第１のタイミング信号をドライバ３８に供給する。第１のタイミング信号は、ドライバ３８を（例えば、それぞれの第１のタイミング信号がハイである場合に）オンし、（例えば、第１のタイミング信号がローである場合に）オフする。

第１のタイミング信号は、また、インバータ６０にも供給される。各インバータ６０は、入力される第１のタイミング信号を反転させて、反転された第１のタイミング信号６１を出力する。反転された信号は、入力された第１のタイミング信号がロー値を有する時点でハイ値を有し、入力された第１のタイミング信号がハイ値を有する時点でロー値を有する。各インバータ６０は、反転された第１のタイミング信号６１をスイッチＳ１〜Ｓ８に供給する。反転された第１のタイミング信号６１は、スイッチＳ１〜Ｓ８を（信号６１がローである場合に）開き、（信号６１がハイである場合に）閉じる。結果として、スイッチＳ１〜Ｓ８は、対応するドライバ３８がオンである場合に開く（つまり、導通しない）。スイッチＳ１〜Ｓ８は、対応するドライバ３８がオフである場合に閉じられる（つまり、導通して、コイルＬ１〜Ｌ８を短絡する）。

出力ＲＢ４、ＲＢ５、ＲＢ６及びＲＢ７は、第２のタイミング信号をそれぞれのＸＯＲ３６の第２入力部に供給する。第２のタイミング信号がローである場合、ＸＯＲ３６の出力信号１０２は入力信号１００に対応する。第２のタイミング信号がハイである場合、ＸＯＲ３６は入力信号１００を反転させる。後者の場合に、出力信号１０２は、入力信号１００がローである場合にハイであり、入力信号１００がハイである場合にローである。

出力１０２、例えば、方形波状の高周波電圧は、ドライバ３８に供給される。ドライバ３８は、電圧１０２と同じ周波数を有する電圧１０４に電圧１０２を変換する。

任意に、キャパシタＣ２、Ｃ４、Ｃ６及びＣ８は、ドライバ３８とコイルＬ１〜Ｌ８との間に接続される。ドライバ３８は、電圧１０４を、キャパシタＣ２、Ｃ４、Ｃ６及びＣ８並びに対応するコイル対の直列接続に供給する。キャパシタＣ２、Ｃ４、Ｃ６及びＣ８により、フィルタリングされた駆動電流１０６がコイルＬ１〜Ｌ８に供給される。望ましくは、電圧１０４及び駆動電流１０６の周波数は、キャパシタＣ２、Ｃ４、Ｃ６及びＣ８並びに対応するコイルＬ１〜Ｌ８の直列接続の共振周波数に対応する。

図９は、ＲＢ０、ＲＢ１、ＲＢ２、ＲＢ３（第１のタイミング信号）及びＲＢ４、ＲＢ５、ＲＢ６、ＲＢ７（第２のタイミング信号）の出力の一例を示す。図９の例において、一次コイル対のドライバ３８は、各４タイミング単位のうち３タイミング単位の間、（第１のタイミング信号によって）アクティブにされる。ドライバ３８は、（図のｘ軸で示される）４タイミング単位ごとに非アクティブにされる。

より一般的に言えば、上記の実施例（図８及び９）は、第１及び第２のタイミング信号（ＲＢ０〜ＲＢ７）を用いて、高周波電圧１０４を隣接する一次コイル対に続けて供給する。電圧１０４は、第１、第２、第３及び第４のコイル対のそれぞれに供給される。その後、第１のタイミング信号（ＲＢ０〜ＲＢ３）は、ＸＯＲ３６の電圧１０２の位相を変更する。電圧１０４及び駆動電流１０６は、信号１０２の位相に対応する位相を有する。電圧１０４は、再び、第１、第２、第３及び第４のコイル対のそれぞれに供給されて、連続して回転する磁場を一次コイル間に発生させる。

それぞれの信号ＲＢ０〜ＲＢ７（図９）の周波数は、磁場２２の回転周波数を決定する。具体的な実施形態において、信号ＲＢ０〜ＲＢ７の周波数は、信号１００（図８）の周波数よりも少なくとも１０００倍遅い速度で磁場が回転するように、選択される。これらの周波数は、充電器１０が、比較的高い電力伝送係数を有し、同時に、バスルーム等の家庭での使用に都合がよい、すなわち、十分に小さいサイズを有することを可能にする。

信号１００は、例えば、約１０ｋＨｚから１ＭＨｚの範囲にある周波数（例えば、約１００ｋＨｚ）を有する方形波電圧である。任意に、信号ＲＢ０〜ＲＢ３の周波数は、例えば、数ヘルツから数キロヘルツの範囲といったように、高周波信号１００の周波数よりも約１０００から１００００倍遅い。第２のタイミング信号ＲＢ４〜ＲＢ７は、ＲＢ０〜ＲＢ３に対応する周波数を有する。

図１０は、図８の充電器のより詳細な実施例を示し、同じ要素には同じ参照符号が付されている。各ドライバ３８は、スイッチＴ１〜Ｔ８を有するハーフブリッジ整流器を有する。スイッチは、例えば、ＭＯＳＦＥＴまたはトランジスタを有する。スイッチは、電力コンバータ３２等のＤＣ電圧源に接続されている。電力コンバータ３２は、本線等の外部電源１１０に接続されている。電流シャント３４は、電力コンバータ３２とスイッチとの間に接続されてよい。例えば、電流シャント３４は、比較的低い抵抗を有する抵抗器である（図１０）。電圧計１０８は、例えばコントローラ３０に含まれ、抵抗器３４に両端電圧を測定する。コントローラ３０は、測定された電圧及び抵抗器３４の抵抗を用いて、出力駆動電流１０６を計算する。

ドライバ３８は、入力信号１０２と同じ周波数及び位相を有する駆動電圧１０４を、キャパシタＣ２、・・・Ｃ８及び一次コイルＬ１〜Ｌ８の直列接続に供給する。キャパシタは、フィルタリングされた駆動電流１０６を一次コイルＬ１〜Ｌ８に供給する。

図１１は、スイッチＳ１〜Ｓ８の実際上の実施例を示す。各スイッチは、逆直列に接続された、すなわち、逆方向に接続されているダイオードを有する、２つのｎ形ＭＯＳＦＥＴ Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３及びＭ４を有する。反転された第１のタイミング信号は、変圧器の一次コイル６２に供給され、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３及びＭ４は、変圧器の二次コイル６４に接続されている。このようにして、反転された第１のタイミング信号は、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３及びＭ４を同時に開き、または閉じる。

実施例において、マイクロプロセッサ３０は、電流シャント３４（図４、１０）の入力を用いて、ピーク負荷を有する磁力線２２の方向を決定する。ドライバ３８は理想的な電流源でないので、駆動電流は、二次コイル２０への電力伝送が増大する場合に増大する。シャント３４を介してドライバ３８のハーフブリッジ回路Ｔ１〜Ｔ８の入力電流を測定することは、フィルタリングされた駆動電流１０６の振幅の簡易かつ適切な表示を提供する。ピーク負荷は、一次コイルから１又はそれ以上の二次コイル２０へのエネルギ伝送が最大値を有することを暗示する。最大エネルギ伝達の位置は、フィルタリングされた駆動電流１０６、つまりシャント３４を通る電流の振幅が最も高い位置に対応する。

エネルギ伝達が最大である磁力線の位置を決定した後、磁場の回転が実質的にその位置で止められる。エネルギ伝達の効率は、最低のエネルギ伝達を有する磁場の位置をスキップすることで、このようにして高められる。

２又はそれ以上の二次コイルがカップ形状の充電器１０の中に配置されている場合、磁場は、エネルギ伝達が最大値（極大値）を有する２又はそれ以上の位置を有することができる。マイクロプロセッサ３０は、その２又はそれ以上の位置を決定し、それらの位置の間で磁場を切り換えることができる。最低のエネルギ伝達を有する位置をスキップすることで、システムの効率は高まる。

使用において、一次コイルによって生成される磁場は、例えば図７に示されるように、カップ１０の外側に延在する。しかし、カップの外の如何なるもの（例えば、電気回路、キャッシュカード、バッテリ）も電磁界から保護されるようカップ１０の外側で磁束密度を制限することが望ましい。

図１２は、カップ１０及び一次コイルＬ１〜Ｌ８を示す。外側カップ部材１４の外表面は、高透磁率材料７０により覆われている。外表面には、外側のカップ形状部材１４の壁面及び／または底部が含まれる。例えば、高透磁率は、約１００から最大でも約２０００までの透磁率μである。高透磁率材料には、例えば、スチール、フェライト（例えば、ＺｎＦｅ_２Ｏ_４、若しくは鉄を付加した酸化バリウム／ストロンチウム）、パーマロイ（permalloy）（鉄ニッケル系磁性合金）、及び／またはミューメタル（mu-metal）（ニッケル約７５％、鉄１５％並びに銅及びモリブデンを含む鉄ニッケル系合金）がある。

高透磁率材料のカバー７０は、カップ１０の外側での磁束密度を低減する。また、カバー７０は、本発明の充電システムが、カップ１０の外への電磁放射を規制限度内に保ったまま、一次コイルを流れる充電電流を増大させて充電時間を削減することを可能にする。カップの外側の或る距離における電磁放射は、適切な高透磁率材料、カバーの厚さ、及び／または一次コイル電流を選択することで、所定レベルに低減され得る。

また、充電カップ１０の一次コイルにとって適切でないまたは対応しないバッテリ駆動機器を充電することが望ましい。このような機器には、開放型の電気接点を有する従来の再充電可能な装置を含め、現在一般的なバスルーム機器の多くが含まれる。例えば、フィリップスの電気シェーバーがある。本発明の充電カップ１０は、下記の例を考えて、このような装置を充電するために使用されてよい。

例えば、カップ１０は、１又はそれ以上のコネクタ用のソケットを設けられてよい。コネクタは、自身に取り付けられる装置を識別するよう、或る形状または設定を有することができる。このようにして、装置は、本発明の充電器を用いて配線を介して従来通りに充電可能である。

他の実施例（図１３）において、装置（例えば、シェーバー４４）は、配線８２を介してアダプタ８０に接続されている。アダプタ８０は、二次コイル（図示せず。）と、図６に示される回路に対応する回路とを有する。アダプタ８０の二次コイルは、一次コイルＬ１〜Ｌ８とほぼ同じサイズを有する。装置を充電するために、アダプタ８０は、カップ１０の外側に配置され、二次コイルは、一次コイルの１つに略平行である。

現在一般的な機器を充電するよう本発明の充電器に下位互換性をもたせること（図１３）は、また、本発明のシステムのパブリックアクセプタンスを加速する。

更なる他の実施例において、カップ１０の内部空間１８は、１又はそれ以上の凹み９０を設けられる（図１４）。凹み９０は、電動歯ブラシ等の機器を機械的に所定の好ましい位置に位置付ける。例えば、好ましい位置は、一次コイルの１つに対する二次コイルの相対位置を最適化する。さらに、凹みは、例えば、汚れた歯ブラシがシェーバーに触れることを防ぐよう、異なる機器を互いから分離する。

実際には、充電器は、例えば、５から１５ｃｍ程度の内径と、５から１０ｃｍ程度の高さとを有する。一次コイルは、例えば、３から７ｃｍの直径を有する。例えば、一次コイルは、約６ｃｍの高さと、約４ｃｍの幅とを有してよい。二次コイルは、結合係数を最適化するために、対応する機器が許容する大きさである。

上記の充電器は、２又はそれ以上の一次コイル対を有することができる。効率、磁場の一様性、及び駆動回路に関連する費用を考慮して、好ましい実施形態は３または４の一次コイル対を有する。

磁気結合係数は、約０．０７（一度に１つの一次コイルをアクティブにする場合）から０．１２（例えば、一度に４つのコイル対のうちの３つをアクティブにする場合）程度であってよい。結合係数は、上記の実施形態の幾つかを用いて、例えば、非アクティブの一次コイル対を短絡することで、さらに改善され得る。１又は２のコイル対を短絡し、かつ、残りの全てのコイル対を駆動する場合に、電磁結合係数ｋ_２１は約０．３まで高められる。試験は、（１または２の）一次コイル対の短絡時に二次コイルで生じる電流が最大で３倍まで増大しうることを証明している。その上、充電器内の磁場の改善された一様性により、一次コイル対の短絡は、充電器内の二次コイルの位置付けの重要性を低下させる。

一次コイルは、例えば、約５０から１５０ｋＨｚの範囲にある周波数を有する交流電圧１０４を供給される。電圧の周波数の増大は、より小さいコイルの使用を可能にする。これは、充電器がバスルームでの使用を目的とする場合に有利である。一次コイルの交流駆動電流１０６は、例えば、０．５から１Ａの範囲にある。これは、バスルーム機器を充電するための磁場を生成するには十分である。充電器１０の外側の電磁界は、最大で１Ａまでの一次コイル電流において、（比較的厳しい）欧州の規制限度内におさまる。

例えば、マイクロコントローラは、マイクロチップ（Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ）製のＰＩＣ１６Ｆ８７６である。このマイクロコントローラは、５０から１５０ｋＨｚの範囲で一次コイル電流の動作周波数を生成することができる。電流増幅器は、例えば、インターナショナル・レクティファイア（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ）製のレベルシフタ付きハーフブリッジ回路である。

実施例において、充電器１０は第１モード及び第２モードを有する。第１モードで、充電器は、その一次コイルから充電器内の１又はそれ以上の二次コイルへエネルギを伝達する。第２モードはスタンバイモードであり、一次コイル電流は著しく低下する（例えば、１０から１００倍）。充電器は、エネルギ伝達が所定レベルを下回って低下する場合に、自動的にスタンバイモードに切り替わる。マイクロコントローラは、所定レベルを下回る低下を、二次コイルの欠如と解釈する。その後に二次コイルを有する機器が充電器内に配置される場合、一次コイル電流は突然に変化する。これに応答して、マイクロコントローラは、一次コイル電流を、充電モードに伴うレベルまで増大させる。

改善された実施例において、マイクロコントローラはスタンバイモード、すなわち、第２モードを有する。周期的に、マイクロコントローラ３０はスタンバイモードから目覚め、充電器１０に１又はそれ以上の充電可能な機器が設置されているかどうかを検出する。充電可能な機器が充電器１０に設置されている場合、プロセッサ３０は、そのバッテリを充電し始める。充電可能な機器が充電器１０に設置されていない場合、プロセッサ３０は、所定期間の間、スタンバイモードに戻る。例えば、所定期間は、数秒から数分、例えば、２秒から５分の範囲にある。スタンバイモードと第１のアクティブモードとの間でプロセッサを切り換えることにより、エネルギが節約される。また、充電器内の充電可能な機器が常に検出される。

本発明のシステムは、一般的なタイプＡＡまたはタイプＡＡＡの再充電可能なバッテリを通例のレートで充電するのに適する。充電時間は、数時間、すなわち、１又はそれ以上のバッテリを完全に充電するには５から１５時間程度である。このような充電時間は、一次コイル及び二次コイルの正確な配列を必要とする充電器の充電時間と同程度である。後者には、例えば、ブラウンのＯｒａｌ Ｂ Ｐｌａｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ等の一般的な電動歯ブラシがある。

本発明は上記の実施例に限定されず、多く変形例が添付の特許請求の範囲の適用範囲内で想到可能である。

従って、本発明は、請求項１に従う誘導式充電器を提供する。

Claims (12)

1. １又はそれ以上のバッテリ駆動機器に誘導的に電力を供給する誘導式充電器であって、各機器は、磁場の一部を囲んで、当該機器のバッテリを充電する電流を生成する二次コイルを有する誘導式充電器において、
   前記機器の１又はそれ以上の二次コイルを囲むよう適合された円形パターンで配置される２又はそれ以上の一次コイル対と、
   前記一次コイル対のそれぞれの一次コイルの間で回転磁場を生成するよう前記一次コイル対に交流電圧を供給するＡＣ電源と
   を有する誘導式充電器。
2. 各一次コイル対は、それぞれの一次コイル対を短絡する１又はそれ以上のスイッチを設けられる、請求項１に記載の誘導式充電器。
3. 前記ＡＣ電源を駆動するプロセッサを有し、
   前記プロセッサは、前記一次コイル対の少なくとも１つを対応するスイッチにより短絡し、残りの一次コイル対に前記交流電圧を供給するよう構成される、請求項２に記載の誘導式充電器。
4. ４個の一次コイル対を有する、請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の誘導式充電器。
5. 前記交流電圧は、約１０ｋＨｚ又はそれ以上の周波数を有する、請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の誘導式充電器。
6. 前記交流電圧の周波数よりも１０００倍以上小さい周波数で前記磁場を回転させるよう構成される、請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載の誘導式充電器。
7. キャパシタ及び対応する一次コイル対の直列接続の共振周波数に略対応する周波数で前記交流電圧を供給するよう構成される、請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載の誘導式充電器。
8. 前記１又はそれ以上の機器の共振周波数に略対応する周波数で前記交流電圧を供給するよう構成される、請求項１乃至７のうちいずれか一項に記載の誘導式充電器。
9. 前記一次コイルの外側を囲む高透磁率材料のカバーを有する、請求項１乃至８のうちいずれか一項に記載の誘導式充電器。
10. １又はそれ以上のバッテリ駆動機器に誘導的に電力を供給する方法であって、各機器は、磁場の一部を囲んで、当該機器のバッテリを充電する電流を生成する二次コイルを有する方法において、
    前記機器の１又はそれ以上の二次コイルを囲むよう適合された円形パターンで配置される２又はそれ以上の一次コイル対を備える充電器を設ける段階と、
    前記一次コイル対のそれぞれの一次コイルの間で回転磁場を生成するよう、ＡＣ電源を用いて前記一次コイル対に交流電圧を供給する段階と
    を有する方法。
11. 前記一次コイル対の少なくとも１つを短絡する段階と、
    残りの一次コイル対に前記交流電圧を供給する段階と
    を有する、請求項１０に記載の方法。
12. 各一次コイル対は、それぞれの一次コイル対を短絡する１又はそれ以上のスイッチを設けられる、請求項１１に記載の方法。

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