JP2024521396A - デュアル周波数無線充電システム - Google Patents

Abstract

無線充電システムでは、無線充電器デバイスの送電コイル及びポータブル電子デバイスの受電コイルは、２つの異なる動作周波数のいずれかで動作することができる。低周波数は約３００ｋＨｚ～約４００ｋＨｚの範囲であってもよく、高周波数は約１ＭＨｚ～約２ＭＨｚの範囲であってもよい。両方の周波数で効率的な充電を提供するために、送電コイル及び受電コイルは、複合ワイヤ又はマルチストランドワイヤから形成され得る。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０２１年６月２２日に出願された「Ｄｕａｌ－Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｈａｒｇｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ」と題する米国仮出願第６３／２０２，７３０号、及び２０２２年３月１７日に出願された「Ｄｕａｌ－Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｈａｒｇｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ」と題する米国特許出願第１７／６５５，３２９号の優先権を主張し、それらの開示は参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、概して、誘導充電システムに関し、特に、多周波無線充電システムに関する。

ポータブル電子デバイス（例えば、携帯電話、メディアプレーヤ、電子時計など）は、それらのバッテリに蓄積された電荷が存在すると動作する。一部のポータブル電子デバイスは、充電コードなどの物理的接続を介してポータブル電子デバイスを電源に結合することによって再充電することができる再充電可能バッテリを含む。しかしながら、充電コードを用いてポータブル電子デバイス内のバッテリを充電する場合、ポータブル電子デバイスを物理的に電力コンセントに接続する必要がある。加えて、充電コードを使用するためには、典型的には充電コードのプラグコネクタであるコネクタと結合するように構成された、典型的にはレセプタクルコネクタであるコネクタを、モバイルデバイスが有する必要がある。レセプタクルコネクタは、塵埃及び湿気が侵入してデバイスを損傷し得る通り道をもたらすポータブル電子デバイス内のキャビティを含む。更に、ポータブル電子デバイスのユーザは、バッテリを充電するために充電ケーブルをレセプタクルコネクタに物理的に接続する必要がある。

そのような欠点を回避するために、充電コードを必要とすることなくポータブル電子デバイスを充電するために電磁誘導を利用する、無線充電技術（誘導充電技術とも呼ばれる）が開発されてきた。例えば、一部のポータブル電子デバイスは、無線充電器デバイスの充電面にデバイスを置くだけで、再充電することができる。充電面の下に配置された送電コイルは、ポータブル電子デバイス内の対応する受電コイルに電流を誘導する時間変化磁束を生成する交流電流により駆動される。その誘導電流をポータブル電子デバイスが使用して、デバイスの内部バッテリを充電することができる。

本発明のいくつかの実施形態によれば、無線充電器デバイスの送電コイルは、本明細書で「低」周波数及び「高」周波数と呼ばれる２つの異なる動作周波数のいずれかで動作することができる。低周波数は、約３００ｋＨｚ～約４００ｋＨｚの範囲（例えば、いくつかの実施形態では、約３２６ｋＨｚ）であってもよく、高周波数は、約１ＭＨｚ～約２ＭＨｚの範囲（例えば、いくつかの実施形態では、約１．７８ＭＨｚ）であってもよい。同様に、本発明のいくつかの実施形態によれば、無線充電デバイスから充電され得る電子デバイスの受電コイルは、高周波数又は低周波数のいずれかで動作することができる。両方の周波数で効率的な充電を提供するために、送電コイル及び受電コイルは、複合ワイヤ又はマルチストランドワイヤから形成され得る。例えば、送電コイル内の複合ワイヤは、いくつかのストランドを含むことができ、各ストランドは、電気絶縁外層を有する導電性（例えば、銅）ワイヤの細い（例えば、直径３０μｍの）ストランドとすることができる。ストランドを互いに撚り合わせて基本バンドルのセットを形成することができ、基本バンドルのグループを互いに撚り合わせて複合バンドルのセットを形成することができ、複合バンドルを互いに撚り合わせて複合ワイヤを形成することができる。いくつかの実施形態では、各基本バンドルは４つのストランドを含むことができ、各複合バンドルは４つの基本バンドルを含むことができ、複合ワイヤは７つの複合バンドルを含むことができる。別の例として、受電コイル内の複合ワイヤは、いくつかのストランドを含むことができ、各ストランドは、電気絶縁外層を有する導電性（例えば、銅）ワイヤの細い（例えば、直径３０μｍの）ストランドとすることができる。ストランドを互いに撚り合わせてバンドルのセットを形成することができ、バンドルを互いに撚り合わせて複合ワイヤを形成することができる。いくつかの実施形態では、各バンドルは６つのストランドを含むことができ、複合ワイヤは６つのバンドルを含むことができる。

以下の詳細な説明及び添付の図面により、特許請求された本発明の性質及び利点に関する理解をより深めることができよう。

いくつかの実施形態による電子デバイス及び無線充電器デバイスの斜視図を示す。

いくつかの実施形態による無線充電器デバイスの分解図を示す。

いくつかの実施形態による無線充電器デバイス用のケーブルアセンブリの分解図を示す。

いくつかの実施形態による誘導送電コイルを形成するために使用することができるマルチストランドワイヤの断面図を示す。

いくつかの実施形態による電子デバイスの簡略化された分解図を示す。

いくつかの実施形態による誘導受電コイルを形成するために使用することができるマルチストランドワイヤの断面図を示す。

いくつかの実施形態による電子デバイス用のシステム電子機器パッケージの底面図を示す。

いくつかの実施形態による電子デバイス用のアンテナアセンブリの上面図を示す。

本発明の例示的実施形態の以下の記述は、解説及び説明の目的で示されている。網羅的であること、又は特許請求される発明を記載された厳密な形態に限定することは意図されておらず、当業者は、多くの修正及び変形が可能であることを理解するであろう。実施形態は、本発明の原理、及びその実際的な適用を最良に説明することにより、他の当業者が様々な実施形態で、かつ想到される特定の使用に好適であるような様々な修正形態と共に、本発明を最良に作製して使用することが可能となるように、選択及び説明されたものである。

図１は、いくつかの実施形態による電子デバイス１００及び無線充電器デバイス１５０の斜視図を示す。電子デバイス１００は、一方の表面（例えば、裏面）に形成された磁気透過窓１０４を有するハウジング１０２を含むことができる。窓１０４は、水晶、ガラス若しくはポリマーなどの材料、又は無線電力伝送に使用される範囲内の周波数（例えば、約３００ｋＨｚ～約２ＭＨｚ）を有する磁場の透過を可能にする任意の他の材料から作製することができ、一方、ハウジング１０２の残りの部分は、アルミニウム、鋼、セラミックなどの他の材料、又は時間変化磁場の透過を妨げても妨げなくてもよい他の材料で作製することができる。電子デバイス１００は、ハウジング１０２の窓１０４とは反対側に配置された電子ディスプレイ１１０も含むことができる。いくつかの実施形態では、電子ディスプレイ１１０は、電子デバイス１００のユーザにグラフィカルユーザインターフェースを表示するように構成されたタッチスクリーンの形態をとることができる。この例では、電子デバイス１００は、ユーザの手首に電子デバイス１００を固定するためのリストバンド１０６を含むことができる。電子デバイス１００は手首装着可能デバイスとして示されているが、本明細書で説明する種類の無線充電システムは、任意のタイプの再充電可能電子デバイスに組み込むことができることを理解されたい。

無線充電器デバイス１５０は、誘導電力伝送を使用して電子デバイス１００に電力を提供するために使用され得る。例えば、無線充電器デバイス１５０は、送電コイル（図１には図示せず）と、送電コイルにおいて交流電流を生成するためのドライバ回路とを含むことができる。交流電流によって生成される時間変化磁場は、充電面１５２を通って無線充電器デバイス１５０から出ることができる。電子デバイス１００は、窓１０４に隣接して配置された受電コイル（図１には図示せず）を有することができる。動作中、無線充電器デバイス１５０は、送電コイルを駆動し、それによって、時間変化磁場、例えば、特定の周波数を有する振動磁場を生成することができる。時間変化磁場は、電子デバイス１００内の受電コイル（図１には図示せず）内に電流を誘導することができ、電流は、電子デバイス１００の内部バッテリを充電するため、及び／又は電子デバイス１００内の他の回路に電力を供給するために使用することができる。

無線電力伝送の効率は、送電コイルと受電コイルとの間の位置合わせを含むいくつかの要因に依存する。いくつかの実施形態では、無線充電器デバイス１５０及び電子デバイス１００は、送電コイル及び受電コイルを所望の位置合わせで引き付けて保持するための磁気位置合わせコンポーネント（図１に図示せず）を含むことができる。例えば、所望の位置合わせは、長手方向軸１０７に沿って送電コイル及び受電コイルを位置合わせすることができる。

本明細書で説明する実施形態では、無線充電器デバイス１５０の送電コイルは、本明細書で「低」周波数及び「高」周波数と呼ばれる２つの異なる動作周波数のいずれかで動作することができる。低周波数は、約３００ｋＨｚ～約４００ｋＨｚの範囲（例えば、いくつかの実施形態では、約３２６ｋＨｚ）であってもよく、高周波数は、約１ＭＨｚ～約２ＭＨｚの範囲（例えば、いくつかの実施形態では、約１．７８ＭＨｚ）であってもよい。同様に、本明細書で説明される実施形態では、電子デバイス１００の受電コイルは、高周波数又は低周波数のいずれかで動作することができる。いくつかの実施形態では、一緒に使用されるデバイスの特定のペアの動作周波数は、デバイスの能力に基づいて動的に決定される。例えば、同様のフォームファクタを有する電子デバイスのファミリーが提供され得ることが企図される。ファミリーは、高周波数又は低周波数のいずれかで充電することができる「アップグレードされた」電子デバイス、並びに低周波数でのみ充電することができる「レガシー」電子デバイスを含むことができる。同様に、無線充電器デバイスのファミリーは、高周波数又は低周波数のいずれかで電力を送電することができるアップグレードされた充電器デバイスと、低周波数でのみ電力を送電することができるレガシー充電器デバイスとを含み得る。アップグレードされた充電器デバイスは、アップグレードされた電子デバイスに高周波数で電力を提供し、レガシー電子デバイスに低周波数で電力を提供するために使用され得る。同様に、アップグレードされた電子デバイスがいずれかの周波数で電力を受け取ることができる場合、アップグレードされた電子デバイスは、アップグレードされた充電デバイスから高周波数で電力を受電することができ、レガシー充電デバイスから低周波数で電力を受電することができる。このようにして、アップグレードされた電子デバイス及び充電器は、レガシー電子デバイス及び充電器と相互運用可能であり得る。

図２は、いくつかの実施形態による無線充電器デバイス１５０の分解図を示す。無線充電器デバイス１５０は、アルミニウム又は必要に応じて他の材料から作製され得るハウジングベース２０２を含む。キャップ２０４は、エンクロージャを形成するために、ハウジングベース２０２の上部を覆って嵌合するように成形され得る。この例では、ハウジングベース２０２及びキャップ２０４は、パック形状のフォームファクタを提供する。充電面１５２を画定することができるキャップ２０４の上面は、平面であってもよく、又は電子デバイスの非平面（例えば、凸状）充電面を収容するための非平面（例えば、凹状）部分を有してもよい。ハウジングベース２０２及びキャップ２０４は、非腐食性であり、化学的耐性があり、熱応力及び機械応力に耐えることができる材料を含む、様々な材料から作製することができる。例えば、ハウジングベース２０２は、金属、金属合金、セラミック、プラスチック、又は複合材料から作製することができる。様々な実施形態では、ハウジングベース２０２は、ステンレス鋼又はアルミニウムから作製することができる。キャップ２０４は、キャップ２０４及びハウジングベース２０２によって形成されたエンクロージャ内に生成される時間変化磁場が、ほとんど又はまったく損失なくキャップ２０４を通過することを可能にする材料から作製することができる。例えば、キャップ２０４は、ポリカーボネート若しくは他のプラスチック、セラミック、又は複合材料から作製することができる。いくつかの実施形態では、充電面１５２は、より柔らかい接触表面を提供し、充電されるデバイスの表面を傷つけることを回避することができる、ソフトタッチシリコーン又は同等物でコーティングされることができる。所望の周波数範囲の電磁界の透過を可能にする他の材料も使用することができる。いくつかの実施形態では、充電面１５２は低摩擦表面とすることができ、無線充電器デバイス１５０は、充電されるデバイスとの位置合わせを維持するために摩擦ではなく磁力に依存することができる。ハウジングベース２０２及びキャップ２０４は、無線充電器デバイス１５０が液体（例えば、水）の侵入に抵抗性があるように、接着剤（例えば、樹脂）を使用して一緒に封止され得る。

充電コイルアセンブリ２１５は、コイル２１０、電磁シールド２１４、及びフェリ磁性スリーブ２１２を含むことができる。コイル２１０は、コイルの中心に向かって端子２１１ａ、２１１ｂを有し、キャップ２０４に向かって配向された近位表面及び対向する遠位表面を有する、マルチストランド銅線（又は他の導電性及び延性材料）の複数の巻きから形成されたコイルであり得る。コイル２１０の更なる説明が以下に提供される。

フェリ磁性スリーブ２１２は、コイル２１０の遠位側（すなわち、キャップ２０４の反対側）に配置することができる。フェリ磁性スリーブ２１２は、高い充電周波数（例えば、約２ＭＨｚ）で低損失を提供する透磁率（μ_ｉ）を有するフェリ磁性材料（例えば、酸化鉄を含むセラミック材料であり得る）から作製され得る。例えば、フェリ磁性材料は、μ_ｉ≒９００を有するＭｎＺｎであり得る。フェリ磁性スリーブ２１２は、コイル２１０によって生成された磁束を充電面１５２に向けて方向付けるように成形することができ、充電面１５２以外の無線充電器デバイス１５０の表面を通る電磁放射に対するシールディングを提供することもできる。フェリ磁性スリーブ２１２の上面は、コイル２１０の遠位側及び外側を取り囲むような輪郭にすることができる。フェリ磁性スリーブは、中央開口部２１７を有することができる。コイル端子２１１ａ、２１１ｂを収容するために、周辺通過空間２１９を設けることができる。いくつかの実施形態では、電気絶縁材料をフェリ磁性スリーブ２１２の一部に塗布して、フェリ磁性スリーブが充電コイル２１０に電気的に接触して短絡するのを防止することができる。

電磁シールド２１４は、キャップ２０４とコイル２１０との間に配置されて、電子デバイス上のタッチ感知ディスプレイとのユーザ対話の結果として生じ得るノイズを含む、無線充電器デバイス１５０と無線充電器デバイス１５０によって充電されている電子デバイスとの間の結合ノイズを除去するのに役立つ容量性シールドを提供することができる。いくつかの実施形態では、電磁シールド２１４は、薄く柔軟性のある材料から作製することができる。例えば、電磁シールド２１４は、導電性材料が印刷された又は他の方法で堆積されたフレキシブルプリント回路基板から形成することができる。電磁シールド２１４を適所に固定するために、接着層を設けることができる。他の実施形態では、電磁シールド２１４は、感圧接着フィルム上に導電性材料を印刷することによって形成することができる。電磁シールド２１４は、電気接地を提供するためにハウジングベース２０２の表面（例えば、底面）に向かって延在することができるテール２２１を含むことができる。図示のように、電磁シールド２１４は、渦電流が形成されるのを防止するためにスリット２２３を含むことができる。

磁石２２２及びＤＣシールド２２４は、充電されるポータブル電子デバイス内の相補的な磁気位置合わせ構造を引き付けることができる磁気位置合わせ構造を提供することができる。例えば、磁石２２２は、軸方向双極子配向を有する円筒形永久磁石とすることができる。ＤＣシールド２２４は、無線充電器デバイス１５０の遠位側が強く磁化されないように、磁石２２２からの磁束をハウジングベース２０２の底面から離れるように向ける材料から作製され得る。磁石２２２及びＤＣシールド２２４の高さは、キャップ２０４とハウジングベース２０２の内側底面との間の距離に等しくすることができ、その結果、磁石２２２は、無線充電器デバイス１５０内で軸方向に移動せず、磁石２２２の近位端は、キャップ２０４の内面に隣接する。磁石２２２の横方向の動きは、フェリ磁性スリーブ２１２内の中央開口部２１７のサイズによって、及び／又は接着剤若しくはポッティングなどの他の技法を使用することによって制約され得る。

ヒートシンク２３２は、熱伝導性で電気的に不活性な材料から作製することができる。様々な実施形態では、ヒートシンク２３２は、コイル２１０がキャップ２０４に近接した位置に保持されるようにスペーサとして、コイル２１０の動作中に生成された熱を充電されている電子デバイスから引き離すためのヒートシンクとして、及び／又は無線充電器デバイス１５０が表面上に置かれているときにより大きな安定性を提供する無線充電器デバイス１５０のための追加の質量として機能することができる。いくつかの実施形態では、ヒートシンク２３２は、感圧接着剤２３４を使用して、フェリ磁性スリーブ２１２の遠位表面に取り付けることができ、例えば、フェリ磁性スリーブ２１２及び／又は電磁シールド２１４を介して、共通接地に接続することができる。

電力は、ハウジングベース２０２の側壁の開口部２３９を通過する外部ケーブル２３６を介して、無線充電器デバイス１５０に、より具体的にはコイル２１０に供給され得る。いくつかの実施形態では、ケーブル２３６は、ＡＣ電流をコイル２１０に直接供給し、無線充電器デバイス１５０のエンクロージャは、能動電子コンポーネント又は回路をまったく含む必要がない。ケーブル２３６をエンクロージャ内に固定し、ケーブル２３６の接地線をハウジングベース２０２に電気的に結合するために、金属パッククリンプ２３８を設けることができる。いくつかの実施形態では、ケーブル２３６は、係留式に固定され、ハウジングベース２０２からユーザ取外し可能ではない。ＡＣ電流を搬送するケーブル２３６内の導電性ワイヤは、例えば、フェリ磁性スリーブ２１２の通過空間２１９を通してワイヤをルーティングすることによって、コイル２１０の端子２１１ａ、２１１ｂに接続され得る。歪み緩和は、内部歪み緩和要素２４０（非導電性材料の剛性部分であり得る）若しくは外部歪み緩和スリーブを使用して、又は他の技法を使用して提供され得る。

ケーブル２３６がコイル２１０に直接ＡＣ電力を供給する実施形態では、電子制御回路をハウジングベース２０２の外部に設けることができる。外部制御回路は、熱管理を助けることができる。図３は、いくつかの実施形態による、無線充電器デバイス１５０に取り付けることができるケーブルアセンブリ３００の分解図を示す。ケーブルアセンブリ３００はケーブル２３６を含み、その一端は上述のように無線充電器デバイス１５０に固定することができる。ケーブル２３６の他端は、ケーブルブーツ３０２で終端することができる。ケーブル２３６は、所望の長さ（例えば、１メートル、２メートル、又は他の長さ）であり得る。ケーブルブーツ３０２は、非導電性材料（例えば、プラスチック、セラミック、ポリマー、樹脂）から作製することができ、審美的に心地よい外観を有することができる。ケーブルブーツ３０２は、メインロジックボード３２０を収容することができる。メインロジックボード３２０は、コネクタ３１２に結合することができ、このコネクタは、例えば、タイプＡ又はタイプＣのＵＳＢコネクタなどのプラグ型ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）コネクタとすることができる。コネクタ３１２は、電力、接地、及びデータ（例えば、ＵＳＢ Ｄ＋及びＤ－データ信号）のための電気接点を含むことができる。メインロジックボード３２０は、能動電子コンポーネントが実装されたプリント回路基板とすることができる。能動電子コンポーネントは、受け取ったＤＣ電流をＡＣ電流に変換するＤＣ－ＡＣ変換器（例えば、インバータ）を含むことができ、ＡＣ電流は、ケーブル２３６を介して一対のワイヤ上でコイル２１０に搬送することができる。能動電子コンポーネントはまた、高周波数又は低周波数で動作するかどうかを決定することを含む、ＤＣ－ＡＣ変換器の動作を管理するための制御回路を含むことができる。いくつかの実施形態では、制御回路は、受信デバイスへの電力伝送を監視する監視回路を含むことができ（例えば、受信デバイスに電力を伝送する電磁場の受信デバイスによる変調を介して、受信デバイスから信号を受信することを含むことができる）、動作周波数の選択は、監視に基づくことができる。動作周波数を選択する他の技法も使用することができる。

電磁シールド３２６（「ＥＭＩシールド」とも呼ばれる）は、メインロジックボード３２０を囲むケーブルブーツ３０２内に配置することができる。ＥＭＩシールド３２６は、メインロジックボード３２０の回路（ＤＣ－ＡＣコンバータを含む）と他の電子機器との間の電磁干渉を低減又は防止することができる。ＥＭＩシールド３２６は、導電性材料及び／又は磁性材料を含む様々な材料から作製することができる。いくつかの実施形態では、ＥＭＩシールド３２６をファラデーケージとして構成することができる。ＥＭＩシールド３２６及びコネクタ３１２は、無線充電器デバイス１５０のための共通接地に接続することができ、それはまた、図２を参照して上記で説明されるように、ケーブル２３６を介してハウジングベース２０２に接続することができる。クラムシェル要素３２２は、プラスチック又は他の電気絶縁材料から作製されて、メインロジックボード３２０をＥＭＩシールド３２６内の定位置に固定するように成形され得る。ブーツクリンプ３２４は、ケーブル２３６の遠位端を、ケーブル２３６がブーツ３０２から出る位置に保持することができる。歪み緩和は、内部歪み緩和要素３４０（非導電性材料の剛性部分であり得る）若しくは外部歪み緩和スリーブを使用して、又は他の技法を使用して提供され得る。

コイル２１０は、２つの異なる基本周波数において高効率で動作可能とすることができる。いくつかの実施形態では、低周波数は、約３００ｋＨｚ～約４００ｋＨｚの範囲（例えば、３２６ｋＨｚの周波数）であってもよく、高周波数は、約１ＭＨｚ～約２ＭＨｚの範囲（例えば、約１．７８ＭＨｚの周波数）であってもよい。上述したように、コイル２１０は、コイルを形成するために複数回巻かれた導電性ワイヤから形成することができる。交流電流が導体を流れるとき、電流密度は表面近くで最も高く、導体の中心近くで指数関数的に減少する傾向がある。これは「表皮効果」表皮効果と呼ばれ、表皮効果は、導体の実効抵抗を増加させ、周波数が増加するにつれてより顕著になり、その結果、動作効率が低下する。

高周波数での効率的な動作をサポートするために、いくつかの実施形態におけるコイル２１０は、複合（マルチストランド）ワイヤから作製され得る。図４は、いくつかの実施形態によるコイル２１０を形成するために使用することができるマルチストランドワイヤ４００の断面図を示す。ワイヤ４００は、多くの個々のストランド４０２から作製されている。各ストランド４０２は、狭い直径（例えば、３０μｍ、又は２０～４０μｍの範囲の直径）を有する、押出された長さの銅線（又は他の導電性及び延性材料）であり得る。各ストランド４０２は、電気絶縁外層を有することができ、例えば、各ストランドは、柔軟性絶縁コーティングでコーティングするか、又は絶縁スリーブ若しくはジャケットに包むことができる。ストランド４０２のグループを撚り合わせて基本バンドル４０４を形成することができる。図４に示す例では、各基本バンドル４０４は４つのストランド４０２を含む。基本バンドル４０４のグループを撚り合わせて複合バンドル４０６を形成することができる。図示の例では、各複合バンドル４０６は、４つの基本バンドル４０４を含み、複合バンドル４０６当たり合計１６本のストランドとなる。複合バンドル４０６のグループを撚り合わせて、マルチストランドワイヤ４００を形成することができる。図４に示す例では、マルチストランドワイヤ４００は７つの複合バンドル４０６を含み、マルチストランドワイヤ４００内に合計１１２本のストランドとなる。このようにして形成されたワイヤは、有効「表皮」面積を増加させ、低周波数（例えば、約３２６ｋＨｚ）での効率的な動作を依然として提供しながら、高周波数（例えば、約１．７８ＭＨｚ）でのより効率的な動作を可能にする。

コイル２１０は、所望のコイル形状を形成するために、マルチストランドワイヤ４００を複数回巻き付けることによって形成することができる。いくつかの実施形態では、コイル２１０は、螺旋パターンの巻線の１つの層を含むが、所望であれば、巻線の複数の層を提供することができる。全ての巻線は、同じ平面内に位置することができ、又はコイル２１０は、例えば、キャップ２０４の凹面又は他の非平面充電面１５２に適合する非平面形状を有することができる。いくつかの実施形態では、ワイヤ４００の外側端部は、端子２１１ａ、２１１ｂが両方とも巻線の内側にあるように（図２に示されるように）、コイル２１０の内側に交差することができる。例えば、ワイヤ４００の外側端部は、コイル２１０の遠位側を横切ってルーティングされ得る。

図５は、いくつかの実施形態による電子デバイス１００の簡略化された分解図を示す。電子デバイス１００は、エンクロージャを画定するメインハウジング５０２及びリアハウジング５０４を含むことができる。エンクロージャは、プロセッサ、メモリ、スピーカなどの能動電子コンポーネント、並びに電子デバイス１００用のバッテリ及びバッテリの充電を制御する充電回路を含むことができる。いくつかの実施形態では、能動電子コンポーネントのうちのいくつか又は全ては、システム電子機器パッケージ５０６に組み込むことができる。タッチスクリーンディスプレイ、ボタン、ダイヤルなどのユーザインターフェースコンポーネントは、メインハウジング５０２の表面の一部に配置されるか、又は表面の一部を形成することができ、システム電子機器パッケージ５０６に電気的に結合することができる。リアハウジング５０４は、時間変化磁場を通過させることができるガラス、セラミック、又は他の材料で作製することができるセンサ窓５０８を含むことができる。いくつかの実施形態では、センサ窓５０８は、光センサがセンサ窓５０８を通して動作することを可能にするように、光学的に透明な部分を含むことができる。リアハウジング５０４及びメインハウジング５０２の他の部分は、アルミニウム、ステンレス鋼、セラミック、複合材料などの他の材料から作製することができる。

誘導充電受電コイル５１０は、センサ窓５０４に隣接して配置することができる。コイル５１０は、センサ窓５０４に向かって配向される近位表面及び対向する遠位表面を有する、マルチストランド銅線（又は他の導電性及び延性材料）のコイルとすることができる。端子５１１は、コイル５１０を電子デバイス１００の充電回路に結合するために提供することができ、それは、システム電子機器パッケージ５０６に組み込まれるか、又はメインハウジング５０２及びリアハウジング５０４によって画定されるエンクロージャ内の他の場所に収容され得る。

送電コイル２１０と同様に、受電コイル５１０は、両方の動作周波数で高い効率を提供するために、マルチストランドワイヤから形成することができる。図６は、いくつかの実施形態によるコイル５１０を形成するために使用することができるマルチストランドワイヤ６００の断面図を示す。ワイヤ６００は、多くの個々のストランド６０２から作製されている。各ストランド６０２は、狭い直径（例えば、３０μｍ、又は２０～４０μｍの範囲の直径）を有する、押出された長さの銅線（又は他の導電性及び延性材料）であり得る。各ストランド６０２は、柔軟性絶縁コーティング又はスリーブでコーティング又は被覆することができる。ストランド６０２のグループを撚り合わせてバンドル６０４を形成することができる。図６に示す例では、各バンドル６０４は６つのストランド６０２を含む。いくつかの実施形態では、ストランド６０２とほぼ同じ直径を有する非導電性ストランドをバンドル６０４の中心領域６０３に配置して非導電性コアを提供することができ、導電性ストランド６０２を非導電性コアの周りに撚り合わせることができる。他の実施形態では、非導電性コアを省略することができ、中心領域６０３は単に空隙とすることができる。バンドル６０４のグループを撚り合わせて、マルチストランドワイヤ６００を形成することができる。図６に示す例では、マルチストランドワイヤ６００は６つのバンドル６０４を含み、マルチストランドワイヤ６００内に合計３６本のストランドとなる。いくつかの実施形態では、バンドル６０４のうちの１つとほぼ同じ直径を有する非導電性ストランドをワイヤ６００の中心領域６０５に配置して非導電性コアを提供することができ、バンドル６０４を非導電性コアの周りに撚り合わせることができる。他の実施形態では、非導電性コアを省略することができ、中心領域６０５は単に空隙とすることができる。様々な実施形態は、バンドル及び／若しくはワイヤに非導電性コアを使用することができ、又はどちらにも使用しないことができる。いくつかの実施形態では、第７の導電性ストランド６０２は、各バンドル６０４内に含めることができ、及び／又は第７のバンドル６０４は、ワイヤ６００内に含めることができる。ワイヤ４００と同様に、図６に示される方法で形成されたワイヤは、有効「表皮」面積を増加させ、低周波数（例えば、約３２６ｋＨｚ）での効率的な動作を依然として提供しながら、高周波数（例えば、約１．７８ＭＨｚ）でのより効率的な動作を可能にする。

コイル５１０は、所望のコイル形状を形成するために、マルチストランドワイヤ６００を複数回巻き付けることによって形成することができる。いくつかの実施形態では、コイル５１０は、螺旋パターンの巻線の１つの層を含むが、所望であれば、巻線の複数の層を提供することができる。全ての巻線は、同じ平面内に位置することができ、又はコイル５１０は、例えば、センサ窓５０８の凹面又は他の非平面表面に適合する非平面形状を有することができる。いくつかの実施形態では、ワイヤ６００の外側端部は、端子５１１が両方とも巻線の内側にあるように（図５に示されるように）、コイル５１０の内側に交差することができる。例えば、ワイヤ６００の外側端部は、コイル５１０の遠位側を横切ってルーティングされ得る。

再び図５を参照すると、フェリ磁性シールド５１２は、コイル５１０の遠位側に配置することができる。フェリ磁性シールド５１２は、高い充電周波数（例えば、約２ＭＨｚ）で低損失を提供する透磁率μ_ｉを有するフェリ磁性材料（例えば、酸化鉄を含むセラミック材料であり得る）から作製され得る。例えば、フェリ磁性材料は、μ_ｉ≒９００を有するＭｎＺｎであり得る。フェリ磁性シールド５１２は、磁束をコイル５１０内に集中させるように成形することができ、センサ窓５０８によって提供される充電面以外の電子デバイス１００の表面を通る電磁放射に対する電子デバイス１００の他のコンポーネントのシールディングを提供することもできる。例えば、センサ電子機器モジュール５２０は、コイル５１０の内側に配置することができる。センサ電子機器モジュール５２０は、例えば、センサ窓５０８を通して動作することができる光学センサを含む、外部環境のためのセンサを提供する、種々のコンポーネントを含むことができる。いくつかの実施形態では、フェリ磁性シールド５１２は、コイル５１０の内側面の上に延在することができ、コイル５１０とセンサ電子機器モジュール５２０との間の電磁干渉を防止するのに役立ち得る。いくつかの実施形態では、フェリ磁性シールド５１２は、コイル５１０の一部が露出されるギャップ領域５１３を含むことができる。

いくつかの実施形態では、コイル５１０とシステム電子機器パッケージ５０６との間に追加のシールディングを提供することができる。例として、図７は、いくつかの実施形態によるシステム電子機器５０６の底面図を示す。銅テープ（又は他の導電性テープ）７０２を適用して、システム電子機器パッケージ５０６の表面を覆い、追加のシールディングを提供することができる。いくつかの実施形態では、銅テープ７０２は、コイル５１０の内側にある表面の部分を含む、コイル５１０に向かって配向されるシステム電子機器パッケージ５０６の表面の全て又はほぼ全てを覆うことができる。銅テープ７０２の代わりに他の導電性材料を使用することができる。

再び図５を参照すると、いくつかの実施形態では、アンテナアセンブリ５３０は、リアハウジング５０４内のコイル５１０の外側に（すなわち、その外周の周りに）配置することができる。アンテナアセンブリ５３０は、システム電子機器パッケージ５０６に電気的に接続することができ、電子デバイス１００によって使用されて、無線充電とは無関係であり得るデータ信号を送受信することができる。いくつかの実施形態では、アンテナアセンブリ５３０は、コイル５１０とアンテナアセンブリ５３０との間の電磁干渉を低減するように構成することができる。例えば、図８に示されるように、アンテナアセンブリ５３０は、導電性アンテナ本体８３２と、保持構造８３４とを含むことができ、これは、プラスチック又は他の剛性の電気絶縁材料から作製することができる。アンテナ本体８３２は、例えば、銅又は他の金属箔を所望の平面アンテナ幾何学形状にスタンピングすることによって形成される、平面構造とすることができ、保持構造８３４は、射出成形プロセスを使用して、アンテナ本体８３２の周囲に形成することができる。射出成形は、堆積プロセスと比較してより厚いアンテナ本体を提供することができ、より厚いアンテナ本体８３２は、コイル５１０の性能を向上させることができる。例えば、アンテナ本体８３２は、約８０μｍの厚さを有することができる。

上述の実施形態では、無線充電器デバイス１５０は、コイル２１０を動作させて、低周波数（例えば、約３２６ｋＨｚの周波数若しくは約３００ｋＨｚ～約４００ｋＨｚの範囲内の他の周波数）又は高周波数（例えば、約１．７８ＭＨｚの周波数若しくは約１．５ＭＨｚ～約２ＭＨｚの範囲内の他の周波数）のいずれかで電力を提供することができる。同様に、電子デバイス１００は、低周波数又は高周波数のいずれかでコイル５１０を介して電力を受電することができる。いくつかの実施形態では、電力伝送効率は、低周波数において約７０％であり、高周波数において約８５％であり得る。上述したコイル構成は、低周波数よりも高周波数においてより効率的な磁気結合を提供するが、関連する電子機器は、高周波数においてわずかに低い効率で動作する可能性がある。いくつかの実施形態では、高周波数における増加した磁気結合効率は、低周波数における充電と比較して、高周波数においてポータブル電子デバイスのバッテリを充電するために必要とされる時間の大幅な短縮（例えば、２５％～５０％）をもたらすことができる。いくつかの実施形態では、無線充電器デバイス１５０は、高周波数で電力を受信することが可能なデバイスに電力を供給するとき、高周波数で動作し、他のデバイス（例えば、上記で説明したレガシーデバイス）に電力を供給するとき、低周波数に切り替わる。いくつかの実施形態では、電子デバイス１００は、特定の無線充電器が所与の時間にどの周波数を提供しているかに応じて、いずれかの周波数で電力を受電する。

本発明を特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば、多数の変形及び変更が可能であることを理解するであろう。例えば、本明細書で説明する無線充電システムは、受電コイルが腕時計などの小さいフォームファクタを有するポータブル電子デバイスに収まることができるように、コンパクトになるように設計される。同様に、無線充電器デバイスは、充電が所望され得る場所から場所への移送が容易であるように、小型及び軽量であり得る。しかしながら、本明細書で説明される種類の無線電力送電及び受電システムは、フォームファクタ又は特定のサポートされる機能にかかわらず、任意のポータブル電子デバイスに組み込まれ得る。本明細書で言及される全ての寸法及び材料は、例示のためのものであり、変更することができる。バンドル内のストランドの数及びワイヤ内のバンドルの数も変更することができる。撚りストランドを使用して複合ワイヤを形成することにより、製造を簡素化することができる。

従って、本発明は、特定の実施形態に関して記載されるが、本発明は、以下の特許請求の範囲内での、全ての変更態様及び均等物を包含することを意図するものであることが理解されるであろう。

Claims (20)

1. 無線充電器デバイスであって、
   複数回巻かれた複合ワイヤから形成されたコイルであって、
   前記複合ワイヤは複数のストランドを備え、前記ストランドのグループは互いに撚り合わされて基本バンドルのセットを形成し、基本バンドルのグループは互いに撚り合わされて複数の複合バンドルを形成し、前記複数の複合バンドルは互いに撚り合わされて前記複合ワイヤを形成している、コイルと、
   前記コイルに結合され、３００ｋＨｚ～４００ｋＨｚの範囲内の低周波数及び１ＭＨｚ～２ＭＨｚの範囲内の高周波数で前記複合ワイヤに交流電流を生成するように構成されている制御回路と、を備える、無線充電器デバイス。
2. 各基本バンドルが４つのストランドを含む、請求項１に記載の無線充電器デバイス。
3. 各ストランドが、電気絶縁外層及び約３０μｍの直径を有する銅線である、請求項２に記載の無線充電デバイス。
4. 各複合バンドルが４つの基本バンドルを含む、請求項２に記載の無線充電器デバイス。
5. 前記複合ワイヤが７つの複合バンドルを含む、請求項４に記載の無線充電器デバイス。
6. 前記複数回巻かれた前記複合ワイヤが単一層に配置されている、請求項１に記載の無線充電器デバイス。
7. 無線充電器デバイスであって、
   エンクロージャを形成するキャップ及びハウジングベースを含むハウジングと、
   複数回巻かれた複合ワイヤから形成されたコイルであって、前記コイルは前記エンクロージャ内で前記キャップに近接して配置されており、
   前記複合ワイヤは複数のストランドを備え、前記ストランドのグループは互いに撚り合わされて基本バンドルのセットを形成し、基本バンドルのグループは互いに撚り合わされて複数の複合バンドルを形成し、前記複数の複合バンドルは互いに撚り合わされて前記複合ワイヤを形成している、コイルと、
   前記コイルに結合され、３００ｋＨｚ～４００ｋＨｚの範囲内の低周波数及び１ＭＨｚ～２ＭＨｚの範囲内の高周波数で前記複合ワイヤに交流電流を生成するように構成されている制御回路と、を備える、無線充電器デバイス。
8. 前記ハウジングに接続され、ケーブルブーツを含む外部ケーブルを更に備え、
   前記制御回路が、前記ケーブルブーツ内に配置され、前記外部ケーブルは、前記ケーブルブーツと前記コイルとの間で前記交流電流を伝送する、請求項７に記載の無線充電器デバイス。
9. 各基本バンドルが４つのストランドを含む、請求項７に記載の無線充電器デバイス。
10. 各複合バンドルが４つの基本バンドルを含む、請求項９に記載の無線充電器デバイス。
11. 前記複合ワイヤが７つの複合バンドルを含む、請求項１０に記載の無線充電器デバイス。
12. 前記コイルの遠位面の周りに配置されたフェリ磁性スリーブと、
    前記コイルの近位面と前記キャップとの間に配置された電磁シールドと、を更に備える、請求項７に記載の無線充電器デバイス。
13. 前記低周波数が３２６ｋＨｚであり、前記高周波数が１．７８ＭＨｚである、請求項７に記載の無線充電器デバイス。
14. 電子デバイスであって、
    エンクロージャを形成するメインハウジング及びリアハウジングと、
    前記エンクロージャ内に配置されたバッテリと、
    複数回巻かれた複合ワイヤから作製され、前記エンクロージャ内で前記リアハウジングに近接して配置されたコイルと、を備え、
    前記複合ワイヤは、複数のストランドを備え、前記ストランドのグループは互いに撚り合わされて複数のバンドルを形成し、前記バンドルは互いに撚り合わされて前記複合ワイヤを形成しており、
    前記コイルは、３００ｋＨｚ～４００ｋＨｚの範囲内の第１の周波数を有する磁場に応答して、かつ、１ＭＨｚ～２ＭＨｚの範囲内の第２の周波数を有する外部磁場に応答して、前記複合ワイヤ内に交流電流を生成するように構成されており、前記複合ワイヤ内の前記交流電流は前記バッテリを充電するために使用される、電子デバイス。
15. 各バンドルが６つのストランドを含む、請求項１４に記載の電子デバイス。
16. 前記複合ワイヤが６つのバンドルを含む、請求項１５に記載の電子デバイス。
17. 前記エンクロージャ内に配置されたシステム電子機器パッケージと、
    前記コイルに向かって配向された前記システム電子機器パッケージの表面上に配置された導電性テープと、を更に備える、請求項１４に記載の電子デバイス。
18. 前記コイルの外側に配置されたアンテナアセンブリを更に備え、
    前記アンテナアセンブリは、平面導電性アンテナ本体と、前記アンテナ本体の周りに射出成形されたプラスチック保持構造とを含む、請求項１４に記載の電子デバイス。
19. 前記コイルの遠位面の周りに配置されたフェリ磁性シールド
    を更に備える、請求項１４に記載の電子デバイス。
20. 前記コイルの内側に配置されたセンサ電子機器モジュールを更に備え、
    前記フェリ磁性シールドが前記コイルの内側面の上に延在する、請求項１９に記載の電子デバイス。

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