JP3747677B2

JP3747677B2 - 電子機器

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Publication number: JP3747677B2
Application number: JP05622199A
Authority: JP
Inventors: 司小須田; 求早川; 一郎青島; 克行本田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-03-03
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2019-03-03
Also published as: JPH11332135A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相手方機器と互いに対向する位置に配設されたコイル同士の電磁結合あるいは電磁誘導により電力転送および信号転送する場合に、両者の効率を両立させた電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯端末や電子時計などのような小型携帯電子機器をステーションと呼ばれる充電器に収容して、当該携帯電子機器の充電とともに、データ転送などが行われつつある。ここで、充電やデータ転送などについて電気的接点を介して行う構成にすると、これら接点が露出するため、防水性の面において問題が発生する。このため、充電や信号転送などは、ステーションと携帯電子機器との双方に配設されたコイルの電磁的な結合によって非接触で行う構成が望ましい。
【０００３】
そして、このような構成において、ステーションのコイルに高周波信号を印加すると、外部磁界が発生して、携帯電子機器側のコイルに誘起電圧が発生する。そして、この誘起電圧をダイオード等により整流することにより、携帯電子機器に内蔵された二次電池を非接触で充電することが可能となる。また、両者コイルの電磁的な結合により、ステーションから携帯電子機器へ、あるいは、携帯電子機器からステーションへと信号を非接触で双方向に転送することも可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、携帯電子機器を充電する場合、携帯電子機器側のコイルに誘起される電圧は、二次電池の電圧よりも高くなるように設定する必要がある一方、ステーション側のコイルの入力電圧は、できる限り低く抑えた構成が望ましい。このためには、ステーション側のコイル巻数を、携帯電子機器のそれよりも少なくする構成が考えられる。
一方、携帯電子機器とデータ転送する場合、携帯電子機器に内蔵される二次電池が軽量化・小型化などにより容量的にもサイズ的にも大きな制約を受けるため、送信側の消費電流が少なくても、受信側で高い電圧が得られる構成が望ましい。このためには、ステーション側のコイル巻数と携帯電子機器のコイル巻数との積が大きくする構成が考えられる。
すなわち、携帯電子機器へ電力転送する場合と、携帯電子機器とデータ転送する場合とでは、要求されるコイル特性が異なるのである。このため、電力転送とデータ転送とを実行する場合に、コイルの特性についていずれか一方を重視した設計とならざるを得ないため、電力転送とデータ転送とは両立しない、といった問題があった。
【０００５】
あるいは、携帯電子機器を充電する場合は、電力転送を行うために大電力を必要とするが、携帯電子機器とデータ転送する場合は、できる限り消費電力を押さえる必要がある。すなわち、携帯電子機器へ電力転送する場合と、携帯電子機器とデータ転送する場合とでは、コイルで消費される電力に対する要求が異なることになる。このため、電力転送とデータ転送とを実行する場合に、消費電力についていずれか一方を重視した設計とならざるを得ないため、電力転送とデータ転送とは両立しない、といった問題があった。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、携帯電子機器やステーションなどのように、互いに分離した２以上の機器間において、互いに対向する位置にそれぞれ配設されたコイルとの電磁結合あるいは電磁誘導によってデータ転送と電力転送との双方を実行する場合でも、両者の効率を両立して向上させることが可能な電子機器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、第１の発明にあっては、相手方機器とは、互いに対向する位置に配設されたコイル同士の電磁結合あるいは電磁誘導により電力転送および信号転送する電子機器であって、前記相手方機器への電力転送の場合には、巻数が少ないコイルを用いる一方、前記相手方機器との信号転送の場合には、巻数が多いコイルを用いることを特徴としている。
【０００８】
また、第２の発明にあっては、相手方機器とは、互いに対向する位置に配設されたコイル同士の電磁結合あるいは電磁誘導により電力転送および信号転送する電子機器であって、自己に配設されたコイルの有効な巻数を切り換える巻数切換手段と、前記相手方機器への電力転送の場合には、前記コイルの有効な巻数が少なくなるように前記巻数切換手段の切換を制御する一方、前記相手方機器との信号転送の場合には、前記コイルの有効な巻数が多くなるように、前記巻数切換手段の切換を制御する巻数制御手段とを具備することを特徴としている。
【０００９】
さらに、第３の発明にあっては、第１の機器と第２の機器とが、互いに対向する位置にそれぞれ配設されたコイルの電磁結合あるいは電磁誘導により電力転送および信号転送する電子機器であって、前記第１の機器に配設されたコイルあるいは前記第２の機器に配設されたコイルのうち、少なくとも一方のコイルの有効な巻数を切り換える巻数切換手段と、前記第１の機器から前記第２の機器への電力転送の場合には、少なくとも、前記第１の機器に配設されたコイルの有効な巻数が少なくなるように、あるいは、前記第２の機器に配設されたコイルの有効な巻数が多くなるように、前記巻数切換手段の切換を制御する一方、前記第１および第２の機器同士での信号転送の場合には、前記第１の機器に配設されたコイルの有効な巻数と前記第２の機器に配設されたコイルの有効な巻数との積が大きくなるように、前記巻数切換手段の切換を制御する巻数制御手段とを具備することを特徴としている。
【００１０】
第４の発明にあっては、相手機器に対し所定の位置関係に配置されたときに、前記相手機器に備えられた相手側コイルと対向し、前記相手側コイルと電磁的に結合する結合用コイルと、前記結合用コイルを介した前記相手方機器への電力転送の場合には、前記結合用コイルの有効な巻数が少なくなるように前記スイッチ回路を制御する一方、前記結合用コイルを介した前記相手方機器との信号転送の場合には、前記結合用コイルの有効な巻数が多くなるように前記スイッチ回路を制御する制御回路とを具備することを特徴としている。
くわえて、第５の発明にあっては、相手機器に対し所定の位置関係に配置されたときに、前記相手機器に備えられた相手側コイルと対向し、前記相手側コイルと電磁的に結合する結合用コイルと、前記結合用コイルの給電経路に介挿され、インピーダンスが可変である可変インピーダンス回路と、前記相手機器へ電力転送を行う場合は前記可変インピーダンス回路のインピーダンスを小さくし、前記相手機器との間で信号転送を行う場合には、前記可変インピーダンス回路のインピーダンスを大きくするインピーダンス切換回路とを具備することを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本実施形態にあっては、電子機器としてステーション、相手方機器として電子時計を例にとって説明するが、本発明をこれらに限定する趣旨ではない。
【００１２】
＜１．第１実施形態＞
＜機械的構成＞
図１は、実施形態にかかるステーションおよび電子時計の構成を示す平面図である。この図に示すように、電子時計２００は、充電やデータ転送など行う場合、ステーション１００の凹部１０１に収容される。この凹部１０１は、電子時計２００の本体２０１およびバンド２０２よりも若干大きめな形状に形成されているため、時計本体２０１は、ステーション１００に対して位置決めされた状態で収容される。
また、ステーション１００には、充電の開始を操作入力するための入力部１０３とともに、各種の表示を行うための表示部１０４が設けられている。なお、本実施形態にかかる電子時計２００は、通常の使用状態ではユーザの腕に装着されて、表示部２０４において日付時刻等が表示されるのは言うまでもないが、図示しないセンサ等によって、脈拍数や心拍数などの生体情報を一定時間毎に検出・記憶する構成となっている。
【００１３】
図２は、図１におけるＡ−Ａ線の断面図である。この図に示すように、電子時計の本体２０１の下面裏蓋２１２には、データ転送や充電のための時計側コイル２１０がカバーガラス２１１を介して設けられている。また、時計本体２０１には、二次電池２２０や、時計側コイル２１０などと接続される回路基板２２１が設けられる。
【００１４】
一方、ステーション１００の凹部１０１にあって、時計側コイル２１０と対向する位置には、内周コイル１１０ａと外周コイル１１０ｂとがカバーガラス１１１を介してそれぞれ設けられている。ここで、内周コイル１１０ａと外周コイル１１０ｂとは、図３に示すように、巻回方向が同一であり、略同心円状かつ略同一平面上に配置するものである。ここで、説明の便宜上、内周コイル１１０ａの端子を図示のようにＡ、Ｂとし、同様に外周コイル１１０ｂの端子をＣ、Ｄとする。なお、図３は、内周コイル１１０ａと外周コイル１１０ｂとの配置を説明するための図に過ぎず、実際のターン数（巻数）や、銅線の太さなどは、実際のものと縮尺が一致しない。詳細には、本実施形態における内周コイル１１０ａは、直径0.1[mm]の銅線を50ターンとしたものであり、外周コイル１１０ｂは、直径0.18[mm]の銅線を25ターンとしたものである。すなわち、本実施形態において、外周コイル１１０ｂのターン数は、内周コイル１１０ａのターン数よりも少なくなるように構成されている。
また、ステーション１００には、内周コイル１１０ａや、外周コイル１１０ｂ、入力部１０３、表示部１０４、一次電源（図示省略）などが接続された回路基板１２１が設けられている。
【００１５】
このように、電子時計２００がステーション１００に収容された状態において、ステーション側の内周コイル１１０ａあるいは外周コイル１１０ｂと、時計側コイル２１０とは、カバーガラス１１１、２１１により物理的には非接触であるが、コイル巻回面が平行なので電磁的には結合した状態となる。
また、ステーション側の内周コイル１１０ａ、外周コイル１１０ｂおよび時計側コイル２１０とは、それぞれ時計機構部分の着磁を避ける理由や、時計側の重量増加を避ける理由、磁性体金属の露出を避ける理由などにより、磁心を有さない空心型となっている。したがって、このようなことが問題とならない電子機器に適用する場合には、磁心を有するコイルを採用しても良い。ただし、コイルに与える信号の周波数が十分に高いのであれば、空心型で十分である。
【００１６】
さて、本願発明者らは、ステーション１００において各種コイルを用いた場合の電力転送特性および信号転送特性について実験して求めた。そこで、この実験結果について説明する。なお、この実験では、便宜上、ステーション１００側の内周コイル１１０ａおよび外周コイル１１０ｂが一次側であり、時計側コイル２１０が二次側である。また、ステーション１００で用いたコイルとしては、▲１▼内周コイル１１０ａのみ、▲２▼外周コイル１１０ｂのみ、および、▲３▼端子Ｂ、Ｃ同士を接続した内周コイル１１０ａと外周コイル１１０ｂとからなる直列コイル、の３種類である。
【００１７】
まず、図９は、一次側から二次側へ電力転送した場合において、二次側での電圧（電池電圧）と二次側での充電電流との特性を示す実測結果である。この図に示すように、電池電圧が同じであれば、二次側に誘起される信号を整流平滑した充電電流は、▲２▼外周コイル１１０ｂを用いる場合で最も大きくなる。すなわち、ステーション１００から電子時計２００へ電力転送する場合、ステーション１００側で▲２▼外周コイル１１０ｂを用いれば、二次側に誘起される電圧が高くなって電池電圧が上昇した場合であっても、大きな充電電流で二次電池を充電できるため、充電効率の点において有利であることが判る。
【００１８】
次に、図１０は、二次側から一次側へ信号転送する場合において、二次側の消費電流と一次側の誘起電圧との特性を示す実測結果である。この図に示すように、二次側電流が同じであれば、一次側に誘起される電圧は、▲３▼直列コイル、▲１▼内周コイル１１０ａのみ、▲２▼外周コイル１１０ｂという順番で高くなる。すなわち、電子時計２００からステーション１００へ信号を転送する場合には、ステーション１００側で▲３▼直列コイルを用いれば、一次側コイルのターン数と二次側コイルのターン数との積が大きくなる結果、電子時計２００の消費電力が低くても、自己側に誘起される電圧を効率良く高めることができる。
同様な理由により、ステーション１００から電子時計２００へ信号を転送する場合でも、ステーション１００側で▲３▼直列コイルを用いれば、両コイルのターンの積が大きくなる結果、ステーション１００の消費電力が低くても、電子時計２００側に誘起される電圧を効率良く高めることができる。
【００１９】
したがって、本実施形態では、次の電気的構成で述べるように、電力転送する場合には、二次側からみた一次側コイルのターン数を小さくするため、ターン数の少ない外周コイル１１０ｂを用いる一方、信号転送する場合には、一次側コイルのターン数と二次側コイルのターン数との積を稼ぐために直列コイルを用いる構成となっている。
【００２０】
＜電気的構成＞
そこで、ステーション１００および電子時計２００の電気的構成について図４を参照して説明する。
まず、ステーション１００側について説明する。この図において、発振回路１４０は、各部の動作を同期させるためのクロック信号ＣＬＫを出力するものである。入力部１０３は、ユーザによって充電開始の操作がなされると、１ショットのパルスＳＴＲをカウンタ１５０に供給するものである。カウンタ１５０は、ステーション１００側におけるコイルの接続を制御する回路であり、パルスＳＴＲの供給を受けると、プリセット値ｎをクロック信号ＣＬＫでダウンカウントして、カウント動作中には、Ｈレベルとなる信号Ｔを出力する。すなわち、カウンタ１５０の出力信号Ｔは、充電開始の操作から、クロック信号ＣＬＫのｎ周期が経過するまでの一定期間だけ、Ｈレベルとなるように構成されている。
この信号Ｔは、スイッチ１１１ａの制御端にはインバータ１５１によりレベル反転されて供給される一方、スイッチ１１１ｂの制御端には直接的に供給される。ここで、スイッチ１１１ａ、１１１ｂの各々は、その制御端に供給される信号がＨレベルとなった場合にオンするものである。したがって、スイッチ１１１ａ、１１１ｂは、信号Ｔのレベルに応じて択一的にオンするように構成されている。
また、信号Ｔは、アンドゲート１５２における一方の入力端にも供給されている。
【００２１】
一方、内周コイル１１０ａおよび外周コイル１１０ｂは、端子Ｂ、Ｃ同士の接続により直列となっている。ただし、内周コイル１１０ａの一方の端子Ａと、外周コイル１１０ｂの一方の端子Ｃ（内周コイル１１０ａの他方の端子Ｂ）とは、それぞれ信号Ｔに応じて択一的にスイッチングするスイッチ１１１ａ、１１１ｂを介して電源電圧Ｖｃｃに接続されるため、信号ＴがＨレベルの場合では、外周コイル１１０ｂのみが電源電圧Ｖｃｃにプルアップされる一方、信号ＴがＬレベルの場合では、内周コイル１１０ａおよび外周コイル１１０ｂからなる直列コイルが電源電圧Ｖｃｃにプルアップされる構成となっている。
【００２２】
次に、外周コイル１１０ｂの端子Ｄは、トランジスタ１５３のドレインに接続される。ここで、トランジスタ１５３のゲートは、他方の入力端にクロック信号ＣＬＫの供給を受けるアンドゲート１５３の出力と接続される一方、トランジスタ１５３のソースは接地されている。
したがって、カウンタ１５０の出力信号ＴがＨレベルとなった場合、クロック信号ＣＬＫがそのままアンドゲート１５２の出力信号Ｓ１となって、そのレベルに応じてトランジスタ１５３のドレイン−ソース間をスイッチングさせる構成となっている。
【００２３】
一方、外周コイル１１０ｂの端子Ｄにおける信号Ｓ２は、受信回路１５４に供給される。受信回路１５４は、信号Ｓ２についてクロック信号ＣＬＫを用いて復調するものであり、その復調結果を信号Ｓ３として出力する。なお、受信回路１５４の構成については後述する。処理回路１５５は、復調された信号Ｓ３に基づく処理を実行する回路であり、本実施形態では、例えば、処理結果を表示部１０４に表示させるようになっている。
【００２４】
次に、電子時計２００側について説明する。時計側コイル２１０の一方の端子は、ダイオード２４５を介して二次電池２２０の正側端子に接続される一方、コイル２１０の他方の端子は、二次電池２２０の負側端子に接続されている。ここで、二次電池２２０の電圧Ｖｃｃが、電子時計２００における各部の電源として用いられる構成となっている。
また、制御回路２３０は、計時機能を備えて、表示部２０４に対して時刻表示などを行わせる一方、信号Ｗ１が誘起されていない場合に、ステーション１００へ送信すべきディジタルデータＷ２を送信回路２５０に供給するものである。ここで、ステーション１００へ送信すべきデータとしては、図示しないセンサ等により計測された脈拍数や心拍数などの生体情報などが想定される。
【００２５】
送信回路２５０は、ステーション１００へ送信すべきデータをシリアル化するとともに、シリアルデータがＬレベルである期間において、一定周波数の信号をバーストしたスイッチング信号を出力するものである。送信回路２５０によるスイッチング信号は、抵抗２５１を介してトランジスタ２５２のベースに供給される。また、同トランジスタのコレクタは、二次電池２２０の正側端子に接続される一方、同トランジスタのエミッタは、コイル２１０の一方の端子に接続されている。
したがって、時計側コイル２１０においては、信号Ｗ２が誘起されている場合には、その信号が半波整流されて二次電池に充電される一方、信号Ｗ２が誘起されていない場合には、ステーション１００へ送信すべきデータに応じたスイッチング信号が供給される構成となっている。
【００２６】
ここで、ステーション１００の受信回路１５４の構成について図６を参照して説明する。なお、図示の構成はあくまでも一例であって、本来的に、電子時計２００の送信回路２５０における変調方式によって定められるものである。
まず、内周コイル１１０ａおよび外周コイル１１０ｂからなる直列コイルの端子Ｄに誘起された信号Ｓ２は、図６に示すように、インバータ回路１５４１によってレベル反転されるとともに波形整形されて、発振回路１４０（図４参照）のクロック信号ＣＬＫと同期するＤフリップフロップ１５４２、１５４３のリセット信号ＲＳＴとして供給される。ここで、Ｄフリップフロップ１５４２の入力端Ｄは、電源電圧Ｖｃｃに接続される一方、その出力端Ｑは、次段のＤフリップフロップ１５４３の入力端Ｄに接続される。そして、Ｄフリップフロップ１５４３の出力端Ｑが、復調結果たる信号Ｓ３として出力される構成となっている。
【００２７】
次に、上記構成の受信回路１５４における各部の波形について検討してみる。
電子時計２００からのデータ受信時においては、後述するように、内周コイル１１０ａおよび外周コイル１１０ｂからなる直列コイルが電源電圧Ｖｃｃにプルアップされるので、その端子Ｄは、時計側コイル２１０による外部磁界が発生していなければ、そのプルアップレベルとなる一方、外部磁界が発生していれば、それに応じて誘起されるレベルにて変動する。このため、端子Ｄに誘起される信号Ｓ２は、例えば、図７（ａ）に示される通りとなる。
このような信号Ｓ２に対して、インバータ回路１５４１の出力たる信号ＲＳＴは、図７（ｂ）に示されるように、信号Ｓ２の電圧がしきい値Ｖｔｈを下回ったときにＨレベルとなり、Ｄフリップフロップ１５４２、１５４３をリセットする。この際、Ｄフリップフロップ１５４２、１５４３は、クロック信号ＣＬＫの立ち上がりにおいて、その直前での入力端Ｄのレベルを出力するから、Ｄフリップフロップ１５４２の出力Ｑ１、および、Ｄフリップフロップ１５４２の出力Ｓ３は、それぞれ図７（ｄ）、（ｅ）に示されるようになる。すなわち、受信回路１５４の出力信号Ｓ３は、時計側コイル２１０によって外部磁界が発生している期間にＬレベルとなる信号となる。
ここで、時計側コイル２１０によって外部磁界が発生する期間とは、電子時計２００がステーション１００へ送信すべきデータがＬレベルとなる期間であるから、結局、信号Ｓ３は、電子時計２００からのデータを復調したものであることが判る。
【００２８】
＜動作＞
次に、本実施形態にかかるステーション１００および電子時計における充電動作およびデータ転送動作について説明する。
まず、ユーザは、電子時計２００を、ステーション１００の凹部１０１に収容させる。これにより、ステーション側の内周コイル１１０ａ、外周コイル１１０ｂと、時計側コイル２１０とは、図２に示されるように互いに対向するため、電磁的に結合した状態となる。
この後、ユーザが、ステーション１００の入力部１０３を操作して、充電を開始する旨の入力操作を行うと、図５（ａ）に示されるように、タイミングｔ1において１ショットのパルスＳＴＲが入力部１０３から出力される。このため、カウンタ１５０がカウント動作を開始するため、図５（ｂ）に示されるように信号ＴがＨレベルとなる。
【００２９】
信号ＴがＨレベルとなると、スイッチ１１１ａ、１１１ｂは、図４において実線で示されるようにそれぞれオフ、オンするため、外周コイル１１０ｂのみが電源電圧Ｖｃｃにプルアップされる一方、アンドゲート１５２が開くため、トランジスタ１５３が、クロック信号ＣＬＫに応じてスイッチングする。よって、トランジスタ１５３は、図５（ｃ）に示されるような波形でスイッチングするため、外周コイル１１０ｂには、電源電圧Ｖｃｃをクロック信号ＣＬＫでスイッチングしたパルス信号が印加されて、外部磁界が発生することとなる。
この外部磁界によって、時計側コイル２１０には、当該パルス信号と同周期の信号Ｗ１が誘起される。この誘起信号は、ダイオード２４５によって半波整流されて、二次電池２２０に充電されることとなる。
【００３０】
次に、カウンタ１５０において、プリセット値ｎをクロック信号ＣＬＫでダウンカウントした結果が、図５（ｂ）に示されるタイミングｔ2においてゼロになると、信号ＴがＬレベルとなる。
信号ＴがＬレベルとなると、スイッチ１１１ａ、１１１ｂは、図４において波線で示されるようにそれぞれオン、オフするため、内周コイル１１０ａおよび外周コイル１１０ｂからなる直列コイルが電源電圧Ｖｃｃにプルアップされる一方、アンドゲート１５２が閉じるため、トランジスタ１５３が、クロック信号ＣＬＫにかかわらずオフする。このため、時計側コイル２１０では、信号が誘起されなくなる。
【００３１】
このため、二次電池２２０の充電が終了する一方、制御回路２３０がステーション１００へ送信すべきディジタルデータＷ２を送信回路２５０に供給するため、電子時計２００からステーション１００への信号送信が開始されることになる。
ここで、ステーション１００への送信すべきデータが、図５（ｄ）に示される通りであったとすると、送信回路２５０によるスイッチング信号は、データがＨレベルであれば出力をＨレベルとし、データがＬレベルであれば一定周波数のパルス信号をバーストさせたものとするから、トランジスタ２５２は、図５（ｅ）に示されるような波形でスイッチングすることとなる。
【００３２】
したがって、時計側コイル２１０には、ステーション１００への送信すべきデータがＬレベルである期間において、パルス信号が印加されることとなり、これによって外部磁界が発生することとなる。
この外部磁界によって、ステーション１００側では、内周コイル１１０ａおよび外周コイル１１０ｂからなる直列コイルの端子Ｄに、当該パルス信号と同周期の信号Ｓ２が誘起されることとなる。ここで、信号が誘起されている期間では、上記構成の受信回路１５４によって信号Ｓ３がＬレベルとなるから、結局、ステーション１００側では、タイミングｔ2以降において、電子時計２００からのディジタルデータＷ２を復調した信号Ｓ３が得られることとなる。そして、ステーション１００側では、処理回路１５５が、復調された信号Ｓ３に基づく処理を実行して、その処理結果が表示部１０４に表示されることとなる。
【００３３】
このように本実施形態にかかるステーション１００は、充電すなわち電力転送する場合には、ターン数の少ない外周コイル１１０ｂを用いる一方、データ転送する場合には、内周コイル１１０ａおよび外周コイル１１０ｂからなる直列コイルを用いる構成となっている。このような構成により、電力転送時には、時計側からみたステーション側コイルのターン数が相対的に少なくなる一方、信号転送時には、ステーション側コイルのターン数と時計側コイルのターン数との積が大きくなるため、コイルを介した電力転送の効率と信号転送の効率との双方を向上させることが可能となる。
さらに、本実施形態では、外部磁界を発生させることによって電子時計２００の二次電池２２０をタイミングｔ1からｔ2までにおいて充電した後、タイミングｔ2以降においてデータ転送を実行するので、電子時計２００が、二次電池２２０の電圧低下を理由にデータ転送できない事態を防止することができる。
【００３４】
＜２．第２実施形態＞
＜２−１．第２実施形態の概要＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第１実施形態においては、電子時計２００へ電力転送する場合と、電子時計２００と信号転送する場合とにおいて、コイルの巻数を切り換えることができる構成としたが、第２実施形態においては、ステーション１００側のインピーダンスを可変とする構成となっている。
以下、具体的な構成について説明するが、外観構成は第１実施形態（図１参照）と同様であるため、図示および詳しい説明は省略する。
【００３５】
＜２−２．電気的構成＞
図１１は、ステーション１００の電気的構成を示す図である。なお、電子時計２００の構成については、第１実施形態と同様であるので、図示および説明を省略し、ステーション１００側についてのみ説明する。
本実施形態においては、コイル１１０は、ステーション１００の凹部１０１（図２参照）にあって時計側コイル２１０と対向する位置に設けられたコイルである。１１２は、各々抵抗値の異なる外付抵抗１１２ａおよび１１２ｂを備えることによりインピーダンスを可変としている可変インピーダンス回路であり、コイル１１０の給電経路に介挿されている。より具体的には、コイル１１０の一端Ｃは、スイッチ１１１ｂ、１１１ａの一端に接続され、スイッチ１１１ｂ、１１１ａの他端はそれぞれ抵抗１１２ｂ、抵抗１１２ａを介して電源端子（電圧Ｖｃｃ）に接続されている。
第１実施形態と同様に、スイッチ１１１ａ、１１１ｂは、信号Ｔのレベルに応じて択一的にオンするように構成されており、コイル１１０は、信号ＴがＨレベルの場合（充電時）では外付抵抗１１２ｂを介して電源電圧Ｖｃｃにプルアップされる一方、信号ＴがＬレベルの場合（データ転送時）では外付抵抗１１２ａを介して電源電圧Ｖｃｃにプルアップされる構成となっている。
【００３６】
また、コイル１１０の他端Ｄは、トランジスタ１５３のドレインおよび受信回路１５４の入力端に接続されている。トランジスタ１５３のゲートには、信号Ｔとクロック信号ＣＬＫの論理積をとるアンドゲート１５２の出力信号Ｓ１が供給される。
その他、入力部１０３、表示部１０４、発振回路１４０、カウンタ１５０、インバータ１５１、アンドゲート１５２、トランジスタ１５３、受信回路１５４、および処理回路１５５は、第１実施形態（図４）と同様である。
【００３７】
上述した構成によれば、カウンタ１５０の出力信号ＴがＨレベル（充電時）となった場合は、クロック信号ＣＬＫがそのままアンドゲート１５２の出力信号Ｓ１となって、そのレベルに応じてトランジスタ１５３のドレイン−ソース間をスイッチングさせる。これにより、ステーション側コイル１１０には、電源電圧Ｖｃｃをクロック信号ＣＬＫでスイッチングしたパルス信号が印加されるので、外部磁界が発生することになる。
【００３８】
本実施形態では、外付抵抗１１２ａの抵抗Ｒａは外付抵抗１１２ｂの抵抗Ｒｂよりも大きくなっている。これにより、電子時計２００へ電力転送を行う場合は可変インピーダンス回路１１２のインピーダンスが小さくなり、電子時計２００との間で信号転送を行う場合には、可変インピーダンス回路１１２のインピーダンスが大きくなる。
したがって、電子時計２００との間で信号転送を行う場合は、コイル１１０に入力される電圧および電流が小さくなるので、電子時計２００との通信のおける電力をおさえることができる。一方、電子時計２００へ電力転送を行う場合には、コイル１１０に入力される電圧および電流が大きくなるので、電子時計２００に対して大電力を転送することができるようになる。
【００３９】
ここで、図１２を参照しながら、本実施形態における受信回路１５４の各部の波形について検討してみる。図１２は、可変インピーダンス回路１１２のインピーダンスが大きい場合（図１２中（１））と小さい場合（図１２中（２））とを比較した波形である。
まず、図１２（１）における場合について説明する。トランジスタ１５３がオフになってコイル１１０が電源電圧Ｖｃｃにプルアップされると、その端子Ｄは、時計側コイル２１０による外部磁界が発生していなければ、そのプルアップレベルとなる。一方、外部磁界が発生していれば、それに応じて誘起されるレベルにて変動する。このため、第１実施形態において図７を用いて説明したように、端子Ｄに誘起される信号Ｓ２は、例えば、図１２（ａ）に示される通りとなる。このような信号Ｓ２に対して、インバータ回路１５４１の出力たる信号ＲＳＴは、図１２（ｂ）に示されるように、信号Ｓ２の電圧がしきい値Ｖｔｈを下回ったときにＨレベルとなり、Ｄフリップフロップ１５４２、１５４３をリセットする。
この際、Ｄフリップフロップ１５４２、１５４３は、クロック信号ＣＬＫの立ち上がりにおいて、その直前での入力端Ｄのレベルを出力するから、Ｄフリップフロップ１５４２の出力Ｑ１、および、Ｄフリップフロップ１５４２の出力Ｓ３は、それぞれ図１２（ｄ）、（ｅ）に示されるようになる。すなわち、受信回路１５４の出力信号Ｓ３は、時計側コイル２１０によって外部磁界が発生している期間にＬレベルとなる信号となる。ここで、時計側コイル２１０によって外部磁界が発生する期間とは、電子時計２００がステーション１００へ送信すべきデータがＬレベルとなる期間であるから、結局、信号Ｓ３は、電子時計２００からのデータを正確に復調したものであることが判る。
【００４０】
ところで、外部磁界が発生している場合に端子Ｄに誘起される信号Ｓ２のレベルＶは、外部磁界によって誘起される電流Ｉと、コイル１１０および可変インピーダンス回路１１２の合成抵抗成分Ｚとの積である（Ｖ＝Ｚ×Ｉ）。可変インピーダンス回路１１２のインピーダンスが小さい場合（２）は、電流Ｉの変動幅が同じ場合であれば信号Ｓ２のレベルＶの変動幅が小さくなる結果、しきい値Ｖｔｈを下回らない場合が生じてしまう。
図１２に示した例では、（１）の時刻ｔ１においては、信号Ｓ２のレベルＶがしきい値Ｖｔｈを下回っているが、（２）の時刻ｔ１においては、しきい値Ｖｔｈを下回っていない。従って、可変インピーダンス回路１１２のインピーダンスが小さい（２）の場合は、時刻ｔ１においては、インバータ回路１５４１の出力信号ＲＳＴはＬレベルのままとなり、Ｄフリップフロップ１５４２の出力Ｑ１、および、Ｄフリップフロップ１５４２の出力Ｓ３は、それぞれ図７（２）の（ｄ）、（ｅ）に示されるようにＨレベルのままとなり、電子時計２００からのデータを正確に復調することができない。
すなわち、可変インピーダンス回路１１２のインピーダンスが大きい場合（１）の方が、インピーダンスが小さい場合（２）に比べて、安定したデータ転送を行うことができる。
【００４１】
このように、第２実施形態においては、可変インピーダンス１１２を回路コイル１１０の給電経路に介挿し、電子時計２００に電力転送を行う場合は可変インピーダンス回路１１２のインピーダンスを小さくし、電子時計２００との間で信号転送を行う場合には、可変インピーダンス回路１１２のインピーダンスを大きくする構成としたので、コイルを介した電力転送の効率と信号転送の効率との双方を向上させることが可能となる。
【００４２】
＜３．変形例＞
なお、上記実施形態にあっては、次のような変形が可能である。
すなわち、第１実施形態にあっては、データ転送する場合には、２つのコイルからなる直列コイルを用いる構成であったが、ターン数の多いコイルのみを用いる構成でも良い。
さらに、上記第１実施形態にあっては、外周コイル１１０ｂのターン数を内周コイル１１０ａのターン数よりも少ない構成としたが、これとは逆に、内周コイル１１０ａのターン数を外周コイル１１０ｂのターン数よりも少なくして、電子時計２００へ電力転送する場合には、内周コイルを用いる一方、電子時計２００とデータ転送する場合には、外周コイル、あるいは、両者からなる直列コイルを用いる構成としても良い。
【００４３】
くわえて、電子時計２００へ電力転送する場合と、電子時計２００とデータ転送する場合とで、図８に示すように、ターン数の異なる２つの独立したコイルを使い分けるような構成でも良い。すなわち、電子時計２００へ電力転送する場合には、ターン数の少ないコイル１１０ｃを用いる一方、電子時計２００とデータ転送する場合には、ターン数の多いコイル１１０ｄを用いる構成であっても良い。
また、２つの独立したコイルを使い分ける場合には、スイッチを用いることなく、電力転送についてはターン数の少ないコイルを、データ転送についてはターン数の多いコイルを、それぞれ固定的に用いる構成であっても良い。
【００４４】
また、第１実施形態にあっては、コイルの選択がスイッチ１１１ａ、１１１ｂによりプルアップする構成としたが、コイル端子間を短絡する構成でも良い。例えば、図４において、端子Ａについてスイッチ１１１ａを介することなく直接電源電圧Ｖｃｃにプルアップするとともに、電子時計２００へ電力を転送する場合には、端子Ａ−Ｂ間を短絡して、内周コイル１１０ａを無効とする一方、電子時計２００と信号転送する場合には、端子Ａ−Ｂ間を開放して内周コイル１１０ａおよび外周コイル１１０ｂからなる直列コイルを有効とする構成でも良い。すなわち、本願にいうコイルの有効な巻数とは、コイルの物理的な巻数のみならず、コイルの電気的な巻数をも言うのである。
第２実施形態にあっては、ステーション１００側のインピーダンスを変更する手段として、外付抵抗１１２ａおよび１１２ｂを切換えるものとして説明したが、これに限らず、外付コイルを切換えるようにしてもよいし、第１実施形態に示したようにコイルの巻数を切換えるようにしてステーション１００側のインピーダンスを変更してもよい。
【００４５】
上記実施形態において、データ転送は、電子時計２００からステーション１００への一方向のみであったが、ステーション１００から電子時計２００への方向であっても良いのはもちろんである。電子時計２００へデータ転送する場合、ステーション１００では、転送すべきデータに応じて変調する一方、電子時計２００では、その変調方式に合わせて復調する構成とすれば良い。この際、変調・復調は、公知の技術を適用すれば良い。このような構成でも、ステーション１００側の消費電流が小さくても、電子時計２００側で高電圧が誘起されるので、転送効率が向上することとなる。
【００４６】
くわえて、実施形態では、電子機器としてステーション１００、相手方機器として電子時計２００を例にとって説明したが、本願ではこれらの区別は、第１および第２の機器の区別を含めて無意味であり、電力転送や信号転送を行うすべての電子機器に適用可能である。例えば、電動歯ブラシや、電動ひげ剃り、コードレス電話、携帯電話、パーソナルハンディフォン、モバイルパソコン、ＰＤＡ（Personal Digital Assistants：個人向情報端末）などの二次電池を備える電子時計とその充電器とに適用可能である。
ところで、実施形態において、ステーション１００側のコイルを、電力転送および信号転送で切り換える、あるいは、ステーション１００側のインピーダンスを可変とする構成とし、電子時計２００側のコイルあるいはインピーダンスを固定とした理由は、電子時計２００のように小型軽量化が要求される電子機器では、コイルを切り換える構成が実装上ほとんど不可能であるか、非常に困難であるためである。したがって、実装上の制限が緩い電子機器に適用する場合には、充電器側でなく、当該電子機器側でコイルを切り換える構成としても良い。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、互いに分離した２以上の機器間において、互いに対向する位置にそれぞれ配設されたコイルとの電磁結合あるいは電磁誘導によってデータ転送と電力転送との双方を実行する場合でも、両者の効率を両立させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかるステーションおよび電子時計の構成を示す平面図である。
【図２】同ステーションおよび同電子時計の構成を示す断面図である。
【図３】同ステーションにおけるコイルの配置を示す平面図である。
【図４】同ステーションおよび同電子時計の電気的構成を示すブロック図である。
【図５】同ステーションおよび同電子時計の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図６】同ステーションの受信回路の一例を示す回路図である。
【図７】同受信回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図８】本発明の変形例にかかるステーションのコイル周辺構成を示すブロック図である。
【図９】本実施形態の利点を説明するための図であって、電池電圧−二次電流（充電電流）特性を示す図である。
【図１０】本実施形態の利点を説明するための図であって、二次電流−一次電圧特性を示す図である。
【図１１】第２実施形態におけるステーションの電気的構成を示すブロック図である。
【図１２】第２実施形態における受信回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【符号の説明】
１００……ステーション（電子機器、第１の機器）、
１１０ａ……内周コイル、１１０ｂ……外周コイル、
１１１ａ、１１１ｂ……スイッチ（巻数切換手段、スイッチ回路）、
１５０……カウンタ（巻数制御手段、制御回路）、
２００……電子時計（相手方機器、第２の機器）、
２１０……コイル、
２２０……二次電池（充電手段）、
２４５……ダイオード（整流手段）

Claims

相手方機器とは、互いに対向する位置に配設されたコイル同士の電磁結合あるいは電磁誘導により電力転送および信号転送する電子機器であって、
前記相手方機器への電力転送の場合には、巻数が少ないコイルを用いる一方、
前記相手方機器との信号転送の場合には、巻数が多いコイルを用いる
ことを特徴とする特徴とする電子機器。
前記巻数が少ないコイルあるいは前記巻数が多いコイルは、略同心円状の内周コイルあるいは外周コイルであることを特徴とする請求項１記載の電子機器。
前記巻数が少ないコイルあるいは前記巻数が多いコイルは、空心型であることを特徴とする請求項１記載の電子機器。
相手方機器とは、互いに対向する位置に配設されたコイル同士の電磁結合あるいは電磁誘導により電力転送および信号転送する電子機器であって、
自己に配設されたコイルの有効な巻数を切り換える巻数切換手段と、
前記相手方機器への電力転送の場合には、前記コイルの有効な巻数が少なくなるように前記巻数切換手段の切換を制御する一方、
前記相手方機器との信号転送の場合には、前記コイルの有効な巻数が多くなるように、前記巻数切換手段の切換を制御する巻数制御手段と
を具備することを特徴とする電子機器。
第１の機器と第２の機器とが、互いに対向する位置にそれぞれ配設されたコイルの電磁結合あるいは電磁誘導により電力転送および信号転送する電子機器であって、
前記第１の機器に配設されたコイルあるいは前記第２の機器に配設されたコイルのうち、少なくとも一方のコイルの有効な巻数を切り換える巻数切換手段と、前記第１の機器から前記第２の機器への電力転送の場合には、少なくとも、前記第１の機器に配設されたコイルの有効な巻数が少なくなるように、あるいは、前記第２の機器に配設されたコイルの有効な巻数が多くなるように、前記巻数切換手段の切換を制御する一方、
前記第１および第２の機器同士での信号転送の場合には、前記第１の機器に配設されたコイルの有効な巻数と前記第２の機器に配設されたコイルの有効な巻数との積が大きくなるように、前記巻数切換手段の切換を制御する巻数制御手段と
を具備することを特徴とする電子機器。
前記第２の機器は、さらに、
自己に配設されたコイルに誘起された信号を整流する整流手段と、
前記整流手段により整流された信号を充電する充電手段と
を備えることを特徴とする請求項５記載の電子機器。
前記第２の機器は、携帯型であることを特徴とする請求項５記載の電子機器。
前記コイルは、空心型であることを特徴とする請求項４または５記載の電子機器。
前記巻数制御手段は、
一定時間、電力転送の場合における切換とした後に、信号転送の場合に切換に制御する
こと特徴とする請求項４または５記載の電子機器。
前記コイルは、略同心円状の内周コイルと外周コイルとからなることを特徴とする請求項４または５記載の電子機器。
前記外周コイルは、その巻数が前記内周コイルの巻数よりも少ないものであり、
前記巻数制御手段は、電力転送の場合には、前記外周コイルのみを用いるように前記巻数切換手段の切換を制御する
ことを特徴とする請求項１０記載の電子機器。
前記外周コイルは、その巻数が前記内周コイルの巻数よりも少ないものであり、
前記巻数制御手段は、信号転送の場合には、前記内周コイルおよび前記外周コイルからなる直列コイルを用いるように前記巻数切換手段の切換を制御する
ことを特徴とする請求項１０記載の電子機器。
前記内周コイルは、その巻数が前記外周コイルの巻数よりも少ないものであり、
前記巻数制御手段は、電力転送の場合には、前記内周コイルのみを用いるように前記巻数切換手段の切換を制御する
ことを特徴とする請求項１０記載の電子機器。
前記内周コイルは、その巻数が前記外周コイルの巻数よりも少ないものであり、
前記巻数制御手段は、信号転送の場合には、前記内周コイルおよび前記外周コイルからなる直列コイルを用いるように前記巻数切換手段の切換を制御する
ことを特徴とする請求項１０記載の電子機器。
相手機器に対し所定の位置関係に配置されたときに、前記相手機器に備えられた相手側コイルと対向し、前記相手側コイルと電磁的に結合する結合用コイルと、
前記結合用コイルの有効な巻数を切り換えるスイッチ回路と、
前記相手方機器への電力転送の場合には、前記結合用コイルの有効な巻数が少なくなるように前記スイッチ回路を制御する一方、
前記相手方機器との信号転送の場合には、前記結合用コイルの有効な巻数が多くなるように前記スイッチ回路を制御する制御回路と
を具備することを特徴とする電子機器。
相手機器に対し所定の位置関係に配置されたときに、前記相手機器に備えられた相手側コイルと対向し、前記相手側コイルと電磁的に結合する結合用コイルと、
前記結合用コイルの給電経路に介挿され、インピーダンスが可変である可変インピーダンス回路と、
前記相手機器へ電力転送を行う場合は前記可変インピーダンス回路のインピーダンスを小さくし、前記相手機器との間で信号転送を行う場合には、前記可変インピーダンス回路のインピーダンスを大きくするインピーダンス切換回路と
を具備することを特徴とする電子機器。
前記可変インピーダンス回路は複数の抵抗を有し、
前記インピーダンス切換回路は、電力転送の場合は前記給電経路中に介挿される抵抗の値を小さくし、信号転送の場合は前記給電経路中に介挿される抵抗の値を大きくすることを特徴とする請求項１６記載の電子機器。