(57)【要約】本発明は、ＲＦエネルギーハーベスタ及びＲＦエネルギーメータを具える装置を提供する。ＲＦエネルギーハーベスタはアンテナ、整流器、エネルギー蓄積モジュール及び光出力モジュールを有する。アンテナはＲＦ信号を受信するように構成配置される。整流器は、受信したＲＦ信号からＤＣ電圧を発生させるように構成配置される。エネルギー蓄積モジュールはＤＣ電圧を蓄積するように構成配置される。光出力モジュールは蓄積したエネルギーを用いて光パルスを出力するように構成配置される。ＲＦエネルギーメータは光検出モジュール、制御モジュール及び出力モジュールを有する。光検出モジュールはＲＦエネルギーハーベスタの光出力モジュールにより出力された光パルスを検出するように構成配置される。制御モジュールは光検出モジュールにより検出された光パルス数を計数するように構成配置される。出力モジュールは計数された光パルス数に基づいて、ＲＦエネルギーハーベスタによりハーベストされたエネルギーの量を表す出力を生じさせるように構成配置される。
2019507870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＲＦ信号を受信するように構成配置されたアンテナと、
受信した前記ＲＦ信号からＤＣ電圧を発生させるように構成配置された整流器と、
前記ＤＣ電圧を蓄積するように構成配置されたエネルギー蓄積モジュールと、
蓄積したエネルギーを用いて光パルスを出力するように構成配置された光出力モジュールと
を有するＲＦエネルギーハーベスタ、及び
前記ＲＦエネルギーハーベスタの前記光出力モジュールにより出力された前記光パルスを検出するように構成配置された光検出モジュールと、
前記光検出モジュールにより検出された光パルス数を計数するように構成配置された制御モジュールと、
計数された前記光パルス数に基づいて、前記ＲＦエネルギーハーベスタによりハーベストされたエネルギーの量を表す出力を生じさせるように構成配置された出力モジュールと
を有するＲＦエネルギーメータ
を具える装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、前記エネルギー蓄積モジュールはキャパシタを有している装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の装置において、前記出力モジュールはＬＥＤを有している装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の装置において、前記出力モジュールは、計数された前記光パルス数の出力を、前記ＲＦエネルギーハーベスタによりハーベストされたエネルギーの量を表す出力として生じさせるように構成配置されている装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置において、前記出力モジュールは、単位時間当たりの計数された前記光パルス数の平均値の出力を、前記ＲＦエネルギーハーベスタによりハーベストされたエネルギーの量を表す出力として生じさせるように構成配置されている装置。
【請求項６】
請求項１から３のいずれか一項に記載の装置において、
前記制御モジュールは、計数された前記光パルス数に、各光パルスが表すエネルギーの量に相当する予め決定した値を乗算することにより、前記ＲＦエネルギーハーベスタによりハーベストされたエネルギーの量を計算するように構成配置されているとともに、
前記出力モジュールは、計算された前記ハーベストされたエネルギーの量の出力を、前記ＲＦエネルギーハーベスタによりハーベストされたエネルギーの量を表す出力として生じさせるように構成配置されている
装置。
【請求項７】
請求項６に記載の装置において、
前記制御モジュールは、計算された前記ハーベストされたエネルギーの量を、前記制御モジュールが光パルスを計数した時間量で除算することにより、前記ＲＦエネルギーハーベスタによりハーベストされた平均電力を計算するように構成配置されており、
前記出力モジュールは、計算された前記ハーベストされた平均電力を表す出力を、前記ＲＦエネルギーハーベスタによりハーベストされたエネルギーの量を表す出力として生じさせるように構成配置されている
装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の装置において、前記光検出モジュールはフォトダイオードを有している装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の装置において、前記出力モジュールはディスプレイを有している装置。
【請求項１０】
ＲＦ信号を受信するように構成配置されたアンテナと、受信した前記ＲＦ信号からＤＣ電圧を発生させるように構成配置された整流器と、前記ＤＣ電圧を蓄積するように構成配置されたエネルギー蓄積モジュールと、蓄積したエネルギーを用いて光パルスを出力するように構成配置された光出力モジュールとを有するＲＦエネルギーハーベスタに光学的に結合しうるＲＦエネルギーメータであって、
前記ＲＦエネルギーハーベスタの前記光出力モジュールにより出力された前記光パルスを検出するように構成配置された光検出モジュールと、
前記光検出モジュールにより検出された光パルス数を計数するように構成配置された制御モジュールと、
計数された前記光パルス数に基づいて、前記ＲＦエネルギーハーベスタによりハーベストされたエネルギーの量を表す出力を生じさせるように構成配置された出力モジュールと
を有するＲＦエネルギーメータ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のＲＦエネルギーメータにおいて、前記出力モジュールは、計数された前記光パルス数の出力を、前記ＲＦエネルギーハーベスタによりハーベストされたエネルギーの量を表す出力として生じさせるように構成配置されているＲＦエネルギーメータ。
【請求項１２】
請求項１１に記載のＲＦエネルギーメータにおいて、前記出力モジュールは、単位時間当たりの計数された前記光パルス数の平均値の出力を、前記ＲＦエネルギーハーベスタによりハーベストされたエネルギーの量を表す出力として生じさせるように構成配置されているＲＦエネルギーメータ。
【請求項１３】
請求項１０に記載のＲＦエネルギーメータにおいて、
前記制御モジュールは、計数された前記光パルス数に、各光パルスが表すエネルギーの量に相当する予め決定した値を乗算することにより、前記ＲＦエネルギーハーベスタによりハーベストされたエネルギーの量を計算するように構成配置されているとともに、
前記出力モジュールは、計算された前記ハーベストされたエネルギーの量の出力を、前記ＲＦエネルギーハーベスタによりハーベストされたエネルギーの量を表す出力として生じさせるように構成配置されている
ＲＦエネルギーメータ。
【請求項１４】
請求項１３に記載のＲＦエネルギーメータにおいて、
前記制御モジュールは、計算された前記ハーベストされたエネルギーの量を、前記制御モジュールが光パルスを計数した時間量で除算することにより、前記ＲＦエネルギーハーベスタによりハーベストされた平均電力を計算するように構成配置されており、
前記出力モジュールは、計算された前記ハーベストされた平均電力を表す出力を、前記ＲＦエネルギーハーベスタによりハーベストされたエネルギーの量を表す出力として生じさせるように構成配置されている
ＲＦエネルギーメータ。
【請求項１５】
請求項１０から１４のいずれか一項に記載のＲＦエネルギーメータにおいて、前記光検出モジュールはフォトダイオードを有しているＲＦエネルギーメータ。
【請求項１６】
請求項１０から１５のいずれか一項に記載のＲＦエネルギーメータにおいて、前記出力モジュールはディスプレイを有しているＲＦエネルギーメータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してエネルギー（エナジー）ハーベスティング分野に関するものであり、特にＲＦ（無線周波数）エネルギーハーベスタ及びこのＲＦエネルギーハーベスタによりハーベストされたＲＦエネルギーの量を表す出力を生じさせるＲＦエネルギーメータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力の無線送信にはかなりの関心が向けられており、この無線送信は、無線エネルギー転送と無線エネルギーハーベスティングとの２つの広いカテゴリーに分類しうる。前者は（通常、電力を専用のＲＦ源から短い距離に亘って転送するための）高ＲＦ電力密度に対して用いられ、後者は代表的に（例えば、ＷｉＦｉ及び携帯電話のネットワークの）都市環境において遭遇する一層低いＲＦ電力密度のハーベスティングに関連している。無線エネルギーハーベスティングシステムは一般に、高効率のＲＦ‐ＤＣ（直流）変換を用いて低電力デバイスに給電することにより自由に利用しうる上述したＲＦ送信から利益が得られるように設計されている。
【０００３】
エネルギーハーベスティング環境は、極めて低い電力密度、代表的に１μＷ／ｃｍ２以下を有するものであり、密度はしばしば時間とともに変動する。その結果、エネルギーハーベスティングデバイスによりハーベストされるエネルギー量は極めて少なく且つ時間に依存するものである。このことが、ハーベストされたエネルギー量を信頼的に且つ正確に決定するのを極めて困難にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】英国特許出願ＧＢ２５１７９０７
【特許文献２】英国特許出願ＧＢ１５１３５６５．０
【特許文献３】英国特許出願ＧＢ１５１５６６４．９
【特許文献４】英国特許出願ＧＢ１５１６２８０．３
【特許文献５】英国特許出願ＧＢ１５１６２８２．９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、ハーベストされたエネルギー量を表す出力を生じさせうるＲＦエネルギーメータを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ＲＦエネルギーハーベスタ及びＲＦエネルギーメータを具える装置を提供する。ＲＦエネルギーハーベスタは、アンテナと、整流器と、エネルギー蓄積モジュールと、光出力モジュールとを有している。アンテナはＲＦ信号を受信するように構成配置される。整流器は受信したＲＦ信号からＤＣ電圧を発生するように構成配置される。エネルギー蓄積モジュールはＤＣ電圧を蓄積するように構成配置される。光出力モジュールは蓄積したエネルギーを用いて光パルスを出力するように構成配置される。ＲＦエネルギーメータは光検出モジュールと、制御モジュールと、出力モジュールとを有している。光検出モジュールは、ＲＦエネルギーハーベスタの光出力モジュールにより出力された光パルスを検出するように構成配置される。制御モジュールは、光検出モジュールにより検出された光パルスの数を計数するように構成配置される。出力モジュールは、計数した光パルス数に基づいてＲＦエネルギーハーベスタによりハーベストされたエネルギー量を表す出力を生じさせるように構成配置される。
【０００７】
本発明は、ＲＦエネルギーハーベスタに光学的に結合可能なＲＦエネルギーメータをも提供するものであり、このＲＦエネルギーハーベスタは、アンテナと、整流器と、エネルギー蓄積モジュールと、光出力モジュールとを有するものであり、アンテナはＲＦ信号を受信するように構成配置され、整流器は受信したＲＦ信号からＤＣ電圧を発生するように構成配置され、エネルギー蓄積モジュールはＤＣ電圧を蓄積するように構成配置され、光出力モジュールは蓄積したエネルギーを用いて光パルスを出力するように構成配置されるものである。ＲＦエネルギーメータは光検出モジュールと、制御モジュールと、出力モジュールとを有している。光検出モジュールは、ＲＦエネルギーハーベスタの光出力モジュールにより出力された光パルスを検出するように構成配置される。制御モジュールは、光検出モジュールにより検出された光パルスの数を計数するように構成配置される。出力モジュールは、計数した光パルス数に基づいてＲＦエネルギーハーベスタによりハーベストされたエネルギー量を表す出力を生じさせるように構成配置される。
【０００８】
本発明の実施例を以下に添付図面を参照して例示のみで説明するが、同様な参照符号は互いに同じ又は対応する部分を示している。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の一実施例によりＲＦエネルギーハーベスタに光学的に結合させたＲＦエネルギーメータを示す線図である。
【図２】図２は、ＲＦエネルギーハーベスタにより発生されＲＦエネルギーメータにより検出された光パルスに対する電圧対時間の関係を示すグラフ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［第１の実施例］
本発明の第１の実施例を、ＲＦエネルギーハーベスタ１及びＲＦエネルギーメータ２の構成要素を線図的に示す図１を参照して説明する。
【００１１】
ＲＦエネルギーハーベスタ１はアンテナ２１と、整流器２２と、エネルギー蓄積モジュール２３と、光出力モジュール２４とを有している。
【００１２】
アンテナ２１はＲＦ信号を受信するように構成配置される。このアンテナ２１は、ＷｉＦｉの周波数帯域、代表的に２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚにおける周波数のようなＲＦ信号の任意の周波数を受信するようにするように最適化でき、このアンテナ２１は２．４５ＧＨｚの信号を受信するのが最適である。
【００１３】
整流器２２は、受信したＲＦ信号からＤＣ電圧を発生させるように構成配置される。この整流器２２は、アンテナ２１により受信された周波数で動作させて損失を最少化するように構成するのが好ましい。
【００１４】
ＲＦ信号からハーベストされたエネルギーは特に弱いものである。代表的なエネルギーハーベスティング環境は、極端に低い電力密度、すなわちほぼ１μＷ／ｃｍ２を有する。有用なエネルギー量を生じさせるために、ＲＦエネルギーハーベスタ１が、整流器２２により発生されたＤＣ電圧を蓄積するように構成配置されたエネルギー蓄積モジュール２３を有するようにする。
【００１５】
多数の電気エネルギー蓄積方法が可能である。例えば、受信したＲＦエネルギーを蓄積するのにバッテリを用いることができる。しかし、本発明者はキャパシタを用い、エネルギー蓄積モジュール２３がキャパシタを有するようにする。本発明者がキャパシタを用いる理由は、その占有面積（フットプリント）が小さい為である。
【００１６】
エネルギー蓄積モジュール２３内に蓄積されたエネルギーが予め決定したしきい値よりも多くなると、このエネルギーの少なくとも幾らかを光出力モジュール２４に放出させる。光出力モジュール２４はこのエネルギーを用いて光パルスを出力するように構成する。光出力モジュール２４にエネルギーが出力される結果として、エネルギー蓄積モジュール２３内に蓄積されたエネルギーは予め決定したしきい値よりも低いレベルに降下する。従って、エネルギー蓄積モジュール２３は、エネルギーが予め決定したしきい値よりも再び高くなるまで整流器２２から受信した更なるエネルギーで充電され、この時点でエネルギー蓄積モジュールは他の光パルスに対しこのエネルギーの少なくとも幾らかを光出力モジュール２４に放出する。従って、処理はこのように繰返され、光出力モジュール２４が一連の光パルスを出力する。
【００１７】
光出力モジュール２４は種々の異なる方法で実現しうる。例えば、レーザ又はフィラメント電球を採用しうる。しかし、本発明者はＬＥＤを選択する。その理由は、ＬＥＤの所要電力が低く且つその占有面積が小さい為である。上述したように、エネルギーハーベスタ１は、２０１３年８月９日に出願された“RF Energy Harvester”と題する英国特許出願ＧＢ２５１７９０７に記載されているように構成することができるが、これに光出力モジュール２４を追加する。或いはまた、エネルギーハーベスタ１は、本件出願と同時に出願された“Energy Harvesting Circuit Board”と題する英国特許出願に記載されているように構成することができるが、これに光出力モジュール２４を追加する。アンテナ２１は、２０１５年７月３０日に出願された“Antenna”と題する英国特許出願ＧＢ１５１３５６５．０に記載されているように構成することができる。或いはまた、このアンテナ２１は、２０１５年９月３日に出願された“Antenna”と題する英国特許出願ＧＢ１５１５６６４．９に記載されているように構成することができる。整流器２２は、２０１５年９月１４日に出願された“RF-to-DC converter”と題する英国特許出願ＧＢ１５１６２８０．３に記載されているように構成することができる。或いはまた、整流器２２は、２０１５年９月１４日に出願された“RF-to-DC converter”と題する英国特許出願ＧＢ１５１６２８２．９に記載されているように構成することができる。これらの英国特許出願明細書の全ては参照することによりその全体が説明されているようにここに導入されるものである。
【００１８】
ここでＲＦエネルギーメータ２を参照するに、このＲＦエネルギーメータ２は光検出モジュール１１と、制御モジュール１２と、出力モジュール１３とを有している。
【００１９】
当然のことながら、ＲＦエネルギーハーベスタ１とＲＦエネルギーメータ２とは別々に形成し且つ販売することができる。その理由は、これらはそれぞれ別々の回路基板又は同様なものの上に形成しうる為である。
【００２０】
光検出モジュール１１は、ＲＦエネルギーハーベスタ１の光出力モジュール２４により出力された光パルスを検出するように構成配置される。各光パルスはＲＦエネルギーハーベスタ１によりハーベストされる予め決定したエネルギー量に対応する。このようにすることにより、ＲＦエネルギーメータ２はＲＦエネルギーハーベスタ１に光学的に結合させることができるようになる。
【００２１】
光検出モジュール１１は多数の異なる方法で実施しうる。例えば、光検出抵抗、又はフォトトランジスタ、又はフォトマルチプライヤを用いることができる。しかし、本発明者は、使いやすく且つ高感度のためにフォトダイオードを選択した。
【００２２】
光検出モジュール１１から、信頼できるとともに正確な出力を得るためには、光出力モジュール２４と光検出モジュール１１とを接近させるとともに、外部光が光検出モジュール１１に漏洩されないように遮蔽するようにする。
【００２３】
ＲＦエネルギーメータ２は、これをＲＦエネルギーハーベスタ１から電気的に分離させるために独自のバッテリ電源（図示せず）を有し、ＲＦエネルギーハーベスタ１からの電気エネルギーがＲＦエネルギーメータ２を附勢するのに又はその逆に用いられないようにする。
【００２４】
制御モジュール１２は光検出モジュール１１により検出された光パルス数を計数するように構成配置される。
【００２５】
ここで出力モジュール１３を参照するに、この出力モジュール１３は、ＲＦエネルギーハーベスタ１によりハーベストされたエネルギー量を表す出力を、計数した光パルス数に基づいて生じさせるように構成配置される。
【００２６】
この出力モジュール１３は、ＲＦエネルギーハーベスタ１によりハーベストされたエネルギー量を表す出力を生じさせる多数の異なる方法で実施することができる。
【００２７】
この本発明の実施例では、出力モジュール１３は、計数した光パルス数の出力をＲＦエネルギーハーベスタ１によりハーベストされたエネルギー量を表す出力として生じさせるように構成配置される。
【００２８】
これに加えて又はこれに代えて、出力モジュール１３は、単位時間当たりの計数した光パルス数の平均値の出力をＲＦエネルギーハーベスタ１によりハーベストされたエネルギー量を表す出力として生じさせるように構成配置されることができる。一例では、この出力は、計数した光パルス数を、制御モジュール１２が光パルスを計数していた時間量で除算することにより得るようにする。
【００２９】
制御モジュール１２は、時間長を種々の方法で決定するようにしうる。一例では、光パルスの計数を開始する際に制御モジュール１２により（例えば、秒を計数する）タイムカウンタを始動させ、単位時間当たりの平均光パルスを計算する必要がある際に光パルスの計数開始後の時間長を決定しうるようにする。これに代え又はこれに加えて、制御モジュール１２がリアルタイム（実時間）クロックを用いて現在の時刻の経過を追うようにしうる。又、制御モジュール１２は光パルスの計数開始時間と現在の時刻とを記録し、これにより光パルスを計数している現在の持続時間を決定するようにしうる。
【００３０】
非限定的な例では、出力モジュール１３がディスプレイを具えるようにしうる。本発明の実施例の有効性を損なうことなく種々のディスプレイ技術の如何なるものも用いることができる。例えば、電子インクディスプレイか、ＬＣＤか、ＯＬＥＤか、７セグメントディスプレイか、又は他の種類の如何なるディスプレイをも用いることができる。
【００３１】
従って、上述したＲＦエネルギーメータ２は、光パルス数を計数して、ＲＦエネルギーハーベスタ１によりハーベストされたエネルギー量を表す出力を実時間で生じさせるように構成配置される。
【００３２】
［第２の実施例］
第２の実施例は前述した第１の実施例と同じ構成要素を有するが、制御モジュール１２及び出力モジュール１３の機能は前述したものとは異なっている。
【００３３】
この第２の実施例によれば、制御モジュール１２は（第１の実施例におけるように）光検出モジュール１１により検出された光パルス数を計数するように構成配置される。これに加えて、制御モジュール１２は更に、計数した光パルス数に基づいてＲＦエネルギーハーベスタ１によりハーベストされたエネルギー量を計算するように構成配置される。例えば、ＲＦエネルギーハーベスタ１によりハーベストされる総エネルギー量は、エネルギー蓄積モジュール２３により放出される予め決定したエネルギー量を、計数した光パルス数に乗算することにより計算して、各光パルスが光出力モジュール２４により発生されるようにすることができる。
【００３４】
更に、制御モジュール１２は、上述したことに加えて又は代えて、ハーベストされたエネルギー量の計算量を、ＲＦエネルギーメータ２が光パルスを計数した時間長で除算することにより、ＲＦエネルギーハーベスタ１によってハーベストされた平均電力を計算することができる。
【００３５】
この制御モジュール１２は時間長を種々の方法で決定することができる。一例では、光パルスの計数を開始する際に制御モジュール１２により（例えば、秒を計数する）タイムカウンタを始動させ、平均電力を計算する必要がある際に光パルスの計数開始後の時間長を決定しうるようにする。これに代え又はこれに加えて、制御モジュール１２がリアルタイムクロックを用いて現在の時刻の経過を追うようにしうる。又、制御モジュール１２は光パルスの計数開始時間と現在の時刻とを記録し、これにより光パルスを計数している現在の持続時間を決定するようにしうる。
【００３６】
出力モジュール１３は、ＲＦエネルギーハーベスタ１によりハーベストされたエネルギーの計算量をＲＦエネルギーハーベスタ１によりハーベストされたエネルギー量を表す出力として生じさせるように構成配置される（この出力は、ＲＦエネルギーハーベスタ１によりハーベストされたエネルギーの量の計算量及びＲＦエネルギーハーベスタ１によりハーベストされたエネルギーの平均電力の計算量の、双方又は何れか一方である）。
【００３７】
前述したように、ハーベストされたエネルギーの量の計算は、各光パルスを発生させるためにエネルギー蓄積モジュール２３により放出される予め決定したエネルギー量に依存する。図２は、このエネルギーの量を予め決定するための一方法を示す。特に、図２は、ｘ軸上の時間に対するｙ軸上のエネルギー蓄積モジュール２３の電圧を表すオシロスコーププロットを示している。オシロスコープは、各光パルスが表すエネルギーを初期計算するためのみに必要となるものである。この値が見出されると、オシロスコープはもはや必要とせず、装置はこのようなかさばる機器を更に用いることなく機能状態に入るとともに如何なる個所にも用いることができる。
【００３８】
より詳細には、図２は、この場合キャパシタを有しているエネルギー蓄積モジュール２３の両端間で測定した電圧の時間に対する変化を示している。
【００３９】
図２に示すように、一連のＬＥＤパルスをキャパシタ電圧における対応する降下とともに示してある。
【００４０】
各光パルスに対しては、ほぼ１．３５Ｖの対応する電圧降下が観察された。本発明者はこの実施例においてエネルギー蓄積モジュール２３として１００μＦの大きさのキャパシタを選択した。式
エネルギー＝０．５×キャパシタンス×（圧降下）２
を用いることにより、各光パルスはほぼ９５μＪのハーベストされたエネルギー量に相当する。
【００４１】
従って、ＲＦエネルギーハーベスタ１によりハーベストされた総エネルギー量を計算する場合のＲＦエネルギーメータ２は、計算した光パルス数に９５μＪを乗算してハーベストされた総エネルギー量を求めるように構成配置される。
【００４２】
本発明の実施例は、互いに異なる個所及び時間の双方又は何れか一方でのハーベスティングのために利用できるバックグラウンドエネルギーの量を決定するのに有用としうる。本発明の実施例の前述した記載は実例及びその説明のために開示したものである。この記載は包括的であることを或いは本発明を開示したそのものの形態に制限することを意図するものではない。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく変形及び変更を行うことができるものである。
【図１】
2019507870.tif 000003
【図２】
2019507870.tif 000004
【国際調査報告】
2019507870.tif 000005
2019507870.tif 000006
2019507870.tif 000007
2019507870.tif 000008