JP6069657B2 - 無線充電送信機及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は無線充電送信機に関し、特にファラデーシールドとダイポールアンテナアレイとの組み合わせを備えた無線充電送信機に関する。

通常、電子デバイスは、コードを介して充電デバイスを接続することにより充電されるか、又は電子デバイス内部の再充電可能な電池によって充電されることで、必要な電力が提供される。しかしながら、コードによる充電法は、充電コードの限られた長さに起因する不便を被ることとなる。

したがって、電子デバイスに関して、電磁誘導を介して実施される誘導充電（無線充電とも呼ばれる）が普及している。無線電力伝送システムは、ワイヤ／コード接続なしで送信機から受信機に電力を伝達する。

しかしながら、電磁干渉（ＥＭＩ：electromagnetic interference）は、電子デバイスの性能を低下させる主要な問題である。無線充電送信機からの無指向電磁放射は近傍の他の電子デバイスに影響を与える可能性があり、このことは高いリスク及び安全性への脅威をもたらす。

「Wireless charger and charging method」と題する米国特許出願公開第２０１４／０２８５１５９号明細書は、電子デバイスを充電する無線充電器を開示する。無線充電器は、無線電力送信機から無線周波数（ＲＦ：radio frequency）を受信し、交流（ＡＣ）電力を生成する。無線充電器はＡＣ電力を直流（ＤＣ）電力に変換し、このＤＣ電力を使用して電子デバイスを充電する。

米国特許出願公開第２０１４／０２８５１５９号明細書

したがって、移動アンテナ結合及びファラデーシールドのため（ＥＭＣ向上）の、櫛型構造のシールド及び平面ダイポールアンテナアレイを用いる無線充電送信機を提供する必要がある。

本発明は、シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせによってもたらされる、ＥＭＩフィルタリングとアンテナ結合とを組み合わせた機能を有する無線充電送信機に関する。

本発明の一実施形態によると、受信コイル（receiver coil）を有する電子デバイスを充電するために無線充電送信機が提供される。無線充電送信機は充電モジュールを含み、充電モジュールは、受信コイルに電磁結合される送信コイル（transmitter coil）と、シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせとを含む。シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせは複数のダイポールアンテナを含み、ダイポールアンテナのそれぞれは複数の櫛状のアンテナ部を含む。

本発明の別の実施形態によると、無線充電送信機に適用可能な無線充電方法が提供される。本方法は、電子デバイスから移動体通信信号を受信させるために、無線充電送信機のシールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせを電子デバイスのアンテナに無線結合することと、無線充電送信機の送信コイルによって電子デバイスを無線充電することと、を含む。シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせは、複数のダイポールアンテナを含み、ダイポールアンテナのそれぞれは複数の櫛状のアンテナ部を含む。

本発明の一実施形態に係る無線充電送信機のシールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせを示す図である。 本発明の実施形態に係るシールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせを有する無線充電送信機と、無線充電送信機によって無線充電される電子デバイスとを示す図である。 本発明の実施形態に係るシールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせの可能な実施形態を示す図である。 本発明の実施形態によるシールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせの可能な実施形態を示す図である。 充電モードにあって、かつ、シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせを有していない無線充電送信機から放出される電気放射（electric radiation）を示す図である。 充電モードにあって、かつ、本発明の実施形態に係るシールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせを有する無線充電送信機から放出される電気放射を示す図である。

以下の詳細な記載において、説明の目的で、開示される実施形態の完全な理解を提供するために数多くの具体的な詳細が示される。しかしながら、これらの具体的な詳細なしで、１又は複数の実施形態を実施してもよいことは明らかとなろう。他の例では、図面を簡略化するために、周知の構造及びデバイスが概略的に示される。

本発明の技術用語は、本発明の技術分野における一般的な定義に基づく。本発明において１又はいくつかの用語が記載又は説明される場合、これらの用語の定義は本発明の記載又は説明に基づく。以下の詳細な記載において、本発明のいくつかの例示的な実施形態は例として示され、記載される。当業者が認識するように、記載される例示的な実施形態は全て、本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく様々な方法で変更してもよい。したがって、これらの図面及び記載は、本質において例示とみなされるべきであって、限定的なものではないと見なされるべきある。

図１は、本発明の一実施形態の無線充電送信機のシールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせを示す。図２は、本発明の実施形態に係るシールドと平面ダイポールアンテナアレイとの櫛型の組み合わせを有する無線充電送信機と、電子デバイス４０とを示す。電子デバイス４０を無線充電するために無線充電送信機１００を用いてもよい。

ここで図１及び図２を参照されたい。無線充電送信機１００は充電モジュール１０及び制御装置３０を含む。充電モジュール１０は少なくとも１つの送信コイル（又は第１のコイルと呼ばれる）１１、配置エリア１２、及び、シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせ１３を含む。送信コイル１１は、電子デバイス４０内で構成される受信コイル（又は第２のコイルと呼ばれる）４１に電磁結合され、電力変換のために電源（図示せず）に結合してもよい。送信コイル１１は無線充電送信機１００の基板（例えば、ＰＣＢ（プリント回路板：printed circuit board））に組み込んでもよい。無線充電に際して、電子デバイス４０を充電モジュール１０の配置エリア１２に配置してもよい。無線充電送信機１００は、物体（例えば、電子デバイス４０）が無線充電送信機１００に接近しているか否かを検知する追加のコンポーネント（図示せず）を更に含んでもよい。物体が無線充電送信機１００に接近しているか否かを検知する方法の詳細は、本発明の記載において省略されてもよい。

一般的に、電子デバイス４０は受信コイル４１及びアンテナ４２を含んでもよい。無線充電に際して、受信コイル４１は、無線充電送信機１００の送信コイル１１によって生成される電磁場を誘導して電流に変換し、電子デバイス４０内のバッテリー（図示せず）を充電するか、又は電子デバイス４０の動作のための電力を提供するかしてよい。

本発明の実施形態において、無線充電送信機１００は２つのモード、すなわち、待機モード及び充電モードを有してもよい。待機モードにおいて、無線充電送信機１００は、物体が無線充電送信機１００から所定の半径内に接近しているか否かを検知してもよい。充電モードにおいて、シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせ１３は電気放射を遮蔽するためのものであり、かつ電子デバイス４０のアンテナ４２と結合するためのものである。したがって、電気放射遮蔽機能とアンテナ結合機能とを組み合わせたものが、シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせ１３によってもたらされる。２つのモード間の切り替えが以下で説明される。

加えて、シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせ１３は、無線充電において、送信コイル１１からのＥ場の放射放出（radiation emission）を遮蔽し減少させるＥＭＩフィルターの役割を果たしてもよい。ただし、電子デバイス４０を無線充電するのに用いられる送信コイル１１からのＨ場（磁場）はシールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせ１３によって遮蔽されない。

制御装置３０は、シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせ１３に結合される。制御装置３０は、物体（例えば、電子デバイス）が無線充電送信機１００から所定の半径内に接近していることを無線充電送信機が検知した場合、充電モジュール１００を待機モードから充電モードに切り替えて、電子デバイス４０を無線充電してもよい。

制御装置３０は、通信時、例えば送信コイル１１を介して電子デバイス４０にピング（ping）信号を送信してもよい。したがって、電子デバイス４０は、変調コンデンサー（図示せず）又は抵抗器（図示せず）をピング信号に対してスイッチングしてもよい。電子デバイス４０からの磁場の中にあるこの変調情報は、無線充電送信機１００の送信機復調器（図示せず）によって復調され、電子デバイス４０が充電されることを決定してもよい。復調後、無線充電送信機１００は、所定の半径内に接近している物体を無線充電することを決定してもよい。

充電モードにおいて、電子デバイス４０によってバッテリーの充電状態が無線充電送信機１００に報告される。電子デバイス４０内の無線電力受信機からの変調情報は、ピングを行う及び充電する磁場の中にある。さらに、ピングを行うときは、待機モード及び充電モードにおいて、シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型組み合わせ１３はアンテナのような役割を果たし、電子デバイス４０から移動体通信信号を受信するために電子デバイス４０に結合される。

さらに、本発明の実施形態において、シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせ１３は３つのダイポールアンテナ１３Ａ〜１３Ｃを含んでもよい。この実施形態において、３つのダイポールアンテナ１３Ａ〜１３Ｃは同一又は類似のアンテナ構成を有してもよい。ダイポールアンテナ１３Ａは、２つのアンテナ部１３Ａ＿１及び１３Ａ＿２を含む。ダイポールアンテナ１３Ａのアンテナ部１３Ａ＿１及び１３Ａ＿２のそれぞれは、櫛ベース１３１及び複数のパラレルトラック１３２を含む。スペース１３３が、隣接するトラック１３２の間に配置されている。全てのトラック１３２が櫛ベース１３１に接続されている。図１に示すように、アンテナ部１３Ａ＿１及び１３Ａ＿２の構造は櫛型形状である。さらに、図１においてトラック１３２は櫛ベース１３１に対して垂直であるが、他の方向も適用可能である。ダイポールアンテナ１３Ａ〜１３Ｃは他の可能な位置及び他の可能な方向を有していてもよく、このようなものも本発明の範囲及び趣旨の範囲内にある。シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせ１３は、導電材料の層から作られる。さらに、シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせ１３は、無線充電送信機１００のキャリアにプリントしてもよい。

ダイポールアンテナ１３Ａ〜１３Ｃは電子デバイス４０のアンテナ４２に無線結合される。ダイポールアンテナ１３Ａ〜１３Ｃは、移動体通信周波数（例えば８５０ＭＨｚ〜２．７ＧＨｚ又は８００ＭＨｚ〜２．５ＧＨｚであるが、これに限定されない）において電子デバイス４０のアンテナ４２に無線結合される。

無線充電送信機１００の基板（又はキャリア）はＰＣＢとしてもよい。可能な実施形態においては、箔のような他のキャリア材料を使用してもよい。

本発明の実施形態の記載において、「誘導充電」とも呼ばれる「無線充電」という用語は、電磁場を用いて無線充電送信機１００から電子デバイス４０にエネルギーを伝達することを指す。エネルギーは、無線充電送信機１００の送信コイル１１から誘導結合を介して電子デバイス４０の受信コイル４１に送られる。その後、電子デバイス４０はこのエネルギーを用いて電子デバイス４０内のバッテリー（図示せず）を充電するか、又は電子デバイス４０を稼動してもよい。

通常、無線充電に関して、無線充電送信機１００は誘導コイルとして送信コイル１１を用いて、交流（ＡＣ）電源（図示せず）に結合し、交流電磁場を生成する。次に、電子デバイス４０内の受信コイル４１が電磁場から電力を取得し、この電力を電流に変換し、電子デバイス４０のバッテリー（図示せず）を充電する。近接する２つの誘導コイル１１、４１は組み合わさって、緩く結合された変圧器を形成する。

無線充電において（充電モードにおいて）、送信コイル１１からのＨ場（磁場）は電子デバイス４０を充電するが、無線充電送信機１００の送信コイル１１はＥ場（電場）も送信する。Ｅ場は、無線充電送信機１００の付近の他のデバイスを妨害する場合がある。シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせ１３は、Ｅ場からの電気放射を遮蔽する（無線充電送信機１００が充電モードにあるとき）が電子デバイス４０に結合される誘導磁気（Ｈ場）を遮蔽しないＥＭＩフィルターとして用いられる。加えて制御装置３０は、アース３１に結合されるよう、シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせ１３をスイッチングし、これにより放射放出（radiated emission）は減少する。無線充電送信機１００に接近している物体がピング信号に応答しない場合、制御装置３０は無線充電送信機１００を待機モードのまま維持する。制御装置３０は、アース３１と、シールド及び平面ダイポールアンテナアレイとの櫛型の組み合わせ１３との間で電気結合されるスイッチ３２を更に含んでもよい。

シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせ１３は、ファラデーシールドとも呼ばれる。シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせ１３は、金属シート若しくは箔、又は遮蔽に適した他の材料から作ってもよい。

好ましい実施形態として、構造を強化するため、又は金属材料の使用を削減するために、シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせ１３をＰＣＢ板にプリントしてもよい。シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせ１３は、送信コイル１１を覆ってもよい。

図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の実施形態によるシールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせの２つの可能な実施形態を示す。符号「＋」及び「−」はダイポールアンテナの極性を指す。図３Ａにおけるダイポールアンテナ１３Ａ〜１３Ｃは、図１及び図２のシールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせ１３において用いられる。図３Ｂに示すように、シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせ１３’におけるダイポールアンテナ１３Ａ’〜１３Ｃ’は、シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせ１３におけるダイポールアンテナ１３Ａ〜１３Ｃとは異なる極性配置を有する。しかしながら、シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせ１３’は、シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせ１３と同一又は類似の機能を有する。

シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせを有する無線充電送信機の遮蔽能力と、これを有しない無線充電送信機の遮蔽能力とを比較する。図４は、充電モードにおいて、シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせを有しない無線充電送信機から放出される電気放射を示す図である。図５は、充電モードにおいて、本発明の実施形態に係るシールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせを有する無線充電送信機から放出される電気放射を示す図である。双方の図における線Ｌ４１及びＬ５１は、ピーク検出のトレース（peak detector trace）を指し、双方の図における線Ｌ４２及びＬ５２は平均検出のトレース（average detector trace）を指す。図４から見て取ることができるように、電気放射が基準（standard）を大幅に上回っている。一方、図５では、基準を抜くピークは少数である。本発明の実施形態の設計によって、Ｅ場の放射放出を確実に減少させることができることが証明された。

本発明の実施形態の無線充電送信機は、様々な異なる産業、例えば、自動車産業、家庭用品、家庭用電化製品、医療システムに適している。

開示された実施形態に様々な修正及び変更を行うことができることは当業者には明らかであろう。詳細及び例は例示としてのみ見なされ、本発明の真の範囲は以下の特許請求の範囲及びその均等物によって示されることが意図される。

Claims (8)

1. 受信コイルを有する電子デバイスを充電する無線充電送信機であって、
   前記受信コイルに電磁結合される送信コイルと、
   シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせと、を含む充電モジュールを含み、
   前記シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせは複数のダイポールアンテナを含み、前記ダイポールアンテナのそれぞれは複数の櫛状のアンテナ部を含む、
   無線充電送信機。
2. 前記アンテナ部のそれぞれは、櫛ベースと、前記櫛ベースに接続されている複数のパラレルトラックとを含む、
   請求項１に記載の無線充電送信機。
3. 前記送信コイルから送信される電場は、充電モードにおいて、前記シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせによって遮蔽され、前記シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせは、前記送信コイルが前記受信コイルと誘導的に磁気結合することを可能にし、前記送信コイルからの磁場放出は、前記シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせを通過する、
   請求項２に記載の無線充電送信機。
4. 前記電子デバイスから送信される移動体通信信号が前記シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせによって受信され、
   ピングを行った場合には、前記電子デバイスからの変調情報が前記無線充電送信機によって復調され、前記無線充電送信機は前記変調情報を復調して、前記電子デバイスが前記無線充電送信機によって充電されるべきか否かを判断する、
   請求項１に記載の無線充電送信機。
5. 無線充電送信機に適用可能な無線充電方法であって、
   電子デバイスから移動体通信信号を受信させるために、前記無線充電送信機のシールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせを前記電子デバイスのアンテナに無線結合することと、
   前記無線充電送信機の送信コイルによって前記電子デバイスを無線充電することと、
   を含み、
   前記シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせは複数のダイポールアンテナを含み、前記ダイポールアンテナのそれぞれは複数の櫛状のアンテナ部を含む、
   無線充電方法。
6. 前記アンテナ部のそれぞれは櫛ベースと、前記櫛ベースに接続されている複数のパラレルトラックとを含む、
   請求項５に記載の無線充電方法。
7. 充電モードにおいて、前記無線充電送信機の前記送信コイルから送信される電場を、前記シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせによって遮蔽することと、
   前記送信コイルが前記電子デバイスの受信コイルに誘導的に磁気結合することを可能にすることと、
   前記送信コイルからの磁場を、前記シールド及び平面ダイポールアンテナアレイの櫛型の組み合わせを通過させることと、
   を更に含む、
   請求項６に記載の無線充電方法。
8. 前記電子デバイスから送信される前記移動体通信信号は、前記シールドと平面ダイポールアンテナアレイとの櫛型組み合わせによって受信され、
   ピングを行った場合には、前記電子デバイスからの変調情報が復調され、前記電子デバイスが前記無線充電送信機によって充電されるべきか否かが判断される、
   請求項５に記載の無線充電方法。

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