CN101400527B - 压电触发装置 - Google Patents

Abstract

一种压电触发装置(10)，包括如SAW设备转换器的压电元件(12)，被配置成受到过量的机械力而破裂或折断，或其他触发装置，并因而产生电磁能量的突发。然后可以通过谐振电路或天线来调节(14)该大能量脉冲并通过合适的构造(如SAW电极)通过识别图形调制(16)该大能量脉冲以发送破损指示信号给远程接收机(18)。可以将压电元件(12)与充气轮胎构造结合用来提供失压或轮胎故障的指示。还可以将压电元件(12)与一些轮胎构造的安全支撑特征相结合以提供轮胎运行在跑气运行模式的指示。本压电触发技术的相关方面在触发检测方法中使用压电元件(12)，其可包括检测例如，通过打开密封入口构造而破坏安保，玻璃面板的破损，安全气囊的采用，轮胎的失压或过度变形，指定环境中烟雾的存在以及其他的断裂和传感器应用的事件。

Description

压电触发装置

技术领域

本发明总体涉及用作检测事件出现时自供电触发装置的一种压电设备及其相关元件。压电元件可以配置为因发生某种事件而折断，从而产生相对大的能量脉冲信号，该信号可被调节并存储用于后面的检测或者立即中继至远程位置。

背景技术

电子设备与充气轮胎构造的结合带来许多实际的好处。轮胎电子器件可包括传感器和其他部件，用来获得有关轮胎的各种物理参数的信息，如温度，压力，轮胎转数，车速等。这些性能信息在轮胎监测和警告系统中是有用的，并且甚至有可能与反馈系统一起用来调节合适的胎压水平以及与车辆性能和控制系统一起被采用。

与轮胎构造结合的电子系统提供的另外一种潜力是商业车辆应用中的资产追踪和性能描述。商业车队，航空飞机和重型推土机/采矿车辆均为能够利用轮胎电子系统和有关信息传输的好处的可行的行业。轮胎传感器可确定车辆每个轮胎行驶的距离从而有助于这些商业系统的维护计划。对于如那些涉及陆地采矿设备的更昂贵的应用，可以优化车辆位置和性能。可以利用RF标签发射来追踪整个车队。

某些压电材料已经应用在与轮胎和车轮组件及其他振动系统相关的各种应用中。例如，压电变换器可以用作测量对外加声场的响应的传感器。压电致动器可以将应用的电场转换成动能和机械位移。压电弹簧和其他专门的压电形成物被用于将轮胎旋转的机械振动转换成电能用来给轮胎电子组件供电。

将以上应用和其他采用压电材料的应用典型地配置运行从而令压电材料受到有限程度的应变和/或电荷。例如，通常不期望让压电传感器或发电设备受到使压电材料破裂或折断的高程度的应变。这种事件将妨碍或损坏压电设备内在的功能并且需要更换压电部件。

根据本主题，压电设备被配置成用在有意地使其构造整体性受到危害的环境中。更特别地，压电设备被配置成受到某种触发条件而破裂或折断，从而与其他电路元件相结合用作一次性的自供电信令装置。

发明内容

鉴于现有技术中遇到的和本主题所解决的公认特征，开发了用来提供一种触发装置的改进特征或步骤。公开了示意性的特征和元件用来影响压电设备的构造整体性，使得设备故障指示着预定的事件或触发条件的出现。

本触发装置，触发检测方法以及相关的步骤和元件的各种特征和方面提供了多个优点。本公开的技术提供了包括相对简单的元件组合的触发系统，无需通过将机械元件与压电元件相结合来破坏或折断元件。此外，发电特征如电池或电流不是运行所必须的(虽然必要时仍然可以采用)。此外，信号传输可以采用无线的方式，消除了在某些实施例中对硬线信号连接的需求。

本主题的另一个好处是，所公开的压电信令装置由于压电元件的折断所产生的电脉冲信号相对较大，因而提供了可靠的信令方法。该信号的幅度与压电元件轻微变形产生的信号相比大得多，因此两种现象之间可能的混淆被最小化。

本公开技术的另一个好处是，本压电触发装置可以应用于范围广的多种可能的应用中。一个特殊的例子涉及将这种触发装置用于车辆轮胎或车轮组件以用作轮胎失压或轮胎故障的指示。这种应用在跑气保用轮胎组件中特别有用。另外的车辆应用包括将所公开的压电触发装置用于发信号通知安全气囊充气，安全带启动等等。进一步的可能的应用可包括自供电的烟雾报警、火灾报警、断裂传感器以及安保系统。

在本主题的一个示意性实施例中，压电触发装置包括：压电元件，其被配置成为在受到足够量的机械力时破裂或折断，由此在破裂或折断时产生电磁能量突发；和调制电路，其与该压电元件连接并且被配置成接收电磁能量以及由此发出触发信号。

在本主题的一些更特殊的实施例中，压电元件对应于声表面波(SAW)变换器，同时调制电路可对应于这种SAW变换器的电极。该触发装置还可包括调理电路，该电路可包含能量存储元件，其被配置为存储由压电元件产生的能量，用于后面的压电元件被破裂或断掉的识别。在一些实施例中，调理电路可包括比较器元件用来比较压电元件的能量输出与预定的阈值水平。还可设置衬底用来固定选择的触发装置元件。该衬底可具有粘性的背衬用于后面的在应用环境中的固定。

在本技术的另一个示意性实施例中，轮胎组件包括如上述选择的压电触发装置和充气轮胎构造的结合，其中该充气轮胎构造的特征在于，具有胎面部分(tread portion)的胎冠用来与地表面接触。该压电触发装置可配置成使得充气轮胎构造大量失压或者轮胎过度变形导致其中的压电元件破裂或折断。

在一些更特殊的实施例中，充气轮胎构造可进一步包括安全支撑，其被配置成固定在充气轮胎构造内部的轮圈上，以便在漏气的时候支撑该轮胎构造的胎面部分。这种安全支撑可包括具有与轮圈相配的内表面的环形本体和在失压时与胎面部分接合的外盖。触发装置的压电元件可结合在相对安全支撑的选择位置，例如，位于外部的铆钉之间或者在安全支撑的内部空腔中。

本技术的另一个示意性实施例对应于一种检测触发事件的方法。该方法可包括如下步骤：提供配置为在受到足够量的机械力时破裂或折断的压电元件，提供与该压电元件连接的，配置成由此发出破损指示信号的调制元件，以及提供远程接收机，用来检测破损指示信号的传输。

在更特殊的方法中，另外的步骤选择性地包括操作破损指示信号使得从调制元件发出的信号包括识别图形，当远程接收机收到破损指示信号时中继警告，以及将压电元件和调制元件设置在衬底上并将衬底粘附于指定的表面。粘附步骤可对应于将衬底与轮胎，轮胎支撑构造、玻璃面板、密封入口构造、安全带或安全气囊其中之一的表面结合。

本主题的另外目的和优点已经阐明，或者对于本领域的普通技术人员来说通过此处的详细介绍是很显而易见的。同样，应进一步了解，在不背离本主题的精神和范围的情况下，可在本发明的各种实施例和使用中对其具体说明、参照和讨论的特征和步骤进行修改和变更。变更可以包括，但不限于，对所说明、参考或讨论的内容用等价手段、特征或步骤进行替换，以及对各个部分、特征、步骤或其他类似部分进行功能、操作和位置颠倒。

另外，应了解，本主题的不同实施例以及不同的目前优选实施例可包括对目前所述特征、步骤或元件的不同组合或配置或其等价物(其中包括没有在图中明确显示或者没有在附图的详细表述中阐述的特征、部分或步骤的组合或其配置)。

无需在发明内容部分阐述的本主题的另外的实施例，可包含并结合上面简要阐述的目标中所引用的特征、部件、步骤方面的各种组合，和/或如本申请中以其他方式讨论的其他的特征、部件或步骤。本领域的普通技术人员浏览了本说明书的剩余部分后，将更加了解这些实施例的特征和方面。

附图说明

针对本领域普通技术人员，在参照附图的本说明书中阐述了本主题的全面和可实施的公开，包括最佳实施方式，其中：

图1是根据本发明方面的压电触发装置实施例中示意性硬件组成的原理方框图；

图2是根据本主题的示意性轮胎组件的等视轴图，说明了将压电触发装置与充气轮胎结构相结合的可能结构；

图3提供了根据本发明方面的具有固定于轮胎内部轮圈上的安全支撑并带有在可选位置示出的整合的压电触发装置的轮胎的轴向半剖面图；以及

图4提供了图3的轮胎和安全支撑的轴向半剖面图，其中安全支撑处于跑气(run-flat)状态。

整个说明书和附图中重复使用的参考符号用于表述本发明的相同或者类似的特征或元件。应了解在附图中阐述的各种特征无需按比例描绘，因此该图中特征之间的相对关系不应限制本公开技术。

具体实施方式

本公开主题涉及一种压电装置及其相关电路元件，其共同用作某些事件出现时的自供电触发装置，例如受到由许多用来将压电设备破裂或折断的机械力指示的事件，从而产生相对大的能量脉冲信号(即，电磁能量的突发)。压电触发装置更特殊的方面包括可用于该装置的示意性硬件组成，下面将结合图1进行介绍。

参考图1，压电触发装置10包括被配置为受到足够量的机械力而破裂或折断的压电元件12。压电元件12的位置和结构使得指示着某种条件(如，轮胎破裂或失压)的机械力的量能够导致压电元件破裂或断裂。使压电元件12破裂或折断是有益处的，因为其结果产生的能量突发与压电元件12的简单变形相比，对应着相对高程度的功率产生。此外，压电元件12针对可能的折断/破裂的配置消除了需要用机械“遥控器”或其他部件来冲撞压电元件12的需求。

可有意地危害压电元件12构造整体性的特定结构可以变化，但一些感兴趣的结构将压电元件12和对应的压电触发装置10结合到轮胎构造中。当应用在轮胎环境中时，压电触发装置10可以用来检测轮胎放气，失压或过度变形的实例。其他的示意性结构将压电元件结合到玻璃面板上或在门、窗、安全柜或者其他的入口构造的密封口。在这些结构中，压电触发装置10作为安保设备运行，在窗户被打破或接入构造被打开时进行检测。虽然此处的讨论主要是指在轮胎环境中使用压电触发装置，但应了解本主题未必限于这些应用。

压电元件12可对应多种不同形式中的任何一种，包括单晶或多晶结构，压电陶瓷或其他的压电晶片结构或压电光纤。此外，压电元件12可包括多种压电材料中的一种或多种，这些材料包括但不限于，钛酸钡、锆钛酸铅(PZT)、石英、硫化镉、聚偏二氟乙烯(PVDF)或聚氯乙烯(PVC)、或所属领域普通技术人员认识的其他的压电材料。在一些特殊的实施例中，压电元件12对应着用于形成声表面波(SAW)传感器的变换器元件的压电衬底表面(如由单晶石英(SiO₂)制成的)。这种SAW传感器的一个特殊例子是由英国TRANSENSETECHNOLOGIES，PLC所开发的。该设备的具体方面在(Viles等人的)申请号为2002/0117005和(Freakes等人的)申请号为2004/0020299的美国专利申请中都已公开，两者皆为了一切目的通过引用的方式结合于此。

继续参考图1，调理电路14可与压电元件12连接用来修改或调节由压电元件12在该元件破裂或折断时产生的相对大的电能脉冲。在一些实施例中，调理电路14可包括能量存储元件(如，电容器)，其被配置成将压电元件12产生的能量存储一定预定时间量，从而随后可以读该能量存储设备以判断压电元件12是否被破裂或折断。在一些实施例中，调理电路14具有比较器的特征用来将压电元件12输出的能量与一些预定的阈值进行比较以判断压电元件12输出的能量水平何时超过压电元件12轻微变形的正常水平特性。本领域的普通技术人员可以容易地确定这种比较的合适阈值水平并且可以根据压电元件12所用材料的尺寸和类型以及其他电路设计参数而进行变化。

进一步参考图1，压电触发装置10还可包括与调理电路14连接的调制电路16，其被配置为接收来自调理电路14的调整能量信号并由此发出触发信号。在一些实施例中，调制电路16可对应于谐振电路或天线。在一个实施例中，例如当压电元件12对应于SAW变换器时，调制电路16可对应于该SAW设备的电极。

一旦压电触发装置10产生并发出指示设备破损的有意义的信号，设置在远程但相对压电触发装置10为最接近端位置的接收机18可配置为接收来自触发装置的信号指示。该发送信号在此处将被称为触发信号或者破损指示信号。在轮胎环境中结合了触发装置10的本技术的实施例中，接收机18可以配置成将来自触发装置的压电破损指示中继至随车携带的监控系统以警告司机相应的轮胎状况。还可以将指示中继到其他的监控位置，比如通过如OnStar^TM品牌系统的车载安全和保安系统和其他系统是可实现的。

图1的压电触发装置10中还可包括延时线17。可对延时线17进行编程用来修改将从触发装置10发出的信号。例如，延时线17可以被用于形成能量脉冲的序列，也许如一对或三个一组的脉冲那么简单，此处称其为识别图形。虽然应了解接收机18将更可能检测最早发送的脉冲序列之一，但也可以将延迟线配置成连续多次(如，每隔50ms一次)发送破损指示信号。使用这种预定的输出序列可以帮助将指示压电元件12的破裂或折断的信号与可被接收机18收到的其他噪声区分开。如果压电元件12对应于SAW设备的变换器，在一些实施例中该SAW对应着基于SAW的RFID设备，该设备可被编程以提供与延时线17相同的效果。接收机18也优选地配置成监测给定带宽(例如，压电元件10的谐振频率附近的10kHz带宽)从而进一步限制在触发事件检测中的可能的错误。

进一步根据图1，应了解，在结合到其应用环境(如，轮胎或密封的入口构造)之前，可以将压电触发装置10的部分固定于或者结合于衬底表面19。衬底表面19也可以具有粘性的背衬以容易地将触发装置固定到其应用环境中。

现在参考图2，根据本主题的轮胎组件20包括结合在充气轮胎构造22的选择位置的压电触发装置10。充气轮胎构造22通常包括用来和地表面接触的具有胎面部分24的胎冠，内部胎冠表面26和内部侧壁表面28。在一个示意性的实施例中，触发装置10可固定于轮胎构造22的内部侧壁表面28。当固定于轮圈的轮胎构造22失压时，这种位置通常非常适合压裂或折断触发装置10内的压电元件。在一些实施例中，压电元件还可以被设计为在导致轮胎过度变形的多种条件下压裂或折断，如打气不足，超载，严重撞击等条件。根据压电触发装置的多种可能的位置，应了解术语“结合”总体上包含了所有可能的位置，包括被固定在轮胎构造之上或轮胎构造之中。

本公开的压电触发装置还可以用于非传统的轮胎中，换而言之，是相对如图2所示的典型充气轮胎构造具有变化的轮胎。在一个例子中，可以将压电触发装置10与具有安全支撑特征的轮胎相结合，安全支撑特征固定于其轮胎内部轮圈上以便在轮胎故障时支起负荷，从而在失去充气压力时支撑轮胎的胎面条。现在讨论图3和图4来说明这种具有安全支撑特征的轮胎一些方面。图3提供了沿轮圈32周围固定且在对应轮胎36的空腔34内的安全支撑30的轴向半剖面图。将轮胎36设计成固定在轮圈32上并且特殊地具有两个不同直径的胎圈。支撑30具有3个主要部分：具有环形的总体形状并用基本上零度纵向定向的层板40增强的基底38，在其径向的外壁上的具有纵向凹槽44的大体环形的盖子42，和用来将基底38和盖子42连接在一起的环形本体46。部分48定义的空腔能够减少支撑30的重量，从而在跑气条件下(如，在全部或部分失去胎压时)提供相同的支撑。

图4示出了与图3类似的但如在跑气条件时沿地表面运行的安全支撑。支撑30的盖子42与轮胎36盖子的径向内表面接触，因而防止轮胎36在轮胎空腔34失去气压期间骑在轮圈32上。关于上面描述的带有安全支撑特征的轮胎的另外的详细内容公开在(Lacour的)专利号为5,891,279的美国专利中，其为了一切目的通过引用的方式结合于此。应了解，其他的特定的安全支撑可以结合在轮胎构造内。虽然在Lacour的专利中描述的支撑总体上为固体环形设备，但是其他的支撑的实施例可以由其他的支撑材料(如，海绵乳胶，其当轮胎在跑气模式时能经受住变形)所制成。

继续参考图3和图4，可以将压电触发设备10的压电元件与这种示意性跑气轮胎构造的安全支撑30相结合，从而压电元件的破损在某些时候可以作为轮胎运行在漏气模式的指示。在这种事件中安全支撑30的弯曲可能将变形传到石英，导致其折断。例如，一个或多个触发装置10的电路元件可以固定在或结合在纵向凹槽44其中之一上或由安全支撑30的部分48所定义的空腔上，如图3和4所示。还应了解，可以将触发装置10的压电元件12和可选的其他元件与所述的轮胎构造36或安全支撑30的其他部分相结合。还应了解，虽然图3和图4介绍了将触发装置结合在相对安全支撑30的两个截然不同的位置，但在一些实施例中，每个轮胎中将只有一个触发装置10。

虽然此处介绍了应用在轮胎环境的压电触发装置的例子，应了解，本主题不应限制于这些应用。另外的车辆应用包括使用所公开的压电触发装置发信号通知安全气囊的充气，安全带的启动等等。进一步可能的应用可包括无需电池供电的自供电烟雾报警，无需电流的火灾报警，无线/无电池的断裂传感器(如，在医院或其他医疗机构提供麻醉药品柜破损的铁证)，以及在电源被有意或意外切断时工作的安保系统。

尽管已经关于其具体实施例详细地介绍了本主题，但是应了解，对于本领域技术人员，在理解了前述内容的基础上，可以很容易地对这些实施例进行变更，改动或者等效替换。因此，本公开的范围是作为示例而不是作为限制，本公开不排除对于本领域的技术人员来说是很显而易见的对本主题的修改，变化和/或增加的内容。

Claims (17)

1.一种压电触发装置，包括：

充气轮胎构造，其特征在于，具有胎面部分的胎冠用来和地表面接触；

压电元件，配置成为在受到足够量的机械力时破裂或折断，所述压电元件由于破裂或折断而产生电磁能量的突发；以及

调制电路，连接于所述压电元件，配置成接收来自所述压电元件的电磁能量，并且当压电元件输出的能量水平超过压电元件轻微变形的正常水平特性时发出触发信号，

其中将所述压电元件结合在所述充气轮胎构造的内部侧壁表面上的选择位置，从而所述充气轮胎构造的过度变形导致所述压电元件的破裂或折断。

2.根据权利要求1所述的压电触发装置，进一步包括：连接所述压电元件和所述调制电路的调理电路，所述调理电路被配置成调节对应于所述电磁能量的突发的能量信号。

3.根据权利要求1或2所述的压电触发装置，其中所述压电元件包括声表面波变换器。

4.根据权利要求3所述的压电触发装置，其中所述的调制电路包括所述声表面波变换器的电极。

5.根据权利要求2所述的压电触发装置，其中所述的调理电路包括能量存储元件，其被配置为存储由所述压电元件产生的能量以用于随后的压电元件被破裂或断掉的识别。

6.根据权利要求1、2或5所述的压电触发装置，其中所述调制电路包括谐振电路或天线之一。

7.根据权利要求2所述的压电触发装置，其中所述调理电路包括用来将所述压电元件的输出与预定的阈值水平进行比较的比较器元件。

8.根据权利要求1、2或5所述的压电触发装置，进一步包括设置所述压电元件的衬底。

9.根据权利要求8所述的压电触发装置，其中所述的衬底包括粘性的背衬。

10.根据权利要求1所述的压电触发装置，其中所述充气轮胎构造的过度变形的出现是由于充气不足，失压和严重撞击的其中之一造成的。

11.根据权利要求8所述的压电触发装置，进一步包括安全支撑，配置成固定在所述充气轮胎构造内部的轮圈上，以便在漏气的时候支撑所述充气轮胎构造的胎面部分。

12.根据权利要求11所述的压电触发装置，其中所述的压电元件被结合在相对所述安全支撑的选择位置。

13.根据权利要求11所述的压电触发装置，其中所述的安全支撑包括具有与轮圈四周相配的内表面的环形本体和失压时将与胎面部分接合的外盖。

14.一种检测触发事件的方法，包括以下步骤：

提供配置为在受到足够量的机械力时破裂或折断的压电元件，所述压电元件配置成由于破裂或折断而产生电磁能量的突发，

提供连接所述压电元件且配置成接收所述电磁能量的突发并且当压电元件输出的能量水平超过压电元件轻微变形的正常水平特性时发出破损指示信号的调制元件；

提供远程接收机，用来检测当压电元件破裂或折断时破损指示信号的传输；以及

将所述压电元件定位在充气轮胎构造的内部侧壁表面上的选择位置，从而所述充气轮胎构造的过度变形导致所述压电元件的破裂或折断。

15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括当远程接收机收到来自压电元件和调制元件的破损指示信号时中继警告的步骤。

16.根据权利要求14或15所述的方法，进一步包括以下步骤：

在衬底上设置压电元件和调制元件；并且

将该衬底粘附于指定的表面。

17.根据权利要求14或15所述的方法，进一步包括操作该破损指示信号使得从调制元件发出的信号包括识别图形的步骤。

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