JP5829270B2 - 無線充電用電力受信機及びそれを備える携帯用電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、無線充電システムにおいて電力を受信する電力受信機及びそれを備える携帯用電子機器に関する。

一般に、移動通信端末機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistants）などの携帯用電子機器には、再充電可能な二次電池がバッテリとして装着される。バッテリを充電するためには、家庭用商用電源を用いて携帯用電子機器のバッテリに電気エネルギーを供給する充電装置が必要である。

通常、充電装置及びバッテリには外部にそれぞれ別途の接触端子が構成されており、当該接触端子同士を接続することにより充電装置とバッテリとを電気的に接続する。しかしながら、このように接触端子が外部に突出している場合は、美観上好ましくないだけでなく、接触端子が外部の異物により汚染されて接触不良になりやすい。また、使用者の不注意でバッテリに短絡が発生したり湿気にさらされると、充電エネルギーが消耗しやすくなる。

このような接触式充電の代案として、充電装置の接触端子とバッテリの接触端子とが接触しない方式でバッテリを充電する非接触式（無線）充電システムが提案されている。

本発明の目的は、無線充電用電力供給機から提供される電力を受信するための部分を交換することのできる、無線充電用電力受信機及びそれを備える携帯用電子機器を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の一実施形態による無線充電用電力受信機は、収容部が形成される胴部と、前記収容部に着脱可能に収容され、電力供給機との磁気結合により電力が供給されるように形成されるコイル、及び前記コイルにより誘起される誘導起電力によりバッテリを充電するように構成される充電回路を備える充電キットとを含む。

前記胴部は、携帯用電子機器に装着される前記バッテリを覆うように、前記携帯用電子機器に結合されるバッテリカバーを含んでもよい。

前記収容部は、前記バッテリカバーの側面から前記充電キットが挿入されるように形成されてもよい。

前記収容部は、前記バッテリカバーの主面と平行な面をなすように形成されてもよい。

前記充電キットは、前記コイル及び前記充電回路と、前記コイル及び前記充電回路を囲み、外観を形成するフレームとを含んでもよい。

前記コイルは、円形、四角形、トラック形、楕円形、及びそれらの組み合わせのいずれかの形状に形成されてもよい。

前記充電回路は、前記バッテリの第１端子と接続される充電端子を含んでもよい。

前記充電キットは、前記フレーム内に配置され、前記コイルからの磁力漏れを防止する遮蔽部材をさらに含んでもよい。

前記フレームは、互いに結合されて前記コイル及び前記充電回路が内蔵される内部空間を形成する第１部分及び第２部分を含んでもよい。

前記フレームは、前記第１部分及び前記第２部分の少なくとも一方から突出し、前記コイルを支持するシャフトをさらに含んでもよい。

前記充電回路は、前記バッテリの端子と接続される充電端子を含み、前記第１部分及び前記第２部分のいずれか一方には、前記充電端子を露出させる端子スロットが形成されてもよい。

前記胴部は、前記バッテリが装着された携帯用電子機器を含んでもよい。

本発明の他の実施形態による携帯用電子機器は、ディスプレイ、及び前記ディスプレイに電力を供給するバッテリを備える本体と、前記バッテリに電力を供給するように形成される前記無線充電用電力受信機とを含む。

前記本体は、無線通信モジュールをさらに含んでもよい。

前記バッテリは、前記無線充電用電力受信機に接続される第１端子と、前記本体の端子に接続される第２端子とを含んでもよい。

前記のように構成される本発明による無線充電用電力受信機及びそれを備える携帯用電子機器においては、無線充電用電力受信機の一部分を必要に応じて交換できるようにする。

これにより、当該交換対象部分を他の無線充電用電力受信機に対して使用することもできる。

本発明に係る無線充電システムの概略斜視図である。 図１の無線充電システムの内部機能ブロック図である。 本発明の一実施形態による電力受信機２００及びそれが装着される移動通信端末機４００を示す分解斜視図である。 図３の充電キット３００の分解斜視図である。 図３のバッテリ２６２と電力受信機２００の関係を示す分解斜視図である。 本発明の他の実施形態による充電キット３００'を示す分解斜視図である。 本発明のさらに他の実施形態による充電キット３００''を示す分解斜視図である。

以下、本発明の好ましい実施形態による無線充電用電力受信機及びそれを備える携帯用電子機器について添付図面を参照して詳細に説明する。本明細書においては、異なる実施形態であっても同一又は類似の構成要素には同一又は類似の符号を付し、その説明は最初の説明を援用する。

図１は本発明に係る無線充電システムの概略斜視図である。

同図に示すように、前記無線充電システムは、電力供給機１００と、バッテリを充電するために電力供給機１００から無接点で電力の供給を受ける電力受信機２００とを含む。

電力供給機１００は、外部電源から供給される電気エネルギーにより電力受信機２００に供給する充電電力を生成する装置である。電力供給機１００は、電力受信機２００を容易に載置できるように、パッド状に形成されてもよい。電力供給機１００に供給される外部電源としては、商用交流電源（６０Ｈｚ，２２０Ｖ／１００Ｖ）又は直流電源が採用されてもよい。

電力受信機２００は、バッテリが内蔵されたバッテリパック、又はバッテリが内蔵された携帯用電子機器を含む。また、電力受信機２００は、バッテリに接続される携帯用電子機器の一部分であってもよく、携帯用電子機器とは別にバッテリに接続される部材であってもよい。携帯用電子機器としては、セルラフォン、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤなどが挙げられる。バッテリは、再充電可能な電池セルであって、リチウムイオン電池やリチウムポリマー電池などを含む。

電力供給機１００は１次コイル１１０を備え、電力受信機２００は電力供給機１００の１次コイル１１０に対応する２次コイル２１０を備えるようにしてもよい。１次コイル１１０と２次コイル２１０とは、誘導結合により磁気的に結合される。すなわち、２次コイル２１０が１次コイル１１０上に並列に載置されることにより、１次コイル１１０により生成される磁場が２次コイル２１０内に誘導電流を誘起させる。

電力供給機１００には、１次コイル１１０を駆動して磁場を生成するための充電電力供給回路１５０（図２参照）が内蔵される。電力受信機２００には、２次コイル２１０により誘起される誘導起電力を利用してバッテリを充電する充電回路２５０（図２参照）が内蔵される。

以下、図２を参照して充電電力供給回路１５０及び充電回路２５０の構成を詳細に説明する。図２は図１の無線充電システムの内部機能ブロック図である。

同図に示すように、電力供給機１００に内蔵される充電電力供給回路１５０は、１次コイル１１０、整流器１５２、駆動回路１５３、制御器１５５、無線受信モジュール１５６を含んでもよい。

整流器１５２は、商用交流電源１５１からの交流電圧を直流電圧に整流して駆動回路１５３に送る。駆動回路１５３は、整流器１５２により整流された直流電圧を用いて商用周波数以上の高周波交流電圧パルスを生成し、これを１次コイル１１０に印加して磁界を生成する。

駆動回路１５３は、電力駆動部１５４ａとパルス幅変調（Pulse Width Modulation; PWM）信号発生器１５４ｂとを含んでもよい。電力駆動部１５４ａは、所定レベルの直流電圧を変換して商用周波数以上の高周波交流電圧を発振する高周波発振回路と、パルス幅変調された高周波交流電圧パルスを１次コイル１１０に印加することにより１次コイル１１０を駆動するドライブ回路とを含んでもよい。ＰＷＭ信号発生器１５４ｂは、前記高周波交流電圧をパルス幅変調する。これにより、電力駆動部１５４ａの出力端から出力される出力信号は高周波交流電圧パルスとなる。この高周波交流電圧パルスはパルス列となり、このパルス列のパルス幅は制御器１５５により調整される。駆動回路１５３としては、例えばスイッチングモードパワーサプライ（Switching Mode Power Supply; SMPS）を採用してもよい。

制御器１５５は、無線送信モジュール２５６及び無線受信モジュール１５６を経由してフィードバックされるバッテリの充電状態情報に基づいて、前記パルス幅変調される高周波交流電圧パルスのパルス幅を調整する。例えば、制御器１５５は、充電回路２５０からフィードバックされる応答信号が充電開始信号である場合、１次コイル１１０の駆動モードを待機モードから充電モードに切り替える。そして、充電回路２５０からフィードバックされる充電状態情報を分析した結果、バッテリが満充電状態であると判断された場合、１次コイル１１０の駆動モードを充電モードから完充モードに切り替える。制御器１５５は、充電回路２５０からフィードバックされる応答信号がない場合、１次コイル１１０の駆動モードを待機モードに維持する。

無線受信モジュール１５６は、コイル１１０が充電回路２５０の無線送信モジュール２５６から送信されるフィードバック応答信号を受信することにより、そのフィードバック応答信号を復調してバッテリ２６２の充電状態情報を復元する復調器のような受信部１５６を含む。無線受信モジュール１５６は、コイル１１０とは別に、充電回路２５０の無線送信モジュール２５６から送信されるフィードバック応答信号を受信するアンテナを含んでもよい。

このような充電電力供給回路１５０は、回路を過電圧から保護するための過電圧フィルタ回路や、整流器により整流された直流電圧を所定レベルの電圧に維持するための定電圧回路をさらに含んでもよい。前記過電圧フィルタ回路は、商用交流電源１５１と整流器１５２との間に配置され、前記定電圧回路は、整流器１５２と駆動回路１５３との間に配置されてもよい。

次に、充電電力供給回路１５０から供給される電力によりバッテリ２６２を充電する充電回路２５０について詳細に説明する。充電回路２５０は電力受信機２００に内蔵される。

充電回路２５０は、２次コイル２１０、整流器２５１、定電圧／定電流回路２５２、立下り検出器２５３、制御器２５５、無線送信モジュール２５６を含んでもよい。

２次コイル２１０は、１次コイル１１０と磁気的に結合されて誘導起電力を発生させる。前述のように、１次コイル１１０に印加される電力信号がパルス幅変調信号であるので、２次コイル２１０により誘起される誘導起電力も交流電圧パルス列である。また、１次コイル１１０の駆動モードに応じて２次コイル２１０に誘起される交流電圧パルスも、待機モード、充電モード、及び完充モードのいずれか１つのモードに従う。

整流器２５１は、２次コイル２１０の出力端に連結され、２次コイル２１０により誘導された交流電圧パルスを所定レベルの直流に平坦化する。定電圧／定電流回路２５２は、所定レベルの直流電圧を用いてバッテリ２６２に充電する定電圧及び定電流を生成する。具体的には、バッテリ２６２の初期充電時点で定電流モードを維持していて、バッテリ２６２の充電電圧が飽和状態となると、定電圧モードに切り替える。

立下り検出器２５３は、２次コイル２１０により誘導された交流電圧パルスの下降時点、すなわち立下り時点（falling time）を検出する装置である。立下り検出信号は制御器２５５に入力される。

制御器２５５は、一種のマイクロプロセッサであって、立下り検出信号、充電電流、充電電圧などのモニタ信号が入力され、当該モニタ信号に基づいて定電圧／定電流回路２５２及び無線送信モジュール２５６を制御する。例えば、制御器２５５は、立下り検出器２５３から入力される立下り検出信号に基づいてパルスの下降時点を把握し、充電電力供給回路１５０に送信するフィードバック応答信号の送信時点を前記パルスの下降時点に同期化する。制御器２５５は、バッテリ２６２の充電電流及び充電電圧をモニタし、そのモニタ値を内部メモリ（図示せず）に一時保存する。前記メモリは、モニタされた充電電流及び充電電圧などのバッテリ２６２の充電状態情報だけでなく、バッテリ２６２の仕様情報（製品コード、定格など）も共に保存することができる。

また、制御器２５５は、バッテリ２６２の充電状態に応じて定電圧モードと定電流モードを適宜選択して切り替える。制御器２５５は、定電圧／定電流回路２５２の両端に過度な電圧が印加されるかをモニタし、過度な電圧が印加されると充電電力の調整要求信号を生成する。前記調整要求信号は、無線送信モジュール２５６を介して電力供給機１００側の充電電力供給回路１５０にフィードバックされる。

定電圧／定電流回路２５２の両端電圧のモニタ動作は、定電圧／定電流回路２５２の前端電圧及び後端電圧を測定してその差が基準値を超えるか否かを検査することにより行われる。無線送信モジュール２５６は、コイル２１０がフィードバック応答信号（充電開始信号、充電状態信号、調整要求信号）を充電電力供給回路１５０に送信する際に、充電状態情報などのベースバンド信号を変調してフィードバック応答信号を生成する送信部２５６を含む。無線送信モジュール２５６は、コイル２１０とは別に、充電電力供給回路１５０に送信するフィードバック応答信号を送信するアンテナを含んでもよい。

定電圧／定電流回路２５２とバッテリ２６２との間には、バッテリ２６２に過電圧や過電流が印加されることを防止するための保護回路（Protective Circuit Module; PCM）２６１が配置される。保護回路２６１及びバッテリ２６２は１つのバッテリユニット２６０を構成する。

図３は本発明の一実施形態による電力受信機２００及びそれが装着される移動通信端末機４００を示す分解斜視図である。

同図に示すように、携帯用電子機器は、無線通信モジュールを備える移動通信端末機４００であってもよい。移動通信端末機４００は、本体４１０、ディスプレイ４２０、操作キー４３０、マイク４４０、スピーカ４５０、カメラ４６０、及びバッテリ２６２を含んでもよい。ディスプレイ４２０は、タッチ入力が可能なタッチレイヤが取り付けられたものであってもよい。操作キー４３０により入力される情報は、ディスプレイ４２０及びスピーカ４５０から出力される。マイク４４０からは音声やその他の音が入力される。カメラ４６０からは画像情報が入力される。

バッテリ２６２は、ディスプレイ４２０などの動作に必要な電力を供給する。バッテリ２６２は、本体４１０の背面に装着したり、本体４１０から分離することができる。バッテリ２６２が本体４１０に装着された状態を維持するために、本体４１０の背面にはバッテリカバー２３０が着脱可能に結合される。

本実施形態においては、バッテリカバー２３０に充電キット３００が着脱可能に収納される。このようなバッテリカバー（又は胴部）２３０と充電キット３００とは電力受信機２００を構成する。

胴部２３０は、主面２３１と側面２３２とを含んでもよい。側面２３２には、充電キット３００が収容される収容部２３５が、外部に連通するように開口して形成されてもよい。収容部２３５に収容された充電キット３００は、主面２３１と平行に配置されてもよい。このような構造によれば、充電キット３００が挿入された場合における主面２３１の厚さの増加を最小限に抑えることができる。

充電キット３００は、電力供給機１００（図１参照）から無線で電力の供給を受けてバッテリ２６２を充電するためのキットである。

以上、充電キット３００がバッテリカバー２３０という胴部に収納される場合を説明したが、充電キット３００は移動通信端末機４００の本体４１０に収納されるように構成してもよい。この場合、電力受信機２００の胴部は、移動通信端末機４００の本体４１０になる。また、収容部２３５は、本体４１０の側面から外部に連通するように本体４１０に形成される空間にしてもよい。

以下、図４を参照して充電キット３００の構成を説明する。図４は図３の充電キット３００の分解斜視図である。

同図に示すように、充電キット３００は、フレーム３１１、３１６、コイル３２０、接着部材３２５、充電回路３３０、遮蔽部材３４０を含んでもよい。

フレーム３１１、３１６は、充電回路３３０の外形を形成する部材である。フレーム３１１、３１６は、コイル３２０などが収容される内部空間を形成するように結合される第１部分３１１及び第２部分３１６を含んでもよい。第１部分３１１の内面には、シャフト３１３及びリブ３１５が突設されてもよい。第２部分３１６には、端子スロット３１７が開口して形成されてもよい。

コイル３２０は、図１及び図２において符号２１０を用いて説明した２次側コイルである。コイル３２０は、１次側コイル１１０（図１参照）と磁気的に結合されて誘導起電力を誘起させる。コイル３２０は、略円形状に巻回された形態を有する。コイル３２０の中心には、シャフト３１３が挿入される開口部が形成される。

接着部材３２５は、第１部分３１１とコイル３２０との間に配置され、コイル３２０が第１部分３１１に取り付けられるようにする。接着部材３２５は、例えば両面テープでもよい。接着部材３２５の中央には、シャフト３１３に対応する開口孔が形成されてもよい。

充電回路３３０は、コイル３２０に電気的に接続され、コイル３２０により誘起される誘導起電力が充電端子３３１を介して接続されるバッテリ２６２を充電する。充電回路３３０は、第１部分３１１の内面に形成されるリブ３１５により固定されてもよい。

遮蔽部材３４０は、コイル３２０と第２部分３１６との間に配置されてもよい。遮蔽部材３４０は、コイル３２０からの磁束が充電キット３００から外れる方向に漏れることを防止する役割を果たす。遮蔽部材３４０は、コイル３２０で発生する磁路をより効果的に形成させるための磁性体と、磁場の外部への放出を低減できるようにメッシュ状に形成される渦電流低減部材とを含んでもよい。ここで、磁性体は、磁路を形成させて効率を向上させる役割と共に、磁場が移動通信端末機４００の外部に出ることを防止する役割を果たす。前記磁性体から出た磁場の一部は、前記渦電流低減部材が最終的に遮断する。これにより、前記磁性体及び前記渦電流低減部材は、互いの主面が対向するように、２つのプレートが積層された形態を有してもよい。

図５は図３のバッテリ２６２と電力受信機２００の関係を示す分解斜視図である。

同図に示すように、バッテリ２６２は、外部に露出する第１端子２６２ａ及び第２端子２６２ｂを有するようにしてもよい。第１端子２６２ａは、電力受信機２００の充電端子３３１に接続されるものであり、第２端子２６２ｂは、移動通信端末機４００（図３参照）の端子に接続されるものである。

電力受信機２００は、前述のように、充電キット３００が内蔵された胴部２３０を有する。ここで、胴部２３０は、バッテリ２６２を覆うように移動通信端末機４００に結合されるバッテリカバーである。胴部２３０の主面２３１には、充電端子３３１を露出させる露出部２３７が開口している。露出部２３７から外部に露出する充電端子３３１は、バッテリ２６２の第１端子２６２ａに接続される。

このような構成によれば、電力供給機１００（図１参照）により充電キット３００に誘導された電力は、充電端子３３１と第１端子２６２ａを介してバッテリ２６２に充電される。充電されたバッテリ２６２は、第２端子２６２ｂを介して移動通信端末機４００に電力を供給する。

充電キット３００は胴部２３０から分離可能であるので、１つの胴部２３０に使用される充電キット３００を他の胴部に使用することもできる。この場合、充電キット３００の異常時、胴部２３０を交換するのではなく、充電キット３００のみを交換すればよい。

さらに、１つの充電キット３００を様々な電力受信機２００に対応させることもできる。例えば、１つの充電キット３００を、移動通信端末機４００のバッテリ２６２の充電に使用すると共に、携帯用カメラのバッテリの充電に使用することができる。

図６は本発明の他の実施形態による充電キット３００'を示す分解斜視図である。

同図に示すように、充電キット３００'は、上記実施形態の充電キット３００と同様であるが、コイル３２０'が上記実施形態のコイル３２０とは異なる。

本実施形態においては、コイル３２０'が略四角形状に巻回されて形成される。四角形状のコイル３２０'は、円形状のコイルに比べて面積を増加させることができ、１次側コイル１１０（図１参照）との磁気結合効率が高いという利点がある。

図７は本発明のさらに他の実施形態による充電キット３００''を示す分解斜視図である。

同図に示すように、充電キット３００''は、上記実施形態の充電キット３００と同様であるが、コイル３２０''が上記実施形態のコイル３２０とは異なる。

本実施形態においては、コイル３２０''が四角形状のコイル内に円形状のコイルが配置された複合形態を有する。このような複合型コイル３２０''は、円形状のコイルに比べて広い面積を確保することができて効率が高くなり、また、四角形状のコイルに比べて１次側コイル１１０（図１参照）との整列が若干外れたときの対応効率も高くなる。

前述したコイル３００、３００'、３００''は、円形、四角形などに限定されるものではなく、楕円形、トラック形などの形状に巻回されてもよい。

本発明による無線充電用電力受信機及びそれを備える携帯用電子機器は、上記実施形態の構成と作動方式に限定されるものではなく、各実施形態の全部又は一部を選択的に組み合わせて構成することで様々に変形することができる。

Claims (12)

1. 一面が外部に対して開口している収容部が形成され、前記収容部に貫通開口している露出部を有する胴部と、
   前記収容部に着脱可能に収容される充電キットであって、前記充電キットは、電力供給機との磁気結合により電力が供給されるように形成されるコイルと、前記コイルにより誘起される誘導起電力によりバッテリを充電するように構成され、前記バッテリの第１端子と接続される充電端子を含む充電回路と、前記コイル及び前記充電回路が収容される内部空間を形成し、前記露出部に対応する位置に前記充電端子が挿入されるように貫通開口している端子スロットと、を有するフレームと、を備える充電キットと
   を含む、無線充電用電力受信機。
2. 前記胴部は、携帯用電子機器に装着される前記バッテリを覆うように、前記携帯用電子機器に結合されるバッテリカバーを含み、
   前記バッテリカバーは、４つの辺からなり、前記露出部が形成され、かつ内部に前記収容部が形成される主面部と、前記４つの辺のうち少なくとも１つの辺から突出形成されて前記携帯用電子機器に接触する側面部と、前記携帯用電子機器と結合するために前記４つの辺のうち少なくとも１つの辺に設けられた結合フックと、を有する、請求項１に記載の無線充電用電力受信機。
3. 前記収容部の開口している前記一面は、前記主面部の側面に形成される、請求項２に記載の無線充電用電力受信機。
4. 前記収容部は、前記バッテリカバーの前記主面部と平行な面をなすように形成される、請求項２に記載の無線充電用電力受信機。
5. 前記コイルは、円形、四角形、トラック形、楕円形、及びそれらの組み合わせのいずれかの形状に形成される、請求項１に記載の無線充電用電力受信機。
6. 前記充電キットは、前記フレーム内に配置され、前記コイルからの磁力漏れを防止する遮蔽部材をさらに含む、請求項１に記載の無線充電用電力受信機。
7. 前記フレームは、前記内部空間を形成するように互いに結合する第１部分及び第２部分を含む、請求項１に記載の無線充電用電力受信機。
8. 前記コイルの中心には開口部が形成され、
   前記第１部分から突出し、前記コイルの開口部に挿入されて前記コイルを支持するシャフトをさらに含む、請求項７に記載の無線充電用電力受信機。
9. 前記第１部分の内面と前記コイルの間に配置され、前記コイルを前記内面に取り付ける接着部材をさらに含む、請求項７に記載の無線充電用電力受信機。
10. ディスプレイ、及び前記ディスプレイに電力を供給するバッテリを備える本体と、
    前記バッテリに電力を供給するように形成される、請求項１に記載の無線充電用電力受信機と
    を含む、携帯用電子機器。
11. 前記本体は、無線通信モジュールをさらに含む、請求項１０に記載の携帯用電子機器。
12. 前記バッテリは、
    前記無線充電用電力受信機に接続される第１端子と、
    前記本体の電源端子に接続される第２端子と
    を含む、請求項１０に記載の携帯用電子機器。

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