JP5662356B2 - バッテリレス装置を構成し電力供給するためのシステム、装置、及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリレス装置を構成し電力供給するためのシステム、装置、及び方法に関する。

この発明は、例えば光スイッチ、コントローラ装置、及びセンサ装置などのバッテリレスエネルギーハーベスティング装置においてコミッショニング手順を実行することに関する。

無線制御ネットワークは近年、特にビル管理システムにとって、通信分野において遍在する傾向となっている。無線技術は、ケーブルを引いたり穴を開けたりする必要がないため、配置の自由、可搬性、及び設置費用削減に関して大きな利点を提示する。従ってこうした技術は、光スイッチ、調光器、無線遠隔コントローラ、運動及び光検出器などのセンサ装置を用いる検出、自動化、制御又は監視システム（これらは互いに及び制御する装置（例えば照明）から離れた場所に設置されなければならない）を相互接続するために特に魅力的である。

ネットワークなどに見られる欠点の１つは、装置の電力供給に関する。実際、装置は配線されていないので、配電線から又はコントローラとの接続を介して、ネットワークにおいて必要な全動作を実行するために必要な電力をもはや受け取ることができない。従って、こうした装置に内蔵バッテリを備えることが想定されている。しかしながら、装置は非常にサイズが制限されているので、バッテリは大型であることができず、これは装置寿命の削減、又は労働集約的なバッテリ交換をもたらす。

その環境からエネルギーを得る自立的エネルギー源をセンサ装置に備えることによってこの問題を改善することが提案されている。それでも、既製のエネルギーハーベスタによって達成可能なエネルギーの量は非常に限られ、これはバッテリレス装置の特徴及び機能がそれに応じて厳しく制限されることを意味する。

別の面では、我々は、構成手順などの一部のエネルギーを費やす手順は、一度だけ、又は少ない発生回数のみで実行される必要があり、装置の全寿命にわたって実行される必要はないことに気が付いた。

従って本発明の目的は、限られた期間のみ、付加的な又は代替的なエネルギーをバッテリレス装置に無線で供給し、この付加的な又は代替的なエネルギーを特定手順に割り当てることを可能にするシステムに電力供給し構成するためのシステム及び方法を提示することである。

また、いかなる変更も伴わずに、特にエネルギーハーベスティングモジュールに対する変更も伴わずに、既製バッテリレス装置が使用されることができるようなシステム及び方法を提供することも本発明の目的である。

本発明の別の目的は、構成手順においてエネルギーを節約するためにバッテリレス装置の通信を制限することを可能にするシステム及び方法を提供することである。

この目的のため、本発明は無線バッテリレス装置を構成し電力供給するためのシステムを提供する。該システムは、
第１のエネルギー源からエネルギーを得るための内蔵ハーベスタと、
無線通信のための手段と、
を有する無線バッテリレス装置、及び、
第２の電源と、
第２の電源によって供給されたエネルギーを、バッテリ装置のハーベスタに獲得されるのに適したエネルギーに変換するための手段と、
変換されたエネルギーを内蔵ハーベスタを介してバッテリレス装置に無線で供給するための手段と、
バッテリレス装置と通信するための手段と、
を有する外部装置を有する。

外部装置に含まれる変換手段は、同じハーベスタ、すなわちバッテリレス装置の同じハードウェア素子を、両方のエネルギー供給法のために使用することを可能にする。この特徴はバッテリレス装置に組み込まれるエネルギーハーベスティングモジュールの低コストかつ小型の形状因子を維持することを可能にする。さらに本発明の一実施形態において、該システムは、無線で供給されたエネルギーの特性を、バッテリレス装置及び／又はハーベスタの特性に適応させるための手段を有し、これは、外部装置がエネルギーを正しいエネルギータイプに変換し、その特性を適応させることが共に可能であるため、既製のバッテリレス装置を変更する必要なく使用することを可能にする。

一実施形態において、外部装置はバッテリレス装置の構成動作を実行する。有利なことに、一実施形態において、これらの動作はユーザ入力を必要とするものであるため、外部装置はユーザ相互作用のための手段、例えばユーザインターフェースを有する。

外部装置、バッテリレス装置、及びエネルギーのタイプに対する異なる構成が本発明にかかるシステムにおいて使用され得る。図面に関連してさらに詳述される。

本発明はまた、本発明にかかるシステムで使用されるための外部装置にも関する。

本発明の別の態様は、外部装置を介して環境エネルギーを得るためのハーベスタを有する無線バッテリレス装置を構成し電力供給するための方法に関し、該方法は、
外部装置が内蔵電源を介してエネルギーを生成するステップと、
外部装置が、生成されたエネルギーをハーベスタに獲得されるのに適したエネルギーに変換するステップと、
外部装置が、変換されたエネルギーをバッテリレス装置に無線で供給するステップとを有する。

本発明のこれらの及び他の態様は、以下に記載の実施形態から明らかとなり、それらを参照して解明される。

本発明は例として添付の図面を参照してより詳細に記載される。

本発明にかかるシステムの全体図を示す。 本発明にかかるシステムの一実施形態例を示す。

本発明は無線バッテリレス装置に電力供給し構成するためのシステムに関する。より正確には、本発明は、例えばコミッショニング及びメンテナンス操作など、構成手順を可能にするため、及びその時間にわたって、バッテリレス装置に代替エネルギー供給を提供する。

本発明で使用されるバッテリレス装置は、第１のエネルギー源からのエネルギー、すなわちその環境からの環境エネルギーを得るための内蔵ハーベスタを備える。構成手順のために使用される代替エネルギーは第２の電源を有する外部装置を介して供給される。環境エネルギーと外部エネルギーの両方は、ハーベスティング回路自体に対するいかなる変更又は特殊設計検討も伴わずに、バッテリレス装置の同じ内蔵ハーベスティング回路によって獲得されることができる。第１のエネルギー源によって供給されるエネルギーつまり環境エネルギーは異なるタイプであることができる。
第１の実施例において、電磁エネルギーが使用され、内蔵ハーベスタはユーザによって機械的に駆動されるときにコイルに対して運動する永久磁石から成る。
別の実施例において、環境光エネルギー（太陽又は人工）が使用され、内蔵ハーベスタは太陽電池である。

対応する環境エネルギータイプ及びハーベスタと共に、任意の他のタイプのエネルギーが本発明で使用されることができる。外部装置は、バッテリレス装置に供給されるエネルギーが、バッテリレス装置の内蔵ハーベスタによって獲得されるのに適するように、変換手段を有する。さらに、外部装置は無線通信手段も有する。

ここで本発明にかかるシステムのいくつかの実施形態を記載する。

第１の実施形態において、外部装置は例えば携帯情報端末（ＰＤＡ）の形でリッチユーザインターフェースを備える携帯端末である。この実施形態において、バッテリレス装置は携帯端末のエネルギー供給機能を介して無線でエネルギーを供給される。

リッチユーザインターフェースを備える装置を用いることで、例えばバッテリレス装置によって制御される、又はバッテリレス装置と通信する他の装置の選択など、ユーザ入力を必要とする構成動作をユーザが好都合に実行することが可能になる。

この実施形態に従って実施される、本発明にかかる方法は、図１に関連して以下に記載される。ユーザ１はエネルギー供給機能を備えるＰＤＡ２を持つ。ユーザ１は、構成されるべきバッテリレス装置３のすぐ近くにＰＤＡ２を置く。バッテリレス装置３は環境エネルギーを得るためのハーベスタ４と無線通信インターフェース９を有する。本発明の意味の範囲内において、すぐ近くとは、その範囲内でＰＤＡ２が効率的にバッテリレス装置に電力を供給することができる地域と定義される。そして、ＰＤＡ２は通信インターフェース９を介してデータ６を読み出すために装置３と通信し始め、このデータはこの装置３のメモリ７に格納される全データの一部である。読み出しデータ６は、例えば装置のＭＡＣアドレス又は記述である。

そしてこのデータに基づき、ユーザ１はユーザインターフェースを介してＰＤＡ２に命令することによってバッテリレス装置３のユーザ構成動作を実行することができる。ユーザ構成動作は、例えばネットワーク発見、制御されるべきアクチュエータ型装置の発見、グループの設立及びバインディングである。ここでこの構成ステップはＰＤＡ２がバッテリレス装置３のすぐ近くに位置することを必要としないことが言及されなければならない、なぜなら、構成を実行するために必要な全データ６は事前に読み出されており、従ってバッテリレス装置へ及び／又はバッテリレス装置からのフィードバックが必要ないからである。

そして、こうしたユーザ構成動作が終了するとすぐに、ＰＤＡ２は、ネットワーク識別子、バインドした装置のアドレス、及びグループメンバーシップなど、決定されたパラメータ８でバッテリレス装置を構成し得る。前の動作に反して、このパラメータ伝送は、無線受信のため、及び決定されたパラメータ８を例えば不揮発性メモリに持続的に格納するために必要なエネルギーをバッテリレス装置に供給するために、ＰＤＡ２がバッテリレス装置のすぐ近くに位置することを必要とする。近くにある間、ＰＤＡ２はまた、バッテリレス装置自体が一部のネットワーク構成動作を実行することを可能にするためにも、バッテリレス装置にエネルギーを供給する。このエネルギーはバッテリレス装置３のハードウェア構成を変更する必要なくハーベスタ４に獲得される。バッテリレス装置がＺｉｇｂｅｅ（登録商標）又は８０２．１５．４に準拠するネットワークの一部である場合、ネットワーク構成動作はペアレント選択、アソシエーション、アドレス割り当てにあり得る。

加えて、この方法の実施は、バッテリレス装置３に適応された入力電圧、電力及び周波数のような特性を持つエネルギーを供給するために、バッテリレス装置３、又はより正確にはハーベスタ４の特性をＰＤＡ２が検出するステップを有し得る。

別の方法の実施が記載される。
第１のステップにおいて、ＰＤＡ２はバッテリレス装置３のメモリ４に格納された全データを読み出す。このデータは例えばサポートされた属性、クラスタ又はコマンドを含む。
第２のステップにおいて、ＰＤＡ２は一時的にバッテリレス装置に成り代わり、バッテリレス装置の代わりに全構成動作を、すなわち前記の通りユーザ構成動作とネットワーク構成動作の両方を実行する。
第３のステップにおいて、ＰＤＡ２はバッテリレスメモリ内に完全なネットワーク及びアプリケーション構成をアップロードするので、バッテリレス装置によるさらなるコミッショニング動作を必要としない。

これら２つの方法の実施は、外部電源が携帯端末に組み込まれている場合において記載されている。しかしながら、同様の実施及び役割分配は、以降に記載される他の実施形態で実行されてもよい。

本発明の第２の実施形態において、外部装置はバッテリレス装置への追加装置であり、これは一時的に固定されて痕跡を残さずに除去されることができる。追加装置がバッテリレス装置に取り付けられると、これは、インストールテスト、ネットワークスキャン、アソシエーション、アドレス割り当て、アドレス競合解消、セキュリティキーの設定、装置及びサービス発見、バインディング、バインディングテスト、及びノード構成などのコミッショニング及びメンテナンス操作を、バッテリ電源式又は配電線電源式の装置の場合にそうであるように、できる限り自己組織化的方法で実行するために必要なエネルギーをバッテリレス装置に供給する。

追加装置は、いかなる追加ツールも必要とすることなく、全ユーザ構成動作が装置のユーザによって直感的に実行されることができるようになっている。

さらに、追加装置はそれ自体又はバッテリレス装置のいずれも損傷することなく除去されることができ、そして複数のバッテリレス装置を構成するために使用されることができる。

有利な一実施形態において、追加装置は比較的低コストの装置として実現される。従って、多店舗オフィスビルなどの大型設備においては、複数の追加装置が設けられることができ、複数のバッテリレス装置のコミッショニングを同時に可能にする。実現の一実施例において、追加装置は、無線パワーコイル、電源、例えばバッテリ又は太陽源、及びばねベースのホルターのような固定機構を備えており、追加装置を取り付け、そしてそれを容易に取り外すことができる。こうした追加装置の他の可能な特徴は以下を含む。
構成の進捗、及び／又はバッテリレス装置の最終状態についてユーザに知らせるための、単純なユーザインターフェース、例えばディスプレイ。
ディスプレイとは異なる、例えばＬＥＤなど、コミッショニング動作の終了を示すための手段。この表示は、ユーザが装置を除去することができる時を知ることを可能にする。複数の追加装置が同時に使用される場合、これらの装置は、集中管理ユニットへ情報を提供するための例えば無線通信インターフェースなどの手段を備え、これは例えば全追加装置の状態を示す間取図を表示する。
ユーザがエネルギー供給動作を手動で作動させるための手段。
代替的に、追加装置がバッテリレス装置に取り付けられていることを検出するため、及び、そのときに無線電力動作を自動的に作動させるための手段、並びに、追加装置の除去を検出し、無線電力機能を自動的に停止させるための手段。

例示的な構成において、追加装置の無線電力機能は、例えば無線通信手段を介して遠隔で駆動されることができ、従って追加装置自体のエネルギー消費の制限、及び、適切なネットワークトポロジ、又は構成動作を実行する装置の適切な数若しくは順番などの特殊な構成目標の実現を可能にする。

本発明の第３の実施形態において、外部装置は、バッテリレス装置が無線でエネルギーを供給されることができるように、構成手順の期間中に外部装置にバッテリレス装置を取り付けるための手段を備える携帯端末である。

これはユーザが、特定の共通装置方向を能動的に保存する不都合を伴わずに、外部装置のユーザインターフェースの広範な機能によって利益を得ることを可能にする。

上記の本発明にかかるシステムの３つの実施形態は異なるエネルギーハーベスタを用いて実現されることができる。例えばバッテリレス装置の内蔵ハーベスタが電磁ハーベスタである場合、ＰＤＡはバッテリレス装置の内蔵ハーベスタによって獲得されるのに適切な波形、周波数、及び電力の電磁波の形で無線電力を放出し得る。無線電力は、例えば巻線の数及び幾何学的方向のような特性がハーベスタに応じて選ばれるような磁心を持つ内蔵コイルを介して生成される。別の実施例において、バッテリレス装置の内蔵ハーベスタが電気機械ハーベスタである場合、ＰＤＡは例えば内蔵機械部品を介して、適切なタイプ、強さ、方向及び繰り返し周波数の必要な機械的動作を生成し得る。さらに別の実施例において、内蔵ハーベスタが、人工又は太陽の環境照明を得るための太陽電池である場合、ＰＤＡは例えば適切なタイプ及び幾何学的方向のＬＥＤ又はＯＬＥＤなどの内蔵光源を介して、バッテリレス装置の内蔵ハーベスタによって獲得されるのに適切な波長及び強度の光を放出し得る。例えば振動、熱、放射線、静電エネルギー若しくはフローエネルギーを得る、他の内蔵エネルギーハーベスティングモジュールを含むバッテリレス装置に外部から電力を供給するためのさらなる実施例もまた、当業者に明らかとなるだろう。

本発明にかかるシステムのより詳細な実現は、図２に関連して記載される。バッテリレス装置Ａは軟磁心１１の中に位置する永久磁石１０の形でエネルギーハーベスタを有する。ユーザが永久磁石１０を一度回すことによって機械的に操作すると、軟磁心１１の中に存在する磁束の方向が反転する。従って、エネルギーハーベスティングコイル１２内に電圧パルスが生成される。磁束の初期方向に応じて、生成パルスは正又は負のいずれかである。従ってバッテリレス装置は、ダイオードブリッジの形で、パルスを正パルスに変えるための整流器１３を含む。従ってこの正パルスはエネルギー貯蔵装置１４を満たすために、すなわちキャパシタを充電するために使用され、そしてこれは負荷１５を供給する。しかしながら、本発明の序文で言った通り、こうした電源はコミッショニング手順のような動作を実行するために十分なエネルギーを提供しない。

従って、こうした動作を実行するために、外部装置Ｂが追加エネルギーを供給する。外部装置は、ＡＣ電流を発生させる電源１６を有する誘導送信機を含む携帯端末である。そしてこの電流は、交番磁束を発生させることができる送信機巻線１７を有する変換器に供給される。送信機巻線１７は、磁束がバッテリレス装置の方向に導かれるように、脚がエネルギーハーベスティングコイル１２の方を指しているＵ字形軟磁心１８の周囲に巻きつけられる。従って、送信機巻線によって生成される交番磁束のかなりの量がエネルギーハーベスティングコイル１２を通って流れ、交流電圧を誘導する。この交流電圧は既存の整流器１３によって整流され、キャパシタ１４を充電し負荷１５に電力供給するために使用される。

この特定の実施形態において、送信機は単一パルスだけでなく連続的な一連の交互パルスを送信するので、使用可能なエネルギーの量は通常の機械的動作中よりもずっと高くなる。このより高い量のエネルギーは、さらにより進歩した電子回路及び無線を設けることを可能にし、これは一つよりも多くの短いコマンドを送信することができるが、スイッチのコミッショニングのための高度なプロトコルを送受信することができる。

本発明はより具体的に、例えば照明制御ネットワーク、ビルオートメーション及びホームオートメーションなどの制御ネットワーク用のバッテリレス装置のために設けられる。

本明細書及び請求項において、ある要素に先行する"ａ"又は"ａｎ"という語はかかる要素の複数の存在を除外しない。さらに、"有する"という語は列挙されたもの以外の要素又はステップの存在を除外しない。

請求項において括弧内に参照符号を含むことは、理解を助けることを目的とし、限定する意図ではない。

本開示を読むことで、他の変更が当業者に明らかとなるだろう。こうした変更は無線通信の分野及びバッテリレス装置の分野で既に知られている他の特徴を含んでもよく、それらは本明細書に既に記載されている特徴の代わりに又はそれに加えて使用されてもよい。

Claims (15)

1. 無線バッテリレス装置を構成し電力供給するためのシステムであって、
   第１のエネルギー源からエネルギーを得るための内蔵ハーベスタと、
   無線通信のための手段と
   を有する無線バッテリレス装置と、
   第２の電源と、
   前記内蔵ハーベスタの特性を検出し、前記第２の電源によって供給されるエネルギーを、前記バッテリレス装置の前記検出した特性に適したエネルギーに変換するための手段と、
   前記変換されたエネルギーを前記内蔵ハーベスタを介して前記バッテリレス装置に無線で供給するための手段と、
   前記バッテリレス装置と通信するための手段と
   を有する外部装置とを有するシステム。
2. 前記外部装置が、前記無線で供給されたエネルギーの特性を、前記バッテリレス装置及び／又は前記ハーベスタの特性に適応させるための手段を有する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記外部装置が携帯端末である、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記外部装置が、前記バッテリレス装置に一時的に固定され、前記バッテリレス装置から痕跡を残さずに除去されるための手段を有する追加装置である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記外部装置が、前記バッテリレス装置のメモリに格納されたデータを読み出すための手段を有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記外部装置がユーザインターフェースをさらに有する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記第１のエネルギー源が環境エネルギーである、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記環境エネルギーが前記バッテリレス装置を操作するユーザの機械的動作で発生し、
   前記ハーベスタが、互いに動かすことができる磁石とコイルを有し、その結果前記ハーベスタに電圧パルスを生成し、
   前記外部装置の前記第２の電源が、交流発電機と送信機巻線とを持つ誘導送信器を有する、請求項７に記載のシステム。
9. 前記環境エネルギーが自然及び／又は人工光源からの環境光であり、
   前記ハーベスタが太陽電池を有し、
   前記外部装置の前記第２の電源が光源を有する、請求項７に記載のシステム。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載のシステムにおいて使用されるための外部装置。
11. 外部装置を介して環境エネルギーを得るためのハーベスタを有する無線バッテリレス装置を構成し電力供給するための方法であって、
    前記外部装置が内蔵電源を介してエネルギーを生成するステップと、
    前記外部装置が、前記ハーベスタの特性を検出するステップと、
    前記外部装置が、前記生成されたエネルギーを前記検出した特性に適したエネルギーに変換するステップと、
    前記外部装置が、前記変換されたエネルギーを前記ハーベスタを介して前記バッテリレス装置に無線で供給するステップとを有する方法。
12. 前記外部装置が、前記無線で供給されるエネルギーの特性を、前記バッテリレス装置の特性に適合させるステップを有する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記外部装置が、関連する構成データを送信、受信、処理、及び持続的に格納するために必要なエネルギーを前記バッテリレス装置に供給するステップと、
    前記バッテリレス装置のインターフェースを介して前記バッテリレス装置のユーザ構成動作をユーザが実行するステップと、
    前記バッテリレス装置が、自装置の構成動作の一部を実行するステップとをさらに有する、請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 前記外部装置が前記バッテリレス装置のメモリからデータを読み出すステップと、
    ユーザが前記外部装置上のインターフェースを介して前記バッテリレス装置の構成動作を実行するステップと、
    前記外部装置が、関連する構成データを受信し持続的に格納するために必要なエネルギーを前記バッテリレス装置に供給するステップと、
    前記バッテリレス装置自体によって実行される一部の構成動作に必要なエネルギーの量のみを供給するステップを有する、前記バッテリレス装置にエネルギーを供給するステップとをさらに有する、請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記外部装置が前記バッテリレス装置のメモリから全データを読み出すステップと、
    ユーザが前記外部装置上のインターフェースを介して前記バッテリレス装置の構成動作を実行するステップと、
    前記バッテリレス装置自体によって実行される一部の構成動作に必要なエネルギーの量を供給するステップを有する、前記バッテリレス装置にエネルギーを供給するステップとをさらに有する、請求項１１又は１２に記載の方法。

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