CN103733536A - 用于无线电容性电力的层压表面 - Google Patents

Abstract

一种用于无线电容性电力传送的层压镶板（201）包括透明的保护性顶层（206）、在该保护性顶层（206）下面的照相层（205）、在该照相层（205）下面的导电层（202）以及在该导电层（202）下面的内核层（203）。在该层压镶板中的一个或多个导电层形成耦合到电力驱动器（110）的一对发射器电极。

Description

用于无线电容性电力的层压表面

本申请要求2011年8月16日提交的美国临时申请No.61/523,967和2012年7月12日提交的美国临时申请No.61/670,661的利益。

本发明总体涉及用于无线电力传送的电容性供电系统，并且更加具体地涉及用于允许从层压表面进行的高效电力传送的结构。

无线电力传送指的是在没有任何导线或接触的情况下的电力供应，借此通过无线媒介执行电子设备的供电。电容性耦合是一种用于无线传送电力的技术。这种技术主要用在数据传送和感测应用中。电容性耦合的一个示例是粘在窗口上具有在汽车内部的拾取元件的汽车收音机天线。电容性耦合也用于电子设备的非接触充电。

在本说明书的结尾处的权利要求中具体指出并且清楚地要求保护被认为是本发明的主题。本发明的前述和其它特征及优点根据下面结合附图进行的详细描述而将是清楚明白的。

图1是在平坦结构上用于无线电力传送的电容性电力系统的典型布置。

图2是根据本发明的一个实施例的能够实现电容性电力的层压地板的图示。

图3是根据本发明的另一个实施例的能够实现电容性电力的层压地板的图示。

图4示出了根据本发明的一个实施例如何使用电容性连接供应驱动器电力。

图5示出了根据本发明的一个实施例的使用两个不同的层压地板镶板的电容性电力传送的方案。

重要的是，应该注意所公开的实施例仅仅是对本文中创新性教导的许多有利使用的示例。一般地，在本申请的说明书中做出的陈述不一定限制各个要求保护的发明中任何一个。而且，一些陈述可以适用于一些创造性特征但是不适用于其它特征。一般地，除非另外指明，单数元件可以是复数的并且反之亦然，并且不丧失一般性。在附图中，贯穿若干视图相似的数字指示相似的部分。

电容性电力传送系统也可以用于在诸如窗户、墙壁、地板等等之类的具有平坦结构的大区域上传送电力。这样的电容性电力传送系统的一个示例是图1中描绘的系统100。如图1所示，这种系统的典型布置包括连接到负载150和电感器160的一对接收器电极141、142。该系统100还包括连接到电力驱动器110和绝缘层130的一对发射器电极121、122。

发射器电极121、122被设置在绝缘层130的一侧上并且接收器电极141、142被设置在绝缘层130的另一侧上。通过将接收器电极141、142放置在接近于该绝缘层130的任一侧上的发射器电极121和122的地方来为负载150供电，而无需在这二者之间具有直接的接触。这种布置在发射器电极121、122和接收器电极141、142的配对之间形成电容性阻抗。因此，由电力驱动器产生的电力信号从发射器电极121、122无线传送到接收器电极141、142来为负载150供电。因此，为了为负载150供电不需要机械连接器或任何电接触。

在一个实施例中，发射器电极121、122到驱动器110之间的连接是借助于流电（galvanic）接触的。在另一个实施例中，可以在驱动器110和电极121、122之间应用电容性内耦合，借此不需要有线连接。这个实施例在模块化的基础设施中对于该基础设施的简单扩展是有利的。

图1中示出的系统包括两个可选电感器112、160，其将电力信号的频率与该系统的串联谐振频率匹配，从而改善电力传送的效率。

驱动器110输出具有由电容器和电感器112、160组成的电路的串联谐振频率的AC电压信号。电容器（C1和C2）是发射器电极121、122和接收器电极141、142的电容性阻抗（在图1中以虚线示出）。在谐振频率处电容性阻抗和电感器160相互抵消，从而导致低欧姆电路。驱动器控制器110产生可以控制其幅度、频率和波形的AC信号。该输出信号典型地具有几十伏的幅度和高达几兆赫兹（MHz）的频率。在一个示例性的实施例中，该输出信号典型地为50V/400kHz。因此，该系统100能够以非常低的电力损失将电力传递到负载150。

负载可以是例如LED、LED串、灯、显示器、计算机、电力充电器、扬声器等等。例如，该系统100可以被用于为安装在墙壁上的照明灯具供电。

发射器电极121、122由放置在绝缘层130的不邻近于接收器电极141、142的一侧上的两个分离的导电材料体构成。例如，如图1所示，发射器电极121、122在绝缘层130的底部。在另一个实施例中，可以将发射器电极121、122放置在绝缘层130的相反侧上。发射器电极121、122可以是包括例如矩形、圆形、方形或其组合的任何形状。每个发射器电极的导电材料可以是例如碳、铝、氧化铟锡（ITO）、诸如PEDOT之类的有机材料、铜、银、导电涂料或任何导电材料。

接收器电极141、142可以是与发射器电极121、122相同的导电材料或者由不同的导电材料制成。该系统100的总电容根据相应发射器和接收器电极121、141和122、142的重叠面积以及绝缘层130的厚度和材料属性形成。在图1中将系统100的电容示出为C1和C2。为了允许电学谐振，该系统100还应当包括电感元件。这个元件可以是以作为发射器电极或接收器电极的部分散布在驱动器110和负载上的一个或多个电感器的形式（例如图1中示出的电感器160和112）、合并到绝缘层130内的电感器、或者其任意组合。在一个实施例中，运用在系统100中的电感器可以是集总线圈（lumped coil）的形式。

负载150允许AC双向电流流动。在一个实施例中，负载150可以包括二极管或AC/DC转换器来局部地产生DC电压。负载150还可以包括用于基于由驱动器110产生的控制信号控制或编程负载150的各种功能的电子装置。

用于对充当负载150的灯进行调光或颜色设置的另一个实施例包括将发射器和接收器电极错放，即当相应的电极121/141和122/144彼此没有完全重叠时。在这样的情况下，该电路出了谐振，从而从驱动器110向灯（负载150）传送较少的电力。该电路没有谐振的状态也称为去谐（detuning）。

在包括多个负载的电容性供电系统中，不同负载消耗的电力可能与彼此不同。AC信号的电力由消耗最高电力的负载确定。当在该系统中连接“高电力负载”和“低电力负载”时，电力AC信号可以破坏后一负载。为了克服这一问题，需要过载保护。

存在从地板无线地提供电力的期望。一个办法是将电力传送电极放在地板下。一种流行种类的地板是层压地板。层压地板是在层压工艺中熔合（fuse）在一起的多层合成地板产品。层压地板利用在透明保护层（clear protective layer）下的照相层（photographic layer）模仿木材（或在一些情况下为石材）。内核层通常由三聚氰胺树脂和纤维板材料构成。可能存在粘胶背衬（glue backing）以便易于安装。与地毯相比，它具有耐久性的优点，与天然地板材料相比，它具有以较低成本取得的吸引性的优点。

上文中的层压地板包含构成在无线电力系统中形成的电容器的一部分的电极。电力接收设备包含构成该电容器的对立板的电极。另一种层压地板元件形成电容器的第二部分。

具有集成导电层的层压地板可以作为抗静电的层压地板镶板存在。例如，KRONO ORIGINAL（商标）销售合并了“在装饰下方紧挨着的创新层并且提供抵御不愉快的冲击的完整保护”的抗静电层压地板镶板。但是，这些镶板不适合用于电力传送，因为该层的导电性可能不是连续的或者可能不足以用于高效电力传送。

层压地板存在问题，因为层压地板的厚度过厚而不能够实现高效电容性电力传送。该厚度造成电容性耦合非常小，从而阻止实现高效的高电力传送。

本发明通过在地板镶板的非导电性顶层和内核层之间放置导电层提出了上述问题的解决方案。该导电层被用于以电容性方式传送电力。这种办法的优点在于保护性顶层是薄的，这使得能够实现高效的高电力传送。此外，非导电性顶层还保护用户免受被应用于该导电层的任何电压。因此，将电力传送设备中的电极和电力接收设备中的对应电极以紧密的接近度放在一起来用于高效的高电力传送。出于美学的原因，包括照相层来隐藏电极并且提供更加逼真的木质表面。

本文公开的一个实施例包括用于无线电容性电力传送的层压镶板，包括：导电层；在该导电层上面的非导电性顶层；以及在该导电层下面的内核层。

本文公开的另一个实施例包括用于向电力接收设备无线传送电力的系统，包括：多个层压镶板，其中所述多个层压镶板中的每一个都包括：导电层；在该导电层上面的非导电性顶层；以及在该导电层下面的内核层；其中将所述多个层压镶板中的第一个和第二个的导电层电耦合到电力驱动器；其中将该电力接收设备的第一和第二接收器电极分别放置在该第一和第二镶板上来形成第一和第二电容器；其中将该电力驱动器产生的电力信号从该第一和第二镶板的导电层无线传送到第一和第二接收器电极来为该电力接收设备中的负载供电。

该负载可以与该电力接收设备中的电感串联，其中该电力信号的频率基本上和该电力接收设备中的该电感器与第一和第二电容器之间的电容性阻抗的串联谐振频率匹配。

本文公开的另一个实施例包括用于向电力接收设备无线传送电力的系统，包括：层压镶板，其中该层压镶板包括：导电层；在该导电层上面的非导电顶层；以及在该导电层下面的内核层，其中将该导电层图案化来至少形成电耦合到电力驱动器的第一和第二发射器电极，该电力接收设备的第一和第二接收器电极分别被放置在该层压镶板上的该第一和第二发射器电极上来形成第一和第二电容器，将该电力驱动器产生的电力信号从该第一和第二发射器电极无线传送到该第一和第二接收器电极来为该电力接收设备中的负载供电。

在图2中示出根据本发明的一个实施例。层压地板镶板201包括导电材料层202、内核层203、照相层205以及保护层206。导电层202在内核层203和保护层206之间。保护层206是非导电性的并且可以用作该电容性电力传送系统中的电介质。尽管是可选的，照相层205模仿木材图案、石材图案或者其它颜色和图案，并且通常出于美学的原因而被包括进来。可替换地，单层可以用作照相层和保护层二者。该层压地板镶板具有可选的衬背层204（例如声音吸收层）。使用图案化的导电层、或者使用多个层压地板镶板，通过这种层压地板镶板提供电容性电力。如图2所示，核心层203包括作为接合机构的组件的舌状物211和凹槽212，使得可以将若干这样的层压地板镶板相互附接或“咬合（click）”。根据一个实施例，当两个镶板相互连接时，它们的导电层也被相互电连接。这给予该电容性电力传送系统更大的电极足迹并且因此给予用户选择最好和最方便的位置向设备传送电力的更大的灵活性。

图3示出了一个实施例，其中导电层以使得它可以被用于电容性电力传送的方式而被图案化。例如，该导电层包括充当两个发射器电极的两个导电材料条带321、322。以使得接收器电极341、342被设置在该导电条带321、322上的方式放置负载350。接收器电极341、342分别与导电条带321、322配对来形成两个电容性阻抗。负载350与电力接收设备中的电感器L1串联。对于更高效的电力传送，电力信号的频率基本上和该电感器与在形成的电容器之间的电容性阻抗的串联谐振频率匹配。

这个实施例还提供了一种通过使用具有图案化的集成导电层的层压地板镶板而用于电容性电力传送的方法。

利用诸如连接器或焊接接头等等之类的导电连接将导电材料条带连接到AC电力驱动器。但是，在一个实施例中，该导电材料条带被连接到第二电容性电力连接。如图4所示，靠近层压地板镶板的一端，电容性耦合位于导电条带421、422和对应的电极441、442之间以便用于为负载供电。在该镶板的另一端上，在导电条带421和422与对应的电极451和452之间存在电容性耦合以便用于从驱动器接收电力。这样，存在放置负载和驱动器的更大的自由度。

在另一个实施例中，不图案化导电层，但是通过将电极541和542放置在两个不同层压地板镶板501和502上来完成电容性电力传送，如图5所示。这个实施例提供了一种通过使用具有集成导电层的两个层压地板镶板而用于电容性电力传送的方法。在这种情况下，层压镶板501包括充当第一发射器电极的导电层521，并且层压镶板502包括充当第二发射器电极的导电层522。

在本发明的一个实施例中，导电层的电导率明显大于抗静电的层压层的典型电导率。当接地电阻大于25000欧姆（Ω）并且小于35MΩ时，抗静电瓷砖或层压板被认为是静电放电（ESD）安全的。ESD安全的规范防止人们触电的危险。在本发明的一个实施例中，当电极经由导线或连接器耦合到电力驱动器时，电极到驱动器的电阻远远小于25000Ω，优选小于1kΩ，并且更加优选地小于100Ω。在本发明的另一个实施例中，当以电容性的方式将电极耦合到电力驱动器时（诸如图4中示出的布置），电极到驱动器的DC电阻远远大于1kΩ，但是作为电极和驱动器之间所有AC损失的总和的AC电阻小于1kΩ。在一个优选实施例中，电极和驱动器之间的AC和DC电阻二者都小于1kΩ，使得该层压镶板能够提供针对经由导线或以电容性方式将电极与电力驱动器耦合的灵活性。该驱动器自身与地隔离来防止触电的危险。

尽管本文描述的各种实施例涉及层压地板，但是本发明还适用于其它的层压表面，比如层压墙壁镶板、柜台顶部、家具表面等等。

已经关于若干所描述的实施例相当详尽地和用一定的细节描述了本发明。但是，这不意指应当将本发明限制为任何这样的细节、或实施例、或任何具体的实施例。相反地，应当参考随附的权利要求来解释本发明以便在考虑现有技术的情况下提供对这样的权利要求的最宽泛的可能解释，并且因此有效地包含本发明的预期范围。此外，前文根据发明人预见的对其进行了充分描述的实施例描述了本发明，但是对本发明非实质性的目前不可预见的修改也仍然可以代表其等同物。

Claims (16)

1.一种用于无线电容性电力传送的层压镶板（201），包括：

导电层（202）；

在该导电层（202）上面的非导电顶层（206）；以及

在该导电层（202）下面的内核层（203）。

2.权利要求1的层压镶板，其中该导电层（202）被图案化来至少形成一对发射器电极（321,322）。

3.权利要求1的层压镶板，还包括接合机构（211,212），其用于接合另一相同层压镶板以使得当该接合机构接合两个所述层压镶板时，所接合的两个镶板的相应发射器电极彼此电连接。

4.权利要求1的层压镶板，还包括在该非导电顶层（206）和该导电层（202）之间的照相层（205）。

5.一种用于向电力接收设备无线传送电力的系统，包括：

多个层压镶板（201），其中所述多个层压镶板中的每一个包括：

导电层（202）；

在该导电层（202）上面的非导电顶层（206）；以及

在该导电层（202）下面的内核层（203）；

其中所述多个层压镶板（501,502）中的第一个和第二个的导电层（521,522）电耦合到电力驱动器（110）；

其中该电力接收设备的第一和第二接收器电极（541,542）被分别放置在第一和第二镶板（501,502）上从而形成第一和第二电容性阻抗；

其中将该电力驱动器产生的电力信号从该第一和第二镶板的导电层无线传送到该第一和第二接收器电极来为该电力接收设备中的负载（150）供电。

6.权利要求5的系统，其中该负载（150）与该电力接收设备中的电感器（160）串联，其中该电力信号的频率基本上与该电力接收设备中的该电感器（160）和该第一和第二电容性阻抗的串联谐振频率匹配。

7.权利要求5的系统，其中该第一和第二镶板的导电层（521,522）通过利用导线或连接器连接到该电力驱动器的两个相应端子来与该电力驱动器耦合。

8.权利要求7的系统，其中该导电层（521,522）到该电力驱动器的电阻小于1kΩ。

9.权利要求5的系统，其中第一和第二镶板的导电层（521,522）通过将该电力驱动器的第一和第二驱动器电极（451,452）分别放置在该第一和第二镶板的导电层上而与该电力驱动器电容性耦合。

10.权利要求9的系统，其中该导电层（521,522）到该电力驱动器的电阻小于1kΩ。

11.一种用于向电力接收设备无线传送电力的系统，包括：

层压镶板（201），其中该层压镶板包括：

导电层（202）；

在该导电层（202）上面的非导电顶层（206）；以及

在该导电层（202）下面的内核层（203）；

其中该导电层（202）被图案化来至少形成电耦合到电力驱动器（110）的第一和第二发射器电极（321,322）；

其中将该电力接收设备的第一和第二接收器电极（541,542）分别放置在该层压镶板上的该第一和第二发射器电极（321,322）上来形成第一和第二电容性阻抗；

其中将由该电力驱动器产生的电力信号从该第一和第二发射器电极（321,322）无线传送到该第一和第二接收器电极来为在该电力接收设备中的负载（150）供电。

12.权利要求11的系统，其中该负载（150）与该电力接收设备中的电感器（160）串联，其中该电力信号的频率基本上与该电力接收设备中的该电感器（160）和该第一和第二电容性阻抗的串联谐振频率匹配。

13.权利要求11的系统，其中该第一和第二发射器电极（321,322）通过利用导线或连接器连接到该电力驱动器的两个相应端子来与该电力驱动器耦合。

14.权利要求13的系统，其中该发射器电极（321,322）到该电力驱动器的电阻小于1kΩ。

15.权利要求11的系统，其中第一和第二发射器电极（321,322）通过将该电力驱动器的第一和第二驱动器电极（451,452）分别放置在该第一和第二发射器电极（321,322）上而与该电力驱动器电容性耦合。

16.权利要求15的系统，其中该发射器电极（321,322）到该电力驱动器的电阻小于1kΩ。

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