JP3887828B2

JP3887828B2 - 電子機器

Info

Publication number: JP3887828B2
Application number: JP52816399A
Authority: JP
Inventors: 克行本田; 求早川; 一郎青島; 英敏松木
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1997-11-20
Filing date: 1998-11-19
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2018-11-19
Also published as: US6265789B1; EP0977297B1; EP0977297A1; WO1999027603A1; DE69831226T2; EP0977297A4; DE69831226D1

Description

技術分野
この発明は、２つの機器の一方から他方へ非接触で充電を行うことができる電子機器、または、２つの機器間で一方向または双方向にデータ転送が可能な電子機器に関し、たとえば、充電可能な２次電池を電源とする電動歯ブラシ、電動ひげそり、コードレス電話、携帯電話、ＰＨＳ（Personal Handy-phone System；簡易型携帯電話システム）、モバイルパソコン、小型情報機器、電子時計等の機器と、これに非接触で充電を行う機器とを有する電子機器に関する。
技術背景
近年、携帯端末や電子時計などのような小型携帯電子機器をステーションと呼ばれる充電機器に収容して、当該携帯電子機器への充電とともに、当該携帯電子機器との信号転送などが行われつつある。ここで、充電や信号転送などについて電気的接点を介して行う構成にすると、これら接点が露出するため、防水性の面において問題が発生する。このため、充電や信号転送などは、ステーションと携帯電子機器との双方に配設されたコイルの電磁的な結合によって非接触で行う構成が望ましい。
このような構成において、ステーション側のコイルに高周波信号を印加すると、外部磁界が発生して、携帯電子機器側のコイルに誘起電圧が発生する。そして、この誘起電圧をダイオード等により整流することにより、携帯電子機器に内蔵された二次電池を非接触で充電することが可能となる。また、両者コイルの電磁的な結合により、ステーションから携帯電子機器へ、あるいは、携帯電子機器からステーションへと信号を非接触で双方向に転送することも可能となる。
ところで、ステーション側のコイルおよび携帯電子機器側のコイルには、互いに電磁的に結合することだけではなく、充電や信号転送の効率を高めることも要求される。
そこで、従来では、携帯電子機器がステーションに収容された場合に、両コイルの巻回面が平行であって、それらの中心が一致する位置関係を確保する構成となっていた。
しかしながら、携帯電子機器をステーションに収容するだけで、両コイルを上記位置関係とするのは、例えば、コイルがステーションあるいは携帯電子機器に配設される精度などによって困難である。このため、本質的に、両コイルが多少位置ずれしても、その影響を受けにくい構成が要求されている。
一方、その他の背景技術として図１７に示す装置について説明する。この装置は、充電可能な２次電池と、非接触で充電する充電器を有する電子機器の一例であり、例えば日本国実用新案登録公開公報６０−８６３６に示されている。
図１７において、５１はスタンド、５２は電源プラグ、５３は歯ブラシの柄、５４は電源コード、５６は２次電池、Ｌ１、Ｌ２は１次コイル、Ｌ３は２次コイル、Ｄ１、Ｄ２はダイオード、Ｔｒはトランジスタ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３はコンデンサ、Ｒ１は抵抗を示す。この装置は電動歯ブラシに適用した例であり、スタンド５１に充電部があり、歯ブラシの柄５３に被充電部がある。そして、スタンド５１には、トランスの１次側コイルＬ１、Ｌ２、トランジスタＴｒ、抵抗Ｒ１、コンデンサＣ２、Ｃ３で構成された高周波発振器（自励発振回路）を備えており、前記高周波発振回路から外部に電磁界を発生するように構成されている。
また、歯ブラシの柄５３の充電部には、前記充電部の１次コイルＬ１、Ｌ２と電磁結合して電圧誘起させるために、トランスの２次側コイルＬ３を設けると共に、整流用のダイオードＤ２、２次電池（Ｎｉ−Ｃｄ電池）５６が設けてある。
この電動歯ブラシは、歯ブラシの使用時には、人が歯ブラシの柄５３を持ってスタンド５１から取り出して使用するが、使用しない時は、歯ブラシをスタンド５１に立てて保管する。
この保管状態で、充電部の１次コイルＬ１、Ｌ２と被充電部の２次コイルＬ３が電磁結合するので、被充電部の２次コイルＬ３には電圧が誘起する。そして、この誘起した電圧によりダイオードＤ２を介して２次電池５６が充電される。
図１７に示す電子機器においては、次のような課題があった。
まず、電動歯ブラシが水まわりで使用されることが前提となっているため、スタンド５１と歯ブラシの柄５３は内部の回路部品が水で濡れることがないように、例えばパッキンを介した防水構造となっている。さらに、水道の蛇口からの水圧によっても防水構造が維持できるように、それぞれを構成する部材には、水圧による変形を押さえるための強度が必要となる。このため、歯ブラシの柄５３の外側の樹脂部分の厚みと、スタンド５１のハウジングを構成する樹脂部分の厚みがある程度必要となり、そのため、１次、及び２次コイル間の距離が大きくなってしまい、電磁結合が弱まり、充電用の２次電池への充電電流が極端に小さくなってしまい、充電用の２次電池を短時間で急速充電できない。ここで、歯ブラシの柄５３、あるいはスタンド５１のハウジング材料をステンレス等の剛性の高い金属材料とすると、１次、及び２次コイル間の距離は小さくできるが、導伝材である金属材料上に渦電流が発生し、電磁結合を弱め、結局充電用の２次電池を短時間で急速充電できない。
発明の開示
本発明は上述した背景の下になされたものであり、その主たる目的には以下のものがある。第１の目的は、非接触充電において、充電部から被充電部への電力伝送効率を向上させることにより、２次電池の急速充電を可能にすることにある。
また、この発明の第２の目的は、非接触型データ転送器において、データ送信部からデータ受信部への転送効率を向上させることにより、Ｓ／Ｎ比が高く信頼性の高いデータ転送を可能とすることにある。
上記第１、第２の目的を達成するため、この発明においては、第１の機器と第２の機器とが、互いに対向するコイル巻回面が略平行にそれぞれ配設されたコイルの電磁的な結合により電力転送あるいは信号転送する電子機器であって、前記第１のコイル外径／第２のコイルの外径の比が、０．７以上１．３以下であることを特徴としている。
さらに、他の構成にあっては、第１の機器と第２の機器とが、互いに対向するコイル巻回面が略平行にそれぞれ配設されたコイルの電磁的な結合により電力転送あるいは信号転送する電子機器であって、前記第１および第２のコイルの内径／外径の比が、ともに０．３以上０．７以下であることを特徴としている。
加えて、上記構成において、前記第１あるいは第２のコイルのいずれか一方の内径が、他方のコイルの内径よりも１ｍｍ以上大きいことが好ましい。
さらに、他の構成にあっては、充電機器と被充電機器とからなる電子機器であって、前記充電機器は、少なくとも、前記被充電機器と対向する位置に配設された第１のコイルと、前記第１のコイルに信号を供給する充電回路とを備える一方、前記被充電機器は、少なくとも、前記充電機器と対向する位置に配設された第２のコイルと、前記第２のコイルに誘起された信号を整流する整流回路と、前記整流手段により整流された信号で充電を行う蓄電回路とを備え、前記第１および第２のコイルの内径／外径の比が、ともに０．３以上０．７以下であり、前記第１のコイル外径／第２のコイルの外径の比が、０．７以上１．３以下であることを特徴としている。
上記構成において、前記第１あるいは第２のコイルのいずれか一方の内径が、他方のコイルの内径よりも１ｍｍ以上大きいことが好ましい。
第１の機器と第２の機器とからなる電子機器であって、前記第１の機器は、少なくとも、前記第２の機器と対向する位置に配設された第１のコイルと、前記第１のコイルに誘起された信号を受信する受信回路とを備える一方、前記第２の機器は、少なくとも、前記第１の機器と対向する位置に配設された第２のコイルと、前記第１の機器へ送信すべき信号を前記第２のコイルに供給する送信回路とを備え、前記第１および第２のコイルの内径／外径の比が、ともに０．３以上０．７以下であり、前記第１のコイル外径／第２のコイルの外径の比が、０．７以上１．３以下であることを特徴としている。
上記構成において、前記第１あるいは第２のコイルのいずれか一方の内径が、他方のコイルの内径よりも１ｍｍ以上大きいことが好ましい。
上述した各発明の構成によれば、本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、携帯電子機器やステーションなどのように、互いに分離した２以上の機器間において、互いに対向する位置にそれぞれ配設されたコイルとの電磁的な結合によってデータ転送あるいは電力転送を実行する場合に、両コイルの位置ずれの影響を受けにくい電子機器を提供することにある。
また、この出願の他の発明は、第１、第２の目的を達成するために、以下の装置を提供する。
図１２はこの出願の他の発明の原理的構成を示す説明図である。本発明は前記の目的を達成するため、充電部１と被充電部２を分離して構成し、前記充電部１には１次コイル３と発振回路（高周波発振回路）４を備え、前記被充電部２には、充電時に前記発振回路の１次コイル３と電磁結合して電圧を誘起させるための２次コイル５と、前記２次コイル５に誘起した電圧により充電可能な２次電池６を備えた非接触充電が可能な電子機器において、前記充電部１の１次コイル３の被充電部２に向かい合った部位に送信側カバーガラス７を、また、前記被充電部２の２次コイル５の充電部１に向かい合った部位に受信側カバーガラス８を配して構成した。
更に、前記送信側カバーガラス７及び受信側カバーガラス８の内面側に、前記電子機器の外観を向上させるための蒸着面９、及び、蒸着面１０をそれぞれ構成した。ここで、蒸着面のかわりにめっき面、あるいは印刷面、あるいは塗装面、あるいは箔面を構成するか、ガラス部材に顔料をいれて色ガラスとしても同様の効果がある。
前記構成により、２次電池６への充電を行う場合は、被充電部を充電部の上にのせた状態で電源を投入する。この充電状態では、１次側コイル３と２次側コイル５が向かい合う位置で配置されるので、これらのコイルが、トランスのコイルと同様に機能する。すなわち、１次コイル３がトランスの１次捲線で、２次コイル５がトランスの２次捲線として機能する。
充電時に充電部１の発振回路４が所定の周波数で発振すると、送信側コイル３と受信側コイル５が電磁結合し、送信側コイル３で発生した磁束が受信側コイル５に鎖交し、受信側コイル５に電圧が誘起する。
この誘起した電圧により、２次電池６を充電する。
前記のように、１次コイル３の被充電部２に向かい合った部位に送信側カバーガラス７を、また、前記被充電部２の２次コイル５の充電部１に向かい合った部位に受信側カバーガラス８を配して構成することにより、転送効率を劣化させることなく、２次電池６へ短時間荷大電流を流すことが可能となって、効率の良い急速充電ができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、第１実施形態にかかるステーションおよび電子時計の構成を示す平面図である。
図２は、同ステーションおよび同電子時計の構成を示す断面図である。
図３は、同ステーションおよび同電子時計におけるコイルの構成を示す断面図である。
図４は、同ステーションおよび同電子時計の電気的構成を示すブロック図である。
図５は、同ステーションおよび同電子時計の動作を説明するためのタイミングチャートである。
図６は、同ステーションの受信回路の一例を示す回路図である。
図７は、同受信回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。
図８は、一次コイルおよび二次コイルとが同一である場合に、コイルの内径／外径の比と相互コンダクタンスとの特性について、シミュレーションした結果を示す図である。
図９は、一次コイルおよび二次コイルの外径の比と、最大効率値と、最小損失量Wcminとの各特性について、シミュレーションした結果を示す図である。
図１０は、一次コイルと二次コイルとが位置ずれした場合、しない場合と、両コイルの内径が一致する場合、しない場合とにおいて、磁束密度の強度分布ををシミュレーションした結果を示す図である。
図１１は、一次コイルと二次コイルとが位置ずれした場合の影響を実測した結果を示す図である。
図１２は、第２実施形態の原理説明図である。
図１３は、同実形態における電動歯ブラシの説明図である。
図１４は、同実形態における実測データ例１である。
図１５は、同実形態における実測データ例２である。
図１６は、第３実施形態における電子時計の説明図である。
図１７は、従来例の説明図である。
発明を実施するための最良の形態
Ａ．第１実施形態
以下、第１実施形態について説明する。なお、本実施形態にあっては、充電機器としてステーション、被充電機器として電子時計を例にとって説明するが、本発明をこれらに限定する趣旨ではない。
＜機械的構成＞
図１は、実施形態にかかるステーションおよび電子時計の構成を示す平面図である。この図に示すように、電子時計２００は、充電やデータ転送など行う場合、ステーション１００の凹部１０１に収容される。この凹部１０１は、電子時計２００の本体２０１およびバンド２０２よりも若干大きめな形状に形成されているため、時計本体２０１は、ステーション１００に対して位置決めされた状態で収容される。
また、ステーション１００には、充電の開始を操作入力するための入力部１０３とともに、各種の表示を行うための表示部１０４が設けられている。なお、本実施形態にかかる電子時計２００は、通常の使用状態ではユーザの腕に装着されて、表示部２０４において日付時刻等が表示されるのは言うまでもないが、図示しないセンサ等によって、脈拍数や心拍数などの生体情報を一定時間毎に検出・記憶する構成となっている。
図２は、図１におけるＡ−Ａ線の断面図である。この図に示すように、電子時計の本体２０１の下面裏蓋２１２には、データ転送や充電のための時計側コイル２１０がカバーガラス２１１を介して設けられている。また、時計本体２０１には、二次電池２２０や、時計側コイル２１０などと接続される回路基板２２１が設けられる。
一方、ステーション１００の凹部１０１にあって、時計側コイル２１０と対向する位置には、ステーション側コイル１１０がカバーガラス１１１を介して設けられている。また、ステーション１００には、コイル１１０、入力部１０３、表示部１０４、一次電源（図示省略）などが接続された回路基板１２１が設けられている。なお、ステーション側コイル１１０と時計側コイル２１０との詳細については後述する。
このように、電子時計２００がステーション１００に収容された状態において、ステーション側コイル１１０と、時計側コイル２１０とは、カバーガラス１１１、２１１により物理的には非接触であるが、コイル巻回面が略平行なので電磁的には結合した状態となる。
また、ステーション側コイル１１０および時計側コイル２１０とは、それぞれ時計機構部分の着磁を避ける理由や、時計側の重量増加を避ける理由、磁性金属の露出を避ける理由などにより、磁心を有さない空心型となっている。したがって、このようなことが問題とならない電子機器に適用する場合には、磁心を有するコイルを採用しても良い。もっとも、コイルに与える信号周波数が十分に高いのであれば、空心型で十分である。
ここで、本願発明者らは、コイルの特性について各種シミュレートした。そこで、その結果について説明する。
まず、図８（ｂ）は、同一長（3m）の導線を用いて、一次コイルおよび二次コイルとを同一とした場合に、同図（ａ）に示すように巻回による内径／外径（Din／Dout）の比を変化させたときの相互インダクタンスＭの特性をシミュレートした結果である。この図に示すように、相互インダクタンスＭは、内径／外径の比がおおよそ0.3〜0.7の範囲で高い値を示し、0.5で最大となることが判る。
次に、図９（ｂ）は、一次コイルと二次コイルとの導線長の和を一定（6m）として、同図（ａ）に示すように両コイルの外径（D1／D2）の比を変化させたときの最大効率値ηmaxと、20W伝送時の最小損失量Wcminとの各特性をシミュレートした結果である。この図に示すように、一次コイルと二次コイルとの外径の比が0.7〜1.3の範囲において、ηmaxは高い値を示し、Wcminは小さい値を示す。そして、一次コイルと二次コイルとの外径の比が1.0のとき、すなわち等しいとき、ηmaxは最大となり、Wcminは最小となる。
さらに、本願発明者らは、一次コイルの内径と二次コイルの内径とを同一にした場合と、一次コイルの内径を1mmだけ大きくした場合とにおいて、両コイルの平面的な中心位置が一致しているときと、1mmだけずれたときとで、磁束密度がどのような分布となるかについてシミュレートした。この結果を図１０に示す。この図に示すように、コイルの内径が等しい場合に位置ずれすると、磁束密度の高い範囲が狭くなる。これに対し、内径が異なるコイルでは、その内径差（1mm）以内の位置ずれであれば、磁束密度の高い範囲はほとんど変化しない。
このシミュレート結果は、次のような実験でも裏付けられる。すなわち、本願発明者らは、一次コイルの内径と二次コイルの内径とを同一にした場合と、一次コイルの内径を1mmだけ大きくした場合とにおいて、両コイルが中心に対して位置ずれしたときに、二次コイル側で得られる電流が、どのように変化するかについて実測した。この実測結果を図１１に示す。この図において、横軸は、両コイルの中心に対するずれ量(mm）であり、縦軸は、ずれ量がゼロの場合における電流値を「１」とした相対値である。この図に示すように、内径が同一であるコイル同士では、ずれ量が大きくなるにつれて二次側で得られる電流値は小さくなる。これに対し、内径が異なるコイル同士では、ずれ量が、内径差（1mm）以内であれば、二次側で得られる電流値はほとんど変化しない。
そこで、本実施形態では、図３に示すように、ステーション側コイル１１０の内径を時計側コイル２１０の内径よりも1mmだけ大きくして、その内径差以内での位置ずれの影響をほとんど受けないようにした。さらに、一次コイルとしてのステーション側コイル１１０と、二次コイルとしての時計側コイル２１０との内径をともに外径の約半分とするとともに、その外径をともに略同一として、充電や信号転送の効率を高めることとした。
なお、両コイルの内径差は、コイルの取付精度や、ステーション１００に対する電子時計２００の収容精度などを考慮して、実施形態の値以上、すなわち、1mm以上とするのが望ましいと考える。
＜電気的構成＞
次に、ステーション１００および電子時計２００の電気的構成について図４を参照して説明する。
まず、ステーション１００側について説明する。この図において、発振回路１４０は、各部の動作を同期させるためのクロック信号ＣＬＫを出力するものである。入力部１０３は、ユーザによって充電開始の操作がなされると、１ショットのパルスＳＴＲをカウンタ１５０に供給するものである。カウンタ１５０は、ステーション１００側におけるコイルの接続を制御する回路であり、パルスＳＴＲの供給を受けると、プリセット値ｎをクロック信号ＣＬＫでダウンカウントして、カウント動作中には、Ｈレベルとなる信号Ｔを出力する。すなわち、カウンタ１５０の出力信号Ｔは、充電開始の操作からクロック信号ＣＬＫのｎ周期が経過するまでの一定期間だけ、Ｈレベルとなるように構成されている。そして、この信号Ｔは、アンドゲート１５２における一方の入力端に供給される。
一方、ステーション側コイル１１０の一方の端子は、電源電圧Ｖｃｃにプルアップされる一方、その他方の端子Ｄは、トランジスタ１５３のドレインに接続される。ここで、トランジスタ１５３のゲートは、他方の入力端にクロック信号ＣＬＫの供給を受けるアンドゲート１５２の出力と接続される一方、トランジスタ１５３のソースは接地されている。
したがって、カウンタ１５０の出力信号ＴがＨレベルとなった場合、クロック信号ＣＬＫがそのままアンドゲート１５２の出力信号Ｓ１となって、そのレベルに応じてトランジスタ１５３のドレイン−ソース間をスイッチングさせる構成となっている。
また、ステーション側コイル１１０の端子Ｄにおける信号Ｓ２は、受信回路１５４に供給される。受信回路１５４は、信号Ｓ２についてクロック信号ＣＬＫを用いて復調するものであり、その復調結果を信号Ｓ３として出力する。なお、受信回路１５４の構成については後述する。処理回路１５５は、復調された信号Ｓ３に基づく処理を実行する回路であり、本実施形態では、例えば、処理結果を表示部１０４に表示させるようになっている。
次に、電子時計２００側について説明する。時計側コイル２１０の一方の端子は、ダイオード２４５を介して二次電池２２０の正側端子に接続される一方、コイル２１０の他方の端子は、二次電池２２０の負側端子に接続されている。ここで、二次電池２２０の電圧Ｖｃｃが、電子時計２００における各部の電源として用いられる構成となっている。
また、制御回路２３０は、時計機能を備えて、表示部２０４に対して時刻表示などを行わせる一方、信号Ｗ１が誘起されていない場合に、ステーション１００へ送信すべきディジタルデータＷ２を送信回路２５０に供給するものである。ここで、ステーション１００へ送信すべきデータとしては、図示しないセンサ等により計測された脈拍数や心拍数などの生体情報などが想定される。
送信回路２５０は、ステーション１００へ送信すべきデータをシリアル化するとともに、シリアルデータがＬレベルである期間において、一定周波数の信号をバーストしたスイッチング信号を出力するものである。送信回路２５０によるスイッチング信号は、抵抗２５１を介してトランジスタ２５２のベースに供給される。また、同トランジスタのコレクタは、二次電池２２０の正側端子に接続される一方、同トランジスタのエミッタは、コイル２１０の一方の端子に接続されている。
したがって、時計側コイル２１０においては、信号Ｗ１が誘起されている場合には、その信号が半波整流されて二次電池に充電される一方、信号Ｗ２が誘起されていない場合には、ステーション１００へ送信すべきデータに応じたスイッチング信号が供給される構成となっている。
ここで、ステーション１００の受信回路１５４の構成について図６を参照して説明する。なお、図示の構成はあくまでも一例であって、本来的に、電子時計２００の送信回路２５０における変調方式によって定められるものである。
まず、ステーション側コイル１１０における他方の端子Ｄに誘起された信号Ｓ２は、図６に示すように、インバータ回路１５４１によってレベル反転されるとともに波形整形されて、発振回路１４０（図４参照）のクロック信号ＣＬＫと同期するＤフリップフロップ１５４２、１５４３のリセット信号ＲＳＴとして供給される。ここで、Ｄフリップフロップ１５４２の入力端Ｄは、電源電圧Ｖｃｃに接続される一方、その出力端Ｑは、次段のＤフリップフロップ１５４３の入力端Ｄに接続される。そして、Ｄフリップフロップ１５４３の出力端Ｑが、復調結果たる信号Ｓ３として出力される構成となっている。
次に、上記構成の受信回路１５４における各部の波形について検討してみる。
電子時計２００からのデータ受信時にあっては、トランジスタ１５３（図４参照）がスイッチングしないので、プルアップされたステーション側コイル１１０における他方の端子Ｄは、時計側コイル２１０による外部磁界が発生していなければプルアップレベルとなる一方、外部磁界が発生していれば、それに応じて誘起されるレベルにて変動する。このため、端子Ｄに誘起される信号Ｓ２は、例えば、図７（ａ）に示される通りとなる。
このような信号Ｓ２に対して、インバータ回路１５４１の出力たる信号ＲＳＴは、図７（ｂ）に示されるように、信号Ｓ２の電圧がしきい値Ｖｔｈを下回ったときにＨレベルとなり、Ｄフリップフロップ１５４２、１５４３をリセットする。この際、Ｄフリップフロップ１５４２、１５４３は、クロック信号ＣＬＫの立ち上がりにおいて、その直前での入力端Ｄのレベルを出力するから、Ｄフリップフロップ１５４２の出力Ｑ１、および、Ｄフリップフロップ１５４２の出力Ｓ３は、それぞれ図７（ｄ）、（ｅ）に示されるようになる。すなわち、受信回路１５４の出力信号Ｓ３は、時計側コイル２１０によって外部磁界が発生している期間にＬレベルとなる信号となる。
ここで、時計側コイル２１０によって外部磁界が発生する期間とは、電子時計２００がステーション１００へ送信すべきデータがＬレベルとなる期間であるから、結局、信号Ｓ３は、電子時計２００からのデータを復調したものであることが判る。
＜動作＞
次に、本実施形態にかかるステーション１００および電子時計における充電動作およびデータ転送動作について説明する。
まず、ユーザは、電子時計２００を、ステーション１００の凹部１０１に収容させる。これにより、ステーション側コイル１１０と、時計側コイル２１０とは、図２あるいは図３に示されるように互いに対向するため、電磁的に結合した状態となる。
この後、ユーザが、ステーション１００の入力部１０３を操作して、充電を開始する旨の入力操作を行うと、図５（ａ）に示されるように、タイミングｔ１において１ショットのパルスＳＴＲが入力部１０３から出力される。このため、カウンタ１５０がカウント動作を開始するため、図５（ｂ）に示されるように信号ＴがＨレベルとなる。
信号ＴがＨレベルとなると、アンドゲート１５２が開くため、トランジスタ１５３が、クロック信号ＣＬＫに応じてスイッチングする。よって、トランジスタ１５３は、図５（ｃ）に示されるような波形でスイッチングするため、ステーション側コイル１１０には、電源電圧Ｖｃｃをクロック信号ＣＬＫでスイッチングしたパルス信号が印加される。このため、外部磁界が発生することになる。
この外部磁界によって、時計側コイル２１０には、当該パルス信号と同周期の信号Ｗ１が誘起される。この誘起信号は、ダイオード２４５によって半波整流されて、二次電池２２０に充電されることとなる。
次に、カウンタ１５０において、プリセット値ｎをクロック信号ＣＬＫでダウンカウントした結果が、図５（ｂ）に示されるタイミングｔ２においてゼロになると、信号ＴがＬレベルとなる。
信号ＴがＬレベルとなると、アンドゲート１５２が閉じるため、トランジスタ１５３が、クロック信号ＣＬＫにかかわらずオフする。このため、時計側コイル２１０では、信号が誘起されなくなる。
このため、二次電池２２０の充電が終了する一方、制御回路２３０がステーション１００へ送信すべきディジタルデータＷ２を送信回路２５０に供給するため、電子時計２００からステーション１００への信号送信が開始されることになる。
ここで、ステーション１００への送信すべきデータが、図５（ｄ）に示される通りであったとすると、送信回路２５０によるスイッチング信号は、データがＨレベルであれば出力をＨレベルとし、データがＬレベルであれば一定周波数のパルス信号をバーストさせたものとするから、トランジスタ２５２は、図５（ｅ）に示されるような波形でスイッチングすることとなる。
したがって、時計側コイル２１０には、ステーション１００への送信すべきデータがＬレベルである期間において、パルス信号が印加され、これによって外部磁界が発生することとなる。
この外部磁界によって、ステーション側コイル１１０における他方の端子Ｄに、当該パルス信号と同周期の信号Ｓ２が誘起されることとなる。ここで、信号が誘起されている期間では、上記構成の受信回路１５４によって信号Ｓ３がＬレベルとなるから、結局、ステーション１００側では、タイミングｔ２以降において、電子時計２００からのディジタルデータＷ２を復調した信号Ｓ３が得られることとなる。そして、ステーション１００側では、処理回路１５５が、復調された信号Ｓ３に基づく処理を実行して、その処理結果が表示部１０４に表示されることとなる。
このように本実施形態においては、ステーション側コイル１１０の内径が時計側コイル２１０の内径よりも1mmだけ大きいので、両者コイルの中心がその内径差以内で位置ずれしたとしても、電力転送の効率や信号転送の効率は、極端には低下しない。さらに、ステーション側コイル１１０と時計側コイル２１０とにおいて、両コイルの内径はともに外径の約半分であり、また、両コイルの外径は互いに略同一であるので、充電や信号転送の効率が高い。
したがって、本実施形態によれば、コイル同士の電磁的な結合により電力転送あるいは信号転送する場合に、両コイルの位置ずれの影響が受け難くくなるとともに、データ転送あるいは電力転送の効率が維持されるのである。
さらに、本実施形態では、外部磁界を発生させることによって電子時計２００の二次電池２２０をタイミングｔ１からｔ２までにおいて充電した後、タイミングｔ２以降においてデータ転送を実行するので、電子時計２００が、二次電池２２０の電圧低下を理由にデータ転送できない事態を防止することができる。
＜変形例＞
なお、上記実施形態にあっては、次のような変形が可能である。
実施形態にあっては、位置ずれの影響を少なくすることと、データ・電力転送の効率維持とを両立するため、ステーション側コイル１１０の内径を時計側コイル２１０の内径よりも1mmだけ大きくするとともに、両コイルの内径を外径の約半分とし、さらに、両コイルの外径を略同一としたが、これらの要件を必ずしもすべて満たさなくても良い。すなわち、ステーション側コイル１１０の内径を時計側コイル２１０の内径よりも1mmだけ大きくするとともに、両コイルの内径を外径の約半分とするだけも十分であり、また、ステーション側コイル１１０の内径を時計側コイル２１０の内径よりも1mmだけ大きくするとともに、両コイルの外径を略同一とするだけも十分である。
また、データ・電力転送の効率維持の観点から言えば、必ずしも、両コイルの内径を外径の約半分とする必要はなく、また、両コイルの外径を略同一とする必要もない。すなわち、図８（ｂ）に示されるように、ステーション側コイル１１０および時計側コイル２１０における内径／外径の比が、ともに0.3〜0.7の範囲にあれば良いし、また、図９（ｂ）に示されるように、ステーション側コイル１１０の外径／時計側コイル２１０の外径の比が、0.7〜1.3の範囲にあれば良い。
また、実施形態にあっては、データ転送が、電子時計２００からステーション１００への一方向のみであったが、ステーション１００から電子時計２００への方向であっても良いのはもちろんである。電子時計２００へデータ転送する場合、ステーション１００では、転送すべきデータに応じて変調する一方、電子時計２００では、その変調方式に合わせて復調する構成とすれば良い。この際、変調・復調は、公知の技術を適用すれば良い。
さらに、実施形態にあっては、ステーション側コイル１１０の内径を、時計側コイル２１０のそれよりも大きくする構成としたが、これとは反対に、時計側コイル２１０の内径を大きくする構成であっても良い。
くわえて、実施形態では、充電機器としてステーション１００、被充電機器として電子時計２００を例にとって説明したが、本願において、これらの区別は、第１および第２の機器の区別を含めて無意味であり、電力転送や信号転送を行うすべての電子機器に適用可能である。例えば、電動歯ブラシや、電動ひげ剃り、コードレス電話、携帯電話、パーソナルハンディフォン、モバイルパソコン、ＰＤＡ（Personal Digital Assistants：個人向情報端末）などの二次電池を備える被充電機器と充電機器とに適用可能であり、さらに言うならば、互いに分離した２以上の機器のすべてに適用可能である。
Ｂ．第２実施形態
以下、第２実施形態を図面に基づいて説明する。なお以下に説明する実施形態は、本発明を被接触型充電式電動歯ブラシに適用した例である。
図１３（ａ）は本発明の実施例である電動歯ブラシの説明図である。また、図１３（ｂ）は図１３（ａ）の一部拡大図である。
１１は充電スタンド、１２は充電スタンドハウジング、１３は電動歯ブラシ、１４は電動歯ブラシハウジング、１５は送信側プリント基板、１６は送信側コイル、１７は受信側プリント基板、１８は受信側コイル、１９は２次電池、２０は電動歯ブラシ設置部、２１は電源ケーブル、２２は送信側カバーガラス、２３は送信側カバーガラス蒸着面、２４は受信側カバーガラス、２５は受信側カバーガラス蒸着面を示す。
本実施例の非接触型充電式電動歯ブラシは、電動歯ブラシ１３と充電スタンド１１で構成されている。そして、充電スタンド１１には充電部が設けてあり、電動歯ブラシ１３には被充電部が設けてある。
前記充電スタンド１１には充電スタンドハウジング１２が設けてあり、この充電スタンドハウジング１２内に充電部が設けてある。電動歯ブラシ１３には電動歯ブラシハウジング１４が設けてあり、この電動歯ブラシハウジング１４内に被充電部が設けてある。
また、前記充電スタンドハウジング１２の一部に、電動歯ブラシ１３を載せて置くための電動歯ブラシ設置部２０が設けてある。そして、電動歯ブラシ１３を使用する時は、電動歯ブラシ設置部２０から電動歯ブラシ１３を取り出して使用し、それ以外の時は、電動歯ブラシ１３を電動歯ブラシ設置部２０上に載せておくことにより、非接触で充電を行うように構成されている。
前記充電スタンドハウジング１２内に設けた充電部には、充電用の高周波発振回路等の回路部品が設けてあるが、これらの回路部品は、送信側プリント基板１５上に搭載されている。そして、前記回路部品の内、送信コイル１６は、前記送信側プリント基板上に搭載する。
この場合、送信側コイル１６は、電動歯ブラシ設置部２０と対向する位置で、かつ前記電動歯ブラシ設置部２０に最も近い位置に設置する。
ここで、前記充電スタンドハウジング１２上の送信側コイル１６と受信側コイル１８に挟まれた位置に、送信側コイル１６あるいは受信側コイル１８の平面サイズを覆うように、送信側カバーガラス２２を配置する。この、送信側カバーガラス２２は充電スタンドハウジング１２上に例えば紫外線硬化型の接着剤で固定する。
さらに、送信側カバーガラス２２の送信側コイル１６側に向かい合う面に、送信側カバーガラス蒸着面２３を構成している。
前記電動歯ブラシハウジング１４内に設けた被充電部には、充電回路等の回路部品が設けてあるが、これらの回路部品は、受信側プリント基板１７上に搭載されている。そして、前記回路部品の内、受信側コイル１８は、前記受信側プリント基板１７上に搭載する。
この場合、受信側コイル１８は、電動歯ブラシ１３を電動歯ブラシ設置部２０に載せた状態で、電動歯ブラシ設置部２０に最も近い位置となるように配置し、かつ、送信側コイル１６と対向するように位置決めして配置する。
ここで、前記電動歯ブラシハウジング１４上の受信側コイル１８と送信側コイル１６に挟まれた位置に、受信側コイル１８あるいは送信側コイル１６の平面サイズを覆うように、受信側カバーガラス２４を配置する。この、受信側カバーガラス２４は、電動歯ブラシハウジング１４上に例えば紫外線硬化型の接着剤で固定する。
さらに、受信側カバーガラス２４の受信側コイル１８側に向かい合う面に、受信側カバーガラス蒸着面２５を構成している。
また、２次電池１９は、電動歯ブラシ１３を電動歯ブラシ設置部２０に載せた状態で、電動歯ブラシ設置部から遠い位置に配置している。
前記２次電池としては、例えば、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等が使用可能である。
ここで、図１３（ｂ）に示したように、充電時には、受信側コイル１８と送信側コイル１６の間には、充電部スタンドハウジング１２と電動歯ブラシハウジング１４の厚み等が存在する。
図１４に、この厚みと転送効率の実測データを示す。図１４の実測データは横軸が送信側コイルと受信側コイルの外周先端部の断面的な距離ｄ（ｍｍ）を示し、縦軸が、送信側コイルと受信側コイルの断面距離ｄを５ｍｍとしたときの転送効率を１としたときの相対的な転送効率が何倍かを示している。
図１４のデータによれば、断面距離ｄが減少するにしたがって、転送効率は２次関数的に増加し、高効率な転送が可能なシステムとなる。
特に距離３ｍｍ以下では転送効率が従来例の距離５ｍｍに対して数１００倍と非常に高い転送効率が実現でき、高速充電に適している。
ここで、コイル間距離が３ｍｍ程度となる構造で、かつ５気圧程度の水圧に耐えられる防水構造をとるには、ハウジング材料を金属部材等の高剛性材料で構成する必要がある。しかし、電磁誘導による電力転送システムでは、送信側コイルと受信側コイルの間のハウジング材料に導電部材を構成すると、導電部材上に渦電流が生じて、転送劣化となり、高効率転送には適していない。
図１５にハウジング材料と転送効率の実測データを示す。図１５の実測データは送信コイルと受信コイルの外周先端部の断面的な距離ｄを３ｍｍとして、コイル間にハウジング材料を挿入し、転送効率を測定した結果である。縦軸が外装ハウジングに用いる材料と、その材料の厚み、あるいは表面処理手段を示し、横軸が厚み１ｍｍのステンレス素材をコイル間に挿入したときの転送効率を１００％としたときの相対的な転送効率（％）を示している。
図１５のデータによれば、外装ハウジング材料に絶縁材料を用いれば、転送効率はステンレス材料を用いたときの数１０倍の高効率で転送が可能になる。
また、絶縁材料の片面にアルミニウム等の金属蒸着を１μｍ程度構成しても、渦電流による転送劣化は発生しないことがわかる。
ここで、前記ガラス部材は一般的に透明であり、内部のコイル、電気素子類等が外部から見える状態となり、デザイン外観として芳しくない。また電気素子類等の紫外線等の光劣化も発生してしまう。これらを解決するために、前記ガラス部材の裏側に蒸着面等を構成する。また、この蒸着面を構成するかわりに、ガラス部材の裏側にめっき面、あるいは印刷面、あるいは塗装面、あるいは箔面を構成するか、ガラス部材そのものに顔料をいれて色ガラスとしても同様の効果が期待できる。
Ｃ．第３実施形態
図１６に本発明の第３実施形態の原理図を示す。なお、以下に説明する実施例は、非接触型データ転送器をもつ電子時計である。
図１６（ａ）は本発明の電子時計の構造図を示し、３１はデータ転送器、３５は電子時計を示す。
図１６（ｂ）は本発明の電子時計の断面構造図を示し、３１はデータ転送器、３２は転送器側コイル、３３は送信側カバーガラス、３４は転送器回路基板、３５は電子時計、３６は電子時計側コイル、３７は電子時計裏蓋、３８は電子時計裏蓋カバーガラス、３９は２次電池、４０は電子時計回路を示す。
図１６（ｃ）は本発明の電子時計の回路ブロック図を示している。
本実施例の非接触型データ転送式電子時計は、データ転送器３１と電子時計３５で構成されている。そして、データ転送器３１にはデータ転送部が設けてあり、電子時計３５にはデータ受信部が設けてある。
前記データ転送器３１の一部に、電子時計３５を載せて置くための電子時計設置部が設けてある。そして、電子時計にデータを転送するときは、電子時計３５をデータ転送器３１上の電子時計設置部に設置するように構成されている。
前記データ転送器３１内に設けたデータ転送部には、信号生成回路４１、変調回路４２、駆動回路４３、転送器側コイル３２、設定回路４４、検出回路４５等の回路部品が設けてあるが、これらの回路部品は、転送器回路基板３４上に搭載されている。この場合、転送器側コイル３２は、電子時計設置部と対向する位置で、かつ前記電子時計設置部に最も近い位置に配置する。ここで、前記データ転送器３１の電子時計設置部上に、転送器側コイル３２と電子時計側コイル３６に挟まれた位置に、転送器側コイル３２と電子時計側コイル３６の平面サイズを覆うように、送信側カバーガラス３３を配置する。
前記電子時計３５内に設けたデータ受信部には、電子時計側コイル３６、復調回路４６等の回路部品が設けてあるが、これらの回路部品は、モータ駆動回路４７、ステップモータ４８、電子時計の指針４９とともに電子時計回路４０上に搭載されている。この場合、電子時計側コイル３６は、電子時計３５をデータ転送器３１の電子時計設置部に設置した状態で、電子時計設置部と対向する位置で、かつ前記電子時計設置部に最も近い位置に配置する。ここで、前記電子時計３５の電子時計裏蓋３７上に、転送器側コイル３２と電子時計側コイル３６に挟まれた位置に、転送器側コイル３２と電子時計側コイル３６の平面サイズを覆うように、電子時計裏蓋カバーガラス３８を配置する。
また、２次電池３９は電子時計３５をデータ転送器３１上の電子時計設置部に載せた状態で、電子時計設置部から遠い位置に配置している。
ここでデータ転送の一例として、例えば電子時計の時刻修正の動作原理を図１６（ｂ）、及び、図１６（ｃ）に基いて説明する。
データ転送器３１上において、時刻修正に必要な時刻データを入力すると、設定回路４４が作動し、この設定状態を検出回路４５が検出して、この検出情報をもとに変調回路４２を動作させる。また、４１は信号生成回路で、この出力信号をもとに変調回路４２で変調し、駆動回路４３により転送器側コイル３２が駆動される。転送器側コイル３２から変調信号が出力され、変調信号は磁界の変化という形でアナログ腕時計等の電子時計側コイル３６に伝送される。電子時計側コイル３６には電磁誘導によって誘起電圧が発生して、復調回路４６によって受信信号のパルス幅を検出して、そのパルス幅に基いて、モータ駆動回路４７を制御することによりステップモータ４８を正転、逆転、停止を行う。以上の動作により指針４９が回転し時刻修正が可能となる。
ここで、転送器側コイル３２から電子時計側コイル３６に、電磁誘導によってデータ転送する際に、本発明の構造を用いることにより転送効率を向上させ、より低電力でＳ／Ｎ比の高いデータ転送が可能となる。
以上説明したように、第２、第３実施形態によれば次のような効果がある。
（１）分離した電子機器間で、電磁誘導、あるいは電磁結合により、非接触で信号転送、あるいは電力転送を行うために、双方の対向した位置に、それぞれコイルを少なくとも１個構成した装置において、双方のコイルの少なくとも一方のコイルの、他方のコイルに対向した外周部に、ガラス部材を配置することにより、充電部から被充電部への電力伝送効率を向上させることができ、２次電池への急速な充電が可能になる。また、低電力でＳ／Ｎ比が高い信号転送も可能となる。
（２）１次コイルと２次コイルの向かい合う面に剛性の高いガラスを配することにより、小型で防水が可能な電子機器が実現できる。
（３）上述した第２，第３の実施形態においては、ガラス部材を固定する部分（例えば、図１６の電子時計裏蓋３７）を金属で構成するが、金属部材はガラス部材を固定する部分（例えば、ガラス部材の周囲）だけでもよい。
Ｄ．変形例
（１）なお、第１実施形態においては、図２に示すように下面裏蓋２１２（一般に金属）とカバーガラス２１１が設けられ、時計側コイル２１０と対向する位置には、ステーション側コイル１１０がカバーガラス１１１を介して設けられている。
つまり、時計側コイル２１０（一方のコイル）のステーション側コイル１１０（他方のコイル）に対向した外周部には、絶縁材料と金属材料が組み合わされた部材が取り付けられており、第２、第３の実施例と同様の効果も併せて得られるようになっている。
このように、第１、第２のコイルのいずれか一方の内径が、他方のコイルの内径よりも１ｍｍ以上大きくする技術と、第１、第２のコイルが対向する部分に絶縁体（例えばガラス）を配置する技術とは組み合わせが可能であり、この組み合わせによって以下の効果が得られる。
まず、コイル対向部分に絶縁体を配置することにより、防水性、剛性を維持しながらある程度の小型化が可能となる。一方、コイルの位置ずれがあると電磁結合に影響が出るため高い組立精度が要求され、また充電／通信時の位置合わせ機構も必要になるが、一方のコイルの内径を他方のコイルの内径より１ｍｍ以上大きくすることにより、この不都合が解消される。したがって、組立精度が要求されず電子機器の構造の簡略化が図れ組立性を向上させることができる。しかも、小型化も可能になる。そして、多少の位置ずれがあっても高効率で安定的にパワー転送が可能となるので、充電／通信時の発信パワーを抑えることができる。
なお、第１実施形態においては、カバーガラス２１１，１１１を他の絶縁体にしてもよく、あるいは、金属を用いてもよい。金属を用いた場合は、電磁結合の効率は下がるが、それが問題にならない状況においては金属の使用が可能である。このように、金属を用いる場合においても、一方のコイルの内径を他方のコイルの内径より１ｍｍ以上大きくすることにより得られる効果は、第１実施形態と同様である。
（２）また、第２、第３実施形態において、充電時あるいは通信時において対向配置されるコイルの一方の内径を、他方の内径より１っｍ以上大きくしてもよい。この場合においては、第１実施形態における効果を併せて奏することができる。

Claims

第１の機器と第２の機器とが、巻回軸に対して巻回されたコイルのうち、前記巻回軸に略直交した面がコイル巻回面となり、このコイル巻回面が互いに対向して略平行にそれぞれ配設されたコイルの電磁的な結合により電力転送あるいは信号転送する電子機器であって、
前記第１のコイル外径／第２のコイルの外径の比が、０．７以上１．３以下である
ことを特徴とする電子機器。
第１の機器と第２の機器とが、巻回軸に対して巻回されたコイルのうち、前記巻回軸に略直交した面がコイル巻回面となり、このコイル巻回面が互いに対向して略平行にそれぞれ配設されたコイルの電磁的な結合により電力転送あるいは信号転送する電子機器であって、
前記第１および第２のコイルの内径／外径の比が、ともに０．３以上０．７以下である
ことを特徴とする電子機器。
前記第１あるいは第２のコイルのいずれか一方の内径が、他方のコイルの内径よりも１ｍｍ以上大きい
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電子機器。
充電機器と被充電機器とからなる電子機器であって、
前記充電機器は、少なくとも、前記被充電機器と対向する位置に配設された第１のコイルと、前記第１のコイルに信号を供給する充電回路とを備える一方、前記被充電機器は、少なくとも、前記充電機器と対向する位置に配設された第２のコイルと、前記第２のコイルに誘起された信号を整流する整流回路と、前記整流手段により整流された信号で充電を行う蓄電回路とを備え、
前記第１および第２のコイルの内径／外径の比が、ともに０．３以上０．７以下であり、
前記第１のコイル外径／第２のコイルの外径の比が、０．７以上１．３以下である
ことを特徴とする電子機器。
前記第１あるいは第２のコイルのいずれか一方の内径が、他方のコイルの内径よりも１ｍｍ以上大きい
ことを特徴とする請求項４記載の電子機器。
第１の機器と第２の機器とからなる電子機器であって、
前記第１の機器は、少なくとも、前記第２の機器と対向する位置に配設された第１のコイルと、前記第１のコイルに誘起された信号を受信する受信回路とを備える一方、前記第２の機器は、少なくとも、前記第１の機器と対向する位置に配設された第２のコイルと、前記第１の機器へ送信すべき信号を前記第２のコイルに供給する送信回路とを備え、
前記第１および第２のコイルの内径／外径の比が、ともに０．３以上０．７以下であり、
前記第１のコイル外径／第２のコイルの外径の比が、０．７以上１．３以下である
ことを特徴とする電子機器。
前記第１あるいは第２のコイルのいずれか一方の内径が、他方のコイルの内径よりも１ｍｍ以上大きい
ことを特徴とする請求項６記載の電子機器。
請求項１〜７記載の電子機器において、
前記第１のコイルまたは第２のコイルの少なくともいずれか一方のコイルと、相手側機器のコイルと対向する部分には、絶縁体を配置した
ことを特徴とする電子機器。
前記絶縁体は、金属部材を介して前記第１または第２の機器に固定されることを特徴とする請求項８記載の電子機器。