Stand der TechnikState of the art
Die DE 10 2007 006 994
A1 zeigt ein Schaltungsmodul mit einem piezoelektrischen
Wandler bzw. piezoelektrischen Generator zur Energieerzeugung. Der
piezoelektrische Wandler weist hierbei ein innerhalb des Modulgehäuses
bewegbares Masseelement und eine Federeinrichtung auf, die durch
eine metallische Wandlerfeder mit einem piezoelektrischen Element
gebildet ist. Das Masseelement und die Federeinrichtung bilden ein
schwingfähiges Feder-Masse-System, wobei sich das piezoelektrische Element
bei der Schwingung elastisch verformt und eine Piezospannung ausgibt,
die von einer Stromversorgungsschaltung aufgenommen und zur autarken Energieversorgung
des Schaltungsmoduls verwendet wird. Ein derartiges Schaltungsmodul
kann somit in die Lauffläche des Reifens aufgenommen werden und
erfordert keine zusätzlichen Energiequellen wie z. B. galvanische
Zellen.The DE 10 2007 006 994 A1 shows a circuit module with a piezoelectric transducer or piezoelectric generator for power generation. The piezoelectric transducer in this case has a movable within the module housing mass element and a spring means which is formed by a metallic transducer spring with a piezoelectric element. The mass element and the spring device form an oscillatable spring-mass system, wherein the piezoelectric element elastically deforms during oscillation and outputs a piezo voltage, which is picked up by a power supply circuit and used for self-sufficient power supply of the circuit module. Such a circuit module can thus be included in the tread of the tire and requires no additional energy sources such. B. galvanic cells.
Derartige
Vibrationswandler nutzen insbesondere Vibrationen mit sehr hohen
Amplituden als Primärenergiequelle. Die insbesondere auf
der Reifenlauffläche bzw. der Innenseite der Reifenlauffläche
auftretenden Beschleunigungskräfte variieren zeitlich stark
in beide Richtungen und erzeugen im Allgemeinen eine asymmetrische
elektrische Wechselspannung, die nachfolgend z. B. mittels Dioden und
Spannungsbegrenzung gleichgerichtet und z. B. auf einem Kondensator
zwischengespeichert wird. Ein derartiges Schaltungsmodul kann somit
z. B. einen Sensor bzw. Messaufnehmer, Auswerteelektronik, Datenverarbeitung
und Datenaufbereitung sowie eine Kommunikationsschnittstelle – z.
B. Antenne – im kontinuierlichen oder Pulsbebetrieb nutzbar
machen.such
Vibration converters use especially very high vibrations
Amplitudes as a primary energy source. The particular on
the tire tread or the inside of the tire tread
occurring acceleration forces vary greatly in time
in both directions and generally produce an asymmetric one
alternating electrical voltage, the following z. B. by means of diodes and
Voltage limitation rectified and z. B. on a capacitor
is cached. Such a circuit module can thus
z. B. a sensor or sensor, evaluation, data processing
and data processing and a communication interface - z.
B. antenna - in continuous or pulsed mode usable
do.
Die
Energiewandlung ist im Allgemeinen besonders effizient, wenn die
Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems und die auftretenden Vibrationsfrequenzen
gut übereinstimmen. Bei einem abrollenden Reifen liegen
die Frequenzen der stärksten auftretenden Beschleunigungssignale
entsprechend der Raddrehzahl in einem Bereich von z. B. einigen 10
Hz bis 450 Hz. Es zeigt sich jedoch, dass für die Leistungsfähigkeit
des elektromechanischen Wandlers einige Faktoren stören
bzw. begrenzend wirken.The
Energy conversion is generally particularly efficient when the
Resonance frequency of the spring-mass system and the vibration frequencies occurring
agree well. Lying on a rolling tire
the frequencies of the strongest occurring acceleration signals
corresponding to the wheel speed in a range of z. B. some 10
Hz to 450 Hz. However, it turns out that for the performance
of the electromechanical transducer disturb some factors
or limiting effect.
Die
hohe Dynamik der Vibrationsfrequenzen, die von der Fahrzeuggeschwindigkeit
abhängen, erschwert die Anpassung der Resonanzfrequenz
an das breite Betriebsspektrum der Frequenzen, die weiterhin mit
einem breiten Spektrum an Beschleunigungsamplituden korrelieren.The
high dynamics of the vibration frequencies, which depend on the vehicle speed
hang, complicates the adjustment of the resonant frequency
to the wide operating spectrum of the frequencies that continue with
correlate to a broad spectrum of acceleration amplitudes.
Weiterhin
treten bei niedrigen Raddrehzahlen im Allgemeinen sowohl niedrigere
Vibrationsfrequenzen als auch niedrige Beschleunigungswerte auf,
da sich die Zentripetalbeschleunigung bzw. Radialbeschleunigung
proportional zum Quadrat der Umlaufgeschwindigkeit des Wandlers
verhält. Somit wird insbesondere bei niedrigen Raddrehzahlen
einen hohe Wandlereffizienz und somit ein Wandler mit niedriger
Resonanzfrequenz benötigt. Ein derartiger niederfrequenter,
weicher Wandler ist jedoch im Allgemeinen wenig robust und kann
bei hohen Radgeschwindigkeiten durch die dann auftretenden hohen Beschleunigungswerte
leicht zerstört werden, selbst wenn er durch Überlastanschläge
geschützt wird.Farther
Generally, at low wheel speeds both lower ones occur
Vibration frequencies as well as low acceleration values,
because the centripetal acceleration or radial acceleration
proportional to the square of the rotational speed of the transducer
behaves. Thus, especially at low wheel speeds
a high conversion efficiency and thus a converter with lower
Resonant frequency needed. Such a low-frequency,
however, soft transducer is generally less robust and can
at high wheel speeds due to the then occurring high acceleration values
easily destroyed even by overload stops
is protected.
Wird
hingegen der Wandler mit einer hohen Wandlerresonanzfrequenz ausgelegt,
ergibt sich eine schlechte Energieausbeute bei niedriger Radgeschwindigkeit,
da zum einen der Frequenz-Mismatch bzw. die Frequenzfehlpassung
zwischen den Vibrationssignalen und der Wandlerresonanzfrequenz hoch
ist und somit die Wandlung bei niedrigen Raddrehzahlen ineffizient
ist und weiterhin durch das steife Feder-Masse-System und die niedrigen
Beschleunigungswerte auch die Wegamplituden bzw. Auslenkungen der
Wandlermasse klein sind.Becomes
whereas the converter is designed with a high converter resonance frequency,
results in a poor energy yield at low wheel speed,
on the one hand the frequency mismatch or the frequency mismatch
between the vibration signals and the transducer resonance frequency high
and thus the conversion is inefficient at low wheel speeds
is and continues to be through the stiff spring-mass system and the low
Acceleration values also the path amplitudes or deflections of the
Wandlermasse are small.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Wegamplitude bzw. Auslenkung
der Wandlermasse abhängig von der Raddrehzahl zu gestalten. Hierzu
ist erfindungsgemäß die Wandlermasse gegenüber
der Wandler-Federeinrichtung be weglich bzw. verstellbar aufgenommen,
insbesondere in der Radialrichtung bzw. vertikalen Richtung des
Wandlers beweglich.Of the
Invention is based on the idea, the path amplitude or deflection
to make the converter mass depending on the wheel speed. For this
is according to the invention the converter mass opposite
the converter-spring device be movably received or adjustable,
in particular in the radial direction or vertical direction of the
Wandlers mobile.
Vorteilhafterweise
ist zusätzlich zu der im Allgemeinen aus einer Wandlerfeder
und dem Wandlerelement bzw. piezoelektrischen Element gebildeten Federeinrichtung
eine Rückstellfeder vorgesehen, so dass in dem elektromechanischen
Wandler vorteilhafterweise zwei Federeinrichtungen vorgesehen sind.
Die Wandlerfeder mit dem Wandlerelement dient hierbei als erste
Federeinrichtung, die mit der Wandlermasse das energieerzeugende
Feder-Masse-System bildet und vorteilhafterweise eine höhere Resonanzfrequenz
bzw. höhere Steifigkeit aufweist. Die Rückstellfeder
ist demgegenüber weicher bzw. mit geringerem Elastizitätsmodul
ausgebildet und dient vorzugsweise dazu, die Wandlermasse während
der Verweildauer in der Reifenaufstandsfläche, bei der
auf die Wandlermasse lediglich die Gravitationskraft, aber keine
Zentripetalkraft bzw. Radialkraft einwirkt, zurückzustellen,
vorteilhafterweise zumindest in die Nähe der Ausgangsposition.advantageously,
In addition to the generally of a converter spring
and the transducer element or piezoelectric element formed spring means
provided a return spring, so that in the electromechanical
Converter advantageously two spring devices are provided.
The converter spring with the transducer element serves as the first
Spring device, with the converter mass, the energy-generating
Spring-mass system forms and advantageously a higher resonant frequency
or has higher rigidity. The return spring
in contrast, is softer or with a lower modulus of elasticity
trained and preferably serves to the converter mass during
the residence time in the tire contact patch at the
only the gravitational force on the transducer mass, but none
Centripetal force or radial force acts to reset,
advantageously at least in the vicinity of the starting position.
Die
Wandlermasse ist vorteilhafterweise in einem Verstellweg zwischen
zwei Anschlägen aufgenommen, wobei innerhalb dieses Verstellwegs
eine vollständige Bewegung zwar bei niedrigen, nicht aber bei
höheren Raddrehzahlen erfolgt, so dass die Auslenkung bzw.
Wegamplitude bei höheren Raddrehzahlen geringer wird.The converter mass is advantageously accommodated in an adjustment path between two stops, wherein within this adjustment a complete movement while at low, but not at higher wheel speeds, so that the deflection or path amplitude is lower at higher wheel speeds.
Erfindungsgemäß kann
somit die Resonanzfrequenz des Wandlers dynamisch an die Höhe
der Beschleunigungssignale und somit das Frequenzspektrum der Beschleunigungssignale
angepasst werden. Erfindungsgemäß wird hierbei
erkannt, dass hohe Vibrationsfrequenzen mit hohen Beschleunigungsamplituden
korrelieren und umgekehrt. Hierbei besteht ein direkter Zusammenhang über
die Beziehung a ~ 4π2f2r
mit a = Auslenkung, f = Frequenz, r = Radius bzw. Abstand zum Reifenmittelpunkt.According to the invention, the resonant frequency of the converter can thus be adapted dynamically to the height of the acceleration signals and thus the frequency spectrum of the acceleration signals. According to the invention, it is recognized that high vibration frequencies correlate with high acceleration amplitudes and vice versa. Here there is a direct relationship via the relationship a ~ 4π 2 f 2 r with a = deflection, f = frequency, r = radius or distance to the center of the tire.
Die
Erfindung weist somit einige Vorteile auf:
Der zulässige
Dynamikbereich eines Vibrationsenergiewandlers im Reifen wird signifikant
verbreitert von einem niederfrequenten Vibrationsspektrum mit kleinen
Amplituden, wie sie bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten auftreten,
bis hin zu einem hochfrequenten Vibrationsspektrum mit großen
Amplituden, wie sie bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten auftreten.
Hierbei wird für den niederfrequenten Anwendungsfall die
Wandlereffizienz signifikant gesteigert, ohne dass im hochfrequenten
Anwendungsfall die Zerstörung des Wandlers droht.The invention thus has several advantages:
The allowable dynamic range of a vibratory energy converter in the tire is significantly widened from a low-frequency, low-amplitude vibration spectrum such as occurs at low vehicle speeds to a high-frequency, high-frequency vibration spectrum occurring at high vehicle speeds. In this case, the converter efficiency is significantly increased for the low-frequency application, without the destruction of the converter threatens in the high-frequency application.
Diese
Vorteile werden hierbei durch relativ geringen Zusatzaufwand erreicht,
nämlich im wesentlichen durch eine relative Verstellbarkeit
der Wandlermasse, die z. B. durch eine Führung mit Anschlägen
erreichbar ist, und vorzugsweise eine Rückstellung über
z. B. eine einfache Rückstellfeder, wodurch sich der Vorteil
einer kostengünstigen Fertigung ergibt; weiterhin ist erfindungsgemäß der
Volumenbedarf des Wandlers nicht oder nicht wesentlich erhöht.These
Advantages are achieved by relatively little extra effort,
namely essentially by a relative adjustability
the converter mass, the z. B. by a guide with attacks
is achievable, and preferably a provision over
z. B. a simple return spring, resulting in the advantage
a cost-effective production results; Furthermore, the invention is the
Volume requirement of the converter is not or not significantly increased.
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung kann die Resonanzfrequenz des Wandler-Feder-Masse-Systems
aus Wandlermasse und Wandler-Federeinrichtung dank eines integrierten
Frequenzkonversionsmechanismus deutlicher höher als das
Frequenzspektrum der Beschleunigungssignale ausgelegt werden, was
die Eigensicherheit und Überlastfestigkeit des Systems
erhöht.According to one
Another aspect of the invention may be the resonant frequency of the transducer-spring-mass system
from converter ground and converter spring device thanks to an integrated
Frequency conversion mechanism significantly higher than that
Frequency spectrum of the acceleration signals are designed, what
intrinsic safety and overload resistance of the system
elevated.
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung kann auch bei kleinen und langsamen
Beschleunigungsverläufen, d. h. mit niedrigen Vibrationsfrequenzen,
die Energieaufnahme der Wandlermasse aus dem Beschleunigungsfeld
verbessert werden, indem trotz einer steifen elektromechanischen
Wandler-Federeinrichtung größere Wegamplituden
zugelassen werden, über die die Energieaufnahme aus dem
Feld erfolgen kann.According to one
Another aspect of the invention can be applied to small and slow
Acceleration progressions, d. H. with low vibration frequencies,
the energy consumption of the converter mass from the acceleration field
be improved by, despite a rigid electromechanical
Transducer-spring device larger path amplitudes
be admitted, over which the energy intake from the
Field can be done.
Erfindungsgemäß kann
eine auslenkungsabhängige Veränderung der Eigenfrequenz
zur Versteifung der Wandler-Federeinrichtung bei höheren
Auslenkungen durch Wegbegrenzer, insbesondere gehäuseseitige
Wegbegrenzer zur Anlage an der Wandlerfeder geschaffen werden.According to the invention
a deflection-dependent change in the natural frequency
for stiffening the transducer spring device at higher
Deflections by Wegbegrenzer, especially on the housing side
Wegbegrenzer be created for contact with the converter spring.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
1 zeigt
einen elektromechanischen Wandler mit einer Rückstellfeder
gemäß einer ersten Ausführungsform in
Seitenansicht; 1 shows an electromechanical transducer with a return spring according to a first embodiment in side view;
2 einen
elektromechanischen Wandler mit einer Rückstellfeder gemäß einer
zweiten Ausführungsform in Seitenansicht; 2 an electromechanical transducer with a return spring according to a second embodiment in side view;
3 einen
elektromechanischen Wandler gemäß einer weiteren
Ausführungsform mit zwei Rückstellfedern in Seitenansicht; 3 an electromechanical transducer according to another embodiment with two return springs in side view;
4 ein
Reifensensormodul mit dem erfindungsgemäßen elektromechanischen
Wandler aus 1; 4 a tire sensor module with the inventive electromechanical transducer 1 ;
5 einen
erfindungsgemäßen Reifen mit dem erfindungsgemäßen
Reifensensormodul in zwei Positionen. 5 a tire according to the invention with the tire sensor module according to the invention in two positions.
Beschreibung der AusführungsformenDescription of the embodiments
Ein
erfindungsgemäßer elektromechanischer Wandler
ist als piezoelektrischer Wandler 1 ausgebildet und weist
gemäß 1 einen in vertikaler Richtung
v verlaufenden Führungsstift 2 mit einem oberen
Anschlag 2a und einem unteren Anschlag 2b auf.
Auf oder an dem Führungsstift 2 ist eine Wandlermasse 3 geführt.
Hierzu weist die Wandlermasse 3 eine entsprechende Bohrung 3a auf,
durch die der Führungsstift 2 gesetzt ist. Um
ein Kippen der Wandlermasse 3 zu vermeiden, können
insbesondere auch zwei derartige Führungsstifte 2 lateral,
d. h. in x-Richtung, beabstandet und parallel durch zwei entsprechende
Bohrungen 3a gesetzt sein.An inventive electromechanical transducer is as a piezoelectric transducer 1 trained and instructs according 1 a vertical direction v extending guide pin 2 with an upper stop 2a and a lower stop 2 B on. On or at the guide pin 2 is a converter mass 3 guided. For this purpose, the transducer mass 3 a corresponding hole 3a on, through which the guide pin 2 is set. To tilt the converter mass 3 In particular, two such guide pins can be avoided 2 laterally, ie in the x direction, spaced and parallel through two corresponding holes 3a be set.
Am
oberen Anschlag 2a ist eine Rückstellfeder 4 abgestützt
oder auch befestigt, die auf die Wandlermasse 3 in 1 nach
unten einwirkt und diese somit vorspannt. Die Rückstellfeder 4 kann grundsätzlich
an der Wandlermasse 3 und/oder dem oberen Anschlag 2a befestigt
sein; vorteilhafterweise ist die Rückstellfeder 4 lediglich
zwischengelegt und stützt sich über den gesamten
Verstellweg der Wandlermasse 3 sowohl am oberen Anschlag 2a als
auch an der Wandlermasse 3 ab, z. B. an einer auf der Oberseite
der Wandlermasse 3 ausgebildeten Nut. Die Rückstellfeder 4 ist
vorteilhafterweise aus Metall und kann z. B. als Schraubenfeder
oder Tellerfeder ausgebildet sein. Der Führungsstift 2 ist
im Bereich seines unteren Anschlags 2b an einer metallischen Wandlerfeder 5 befestigt,
z. B. durch Verschraubung oder durch Klebung oder Lötung
auf der Oberseite 5a der Wandlerfeder 5. Auf der
Rückseite 5b der Wandlerfeder 5 ist ein
piezoelektrisches Element 6 als Wandlerelement großflächig
befestigt, z. B. mittels einer elektrisch leitfähigen Verbindungsschicht 7,
die z. B. eine Lotschicht oder Leitkleberschicht sein kann. Insbesondere
können – in an sich bekannter Weise – die
Oberseite 6a und Unterseite 6b des piezoelektrischen
Elementes jeweils als Elektroden ausgelegt sein, zwischen denen
sich die Piezospannung Up ausbildet, so dass zumindest die obere
Elektrode 6a direkt über die Wandlerfeder 5 und
entsprechend die untere Elektrode 6b über eine
auf der Wandlerfeder 5 geführten Leiterbahn oder
auch einen separaten Bereich der Wandlerfeder 5 abgegriffen
werden kann. Die Wandlerfeder 5 und das keramische piezoelektrische
Element 6 bilden zusammen eine Wandler-Federeinrichtung,
deren Steifigkeit entsprechend etwas höher als die der
Wandlerfeder 5 ist.At the top stop 2a is a return spring 4 supported or fixed on the converter mass 3 in 1 acting down and thus biasing them. The return spring 4 can basically at the converter mass 3 and / or the top stop 2a be attached; Advantageously, the return spring 4 only interposed and relies on the entire displacement of the converter mass 3 both at the top stop 2a as well as at the mass converter 3 off, z. B. at one on the top of the Wandlermasse 3 trained groove. The return spring 4 is advantageously made of metal and z. B. be designed as a helical spring or disc spring. The guide pin 2 is in the range of its lower stop 2 B on a metallic transducer spring 5 attached, z. B. by screwing or by gluing or soldering on the top 5a the converter spring 5 , On the back side 5b the converter spring 5 is a piezoelectric element 6 attached as a transducer element over a large area, z. B. by means of an electrically conductive connection layer 7 that z. B. may be a solder layer or conductive adhesive layer. In particular, the top side can be used in a manner known per se 6a and bottom 6b of the piezoelectric element may each be designed as electrodes, between which the piezo voltage Up is formed, so that at least the upper electrode 6a directly over the converter spring 5 and corresponding to the lower electrode 6b over one on the converter spring 5 guided trace or a separate area of the converter spring 5 can be tapped. The converter spring 5 and the ceramic piezoelectric element 6 together form a transducer-spring device whose stiffness corresponding to something higher than that of the converter spring 5 is.
Die
Wandlerfeder 5 ist an ihren lateral (in x-Richtung) äußeren
Enden 5c, 5d in Aufnahmen 8, 9 eines
in 1 nur angedeuteten Modulgehäuses 10 aufgenommen.
Vorteilhafterweise erfolgt eine Aufnahme derartig, dass die Wandlerfeder 5 eine
Biegeschwingung durchführen kann. Hierzu ist es vorteilhaft,
wenn die seitlichen Enden 5c, 5d lateral bzw. stirnseitig
nicht an dem Modulgehäuse 10 anliegen, sondern
mit einem seitlichen Freiraum aufgenommen sind. Hierzu sind die
Aufnahmen 8, 9 als hinreichend tiefe Nuten in
dem Modulgehäuse 10 ausgebildet, so dass die Enden 5c, 5d in
den Biegeschwingungen seitlich nicht zur Anlage kommen und frei auslenken
können, wodurch Biegeschwingungen mit weniger Knotenpunkten
möglich sind. Die Wandlermasse 3 kann zusätzlich
zur Führung durch den Führungsstift 2 lateral
außen an dem Modulgehäuse 10 anliegen
und an diesem geführt werden.The converter spring 5 is at its lateral (in x-direction) outer ends 5c . 5d in recordings 8th . 9 one in 1 only indicated module housing 10 added. Advantageously, a recording takes place such that the converter spring 5 can perform a bending vibration. For this purpose, it is advantageous if the lateral ends 5c . 5d lateral or frontally not on the module housing 10 abut, but are taken up with a lateral clearance. These are the shots 8th . 9 as sufficiently deep grooves in the module housing 10 formed so that the ends 5c . 5d can not come to the side in the bending vibrations and can deflect freely, whereby bending vibrations are possible with fewer nodes. The converter mass 3 In addition to guidance by the guide pin 2 laterally on the outside of the module housing 10 and be guided on this.
An
dem Gehäuse 10 sind weiterhin Wegbegrenzer 11 ausgebildet,
gegen die die Wandlerfeder 5 bei einer großen
Elongation zur Anlage kommt. Hierbei können die Wegbegrenzer 11 z.
B. entlang der Biegelinie der Wandlerfeder 5 bei einer
Biegung um die Aufnahmen 8, 9 ausgebildet sein,
so dass die Wandlerfeder 5 bei einer größeren
Auslenkung teilweise in ihren äußeren Bereichen
zur Anlage an die Wegbegrenzer 11 kommt und lediglich ihr
lateral mittlerer Bereich nachfolgend eine freie Schwingung durchführen
kann. Hierdurch wird eine Versteifung der Wandlerfeder 5 bzw.
des aus Wandlerfeder 5 und piezoelektrischem Element 6 gebildeten
Federelementes bewirkt.On the case 10 are still Wegbegrenzer 11 formed, against which the converter spring 5 at a large elongation comes to the plant. Here, the Wegbegrenzer 11 z. B. along the bending line of the converter spring 5 at a bend around the recordings 8th . 9 be formed, so that the converter spring 5 at a greater deflection partially in their outer areas to rest against the Wegbegrenzer 11 comes and only her lateral middle area subsequently can perform a free oscillation. As a result, a stiffening of the converter spring 5 or of the converter spring 5 and piezoelectric element 6 causes formed spring element.
4 zeigt
die Ausbildung eines erfindungsgemäßen Schaltungsmoduls,
das hier als Sensormodul 22 ausgebildet ist. Der piezoelektrische
Wandler 1 ist in dem Innenraum 10b des Modulgehäuses 10 aufgenommen,
das nach unten durch einen Deckel 10a verschlossen ist.
Weiterhin ist als Schaltungsträger eine Leiterplatte 12 mit
elektronischen Bauelementen 14, 15, 16 aufgenommen,
z. B. eine Stromversorgungsschaltung 14 zur Aufnahme der
Piezospannung Up und zur Bereitstellung der Versorgungsspannung,
vorteilhafterweise auch mit einem Energiespeicher zur Zwischenspeicherung
der Energie bei zeitweise diskontinuierlichen Betrieb, weiterhin
ein Sensor 15, z. B. Drucksensor 15, und eine Steuereinheit 16,
z. B. ein ASIC. Weiterhin ist z. B. eine Antenne 17 ausgebildet,
z. B. als Schleifenantenne auf dem äußeren Rand
der Leiterplatte 4, und für den Betrieb der Antenne 17 relevante
HF-Bauteile, z. B. Oszillator und gegebenenfalls ein HF-ASIC. 4 shows the formation of a circuit module according to the invention, here as a sensor module 22 is trained. The piezoelectric transducer 1 is in the interior 10b of the module housing 10 taken down through a lid 10a is closed. Furthermore, as a circuit carrier, a circuit board 12 with electronic components 14 . 15 . 16 recorded, z. B. a power supply circuit 14 for receiving the piezoelectric voltage Up and for providing the supply voltage, advantageously also with an energy storage device for temporarily storing the energy during intermittent discontinuous operation, furthermore a sensor 15 , z. B. pressure sensor 15 , and a control unit 16 , z. An ASIC. Furthermore, z. B. an antenna 17 trained, z. B. as a loop antenna on the outer edge of the circuit board 4 , and for the operation of the antenna 17 relevant RF components, eg. B. oscillator and optionally an RF ASIC.
Nachfolgend
wird die Funktionsweise und Frequenzabhängigkeit des erfindungsgemäßen
piezoelektrischen Wandlers 1 mit Bezug zu 1 und 4 beschrieben.The operation and frequency dependency of the piezoelectric transducer of the present invention will be described below 1 In reference to 1 and 4 described.
Bei
der Ausführungsform der 1 erfolgt ein
Einbau des piezoelektrischen Wandlers 1 in einen erfindungsgemäßen
Reifen 20 mit Radius R derartig, dass die Rückstellfeder 4 zu
der Lauffläche 21 des Reifens 20 hin
ausgerichtet ist. Somit ist in 1 die Lauffläche 21 oberhalb
des Wandlers 1 angeordnet.In the embodiment of the 1 an installation of the piezoelectric transducer takes place 1 in a tire according to the invention 20 with radius R such that the return spring 4 to the tread 21 of the tire 20 is aligned. Thus, in 1 the tread 21 above the transducer 1 arranged.
Der
Reifen 20 rollt während der Fahrt auf einer Straße 25 ab,
wobei sein unterster Bereich jeweils eine Reifenaufstandsfläche 24 bildet,
in der die Lauffläche 21 eingedrückt
ist. Das Sensormodul 22 ist mitsamt dem piezoelektrischen
Wandler 1 in einem radial äußeren Laufflächenbereich
des Reifens 20 angeordnet, so dass der Wandler 1 in
dem gezeigten Zeitpunkt t2 in der Reifenaufstandsfläche 24 des Reifens 20 auf
der Straße 25 liegt, in der während der Raddrehung
keine Zentripetalkraft bzw. Radialkraft mehr auf das Sensormodul 22 und
den piezoelektrischen Wandler 1 wirkt, sondern lediglich
die in 4 nach unten – in 1 somit
nach oben – wirkende Gravitationskraft G. Hierbei ist G
in 1 für diese Position eingezeichnet; in
anderen Positionen bzw. Reifenstellungen liegt G entsprechend anders.The mature 20 rolls while driving on a road 25 with its lowest area each having a tire footprint 24 forms, in the tread 21 is pressed in. The sensor module 22 is complete with the piezoelectric transducer 1 in a radially outer tread region of the tire 20 arranged so that the converter 1 at the indicated time t2 in the tire footprint 24 of the tire 20 in the street 25 is located in the during wheel rotation no centripetal force or radial force more on the sensor module 22 and the piezoelectric transducer 1 works, but only the in 4 down - in 1 thus upward - acting gravitational force G. Here G in 1 drawn for this position; in other positions or tire positions G is correspondingly different.
Der
erfindungsgemäße piezoelektrische Wandler 1 erzeugt
aus der mechanischen Verstellung der Wandlermasse 3 aufgrund
sich ändernder Beschleunigung Energie. Diese Zeitpunkte
sind insbesondere der Eintritt des piezoelektrischen Wandlers 1 bzw.
des gesamten Sensormoduls 22 in die Reifenaufstandsfläche 24,
d. h. der Übergang vom Zeitpunkt t1 zu t2, sowie entsprechend
das Verlassen der Reifenaufstandsfläche 24 beim
nachfolgenden Abrollen. Während der Fahrt rollt das Fahrzeugrad mit
der Drehzahl n auf der Straße ab. Während eines Großteils
dieser Drehung erfährt der piezoelektrische Wandler 1 der 1 somit
eine Radialbeschleunigung bzw. Zentripetalbeschleunigung ar entsprechend der Raddrehzahl n, im Wesentlichen
gebildet durch ar = v2/r,
mit v = Umlaufgeschwindigkeit des Sensormoduls 22 im Reifen 29 und
r = Radius bzw. Radialabstand des piezoelektrischen Wandlers 1 vom
Reifenmittelpunkt, die im wesentlichen dem Radius R entspricht.
Je nach Fahrgeschwindigkeit liegen die Raddrehzahlen n z. B. in
Bereich von 10 Hz bis 450 Hz, wobei je Randumdrehung am piezoelektrischen
Wandler 1 jeweils zwei Beschleunigungsperioden mit großen
Amplituden in jeweils beide Beschleunigungsrichtungen auftreten,
nämlich beim Eintreten und Verlassen der Reifenaufstandsfläche 24.The piezoelectric transducer according to the invention 1 generated by the mechanical adjustment of the converter mass 3 due to changing acceleration energy. These times are in particular the entry of the piezoelectric transducer 1 or the entire sensor module 22 into the tire contact patch 24 , ie the transition from time t1 to t2, and accordingly leaving the tire contact patch 24 during the subsequent unrolling. While driving, the vehicle wheel rolls at the speed n on the road. During much of this rotation, the piezoelectric transducer experiences 1 of the 1 thus a radial acceleration or centripetal acceleration a r corresponding to the wheel speed n, essentially formed by a r = v 2 / r, with v = rotational speed of the sensor module 22 in the tire 29 and r = radius of the piezoelectric transducer 1 from the tire center, which substantially corresponds to the radius R. Depending on the driving speed, the wheel speeds are n z. B. in the range of 10 Hz to 450 Hz, with each edge revolution on the piezoelectric transducer 1 two acceleration periods with large amplitudes occur in each case in both acceleration directions, namely when entering and leaving the tire contact patch 24 ,
Bei
Fahrt mit niedriger Fahrgeschwindigkeit und dementsprechend niedriger
Raddrehzahl n wird gemäß der Ausführungsform
der 1 die Wandlermasse 3 in Radialrichtung
des Reifens nach außen, d. h. in 1 nach oben
beschleunigt, wobei sie die hinreichend weich bzw. mit geringer
Federsteifigkeit ausgebildete Rückstellfeder 4 zusammendrückt
und gegen den oberen Anschlag 2a gelangt.When driving at low speed and correspondingly low wheel speed n according to the embodiment of the 1 the converter mass 3 in the radial direction of the tire to the outside, ie in 1 accelerated upward, where they are sufficiently soft or with low spring stiffness return spring 4 squeezing and against the top stop 2a arrives.
Beim
nachfolgenden Eintritt in die Reifenaufstandsfläche fällt
die Zentripetalbeschleunigung ar in einem
kurzen Zeitraum auf Null ab, so dass nur noch die Gravitationskraft
G auf die Wandlermasse 3 wirkt, die im Bereich der Reifenaufstandsfläche 24 vertikal nach
unten, d. h. in Richtung auf den oberen Anschlag 2a wirkt.
Die Rückstellfeder 4 ist hinreichend stark ausgebildet,
so dass sie die Wandlermasse 3 gegen die Gravitationskraft
G von dem oberen Anschlag 2a weg gegen den unteren Anschlag 2b drückt.
Bei niedrigen Raddrehzahlen n ist eine Verweildauer TL des
Wandlers 1 in der Reifenaufstandsfläche 24 hinreichend
groß, d. h. größer als eine Rückstellzeit
TR, so dass die Rückstellfeder 4 die Wandlermasse 3 vollständig
gegen den unteren Anschlag 2b drückt.During the subsequent entry into the tire contact patch, the centripetal acceleration a r drops to zero in a short period of time, so that only the gravitational force G on the converter mass remains 3 acts in the area of the tire footprint 24 vertically downwards, ie towards the top stop 2a acts. The return spring 4 is sufficiently strong, so that they the transducer mass 3 against the gravitational force G from the upper stop 2a away against the lower stop 2 B suppressed. At low wheel speeds n is a residence time T L of the converter 1 in the tire contact patch 24 sufficiently large, ie greater than a reset time T R , so that the return spring 4 the converter mass 3 completely against the bottom stop 2 B suppressed.
Beim
nachfolgenden Verlassen der Reifenaufstandsfläche 24 steht
der Wandlermasse 3 somit für die nachfolgenden
Radialbeschleunigung bzw. Zentripetalbeschleunigung als Verstellhub
bzw. Verstellweg die gesamte Wegstrecke l – d zur Verfügung, mit
l = Länge des Führungsstiftes 2 zwischen
den Anschlägen 2a, 2b und d = Dicke der
Wandlermasse 3. Die Wandlermasse 3 wird somit über
diesen Verstellweg l – d beschleunigt, bis sie gegen den
oberen Anschlag 2a ge langt und beim Auftreffen ihre kinetische Energie überträgt.
Der Führungsstift wird hierbei auf Zug belastet und überträgt
diese kinetische Energie über seinen unteren Anschlag 2b auf
das aus der Wandlerfeder 5 und dem piezoelektrischen Element 6 gebildeten
Wandler-Federsystem 5, 6 und biegt diese somit
gegen ihre Federsteifigkeit nach oben durch. Je nach Auslenkung
nach oben werden die Wegbegrenzer 11 ganz oder teilweise
aktiv und begrenzen den auszulenkenden Bereich der Wandlerfeder 5.On the subsequent leaving the tire contact patch 24 is the converter mass 3 Thus, for the subsequent radial acceleration or Zentripetalbeschleunigung as Verstellhub or adjustment the entire distance l - d available, with l = length of the guide pin 2 between the attacks 2a . 2 B and d = thickness of the transducer mass 3 , The converter mass 3 is thus accelerated over this adjustment l - d until it is against the upper stop 2a reached and transmits their kinetic energy on impact. The guide pin is loaded here on train and transmits this kinetic energy through its lower stop 2 B on the out of the converter spring 5 and the piezoelectric element 6 formed transducer spring system 5 . 6 and thus bends them upwards against their spring stiffness. Depending on the deflection up the Wegbegrenzer 11 wholly or partially active and limit the auszulenkenden range of the converter spring 5 ,
Beim
nachfolgenden Eintritt in die Reifenaufstandsfläche 24 schnappt
die Wandlerfeder 5 bzw. das aus Wandlerfeder 5 und
piezoelektrischen Element gebildete Wandler-Federsystem unter Entspannung
wieder zurück und führt eine freie Biegeschwingung
nach unten durch. Zusätzlich drückt wiederum die
Rückstellfeder 4 die Wandlermasse 3 auf
dem Führungsstift 2 nach unten gegen den unteren
Anschlag 2b. Somit wird erfindungsgemäß zum
einen ein weiches Federsystem mit großer Zeitkonstante aus
der Wandlermasse 3 und der Rückstellfeder 4 gebildet,
das lediglich der Vorbereitung der Energieerzeugung bzw. Rückstellung
dient und zum anderen das der Energieerzeugung dienende steifere
Federsystem mit kleinerer Zeitkonstante aus der Wandlermasse 3 und
der Wandler-Federeinrichtung 5, 6. Die Federkennlinie
dieses Federsystems kann durch die Wegbegrenzer 11 nichtlinear
ausgebildet sein. Es kann weiterhin auch bereits durch die Kombination der
metallischen Wandlerfeder 5 mit dem lediglich in einem
mittleren Bereich vorgesehenen, keramischen piezoelektrischen Element 6 progressiv
ausgebildet sein.On the subsequent entry into the tire contact patch 24 snaps the transducer spring 5 or the converter spring 5 and piezoelectric element formed transducer spring system under relaxation back and performs a free bending vibration down through. In addition, in turn pushes the return spring 4 the converter mass 3 on the guide pin 2 down against the lower stop 2 B , Thus, according to the invention on the one hand a soft spring system with a large time constant from the converter mass 3 and the return spring 4 formed, which serves only to prepare the power generation or provision and on the other hand, the power generation serving stiffer spring system with a smaller time constant from the converter mass 3 and the transducer spring means 5 . 6 , The spring characteristic of this spring system can by Wegbegrenzer 11 be formed non-linear. It can also already by the combination of the metallic converter spring 5 with the ceramic piezoelectric element provided only in a middle region 6 be progressively trained.
Mit
steigender Fahrgeschwindigkeit und entsprechend steigender Raddrehzahl
n wird die Verweildauer TL des piezoelektrischen
Wandlers 1 in der Reifenaufstandsfläche 24 kleiner
als die Rückstellzeit TR des Rückstell-Feder-Masse-Systems 4, 3,
so dass die Wandlermasse 3 in der Reifenaufstandsfläche 24 nicht
mehr vollständig zurück gegen den unteren Anschlag 2b gestellt
wird. Somit steht in der nachfolgenden Beschleunigungsphase als
Beschleunigungsstrecke nicht mehr der vollständige Verstellweg
l – d für die Wandlermasse 3 zur Verfügung.
Da jedoch zum einen die bei den höheren Raddrehzahlen n
auftretenden höheren Zentripetalbeschleunigungen (Radialbeschleunigungen)
ar mit der Raddrehzahl n steigen und weiterhin
entsprechend der Raddrehzahl n auch die Anzahl bzw. Häufigkeit
der Beschleunigungsvorgänge steigt, kann weiterhin von
dem piezoelektrischen Element 6 eine hinreichende elektrische
Energie erzeugt werden. Da die Beschleunigungsstrecke der Wandlermasse 3 mit
steigender Raddrehzahl n fällt, wird die mechanische Belastung des
piezoelektrischen Wandlers 1 verringert und somit seine
Robustheit erhöht. Bei sehr hohen Raddrehzahlen n wird
die Wandlermasse 3 im Wesentlichen an dem oberen Anschlag 2a verharren
und aus dem Vibrationsspektrum zumindest den Teil der Energie aufnehmen,
der der Asymmetrie des Beschleunigungsverlaufs entspricht, d. h.
die unterschiedliche Auslenkung bzw. Durchbiegung der Wandler-Federeinrichtung 5, 6 bei
den Beschleunigungsänderungen beim Eintritt in die Reifenaufstandsfläche 24 und dem
nachfolgenden Austritt. Somit treten hier nicht mehr die schlagartigen
Belastungen bzw. Stoßbelastungen durch das Aufprallen der
Wandlermasse 3 an den oberen Anschlag 2a auf,
sondern nur noch Durchbiegungen.With increasing driving speed and correspondingly increasing wheel speed n, the residence time T L of the piezoelectric transducer 1 in the tire contact patch 24 less than the reset time T R of the return spring-mass system 4 . 3 so the transducer mass 3 in the tire contact patch 24 not completely back against the bottom stop 2 B is provided. Thus, in the subsequent acceleration phase, the acceleration path is no longer the complete adjustment path l-d for the converter ground 3 to disposal. However, since, on the one hand, the higher centripetal accelerations a r occurring at the higher wheel speeds n r increase with the wheel speed n and, according to the wheel speed n, the number or frequency of the acceleration processes also increases, it is still possible for the piezoelectric element 6 a sufficient electrical energy can be generated. Since the acceleration section of the converter mass 3 with increasing wheel speed n falls, the mechanical stress of the piezoelectric transducer 1 reduces and thus increases its robustness. At very high wheel speeds n, the converter mass 3 essentially at the top stop 2a remain and record from the vibration spectrum at least the part of the energy that corresponds to the asymmetry of the acceleration curve, ie the different deflection or deflection of the transducer spring device 5 . 6 in the acceleration changes when entering the tire contact patch 24 and the subsequent exit. Thus, the sudden loads or shock loads due to the impact of the transducer mass no longer occur here 3 to the top stop 2a on, but only deflections.
Die
Ausführungsform der 2 zeigt
einen piezoelektrischen Wandler 101, der gegenüber 1 in
einer entgegen gesetzten Orientierung bzw. Lage im Reifen 20 angeordnet
ist, so dass die Lauffläche 21 des Reifen 20 in 2 unterhalb
des piezoelektrischen Wandlers 101 angeordnet ist. Dementsprechend
ist die Rückstellfeder 4 in 2 unterhalb
der Wandlermasse 3 vorgesehen, um in der Reifenaufstandsfläche 24 auf
der Straße 25 die Wandlermasse 3 gegen
die Gravitationskraft G zu verstellen. In 2 ist hierbei
die Rückstellfeder 4 am unteren Anschlag 2b abgesetzt
und drückt die Wandlermasse 3 gegen den oberen
Anschlag 2a. Während der Beschleunigungsphase,
d. h. nach Verlassen der Reifenaufstandsfläche, liegt somit
zunächst die Wandlermasse 3 am oberen Anschlag 2a und
wird nachfolgend während der Radumdrehung gegen die Wirkung
der weichen Rückstellfeder 4 auf dem Führungsstift 2 radial
nach außen gegen den unteren Anschlag 2b beschleunigt
und überträgt seine kinetische Energie am Ende
der Beschleunigungsstrecke beim Aufprallen auf den unteren Anschlag 2b und
somit direkt auf die elastische Wandler-Federeinrichtung 5, 6 aus
der Wandlerfeder 5 und dem piezoelektrischen Element 6.
Somit wird bei dieser Ausführungsform der Führungsstift 2 bei
dem Aufprallvorgang bzw. der Energieübertragung nicht belastet.
Da die große Auslenkung der Wandlerfeder 5 in 2 somit
nach unten auftritt, sind hier die Wegbegrenzer 11 an der
Unterseite 5b der Wandlerfeder 5 ausgebildet.
Ansonsten sind die obigen Ausführungsformen zu 1 entsprechend
zu übertragen.The embodiment of the 2 shows a piezoelectric transducer 101 , the opposite 1 in an opposite orientation or position in the tire 20 is arranged so that the tread 21 the tire 20 in 2 below the piezoelectric transducer 101 is arranged. Accordingly, the return spring 4 in 2 below the converter mass 3 provided to in the tire footprint 24 in the street 25 the converter mass 3 against the gravitational force G to adjust. In 2 Here is the return spring 4 at the bottom stop 2 B deposed and pushes the converter mass 3 against the upper stop 2a , During the acceleration phase, ie after leaving the tire contact patch, thus initially lies the transducer mass 3 at the top stop 2a and subsequently during the wheel revolution against the action of the soft return spring 4 on the guide pin 2 radially outward against the lower stop 2 B accelerates and transmits its kinetic energy at the end of the acceleration section on impact with the lower stop 2 B and thus directly on the elastic transducer spring means 5 . 6 from the converter spring 5 and the piezoelectric element 6 , Thus, in this embodiment, the guide pin 2 not loaded in the impact process or the energy transfer. Because the big deflection of the converter spring 5 in 2 thus downwards, here are the Wegbegrenzer 11 on the bottom 5b the converter spring 5 educated. Otherwise, the above embodiments are to 1 transfer accordingly.
3 zeigt
einen piezoelektrischen Wandler 201, der eine Kombination
der Ausführungsform der 1 und 2 darstellt.
Somit sind zwei Rückstellfedern 4a, 4b vorgesehen,
von denen die Rückstellfeder 4a entsprechend 1 und
die Rückstellfeder 4b entsprechend 2 wirkt.
Somit kann der piezoelektrische Wandler 201 in beliebiger
radialer Orientierung, d. h. sowohl gemäß 1 als
auch 2, im Reifen 20 eingesetzt werden. 3 shows a piezoelectric transducer 201 which is a combination of the embodiment of the 1 and 2 represents. Thus, there are two return springs 4a . 4b provided, of which the return spring 4a corresponding 1 and the return spring 4b corresponding 2 acts. Thus, the piezoelectric transducer 201 in any radial orientation, ie both according to 1 as well as 2 , in the tire 20 be used.
Erfindungsgemäß weist
das schwingfähige Wandlersystem aus Wandlermasse 3 und
Wandler-Federeinrichtung 5, 6 eine Eigenfrequenz
im Bereich von 300–1000 Hz und das Rückstellsystem
aus Rückholfeder 4; 4a, 4b und
seismischer Masse 3 eine Eigenfrequenz im Bereich von 10–100
Hz aufAccording to the invention, the oscillatory transducer system comprises transducer mass 3 and transducer spring means 5 . 6 a natural frequency in the range of 300-1000 Hz and the return system from the return spring 4 ; 4a . 4b and seismic mass 3 a natural frequency in the range of 10-100 Hz
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102007006994
A1 [0001] DE 102007006994 A1 [0001]