(57)【要約】【課題】小型の携帯機器を携帯性のある充電器により効率よく充電可能なワイヤレス充電装置を提供する。【解決手段】本発明のワイヤレス充電装置は、充電器１３と携帯機器７とからなり、充電器１３は、給電コイル９が巻装された給電カットコア８と、送信回路部１０と、給電可能な電源１２とを有し、第一の外装ケース１１に収納され、携帯機器７は、受電コイル１が巻装された受電コア２と、充放電可能な二次電池４と、受電回路部３と、システム回路部５とを有し、第二の外装ケース６に収納され、受電コア２は給電カットコア８に囲まれており、受電コア２と給電カットコア８は第二の外装ケース６を挟んで互いに電磁結合することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電器と携帯機器とからなるワイヤレス充電装置において、
前記充電器は、給電コイルが巻装された給電カットコアと、送信回路部と、給電可能な電源とを有し、第一の外装ケースに収納され、
前記携帯機器は、受電コイルが巻装された受電コアと、充放電可能な二次電池と、受電回路部と、システム回路部とを有し、第二の外装ケースに収納され、
前記受電コアは前記給電カットコアに囲まれており、
前記受電コアと前記給電カットコアは前記第二の外装ケースを挟んで互いに電磁結合し、
前記給電コイルに誘起された交流磁界は給電カットコアから円筒カットコアにわたって形成され、受電コイルに交流電流が誘起されることにより、前記充電器の前記電源から電力を給電コイルから受電コイルへ搬送される電力で前記携帯機器の前記電池を充電することを特徴とするワイヤレス充電装置。
【請求項２】
前記携帯機器は前記充電器の第一の外装ケース内に収納され、第一の外装ケースの内壁に配設された収納部に前記第二の外装ケースが圧接され、前記受電コアと給電カットコアの磁気結合部が位置合わせされることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス充電装置。
【請求項３】
前記充電器の前記電源は電池であることを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤレス充電装置。
【請求項４】
前記受電コアと前記給電カットコアは、軟磁性材料が分散された樹脂からなる軟磁性体により構成され、弾性変形可能なことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のワイヤレス充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁誘導現象を利用して電力を供給する、携帯機器と充電器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、二次電池を搭載した機械と携帯可能な充電器とを組み合わせた携帯機器が知られている。
例えば、特許文献１に開示されるような携帯ケース付きの補聴器は、充電器及び補聴器本体から構成される。充電器は携帯に便利な箱体として用いられる。この箱体は、内部に電池及び収納槽が設けられており、収納槽に補聴器本体が収納されると共に電池からの充電が行われる。さらに詳述すると、収納槽上部両側に支持片が設けられ、収納槽底部の周縁部に充電接触端子が設置されており、補聴器本体の底部を収納槽内に、上部を支持片内にそれぞれ挿入すると、補聴器本体の接続端子が充電接触端子に円滑に接触し、微量の電圧値で迅速に充電が行われる。
【０００３】
また、近年、民生用、医療用などの用途において、給電用の金属端子部などが、露出していない、非接触給電装置が利用されている。例えば、特許文献２に開示されるように、充電器としてクレードルを使用し、クレードルから伝送された送電電力を、携帯電話で受電する構成が挙げられる。特徴として、電磁誘導により、電力が発生する渦巻き状平面コイルを二次側伝送コイルとして携帯電話内に実装し、同様に渦巻き状平面コイルを、一次側伝送コイルとしてクレードル備えて、携帯電話端末の内蔵二次電池を充電する機能を備えている。非接触給電は、電磁誘導を利用するので、クレードルの送電側平面コイルから磁界を発生させ、携帯電話の受電側平面コイルと、共振させることにより電力が発生する。この場合、平面コイル同士が離れれば離れるほど充電効率が低下する。特許文献２では、クレードルと携帯電話のそれぞれのケースの最も外側近くに平面コイルを配置して、平面コイル同士の距離を出来るだけ近づけている。また、平面コイルの中心からのズレも調整出来る工夫をして、高い充電効率の実現と、非接触給電である利便性が損なわれない工夫をしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１１５４３８号公報
【特許文献２】特開２００８−２０６２９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術を用いた携帯機器と充電器は、以下のような欠点を有している。携帯機器は、人が身に付けて日常生活で使用するため、充電接触端子部に油脂を含むごみの付着などによる接触不良の発生や、人が身に付けて使用するとき、むき出しとなる充電接触端子のショートなどの不具合を発生させる恐れがある。むき出しとなる充電接触端子を絶縁性の構造物で覆うようなメカニズムを導入する解決策も考えられるが、コストアップなどの新たな課題もあるので、コンシューマー製品への適用は進んでいない。
【０００６】
一方、特許文献２の技術を、特許文献１の携帯機器と充電器に適用すると、以下の課題がある。特許文献１の補聴器は特許文献２の携帯電話に比較すると、より小型であるため、渦巻き状平面コイルの直径も小さくする必要がある。直径を小さくした平面コイルは、効率低下するとともに、平面コイル同士の距離に対する効率低下のトレランスもより厳しくなる。特許文献１の補聴器の場合、充電器も携帯性を必要としており電源は、電池を使用している。平面コイルの小型化により充電効率が低下すると、電池による充電回数の低下をもたらすので、効率の低下は望ましくない。
【０００７】
更に、補聴器のケースデザインは、耳に密着させて使用するため、曲面を用いてデザインされることが多い。このために、補聴器の最もケースの内側近くに配置しようとすると、更に平面コイルの直径も小さくする必要が生じて、効率の低下を更に招く結果となる。
【０００８】
また、平面コイルの中心からのズレを許容するために、補聴器の平面コイルよりも、充電器の平面コイルを大きくするのが、一般的である。そのため、補聴器のケース内にある、平面コイルの背後にある電子部品、近接する電子部品にも、充電器のサイズの大きい平面コイルから、磁場が照射され、渦電流の作用で電子部品が発熱する。この発熱を回避するためには、透磁率の良い磁性シートを使用した、シールド対策が必要となり、コストの上昇や、構成の大型化が避けられない。
【０００９】
特許文献１の例は、補聴器であるが、他にも小型の携帯機器は、体にフィットするデザインを採用する場合が多く、例えば時計、ヘッドセット、ステレオヘッドホン、携帯型健康機器、スマートホン接続機器等でも同様の課題を有する。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、小型の携帯機器を、携帯性のある充電器により、携帯機器のデザイン形状に左右されることなく、何時でも何処でも効率よく充電可能な携帯機器と充電器からなるワイヤレス充電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明は以下の構成を有する。
第１の発明は、少なくとも、充電器と携帯機器とからなるワイヤレス充電装置において、充電器は、給電コイルが巻装された給電カットコアと、送信回路部と、給電可能な電源とを有し、第一の外装ケースに収納され、携帯機器は、受電コイルが巻装された受電コアと、充放電可能な二次電池と、受電回路部と、システム回路部とを有し、第二の外装ケースに収納され、受電コアは給電カットコアに囲まれており、受電コアと給電カットコアは第二の外装ケースを挟んで互いに電磁結合し、給電コイルに誘起された交流磁界は給電カットコアから円筒カットコアにわたって形成され、受電コイルに交流電流が誘起されることにより、充電器の電源から電力を給電コイルから受電コイルへ搬送される電力で携帯機器の電池を充電することを特徴とする。
この特徴によれば、受電コアと給電カットコアにより第二の外装ケースを挟んで互いに電磁結合し、磁束がコア内部に集中することで、給電コイルから受電コイルへ効率よく電力を搬送できる。また、同時に平面コイルでは不可能だった、小型で曲面を用いてデザインされた、携帯機器のケースでも高い電力の伝送効率を維持する。高い効率ゆえに、小型の電池を電源として用いても、充電器内に収納し、充電可能となる。よって、充電器は軽量化し、形態性を大きく改善できる。
【００１２】
第２の発明は、携帯機器は充電器の第一の外装ケース内に収納され、第一の外装ケースの内壁に配設された収納部に第二の外装ケースが圧接され、受電コアと給電カットコアの磁気結合部が位置合わせされることを特徴とする。
この特徴によれば、第一の外装ケースを介することがなく、受電コアと給電カットコアの間に介するものは第二の外装ケース１枚だけとなる。このように、受電コアと給電カットコアとの間の距離が短くなるため、電磁結合がより強固になり、電力の伝送効率が向上する。また、磁束がコア内部に集中することで、携帯機器内部に磁性シートによる、シールドの必要性がなくなり、コストの上昇や構成の大型化が避けられる。さらに、携帯機器は充電器の第一の外装ケース内に収納され、第一の外装ケースの内壁に配設された収納部に第二の外装ケースが、圧接されるため、充電中の振動や衝撃により磁気結合部の位置ずれが無い。そのため、充電器と携帯機器とを携帯しながら、安定的に充電することが可能である。
【００１３】
第３の発明は、充電器の電源は電池であることを特徴とする。
この特徴によれば、何時でも何処でも効率よく充電することが可能である。
【００１４】
第４の発明は、受電コアと給電カットコアは、軟磁性材料が分散された樹脂からなる軟磁性体により構成され、弾性変形可能なことを特徴とする。
この特徴によれば、第二の外装ケースの凹部に勘合する際の挿入位置トレランスを、コアの弾性変形により改善し、容易に挿入出来る。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のワイヤレス充電装置は、携帯機器のデザイン形状に左右されることなく、小型の携帯機器を、携帯性のある充電器により、何時でも何処でも効率よく充電可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る携帯機器と充電器の基本構成を示す模式的図である。
【図２】本発明に係る携帯型集音器の構成を示す模式的図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（実施例１）
図１は、本発明に係るワイヤレス充電装置の基本構成を示す模式図である。本発明のワイヤレス充電装置は、携帯機器と充電器からなる。充電器１３は、給電コイル９が巻装された給電カットコア８、送信回路部１０、電源１２を有し、第一の外装ケース１１に収納される。また、携帯機器７は、受電コイル１が巻装された受電コア２、受電回路部３、二次電池４、システム回路５を有し、第二の外装ケース６に収納される。さらに、給電コイルに誘起された交流磁界は給電カットコアから円筒カットコアにわたって形成され、受電コイルに交流電流が誘起される。これにより、充電器の電源から電力を給電コイルから受電コイルへ搬送される電力で携帯機器の電池を充電する。また、携帯機器７と充電器１３は非接触で電力の送受電を行うように構成されている。すなわち、携帯機器７の受電コア２と充電器１３の給電カットコア８が図中に示す一点鎖線を中心に各コアの端面から電磁結合するように配置されている。透磁率の高い材料からなる、受電コア２と給電カットコア８の各端面の間には磁性の影響を受けない金属や樹脂を使用した第二の外装ケース６がある。各コアの端面の間にある第二の外装ケース６の厚みを、薄くして各コア端面間の間隔を短くすることで、より効率の良い電磁結合を得ることができるため好ましい。各コアの端面間の間隔は２ｍｍから０．１ｍｍとすることが好ましい。２ｍｍ以上だと電磁結合効率が低下し０．１ｍｍ以下だと外装ケース６の構造強度に問題が発生する。一方、各コア端面間の間隔が広い場合、効率の良い電磁結合を得るためには、各コア断面積を大きくする必要が生じる。本発明では、携帯機器７は充電器１３の第一の外装ケース１１内に収納される構造により、各コアの端面の間にある第二の外装ケース６のみで、第一の外装ケースを介する必要がなく、小口径のコアを使用しても高い電磁結合が得られる。
【００１８】
さらに、従来の平面コイルでは、平面コイル全面を第二の外装ケース６の内側に密着する必要があったが、本発明では受電コア２の端面部分のみピンポイントで密着すればよく、第二の外装ケース６は曲面を用いたデザインを使用しても効率低下を発生させない。しかも、図中に記載のように、第二の外装ケース６で、局部的に凹部を設け肉厚を薄くし、受電コア２の先端を圧入する構造にすることで、第二の外装ケース６の構造強度を犠牲にすることなく、更に各コア端面間の間隔を狭めて効率を改善できる。
【００１９】
また、受電コア２は、軟磁性材料が分散された樹脂からなる軟磁性体により構成されることで、弾性変形可能な特性を付与することができる。樹脂にゴムを混在させると更に可撓性を増し、予め成型加工された第二の外装ケース６の凹部に、受電コイルを巻装済みの受電コア２を圧入する工法で、可撓性のあるコアは容易に圧入する事が可能となり、製造コストの削減に寄与する。
【００２０】
さらに、受電コア２は、高い透磁率の材料を使用しているので、磁束がコア内部に集中することで、従来の平面コイルを使用した場合と異なり、携帯機器内部に磁性シートによるシールドの必要性がなくなり、コストの上昇や構成の大型化が避けられる。受電コア２の透磁率は４０以上が好ましい。
【００２１】
また、携帯機器７は充電器１３の第一の外装ケース１１内に収納され、充電器１３の第一の外装ケース１１の図示されていない内壁に配設された収納部に、第二の外装ケース６が圧接される構造となっている。詳細は第一の外装ケース１１には図示しないが、蓋が有り、充電器１３を収納後、蓋を閉める事により圧接される。これにより、受電コア２と給電カットコア８が図中に示す一点鎖線を中心に配置され、充電中の振動や衝撃により位置ずれが無く、携帯しながら安定な充電を可能とする。
【００２２】
また、第一の外装ケース１１には、給電カットコア８が固定され、更に、給電カットコア８に巻装された給電コイル９に接続される送信回路部１０、更に電源１２に電気的に接続されている。給電カットコア８は、コスト低減可能な分割成型され組み立てられたものでも良い。更に、第一の外装ケース１１の製造工程でインサート成型され、よりコスト低減される製造方法を用いても良い。また、形状がカットコアであればよく、楕円型や丸型でも良い。
【００２３】
また、電力の送受電を行う際には、受電コア２は給電カットコア８に囲まれるような構成になっている。このような構成にすることにより、携帯機器７を小型化することができ、さらにデザインを自由に設定することができる。例えば、平面コイルを用いた携帯機器では平面コイルを配するための平面部を設ける必要があった。このように、携帯機器のデザイン形状に制約があり、小型化が困難だった。また、従来のカットコアを用いた携帯機器においては、充電器側のカットコアと携帯機器側のカットコアが略対称的な形状になっていた。そのため、携帯機器内部におけるカットコアの領域を、充電器と同等に確保しなければならず、その結果、携帯機器の小型化は困難だった。本発明は、携帯機器７の受電コア２が充電器の給電カットコアよりも小さく、受電コアが給電カットコアに囲まれるような構成になっている。これにより、携帯機器のデザイン形状の制約なく、小型で曲面を用いてデザインされたものであっても、電力の高い伝送効率を維持しつつ充電することができる。高い伝送効率ゆえに、小型の電池を電源として用いても、充電器内に収納し、充電可能となる。よって、充電器は軽量化し、形態性を大きく改善できる。
【００２４】
受電コアは、図１に示すように、角型のノンカットコアの直線部を切り出した形状である。このとき、切り出し後のノンカットコアはギャップコアのようにコアの一部にギャップを有する。給電カットコアは、ギャップコアのように、コアの一部にギャップを有する形状である。受電コアと給電カットコアは合わせることにより、略ひとつのコアの形状をなす。このコアの形状は角型であっても丸型であってもよい。なお、丸型の場合、受電コアは円弧の一部を構成する。
【００２５】
電源１２は携帯性に優れた小型の電池を使用する。電池は、補聴器など電力容量の少ない携帯機器に使用する場合は小型の一次電池、ステレオヘッドセットなど電力容量の大きな製品の場合は高エネルギー密度のリチウムイオン二次電池を使用することが好ましい。携帯機器７を充電する際は、図示しないがスイッチ等により制御し、送信回路部１０に電源を供給する。送信回路部１０は発信回路を主に、共振周波数、または共振周波数近くで発信し、交流電流を給電コイル９に流す事で、給電カットコア８内部に交流磁場を発生させる。
【００２６】
給電カットコア８の交流磁場は、携帯機器７の受電コア２と上記の構造に起因して効率よく電磁結合し、受電コア２に巻装された受電コイル１に交流電流を発生させ、受電回路部３により整流、充電制御され、充電可能な二次電池４を充電する。
【００２７】
第一の外装ケース１１内の電池を使用した電源１２の容量は、限られているので、効率の良い、非接触で電力の送受電できる本発明の構成により、電源１２の小型軽量化を可能として、更に、第一の外装ケース１１も小型化可能となり携帯性の優れた充電器１３となっている。
【００２８】
また、システム回路部５は、例えば、携帯機器７が補聴器の場合は図示しないが、マイク、スピーカー、スイッチ類などを制御する回路である。他にも例えば時計、ヘッドセット、ステレオヘッドホン、携帯型健康機器、スマートホン接続機器等でもそれぞれに対応したシステム回路部５を用いれば良い。
【００２９】
また、給電コイルおよび受電コイルは絶縁層が設けられた単線又は縒り線の導線を給電カットコアおよび受電コアに直接巻回したものである。また、予め給電カットコアおよび受電コアの外形以上のボビンを用意し、単線又は縒り線の導線をボビンに巻回しホーミング後にボビンから外した空心コイルを給電カットコアおよび受電コアに取り付けても良い。
【００３０】
また、受電回路部は、受電コイルにおいて電磁誘導によって生じる交流の電力を、整流して直流の電力に変換し、電圧を所定の電圧に調整した後、充電制御され、電池を充電する。ここで、整流には、例えばブリッジ整流回路など、交流の電力を直流に変換可能な構成であればどのような構成であってもよい。また、電圧調整は、電池に供給する電圧を調整可能な構成であれば、どのような構成であってもよい。
【００３１】
また、第二の外装ケースは、局部的に凹部を設け肉厚を薄くし、受電コアの先端を圧入する構造にすることで、第二の外装ケースの構造強度を犠牲にすることなく、更に各コア端面間の間隔を狭めて効率を改善している。端面間の間隔は第二の外装ケースがプラスチックで構成されている場合は最薄で０．３ｍｍ程度、チタンやステンレスの場合は最薄で０．１ｍｍ程度にすることができる。
また、第一の外装ケースは、軽量なプラスチックを使用し、例えばポリカーボネート、ＡＢＳ樹脂などを、製品に合わせて使用することができる。
【００３２】
図２は本発明に係る携帯型集音器の構成を示す模式的図である。図中、携帯機器７は携帯型集音器であり、インナー型のイヤホンで左右２個収納される。図番は片側のみ記載して説明する。
【００３３】
この携帯機器７は充電器１３の第一の外装ケース１１内に、第一の外装ケース１１の内壁に配設された収納部１５に収まり、蓋１４を閉める事により圧接される構造となっている。スイッチ１９は、蓋１４に連動し、携帯機器７を収納し、蓋１４を閉める事により電源１２と送信回路部１０を接続し給電コイル９、給電カットコア８を介して携帯機器７を充電する。
【００３４】
携帯機器７の内部には図１の説明と同じように、受電コアに巻装され受電コイルに接続される、受電回路部、電池、システム回路部が内蔵されている。更に、図示していないが、磁気検出回路を内蔵し、収納部１５に設けられた磁石１６の磁気を検出し、受電回路部からの電圧を電池へ供給し、システム回路部は遮断する。これにより充電中にシステム回路部で消費する電力を削減できるので、電池を短時間で充電できるようになるとともに、電源１２に使用されている電池の消耗を減らすこともできる。
【００３５】
更に、携帯機器７の内部には、これも図示されないが、二次電池の充電電圧を監視する回路があり、規定の充電終了電圧を検出すると、発光ダイオードの点滅で、コード化された信号を第二の外装ケースを透過して放射される。この信号を検出する受光素子１７が、第一の外装ケース１１内に設置されている。この受光素子１７は充電終了電圧のコードを検出すると、送信回路部１０に働き、送信回路を停止する。この動作でも、電源１２に使用されている電池の消耗を減らすこともできる。
【００３６】
更に、この受光素子１７は充電終了電圧のコードを検出すると、蓋１４に設置しているインジケーター１８により、ユーザーに充電の完了を知らせる。インジケーター１８は発光ダイオードの点滅または、発光色の変化で充電終了を表示する場合や、液晶表示素子により表示してもよい。
【００３７】
電源１２は、小型で高容量のリチウム二次電池を使用でき、図示はしないが、充電用のコネクタとしてＵＳＢ（ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  ｓｅｒｉａｌ  ｂｕｓ）コネクタを第一の外装ケース１１に設置しても良い。
【００３８】
更に、小型軽量とローコスト化を必要な場合は、電源１２の小型で高容量のリチュウム二次電池を使用せず、充電用のコネクタにケーブルを接続して外部より供給されるエネルギーを利用しても良い。
【００３９】
携帯機器７の受電コア２は、上記の構造に起因して効率よく電磁結合し、受電コア２に巻装された受電コイル１に交流電流を発生させ、受電回路部３により整流、充電制御され、充電可能な二次電池４を充電する。
【００４０】
また、システム回路部５は、例えば、携帯機器７が多機能時計の場合は、図示しないが、無線通信、振動モーター、スピーカー、スイッチ類などを制御する回路である。他にも例えば時計、ヘッドセット、ステレオヘッドホン、携帯型健康機器、スマートホン接続機器等でもそれぞれに対応したシステム回路部５を用いれば良い。
【符号の説明】
【００４１】
１  受電コイル
２  受電コア
３  受電回路部
４  二次電池
５  システム回路
６  第二の外装ケース
７  携帯機器
８  給電カットコア
９  給電コイル
１０  送信回路部
１１  第一の外装ケース
１２  電源
１３  充電器
１４  蓋
１５  収納部
１６  磁石
１７  受光素子
１８  インジケーター
１９  スイッチ
【図１】
2015002580.tif 000003
【図２】
2015002580.tif 000004