CN101194296B - 压电器件脉冲的电感耦合 - Google Patents

Abstract

公开了用于将轮胎转动相关信号电感耦合至与轮胎相关联的轮胎电子器件模块(200)的装置与方法。轮胎电子器件模块(200)设置为用于接收从至少包括压电元件(212)和发射机电感器(216)的信号传输模块(210)通过电感传输的该轮胎转动相关信号(220)。信号发射机模块(210)和轮胎电子器件模块(200)物理上可以彼此分开，可以单独的或共同的包裹于保护性覆盖层内。

Description

压电器件脉冲的电感耦合

技术领域

本技术涉及轮胎电子器件领域以及此类器件的信号供给。本技术更显著地涉及从压电器件至此类器件的电感传输数据。

背景技术

电子器件与充气轮胎结构的结合产生了很多实用的优势。轮胎电子器件可能包括传感器及用于获得轮胎的多个物理参数和制造信息的其他部件，物理参数包括例如温度、压力、轮胎转数、车速、基于速度的转数、基于速度的温度、其他物理的和操作的参数，制造信息包括例如制造商名称、制造地点、制造日期等。此类的性能信息可能在轮胎监控和警告系统中十分有用，甚至潜在的可与反馈系统一起用于调节适当的轮胎压力等级。例如，同一台车上轮胎转速的差异可表示充气不足或充气过度，因为轮胎的直径将随充气内压轻微地改变。

美国专利第5,749,984号(Frey等人)公开了能够判断例如轮胎偏转、轮胎速度和轮胎转数信息的轮胎监控系统和方法。轮胎电子器件系统的另一实例为美国专利第4,510,484号(Snyder)，涉及异常轮胎状况警告系统。美国专利第4,862,486号(Wing等人)也涉及轮胎电子器件，更显著地公开了与汽车或卡车轮胎相结合的示例性的转速计数器。

与轮胎结构集成的电子器件系统的另一潜在的能力为用于商业车辆应用的资产跟踪和性能描述。商业卡车队、航空飞机和重型推土机/采矿车都是能受益于轮胎电子系统和相关信息传输的产业。轮胎传感器可以判断车辆中的每个轮胎的行驶里程并为此类商业系统的维护计划提供帮助。车辆地点和性能可以为例如涉及采矿设备的更昂贵的应用进行优化。整个车队可以利用射频标签传输跟踪，如美国专利第5,457,447号(Ghaem等人)中公开的实例情况。

此类集成的论坛电子器件系统通常由多种技术和不同的电能产生系统供电。由轮胎运动产生电能的机械特性的实例在美国专利第4,061,200号(Thompson)和第3,760,351号(Thomas)中公开。此类实例提供了通常在现在轮胎应用中不作为优选并入的大而复杂的系统。为轮胎电子器件系统供电的另一选择在美国专利第4,510,484号(Snyder)中公开，涉及关于轮胎辐射状中心线对称设置的压电簧片电能供应。

为轮胎电子器件系统供电的另一方法为利用不可充电的电池，此种方法给轮胎用户带来了固有的不便性，因为恰当的电子系统操作依赖于周期性的更换电池。常见的电池还包含在处置方式上不环保的重金属，特别是当其大量应用时。而且，当为功能级别复杂的电子应用供电时，电池趋向于迅速地将其能量储备耗尽。在信息传输距离相对长的(例如从卡车轮的位置至卡车驾驶室的接收机)电子系统中，电池储备耗尽是尤为常见的。即使当电池用于从车轮的位置传输至较近的接收机位置的电子系统中时，信息通常通过有线传输媒质从射频接收机处传送至车辆驾驶室，因此需要在车辆里安装附加的通常较昂贵的通信硬件。

还有一种已知的为轮胎监控系统产生电能的方法为利用轮胎和集成电子部件附近的询问天线提取射频电波的电能。提取天线辐射的能量为通常专指限制于几微瓦内的超低电能电子器件供电。与电波供电的电子器件结合使用的询问天线由于传输范围的限制通常必须放置在与每个车轮相对近的位置(大约2英尺内)。这就需要每台车辆上具有多个询问天线，因而增加了潜在的设备成本。每个天线容易受到路面意外的影响损坏，也因为许多原因而不能成为为轮胎电子应用供电的最佳解决方案。

依照本主题，应了解压电材料的某些优点已经在长时间以来得到了认可。然而，此技术仍在不断进步，并潜在地给利用压电材料的应用提供了改善的操作性能。压电技术的相对新的进展的范例在美国专利第5,869,189号(Hagood，IV等人)及第6,048,622号(Hagood，IV等人)中提及，关注于结构控制的复合材料。本公开技术关注于压电技术的更多进展，以便数据传输可与可选择的电能转换装置结合并一同与轮胎或车轮组件集成。

前述的所有美国专利以引用的方式为所有目的并入本文。虽然已经开发了多种用于轮胎电子系统的涉及压电器件的配置，多种信息的组合已经从轮胎或车轮装配利用常见的技术无线传送，却没有出现涵盖所有有用特征的如下文依据本技术所提出的设计。

发明内容

考虑到先前技术被认可的特点并立足本主题，开发了一种采用集成于轮胎结构内的压电器件传输信号的改进系统和方法。

依据已公开技术的更特殊的方面，本主题的一方面为提供与包括压电器件的电子部件相集成的充气轮胎。应当记住此处用到的术语集成包括任何和所有形式，其中部件可以与轮胎或车轮结构关联。非限制性的实例包括将部件绑在轮胎或车轮结构的内侧或外侧表面，或通常为将部件嵌入轮胎或车轮结构中。一个范例性的电子应用关注用于测量和传输轮胎转动信息的轮胎监控系统，但是应当注意的是，也可以传输轮胎的其他情况例如压力和温度以及其他信息，例如常规轮胎识别变量和/或多种此类信息的组合。此类电子部件可选择的可以由从集成压电器件中获得的能量供电，并可以对应多个电子应用。

本主题轮胎电子器件系统和专门的数据传输方法的多个特点和方面提供了多个优点。本公开的技术提供了不依赖于转动敏感设备与轮胎电子元件的直接连接的轮胎转动检测系统。另外，虽然电池和电池操作设备可能并入本主题的多个方面，但关于不仅由电池供电的轮胎电子器件的许多复杂情况可能依据本公开技术的可选择特征通过采用轮胎转动敏感压电器件作为轮胎电子器件操作的潜在源的方法得以消除。

本主题的另一优点是提供一种通过降低导致轮胎高振动环境的不利因素来提高系统操作可靠性的轮胎监控系统。例如，不需要轮胎转动传感器至轮胎电子器件的之间有线连接。

本主题的可选择特征的另一优点为对于能够在轮胎和车轮组件结构内应用的电子设备的类型和数量有较少的限制。由常见方法供电的轮胎电子器件经常受限于超低电能器件。依据本公开技术的设备并不需要受此类极限电能的限制。此优点还使轮胎电子器件具有更强大的功能，因为更多的部件和/或高级的设备可以潜在的得到应用。

本主题的另一优点为所公开的用于感应轮胎转动和转动相关参数的系统和方法可以与多个现存的应用一起使用。测量性能、监控和警告系统、车辆反馈系统和财产跟踪潜能可能用于例如商业卡车队、飞机和采矿/重型推土机设备。

在本主题的一个范例性实施例中，集成了电子部件的充气轮胎组件包含轮胎结构、主动压电元件、调节模块、传输模块和电子器件包。更优选的，轮胎结构的特征为具有与地面接触的外部胎面部分的胎冠、使轮胎固定于轮缘位置上的胎圈、在每个胎圈和胎冠间延伸的外部胎壁和沿内胎冠和胎壁表面的内衬。调节模块和传输模块电耦合至压电元件，以接收在压电元件内产生的电脉冲并产生轮胎转动相关信号的输出。然后该输出应用于传输设备以将轮胎转动相关信号传送到电子器件包中所选的部件。压电元件、调节模块和传输模块可以粘附于轮胎的内胎冠表面，或压电元件、调节模块和传输模块可以直接放置于轮胎结构中。

本公开技术的另一范例性实施例为一种从集成于车轮组件的压电元件产生轮胎转动相关信号的方法。该方法中的第一步骤涉及在车轮组件的所选择的内部位置内提供要并入的主动压电元件。产生轮胎转动相关信号的该方法的下一步骤对应于使车轮组件经受在车轮组件沿地表转动时导致车轮组件部分弯曲并在所提供的压电元件内产生电流的机械应变。然后对该产生的电流进行调节并应用于电感器件，以将轮胎转动相关信号传输至与车轮组件关联的电子器件。

本发明的其他方法和优点都在此阐明，或者基于此处的详细说明可使其对于本领域技术人员来说是显而易见的。还有，应当进一步了解的是，可以在不同的实施例和本发明的使用中在不偏离本主题意图和范围的情况下进行此处所阐述、提及和讨论的特点和步骤的修改及变更。变更可能包括，但不限于等价的装置、特征、步骤或元件对于那些阐述、提及和讨论的功能的、操作的、多个部件的位置反转、特点、步骤或类似物的替换。

进一步的，应当了解本主题的不同实施例和不同的当前优选的实施例可能包括当前公开的特点、步骤或元件或他们的相等物(包括没有在图中特别显示或在该图中详细描述的特点、部件、步骤的组合或他们的配置)的多种组合和配置。

本主题的其他实施例，不需要在此概述部分表示，可能包含和并入参考的上述概述目标的特点、部件或步骤，和/或如在此申请中讨论的其他特点、部件或步骤的方面的多种组合。本领域技术人员将通过对说明书提示的审阅更好的理解该类实施例和其他实施例的特点和方面。

附图说明

本发明包括其最佳模式的完整和可行的公开，在说明书中结合附图为本领域技术人员进行了阐述，其中：

图1图解了从压电器件向集成轮胎电子器件提供信号的一种已知装置；

图2图解了依照本技术的从压电信号源至集成轮胎电子器件模块的感应耦合；及

图3大体图解了依照本技术的压电器件和集成轮胎电子器件模块与轮胎结构的关联。

贯穿本说明书和附图重复使用的参考字符旨在代表本发明的相同或相似的特点或元件。

具体实施方式

如本发明内容部分所讨论的，本主题特别关注用于将轮胎转动相关信号传输至集成在轮胎结构中的电子系统的改进系统和方法。

本公开技术的多个方面的选择性组合对应本发明的多个不同的实施例。应当注意在此介绍和讨论的每个范例性的实施例不应当成为本主题的限制。作为某个实施例一部分的图解或描述的特点或步骤可以与另一实施例的多个方面相结合产生其他的实施例。另外，某些特征可以与并未特殊提及的执行相同或相似功能的相似器件或特征相互替换。

现在将对依照本技术的目标电感耦合装置和方法的当前优选实施例进行详细介绍。参考附图，图1图解了将信号从压电器件耦合至可以嵌入或关联于充气轮胎或车轮组件的轮胎电子器件部件的一个已知装置。

如图1所示，主轮胎电子器件模块100可以对应任意个不同类型的轮胎参数监控设备并可以与轮胎或车轮组件以多种不同的方式关联，其中的一些已经在上文进行了讨论。相似的，至少对应于压电元件112的压电器件110与主轮胎电子器件模块100相关联并通过一个或多个电导体120与之耦合。电导体120可设置为传导轮胎转动信号至轮胎电子器件模块100内所选的电子元件，以及传导可能由压电元件112产生的用于轮胎电子器件模块100内的元件和电路的其他运动相关信号或其他电信号。

依照本技术，已经发现与轮胎或车轮组件相关联的由其转动而导致的高速振动和相对的物理运动事故可能对导体120提供的电性连接产生不良的影响。另外，已经发现当存在一条或多条伸出的导线时，有效密封多个模块是很困难的。

现在参考图2，图解了依照本技术的范例性信号耦合装置的图示。如图2所示，与主电子器件模块100在其他方面都大致相同的主轮胎电子器件模块200具有接收机电感器202，用于将轮胎转动信号提供给轮胎电子器件模块200内的电子器件包204。相似的，在许多方面都与压电器件110相似的压电器件210具有发射机电感器216，用于将轮胎转动相关信号从压电器件210通过代表性图解的流场220耦合至主轮胎电子器件模块200内的接收机电感器220。

应当注意的是，主轮胎电子器件模块200的准确属性除了模块需求的供其操作使用的外供轮胎转动相关信号之外并不由本技术限制。在主轮胎电子器件模块200内可能具有的单独或者以多个组合形式的功能选项的非限制性范例包括温度、压力、转数、轮胎速度、温度上的速度/时间，速度上的距离/时间，温度上的距离/时间、轮胎特定制造数据的检索以及所有此类数据的发送和接收。

在本技术的某些范例性实施例中，用于轮胎电子器件模块200的操作电能还可能全部或部分由压电器件210供给。在一个范例性配置中，轮胎电子器件模块200可以包括可由从压电元件214产生的脉冲获取的能量进行充电的可充电电池206。在本技术的另一范例性实施例中，用于轮胎电子器件模块200的所有操作电能可由从压电元件214获取的能量供给。

如图2所示，依照本技术的压电器件210的范例性实施例对应于与图1所示的压电元件110大体上相同的运动敏感压电元件212。另外，压电器件210可以包括耦合至运动敏感压电元件212的可选转换电路214，用于将来自运动敏感压电元件212的脉冲转换为较窄宽度，即高电流脉冲，以便应用于发射机电感器216。本技术的另一范例性实施例，可选的转换电路214还可以包括数据编码电路，以便不同类型的信息可以从压电器件210感应传输至轮胎电子器件模块200。

本发明的另一范例性实施例中，如果由运动敏感压电元件212产生的脉冲的频率成分足够高且电感值足够大时，运动敏感压电元件212可以直接连接至发射机电感器216。在许多情况中，更具成本效率的耦合方法可能是使用较小的电感器及附加的电子电路，将由压电元件212产生的能量脉冲通过例如转换电路214转换为较窄宽度，即高能量脉冲。该传输窄宽度脉冲的方法提供更大的传输范围和增强的抗噪性。

压电器件210，无论其是否具有可选的转换电路214，都可以由保护性的遮盖材料包裹。因为本技术提供了轮胎转动相关信号至轮胎电子器件模块200的无线传送，不需要如通过链接外部配线所需的物理接入。因此可能供给完全密封的压电器件模块。另外，因为轮胎转动相关信号至轮胎电子器件模块200的传输不需要外部连接配线，所以此类模块还可以完全由保护性的遮盖材料包裹。本技术的另一实施例包括将压电器件210和轮胎电子器件模块200一起封装至常见的保护性遮盖材料的选择。

转换电路214可以是能够从压电元件212供给的轮胎转动相关信号产生应用于电感负载的窄脉冲的任何可利用的适合的脉冲产生电路。可设置用于执行本技术的此类电路的一个实例可参见2004年6月29号申请的同待批的美国专利申请，序列号为10/880197，题目为“Conversion From Piezoelectric Source(来自压电源的电能转换)”其受让于本申请的受让人，为所有目的在此并入本文。此外，如那里所阐述的压降转换器形式的电能转换电路，用于调节来自压电源的电能以用于其他电子器件和电路。如本领域中所知，典型的压降转换器通常包括对应于一配置的输出级，该配置中的电容器可以通过串联的电感元件充电。操作通常产生电容器的脉冲型充电。此类脉冲的产生可以为本技术的电感发射机216的充电提供了有利之处。

图3描绘了充气轮胎300的范例性透视图，其特征为具有外部胎面部分308的胎冠、胎圈部分和在每个胎圈和胎冠间延伸的外部胎壁306。沿内胎冠和胎壁表面具有内衬302，轮胎电子器件模块和/或压电器件304可以依据本主题装配其上。应当记住图3所图解的装配装置仅为例证性的，本技术预见将轮胎电子器件和/或压电器件以多种方式不仅与轮胎本身而且与关联的车轮组件相联合，如上述所讨论的。

虽然本主题以特定实施例的形式进行了描述，但本领域技术人员应当了解，在理解前述内容的基础上可以轻松的进行此类实施例的替换、变更及等同。因此，本公开的范围为范例性的而非限制性的，目标的公开不排除包括对于本领域技术人员来说显而易见的针对本发明的此类修改、变更和/或添加。

Claims (14)

1.一种为电子器件模块供给信号的方法，包含以下步骤：

提供电子器件模块；

提供具有输出终端的运动敏感压电元件；

提供具有输入终端的发射机电感器；

耦合运动敏感压电元件的输出终端至发射机电感器的输入终端；和

在压电元件和发射机电感器间耦合转换电路；

其中转换电路设置为将来自压电元件的脉冲转换为宽度窄、能量高的脉冲以备发射机电感器应用；

将发射机电感器靠近电子器件模块放置，

借此涉及轮胎的转动的信号能够通过电感耦合由运动敏感压电元件供至电子器件模块。

2.如权利要求1所述的方法，其中提供电子器件模块的步骤包含：

提供参数敏感的电子器件电路；

提供接收机电感器；和

耦合接收机电感器至参数敏感电子器件电路。

3.如权利要求2所述的方法，进一步包含将参数敏感电子器件电路和接收机电感器封装进保护性遮盖物的步骤。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包含将压电元件、转换电路和发射机电感器封装进保护性遮盖物的步骤。

5.如权利要求1所述的方法，其中通过运动敏感压电元件产生涉及轮胎的转动的信号通过电感耦合提供给电子器件模块，包括涉及温度、压力、转数、轮胎速度、以及轮胎特定制造数据的一个或多个的信息。

6.如权利要求1所述的方法，其中在压电元件和发射机电感器间 耦合转换电路包括提供压降转换器，所述压降转换器包括对应于一配置的输出级，该配置中的电容器可以通过串联的电感元件充电。

7.一种轮胎电子器件系统，包含：

轮胎；

轮胎电子器件模块，包括耦合至接收机电感器以备信号传入的电子器件电路；和

信号发射机模块，包括耦合至发射机电感器以备信号传出的压电元件，在压电元件和发射机电感器间耦合的转换电路；

其中在信号发射机模块中的转换电路设置为将来自压电元件的脉冲转换为宽度窄、能量高的脉冲以备发射机电感器应用；

其中所述的轮胎电子器件模块和所述的信号发射机模块与一个所述的轮胎相关联，彼此间及与所述轮胎的放置的方式为，根据所述轮胎的转动，由所述的压电元件产生响应轮胎的转动的信号并从信号发射机模块的发射机电感器感性传送至轮胎电子器件模块的接收机电感器。

8.如权利要求7所述的轮胎电子器件系统，其中所述的轮胎电子器件模块和所述的信号发射机模块由保护性遮盖物分开包裹。

9.如权利要求7所述的轮胎电子器件系统，其中所述的轮胎电子器件模块和所述的信号发射机模块由保护性遮盖物包裹在一起。

10.如权利要求7所述的轮胎电子器件系统，其中轮胎电子器件模块的电子器件电路为轮胎参数敏感电子电路。

11.如权利要求7所述的轮胎电子器件系统，其中轮胎电子器件模块进一步包含为轮胎电子器件模块内的电子器件电路供给操作电能的电池，电子器件电路进一步设置为从压电元件产生的和接收机电感器接收的脉冲获取能量来为电池充电。

12.如权利要求7所述的轮胎电子器件系统，其中电子器件电路进一步设置为从压电元件产生的和接收机电感器接收的脉冲获取能 量。

13.如权利要求7所述的轮胎电子器件系统，其中压电元件产生涉及轮胎的转动的信号包括涉及温度、压力、转数、轮胎速度、以及轮胎特定制造数据的一个或多个的信息。

14.如权利要求7所述的轮胎电子器件系统，其中转换电路包括提供压降转换器，所述压降转换器包括对应于一配置的输出级，该配置中的电容器可以通过串联的电感元件充电。