JP2009516959A - 無線周波数（ｒｆ）電力ポータル - Google Patents

Abstract

【課題】無拘束機器において環境から十分なエネルギーを集めて利用する。
【解決手段】無線エネルギーを受信して電流に変換するエネルギー収集装置を有する移動機器に電力供給するシステムは、第１ポータルを含んでいて、移動機器が第１ポータル内にある場合に無線エネルギーを受信して電流に変換すべく移動機器のエネルギー収集装置へ伝送する。本システムは、第１ポータルとは別個の、第１ポータルと間隙で隔てられた第２ポータルを含んでいて、移動機器が第１ポータルおよび間隙を通過した後で第２ポータル内にある場合に第２ポータル内で無線エネルギーを受信して電流に変換すべく移動機器のエネルギー収集装置へ伝送する。無線エネルギーを受信して電流に変換するエネルギー収集装置を有する移動機器に電力供給する方法も開示する。
【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００５年１１月２１日出願の米国仮特許出願第６０／７３８，５２３号の優先権を主張する。

発明の分野
本発明は、無線エネルギーを受信して電流に変換するエネルギー収集装置を有する移動機器に電力供給するシステムに関する。より具体的には、本発明は、無線エネルギーを受信し、その無線エネルギーを移動機器のエネルギー収集装置へ伝送するポータル内に移動機器がある場合に、エネルギーを電流に変換するエネルギー収集装置を有する移動機器に電力供給するシステムに関する。

関連技術の説明
プロセッサの能力が向上して所要電力が減少するにつれて、導線または電源コードから完全に独立して動作する機器が爆発的に増え続けている。これらの「無拘束」機器は、携帯電話や無線キーボードから、建物のセンサ、および能動無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグにわたる。

これらの無拘束機器の技術者および設計者は、主要な設計パラメータとして電池を用いて、携帯型電源の制約に対処し続けなければならない。プロセッサおよび携帯機器の性能はムーアの法則に従い１８〜２４ヶ月毎に２倍に向上してきたが、容量に関する電池技術の成長は年６％に過ぎない。節電型の設計や最新の電池技術を以ってしても、多くの機器は、物流やビルの自動化等、複数の無拘束機器を必要とする適用例にかかるトータルコストおよびメンテナンスの要件を満たさない。双方向通信を必要とする今日の機器は、機器の電源（通常は電池）の交換または再充電に３〜１８ヶ月毎に計画的なメンテナンスを必要とする。自動ユーティリティ・メーターリーダー等、信号を一切受信することなく自らの状態をブロードキャストするだけの一方向機器は、バッテリ寿命が向上しており、通常は１０年以内に交換すれば良い。両方の種類の機器は共に、計画的な電源メンテナンスのコストが高く、機器による監視および／または制御の対象であるシステム全体に不都合をもたらす恐れがある。非計画的なメンテナンス巡回は、更にコストが掛かるため不都合である。またマクロなレベルでは、内部バッテリに付随するコストが比較的高いため、現実的な、すなわち経済的に見合う機器の設置個数が減る恐れがある。

無拘束機器における電力問題に対する理想的な解決策は、環境から十分なエネルギーを集めて利用できる装置またはシステムである。収集されたエネルギーは、無拘束機器に直接電力供給するか、または電力供給を増大させる。しかし、この理想的な解決策は、環境内のエネルギーが少ないために必ずしも実装が現実的ではなく、場所の制約により専用のエネルギー供給源の利用能力が制約される場合がある。本明細書で提案する発明は、これらの要因を考慮した上で、理想的な状況と、より制約的な状況の両方の場合について解決策を提供する。

米国特許第６，１２７，７９９号明細書に、アンテナにより電磁場を利用して無線電力供給および再充電を行なう方法および装置を開示している。アンテナは、ダイポールアンテナ要素配列の少なくとも２個のサブセットを構成するように組み合わせた１個以上のダイポールアンテナであってよく、１個のサブセットが少なくとも他の１個のサブセットと鋭角または直角をなしていてよい。米国特許第６，１２７，７９９号明細書に開示された技術は、アンテナ配列の電力変換効率がダイポールの個数に依存する事実により制約される。また、米国特許第６，１２７，７９９号明細書にダイポールアンテナの利用法を開示しているが、アンテナおよびアンテナ配列のサイズに起因して大多数の電池動作機器にとっては現実的ではない。この従来技術の開示は、ダイポールアンテナを用いて、幅が１２．５ｃｍある電池の２以上の側面を覆う旨を記載しているが、特定のサイズの機器および電池には実用的でない。また、従来の開示と合わせて利用できる電池にも、ＲＦエネルギーを吸収する傾向がある電池内部の金属部分に起因する制約がある。本明細書に開示する発明は、記載されているアンテナおよび電池の制約を受けることなく、任意の種類のアンテナおよび電池に適用可能である。

米国特許第５，９９４，８７１号明細書に、伝送されたマイクロ波エネルギーを用いて２次電池を充電するシステムを開示しているが、これは充電手段として既存の電子レンジを利用することに全面的に依存している。

米国特許第５，９８２，１３９号明細書に、無線エネルギービームを介して電気エネルギーを電力蓄積装置へ伝送可能な車両用遠隔充電システムを開示している。引用する特許は車両または車両群を追跡可能なビームに依存するため、伝送位置で利用できるビームの個数により機器（車両）の個数が制約される。本明細書に開示する発明は、この制約を受けることなく、単一ビームを用いて多くの機器へ伝送することができる。

米国特許第５，４１１，５３７号明細書、同第５，７３３，３１３号明細書、および同第５，７６９，８７７号明細書に、電力伝送コイルおよび電力受信コイルを用いる電磁誘導技術を利用して、移植可能な生医学的機器に電力供給するシステムを記載している。これらの特許における機器は、それらが誘導的または近接場領域の電力しか受電できない事実により制約される。また、移植された機器は、移植された単一の機器だけに電力を供給することを目的とする専用の電力伝送装置を備えている。

発明の簡単な概要
本発明は、無線エネルギーを受信して電流に変換するエネルギー収集装置を有する移動機器に電力供給するシステムに関する。本システムは、第１ポータルを含んでいて、移動機器が第１ポータル内にある場合に無線エネルギーを受信して電流に変換すべく移動機器のエネルギー収集装置へ伝送する。本システムは、第１ポータルとは別個の、第１ポータルと間隙で隔てられた第２ポータルを含んでいて、移動機器が第１ポータルおよび間隙を通過した後で第２ポータル内にある場合に第２ポータル内で無線エネルギーを受信して電流に変換すべく移動機器のエネルギー収集装置へ伝送する。

本発明は、無線エネルギーを受信して電流に変換するエネルギー収集装置を有する移動機器に電力供給する方法に関する。本方法は、第１ポータル内へ移動機器を移動させて、移動機器が第１ポータル内にある場合に無線エネルギーを受信して電流に変換すべく移動機器のエネルギー収集装置へ伝送するステップを含んでいる。移動機器が第１ポータル内にある場合に、第１ポータル内で伝送された無線エネルギーを移動機器のエネルギー収集装置により電流に変換するステップも含まれる。移動機器を第１ポータルから、第１ポータルと隔てられた別個の第２ポータルへ、第１ポータルと第２ポータルとの間隙を通過して移動させ、第２ポータル内に移動機器がある場合に無線エネルギーを受信して電流に変換すべく移動機器のエネルギー収集装置へ伝送するステップも含まれる。移動機器が第２ポータル内にある場合に、第２ポータル内で伝送された無線エネルギーを移動機器のエネルギー収集装置により電流に変換するステップも含まれる。

本発明は、無線エネルギーを受信して電流に変換するエネルギー収集装置を有する移動機器に電力供給する方法に関する。本方法は、ポータル内へ移動機器を移動させて、移動機器がポータル内にある場合に無線エネルギーを受信して電流に変換すべく移動機器のエネルギー収集装置へ伝送するステップを含んでいる。移動機器がポータル内にある場合に、ポータル内で伝送された無線エネルギーを移動機器のエネルギー収集装置により電流に変換するステップも含まれる。移動機器をポータルの外へ移動させるステップも含まれる。移動機器をポータル内へ戻して、機器がポータル内にある場合に、移動機器のエネルギー収集装置がエネルギーを受信して電流に変換するステップも含まれる。移動機器がポータル内に戻されている場合に、ポータル内で伝送された無線エネルギーを移動機器のエネルギー収集装置により電流に変換するステップも含まれる。

発明の詳細な説明
添付の図面と合わせて以下の説明から本発明を完全に理解することができる。図面全体を通じて、同一要素番号は同一の部材を示す。

以下の説明の便宜上、用語「上方」、「下方」、「右」、「左」、「垂直」、「水平」、「最上位」、「最下位」およびこれらの派生語は、本発明の図面中での向きに応じて用いる。しかし、本発明は、別途明示しない限り、各種の代替的な変形およびステップ・シーケンスも可能であることを理解されたい。また、添付の図面に示し、本明細書に記載する特定の機器およびプロセスが本発明の例示的な実施形態に過ぎないことも理解されたい。従って、本明細書に開示する実施形態に関する特定の寸法その他の物理的特徴により限定されると考えてはならない。

ここで、複数の図面を通じて同一参照番号が類似または同一の部材を示し図面、具体的には図１、２を参照するに、無線エネルギーを受信して電流に変換するエネルギー収集装置１４を有する移動機器１２に電力供給するシステム１０を示す。システム１０は、無線エネルギーを移動機器１２のエネルギー収集装置１４へ伝送する第１ポータル１６を含んでいて、第１ポータル１６内に機器１２がある場合に無線エネルギーを受信して電流に変換する。システム１０は、第１ポータル１６とは別個の、第１ポータル１６と間隙２０で隔てられた第２ポータル１８を含んでいて、機器１２が第１ポータル１６および間隙２０を通過した後で第２ポータル１８内にある場合に第２ポータル１８内で無線エネルギーを受信して電流に変換すべく移動機器１２のエネルギー収集装置１４へ伝送する。

本発明により配送されるＲＦ電力の受電に適している各種の負荷（エネルギー収集装置およびエネルギー収集動作）を高い効率で整流する方法および装置について、米国仮特許出願第６０／７２９，７９２号明細書および米国特許出願第１１／５８４，９８３号明細書に詳述されており、これらを参照により本明細書に援用している。

好適には、ポータルは最小電場強度により画定される。ポータルは好適には、少なくとも１個の無線エネルギー伝送装置２２を有しているが、複数の無線伝送装置を有していてよい。好適には、無線エネルギー伝送装置２２はエネルギーのパルスを生成する。システム１０は好適には、第１ポータル１６および第２ポータル１８とは別個の、第２ポータル１８と第２間隙２６で隔てられた第３ポータル２４を含んでいて、機器１２が第２ポータル１８および第２間隙２６を通過した後で第３ポータル２４内にある場合に第３ポータル２４内で無線エネルギーを受信して電流に変換すべく移動機器１２のエネルギー収集装置１４へ伝送する。好適には、各ポータルは、無線エネルギー伝送装置２２を有している。移動機器は、収集装置から電流を受電して蓄積要素３４を充電すべくエネルギー収集装置と導通している電荷蓄積要素３４を内蔵していてよい。

本発明は、無線エネルギーを受信して電流に変換するエネルギー収集装置１４を有する移動機器１２に電力供給する方法に関する。本方法は、第１ポータル１６内へ機器１２を移動させて、機器１２が第１ポータル１６内にある場合に無線エネルギーを受信して電流に変換すべく移動機器１２のエネルギー収集装置１４へ無線エネルギーを伝送するステップを含んでいる。機器１２が第１ポータル１６内にある場合に、第１ポータル１６内で伝送された無線エネルギーを移動機器１２のエネルギー収集装置１４により電流に変換するステップも含まれる。機器１２を第１ポータル１６から、第１ポータル１６と隔てられた別個の第２ポータル１８へ、第１ポータル１６と第２ポータル１８との間隙２０を通過して移動させ、第２ポータル１８内に機器１２がある場合に無線エネルギーを受信して電流に変換すべく移動機器１２のエネルギー収集装置１４へ伝送するステップも含まれる。機器１２が第２ポータル１８内にある場合に、第２ポータル１８内で伝送された無線エネルギーを移動機器１２のエネルギー収集装置１４により電流に変換するステップも含まれる。

通信トランシーバ３６を用いて機器１２と通信するステップが含まれていてよい。通信トランシーバ３６は無線エネルギー伝送装置２２とで同一の場所にあってよい。移動機器の電荷蓄積要素３４を充電するステップが含まれていてよい。

好適には、機器１２を第２ポータル１８から、第１ポータル１６および第２ポータル１８と隔てられた別個の第３ポータル２４へ、第２ポータル１８と第３ポータル２４との間の第２間隙２６を通って移動させて、機器１２が第３ポータル２４内にある場合に無線エネルギーを受信して電流に変換すべく移動機器１２のエネルギー収集装置１４へ伝送するステップも含まれる。第１ポータル１６内へ機器１２を移動させるステップは好適には、荷積みドック２８にある第１ポータル１６内へ機器１２を移動させるステップを含んでいる。

本発明は、無線エネルギーを受信して電流に変換するエネルギー収集装置１４を有する移動機器１２に電力供給する方法に関する。本方法は、ポータル内へ機器１２を移動させて、機器１２がポータル内にある場合に無線エネルギーを受信して電流に変換すべく移動機器１２のエネルギー収集装置１４へ伝送するステップを含んでいる。機器１２がポータル内にある場合に、ポータル内で伝送された無線エネルギーを移動機器１２のエネルギー収集装置１４により電流に変換するステップも含まれる。機器１２をポータルの外へ移動させるステップも含まれる。機器１２をポータル内へ戻して、機器１２がポータル内にある場合に、移動機器１２のエネルギー収集装置１４がエネルギーを受信して電流に変換するステップも含まれる。機器１２がポータル内に戻されている場合に、ポータル内で伝送された無線エネルギーを移動機器１２のエネルギー収集装置１４により電流に変換するステップも含まれる。

好適には、ポータルは最小電場強度により画定される。ポータルは好適には、無線エネルギー伝送装置２２を有している。通信トランシーバ３６により機器１２と通信するステップが含まれていてよい。通信トランシーバ３６は、エネルギー伝送装置２２と同一の場所にあってよい。

好適には、無線エネルギー伝送装置２２はエネルギーのパルスを生成する。機器１２をポータル内へ移動させるステップは好適には、荷積みドック２８におけるポータル内へ機器１２に移動させるステップを含んでいる。あるいは、機器１２はＲＦＩＤタグであってよく、ＲＦＩＤタグからデータ受信器３８へデータを送信するステップが含まれていてよい。

ポータル内へ機器１２を移動させるステップは、再充電キャビネットにおけるポータル内へ機器１２を移動させるステップを含んでいる。他の器材との干渉をなくして、再充電キャビネット内の遮蔽により人間をエネルギーから保護するステップが含まれていてよい。

無拘束機器１２は、固定式および移動式の２種類のカテゴリに分類することができる。固定機器１２は、移動しないように設計された機器１２として定義されるがこれに限定されない。移動機器１２は、自ら移動する、または移動させられるように設計された機器１２として定義されるがこれに限定されない。移動機器は、機器１２の位置が常に変化するため、電力供給の解決策を実装する際に問題が生じる。移動機器に対する一つの解決策が米国仮特許出願第６０／６８３，９９１号明細書「電力伝送ネットワーク」、米国特許出願第１１／４３８，５０８号明細書「電力伝送ネットワーク」、および米国仮特許出願第６０／７６３，５８２号明細書「電力伝送ネットワークおよび方法」に提案されており、その全てを参照により本明細書に援用している。本出願は、特定の領域内で機器に電力を供給すべく無線周波数（ＲＦ）電力収集ネットワークをどのように設定できるかを記載している。しかし、移動機器は必ずしも通信可能領域に拘束されている訳ではない。この状況で、機器１２が領域外に出たならば、もはや受電しないため、機器１２は自身の電力供給（存在するならば）だけに依存せざるを得ない。提案する本発明は、ＲＦ電力ポータルを形成することによりこの問題に対処する。電力ポータルの目的は、機器１２に十分な動作電力を提供することにより、機器１２が通信可能領域外にある間、追加の電力を得るために電力ポータルに戻る必要が生じるまで機能し続けさせることである。本方法は、携帯電話を再充電することと同様である。充電器が電池を充電したならば、携帯電話を充電器から取り外すことができる。携帯電話は次いで、電池に蓄積された電荷を使い切るまで充電器から自由に取り外して動作することができる。この時点で、携帯電話は更なる電力を得るために充電器に戻らなければならない。この例では、ＲＦ電力ポータルは携帯電話の充電器と同様である。

先の例において、充電のために携帯電話を充電器に直接接続（配線）しなければならない。提案する本発明は、充電のために配線接続する必要をなくす。電荷は、好適には電磁波またはＲＦエネルギーの形式でＲＦ電力ポータルから機器１２へ移送される。機器１２は、エネルギー収集装置１４を含んでいて、アンテナにより獲得された電磁波を直流（ＤＣ）等の有用な電流に変換すべく好適に用いる。本発明を、機器１２が電力伝送源の比較的近くにあることを要する誘導結合による電力供給と混同してはならない。クラウス・フィンケンゼラー（Ｋｌａｕｓ Ｆｉｎｋｅｎｚｅｌｌｅｒ）が著したＲＦＩＤハンドブックでは誘導結合領域を、ラムダの０．１６倍未満（ラムダはＲＦ波の波長）である送受信装置間の距離として定義している。提案する本発明は、遠隔場領域だけでなく近接場領域（誘導的とも称する）でも電力を得ることができる。遠隔場領域はラムダの０．１６倍を上回る距離である。これは、ＲＦ電力ポータルが部屋全体のような広い領域をカバーすることも、あるいはオフィス机周辺のように部屋の一部に局所化できることも意味する。ＲＦエネルギーを伝送する一つの方法が米国仮特許出願第６０／６５６，１６５号明細書「電力伝送方法、装置およびシステム」、米国特許出願第１１／３５６，８９２号明細書「電力伝送方法、装置およびシステム」、および米国仮特許出願第６０／７５８，０１８号明細書「パルス伝送方法」に記載されており、その全てを参照により本明細書に援用している。これは、受信器１２内のエネルギー収集装置１４の効率を改善するためのＲＦエネルギー・パルスの利用法を記載している。パルス発生方法はまた、本明細書に提案する本発明と共に用いて、連続波（ＣＷ）の実装で利用できるものよりも広い通信可能領域を提供することができる。通信可能領域は、電力伝送装置に関する瞬間、ピーク、あるいは平均電場強度または電力密度により定義することができる。一例として、エネルギー収集装置１４は、受容可能な効率で電磁エネルギーをＤＣに変換するために、１メートル当たり１ボルトの電場強度を必要とする。ＣＷ電力伝送装置の場合、この電場強度は電力伝送装置から６フィートの距離に対応する。しかし、機器１２は、ＣＷ通信可能領域外にあることを意味する、１０フィートの距離に設置されていてもよい。パルス発生を用いる場合、ＣＷの場合と同じ電力量に平均化すべく、より大きな電力量を特定のデューティサイクルで伝送することができるが、平均値が同じであってもピーク電場は６フィートでＣＷの場合より大きくなるであろう。１０フィートでの電場強度は従って、１メートル当たり１ボルトを上回るピーク値を有しているため、エネルギー収集装置１４がエネルギーを獲得して変換できるようになる。

ＲＦ電力ポータルは、各種の方法で構成することができる。これらの構成のいくつかを提示するが、限定的なものではなく、むしろ本発明の実施例であると理解されたい。ＲＦ電力ポータルの第１の実施形態は、単一の通信可能領域ＡＲＥＡ１を有する単一の伝送装置である。通信可能領域（またはボリューム）は、最小の電気、磁気、および／または電磁気場の強度により画定され、全ての図において破線で表わしている。これらの図では円形の通信可能領域を示しているが、異なるアンテナ種類および環境の場合に通信可能領域の形状が他の形状であってよいことに注意されたい。一例として、図１のＡｒｅａ１は、伝送装置１（ＴＸ１）により生成された電場強度が１メートル当たり２ボルト（２Ｖ／ｍ）を上回る領域として画定することができる。図１のＴＸ１が、好適にはＲＦ伝送装置およびアンテナを含む点に注意されたい。後の図で、同一の伝送装置ブロックを用いる場合も、または伝送装置とアンテナを分離する場合もある。これらの図において伝送装置は、ＴＸ、ＴＸ１、ＴＸ２等、番号付きまたは番号無しのＴＸブロックにより表わされる。

図１の構成の場合、機器１２（ＲＸ１）は通信可能領域（ＡＲＥＡ１）にある間、ＲＦ電力伝送装置（ＴＸ１）により生成されたＲＦ場から、動作および再充電用の電力を受電している。機器１２（ＲＸ１）は、図１の時点ｔ１で動作用の電力だけでなく、機器１２が通信可能領域（ＡＲＥＡ１）の外に出た場合に利用する、電池および／またはコンデンサ、あるいは他の電荷蓄積要素等の、但しこれらに限定されない、電荷蓄積要素に蓄積できる追加的な電荷も受け取る。一例として、図１の時点ｔ２で、機器１２は通信可能領域にある間に獲得した電力により動作している。時点ｔ１で獲得した電荷が消耗したならば、機器１２は先に電荷蓄積要素に保存された電荷により動作している。図１を精査して分かるように、機器１２が追加の電荷を得るために定期的に通信可能領域に戻る場合、機器１２は連続的に動作することができる。一例として、機器１２は、２４時間動作するために１ジュールのエネルギーを必要とする場合がある。次いで機器１２が２４時間経って通信可能領域に戻ったならば、通信可能領域に１時間残留することにより、２４時間使用するのに等しい電力の量である１ジュールを獲得することができる。この例では、機器１２は動作に必要な全ての電荷をＲＦ電力伝送装置（ＴＸ１）から獲得することができる。しかし、機器１２が２４時間を超える期間通信可能領域から離れている適用例もあり得るが、これは機器１２が通信可能領域に残留しなければならない時間を延ばすことにより対処可能である。また、機器１２の寿命が既知の有限値であり、従って機器１２が通信可能領域から離れている時間に使用する電荷の総量を獲得する必要がない場合もある。むしろ、機器１２は、使用する電荷より少ないが、機器の電池その他の蓄積要素の寿命だけ動作を保証するのに十分な電荷量を獲得する必要がある。機器１２がどれくらいの期間通信可能領域から離れているか分からない場合もあろう。その場合、ＲＦ電力伝送装置は、機器１２がＲＦ電力ポータルに戻るまで機能できることを保証すべく、電荷蓄積要素のピーク容量まで機器１２を完全に充電しなければならない。

ＲＦ電力ポータルの別の実施形態を図２に示す。図２は、距離Ｄだけ離れた複数の通信可能領域を示す。この場合、機器１２が、第２の通信可能領域ＡＲＥＡ２までの距離Ｄを進むのに十分な電力を保持する目的で、時点ｔ１において第１の通信可能領域ＡＲＥＡ１内でＲＦ電力伝送装置ＴＸ１から電力を得ることができる。ＡＲＥＡ２において、機器１２は時点ｔ３でＲＦ伝送装置（ＴＸ２）から電荷を獲得して、通信可能領域ＡＲＥＡ１およびＡＲＥＡ２の外側にある時間ｔ２に使用した電荷を置換することができる。一例として、機器１２は第１の通信可能領域と第２の通信可能領域との距離（Ｄ）を進むのに２４時間要し、通信可能領域外で１０ジュールのエネルギーを使用する場合がある。従って第１のＲＦ電力伝送装置（ＴＸ１）は機器１２に対し、２個の通信可能領域間の距離（Ｄ）を進むために１０ジュールのエネルギーを供給しなければならない。機器１２が第２の通信可能領域ＡＲＥＡ２に到達したならば、所定期間だけ通信可能領域に残留することにより、２４時間で使用した分に等しい電力の量である１０ジュールを獲得することができる。

図１、２における発明は、図３、４に各々示す２以上の機器１２と共に利用できる点に注意されたい。

本発明が、各々に通信可能領域が関連付けられている複数のＲＦ電力伝送装置を含み、各々の領域が、ＲＦ電力伝送装置により提供される通信可能領域に出入り可能な任意の個数の機器を含むように拡張できる点に注意されたい。本発明の拡張バージョンを図５に示す。

利点があるとするならば、機器１２が通信可能領域の内側または外側にある間に、機器１２が通信可能領域の内側または外側に設置された通信トランシーバ３６と通信することができる。通信トランシーバ３６は、データの転送に無線通信技術を用いる送信器および／または受信器として定義される。通信トランシーバ３６を用いる本発明の現実的な実装方式は、ＲＦ電力伝送装置を通信トランシーバ３６と同一の場所に設置して、機器１２が通信可能領域内にある間に通信させることであろう。通信可能領域内での通信により、機器１２は追加的な電力を用いてデータを送信／受信することができる。これは、ＲＦ電力伝送装置が蓄積要素を再充電するための追加的な電力を機器１２に供給し、次いでその電力を用いて通信トランシーバ３６を起動するための追加電力を供給できるためである。機器１２は、通信トランシーバ３６の範囲外に出ていた間に集められた複数のデータ読み取り値を送信することができる。

具体的には、ＲＦ電力ポータルは、機器１２が通信可能領域の内側または外側で、現在または後で使用する動作用電力を受電して蓄積できる画定された領域（またはボリューム）である。より具体的には、ＲＦ電力ポータルは、エネルギー収集装置１４を有する移動機器が位置する通信可能領域を画定する少なくとも１個のアンテナが関連付けられた少なくとも１個のＲＦ電力伝送装置を含んでいてよい。ポータルは、機器１２がＲＦ電力ポータルから離れている時間だけ動作するのに十分な電力を伝送装置から獲得可能であるように設計されている。記載した本発明への更なる洞察を与えるべく、いくつかの実装例を挙げる。ポータルは、複数の無線エネルギー伝送装置を有していてよく、出力するエネルギーの振幅および／または分極化、出力の周波数またはパルスに関して全て同一であっても、あるいは一部が異なっていてもよい。

ＲＦ電力ポータルの一つの実装方式として電池再充電キャビネットがある。キャビネットは、１個以上の機器に電力を供給すべく１個以上のＲＦ伝送装置が置かれている新規または既存の構造であってよい。キャビネットまたは構造は、自身の環境に応じてＲＦ干渉を最小化すべく遮蔽されても、またはされなくてもよい。電池再充電キャビネットの具体例が病院環境向けに設計された。キャビネットは、病院設備との干渉をなくすべく遮蔽され、患者追跡機器１２の電池または電池群を再充電すべく設計された。遮蔽により、連邦通信委員会（ＦＣＣ）その他の標準化団体による調整に従い、ＲＦエネルギーの危険なレベルに人間を露出するリスクなしに電力を強めることもできる。再充電キャビネットは、配線された再充電器１２の必要性をなくして、看護師その他のスタッフ要員が単に追跡機器１２を再充電クレイドルではなくキャビネット内で任意の向きに配置できるように設計されていた。所定の充電期間の後で、機器１２を病院で使用すべくキャビネットから取り外すことができる。キャビネットの扉は伝送装置の動作を制御するスイッチに接続されているが、必ずしもこれに限定されない。扉が開いた際に、病院設備との一切の干渉をなくすべく伝送装置の電力が停止される。電力はまた、停止ではなく低減することもできる。機器１２は、再充電が必要となる前に数日間動作することを求められた。キャビネット内の伝送装置の出力電力は、患者の平均滞在期間中必要とされる電力を機器１２に供給するのに十分な電荷を電池に与えるべく設計されていた。平均患者滞在期間が選択されたのは機器１２が必要に応じてより長く動作できるためである。一例として、平均患者滞在期間は２日間であり、すなわち電池再充電キャビネットが電池に２日分の電荷を供給することを意味する。しかし、患者は５日間病院に留まるかもしれない。このことは、機器１２が２日目終了後に動作停止することを意味するものではない。２日目終了後、機器１２は電池に蓄積された予備の電荷を使い切って、電池は基準レベル以下に消耗し始める。機器１２が５日目終了後にキャビネットに戻された際に、もう２日間動作するのに十分な電荷を受け取る。しかし、次の患者は１日しか滞在しないかもしれない。平均値を用いることで分かるように、電池に蓄積された電力は平均すれば基準レベルになるため、機器１２は問題なく動作できる。

上述のシステム１０を病院内の既存の構造に実装することにも利点がある。調査した既存構造の一つに殺菌設備がある。患者追跡機器１２は、毎回使用後に消毒する必要がある。殺菌は、加圧滅菌器内で酸化エチレンその他の殺菌システムにより実行することができる。いずれの場合も、殺菌システム１０は、機器が特定の理由で配置される所定の場所である。提案内容は、殺菌システム１０を用いて患者追跡機器を消毒および再充電する、というものである。本方法により、殺菌後に機器をキャビネット内に入れるステップが省かれた。むしろ、機器を殺菌している間に再充電できる。

ＲＦ電力ポータルの別の実装例を荷積みドック２８に構築することができる。ＲＦ電力ポータルを用いて、機器がドックや配送トラック３０に出入りしている間に充電することができる。この場合、他の設備との干渉は問題にならないため、ＲＦ電力ポータルは遮蔽する必要がなく、従って機器１２が通過でき、且つ通常の荷積みドック２８機能を妨げないようにＲＦ電力ポータルが開いていてよい。本発明が、移動機器１２を再充電するために所定期間固定しておく必要なしに移動可能な状態にしておくにより、ユーザから見て透過的となり得る点に注意されたい。一例として、機器１２をフォークリフト３２により搬送されるパレットに取り付けることができる。フォークリフト３２が単にＲＦ電力ポータルを通過して移動するだけで、図６に示すように機器１２に必要な電力を供給する。機器１２は、能動ＲＦＩＤタグであってよいがこれに限定されない。能動ＲＦＩＤタグは、電力蓄積器を備え、後方散乱、変圧器インピーダンス反射、または標準のアンテナ間リンクを用いてデータ受信器３８と通信する機器１２として定義される。能動ＲＦＩＤタグを用いて、製品の温度を測定するか、あるいは貨物コンテナに取り付けて内容物および他の環境要因、例えば不正行為等を監視することができる。

ＲＦ電力ポータルの動作をわかりやすく示すために、１時間に１回のサンプリング・レートで温度を送信するのに１ジュールのエネルギーを必要とする典型的な温度センサを考える。機器１２がＲＦ電力ポータルから１２時間離される場合、機器１２を１２時間作動するためにＲＦ電力ポータルから０．５ジュールを獲得する必要がある。機器１２が６０秒間ポータル領域にあると仮定すれば、ポータルが提供すべき電力量は、０．５ジュール／６０秒、すなわち毎秒８．３ミリ・ジュールまたは８．３ミリワットの連続的な電力である。機器１２が６０秒間ポータル領域にあることは不都合な場合があるため、積み込み作業のため６０秒をはるかに超える時間ポータル領域に滞在するトラック３０を収容すべくポータル領域が拡張可能である。ＲＦ電力ポータルの拡張により、機器１２は荷積みドック２８領域だけではなく、トラック３０内でも充電できるようになる。拡張されたＲＦ電力ポータルを図７に示す。

図８に示す同様の例において、能動ＲＦＩＤタグその他の検知機器１２は第１の荷積みドック２８で、第２の荷積みドック２８までの移動期間中の動作を保証するのに十分な程度に充電され、第２の荷積みドック２８で再び受電する。本適用例において、機器１２を離れた位置で充電することにより、機器１２の寿命または持続期間全体を通じて配線された電池による再充電または電池交換なしでも機器１２が機能できることを保証する。機器１２がコンデンサ（但しこれに限定されない）等、電池以外の電力蓄積機器１２を備えていてよい点に注意されたい。

ＲＦ電力ポータルの概念は、限定されることなく、２個より多い領域を含むように拡張できる。ＲＦ電力ポータルの個数を増やすことにより、ポータルの間の距離を縮めて個々の各ＲＦ電力ポータルに対する需要を下げることができ、これにより機器１２がＲＦ電力ポータル間を移動するために各領域が供給しなければならない電力量が減少する。

別の例では、複数のＲＦ電力ポータルを異なる環境、例えば、机上、車内、自宅のキッチンカウンタ上、および／または喫茶店に置くことができる。携帯電話が各電力ポータルの通信可能領域内にあるため、機器１２を含む携帯電話は、ＲＦ電力ポータルの各々またはいずれかから受電することができる。例えば、あるユーザは携帯電話を職場に持ち込んでいる場合がある。携帯電話は、机上の電力ポータルの伝送装置の通信可能領域内にある場合、机上の電力ポータルから受電する。次いでユーザが自分の車に乗ったならば、携帯電話は車内の電力ポータルから受電する。ユーザが自分の携帯電話をキッチンカウンタに置いたならば、携帯電話はキッチンカウンタ上の電力ポータルから受電する。ユーザが喫茶店に入ったならば、携帯電話は喫茶店の電力ポータルから受電する。携帯電話は電力ポータル間を移動する間、携帯電話に電力を供給する各電力ポータルから電力を集める。

本発明を説明目的で上の実施形態を用いて詳述してきたが、これらの詳細があくまで説明のためのものであり、添付の特許請求の範囲に記載されている場合を除き、当業者により本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに変更を加えることができる点を理解されたい。

通信可能領域が関連付けられた単一のＲＦ電力ポータルを示す。 通信可能領域が関連付けられていて、且つ通信可能領域外領域により分離されている複数のＲＦ電力ポータルを示す。 複数の機器が存在する通信可能領域が関連付けられた単一のＲＦ電力ポータルを示す。 複数の機器が存在する通信可能領域が関連付けられていて、且つ通信可能領域外領域により分離されている複数のＲＦ電力ポータルを示す。 複数の機器が存在する通信可能領域が関連付けられていて、且つ各々が通信可能領域外領域により分離されている複数のＲＦ電力ポータルを示す。 荷積みドックで実装されたＲＦ電力ポータルを示す。 荷積みドックで実装された拡張ＲＦ電力ポータルを示す。 複数の負荷ドックの例における実装を示す。

Claims (27)

1. 第１ポータルと、
   前記第１ポータルとは別個の、前記第１ポータルとある間隙で隔てられた第２ポータルと
   を含む、無線エネルギーを受信して電流に変換するエネルギー収集装置を有する移動機器に電力供給するシステムであって、
   前記機器が前記第１ポータル内にある場合に、前記第１ポータル内で無線エネルギーを受信して電流に変換すべく前記移動機器のエネルギー収集装置へ無線エネルギーを伝送し、
   前記機器が前記第１ポータルおよび前記間隙を通過した後で第２ポータル内にある場合に、前記第２ポータル内で無線エネルギーを受信して電流に変換すべく前記移動機器のエネルギー収集装置へ無線エネルギーを伝送するシステム。
2. 各ポータルが最小電場強度により画定される、請求項１に記載のシステム。
3. 各ポータルが無線エネルギー伝送装置を有する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記無線エネルギー伝送装置がエネルギーのパルスを生成する、請求項３に記載のシステム。
5. 前記第１ポータルおよび第２ポータルとは別個の、第２ポータルと第２間隙で隔てられた第３ポータルを含んでいて、前記機器が前記第２ポータルおよび前記第２間隙を通過した後で前記第３ポータル内にある場合に、前記第３ポータル内で無線エネルギーを受信して電流に変換すべく前記移動機器のエネルギー収集装置へ無線エネルギーを伝送する、請求項１に記載のシステム。
6. 各ポータルが無線エネルギー伝送装置を有する、請求項５に記載のシステム。
7. 無線エネルギーを受信して電流に変換するエネルギー収集装置を有する移動機器に電力供給する方法であって、
   第１ポータル内へ前記機器を移動させて、前記機器が第１ポータル内にある場合に無線エネルギーを受信して電流に変換すべく前記移動機器のエネルギー収集装置へ無線エネルギーを伝送するステップと、
   前記機器が前記第１ポータル内にある場合に、前記第１ポータル内で伝送された無線エネルギーを前記移動機器のエネルギー収集装置により電流に変換するステップと、
   前記機器を前記第１ポータルから、前記第１ポータルと隔てられた別個の第２ポータルへ、前記第１ポータルと前記第２ポータルとの間隙を通過して移動させ、第２ポータル内に前記機器がある場合に無線エネルギーを受信して電流に変換すべく前記移動機器のエネルギー収集装置へ無線エネルギーを伝送するステップと、
   前記機器が前記第２ポータル内にある場合に、前記第２ポータル内で伝送された無線エネルギーを前記移動機器のエネルギー収集装置により電流に変換するステップと、
   を含む方法。
8. 前記機器を前記第２ポータルから、前記第１ポータルおよび前記第２ポータルと隔てられた別個の第３ポータルへ、前記第２ポータルと前記第３ポータルとの間の第２間隙を通過して移動させて、前記機器が前記第３ポータル内にある場合に無線エネルギーを受信して電流に変換すべく前記移動機器のエネルギー収集装置へ無線エネルギーを伝送するステップを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記機器を前記第１ポータルに移動させるステップが、荷積みドックにある第１ポータル内へ機器を移動させるステップを含む、請求項７に記載の方法。
10. 無線エネルギーを受信して電流に変換するエネルギー収集装置を有する移動機器に電力供給する方法であって、
    ポータル内へ前記機器を移動させて、前記機器が前記ポータル内にある場合に無線エネルギーを受信して電流に変換すべく前記移動機器のエネルギー収集装置へ無線エネルギーを伝送するステップと、
    前記機器が前記ポータル内にある場合に、前記ポータル内で伝送された無線エネルギーを前記移動機器のエネルギー収集装置により電流に変換するステップと、
    前記機器を前記ポータルの外へ移動させるステップと、
    前記機器を前記ポータル内へ戻して、前記機器が前記ポータル内にある場合に、前記移動機器のエネルギー収集装置がエネルギーを受信して電流に変換するステップと、
    前記機器が前記ポータル内に戻されている場合に、前記ポータル内で伝送された無線エネルギーを前記移動機器のエネルギー収集装置により電流に変換するステップと、
    を含む方法。
11. 前記ポータルが最小電場強度により画定される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ポータルが無線エネルギー伝送装置を有する、請求項１０に記載の方法。
13. 前記無線エネルギー伝送装置がエネルギーのパルスを生成する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記機器を前記ポータルに移動させるステップが、荷積みドックにあるポータル内へ前記機器を移動させるステップを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記機器がＲＦＩＤタグである、請求項９に記載の方法。
16. 前記ＲＦＩＤタグからデータ受信器へデータを送信するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 通信トランシーバにより前記機器と通信するステップを含む、請求項７に記載の方法。
18. 前記通信トランシーバが、無線エネルギー伝送装置と同一の場所に設置される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記機器を前記ポータルに移動させるステップが、再充電キャビネットにあるポータル内へ前記機器を移動させるステップを含む、請求項１０に記載の方法。
20. 他の設備との干渉をなくして、再充電キャビネット内の遮蔽により人間をエネルギーから保護するステップを含む、請求項１９に記載の方法。
21. 通信トランシーバにより前記機器と通信するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
22. 前記通信トランシーバが、前記エネルギー伝送装置と同一の場所に設置される、請求項２１に記載の方法。
23. 前記ポータルが複数の無線エネルギー伝送装置を有する、請求項１２に記載の方法。
24. 前記ポータルが複数の無線エネルギー伝送装置を有する、請求項６に記載の装置。
25. 前記機器内の電荷蓄積要素を充電するステップを含む、請求項６に記載の方法。
26. 前記機器内の電荷蓄積要素を充電するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
27. 前記機器が、前記エネルギー収集装置と通信状態にある電荷蓄積要素を前記機器内に含んでいて、前記収集装置から電流を受電して蓄積要素を充電する、請求項１に記載のシステム。

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