DE69831226T2

DE69831226T2 - Elektronische vorrichtung

Info

Publication number: DE69831226T2
Application number: DE69831226T
Authority: DE
Inventors: Katsuyuki Suwa-shi HONDA; Motomu Suwa-shi Hayakawa; Ichiro Suwa-shi AOSHIMA; Hidetoshi Sendai-shi Matsuki
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1997-11-20
Filing date: 1998-11-19
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2018-11-20
Also published as: WO1999027603A1; DE69831226D1; EP0977297A1; JP3887828B2; EP0977297B1; US6265789B1; EP0977297A4

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Vorrichtung, in der eine von zwei Vorrichtungen die andere kontaktlos lädt, und eine elektronische Vorrichtung, in der eine Einweg- oder Zweiweg-Datenübertragung zwischen zwei Vorrichtungen möglich ist, und insbesondere eine elektronische Vorrichtung, die eine Vorrichtung enthält, die von einer wiederaufladbaren sekundären Batterie betrieben wird, wie eine motorbetriebene Zahnbürste, einen motorbetriebenen Rasierapparat, ein Schnurlostelefon, ein tragbares Telefon, ein PHS (Personal Handy Phone-System: ein vereinfachtes tragbares Telefonsystem), einen mobilen Personal Computer, eine kompakte Informationsvorrichtung, eine elektronische Uhr oder dergleichen, und die andere Vorrichtung zum kontaktlosen Laden der ersten Vorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Allgemein wird es üblich, dass eine kompakte, tragbare elektronische Vorrichtung, wie eine tragbare Datenstation oder eine elektronische Uhr, in eine Ladevorrichtung eingelegt wird, die als Ladestation bezeichnet wird, wobei gleichzeitig eine Signalübertragung an der tragbaren elektronischen Vorrichtung ausgeführt wird. Wenn der Ladevorgang und die Signalübertragung in einem solchen System durch elektrische Kontakte ausgeführt werden, liegen die Kontakte frei und die Vorrichtung ist hinsichtlich der Wasserdichtigkeit anfällig. Aus diesem Grund werden der Ladevorgang und die Signalübertragung vorzugsweise kontaktlos, durch die elektromagnetische Kopplung zwischen Spulen ausgeführt, die in der Station beziehungsweise in der tragbaren Vorrichtung angeordnet sind.
Wenn in einem solchen System ein Hochfrequenzsignal an die Spule an der Station angelegt wird, entsteht ein externes Magnetfeld, das eine Spannung in der Spule an der Seite der tragbaren elektronischen Vorrichtung induziert. Durch Gleichrichten der induzierten Spannung durch eine Diode oder dergleichen, kann eine sekundäre Batterie, die in der tragbaren elektronischen Vorrichtung angeordnet ist, kontaktlos geladen werden. Durch die elektromagnetische Kopplung zwischen den zwei Spulen kann ein Signal in einer Zweiweg-Kommunikation kontaktlos von der Station zu der tragbaren elektronischen Vorrichtung oder von der tragbaren elektronischen Vorrichtung zu der Station übertragen werden.
In der Spule an der Seite der Station und in der Spule an der Seite der tragbaren elektronischen Vorrichtung muss nicht nur die elektromagnetische Kopplung sichergestellt sein, sondern es muss auch der Wirkungsgrad bei dem Batterieladevorgang und der Signalübertragung erhöht werden.
Nach dem Stand der Technik sind die Oberflächen der Spulenwicklung der zwei Spulen parallel, wobei ihre Mittelpunkte miteinander ausgerichtet sind, wenn die tragbare elektronische Vorrichtung in die Station gelegt wird.
Die Anordnung der zwei Spulen in Ausrichtung durch einfaches Einlegen der tragbaren elektronischen Vorrichtung in die Station ist aufgrund der Präzision, mit der die Spulen in der Station und der tragbaren elektronischen Vorrichtung montiert sind, schwierig. Es besteht ein Bedarf an einer Anordnung, die an sich durch ein geringes Maß an Verschiebung zwischen den zwei Spulen weniger beeinträchtigt wird.
Es wird nun eine Vorrichtung, wie in 17 dargestellt, als weiterer Stand der Technik besprochen. Die Vorrichtung enthält eine wiederaufladbare sekundäre Batterie und eine elektronische Vorrichtung mit einer Ladeeinheit zur Ausführung eines kontaktlosen Ladevorgangs, und ist zum Beispiel in der Japanischen Ungeprüften Gebrauchsmusterschrift Nr. 60-8636 offenbart.
Unter Bezugnahme auf 17 sind ein Ständer 51, ein Stromstecker 52, ein Griff 53 einer Zahnbürste, ein Stromkabel 54, eine sekundäre Batterie 56, Primärspulen L1, L2, eine Sekundärspule L3, Dioden D1, D2, ein Transistor Tr, Kondensatoren C1, C2 und C3, und ein Widerstand R1 dargestellt. Die elektronische Vorrichtung ist hier eine Zahnbürste, in der eine Ladeeinheit in dem Ständer 51 eingebaut ist, und eine geladene Einheit in dem Griff 53 eingebaut ist. Der Ständer 51 enthält einen Hochfrequenz-Oszillator (Eigenschwingungsschaltung), der aus den Primärspulen L1 und L2 eines Transformators, dem Transistor Tr, dem Widerstand R1, und den Kondensatoren C2 und C3 besteht, und von der Hochfrequenzschaltung ein elektromagnetisches Feld ausstrahlt.
Die Ladeinheit in dem Griff 53 der Zahnbürste enthält die Sekundärspule L3 des Transformators, die elektromagnetisch mit den Primärspulen L1 und L2 in der Ladeeinheit gekoppelt ist, um darin eine Spannung zu induzieren, und enthält des Weiteren die Gleichrichterdiode D2 und die sekundäre Batterie (Ni-Cd-Batterie) 56.
Ein Benutzer nimmt die motorbetriebene Zahnbürste aus dem Ständer 51, indem er den Griff 53 der Zahnbürste erfasst, um diese zu verwenden, und wenn die Zahnbürste nicht verwendet wird, wird sie in aufrechter Position in dem Ständer 51 gelagert.
Da die Primärspulen L1 und L2 in der Ladeeinheit elektromagnetisch mit der Sekundärspule L3 in der geladenen Einheit im Lagerungszustand der Bürste gekoppelt sind, wird eine Spannung in der Sekundärspule L3 in der geladenen Einheit induziert. Die induzierte Spannung lädt die sekundäre Batterie 56 durch die Diode D2.
Die elektronische Vorrichtung, die in 17 dargestellt ist, leidet an den folgenden Problemen.
Da die motorbetriebene Zahnbürste für gewöhnlich Wasser ausgesetzt wird, sind der Ständer 51 und der Griff 53 der Zahnbürste mit Dichtungen wasserdicht konstruiert, so dass die inneren Schaltungen nicht mit Wasser benetzt werden. Zur Aufrechterhaltung der wasserdichten Struktur gegenüber dem Druck von Leitungswasser aus einem Hahn, müssen die Elemente der Zahnbürste eine ausreichende Festigkeit haben, so dass sie sich unter dem Wasserdruck nicht verformen. Der äußere Harzabschnitt des Griffs 53 der Zahnbürste braucht ein Minimum an Dicke, und der Harzabschnitt, der das Gehäuse des Ständers 51 bildet, braucht ein Minimum an Dicke. Aus diesem Grund wird der Spalt zwischen den Primär- und Sekundärspulen vergrößert, und das Maß an magnetischer Kopplung geschwächt, wodurch der Ladestrom zu der sekundären Batterie für den Ladevorgang deutlich verringert wird. Der rasche Ladevorgang der sekundären Batterie kann nicht in einer kurzen Zeitperiode erfolgen. Wenn der Griff 53 der Zahnbürste oder das Gehäuse des Ständers 51 aus einem Metall mit hoher Steifigkeit, wie rostfreiem Stahl, konstruiert ist, kann der Spalt zwischen den Primär- und Sekundärspulen verringert werden. In diesem Fall jedoch entstehen Wirbelströme in dem elektrisch leitenden Metallmaterial, die die elektromagnetische Kopplung schwächen. Dadurch kann der rasche Ladevorgang der sekundären Batterie nicht in einer kurzen Zeitperiode ausgeführt werden.
Die Deutsche Patentanmeldung 2434890, veröffentlicht am 29. November 1975, offenbart ein Mittel zum Laden eines elektrisch angetriebenen Wagens. Ein feststehender Mast umfasst eine primäre Induktionsspule, die um den Kern eines ersten Transformatorteils gewunden ist. Eine Sekundärspule ist um den Kern eines zweiten Transformatorteils gewunden, der an dem Wagen durch Federn befestigt ist. In Verwendung wird der Wagen zu dem feststehenden Mast angetrieben, so dass die Oberflächen der entsprechenden Kerne der ersten und zweiten Transformatorteile in wechselseitig zugewandeten Positionen angeordnet sind. Dann kann ein Ladevorgang stattfinden. Der Querschnitt des Kerns des ersten Transformatorteils ist größer als jener des Transformatorteils des Wagens.
US 4374354 offenbart eine elektronische Zahnbürste mit Stromübertragung durch elektromagnetische Kopplung von zwei wechselseitig zugewandten Spulen mit annähernd demselben Außendurchmesser und verschiedenen Innendurchmessern.
EP 0 385 502 offenbart einen Strichkodeleser mit Stromübertragung durch elektromagnetische Kopplung von zwei wechselseitig zugewandten Spulen, wobei die erste Spule eine rechteckige Spule ist, mit Außendimensionen von 37,5 mm × 90,0 mm oder 37 mm × 70 mm, und die zweite Spule eine rechteckige Spule ist, mit Außendimensionen von 19 mm × 44 mm oder 19 mm × 42 mm.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des obengenannten Problems entwickelt und die Hauptaufgaben der vorliegenden Erfindung sind folgende. Eine erste Aufgabe besteht darin, einen raschen Ladevorgang einer sekundären Batterie zu ermöglichen, indem der Wirkungsgrad einer Energieübertragung von einer Ladeeinheit beim kontaktlosen Laden verbessert wird.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein hohes S/N-Verhältnis zu ermöglichen, eine äußerst zuverlässige Datenübertragung durch Verbesserung des Wirkungsgrades einer Datenübertragung von einer Datensendeeinheit zu einer Datenempfangseinheit in einer kontaktlosen Datenübertragungsvorrichtung verbessert wird.
Zur Lösung der ersten und zweiten Aufgabe enthält eine elektronische Vorrichtung der vorliegenden Erfindung die in Anspruch 1 angeführten Merkmale.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des obengenannten Problems gemacht und die Aufgabe der obengenannten Anordnungen besteht darin, eine elektronische Vorrichtung bereitzustellen, die weniger durch die Verschiebung zwischen Spulen beeinträchtigt wird, die in wechselseitig zugewandten Positionen in mindestens zwei getrennten Vorrichtungen montiert sind, wie einer elektronischen tragbaren Vorrichtung und einer Station, wenn die Vorrichtungen eine Signalübertragung oder Energieübertragung durch die elektromagnetische Kopplung der Spulen ausführen.
12 ist eine erklärende Ansicht, die das Prinzip einer besonderen Ausführungsform der Erfindung zeigt. Zur Lösung der Aufgaben der vorliegenden Erfindung enthält die elektronische Vorrichtung zur Durchführung eines kontaktlosen Ladevorganges eine Ladeeinheit 1 und ein geladene Einheit 2, die von der Ladeeinheit 1 getrennt ist. Die Ladeeinheit 1 enthält eine Primärspule 3 und eine Oszillatorschaltung (Hochfrequenzschwingungsschaltung) 4, und die geladene Einheit 2 enthält eine Sekundärspule 5, die elektromagnetisch mit der Primärspule 3 in der Oszillatorschaltung gekoppelt ist und darin während des Ladevorganges eine Spannung induziert, und eine sekundäre Batterie 6, die durch die Spannung, die in der Sekundärspule 5 induziert wird, geladen wird. Ein Abdeckungsglas 7 an der Senderseite ist in der Ladeeinheit 1 an dem Ab schnitt der Primärspule 3 angeordnet, der der geladenen Einheit 2 zugewandt ist, und ein Abdeckungsglas 8 an der Empfängerseite ist in der geladenen Einheit 2 an dem Abschnitt der Sekundärspule 5 angeordnet, der der Ladeeinheit 1 zugewandt ist.
Die Innenflächen des Abdeckungsglases 7 an der Senderseite und des Abdeckungsglases 8 an der Empfängerseite sind jeweils mit einer abgeschiedenen Oberfläche 9 und einer abgeschiedenen Oberfläche 10 überzogen, um das Erscheinungsbild der elektronischen Vorrichtung zu verbessern. Derselbe Vorteil kann erreicht werden, wenn die abgeschiedene Oberfläche durch eine plattierte Oberfläche, eine bedruckte Oberfläche, eine gestrichene Oberfläche oder eine folienüberzogene Oberfläche ersetzt wird. Als Alternative kann das Abdeckungsglas ein Glas sein, das mit einem Pigment gefärbt ist, wodurch derselbe Vorteil erzielt wird.
Wenn der Ladevorgang in der zuvor beschriebenen Anordnung an der sekundären Batterie 6 durchgeführt wird, wird die Energie zu der Ladeeinheit geleitet, während die geladene Einheit an der Ladeeinheit angeordnet ist. Während des Ladevorganges sind die Primärspule 3 und die Sekundärspule 5 einander zugewandt angeordnet, und diese Spulen dienen als jene eines einzelnen Transformators. Mit anderen Worten, die Primärspule 3 dient als primäre Wicklung des Transformators, und die Sekundärspule 5 dient als sekundäre Wicklung des Transformators.
Wenn die Oszillatorschaltung 4 in der Ladeeinheit während des Ladevorganges bei einer vorbestimmten Frequenz schwingt, ist die Spule 3 an der Senderseite elektromagnetisch mit der Spule 5 an der Empfängerseite gekoppelt, und der Magnetfluss, der in der Spule 3 an der Senderseite generiert wird, schneidet die Spule 5 an der Empfängerseite, wodurch eine Spannung in der Spule 5 an der Empfängerseite induziert wird.
Die induzierte Spannung lädt die sekundäre Batterie 6.
Wie bereits zuvor beschrieben wurde, ist das Abdeckungsglas 7 an der Senderseite in dem Abschnitt der Primärspule 3 angeordnet, der der geladenen Einheit 2 zugewandt ist, und das Abdeckungsglas 8 an der Empfängerseite ist in der geladenen Einheit 2 in dem Abschnitt der Sekundärspule 5 zugeordnet, der der Ladeeinheit 1 zugewandt ist. Mit dieser Anordnung wird der Übertragungswirkungsgrad nicht beeinträchtigt, ein Überschussstrom fließt für eine kurze Zeitperiode zu der Sekundärspule 6, und somit wird ein effizienter rascher Ladevorgang möglich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht, die die Konstruktion einer Station und einer elektronischen Uhr gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist eine Schnittansicht, die die Konstruktion der Station und der elektronischen Uhr zeigt.
3 ist eine Schnittansicht, die die Konstruktion von Spulen der Station und der elektronischen Uhr zeigt.
4 ist ein Blockdiagramm, das die elektrische Anordnung der Station und der elektronischen Uhr zeigt.
5 ist ein Zeitablaufdiagramm, das den Betrieb der Station und der elektronischen Uhr zeigt.
6 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel für eine Empfangsschaltung der Station zeigt.
7 ist ein Zeitablaufdiagramm, das den Betrieb der Empfangsschaltung zeigt.
8 zeigt das Ergebnis einer Simulation der Eigenschaften des Innendurchmesser/Außendurchmesser-Verhältnisses sowohl einer Primärspule als auch einer Sekundärspule und die wechselseitige Leitfähigkeit, wenn die Primär- und Sekundärspulen identisch sind.
9 zeigt das Ergebnis einer Simulation der Eigenschaften des Verhältnisses von Außendurchmesser der Primärspule zu Außendurchmesser der Sekundärspule, des maximalen Wirkungsgradwertes und eines Minimalverlustes Wcmin.
10 zeigt das Ergebnis einer Simulation der Verteilung einer Magnetflussdichte, abhängig davon, ob die Primärspule und die Sekundärspule ausgerichtet oder zueinander verschoben sind, und abhängig davon, ob die Innendurchmesser der zwei Spulen gleich sind oder nicht.
11 zeigt das Messergebnis der Auswirkung einer Verschiebung zwischen der Primärspule und der Sekundärspule.
12 ist eine erklärende Ansicht, die das Prinzip einer zweiten Ausführungsform zeigt.
13 ist eine erklärende Ansicht einer motorbetriebenen Zahnbürste der zweiten Ausführungsform.
14 zeigt Messdaten 1 in der zweiten Ausführungsform.
15 zeigt Messdaten 2 in der zweiten Ausführungsform.
16 ist eine erklärende Ansicht, die eine elektronische Uhr einer dritten Ausführungsform zeigt.
17 ist eine erklärende Ansicht einer herkömmlichen Technik.
BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
A. Erste Ausführungsform
Es wird nun eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besprochen. Diese Ausführungsform betrifft eine Station als Ladeeinheit und eine elektronische Uhr als geladene Einheit, wobei aber die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
<Mechanische Konstruktion>
1 ist eine Draufsicht, die die Konstruktion der Station und der elektronischen Uhr gemäß dieser Ausführungsform zeigt. Wie dargestellt, liegt eine elektronische Uhr 200 in einer Buchse 101 einer Station 100, wenn ein Ladevorgang oder ein Datenübertragungsvorgang ausgeführt wird. Da die Buchse 101 so geformt ist, dass sie etwas größer als ein Körper 201 und ein Band 202 der elektronischen Uhr 200 ist, ist der Uhrenkörper 201 mit der Station 100 ausgerichtet.
Die Station 100 ist mit einem Eingabeabschnitt 103 bereitgestellt, durch den ein Startbefehl zum Laden eingegeben wird, und einem Anzeigeabschnitt 104 zum Darstellen verschiedener Anzeigen. Die elektronische Uhr 200 dieser Ausführungsform ist im normalen Betriebszustand an einem Handgelenk eines Benutzers befestigt, um Datum, Zeit, usw. auf dem Anzeigeabschnitt 204 anzuzeigen. Zusätzlich erfasst die elektronische Uhr 200 biologische Informationen, einschließlich der Pulsrate oder Herzrate des Körpers, durch einen nicht dargestellten Sensor, und speichert diese.
2 ist eine Schnittansicht von 1 entlang der Linie A-A. Wie dargestellt, ist eine Spule 210 an der Uhrenseite für die Datenübertragung und das Laden der Batterie in einer Rückseite 212 des Gehäuses des Uhrenkörpers 201 angeordnet und mit einem Abdeckungsglas 211 bedeckt. Der Uhrenkörper 201 enthält eine Schaltungsplatte 221, die an eine sekundäre Batterie 220 angeschlossen ist, und eine Spule 210 an der Uhrenseite.
Eine Spule 110 an der Stationsseite ist in dem Abschnitt der Buchse 101 der Station 100 angeordnet und ist der Spule 210 an der Uhrenseite zugewandt und mit einem Abdeckungsglas 111 bedeckt. Die Station 100 enthält eine Schaltungsplatte 121, an die die Spule 110 an der Stationsseite, der Eingabeabschnitt 103, der Anzeigeabschnitt 104, und eine primäre Energiequelle (nicht dargestellt) angeschlossen sind. Die Spule 110 an der Stationsseite und die Spule 210 an der Uhrenseite werden später beschrieben.
Wenn die elektronische Uhr 200 in die Station 100 gelegt wird, sind die Spule 110 an der Stationsseite und die Spule 210 an der Uhrenseite physisch ohne Kontakt zueinander, aber magnetisch miteinander gekoppelt, da die Oberflächen der Spulenwicklungen beider Spulen im Allgemeinen parallel zueinander sind.
Die Spule 110 an der Stationsseite 110 und die Spule 210 an der Uhrenseite sind vom Luft-Kern-Typ ohne Kern, um die Magnetisierung eines Uhrenmechanismus zu begrenzen, um eine Erhöhung des Gewichts der Uhr zu vermeiden, und um das Freilegen eines magnetischen Metalls zu verhindern. Wenn die vorliegende Erfindung bei einer elektronischen Vorrichtung angewendet wird, bei der diese Überlegungen nicht von Bedeutung sind, kann eine Spule mit einem Kern verwendet werden. Wenn die Frequenz eines Signals, das der Spule zugeleitet wird, ausreichend hoch ist, ist der Luft-Kern-Typ perfekt geeignet.
Die Erfinder dieser Erfindung, die in dieser Ausführungsform offenbart ist, haben verschiedene Simulationstests für die Eigenschaften der Spule durchgeführt. Die Ergebnisse der Simulationen werden nun besprochen.
8(b) zeigt das Ergebnis der Simulation der Eigenschaften der wechselseitigen Leitfähigkeit M der Spulen, wenn das Innen-/Außendurchmesser-Verhältnis (Din/Dout) durch Ändern der Wicklungsgröße verändert wird, wie in 8(a) dargestellt ist, wobei die Primärspule und die Sekundärspule unter Verwendung eines Drahtes derselben Länge (3 m) identisch gewickelt sind. Wie dargestellt, ist die wechselseitige Leitfähigkeit M hoch, wenn das Innen-/Außendurchmesser-Verhältnis in einem Bereich von 0,3 bis 0,7 liegt und seinen Spitzenwert bei einem Verhältnis von 0,5 erreicht.
9(b) zeigt das Ergebnis der Simulation der Eigenschaften des Maximalwirkungsgrades ηmax und des Minimalverlustes Wcmin in der Übertragung von 20 W, wenn das Außendurchmesserverhältnis (D1/D2) der zwei Spulen verändert wird, wie in 9(a) dargestellt ist, wobei die Summe der Drahtlängen der Primärspule und der Sekundärspule konstant ist (6 m). Wie dargestellt, liegt das Außendurchmesserverhältnis der Primärspule und der Sekundärspule im Bereich von 0,7 bis 1,3, ηmax ist hoch, während Wcmin gering ist. Wenn das Außendurchmesserverhältnis der Primärspule und der Sekundärspule 1,0 ist, d.h., wenn die Außendurchmesser der Primärspule und der Sekundärspule gleich sind, ist ηmax maximal, während Wcmin minimal ist.
Die Erfinder dieser Erfindung, die in dieser Anmeldung offenbart ist, simulierten, wie die Verteilung der Magnetflussdichte sich abhängig davon ändert, ob die zweidimensionalen Mittelpunkte der zwei Spulen miteinander ausgerichtet oder voneinander verschoben sind, und abhängig davon, ob der Innendurchmesser der Primärspule gleich groß oder um 1 mm größer eingestellt ist als der Innendurchmesser der Sekundärspule. Das Ergebnis ist in 10 dargestellt. Wenn die zwei Spulen mit gleichem Innendurchmesser voneinander verschoben sind, ist, wie dargestellt, der Bereich, der in einer hohen Magnetflussdichte resultiert, verschmälert. Wenn im Gegensatz dazu die zwei Spulen mit unterschiedlichem Innendurchmesser voneinander verschoben sind, bleibt der Bereich, der in einer hohen Magnetflussdichte resultiert, nahezu derselbe, solange die Verschiebung zwischen den zwei Spulen auf innerhalb der Durchmesserdifferenz (1 mm) begrenzt ist.
Das Simulationsergebnis wird durch den nächsten Test bestätigt. Insbesondere nahmen die Erfinder dieser Erfindung, die in dieser Anmeldung offenbart ist, Messungen vor, wie sich der Strom, der in der Sekundärspule aufgenommen wird, abhängig davon ändert, ob die zweidimensionalen Mittelpunkte der zwei Spulen miteinander ausgerichtet oder voneinander verschoben sind, wenn der Innendurchmesser der Primärspule gleich groß oder um 1 mm größer als der Innendurchmesser der Sekundärspule eingestellt ist. Das Messergebnis ist in 11 dargestellt. Wie dargestellt, stellt die Abszisse die Verschiebung (mm) zwischen den Mittelpunkten der zwei Spulen dar, während die Ordinate einen Wert relativ zu dem Strom darstellt, der "1" ist, wenn die Verschiebung Null ist. Wenn die zwei Spulen denselben Innendurchmesser haben, sinkt der Stromwert der Sekundärspule mit zunehmender Verschiebung, wie dargestellt ist. Wenn die zwei Spulen unterschiedliche Innendurchmesser haben, ändert sich der Stromwert der Sekundärspule nicht sehr, solange die Verschiebung innerhalb der Innendurchmesserdifferenz (1 mm) gehalten wird.
Unter Bezugnahme auf 3 ist in dieser Ausführungsform der Innendurchmesser der Spule 110 an der Stationsseite um 1 mm größer eingestellt als der Innendurchmesser der Spule 210 an der Uhrenseite, so dass die Wirkung der Verschiebung minimiert ist, während die Verschiebung innerhalb der Innendurchmesserdifferenz gehalten wird. Sowohl in der Spule 110 an der Stationsseite als Primärspule als auch in der Spule 210 an der Uhrenseite als Sekundärspule ist der Innendurchmesser auf etwa den halben Außendurchmesser eingestellt, und ihre Durchmesser sind im Wesentlichen untereinander gleich eingestellt. Die Wirkungsgrade des Batterieladevorganges und der Signalübertragung sind somit verbessert.
Unter Berücksichtigung der Montagepräzision jeder Spule und der Befestigungspräzision der elektronischen Uhr 200 in der Station 100 ist die Innendurchmesserdifferenz zwischen den zwei Spulen vorzugsweise auf den gleichen oder einen größeren Wert als in dieser Ausführungsform eingestellt, nämlich gleich oder größer 1 mm.
<Elektrische Konstruktion>
Anschließend wird nun die elektrische Konstruktion der Station 100 und der elektronischen Uhr 200 unter Bezugnahme auf 4 besprochen.
Es wird nun die Station 100 besprochen. Unter Bezugnahme auf 4 gibt eine Oszillatorschaltung 140 ein Taktsignal CLK zum Synchronisieren des Betriebs jedes Blocks aus. Wenn der Benutzer den Eingabeabschnitt 103 zum Starten des Ladevorganges bedient, leitet der Eingabeabschnitt 103 einen einmaligen Auslösungsimpuls STR zu einem Zähler 150. Der Zähler 150 ist eine Schaltung zum Steuern der Verbindung der Spule in der Station 100. Bei Empfang des Impulses STR beginnt der Zähler 150 einen voreingestellten Wert n in Übereinstimmung mit dem Taktsignal CLK abwärts zu zählen, und gibt ein H-Pegel-Signal T während des Zählvorganges aus. Mit anderen Worten, das Ausgangssignal T des Zählers 150 bleibt über eine konstante Zeitdauer von Beginn des Ladevorganges, bis n Perioden des Taktsignals CLK verstrichen sind, bei einem H-Pegel. Das Signal T wird einem Eingang eines UND-Gatters 152 eingegeben.
Ein Anschluss der Spule 110 an der Stationsseite wird auf eine Stromquellenspannung Vcc hochgezogen, während der andere Anschluss D an einen Drain eines Transistors 153 angeschlossen wird. Ein Gate des Transistors 153 ist an einen Ausgang des UND-Gatters 152 angeschlossen, dessen anderer Eingang das Taktsignal SLK empfängt, und eine Source des Transistors 153 ist geerdet.
Wenn das Ausgangssignal T des Zählers 150 bei einem H-Pegel ist, wird das Taktsignal CLK direkt zu einem Ausgangssignal S1 des UND-Gatters 152, und abhängig von dem Pegel des Ausgangssignals S1 wird der Drain/die Source des Transistors 153 umgeschaltet.
Das Signal S2 am Anschluss D der Spule 110 an der Stationsseite wird zu einer Empfangsschaltung 154 geleitet. Die Empfangsschaltung 154 demoduliert das Signal S2 in Übereinstimmung mit dem Taktsignal CLK und gibt ein Signal S3 als demoduliertes Ergebnis aus. Die Konstruktion der Empfangsschaltung 154 wird später beschrieben. Eine Verarbeitungsschaltung 155 ist eine Schaltung zur Ausführung eines Prozesses gemäß dem demodulierten Signal S3, und ist dieser Ausführungsform wird das verarbeitete Ergebnis auf dem Anzeigeabschnitt 104 angezeigt.
Es wird nun die elektronische Uhr 200 besprochen. Ein Anschluss der Spule 210 an der Uhrenseite ist über eine Diode 245 an einen positiven Anschluss der sekundären Batterie 220 angeschlossen, während der andere Anschluss der Spule 210 an der Uhrenseite an einen negativen Anschluss der sekundären Batterie 220 angeschlossen ist. Eine Spannung Vcc der sekundären Batterie 220 dient als Energiequellenspannung für jeden Block in der elektronischen Uhr 200.
Eine Steuerschaltung 230 hat eine Zeitgeberfunktion, die einen Anzeigeabschnitt 204 veranlasst, Zeitinformationen anzuzeigen. Wenn ein Signal W1 nicht induziert wird, leitet die Steuerschaltung 230 einer Sendeschaltung 250 digitale Daten W2 zu, die zu der Station 100 zu übertragen sind. Die Daten, die zu der Station 100 zu übertragen sind, können biologische Informationen über den Körper, wie die Pulsrate oder Herzrate, sein, die von einem nicht dargestellten Sensor gemessen werden.
Die Sendeschaltung 250 macht die Daten, die zu der Station 100 übertragen werden sollen, seriell und gibt während einer L-Pegelperiode der seriellen Daten ein Schaltsignal aus, das eine Verstärkung eines unveränderlichen Frequenzsignals ist. Das Schaltsignal der Sendeschaltung 250 wird über einen Widerstand 251 zu einer Basis eines Transistors 252 geleitet. Ein Kollektor des Transistors ist an den positiven Anschluss der sekundären Batterie 220 angeschlossen, während ein Emitter des Transistors an den einen Anschluss der Spule 210 an der Uhrenseite angeschlossen ist.
Wenn das Signal W1 in der Spule 210 an der Uhrenseite induziert wird, wird das Signal W1 Halbwellen-gleichgerichtet, wodurch die sekundäre Batterie geladen wird. Wenn das Signal W1 nicht induziert wird, wird das Schaltsignal als Reaktion auf die Daten, die zu der Station 100 zu übertragen sind, zu der Spule 210 an der Uhrenseite geleitet.
Die Konstruktion der Empfangsschaltung 154 in der Station 100 wird nun unter Bezugnahme auf 6 besprochen. Die dargestellte Konstruktion ist nur ein Beispiel und kann durch das Modulationsverfahren bestimmt werden, das in der Sendeschaltung 250 in der elektronischen Uhr 200 verwendet wird.
Ein Signal, das an dem anderen Anschluss D' er Spule 110 an der Stationsseite induziert wird, wird durch eine Inverter schaltung 1541, wie in 6 dargestellt ist, im Pegel umgekehrt und wellengeformt, und wird als Rückstellsignal RST zu D-Flipflops 1542 und 1543 geleitet, die mit dem Taktsignal CLK der Oszillatorschaltung 140 (wie in 4 dargestellt) synchronisiert sind. Der Eingangsanschluss D des D-Flipflops 1542 ist an die Energiequellenspannung Vcc angeschlossen, während der Ausgangsanschluss Q des D-Flipflops 1542 an einen Eingangsanschluss D des D-Flipflops 1543 der nächsten Stufe angeschlossen ist. Ein Ausgangsanschluss Q des D-Flipflops 1543 gibt das Signal S3 als demodulierten Ausgang aus.
Es werden nun Wellenformen an Punkten in der derart konstruierten Empfangsschaltung 154 besprochen.
Wenn die Daten von der elektronischen Uhr 200 empfangen werden, ist der Transistor 153 (siehe 4) nicht eingeschaltet. Der andere Anschluss D der Spule 110 an der Stationsseite bleibt hochgezogen, wenn kein externes Magnetfeld durch die Spule 210 an der Uhrenseite erzeugt wird. Wenn ein externes Magnetfeld erzeugt wird, ändert der andere Anschluss D der Spule 110 an der Stationsseite seinen Pegel in Übereinstimmung mit der induzierten Spannung. Das Signal S2, das bei dem Anschluss D induziert wird, sieht jenem, das in 7(a) dargestellt ist, ähnlich.
Wie in 7(b) dargestellt ist, wird das Signal RST, das der Ausgang der Inverterschaltung 1541 ist, hoch getrieben, wenn die Spannung des Signals S2 unter einen Schwellenwert Vth fällt. Das Signal RST stellt die D-Flipflops 1542 und 1543 zurück. Da die D-Flipflops 1542 und 1543 an einer ansteigenden Flanke des Taktsignals CLK den Pegel des Eingangsanschlusses D unmittelbar vor der ansteigenden Flanke des Taktsignals CLK ausgegeben, sehen der Ausgang Q1 des D-Flipflops 1542 und der Ausgang 53 des D-Flipflops ähnlich wie jene aus, die in 7(d) beziehungsweise 7(e) dargestellt sind. Das Ausgangssignal S3 der Empfangsschaltung 154 bleibt über eine Dauer, in der das externe Magnetfeld von der Spule 210 an der Uhrenseite erzeugt wird, bei einem L-Pegel.
Da die Dauer, in der das externe Magnetfeld von der Spule 210 an der Uhrenseite erzeugt wird, die Dauer bezeichnet, in der die Daten, die von der elektronischen Uhr 200 zu der Station 100 übertragen werden, bei einem L-Pegel bleiben, ist das Signal S3 die demodulierte Version der Daten von der elektronischen Uhr 200.
<Betrieb>
Es werden nun der Ladevorgang und der Datenübertragungsvorgang durch die Station 100 und die elektronische Uhr gemäß dieser Ausführungsform beschrieben.
Der Benutzer legt die elektronische Uhr 200 in die Buchse 101 der Station 100. Da die Spule 110 an der Stationsseite und die Spule 210 an der Uhrenseite einander zugewandt sind, wie in 2 und 3 dargestellt ist, sind beide Spulen elektromagnetisch gekoppelt.
Wenn der Benutzer den Eingabeabschnitt 103 in der Station 100 betätigt, um den Ladevorgang zu starten, wird der einmalige Auslösungsimpuls STR von dem Eingabeabschnitt 103 zum Zeitpunkt t1 ausgegeben, wie in 5(a) dargestellt ist. Der Zähler 150 beginnt den Abwärtszählvorgang, wodurch das Signal T auf einen H-Pegel getrieben wird, wie in 5(b) dargestellt ist.
Wenn das Signal T auf einen H-Pegel übergeht, wird das UND-Gatter 152 geöffnet, wodurch der Transistor 153 veranlasst wird, sich selbst in Übereinstimmung mit dem Taktsignal CLK umzuschalten. Da sich der Transistor 153 selbst in Übereinstimmung mit der Wellenform umschaltet, die in 5(c) dargestellt ist, wird der Spule 110 an der Stationsseite ein Impulssignal zugeleitet, das eine Energiequellenspannung Vcc ist, die in Übereinstimmung mit dem Taktsignal CLK gepulst ist. Auf diese Weise wird das externe Magnetfeld erzeugt.
Als Reaktion auf das externe Magnetfeld wird das Signal W1 mit derselben Periode wie das Impulssignal in der Spule 210 an der Uhrenseite induziert. Das induzierte Signal ist Halbwellen-gleichgerichtet und lädt dann die sekundäre Batterie 220.
In dem Moment, in dem der Ausgang des Zählers 150, der den gegenwärtigen Wert n als Reaktion auf Taktsignal CLK abwärtszählt, zum Zeitpunkt t2 Null wird, der in 5(b) dargestellt ist, wird das Signal T auf einen L-Pegel getrieben.
Wenn das Signal T auf einen L-Pegel getrieben ist, wird das UND-Gatter 152 geschlossen, wodurch der Transistor 153 unabhängig von dem Taktsignal CLK abgeschaltet bleibt. Dadurch wird in der Spule 210 an der Uhrenseite kein Signal induziert.
Der Ladevorgang für die sekundäre Batterie 220 ist somit vollendet. Andererseits leitet die Steuerschaltung 230 der Sendeschaltung 250 digitale Daten W2 zu, die zu der Station 100 zu übertragen sind, wodurch die Signalübertragung von der elektronischen Uhr 200 zu der Station 100 beginnt.
Wenn die Daten, die zu der Station 100 zu übertragen sind, in etwa so aussehen wie jene, die in 5(d) dargestellt sind, ist das Schaltsignal der Sendeschaltung 250 ein H-Pegel-Signal, wenn die Daten bei einem H-Pegel sind, und ein Impulssignal mit einer konstanten Frequenz in einem Paket, wenn die Daten bei einem L-Pegel sind. Der Transistor 252 wird in Übereinstimmung mit der Wellenform, die in 5(e) dargestellt ist, geschaltet.
Der Spule 210 an der Uhrenseite wird das Impulssignal zugeleitet, wenn die Daten, die zu der Station 100 zu übertragen sind, bei einem L-Pegel sind, und das externe Magnetfeld wird somit erzeugt.
Als Reaktion auf das externe Magnetfeld wird das Signal S2 mit derselben Periode wie jener des Impulssignals bei dem Anschluss D der Spule 110 an der Stationsseite induziert. Für die Dauer, in der das Signal induziert wird, stellt die zuvor beschriebene Empfangsschaltung 154 das Signal S3 bei einem L-Pegel dar, und infolgedessen empfängt die Station 100 das Signal S3, das von den digitalen Daten W2 demoduliert wurde, von der elektronischen Uhr 200 ab dem Zeitpunkt t2. In der Station 100 führt die Verarbeitungsschaltung 155 den Prozess in Übereinstimmung mit dem demodulierten Signal S3 aus und das Prozessergebnis wird auf dem Anzeigeabschnitt 104 angezeigt.
In dieser Ausführungsform ist der Innendurchmesser der Spule 110 an der Stationsseite um 1 mm größer als der Innendurchmesser der Spule 210 an der Uhrenseite, und selbst wenn die Mittelpunkte der zwei Spulen voneinander verschoben sind, wird der Wirkungsgrad in der Energieübertragung und der Wirkungsgrad in dem Signal nicht so sehr verringert. Sowohl in der Spule 110 an der Stationsseite als auch in der Spule 210 an der Uhrenseite ist der Innendurchmesser etwa halb so groß wie der Außendurchmesser, und die Außendurchmesser der zwei Spulen sind ungefähr gleich, und der Wirkungsgrad im Ladevorgang und der Wirkungsgrad in der Signalübertragung sind hoch.
In dieser Ausführungsform reagiert die Energieübertragung oder die Signalübertragung, wenn diese durch die magnetische Kopplung der zwei Spulen ausgeführt wird, weniger empfindlich auf eine Verschiebung zwischen den zwei Spulen, und der Wirkungsgrad in der Datenübertragung und der Wirkungsgrad in der Energieübertragung wird aufrechterhalten.
In dieser Ausführungsform wird die sekundäre Batterie 220 in der elektronischen Uhr 200 vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 als Reaktion auf das erzeugte externe Magnetfeld geladen, und die Datenübertragung wird ab dem Zeitpunkt t2 ausgeführt. Diese Anordnung schließt die Möglichkeit aus, dass eine unzureichende Spannung in der sekundären Batterie 220 in der elektronischen Uhr 200 der Grund für ein Versagen in der Ausführung der Datenübertragung ist.
<Modifizierungen>
Die folgenden Modifizierungen können an der obengenannten Ausführungsform vorgenommen werden.
In der obengenannten Ausführungsform ist der Innendurchmesser der Spule 110 an der Stationsseite um 1 mm größer eingestellt als der Innendurchmesser der Spule 210 an der Uhrenseite, ist der Innendurchmesser auf die halbe Größe des Außendurchmessers in jeder Spule eingestellt, und sind die beiden Außendurchmesser der zwei Spulen annähernd gleich eingestellt, um den zwei Zielen zu dienen, die Wirkung der Verschiebung zwischen den zwei Spulen zu verringern und die Wirkungsgrade in der Datenübertragung und der Energieübertragung aufrechtzuerhalten. Ein gleichzeitiges Erfüllen all dieser Bedingungen ist nicht erforderlich. Insbesondere ist es ausreichend, den Innendurchmesser der Spule 110 an der Stationsseite um 1 mm größer einzustellen als den Innendurchmesser der Spule 210 an der Uhrenseite, und den Innendurchmesser in jeder Spule halb so groß einzustellen wie den Außendurchmesser. Als Alternative ist es ausreichend, den Innendurchmesser der Spule 110 an der Stationsseite um 1 mm größer einzustellen als den Innendurchmesser der Spule 210 an der Uhrenseite und die Außendurchmesser der zwei Spulen annähernd gleich einzustellen.
Vom Standpunkt der Aufrechterhaltung der Wirkungsgrade in der Daten- und Energieübertragung ist es nicht notwendig, den Innendurchmesser in jeder Spule halb so groß einzustellen wie den Außendurchmesser, und ebenso ist es nicht notwendig, die Außendurchmesser der beiden Spulen annähernd gleich einzustellen. Unter Bezugnahme auf 8(b) liegt jedes der Innen-/Außendurchmesser-Verhältnisse der Spule 110 an der Stationsseite und der Spule 210 an der Uhrenseite vorzugsweise in einem Bereich von 0,3 bis 0,7, und unter Bezugnahme auf 9(b) liegt das Verhältnis des Außendurchmessers der Spule 110 an der Stationsseite zu dem Außendurchmesser der Spule 210 an der Uhrenseite vorzugsweise in einem Bereich von 0,7 bis 1,3.
In der obengenannten Ausführungsform ist die Datenübertragung von der elektronischen Uhr 200 zu der Station 100 eine Einwegübertragung, aber die Datenübertragung kann auch von der Station 100 zu der elektronischen Uhr 200 ausgeführt werden. Zum Übertragen von Daten zu der elektronischen Uhr 200 kann die Station 100 eine Modulation in Übereinstimmung mit den Daten, die übertragen werden sollen, durchführen, während die elektronische Uhr 200 eine Demodulation entsprechend dem Modulationsverfahren ausführen kann. Die Modulation und Demodulation kann eine beliebige der bekannten Techniken sein.
In der obengenannten Ausführungsform ist der Innendurchmesser der Spule 110 an der Stationsseite größer eingestellt als der Innendurchmesser der Spule 210 an der Uhrenseite. Im Gegensatz dazu kann der Innendurchmesser der Spule 210 an der Uhrenseite größer eingestellt sein als der Innendurchmesser der Spule 110 an der Stationsseite.
Die obengenannte Ausführungsform wurde in Verbindung mit der Station 100 als Ladevorrichtung und der elektronischen Uhr 200 als geladene Vorrichtung besprochen. Im Kontext der vorliegenden Erfindung, die in dieser Anmeldung offenbart ist, sind jedoch die Unterscheidung zwischen diesen Vorrichtungen und die Unterscheidung zwischen der ersten Vorrichtung und der zweiten Vorrichtung bedeutungslos, und die vorliegende Erfindung wird bei jeder elektronischen Vorrichtung angewendet, die die Energieübertragung oder die Signalübertragung ausführt. Zum Beispiel findet die vorliegende Erfindung in einer geladenen Vorrichtung Anwendung, die eine sekundäre Batterie enthält, wie in einer motorbetriebenen Zahnbürste, einem motorbetriebenen Rasierapparat, einem Schnurlostelefon, einem tragbaren Telefon, einem Personal Handy Phone, einem mobilen Personal Computer oder einem PDA (Personal Digital Assistant: Persönliches Informationsendgerät) und einer Ladevorrichtung. Ferner kann die vorliegende Erfindung bei jeder elektronischen Vorrichtung mit mindestens zwei separaten Vorrichtungen angewendet werden.
B. Zweite Ausführungsform
Es wird nun eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen besprochen. In der Ausführungsform, die in der Folge besprochen wird, wird die vorliegende Erfindung bei einer kontaktlos wiederaufladbaren, motorbetriebenen Zahnbürste angewendet.
13(a) ist eine erklärende Ansicht einer motorbetriebenen Zahnbürste der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 13(b) ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Zahnbürste, die in 13(a) dargestellt ist.
Dargestellt sind ein Ständer 11, eine Ständerladegehäuse 12, eine motorbetriebene Zahnbürste 13, ein Gehäuse 14 für die motorbetriebene Zahnbürste, eine gedruckte Leiterplatte 15 an der Senderseite, eine Spule 16 an der Senderseite, eine gedruckte Leiterplatte 17 an der Empfängerseite, eine Spule 18 an der Empfängerseite, eine sekundäre Batterie 19, ein Sitz 20 für die motorbetriebene Zahnbürste, eine Leitung 21, ein Abdeckungsglas 22 an der Senderseite, eine abgeschiedene Abdeckungsglasoberfläche 23 an der Senderseite, eine Abdeckungsglas 24 an der Empfängerseite, und eine abgeschiedene Abdeckungsglasoberfläche 25 an der Empfängerseite.
Die kontaktlos wiederaufladbare, motorbetriebene Zahnbürste enthält die motorbetriebene Zahnbürste 13 und den Ladeständer 11. Der Ladeständer 11 ist mit einer Ladeeinheit versehen, und die motorbetriebene Zahnbürste 13 ist mit einer geladenen Einheit versehen.
Der Ladeständer 11 enthält das Ständerladegehäuse 12 und die Ladeeinheit ist in dem Ständerladegehäuse 12 angeordnet. Die motorbetriebene Zahnbürste 13 enthält das Gehäuse 14 für die motorbetriebene Zahnbürste, und die geladene Einheit ist in dem Gehäuse 14 für die motorbetriebene Zahnbürste angeordnet.
Das Ständerladegehäuse 12 enthält den Sitz 20 für die motorbetriebene Zahnbürste zum Halten der motorbetriebenen Zahnbürste 13. Wenn die motorbetriebene Zahnbürste 13 in Verwendung ist, nimmt der Benutzer die motorbetriebene Zahnbürste 13 aus dem Sitz 20 für die motorbetriebene Zahnbürste, während sonst die motorbetriebene Zahnbürste 13 auf den Sitz 20 für die motorbetriebene Zahnbürste gestellt wird, wo sie sich selbst kontaktlos lädt.
Die Ladeeinheit, die in dem Ständerladegehäuse 12 angeordnet ist, enthält Schaltungskomponenten für eine Hochfrequenz-Oszillatorschaltung, und diese Komponenten sind auf der gedruckten Leiterplatte 15 an der Senderseite montiert. Von diesen Komponenten ist die Spule 16 an der Senderseite an der gedruckten Senderleiterplatte montiert.
Die Spule 16 an der Senderseite ist in einer Position angeordnet, die dem Sitz 20 der motorbetriebenen Zahnbürste zugewandt ist und diesem am nächsten liegt.
Das Abdeckungsglas 22 an der Senderseite ist zwischen der Spule 16 an der Senderseite an dem Ständerladegehäuse 12 und der Spule 18 an der Empfängerseite angeordnet, wobei es zweidimensional die Spule 16 an der Senderseite oder die Spule 18 an der Empfängerseite bedeckt. Das Abdeckungsglas 22 an der Senderseite kann zum Beispiel unter Verwendung eines mit Ultraviolettlicht härtbaren Klebstoffs auf das Ständerladegehäuse 12 geklebt werden.
Die abgeschiedene Abdeckungsglasoberfläche 23 an der Empfängerseite ist auf dem Abdeckungsglas 22 an der Senderseite auf dessen Oberfläche gebildet, die der Spule 16 an der Senderseite zugewandt ist.
Die geladene Einheit, die in dem Gehäuse 14 für die motorbetriebene Zahnbürste angeordnet ist, enthält Schaltungskomponenten für eine Ladeschaltung oder dergleichen, und diese Schaltungskomponenten sind auf der gedruckten Leiterplatte 17 an der Empfängerseite montiert. Von den Schaltungskomponenten ist die Spule 18 an der Empfängerseite auf der gedruckten Leiterplatte 17 an der Empfängerseite montiert.
Die Spule 18 an der Empfängerseite ist in der motorbetriebenen Zahnbürste 13 so angeordnet, dass die Spule 18 an der Empfängerseite dem Sitz 20 der motorbetriebenen Zahnbürste am nächsten kommt und so ausgerichtet ist, dass sie der Spule 16 an der Senderseite zugewandt ist, wenn die motorbetriebene Zahnbürste 13 auf den Sitz 20 der motorbetriebenen Zahnbürste gestellt wird.
Das Abdeckungsglas 24 an der Empfängerseite ist zwischen der Spule 18 an der Empfängerseite in dem Gehäuse 14 für die motorbetriebene Zahnbürste und der Spule 16 an der Senderseite angeordnet, wobei sie zweidimensional die Spule 18 an der Empfängerseite oder die Spule 16 an der Senderseite bedeckt. Das Abdeckungsglas 24 an der Empfängerseite kann zum Beispiel unter Verwendung eines mit Ultraviolettlicht härtbaren Klebstoffs auf das Gehäuse 14 für die motorbetriebene Zahnbürste geklebt werden.
Die abgeschiedene Abdeckungsglasoberfläche 25 an der Empfängerseite ist auf dem Abdeckungsglas 24 an der Empfängerseite auf dessen Oberfläche gebildet, die der Spule 18 an der Empfängerseite zugewandt ist.
Die sekundäre Batterie 19 ist weit weg von dem Sitz 20 für die motorbetriebene Zahnbürste positioniert, wenn die motorbetriebene Zahnbürste 13 auf den Sitz 20 für die motorbetriebene Zahnbürste gestellt wird.
Als sekundäre Batterie kann eine Nickel-Kadmium-Batterie, eine Nickel-Wasserstoff-Batterie, eine Lithiumionenbatterie oder dergleichen verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf 13(b) sind die Dicken des Ständerladegehäuses 12 und des Gehäuses 14 für die motorbetriebene Zahnbürste zwischen der Spule 18 an der Empfängerseite und der Spule 16 an der Senderseite während des Ladevorganges vorhanden.
14 zeigt Messdaten der Dicke und des Übertragungswirkungsgrades. In den Messdaten, die in 14 eingetragen sind, stellt die Abszisse den Abstand d (mm), im Querschnitt betrachtet, zwischen der Kante des äußeren Umfangs der Spule an der Senderseite und der Kante des äußeren Umfangs der Spule an der Empfängerseite dar, während die Ordinate zeigt, wie oft ein relativer Übertragungswirkungsgrad auf den Übertragungswirkungsgrad als 1 bezogen wird, wenn ein Abstand d von 5 mm, im Querschnitt betrachtet, zwischen der Kante des äußeren Umfangs der Spule an der Senderseite und der Kante des äußeren Umfangs der Spule an der Empfängerseite vorhanden ist.
Wie aus 14 erkennbar ist, nimmt der Übertragungswirkungsgrad mit abnehmendem Querschnittsabstand d einer quadratischen Kurve entsprechend zu und das System ermöglicht somit eine Übertragung mit hohem Wirkungsgrad.
Bei einem Abstand von 3 mm oder weniger ist der Übertragungswirkungsgrad etwa 100 mal jener in der herkömmlichen Technik mit einem Abstand von 5 mm. Die Vorrichtung weist somit einen hohen Übertragungswirkungsgrad auf, wodurch der Zweck eines raschen Ladevorganges erfüllt ist.
Zur Begrenzung des Abstandes zwischen den zwei Spulen auf 3 mm und um eine wasserdichte Struktur zu erhalten, die einem Wasserdruck von fünf Atmosphären standhält, müssen die Gehäuse aus einem Material mit hoher Steifigkeit, wie einem Metall, konstruiert sein. Wenn ein leitendes Element für die Gehäuse zwischen der Spule an der Senderseite und der Spule an der Empfängerseite in dem Energieübertragungssystem verwendet wird, das mit elektromagnetischer Induktion arbeitet, treten Wirbelströme in dem leitenden Element auf, behindern die Übertragung, und die Verwendung des leitenden Elements ist nicht für eine Übertragung mit hohem Wirkungsgrad geeignet.
15 zeigt Messdaten von Gehäusematerialien und Übertragungswirkungsgraden. Die in 15 dargestellten Messdaten sind das Messergebnis von Übertragungswirkungsgraden, die bei einem Abstand d von 3 mm, im Querschnitt, zwischen dem Rand des äußeren Umfangs der Spule an der Senderseite und dem äußeren Umfang der Spule an der Empfängerseite gemessen wurden, während die Gehäusematerialien zwischen den zwei Spulen lagen. Die Abszisse stellt die Materialien dar, die für die Außengehäuse verwendet wurden, die Dicke jedes Materials und das Oberflächenbearbeitungsmittel, während die Ordinate den relativen Übertragungswirkungsgrad (%), der auf einen Übertragungswirkungsgrad von 100% bezogen ist, bei einem rostfreien Produkt mit einer Dicke von 1 mm, das zwischen den Spulen eingefügt wurde, zeigt.
Unter Bezugnahme auf die Daten, die in 15 dargestellt sind, führt die Verwendung eines Isoliermaterials für das Außengehäuse zu einem Übertragungswirkungsgrad, der zehnmal so hoch wie jener ist, der durch ein rostfreies Produkt erreicht wird.
Es wird auch festgestellt, dass, selbst wenn eine Seite eines Isoliermaterials mit einer 1 μm dicken Metallabscheidung überzogen ist, wie aus Aluminium, keine Verschlechterung eintritt, die Wirbelströmen zugeschrieben wird.
Da das Glaselement für gewöhnlich transparent ist, sind die innere Spule und die elektronischen Komponenten von der Außenseite sichtbar. Dies ist vom ästhetischen Standpunkt aus nicht bevorzugt. Ferner werden die elektronischen Komponenten einer Beeinträchtigung durch Licht, insbesondere Ultraviolettlicht, ausgesetzt. Zur Lösung dieser Probleme wird eine abgeschiedene Oberfläche an der Innenfläche des Glaselements verwendet. Anstelle der abgeschiedenen Oberfläche kann die Innenfläche des Glaselements mit einer plattierten Fläche, einer bedruckten Oberfläche, einer Folienoberfläche überzogen werden oder das Glaselement selbst kann ein mit Pigment gefärbtes Glas sein.
C. Dritte Ausführungsform
16 zeigt das Prinzip einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in der Folge besprochene Ausführungsform ist eine elektronische Uhr mit einer kontaktlosen Datenübertragungsvorrichtung.
16(a) zeigt die Konstruktion der elektronischen Uhr der vorliegenden Erfindung, in der eine Datenübertragungsvorrichtung 31 und eine elektronische Uhr 35 enthalten sind.
16(b) ist eine Schnittansicht der elektronischen Uhr der vorliegenden Erfindung, in der die Datenübertragungsvorrichtung 31, eine Spule 32 an der Senderseite, ein Abdeckungsglas 33 an der Senderseite, eine Senderschaltungsplatte 34, die elektronische Uhr 35, eine Spule 36 an der Seite der elektronischen Uhr, eine Rückseite 37 des Gehäuses der elektronischen Uhr, ein Abdeckungsglas 38 an der Rückseite des Gehäuses der elektronischen Uhr, eine sekundäre Batterie 39 und eine Schaltung 40 der elektronischen Uhr enthalten sind.
16(c) ist ein Blockdiagramm der elektronischen Uhr der vorliegenden Erfindung.
Die elektronische Uhr vom kontaktlosen Datenübertragungstyp dieser Ausführungsform enthält die Datenübertragungsvorrichtung 31 und die elektronische Uhr 35. Die Datenübertragungsvorrichtung 31 enthält eine Datensendeeinheit, während die elektronische Uhr 35 eine Datenempfangseinheit enthält.
Die Datenübertragungsvorrichtung 31 enthält einen Sitz für die elektronische Uhr, auf den die elektronische Uhr 35 gestellt wird. Wenn Daten zu der elektronischen Uhr übertragen werden, wird die elektronische Uhr 35 auf den Sitz für die elektronische Uhr der Datenübertragungsvorrichtung 31 gestellt.
Die Datensendeeinheit, die in der Datenübertragungsvorrichtung 31 angeordnet ist, hat Schaltungskomponenten, die eine Signalgeneratorschaltung 41, eine Modulatorschaltung 42, die Treiberschaltung 43, die Spule 32 an der Senderseite, eine Stellschaltung 44, eine Detektorschaltung 45 usw. enthalten, und diese Schaltungskomponenten sind auf der Senderschaltungsplatte 34 montiert. Die Spule 32 an der Senderseite ist in einer Position angeordnet, die dem Sitz der elektronischen Uhr zugewandt ist und diesem am nächsten liegt. Das Abdeckungsglas 33 an der Senderseite ist auf dem Sitz der elektronischen Uhr in der Datenübertragungsvorrichtung 31 zwischen der Spule 32 an der Senderseite und der Spule 36 an der Seite der elektronischen Uhr angeordnet und bedeckt zweidimensional die Spule 32 an der Senderseite und die Spule 36 an der Seite der elektronischen Uhr.
Die Datenempfangseinheit in der elektronischen Uhr 35 enthält Schaltungskomponenten, wie die Spule 36 an der Seite der elektronischen Uhr und eine Demodulatorschaltung 46. Diese Schaltungskomponenten sind auf der Schaltung 40 der elektronischen Uhr gemeinsam mit einer Motorantriebsschaltung 47, einem Schrittmotor 48 und einem Zeiger 49 der elektronischen Uhr montiert. Die Spule 36 an der Seite der elektronischen Uhr ist in einer Position angeordnet, die dem Sitz der elektronischen Uhr zugewandt ist und diesem am nächsten liegt, wenn die elektronische Uhr 35 auf den Sitz der elektronischen Uhr der Datenübertragungsvorrichtung 31 gestellt wird. Das Abdeckungsglas 38 an der Rückseite des Gehäuses der elektronischen Uhr ist an der Rückseite 37 des Gehäuses der elektronischen Uhr der elektronischen Uhr 35, und zwischen der Spule 32 an der Senderseite und der Spule 36 an der Seite der elektronischen Uhr angeordnet und bedeckt die Spule 32 an der Senderseite und die Spule 36 an der Seite der elektronischen Uhr zweidimensional.
Die sekundäre Batterie 39 ist weit weg von dem Sitz der elektronischen Uhr positioniert, wenn die elektronische Uhr 35 auf den Sitz der elektronischen Uhr der Datenübertragungsvorrichtung 31 gestellt wird.
Als ein Beispiel für die Datenübertragung wird der Vorgang zum Einstellen der elektronischen Uhr unter Bezugnahme auf 16(b) und 16(c) besprochen.
Wenn Zeitdaten, die zur Einstellung der Uhr erforderlich sind, in die Datenübertragungsvorrichtung 31 eingegeben werden, beginnt die Stellschaltung 41 zu arbeiten, die Detektorschaltung 45 erfasst den Einstellungszustand und betriebt die Modulatorschaltung 42 in Übereinstimmung mit den erfassten Informationen. Mit 41 ist die Signalgeneratorschaltung bezeichnet und die Modulatorschaltung 42 führt die Modulation in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal von der Signalgeneratorschaltung 41 aus. Als Reaktion auf den Ausgang von der Modulatorschaltung 42 treibt die Treiberschaltung 43 die Spule 32 an der Senderseite an. Ein moduliertes Signal wird von der Spule 32 an der Senderseite ausgegeben und in Form eines sich ändernden Magnetfeldes zu der Spule 36 an der Seite der elektronischen Uhr, wie einer analogen Armbanduhr, übertragen. Durch magnetische Induktion wird eine Spannung in der Spule 36 an der Seite der elektronischen Uhr induziert, und eine Impulsbreite des empfangenen Signals wird von der Demodulatorschaltung 46 erfasst, und auf der Basis der Impulsbreite wird die Motorantriebsschaltung 47 so gesteuert, dass der Schrittmotor 48 sich in eine normale oder entgegengesetzte Richtung dreht oder anhält. Auf diese Weise dreht sich der Zeiger 49 zur Zeiteinstellung.
Wenn die Datenübertragung von der Spule 32 an der Senderseite zu der Spule 36 an der Seite der elektronischen Uhr durch elektromagnetische Induktion ausgeführt wird, verbessert die Verwendung der Konstruktion, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, den Übertragungswirkungsgrad und ermöglicht eine Datenübertragung mit hohem S/N-Verhältnis bei geringer Energie.
Wie zuvor beschrieben, haben die zweite und dritte Ausführungsform die folgenden Vorteile.

(1) In einer elektronischen Vorrichtung, die getrennte elektronischen Vorrichtungen enthält, die jeweils mindestens eine Spule in einer Position haben, die der anderen Vorrichtung zugewandt ist, um eine Signalübertragung oder Energieübertragung kontaktlos durch elektromagnetische Induktion oder elektromagnetische Kopplung dazwischen auszuführen, wird der Energieübertragungswirkungsgrad von der Ladeeinheit zu der geladenen Einheit durch die Anordnung eines Glaselements an einer Außenfläche mindestens einer der Spulen, die der anderen Spule zugewandt ist, verbessert, und dadurch wird ein rascher Ladevorgang der sekundären Batterie möglich. Es wird auch eine Signalübertragung mit hohem S/N-Verhältnis bei geringer Energie ausgeführt.
(2) Durch Anordnung eines Glases hoher Steifigkeit auf der Oberfläche, der die Primärspule und die Sekundärspule zugewandt sind, wird eine kompakte und wasserdichte elektronische Vorrichtung bereitgestellt.
(3) Obwohl ein Abschnitt, an dem das Glaselement befestigt. ist (zum Beispiel die Rückseite 37 des Gehäuses der elektronischen Uhr in 13) in der obengenannten zweiten und dritten Ausführungsform aus einem Metall konstruiert ist, ist es ausreichend, nur den Teil, der das Glaselement stützt (zum Beispiel den Umfang des Glaselements) aus dem Metallelement zu konstruieren.

D. Modifizierungen
(1) In der ersten Ausführungsform sind die Rückseite 212 des Gehäuses (die für gewöhnlich aus Metall besteht) und das Abdeckungsglas 211 wie in 2 dargestellt angeordnet, und die Spule 110 an der Stationsseite ist in einer Position angeordnet, in der sie der Spule 210 an der Uhrenseite zugewandt ist, und wird auch von dem Abdeckungsglas 111 gestützt.
Insbesondere ist eine Kombination aus dem Isoliermaterial und dem Metallmaterial an dem äußeren Abschnitt der Spule 210 an der Uhrenseite (einer Spule) befestigt, die der Spule 110 an der Stationsseite (der anderen Spule) zugewandt ist, und der Vorteil der zweiten und dritten Ausführungsform ist somit zusätzlich bereitgestellt.
Es ist möglich, die Technik, den Innendurchmesser einer von der ersten und zweiten Spule um 1 mm größer als den Innendurchmesser der anderen von der ersten und zweiten Spule einzustellen, mit der Technik, einen Isolierkörper (zum Beispiel Glas) auf der Oberfläche anzuordnen, wo die erste und zweite Spule einander zugewandt sind, zu kombinieren, und eine solche Kombination bietet die folgenden Vorteile.
Durch Anordnung des Isolierkörpers in dem Abschnitt, wo die Spulen einander zugewandt sind, wird ein kompaktes Design bis zu einem gewissen Maß in der Vorrichtung gefördert, während Wasserdichtigkeit und Steifigkeit beibehalten werden. Da eine Verschiebung, falls vorhanden, zwischen den Spulen die elektromagnetische Kopplung beeinträchtigt, ist eine hohe Montagepräzision erforderlich, und ein Ausrichtungsmechanismus zur Verwendung beim Laden/Kommunizieren ist ebenso erforderlich. Durch Einstellen des Innendurchmessers einer Spule um 1 mm größer als den Innendurchmesser der anderen Spule, werden diese Unannehmlichkeiten beseitigt. Es ist keine so strenge Montagepräzision erforderlich, und ein einfaches Design wird in der elektronischen Vorrichtung gefördert, wodurch eine leichte Montage garantiert ist. Es wird auch ein kompaktes Design erhalten. Selbst bei einem mäßigen Grad an Verschiebung wird die Energieübertragung mit hohem Wirkungsgrad zuverlässig ausgeführt. Somit genügt während dem Laden/Kommunizieren eine geringe übertragene Energie.
In der ersten Ausführungsform kann das Abdeckungsglas 211 und 111 durch andere Isoliermaterialien ersetzt werden, oder sogar stattdessen ein Metall verwendet werden. Wenn ein Metall verwendet wird, fällt der Wirkungsgrad in der magnetischen Kopplung, aber wenn der Wirkungsgrad der magnetischen Kopplung keine Überlegung ist, ist die Verwendung von Metall möglich. Selbst wenn das Metall verwendet wird, bleibt der Vorteil, der sich ergibt, wenn der Innendurchmesser einer Spule größer als der Innendurchmesser der anderen Spule eingestellt wird, zu jenem in der ersten Ausführungsform unverändert.
(2) In der zweiten und dritten Ausführungsform kann der Innendurchmesser einer der zwei Spulen, die während dem Ladevorgang und der Kommunikation einander zugewandt angeordnet sind, um 1 mm größer als der Innendurchmesser der anderen der zwei Spulen eingestellt werden. In diesem Fall wird zusätzlich der Vorteil der ersten Ausführungsform geboten.

Claims

Elektronische Vorrichtung, umfassend eine erste Vorrichtung (100) und eine zweite Vorrichtung (200) zum Durchführen einer Energieübertragung oder Signalübertragung durch elektromagnetisches Koppeln einer ersten und zweiten Spule (110, 210), die in wechselseitig zugewandten Positionen in der ersten beziehungsweise zweiten Vorrichtung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass: jedes der Verhältnisse des Innendurchmessers zu dem Außendurchmesser der ersten Spule und der zweiten Spule gleich oder größer 0,3 und gleich oder kleiner 0,7 ist, und das Verhältnis des Außendurchmessers der ersten Spule zu dem Außendurchmesser der zweiten Spule gleich oder größer 0,7 und gleich oder kleiner 1,3 ist, und einer von dem Innendurchmesser der ersten Spule (110), die in der ersten Vorrichtung (100) angeordnet ist, und dem Innendurchmesser der zweiten Spule (210), die in der zweiten Vorrichtung (200) angeordnet ist, um mindestens 1 mm größer als der andere von dem Innendurchmesser der ersten Spule (110) und dem Innendurchmesser der zweiten Spule (210) ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine von der ersten Spule (110) und der zweiten Spule (210) vom Luft-Kern-Typ ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Innendurchmesser der ersten Spule (110) größer als der Innendurchmesser der zweiten Spule (210) ist.
Elektronische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Vorrichtung (200) vom tragbaren Typ ist.
Elektronische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Vorrichtung (200) eine Sendeschaltung (250) zum Versorgen der zweiten Spule (210) mit einem Signal umfasst, das zu der ersten Vorrichtung (100) gesendet wird, und die erste Vorrichtung (100) eine Empfangsschaltung (154) zum Empfangen des Signals umfasst, das in der ersten Spule 110) induziert wird.
Elektronische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Vorrichtung eine Ladevorrichtung (100) ist und die zweite Vorrichtung eine geladene Vorrichtung (200) ist, wobei die Ladevorrichtung (100) eine Ladeschaltung zum Zuleiten eines Ladesignals zu der ersten Spule (110) umfasst, und die geladene Vorrichtung (200) ein Gleichrichtmittel (245) zum Gleichrichten des Signals umfasst, das in der zweiten Spule (210) induziert wird, und eine Speicherschaltung (220) zum Durchführen des Ladens auf der Basis des Signals, das von dem Gleichrichtmittel (245) gleichgerichtet wurde.