JP2015506656A - 歯ブラシなどのドロップイン式ターゲット装置用の充電コイルシステム - Google Patents

Abstract

電力源に接続される一次コイル（２３）を有する充電容器（２５）内に置かれることが可能な、二次コイル（２７）を有する少なくとも１つのターゲット装置（２９）を充電するシステム及び方法を提供する。ターゲット装置が容器内に置かれるとき、ターゲット装置の二次コイルは、一次コイルと正確にはアライメントされない。複数の操舵コイル（２２−２２）が一次コイルの周りに配置される。制御回路（２４）が、一次コイルと二次コイルとの間での最大電力伝送が決定されるまで、選択されたシーケンスにて、操舵コイルの磁場の位相パターンを一次コイルの磁場の位相に対して変化させる。最大電力伝送の操舵コイル位相パターンを用いて、ターゲット装置の充電が続けられる。

Description

本発明は、概して、例えば電動歯ブラシなどのターゲット装置用の充電システムに関し、より具体的には、充電のためにターゲット装置が中に位置付けられるカップ容器充電器とターゲット装置との組み合わせ用の充電システムに関する。

他の装置も同様であるが例えば電動歯ブラシなど、多くのターゲット装置は、一次コイルを有する充電ベースアセンブリと二次コイルを有するターゲット装置とで動作する誘導式充電システムを含んでいる。このようなシステムは典型的に、効率的な充電を達成し且つ充電用接合部分を障害から保護するために、充電ベース内の一次コイルとターゲット装置内の二次コイルとの近接アライメント、すなわち、整合させて並べることを必要とする。“ドロップイン”型の充電器システムは、例えば飲むために使用され得るグラスなどの容器内にユーザがターゲット装置を単に投入することを可能にするものであるが、近接アライメントの欠如のために非効率的である。典型的に、そのようなシステムでは、ターゲット装置が一次コイルと近接して並べられないことがあり、充電時間が少なくとも５０％も延びてしまう。アライメントの難しさが生じるのは、ターゲット装置が比較的密接に適合する従来の充電器ベースに代えてカップ容器の充電器内に位置付けられるときに、典型的に、二次コイルが一次コイルに対して角度を持つためである。このことは、図１にて見て取ることができる。

従って、充電器ベースとしてカップ容器を使用する充電システムで最大効率を提供するように構成・制御される充電システムとすることが望ましい。

従って、容器型充電器を用いて１つ以上のターゲット装置を充電するシステムは、１つ以上のターゲット装置を受け入れる容器であり、電力源に接続可能な一次コイルを内部に有する容器と、前記容器内に置かれることが可能な少なくとも１つのターゲット装置であり、動作時に該ターゲット装置内の電池を充電するために前記一次コイルと二次コイルとの間でエネルギーが伝送されるよう、二次コイルを有するターゲット装置と、前記一次コイルの周りに配置された複数の操舵コイルと、前記容器内の前記一次コイルと前記ターゲット装置の前記二次コイルとの間の電力伝送を最適化するよう前記一次コイルの磁力線をフォーカシングするように、前記操舵コイルの磁場の位相を前記一次コイルの磁場に対して制御する制御システムとを有する。

また、容器内に置かれた少なくとも１つのターゲット装置の充電を制御する方法が提供される。ターゲット装置は二次コイルを有し、充電容器は一次コイルを有し、前記一次コイルの周りに複数の操舵コイルが配置されている。当該方法は、前記一次コイルの磁場の位相に対する前記操舵コイルの磁場の当初位相状態パターンを構築するステップと、前記ターゲット装置をアクティブにするステップと、前記操舵コイルが前記当初位相状態パターンにあるときに、前記一次コイルと前記ターゲット装置内の前記二次コイルとの間での電力伝送を決定するステップと、前記一次コイルと前記二次コイルとの間に最大電力伝送を生じさせるコイル位相パターンが決定されるまで、前記操舵コイルの磁場の位相状態パターンを繰り返し変更するステップと、前記操舵コイルの前記最大電力伝送の位相パターンを用いて、前記二次コイルを充電するステップとを有する。

従来技術に係るカップ容器を有する一次コイル充電システムを示す立面図である。 従来技術に係るカップ容器を有する一次コイル充電システムを示す上面図である。 ここに開示される充電システムを示す上面図である。 ここに開示される充電システムを示す立面図である。 複数のターゲット装置を用いる図３の充電システムを示す立面図である。 単一のターゲット装置用の充電システムの動作を制御する制御システムにおけるステップ群を示すフローチャートである。 複数のターゲット装置用の制御システムにおけるステップ群を示すフローチャートである。

図１及び２は、ベースのカップ容器１２内に一次コイル１４が配置された従来技術に係るシステム１０を示している。一次コイルは、電源コード１３及び必要に応じての周波数変換システム（図示せず）によって、従来電源に接続される。ターゲット装置１６が、充電のために容器１２内に置かれている。例えば電動歯ブラシとし得るターゲット装置は、その底部に二次コイル１８を含んでいる。図１は、一次コイルの磁場を立面図で示しており、図２は、一次コイルの磁場だけを上面図で示している。図１及び２の構成において、水又は例えば口内洗浄液などのその他の液体用のユーザの飲用コップとしても機能するような形状にされたカップ容器１２内に、ターゲット装置１６が置かれている。このような充電カップ容器を用いると、別個のグラスは不要である。充電器の機能と飲用グラスの機能とが１つのユニットで達成される。

典型的な充電動作において、容器内の一次コイル１４と二次コイル１８との間でのエネルギー伝送が存在することで、ターゲット装置内の充電式電池が充電される。図１の構成に伴う難しさは、一次コイルと二次コイルとの間に、効率的な充電を生じさせる典型的な近接アライメントが存在しないことである。従来の充電器では、ターゲット装置は、比較的狭くされた充電容器内に縦に置かれ、それにより、一次コイルと二次コイルとが基本的近くに並べられる。しかしながら、図１のカップ容器では、二次コイルは一次コイルに対して或る角度で配置され、この配置は、正常な充電時間と比較して５０％以上も、充電時間をかなり延ばしてしまう。

図３及び４は、本開示に係る充電構成を示しており、これは、一次コイル２３を取り囲む複数の操舵（ステアリング）コイル２２を含んでいる。一実施形態において、全部で８個の操舵コイルが存在するが、コイル数は８個より多くてもよいし、８個より少なくてもよい。典型的な範囲では、２個から３２個の操舵コイルである。図示した実施形態においては操舵コイルは等間隔であるが、このような配置は必ずしも必要ではない。これらの操舵コイルは、一次コイルと同相（インフェーズ）又は異相（アウトオブフェーズ）の何れかの操舵コイル磁場を生成するように、制御ユニット２４によって個別に制御される。これらの操舵コイルのうちの１つ以上がオフ状態に置かれてもよい。

図３は、一次コイル磁場と同相の磁場を持つ７個の操舵コイル２２と、一次コイル磁場と１８０°異相の磁場を持つ１つの操舵コイル２２Ａとを示している。典型的に、過半数の操舵コイルは一次コイルと同相でエネルギー供給され、典型的には１つである少数の操舵コイルが一次コイルから１８０°異相でエネルギー供給される。複数の操舵コイル場は、一次コイルからの磁力線の成形及びフォーカシングを行って、異相の操舵コイルの方向に磁力線がより集中されるようにする。二次コイルの充電を生じさせるものである、得られる“操舵された”一次コイルの磁場が、ターゲット装置内の二次コイルの位置と、非常に近くに揃えられるとき、二次コイルに伝送される電力が最大程度まで増加されることになり、故に、典型的には従来の充電構成の効率まで、充電システムの効率が高められる。

図３及び４に示した操舵コイルの配置においては、これらのコイルは直径８ｍｍで巻数７０であるが、理解されるように、これらのコイルはその他の配置及び構成を採ることができる。上述のように、操舵コイルの磁場は、ターゲット装置２９内の二次コイル２７への最大のエネルギー伝送、ひいては、最大の充電システム効率をもたらすように、容器２５の一次コイル２３の磁場パターンを変化させる。最大のエネルギー伝送を生じさせる操舵コイルの同相、異相パターンを決定することは、制御システムの機能である。

動作において、制御ユニット２４は、概してターゲット装置が充電ユニットからの磁場を検知し、受けた磁場を測定し、電力を決定し、受けた電力の値を充電ユニットに送り戻す制御ループソフトウェア回路を含んでいる。制御ユニットは、最大の電力伝送を生じさせるように、操舵コイルの磁場の位相を繰り返し調整する。充電ユニットとターゲット装置との間の通信は、無線、光又はその他の通信手段を含む様々な構成を介して行われることができる。最大の電力伝送を得ることは、制御ユニットが、様々な操舵コイルを一次コイルに対して同相又は異相の間で切り換えるシーケンスを継続して、最大の電力伝送を生じさせる特定の磁場パターンを決定することによって行われる。典型的に、このシーケンスは、１つの選択されたコイルを一次コイルと異相にし、残りのコイルを一次コイルと同相にすることで開始する。同相のコイルが磁場を押し出す傾向にある一方で、異相のコイルが磁場を自身の方向に引き寄せる傾向があり、故に、一次コイルの磁場がフォーカシングされる。最大の電力伝送が決定されると、制御ユニットはその動作を停止し、決定されたパターンを用いてターゲット装置の充電が続けられる。

図６は、単一のターゲット装置の充電用の制御シーケンスを示している。先ず、図６中のブロック３０に示されるように、ターゲット装置が充電ユニット／容器内に置かれる。次いで、充電器が当初又はデフォルトの設定で磁場をアクティブにし、様々な操舵コイルに、例えば１つの操舵コイルと異相にし、その他の操舵コイルを同相にするといった、同相／異相のデフォルトパターンでエネルギー供給する。これは、ブロック３２に示されている。ブロック３４に示されるように、ターゲット装置がアクティブになり、ブロック３６に示されるように、電圧及び電流を測定して電力を計算することによって、受け取った電力を決定する。次いで、ブロック３８にて、ターゲット装置が、決定した電力値を充電ユニット（充電器）へと送り戻す。次いで、ブロック４２に示されるように、充電器が、操舵コイルの磁場設定を調整し、すなわち、操舵コイルの同相、異相パターンを変更する。

次いで、ブロック４４にて、ターゲット装置が、受け取った電力を再び決定し、ブロック４６に示されるように、その値を充電器へと再び送り戻す。決定ブロック４８に示されるように、伝送される電力の最大値を正しく得るために十分な数の磁場設定が測定されたか否かについて、決定が行われる。否（Ｎｏ）の場合、充電器が再び磁場設定を調整し、ブロック４８からの出力がＹｅｓになるまで、このループが続けられる。次いで、最終ブロック５０に示されるように、充電ユニットが、最大の電力が伝送される操舵コイル磁場構成へと磁場を調整する。そして、その磁場パターンを用いて、ターゲット装置の充電が充電完了まで続けられる。

上述のように、様々な操舵コイルの磁場の位相状態は、典型的に、一次コイルの磁場と同相又は異相の何れかになり、あるいは一部のケースでは、１つ以上のコイルがオフになる。しかしながら、特定の構成においては、同相と１８０°異相との間の位相状態も同様に使用されることができる。

この構成の利点は、図４に示すようなカップ容器充電器を用いるときにそうであるように充電ユニット内の一次コイルと完全には整列されない二次コイルを有するターゲット装置を含んだ充電システムで、高効率の充電を達成できることである。

次に図５を参照するに、本発明は、２つ以上のターゲット装置とともに使用されることができる。図５は、一次コイル６５を有する充電器／容器６４内に置かれた、二次コイル６１及び６３を有する２つのターゲット装置６０及び６２を示している。
操舵コイルが６７にて示されている。操舵コイルは、単一ターゲット装置の実施形態においてのように、一次コイルを取り囲んでいる。図７に示す制御シーケンスは、１つのターゲット装置の場合より幾分複雑になっている。図７は、図６と同様であり、同じ容器構成を有するが、第２のターゲット装置を有する。第１のターゲット装置６０が充電器内に置かれ、充電器及びターゲット装置がアクティブになり、第１のターゲット装置が、受け取った電力を決定する。次いで、ブロック６６にて、第１のターゲット装置が、デフォルト設定の操舵コイル磁場の活性化に従って、自身のＩＤと自身が受け取った電力値とを充電器に送り戻す。ブロック６８にて、第２のターゲット装置６２が、第１のターゲット装置とともに充電器内に置かれる。第２のターゲット装置は、ブロック７０にて、一次コイル６５からの受電力値に応答してアクティブになる。第２のターゲット装置がブロック７２にて受け取った電力を測定し、それとともに第１のターゲット装置がブロック７４にて受け取った電力を測定する。第２のターゲット装置が、ブロック７８にて、自身のＩＤと受け取った電力値とを充電器に送り戻し、それとともに第１のターゲット装置がブロック８０にて電力値を送り戻す。次いで、ブロック８２にて、双方のターゲット装置に関して十分な数の磁場パターン／設定が測定されたかについて、決定が行われる。十分な数の設定が測定されると、ブロック８６に示されるように、制御ユニットが、最大の電力が最高優先度のターゲット装置によって受け取られる設定へと、操舵コイル磁場パターンを調整する。そして、通常のようにして充電が続けられる。図７中に９０にて再現的に示されるように、３つ以上のターゲット装置を充電することも可能である。

斯くして、充電器が容器の形態をしており、故に、例えば電動歯ブラシなどのターゲット装置が充電のためにカップ容器内に置かれたときにターゲット装置内の二次コイルが充電器内の一次コイルに整列されない場合に、ターゲット装置を効率的に充電するシステムを開示した。

本発明の好適な実施形態を例示の目的で開示したが、理解されるように、以下の請求項によって定められる本発明の精神を逸脱することなく、様々な変形、変更及び代用がこの実施形態に組み入れられ得る。

Claims (14)

1. 容器型充電器を用いて１つ以上のターゲット装置を充電するシステムであって、
   １つ以上のターゲット装置を受け入れる容器であり、電力源に接続可能な一次コイルを内部に有する容器と、
   前記容器内に置かれることが可能な少なくとも１つのターゲット装置であり、動作時に該ターゲット装置内の電池を充電するために前記一次コイルと二次コイルとの間でエネルギーが伝送されるよう、二次コイルを有するターゲット装置と、
   前記一次コイルの周りに配置された複数の操舵コイルと、
   前記容器内の前記一次コイルと前記ターゲット装置の前記二次コイルとの間の電力伝送を最適化するよう前記一次コイルの磁力線をフォーカシングするように、前記操舵コイルの磁場の位相を前記一次コイルの磁場に対して制御する制御システムと、
   を有するシステム。
2. 前記ターゲット装置は電動歯ブラシである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記容器は、ユーザにより飲まれる流体を収容するのに適したカップである、請求項１に記載のシステム。
4. 前記操舵コイルは、前記一次コイルの周りで実質的に等間隔に配置される、請求項１に記載のシステム。
5. 前記操舵コイルの個数は２から３２の範囲内である、請求項１に記載のシステム。
6. 前記操舵コイルの個数は８である、請求項５に記載のシステム。
7. 前記制御システムは、最大の電力伝送を生じさせる前記磁場の位相のパターンを決定するため、前記ターゲット装置から受信される順次の電力決定値に応答して、前記操舵コイルの前記磁場の位相を繰り返し変更することを含む複数のステップを実行する、請求項１に記載のシステム。
8. 前記制御システムは、所定のシーケンスに従って、前記操舵コイルの前記磁場のパターンを変化させる、請求項１に記載のシステム。
9. 前記操舵コイルの前記磁場の位相の状態は、同相、異相、及びオフを含む、請求項６に記載のシステム。
10. 前記制御システムは、別々のＩＤを有する複数のターゲット装置から受信される電力値を受け入れて、前記一次コイルと前記複数のターゲット装置のうちの選択された１つとの間で最大の電力伝送を生じさせる前記磁場の位相のパターンを決定するように構成された一連のステップを含む、請求項１に記載のシステム。
11. 容器内に置かれた少なくとも１つのターゲット装置の充電を制御する方法であって、前記ターゲット装置は一次コイルを有し、充電用の前記容器は一次コイルを有し、前記一次コイルの周りに複数の操舵コイルが配置されており、当該方法は、
    前記一次コイルの磁場の位相に対する前記操舵コイルの磁場の当初位相状態パターンを構築するステップと、
    前記ターゲット装置をアクティブにするステップと、
    前記操舵コイルが前記当初位相状態パターンにあるときに、前記一次コイルと前記ターゲット装置内の前記二次コイルとの間での電力伝送を決定するステップと、
    前記一次コイルと前記二次コイルとの間に最大電力伝送を生じさせるコイル位相パターンが決定されるまで、前記操舵コイルの磁場の位相状態パターンを繰り返し変更するステップと、
    前記操舵コイルの前記最大電力伝送の位相パターンを用いて、前記二次コイルを充電するステップと
    を有する、方法。
12. 個々の操舵コイルの位相状態は、前記一次コイルと同相、前記一次コイルと異相、及びオフを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記操舵コイルの位相パターンは、前記最大電力伝送が決定されるまで、予め選択されたシーケンスに従って変化される、請求項１１に記載の方法。
14. ２つのターゲット装置が同時に充電され、前記２つのターゲット装置の充電は、前記一次コイルと前記２つのターゲット装置のうちの選択された１つとの間に最大電力伝送を生じさせる位相パターンを用いて続けられる、請求項１１に記載の方法。

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