CN103733534A - 用于电容性电力输送系统的声学天花板贴片 - Google Patents
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Abstract
一种作为电容性电力输送系统操作的声学天花板贴片（200），其包括：包括不导电材料的第一层（231）；配置在第一层的第一侧上的电容性电力输送系统的至少一个接收器电极对（220，221）；其一侧基本上被第一层覆盖的泡沫层（240）；以及连接到电感器（212）并且连接到接收器电极对的负载（210），其中所述负载和电感器被配置在形成于第一层与泡沫层之间的腔室中，其中当由电力驱动器生成的电力信号的频率基本上匹配于所述电感器和产生在接收器电极对与传送器电极对之间的电容性阻抗的串联谐振频率时，所述电力信号被从传送器电极对无线输送到接收器电极对（220，221）以便为所述负载供电。
Description
本申请要求2011年8月16日提交的美国临时专利申请号61/523,953、2011年10月18日提交的美国临时申请号61/548,397以及2012年5月21日提交的美国临时申请号61/649,498的权益。
技术领域
本发明总体上涉及电容性电力输送，并且更具体来说涉及在各个表面上使用导电层，以便利用电容性电力输送进行电力配送。
背景技术
无线电力输送指的是在没有任何线或接触的情况下供给电力，因此通过无线介质对电子设备进行供电。无接触供电的一种普遍应用是为例如移动电话、膝上型计算机等便携式电子设备进行充电。
无线电力输送的一种实现方式是通过感应式供电系统。在这样的系统中，电源（传送器）与设备（接收器）之间的电磁感应允许进行无接触电力输送。传送器和接收器二者都装配有电线圈，并且当在物理上邻近时，电信号会通过所生成的磁场从传送器流动到接收器。
在感应式供电系统中，所生成的磁场集中在线圈内。其结果是，到接收器拾取场的电力输送在空间上非常集中。这种现象在所述系统中产生热点，从而限制了系统的效率。为了改进电力输送的效率，对于每一个线圈需要高品质因数。为此，线圈应当具有电感与电阻的最优比值的特征，应当由具有低电阻的材料构成，并且应当利用Litze线处理来制造以便减轻趋肤效应。此外，线圈应当被设计成满足复杂的几何结构以避免涡电流。因此，对于高效的感应式供电系统需要昂贵的线圈。针对大面积无接触电力输送系统的设计将需要许多昂贵的线圈，因此对于这样的应用，感应式供电系统可能是不可行的。
电容性耦合是用于无线电力输送的另一种技术。这种技术主要被利用在数据传输和感测应用中。电容性耦合的一个实例是粘贴在窗户上的汽车无线电天线与汽车内部的拾取元件。电容性耦合技术还被利用来对电子设备进行无接触充电。对于这样的应用，（实施电容性耦合的）充电单元在设备的固有谐振频率之外的频率下操作。
电容性电力输送系统还可以被利用来在具有平坦结构等等的大面积（例如窗户）上输送电力。一个实例是在图1中描绘的电容性电力输送系统100。如图1中所示，这样的系统的典型设置包括连接到负载120和电感器130的一对接收器电极111、112。系统100还包括连接到电力驱动器150的一对传送器电极141、142以及绝缘层160。
传送器电极141、142耦合到绝缘层160的一侧，并且接收器电极111、112从绝缘层160的另一侧耦合。这种设置形成传送器电极对141、142与接收器电极111、112之间的电容性阻抗。因此，当由电力驱动器生成的电力信号的频率与所述系统的串联谐振频率基本上匹配时，可以通过无线方式把所述电力信号从传送器电极141、142输送到接收器电极111、112，以便为负载120供电。系统100的串联谐振频率是电感器130和/或电感器131的电感值以及传送器电极对141、142与接收器电极111、112之间的电容性阻抗（图1中的C1和C2）的函数。所述负载例如可以是LED、LED串、灯等等。作为一个实例，系统100可以被利用来为安装在天花板上的照明灯具供电。
为了允许在大的天花板表面上进行无线电力输送，存在这样一项挑战：在不牺牲天花板的审美特性的情况下在沿着表面的任意位置处高效地供给电力。另一项挑战在于，在图1所示的系统中，绝缘层160是所述系统的基础设施的一部分，因此应当进行修改以便允许所述电容性供电系统在一般性的天花板表面中并且特别地在声学天花板贴片中进行操作。
美国专利公开号2004/0022058公开了一种照明贴片，其包括由位于支撑表面中的电源供电的嵌入式LED以及控制与感测设备。所述照明贴片包括金属化条带，其适于与布置在支撑表面上的一个阵列中的对应导电元件形成电容性耦合。所述支撑表面上的导电元件连接到电力供给装置。但是这样的设置无法被用作声学天花板贴片，这是因为所述导电元件（例如传送器电极）附接到支撑表面并且形成支撑表面的一个集成部分。
声学天花板贴片提供装饰性和声学功能。通常来说，这样的贴片包括覆盖有装饰层的泡沫层。所述泡沫层通常是厚的矿物棉基板，其具有减少声学反射的装饰层（例如涂料层）。所述矿物棉层是针对声学噪声的屏障，其还提供贴片的机械强度。声学天花板贴片可以被安放在悬挂的天花板系统上。
发明内容
可能希望提供能够借助于电容性电力输送来为负载（例如照明源）供电并且同时保持贴片的装饰性和噪声减少特性的声学天花板贴片。
这里所公开的某些实施例包括一种作为电容性电力输送系统操作的声学天花板贴片。所述声学天花板贴片包括：包括不导电材料的第一层；配置在第一层的第一侧上的电容性电力输送系统的至少一个接收器电极对；其一侧基本上被第一层覆盖的泡沫层；以及连接到电感器并且连接到接收器电极对的负载，其中所述负载和电感器被配置在形成于第一层与泡沫层之间的腔室中，其中当由电力驱动器生成的电力信号的频率基本上匹配于所述电感器和产生在接收器电极对与传送器电极对之间的电容性阻抗的串联谐振频率时，所述电力信号被从传送器电极对无线输送到接收器电极对以便为所述负载供电。
这里所公开的某些实施例还包括一种作为电容性电力输送系统操作的照明声学天花板贴片。所述照明声学天花板贴片包括：包括不导电材料的第一层；包括不导电材料的第二层；配置在第二层的第一侧上的电容性电力输送系统的至少一个接收器电极对；在相对侧上基本上被第一层和第二层覆盖的泡沫层；以及连接到电感器并且连接到接收器电极对的照明元件，其中所述照明元件和电感器被配置在形成于泡沫层与第一层之间的腔室中，其中当由电力驱动器生成的电力信号的频率基本上匹配于所述电感器和产生在接收器电极对与传送器电极对之间的电容性阻抗的串联谐振频率时，所述电力信号被从传送器电极对无线输送到接收器电极对以便为所述照明元件供电。
这里所公开的某些实施例还包括一种用于制造作为电容性电力输送系统操作的声学天花板贴片的方法。所述方法包括：用不导电材料形成第一层；在第一层的相对侧上形成一个接收器电极对和一个传送器电极对；形成泡沫层；在泡沫层与第一层之间形成腔室；至少将负载和电感器配置在形成于泡沫层与第一层之间的腔室内；把所述负载串联连接到所述电感器和接收器电极对；形成第二层；以及把第一层和第二层贴附在泡沫层的相对侧上。
在说明书末尾处的权利要求书中特别地指出并且清楚地要求保护被视为本发明的主题内容。通过后面结合附图做出的详细描述，本发明的前述和其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1示出了被利用于大面积上的电力输送的电容性电力输送系统；
图2示出了根据一个实施例的作为电容性电力输送系统操作的声学天花板贴片的剖面图；
图3A和3B示出了包括在声学天花板贴片中的接收器电极的可能设置；
图4示出了根据另一个实施例的作为电容性电力输送系统操作的声学天花板贴片的剖面图；
图5是根据一个实施例的作为电容性电力输送系统操作的照明声学天花板贴片的剖面图；
图6是示出了根据一个实施例的声学天花板贴片到电力驱动器的连接的图示；
图7是示出了根据另一个实施例的声学天花板贴片到电力驱动器的连接的图示；以及
图8是描述可作为电容性电力输送系统操作的声学天花板贴片的制造方法的流程图。
具体实施方式
重要的是应当注意到，所公开的实施例仅仅是这里的创新性教导的许多有利的用途的实例。一般来说，在本申请的说明书中所做的陈述并不一定限制所要求保护的各项发明当中的任一项。此外，一些陈述可能适用于某些发明性特征但是不适用于其他发明性特征。一般来说，除非另行表明，否则单数元件可以是复数并且反之亦然，而不会损失一般性。在附图中，相同的附图标记在几幅视图中表示相同的部件。
图2示出了根据一个实施例的被设计成作为电容性无线电力系统操作的声学天花板贴片200的示例性而非限制性的剖面图。声学天花板贴片200被设计成作为电容性无线电力系统操作以便为负载210无线供电。为此目的，负载210串联连接到电感器212，它们一同连接到至少一个接收器电极对220、221。在图2中所示的本发明的一个实施例中，负载210、电感器212和接收器电极220、221被组装在覆盖声学天花板贴片200的泡沫层240的其中一层（例如231）之间。泡沫层240例如可以利用矿物棉的基板制成。另一层是层232。
层231、232通常由不导电材料制成，比如涂覆有涂料层的纤维材料。每一层的厚度通常是大约几十微米。层231是电容性电力输送系统的绝缘层。层231、232还可以被配置成作为天花板贴片200的装饰性或审美部分出现，从而形成贴片的装饰层。
接收器电极220、221由导电材料制成，例如包括碳、铝、氧化铟锡（ITO）、例如聚(3,4-乙撑二氧噻吩)（PEDOT）之类的有机材料、铜、银或者任何导电材料。在一个优选实施例中，接收器电极220、221例如由导电墨水、导电涂料等等制成，其中可以通过使用气相沉积和溅射技术将其涂刷、印刷或添加在装饰层231上。
在图3A所示的一个实施例中，接收器电极对220、221被形成为沿着天花板贴片200的宽度或长度的两个条带。所述两个条带之间的距离可以基于应用来决定。根据另一个实施例，接收器电极220、221可以利用任何形状（例如矩形、圆形、正方形或其组合）来形成。
在图3B所示的另一种配置中，接收器电极220、221是交替地放置在彼此旁边的两个条带。电极220、221可以交替地附接到正电位或负电位。应当提到的是，通过把电极220、221彼此靠近放置，电场在较长的距离处被抵消。这对于符合EMF和EMC规章可能是有利的。
根据图4中所示的另一个实施例，所述天花板贴片被构造成使得负载210和电感器212被连接在泡沫层240与其中一层（例如层231）之间，而接收器电极220、221被连接在泡沫层240与其中另一层（例如层232）之间。如图4中所示，在负载210、电感器212和接收器电极221、222之间实现电流接触。
为了向负载210供电，把连接到驱动器420的一对传送器电极410、411放置成与接收器电极220、221邻近，从而使得传送器电极410、411与接收器电极220、221重叠。电极220、221和410、411通过充当电容性电力输送系统的绝缘层的层232分开。其结果是，分别在接收器和传送器电极220、221与410、411之间形成电容性阻抗。这一阻抗连同电感器212允许电容性电力输送系统发生谐振。在某一种配置中，可以把一个电感性元件（未示出）连接到驱动器420。
为了允许天花板贴片200（其具有图2或图4中所示的配置）作为电容性电力输送系统高效地操作，电力驱动器420输出AC电力信号，其频率与由串联的电容器（其等效于所述电容性阻抗）和电感器212构成的电路的串联谐振频率基本上相同。这样的电容器的阻抗与电感器在谐振频率下彼此抵消，从而导致低电阻电路。负载210可以连接在PCB上，所述PCB可以或者可以不包括电感器212。在另一种配置中，负载210和电感器212可以连接在线栅上。
电力驱动器420可以通过电流接触或电容性入耦合连接到传送器电极410、411。负载210可以是（但不限于）照明元件（例如LED、LED串、灯等等）、有机发光二级管（OLED）表面、投影仪、LED显示器、扬声器等等。
传送器电极410、411由导电材料制成，其可以是前面提到的其中一种材料。传送器电极410、411可以用导电涂料涂刷、利用导电墨水印刷、用导电胶带贴附或者利用气相沉积和溅射技术形成。
在一个实施例中，天花板贴片200被构造成包括作为负载510的照明元件，从而形成如图5中所示的照明贴片500。层531由透明或半透明的不导电材料制成。因此，在一种示例性配置中，当为照明元件510（例如负载）无线供电时，光从天花板向下照到地板上。
每一个接收器电极520、521连接到一个销钉形连接器501。销钉形连接器501被推压穿过泡沫层540，并且通过机械压力结合在一起。销钉形连接器501在腔室中终止，所述腔室是通过切除泡沫层540的一些部分产生的以便容纳照明元件510和可选的电感器512。层532覆盖泡沫层540的另一侧。
照明元件510例如可以是LED、LED串、灯、有机发光二级管（OLED）表面等等。在某些配置中，在形成于泡沫层540与层531、532之间的腔室中，还可以连接一个控制器或电子电路（二者均未在图5中示出）。照明元件510和电感器512可以连接在PCB、线栅等上。所述电子电路可以包括：（a）被配置成对所述电路进行调谐的自动调谐电路，从而使得在串联谐振频率下为照明元件510供电；（b）用以在DC电流下驱动负载的整流电路；或者（c）用以允许对照明元件510进行调光的控制器。照明元件510可以包括LED的串联、并联和/或反并联配置。
在一个实施例中，照明天花板贴片500被设计成提供足以提供房间中的一般性照明的光通量。如果整个天花板都被覆盖，则光的光通量范围可以是每个60x60cm贴片300-400流明。在另一种配置中，如果贴片仅被放置在当前照明系统的位置处（也就是说仅有天花板中的某些贴片是照明天花板贴片），则光通量范围可以处于每个贴片3000到4000流明之间。
还应当认识到，可以通过把各个贴片放置在被配置用于容纳天花板贴片的悬挂格栅上来安装根据本发明的各个实施例设计的声学天花板贴片（例如贴片200和500）。因此，这里所公开的天花板贴片的安装是利用对于承包商或建筑商已知的用于安装天花板贴片的当前已知技术来施行的。层531和532还可以被配置成作为天花板贴片500的装饰性或审美部分出现，从而充当贴片的装饰层。
举例来说，照明天花板贴片500可以被用来对一个房间进行照明，从而提供装饰性和声学属性。这样的贴片的安装例如需要把贴片放置在悬挂格栅上。另一方面，把照明元件安装在天花板中将需要电工在天花板中钻孔，以便安装照明灯具并且把灯具连线到电源插座。
图6示出图示了根据本发明的一个实施例的声学天花板贴片到电力驱动器的连接的示例性而非限制性的剖面图。天花板贴片被安放在连接到电力驱动器610的悬挂格栅上。在图6所示的图中，驱动器610通过电流接触连接。但是这样的连接可以替换地通过电容性入耦合实现。
悬挂格栅通常由导电材料制成，比如铁、钢或铝。可以利用不导电材料涂刷或者利用金属氧化物涂覆悬挂格栅的外部（即在看向天花板时的可见部分）。悬挂格栅的轨道601、602充当电容性电力输送系统的传送器电极。由于接收器电极220、221面对悬挂格栅的内部，因此在轨道601、602与电极220、221之间建立电接触。
驱动器610输出AC电力信号，其频率与电容性阻抗和电感器212的串联谐振频率基本上匹配。这样的电容器的阻抗和电感器在谐振频率下彼此抵消，从而导致低电阻电路。所述AC电力信号的幅度是为负载210供电所需的幅度。应当认识到，可以按照相同的方式向照明天花板贴片500供给电力。
根据图7中所示的另一个实施例，通过导电胶带710实现贴片700的阵列的电连接。根据该实施例，传送器电极701、702通过导电胶带710连接到其邻近贴片的电极。传送器电极701、702可以是导电涂料、导电墨水或导电胶带。导电胶带710可以由金属粘合剂制成，比如铜胶带。
只有其中一个贴片的传送器电极701、702连接到电力驱动器720。这样的连接可以通过电流接触或电容性入耦合实现。通过如前所述的电容性耦合把电力信号输送到接收器电极（图7中未示出）。每一个贴片700被构造成声学天花板贴片200或500。贴片700的接收器电极可以被形成为沿着贴片700的长度且处于在其上形成传送器电极（701，702）的层的相对侧上的两个条带。
可以利用一种大规模制造处理来制造根据本发明的某些实施例设计的作为电容性电力输送系统操作的声学天花板贴片。具体来说，可以对当前的用于声学贴片的大规模制造处理进行修改，以便允许制造声学天花板贴片200和/或照明贴片500。
图8示出图示了根据一个实施例的贴片制造方法的非限制性且示例性流程图800，比如被配置成作为电容性电力输送系统操作的声学天花板贴片。在S810处，形成第一层。可以充当装饰层的第一层由涂覆有一个涂料层的纤维材料制成。在一个实施例中，所述涂料层具有被设计成减少声学反射的结构。第一层的厚度通常是大约几十微米。第一层充当电容性电力输送系统的绝缘层。
在S820处，一对导电电极被放置在第一层的顶侧和底侧上。所述电极可以用导电涂料涂刷、利用导电墨水印刷、用导电胶带贴附或者利用气相沉积和溅射技术形成。
在S830处，通过切除泡沫层（其例如是固体矿物棉材料或者其他噪声绝缘材料）的一些部分产生腔室。所述腔室被定形成使得贴片的声学功能得到保持。所述腔室至少包含电容性电力输送系统的负载和电感器。在某些配置中，所述腔室还被设计成包含电子电路。
在S840处，电感器和负载（例如照明元件）被连接到充当接收器电极的电极。在一个实施例中，所述连接是利用销钉形连接器和焊接处理来实现的。在S850处，形成第二层以覆盖泡沫层的另一侧，从而完成贴片的组装。第二层可以利用与第一层相同的材料制成。在一个实施例中，所制造的贴片的第一和第二层还可以被配置成作为天花板贴片的装饰性或审美部分出现，从而充当贴片的装饰层。
本领域技术人员将容易认识到，这里所提供的描述仅仅是用于说明的目的，并且在不背离本发明的范围的情况下可能有其他实施例。举例来说，虽然所提供的描述是关于声学天花板贴片的，但是这里所公开的实施例不应当被视为受限于声学天花板贴片。举例来说，可以像这里所公开的声学天花板贴片那样构造包括织物材料的家具（例如沙发）、隔间墙壁等等。
虽然已经关于所描述的几个实施例以一定的长度和一定的细节描述了本发明，但是本发明不应当被限制于任何此类细节或实施例或者任何特定实施例，而是应当参照所附权利要求书对其进行理解，以便根据现有技术提供这样的权利要求的最广泛的可能解释，并且因此有效地涵盖本发明的意定范围。此外，前面在发明人所预见的实施例（可以获得针对其的使能描述）方面描述了本发明，但是当前没有预见到的本发明的非实质性修改仍然可以表示与之等效的方案。
Claims (14)
1.一种作为电容性电力输送系统操作的声学天花板贴片（200），其包括：
包括不导电材料的第一层（231）；
配置在第一层的第一侧上的电容性电力输送系统的至少一个接收器电极对（220，221）；
其一侧基本上被第一层覆盖的泡沫层（240）；以及
连接到电感器（212）并且连接到接收器电极对的负载（210），其中所述负载和电感器被配置在形成于第一层与泡沫层之间的腔室中，其中当由电力驱动器生成的电力信号的频率基本上匹配于所述电感器和产生在接收器电极对与传送器电极对之间的电容性阻抗的串联谐振频率时，所述电力信号被从传送器电极对无线输送到接收器电极对（220，221）以便为所述负载供电。
2.权利要求1的声学天花板贴片，其中：
电容性电力输送系统的至少一个传送器电极对被配置在第一层的第二侧上，其中第一层的第一和第二侧彼此相对；并且
第二层被配置成基本上覆盖泡沫层的与被第一层所覆盖的一侧相对的一侧。
3.权利要求1的声学天花板贴片，其中，第一层构成用于在至少一个传送器电极对（410，411）与至少一个接收器电极对（220，221）之间形成电容性阻抗的电介质。
4.权利要求1的声学天花板贴片，其中接收器电极对和传送器电极对当中的每一个包括导电材料。
5.权利要求4的声学天花板贴片，其中，所述导电材料包括导电涂料、导电墨水和导电胶带当中的至少一个。
6.权利要求1的声学天花板贴片，其中，电力驱动器（610）连接到悬挂格栅，所述悬挂格栅被配置成悬挂声学天花板贴片以形成天花板。
7.权利要求6的声学天花板贴片，其中，所述传送器电极对是被配置成悬挂贴片的悬挂格栅的轨道（601，602），并且把电力信号从悬挂格栅的轨道输送到配置在悬挂格栅上的贴片的接收器电极。
8.权利要求2的声学天花板贴片，其中，多个声学天花板贴片的传送器电极（701，702）利用导电胶带（710）电耦合在一起。
9.权利要求2的声学天花板贴片，其中，传送器电极（410，411）和接收器电极通过第二层分开。
10.一种作为电容性电力输送系统操作的照明声学天花板贴片（500），其包括：
包括不导电材料的第一层（531）；
包括不导电材料的第二层（532）；
配置在第二层的第一侧上的电容性电力输送系统的至少一个接收器电极对（520，521）；
在相对侧上基本上被第一层和第二层（532）覆盖的泡沫层；以及
连接到电感器（512）并且连接到接收器电极对的照明元件（510），其中所述照明元件和电感器被配置在形成于泡沫层与第一层（531）之间的腔室中，其中当由电力驱动器生成的电力信号的频率基本上匹配于所述电感器和产生在接收器电极对与传送器电极对之间的电容性阻抗的串联谐振频率时，所述电力信号被从传送器电极对无线输送到接收器电极对以便为所述照明元件供电。
11.权利要求10的照明声学天花板贴片，其中：
电容性电力输送系统的至少一个传送器电极对被配置在第二层的第二侧上，其中第二层的第一和第二侧彼此相对。
12.权利要求11的照明声学天花板贴片，其中，至少第二层构成用于电容性阻抗的电介质，其中第二层的不导电材料是透明或半透明材料当中的任一种。
13.权利要求10的照明声学天花板贴片，其中，所述照明元件是LED、LED串、灯和有机发光二级管（OLED）表面当中的任一个，以及泡沫被配置成用于减少声音。
14.一种用于制造作为电容性电力输送系统操作的声学天花板贴片的方法（800），其包括：
用不导电材料形成第一层（S810）；
在第一层的相对侧上形成一个接收器电极对和一个传送器电极对（S820）；
形成泡沫层；
在泡沫层与第一层之间形成腔室（S830）；
至少将负载和电感器配置在形成于泡沫层与第一层之间的腔室内；
把所述负载串联连接到所述电感器和接收器电极对（S840）；
形成第二层；以及
把第一层和第二层贴附在泡沫层的相对侧上。
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