JP2007512796A - 無線でパワー供給する方法及び機器 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】無線でパワー供給する機器は、収集された周波数に亘ってＲＦ放射波の範囲を受信する機構を具える。機器は、収集された周波数に亘ってＲＦ放射波を直流に変換する機構を具え、収集と同時に変換するのが好ましい。無線でパワー供給する方法は、収集された周波数に亘ってＲＦ放射波の範囲を受信する工程を有する。収集された周波数に亘ってＲＦ放射波を直流に変換する工程があり、収集と同時に変換するのが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射された電気エネルギーの取り出し(retrieval)に関する。特に、本発明は、タップを用いて、ＲＦスペクトルの所定の一部帯域に対して最適化された放射電気エネルギーを取り出すことに関する。

本発明の動作によってポテンシャルエネルギーの源を提供し、周辺のＲＦ信号及び生成されたＲＦ信号は集められ、蓄積され、電気エネルギーを要求する多数の装置に供給でき、又は放電源によって失われたエネルギーを回復することができる。

従来のＲＦ受信装置はアンテナを用いて、ＲＦスペクトル内の狭帯域周波数を捉え、集められたＲＦ周波数は、選択された周波数内にて、送信された信号を最大化する目的から、特定の周波数へとフィルタに掛けられ、即ち同調される。信号に含まれるポテンシャルエネルギーは、オーディオ、ビデオ、又はデータ処理のような意図された目的に用いられる。これらのＲＦ受信装置は、分離し、他のパワー源からの干渉のないコヒーレントにするために、周波数の選択を最大にすることに重点が置かれている(focused)。

〈発明の要約〉
本発明は、無線でパワー供給する機器に関する。機器は、収集された周波数に亘ってＲＦ放射波(ＲＦ radiation)の範囲を受信する手段を具える。機器は、収集された周波数に亘ってＲＦ放射波を変換する手段を具え、好ましくは同時に直流に変換する。

本発明は、無線でパワー供給する方法に関する。方法は、収集された周波数に亘ってＲＦ放射波の範囲を受信する工程を有する。収集された周波数に亘ってＲＦ放射波を変換する工程があり、好ましくは同時に直流に変換する。

〈発明の詳細な説明〉
図面を参照して、数枚の図面を通じて、類似又は同様の構成には同じ符号を付し、特に図１について、無線で電源用の機器(10)が示される。機器(10)は、収集された周波数に亘って或る範囲のＲＦ放射波を受け取るための手段(12)を含む。機器(10)は、収集された周波数に亘ってＲＦ放射波を変換する手段(14)を含み、好ましくは同時に直流に変換する。

変換手段(14)は、ＲＦスペクトルの所望の帯域に共振する、吸収機構(16)を含むのが好ましい。吸収機構(16)は、ＲＦスペクトルの所望の帯域に共振する誘導子(18)を含むのが好ましい。変換手段(14)は誘導子(18)に沿った点に配置されて、ＲＦエネルギーにアクセスする複数のタップ(20)を含むのが好ましい。

タップ点は、ＲＦスペクトルの所望の帯域に、誘導子(18)のインピーダンスを整合させることにより計算されるのが好ましい。受信手段(12)はアンテナ(22)を含むのが好ましい。変換手段(14)は、ＲＦエネルギーを整流し、それを直流電圧に変換する、整流機構(24)を含むのが好ましい。整流機構(24)は、ＲＦエネルギーを整流し、それを直流電圧に変換する各タップ点で複数のダイオード(26)を含むのが好ましい。

機器(10)は、直流電圧を格納する記憶装置(28)を含むのが好ましい。アンテナ(22)のインピーダンスは、誘導子(18)のインピーダンスと１：１に整合されるのが好ましい。ＲＦスペクトルは、６０Ｈｚから２８ギガヘルツ間にあるのが好ましい。

本発明は無線でパワーを供給する方法に関する。方法は、収集された周波数に亘って或る範囲のＲＦ放射波を受信する工程を含む。収集された周波数に亘ってＲＦ放射波を変換する工程があり、同時に直流に変換されるのが好ましい。

変換する工程は、エネルギーを吸収する工程を含むのが好ましい。吸収する工程は、誘導子(18)でエネルギーを吸収する工程を含むのが好ましい。変換する工程は、誘導子(18)上の複数のタップ(20)で吸収したエネルギーにアクセスする工程を含むのが好ましい。誘導子のインピーダンスを所望のＲＦ範囲に整合させる工程があるのが好ましい。

変換する工程は、各タップにてエネルギーを利用可能に整流し、それを直流電圧に変換している工程を含むのが好ましい。整流する工程は、各タップにてエネルギーを利用可能に整流し、それをダイオード(26)にて直流電圧に変換している工程を含むのが好ましい。変換する工程は、直流電圧を合計する工程を含むのが好ましい。
合計する工程は、直列のコンデンサー積分器中の直流電圧を加える工程を含むのが好ましい。合計された直流電圧を格納する工程があるのが好ましい。格納された直流電圧を使用する工程があるのが好ましい。

放射された電気エネルギーを回収する方法と機器(10)は、ここに記載される。捉えられた放射されたエネルギーは、しばしばＲＦ、即ちラジオ周波数と呼ばれる電磁的スペクトルの一部に送信される。ここに記載された方法と機器(10)の主たる目的は、ＲＦエネルギーを受け取り、該エネルギーをパワーとして使用可能に変換することである。
方法と機器(10)は、個々の信号、即ち周波数を識別せず、判断しない。装置は、選択された帯域、即ち周波数の範囲について、信号、キャリアー、及び関連する干渉を再使用可能なパワーに変換するように構成されている。

従来のＲＦ受信装置とは対照的に、本発明の方法と機器(10)は選択性がない(avoid)。装置には収集周波数として広範囲のＲＦスペクトルを受け入れるユニークな特性がある。収集された範囲の周波数は、全体として単一の電圧に整流され、即ち変換される。
ＲＦ吸収と同時に、合成の電圧が生成されるのが好ましい。機器(10)は、任意の特定の周波数、即ち信号に調整することを試みない。所定の周波数範囲から集められた各電圧は、次に一緒に加えられて利用可能となり、装置に直に電源供給するか、格納されるか、あるいは再充電する装置にエネルギーを供給する。

放射された電気エネルギーは、回路によって利用されるべく、広範囲のＲＦスペクトルとなり得る。周辺にあるＲＦ源の例は、超低域周波数−ＶＬＦ(海事用/航空用モバイル)、中域周波数−ＭＦ(ＡＭラジオ放送)、高域周波数(短波ラジオ放送)、超高域周波数−ＶＨＦ(テレビ及びＦＭラジオ放送)、極超高域周波数-ＵＨＦ(テレビ、ＨＤＴＶ、ＰＣＳ、ＷｉＦｉ)及び一部のマイクロ波伝送を含むが、これらに限定されない。
更に、機器(10)は、吸収され、収集され、利用されるように、機器(10)にパワーを送信するという特定の目的のために、生成され放射される専用のＲＦ送信信号を受信することができる。
この場合、専用のＲＦ送信信号は、オーディオ/ビデオ又はデータ受信及び解釈(interpretation)のような付随的な目的のために解釈される必要のある、特定の信号又はデータを含む必要はない。

ここに記載された技術を使用すると、ＲＦスペクトルの所定の部分に最適化された機器(10)を設計し、作成することができる。機器(10)のコンポーネントに必要な電気的・磁気的特性は、スペクトルの選択された部分に応じて変わるであろう。このために、ＲＦ範囲全体をカバーする1つの単一の機器(10)を作成することは非実用的である。しかし、所定のＲＦ帯域用に各々構成された個々の機器(10)を作成し、両機器(10)を組み合わせて、出力を最大のパワー効率とすることは可能である。

選択されたＲＦ周波数帯域の一部は、放射エネルギー領域に位置するアンテナ(22)によって捉えられる。アンテナ(22)はその構成効率に従って、エネルギーを受信し、該エネルギーを使用又は格納すべく吸収し、整流し、合計し、伝送するシステムに向けて送る。
ＲＦエネルギ→アンテナ→(吸収され→整流され→積分され→送信されて)→用いられる

アンテナ(22)に受信されたＲＦ信号は、所望のＲＦスペクトル帯域について共振する誘導子(Ｌ)に送られる。
注:高密度のＲＦエネルギー領域では、アンテナ(22)を付ける必要はない。基本波、高調波、相互高調波及び定常波からなる吸収されたＲＦエネルギーは、誘導子(18)上のタップ(20)(Ｔ１−ＴＸ)を介してアクセスされ、該タップ(20)は誘導子(18)に沿った点に置かれる。本装置の重要な特徴は、コンデンサの無い前端部によって、入力されるＲＦエネルギーが、誘導子の広帯域及び最大のアドミッタンスとなることである。タップ点は、誘導子(18)部分のインピーダンスを所望のＲＦ範囲に整合させることにより計算される。

各タップ点で利用可能な合成されたＲＦエネルギーはダイオード(26)(Ｄ１−ＤＸ)のような装置によって整流され、直流電圧へ変換される。個々の整流された電圧は、コンデンサ(Ｃ１−ＣＸ)から成る直列のコンデンサ積分器中に分散される(spread)。この広帯域のアプローチにより、最大エネルギーが一連のコンデンサースタック中に分散されることができる。

Ｃ１−ＣＸから利用可能な電圧の合計は、コンデンサ又はコンデンサーＣｓ(ｓ１−ｓｘ)のグループのような任意の記憶装置(28)に格納されて、即時の使用に利用可能となり、あるいは断続的なパワーを要求する電子デバイスに供給される。格納装置、即ちコンデンサの電気的な特性、格納装置の構成と実際の数は、機器(10)がパワーを伝える装置の電圧及び所要電力に依存する(図１を参照)。

機器(10)の一部とは考えられていないが、アンテナ(22)は、記載された方法と機器(10)を利用するあらゆる実際的な装置の不可欠な要素である。
アンテナ(22)の重要な特性は、それが広帯域の受信ができて、選択された帯域幅に最適化され、目的とする装置の所要パワーをサポートするのに必要な実効面積を考慮に入れるということである。

理想的には、アンテナ(22)のインピーダンスと、機器(10)の誘導子(18)のインピーダンスとは１：１に整合される。
注:高密度のＲＦエネルギを有する領域では、機器(10)にアンテナ(22)を付ける必要はない。

誘導子(18)；誘導子(18)の特性は、収集され利用される周波数の選択された帯域幅に依存する。インダクタンスの合計の中間点が、選択されたＲＦ部分又はスペクトルの中心周波数で共振するように、理想的な誘導子(18)が構成されるべきである。
多数のタップ(20)は、無線周波数エネルギーの選択された帯域部分から、基本波及び中間的な高調波の出力電圧を供給する。

例えば、３７５オームのインピーダンスのアンテナ(22)を使い、中心周波数１.２ＭＨｚであるリアクタンス３７５オームの誘導回路につながる中間波回路(図２)は、１００μＨのインダクタンスを要求する。有効帯域幅は約２ＭＨｚ幅であろう(帯域の各端にて−３ｄｂ下がる)。

誘導子(18)は下記標準共振公式を使用して計算され得る(公式１):
Ｌ＝(d²×ｎ²)／(１８×ｄ＋４０×j)
ここで、
Ｌ＝マイクロヘンリーでのインダクタンス。
ｄ＝誘導子直径をインチで表す。
ｊ＝誘導子長さをインチで表す。
ｎ＝誘導子反復の数である。

同様の公式を使用して、必要なインダクタンスは、ヘンリー、ミリ・ヘンリー、ピコ・ヘンリー及びナノ・ヘンリー、即ちＶＬＦ、ＬＦ、ＭＷ、ＨＦ、ＶＨＦ、ＵＨＦ及びマイクロ波周波数帯域部分で再度計算することができる。
コンデンサの無い前端部を用いることにより、誘導子の広帯域、及び入力されるＲＦエネルギーの最大アドミッタンスを保証する。

タップ(20):タップ(20)は誘導子(18)に沿った点にて構成され、設定されるべきである。
各タップは機器(10)の整流部分へ個々の出力電圧を提供する。誘導子(18)のタップ(20)の数は次の公式(公式2)によって計算することができる:
Ｔｎ=Ｂｗ×ｐｉ
ここで
Ｔｎ=タップの数
Ｂｗ=誘導子の有効な帯域幅(メガヘルツ)
ｐｉ=3.1416

誘導子(18)上の各タップの初期位置は誘導子(18)に沿って等間隔である。タップの位置も最適な出力電圧について計算することができる。タップ(20)の位置を計算する場合、より高いＲＦエネルギーを含む選択された帯域部分内の既知の周波数を考慮しなければならない、また標準的な共振インダクタンス公式(1)を用いて、各タップは要求される周波数及び最適の出力電圧について計算され得る。

整流器：
各タップにて利用可能なＲＦエネルギーは、整流装置を介して直流電圧に変換される。用いられる整流装置のタイプは、選択された周波数帯域に依存し、整流装置は水晶、ゲルマニウム、シリコン及び他のあらゆるタイプの整流装置を含む。

積分器：
電圧積分器は、コンデンサＣ１−ＣＸで構成される。これらのコンデンサの値は、選択された周波数帯域、整流器の独自の特性、及び格納ステージによって課される負荷に依存する。この回路のリアクタンスは、通常動作の間にさえ、大きく変化する。しかし、予備計算の出発点として標準公式を容量性リアクタンスに使用することができる:

Ｘｃ＝１／(２＊ｐｉ＊Ｆ＊Ｃ)

ここで、
Ｘｃ＝容量性リアクタンスをオームで示す
Ｃ＝容量をマイクロファラドで示す
Ｆ＝周波数をヘルツで示す
ｐｉ=3.1416

格納装置：
格納要素は、付属の装置の所要パワー、及び誘導子(Ｌ)に吸収された利用可能なＲＦエネルギーによって決定される。中間波の例を用いると、２，２００マイクロファラドの電解コンデンサが格納装置として使用される。

サンプル機器(10):中間波(ＡＭ)の無線電源

装置は上記の方法を使用して構成され、エネルギー源として周辺の(既存の)ＲＦスペクトルのＡＭ放送用帯域を使用する。装置の主目的は、吸収され、収集され、再使用可能に変換されたエネルギーを最適化することである。
回路を操作するのに必要なアンテナ(22)のサイズ及び特性は、機器(10)の構成に必要とは考えられない。いくつかのＡＭラジオステーションを有する典型的な市街地領域にて、格納装置を充電するのに十分なエネルギーを得るのに必要なアンテナ(22)は、標準的なＡＭラジオに使用されるアンテナに近似している。高密度のＲＦエネルギーがある地域では、機器(10)自体はアンテナ(22)なしで、格納されるパワーを作り出す(develop)のに十分である。

誘導子(18)は、エナメル化された＃２８ゲージワイヤが２重形式に巻き付けられて構成された空気コイルの形をしている。コイルは連続してきつく巻かれたワイヤで、２０巻毎にタップ(20)が配置され、合計６つのタップ(20)が利用可能である(Ｔ１−Ｔ６)。コイルの先頭にはアンテナ(22)が接続される。コイルの底はグランドに接続される。
ゲルマニウムダイオード(IN34A)(Ｄ１−Ｄ６)がコイル上のタップに接続される。直列のコンデンサ積分器(Ｃ１−Ｃ６)が、グランドに取り付けられるＣ６について図示されるように構成される。Ｃ１−Ｃ６は定格０.０６８μＦのポリコンデンサである。本例の機器(10)に用いられるパワー格納装置(28)Ｃ７は、２２００μＦの電解コンデンサである。

広帯域の無線パワー供給の多数の実例をともに連結することにより超広帯域動作が用いられ得る。
例えば:
超低周波セグメント(６０Ｈｚの中心周波数)用に設計され構築された(設計の検討を参照)ＢＷＰＳ回路は、極超高周波セグメント(５ＧＨｚの中心周波数)のために設計され構築された(設計の検討を参照)別のＢＷＰＳ回路へ連結することができる。個々の回路の出力は、共通の格納装置(28)(即ち、コンデンサー)へ繋がり(別の積分器回路によって)、収集され変換されたＲＦエネルギーを一緒に"蓄える"。この技術は、エネルギースペクトルの何れか又は全てのセグメントについて、繰り返され得る。

例示の目的から、前記の実施例にて、本発明が詳細に記載されてきたが、そのような詳細な記載は単に例示の目的であって、当業者であれば、以下の請求の範囲に記載された以外の発明の精神及び範囲を離れることなく、変更がなされ得る。

添付の図面に於いて、本発明の好ましい実施例及び本発明を実行する好ましい方法が記載されている。
本発明の機器の好ましい実施例を示す図である。 中間波帯域について、ＲＦエネルギーを取り出し、収集し、格納するのに適した本発明の機器の好ましい実施例を示す図である。 本発明の機器のブロック図である。

Claims (22)

1. 無線でパワー供給する機器であって、
   収集された周波数に亘ってＲＦ放射波の範囲を受信する手段と、
   収集された周波数に亘ってＲＦ放射波を直流に変換する手段を具えた機器。
2. 変換する手段は、所望の帯域のＲＦスペクトルについて共振する吸収機構を含む、請求項１に記載の機器。
3. 吸収機構は、所望の帯域のＲＦスペクトルについて共振する誘導子を含む、請求項２に記載の機器。
4. 変換する手段は、誘導子に沿った点に設置されて、ＲＦエネルギーにアクセスする複数のタップを含む、請求項３に記載の機器。
5. タップ点は、誘導子のインピーダンスを所望の帯域のＲＦスペクトルに整合させることにより計算される、請求項４に記載の機器。
6. 受信する手段は、アンテナを含む、請求項５に記載の機器。
7. 変換する手段は、ＲＦエネルギーを整流し、直流電圧に変換する整流機構を含む、請求項６に記載の機器。
8. 整流機構は、複数のダイオードを含み、該ダイオードは各タップ点にて、ＲＦエネルギーを整流し、直流電圧に変換する、請求項７に記載の機器。
9. 直流電圧を格納する格納装置を含む、請求項８に記載の機器。
10. アンテナのインピーダンスは、誘導子のインピーダンスと１：１に整合される、請求項９に記載の機器。
11. ＲＦスペクトルは、６０Ｈｚから２８ギガヘルツの間である、請求項１０に記載の機器。
12. 無線でパワー供給する方法であって、
    収集された周波数に亘ってＲＦ放射波の範囲を受信する工程と、
    収集された周波数に亘ってＲＦ放射波を直流に変換する工程を有する方法。
13. 変換する工程は、エネルギーを吸収する工程を含む、請求項１２に記載の方法。
14. 吸収する工程は、誘導子にてエネルギーを吸収する工程を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 変換する工程は、誘導子上の複数のタップにてエネルギー吸収にアクセスする工程を含む、請求項１４に記載の方法。
16. 誘導子のインピーダンスを所望のＲＦ範囲に整合させる、請求項１５に記載の方法。
17. 変換する工程は、各タップにて利用可能なエネルギーを整流して、直流電圧に変換する工程を含む、請求項１６に記載の方法。
18. 整流する工程は、ダイオードにて、各タップにて利用可能なエネルギーを整流し、直流電圧に変換する工程を含む、請求項１７に記載の方法。
19. 変換する工程は、直流電圧を合計する工程を含む、請求項１８に記載の方法。
20. 合計する工程は、直列コンデンサ積分器間の直流電圧を積分する工程を含む、請求項１９に記載の方法。
21. 合計された直流電圧を格納する工程を有する、請求項２０に記載の方法。
22. 格納された直流電圧を用いる工程を有する、請求項２１に記載の方法。

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