JP2022550391A - デバイスのワイヤレス充電 - Google Patents

Abstract

受信デバイス（６）のアレイをフェーズドアレイとして動作させる方法が開示される。複数の受信デバイス（６）は、ゾーン（２）内で固定された相互関係にあり、各受信デバイス（６）は、光起電力素子（１６）を備える。本方法は、複数の受信デバイス（６）でゾーン（２）内からの信号を受信して複数の受信信号を生成し、その間の少なくとも１つの位相差を使用して受信信号を処理するステップを含む。この方法はまた、ゾーン（２）内に位置するユニット（８）からの光ビーム（３６）を光起電力素子（１６）に導き、それによって前記受信デバイス（６）に電力を供給するステップを含む。本発明は、送信デバイスのアレイ、および送信デバイスと受信デバイスの両方のアレイにまで及ぶ。【選択図】図１

Description

電子デバイス、特に主電源への恒久的な有線接続部を提供することが、都合が良くないまたは不可能な場所での電子デバイスの継続的な普及、およびこれらが提供する機能性およびバッテリー寿命への期待の高まりに伴い、このようなデバイスの充電方法に引き続き重要な焦点が置かれている。

近年、充電技術には、最も注目すべきは充電器と充電されるデバイスとの間の物理的結合の必要性を回避するための磁気誘導充電の導入に多くの発展があった。この技術は、スマートフォン、スマートウォッチ、タブレットなどの個人用携帯デバイスによく適しているかもしれないが、デバイスと充電面との間に密接な物理的近接性を必要とするため、この技術が、あらゆる状況において相応しくなるわけではない。

また、レーザーを使用してデバイス上の適切な光電池を照射することによって、デバイスを充電するための電力を提供するためにレーザーを使用する提案があった。これは、デバイスを充電面に近接して保持する必要性を除去する利点を有する。しかし、それは、いくつかの重大な欠点に悩まされている。これらの１つは、レーザーと光電池との間の位置合わせを確実にするための適切なフィードバックシステムを定位置に置く必要条件である。もう１つは、充電ユニットとデバイスとの間に視線が必要であることであり、これは、ある環境において困難を引き起こすか、または追加の充電ユニットが必要であることを意味する。

しかし、最も顕著なことは、上述のレーザー充電方法は、低充電電流を提供することのみが可能であることである。一方、着実な改良が行われているものの、光電池の効率は、概して、まだ理論上の最大値を大きく下回っている。他方、通常の公共、職場または家庭の設定では使用できるレーザーの出力レベルには厳しい安全上の制約がある。

これら、および他の理由から、前述のリモートレーザー充電はまだ広く採用されていない。

本発明の第１の態様によれば、受信デバイスアレイをフェーズドアレイとして動作させる方法を提供し、複数の受信デバイスは、ゾーン内で固定された相互関係にあり、各受信デバイスは、光起電力素子を備え、前記方法は、複数の前記受信デバイスでゾーン内からの信号を受信して複数の受信信号を生成するステップと、それらの間の少なくとも１つの位相差を使用して前記受信信号を処理するステップとを含み、前記方法は、ゾーン内に位置するユニットからの光ビームを前記光起電力素子に導き、それによって前記受信デバイスに電力を供給するステップをさらに含む。

本発明のこの態様は、フェーズドアレイとして動作するように構成された受信デバイスアレイを含むシステムにまで及んでおり、複数の受信デバイスは、ゾーン内で固定された相互関係にあり、各受信デバイスは、光起電力素子を備え、前記システムは、複数の前記受信デバイスで前記ゾーン内からの信号を受信して、複数の受信信号を生成し、それらの間の少なくとも１つの位相差を使用して前記受信信号を処理するように構成され、前記システムは、光ビームを前記光起電力素子に導き、それによって前記受信デバイスに電力を供給するように構成されたゾーン内に位置するユニットをさらに含む。

第２の態様から見ると、本発明は、送信デバイスアレイをフェーズドアレイとして動作させる方法を提供し、複数の送信デバイスは、ゾーン内で固定された相互関係にあり、各送信デバイスは、光起電力素子を備え、前記方法は、複数の前記送信デバイスから前記ゾーン内に複数の送信信号を送信するステップを含み、前記送信信号は、それらの間の少なくとも１つの所定の位相差を有し、前記方法は、前記ゾーン内に位置するユニットからの光ビームを前記光起電力素子に導き、それによって前記送信デバイスに電力を供給するステップをさらに含む。

本発明のこの態様は、フェーズドアレイとして動作するように構成された送信デバイスアレイを含むシステムにまで及んでおり、複数の送信デバイスは、ゾーン内で固定された相互関係にあり、各送信デバイスは、光起電力素子を備え、前記システムは、複数の前記送信デバイスから前記ゾーン内に複数の送信信号を送信するように構成され、前記送信信号は、それらの間の少なくとも１つの所定の位相差を有し、前記システムは、光ビームを前記光起電力素子に導き、それによって前記送信デバイスに電力を供給するように構成されたゾーン内に位置するユニットをさらに含む。

したがって、本発明によれば、トランスデューサー、すなわち、送信機および／または受信機のフェーズドアレイが、以下にさらに詳細に説明されるように、単独のトランスデューサーでは達成できない作用を提供するために使用することができる位相オフセットを有する信号を受信または生成することによって協働することが当業者には理解されよう。本出願人は、これが、１つまたは少数の光源から充電することができる比較的多数のトランスデューサーを提供することを可能にするため、本明細書に記載の光ビームおよび光起電力素子を使用してデバイスを充電することができる場合にもたらされる開かれる特に有益な用途であることを理解している。それらを別々に充電しなければならないため、バッテリーを各々で交換する、またはそれらを結線することは、典型的には、法外である。本出願人は、アレイ内のデバイスの数が多ければ多いほど、達成され得る機能性および性能が大きくなることを理解している。例えば、特定の電子機器に限定されるのではなくて、比較的広い領域（部屋など）にわたって分布するアレイ内のデバイスを使用することは、アレイが、１つのソースに焦点を合わせ、他のソースを抑える能力に関して有利な性能を与えるのに役立つことができる大きなベースラインを有することができることを意味する。

固定された相互関係にある複数のデバイスを有することにより、モバイルデバイスを充電するときに生じる位置合わせ、遮蔽などに関する問題を回避することができるため、遠隔充電システムを実施する実際的な困難を大幅に低減する。また、デバイスの相対位置を毎回決定することなく、受信信号の処理または信号の送信に使用されるデバイスの位置（設置時または時折のみ取得されてもよい）の情報を得ることができる。

送信機は、例えば、光、電波、レーダーなどを送信するための、任意の適切なタイプのものであってもよい。一組の実施形態では、送信機は、音が伝達されるようにラウドスピーカーを備える。これにより、例えばビームフォーミングを使用することによって、ゾーンの特定の部分のみに音を送ることが可能になるであろう。このような一組の実施形態では、音は可聴音である。この１つの用途は、ゾーン内の人への個人向け音声を送ることであり、これは、ゾーン内のその人にのみ聞こえるが、ゾーン内の他の人には聞こえない。このような実施形態の別の組（相互に排他的である必要はない）では、音は超音波である。このいくつかの可能な用途が以下に説明される。

受信機は、例えば、光、電波、レーダーなどを受信するための、任意の適切なタイプのものであってもよい。一組の実施形態では、受信機は、音が受信されるようにマイクロフォンを備える。これにより、例えばビームフォーミングを採用することによって、ゾーンの特定の部分のみから音をピックアップすることが可能になるであろう。このような一組の実施形態では、音は可聴音である。この１つの用途は、ゾーン内の人からの音声を聞くことであるが、ゾーン内の他の人または音源からは聞こえない。これは、例えば、通信のために、または音声制御システムと対話する人を特定するために使用することができる。このような実施形態の別の組（相互に排他的である必要はない）では、音は超音波である。このいくつかの可能な用途が以下に説明される。

一組の実施形態では、送信機および受信機の両方が使用される。それらは、互いから独立していてもよいが、一組の実施形態では、共通のシステムの一部を形成する。上記のアイデアをまとめた例示的な一組の実施形態では、マイクロフォンアレイを使用して、特定の人からの音声を聞いてもよく、ラウドスピーカーアレイを使用して、ゾーン内に他の人が存在するにもかかわらず、遠隔の話相手と私的な会話をすることができるように、同じ人に音を導いてもよい。

別の例示的な一組の実施形態では、ラウドスピーカーは超音波信号を送信するために使用され、マイクロフォンはその反射を受信するために使用される。これは、ゾーン内の物または人の存在または位置を決定するために使用されてもよい。

上述のものの変形例である、さらなる例示的な一組の実施形態では、受信デバイスは、可聴音と超音波の両方を受信し、その結果、超音波を使用して人の位置が特定されると、ｓの人からの音声を聞く目的で人を特定することができるように、受信した可聴音のビームフォーミングを誘導するのに利用できる。これにより、人固有の音声制御が可能になる場合がある。別の組の実施形態では、人の位置を使用して、音声コマンドにコンテキストを自動的に提供してもよい。例えば、人がテレビの前で「電源を入れる」と言うと、テレビは自動的に電源を入れることができる。

別の一組の実施形態では、送信機は、レーダー送信機、例えば、超広帯域レーダー送信機を含み、受信機は、対応するレーダー受信機を含む。これらはまた、それ自体知られているように、物の存在または位置を決定するために効果的に使用することができる。

送信デバイスは、すべてが互いに同じである必要はない。同様に、受信デバイスは、すべてが互いに同じである必要はない。２つ以上のタイプの送信機／受信機が使用される場合、それらは、協働して一体化されたフェーズドアレイを形成してもよく、または各タイプが、それ自体の独立したフェーズドアレイを形成してもよい。

各受信デバイスは、単一の受信機を備えてもよい。しかし、一組の実施形態では、各受信デバイスは、受信機アレイ（すなわち、共通の所定の相互間隔を有する複数の受信機）を備える。この「アレイのアレイ」は、受信デバイスが比較的離れて間隔をあけて配置される場合の信号に対する到達方向の曖昧さを解決するのに役立つ可能性がある。

同様に、各送信デバイスは、単一の送信機を備えてもよいが、一組の実施形態では、各送信デバイスは、送信機アレイ（すなわち、共通の所定の相互間隔を有する複数の送信機）を備える。

複数のデバイスは、典型的には、ゾーンの周りに空間的に分布している。それらは、例えば、ゾーンの境界の周りに等間隔に間隔をあけてもよい。それらは、水平に、垂直に、またはその両方に分布していてもよい。ゾーンは、任意のサイズおよび形状であり得る。ゾーンは、アウトドアゾーンであってもよいが、一組の実施形態では、ゾーンは、インドアゾーン、例えば、部屋、ホール、チャンバーなどの密閉空間を含む。好都合には、デバイスは、部屋の壁および／または天井に固定されるか、または一体化される。一組の実施形態では、受信信号は、部屋の形状および／または寸法を決定するために処理される。これは、音声再生、インドア位置決めシステムなどの較正に役立たせることができる。

受信デバイスのすべてからの受信信号が処理され得る。しかし、一組の実施形態では、受信デバイスのサブセットからの信号のみが処理される。これは、関連する可能性のある信号のみを考慮することによって、電力節約を可能にすることができる。サブセットは、いくつかの要因、例えば、ゾーン内の人の決定された位置、ユーザー選択、時間的要因（例えば、「スキャン」を可能にするための）、または、信号強度あるいは信号対ノイズ比などの受信信号に関連するパラメーターのいずれかに基づいて選択することができる。

処理される受信信号は、ゾーン内の音源から直接受信されたものだけとすることができる。しかし、一組の実施形態では、例えば壁および／または天井からの反射も使用される。

本発明の第１の態様によれば、受信信号は、それらの間の少なくとも１つの位相差を使用して処理される。好都合には、受信デバイスのうちの少なくとも一部は、受信信号に関するデータが処理サブシステムに送信されることを可能にするためのワイヤレスデータ送信サブシステムを備える。処理サブシステムは、受信デバイスが、それらの信号を処理することができる２つ以上の受信デバイスの１つ以上のグループを形成するように、別の受信デバイスによって提供され得る。一組の実施形態では、処理サブシステムは、受信信号に関する前記データを受信するためのデータ受信サブシステムを備えるハブによって提供される。ハブは、受信デバイスのすべてまたはサブセットに共通であってもよい。

本発明の第２の態様によれば、送信信号は、それらの間に少なくとも１つの位相差を有する。好都合には、送信デバイスのうちの少なくとも一部は、送信のための信号に関するデータがソースサブシステムから受信されることを可能にするワイヤレスデータ受信サブシステムを備える。ソースサブシステムは、送信デバイスが２つ以上の送信デバイスの１つ以上のグループを形成するように、または中継構成または「マルチホップ」構成を促進するように、別の送信デバイスによって提供され得る。一組の実施形態では、ソースサブシステムは、送信される信号に関する前記データを送信するためのデータ送信サブシステムを備えるハブによって提供される。ハブは、送信デバイスのすべてまたはサブセットに共通であってもよい。

（本発明の両方の態様による）上述のワイヤレスデータ送信サブシステムおよびワイヤレスデータ受信サブシステムは、送信／受信デバイスが採用するのと同じ一次媒体を使用してデータを送信／受信するように構成することができる。例えば、送信デバイスがラウドスピーカーを備える場合、それらは、ハブ上のマイクロフォンによって受信するために、それらが発する音に関するデータを符号化するように構成され得る。しかし、一組の実施形態では、独立したワイヤレスデータ通信チャネルが使用される。一組の実施形態では、独立したワイヤレスデータ通信チャネルは、無線信号、例えば、ＷｉＦｉ（商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（商標）などを含む。それは、また充電のために使用されるのと同じ信号経路、または、他の、並列の、または独立した光通信経路を使用する光通信を使用することもできる。

送信デバイスと受信デバイスの両方が（別々に、または一体化されて）提供される一組の実施形態では、各々のハブは、好ましくは同じである。

好ましくは、ハブは、充電ユニットを有する共通のハウジング内に位置している。このようなハブは、すべての処理を実行してもよく、または、その結果がリモートサーバー、例えばクラウド内のサーバーに送信される何らかの初期処理を実行してもよい。同様に、送信機のために個々の信号を受信したり、これらを計算したりしてもよい。したがって、ハブは、例えばＷｉＦｉ、イーサネット、ＬＴＥなどの独立した有線または無線ネットワーク接続性を有することができる。

本明細書で使用される「位相差」という用語は、時間、角度、波長の分数などの観点から表現され得る、特定の周波数における、いずれかの信号の全周期未満のある程度の精度（ただし、複数の全周期を含む信号間の差も関連し得る）で測定されるか、または測定され得る２つの信号間のタイミングオフセットを指すものと理解されるべきである。
本発明の特定の実施形態が、添付の図面を参照して、単に例として説明される。

本発明の一実施形態によるシステムが取り付けられる部屋の略平面図である。 図１に示されるシステムで使用される送信／受信デバイスのブロック図である。 本発明の一実施形態の送信／受信デバイスの図である。 図１のシステムの中央ハブのブロック図である。 システムの充電モードおよびＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（商標）通信を示す平面図である。 システムの充電モードおよびＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（商標）通信を示す部分斜視図である。 システムの充電モードおよびＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（商標）通信を示す平面図である。 ユーザーからの音声を受信する多くのノードの略図である。 特定のユーザーに音を導く多くのノードの略図である。 ２人の別々の人が遠隔の話相手との独立した会話に従事することを可能にするためのシステムの１つの使用の略図である。 本発明の一実施形態によるシステムの動作を示すフローチャートである。 本発明に従って使用することができるマイクロミラーの詳細図である。

図１は、平面図において、壁４によって画定された部屋２を示す。部屋の天井は、明確にするために省略されている。壁４の周りには、それらの上部において、送信／受信デバイス６のアレイが間隔をあけて配置されており、その結果、部屋は、本明細書では「ノード」とも呼ばれる、デバイス６によって取り囲まれるゾーンを画定する。ノード６は、所与の壁４に沿って均等に分布しているが、２つのより短い壁に沿ってより近接して間隔をあけているように示されている。中央ハブユニット８は、天井の中央に取り付けられ、主電源接続部が設けられている。

図２および図３は、送信／受信ノード６のうちの１つをより詳細に示す。この例に示されるノード６は、可聴音の送受信用であり、したがって、マイクロフォン１０とラウドスピーカー１２とを備えている。これらは、いくらかの指向性を有することができるが、後述されるように、ノード６は、ビームフォーミングを提供するためにフェーズドアレイで一緒に使用されるため、これは特に必要とされない。したがって、マイクロフォンおよびラウドスピーカーは、無指向性であってもよく、したがって、潜在的に、より低コストまたはより高い性能であり得る。特定の用途の要件に応じて、任意の適切なタイプのマイクロフォンおよびラウドスピーカーを使用することができる。

送信／受信ノードのハウジング１４上に見える他のアイテムは、小さな光起電力パネル１６、例えば、Ｅｘｃｅｌｉｔａｓ社から入手可能なＣ３０６６５ＧＨであり、これは、内部の再充電可能バッテリー１８に接続されている。実際には、この接続は、明確にするために、この図では省略されているバッテリー管理モジュールによって制御されるであろう。

さらに、ノード６は、マイクロフォン１０から信号を受信し、ラウドスピーカー１２に信号を供給するマイクロプロセッサー２０を含む。再び、実際には、適切な増幅回路およびフィルタリング回路が提供されるが、これらは明確にするために省略されている。プロセッサー２０は、中央ハブユニット８とのデータ通信を可能にするメモリー２１およびＢｌｕｅｔｏｏｔｈトランシーバー２２にも接続されている。

図４を参照すると、中央ハブユニット８の主要構成要素のブロック図が見られる。これも前述のように、送信／受信ノード６とのデータ通信を可能にするためにＢｌｕｅｔｏｏｔｈトランシーバー２６に接続される少なくとも１つのプロセッサー２４を含む。さらに、プロセッサー２４は、メモリー２８と、システムが取り付けられる部屋２を含む建物のＷｉＦｉネットワークに接続することを可能にするＷｉＦｉモジュール３０とに接続される。これにより、インターネットとの通信が可能になり、データの受け渡しを行うことができる。

また、中央ハブユニットは、Ｓｅｍｉｎｅｘ社から入手可能なＴＯ９－１５４－１６１などのレーザー光発生装置３２と、ある範囲の方向にレーザー光発生装置３２から出るレーザー光のビームを誘導するために、２つの独立した方向の各々に弾性バイアス力に抗してミラーを傾斜させるように作動可能な少なくとも２つの独立したアクチュエーターを備えたＭＥＭＳ構造体を備える操作可能なマイクロミラー３４とを備えている。

使用可能なマイクロミラーの一例が、図１０に示されており、米国特許第９，２５０，４１８号明細書により詳細に記載されている。図１０は、例えばシリコンの固定光学素子５２とフレーム５８との間の結合手段を提供するリング状膜５４に基づくＭＥＭＳマイクロミラー５０を示す。アクチュエーターが設けられており、このアクチュエーターは、その周囲の周りに４つの円弧状部分５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄに分割されている。対応する内部アクチュエーター部分（図示せず）も設けられる。位置測定のために複数のピエゾ抵抗器６０が設けられている。これらのピエゾ抵抗器６０は、アクチュエーター部分の間のギャップ内に配置されている。

アクチュエーター部分５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄは、フレーム５８と固定素子５２との間の結合領域を画定する膜５４上に配置されている。アクチュエーター部分５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄは、固定素子ディスク５２を偏向させる。光学素子５２は、アクチュエーター素子５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄによって移動したときに、本質的に同じ形状を維持するように固定されている。アクチュエーター素子５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄは、好ましくは、圧電材料が収縮すると、膜上に配置されたアクチュエーター部分が上方に曲げられ、したがって、その方向に膜を引っ張るように、フレーム５８または固定素子５２のいずれかに近接して配置される。

部屋の周りに完全な３６０°の受信領域を提供するために、多くのレーザーおよびマイクロミラーの対を設けてもよい。レーザー３２およびマイクロミラー３４は、プロセッサー２４によって制御されてもよく、または別々のコントローラーユニットが提供されてもよい。

図５ａ、図５ｂ、および図５ｃは、中央ハブユニット８が、壁４に固定された部屋の周りに分布する送信／受信ノード６の各々を充電する方法を示す。これは、各ノード６において、各光起電力パネル１６にレーザー光３６のビームを導くことによって行われ、それによって、それらの内部バッテリー１８を充電するために使用される電流を生成する。これらの図は、ノード６に同時に送信されるビーム３６を示しているが、実際には、単一のビームがサイクル内の各ノードに順番に導かれてもよい。これは、バッテリーが完全に充電されるまで、所与のノード６においてビームを導き、次いで次へ移動させることによって行うことができ、または、ビーム３６は、すべてが同様の速度で充電されるように、ノードの周りに単に順次移動させることができる。

先に説明し、図５ｃに示されるように、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（商標）を介したデータ通信チャネル３８の利用可能性は、例えば、低充電のノードに優先順位を付けるために使用することができるその充電レベルに関して、個々のノード６から中央ハブユニット８へのフィードバックを可能にする。また、レーザービーム３６と所与のノードの光起電力パネル１６との間に適切なアライメントがあることを確認するためにフィードバック機構の一部として使用することができる。これにより、ハブ８は、アライメントの緩やかなドリフトを補償することができ、または、例えば、光路が遮蔽されたために、光起電力パネル１６が点灯すべきときに点灯しない場合にアラートを発するために使用することができる。

データ通信チャネル３８は、もちろん、充電中だけでなく、フェーズドアレイ動作中にも使用される。

図６は、例えば、３つの別々のノード６ａ、ノード６ｂ、ノード６ｃにおいてそれらの各マイクロフォン１０を使用してピックアップされる。音声を発している部屋２に位置する人３８を示す。当業者には理解されるように、人３８から各ノード６ａ、ノード６ｂ、ノード６ｃまでの信号経路長が異なるため、各ノードで受信される信号に位相差があるだろう。人３８が部屋内に位置する場所についての情報を使用することによって、例えば、後述される技法の１つを使用することによって、正しい相対位相差を有する音、したがって、人３８から出る音のみを使用することができ、他の音、例えば、部屋の他の場所からの音は抑えられる。これは、以下により詳細に説明される。

図７は、ノード６ｂ、ノード６ｃ、ノード６ｄの各々のラウドスピーカー１２から適切な信号４４ｂ、信号４４ｃ、信号４４ｄを互いから適切な位相オフセットで送信することによって、音が部屋内の特定の人３８に標的化され得る方法を同様に示す。

図８および図９は、部屋内の特定の個人３８が、例えば、ボイスオーバーＩＰ（ＶｏＩＰ）サービスプロバイダーを使用して、遠隔の話相手との「私的な」音声会話をする一方で、部屋４０内の第２の人が、異なる遠隔の話相手との独立した会話を行う方法を示す。ここでは、第１の人３８が、第１の人３８へ送受信される音のビームフォーミングを可能にする適切な位相差で、３つのノード６ａ、ノード６ｂ、ノード６ｃによってピックアップされ、それらから音を聞くことができることが示されている。第２の人４０もまた、ビームフォーミングを達成するために適切な位相差を使用する３つのノード６ｃ、ノード６ｄ、ノード６ｅと相互作用するように示されており、もちろん、共通ノード６ｃによって適用される位相差は、第２の人４０への音／第２の人４０からの音と比較して、第１の人への音／第１の人からの音に対して異なることが理解されるであろう。もちろん、実際には、この原理に従う複数の独立した会話のために、より多くの、またはすべてのノードを使用することができる。

図９は、部屋内の個人と遠隔の話相手との間の独立した「私的な」音声通話を行うのに必要なステップを示すフローチャートである。部屋内の人３８、人４０のいずれかについて、プロセスは、ステップ９０２で通話を開始することによって始まり、この通話は、例えば、壁上のスクリーンをタッチすること、または部屋内のデバイス（図示せず）、スマートフォンアプリケーション、音声コマンド、またはジェスチャーによって、いくつかの方法で行うことができる。次いで、人は、ステップ９０４において、部屋内の既知の場所から通常の声、または低い声でも話し始めることができる。次いで、ステップ９０６において、いくつかのノード６からのマイクロフォンが音声データを捕捉し、ステップ９０８において、その初期処理、例えば、フィルタリング、増幅、デジタル変換などを実行する。

次いで、ステップ９１０において、ノードは、ステップ９０８におけるＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（商標）接続を介して、それらの個々のデジタル信号を中央ハブ８に送信する。ステップ９１２において、中央ハブは、各信号の位相差を決定し、ビームフォーミングを適用して、既知の場所を与えられた関連する人に対応する信号を特定する。理解されるように、同じ音が多くのノードによって受信されるため、１つのノード／マイクロフォンを使用して音を受信することと比較してＳＮＲの改善が達成される。次いで、ステップ９１４において、その特定の人に対応する特定されたデジタルデータストリームが、ＶｏＩＰサービスを操作するリモートサーバーにＷｉＦｉ接続を介して送信される。

「聞く」側では、ステップ９１６でＶｏＩＰサービスからのＶｏＩＰデータがＷｉＦｉを介して受信され、ステップ９１８でこれが中央ハブ内のプロセッサー２４によって処理されて、ビームフォーミングを実行し、いくつかの送信機からの各信号に適用される位相オフセットを決定する。次いで、ステップ９２０において、各信号は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（商標）を介してノード６に送信され、ステップ９２２において、アナログ信号に変換される。次いで、図７に示されるように、ステップ９２４において、スピーカーによって音を伝えることができる。ステップ９２６において、音は、既知の場所においてのみ、意図された人に聞こえる。したがって、部屋内の２人の個人３８、個人４０の各々について同様のプロセスを実行することによって、彼らは、他方を妨害することなく、別々の独立した私的な会話をすることができる。

上述のように、これらの実施形態で使用されるビームフォーミングアルゴリズムは、部屋内の標的の位置の情報を必要とする。これは、多くの方法で得ることができる。これは、別々のシステム、例えば、カメラおよび画像解析ソフトウェアによって、またはノード自体を使用することによって、例えば、掃引を実行し、最も強い音源が位置する場所を決定することによって、得ることができる。別の代替案では、多くのノードが短距離超広帯域レーダー信号を送受信することを、前の図を参照して説明されたノードと共に使用する、または本発明の原理の異なる用途として使用することができる。これらの信号は、潜在的に他のノードと同様に、各送信ノードによって受信された反射を生成する標的（図７に示された音声信号とほぼ同じ方法で）に衝突する。

各ノードが送受信する信号の各飛行時間を比較することによって、単純な三角測量によって標的の位置を決定することができる。

ここで、マイクロフォンによって受信される信号およびラウドスピーカーを駆動する信号に適用される処理のさらなる詳細が提供されるであろう。

例として、部屋の周りに、レーザーによって充電されているＮ個のノードがあると仮定する。各ノードには、送信機（スピーカー）と受信機（マイクロフォン）が含まれている。

上述したように、図６および図７に示される構成の目的は、部屋で話している１人の特定の人３８からの音声を検出して増幅し、同じ人３８に「指向的に」音声を送り返すことである。部屋には複数の人３８，４０がいてもよく、各々が図８に示される自分自身の「私的な送信／受信チャネル」を有する。

図６に示される最初の受信を考えると、部屋で話している標的の人３８の場所が既知であり（例えば、上述の手法のうちの１つを使用して）、音速ｃが既知であると仮定する。ノード６（送信機および受信機）の場所は、もちろん、部屋の壁に固定されているため既知である。それらの位置は、レーザーの位置決めスキャンを介して初めに推定することができ、それらの正確な位置は、手動でまたは自動的に計算システムに入力することができ（例えば、絶対測定能力を有する３Ｄカメラを介して）、または信号処理アルゴリズムから「盲目的に」または「半盲目的に」推定することができる。このような方法は、当該技術分野で周知である（例えば、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｂｅｂｅｃ．ｅｕ／Ｄｏｗｎｌｏａｄｓ／ＢｅＢｅＣ２０１０／Ｐａｐｅｒｓ／ＢｅＢｅＣ－２０１０－１５．ｐｄｆ参照）。

部屋内の標的の人３８の位置がｐ＝［ｘ，ｙ，ｚ］であり、すべてのマイクロフォンの位置がｘ_１，ｘ_２，ｘ_３，．．．ｘ_Ｎであるとすると、位置ｐにおける標的と各マイクロフォンとの間の予想飛行時間は、式ｓ＝ｖ＊ｔ（距離は速度×時間に等しい）を介して、以下の式のように計算することができる。

標的の人３８が部屋内の唯一のアクティブな音源であると仮定すると、受信信号ｙ_１（ｔ），ｙ_２（ｔ），ｙ_３（ｔ），．．．ｙ_Ｎ（ｔ）は、以下の式のように表すことができる。

これを表現する別の方法は、以下の式である。

両方の方程式は、本質的に、各マイクロフォンが、標的の人から出力された音の適切に時間遅延したバージョンを受信することを示す。説明を簡単にするために、減衰項は含まれていない（例えば、音に対する典型的な４０Ｋｈｚを超える空気中のエネルギーおよび緩和機構の球形または非球形の広がりの関数として音の減衰が生じる）が、しかし、それらは、当業者によって理解されるように容易に組み込むことができる。

対象信号ｓ（ｔ）を回復する方法は、遅延と合計、すなわち、以下の式である。

全体の結果は、遅延と合計のビームフォーミングを介した信号対ノイズ比の増幅である。周波数領域では、これは、以下の式のように表すことができる。

D_i(ω)は、ユニットモジュールを有する（すなわち、それは、信号を位相遅延させるだけであり、上で説明された仮定に従ってそれを増幅または減衰させない）ことに留意されたい。したがって、周波数領域では、遅延と合計の回復戦略は、以下の式となる。

これは、フェーズドアレイという用語を生じさせ、すなわち、いくつかのまたはすべての周波数帯域における位相情報は、対象信号を回復するために積極的に使用される。また、干渉信号がミックスに加算される場合、すなわち、以下の式の場合、Z(ω)が、ある他の位置ｑで発信し、F_i(ω)として表される個々の時間遅延を介してマイクロフォン１０の各々に向かって遅延される干渉信号である場合に、同じ遅延と合計の戦略は、対象の信号に対する出力結果における干渉信号の影響を低減するようにも働くことになり、すなわち、戦略は、信号対ノイズおよび干渉比を改善するために位相情報を使用することになることに留意されたい。

信号源強化のために他のより洗練された技法が存在する。いくつかは、干渉源の位置および／または統計的音響特性を考慮する、すなわち、上記の例のように、それらの影響を低減するために単に塗りつぶすのではない。最小分散不偏受信機（ＭＶＤＲ）またはカポンビームフォーミングは、一例に過ぎない。

さらに、インパルス応答は、単に人３８からマイクロフォン１０の各々に向かう音の直接経路だけでなく、壁、天井または他の物に衝突する音から来る任意の後続のエコーも考慮することができるため、各ソースから各マイクロフォンへの音響伝達関数、またはインパルス応答が既知である場合には、より良い結果が得られる。H_ij(ω)が、周波数領域において、ソースｊ，ｊ＝１，．．．Ｑからマイクロフォン番号ｉへのインパルス周波数応答を示すとすると、S_j(ω)をｊ番目のソースからのソース信号を以下の式と仮定する。

これは、ベクトル内の連続するマイクロフォン入力を以下の式のように積み重ねることによって、ベクトル行列表記に入れることができる。

時間領域におけるインパルス応答の効果、すなわちh_ij(t)（音源信号s_ij(t)で畳み込まれる）がブロックテプリッツ行列システムを構築する時間領域において、同様の式が存在する。時間領域または周波数領域で使用されるかどうかにかかわらず、以下の技法：最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ）受信機の戦略、ブラインド音源分離または独立した成分分析、対象信号に関連する統計的特性を利用するブラインド音源分離手法、ベイズモデルを伴うガウス混合モデルなどのスパース法、圧縮センシングにおけるようなＬ１ベースの正則化法、あるいは位相情報を利用する任意の他の適切な技法のいずれかを同様に十分に使用することができる。

インパルス応答は盲目的に推定することができる（例えば、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｅｕｒａｓｉｐ．ｏｒｇ／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ／Ｅｕｓｉｐｃｏ／Ｅｕｓｉｐｃｏ２０１５／ｐａｐｅｒｓ／１５７００９９２３５．ｐｄｆ参照）。

本明細書で先に説明したように、送信／受信ノードデバイス６は、単一のマイクロフォン１０の代わりに、マイクロフォンアレイを有してもよい。この場合、上記の推論を「配列のアレイ」に使用してもよい。これは、いくつかの状況において特に有用であり得る。各（単一の）デバイス６の間の間隔が大きすぎる場合、デバイスの組をアレイとして見ると、「グレーティングローブ」が生じる可能性があり、これは、実際には、同じ組のマイクロフォンアレイ応答、すなわち、波動場の構成における曖昧さをもたらす可能性がある、複数の組の入射波方向が存在することを意味する。ビームフォーミングアルゴリズムなどに対する効果は、特定の方向から来る波が、いくつかの他の方向からの波と区別できないことであり得、これは、それらがうまく分離できないことを意味する。この場合、各デバイスの単一のマイクロフォンをアレイに置き換えると、グレーティングローブの影響を実質的に減らすことができる。

ここで図７に示される送信を参照すると、同様に、ノードデバイス６の各々におけるラウドスピーカー１２の場所が既知であり（上記のマイクロフォンの場合と同様に）、標的３８の場所も既知であると仮定する。次いで、上で使用された時間遅延を使用して、ラウドスピーカーｊから出力される各出力信号s_j(t)を以下の式のように定義することができる。

この場合、標的の人３８の位置で受信された信号は、以下の式になる。

また、送信側では、インパルス応答関数の詳細な情報を利用して、壁および天井または他の大きな物のような反射器を利用して、より良い集束さえ生成することが可能である。例えば、h_ij(t)が、各送信機ｊと各標的Ｉとの間のインパルス応答である場合、各標的ｉで聞いた音は、以下のように一緒にモデル化することができる。

行列H_ijは、そのシフトされた行としてインパルス応答h_ij(t)を含む前述のテプリッツ行列であり、s_j(t)は、スピーカーｊから出力されたサンプルに対するサンプリングされたベクトルであり、y_i(t)は、ｉ番目の標的の位置で聞いた音である。ここで、受信信号が「所望のもの」になるように、すなわち、元の送信信号{s_j(t)}がすべてそれらの特定の音のミックスを含む場合であっても、特定の音がある位置Ｉで観測され、位置ｊで全く異なる音が観測されるように、送信信号{s_j(t)}を選択することが可能である。１つの簡単な例は、＝H⁺yとすることであり、ここで、H⁺は、Hのムーア・ペンローズ逆行列を示す。ノイズのロバスト性に対処することが可能である、より洗練された技法も想像することができる。上記において、インパルス応答全体が、すなわち、直接の飛行時間の経路だけでなく、音声集束のために利用することができることに留意されたい。

再び、グレーティングローブの問題を回避するために、送信機側に「配列のアレイ」を有することが時々役立つ。

送信機側でも、受信機側でも、一般的には希望に応じて焦点の「鮮鋭度を形づくる」ことが可能である。これは、例えば、人が部屋で話している間に動いており、したがって、人の正確な位置がいかなる時でも１００％知られていない場合に有用であり得る。次いで、１つの点における最大の焦点を犠牲にして、わずかに広い焦点ローブを有することは、意味をなす。このようなローブを拡大または短縮するための技法は、アレイ信号処理において周知である（ｈｔｔｐ：／／ｐｒｚｙｒｂｗｎ．ｉｃｍ．ｅｄｕ．ｐｌ／ＡＰＰ／ＰＤＦ／１１９／ａ１１９ｚ４ｐ０１．ｐｄｆ参照）。

送信側動作および受信側動作は、一緒にお互いに利益を得ることができる。例えば、マイクロフォンビームフォーミングは、スピーカーの位置を推測するために使用することができ、これは送信ビームフォーミングに有用である。

上述の実施形態は、部屋全体にわたって分布する送信機および／または受信機のアレイを有することで、デバイスがフェーズドアレイを形成するように信号を一緒に使用することができ、デバイスがすべて中央ハブ内のレーザーによって距離を置いて充電されることができる多くの強力な用途を生じさせることができる、わずかいくつかの例を示すことが理解されよう。これは、このような構成を実行可能にし、２つの技術の間の強い相乗効果を提供する。局所的または遠隔のいずれかでシステムとの豊富な対話を可能にするために、またはデバイスが使用される部屋または他のゾーンに関する情報を決定するために、任意の他の多種多様なタイプの信号の送信、受信、または両方のいずれかを使用する、本発明に従って可能な他の多くの用途が存在することが、当業者には理解されよう。

Claims (36)

1. 受信デバイスアレイをフェーズドアレイとして動作させる方法であって、
   複数の受信デバイスが、ゾーン内で固定された相互関係にあり、各受信デバイスが、光起電力素子を備え、
   前記方法が、複数の前記受信デバイスで前記ゾーン内からの信号を受信して、複数の受信信号を生成するステップと、それらの間の少なくとも１つの位相差を使用して前記受信信号を処理するステップとを含み、
   前記方法が、前記ゾーン内に位置するユニットからの光ビームを前記光起電力素子に導き、それによって前記受信デバイスに電力を供給するステップをさらに含む、方法。
2. 一体化されたフェーズドアレイを形成するために協働する２つ以上のタイプの受信機を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記受信デバイスのサブセットからの信号のみを処理し、前記ゾーン内の人の特定位置、ユーザー選択、時間的要因、または前記受信信号に関連するパラメーターのうちの１つ以上に基づいて前記サブセットを選択するステップを含む、請求項１または２に記載の方法。
4. ゾーン内の音源からの反射の結果として受信される信号を処理するステップを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. フェーズドアレイとして動作するように配置された受信デバイスアレイを含むシステムであって、
   複数の受信デバイスが、ゾーン内で固定された相互関係にあり、各受信デバイスが、光起電力素子を備え、
   前記システムが、複数の前記受信デバイスで前記ゾーン内からの信号を受信して、複数の受信信号を生成し、それらの間の少なくとも１つの位相差を使用して前記受信信号を処理するように構成され、
   前記システムが、光ビームを前記光起電力素子に導き、それによって前記受信デバイスに電力を供給するように構成された前記ゾーン内に位置するユニットをさらに含む、システム。
6. 前記受信デバイスが、マイクロフォンを備える、請求項５に記載のシステム。
7. 各受信デバイスが、受信機のアレイを備える、請求項５または６に記載のシステム。
8. 前記デバイスが、前記ゾーンの１つ以上の境界の周りに等間隔に間隔をあけて配置される、請求項５から７のいずれか一項に記載のシステム。
9. 前記デバイスが、部屋の壁および／または天井に固定されるか、または一体化される、請求項５から８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記部屋の形状および／または寸法を決定するために、前記受信信号を処理するように構成された、請求項９に記載のシステム。
11. 前記受信デバイスの少なくとも一部が、前記受信信号に関するデータが処理サブシステムに送信されることを可能にするワイヤレスデータ送信サブシステムを備える、請求項５から１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. 前記処理サブシステムが、複数の前記受信デバイスが、それらの信号を処理する２つ以上の受信デバイスを含む１つ以上のグループを形成するように、別の受信デバイスによって提供される、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記処理サブシステムが、前記受信信号に関する前記データを受信するハブによって提供される、請求項１１に記載のシステム。
14. 送信デバイスアレイをフェーズドアレイとして動作させる方法であって、
    複数の送信デバイスが、ゾーン内で固定された相互関係にあり、各送信デバイスが、光起電力素子を備え、
    前記方法が、複数の前記送信デバイスから前記ゾーン内に複数の送信信号を送信するステップを含み、前記送信信号が、それらの間の少なくとも１つの所定の位相差を有し、
    前記方法が、前記ゾーン内に位置するユニットからの光ビームを前記光起電力素子に導き、それによって前記送信デバイスに電力を供給するステップをさらに含む、方法。
15. 一体化されたフェーズドアレイを形成するために協働する２つ以上のタイプの送信機を含む、請求項１４に記載の方法。
16. フェーズドアレイとして動作するように構成された送信デバイスアレイを含むシステムであって、
    複数の送信デバイスが、ゾーン内で固定された相互関係にあり、各送信デバイスが、光起電力素子を備え、
    前記システムが、複数の前記送信デバイスから前記ゾーン内に複数の送信信号を送信するように構成され、前記送信信号が、それらの間の少なくとも１つの所定の位相差を有し、
    前記システムが、光ビームを前記光起電力素子に導き、それによって前記送信デバイスに電力を供給するように構成されたゾーン内に位置するユニットをさらに含む、システム。
17. 前記送信デバイスが、ラウドスピーカーを備える、請求項１６に記載のシステム。
18. 各送信デバイスが、送信機のアレイを備える、請求項１６または１７に記載のシステム。
19. 前記送信デバイスが、前記ゾーンの１つ以上の境界の周りに等間隔に間隔をあけて配置される、請求項１６から１８のいずれか一項に記載のシステム。
20. 前記デバイスが、部屋の壁および／または天井に固定されるか、または一体化される、請求項１６から１９のいずれか一項に記載のシステム。
21. 前記送信デバイスの少なくとも一部が、送信のための前記信号に関するデータがソースサブシステムから受信されることを可能にするように構成されたワイヤレスデータ受信サブシステムを備える、請求項１６から２０のいずれか一項に記載のシステム。
22. 前記ソースサブシステムが、複数の前記送信デバイスが２つ以上の送信デバイスを含む１つ以上のグループを形成するように、または中継配置を促進するように、別の送信デバイスによって提供される、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記ソースサブシステムが、送信される信号に関する前記データを送信するためのデータ送信サブシステムを備えるハブによって提供される、請求項２１または２２に記載のシステム。
24. フェーズドアレイとして動作するように構成された送信デバイスアレイをさらに含む、請求項５から１３のいずれか一項に記載のシステムであって、
    複数の送信デバイスが、前記ゾーン内で固定された相互関係にあり、各送信デバイスが、光起電力素子を備え、
    前記システムが、複数の前記送信デバイスから前記ゾーン内に複数の送信信号を送信するように構成され、前記送信信号が、それらの間の少なくとも１つの所定の位相差を有し、
    前記ゾーン内に位置する前記ユニットが、光ビームを前記送信デバイスの前記光起電力素子に導き、それによって前記送信デバイスに電力を供給するように構成される、システム。
25. 複数の送信機のフェーズドアレイが、請求項１７から２３のいずれか一項に記載のものである、請求項２４に記載のシステム。
26. 前記受信デバイスがマイクロフォンを備え、前記送信デバイスがラウドスピーカーを備え、前記マイクロフォンのアレイが、人からの音声を聞くように構成され、前記ラウドスピーカーのアレイが、前記人に音声を導くように構成される、請求項２４または２５に記載のシステム。
27. 前記受信デバイスがマイクロフォンを備え、前記送信デバイスがラウドスピーカーを備え、前記ラウドスピーカーが、超音波信号を送信するように構成され、前記マイクロフォンが、その反射を受信するために使用される、請求項２４から２６のいずれか一項に記載のシステム。
28. 前記超音波信号を使用して人の位置を特定するように構成される、請求項２７に記載のシステム。
29. 前記受信デバイスが、前記超音波を使用して人の位置が特定された場合に、前記システムが、受信した可聴音のビームフォーミングを誘導するように構成されるように、可聴音および超音波の両方を受信するように構成される、請求項２８に記載のシステム。
30. 人の位置を使用して、音声コマンドにコンテキストを自動的に提供するように構成される、請求項２８または２９に記載のシステム。
31. ２つ以上のタイプの送信機／受信機を含み、前記２つ以上のタイプの送信／受信デバイスが、一体化されたフェーズドアレイを形成するために協働するように構成される、請求項２４から３０のいずれか一項に記載のシステム。
32. 前記デバイスが、部屋の壁および／または天井に固定されるか、または一体化される、請求項２４から３１のいずれか一項に記載のシステム。
33. 複数の前記送信デバイスの少なくとも一部が、送信のための信号に関するデータがソースサブシステムから受信されることを可能にするワイヤレスデータ受信サブシステムを備え、および／または、前記受信デバイスの少なくとも一部が、前記受信信号に関するデータが処理サブシステムに送信されることを可能にするワイヤレスデータ送信サブシステムを備える、請求項２４から３２のいずれか一項に記載のシステム。
34. 前記ソースサブシステムが、複数の前記送信デバイスが２つ以上の送信デバイスを含む１つ以上のグループを形成するように、または中継配置を促進するように、別の送信デバイスによって提供される、および／または、前記処理サブシステムが、複数の前記受信デバイスが、信号を処理することができる２つ以上の受信デバイスを含む１つ以上のグループを形成するように、別の受信デバイスによって提供される、請求項３３に記載のシステム。
35. 前記ソースサブシステムが、送信される信号に関する前記データを送信するためのデータ送信サブシステムを備えるハブによって提供される、および／または、前記処理サブシステムが、前記受信信号に関する前記データを受信するためのデータ受信サブシステムを備える前記ハブによって提供される、請求項３３に記載のシステム。
36. 充電に使用されるのと同じ信号経路を使用する、光通信を含むワイヤレスデータ通信経路を含む、請求項２４から３５のいずれか一項に記載のシステム。

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