(57)【要約】  ワイヤレス機器からエネルギーを自動採取し、自動採取されたエネルギーを使用し、ワイヤレス機器の電池残量を補充するためのシステム及び方法は、ワイヤレス機器によって送信される無線周波数信号の少なくとも一部分を収集するステップと、無線周波数信号から収集された無線周波数信号を直流エネルギーに変換するステップと、ワイヤレス機器に電気的に接続される電池の充電要件に適合するエネルギーに直流電流エネルギーをさらに変換するステップと、電池に適合するエネルギーを追加するためにワイヤレス機器インタフェースを通してワイヤレス機器の電池に適合するエネルギーを移動するステップとを含む。【選択図】なし
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
システムであって、前記システムが無線周波数信号を送信するように構成される関連付けられたワイヤレス機器によって送信される無線周波数信号の少なくとも一部分を自動採取するように構成され、前記システムが前記ワイヤレス機器に電気的に接続される電池の電荷を補充するために前記無線周波数信号から収集された無線周波数信号を前記ワイヤレス機器の充電要件に適合する直流信号に変換するようにさらに構成される、システム。
【請求項２】
前記システムが前記ワイヤレス機器の中に埋め込まれる又は前記ワイヤレス機器と一体化している、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記システムが前記ワイヤレス機器に取外し可能に取り付けられる、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記システムが前記ワイヤレス機器に恒久的に取り付けられる、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記ワイヤレス機器によって送信される前記無線周波数信号の少なくとも一部を直流信号に変換するように構成される変換回路網のセットと、
変換回路網の前記セットに電気的に接続される電力管理回路網のセットであって、電力管理回路網の前記セットが前記電池の充電要件に適合する前記直流電力を生じさせるように構成される、電力管理回路網のセットと、
電力管理回路網の前記セットに電気的に接続されるワイヤレス機器インタフェースであって、前記ワイヤレス機器インタフェースが電力管理回路網の前記セットによって生じる前記直流電力を前記ワイヤレス機器の前記電池に移動するように構成される、ワイヤレス機器インタフェースと、
をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記システムが第１の受信アンテナをさらに備え、前記第１の受信アンテナが第１の送信アンテナに近接して配置され、前記第１の送信アンテナによって送信される前記無線周波数信号の少なくとも一部分を収集できる、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
変換回路網の前記セットが整流器回路を含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
変換回路網の前記セットが高調波ハーベスティング回路をさらに含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
電力管理回路網の前記セットがＤＣ−ＤＣ変換器、出力電圧調整器及び制御回路、並びに貯蔵装置を含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項１０】
電力管理回路網の前記セットが出力電圧レベル制御回路をさらに含む、請求項５に記載のワイヤレス機器。
【請求項１１】
前記ワイヤレス機器がＡｐｐｌｅ  Ｉｎｃ．によって製造又は販売されるワイヤレス機器である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ワイヤレス機器がＳａｍｓｕｎｇによって製造又は販売されるワイヤレス機器である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１の受信アンテナがＷｉ−Ｆｉ信号を受信するように構成される、請求項６に記載のシステム。
【請求項１４】
前記システムが、無線周波数信号を受信できる第２の受信アンテナをさらに含み、前記第２の受信アンテナが第２の送信アンテナに近接して配置される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第２のアンテナがセルラー信号を受信するように構成される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
関連付けられたワイヤレス機器からエネルギーを自動採取し、前記自動採取されたエネルギーを使用し、前記ワイヤレス機器の前記電池残量を補充する方法であって、
前記関連付けられたワイヤレス機器によって送信される無線周波数信号の少なくとも一部分を収集することと、
前記無線周波数信号から前記収集された無線周波数信号を直流エネルギーに変換することと、
前記関連付けられたワイヤレス機器に電気的に接続される電池の充電要件に適合するエネルギーに前記直流エネルギーをさらに変換することと、
前記電池に前記適合するエネルギーを追加するためにワイヤレス機器インタフェースを通して前記関連付けられたワイヤレス機器の前記電池に前記適合するエネルギーを移動することと
を含む、方法。
【請求項１７】
前記収集ステップが、前記関連付けられたワイヤレス機器から送信される前記無線周波数信号を収集するために受信アンテナを使用することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の変換ステップが、整流器回路を使用して前記整流器回路の出力を生じさせ、前記整流器回路の前記出力から残りの交流信号を除外することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
第２の変換ステップが前記整流器回路の前記除外された出力の前記電力レベルを、前記関連付けられたワイヤレス機器の充電要件に適合する前記直流電力レベルに変更することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記電力レベルを前記変更することが、
記憶素子を充電することと、
前記記憶素子の貯蔵電力レベルを決定することと、
前記貯蔵電力レベルが前記直流電力レベル未満であるとき、前記関連付けられたワイヤレス機器の前記電池から切断することと
を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
無線周波数エネルギーハーベスティングシステムであって、
無線周波数信号を受信できる第１の受信アンテナであって、第１の送信アンテナに近接して配置される前記第１の受信アンテナと、
前記第１の受信アンテナに電気的に接続されるインピーダンス整合回路と、
前記インピーダンス整合回路に電気的に接続される変換回路網のセットであって、前記第１のアンテナによって受信される前記無線周波数信号の少なくとも一部を直流信号に変換するように構成される変換回路網の前記セットと、
変換回路網の前記セットに電気的に接続される電力管理回路網のセットであって、ＤＣ−ＤＣ変換器並びに出力電圧調整器及び制御回路を備え、前記直流信号からワイヤレス機器電池の前記電池残量を補充できる直流電力を生じさせるように構成される電力管理回路網の前記セットと、
電力管理回路網の前記セットに電気的に接続されるワイヤレス機器インタフェースであって、電力管理回路網の前記セットによって生じる前記直流電力をワイヤレス機器に移動するように構成される前記ワイヤレス機器インタフェースと
を備える、無線周波数エネルギーハーベスティングシステム。
【請求項２２】
変換回路網の前記セットが整流器回路を含む、請求項２１に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項２３】
変換回路網の前記セットが高調波ハーベスティング回路をさらに含む、請求項２２に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項２４】
電力管理回路網の前記セットが貯蔵装置をさらに含む、請求項２１に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項２５】
電力管理回路網の前記セットが出力電圧レベル制御回路をさらに含む、請求項２１に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項２６】
前記第１の受信アンテナがＷｉ−Ｆｉ信号を受信するように構成される、請求項２１に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項２７】
前記システムが無線周波数信号を受信できる第２の受信アンテナをさらに含み、前記第２の受信アンテナが第２の送信アンテナに近接して配置される、請求項２６に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項２８】
前記第２のアンテナがセルラー信号を受信するように構成される、請求項２７に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項２９】
前記システムが、結合されるアンテナ出力が前記インピーダンス整合回路に送信される前に、前記第１のアンテナの出力及び前記第２のアンテナの出力を結合するように構成される、請求項２８に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項３０】
前記システムが、結合されたアンテナ出力が前記ワイヤレス機器インタフェースに送信される前に前記第１のアンテナの出力及び前記第２のアンテナの出力を結合するように構成される、請求項２９に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項３１】
前記システムが、
第２のインピーダンス整合回路と、
前記第２のインピーダンス整合回路に電気的に接続される変換回路網の第２のセットであって、前記第２のアンテナによって受信される前記無線周波数信号の少なくとも一部を第２の直流信号に変換するように構成される変換回路網の前記第２のセットと、
前記第２のインピーダンス整合回路に電気的に接続される電力管理回路網の第２のセットであって、第２のＤＣ−ＤＣ変換器並びに第２の出力電圧調整器及び制御回路を備え、前記第２の直流信号からワイヤレス機器電池の前記電池寿命を補うことができる直流電力を生じさせるように構成される電力管理回路網の前記第２のセットと
をさらに備える、請求項３０に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項３２】
前記システムが前記ワイヤレス機器の中に埋め込まれる、請求項２１に記載のエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項３３】
ワイヤレス機器での使用のためのケースであって、前記ケースが、
無線周波数信号を受信できる第１の受信アンテナであって、第１の送信アンテナに近接して配置される前記第１の受信アンテナと、
前記第１の受信アンテナに電気的に接続されるインピーダンス整合回路と、
前記インピーダンス整合回路に電気的に接続される変換回路網のセットであって、前記第１のアンテナによって受信される前記無線周波数信号の少なくとも一部を直流電流信号に変換するように構成される変換回路網の前記セットと、
変換回路網の前記セットに電気的に接続される電力管理回路網のセットであって、ＤＣ−ＤＣ変換器並びに出力電圧調整器及び制御回路を備え、前記直流信号からワイヤレス機器電池の前記電池残量を補充できる直流電力を生じさせるように構成される電力管理回路網の前記セットと、
電力管理回路網の前記セットに電気的に接続されるワイヤレス機器インタフェースであって、電力管理回路網の前記セットによって生じる前記直流電力をワイヤレス機器に移動するように構成される前記ワイヤレス機器インタフェースと
を備えるエネルギーハーベスティングシステムを含む、ケース。
【請求項３４】
前記エネルギーハーベスティングシステムが前記ケースの中に埋め込まれる、請求項３３に記載のケース。
【請求項３５】
前記エネルギーハーベスティングシステムが前記ケースに取外し可能に取り付けられる、請求項３３に記載のケース。
【請求項３６】
前記エネルギーハーベスティングシステムが前記ケースに固定して取り付けられる、請求項３３に記載のケース。
【請求項３７】
ワイヤレス機器の前記電池残量を補充する方法であって、
電池を有する前記ワイヤレス機器を提供することと、
エネルギーハーベスティングシステムに前記ワイヤレス機器の前記電池を電気的に接続することであって、前記システムが、
無線周波数信号を受信できる第１の受信アンテナであって、第１の送信アンテナに近接して配置される前記第１の受信アンテナと、
前記第１の受信アンテナに電気的に接続されるインピーダンス整合回路と、
前記インピーダンス整合回路に電気的に接続される変換回路網のセットであって、前記第１のアンテナによって受信される前記無線周波数信号の少なくとも一部を直流信号に変換するように構成される変換回路網の前記セットと、
前記インピーダンス整合回路に電気的に接続される電力管理回路網のセットであって、ＤＣ−ＤＣ変換器並びに出力電圧調整器及び制御回路を備え、前記直流信号からワイヤレス機器電池の前記電池寿命を補うことができる直流電力を生じさせるように構成される電力管理回路網の前記セットと、
電力管理回路網の前記セットに電気的に接続されるワイヤレス機器インタフェースであって、電力管理回路網の前記セットによって生じる前記直流電力をワイヤレス機器に移動するように構成される前記ワイヤレス機器インタフェースと
を備える、接続することと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願はＳｙｓｔｅｍｓ  Ｃａｐａｂｌｅ  ｏｆ  Ｓｅｌｆ−Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｆｒｏｍ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｏｆ  Ｕｓｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓａｍｅと題する２０１５年６月１１日に出願された米国仮と特許出願第６２，１７４，１７６号、Ｅｎｅｒｇｙ  Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｕｓｅ  ｗｉｔｈ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｏｆ  Ｕｓｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓａｍｅと題する２０１５年６月４日に出願された米国仮特許出願第６２／１７１，０９９号、及びＥｎｅｒｇｙ  Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｄｅｖｉｃｅと題する２０１４年１０月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／０６３，４３２号の優先権を主張する。それらの出願はその全体として参照により本明細書に援用される。
【０００２】
本開示は、関連付けられたワイヤレス機器から無線周波数エネルギーを収集し、関連付けられたワイヤレス機器の電池寿命を引き延ばす又は延長する際に使用するための直流（ＤＣ）電力に無線周波数エネルギーを変換することができるシステムに関する。より詳細には、本開示は、ワイヤレス機器電池の電池寿命を引き延ばす又は延長する際に使えるようにその機器から無線周波数エネルギーを収集し、無線周波数エネルギーを変換するために、電話又はタブレット等のワイヤレス機器の保護ケース若しくは保護カバーの中に埋め込まれてよい、又はそれ以外の場合ワイヤレス機器に取り付けられてよい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】
【０００３】
使用中、スマートフォン及び他のワイヤレス機器によって送信される無線周波数（ＲＦ）エネルギーの小部分しかセルラー基地局又は無線ネットワークルータ等の無線アクセスポイントと通信するために使用されない。これは、モバイルワイヤレス機器を含んだ小型ワイヤレス機器が、ワイヤレス機器の向きに関わりなく連続した通信を確実にするために機器からすべての方向でＲＦ信号を送信するためである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
未使用のＲＦ信号を、例えば直流（ＤＣ）電力に変換し、ワイヤレス機器電池の容量を補充するために、未使用のＲＦ信号を収集する又は採取することは有用だろう。しかしながら、既存のＲＦエネルギーハーベスティング設計は、セルラー信号強度及びデータ転送速度に悪影響を及ぼすことなく、異なる周波数で、及び異なる信号強度で送信されたＲＦ信号を効率よく収集し、変換することができなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態では、システムは、ワイヤレス機器に電気的に接続される電池の電荷を補充するために、無線周波数信号を送信し、無線周波数信号から収集された無線周波数信号を、ワイヤレス機器の充電要件に適合する直流信号に変換するように構成される関連付けられたワイヤレス機器によって送信される無線周波数信号の少なくとも一部分を自動採取するように構成される。
【０００６】
別の実施形態では、ワイヤレス機器は無線周波数信号を送信し、ワイヤレス機器に電気的に接続される電池の電荷を補充するために送信された無線周波数信号からエネルギーを自動採取するように構成される。ワイヤレス機器は、ワイヤレス機器によって送信される無線周波数信号の少なくとも一部分を収集し、収集された無線周波数信号を無線周波数信号から電池の充電要件に適合する直流信号に変換するように構成される自動採取システムを含んでよい。システムはワイヤレス機器によって送信される無線周波数信号の少なくとも一部を直流信号に変換するように構成された変換回路網のセット、変換回路網のセットに電気的に接続される電力管理回路網のセットであって、電池の充電要件に適合する直流電力を生じさせるように構成される電力管理回路網のセット、及び電力管理回路網のセットに電気的に接続されるワイヤレス機器インタフェースであって、電力管理回路網のセットによって生じる直流電力をワイヤレス機器の電池に移動するように構成されるワイヤレス機器インタフェースを含んでよい。
【０００７】
別の実施形態では、ワイヤレス機器からエネルギーを自動採取し、自動採取されたエネルギーを使用し、ワイヤレス機器の電池残量を補充する方法は、ワイヤレス機器によって送信される無線周波数信号の少なくとも一部分を収集するステップと、無線周波数信号から直流エネルギーに収集された無線周波数信号を変換するステップと、直流エネルギーをワイヤレス機器に電気的に接続される電池の充電要件に適合するエネルギーにさらに変換するステップと、電池に適合するエネルギーを追加するためにワイヤレス機器インタフェースを通してワイヤレス機器の電池に適合するエネルギーを移動するステップとを含む。
【０００８】
本明細書の一部に援用され、本明細書の一部を構成する添付の図は多様な実施例のシステム、装置、及び方法を示し、多様な実施例の実施形態を示すためだけに使用される。図中、類似する要素は類似する参照番号をもつ。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ＲＦエネルギーハーベスティングシステムを含むワイヤレス機器カバーの一例の概略図である。
【図２】ＲＦエネルギーハーベスティングシステムの別の実施形態の概略図である。
【図３】ＲＦエネルギーハーベスティングシステムの別の実施形態の概略図である。
【図４】ＲＦエネルギーハーベスティングシステムの別の実施形態の概略図である。
【図５】ＲＦエネルギーハーベスティングシステムの一実施形態で使用される回路網の概略図である。
【図６】ＲＦエネルギーハーベスティングシステムの別の実施形態を示すフローチャートである。
【図７】スマートフォンに取り付けられたＲＦエネルギーハーベスティングシステムの一実施形態の平面図である。
【図８】図７のＲＦエネルギーハーベスティングシステムの上面図及び下面図である。
【図９】経時的に図８のシステムのＲＦエネルギーハーベスティングを備えた、及び備えていないスマートフォン電池の放電挙動を示すチャートである。
【図１０】図８のＲＦエネルギーハーベスティングシステムを備えた、及び備えていないスマートフォンのスマートフォン電池残量の５０％を使い果たすために要する時間の量を示すチャートである。
【図１１ａ】関連付けられたスマートフォンと使用されるＲＦエネルギーハーベスティングシステムを含んだ保護カバーの実施形態の分解平面図である。
【図１１ｂ】関連付けられたスマートフォンと使用されるＲＦエネルギーハーベスティングシステムを含んだ保護カバーの実施形態の分解平面図である。
【図１１ｃ】関連付けられたスマートフォンと使用されるＲＦエネルギーハーベスティングシステムを含んだ保護カバーの実施形態の分解平面図である。
【図１１ｄ】関連付けられたスマートフォンとの使用での図７（ａ〜ｃ）の保護カバーの組み立てられた平面図である。
【図１２ａ】ＲＦエネルギーハーベスティングシステムを埋め込まれたマザーボードの一実施形態の上面図である。
【図１２ｂ】図１２ａのマザーボードの下面図である。
【図１３】ＲＦエネルギーハーベスティングシステムを備えた、及び備えていないスマートフォンの充電のパーセンテージ別の電池残量の経時的な減少を示すチャートである。
【図１４】ＲＦエネルギーハーベスティングシステムを備えた、及び備えていないスマートフォンの電池残量の毎分減少パーセンテージを示すチャートである。
【図１５】ＲＦエネルギーハーベスティングシステムを備えた、及び備えていない関連付けられたスマートフォンのデータレートに対するＲＦエネルギーハーベスティングシステムの使用の影響のグラフ表示である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
機器のユーザーが電子メールを送信する又は受信するとき、電話をかけるとき、又はインターネットを検索するとき、ワイヤレス機器は移動通信基地局等の周囲の無線アクセスポイントにＲＦ信号を送信する。本明細書で使用されるように、句「ＲＦ信号」は約３ｋＨｚ〜約３００ＧＨｚの周波数バンドに対応する波長を有する電磁放射線を意味することがある。しかしながら、適切な通信のためには、それらの信号の内の小部分しか実際には使用されていない。一実施形態では、ＲＦエネルギーハーベスティングシステムは、ワイヤレス機器がそれ自体の無線周波数信号を「自動採取する」ことを可能にするためにそのワイヤレス機器に接続されてよい。例えば、データ通信又は音声通信のために使用されていない電話からの近距離ＲＦ信号は、電話から送信されるとき、関連付けられたシステムによって収集され、ＲＦからＤＣ電力に変換され、電話の電池に充電され直し、電池の電荷を消耗させるのに要する時間を引き延ばす。この種の自動収集は、機器が関連付けられたＲＦエネルギーハーベスティングシステムを使用することによってそれ自体の無線周波数信号を「自動採取する」能力と呼ばれる。一実施形態では、関連付けられたワイヤレス機器を有するシステムの使用は機器の通信品質又はデータレートに影響を及ぼすことなく最高で３０％まで電池消費率を削減する。ワイヤレス機器の電池は特定量の容量、例えば、通常ある期間に亘って測定される、機器が処理できる特定の量のデータ又は通信を有する。電池が１００％充電を０％充電に消耗させるのにかかるこの時間量が一般に電池の「寿命」と呼ばれている。ＲＦエネルギーハーベスティングシステムが電池の容量を増加させないことが理解されるべきである。むしろ、システムは電池に電荷を追加し、それによってその電池の寿命を引き延ばす又は延長し、特定の電池がその充電の０％まで枯渇する前に要する期間又は送信及び受信できるデータの量を増加させる。
【００１１】
本説明の目的のために、ワイヤレス機器は「電話」と呼ばれるが、ワイヤレス機器はＲＦ信号を無線で送信し、受信する、可動又は可動ではない任意の機器であってよいことが理解されるべきである。さらに、エネルギーハーベスティングシステムは電話用のケース又はカバーに埋め込まれるとして説明されるが、システムが、電話自体に埋め込まれる、電話の取外し可能なケース又はカバーに取外し可能に若しくは固定で取り付けられる、及び電話に取外し可能に取り付けられるのを含むが、これに限定されるものではない他の手段によって電話に接続されてよいことも理解されるべきである。
【００１２】
ここで図１を参照すると、一実施形態では、ＲＦエネルギーハーベスティングシステム１０（「システム」）はスマートフォン（以後「電話」）用のケース又は保護カバー１１に埋め込まれてよい。システム１０は、周波数の所望されるバンド内でＲＦ信号を受信するために調整される１つ又は複数の受信アンテナ１２を含んでよい。例えば、図１に示されるように、システム１０は、Ｗｉ−Ｆｉ  ＲＦ信号を採取するための第１の受信アンテナ１２ａ及びセルラーＲＦ信号（例えば、３Ｇ、４Ｇ、ＣＤＭＡ等に対応する周波数）を採取するように構成された第２の受信アンテナ１２ｂを含んでよい。また、システム１０は受信アンテナ（複数可）１２から収集されるエネルギーを、交流（ＡＣ）電力から直流（ＤＣ）電力に変換するように構成された信号変換回路網１４を含んでもよい。システム１０は、電話の電池に電荷を追加できるＤＣ電力を生じさせるように構成された電力管理回路網１６をさらに含んでもよい。最後に、システム１０は、電話にシステム１０を接続するように構成されたワイヤレス機器インタフェース１８を含んでもよい。本明細書に提供される図は、構成要素が電気的に接続されていることを示すために矢印付きの線又は点で終端する線を活用できることが留意される。さらに、句「電気的に接続される」は、電気信号が導電性パスを介して送信できるように、導電性パスが複数の構成要素間で直接的に、又は仲裁構成要素を有する２つの構成要素間で間接的に提供されることを意味することがあることがさらに留意される。
【００１３】
図２を参照すると、別の実施形態では、システム１０は少なくとも１つの受信アンテナ１２、変換回路網のセット１４、ＲＦチョーク２８、電力管理回路網のセット１６、及びワイヤレス機器／電話２０と通信するように構成されたワイヤレス機器インタフェース１８を含む。第１に、受信アンテナ１２はセルラー速度及びデータ転送速度と干渉しない一方、電話からのエネルギーの受取り中のエネルギー損失を軽減するように設計されてよい。大部分のスマートフォンは、電話の周りの異なる場所に設置された複数のアンテナを使用して、異なる信号レベルの、及び異なる周波数バンドでのＲＦ信号を送信し、受信する。例えば、Ｗｉ−Ｆｉ信号は相対的に低い信号レベル（＜−２０ｄＢｍ）を有し、約２．４５ＧＨｚ及び約５．９ＧＨｚの周波数バンドで送信する。一方、セルラー信号は約８００ＭＨｚ及び約１８００ＭＨｚの周波数ハンドで送信する。したがって、異なる送信に対応するためには複数の受信アンテナ１２がシステム１０で必要とされることがある。また、各受信アンテナ１２は、電話上のそれぞれの送信アンテナに近接して配置されなければならない。一実施形態では、受信アンテナ１２は、１）電力管理回路網１６をオンにするために十分な調整されていない整流電圧、及び２）ワイヤレス機器２０に適合する電荷を追加するために十分な調整されている整流電圧を生じさせながら、電話の送信アンテナから可能な限り遠くに設置される。対応する送信電話アンテナに対する受信アンテナ１２の設置は、電話の設計、変換器回路網１４のトポロジー及び効率、並びに電力管理回路網１６の電源投入電圧閾値に応じて変わることが理解されるべきである。別の実施形態では、受信アンテナ１２は、関連付けられたワイヤレス機器２０の送信アンテナから所定数の波長分、配置される。所定数が関連付けられたワイヤレス機器２０の設計に応じて変わることが理解されるべきである。
【００１４】
図３及び図４に示されるように、複数の受信アンテナ１２によって収集される信号は少なくとも２つの異なる方法を使用し、結合できる。第１に、図３に示されるように、信号は別々の受信アンテナ１２ａ及び１２ｂによって収集され、電力管理回路網１６ａ及び１６ｂがＡＣ電力をＤＣ電力に変換した後にだけ結合されてよい。この方法は、ケース又はカバーの中に埋め込まれた２つの別々のエネルギーハーベスティングシステムを含む。この構成は、受信されている信号の周波数バンドごとに別々にインピーダンス整合回路網２２ａ及び２２ｂ並びに変換器回路網１４ａ及び１４ｂを（つまり、最大電力伝達定理に従って）調整できるため、整流効率を改善できる。具体的には、インピーダンスは操作のその周波数バンドで関連付けられた受信アンテナの出力インピーダンスに整合できる。しかしながら、この構成はより多くの空間を消費し、より多くの構成要素を含む。
【００１５】
図４に示されるように、受信アンテナ１２ａ及び１２ｂの出力はインピーダンス整合回路２２を通して送信される前に結合されてよい。この構成はより少ない構成要素を必要とし、費用と空間の両方を削減するが、受信される信号の周波数バンドごとに整流効率の削減が認められることがある。
【００１６】
エネルギーは受信アンテナ１２によっていったん収集されると、エネルギーはインピーダンス整合回路２２及び変換回路網１４を通して伝達される。変換回路網１４は整流器回路２４を含む。インピーダンス整合回路２２は、損失を軽減し、受信アンテナ１２によって収集され、整流回路２４に伝達されるＡＣ電力の量を増加させるように構成される。任意の適切なインピーダンス整合回路２２がシステム１０で使用されてよいことが理解されるべきである。インピーダンス整合回路２２は、次いでＤＣ電力に変換されるために整流器回路２４に収集されたＡＣ電力を伝達する。整流器回路２４は、例えば半波整流器又は全波整流器等の収集されたＡＣ電力をＤＣ電力に変換できる任意の機器を含むことがある。一実施形態では、整流器回路２４はＡＣ電力の全波整流を提供するように構成できる。したがって、整流器回路２４は２段ディクソン電荷ポンプトポロジーに低障壁ショットキーダイオードを含むことがある。
【００１７】
図２を再び参照すると、２段ディクソン電荷ポンプトポロジーの使用は、整流器回路２４の出力電圧を４倍にし、管理及び記憶回路網１６の入力での電圧が十分に高いことを確実にするために役立つことが分かっている。しかしながら、他のトポロジーが使用されてよいことが意図される。ＡＣからＤＣへの変換効率を改善するためにターゲットの電話と関連付けられた特定の信号レベル及び周波数について整流器回路２４を特に調整できることが理解されるべきである。
【００１８】
代替実施形態では、変換回路網１４は、ＡＣ電力からＤＣ電力への電力変換の効率を改善するために高調波ハーベスタ２６を含んでよい。１つの係る高調波ハーベスタ２６は、全体が参照により本明細書に援用される、２０１４年１２月１２日に出願された国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ１４／７００８７号に説明される。
【００１９】
エネルギーはＡＣ電力からＤＣ電力にいったん変換されると、ＲＦチョーク２８を通して電力管理回路網１６に伝達される。ＲＦチョーク２８、つまり一実施形態ではインダクタは、電力管理回路網１６にＤＣ電力を通過させながら、任意の未変換のＡＣ電力を遮断するために使用される。電力管理回路網１６は、採取されたＤＣ電力を調整し、該ＤＣ電力がターゲットの電話の充電要件に適合すること確実にするために使用される。
【００２０】
一実施形態では、電力管理回路網１６は２段階で動作する。第１に、ＲＦチョーク２８からのＤＣ電圧は、ＤＣ−ＤＣ変換器３０を使用し、より高い電圧レベルに逓増される。例えば、チョーク２８からのＤＣ電圧は、ＤＣ−ＤＣ変換器３０を使用し、約４．２Ｖから約５．１Ｖに逓増されてよい。結果として生じる電圧レベルは、関連付けられた電話の充電要件によって決定され、出力電圧レベル制御回路３２によって指定される。第２に、出力電圧調整及び制御回路３４はＤＣ−ＤＣ変換器３０からの定常出力電圧を維持する。また、電力管理回路網１６は、コンデンサ又は充電式電池等の取り付けられた電力貯蔵装置３６を充電するためにその出力を迂回させるように構成されてよい。
【００２１】
最後に、ＤＣ電力は出力電圧調整器及び制御回路３４からワイヤレス機器２０へワイヤレス機器インタフェース１８を通って移される。ワイヤレス機器インタフェース１８の設計は、特定のワイヤレス機器２０のコネクタタイプに応じて変わる。例えば、ワイヤレス機器インタフェース１８は、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）、マイクロ‐ＵＳＢ、Ｌｉｇｈｔｉｎｇ等であるが、これに限定されるものではないバス規格に準拠するように構成できる。
【００２２】
実施例１
図５は、ＲＦエネルギーハーベスティングシステムで使用される回路網の例を示す。本実施形態では、少なくとも４つのアンテナ１２ａ〜１２ｄが複数のセルラーバンド及びＷｉ−ＦｉバンドでＲＦ信号を収集するために使用される。各アンテナ１２ａ〜１２ｄには、アンテナから変換器回路網１４ａ〜１４ｄへの効率的な電力伝達のために調整されたインピーダンス整合回路２２ａ〜２２ｄが続く。本実施形態では、変換器回路網１４ａ〜１４ｄの各セットは低障壁ショットキーダイオードを介してＤＣ電圧に交流ＲＦ信号（ＡＣ）を整流するディクソン電荷ポンプ整流器回路を含む。整流器回路１４ａ〜１４ｄのＤＣ電圧出力は次いでＲＦチョーク２８ａ〜２８ｄを通して濾過され、互いに結合され、電力管理回路網１６の入力に伝達される。
【００２３】
電力管理回路網１６は、採取されたＤＣ電圧を調整するために使用され、該ＤＣ電圧が、関連付けられたワイヤレス機器、つまり一例では、電池に適合する電荷を追加するために約５Ｖの電力を必要とするｉＰｈｏｎｅ（登録商標）  ６の充電要件に適合することを確実にする。いくつかの実施形態では、電力管理回路網１６のＤＣ−ＤＣ変換器３０は、米国テキサス州のＴｅｘａｓ  ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓによるＢＱ２５５０４ＲＧＴＴ等であるが、これに限定されるものではない電力管理集積回路として提供できる。第１に、ＤＣ−ＤＣ変換器３０は、変換器回路網１４ａ〜１４ｄからの出力の組合せが３３０ｍＶに達するときに作動される。作動時、ＤＣ−ＤＣ変換器３０の入力での電力は抽出され、それは出力コンデンサ（又は任意の他の貯蔵装置）３６を５．１０Ｖまで充電し始める。出力電圧レベルは出力電圧レベル制御３２によって設定される。本実施形態では、出力電圧レベル制御３２は２つの抵抗器から構成される分圧器を含む。
【００２４】
出力電圧調整器及び制御回路３４は、ＤＣ−ＤＣ変換器３０の出力に接続される。本実施形態では、出力電圧調整器及び制御回路３４は、Ｔｅｘａｓ  ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓによるＴＰＳ２２９ｘｘ負荷開閉器等であるが、これに限定されるものではないＰＦＥＴ負荷開閉器であってよい。出力電圧調整器及び制御回路３４は、ＤＣ−ＤＣ変換器３０の出力が関連付けられたワイヤレス機器に、出力電圧がその機器の充電電圧要件に適合するときにだけ接続されることを確実にする。
【００２５】
電圧が上昇し、貯蔵装置３６で５．０２Ｖに達すると、ＤＣ−ＤＣ変換器３０からの制御信号は０Ｖから、出力電圧調整器及び制御回路３４をオンにし、ワイヤレス機器インタフェース１８を通してワイヤレス機器２０を充電し始める出力電圧レベル制御３２によって決定される電圧にジャンプする。充電中、電圧は、貯蔵装置３６に貯蔵される電気エネルギーが機器の電池に移動するにつれ減少し始める。貯蔵装置３６の電圧が４．２０Ｖまで低下すると、出力電圧調整器及び制御回路３４はオフになり、電力管理回路網３０からワイヤレス機器２０を切断する。これは、貯蔵装置３６を充電することによって電圧を５．０１６Ｖまで再び上昇させることを可能にし、その時点で処理は繰り返す。
【００２６】
実施例２
ここで図６、図７、及び図８を参照すると、サンプルシステム１０が製作された。サンプルシステム１０は、アンテナ１２、単一のスタブ同調器を含んだインピーダンス整合回路２２、２段階ディクソン電荷ポンプトポロジーに低障壁ショットキーダイオードを含んだ整流器回路２４、商用電力管理回路１６、貯蔵装置３６、及びワイヤレス機器インタフェース１８を含む。図７に示されるように、サンプルシステム１０はスマートフォン２０に接続された。入力電力が十分に高いとき、エネルギー管理回路が調整された出力電圧で電話２０を充電することが分かった。入力電力が電話２０を充電するほど十分に高くなかったとき、電力管理回路１６は電話２０から装置を切断し、記憶素子３６、つまりこの実施例では図７及び図８に大型循環装置として示される超コンデンサに、採取されたエネルギーを貯蔵する。貯蔵装置３６に貯蔵されるエネルギーが再び十分に高くなったとき、電力管理回路１６は電池を充電するために電話にシステムを自動的に再接続した。システム１０が電話２０に接続されなかったが、電話に近接していたときに、エネルギーが貯蔵装置３６に貯蔵されたことも分かった。
【００２７】
次いで、電話の電池容量が１００％から５０％に減少するための時間の量が、サンプルシステム１０が取り付けられた電話とサンプルシステム１０が取り付けられなかった電話との間で比較された。両方の電話ともほぼ同量のデータを送ったことを確実にするために、各電話がセルラーネットワークを使用し、大きいファイルを絶えずダウンロードしていた間に試験が実施された。図９及び図１０に示されるように、電池消費率は、サンプルシステム１０が電話２０で使用されたとき、平均値が約２４．５％減少した。しかしながら、通常の使用状況、つまり継続的なデータダウンロードを行わない状況では、システム１０を使用するときの電池消費ははるかに大きな割合で減少する。
【００２８】
実施例３
図１１ａ〜図１１ｃは、システムが埋め込まれたｉＰｈｏｎｅ（登録商標）  ６用のサンプル電話ケースの分解図を示す。例えば、図１１ａに示されるように、電話ケースはケース本体４４、ケース蓋４６、フロントプレート５０、及びシステムが埋め込まれてよいマザーボード４８を含んでよい。マザーボード４８はケース本体４４とフロントプレート５０との間に配置されてよい。電話２０は次いでマザーボード４８とフロントプレート５０との間に挿入されてよく、ケース蓋４６は、図１１ｄに示されるようにそれを定位置に固定するために電話２０の上部の辺りに配置されてよい。サンプルマザーボード４８の前面及び裏面は、それぞれ図１２ａ及び図１２ｂに示される。本実施例では、マザーボード４８は２つのＷｉ−Ｆｉバンド（２．４ＧＨｚ及び５．８ＧＨｚ）、並びに２つのＬＴＥバンド（８００ＭＨｚ及び１８００ＭＨｚ）でＲＦエネルギーを採取するために４つのアンテナを含む。本実施例では、採取されたＤＣ電力は、ケースの底部のｉＰｈｏｎｅ（登録商標）のライトニングコネクタを通して電話の電池に充電し直される。
【００２９】
図１３に示されるように、２．４ＧＨｚのＷｉ−Ｆｉを使用する連続的なデータダウンロード中のｉＰｈｏｎｅ（登録商標）  ６電池放電速度は、実施例２のケース付きで、及び実施例２のケースなしで試験された。結果は経時的な電池放電速度で２５％の削減を示した。図１４に示されるように、１７５０ＭＨｚ  ＬＴＥを使用する連続データダウンロード中のｉＰｈｏｎｅ（登録商標）  ６の電池放電速度は実施例２のケース付きで、及び実施例２のケースなしで試験された。また、結果は経時的な放電電池速度の削減を示した。これらの試験中、図１５で明示されるように、電話のデータレートは監視され、システムの存在がデータレートに影響を及ぼさなかったことを確かめるために記録された。この試験の成功は、電話上の送信アンテナに対してシステムの受信アンテナを注意深く設置したことによると考えられる。例えば、電話ケースが電話に取り付けられるとき、各受信アンテナは電話のそれぞれの送信アンテナの真後ろで位置合わせできる。
【００３０】
出願人は、ＲＦエネルギー伝達性能（つまり、通信性能）が自動ハーベスティングシステムによって低下しなかったことを発見した。システムの実施形態は、ｉＰｈｏｎｅ（登録商標）  ６用の電話ケースを具備していた。ｉＰｈｏｎｅ（登録商標）  ６のＲＦエネルギー伝達性能は電話ケース付きで、及び電話ケースなしで試験された。試験結果は、自動ハーベスティングシステムがＲＦエネルギー伝達性能に与えた影響を決定するために比較された。具体的には、自動ハーベスティング電話ケース付きのｉＰｈｏｎｅ（登録商標）  ６及び電話ケースなしのｉＰｈｏｎｅ（登録商標）  ６の無線（ＯＴＡ）の総放射電力（ＴＲＰ）及びＯＴＡの全等方感度（ＴＩＳ）が、多様な通信バンドで比較された。約−１ｄＢ及び約１ｄＢの電話ケース付きの試験と電話ケースなしの試験の間の性能の差異は、試験の誤差の範囲内であった。したがって、約−１ｄＢと約１ｄＢの間の結果は、自動ハーベスティング電話ケースがデータ品質に悪影響を与えないことを示すと考えられる。
【００３１】
バンド２（１８５０〜１９９０ＭＨｚ）で、電話ケースなしの試験のＯＴＡ  ＴＲＰは約６．６２ｄＢｍであり、電話ケース付きの試験のＯＴＡ  ＴＲＰは約６．０１ｄＢｍであり、デルタＯＴＡ  ＴＲＰは約−０．６１ｄＢであった。電話ケース無しの試験のＯＴＡ  ＴＩＳは約−９３．４９ｄＢｍであり、電話ケース付きの試験のＯＴＡ  ＴＩＳは約−９３．８５ｄＢｍであり、デルタＯＴＡ  ＴＩＳは約０．３６ｄＢであった。バンド１３（７４６〜７８７ＭＨｚ）では、電話ケースなしの試験のＯＴＡ  ＴＲＰは約１２．０５ｄＢｍであり、電話ケース付きの試験のＯＴＡ  ＴＲＰは約１２．０３ｄＢｍであり、デルタＯＴＡ  ＴＲＰは約−０．０２ｄＢであった。電話ケースなしの試験のＯＴＡ  ＴＩＳは約−９２．１９ｄＢｍであり、電話ケース付きの試験のＯＴＡ  ＴＩＳは約−９１．９１ｄＢｍであり、デルタＯＴＡ  ＴＩＳは約−０．２８ｄＢであった。バンド３（１７１０〜１８８０ＭＨｚ）では、電話ケースなしの試験のＯＴＡ  ＴＲＰは約９ｄＢｍであり、電話ケース付きの試験のＯＴＡ  ＴＲＰは約１０．７ｄＢｍであり、デルタＯＴＡ  ＴＲＰは約１．７ｄＢであった。電話ケースなしの試験のＯＴＡ  ＴＩＳは約−９２．７８ｄＢｍであり、電話ケース付きの試験のＯＴＡ  ＴＩＳは約−９１．９７ｄＢｍであり、デルタＯＴＡ  ＴＩＳは約−０．８１ｄＢであった。上述のバンドのそれぞれについて、ＯＴＡ  ＴＲＰは自動ハーベスティングに起因する性能の劣化を示さない範囲内にあった。したがって、本明細書に説明される実施形態は、通信の質又は機器のデータレートに悪影響を与えずに機器の電池消費率を削減するために活用できる。
【００３２】
用語「含む」又は「含んだ」が明細書又は特許請求の範囲で使用される限り、用語「備える」が請求項の移行語として利用されるときに解釈されるように用語「備える」と同様に包含的であることが意図される。さらに、用語「又は」が利用される（例えば、Ａ又はＢ）限り、「Ａ又はＢ又は両方」を意味することが意図される。出願人が「Ａ又はＢだけであるが、両方ではない」を示すことを意図するとき、次いで用語「Ａ又はＢであるが、両方ではない」が利用される。したがって、本明細書での用語「又は」の使用は包含的であり、排他的な使用ではない。Ｂｒｙａｎ  Ａ．Ｇａｒｎｅｒ、Ａ  Ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ  ｏｆ  Ｍｏｄｅｒｎ  Ｌｅｇａｌ  Ｕｓａｇｅ  ６２４（第２版、１９９５年）を参照すること。また、用語「の中で」又は「の中に」が本明細書又は特許請求の範囲で使用される限り、「の上で」又は「の上に」をさらに意味することが意図される。用語「実質的に」が本明細書又は特許請求の範囲で使用される限り、製造で利用可能な又は慎重な精度を考慮に入れることが意図される。用語「選択的に」が本明細書又は特許請求の範囲で使用される限り、構成要素の条件を指すことが意図され、装置のユーザーは、装置の使用において必要に応じ又は所望されるように構成要素の特徴又は機能を作動させる又は停止させてよい。用語「動作可能なように接続された」は本明細書又は特許請求の範囲で使用される限り、識別された構成要素が指定された機能を実行するように接続されることを意味することが意図される。本明細書及び特許請求の範囲で使用されるように、単数形「１つの」、「ある」、及び「前記」は複数形を含む。最後に、用語「約」が数字と併せて使用されるとき、該数字の±１０％を含むことが意図される。言い換えると、「約１０」は９から１１を意味することがある。
【００３３】
上述されたように、本願はその実施形態の説明によって示され、実施形態は相当な詳細で説明されているが、添付特許請求の範囲を係る詳細まで制約する又は多少なりとも制限することは出願人の意図ではない。追加の優位点及び変更形態は本願の利点を有する当業者に容易に現れる。したがって、本願は、そのより幅広い態様で、特定の詳細、示されている例示的な実施例、又は参照されるあらゆる装置に制限されない。逸脱は、一般的な発明の概念の精神又は範囲から逸脱することなく、係る詳細、実施例、及び装置からなされてよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１ａ−１１ｄ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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