TWI667859B - 將能量無線地傳輸至一無線功率裝置之諧振器，以及無線功率傳輸系統 - Google Patents

將能量無線地傳輸至一無線功率裝置之諧振器，以及無線功率傳輸系統 Download PDF

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TWI667859B TW105100190A TW105100190A TWI667859B TW I667859 B TWI667859 B TW I667859B TW 105100190 A TW105100190 A TW 105100190A TW 105100190 A TW105100190 A TW 105100190A TW I667859 B TWI667859 B TW I667859B
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奥古兹 阿特索伊
彼得 羅倫茲
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美商維電股份有限公司
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Abstract

本發明之特徵為用來將能量無線地傳輸至一無線功率裝置之諧振器，該無線功率裝置包含具有一尺寸D之一裝置諧振器線圈。該諧振器可包含：複數個第一導體繞組，其等近似纏繞於一第一平面中且具有第一導體引線及第二導體引線；及複數個第二導體繞組，其等纏繞於一第二平面中且具有第三導體引線及第四導體引線。該等第一導體引線及該等第三導體引線可耦合至彼此且該等第二導體引線及該等第四導體引線可耦合至至少一個電容器。該第一平面及該第二平面可以間隔S隔開且大體上係平行的。該第一平面與該第二平面之間的該間隔S可近似等於或大於該裝置諧振器線圈之該尺寸D。

Description

將能量無線地傳輸至一無線功率裝置之諧振器，以及無線功率傳輸系統 相關申請案之交叉參考
本申請案主張2015年1月05日申請之第62/099,933號美國臨時專利申請案及2015年3月26日申請之第62/138,794號美國臨時專利申請案之優先權，該兩案之各者之全文以引用方式併入本文中。
本發明係關於無線能量傳輸系統。
能量可使用各種已知技術(諸如輻射(遠場)技術)從一電源傳輸至一接收裝置。例如，使用低定向性天線之輻射技術可傳輸用於拾取之經供應之輻射功率之一小部分，即，沿該接收裝置之方向且與該接收裝置重疊之部分。在此等方法中，諸多-甚至多數-能量沿除該接收裝置之方向外之方向輻射出，且通常經傳輸之能量不足以對該接收裝置供電或充電。在輻射技術之另一實例中，使用定向天線以朝向該接收裝置限定且較佳引導經輻射之能量。在此情況下，使用一不間斷視線且可能複雜的追蹤及轉向機構。
另一能量傳輸方法為使用非輻射(近場)技術。例如，稱為傳統感應方案之技術不(有意地)輻射功率，但使用通過一主線圈之一振盪電流，以產生在一附近接收或次級線圈中感應電流之一振盪磁近場。傳統感應方案可在極短距離內傳輸適中至大量功率。在此等方案中，電源與接收裝置之間的偏移公差係極小的。電變壓器及近接充電器例如 通常使用傳統感應方案。
在一第一態樣中，本發明之特徵為用來對穿戴式電子裝置無線地充電之無線能量傳輸系統。該等系統可包含可具有一來源諧振器之一來源。該來源可經組態以產生具有一第一磁場方向及一第一磁場振幅之一第一磁場。該等系統可包含可具有一轉發器諧振器之一轉發器。該轉發器可經組態以將該第一磁場轉換成具有一第二磁場方向及一第二磁場振幅之一第二磁場。該第一磁場方向可不同於該第二磁場方向且該第一磁場振幅可不同於該第二磁場振幅。
該等系統之實施例可包含以下特徵之任何一或多者。
該來源諧振器及該轉發器諧振器之品質因數可大於100。該轉發器諧振器可在一第一平面中包含數個第一導線迴路且在一第二平面中包含數個第二導線迴路。該第一平面及該第二平面可大體上平行於彼此且在其等之間具有一非零距離。
該轉發器諧振器可具有具一上端及一下端之一大體上圓柱形形狀。該轉發器諧振器可進一步在該上端中包含數個第一導線迴路且在該下端中包含數個第二導線迴路。該圓柱形形狀之上端可具有小於該圓柱形形狀之下端之一直徑。
該來源及該轉發器可各具有一通信及控制電路。該來源及該轉發器可建立一通信通道以起始至該穿戴式電子裝置之無線功率傳輸。該轉發器可包含一可調諧諧振器。該可調諧諧振器可經組態以取決於該轉發器相對於該來源之位置而調諧。該可調諧諧振器可經組態以取決於該轉發器相對於該來源之位置而解調諧。
該等系統之實施例亦可包含本文中所揭示之其他特徵之任一者，包含在適當情況下依任何組合結合不同實施例所揭示之特徵。
在另一態樣中，本發明之特徵為用來將功率傳輸至包含具有一 尺寸之一裝置諧振器之一無線功率裝置之無線電源。電源可包含一來源諧振器，該來源諧振器可包含具有纏繞於一第一平面中之複數個第一繞組及纏繞於一第二平面中之複數個第二繞組之一導體。該第一平面及該第二平面可隔開且大體上係平行的。該第一平面與該第二平面之間的間隔可近似等於或大於該裝置諧振器線圈之尺寸。
在另一態樣中，本發明之特徵為包含一來源諧振器之無線功率傳輸系統。該來源諧振器可包含具有纏繞於一第一平面中之複數個第一繞組及纏繞於一第二平面中之複數個第二繞組之一第一導體。該系統可包含一裝置諧振器，該裝置諧振器包含具有纏繞於一第三平面中之複數個第三繞組之一第二導體，該第二導體具有一尺寸。該第一平面及該第二平面可隔開且大體上係平行的。該第一平面與該第二平面之間的間隔可近似等於或大於該裝置諧振器之第二導體之尺寸。
該等系統之實施例可包含以下特徵之任何一或多者。
該第二導體可包含銅線、銅包鋁線或利茲線。該複數個第二繞組可在該第二平面中包含至少三匝且該複數個第三繞組可在該第三平面中包含至少三匝。該裝置諧振器可包含纏繞於一第三平面中之複數個第三繞組且該複數個第三繞組之一最外面繞組之一長度界定該尺寸。該長度可為該複數個第一繞組之最外面繞組之一最大尺寸。
該等系統可包含安置於纏繞於該第二平面中之第二導體之一底部表面上之一磁材料塊。該等系統可包含安置於纏繞於該第三平面中之第二導體之一頂部表面上之一磁材料塊。該第二導體可耦合至一匹配網路。
該等系統之實施例亦可包含本文中所揭示之其他特徵之任一者，包含在適當情況下依任何組合結合不同實施例所揭示之特徵。
在另一態樣中，本發明之特徵為包含一來源諧振器之無線電源，該來源諧振器包含具有主要纏繞成一圓柱形形狀之複數個繞組之 一導體。該圓柱形形狀可具有一彎曲面、一第一端及一第二端。該複數個繞組之第一子組可集中於最接近該第一端之彎曲面上且該複數個繞組之一第二子組可集中於最接近該圓柱形形狀之第二端之彎曲面上。該複數個繞組之第二子組可進一步形成於該圓柱形形狀之第二端上。
該等來源之實施例可包含以下特徵之任何一或多者。
該複數個第一繞組可經隔開以在該複數個繞組之第一子組之各者之間界定0.5mm或更大空隙。該複數個繞組之第二子組經隔開以在該複數個繞組之第一子組之各者之間界定0.5mm或更大空隙。該複數個第一繞組與該複數個第二繞組之間的間隔可等於或大於裝置諧振器線圈之一尺寸。
該等來源之實施例亦可包含本文中所揭示之其他特徵之任一者，包含在適當情況下依任何組合結合不同實施例所揭示之特徵。
在另一態樣中，本發明之特徵為用來將能量無線地傳輸至一無線功率裝置之諧振器，該無線功率裝置包含具有一尺寸D之一裝置諧振器線圈。該等諧振器可包含：複數個第一導體繞組，其等近似纏繞於一第一平面中且具有第一導體引線及第二導體引線；及複數個第二導體繞組，其等纏繞於一第二平面中且具有第三導體引線及第四導體引線。該等第一導體引線及該等第三導體引線可耦合至彼此且該等第二導體引線及該等第四導體引線可耦合至至少一個電容器。該第一平面及該第二平面可以間隔S隔開且大體上係平行的。該第一平面與該第二平面之間的間隔S可近似等於或大於該裝置諧振器線圈之尺寸D。
該等諧振器之實施例可包含以下特徵之任何一或多者。
該等諧振器在運用一振盪電流予以驅動時可產生一振盪電磁場。該複數個第一導體繞組可具有一第一偶極且該複數個第二導體繞 組可具有一第二偶極，且第一偶極矩及第二偶極矩之法向分量可互相抵消。該電磁場可具有穿過該間隔S之一徑向偶極。
該複數個第一導體繞組及該複數個第二導體繞組可包含銅線、銅包鋁線或利茲線。該複數個第一導體繞組及該複數個第二導體繞組可各包含至少三匝。該裝置諧振器線圈之複數個第三繞組之一最外面繞組之一長度可界定該尺寸D。一第一磁材料塊可安置於纏繞於該第一平面中之第一導體之一底部表面上。一第二磁材料塊可安置於纏繞於該第二平面中之第二導體之一頂部表面上。
該等諧振器可為一轉發器諧振器，且其中該複數個第一導體繞組及該複數個第二導體繞組可沿一相同方向纏繞。該等諧振器可為一來源諧振器，且其中該複數個第一導體繞組及該複數個第二導體繞組可沿不同方向纏繞。
該複數個第一導體繞組之一第一部分可定位於該第一平面上方。該複數個第一導體繞組之一第二部分可定位於該第一平面下方。該複數個第一導體繞組之一第三部分可定位於該第一平面中。該複數個第二導體繞組之一第一部分可定位於該第二平面上方。該複數個第二導體繞組之一第二部分可定位於該第二平面下方。該複數個第二導體繞組之一第三部分可定位於該第二平面中。
該複數個第一導體繞組或該複數個第二導體繞組之至少一者可形成一堆疊環。該複數個第一導體繞組或該複數個第二導體繞組之至少一者可形成一圓柱形形狀。
該等諧振器之實施例亦可包含本文中所揭示之其他特徵之任一者，包含在適當情況下依任何組合結合不同實施例所揭示之特徵。
在另一態樣中，本發明之特徵為可包含一來源諧振器之無線功率傳輸系統。該來源諧振器可包含：複數個第一導體繞組，其等纏繞於一第一平面中且具有第一導體引線及第二導體引線；及複數個第二 導體繞組，其等纏繞於一第二平面中且具有第三導體引線及第四導體引線。該等系統可包含一裝置諧振器，該裝置諧振器包含纏繞於一第三平面中且具有一尺寸D之複數個第三導體繞組。該等第一導體引線及該等第三導體引線可耦合至彼此且該等第二導體引線及該等第四導體引線可耦合至至少一個電容器。該第一平面及該第二平面可以間隔S隔開且大體上係平行的。該第一平面與該第二平面之間的一間隔S可近似等於或大於該裝置諧振器線圈之尺寸D。
該等系統之實施例可包含以下特徵之任何一或多者。
該複數個第一導體繞組及該複數個第二導體繞組可沿一外殼之一內表面安置，該外殼包括非導電材料。該複數個第一導體繞組及該複數個第二導體繞組可接觸該外殼之內表面。
該等系統之實施例亦可包含本文中所揭示之其他特徵之任一者，包含在適當情況下依任何組合結合不同實施例所揭示之特徵。
100‧‧‧無線能量傳輸系統
102‧‧‧電力供應器
104‧‧‧來源諧振器
106‧‧‧轉換器
108‧‧‧放大器
110‧‧‧阻抗匹配網路
112‧‧‧裝置諧振器
114‧‧‧負載
116‧‧‧阻抗匹配網路
118‧‧‧整流器
120‧‧‧轉換器
200‧‧‧來源諧振器線圈
300‧‧‧裝置諧振器線圈
302‧‧‧裝置諧振器線圈
304‧‧‧裝置諧振器線圈
402‧‧‧來源墊
404‧‧‧AC輸電幹線
406‧‧‧錶盤
408‧‧‧腕帶
410‧‧‧腕帶
502‧‧‧裝置諧振器
504‧‧‧來源諧振器
506‧‧‧角度
602‧‧‧裝置諧振器
604‧‧‧來源諧振器
606‧‧‧腕帶
702‧‧‧電力供應器
704‧‧‧機械外殼/底部部分
706‧‧‧機械外殼/頂部部分
708‧‧‧穿戴式裝置
802‧‧‧諧振器線圈
802a‧‧‧底部傳導跡線/底部跨距
802b‧‧‧頂部傳導跡線
804‧‧‧中心區域
806‧‧‧重疊區域
902‧‧‧來源諧振器線圈
904‧‧‧基板
906‧‧‧空間
1002‧‧‧轉發器
1004‧‧‧來源
1006‧‧‧穿戴式電子裝置
1102‧‧‧轉發器
1202‧‧‧線圈
1204‧‧‧電路板
1206‧‧‧下部分
1208‧‧‧上部分/上導電跡線
1210‧‧‧線部分/導體
1212‧‧‧線部分/導體
1302‧‧‧諧振器外殼
1304‧‧‧上部分
1306‧‧‧下部分
1308‧‧‧電路板
1402‧‧‧無線電源/電源墊
1404‧‧‧無線功率轉發器
1406‧‧‧導體/轉發器諧振器線圈
1408‧‧‧導體
1410‧‧‧磁場/磁場線
1414‧‧‧磁場/磁場線
1502‧‧‧磁場線/磁場
1504‧‧‧磁場
1506‧‧‧磁場線
1508‧‧‧磁場線
1700‧‧‧諧振器/諧振器線圈
1702‧‧‧導體
1704‧‧‧第一平面/導體繞組
1706‧‧‧第二平面/導體繞組
1708‧‧‧橋接器
1710‧‧‧電路板
1712‧‧‧偶極
1714‧‧‧偶極
1716‧‧‧徑向偶極
1802‧‧‧諧振器線圈/諧振器
1804‧‧‧磁場
1806‧‧‧磁材料
1808‧‧‧磁材料
1810‧‧‧有損耗物件
1902‧‧‧來源諧振器線圈
1904‧‧‧裝置諧振器線圈
1906‧‧‧距離
1908‧‧‧裝置諧振器線圈
1910‧‧‧距離
1912‧‧‧導體繞組
1914‧‧‧導體繞組
1916‧‧‧裝置諧振器線圈
1918‧‧‧導體
1920‧‧‧導體
1922‧‧‧電容器
2002‧‧‧諧振器
2004‧‧‧連續導體
2006‧‧‧第一平面/副線圈
2008‧‧‧第二平面/副線圈
2010‧‧‧橋接器/連接器/線
2102‧‧‧諧振器線圈
2104‧‧‧連續導體
2106‧‧‧第一端
2108‧‧‧第二端
2110‧‧‧橋接器
2202‧‧‧切換器
2204‧‧‧切換器
2206‧‧‧諧振器線圈
2208‧‧‧諧振器線圈
2210‧‧‧線圈
2212‧‧‧線圈
2214‧‧‧控制器
2216‧‧‧諧振器線圈
2218‧‧‧諧振器線圈
2220‧‧‧諧振器線圈
2222‧‧‧切換器
2224‧‧‧諧振器線圈/諧振器
2226‧‧‧諧振器線圈
2228‧‧‧諧振器線圈
2230‧‧‧控制器
2302‧‧‧來源諧振器線圈
2304‧‧‧來源諧振器線圈
2402‧‧‧線圈
2404‧‧‧線圈
2406‧‧‧線圈
2408‧‧‧中心軸
2502‧‧‧來源
2504‧‧‧內部分
2506‧‧‧無線可再充電腕戴式電子裝置
2508‧‧‧內來源諧振器線圈
2510‧‧‧來源電子設備
2512‧‧‧外環形機械部分
2514‧‧‧外來源諧振器線圈
2516‧‧‧電子裝置
2518‧‧‧充電方向
2520‧‧‧充電方向
2522‧‧‧充電方向
D1‧‧‧大小
D3‧‧‧大小
D6‧‧‧大小
H‧‧‧高度
H1‧‧‧高度
H2‧‧‧高度
S‧‧‧間隔
S1‧‧‧跨距
S2‧‧‧跨距
S3‧‧‧跨距
SA‧‧‧大小
SB‧‧‧大小
W1‧‧‧寬度
W2‧‧‧寬度
圖1展示用於一穿戴式電子裝置之一無線能量傳輸系統之一例示性實施例之一圖。
圖2展示一來源諧振器線圈之一例示性實施例。
圖3A至圖3C展示裝置諧振器線圈之例示性實施例。
圖4A至圖4B展示用於一穿戴式電子裝置之一無線能量傳輸系統之例示性實施例之模型。
圖5展示一無線能量傳輸系統中之一來源及裝置諧振器之一例示性實施例之一模型。
圖6展示安置於一穿戴式電子裝置上之一來源諧振器線圈及裝置諧振器線圈之一例示性實施例。
圖7展示用來對一穿戴式電子裝置無線地供電或充電之一來源形狀之一例示性實施例之一模型。
圖8A至圖8B分別展示一來源諧振器線圈之一例示性實施例之一折疊或捲曲形式之一透視圖及俯視圖。圖8C展示一來源諧振器線圈之一例示性實施例之一非折疊或非捲曲形式。
圖9A展示一基板上之多個來源諧振器線圈之一例示性實施例之一折疊或捲曲形式之一透視圖。圖9B展示一基板上之多個來源諧振器線圈之一例示性實施例之一非折疊或非捲曲形式。
圖10至圖11展示包括一來源、一轉發器及一穿戴式電子裝置之一無線能量傳輸系統之例示性實施例。
圖12A至圖12B展示用於一無線能量傳輸系統之一諧振器之一例示性實施例之一俯視圖及透視圖。
圖13A至圖13B展示用於一無線能量傳輸系統之一諧振器之一例示性實施例之透視圖及仰視圖。
圖14至圖15展示一無線電源及一無線功率轉發器之一例示性實施例之截面視圖。
圖16A至圖16B展示無線功率裝置諧振器線圈之例示性實施例。
圖17A至圖17B展示用於一無線電源或轉發器之一諧振器之一例示性實施例。
圖18A至圖18B展示一無線電源之例示性實施例之模型。
圖19A至圖19B展示一無線功率傳輸系統之例示性實施例之俯視圖模型。圖19C展示一無線功率傳輸系統之一例示性實施例之一側視圖模型。
圖20展示用於一無線電源或轉發器之一諧振器之一例示性實施例。
圖21展示用於一無線電源或轉發器之一諧振器線圈之一例示性實施例。
圖22A至圖22B展示用於一無線電源之諧振器線圈之組態之例示 性實施例。
圖23展示用於一穿戴式裝置之一無線電源之一例示性實施例之一圖。
圖24A至圖24B分別展示一無線電源之一例示性實施例之透視圖及俯視圖。
圖25A至圖25B分別展示一無線電源之一例示性實施例之截面視圖及俯視圖。
可使用如例如在以下共同擁有之申請案中作詳述之各種已知的輻射或遠場及非輻射或近場技術無線地傳輸能量或功率：2010年5月6日公開為US 2010/010909445且標題為「Wireless Energy Transfer Systems」之美國專利申請案第12/613,686號；2010年12月9日公開為US 2010/0308939且標題為「Integrated Resonator-Shield Structures」之美國專利申請案第12/860,375號；2012年3月15日公開為2012/0062345且標題為「Low Resistance Electrical Conductor」之美國專利申請案第13/222,915號；2012年10月4日公開為US 2012/0248887且標題為「Multi-Resonator Wireless Energy Transfer for Sensors」之美國專利申請案第13/283,854號；及2014年1月2日公開為US 2014/0002012且標題為「Wireless Energy Transfer for Rechargeable Batteries」之美國專利申請案第13/534,966號，該等案之各者之內容以引用方式併入本文中。
在例示性實施例中，一無線能量傳輸系統可經組態以將能量直接傳輸至一穿戴式電子裝置之一電池或對該電池充電。穿戴式電子裝置包含手錶、智慧型手錶、藍芽耳機、活動追蹤器(諸如FitBit)、穿戴式電子設備及電子眼鏡(諸如Google Glass)、電子珠寶等。在例示性實施例中，一穿戴式電子裝置可包括一或多個裝置諧振器及裝置電 子設備。
圖1展示用於一穿戴式電子裝置之一無線能量傳輸系統100之一例示性實施例之一圖。一電力供應器102沿圖中之箭頭之方向將功率提供給耦合至來源諧振器104之來源電子設備。一電力供應器可為AC輸電幹線、一電池、一太陽能電池等。該來源電子設備可包含一轉換器106(取決於該電力供應器)、一放大器108及一阻抗匹配網路110。來源諧振器104經由一振盪磁場將功率無線地傳輸至一裝置諧振器112。功率最終經由該裝置電子設備到達該穿戴式電子裝置之負載114。該裝置電子設備可包含一阻抗匹配網路116、一整流器118及一轉換器120。功率可直接傳送至該穿戴式裝置或該穿戴式裝置之一電池。在例示性實施例中，該穿戴式電子裝置可需要以下功率位準：0.25W或更大、0.5W或更大、1W或更大、2W或更大、或更大。一穿戴式電子裝置之電池可具有以下容量：100mAh或更大、300mAh或更大、或更大。在實施例中，用於一無線供電穿戴式裝置之無線功率傳輸系統之諧振及/或操作頻率可為1MHz或更大、3MHz或更大、或更大。在實施例中，該無線功率傳輸系統之諧振及/或操作頻率可為6.78MHz或100kHz至250kHz。在例示性實施例中，來源及/或裝置電子設備可包含用來調諧或以其他方式改變該來源或該裝置之組件之任一者之控制電路。例如，控制電路可用來調諧該來源或該裝置之阻抗匹配網路。在另一實例中，控制電路可用來根據該裝置處之功率損耗改變該來源處之功率位準。在例示性實施例中，可在該無線能量傳輸系統之來源側上實施多數控制，此係歸因於用於一穿戴式電子裝置之一電子設備板之空間約束。
來源諧振器及裝置諧振器各包含至少一個諧振器線圈及至少一個電容器。圖2展示一來源諧振器線圈200之一實例。圖2展示具有近似70mm之一外直徑且由銅製成之一來源諧振器線圈之一例示性實施 例。在實施例中，一來源諧振器線圈可由銅線、鋁線、銅包線等製成且可印刷有實心線或由實心線製成。圖3A至圖3B展示裝置諧振器線圈300、302、304之實例。在例示性實施例中，一裝置諧振器之裝置諧振器線圈可安置於一穿戴式電子裝置上或整合至該穿戴式電子裝置中。在實施例中，該裝置諧振器線圈可定位於該穿戴式裝置之一帶或外殼之上或之中(例如，定位於一手錶或健身追蹤器之外殼、背面或帶中)。
裝置諧振器線圈可經成形及定大小以安裝於一手錶之背面中。圖3A展示尺寸為20mm x 20mm之一近似正方形裝置諧振器線圈。圖3B展示尺寸為10mm x 20mm之一矩形裝置諧振器線圈。圖3C展示具有近似20mm之一直徑之一近似圓形(round/circular)裝置諧振器線圈。諧振器線圈之前述實施例可由銅線、鋁線及銅包線等製成且可印刷有實心線或由實心線製成。在實施例中，可需要或有利的是，該諧振器線圈之輪廓係小的，使得其不對一穿戴式裝置添加體積或厚度。例如，圖3A至圖3C中所展示之裝置諧振器線圈為具有1mm或更小之一厚度之印刷導電跡線(包含基板厚度)。在實施例中，一諧振器線圈之厚度可為5mm、3mm或更小。
在例示性實施例中，該裝置諧振器線圈可環繞一手錶之一錶盤之邊緣。在其他實施例中，該裝置諧振器線圈可定位於一手錶之腕帶之上或之中。
墊形來源
在例示性實施例中，一無線電源可取決於待無線充電或供電之穿戴式裝置之類型而採取若干形式。圖4A展示成形為一墊402且損耗來自一電力供應器(諸如AC輸電幹線404、一電池、一太陽能電池等)之功率之一無線電源之一例示性實施例。來源墊402提供上面放置有一無線供電裝置(諸如所展示之手錶)之一扁平結構。該手錶包含一錶 盤406及腕帶408。在實施例中，該腕帶可不平放，如圖4A中所展示。例如，如圖4B中所展示，腕帶410可在一些組態中可經卡扣或可經機械地建置使得其無法平放。在實施例中，一來源墊中之一來源諧振器線圈可包括纏繞於一平面中之一導電跡線。例如，圖2中展示此一來源諧振器線圈。在一些實施例中，該無線電源為可購自WiTricity Corporation(馬薩諸塞州，沃特頓)之WiT-5000。
一些穿戴式裝置可能無法自然地平放於一墊形無線電源上(如圖4A中所展示)，但相反較佳與裝置面一起位於一更豎立位置中，如圖4B中所展示。在例示性實施例中，一平面來源諧振器線圈(諸如圖2中所展示般容置於一來源墊402中)亦可能夠將功率有效地傳輸至依此方式定位之一裝置諧振器線圈。例如，對於一錶盤406之背面上之一裝置諧振器線圈(諸如圖3A至圖3C中所展示之裝置諧振器線圈)，兩個諧振器線圈之間的耦合可足以實現一可接受效率。一可接受效率可大於5%、大於10%、大於20%或更大。如圖4B及圖5中所展示，一來源諧振器可能夠依一可接受效率將功率傳輸至從該來源諧振器線圈之中心偏移且與該來源諧振器線圈成一角度之一裝置諧振器線圈。圖5展示一裝置諧振器502相對於一來源諧振器504之一例示性實施例之定位。在此實施例中，裝置諧振器502可沿來源諧振器504之線圈之側跡線相對於來源諧振器504之平面成角度506而定位。含有該來源諧振器之一外殼可依此一方式成形，使得該裝置諧振器依此方式自然地定位。在一項實施例中，在該來源諧振器中間之外殼可更高使得穿戴式裝置位於其周圍。對於圖5中所展示之來源諧振器504，一般偶極矩近似正交於諧振器線圈之平面延伸，即，該偶極矩係沿Y方向(使用圖5中所提供之笛卡爾座標)。然而，在該諧振器線圈之表面上方且遠離中心，磁通量在YZ平面中確實具有亦耦合至該裝置諧振器線圈之一分量。
圖6展示安置於定位於一來源諧振器604上之一智慧型手錶上之 一裝置諧振器602之一例示性實施例。應注意，該智慧型手錶之腕帶606可支撐及/或定向該手錶之錶盤，使得該裝置諧振器定位為如上文在圖5中所述般。在某些實施例中，圖6中所展示之裝置諧振器可安置於所展示之穿戴式電子裝置之外殼或帶中。
頂帽形來源
圖7展示一無線電源之一例示性實施例。該電源可耦合至一電力供應器702，諸如AC輸電幹線、一電池、一太陽能電池等。該電源之機械外殼704及706經成形使得一穿戴式裝置(例如，一智慧型手錶或健身追蹤器)708可經定位用於無線充電，如所展示。該外殼主要包含兩個部分：該電源外殼之一底部部分704抵著及/或繞該電源外殼之頂部部分706保持穿戴式裝置708。例如，穿戴式裝置708可環繞頂部部分706。該外殼可含有用來將功率傳輸至該穿戴式電子裝置之一裝置諧振器之一或多個來源諧振器。在某些實施例中，頂部部分706可具有一大體上圓形或橢圓形截面。頂部部分706可具有一錐形、截錐形、圓錐形或圓柱形形狀。
圖8A至圖8B展示可安裝於圖7中所展示之電源外殼之頂部部分706中之一諧振器線圈之一例示性實施例之透視圖及俯視圖。所展示之諧振器線圈由2盎司銅製成且在非捲曲之情況下長度為近似300mm(如圖8C中所展示)。所展示之諧振器線圈可藉由將圖8C中所展示之平坦諧振器線圈802折疊或環繞成一大體上圓柱形形狀而建構。該圓柱形形狀可具有近似40mm之一高度及近似43mm之一直徑。諧振器線圈802具有正交於該諧振器之平面之一般磁偶極矩且從中心區域804延伸。在圖8C中之諧振器線圈經彎曲或折疊以產生圖8A至圖8B中所展示之大體上圓柱形形狀時，沿從圓柱之中心部分通過底部傳導跡線802a與頂部傳導跡線802b之間的區域804之徑向方向產生磁通量。在實施例中，可存在呈諧振器線圈802之圓柱形形式之某個重疊806，或 可不存在該重疊806(如圖8A至圖8B中所展示)。重疊區域806可用於控制或減小因取消重疊跡線中之電流造成之減小的徑向通量之區域。減小的徑向磁通量之一區域可導致在來源諧振器線圈與裝置諧振器線圈之間具有少量磁耦合或不具有磁耦合之一零值區域。可最佳化之圓柱形諧振器線圈802之另一態樣為組成該諧振器線圈之導電跡線之跨距。在實施例中，在錶盤後方安裝有一裝置諧振器線圈之一智慧型手錶可位於圓柱形諧振器之底部跨距802a。在跨距802a處亦可存在一零值，其繼而可減小至放置於附近之一裝置諧振器之功率傳輸之效率。在例示性實施例中，該電源外殼之頂部部分706可容置除上文在圖8A至圖8C中所述之例示性實施例外之來源諧振器線圈之實施例。
圖9A展示可安裝於圖7中所展示之電源外殼之頂部部分706中之源諧振器線圈之一例示性實施例。在此實施例中，一或多個來源諧振器線圈902成形為呈列定位於基板904上之「窗口」或「框架」。圖9B展示上面印刷有來源諧振器線圈902之一非折疊基板904。來源諧振器線圈902可具有類似大小及形狀。在實施例中，來源諧振器線圈902可電耦合在一起且藉由一或多個放大器予以驅動。在其他實施例中，來源諧振器線圈902可分別藉由一或多個放大器予以驅動。在其他實施例中，來源諧振器線圈902之驅動可隨時間、頻率等變化。在實施例中，零值可形成於相鄰諧振器線圈之導電跡線之間的空間906中。此問題可藉由減小空間906或使來源諧振器線圈902重疊予以減輕。在實施例中，可在來源諧振器線圈「窗口」之各者處量測反射阻抗以偵測該裝置最佳地經定位以接收功率之一或多個窗口。例如，「最佳位置」可由大於40%、50%或更大之功率傳輸效率判定。在另一實例中，「最佳位置」可由來源諧振器線圈與裝置諧振器線圈之間的耦合程度判定。在實施例中，來源諧振器線圈可藉由依次接通(及斷開)一電力供應器而「循環」，且可在各線圈處量測功率損耗以判定裝置位 置。在實施例中，該裝置可能夠藉由調變功率信號或藉由帶外通信(諸如藍芽、WiFi等)來傳達其位置。
轉發器
在例示性實施例中，一轉發器諧振器可用來將功率從一無線電源無線地傳輸至一穿戴式電子裝置。對於關於轉發器之論述及實例，請參見至少以下共同擁有之申請案：2012年10月4日公開為US 2012/0248887且標題為「Multi-Resonator Wireless Energy Transfer for Sensors」之美國專利申請案第13/283,854號；2014年1月23日公開為US 2014/0021798且標題為「Wireless energy source」之美國專利申請案第13/944,693號；及2014年9月18日公開為US 2014/0265617且標題為「Wireless energy transfer」之美國專利申請案第14/199,083號。應注意，經提供用於轉發器之諧振器之例示性實施例亦可用作用於來源之諧振器。在實施例中，在一無線能量傳輸系統中具有一轉發器之一優點可為使用來源(例如，一WiT-5000)之能力，該來源經組態以使用一個磁場方向及振幅將功率傳輸至經設計以接收功率之一裝置，以(經由該轉發器)將功率傳輸至經設計以從一不同磁場方向及振幅接收功率之一無線供電穿戴式裝置。由該轉發器產生之磁場可沿一不同方向且具有大於或小於來自既有來源之磁場之一振幅。例如，一使用者可已具有一無線電源墊，該無線電源墊經設計以在該墊上方之一區域中產生具有某個振幅及主要垂直於該電源墊之平面之一方向之一磁場。放置於此區域中之一穿戴式裝置可不充電，此係因為由該電源墊產生之磁場具有一過高振幅，從而可能破壞該穿戴式裝置，或過低或沿無法充分耦合至該穿戴式裝置上之諧振器線圈之一方向。一轉發器可用來修改由該電源墊產生之磁場(振幅及/或方向)以便將功率安全地遞送至該穿戴式裝置。
在無線能量傳輸系統中使用一轉發器之另一優點為該轉發器亦 可用來對該穿戴式裝置充電，而一既有來源諧振器同時將功率傳輸至其他裝置。例如，一使用者可已具有一無線電源，該無線電源能夠將5W或更大功率傳輸至放置於其頂部或上方之電子裝置。該轉發器可經設計以在放置於電源墊旁邊、電源墊上方、電源墊下方或減小的磁場之另一區域中時進行操作，從而捕捉足夠磁通量以將功率無線地遞送至一穿戴式裝置，同時將功率傳輸至放置於該無線電源上之其他裝置。
在實施例中，在一無線能量傳輸系統中之一轉發器之另一優點可為該轉發器之可攜性。例如，該轉發器可在一單獨外殼中，如圖10及圖11中所展示。此可允許一使用者攜帶一轉發器或帶著一轉發器行進，該轉發器可結合多個來源使用以對一穿戴式電子裝置充電。在實施例中，一轉發器可與一或多種類型之來源(諸如具有不同功率位準、不同標準等之來源)相容。
在例示性實施例中，一轉發器可為被動轉發器。換言之，一轉發器可包括不具有驅動或控制電路之一或多個電感器及電容器。在例示性實施例中，一轉發器可裝備有無線通信及/或控制電路。例如，無線通信(諸如藍芽、WiFi或無線電)可用來與一來源通信。在實施例中，通信可包括驗證電源，與一來源建立一功率或通信鏈路。在實施例中，一轉發器可具有與一無線功率裝置大致相同的通信及控制電路以便「表現」為用於一無線電源之一相容裝置。此可包含具有與一無線電源建立一連接及向一來源呈現一可接受反射阻抗之能力。在實施例中，一可接受阻抗可為一來源可安全地且有效地傳輸功率之一系列阻抗值。在實施例中，可需要在一來源與一轉發器之間建立一通信鏈路或通道以起始無線功率至穿戴式電子裝置之傳輸。對於關於無線功率傳輸系統中之無線通信之論述及實例，請參見至少以下共同擁有之申請案：2012年3月15日公開為US 2012/0062345且標題為「Low Resistance Electrical Conductor」之美國專利申請案第13/222,915號；及2012年10月4日公開為US 2012/0248887且標題為「Multi-Resonator Wireless Energy Transfer for Sensors」之美國專利申請案第13/283,854號。
在例示性實施例中，包含一裝置諧振器之一穿戴式裝置可與轉發器及/或來源建立一通信鏈路。在實施例中，該來源可回應於由一種類型之穿戴式裝置發送之通信而改變磁場之量值及/或頻率。在實施例中，一穿戴式裝置可與一轉發器通信以修改由該來源產生之一磁場。
在例示性實施例中，一轉發器可為一可調諧轉發器。在實施例中，一轉發器可具有可藉由功率及控制電路調諧之一或多個組件。組件可為該轉發器之一阻抗匹配網路之電感器及電容器。例如，一轉發器可具有可用來對該轉發器調諧或解調諧之一可切換或可調諧電容器。一轉發器可經調諧以運用不同來源進行操作。一轉發器諧振器可取決於該轉發器相對於該來源之近接度及位置而調諧。在實施例中，一轉發器諧振器可經解調諧以在一來源上或附近依一高磁場強度工作。例如，一來源可產生具有可對於該穿戴式電子裝置之安全性而言過高之一振幅之一磁場，且一轉發器諧振器可經解調諧以將一安全位準之功率傳輸至該穿戴式電子裝置。
圖10至圖11展示無線電源及轉發器之例示性實施例。圖10及圖11中分別展示之轉發器1002及1102安置於具有一頂帽形狀之一外殼中且將功率從一來源1004無線地傳輸至一穿戴式電子裝置1006。應注意，轉發器1002可放置於來源1004之頂部上，放置成緊挨著來源1004或放置於來源1004附近。在此實施例中，該來源呈一墊之形狀，但可採取另一形狀，諸如一頂帽。
圖12A至圖12B展示可用作如圖10中所展示之一轉發器諧振器之 一諧振器之一例示性實施例之兩個視圖。圖12A展示一諧振器之一俯視圖，該諧振器包含使用耦合至一電路板1204上之一或多個電容器之實心線建構之一線圈1202。實心線可為實心銅線、銅包鋁等。圖12B展示圖12A中之諧振器之一透視圖。在實施例中，圖12A至圖12B中所展示之諧振器可具有大於100、大於200、大於300或更大之一品質因數。在實施例中，該諧振器包含大體上纏繞於一第一平面中之導電跡線之一下部分1206及大體上纏繞於一第二平面中之導電跡線之一上部分1208。在實施例中，在該第一平面與該第二平面之間可存在一非零距離。在實施例中，在導電跡線之上部分1208中存在一匝以上，且該等跡線可大體上不位於相同平面中。上部分1208中之導電跡線可為下部分1206之導電跡線之一延續(如圖12A至圖12B中所展示)且可藉由線部分1210及1212連接。歸因於在線中行進之電流之方向，線部分1210中之電流之方向與線部分1212中之電流之方向相反。此可造成線部分1210、1212附近之磁場之徑向分量之一減小，從而產生一低磁耦合(或一空值)區域。此效應可藉由在1214處產生一較大重疊予以減輕、修改或移動。應注意，亦可能纏繞上導電跡線1208，因此導體1210及1212中之電流沿相同方向行進。
圖13A展示用來將功率無線地傳輸至如圖11中所展示之一穿戴式裝置之一轉發器諧振器之兩個視圖。在圖11中，轉發器1102將無線功率從來源1004傳輸至穿戴式裝置1006。諧振器外殼1302具有類似於一「K-cup®」筒之形狀及大小之一形狀及大小。一諧振器線圈安裝於外殼1302內。在實施例中，該諧振器線圈之繞組可沿外殼1302之內表面定位。在一些實施例中，該等繞組可與該外殼之內表面接觸。在例示性實施例中，該諧振器線圈具有佔據一大體上圓柱形容積之一上部分1304及一下部分1306。所展示之實施例在下部分1306之線中比在上部分1304之線中具有更多匝，且從下部分1306至上部分1302，該外殼 可漸縮。然而，在實施例中，相比於下部分1306，在上部分1304中可存在更多或相等數目之匝。在實施例中，一或多個電容器可耦合至一電路板1308上之諧振器線圈。圖13B展示圖13A中所展示之諧振器之例示性實施例之一仰視圖。在實施例中，圖13A至圖13B中所展示之諧振器可具有大於100、大於200或更大之一品質因數。上部分1304及下部分1306中之匝之數目可分別經選擇以對於一給定磁場，在1304與1306之間的區域中產生用來對轉發器定位於其中之穿戴式裝置充電之所要磁場振幅。
圖14展示一無線電源1402及一無線功率轉發器1404之一例示性實施例之一截面圖。該圖式展示位於其中導體1408纏繞於一平面(類似於圖2中所展示之平面)中之一電源墊1402上之一轉發器1404(諸如圖12A至圖12B中所展示之轉發器)之導體1406之一截面。該圖式展示由電源1402產生之磁場線1410及在該轉發器之導體1406處出現之相反磁場1414。歸因於此等相反磁場線1414，該轉發器可增強或漏掉該電源之磁場1410，如所展示。例如，轉發器諧振器線圈1406之兩個平面之間的磁場1410歸因於底部平面上之相對磁場線1414及頂部平面上之強加磁場線1412而增強。
圖15展示一無線電源1402及一無線功率轉發器1404之一例示性實施例之一圖。該圖式展示定位於一電源墊1402(具有類似於圖2中所展示之諧振器線圈之一諧振器線圈)旁邊之一轉發器(諸如圖12A至圖12B中所展示之轉發器)之導體之一截面。該圖式展示由電源1402產生之磁場線1502及在該轉發器之導體1408處出現之相對磁場1504。轉發器諧振器線圈1406之頂部平面上之相對磁場線1506可與磁場線1502相對反，但亦可強加磁場線1508。然而，相對磁場線1506可強加磁場線1502。此可造成磁場線1502朝向強加(而非相反)磁場1502之轉發器1404之導體下推。在實施例中，磁場如所展示般成形之一結果可對可 擱置於轉發器1404上之某些位置處之一穿戴式裝置有利。
在例示性實施例中，相比於用作一來源諧振器，用作一轉發器諧振器之一諧振器可導致不同磁場。如上文所論述，在一被動諧振器或一非主動驅動諧振器放置於一來源諧振器之上或附近時，可形成相反電流及/或磁場。此外，用來將功率從一來源諧振器傳輸至一裝置諧振器之一轉發器諧振器可基於其相對於該來源諧振器之位置而形成不同磁場。
圖16A至圖16B展示裝置諧振器線圈之例示性實施例。圖16A展示具有近似3匝或3個繞組之一28mm 1602 x 28mm 1604裝置諧振器線圈。圖16B展示具有近似6匝或6個繞組之一15mm 1606 x 20mm 1608裝置諧振器線圈。在例示性實施例中，該裝置諧振器線圈之大小可由可用於一電子裝置之空間或區域判定。在一穿戴式裝置之情況下，該可用區域可由一錶盤背面、帶或其他表面界定。在實施例中，一來源或轉發器諧振器線圈可經設計使得該作用區域近似等於或大於一裝置諧振器線圈之最大尺寸。該作用區域可由提供功率傳輸之一傳送諧振器之一區域或表面界定。在實施例中，該作用區域可在其中在該裝置諧振器線圈與該來源諧振器線圈之間具有一可接受耦合範圍之一區域內。一可接受耦合範圍之耦合k可大於0.03、大於0.05、大於0.07、大於0.1或更大。在實施例中，該來源諧振器線圈之作用區域可等於或大於該裝置諧振器線圈之最外面導體迴路。在實施例中，一來源諧振器線圈之作用區域可近似等於或大於可結合一特定來源諧振器線圈使用之裝置諧振器線圈之平均大小。
圖17A至圖17B展示可用作一來源諧振器之一諧振器之一例示性實施例。諧振器1700包含在一第一平面1704中纏繞成一第一副線圈且纏繞於一第二平面1706中以形成一第二副線圈且藉由一橋接器1708連接之一導體1702。各副線圈可界定一開口且副線圈表面可具有一凹形 輪廓。在一些實施例中，各纏繞導體為由導體1702之複數匝形成之一凹形碟。諧振器1700亦在一電路板1710上包含一或多個電容器。
在實施例中，諧振器1700之品質因數可大於50、75、100、200或更大。在實施例中，諧振器線圈之電感可近似等於或大於1μH。在實施例中，該諧振器線圈可由銅線、銅包鋁線、銅包不鏽鋼線等製成。圖17A至圖17B中所展示之諧振器線圈可由14口徑銅包鋁製成且具有近似1.04μH之一電感及近似220之一品質因數。纏繞於第一平面1704中之導體之部分具有近似5cm之一寬度W1及近似0.5cm之一跨距S1(包含3匝線)。纏繞於第二平面1706中之導體之部分具有近似4.2cm之一寬度W2及近似0.75cm之一跨距S2(包含4匝線)。纏繞於各平面中之導體之間的高度H近似3.8cm。在例示性實施例中，寬度W1及W2可依據待充電之電子裝置之大小而變化。例如，一穿戴式電子裝置之腕帶之大小可判定W1及W2可多大或多小。
圖17B展示諧振器1700在由一電力供應器驅動時其磁場之一表示。歸因於繞組1704與1706隔開且面對彼此(如所展示)，故產生一徑向偶極1716。此係歸因於偶極1712及1714之法向分量之抵消。此允許在纏繞於第一平面1704中之導體與纏繞於第二平面1706中之導體之間的區域外有一更均勻磁場。
圖18A展示可用於一無線功率傳輸源或轉發器中之一諧振器線圈之一例示性實施例。在例示性實施例中，諧振器線圈1802可有助於進一步理解圖17A至圖17B中所展示之諧振器線圈之磁場之行為。應注意，一2D平面中之一諧振器線圈可經彎曲以形成諧振器1802，如圖18A中所展示。從驅動作為一來源之部分之此一諧振器線圈所得之磁場1804表現為類似於圖17B中所展示之磁場。
在實施例中，由磁材料或金屬材料製成之遮罩可用來減小有損耗材料之損耗，諸如用於建構穿戴式電子裝置之材料。例如，不鏽鋼 為通常用於一手錶之錶盤中之一特別有損耗之金屬。在例示性實施例中，圖3A至圖3C中所展示之裝置諧振器線圈可用具有1mm之一近似厚度之一鐵氧體遮蔽。遮蔽材料、鐵氧體片或「撓性」鐵氧體定位於裝置諧振器與錶盤之間。對於關於無線能量傳輸裝置中之遮蔽之實例及論述，請參見至少以下共同擁有之申請案：2012年10月4日公開為US 2012/0248887且標題為「Multi-Resonator Wireless Energy Transfer for Sensors」之美國專利申請案第13/283,854號。
圖18B展示進一步包含多塊磁材料1806、1808之一諧振器線圈1802之一例示性實施例。在實施例中，該多塊磁材料可為鐵氧體。放置於諧振器線圈1802下方之磁材料1806可防止放置於諧振器線圈1802下之任何有損耗物件1810之損耗。有損耗物件1810可包含金屬表面及/或來源電子設備。該來源電子設備可包含圖1中所展示之該等組件。放置於諧振器線圈1802上方之磁材料1808可防止與一裝置諧振器線圈過強耦合之一區域。例如，頂部區域可產生允許一裝置諧振器線圈強耦合至該來源諧振器線圈之一作用區域。若未針對所得較高電壓設計電子設備，則耦合強度可造成裝置電子設備之一故障。因此，任何裝置(諸如放置於該表面上之一穿戴式電子裝置)將不經歷任何損害。結果亦得到在一預期耦合下傳輸其功率之作用區域將在兩塊磁材料1806與1808之間的區域中。在實施例中，該預期耦合範圍可介於0.05與0.1之間或更大。在實施例中，利用如圖18B中所展示之磁材料之另一效應可為增大磁材料塊之間的區域中之耦合，使得該裝置諧振器線圈中之電流減小。此可導致裝置諧振器及電子設備處之損耗降低，且因此穿戴式裝置之升溫減小。在例示性實施例中，圖17A至圖17B中所展示之諧振器線圈亦可在導體繞組1706之頂部上及在導體繞組1704下方具有磁材料塊。在實施例中，該等磁材料塊可呈圓形以符合諧振器線圈1700之導體繞組之圓形形狀。
圖19A至圖19B展示一例示性來源諧振器線圈1902(類似於圖17A中所展示之來源諧振器線圈)之一俯視圖之圖。亦展示與來源諧振器線圈1902相切而定位之一裝置諧振器線圈1904及1908之一俯視圖。在圖19A中，在大小為SA之裝置諧振器線圈1904之外邊緣之間存在一距離1906，其大於圖19B中所展示之大小為SB之裝置諧振器線圈1908之外邊緣之間的距離1910。在例示性實施例中，可有利的是，裝置諧振器線圈儘可能接近來源諧振器線圈之繞組能夠捕捉更大量磁通量及/或被更佳地耦合。
圖19C展示一來源諧振器線圈及一裝置諧振器線圈之一例示性實施例之一圖。來源諧振器線圈包含導體繞組1912及1914。導體繞組1912及1914之兩個平面之間的間隔s可近似等於或大於裝置諧振器線圈1916之尺寸D。例如，間隔S可為裝置諧振器線圈1916之尺寸D之約2倍。應注意，導體繞組1912及1914經由導體1918及1920而連接。導體引線耦合至一或多個電容器1922。該一或多個電容器可安置於一印刷電路板上。在例示性實施例中，導體1918及1920可連接導體繞組1912及1914，使得該等導體繞組沿相同方向或相反方向纏繞。例如，沿相同方向纏繞之導體繞組1912及1914可為一轉發器諧振器之部分。在另一實例中，沿相反方向纏繞之導體繞組可為一來源諧振器之部分。
在例示性實施例中，導體繞組1912及1914可纏繞成不同形狀，諸如圓柱形形狀、堆疊環、扁平線圈等。在實施例中，一諧振器線圈可具有具一個以上形狀之導體繞組，換言之，導體繞組1912可為不同於導體繞組1914之一形狀及大小。例如，一諧振器線圈可具有導體繞組1912之一圓柱形形狀及導體繞組1914之一扁平線圈形狀之一組合。在實施例中，該等導體繞組可經纏繞使得各匝具有一不同大小。在例示性實施例中，該裝置諧振器線圈可具有不同形狀，諸如圓形、橢圓 形、矩形、多邊形等。
圖20展示可用作一來源諧振器或一轉發器諧振器之一諧振器之一例示性實施例。諧振器2002包含一連續導體2004，該連續導體2004纏繞於一第一平面2006中以形成一第一副線圈且纏繞於一第二平面2008中以形成一第二副線圈且藉由一橋接器2010連接。各副線圈可界定一開口且該副線圈表面可具有一凹形輪廓。在一些實施例中，各纏繞導體可為由導體2004之複數匝形成之一凹形碟。在實施例中，副線圈2006及2008之各者可形成於一印刷電路板上且接著經由一連接器或線2010而耦合。
在實施例中，諧振器2002之品質因數可大於50、75、100、200或更大。在實施例中，諧振器線圈之電感可近似等於或大於1μH。在實施例中，該諧振器線圈可由銅線、銅包鋁線、銅包不鏽鋼線等製成。該諧振器線圈可由14口徑銅包鋁製成且具有近似1.14μH之一電感及近似150之一品質因數。纏繞於第一平面2006中之導體之部分具有近似4.2cm之一寬度W1及近似0.75cm之一跨距S1(包含4匝線)。纏繞於第二平面2008中之導體之部分具有近似3.6cm之一寬度W2及近似0.75cm之一跨距S2(包含4匝線)。各平面中之導體之間的高度H近似2.5cm。
圖21展示可用作一轉發器諧振器線圈之一諧振器線圈之一例示性實施例。諧振器線圈2102包含纏繞成一大體上圓柱形形狀且藉由一橋接器2110連接之一連續導體2104，該連續導體2104在第一端2106處具有纏繞成一水平堆疊形狀之一第一組導體繞組及在第二端2108處具有纏繞成一彎曲表面形狀之一第二組導體繞組。該第二組導體繞組可形成為界定一開口之一孔環且該環表面可具有一彎曲輪廓。橋接器2108可包含纏繞該大體上圓柱形形狀之周邊且連接該第一組導體繞組及該第二組組導體繞組之至少一個跨距。
在實施例中，諧振器線圈2102之品質因數可大於50、75、100、200或更大。在實施例中，諧振器線圈之電感可近似等於或大於2μH。在實施例中，該諧振器線圈可由銅線、銅包鋁線、銅包不鏽鋼線等製成。諧振器線圈2102可由14口徑銅包鋁製成且具有近似2.5μH之一電感及近似250之一品質因數。纏繞於第一端2106處之導體之部分具有近似5cm之一寬度W1及近似0.9cm之一跨距S1(包含3匝線)。纏繞於第二端2110處之導體之部分具有近似4.5cm之一寬度W2、近似1.2cm之一跨距S2(包含5匝線)及近似0.5cm之一跨距S3(包含2匝線)。總高度H1近似3.6cm。該等組之導體之間的高度H2近似1.8cm。
相比於圖17A及圖20中所展示之諧振器導體繞組，導體2102之匝可被分佈或隔開得更多。相比於圖17A及圖20中所展示之諧振器導體繞組，分佈式導體繞組之結果可為至裝置諧振器線圈之整體耦合降低，但耦合更均勻。分佈式導體繞組之另一結果為一般導致更大量導體用於諧振器線圈中，其增大諧振器之品質因數Q。
圖22A展示具有可調整元件之一無線電源之一例示性實施例。在此實施例中，該電源可包含可取決於穿戴式裝置或電子裝置之裝置諧振器線圈之大小而接通及斷開之若干組諧振器線圈。例如，對於具有小的大小(諸如近似等於或小於D1)之一裝置諧振器線圈，該電源可具有偵測該裝置諧振器線圈之大小及變更切換器2202及2204之狀態以與諧振器線圈2206及2208連接之能力。替代地，若一來源偵測到一大的大小之裝置諧振器線圈(諸如對應於D3之裝置諧振器線圈)，切換器2202及2204之狀態可經變更以與2210及2212連接。在實施例中，一控制器2214可接收關於該裝置諧振器線圈之大小之資訊以控制切換器2202及2204之狀態。在實施例中，可存在其中接通諧振器線圈2216及2218之中介情況。在實施例中，上或下組線圈之各者可形成於一多層印刷電路板上。例如，線圈2210、2216及2206可各佔據3或更多層板 之一層。
圖22B展示具有可調整元件之無線電源之一例示性實施例。在此實施例中，該電源可包含可取決於穿戴式裝置或電子裝置之裝置諧振器線圈之大小而接通及斷開之一或多個諧振器線圈。在實施例中，一諧振器線圈2220可保持固定，而切換器2222用來在諧振器線圈2224、2226與2228之間變更。因此，諧振器2224可經接通用於可具有近似等於或小於D6之一大小之一大裝置諧振器線圈。在實施例中，切換器2222可受可接收關於該裝置諧振器線圈之大小之資訊之控制器2230之控制。在一些情況下，圖22B中所展示之實施例可優於圖22A中所展示之實施例，此歸因於電子設備之複雜度更小，諸如切換器更少等。然而，圖22A中所展示之實施例可更穩健且更「客製化」於裝置諧振器之大小。圖22B中所展示之實施例之另一優點可為來源諧振器線圈容置於其中之機械殼體自身可需要調整。換言之，可需要調整圖22A中所展示之實施例之一機械殼體以正確地擱置最接近來源諧振器線圈之穿戴式裝置。對於圖22B中所展示之實施例，可無需調整該機械殼體，此歸因於一固定諧振器線圈2220定位於可擱置該裝置諧振器線圈之底部之處。在例示性實施例中，圖22A或圖22B中之來源諧振器線圈可串聯地或並聯地耦合。在例示性實施例中，該電源可包含一使用者可雙態觸發之一手動切換器。該手動切換器可接達於該電源之機械殼體上且可控制啟動該等來源諧振器線圈之哪些。該使用者可雙態觸發該切換器以適應在一穿戴式電子裝置之中或之上該裝置諧振器線圈之大小。
圖23展示各定位於撓性基板上之兩個來源諧振器線圈2302、2304之一實施例。此線圈組態可定位至電源外殼(諸如圖10及圖11中所展示之電源殼體)中。在實施例中，可取決於將能量傳輸至該裝置所需之磁場之強度而同相地或異相地一起驅動該兩個來源諧振器線 圈。例如，可近似90度異相驅動該兩個線圈以抵消電磁場之一部分。在實施例中，可取決於該裝置諧振器線圈之大小而挑選該等來源諧振器線圈之一者來傳送功率。
圖24A展示一無線電源之多個來源諧振器線圈之一實施例之一透視圖。線圈2402、2404、2406(Ncoils=3)共用相同中心軸2408。藉由使線圈2402、2404、2406相對於彼此繞著軸2408成角，該等線圈可沿各個方向傳送功率。該(等)經啟用之線圈可由該裝置諧振器線圈之位置判定。圖24B展示圖24A中所展示之多來源諧振器線圈組態之一俯視圖。在實施例中，可存在共用相同軸之兩個或更多個來源諧振器線圈。
圖25A展示一穿戴式電子裝置之一來源之一側視截面視圖。來源2502之外殼具有一內部分2504在上面凸起之一底部平台。該內部分提供一無線可再充電腕戴式電子裝置2506緊靠或位於周圍之機械結構。此外，內部分2504亦容置一內來源諧振器線圈2508及來源電子設備2510。內來源諧振器線圈2508可類似於圖8A至圖24中所展示之來源諧振器線圈。在圖25A至圖25B中，為了簡單起見，展示具有一裝置諧振器線圈之腕戴式電子裝置2506之部分。在實施例中，來源2502在來源外殼之外圓周上具有一外環形機械部分2512。此外部分2512可對至少一個外來源諧振器線圈2514提供機械支撐件及外殼兩者。外來源諧振器線圈2514可用來對電子裝置2506充電。在又一實施例中，外來源諧振器線圈2514可經組態以對定位於外機械部分2512之外側上之一電子裝置2516充電。在實施例中，可在任何給定時間啟動來源諧振器線圈2508及2514之一者或兩者。在實施例中，該外來源諧振器線圈可為一轉發器且耦合至內來源諧振器線圈2508。圖25B展示圖25A中所展示之系統之一俯視圖。箭頭2518展示從內來源諧振器線圈2508至電子裝置2518之充電方向。在此實施例中，該電子裝置在面對箭頭2518 之側上具有一裝置諧振器線圈。箭頭2520展示從外來源諧振器線圈2514至電子裝置之充電方向。在此實施例中，該電子裝置在面對箭頭2520之側上具有一裝置諧振器線圈。箭頭2522展示從外來源諧振器線圈2514至定位於外側上之電子裝置2516之充電方向。在此實施例中，電子裝置2516在面對箭頭2522之側上具有一裝置諧振器線圈。
其他實施例
在例示性實施例中，一無線電源可安置於與一穿戴式電子裝置規則地接觸之位置上或整合於該等位置中。此可包含扶手、驅動輪、鍵盤、滑鼠墊、桌子等。
在例示性實施例中，該電源及/或轉發器可經控制或程式化以對一穿戴式電子裝置之電池完全充電或「涓流充電」。
在例示性實施例中，該電源或諧振器之諧振器線圈可經設計以使磁場沿一個方向「聚焦」。例如，一來源諧振器線圈可由迫使該穿戴式電子裝置(諸如一智慧型手錶)擱置於一特定位置中之一機械殼體圍封。該特定位置可為安裝有一裝置諧振器之一智慧型手錶，該裝置諧振器面對相對於「窗口」之一特定方向而擱置，如圖21C中所展示。該來源諧振器線圈可經設計以沿該智慧型手錶之擱置位置之方向強加較佳耦合。
雖然本發明已結合某些較佳實施例進行描述，但其他實施例將為一般技術者所瞭解且意欲於落在依法律允許之最廣意義解釋之本發明範疇內。例如，關於傳送無線功率之設計、方法、組件組態等已在上文連同各種特定應用及其實例進行描述。熟習此項技術者將明白，可組合地或互換地使用本文中所述之設計、組件、組件組態，且上文描述並非將此等組件的互換性及組合僅限於本文中所述之互換性及組合。
本文中所引用之所有文件以引用方式併入本文中。

Claims (22)

  1. 一種將能量無線地傳輸至一無線功率裝置之諧振器，該無線功率裝置包括具有一尺寸D之一裝置諧振器線圈，該諧振器包括：複數個第一導體繞組，其等近似纏繞於一第一平面中且具有第一導體引線及第二導體引線；及複數個第二導體繞組，其等纏繞於一第二平面中且具有第三導體引線及第四導體引線；其中該等第一導體引線及該等第三導體引線耦合至彼此且該等第二導體引線及該等第四導體引線耦合至至少一個電容器；其中該第一平面及該第二平面以間隔S隔開且大體上係平行的；且其中該第一平面與該第二平面之間的該間隔S近似等於或大於該裝置諧振器線圈之該尺寸D。
  2. 如請求項1之諧振器，其中該諧振器在運用一振盪電流予以驅動時，產生一振盪電磁場。
  3. 如請求項2之諧振器，其中該複數個第一導體繞組具有一第一偶極且該複數個第二導體繞組具有一第二偶極，且其中第一偶極矩及第二偶極矩之法向分量互相抵消。
  4. 如請求項3之諧振器，其中該電磁場具有穿過該間隔S之一徑向偶極。
  5. 如請求項1之諧振器，其中該複數個第一導體繞組及該複數個第二導體繞組包括銅線、銅包鋁線或利茲線。
  6. 如請求項1之諧振器，其中該複數個第一導體繞組及該複數個第二導體繞組各包括至少三匝。
  7. 如請求項1之諧振器，其中該裝置諧振器線圈之複數個第三繞組之一最外面繞組之一長度界定該尺寸D。
  8. 如請求項1之諧振器，其中一第一磁材料塊安置於纏繞於該第一平面中之該第一導體之一底部表面上。
  9. 如請求項1之諧振器，其中一第二磁材料塊安置於纏繞於該第二平面中之該第二導體之一頂部表面上。
  10. 如請求項1之諧振器，其中該諧振器為一轉發器諧振器，且其中該複數個第一導體繞組及該複數個第二導體繞組沿一相同方向纏繞。
  11. 如請求項1之諧振器，其中該諧振器為一來源諧振器，且其中該複數個第一導體繞組及該複數個第二導體繞組沿不同方向纏繞。
  12. 如請求項1之諧振器，其中該複數個第一導體繞組之一第一部分定位於該第一平面上方。
  13. 如請求項1之諧振器，其中該複數個第一導體繞組之一第二部分定位於該第一平面下方。
  14. 如請求項1之諧振器，其中該複數個第一導體繞組之一第三部分定位於該第一平面中。
  15. 如請求項1之諧振器，其中該複數個第二導體繞組之一第一部分定位於該第二平面上方。
  16. 如請求項1之諧振器，其中該複數個第二導體繞組之一第二部分定位於該第二平面下方。
  17. 如請求項1之諧振器，其中該複數個第二導體繞組之一第三部分定位於該第二平面中。
  18. 如請求項1之諧振器，其中該複數個第一導體繞組或該複數個第二導體繞組之至少一者形成一堆疊環。
  19. 如請求項1之諧振器，其中該複數個第一導體繞組或該複數個第二導體繞組之至少一者形成一圓柱形形狀。
  20. 一種無線功率傳輸系統，其包括：一來源諧振器，其包括：複數個第一導體繞組，其等纏繞於一第一平面中且具有第一導體引線及第二導體引線；複數個第二導體繞組，其等纏繞於一第二平面中且具有第三導體引線及第四導體引線；及一裝置諧振器，其包括纏繞於一第三平面中具有一尺寸D之複數個第三導體繞組；其中該等第一導體引線及該等第三導體引線耦合至彼此且該等第二導體引線及該等第四導體引線耦合至至少一個電容器；其中該第一平面及該第二平面以間隔S隔開且大體上係平行的；且其中該第一平面與該第二平面之間的間隔S近似等於或大於該裝置諧振器線圈之該尺寸D。
  21. 如請求項20之系統，其中該複數個第一導體繞組及該複數個第二導體繞組沿一外殼之一內表面安置，該外殼包括非導電材料。
  22. 如請求項21之系統，其中該複數個第一導體繞組及該複數個第二導體繞組接觸該外殼之該內表面。
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