TW201707329A

TW201707329A - 無線功率傳輸的功率密度控制

Info

Publication number: TW201707329A
Application number: TW105123061A
Authority: TW
Inventors: 梅瑞迪斯佩瑞; 保羅雷諾德; 西恩泰弗勒; 安德魯喬伊斯
Original assignee: 優賓股份有限公司
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2016-07-21
Publication date: 2017-02-16
Also published as: EP3325178A1; CN108136439A; KR20180033221A; WO2017015506A1; EP3325178A4

Abstract

信號生成器生成發送至放大器的電氣信號，從而使用來自電源的功率增大該信號的功率。將放大後的信號饋送至發送器換能器，以生成可以聚焦並發送至接收器的超聲波。接收器換能器將這些超聲波轉換回成電能，並且將該電能儲存在諸如電池等的儲能裝置中、或者使用該電能來對裝置進行供電。這樣，可以在不必連至電氣插座的情況下遠程地對裝置進行充電或供電。

Description

無線功率傳輸的功率密度控制

相關申請的交叉引用

本申請要求作為2015年3月2日提交的美國專利申請14/635,861的部分延續申請的優先權，其中該美國專利申請14/635,861要求2012年5月22日提交的美國專利申請13/477,551的優先權，其中該美國專利申請13/477,551要求2011年5月27日提交的美國臨時專利申請61/490,988的優先權，所有這些申請的全部內容通過引用包含於此。本申請還涉及以下專利申請：標題為“Sender Communications for Wireless Power Transfer”的美國專利申請13/477,452；標題為“Receiver Communications for Wireless Power Transfer”的美國專利申請13/477,551；標題為“Sender Transducer for Wireless Power Transfer”的美國專利申請13/477,555；標題為“Receiver Transducer for Wireless Power Transfer”的美國專利申請13/477,557；標題為“Sender Controller for Wireless Power Transfer”的美國專利申請13/477,565；以及標題為“Receiver Controller for Wireless Power Transfer”的美國專利申請13/477,574；所有這些專利申請均於2012年5月22日提交，並且每一個專利申請的全部內容均包含於此。

本發明係有關於一種無線功率傳輸的功率密度控制。

發明背景

可以使用配線來將需要能量進行工作的裝置插入電源。這樣可能會限制裝置的移動並將該裝置的操作局限於從電源起的特定最大距離內。甚至大部分電池供電裝置也必須週期性地使用繩來連至電源，這樣可能不方便並且存在限制性。

發明概要

根據所公開的主題的實施例，系統包括至少一個第一換能器，其中該第一換能器被配置為將電能轉換成採用超聲波形式的超聲波能量。第一換能器與第一控制器進行通信，並且第一控制器與第一通信裝置進行通信。

在所公開的主題的另一實施例中，系統包括至少一個第二換能器，其中該第二換能器被配置為將採用超聲波形式的超聲波能量轉換成電能。第二換能器與第二控制器進行通信，並且第二控制器與第二通信裝置進行通信。

通過考慮以下的具體實施方式部分、附圖和申請專利範圍，可以陳述所公開的主題的附加特徵、優點和實施例並且這些附加特徵、優點和實施例可以是顯而易見的。此外，應當理解，前述的發明內容部分和以下的具體實施方式部分這兩者都是示例性的，並且意圖在沒有限制申請專利範圍的範圍的情況下提供進一步的解釋。

101‧‧‧發送器

102‧‧‧電源

103‧‧‧信號生成器

104‧‧‧放大器

105‧‧‧裝置；控制器；發送器控制器

106‧‧‧發送器換能器；第一換能器

107‧‧‧超聲波束

108‧‧‧接收器

109‧‧‧接收器換能器；第二換能器

110‧‧‧儲能裝置

111‧‧‧功率處理器；接收器控制器

112、113‧‧‧天線

114‧‧‧功率處理器

115‧‧‧處理器

201‧‧‧源孔

202、203、204‧‧‧子孔

205、206、207‧‧‧目標焦點

301、302、303、304‧‧‧源目標

305、306、307、308‧‧‧目標焦點

為了提供所公開的主題的進一步理解所包括的附圖併入並且構成本說明書的一部分。這些附圖還示出所公開的主題的實施例，並且連同具體實施方式部分一起用來說明所公開的主題的實施例的原理。關於所公開的主題的基本理解以及可以實踐的各種方式，沒有試圖以比所需更詳細的方式示出結構詳情。

圖1示出根據本發明實施例的系統。

圖2示出根據本發明實施例的系統。

圖3示出根據本發明實施例的系統。

較佳實施例之詳細說明

所公開的主題的實施例可以將電能轉換成聲能，其中該聲能可被傳送至將該聲能轉換回至電能的裝置。轉換得到的電能可用於對該裝置進行供電並且對該裝置的諸如電池、電容器等的一個或多個儲能組件進行充電。這樣就不需要使用繩恒定地或週期性地連至電源。實施例可以在存在任何適當持續時間的停留時間的情況下，輪流地或按任何適當序列一起向多個裝置傳輸能量。

圖1示出根據所公開的主題的系統。發送器 101可以接收來自電源102(諸如電氣插座或電池等)的電能作為輸入。信號生成器103可以生成可以由放大器104進行放大的信號。這可以在控制器105的控制下進行。放大後的信號可被發送至發送器換能器106，並且可以經由諸如空氣等的介質來發射採用超聲波107的形式的超聲波能量。接收器108可以包括接收器換能器109，其中該接收器換能器109接收採用超聲波的形式的超聲波能量並且將該超聲波能量轉換成電能，其中該電能可用於對儲能裝置110或功率處理器111進行充電。儲能裝置110的示例可以包括電池、電容器、感應電路等。裝置105的示例可以包括智慧型電話(諸如Android移動裝置、iPhone、具有Microsoft作業系統的移動裝置等)、可擕式電腦(諸如Apple筆記型電腦、具有Microsoft作業系統的筆記型電腦等)和電子內容閱讀器(諸如Amazon Kindle、Apple iPad等)等。控制器111可以控制接收器換能器109和/或儲能裝置110。

控制器105可以連接至天線112並且控制器111可以連接至天線113。如以下所述，發送器控制器105和接收器控制器111可以經由天線112和113進行通信。

發送器換能器106可以包括可以產生超聲波能量的聚焦束的呈陣列排列的多個換能器。發送器換能器106可以包括至少一個電容式微加工超聲波換能器(CMUT)、電容式超聲波換能器(CUT)、靜電換能器或者適合將電能轉換成聲能的任何其它換能器。為了經由相控陣生成聚焦的超聲波能量，發送器換能器106可以包括定時延遲換能器或參量陣換能器、或者碗狀換能器陣列。發送器101例如可以在約20kHz~約120kHz內進行工作，以經由空氣來發射例如高達約155dB的超聲波能量。為了經由其它介質進行超聲波發射，發送器101例如可以以大於或等於1MHz的頻率進行工作。發送器換能器106可以具有與約3dB的損耗相對應的高機電轉換(例如，效率約為40%)。

發送器控制器105可以基於發送器換能器106(或者通常為發送器101)相對於接收器換能器109的接近度來使發送器換能器106發出超聲波。接收器換能器109可以將從發送器換能器106接收到的超聲波能量轉換成電能。如這裡所使用的，接近度可以是發送器換能器106等和接收器換能器109等之間的實際或有效距離。有效距離可以基於發送器換能器106和接收器換能器109之間的基於以下各種因素的能量傳輸的效率，其中這些因素可以包括但不限於：這兩者的相對位置；發送器和接收器之間的傳導介質(例如，空氣、組織等)的特性；發送器和接收器的相對取向；發送器和接收器之間可能存在的障礙物；發送器和接收器之間的相對移動；等等。在一些情況下，儘管第一發送器/接收器對與第二發送器/接收器對相比分開了更大的絕對距離，但第一對與第二對相比可以具有更高的接近度。

發送器控制器105可以使超聲波能量的束指向接收器換能器109。此外，發送器控制器105可以使發送器換能器105發出具有至少一個頻率和至少一個振幅的超聲波。發送器控制器105可以使發送器換能器106基於發送器換能器106相對於接收器換能器109的接近度和/或位置來改變超聲波中的至少一部分超聲波的頻率、相位和/或振幅。另外，發送器控制器105可以使發送器換能器105基於發送器換能器所發出的超聲波能量的頻率或者基於與如由接收器控制器111所確定的超聲波能量的接收有關的資訊來改變超聲波中的至少一部分超聲波的相位和/或振幅。

發送器控制器105和接收器控制器111可以經由天線112和113進行通信。這樣，接收器控制器可以通過向發送器控制器105發送命令來本質上控制發送器換能器106所生成的能量的特性和振幅。此外，發送器控制器105可以基於從接收器控制器111接收到的資料和/或命令來控制發送器換能器106的特性。同樣，發送器控制器可以獨立於來自接收器控制器111的輸入來控制發送器換能器106所發送的能量的特性。

發送器控制器105可以包括可以發送詢問信號以檢測接收器換能器109的發送器通信裝置(未示出)。發送器通信裝置可以將控制信號發送至與接收器控制器111相連接的接收器通信裝置(未示出)。接收器控制器111可以控制接收器換能器109。該控制信號可以包括發送器換能器106所發出的超聲波能量的頻率和/或振幅。該控制信號可用於確定發送器換能器106相對於接收器換能器109的接近度和/或取向。另外，該控制信號可以包括接收器控制器109所要執行的指示，並且還可以包括與發送器換能器106的阻抗有關的資訊。

發送器通信裝置可以從可以與接收器控制器111進行通信的接收器通信裝置來接收控制信號。該控制信號可以包括從發送器換能器106所接收到的超聲波能量的期望功率水準、頻率、相位和/或振幅。另外，該控制信號可以包括接收器換能器109的阻抗、針對功率的請求和/或發送器控制器105所要執行的指示。該控制信號可用於確定發送器換能器相對於接收器換能器的接近度和/或發送器換能器相對於接收器換能器的相對取向。此外，該控制信號還可以表示功率狀況。這種功率狀況例如可以表示接收器108可利用的功率量，例如剩餘百分比、支出百分比、焦耳量或接收器儲能裝置110中剩餘的等同物。可以通過對超聲波中的至少一部分超聲波進行調製來發送該控制信號，以及/或者可以例如使用單獨的射頻發送器、或者通過經由蜂窩電話網路或經由Wi-Fi網路發送信號、或者使用光學或紅外傳輸，來以帶外方式發送該控制信號。例如，可以通過文本、即時消息、電子郵件等發送該信號。

發送器101還可以包括以各種方式已知為函數生成器、音調生成器、任意波形生成器或數位圖案生成器的可以生成超聲波的一個或多個波形的信號生成器103。控制器105自身可以包括振盪器、放大器、處理器、記憶體等(未示出)。控制器的處理器還可以執行記憶體中所存儲的指示，以使用信號生成器103來產生特定波形。信號生成器103所產生的波形可以由放大器104進行放大。控制器105可以調節如何以及何時啟動換能器106。

發送器101所用的電氣電源102可以是AC(交流)或DC(直流)電源，或者可以使用疊加在DC偏壓上的脈衝或者DC偏壓和時變源的任何組合。在使用AC電源的情況下，發送器101可以包括與信號生成器103電氣相連接的功率處理器114。功率處理器114可以從電源102接收AC功率以生成DC功率。

所發射的超聲波束107可以經過相長干涉並且生成窄的主瓣和低電平的旁瓣，以幫助聚焦和/或指引超聲波能量。還可以使用諸如幾何聚焦、時間反轉方法、經由相位滯後的束形成等的技術或者通過使用電控陣列來使發送器101所生成的超聲波能量聚焦。

發送器101可以掃描接收器的區域，可以感測接收器在房間內的位置，可以追蹤接收器，並且可以使超聲波束轉向接收器。除非判斷為接收器108處於給定範圍內、或者在接收器108滿足一些其它適當標準(諸如完全充電或者具有對於發送器101而言有效的標識符等)的情況下，發送器101可以可選地不發出超聲波能量。

發送器101可以以機械方式和/或以電子方式朝向接收器108。例如，在一些實施例中，發送器可以使用馬達在XY方向上發生傾斜，或者可以處於預先固定的位置，並且可以使束沿Z方向以電子方式轉向。發送器 101可以經由視線傳輸或者通過使超聲波脈衝在所有方向上均等地傳播，來將超聲波能量發射至接收器108。對於視線傳輸，發送器101和接收器108可以以物理方式面向彼此：發送器101可以以物理或電子方式(或這兩者)以接收器108為目標，或者接收器108可以同樣以發送器101為目標。發送器101可以發射要由接收器108進行感測的諸如超聲波信號、無線電信號、光學信號、紅外信號或其它這種信號等的信號，從而用於檢測取向、位置、通信的目的或用於其它目的，或者反之亦然。發送器101和接收器108其中之一或這兩者分別可以包括諸如天線112和113等的信號接收器，其中該信號接收器分別可以從接收器108或發送器101接收信號。同樣，可以使用超聲波本身來從發送器101向接收器108發射信號。

可以通過管理信號生成器和其它組件的占空比來對發送器101進行熱調節。還可以通過向發送器換能器106安裝散熱片、使用扇、以及/或者使製冷劑流經發送器以及諸如帕爾帖和其它熱電冷卻器等的其它熱調節方法來實現熱調節。

接收器108可以包括接收器換能器109，其中該接收器換能器109可以將採用超聲波的形式的超聲波能量轉換成電能。接收器換能器109可以包括可以接收未聚焦的超聲波能量或者超聲波能量的聚焦束的呈陣列排列的一個或多個換能器。接收器換能器108可以包括至少一個電容式微加工超聲波換能器(CMUT)、電容式超聲波換能器(CUT)、或靜電換能器、或以下所述的壓電型換能器、它們的組合、或者可以將超聲波轉換成電能的任何其它類型的換能器。為了經由相控陣接收聚焦的超聲波能量，接收器換能器109可以包括定時延遲換能器或參量換能器。接收器108例如可以在約20kHz~約120kHz內進行工作，以經由空氣接收例如高達任何適當的dB水準(諸如約155dB等)的超聲波能量。為了經由其它介質接收超聲波能量，接收器108例如可以以大於或等於1MHz的頻率進行工作。接收器換能器109可以具有與約3dB的損耗相對應的高機電轉換效率(例如，約40%)。

接收器換能器109可以向儲能裝置110和/或處理器115供給電能。儲能裝置110的示例可以包括但不限於電池、電容儲存裝置、靜電儲存裝置等。處理器的示例可以包括但不限於智慧型電話(諸如Android移動裝置、iPhone、具有Microsoft作業系統的移動裝置等)所用的處理器或晶片組、可擕式電腦(諸如Apple筆記型電腦、具有Microsoft作業系統的筆記型電腦等)、電子內容閱讀器(諸如Amazon Kindle、Apple iPad等)、現場可程式設計閘陣列(FPGA)和使用通用計算圖形處理單元(GPGPU)的圖形處理單元(GPU)等。

根據各種實施例，接收器108可以包括接收器換能器109，其中該接收器換能器109可以是壓電致動的彎曲模式換能器、彎張換能器、彎曲模式壓電換能器、以及/或者諸如Morgan Electro Ceramics所製造的一種彎曲型壓電元件等的雙壓電晶片(Bimorph)、單壓電晶片(Unimorph)或三形體(Trimorph)型壓電換能器(“PZT”)中的一個或多個。這些換能器可以安裝至金屬膜或者任何其它適當材料的膜，並且該構造可以以彎曲模式而不是以矩形(brick)模式進行共振。在實施例中，該構造可以通過安裝至換能器殼體而夾緊緣部。PZT板可以以電氣方式與整流器電子器件相匹配。該PZT板可以是可以利用阻抗非常低的材料進行保持的高Q共振器(該PZT板可以以單一頻率進行共振)。

接收器108還可以包括與接收器換能器109進行通信的接收器控制器111。接收器控制器109可以使接收器換能器109基於接收器換能器109相對於發送器換能器106的接近度來接收超聲波。接收器換能器109可以將從發送器換能器106接收到的超聲波能量轉換成電氣能量。接近度可以是接收器換能器109和發送器換能器106之間的實際或有效距離。有效距離可以基於接收器換能器109和發送器換能器106之間的基於以下各種因素的能量傳輸的效率，其中這些因素可以包括但不限於：這兩者的相對位置；發送器和接收器之間的傳導介質(例如，空氣、組織等)的特性；發送器和接收器的相對取向；發送器和接收器之間可能存在的障礙物；發送器和接收器之間的相對移動；等等。在一些情況下，儘管第一發送器/接收器對與第二發送器/接收器對相比分開了更大的絕對距離，但第一對與第二對相比可以具有更高的接近度。

接收器控制器109可以使得從發送器換能器106接收超聲波能量束。此外，接收器控制器109可以使發送器換能器106接收具有至少一個頻率和至少一個振幅的超聲波。

接收器108還可以包括通信裝置(未示出)，其中該通信裝置可以經由天線113發送詢問信號以檢測發送器101並且幫助確定包括發送器換能器106的發送器101的特性。接收器通信裝置可以向可以與發送器控制器105進行通信的發送器通信裝置發送控制信號。發送器控制器105可以控制發送器換能器106。該控制信號可以包括接收器換能器109所接收到的超聲波的頻率、相位和/或振幅。該控制信號可用於確定接收器換能器109相對於發送器換能器106的接近度和/或相對取向。另外，該控制信號可以包括但不限於：發送器控制器105所要執行的指示；接收器換能器109的阻抗；期望功率水準；期望頻率；期望相位；等等。

接收器通信裝置可以從可以與發送器控制器105進行通信的發送器通信裝置來接收控制信號。該控制信號可以包括發送器換能器106所發出的超聲波能量的頻率、相位和/或振幅。另外，該控制信號可以包括接收器控制器111所要執行的指示，並且還可以包括詢問信號以檢測來自接收器換能器109的功率狀況。該控制信號可用於確定接收器換能器109相對於發送器換能器106的接近度和/或相對取向。

通信裝置可以通過對換能器所生成的超聲波進行調製來發送信號，以進行帶內通信。通信裝置還可用於對諸如無線電信號、光學信號或紅外信號等的帶外信號進行調製，以與其它通信裝置進行通信。無線電信號可以是由可以使用天線的單獨無線電發送器所生成的。

系統可以包括接收器和發送器之間的通信，從而例如調整頻率以優化電聲轉換方面的性能、對超聲波功率輸出進行調製以匹配連接至接收器的裝置處的功率需求等。例如，如果判斷為接收器108所接收到的超聲波過弱，則可以經由通信裝置向發送器101發送信號以增大輸出功率。然後，發送器控制器105可以使發送器換能器106增大所生成的超聲波的功率。同樣，可以相應地調整超聲波的頻率、持續時間、相位和方向特性(諸如聚焦程度等)。

因而，根據所公開的主題的實施例，發送器101和接收器108可以進行通信以協調超聲波能量的發射和接收。發送器101和接收器108之間的通信可以是以帶內方式(例如，使用用於從發送器向接收器傳送功率並且還攜載通信信號的超聲波)和/或帶外方式(例如，使用與用於在發送器和接收器處攜載基於發送器或接收器的功率(或者例如無線電波)的超聲波分開的超聲波)發生的。在實施例中，在發送器101、接收器108或這兩者處可以包括範圍檢測系統(未示出)。發送器處的範圍檢測系統可以使用基於發送至接收器的超聲波、Bluetooth(藍牙)無線通訊協定或者適合確定裝置與一個或多個其它裝置之間的範圍的任何其它無線通訊技術的回聲定位。例如，可以使用Bluetooth或Wi-Fi信號的強度來估計裝置之間的實際或有效範圍。例如，信號越弱，可以判斷為存在於兩個裝置之間的實際或有效距離越大。同樣，裝置未能(例如，使用Bluetooth或Wi-Fi(例如，802.11)信號)與其它裝置建立通信鏈路，這可證明該其它裝置處於從第一裝置起的特定距離或距離範圍外。此外，這些波的一小部分可以從接收器反射回至發送器。回聲的發射和接收之間的延遲可以幫助發送器確定相對於接收器的距離。接收器同樣可以具有使用聲波來評估接收器和發送器之間的距離的相似回聲定位系統。

在當前所公開的主題的實施例中，第一換能器106和第二換能器109的阻抗可以相同和/或可以同步。在這方面，例如，這兩個換能器106和109可以按相同的頻率範圍和強度範圍進行工作，並且可以具有相同的靈敏度因數和束寬度。

發送器101和接收器108之間的通信還可用於交換阻抗資訊以幫助匹配系統的阻抗。阻抗資訊可以包括可用於優化能量傳輸效率的與確定和/或匹配發送器和/或接收器的阻抗有關的任何資訊。例如，接收器108可以經由包括接收器108被配置為接收的頻率或頻率範圍的通信信號(例如，“控制信號”)來發送阻抗資訊。頻率或頻率範圍可以是接收所用的最佳頻率。阻抗資訊還可以包括來自接收器108的振幅資料、例如接收器108可以接收超聲波的最佳振幅。在實施例中，振幅與頻率相關聯，以向發送器101標識用於在接收器108處以所指定的頻率接收超聲波的最佳振幅。在實施例中，阻抗資訊可以包括接收器108可以最佳地接收超聲波和/或發送器101可以最佳地發射超聲波的一組頻率和關聯的振幅。阻抗資訊還可以包括與發送器101和/或接收器108的靈敏度、束寬度、強度等有關的資訊。在一些實施例中，至少針對使用CMUT技術的實施例，可以通過改變偏置電壓來對靈敏度進行調諧。

通信還可以包括用於確定發送器101和/或接收器108的位置資訊的信號。根據所公開的主題的實施例，接收器108的位置資訊可以與接收器標識符(例如，電子標識號碼、電話號碼、網際網路協定、乙太網或其它網路位址、裝置標識符等)相關聯。這可用於在一個時間或者在一個或多個時間範圍內建立給定位置處或給定位置附近的裝置的設定檔。可以將該資訊提供至第三方。例如，系統的實施例可以確定接近給定位置並且彼此接近的一組裝置標識符。這些裝置標識符接近這一事實、這些裝置標識符接近的位置和與各裝置有關的資訊(例如，裝置相對於一個或其它裝置的位置、裝置的絕對位置、與裝置有關的功率資訊等)可以與諸如將發現這些資訊有用的第三方應用程式等的第三方共享。此外，可以從第三方源和應用程式將相似的這種資訊引入本發明的實施例。

發送器101和接收器108之間的通信協定的實施例可用於對束特性和/或裝置特性進行動態調諧，以使得能夠進行和/或優化從發送器101向接收器108的功率傳輸。例如，在給定距離處，以給定頻率和強度進行工作可能是最佳的。發送器101例如可以通過針對各接收器裝置108例如以輪詢或隨機方式使束轉向並對束進行調諧，來服務多個不同裝置。因而，針對裝置A的束可以採用40kHz和145dB，針對裝置B的束可以採用60kHz和130dB，並且針對裝置C的束可以採用75kHz和150dB。在發送器針對各裝置發生轉變時，發送器可以對自身進行調諧，以發射對於這些動態變化的束特性中的各束特性而言最佳成形的束。此外，可以對各接收器裝置108上的停留時間進行調製，以實現特定功率傳輸目的。

在實施例中，發送器101可以從接收器108接收表示接收器的距離、取向、最佳頻率、振幅、靈敏度、束寬度等中的一個或多個的信號(一個或多個控制信號)。例如，在接收器與發送器相距小於1英尺的情況下的最佳頻率可以是衰減率為1.7dB/ft的110kHz，並且在接收器與發送器相距大於1英尺的情況下的最佳頻率可以是衰減率為0.4dB/ft的50kHz。接收器可以檢測該距離並向發送器提供信號以相應地改變其頻率。作為響應，發送器可以對自身進行調諧以發送可能的最佳束，從而將最大功率以最可靠方式傳輸至接收器。在從發送器向接收器發射超聲波能量期間可以動態地調整這些參數，例如以應對發送器和接收器的相對位置的變化、傳輸介質的變化等。

同樣，接收器108可以響應於從發送器101 接收到的信號來對自身進行配置。例如，接收器108可以調諧至給定頻率並且調整其靈敏度，以最高效地接收來自發送器101的超聲波並將這些超聲波轉換成電能。

還可以調整發送器101在接收器108上的停留時間，以優化發送器大致同時向多個接收器所傳遞的能量。例如，發送器101可以從五個接收器各自接收功率需求資訊。由於發送器101例如以輪詢方式服務(例如，發送超聲波至)各接收器，因此發送器101可能在需求最大的接收器上停留與需求不太大的接收器相比更長的時間間隔。

本發明的實施例包括如下系統，該系統可以包括連接至放大器的發送器換能器。該發送器換能器可以是電容式微加工超聲波換能器、其它類型的電容超聲波換能器、靜電超聲波換能器、壓電型超聲波換能器等。電容換能器包括用於將任何以電容方式儲存的能量轉換成超聲波能量的任何換能器。靜電換能器是用於將任何以靜電方式儲存的能量用於超聲波能量的靜電換能器。壓電型換能器是用於基於向介質晶體施加電力從而使這些晶體經歷機械應力來生成超聲波能量的壓電型換能器。

換能器可被配置為換能器和/或孔的陣列。這可用於產生超聲波能量的束。換能器可以由發送器控制器進行控制以產生一個或多個超聲波束，並且換能器可以產生這種束、或者具有該束的給定形狀、方向、焦距、寬度、高度和形狀以及任何其它聚焦性質的束的組合。換能器可以包括包含一個或多個電子轉向組件的一個或多個轉向組件、例如一個或多個結構或圖案或陣列元件和/或孔。這些孔中的一個或多個可以呈凸狀以幫助控制諸如焦距等的束性質。換能器可以具有單獨地或者與一個或多個電子轉向組件相組合地進行工作的機械轉向組件，以控制一個或多個超聲波束的聚焦性質。換能器還可以具有預先定位成不同取向的子分區。

根據本發明的實施例，系統可以包括具有配置參數的第一值的發送器。配置參數可用於描述發送器或接收器的實際或潛在的狀態或狀況，並且例如可以包括振幅、頻率、轉向參數、指示、功率狀況、發送器特性和接收器特性。發送器特性可以描述發送器或接收器的實際或潛在狀況。例如，發送器特性可以涉及發送器換能器的功率狀態，並且可以具有值ON(開啟)(發出要由接收器轉換成電能的超聲波)或OFF(關閉)。另一功率配置參數可以涉及採用諸如瓦/平方英寸、分貝等的各種單位的所發出超聲波能量的功率水準。

特性可以描述可以固定的發送器或接收器的實際或潛在狀況。例如，特性可以是電話號碼、電子序列號(ESN)、移動設備標識符(MEID)、IP位址、MAC位址等、或者能夠作為發送器或接收器的移動或固定裝置。特性可以是裝置的固定阻抗或其它電子性質(例如，換能器類型、軟體/固件版本等)。

根據本發明的實施例，裝置具有第一配置參數。基於經由發送器通信裝置所接收到的輸入，發送器可以將其配置參數值改變為第二配置參數值，並由此改變其狀態和/或行為。用於改變發送器配置參數的機制可以包括經由通信裝置接收新的配置參數值。該新的配置參數值可以源自於發送器將要或意圖發射超聲波能量所針對的接收器。例如，發送器可以正以第一功率水準發射超聲波能量，並且接收器可以將用於請求以第二功率水準發射能量的消息發送至發送器。例如，接收器可以發送用於要求所發射的超聲波的功率從120dB上升為140dB的請求。然後，發送器可以將其功率水準配置參數從120dB改變為140dB。

另一機制如下：即使在經由通信裝置所接收到的輸入沒有指定配置參數的新的(第二)值的情況下，也基於該輸入來改變第一配置參數。例如，可以在發送器通信裝置處從接收器來接收包括用以增大所發射的超聲波能量的功率的請求的輸入。作為響應，發送器可以將功率配置參數的值從第一值改變為第二值、例如從120dB改變為140dB。同樣，可以基於來自一個或多個接收器或者第三方的輸入的組合來改變一個或多個配置參數。例如，可以基於諸如接收器處的接收器換能器的類型等的接收器特性來改變束形狀。

配置參數可以是或包括一個或多個轉向參數。轉向參數的示例包括：轉向角度，諸如機械傾斜裝置已配置或可以配置換能器的一個或多個元件的角度等；擴散角度，諸如在超聲波束中發生閾值功率的角度等(例如，表示為角度的束寬度)；焦距，諸如超聲波束的聚焦程度最大的以釐米為單位的距離等；發送器位置，諸如接收器相對於發送器的角度和距離、發送器相對於接收器的距離、或者發送器或接收器(例如，相對於給定基準點)的絕對位置等；以及發送器和接收器的相對取向，諸如以平行程度表示的、發送器換能器和接收器換能器的相對取向的差等。例如，在一個換能器平行於另一換能器的情況下，可以認為這兩個換能器存在0度偏移。在一個換能器在取向上垂直於另一換能器的情況下，這兩個換能器可以具有90度偏移等。

另一機制是改變第一轉向參數，以調整和/或提高向接收器的超聲波能量的傳輸效率。即使在經由通信裝置所接收到的輸入沒有指定轉向參數的新的(第二)值的情況下，也可以基於該輸入來改變轉向參數。例如，可以在發送器通信裝置處從接收器來接收包括正接收的所發射超聲波能量的量(例如，120dB)的輸入。作為響應，發送器可以將轉向參數(例如，相對取向)的值從第一值改變為第二值(例如，從90度偏移改變為0度偏移)。作為改變/調整轉向參數的結果，向接收器的超聲波能量的傳輸效率可以提高，並且正接收的所發射超聲波能量的量可以增加(例如，從120dB增加為140dB)。例如，接收器處的功率量可以由接收器進行監視，並且用作用於生成要發送至發送器的輸入的基準，以調整其配置參數中的一個或多個配置參數。這樣可以例如通過改變發送器換能器所用的機械轉向機構的傾斜、通過改變所發射的超聲波能量的功率水準、通過改變發送器處的超聲波能量的電子轉向和束成形等，來改變發送器向接收器發射超聲波能量的方式。例如，發送器例如由於被人的手或其它障礙物遮擋、或者由於接收器換能器的元件被判斷為無效或損壞並被排除使用，因而可能從接收器(或另一源)接收到表示可用於接收功率的接收器的表面積受到限制的輸入。例如，接收器可能檢測到接收器換能器的一部分沒有正在接收發送器換能器指向該接收器換能器的功率，並且向發送器或另一裝置報告該情況。例如，接收器可以發送沒有正在接收功率或者正接收給定閾值以下的功率量的接收器換能器或一組接收器換能器的標識符。作為另一示例，接收器可以發送表示沒有正在接收功率或正接收閾值以下的功率的接收器換能器表面的形狀的邊界的資訊。

基於該資訊，發送器可以改變束的轉向參數的值、功率水準和/或焦點，使得將來自發送器換能器的更多功率傳遞至接收器換能器的可用的未遮擋部分。這樣可以使得接收器所接收到的超聲波能量的總功率水準保持處於與接收器在沒有被部分遮擋的情況下將接收到的功率水準相似的水準。還可能具有增大的功率密度的更窄的聚焦束可以允許將恒定或增大的功率水準傳遞至更小的面積。接收器的功率水準可以是以W/m²為單位的功率密度乘以以m²為單位的功率密度被傳遞至的面積。隨著接收器的功率可被傳遞至的可用面積的減小，接收器可以改變束的包括轉向、焦點、相位和功率水準的屬性，以將功率密度有所增大的功率傳遞至接收器的未遮擋部分。接收器的遮擋部分可以是一個或多個換能器中的接收了小於閾值量的功率或者無線通訊所用的資料接收速率減小的區域。這樣，接收器可以將即時或近即時的反饋提供至發送器，使得發送器可以對該發送器向接收器發送超聲波能量的方式進行調諧，以提高傳輸能量(例如，功率)的速率、能量傳輸的連續性、能量傳輸的持續時間等，或者使得能夠維持期望的資料傳送速率。

可以通過使控制器對發送至發送器換能器或該發送器換能器的各種元件的電氣信號的相位進行調製(控制)，來實現束轉向和聚焦。對於寬角度轉向，可以使用例如大小約為4mm的大小為λ/2的元件。一些半導體公司(Supertex、Maxim、Clare等)製造可以允許若干高功率振盪器電路取代上千個發送器的高電壓開關晶片。有用設計的示例可以具有相位為0、π/2、π和3π/2的四個振盪器。開關可被配置成各發射元件可以連接至這四個相位中的任意相位。然後，開關矩陣的間距可以小於換能器陣列的間距，從而便於互連。少量記憶體可以存儲任意數量的轉向和聚焦位置所需的一整組開關配置。簡單的微控制器(例如，ARM微控制器)可以管理轉向/聚焦計算。

可以以各種方式使束轉向和聚焦變得更易於管理。可以在與電子轉向機構的方向垂直的方向上使電子轉向機構與機械傾斜機構相組合，以使束轉向並聚焦。例如，發送器在方位(水平維度)上可以是相對固定的，但在高程(垂直維度)上是機械可轉向的。可以通過來自接收器或者直接或經由接收器來自發送器的信令、或者利用來自這兩者和/或第三方(諸如功率追蹤伺服器等)的輸入所驅動的機械傾斜，來實現垂直追蹤。電子轉向和聚焦可用於方位(水平)束。

一些實施例可以在方位和高程這兩方面發生傾斜。在這些情況下，具有特定元件的二維陣列(例如，在元件之間存在規則或可變間距的2λ個元件的15×15陣列)可以進行聚焦和轉向。在一些實施例中，元件大小可以從λ/2增長為2λ或更大。在一些實施例中，電子轉向陣列可以嵌入機械聚焦換能器中。較小的矩陣陣列可以位於呈彎曲的換能器的中央。該彎曲可以在給定方向上並且在特定平均深度(例如，1米)處創建焦點。中央的電子聚焦部可以進一步調整束的聚焦特性。

在一些實施例中，輸出可以以不對稱方式在方位和高程之間拆分，從而使得能夠進行複雜的束控制。在各種實施例中，可以將孔分割成多個子孔。這些子孔中的一部分或全部可以具有不同的轉向能力，從而使得這種配置能夠產生可彼此鄰接的多個焦點。圖2示出根據本發明實施例的分割孔設備。可以將源孔201分割成單獨的子孔202、203和204。各子孔202、203和204分別具有自身的目標焦點205、206和207。可以改變圖2所示的三個源各自的相位以改變高程孔的焦距。束轉向可以是機械的、電子的或這兩者的組合。該配置還可以通過改變源之間的相位來聚焦。可以針對通過源的彎曲所建立的機械焦點附近的深度範圍內的目標來維持發送器的效率。可以使供給至目標的功率水準保持恒定。

圖3示出使用方位孔分割以允許覆蓋目標的擴展聚焦範圍的另一聚焦設備。源目標301、302、303和304分別具有目標焦點305、306、307和308。可以以電子方式、以機械方式或者它們的組合來實現轉向和聚焦。在圖3所示的實施例中，可以使元件大小足夠小以避免孔彎曲和/或機械傾斜的需要。將陣列分割成區段可以增大聚焦點的大小並且使得這些聚焦點能夠並置。焦點可以在接收器的表面上四處移動，例如以優化整體功率傳輸。

移動裝置應用程式(例如，iPhone或Android應用程式)可以與本系統的實施例相關聯以輔助用戶。根據所公開的主題的實施例，關聯的移動應用程式可以將超聲波功率系統定位在用戶位置的範圍附近或用戶位置的範圍內。移動應用程式可以精確定位用戶的準確位置並將該位置與房間內的最強功率信號位置進行比較，並且指引用戶到達該功率位置。移動應用程式可以與其它移動裝置上的相應應用程式進行通信，例如以共享位置資訊、發送器和/或接收器資訊、與給定介質的傳輸率有關的資料等。

根據本發明的實施例，給定裝置可以實質用作初始發送器和終端接收器裝置之間的中繼器。這種裝置(“中繼裝置”或“中間裝置”)可以從第一裝置接收功率，將所接收到的功率的至少一部分轉換成電能，將該電能再轉換成聲能，然後將該聲能傳送至終端接收器裝置。在終端裝置在初始發送器裝置的範圍外的情況下、特別是在初始發送器裝置儲存大量能量或連接至諸如電氣插座或大的外部電池等的較大能量源的情況下，這可以是有用的。即使在無中繼器或中間裝置時需要能量的裝置可能處於具有足夠量或過量的儲存能量的裝置的範圍外的情況下，這還可用於配置從具有足夠量或過量的儲存能量的裝置向需要能量的裝置的能量傳輸。

移動應用程式還可以向用戶通知正對移動應用程式裝置進行充電的速度有多快以及裝置在滿充電之前還需多少功率和/或多長時間。另外，移動應用程式可以根據在給定時間在裝置上基於各種因素(例如，多少個程式/應用程式打開)正使用的資料量來表示用戶的“消耗率”，並且可以表示將在給定時間段內需要再次對裝置進行充電。移動應用程式可以告知用戶如下內容：裝置何時正使用來自裝置電池的功率或來自無線功率系統的功率。例如，移動應用程式可以具有硬或軟開關以用信號向發送器通知何時裝置電池小於滿狀態的20%，由此減少骯髒能源(dirty energy)的使用並且使得系統能夠將最大功率供給至最需要的裝置。另外，用戶可以有能力使用移動應用程式來斷開超聲波接收器和/或發送器。

接收器108的至少一部分可以採用可處於物理裝置的內部或外部的、諸如蜂窩電話等的裝置所用的保護性殼體、蓋或背板的形狀。可以將諸如可再充電電池等的儲能裝置嵌入接收器殼體內。接收器108還可用在諸如筆記型電腦、平板電腦或數位閱讀器等的其它裝置中，例如用在其殼體或背板中。接收器108可以嵌入電子殼體內或者可以是物理配件。接收器108可以是任何形狀或大小，並且可以用作隔離功率接收器或者可以連接至多個裝置以同時或以其它方式向這些裝置供電。

在所公開的主題的實施例中，接收器108可以是諸如植入物(例如，起搏器或藥物輸送系統)等的醫用裝置。使用超聲波發送器101，可以對植入物進行供電，或者可以對儲存裝置進行充電。可以考慮到裝置的功率需求、發送器101和接收器108之間的組織的導通參數以及患者的需求來對發送器101和/或接收器108的特性進行調諧。對於經由動物或植物組織的超聲波功率發射，接收器108可以嵌入醫用裝置和/或組織中，以向諸如植入裝置等的化學傳輸或醫用裝置進行供電或充電。例如，可以對發送器101進行程式設計以在給定時間向位於植入患者體內的起搏器裝置內的接收器108發出超聲波。

本發明的特定實施例可被設計成向移動裝置上或中的諸如表面等的矩形傳送相對均勻的壓力。例如，實施例可被設計成利用40~60kHz的範圍內的發射頻率(即，波長可以為5.7~8.5mm)向離發送器1米遠的距離處的諸如大小為115×58mm的智慧型電話等的移動裝置傳輸聲能。

一些實施例中的從發送器到接收器的最大功率可以為316W‧m^-2，而標準化後的振幅或“增益”可被表徵為根據發送器的表面處的1Pa所創建的壓力。增益小於1可能意味著能量傳輸小於理想狀態。增益為1以上可能意味著例如為了合規性應降低發送器處的功率密度，由此也可能小於理想狀態。設計可以在接收器區域內創建恒定的等於1的增益，並且在任何其它位置創建小於1的增益。系統可以在面對發送器相對於接收器的相對運動和/或位置變化的情況下，可以追蹤電話的運動並限制功率損耗，反之亦然。

即使考慮到發送器的平面和接收器之間的角度的變化，也可以使電話的相位變化最小化，這可以通過使用電話上的單獨接收器貼片和/或利用多元件發送器來促進，從而還可以通過聲場的良好控制來提高整體效率。可以通過在元件之間改變發送器波的相位來以電子方式實現轉向和聚焦。不同的轉向角度和聚焦深度在各元件處可以具有不同的相位值。

本發明的各種實施例可以例如通過iOS或Android應用程式以及諸如Bluetooth或802.11等的無線協定、或者通過光學信號或紅外信號來追蹤發送器和接收器的相對位置和取向。發送器和接收器之間的閉環通信可以允許發射束追蹤移動裝置以使接收器上或接收器中的元件之間的束的相位變化最小化。

在接收器到達發送器的範圍內的情況下，可以發起雙向通信。接收器可以用信號通知其位置並請求聲學功率的發射。隨著充電的發生，電話可以向發送器更新其位置、所接收到的功率量和接收器處的聲學能量的分佈。如果接收器位於功率傳輸無效的取向或位置，則可以發送警報。為了解釋的目的，已經參考具體實施例進行了上述說明。然而，以上的例示性論述並不意圖窮舉或將所公開的主題的實施例局限於所公開的精確形式。考慮到以上教導，可以進行多種修改和變化。選擇並說明這些實施例，從而解釋所公開的主題的實施例的原理及其實際應用，由此使得本領域其它技術人員能夠利用這些實施例以及具有可以適合所考慮的特定使用的各種修改的各種實施例。