JP5612209B2 - 万能電磁誘導充電器 - Google Patents

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Description

携帯電話、ハンドヘルドコンピュータ、及びポータブルオーディオ/ビデオプレーヤーのような今日の携帯用電子機器は一般に電池によって駆動される。このようなデバイスに電力を供給するために、充電池が使用されることが多い。充電池は、様々な電源から、例えばAC/DCの充電器を用いて交流電源から、若しくは車の中では、例えばシガレットライターアダプタ(CLA)に接続したDC/DC充電器、又はポータブル充電器を使用して充電することができる。近年、携帯機器類の充電池を充電するための誘導充電器が開発されてきた。そのような電磁誘導充電器の例としては、Splashpower(商標)、eCoupled(商標)、Powermat(商標)、WiPower(商標)、及びPowerbyProxi(商標)などのシステムがある。
電磁誘導充電システムは(1つ以上の1次又は送電コイルを有する)充電パッドを使用し、充電されるデバイスは、このパッドの上に配置される。充電されるデバイスは、受電電磁誘電コイルが装着された、そのデバイス専用のケースのようなカスタムメードの受電器が装着される。そのようなデバイス特定のシステムは、相手先ブランド製造業者(OEM)からの承認が通常必要とされる。カスタムメードの受電機が装着されていないデバイスは、パッドの上に置かれた外部受電ユニットと電線でつなぐことができる。しかし、そのようなアプローチでは電磁誘導充電の利点を最小限にしてしまう。
本発明の態様によると、電磁誘導充電アダプタ部品は、ハウジングと、ハウジング内に格納され、外部の1次コイルと電磁誘電的に結合されるように構成された、導電性材料を含むコイルと、デバイスの電池に電力及び充電電流を供給するための第1の対の伝導体を含み、コイルに結合され、電磁誘導充電アダプタ部品をデバイスに備えられたポートと結合するように構成され、ハウジングに支持されているコネクタと、を含む。
本発明の更なる態様によると、電磁誘導データ転送システムは、ハウジングと、ハウジング内に配設されたコイルを含む受電モジュールと、を含む。受電モジュールは、ハウジングに支持されコイルに結合されたコネクタを更に含み、そのコネクタは、受電モジュールとデバイスに提供されるポートとを結合するように構成され、そのコネクタは、デバイスの電池に充電電流を供給するための第1の対の伝導体と、受電モジュールとデバイスとの間でデータを転送するように構成されている、少なくとも第2の伝導体と、を含む。このシステムは、1次コイルと1次コイルと結合されたポートとを含む送電モジュールを更に含み、そのポートは、外部電源から電流を受け取るための第3の誘電体と、外部データソースからデータを受け取るための第4の誘電体と、を含み、1次コイルからハウジング内のコイルへの電磁誘電的電力転送から充電電流が供給され、データ転送は、1次コイルとハウジング内のコイルとの間の電磁誘電的データ転送によってもたらされる。
本発明の更なる態様によると、電磁誘導データ転送デバイスは、1次コイルと1次コイルに結合する第1のポートとを格納するパッドを含み、その第1のポートは、外部電源から電流を受け取る誘電体を含み、1次コイルと結合した外部データソースからデータを受け取るデータ転送ポートを含む。
電磁誘導充電システムの図式的平面図。 充電アタッチメントの斜視図。 充電アタッチメントの透視図。 充電アタッチメントの側面図。 典型的な充電アタッチメントの部品を示す基本ブロック図。 充電アタッチメント用の典型的なコイル構造の図。 充電アタッチメント用の典型的なコイル構造の図。 充電アタッチメントの例の斜視図。
図1を参照すると、電磁誘導充電システム10が示されている。システム10は、充電パッド14上に置かれるデバイス12を収容する。デバイス12の電池は、充電アタッチメント16を用いて、充電パッド14を通じて充電される。一般に、充電アタッチメント16は、デバイス12に設けられるポート(番号なし)を介してデバイス12と接続されるデバイスである。例えば、充電アタッチメント16は、マイクロUSBポートやミニUSBポートなどのユニバーサルシリアルバス(USB)ポートを用いてデバイス12と接続することができる。いくつかの実施では、これらに限定されないが、USB−A、USB−B、FireWire(IEEE 1394)、DC Power Jacks、及びMotorola、Apple、Samsung等が使用するものなどの独自のコネクタを含むその他のポートを用いて充電アタッチメント16をデバイス12に接続することができる。充電アタッチメント16には、アタッチメント16が接続されるポートに基づいて好適なコネクタが設けられる。
充電アタッチメント16が接続されるデバイス12上のポートは、デバイス12に電力を供給し、かつデバイス12を駆動する1つ以上の充電池を充電するように構成される。ポート16と1つ以上の充電池との間の回路は、充電制御ができる。いくつかの実施においては、充電回路は、充電池が埋め込まれている及び/又は充電池に結合されている。場合によっては、充電回路は、充電パッド14から充電アタッチメント16を通して充電入力を受け入れるように構成できる。いくつかの実施においては、充電アタッチメント16は、アダプタが差し込まれる前に、デバイスと同じ入力コネクタを提供する「パス・スルー」オプションで構成することができる。このオプションは、データの交換を可能にしたり、例えば車のシガレットライターアダプタ/充電器(CLA)のような外部充電アタッチメントを接続するのに有用である。
いくつかの実施においては、充電回路は、例えば円筒型電池、角柱型電池、ボタンセル電池などの異なったタイプの充電池及びバッテリーパックの充電電流を監視するように構成された充電コントローラ回路を含むことができる。充電回路は、更に過充電防止や温度監視のような機能を提供するように構成されることができる。
充電パッド14は、外部電源(例えば壁コンセントや携帯電源)からポート20を介して電力を受け取り、充電アタッチメント16を介して充電池に電磁誘電的に電力を転送する。充電パッド14は、携帯物であってもよいし、より大きなユニットに埋め込まれた構成要素であってもよい。例えば、幾つかの実施では、充電パッドは、テーブルのような家具の一部であり得る。その様な場合においては、デバイス12は、単に家具の一部分に置くことによって充電することができる。
いくつかの実施においては、充電パッド14は、電磁誘導充電システムにおいて1次コイルとして機能する1つ以上のコイル18を含むことができる。図1に描かれているコイル18は、通常、充電パッド本体の内部に収容されていることに注意されたい。一般に、コイル18は、充電パッド14の上面の下に埋め込まれている。コイル18は、充電パッドに接続された電源よって電力供給され、電力は電磁誘電的に1次コイル18と充電アタッチメント16内の2次コイルとの間の結合を介して充電アタッチメント16に転送される。充電パッド14は、1つ以上のコイル18を含むことができる。例えば、充電パッド14は、充電アタッチメント16内の受電コイルが充電パッド上のどこに置いてもコイル18と結合することができるように、1つの大きなコイル含むことができる。いくつかの実施においては、複数のコイル18を充電パッド14内に分配することができる。一般に、コイル18は電磁コイルであり、例えば平面コイル(例えばプリント回路又はフレックス回路)、スプールコイル又はソレノイドが挙げられる。一般に、コイル18は、誘電体、例えば電線又は高周波数交流を運ぶのに使用される複数芯のリッツ線を、磁性体又は非磁性体(例えば空気)の芯の周囲に巻いて形成される。電流がコイル18の巻線を通過すると、発生する磁界がコイル18の中心からその長手軸方向に沿って延び、ループ又はコイルの外側を廻って戻ってくる。各ループ又は巻線を廻る磁界は、他のループからの磁界と組み合わされて、コイル18の中心に集中した磁界を作り出す。コイルの磁界の強度は、導入された電流、コイルのループ又は巻線の数、並びにコイル18に関わるその他のパラメータ及び特性を制御することによって制御することができる。一般に、充電アタッチメント16内の受電コイルに電圧を誘起するために、コイル18に誘導された磁束は(例えば交流を用いることで)変動される。
単に充電パッド14上に置くだけで、デバイス12が充電される。いくつかの実施では、デバイス12は、受電コイルと充電パッド14のコイル18とを効果的に結合するために、特定の配向又は位置に置かれる。例としては、デバイス12は、取り付けられた充電アタッチメント16内の受電コイルがコイル18から、例えば約2.54cm(1インチ)未満に近接するように充電パッド14の上に置かれ得る。いくつかの実施では、(各々に別々の充電アタッチメント16が付けられている)複数のデバイス12を充電パッド14の上に同時に置くことができる。
充電アタッチメント16を用いて充電される1つ以上の充電池は、1つ以上の充電式電気化学ユニット又はセルの組み合わせであることができる。充電池内に複数のセルがある場合、それらのセルは直列又は並列で互いに接続することができる。一般に、電池(又はセル)は以下を含むことができる:i)アノード又は陰極−還元又は燃料電極−それは電子を外部回路に与え、電気化学的反応中に酸化される、ii)カソード又は陽極−酸化電極−それは外部回路から電子を受け取り、電気化学的反応中に還元される、及びiii)電解質−イオン伝導体−セルの内部でイオンとしての、アノードとカソードとの間の電荷を転送するための媒介を提供する。電解質は、典型的に液体、例えば、イオン伝導性を付与する塩類、酸類又はアルカリ類の溶解した水又は溶媒である。いくつかの実施においては、電池は、セルの実用温度にてイオン伝導体である固体又は気体の電解質を含むことができる。いくつかの実施においては、充電池は、グラファイトアノード材料又はチタン酸リチウムアノード材料、及びリチオ化リン酸鉄カソード材料を持つリチウムイオンセルを含むことができ、これらの材料は、これらの材料に基づく充電池の高速充電を可能にするように適合されている。一般に、電池は電気エネルギーの貯蔵デバイスであり、「ストレージバッテリー」又は「アキュミュレータ」としても知られる。
デバイス12は、充電池を用いるいかなる電子又は電気機器であってもよい。例えば、デバイス12は、以下に限定されることなく、携帯電話若しくはスマートフォン、GPS装置、電気髭剃り機、電動歯ブラシ、携帯端末(PDA)、デジタルカメラ、画像ビューワ、オーディオ機器、ラップトップコンピュータ、又はiPod(登録商標)などのマルチメディア機器を含むことができる。
図2を参照すると、充電アタッチメント16とデバイス12との例示的な接続が示されている。この例の場合、充電アタッチメント16は、マイクロUSBポート(図示せず)を介してデバイス12にデバイス12の側面で接続されている。図2の例では、充電アタッチメント16の高さhは、デバイス12の深さdと実質的に同じ程度に描かれてはいるが、これによって制限されるものではない。充電アタッチメント16の寸法は、一般に、デバイス12とは独立したものであり得る。実際に、同一の充電アタッチメント16を、適切な接続ポートを持つ(場合により異なった寸法の)複数のデバイス12に使用することができる。
ここで図3Aを参照すると、例示的な充電アタッチメント16の斜視図を概略図が示している。簡単な概要として、充電アタッチメント16は、ハウジング30と、ハウジング内の回路とデバイスのポートとを結合するように構成されたコネクタ31と、を含む。ハウジング30は、内部の回路を収容できるならば、どのような形及び大きさでもよい。この例では、ハウジング30は半円筒形であるように示されている。いくつかの実施においては、ハウジング30は、例えば円筒形、立方形、平面、又は矩形の立体など、他の形状を有してもよい。
場合によっては、ハウジング30は、デバイス12の裏面に貼り付けることのできる薄いパッチ又はステッカーである。この薄いパッチ若しくはステッカーは、デバイス12上のポート(例えば、ミニ又はマイクロUSB)に取り付けるための適切なコネクタ31を装備している。一般に、本体30は、充電パッド14のコイル18と本体30に収容された受電コイルとの間で効率的な磁気的結合ができるように、充分な磁気透過率を有する。例えば、本体30は、プラスティック、PCBA、テフロン等の非導電性又は非磁性材料で作ることができる。
コネクタ31は、充電アタッチメント16が接続されるデバイス12のポートに従って提供される。例えば、充電アタッチメント16がデバイス12のマイクロUSBポートに接続される場合、コネクタ31は、それに適したマイクロUSBプラグである。いくつかの実施においては、充電アタッチメント16に、デバイス12の充電ポートによって取り替えられる複数の交換可能コネクタ(例えば、マイクロUSB、ミニUSB、DC Jack等)が設けられてもよい。一般に、コネクタ31は、充電アタッチメント16と充電アタッチメントが取り付けられるデバイス12との間で1つ以上の接続を提供する。いくつかの実施においては、コネクタ31の1つ以上の接続は、充電及びデータ転送などの複数の機能を(時としては並行して)可能にする。このような複数の機能性は、デバイス12を充電中に(USBポートを介して等)データの転送を可能にすることができる。このような場合、充電パッド14上にデータ入力ポート(例えばUSBポート)が提供され、データを充電アタッチメント16を介して電磁誘導的に、時には充電と同時に、デバイス12に転送することができる。いくつかの実施においては、このような並行したデータと電力の転送は、例えば電力シグナルを変調させることで、又はデータを電力シグナルとは異なった周波数で伝送することで達成することができる。例えば、電力転送は100kHz〜500kHzの範囲で操作し、データ伝達は無線周波数の範囲、すなわち10MHz〜10GHzの範囲で行うことができる。いくつかの実施においては、伝達が可能になったデバイス12を電磁誘電的に充電中に、データソース、例えば計算装置又はメモリ機器を充電パッドに接続することができる。いくつかの実施においては、充電パッド14は、デバイス12に転送するデータを少なくとも一時的に保存するためのメモリを含むことができる。
一般に、コネクタ31は対称形ではなく、デバイス12に取り付けられた時の充電アタッチメント16の向きはデバイス102の対応するポートの向きに依存し得る。例えば、ミニUSB(若しくはマイクロUSB)ポートは、一般にその上部と下部とで幅が異なり、デバイスに設けられる際に上向きであったり下向きであったりすることができる。そのような場合、ハウジング30のデバイス12に対する向きは、ポートの方向に依存する。しかしながら、いくつかの場合においては、ハウジング30の一部分(例えば受電コイルに近い側)が充電パッド14に近いほうが好ましい場合がある。いくつかの実施においては、これは、充電アタッチメント16を対称に及び/又はリバーシブルに構成して、アタッチメント16の片端がデバイス12上のポートの向きにかかわらず充電パッド14に近くなるようにすることによって達成することができる。充電アタッチメント16は、例えばコネクタ31が望ましい方向に回転するように機械的に可能にすることによって、リバーシブルにすることができる。
いくつかの実施においては、充電アタッチメント16上のコネクタ31の位置は、調節可能にすることができる。例えば、コネクタ31は、チャネル32に沿って上下に動くように構成できる。このような配置は、ハウジングの一部を好適に位置決めすることを可能にする。例えば、コネクタ31は、ハウジング30の底部が、充電パッド14に接しているデバイス12の表面と整列するように、位置決めすることができる。コネクタ31は、ハウジング30のコイル側が充電パッド14にできる限り近くなるように位置決めすることもできる。いくつかの実施においては、コネクタ31を移動させるためのチャネル32は、コネクタ31を回転させたり、逆転させたり、取り替えたりする機能と共に設けられることができる。
いくつかの実施においては、充電アタッチメント16は、コネクタ31とハウジング30との間に開口部33を含む。開口部33は、コネクタ31をチャネル32に沿って回転及び/又は移動させたりした場合に、コネクタ31とハウジング30内の回路との間で電線が貫通したり移動したりできるようにする。いくつかの実施においては、充電アタッチメント16は、ミニUSB及びマイクロUSBコネクタの裏側に取り付けられたプリント基板(PCB)を含む。このような場合、PCBは、受電回路(整流器、電圧変換器等)を支持し、ブラシを介して2つの縦向きの導電性電源レールに接続されている。このようにして、コネクタ/PCBアセンブリは、上下に滑動して電力アダプタをデバイス側面の最適の位置に調整することができる。いくつかの実施においては、充電アタッチメント16は、コネクタ31がチャネル32に沿って移動する際に電線を格納し誘導するワイヤーガイド34を更に含む。いくつかの実施においては、コネクタ31は、回転したり逆転したりするだけでなく、チャネル32に沿って移動することができる。
更に図3Bを参照すると、概略図は、例示的な充電アタッチメント16の(コネクタ側から見て)横向きの図を示す。ワイヤーガイド34は、この図では隠されており、点線を用いて示されている。いくつかの実施においては、コネクタ31をハウジング30内の回路と接続させる電線35は、開口部33を貫通する。いくつかの実施においては、電線35は、母線の形態にまとめられていてもよい。
図4を参照すると、基本ブロック図は、例示的充電アタッチメント16の内部構造を示す。簡単な概要としては、充電アタッチメント16は、コイル40と回路41とを含む。コイル40は、1つ以上の、図1を参照して説明される1つ以上の1次コイル18と結合する受電コイルである。
いくつかの実施においては、コイル40は、図5Aに示されているように平面コイルである。平面コイルの場合、電線の回転又は巻きは本質的に同一平面上であり、コイルの高さは、コイルの直径と比較して非常に小さい。他の実施においては、コイル40は、図5Bに示されているようなスプールコイルである。スプールコイルの場合、コイル40は、透磁率μで特徴づけることができる磁性体又は非磁性体(例えばフェライト)の(半径rの)芯の周りに巻きつけられている。一般に、スプールコイルの軸は、長さlと平行であり、表面14に対して垂直である。いくつかの実施においては、コイルの長さlは、典型的な携帯機器(例えば携帯電話又はスマートフォン)の厚さよりもわずかに短い。一般に、充電アタッチメント106が取り付けられているデバイスが、充電パッド104などの表面のような平坦な表面に置かれた場合に、スプールコイルは縦方向に向く。
充電アタッチメント16は、コイル40に電磁誘導された電流を受け取り、かつそれをコネクタ31を通してデバイス及び充電池に供給する、回路41も含む。回路41は、例えば、整流器45及び電圧調整器48を含むことができる。いくつかの実施においては、整流器45は、回路41に入る交流(AC又はRF)入力を直流(DC)に変換するように構成されている。整流器45からの直流出力は、次いでDC/DC電圧調整器48に供給することができる。整流器45は、半波整流器又は全波整流器でもよく、ダイオード、レジスタ及びコンデンサなどの部品を含むことができる。
電圧調整器48は、ある範囲の入力電圧を整流器45から受け入れ、望ましい充電電圧を提供することができる。一般に、電圧調整器48は、安定化した出力電圧を提供するDC/DC変換器である。例えば、いくつかの実施においては、電圧調整器48は、5VのUSB出力を提供することができる。いくつかの実施においては、電圧調整器48は、昇圧電圧レベル、降圧電圧レベル、又はほぼ同じレベルの安定化した電圧を供給することができる。電圧調整器48の出力の電流レベルは、充電パッド14及び充電アタッチメント16のそれぞれシステムデザイン及びコイル間の電磁誘導的リンクの品質など、様々な要因によって変化し得る。例えば、5Vの出力電圧を生成する場合、電流(それは充電電流でもある)は、0.1A〜1.5Aで変化し得る。いくつかの実施においては、電圧調整器48は、USB仕様書の要件を満たすように、一定電流調整回路又は電流制限回路を含むことができる。
回路41はまた、充電パッド14から電磁誘導的に受け取ったデータを伝送するための部品など、その他の部品を含むことができる。いくつかの実施においては、データは、電力シグナルから復調されてもよいし、異なる周波数にて別個のコイルで受け取ってもよい。いくつかの実施においては、復調されたデジタルデータは、USB D+及びD−シグナルに変換され、マイクロUSBコネクタの対応するピンに供給される。特定のデバイスが充電コネクタを介して望ましい速度で電荷を受け入れることができるように、例えば特定の2つのピンの間の所定の値のレジスタのような、追加のレジスタ及び分圧器を回路41に含むことができる。
いくつかの実施においては、充電アタッチメント16を取り外すことなくデバイスのUSBポートにアクセスすることができる「パス・スルー」オプションを実施することができる。例えば、電磁誘導充電器がないとき(例えば車の中)、USBポートがその他の接続のために必要になることもあり得る。いくつかの実施においては、追加の雌コネクタ(例えば雌マイクロUSB又はミニUSBコネクタ)を、その雌コネクタが充電アタッチメント16のコネクタ31と結合するように充電アタッチメント16の裏側に取り付けてもよい。
図6は、充電アタッチメント60の例の斜視図を示す。デバイスに接続されているとき、コイル40は一般に下を向いているが、それは、このような向きがコイルを電磁誘導充電パッドに最も近づけるようにするためである。充電アタッチメント60が様々な厚さの多様なデバイスに適合できるように、コネクタ31は、チャネル32に沿って滑動できる。いくつかの実施においては、充電アタッチメント60は、充電アタッチメント60に接続する別のコネクタ(図示せず)のレセプタクルとして機能することができるウィンドウ62も有することができる。コネクタ31は、そのような接続を受け入れるために後側に雌ポートを設けることができる。このような場合、コネクタ31は、雌ポートがウィンドウ62と整列するような位置にチャネル32に沿って移動でき、それによって充電アタッチメント60が「パス・スルー」ポートとして機能するようにできる。このような場合、デバイスのポートを、充電アタッチメントをポートから取り外すことなく使用することができる。いくつかの実施においては、ポート変換を充電アタッチメント60に更に実施することができる。例えば、コネクタ31の裏側に提供される雌ポートがマイクロUSBポートであることができる一方、コネクタ31自体はミニUSBコネクタである。このような場合、充電アタッチメント60は、第1のタイプのポートを第2のタイプのコネクタにマッピングする回路を含む。
その他の実施形態は、以下の請求項の範囲内にある。

Claims (11)

  1. 電磁誘導充電アダプタ部品であって、
    ハウジングと、
    前記ハウジング内に格納され、外部の1次コイルと電磁誘導的に結合できるように構成された、導電性材料を含む伝導体コイルと、
    デバイスの電池に電力及び充電電流を供給するための第1の対の伝導体を含み、前記伝導体コイルに結合され、前記電磁誘導充電アダプタ部品を前記デバイスに備えられたポートと結合するように構成され、前記ハウジングに支持されているコネクタと、
    前記伝導体コイルと結合した回路と、
    一対のブラシと、
    一対の伝導性レールであって、前記コネクタが上を移動するように構成され、前記伝導性レールのそれぞれが、前記一対のブラシの対応するブラシを介して前記回路に接続されている、一対の伝導性レールと、を備え、
    前記回路が、整流器と、入力電圧を定圧充電電圧に変換する電圧変換器と、を含み、
    前記ハウジング内の前記伝導体コイルが前記外部の1次コイルから所定の距離内にあるように、前記コネクタが調整されている、
    電磁誘導充電アダプタ部品。
  2. 前記コネクタ内に少なくとも第2の伝導体を更に備え、前記第2の伝導体が、前記電磁誘導充電アダプタ部品と前記デバイスとの間でデータを転送するように構成されている、請求項1に記載の部品。
  3. 前記ハウジング上の前記コネクタの位置が調整可能である、請求項1に記載の部品。
  4. 前記調整可能なコネクタを動かすためのチャネルを前記ハウジングに更に備える、請求項2に記載の部品。
  5. 前記コネクタが、前記ハウジング上の点を中心に回転するように構成されている、請求項1に記載の部品。
  6. 前記コネクタがユニバーサルシリアルバス(USB)プラグを備える、請求項1に記載の部品。
  7. 前記USBプラグが、ミニUSBプラグ及びマイクロUSBプラグのうちの一方である、請求項6に記載の部品。
  8. 前記コネクタが、前記ハウジングに取り外し可能に取り付けられている、請求項1に記載の部品。
  9. 前記コネクタが、第1のタイプ及び第2のタイプのうちの一方であり、前記ハウジングが、第1のタイプのコネクタ及び第2のタイプのコネクタの両方を支持するように構成されている、請求項8に記載の部品。
  10. 前記コイルが、平面コイル及びスプールコイルのうちの一方である、請求項1に記載の部品。
  11. 前記所定の距離が約1インチ未満である、請求項1に記載の部品。
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