(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲環境内で伝搬する電磁エネルギーをハーベストするためのシステムであって、前記システムは、
前記周囲環境から外部電磁放射を受信し、対応する電気出力を生成するために構成されたアンテナユニットと、
前記アンテナユニットの出力を示す信号を受信し、対応する電荷を生成し蓄積するためにそれぞれ構成され動作可能な少なくとも１つのエネルギーハーベスティング回路を備えるハーベスティングユニットであって、前記エネルギーハーベスティング回路は、ＡＣ電気信号を受信し、対応するＤＣ電力を生成するようにそれぞれ構成され動作可能な複数の整流器を備える整流ユニット、及び、前記整流ユニットから複数のＤＣ電力を受信し、前記複数のＤＣ電力を、ハーベスト済みのエネルギーを呈する電荷に変換し累積するように構成され動作可能な電荷収集ユニットを備える、ハーベスティングユニットと、
前記アンテナユニットに接続された入力及び前記整流ユニットに接続された出力を有する入力信号適応回路であって、前記入力信号適応回路は、前記アンテナユニット及び前記整流ユニットの所定の電気特性を調整し、それにより、前記エネルギーハーベスティング回路に対して前記アンテナユニットの電気出力の受信を最適化するために構成され動作可能である、入力信号適応回路と、
を備える、システム。
【請求項２】
前記アンテナユニットは、電気特性及び磁気特性のうちの少なくとも一方において異なる少なくとも２つの異なる伝送媒体内に配置された少なくとも２つの導電要素を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記少なくとも２つの異なる伝送媒体は、少なくとも２つの異なる生体組織を含む、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記少なくとも２つの異なる伝送媒体は、生体組織及び空気を含む、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項５】
前記入力信号適応回路は、前記整流ユニットのインピーダンスに対して前記アンテナユニットのインピーダンスを調整するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記入力信号適応回路は、インピーダンス整合ユニット及び前記インピーダンス整合ユニットに接続されたフィルタリングユニットを備え、前記インピーダンス整合ユニットは、前記アンテナユニット及び前記フィルタリングユニットのインピーダンス間の整合をとるように構成され、前記フィルタリングユニットは、前記周囲環境内で伝搬する受信済みＲＦバンドを、各サブバンドについて所定の中心周波数、バンド幅及び強度を有する、予め規定された数のサブバンドになるようソートするために構成され動作可能であり、前記サブバンドの予め規定された数は、前記整流ユニット内にある整流器の数に対応する、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記入力信号適応回路は、前記アンテナユニットによって受信される複数の周波数バンドの信号の強さに対して、前記整流ユニットの整流器のインピーダンスを制御可能に調整するように構成され動作可能なアダプティブインピーダンス整合ユニット、及び、前記アダプティブインピーダンス整合ユニットに接続可能で、前記アダプティブインピーダンス整合ユニットの動作を制御するように構成され動作可能な制御ユニットを備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記電荷収集ユニットは、切換えトポロジ回路及びコントローラを備える信号加算ユニットを備え、前記切換えトポロジ回路は、比較的小さなキャパシタンス値を有し、対応する数の前記整流器の出力にそれぞれ接続された所定の数のキャパシタ、及び、比較的大きなキャパシタンス値の１つの蓄積キャパシタを備え、前記切換えトポロジ回路は、前記比較的大きなキャパシタンス値の前記キャパシタ上で対応する電荷の電力加算及び蓄積のために、前記複数の整流器からそれぞれ受信される複数のＤＣ信号と、前記比較的小さなキャパシタンス値の対応する複数の前記キャパシタとを制御可能に切換えるように適合される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記電荷収集ユニットは、対応する数の前記整流器の出力にそれぞれ接続された入力、及び蓄積キャパシタに接続された出力を有する所定の数の電圧−電流変換回路を備える電圧−電流ユニットを備える信号加算ユニットを備え、前記電圧−電流ユニットは、それにより、複数の電圧−電流変換回路によって前記複数の整流器から受信される複数のＤＣ信号を変換し加算するように適合される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記入力信号適応回路及び前記電荷収集ユニットのうちの少なくとも一方に接続され、前記エネルギーハーベスティング回路の動作を制御するように構成され動作可能なコントロールユニットを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記コントロールユニットは、少なくとも前記電荷収集ユニットに接続され、前記電荷収集ユニットは、切換えトポロジ回路を備え、前記切換えトポロジ回路は、比較的小さなキャパシタンス値を有し、対応する数の前記整流器の出力にそれぞれ接続された所定の数のキャパシタ、及び、比較的大きなキャパシタンス値の１つの蓄積キャパシタを備え、前記切換えトポロジ回路は、前記比較的大きなキャパシタンス値の前記キャパシタ上で対応する電荷の電力加算及び蓄積のために、前記複数の整流器からそれぞれ受信される複数のＤＣ信号と、前記比較的小さなキャパシタンス値の対応する複数の前記キャパシタとを制御可能に切換えるように適合される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記エネルギーハーベスティング回路は、前記電荷収集ユニットの出力を少なくとも１つの電気負荷に接続するための接続ポートを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの電気負荷は、充電式電池、医療用デバイス、電気自動車構成要素、家庭用の電気デバイスのうちの少なくとも１つを含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記医療用デバイスは、ペースメーカ、除細動器、及び補聴器のうちの少なくとも１つを含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記電気自動車構成要素は、電気アクセサリ、オーディオシステム及びアンプ、ＴＶ及びＤＶＤシステム、ＧＰＳシステム、空調システム、アラームシステム、ライト及び配線システムのうちの少なくとも１つを含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のシステムにおける使用のためのアンテナユニットであって、前記アンテナユニットは、電気特性及び磁気特性のうちの少なくとも一方において異なる少なくとも２つの異なる伝送媒体内に配置された少なくとも２つの導電要素を備え、それにより、受信される外部電磁放射が、前記少なくとも２つの導電要素間に電位差を生成し、出力電気信号を生成し、それにより、周囲環境からの外部電磁放射の取込みを可能にする、アンテナユニット。
【請求項１７】
周囲環境から外部電磁放射を受信し、対応する出力電気信号を生成するために構成され動作可能なアンテナユニットであって、前記アンテナユニットは、電気特性及び磁気特性のうちの少なくとも一方において異なる少なくとも２つの異なる伝送媒体内に配置された少なくとも２つの導電要素を備え、それにより、受信される外部電磁放射が、前記少なくとも２つの導電要素間に電位差を生成し、出力電気信号を生成し、それにより、前記周囲環境からの外部電磁放射の取込みを可能にする、アンテナユニット。
【請求項１８】
前記少なくとも２つの異なる伝送媒体は、異なる生体組織を含む、請求項１７に記載のアンテナユニット。
【請求項１９】
生体に取付けられ、前記少なくとも２つの異なる伝送媒体は、生体組織及び空気を含む、請求項１７に記載のアンテナユニット。
【請求項２０】
請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のシステムにおける使用のための入力信号適応ユニットであって、前記入力信号適応ユニットは、インピーダンス整合ユニット及び前記インピーダンス整合ユニットに接続されたフィルタリングユニットを備え、前記インピーダンス整合ユニットは、前記アンテナユニット及び前記フィルタリングユニットのインピーダンス間の整合をとるように構成され、前記フィルタリングユニットは、ＲＦバンドを、各サブバンドについての所定の周波数、バンド幅及び強度の予め規定された数のサブバンドになるようソートするために適合される、入力信号適応ユニット。
【請求項２１】
周囲環境内で伝搬する無線周波数（ＲＦ）バンドの電磁放射にさらされるアンテナユニットを伴う使用のための入力信号適応ユニットであって、前記入力信号適応ユニットは、インピーダンス整合ユニット及び前記インピーダンス整合ユニットに接続されたフィルタリングユニットを備え、前記インピーダンス整合ユニットは、前記アンテナユニット及び前記フィルタリングユニットのインピーダンス間の整合をとるように構成され、前記フィルタリングユニットは、ＲＦバンドを、各サブバンドについての所定の周波数、バンド幅及び強度の予め規定された数のサブバンドになるようソートするために適合される、入力信号適応ユニット。
【請求項２２】
請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のシステムにおける使用のための電荷収集ユニットであって、前記電荷収集ユニットは、複数のＤＣ電力を受信し、前記複数のＤＣ電力を、蓄積キャパシタ上の電荷の形態で加算するように適合された信号加算ユニットを備え、前記信号加算ユニットは、切換えトポロジユニット及び電圧−電流ユニットのうちの少なくとも一方を備える、電荷収集ユニット。
【請求項２３】
エネルギーハーベスティング回路における使用のための電荷収集ユニットであって、前記電荷収集ユニットは、複数のＤＣ電力を受信し、前記複数のＤＣ電力を、蓄積キャパシタ上の電荷の形態で加算するように適合された信号加算ユニットを備え、前記信号加算ユニットは、切換えトポロジユニット及び電圧−電流ユニットのうちの少なくとも一方を備え、前記信号加算ユニットは、前記切換えトポロジユニット及びコントローラを備え、前記切換えトポロジユニットは、比較的小さなキャパシタンス値を有し、対応する数の整流器の出力にそれぞれ接続可能な所定の数のキャパシタを備え、比較的大きなキャパシタンス値の１つの蓄積キャパシタに接続され、前記切換えトポロジユニットは、電力加算のために、前記整流器から受信されるＤＣソースと、前記所定の数のキャパシタとを制御可能に切換えるように適合される、電荷収集ユニット。
【請求項２４】
前記電圧−電流ユニットは、前記対応する数の整流器の出力にそれぞれ接続可能な入力、及び前記蓄積キャパシタに接続された出力を有する所定の数の電圧−電流変換回路を備え、前記電圧−電流ユニットは、それにより、前記電圧−電流変換回路によって複数の整流器から受信される複数のＤＣソースを変換し加算するように構成され動作可能である、請求項２３に記載の電荷収集ユニット。
【請求項２５】
少なくとも１つのエネルギーハーベスティング回路を備えるエネルギーハーベスティングユニットであって、各エネルギーハーベスティング回路は、アンテナユニットから信号を受信し、対応する電荷を生成し蓄積するために構成され動作可能であり、前記エネルギーハーベスティング回路は、
アンテナユニットの出力に接続可能な入力信号適応回路と、
前記入力信号適応回路の出力に接続された整流ユニットであって、前記整流ユニットが、ＡＣ電気信号を受信し、対応するＤＣ電力を生成するようにそれぞれ構成され動作可能な複数の整流器を備える、整流ユニットと、
前記整流ユニットから複数のＤＣ電力を受信し、前記複数のＤＣ電力を、ハーベスト済みのエネルギーを呈する電荷に変換し累積するように構成され動作可能な電荷収集ユニットと、
を備え、
前記エネルギーハーベスティング回路は、
（ａ）前記入力信号適応回路は、インピーダンス整合ユニット及び前記インピーダンス整合ユニットに接続されたフィルタリングユニットを備え、前記インピーダンス整合ユニットは、前記アンテナユニット及び前記フィルタリングユニットのインピーダンス間の整合をとるように構成され、前記フィルタリングユニットは、ＲＦバンドを、各サブバンドについての所定の周波数、バンド幅及び強度の予め規定された数のサブバンドになるようソートするために適合される構成、及び、
（ｂ）前記電荷収集ユニットは、複数のＤＣ電力を受信し、前記複数のＤＣ電力を、蓄積キャパシタ上の電荷の形態で加算するように適合された信号加算ユニットを備え、前記信号加算ユニットは、切換えトポロジユニット及び電圧−電流ユニットのうちの少なくとも一方を備える構成
のうちの少なくとも一方を有する、エネルギーハーベスティングユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギーハーベスティング技術の分野に関し、医療用デバイス（たとえば、埋め込み型デバイス）並びに電気自動車及び種々の家庭用デバイスなどの種々の用途に有用であり得る、エネルギーハーベスティングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
過去２０年間に、ＲＦ通信等の電磁通信の使用が、モバイル／衛星通信、医療処置などを含む、人間生活の全ての局面で劇的に増加している一方、無線周波数スペクトルの異なる部分が、異なる無線伝送技術及び用途（例えば、ＴＶ（テレビジョン）又はセルラ用途）に使用され得る。一般に、無線周波数スペクトルは、国際電気通信連合（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｕｎｉｏｎ：ＩＴＵ）無線通信規則に従って、全ての国家の市民、政府、及び軍の利用者によって共有される。そのため、人々は、世界中で、空気中で伝搬し異なる周波数及び強度を有する種々の電磁信号（放射）によって囲まれている。
【０００３】
当該技術分野において、空気中で伝搬する電磁信号を収集し電力を生成するために幾つかの試みが行われてきた。このような種類の幾つかの技術は、例えば、欧州特許出願公開第１，７２２，２８４号、米国特許出願公開第２００９／１０５，７８２号、及び特開平１０−１４６０７７号公報に記載される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、埋め込み型及び取付け式医療用デバイスにおいて急速な技術的進歩が行われてきた。しかし、全てではないものの、これらのデバイスの大多数は、エネルギー原として電気を必要とする。こうした医療用デバイスはそれぞれ、使い捨て電気供給原として電池を使用する。心臓ペースメーカ又は除細動器等の埋め込み式デバイスに関して言えば、電池の交換自体が、反復的な手術を必要とし、反復的な手術は、患者を危険にさらし、手術をする前の恐怖、手技の不都合、及び手技の後の回復期間を伴う種々のリスクに患者をさらす。補聴器等の取付け式デバイスに関して言えば、デバイスタイプによっては１日に１回から１週間に１回変動する場合がある電池の交換は完全にやっかいである。
【０００５】
従って、電池を充電することが可能であり、おそらくは、こうしたデバイスにおける電池を不要とする機構が所望されていることが明らかである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
電磁放射（例えば、ＲＦ信号）の効率的な収集及び使用、並びに、充電式電池又は電気デバイス等の電気負荷に供給されるための、ハーベストされたエネルギーの蓄積を可能にし、それにより、例えば、最も効率的な方法で前記電池を充電すること、又は、前記電気デバイスを動作させることを可能にするためのエネルギーをハーベストするための新規なアプローチの当技術分野における必要がある。電磁エネルギーをハーベストするための技術は、参照によりその全体が本明細書に組込まれる、同一発明者の米国特許出願第１３／１１６５５４号に記載される。こうしたシステムは、周囲環境からの既に存在するＲＦ放射を採取すること、及び、それを使用可能なエネルギー原に変換することを機能的に可能にする。
【０００７】
本発明は、新規なエネルギーハーベスティングシステム及び方法並びにエネルギーハーベスティングシステムにおいて使用するための新規なアンテナユニットを提供する。本発明のアンテナユニットは、周囲環境から外部電磁放射を受信し、対応する出力電気信号を生成するために構成される。アンテナユニットは、異なる電気特性及び／又は磁気特性を有する異なる伝送媒体に連結される（たとえば、その中に配置された）少なくとも２つの導電要素を備える。
【０００８】
空気中で利用可能なソースからＲＦエネルギーをハーベストするとき、システムの効率が、受信信号の種々の周波数及び強度のために非常に重要である。ハーベスティングシステムの効率を決定すえる重要な要因の１つは、アンテナユニットの所定の電気特性の整合／調整の程度及び整流ユニットの所定の電気特性の整合／調整の程度である。より具体的には、これは、整流回路のインピーダンスと入力信号の強度との間の整合であってもよい。整流器インピーダンスは、入力信号の強度の関数として動的に変化している。より具体的には、入力信号が、整流器の導電性閾値に対して低い電力信号であるとき、整流器のインピーダンスは非常に高い。入力信号の強度が、増加し、整流器の伝導性閾値に近づくにつれて、整流器のインピーダンスは減少し、ついには、信号の強度が減少する。静的システムでは、整流器は、そのインピーダンスが、入力信号の或るレベルの強度に整合するように構成されるが、他の強度では、整流器は整合せず、効率が大幅に減少する。そのため、アンテナユニットのインピーダンスに対して、変化する入力信号に従って整流器インピーダンスを動的に／選択的に整合させるために構成され動作可能である入力信号適応ユニット／回路、例えば、アダプティブインピーダンス整合ユニットについての必要がある場合がある。
【０００９】
整流器のインピーダンスの動的変化についての要件を満たす一方法は、入力インピーダンスの動的で能動的な変化を提供することによる。しかし、この技術は、エネルギー消費を受け、エネルギーを浪費させる。
【００１０】
そのため、こうした動的インピーダンス整合が受動ユニットによって実装されることが一部の用途で所望される。これに関連して、本明細書で使用される用語「受動ユニット（ｐａｓｓｉｖｅ  ｕｎｉｔ）」及び「能動ユニット（ａｃｔｉｖｅ  ｕｎｉｔ）」が、それぞれ、それらの予め規定された作業パラメータ／条件に基づいて自律的に動作可能であり、作業パラメータ／条件の１つ以上を変更する専用コントローラによって動作可能であるユニット／回路を指すことが理解されるべきである。本発明は、（アンテナユニットから受信される）入力される、強さの異なる信号に対して整流器のインピーダンスを整合させ、入力される全ての強さレベルにおいてハーベスティングシステムの効率を最大にするよう動作する受動フィルタリングユニットを提供する。
【００１１】
電磁エネルギーをハーベストするとき、各整流器のキャパシタは通常小さい。しかし、幾つかの整流器に起因する、同じ整流器に起因する大量の電荷を所定期間にわたって蓄積する必要がある。本発明は、ハーベスティング過程中に取得される少量の電荷を大きな蓄積部（すなわち、比較的大きなキャパシタンスを有するキャパシタ）に採取するための２つの以下の新規なアプローチのいずれか一方に基づくことができる新規な電荷収集ユニットを提供する。これは、切換えトポロジ回路を使用することによって、又は、電圧−電流の適切な変換を使用することによって本発明において実装され、取得される少量の電荷を大きなキャパシタに搬送することを可能にし、それにより、大量の電荷の蓄積を可能にする。このために、本発明は、整流ユニットの複数の整流器から複数のＤＣ電力を受信し、（電圧−電流変換回路又は切換えトポロジ回路によって）複数のＤＣ電力を電荷（この電荷はハーベストされたエネルギーを呈する）に変換し累積するように構成され動作可能である信号加算ユニットを備える電荷収集ユニットを提供する。
【００１２】
そのため、本発明の広範な態様によれば、システムであって、システムがさらされる周囲環境内で伝搬する電磁エネルギーをハーベストするためのシステムが提供される。システムは、周囲環境から外部電磁放射を受信し、対応する電気出力を生成するために構成されたアンテナユニットと、少なくとも１つのハーベスティング回路であって、それぞれが、アンテナユニットの出力を示す信号を受信し、ハーベストされたエネルギーである対応する電荷を生成し蓄積するために構成され動作可能である、少なくとも１つのハーベスティング回路を備えるハーベスティングユニットと、入力信号適応回路とを備え、入力信号適応回路は、アンテナユニットに接続された入力及びハーベスティングユニットの前記少なくとも１つのハーベスティング回路に接続された出力を有し、アンテナユニット及び前記少なくとも１つのハーベスティング回路の所定の電気特性を調整し、それにより、前記少なくとも１つのハーベスティング回路によるアンテナユニットの電気出力の受信を最適化するために構成され動作可能である。
【００１３】
本開示において、用語「ユニット（ｕｎｉｔ）」及び「回路（ｃｉｒｃｕｉｔ）」は、両者がそれぞれ、実際には、電気入力に影響を及ぼす／処理するための或る機能を規定する１つ以上の電気回路を指すため、交換可能に使用されることが留意されるべきである。
【００１４】
ハーベスティング回路は、複数の整流器であって、それぞれが、ＡＣ電気信号を受信し、対応するＤＣ電力を生成するように構成され動作可能である、複数の整流器を備える整流ユニット、及び、前記整流ユニットから複数のＤＣ電力を受信し、複数のＤＣ電力を、ハーベスト済みのエネルギーを呈する電荷（ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｈａｒｇｅ  ｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇ  ｈａｒｖｅｓｔｅｄ  ｅｎｅｒｇｙ）に変換し累積するように構成され動作可能である電荷収集ユニットを備える。
【００１５】
一般に、アンテナユニットは、公知の適切な任意の構成であってもよい。好ましくは、しかし、本発明の新規なアンテナ構造が使用され得る。こうした新規なアンテナ構造は、電気特性及び磁気特性の少なくとも一方が異なる伝送媒体に連結された少なくとも２つの導電要素を備える。こうした構造が、構造がさらされる電磁放射（通常、ＲＦ放射）に応答し、対応する電気出力（応答信号）を提供するという意味においてのみ、「アンテナユニット（ａｎｔｅｎｎａ  ｕｎｉｔ）」として本明細書で呼ばれることが理解されるべきである。
【００１６】
一部の実施形態において、こうした少なくとも２つの異なる伝送媒体は、例えば、少なくとも２つの異なる生体組織を含むことができる（その場合、アンテナユニットは被験者内に埋め込まれることができる）、又は、生体組織及び空気を含むことができる（その場合、アンテナユニットは被験者に取付けられる）。しかし、本発明のアンテナユニットがこれらの例に限定されないと共に、任意の特定の媒体に限定されないことが理解されるべきである。
【００１７】
入力信号適応回路は、アンテナユニット及び整流ユニットの電気パラメータ、例えばインピーダンス間の整合をとることによって、ハーベスティング回路の整流ユニットに対するアンテナユニットの電気出力の受信を最適化するように構成され動作可能である。
【００１８】
一部の実施形態において、入力信号適応ユニットは、インピーダンス整合ユニット及びインピーダンス整合ユニットに接続されたフィルタリングユニットを備える。インピーダンス整合ユニットは、アンテナユニット及びフィルタリングユニットのインピーダンス間での整合をとるように構成され動作可能である。フィルタリングユニットは、周囲環境内で伝搬する受信済みＲＦバンドを、予め規定された数のサブバンドであって、各サブバンドについて中心周波数、バンド幅、及び強度の所定値を有する、予め規定された数のサブバンドになるようソートするために構成され動作可能である。サブバンドの予め規定された数は、整流ユニット内の整流器の数に対応する。
【００１９】
一部の実施形態において、入力信号適応ユニットは、アダプティブインピーダンス整合ユニット及びコントロールユニットを備え、コントロールユニットは、アダプティブインピーダンス整合ユニットに接続可能であり、アダプティブインピーダンス整合ユニットの動作を制御するように構成され動作可能である。アダプティブインピーダンス整合ユニットは、アンテナユニットによって受信される複数の周波数バンドの信号の強さに対して、整流ユニットの整流器のインピーダンスを制御可能に調整するように構成され動作可能である。
【００２０】
一部の実施形態において、電荷収集ユニットは、切換えトポロジ回路及びコントローラを備える信号加算ユニットを備える。切換えトポロジ回路は、全てが蓄積キャパシタに電気接続される、整流ユニット内の整流器の数に対応する所定の数のキャパシタを備える。それぞれの整流器の出力に接続されるキャパシタは比較的小さなキャパシタンス値を有し、一方、蓄積キャパシタは比較的大きなキャパシタンス値を有する。切換えトポロジ回路は、複数の整流器からそれぞれ受信される複数のＤＣ信号と、対応する複数の「小さな（ｓｍａｌｌ）」キャパシタとの間で制御可能に切換えて、対応する電荷を「大きな（ｌａｒｇｅ）」キャパシタ上で電力加算し、蓄積するように適合される。
【００２１】
一部の実施形態において、電荷収集ユニットは、電圧−電流ユニットを備える信号加算ユニットを備える。電圧−電流ユニットは、対応する数の整流器の出力にそれぞれ接続された入力を有し、蓄積キャパシタに接続された出力を有する所定の数の電圧−電流変換回路を備える。電圧−電流ユニットは、それにより、複数の電圧−電流変換回路によって複数の整流器から受信される複数のＤＣ信号／電力を変換し加算するように適合される。
【００２２】
システムは、入力信号適応ユニット（例えば、インピーダンス整合ユニット）及び電荷収集ユニットの少なくとも一方に接続されるコントロールユニットを備える。ハーベスティング回路の動作を制御するように構成され動作可能であるコントロールユニットを備える。コントロールユニットが、上述した切換えトポロジ回路を備える電荷収集ユニットに接続されると考えると、コントロールユニットは、切換えトポロジ回路が、複数の整流器からそれぞれ受信される複数のＤＣ信号と、比較的小さなキャパシタンス値の対応する複数の「小さな」キャパシタとの間で制御可能に切換えて、対応する電荷を「大きな」キャパシタ上で電力加算し、蓄積するように動作させる。
【００２３】
同じ入力信号適応ユニットが複数のハーベスティング回路に連結されることができることが留意されるべきである。同様に、同じ電荷収集ユニットが、複数のハーベスティング回路によって規定される整流器の総数に対して電荷収集ユニットの入力の数を調整することによって、複数のハーベスティング回路に連結されることができる
【００２４】
ハーベスティングユニットは、（大きなキャパシタの形態の電荷蓄積ユーティリティによって規定される）電荷収集ユニットの出力を少なくとも１つの電気負荷に接続するための接続ポートを備えることができる。少なくとも１つの電気負荷は、充電式電池、医療用デバイス、電気自動車構成要素、家庭用の電気デバイスの少なくとも１つを含むことができる。医療用デバイスは、ペースメーカ、除細動器、及び補聴器の少なくとも１つを含むことができる。電気自動車構成要素は、電気アクセサリ、オーディオシステム及びアンプ、ＴＶ及びＤＶＤシステム、ＧＰＳシステム、空調システム、アラームシステム、ライト及び配線システムの少なくとも１つを含むことができる。
【００２５】
本発明の別の広範な態様によれば、周囲環境から外部電磁放射を受信し、対応する出力電気信号を生成するために構成され動作可能であるアンテナユニットが提供される。アンテナユニットは、電気特性及び／または磁気特性が異なる少なくとも２つの異なる伝導媒体内に配置された少なくとも２つの導電要素を備える。受信される外部電磁放射は、少なくとも２つの導電要素間に電位差を生成し、出力電気信号を生成し、それにより、周囲環境からの外部電磁放射の取込みを可能にする。
【００２６】
上記のように、特定の、しかし、非限定的な一部の例では、異なる伝送媒体は、異なる生体組織又は生体組織と空気を含むことができる。
【００２７】
本発明の更に別の広範な態様によれば、周囲環境内で伝搬するＲＦバンドの電磁放射にさらされるアンテナユニットと共に使用するための入力信号適応ユニットが提供される。入力信号適応ユニットは、インピーダンス整合ユニット及びインピーダンス整合ユニットに接続されたフィルタリングユニットを備えることができる。インピーダンス整合ユニットは、アンテナユニット及びフィルタリングユニットのインピーダンス間の整合をとるように構成され動作可能であり、フィルタリングユニットは、ＲＦバンドを、予め規定された数のサブバンドであって、各サブバンドについて所定の中心周波数、バンド幅、及び強度を有する、予め規定された数のサブバンドになるようソートするために適合される。
【００２８】
本発明は、その更に広範な態様では、電荷収集ユニットを対象とし、電荷収集ユニットは、複数のＤＣ電力を受信し、複数のＤＣ電力を、蓄積キャパシタ上の電荷の形態で加算するように適合された信号加算ユニットを備え、信号加算ユニットは、切換えトポロジユニット及び電圧−電流ユニットの少なくとも一方を備える。
【００２９】
切換えトポロジユニットは、所定の数のキャパシタであって、比較的小さなキャパシタンス値を有し、対応する数の整流器の出力にそれぞれ接続される、所定の数のキャパシタ、及び、比較的大きなキャパシタンス値の前記蓄積キャパシタを備えることができる。切換えトポロジユニットは、整流器から受信されるＤＣソースと、所定の数のキャパシタとの間で制御可能に切換えて、電力加算するように適合される。
【００３０】
電圧−電流ユニットは、対応する数の整流器の出力にそれぞれ接続可能な入力及び蓄積キャパシタに接続された出力を有する所定の数の電圧−電流変換回路を備えることができる。電圧−電流ユニットは、それにより、電圧−電流変換回路によって複数の整流器から受信される複数のＤＣソースを変換し加算するように構成され動作可能である。
【００３１】
本開示の変形を示す例は、添付図面を参照して以下で述べられる。図では、２つ以上の図に現れる同一の構造、要素、又は部品は、それらが現れる全ての図において全体として同じ数字でラベル付けされる。図に示す構成要素及び特徴部の寸法は、便宜のためまた提示を明確にするために全体として選択され、必ずしも一定比例尺に従って示されない。提示される図は、概略図の形態であり、したがって、ある要素は、例示的な明確さのために大幅に単純化されるか又は一定比例尺でなく図示される場合がある。図は、製造図面であることを意図されない。図は、以下に挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１Ａ】図１Ａ〜Ｄは本発明のエネルギーハーベスティングシステムの構成の幾つかの例を概略的に示すブロック図であり、図１Ａの例では、システムの主要な構成要素の動作モードが、ハーベスティングシステムの適切な動作を取得するための更なる適応を必要としない受動モードである。
【図１Ｂ】図１Ａ〜１Ｄは本発明のエネルギーハーベスティングシステムの構成の幾つかの例を概略的に示すブロック図であり、図１Ｂの例では、システムの主要な構成要素の動作モードが、ハーベスティング過程の現在状態に対してシステムの特定のユニットの動作の調整を必要とする能動モードである。
【図１Ｃ】図１Ａ〜Ｄは本発明のエネルギーハーベスティングシステムの構成の幾つかの例を概略的に示すブロック図であり、図１Ｃ及び図１Ｄは、システムの主要な構成要素の動作モードの半能動モードを利用するシステムの２つの例を示す。
【図１Ｄ】図１Ａ〜Ｄは本発明のエネルギーハーベスティングシステムの構成の幾つかの例を概略的に示すブロック図であり、図１Ｃ及び図１Ｄは、システムの主要な構成要素の動作モードの半能動モードを利用するシステムの２つの例を示す。
【図２】人間の身体内に埋め込まれた心臓ペースメーカデバイスと共に使用される、本発明のアンテナユニットの例の略図である。
【図３】個人の耳の中に挿入される補聴器と共に使用される、本発明のアンテナユニットの別の例の略図である。
【図４Ａ】図４Ａ〜４Ｂは周囲環境からエネルギーを受信するために構成され動作可能であり（図４Ａ）、伝送ユニットに接続された（図４Ｂ）、本発明の２要素アンテナシステムの例を概略的に示すブロック図である。
【図４Ｂ】図４Ａ〜４Ｂは周囲環境からエネルギーを受信するために構成され動作可能であり（図４Ａ）、伝送ユニットに接続された（図４Ｂ）、本発明の２要素アンテナシステムの例を概略的に示すブロック図である。
【図５】ＲＦハーベスティングシステム内の効率を最大にするために構成されたフィルタリングユニットの模式ブロック図である。
【図６】整流要素からキャパシタを充電するための標準的回路の模式ブロック図である。
【図７】小さなキャパシタから大きなキャパシタへ電荷を蓄積するためのシステムの模式ブロック図である。
【図８】充電スイッチ位置における、小さなキャパシタから大きなキャパシタへ電荷を蓄積するためのシステムの模式ブロック図である。
【図９】放電スイッチ位置における、小さなキャパシタから大きなキャパシタへ電荷を蓄積するためのシステムの模式ブロック図である。
【図１０】単一放電スイッチ位置における、小さなキャパシタから大きなキャパシタへ電荷を蓄積するためのシステムの模式ブロック図である。
【図１１】蓄積された電荷を電流ソースに変換することによって、小さなキャパシタから大きなキャパシタへ電荷を蓄積するためのシステムの模式ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本開示の種々の特徴を、一つの実施形態の文脈で記載することができるが、その特徴は別々に又は任意の適した組合せにおいて提供されてもよい。逆に、本開示が、明確にするために、別個の実施形態の文脈で本明細書で記載されることもあるが、本開示は、一の実施形態で実装されてもよい。更に、本開示が種々の方法で実行又は実施され得ること、及び、本開示が、本明細書で以下に記載する例示的な実施形態以外の実施形態で実装されうることが理解されるべきである。説明並びに特許請求の範囲において提示される説明、例、及び材料は、限定するものではなく、例示的なものとして解釈されるべきである。
【００３４】
図１Ａ〜図１Ｄを参照すると、図１Ａ〜図１Ｄは、本発明のエネルギーハーベスティングシステムの構成の一部の実施形態を、ブロック図によって示す。システムは、アンテナユニット１０、それぞれ、アンテナユニット１１０の出力を受信し処理する１つ以上のハーベスティング回路を含むエネルギーハーベスティングユニット９０、及び入力信号適応ユニット１２５などの主要な構造部品を含む。ハーベスティング回路は、整流ユニット１４０及び電荷収集配置構成１５０を含み、電荷収集配置構成１５０は、ハーベストされたエネルギーである電荷を蓄積するために、蓄積キャパシタを含むか、または、こうした蓄積キャパシタを有する別個の蓄積ユニット１７０に接続される。
【００３５】
図１Ａは、エネルギーハーベスティングシステム構成１００を示し、主要な構成要素の動作モードは、受動モード、すなわち、ハーベスティングシステムの適切な動作を取得するための更なる適応を必要としないモードである。システム１００は、アンテナユニット１１０とエネルギーハーベスティングユニット９０と入力信号適応ユニット１２５とを含む。ハーベスティングユニット９０は、整流ユニット１４０及び電荷収集配置構成１５０を含む。この例では、入力信号適応ユニット１２５は、インピーダンス整合ユニット１２０及びフィルタリングユニット１３０を含み、その動作は、以下で述べられるであろう。同様に、この例では、電荷収集配置構成１５０は、以下で更により具体的に述べられるように、電圧−電流変換器１５２を含む。
【００３６】
一般に、アンテナユニットは、公知の適切な任意の種類であってもよい。好ましくは、システム１００で使用されるアンテナユニット１１０は、本発明の新規なアンテナ構成を利用する。この新規な構成のアンテナユニット１１０は、異なる電気特性及び／又は磁気特性を有する伝送媒体１１５，１１６を構成する少なくとも２つの異なる構成要素内に配置された少なくとも２つの電気導体（導電要素）１１２，１１３を含む。構成要素１１５，１１６の電気特性及び／又は磁気特性が異なるため、アンテナユニットの周囲環境内のＲＦ放射は、導電要素１１２，１１３上に異なる電位を生成する。２つの導電要素間の電位差は、ハーベスティング回路を介してハーベスティングユニット９０によって受信され、次に、入力適応ユニット１２５によって処理される。このために、信号は、ユニット１２０によるインピーダンス整合及びユニット１３０によるフィルタリングを受け、ユニット１２０及びユニット１３０は、一緒に動作して、整流ユニット１４０のインピーダンスに対してアンテナユニット１１０のインピーダンスを調整し、それにより、受信信号の最適送出を可能にする。
【００３７】
一般に、インピーダンス整合ユニット１２０は、アンテナユニットからハーベスティングユニットへ最大電磁エネルギー／電力を搬送することを可能にするために使用される。図に示す構成では、アンテナユニット１１０のインピーダンスは、受信エネルギーをハーベスティングユニット内に搬送する、伝送媒体と導電要素との両方のインピーダンスを含む。アンテナからハーベスティングユニットに最大電磁電力を搬送するために、アンテナのインピーダンスＺＡｎｔｅｎｎａは、ハーベスティングユニットインピーダンスＺ＊Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  ｕｎｉｔの複素共役に等しい（一般に、できる限り近い）必要がある。すなわち、以下の条件が満たされる。
ＺＡｎｔｅｎｎａ＝Ｚ＊Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  ｕｎｉｔ
【００３８】
インピーダンス整合ユニット１２０は、容量性要素と誘導性要素の組合せを含むことができる適切な電気回路を備えることができる。一般に、インピーダンス整合ユニット１２０は、当技術分野で公知の適切な任意の構成であってもよい。
【００３９】
受信信号は、次に、フィルタリングユニット１３０に送出される。フィルタリングユニット１３０は、スペクトルフィルタとして構成され動作可能であり、アンテナユニット１１０から受信される信号を予め規定された周波数バンドにソート／分割するフィルタの１つ以上のアレイ／セットを含む。本発明によるスペクトルフィルタリングプロセスは、異なる強度を有することを特徴とする異なる信号周波数をソートすることを主に対象とするという意味で、非能動プロセスである。フィルタリングユニットの特定の、しかし、非限定的な例が、図５を参照して更に詳細に後述される。フィルタのセット／アレイ内の最後のフィルタのそれぞれの出力は、整流ユニット１４０を構成する複数の整流器内の１つの専用整流器に接続可能である。整流器は、予め予想される信号強度に従って、それぞれのフィルタリング済みＲＦ信号をＤＣ信号に変換するように構成され、したがって、エネルギーを通常消費する能動整合プロセスについての必要性をなくす。
【００４０】
整流ユニット１４０は、電荷収集ユニットの信号加算ユーティリティに連結される整流器のアレイを含む。各整流器の出力は、こうした信号加算ユーティリティに接続され、信号加算ユーティリティは、複数のＤＣ電気信号を受信し、それらの加算を実施して、蓄積キャパシタ／ユニット１７０内へのその蓄積を可能にするように適合される。
【００４１】
限定するものではないが図１Ａの特定の例では、整流ユニット１４０内の各整流器の出力は、電圧−電流ユニット１５２内のそれぞれの電圧−電流変換回路に接続される。電圧−電流ユニット１５２は、幾つかのＤＣソースを１つの蓄積ユニットになるよう加算するために構成され動作可能である。電圧−電流ユニット１５２が、図１１を参照して以降で詳細に述べるように、幾つかのＤＣ電圧ソースに直接接続している間に通常起こるように、能動動作についての必要性なしで、加算されるＤＣソース間の短絡及び／又は他の干渉的影響を引起すことなく、幾つかのＤＣソースを共通蓄積部になるよう受動的に累積することを可能にするように好ましくは構成されることが留意されるべきである。蓄積ユニット１７０は、ハーベストされたエネルギー全体を収集するように構成され、充電式電池又は電気デバイス等の１つ以上の電気負荷（図示せず）に更に接続されることができる。
【００４２】
図１Ｂは、エネルギーハーベスティングシステム構成１０２の別の例を示し、主要な構成要素の動作モードは、ハーベスティング過程の現在状態に対してシステムの特定のユニットの動作を調整するためのコントロールユニットを必要とする能動モードである。システム１０２は、本発明に従って好ましくは構成される、すなわち、異なる伝送媒体１１５，１１６内に配置された２つの導体１１２，１１３を含むアンテナユニット１１０を備え、ハーベスティングユニット９２及び入力信号適応ユニット１２５を備える点で、上述したシステム１００と全体的に同様に構成される。上述した例と同様の、ハーベスティングユニット９２は、整流ユニット１４０及び電荷収集配置構成１５０を含む。この例では、入力信号適応ユニット１２５は、アダプティブインピーダンス整合ユニット１２２及びコントロールユニット１８０を含む。アダプティブインピーダンス整合ユニット１２２は、整流ユニット１４０のインピーダンスに対してアンテナユニット１１０のインピーダンスを調整し、それにより、受信信信号の最適送出を可能にするように構成される。
【００４３】
一般に、電磁波からエネルギーをハーベストするために、アンテナから受信されるハーベストされたエネルギーを整流し、それにより、エネルギー原として再使用され得るＤＣ電気エネルギーを受信する必要がある。整流ユニットの入力特性インピーダンスは、安定でなく、整流器入力上の入力ＲＦレベルの関数として数オームからメガオームまで変動し得る。更に、アンテナユニットの特性インピーダンスは、安定であるか又は不安定であり得る。入力インピーダンスが不安定なフロントエンド回路に安定な又は不安定なアンテナを適応されることを可能にする一技術は、アダプティブインピーダンス整合技術である。
【００４４】
アダプティブインピーダンス整合ユニット１２２は、アンテナインピーダンスをハーベスティング回路の不安定な特性インピーダンスに合うよう絶えず適応させるようコントロールユニット１８０によって構成され動作可能である。このために、コントロールユニット１８０は、インピーダンス整合ユニットのパラメータを制御して、整流器のインピーダンスをアンテナユニットのインピーダンスに整合させるように動作する。コントロールユニット１８０は、ハーベスティング回路上の入力電圧に従ってインピーダンス整合ユニット１２２のインピーダンスを変動させるように動作可能である。コントロールユニット１８０は、回路に沿う所定の場所で測定される電気特性に従ってインピーダンス整合ユニット１２２のインピーダンスを変動させることによって、電気システムの効率を最大にするように構成され動作可能である。コントロールユニット１８０は、インピーダンス整合ユニットの入力インピーダンス値及び出力インピーダンス値の少なくとも一方を変動させて、所定の場所における電圧を最大にするように動作する。コントロールユニットは、電子デバイス上で動作する線形電子要素又はソフトウェアユーティリティから好ましくは構成された電子ユニットであってもよい。コントロールユニットは、前記所定の場所で電気パラメータを検出するための少なくとも２つのポート、検出されるパラメータを比較するための比較器モジュール、及び、制御信号をインピーダンス整合ユニットに提供し、それにより、そのインピーダンスを変動させるための少なくとも１つの出力ポートを有する。図１Ｂに示す特定の例では、コントロールユニット１８０は、受信される信号の強度に従ってインピーダンスの適応を制御するように適合される。
【００４５】
受信信号は、次に、ＲＦ信号をＤＣ信号に変換するよう調整される、整流ユニット１４０内の整流器に送出される。整流ユニット１４０の各整流器の出力は、電荷収集配置構成１５０に接続される。図１Ｂの例では、電荷収集配置構成１５０は、切換えトポロジユニット１９０及びコントロールユーティリティを含み、幾つかのＤＣソースを１つの蓄積キャパシタユニット１７０になるよう加算することを可能にするように構成され動作可能である。電荷収集配置構成１５０のコントロールユーティリティ及び入力信号適応ユニット１２５のコントロールユーティリティは、分離したコントローラ内に組込まれるか、又は、同じコントロールユニット１８０の部品であることができる。切換えトポロジユニット１９０は、幾つかの切換え回路を含み、その動作は、それぞれのコントロールユーティリティ（例えば、コントロールユニット１８０内）によって制御される。切換えトポロジユニットの例の詳細な説明は、図６〜１０を参照して以下で述べられる。蓄積ユニット１７０は、ハーベストされたエネルギー全体を収集し、上記のように、充電式電池又は電気デバイスに接続されることができる。
【００４６】
図１Ｃは、ハーベスティングシステム１０３を例示し、主要な構成要素の動作モードは、ハーベスティング過程の現在状態に対してシステムの特定の動作を調整するためのコントロールユニットを必要とする半能動モードである。システム１０３は、本発明に従って好ましくは構成される、すなわち、異なる伝送媒体１１５，１１６内に配置された２つの導体１１２，１１３を好ましくは含むアンテナユニット１１０と、ハーベスティングユニット９３と、入力信号適応ユニット１２５とを備える上述したシステム１００，１０２と全体的に同様に構成される。ハーベスティングユニット９３は、アンテナユニットのＲＦ出力を受信するための少なくとも１つのハーベスティング回路を有する。ハーベスティングユニット９３（ハーベスティングユニット９３の各ハーベスティング回路）は、上述した例と同様に、整流ユニット１４０及びエネルギー蓄積キャパシタユニット１７０を含むか又はそれに接続される電荷収集配置構成１５０を含む。システム１０３は、入力信号適応ユニット１２５が、アダプティブインピーダンス整合ユニット１２２及びコントロールユニット１８０によって構成されたコントロールユーティリティを含む点で、上述したユニット１０２（図１Ｂ）と同様である。アダプティブインピーダンス整合ユニット１２２は、例えば、受信される信号の強度に従ってインピーダンスの適応を制御することによって、ハーベスティングユニット９３（整流ユニット）のインピーダンスに対してアンテナユニット１１０のインピーダンスを調整し、それにより、受信信号の最適送出を可能にするようコントロールユニット１８０によって構成され制御される。ハーベスティングユニット９３は、その電荷収集配置構成１５０が電圧−電流変換器として構成される点で上述したユニット９０（図１Ａ）と同様である。そのため、受信されるアンテナ信号は、ＲＦ信号をＤＣ信号に変換するよう調整される、整流ユニット１４０内の整流器に送出される。各整流器の出力は、電圧−電流ユニット１５２に接続され、電圧−電流ユニット１５２は、ハーベストされたエネルギー全体を収集するように構成された１つの蓄積ユニット１７０になるよう幾つかのＤＣソースを加算することを可能にする。先に示したように、蓄積ユニットは、充電式電池又は電気デバイス（図示せず）に更に接続されることができる。
【００４７】
図１Ｄは、システムの主要な構成要素の動作の半能動モードを利用するエネルギーハーベスティングシステム１０４の更に別の例を示す。システム１０３は、異なる伝送媒体１１５，１１６内に配置された２つの導体１１２，１１３を好ましくは含むアンテナユニット１１０と、アンテナユニットのＲＦ出力を受信するための少なくとも１つのハーベスティング回路を有するハーベスティングユニット９４と、入力信号適応ユニット１２５とを備える上述したシステム１００、１０２、及び１０３と全体的に同様に構成される。ハーベスティングユニット９４（ハーベスティングユニット９４の各ハーベスティング回路）は、上述した例と同様に、整流ユニット１４０及びエネルギー蓄積キャパシタユニット１７０を含むか又はそれに接続される電荷収集配置構成１５０を含む。システム１０４は、入力信号適応ユニット１２５が、整流ユニット１４０のインピーダンスに対してアンテナユニット１１０のインピーダンスを調整し、それにより、受信信号の最適送出を可能にするように構成された、インピーダンス整合ユニット１２０及びフィルタリングユニット１３０を含む点で、上述したユニット１００（図１Ａ）と同様である。ハーベスティングユニット９４は、その電荷収集配置構成１５０が、切換えトポロジユニット１９０及びコントロールユニット１８０によって構成されたコントロールユーティリティを含み、１つの蓄積ユニット１７０になるよう幾つかのＤＣソースを加算するように構成され動作可能である点で、上述したユニット９２（図１Ｂ）と同様である。
【００４８】
受信信号は、ＲＦ信号をＤＣ信号に変換するよう調整される、整流ユニット１４０を構成する整流器に送出される。この図に示す変形例によれば、各整流ユニット１４０の出力は、１つの蓄積キャパシタユニット１７０になるよう幾つかのＤＣソースを加算することを可能にする切換えトポロジユニット１９０内の切換えトポロジ回路に機能的に接続される。充電／放電構成用のスイッチ位置は、コントロールユニット１８０によって決定される。
【００４９】
本発明の原理が、先に述べたユニットの任意のユニットの任意の特定の構成に限定されず、公知の適切な任意の構成が、当業者が構成することができる本発明のシステムで使用され得ることが留意されるべきである。ただし、これらのユニットが本発明の技術を実装するための上述した機能的特徴を有する場合に限る。更に、本明細書で提供されるハーベスティングシステムは、既製のアンテナを備えることができる一方、好ましくは少なくとも２つのアンテナ要素が、異なる構成要素（伝送媒体）内に配置されている。上述したように、本発明のこうしたアンテナユニットは、周囲環境からの電磁放射の取込みを可能にするアンテナ効果を機能的に生じる導電要素を囲む異なる伝送媒体のために最大利得増大を提供する。
【００５０】
導電要素は、異なる電気特性及び／又は磁気特性（例えば、透磁率、誘電率、及び導電率）を有する少なくとも２つの異なる伝送媒体に挿入又は取付けられて、アンテナのよりよい性能を機能的に可能にするアンテナ最大利得を増加させる。本発明の一部の用途では、こうした新規なアンテナユニットの少なくとも１つの導電要素は、ユーザの身体に接触した状態で配置されている。そのため、異なる伝送媒体は、アンテナが身体に取付けられる場合、限定することなく、皮膚及と空気であり得る、又は、アンテナが身体内に埋め込まれる場合、限定することなく、筋肉と脂肪、筋肉と細胞内流体、筋肉と脂肪組織、真皮と脂肪組織、及びその任意の他の組合せ等の２つの異なる組織タイプであり得る。新規なアンテナはまた、その電気特性及び／又は磁気特性が互いに異なる少なくとも２つの異なる構成要素内に導電要素が配置される限り、生体の外側での使用に適用可能である場合がある。
【００５１】
電磁現象の一般的理論はマクスウェル方程式に基づき、マクスウェル方程式は、４つの結合された１階偏微分方程式の組となり、電界及び磁界の空間変化及び時間変化をそのスカラーソース密度（発散）及びベクトルソース密度（回転）に帰着させる。静的媒体の場合、微分形式のマクスウェル方程式は、
（１）▽・Ｄ（ｒ，ｔ）＝ρ（ｒ，ｔ）                （ガウスの電気の法則）
（２）▽・Ｂ（ｒ，ｔ）＝０                          （ガウスの磁気の法則）
（３）▽ｘＥ（ｒ，ｔ）＝−∂Ｂ（ｒ，ｔ）／∂ｔ            （ファラディの法則）
（４）▽ｘＨ（ｒ，ｔ）＝−∂Ｄ（ｒ，ｔ）／∂ｔ＋Ｊ（ｒ，ｔ）  （アンペアの法則）
である。ここで、Ｅは電界の強さ［ボルト／メートル］であり、Ｈは磁界の強さ［アンペア／メートル］であり、Ｄは電束密度［クーロン／平方メートル］であり、Ｂは磁束密度［テスラ又はウェーバ／平方メートル］であり、ρは自由電子電荷密度［クーロン／立方メートル］であり、Ｊは自由電子電流密度［アンペア／平方メートル］である。
【００５２】
マクスウェル方程式は、巨視的電磁界のみを含むと共に、明示的に自由電流密度Ｊ（ｒ，ｔ）を生じる自由電荷の巨視的密度ρ（ｒ，ｔ）のみを含む。媒体の分子によって束縛される巨視的電荷及び電流密度の影響は、補助マグニチュードＤ及びＨによって示され、補助マグニチュードＤ及びＨは、媒体の挙動を記述するいわゆる構成方程式によって電界Ｅ及び磁界Ｈに関連する。一般に、これらの方程式内の量は、位置（ｒ）及び時間（ｔ）の関数である。
【００５３】
電磁界が自由空間内で搬送する電力密度は、ポインティングベクトル（Ｐｏｙｎｔｉｎｇ′ｓ  ｖｅｃｔｏｒ）によって定義される。
（５）Ｓ＝ＥｘＨ［ワット／平方メートル］
上記式は、伝搬ベクトルｒに垂直な単位面積を通過する電力を表す。物質の内部で、電力密度Ｓｖ［ワット／立方メートル］は、電荷分布に供給される仕事（又は熱）に関連する。
（６）Ｓｖ＝ｄＳ／ｄｖ＝Ｅ／Ｊ
上記式は、ジュールの法則の点形式として知られる。
【００５４】
物質の内部で、更なる物理量が、波と分子との相互作用を記述するために導入される。誘電率εは、電界及び電束に連結されるが、電気分極ベクトルと呼ばれる新しい巨視的ベクトルＰ［クーロン／平方メートル］にも連結される。例えば、
（７）Ｄ＝εＥ＋Ｐ
である。
【００５５】
線形等方性媒体であるほとんどの材料、特に人間の身体の場合、巨視的ベクトルＰは、同一直線上でかつ印加される電界に垂直であると考えられる。そのため、
（８）Ｐ＝εχｅＥ
が得られる。ここで、χｅは、物質の電気分極率（分極される物質の能力）であり、Ｄは、
（９）Ｄ＝ε０εｒＥ
として書かれ得る。
【００５６】
物質内の磁気挙動は、以下の関係を有する同様な処理を含む。
（１０）Ｈ＝Ｂ／μ−Ｍ
（１１）Ｍ＝χｍＨ
（１２）Ｂ＝μ０μｒＨ
ここで、μは透磁率であり、χｍは磁気分極率である。人間の身体が非常にわずかな磁気作用を有するため、ここで、組織の磁気的性質が無視され、その電気的性質のみを考える。非常にしばしば、電界Ｅと電流密度Ｊとの間の関係は、オームの法則によって任意の特定の点で与えられる。
（１３）Ｊ（ｒ，ｔ）＝σＥ（ｒ，ｔ）
ここで、σ［オーム／メートル］は物質の導電率である。
【００５７】
ここで、電磁波の構成が、空気（「伝送媒体Ａ（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｍｅｄｉｕｍ  Ａ）」）と物質（「伝送媒体Ｂ（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｍｅｄｉｕｍ  Ｂ）」）との間の境界において考えられる。自由空間内で、存在する場は、純粋な電界Ｅ及び磁界Ｈであり、電力密度は、ポインティングの法則に従い、εｒ＝１及びμｒ＝１である。人間の身体内で、場は、電束密度Ｄ及び（磁気作用がない場合、Ｂ＝Ｈであるため）磁界密度Ｈによって提示され、局所パラメータは、物質の誘電率ε（実際には、εＯ（ε′＋ｊε”）として書かれる複素数）及び導電率である。
【００５８】
自由空間内で伝搬する平面波が人間の身体と相互作用すると、波のエネルギーの一部が、空気に戻るよう反射され、エネルギーの一部が身体に侵入する。侵入する一部のうちの或る部分は、身体の内部に伝播し続け、或る部分は、組織及び骨によって吸収される。吸収される電力は、多くの局所相互作用の積分として加算され得る。
（１４）Ｓ（ａｂｓｏｒｂｅｄ）＝０．５∫Ｐｖｄｖ＝０．５∫（Ｅ／Ｊ）ｄｖ＝０．５∫σ｜Ｅ｜２ｄｖ
【００５９】
０．５の係数は、消散が、ピーク電力ではなく平均電力に関連することを示す。人間の身体内の吸収電力は、用語ＳＡＲ（比吸収率（Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｒａｔｅ））によって表され、
（１４）ＳＡＲ＝（σ／２ρ）｜Ｅ｜２
に他ならない。ここで、σは任意の指定された面積内の導電率［オーム／メータ］であり、ρは任意の指定された面積内の質量密度［ｋｇ／立方メートル］である。したがって、ＳＡＲ量の単位は［ワット／ｋｇ］である。ＳＡＲは、ＲＦ暴露における安全標準について最も一般的に使用される指示子及び尺度である。
【００６０】
次の表は、９００ＭＨｚにおける幾つかの組織についての組織誘電率及び導電率を例示する。
【表１】
0006262667.tif 000002
【００６１】
上述した新規なアンテナユニットは、好ましくは、小型アンテナ要素を利用する。例えば、アンテナの導電要素の最大サイズは、アンテナが、アンテナが設計される波長より著しく小さい。そのため、その最大サイズは、アンテナのフォームファクタを実質的に減少させ、したがって、アンテナを搬送する負担を減少させる。更に、導電要素の小型サイズは、アンテナが、一般的に生体内に、特に人間の身体内に移植されることを可能にする。
【００６２】
導電要素は、限定するものではないが、リング形状（例えば、導電性パッド）又は直線形状（例えば、導電性ワイヤ）等、任意の適した形状とすることができる。
【００６３】
本発明の一部の用途では、アンテナユニットは医療用デバイスと共に使用される。アンテナは、周囲環境から外部電磁放射を受信し、医療用デバイスを動作させるための対応する出力電気信号を生成する。
【００６４】
上述した例では、本発明の新規なアンテナユニットが、電磁ハーベスティングシステムに使用されて、周囲環境からエネルギーの改善された取込みを提供するものとして示されるが、このアンテナユニットが、データを送受信するための通信システム、並びに、埋め込み式医療用デバイスと外部要素／システム間の通信用、例えばデータ／信号交換用の医療用途で利用されることが留意されるべきである。
【００６５】
限定するものではないが、本発明の特定の例では、新規なアンテナユニットは、人間の身体に埋め込まれる、及び／又はそれに取付けられることができ、ペースメーカ、心臓除細動器、補聴器、整形外科電気パルス生成デバイス、及び生体に埋め込まれる、及び／又はそれに取付けられることができる任意の他の電気デバイス等の医療用デバイスと共に使用される。
【００６６】
これに関連して、図２が参照され、図２は、埋め込み式医療用デバイスによる本発明のシステムの使用を概略的に示し、アンテナユニット２１０が、人間の身体２００内の内部器官に接続される。この例では、アンテナユニット２１０は、人間の身体２００の心臓２０１に埋め込まれ、ハーベスティングユニット２９０は、除細動器２７０に連結（内臓又は接続）される。アンテナユニット２１０の導電要素２１２，２１３は、２つの異なる伝送媒体２１５，２１６内にそれぞれ埋められ、２つの異なる伝送媒体２１５，２１６は、例えば、心臓及び心筋を囲む脂肪層であってもよい。これらの２つの媒体２１５，２１６の電気特性の差のために、導電要素２１２，２１３は、周囲環境内でＲＦ放射と異なるように相互作用し、その結果、異なる電位が、構成要素内で、したがって導体２１２，２１３上で取得され、それにより、アンテナ効果を生成し、周囲環境からハーベスティングユニット２９０に電磁放射を伝送する。図の例では、入力信号適応ユニットがハーベスティングユニット２９０に接続される別個のユニットとして示されるが、こうした入力信号適応回路が、図１Ａ〜１Ｄの非限定的な例に示すようにハーベスティングユニットと一体であってもよいことが理解されるべきである。同様に、この例では、入力信号適応ユニットがインピーダンス整合ユニット２２０と呼ばれるが、入力信号適応ユニット並びにハーベスティングユニット全体（受信機）２９０が図１Ａ〜１Ｄの上述した例の任意の例に従って構成され動作可能であってもよいことが留意されるべきである。代替的に、上記のように、システムは、公知の適切な任意のインピーダンス整合回路を有する公知の適切な任意のエネルギーハーベストデバイスに接続された本発明の新規なアンテナユニットを利用することができる。そのため、アンテナユニット２１０は、ハーベスティングユニット２９０を介して除細動器２７０に接続される。この図で述べる全ての回路及びデバイスが、全体構成を強調するために概略的に図示されることが明らかであるべきである。
【００６７】
本発明が別の医療用途でどのように使用され得るかを概略的に示す図３が参照される。ここでは、本発明のシステムは、補聴器３８０に連結される。図に示すように、アンテナユニット３１０は、アンテナユニットの導電要素３１２が空気（伝送媒体３１５を構成する）中に保持され、一方、導電要素３１３が、その一端によって耳３００（異なる伝送媒体３１６を構成する）に取付けられるように耳３００に取付けられる。導電要素３１２，３１３は、その自由端によって、ハーベスティングユニット３９０に接続される。非限定的な本例では、接続は、インピーダンス整合回路３２０を有する別個の入力信号適応ユニットによる。ハーベスティングユニット３９０（例えば、その蓄積ユニット）の出力は補聴器３８０に接続される。全ての回路及びデバイスは、全体構成を強調するために概略的に図示される。上記のように、ハーベスティングユニットが、インピーダンス整合回路と共に、公知の適切な任意の構成を有することができるが、好ましくは、図１Ａ〜１Ｄを参照して先に例示したように構成されることが理解されるべきである。
【００６８】
ここで、４００，４００′でそれぞれ示す本発明のアンテナシステムの２つの例を示す図４Ａ及び図４Ｂが参照される。システムは、２要素受信アンテナとして構成され、アンテナユニット４１０は、異なる伝送媒体４１５及び４１６内にそれぞれ埋め込まれた導電要素４１２，４１３を含む。これらの特定の非限定的な例では、導電要素４１２は、閉ループ構成を有するか又はリングに似た要素（例えば、「導電性パッド（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｐａｄ）」と呼ばれる）であり、一方、導電要素４１３は、実質的に真直ぐなストリップに似た要素（例えば、「導電性ワイヤ（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｗｉｒｅ）」と呼ばれる）である。導電要素が任意の形状／幾何形状を有することができる、例えば、両者が導電性パッド又は導電性ワイヤの形態であってもよいことが理解されるべきである。
【００６９】
図４Ａの例では、導電要素４１２，４１３は、インピーダンス整合ユニット／回路４２０を介して、その出力が電気負荷（図示せず）に更に接続されることができるハーベスティングユニット４９０（例えば、上述したように本発明に従って構成された）又は任意の他のエネルギー収集ユニットに接続される。図４Ｂの例では、導電要素４１２，４１３は、インピーダンス整合ユニット／回路４２０を通して、データを伝送するために構成された伝送ユニット４６０に接続される。
【００７０】
インピーダンス整合ユニット４２０は、図１Ｂ及び図１Ｃを参照して例示したアダプティブインピーダンス整合回路を含むことができるか、又は代替として、図１Ａ及び図１Ｃを参照して先に全体的に例示したフィルタリングユニットに接続されたインピーダンス整合回路を含むことができ、ここで、図５を参照してより具体的に述べられる。
【００７１】
本発明は、その別の態様では、エネルギー収集システムの効率を最大にするために構成された新規な入力信号適応ユニットを提供する。そのために、入力信号適応ユニットは、インピーダンス整合ユニット／モジュール及びフィルタリングユニット／モジュールによって形成される専用受動インピーダンス整合フィルタリング回路として構成される。フィルタリングユニットの構成及び動作は、環境からのＲＦハーベスティングシステムにおいて、ハーベストされるほとんどの信号の周波数及び強さ（強度）が、先験的に公知であるか又は予測可能であり、したがって、周波数フィルタリングを使用することによって、異なる強さ（強度）について受信信号を実際に区別／ソートし得る。
【００７２】
例えば、共にモバイル電話ＲＦシステムに起因する、環境からのＲＦハーベスティングシステムについての入力信号であると予想される２つの主要なカテゴリの信号が通常存在する。第１は、基地局からセルラ電話への（下り）信号であり、第２は、携帯電話から基地局への（上り）信号である。下り信号は、高い強さを有する上り信号と比べて比較的低いレベルの信号及び異なる周波数を特徴とする。ＲＦ無線信号はまた、下り信号と同じ周波数及び強さを有すると予想される。
【００７３】
フィルタリングユニットは、上りと下りとの両方の周波数バンドを含む十分広い周波数バンドを有する予備ワイドバンドパスフィルタ回路及び２つ以上のナローバンドフィルタ回路（少なくとも一対のこうしたナローバンドフィルタを規定する）を含むことができ、それらの１つ以上は、上り周波数バンドのために構成され、それらの１つ以上は、下り周波数バンドのために構成される。第１のワイドバンドフィルタは、ハーベスティングアンテナからＲＦ信号を受信し、上りと下りとの両方の周波数の信号の通過を可能にすることに関与している。各ナローバンドフィルタは、適切な周波数バンドの、また相応して適切な対応する強さのＡＣ信号の専用整流器への通過を可能にして、予想される入力強さに応じて整流器のインピーダンスを整合させることに関与する。ナローバンドフィルタは、異なるナロー周波数バンドのＡＣ信号の通過を同時に可能にするために、並列に動作可能であってもよい。
【００７４】
異なる地理的場所において、予想される周波数範囲及び予想される強さが異なる場合があり、したがって、ワイドバンドフィルタ及びナローバンドフィルタの選択が、国ごとにまた領域ごとに変わる場合がある、及び／又は、フィルタ回路が、ワイドバンドフィルタとナローバンドフィルタの複数の組合せをカバーするために２対以上の（例えば、多数の対の）フィルタを含む場合があることが理解される。
【００７５】
モバイル（セルラ）技術及び／又はモバイル（セルラ）伝送プロトコルの変更が、環境からハーベストすることについて利用可能であることになる種々の周波数バンドを規定する場合があることが理解される。しかし、その周波数と強さを予測する能力があるため、専用ナローバンドフィルタ及び対応する整流器が設計され得る。
【００７６】
上記のセルラ上り及び下りＲＦ信号が、空気中における利用可能なＲＦ信号の例に過ぎず、他の信号が本発明の範囲内にあることが理解されるべきである。本発明の先の態様は、ＲＦハーベスティングシステムにおける効率を最大にするための本発明のフィルタリングユニット５００の模式ブロック図である図５に例示される。フィルタリングユニット５００は、ハーベスティングシステムアンテナ（図示せず）から交流電流無線周波数信号を受信することができる入力、及び、ナローバンドフィルタ（２つのこうしたフィルタ５２１，５２２が図５の例に示される）に接続される出力を有するワイドバンドフィルタ５１０を含む。ナローバンドフィルタ５２１は、セルラシステムの上り周波数範囲の信号の通過を可能にするように設計され、ナローバンドフィルタ５２２に並列に接続され、ナローバンドフィルタ５２２は、セルラシステムの下り周波数範囲の信号の通過を可能にするように設計される。ワイドバンドフィルタ５１０は、上り及び下り周波数バンドの両方を通すために構成される。
【００７７】
ナローバンドフィルタ５２１は、予想される強度の信号を受信するために設計された専用整流器５３１に接続され、ナローバンドフィルタ５２２は、フィルタ５２２から、予想される周波数及び強度の信号を最適に取得するために同様に設計される別の専用整流器５３２に接続される。整流器５３１，５３２のそれぞれのインピーダンスは、ＲＦシステムに起因する、特定の周波数バンド内の予想される強さ（強度）パラメータに応じて整合される。
【００７８】
上述した例示的なフィルタリングユニットの実現のために、数値例がここで提供される。すなわち、１ＧＨの中心周波数及び８００ＭＨｚのバンド幅（ＢＷ）を有する放射バンドがアンテナによって受信される。このバンドは、ハーベストされる必要がある所望の周波数を含む。この特定の例による周波数は、９１５ＭＨｚ及び９５０ＭＨｚである。受信されるバンドは、アンテナから第１のワイドバンドフィルタに搬送され、第１のワイドバンドフィルタは、９３０ＭＨｚを中心として６０ＭＨｚバンドの伝送を可能にする。そのため、第１のフィルタから取得される受信信号は、９００ＭＨｚの周波数から９６０ＭＨｚの周波数である。並列の第２及び第３のナローバンドフィルタは、９００ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚの信号を受信し、一方、第２のフィルタは、３０ＭＨｚのＢＷで中心周波数９１５ＭＨｚにセットされ、第３のフィルタは、３０ＭＨｚのＢＷで中心周波数９４５ＭＨｚにセットされる。９１５ＭＨｚのバンド内の受信信号の強度は（−３０）ｄｂｍ〜（−２０）ｄｂｍの範囲内にあると予測され、９５０ＭＨｚのバンド内の受信信号の強度は（−５）ｄｂｍ〜５ｄｂｍの範囲内にあると予測される。
【００７９】
フィルタリングユニットに接続された整流器ユニットは、対応する数の整流器を含み、第２のバンドパスフィルタに接続される整流器は、（−３０）ｄｂｍ〜（−２０）ｄｂｍの範囲の信号強度を整流するように整合され、第３のバンドパスフィルタに接続される整流器は、（−５）ｄｂｍ〜５ｄｂｍの範囲の信号強度を整流するように整合される。
【００８０】
本発明が、上述したフィルタリングユニット内のフィルタの数にも、任意の特定の周波数バンドにも限定されないことが理解されるべきである。アンテナの周囲環境内で伝搬し、こうしたフィルタリング回路によって使用されるのに適した更なる信号は、商用無線チャネルの先験的に公知の周波数及び強度を有する信号を含む。商用無線チャネルから受信される予想信号強度は（−５０）ｄｂｍ〜（−４０）ｄｂｍである。この場合、フィルタは、そのチャネル周波数についてセットされ、対応する整流器は、（−５０）ｄｂｍ〜（−４０）ｄｂｍの強度範囲に整合されることができる。例えば８８ＭＨｚ〜１０８ＭＨｚの並列無線チャネルの場合、受信機（例えば、ハーベスティングユニット）は、バンドパスフィルタから受信されるバンド全体の強度に整合され得る。
【００８１】
本発明は、そのなお更なる態様では、エネルギーハーベスティングシステムで使用されるのに適した新規な電荷収集ユニットを提供する。本発明の電荷収集ユニットは、比較的小さなキャパシタユニットから大きなキャパシタユニットへ電荷を蓄積するために適合された信号加算ユーティリティとして構成される。
【００８２】
本発明の一部の実施形態において、こうした信号加算ユーティリティは、主にユニットの種々の構成要素のトポロジを変更することによって電荷を累積するように構成される。この場合、加算ユーティリティは、比較的小さな蓄積充電回路、及び、比較的大きな蓄積充電回路（ハーベスティングシステム内の蓄積ユニットの蓄積充電回路であってもよい）に接続された切換え回路などの機能モジュール／回路を含むことができる。
【００８３】
小さな蓄積充電回路は複数のキャパシタユニットを含む。小さな蓄積充電回路は、例えば、整流ユニット（すなわち、複数の整流器）の出力から取得される電荷を累積し、複数のキャパシタユニット上に生成される電荷を蓄積するために適合されることができる。小さな蓄積充電回路内のキャパシタユニットのそれぞれは、直列接続及び／又は並列接続である複数のキャパシタを含むことができる。
【００８４】
切換え回路は、回路のモードを決定し、充電機能として又は放電機能としてその機能を規定するために適合されることができる。小さな蓄積充電回路の放電は、同時か、単一充電ユニットについて１回か、又は、複数の蓄積充電ユニットについて所定の時間パターンに従って実施されることができる。切換え回路内の複数のスイッチは、独立に動作することができると共に、所定の切換えパターンに従って接続され切換えられる（動作する）ことができる。例えば、或るスイッチは、局所的に隣接するスイッチの動作状態に応じて作動される。切換え回路内の複数のスイッチは、図１Ｂ及び図１Ｄを参照して先に例示したように制御可能に動作することができる。
【００８５】
本発明の電荷収集ユニットは、複数のハーベスティングユニットに連結されるように設計されることができる。各ハーベスティングユニットは、ＲＦエネルギーを捕獲し、エネルギーを整流し、キャパシタユニット上の電荷として蓄積することができる。本発明の一部の実施形態において、複数のハーベスティングユニットは、複数の周波数バンドを捕獲することができ、各ハーベスティングユニットは、特定の周波数バンドを捕獲するように適合されることができる。更に又は代替的に、少なくとも２つのハーベスティングユニットは、同様の周波数バンドを捕獲するように適合されることができる。
【００８６】
大きな蓄積充電回路は、複数の小さなキャパシタユニットのそれぞれに予め蓄積された電荷を、更に使用するために大きな蓄積充電ユニット内に累積し蓄積するために適合されることができる。大きな蓄積充電回路は、直列接続及び／又は並列接続で複数のキャパシタを含むことができる。大きな蓄積充電回路の出力は、例えば、ステップアップ変換器、電圧安定化器、電池充電回路、キャパシタアレイ、電気負荷の１つまたは複数によって追従されることができる。一部の実施形態において、大きな蓄積充電回路の出力は、切換えられるか又は回路に絶えず短絡されることができる。
【００８７】
種々の切換えオプションの幾つかの例が、図６〜１０を参照して以下に示される。
【００８８】
図６は、本発明のエネルギーハーベスティングシステムで使用される標準的な電荷収集回路６００を示す模式ブロック図である。収集回路６００は、複数の充電キャパシタユニット（この非限定的な例には３つのこのような要素６１１，６１２，６１３が図示されている）を含む。この例では、電荷収集回路６００は、複数の整流器要素（この非限定的な例には３つのこのような要素６１１，６１２，６１３が図示されている）を含む整流ユニットから電荷を収集するために動作する。各充電キャパシタユニットは、整流器要素の対応する１つの整流器要素に接続され、グラウンドに接続される。整流器６１１，６１２，６１３のそれぞれは、ハーベスティングアンテナユニットから又はアンテナユニットと整流器との間に配置された任意の他の要素（例えば、入力信号適応ユニット、例えば、インピーダンスアダプタ）からＡＣ信号を受信し、信号を整流し、対応するエネルギーが、キャパシタユニット６２１，６２２，６２３に対応する１つのキャパシタユニット内に電荷として蓄積される。各キャパシタユニットが単一キャパシタユニット、又は、複数のキャパシタが任意の直列接続及び／又は並列接続で接続されることができる複数キャパシタユニットとして構成されることができることが理解される。各整流器要素が同じ又は異なる周波数バンドでＡＣ信号を受信することができることも理解される。回路６００が、特定の数の整流器−キャパシタ配置構成にも、キャパシタの特定の電気接続にも限定されず、図６が、電荷収集ユニットの動作原理の例に過ぎないことが留意されるべきである。
【００８９】
ここで、本発明に従って構成され動作可能である電荷収集ユニット７００の模式ブロック図である図７が参照される。電荷収集ユニット７００は、信号加算ユニットとして動作可能であり、複数の小さなキャパシタユニット（この非限定的な例には３つのこのような要素７２１，７２２，７２３が図示されている）を含む。キャパシタユニット７２１，７２２，７２３は、一端で切換え回路を介して整流器７１１，７１２，７１３にそれぞれ接続され、他端でグラウンド７５０に接続される。同様に電荷収集ユニット７００内に設けられるのは、切換え回路を介してキャパシタユニット７２１，７２２，７２３に接続される大きなキャパシタユニット７４０である。切換え回路は、それぞれが２つの作業／動作位置１及び２を持つよう構成された複数のスイッチ７３１，７３２，７３３，７３４，７３５を含む。スイッチ１と２との間のスイッチ位置の分布は、図８及び図９を参照して述べるように、切換え回路の機能を決定する。図に示すように、スイッチ７３１，７３３，７３５は、電荷収集ユニット７００を整流ユニットに選択的に接続する。
【００９０】
そのため、各整流器は、ハーベスティングアンテナから又はアンテナ信号を整流器に通信する任意の他の中間回路からＡＣ信号を受信する。整流ユニットの複数の整流器のそれぞれによって整流されるエネルギーは、電荷収集ユニット７００の対応するキャパシタユニット内に電荷として蓄積されている。自己説明的な方法で図に示すように、各キャパシタユニットは、その一端で、対応する２状態スイッチを介してグラウンド７５０又は大きなキャパシタユニット７４０に選択的に接続可能であり、その他端で、他の２状態スイッチを介してそれぞれの整流器又は大きなキャパシタユニット７４０に選択的に接続可能である。
【００９１】
電荷収集ユニットは以下の方法で動作する。スイッチ７３１〜７３５は、コントローラによって制御され、コントローラは、整流器の出力に接続されたキャパシタ７２１〜７２３のそれぞれのリアルタイムモニタリングに基づいて、任意の所与のモード（充電／放電）になるようスイッチ７３１〜７３５を操作し得る。各キャパシタから受信される情報（電圧レベル）に基づいて、コントローラは、回路を充電モードに維持するかどうか又は回路が蓄積キャパシタ内に放電する準備ができているかどうかについて判定し得る。キャパシタ７２１〜７２３からの受信情報はまた、ハーベスティング過程が進行中であるかどうか、達した電圧レベルがその時点で最大であるかどうかを示し得る。この情報に基づいて、コントローラは、充電モード又は放電モードになるようスイッチを操作する。
【００９２】
更に、コントローラは、フル放電モード（全てのキャパシタが共に放電されるとき）、半放電モード（キャパシタの一部のみが放電され、一方、他のキャパシタが充電モードのままである）、及び充電モード（全てのキャパシタが誘電されている）を規定し得る。
【００９３】
コントローラ動作の別のオプションは、プログラム可能なパターン（すなわち、予め規定された値）に基づく。キャパシタ７２１〜７２３の電圧が、（規定された）或る電圧レベルに達すると、スイッチは、放電モードになるよう操作される。放電が終了する（十分であるとして規定され得る）と、スイッチは、充電モードに戻るように操作される。この方法は、フル放電、半放電、及びフル充電の３つのモードを可能にする。
【００９４】
キャパシタユニット７２１，７２２，７２３のそれぞれが、単一キャパシタユニット、又は、キャパシタのアレイが直列接続及び並列接続の或る組合せで接続される複数キャパシタユニットとして構成されることができることが理解される。同様に、大きなキャパシタユニット７４０は、単一キャパシタ構成を有することができる、又は、キャパシタ間で適切な直列接続及び／又は並列接続を利用する複数キャパシタ回路であってもよい。
【００９５】
本明細書で例示する構成が、整流ユニット内の整流器の数にも、電荷収集ユニット７００内の小さなキャパシタユニットの数にも限定されないことが理解されるべきである。この図で述べる全ての回路及びデバイスが、全体構成を強調するために概略的に図示されることも明らかであるべきである。
【００９６】
図８及び図９は、本発明の電荷収集又は信号加算ユニット８００の別の例を概略的に示す。電荷収集ユニット８００は、上述したユニット７００と全体的に同様に構成される、すなわち、８２１，８２２，８２３として示す複数の小さなキャパシタユニットを含み、８２１，８２２，８２３は、複数のスイッチ８３１，８３２，８３３，８３４，８３５を含む切換え回路を介して、整流ユニットの複数の整流器８１１，８１２，８１３にそれぞれ接続され、充電構成において大きなキャパシタユニット８４０に接続可能である。キャパシタユニット８２１，８２２，８２３は、一端で整流器に接続され、他端でグラウンド８５０に接続される。
【００９７】
上記のように、小さなキャパシタユニット８２１，８２２，８２３並びに大きなキャパシタユニット８４０は、単一キャパシタ構成、又は、直列接続及び／又は並列接続で互いに接続される複数キャパシタ構成を含むことができる。同様に、本発明は、整流ユニット内の整流器の数に限定されず、小さなキャパシタユニットの数は、整流器の数に従って選択される。更に、同様に上記のように、この図で述べる全ての回路及びデバイスが、全体構成を強調するために概略的に図示される。
【００９８】
構成８００は、切換え要素８３１，８３２，８３３，８３４，８３５の多少異なる構成において、図７の上述した例と異なる。スイッチ８３１，８３３，８３５のそれぞれは、それぞれのキャパシタユニットを対応する整流器又は大きなキャパシタユニット８４０に選択的に接続し、他のスイッチは、それぞれのキャパシタユニットをグラウンド８５０又は大きなキャパシタユニット８４０に選択的に接続する。
【００９９】
図８は、充電構成に対応する加算ユニット８００の切換え構成を示す。各キャパシタユニットは、その対応する整流器に直接接続され、充電されている。キャパシタユニット８２１，８２２，８２３が、異なる電荷量で充電されることができることが理解される。
【０１００】
図９は、放電構成における図８の信号加算ユニット８００を示す。図示するように、切換え要素８３１，８３２，８３３，８３４，８３５は、小さなキャパシタユニット８２１，８２２，８２３のそれぞれを大きなキャパシタユニット８４０に接続するスイッチ位置トポロジにある。この放電構成では、全ての小さなキャパシタユニット８２１，８２２，８２３が、直列に接続され、結果得られるそのキャパシタは、大きなキャパシタユニット８４０に並列に接続される。すなわち、電荷が、小さなキャパシタユニット８２１，８２２，８２３から大きなキャパシタユニット８４０に搬送されている。図８で述べるトポロジから図９で述べるトポロジへの切換え状態の変化により、小さなキャパシタユニット８２１，８２２，８２３から大きなキャパシタユニット８４０への電荷搬送が引き起こされる。小さなキャパシタユニットの両端の電圧が大きなキャパシタユニット８４０の両端の電圧より高いため、電荷の流れは、小さなキャパシタユニットから大きなキャパシタユニットに向けられ、ついには平衡に達する。
【０１０１】
図１０は、単一放電構成を有するように修正された図８〜９の信号加算ユニット８００を例示する。この図に示す例では、切換え要素８３１，８３３，８３５は、大きなキャパシタユニット８４０から切離しながら、小さなキャパシタユニット８２１，８２３を、一方の側で整流器８１１，８１３にそれぞれ接続し、他の側でグラウンド８５０に接続するスイッチ位置トポロジにある。この切換え構成は、１つ／複数のハーベスティングユニットにそれぞれ連結した整流器８１１，８１３からのキャパシタユニット８２１，８２３の充電構成である。しかし、切換え要素８３３，８３４は、小さなキャパシタユニット８２２を大きなキャパシタユニット８４０に並列構成で、すなわち放電位置で接続することを可能にするトポロジに配置される。換言すれば、図１０に示す例では、キャパシタユニットの１つ以上は、１つ以上の他のキャパシタユニットが充電されたままである間に放電されることができる。すなわち、小さなキャパシタユニット８２２は、他のキャパシタユニット８２１，８２３が充電されたままである間に大きなキャパシタユニット８４０に放電されることができる。
【０１０２】
図１０の例によれば、切換え要素８３３，８３５は、それぞれが回路及び回路の機能のトポロジを変更する３つのオプションの位置を持つよう構成される。これらの切換え要素は、第１の動作状態／位置にあるとき、小さなキャパシタユニット８２２，８２３をそれぞれの整流器８１２，８１３に接続し、したがって、キャパシタユニット８２２，８２３の充電を可能にする。切換え要素８３３，８３５の第２の動作位置にあるとき、切換え要素８３３，８３５は、小さなキャパシタユニット８２１，８２２，８２３の直列接続を生成し、それにより、大きなキャパシタユニット８４０に対する小さなキャパシタユニットの同時放電を可能にする。これらの切換え要素の第３の動作位置は、大きなキャパシタユニット８４０に対する小さなキャパシタユニット８２２又は８２３の直接放電を可能にする。小さなキャパシタユニット８２１が、自律的に大きなキャパシタユニット８４０に直接放電されることが可能であることが理解されるべきである。
【０１０３】
先に示したように、加算ユニットのこの実施形態は、同様に、小さなキャパシタユニットの任意の特定の数に限定されず、この数は、整流ユニット内の整流器の数に対応し、この図で述べる全ての回路及びデバイスが、全体構成を強調するために概略的に図示される。
【０１０４】
図１Ａ及び図１Ｃを参照して上述したように、本発明の一部の実施形態において、電荷収集ユニット又は信号加算ユニットは、整流器の出力に接続されるキャパシタ上に生成される電圧を電流ソースに変換することによってハーベスティングシステム内への電荷の累積を可能にする。こうした変形では、加算ユニットは、小さな蓄積充電ユーティリティ／回路、電圧−電流変換器ユーティリティ／回路、及び大きな蓄積充電ユーティリティ／回路を含む。
【０１０５】
小さな蓄積充電回路は、上述した複数のキャパシタユニットを使用することによって複数の整流器を介して取得される電荷を蓄積するために主に適合されることができる。電圧−電流変換器回路は、閾値に達すると、小さな蓄積充電ユーティリティ内で生成した電圧を、大きな蓄積充電ユーティリティに送出される電流に変換するために構成されることができる。大きな蓄積充電ユーティリティは、電圧−電流変換器回路から到着する電流を、更に使用するために、大きな蓄積充電ユーティリティ内の電荷の形態で累積し蓄積するために構成されることができる。
【０１０６】
本発明の一部の実施形態において、小さな蓄積充電回路は、複数のハーベスティングユニットとして設計されることができる。各ハーベスティングユニットは、ＲＦエネルギーを捕獲し、エネルギーを整流し、キャパシタユニット上の電荷として蓄積することができる。
【０１０７】
複数のハーベスティングユニットは、複数の周波数バンドを捕獲することができ、各ハーベスティングユニットが、特定の周波数バンドを捕獲するように適合されることができる、又は、少なくとも２つのハーベスティングユニットが、他のハーベスティングユニットの１つ／複数の周波数バンドと異なる同様の周波数バンドを捕獲するように適合されることができる。
【０１０８】
複数のハーベスティング回路は、複数のキャパシタンス値を有することができる。一部の実施形態において、小さな蓄積充電回路内の複数のキャパシタユニット内の各キャパシタユニットは、複数のキャパシタを直列接続及び／又は並列接続（キャパシタアレイ）で含むことができる。
【０１０９】
小さな蓄積充電ユニットの放電は、電圧−電流変換器ユニットを使用して、複数のキャパシタユニット内のキャパシタユニットのそれぞれの上で生成される電圧を電流に変換することによって実施されることができる。電圧−電流変換器回路の複数の電圧−電流変換器ユニットは、独立に動作可能であってもよい、及び／又は、全ての電圧−電流変換器ユニット又はその一部を制御するコントローラによって動作可能であってもよい。電圧−電流変換器ユニットは、電圧から電流への変換をトリガーする最小電圧を規定する電圧閾値を有ることができる。電圧−電流変換器ユニットの電圧閾値は、異なる場合があると共に、コントローラによって変更される場合がある。
【０１１０】
複数の電圧−電流変換器ユニットは、各ユニットが独立に動作し、他のユニットによって変換された電流に干渉しないため、実質的に同時に動作することができる。
【０１１１】
各電圧−電流変換器ユニットは、電圧−電流変換器が電荷の流れを或る方向に強制する能力を有するため、大きな蓄積充電回路から小さな蓄積充電回路へ戻る電流を制限することができる。
【０１１２】
大きな蓄積充電回路は、複数のキャパシタを直列接続及び／又は並列接続で含むことができる。一部の実施形態において、大きな蓄積充電回路の出力は、ステップアップ変換器、電圧安定化器、電池充電回路、キャパシタアレイ、及び電気負荷の１つまたは複数に接続されることができる。一部の実施形態において、大きな蓄積充電回路の出力は、切換えられるか又は回路に絶えず短絡されることができる。
【０１１３】
図１１は、ハーベスティングシステムの整流ユーティリティの複数の整流器９１１，９１２，９１３の出力に対応する電荷を累積するための電荷収集ユニット又は信号加算ユニット９００の例を概略的に示す。信号加算ユニット９００は、９２１，９２２，９２３で示す小さなキャパシタユニットによって本例で形成される小さなキャパシタ回路と、複数の電圧−電流変換器９３１，９３２，９３３によって本例で形成される電圧−電流変換器回路と、大きなキャパシタユニット／回路９４０とを含む。小さなキャパシタユニット９２１，９２２，９２３は、一端で整流器９１１，９１２，９１３並びに電圧−電流変換器９３１，９３２，９３３にそれぞれ接続され、他端でグラウンド９５０に接続される。
【０１１４】
各整流器は、ハーベスティングアンテナユニットから（又は、アンテナユニットと整流器との間に配置された任意の他の中間ユーティリティから）ＡＣ信号を受信し、信号を整流する。整流器９１１，９１２，９１３のそれぞれはまた、電圧−電流変換器９３１，９３２，９３３のそれぞれの１つに接続される。整流器９１１，９１２，９１３のそれぞれの電荷は、小さなキャパシタユニット９２１，９２２，９２３の対応する１つのキャパシタユニット内に電荷として、所定の閾値まで蓄積されている。電圧−電流変換器９３１，９３２，９３３のそれぞれは、電圧−電流変換器を切離し位置（非動作状態）から接続位置（動作状態）に切換える固有の電圧閾値を有する。電圧−電流変換器９３１，９３２，９３３の１つの電圧−電流変換器の切離し位置では、対応する整流器からの全ての電流は、対応する小さなキャパシタユニットに流れる。そのため、対応する小さなキャパシタユニット内での電荷累積は、対応する小さなキャパシタユニット上の電圧を増加させる。電圧閾値に達すると、対応する電圧−電流変換器は、一方向コネクタとして動作し、強制的に小さなキャパシタユニット内で生成した電荷が大きなキャパシタユニット９４０に向かって直接流れるようにさせる。
【０１１５】
小さなキャパシタユニット９２１，９２２，９２３のそれぞれ、並びに大きなキャパシタユニット９４０が、１つのキャパシタユニットとして構成されても、又は、直列接続及び並列接続の或る組合せで接続されたキャパシタのアレイを含んでもよいことが理解される。任意の数の整流器が使用されることができ、小さなキャパシタユニットの数及び電圧−電流変換器の数が相応して選択されること、及び、この図で述べる全ての回路及びデバイスが、全体構成を強調するために概略的に図示されることも明らかであるべきである。
【図１Ａ】
0006262667.tif 000003
【図１Ｂ】
0006262667.tif 000004
【図１Ｃ】
0006262667.tif 000005
【図１Ｄ】
0006262667.tif 000006
【図２】
0006262667.tif 000007
【図３】
0006262667.tif 000008
【図４Ａ】
0006262667.tif 000009
【図４Ｂ】
0006262667.tif 000010
【図５】
0006262667.tif 000011
【図６】
0006262667.tif 000012
【図７】
0006262667.tif 000013
【図８】
0006262667.tif 000014
【図９】
0006262667.tif 000015
【図１０】
0006262667.tif 000016
【図１１】
0006262667.tif 000017