CN108136439A - 无线功率传输的功率密度控制 - Google Patents

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CN108136439A CN201680043013.4A CN201680043013A CN108136439A CN 108136439 A CN108136439 A CN 108136439A CN 201680043013 A CN201680043013 A CN 201680043013A CN 108136439 A CN108136439 A CN 108136439A
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M·佩里
P·雷诺兹
S·塔夫勒
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Abstract

信号生成器生成发送至放大器的电气信号，从而使用来自电源的功率增大该信号的功率。将放大后的信号馈送至发送器换能器，以生成可以聚焦并发送至接收器的超声波。接收器换能器将这些超声波转换回成电能，并且将该电能储存在诸如电池等的储能装置中、或者使用该电能来对装置进行供电。这样，可以在不必连至电气插座的情况下远程地对装置进行充电或供电。

Description

无线功率传输的功率密度控制
相关申请的交叉引用
本申请要求作为2015年3月2日提交的美国专利申请14/635,861的部分延续申请的优先权，其中该美国专利申请14/635,861要求2012年5月22日提交的美国专利申请13/477,551的优先权，其中该美国专利申请13/477,551要求2011年5月27日提交的美国临时专利申请61/490,988的优先权，所有这些申请的全部内容通过引用包含于此。本申请还涉及以下专利申请：标题为“Sender Communications for Wireless Power Transfer”的美国专利申请13/477,452；标题为“Receiver Communications for Wireless PowerTransfer”的美国专利申请13/477,551；标题为“Sender Transducer for Wireless PowerTransfer”的美国专利申请13/477,555；标题为“Receiver Transducer for WirelessPower Transfer”的美国专利申请13/477,557；标题为“Sender Controller for WirelessPower Transfer”的美国专利申请13/477,565；以及标题为“Receiver Controller forWireless Power Transfer”的美国专利申请13/477,574；所有这些专利申请均于2012年5月22日提交，并且每一个专利申请的全部内容均包含于此。
背景技术
可以使用配线来将需要能量进行工作的装置插入电源。这样可能会限制装置的移动并将该装置的操作局限于从电源起的特定最大距离内。甚至大部分电池供电装置也必须周期性地使用绳来连至电源，这样可能不方便并且存在限制性。
发明内容
根据所公开的主题的实施例，系统包括至少一个第一换能器，其中该第一换能器被配置为将电能转换成采用超声波形式的超声波能量。第一换能器与第一控制器进行通信，并且第一控制器与第一通信装置进行通信。
在所公开的主题的另一实施例中，系统包括至少一个第二换能器，其中该第二换能器被配置为将采用超声波形式的超声波能量转换成电能。第二换能器与第二控制器进行通信，并且第二控制器与第二通信装置进行通信。
通过考虑以下的具体实施方式部分、附图和权利要求书，可以陈述所公开的主题的附加特征、优点和实施例并且这些附加特征、优点和实施例可以是显而易见的。此外，应当理解，前述的发明内容部分和以下的具体实施方式部分这两者都是示例性的，并且意图在没有限制权利要求书的范围的情况下提供进一步的解释。
附图说明
为了提供所公开的主题的进一步理解所包括的附图并入并且构成本说明书的一部分。这些附图还示出所公开的主题的实施例，并且连同具体实施方式部分一起用来说明所公开的主题的实施例的原理。关于所公开的主题的基本理解以及可以实践的各种方式，没有试图以比所需更详细的方式示出结构详情。
图1示出根据本发明实施例的系统。
图2示出根据本发明实施例的系统。
图3示出根据本发明实施例的系统。
具体实施方式
所公开的主题的实施例可以将电能转换成声能，其中该声能可被传送至将该声能转换回至电能的装置。转换得到的电能可用于对该装置进行供电并且对该装置的诸如电池、电容器等的一个或多个储能组件进行充电。这样就不需要使用绳恒定地或周期性地连至电源。实施例可以在存在任何适当持续时间的停留时间的情况下，轮流地或按任何适当序列一起向多个装置传输能量。
图1示出根据所公开的主题的系统。发送器101可以接收来自电源102(诸如电气插座或电池等)的电能作为输入。信号生成器103可以生成可以由放大器104进行放大的信号。这可以在控制器105的控制下进行。放大后的信号可被发送至发送器换能器106，并且可以经由诸如空气等的介质来发射采用超声波107的形式的超声波能量。接收器108可以包括接收器换能器109，其中该接收器换能器109接收采用超声波的形式的超声波能量并且将该超声波能量转换成电能，其中该电能可用于对储能装置110或功率处理器111进行充电。储能装置110的示例可以包括电池、电容器、感应电路等。装置105的示例可以包括智能电话(诸如Android移动装置、iPhone、具有Microsoft操作系统的移动装置等)、便携式计算机(诸如Apple笔记本电脑、具有Microsoft操作系统的笔记本电脑等)和电子内容阅读器(诸如Amazon Kindle、Apple iPad等)等。控制器111可以控制接收器换能器109和/或储能装置110。
控制器105可以连接至天线112并且控制器111可以连接至天线113。如以下所述，发送器控制器105和接收器控制器111可以经由天线112和113进行通信。
发送器换能器106可以包括可以产生超声波能量的聚焦束的呈阵列排列的多个换能器。发送器换能器106可以包括至少一个电容式微加工超声波换能器(CMUT)、电容式超声波换能器(CUT)、静电换能器或者适合将电能转换成声能的任何其它换能器。为了经由相控阵生成聚焦的超声波能量，发送器换能器106可以包括定时延迟换能器或参量阵换能器、或者碗状换能器阵列。发送器101例如可以在约20kHz～约120kHz内进行工作，以经由空气来发射例如高达约155dB的超声波能量。为了经由其它介质进行超声波发射，发送器101例如可以以大于或等于1MHz的频率进行工作。发送器换能器106可以具有与约3dB的损耗相对应的高机电转换(例如，效率约为40％)。
发送器控制器105可以基于发送器换能器106(或者通常为发送器101)相对于接收器换能器109的接近度来使发送器换能器106发出超声波。接收器换能器109可以将从发送器换能器106接收到的超声波能量转换成电能。如这里所使用的，接近度可以是发送器换能器106等和接收器换能器109等之间的实际或有效距离。有效距离可以基于发送器换能器106和接收器换能器109之间的基于以下各种因素的能量传输的效率，其中这些因素可以包括但不限于：这两者的相对位置；发送器和接收器之间的传导介质(例如，空气、组织等)的特性；发送器和接收器的相对取向；发送器和接收器之间可能存在的障碍物；发送器和接收器之间的相对移动；等等。在一些情况下，尽管第一发送器/接收器对与第二发送器/接收器对相比分开了更大的绝对距离，但第一对与第二对相比可以具有更高的接近度。
发送器控制器105可以使超声波能量的束指向接收器换能器109。此外，发送器控制器105可以使发送器换能器105发出具有至少一个频率和至少一个振幅的超声波。发送器控制器105可以使发送器换能器106基于发送器换能器106相对于接收器换能器109的接近度和/或位置来改变超声波中的至少一部分超声波的频率、相位和/或振幅。另外，发送器控制器105可以使发送器换能器105基于发送器换能器所发出的超声波能量的频率或者基于与如由接收器控制器111所确定的超声波能量的接收有关的信息来改变超声波中的至少一部分超声波的相位和/或振幅。
发送器控制器105和接收器控制器111可以经由天线112和113进行通信。这样，接收器控制器可以通过向发送器控制器105发送命令来本质上控制发送器换能器106所生成的能量的特性和振幅。此外，发送器控制器105可以基于从接收器控制器111接收到的数据和/或命令来控制发送器换能器106的特性。同样，发送器控制器可以独立于来自接收器控制器111的输入来控制发送器换能器106所发送的能量的特性。
发送器控制器105可以包括可以发送询问信号以检测接收器换能器109的发送器通信装置(未示出)。发送器通信装置可以将控制信号发送至与接收器控制器111相连接的接收器通信装置(未示出)。接收器控制器111可以控制接收器换能器109。该控制信号可以包括发送器换能器106所发出的超声波能量的频率和/或振幅。该控制信号可用于确定发送器换能器106相对于接收器换能器109的接近度和/或取向。另外，该控制信号可以包括接收器控制器109所要执行的指示，并且还可以包括与发送器换能器106的阻抗有关的信息。
发送器通信装置可以从可以与接收器控制器111进行通信的接收器通信装置来接收控制信号。该控制信号可以包括从发送器换能器106所接收到的超声波能量的期望功率水平、频率、相位和/或振幅。另外，该控制信号可以包括接收器换能器109的阻抗、针对功率的请求和/或发送器控制器105所要执行的指示。该控制信号可用于确定发送器换能器相对于接收器换能器的接近度和/或发送器换能器相对于接收器换能器的相对取向。此外，该控制信号还可以表示功率状况。这种功率状况例如可以表示接收器108可利用的功率量，例如剩余百分比、支出百分比、焦耳量或接收器储能装置110中剩余的等同物。可以通过对超声波中的至少一部分超声波进行调制来发送该控制信号，以及/或者可以例如使用单独的射频发送器、或者通过经由蜂窝电话网络或经由Wi-Fi网络发送信号、或者使用光学或红外传输，来以带外方式发送该控制信号。例如，可以通过文本、即时消息、电子邮件等发送该信号。
发送器101还可以包括以各种方式已知为函数生成器、音调生成器、任意波形生成器或数字图案生成器的可以生成超声波的一个或多个波形的信号生成器103。控制器105自身可以包括振荡器、放大器、处理器、存储器等(未示出)。控制器的处理器还可以执行存储器中所存储的指示，以使用信号生成器103来产生特定波形。信号生成器103所产生的波形可以由放大器104进行放大。控制器105可以调节如何以及何时激活换能器106。
发送器101所用的电气电源102可以是AC(交流)或DC(直流)电源，或者可以使用叠加在DC偏压上的脉冲或者DC偏压和时变源的任何组合。在使用AC电源的情况下，发送器101可以包括与信号生成器103电气相连接的功率处理器114。功率处理器114可以从电源102接收AC功率以生成DC功率。
所发射的超声波束107可以经过相长干涉并且生成窄的主瓣和低电平的旁瓣，以帮助聚焦和/或指引超声波能量。还可以使用诸如几何聚焦、时间反转方法、经由相位滞后的束形成等的技术或者通过使用电控阵列来使发送器101所生成的超声波能量聚焦。
发送器101可以扫描接收器的区域，可以感测接收器在房间内的位置，可以追踪接收器，并且可以使超声波束转向接收器。除非判断为接收器108处于给定范围内、或者在接收器108满足一些其它适当标准(诸如完全充电或者具有对于发送器101而言有效的标识符等)的情况下，发送器101可以可选地不发出超声波能量。
发送器101可以以机械方式和/或以电子方式朝向接收器108。例如，在一些实施例中，发送器可以使用马达在XY方向上发生倾斜，或者可以处于预先固定的位置，并且可以使束沿Z方向以电子方式转向。发送器101可以经由视线传输或者通过使超声波脉冲在所有方向上均等地传播，来将超声波能量发射至接收器108。对于视线传输，发送器101和接收器108可以以物理方式面向彼此：发送器101可以以物理或电子方式(或这两者)以接收器108为目标，或者接收器108可以同样以发送器101为目标。发送器101可以发射要由接收器108进行感测的诸如超声波信号、无线电信号、光学信号、红外信号或其它这种信号等的信号，从而用于检测取向、位置、通信的目的或用于其它目的，或者反之亦然。发送器101和接收器108其中之一或这两者分别可以包括诸如天线112和113等的信号接收器，其中该信号接收器分别可以从接收器108或发送器101接收信号。同样，可以使用超声波本身来从发送器101向接收器108发射信号。
可以通过管理信号生成器和其它组件的占空比来对发送器101进行热调节。还可以通过向发送器换能器106安装散热片、使用扇、以及/或者使制冷剂流经发送器以及诸如帕尔帖和其它热电冷却器等的其它热调节方法来实现热调节。
接收器108可以包括接收器换能器109，其中该接收器换能器109可以将采用超声波的形式的超声波能量转换成电能。接收器换能器109可以包括可以接收未聚焦的超声波能量或者超声波能量的聚焦束的呈阵列排列的一个或多个换能器。接收器换能器108可以包括至少一个电容式微加工超声波换能器(CMUT)、电容式超声波换能器(CUT)、或静电换能器、或以下所述的压电型换能器、它们的组合、或者可以将超声波转换成电能的任何其它类型的换能器。为了经由相控阵接收聚焦的超声波能量，接收器换能器109可以包括定时延迟换能器或参量换能器。接收器108例如可以在约20kHz～约120kHz内进行工作，以经由空气接收例如高达任何适当的dB水平(诸如约155dB等)的超声波能量。为了经由其它介质接收超声波能量，接收器108例如可以以大于或等于1MHz的频率进行工作。接收器换能器109可以具有与约3dB的损耗相对应的高机电转换效率(例如，约40％)。
接收器换能器109可以向储能装置110和/或处理器115供给电能。储能装置110的示例可以包括但不限于电池、电容储存装置、静电储存装置等。处理器的示例可以包括但不限于智能电话(诸如Android移动装置、iPhone、具有Microsoft操作系统的移动装置等)所用的处理器或芯片组、便携式计算机(诸如Apple笔记本电脑、具有Microsoft操作系统的笔记本电脑等)、电子内容阅读器(诸如Amazon Kindle、Apple iPad等)、现场可编程门阵列(FPGA)和使用通用计算图形处理单元(GPGPU)的图形处理单元(GPU)等。
根据各种实施例，接收器108可以包括接收器换能器109，其中该接收器换能器109可以是压电致动的弯曲模式换能器、弯张换能器、弯曲模式压电换能器、以及/或者诸如Morgan Electro Ceramics所制造的一种弯曲型压电元件等的双压电晶片(Bimorph)、单压电晶片(Unimorph)或三形体(Trimorph)型压电换能器(“PZT”)中的一个或多个。这些换能器可以安装至金属膜或者任何其它适当材料的膜，并且该构造可以以弯曲模式而不是以矩形(brick)模式进行共振。在实施例中，该构造可以通过安装至换能器壳体而夹紧缘部。PZT板可以以电气方式与整流器电子器件相匹配。该PZT板可以是可以利用阻抗非常低的材料进行保持的高Q共振器(该PZT板可以以单一频率进行共振)。
接收器108还可以包括与接收器换能器109进行通信的接收器控制器111。接收器控制器109可以使接收器换能器109基于接收器换能器109相对于发送器换能器106的接近度来接收超声波。接收器换能器109可以将从发送器换能器106接收到的超声波能量转换成电气能量。接近度可以是接收器换能器109和发送器换能器106之间的实际或有效距离。有效距离可以基于接收器换能器109和发送器换能器106之间的基于以下各种因素的能量传输的效率，其中这些因素可以包括但不限于：这两者的相对位置；发送器和接收器之间的传导介质(例如，空气、组织等)的特性；发送器和接收器的相对取向；发送器和接收器之间可能存在的障碍物；发送器和接收器之间的相对移动；等等。在一些情况下，尽管第一发送器/接收器对与第二发送器/接收器对相比分开了更大的绝对距离，但第一对与第二对相比可以具有更高的接近度。
接收器控制器109可以使得从发送器换能器106接收超声波能量束。此外，接收器控制器109可以使发送器换能器106接收具有至少一个频率和至少一个振幅的超声波。
接收器108还可以包括通信装置(未示出)，其中该通信装置可以经由天线113发送询问信号以检测发送器101并且帮助确定包括发送器换能器106的发送器101的特性。接收器通信装置可以向可以与发送器控制器105进行通信的发送器通信装置发送控制信号。发送器控制器105可以控制发送器换能器106。该控制信号可以包括接收器换能器109所接收到的超声波的频率、相位和/或振幅。该控制信号可用于确定接收器换能器109相对于发送器换能器106的接近度和/或相对取向。另外，该控制信号可以包括但不限于：发送器控制器105所要执行的指示；接收器换能器109的阻抗；期望功率水平；期望频率；期望相位；等等。
接收器通信装置可以从可以与发送器控制器105进行通信的发送器通信装置来接收控制信号。该控制信号可以包括发送器换能器106所发出的超声波能量的频率、相位和/或振幅。另外，该控制信号可以包括接收器控制器111所要执行的指示，并且还可以包括询问信号以检测来自接收器换能器109的功率状况。该控制信号可用于确定接收器换能器109相对于发送器换能器106的接近度和/或相对取向。
通信装置可以通过对换能器所生成的超声波进行调制来发送信号，以进行带内通信。通信装置还可用于对诸如无线电信号、光学信号或红外信号等的带外信号进行调制，以与其它通信装置进行通信。无线电信号可以是由可以使用天线的单独无线电发送器所生成的。
系统可以包括接收器和发送器之间的通信，从而例如调整频率以优化电声转换方面的性能、对超声波功率输出进行调制以匹配连接至接收器的装置处的功率需求等。例如，如果判断为接收器108所接收到的超声波过弱，则可以经由通信装置向发送器101发送信号以增大输出功率。然后，发送器控制器105可以使发送器换能器106增大所生成的超声波的功率。同样，可以相应地调整超声波的频率、持续时间、相位和方向特性(诸如聚焦程度等)。
因而，根据所公开的主题的实施例，发送器101和接收器108可以进行通信以协调超声波能量的发射和接收。发送器101和接收器108之间的通信可以是以带内方式(例如，使用用于从发送器向接收器传送功率并且还携载通信信号的超声波)和/或带外方式(例如，使用与用于在发送器和接收器处携载基于发送器或接收器的功率(或者例如无线电波)的超声波分开的超声波)发生的。在实施例中，在发送器101、接收器108或这两者处可以包括范围检测系统(未示出)。发送器处的范围检测系统可以使用基于发送至接收器的超声波、Bluetooth(蓝牙)无线通信协议或者适合确定装置与一个或多个其它装置之间的范围的任何其它无线通信技术的回声定位。例如，可以使用Bluetooth或Wi-Fi信号的强度来估计装置之间的实际或有效范围。例如，信号越弱，可以判断为存在于两个装置之间的实际或有效距离越大。同样，装置未能(例如，使用Bluetooth或Wi-Fi(例如，802.11)信号)与其它装置建立通信链路，这可证明该其它装置处于从第一装置起的特定距离或距离范围外。此外，这些波的一小部分可以从接收器反射回至发送器。回声的发射和接收之间的延迟可以帮助发送器确定相对于接收器的距离。接收器同样可以具有使用声波来评估接收器和发送器之间的距离的相似回声定位系统。
在当前所公开的主题的实施例中，第一换能器106和第二换能器109的阻抗可以相同和/或可以同步。在这方面，例如，这两个换能器106和109可以按相同的频率范围和强度范围进行工作，并且可以具有相同的灵敏度因数和束宽度。
发送器101和接收器108之间的通信还可用于交换阻抗信息以帮助匹配系统的阻抗。阻抗信息可以包括可用于优化能量传输效率的与确定和/或匹配发送器和/或接收器的阻抗有关的任何信息。例如，接收器108可以经由包括接收器108被配置为接收的频率或频率范围的通信信号(例如，“控制信号”)来发送阻抗信息。频率或频率范围可以是接收所用的最佳频率。阻抗信息还可以包括来自接收器108的振幅数据、例如接收器108可以接收超声波的最佳振幅。在实施例中，振幅与频率相关联，以向发送器101标识用于在接收器108处以所指定的频率接收超声波的最佳振幅。在实施例中，阻抗信息可以包括接收器108可以最佳地接收超声波和/或发送器101可以最佳地发射超声波的一组频率和关联的振幅。阻抗信息还可以包括与发送器101和/或接收器108的灵敏度、束宽度、强度等有关的信息。在一些实施例中，至少针对使用CMUT技术的实施例，可以通过改变偏置电压来对灵敏度进行调谐。
通信还可以包括用于确定发送器101和/或接收器108的位置信息的信号。根据所公开的主题的实施例，接收器108的位置信息可以与接收器标识符(例如，电子标识号码、电话号码、因特网协议、以太网或其它网络地址、装置标识符等)相关联。这可用于在一个时间或者在一个或多个时间范围内建立给定位置处或给定位置附近的装置的配置文件。可以将该信息提供至第三方。例如，系统的实施例可以确定接近给定位置并且彼此接近的一组装置标识符。这些装置标识符接近这一事实、这些装置标识符接近的位置和与各装置有关的信息(例如，装置相对于一个或其它装置的位置、装置的绝对位置、与装置有关的功率信息等)可以与诸如将发现这些信息有用的第三方应用程序等的第三方共享。此外，可以从第三方源和应用程序将相似的这种信息引入本发明的实施例。
发送器101和接收器108之间的通信协议的实施例可用于对束特性和/或装置特性进行动态调谐，以使得能够进行和/或优化从发送器101向接收器108的功率传输。例如，在给定距离处，以给定频率和强度进行工作可能是最佳的。发送器101例如可以通过针对各接收器装置108例如以轮询或随机方式使束转向并对束进行调谐，来服务多个不同装置。因而，针对装置A的束可以采用40kHz和145dB，针对装置B的束可以采用60kHz和130dB，并且针对装置C的束可以采用75kHz和150dB。在发送器针对各装置发生转变时，发送器可以对自身进行调谐，以发射对于这些动态变化的束特性中的各束特性而言最佳成形的束。此外，可以对各接收器装置108上的停留时间进行调制，以实现特定功率传输目的。
在实施例中，发送器101可以从接收器108接收表示接收器的距离、取向、最佳频率、振幅、灵敏度、束宽度等中的一个或多个的信号(一个或多个控制信号)。例如，在接收器与发送器相距小于1英尺的情况下的最佳频率可以是衰减率为1.7dB/ft的110kHz，并且在接收器与发送器相距大于1英尺的情况下的最佳频率可以是衰减率为0.4dB/ft的50kHz。接收器可以检测该距离并向发送器提供信号以相应地改变其频率。作为响应，发送器可以对自身进行调谐以发送可能的最佳束，从而将最大功率以最可靠方式传输至接收器。在从发送器向接收器发射超声波能量期间可以动态地调整这些参数，例如以应对发送器和接收器的相对位置的变化、传输介质的变化等。
同样，接收器108可以响应于从发送器101接收到的信号来对自身进行配置。例如，接收器108可以调谐至给定频率并且调整其灵敏度，以最高效地接收来自发送器101的超声波并将这些超声波转换成电能。
还可以调整发送器101在接收器108上的停留时间，以优化发送器大致同时向多个接收器所传递的能量。例如，发送器101可以从五个接收器各自接收功率需求信息。由于发送器101例如以轮询方式服务(例如，发送超声波至)各接收器，因此发送器101可能在需求最大的接收器上停留与需求不太大的接收器相比更长的时间间隔。
本发明的实施例包括如下系统，该系统可以包括连接至放大器的发送器换能器。该发送器换能器可以是电容式微加工超声波换能器、其它类型的电容超声波换能器、静电超声波换能器、压电型超声波换能器等。电容换能器包括用于将任何以电容方式储存的能量转换成超声波能量的任何换能器。静电换能器是用于将任何以静电方式储存的能量用于超声波能量的静电换能器。压电型换能器是用于基于向介质晶体施加电力从而使这些晶体经历机械应力来生成超声波能量的压电型换能器。
换能器可被配置为换能器和/或孔的阵列。这可用于产生超声波能量的束。换能器可以由发送器控制器进行控制以产生一个或多个超声波束，并且换能器可以产生这种束、或者具有该束的给定形状、方向、焦距、宽度、高度和形状以及任何其它聚焦性质的束的组合。换能器可以包括包含一个或多个电子转向组件的一个或多个转向组件、例如一个或多个结构或图案或阵列元件和/或孔。这些孔中的一个或多个可以呈凸状以帮助控制诸如焦距等的束性质。换能器可以具有单独地或者与一个或多个电子转向组件相组合地进行工作的机械转向组件，以控制一个或多个超声波束的聚焦性质。换能器还可以具有预先定位成不同取向的子分区。
根据本发明的实施例，系统可以包括具有配置参数的第一值的发送器。配置参数可用于描述发送器或接收器的实际或潜在的状态或状况，并且例如可以包括振幅、频率、转向参数、指示、功率状况、发送器特性和接收器特性。发送器特性可以描述发送器或接收器的实际或潜在状况。例如，发送器特性可以涉及发送器换能器的功率状态，并且可以具有值ON(开启)(发出要由接收器转换成电能的超声波)或OFF(关闭)。另一功率配置参数可以涉及采用诸如瓦/平方英寸、分贝等的各种单位的所发出超声波能量的功率水平。
特性可以描述可以固定的发送器或接收器的实际或潜在状况。例如，特性可以是电话号码、电子序列号(ESN)、移动设备标识符(MEID)、IP地址、MAC地址等、或者能够作为发送器或接收器的移动或固定装置。特性可以是装置的固定阻抗或其它电子性质(例如，换能器类型、软件/固件版本等)。
根据本发明的实施例，装置具有第一配置参数。基于经由发送器通信装置所接收到的输入，发送器可以将其配置参数值改变为第二配置参数值，并由此改变其状态和/或行为。用于改变发送器配置参数的机制可以包括经由通信装置接收新的配置参数值。该新的配置参数值可以源自于发送器将要或意图发射超声波能量所针对的接收器。例如，发送器可以正以第一功率水平发射超声波能量，并且接收器可以将用于请求以第二功率水平发射能量的消息发送至发送器。例如，接收器可以发送用于要求所发射的超声波的功率从120dB上升为140dB的请求。然后，发送器可以将其功率水平配置参数从120dB改变为140dB。
另一机制如下：即使在经由通信装置所接收到的输入没有指定配置参数的新的(第二)值的情况下，也基于该输入来改变第一配置参数。例如，可以在发送器通信装置处从接收器来接收包括用以增大所发射的超声波能量的功率的请求的输入。作为响应，发送器可以将功率配置参数的值从第一值改变为第二值、例如从120dB改变为140dB。同样，可以基于来自一个或多个接收器或者第三方的输入的组合来改变一个或多个配置参数。例如，可以基于诸如接收器处的接收器换能器的类型等的接收器特性来改变束形状。
配置参数可以是或包括一个或多个转向参数。转向参数的示例包括：转向角度，诸如机械倾斜装置已配置或可以配置换能器的一个或多个元件的角度等；扩散角度，诸如在超声波束中发生阈值功率的角度等(例如，表示为角度的束宽度)；焦距，诸如超声波束的聚焦程度最大的以厘米为单位的距离等；发送器位置，诸如接收器相对于发送器的角度和距离、发送器相对于接收器的距离、或者发送器或接收器(例如，相对于给定基准点)的绝对位置等；以及发送器和接收器的相对取向，诸如以平行程度表示的、发送器换能器和接收器换能器的相对取向的差等。例如，在一个换能器平行于另一换能器的情况下，可以认为这两个换能器存在0度偏移。在一个换能器在取向上垂直于另一换能器的情况下，这两个换能器可以具有90度偏移等。
另一机制是改变第一转向参数，以调整和/或提高向接收器的超声波能量的传输效率。即使在经由通信装置所接收到的输入没有指定转向参数的新的(第二)值的情况下，也可以基于该输入来改变转向参数。例如，可以在发送器通信装置处从接收器来接收包括正接收的所发射超声波能量的量(例如，120dB)的输入。作为响应，发送器可以将转向参数(例如，相对取向)的值从第一值改变为第二值(例如，从90度偏移改变为0度偏移)。作为改变/调整转向参数的结果，向接收器的超声波能量的传输效率可以提高，并且正接收的所发射超声波能量的量可以增加(例如，从120dB增加为140dB)。例如，接收器处的功率量可以由接收器进行监视，并且用作用于生成要发送至发送器的输入的基准，以调整其配置参数中的一个或多个配置参数。这样可以例如通过改变发送器换能器所用的机械转向机构的倾斜、通过改变所发射的超声波能量的功率水平、通过改变发送器处的超声波能量的电子转向和束成形等，来改变发送器向接收器发射超声波能量的方式。例如，发送器例如由于被人的手或其它障碍物遮挡、或者由于接收器换能器的元件被判断为无效或损坏并被排除使用，因而可能从接收器(或另一源)接收到表示可用于接收功率的接收器的表面积受到限制的输入。例如，接收器可能检测到接收器换能器的一部分没有正在接收发送器换能器指向该接收器换能器的功率，并且向发送器或另一装置报告该情况。例如，接收器可以发送没有正在接收功率或者正接收给定阈值以下的功率量的接收器换能器或一组接收器换能器的标识符。作为另一示例，接收器可以发送表示没有正在接收功率或正接收阈值以下的功率的接收器换能器表面的形状的边界的信息。
基于该信息，发送器可以改变束的转向参数的值、功率水平和/或焦点，使得将来自发送器换能器的更多功率传递至接收器换能器的可用的未遮挡部分。这样可以使得接收器所接收到的超声波能量的总功率水平保持处于与接收器在没有被部分遮挡的情况下将接收到的功率水平相似的水平。还可能具有增大的功率密度的更窄的聚焦束可以允许将恒定或增大的功率水平传递至更小的面积。接收器的功率水平可以是以W/m2为单位的功率密度乘以以m2为单位的功率密度被传递至的面积。随着接收器的功率可被传递至的可用面积的减小，接收器可以改变束的包括转向、焦点、相位和功率水平的属性，以将功率密度有所增大的功率传递至接收器的未遮挡部分。接收器的遮挡部分可以是一个或多个换能器中的接收了小于阈值量的功率或者无线通信所用的数据接收速率减小的区域。这样，接收器可以将实时或近实时的反馈提供至发送器，使得发送器可以对该发送器向接收器发送超声波能量的方式进行调谐，以提高传输能量(例如，功率)的速率、能量传输的连续性、能量传输的持续时间等，或者使得能够维持期望的数据传送速率。
可以通过使控制器对发送至发送器换能器或该发送器换能器的各种元件的电气信号的相位进行调制(控制)，来实现束转向和聚焦。对于宽角度转向，可以使用例如大小约为4mm的大小为λ/2的元件。一些半导体公司(Supertex、Maxim、Clare等)制造可以允许若干高功率振荡器电路取代上千个发送器的高电压开关芯片。有用设计的示例可以具有相位为0、π/2、π和3π/2的四个振荡器。开关可被配置成各发射元件可以连接至这四个相位中的任意相位。然后，开关矩阵的间距可以小于换能器阵列的间距，从而便于互连。少量存储器可以存储任意数量的转向和聚焦位置所需的一整组开关配置。简单的微控制器(例如，ARM微控制器)可以管理转向/聚焦计算。
可以以各种方式使束转向和聚焦变得更易于管理。可以在与电子转向机构的方向垂直的方向上使电子转向机构与机械倾斜机构相组合，以使束转向并聚焦。例如，发送器在方位(水平维度)上可以是相对固定的，但在高程(垂直维度)上是机械可转向的。可以通过来自接收器或者直接或经由接收器来自发送器的信令、或者利用来自这两者和/或第三方(诸如功率追踪服务器等)的输入所驱动的机械倾斜，来实现垂直追踪。电子转向和聚焦可用于方位(水平)束。
一些实施例可以在方位和高程这两方面发生倾斜。在这些情况下，具有特定元件的二维阵列(例如，在元件之间存在规则或可变间距的2λ个元件的15×15阵列)可以进行聚焦和转向。在一些实施例中，元件大小可以从λ/2增长为2λ或更大。在一些实施例中，电子转向阵列可以嵌入机械聚焦换能器中。较小的矩阵阵列可以位于呈弯曲的换能器的中央。该弯曲可以在给定方向上并且在特定平均深度(例如，1米)处创建焦点。中央的电子聚焦部可以进一步调整束的聚焦特性。
在一些实施例中，输出可以以不对称方式在方位和高程之间拆分，从而使得能够进行复杂的束控制。在各种实施例中，可以将孔分割成多个子孔。这些子孔中的一部分或全部可以具有不同的转向能力，从而使得这种配置能够产生可彼此邻接的多个焦点。图2示出根据本发明实施例的分割孔设备。可以将源孔201分割成单独的子孔202、203和204。各子孔202、203和204分别具有自身的目标焦点205、206和207。可以改变图2所示的三个源各自的相位以改变高程孔的焦距。束转向可以是机械的、电子的或这两者的组合。该配置还可以通过改变源之间的相位来聚焦。可以针对通过源的弯曲所建立的机械焦点附近的深度范围内的目标来维持发送器的效率。可以使供给至目标的功率水平保持恒定。
图3示出使用方位孔分割以允许覆盖目标的扩展聚焦范围的另一聚焦设备。源目标301、302、303和304分别具有目标焦点305、306、307和308。可以以电子方式、以机械方式或者它们的组合来实现转向和聚焦。在图3所示的实施例中，可以使元件大小足够小以避免孔弯曲和/或机械倾斜的需要。将阵列分割成区段可以增大聚焦点的大小并且使得这些聚焦点能够并置。焦点可以在接收器的表面上四处移动，例如以优化整体功率传输。
移动装置应用程序(例如，iPhone或Android应用程序)可以与本系统的实施例相关联以辅助用户。根据所公开的主题的实施例，关联的移动应用程序可以将超声波功率系统定位在用户位置的范围附近或用户位置的范围内。移动应用程序可以精确定位用户的准确位置并将该位置与房间内的最强功率信号位置进行比较，并且指引用户到达该功率位置。移动应用程序可以与其它移动装置上的相应应用程序进行通信，例如以共享位置信息、发送器和/或接收器信息、与给定介质的传输率有关的数据等。
根据本发明的实施例，给定装置可以实质用作初始发送器和终端接收器装置之间的中继器。这种装置(“中继装置”或“中间装置”)可以从第一装置接收功率，将所接收到的功率的至少一部分转换成电能，将该电能再转换成声能，然后将该声能传送至终端接收器装置。在终端装置在初始发送器装置的范围外的情况下、特别是在初始发送器装置储存大量能量或连接至诸如电气插座或大的外部电池等的较大能量源的情况下，这可以是有用的。即使在无中继器或中间装置时需要能量的装置可能处于具有足够量或过量的储存能量的装置的范围外的情况下，这还可用于配置从具有足够量或过量的储存能量的装置向需要能量的装置的能量传输。
移动应用程序还可以向用户通知正对移动应用程序装置进行充电的速度有多快以及装置在满充电之前还需多少功率和/或多长时间。另外，移动应用程序可以根据在给定时间在装置上基于各种因素(例如，多少个程序/应用程序打开)正使用的数据量来表示用户的“消耗率”，并且可以表示将在给定时间段内需要再次对装置进行充电。移动应用程序可以告知用户如下内容：装置何时正使用来自装置电池的功率或来自无线功率系统的功率。例如，移动应用程序可以具有硬或软开关以用信号向发送器通知何时装置电池小于满状态的20％，由此减少肮脏能源(dirty energy)的使用并且使得系统能够将最大功率供给至最需要的装置。另外，用户可以有能力使用移动应用程序来断开超声波接收器和/或发送器。
接收器108的至少一部分可以采用可处于物理装置的内部或外部的、诸如蜂窝电话等的装置所用的保护性壳体、盖或背板的形状。可以将诸如可再充电电池等的储能装置嵌入接收器壳体内。接收器108还可用在诸如笔记本电脑、平板电脑或数字阅读器等的其它装置中，例如用在其壳体或背板中。接收器108可以嵌入电子壳体内或者可以是物理配件。接收器108可以是任何形状或大小，并且可以用作隔离功率接收器或者可以连接至多个装置以同时或以其它方式向这些装置供电。
在所公开的主题的实施例中，接收器108可以是诸如植入物(例如，起搏器或药物输送系统)等的医用装置。使用超声波发送器101，可以对植入物进行供电，或者可以对储存装置进行充电。可以考虑到装置的功率需求、发送器101和接收器108之间的组织的导通参数以及患者的需求来对发送器101和/或接收器108的特性进行调谐。对于经由动物或植物组织的超声波功率发射，接收器108可以嵌入医用装置和/或组织中，以向诸如植入装置等的化学传输或医用装置进行供电或充电。例如，可以对发送器101进行编程以在给定时间向位于植入患者体内的起搏器装置内的接收器108发出超声波。
本发明的特定实施例可被设计成向移动装置上或中的诸如表面等的矩形传送相对均匀的压力。例如，实施例可被设计成利用40～60kHz的范围内的发射频率(即，波长可以为5.7～8.5mm)向离发送器1米远的距离处的诸如大小为115×58mm的智能电话等的移动装置传输声能。
一些实施例中的从发送器到接收器的最大功率可以为316W·m-2，而标准化后的振幅或“增益”可被表征为根据发送器的表面处的1Pa所创建的压力。增益小于1可能意味着能量传输小于理想状态。增益为1以上可能意味着例如为了合规性应降低发送器处的功率密度，由此也可能小于理想状态。设计可以在接收器区域内创建恒定的等于1的增益，并且在任何其它位置创建小于1的增益。系统可以在面对发送器相对于接收器的相对运动和/或位置变化的情况下，可以追踪电话的运动并限制功率损耗，反之亦然。
即使考虑到发送器的平面和接收器之间的角度的变化，也可以使电话的相位变化最小化，这可以通过使用电话上的单独接收器贴片和/或利用多元件发送器来促进，从而还可以通过声场的良好控制来提高整体效率。可以通过在元件之间改变发送器波的相位来以电子方式实现转向和聚焦。不同的转向角度和聚焦深度在各元件处可以具有不同的相位值。
本发明的各种实施例可以例如通过iOS或Android应用程序以及诸如Bluetooth或802.11等的无线协议、或者通过光学信号或红外信号来追踪发送器和接收器的相对位置和取向。发送器和接收器之间的闭环通信可以允许发射束追踪移动装置以使接收器上或接收器中的元件之间的束的相位变化最小化。
在接收器到达发送器的范围内的情况下，可以发起双向通信。接收器可以用信号通知其位置并请求声学功率的发射。随着充电的发生，电话可以向发送器更新其位置、所接收到的功率量和接收器处的声学能量的分布。如果接收器位于功率传输无效的取向或位置，则可以发送警报。为了解释的目的，已经参考具体实施例进行了上述说明。然而，以上的例示性论述并不意图穷举或将所公开的主题的实施例局限于所公开的精确形式。考虑到以上教导，可以进行多种修改和变化。选择并说明这些实施例，从而解释所公开的主题的实施例的原理及其实际应用，由此使得本领域其它技术人员能够利用这些实施例以及具有可以适合所考虑的特定使用的各种修改的各种实施例。

Claims (18)

1.一种系统，包括：
发送器，其包括：
第一信号生成器；
第一放大器，其连接至所述第一信号生成器，所述第一放大器被配置为从电源接收功率并生成电气传输信号，其中使用所述电气传输信号来生成超声波；
发送器换能器，其连接至所述第一放大器，所述发送器换能器被配置为基于从所述放大器所接收到的电气传输信号来生成超声波；
发送器控制器，其连接至所述第一信号生成器、所述第一放大器和所述发送器换能器至少之一，所述发送器控制器被配置为基于从接收器接收到的控制信号来调整所述发送器换能器所生成的超声波在所述接收器处的功率密度；以及
发送器通信装置，其被配置为与接收器通信装置进行通信，并且从所述接收器接收所述控制信号；以及
所述接收器，其包括：
接收器换能器，其被配置为接收所述发送器换能器所生成的超声波，基于所接收到的超声波来生成接收器电气信号，并且连接至接收器电气储存装置，其中所述接收器电气储存装置被配置为储存基于所述接收器换能器所生成的接收器电气信号的电能；
接收器通信装置，其被配置为向所述发送器通信装置发送输入，其中所述输入包括包含表示所述接收器换能器的至少一部分与所述发送器换能器之间被遮挡的指示的控制信号；以及
接收器控制器，其连接至所述接收器换能器和所述接收器电气储存装置至少之一。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述接收器还包括：
接收器电气储存装置，其被配置为储存基于所述接收器换能器所生成的接收器电气信号的电能。
3.一种系统，包括：
信号生成器；
放大器，其连接至所述信号生成器，所述放大器被配置为从电源接收功率并生成电气传输信号，其中使用所述电气传输信号来生成超声波；
发送器换能器，其连接至所述放大器，所述发送器换能器被配置为基于从所述放大器接收到的电气传输信号来生成超声波；
发送器控制器，其连接至所述信号生成器、所述放大器和所述发送器换能器至少之一，所述发送器控制器被配置为基于从接收器接收到的控制信号来调整所述发送器换能器所生成的超声波在所述接收器处的功率密度；以及
发送器通信装置，其被配置为与所述接收器进行通信，并且接收包括表示所述接收器换能器的至少一部分与所述发送器换能器之间被遮挡的指示的控制信号。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述发送器控制器还被配置为基于所述控制信号来调整来自所述发送器换能器的超声波的聚焦程度。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述发送器控制器还被配置为调整来自所述发送器换能器的超声波的聚焦程度，以使超声波聚焦到所述接收器换能器的与所述发送器换能器之间未被遮挡的部分。
6.根据权利要求3所述的系统，其中，所述发送器控制器还被配置为增大超声波的功率密度。
7.根据权利要求3所述的系统，其中，所述发送器控制器还被配置为基于所述控制信号来调整转向参数的值。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述发送器控制器还被配置为调整所述转向参数的值，以使来自所述发送器换能器的超声波指向所述接收器换能器的与所述发送器换能器之间未被遮挡的部分。
9.一种系统，包括：
接收器换能器，其被配置为接收发送器换能器所生成的超声波，并且基于所接收到的超声波来生成接收器电气信号，所述接收器换能器还被配置为连接至接收器电气储存装置，其中所述接收器电气储存装置被配置为储存基于所述接收器换能器所生成的接收器电气信号的电能；
接收器通信装置，其被配置为向发送器通信装置发送输入，其中所述输入包括包含表示所述接收器换能器的至少一部分与所述发送器换能器之间被遮挡的指示的控制信号；以及
接收器控制器，其连接至所述接收器换能器和所述接收器电气储存装置至少之一。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述接收器控制器还被配置为判断为所述接收器换能器的所述至少一部分与所述发送器换能器之间被遮挡。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述接收器控制器还被配置为判断为所述发送器换能器的所述至少一部分没有正在接收所述发送器换能器指向所述发送器换能器的所述至少一部分的超声波。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，还包括：
接收器电气储存装置，其被配置为储存基于所述接收器换能器所生成的接收器电气信号的电能。
13.一种方法，包括以下步骤：
从发送器的超声波换能器发出指向接收器的超声波；
在所述发送器处从所述接收器接收通信，其中所述通信包括包含表示所述接收器的超声波换能器的至少一部分与所述发送器的超声波换能器之间被遮挡的指示的控制信号；以及
调整所述发送器换能器所生成的超声波在所述接收器处的功率密度。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，还包括以下步骤：
使从所述发送器的超声波换能器所发出的超声波以远离所述接收器的超声波换能器的被遮挡的至少一部分并且向着所述接收器的超声波换能器的未被遮挡的至少一部分的方式转向。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，还包括以下步骤：
调整所述超声波的焦点，以增大所述接收器的超声波换能器的未被遮挡的部分处的超声波的功率密度。
16.一种方法，包括以下步骤：
在接收器处从发送器的超声波换能器接收超声波；
判断为所述接收器的超声波换能器的至少一部分与所述发送器的超声波换能器之间被遮挡；以及
向所述发送器发送通信，其中所述通信包括包含表示所述接收器的超声波换能器的至少一部分与所述发送器的超声波换能器之间被遮挡的指示的控制信号。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，判断为所述接收器的超声波换能器的至少一部分与所述发送器的超声波换能器之间被遮挡的步骤包括：
判断为所述接收器的超声波换能器的所述至少一部分没有接收到所述发送器的超声波换能器指向所述接收器的超声波换能器的所述至少一部分的超声波。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，表示所述接收器的超声波换能器的至少一部分与所述发送器的超声波换能器之间被遮挡的指示包括所述接收器的超声波换能器的被遮挡的所述至少一部分的位置的指示。
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