CN101505978B - 胎内多元件压电传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用来监测轮胎相关的状态的装置和方法。其具有基片，该基片上安装有一对或多对传感器。所述成对传感器在预定的分隔距离下以互相之间的预定关系进行安装，从而可确定可结合有传感器的轮胎的转动方向、速度和其它参数。在一些实施例中，具有多对有效的传感器，从而不必预定传感器的安装方向。

Description

胎内多元件压电传感器

技术领域

本发明主题涉及轮胎传感器。更加具体地来说，本发明主题内容涉及压电轮胎传感器，其能够产生信号来推断出安装在车辆上的主轮胎的位置。

背景技术

电子装置与充气轮胎结构的结合产生了很多实用的优势。轮胎电子装置可包括用来获取关于轮胎的各种物理参数的信息的传感器和其它部件，这些物理参数例如温度、压力、轮胎转数、车辆速度等。这些性能信息可以在轮胎监测和警告系统中变得很有用，并可以作为反馈系统的一部分而具有潜在用途，以调节或控制特定的轮胎和/或车辆相关的系统。

美国专利第5,749,984号(发明人为Frey等人)中公开了一种轮胎监测系统和方法，其能够确定诸如轮胎偏斜、轮胎速度和轮胎转数的信息。在美国专利第4,510,484号(发明人为Snyder)中能够发现轮胎电子系统的另一个例子，其涉及一种非常规的轮胎状况警告系统。

美国专利第4,862,486号(发明人为Wing等人)也涉及了轮胎电子装置，并且更具体地，公开了与汽车和卡车轮胎相结合使用的示例性的转数计数器。

与轮胎结构一体结合的电子系统提供的另外的潜在性能在于对商业车辆应用的资产跟踪和性能特性表征。商业卡车车队、航空飞行器和推土机/采矿车辆都是可行的工业，其能够利用轮胎电子系统和相关联的信息传输的好处。轮胎传感器能够确定车辆中的每个轮胎已经行驶的距离，从而为这些商业系统在维修计划方面提供帮助。为了诸如涉及土地采矿设备的那些更加昂贵的应用，可以对车辆位置和性能进行最优化。使用RF标签传输可以对整个车辆车队进行追踪，美国专利第5,457,447号(发明人为Ghaem等人)中公开了该RF标签传输的示例性的各方面。

传统上，这种一体结合的轮胎电子系统利用各种技术和不同的发电系统来供电。美国专利第4,061,200号(发明人为Thompson)和第3,760,351号(发明人为Thomas)中公开了用于从轮胎移动中产生能量的机械特性的例子。这些例子提供了笨重复杂的系统，这些系统对于与现代轮胎应用的结合一般并非为优选方案。而美国专利第4,510,484号(发明人为Snyder)中公开了对轮胎电子系统供电的另一种可选方案，其涉及一种绕轮胎的辐射中心线对称布局的压电能量供应。

对轮胎电子系统供电的另一种典型的方案在于使用非可再充电的电池，该方案本质上为轮胎使用者带来了不便，这是因为电子系统的正常运行依赖于定期电池更换。传统的电池还通常包含重金属，这对环境并不友好，并产生了处置问题，特别是当大量使用的时候尤为如此。更进一步地，当对特点是具有复杂功能水准的电子应用系统供电时，电池将相当迅速地耗尽其所储电量。电池电量的耗尽尤其在相对长距离的信息传输的电子系统中十分普遍，例如从卡车轮子的位置传输至卡车车厢内的接收器。甚至当电池应用在从轮子位置传输至较近的接收器位置的电子系统中的时候，信息接着典型地通过硬线传输媒介，而从RF接收器位置分程传递至车辆驾驶室，从而需要在车辆内安装额外的并且通常很昂贵的通信硬件设备。

另一种为轮胎监测系统获取能量的已知的方法涉及压电发生器，其收集由主轮胎的转动所产生的能量。美国专利第6,725,713号中公开了用于从转动轮胎的机械能量中产生电能的系统，该系统利用了压电结构和能量存储装置。

以上所有的美国专利所公开的内容在此为了一切目的用于参考而完全并入本申请中。

尽管在轮胎电子系统中已经发展了各种压电传感器的实施，没有出现一种设计来总体上覆盖以下所呈现的根据本主题技术的所有所期望的特性。发明内容

考虑到在现有技术中遇到的以及本发明主题要解决的被公认的特性，已经发展出一种用来产生轮胎相关的信号的改进装置。

在示例性的结构中，一对压电传感器安装在公共基片上，以布置在轮胎中。

在它们更简单的一种形式中，成对的压电传感器作为轮胎电子系统的部件而安装在轮胎内。

根据本发明主题的特定实施例的多个方面，提供了多套方法将运行能量提供至结合传感器的电子系统，该系统可与所述压电传感器协同定位。

根据本发明主题的其它实施例的各特定方面，发展了多套方法将一个或多个能量采集元件协同定位在所述基片上，该基片支承成对的压电传感器。

根据本发明主题的另外的实施例的额外方面，发展有装置和相伴随的方法来确保轮胎位置确定信号的产生，而不考虑传感器支撑的基片的安装方向。

根据本发明主题的特定实施例的多个方面，提供有装置和方法来提供轮胎和/或车辆运行的长期历史记录。

根据另外的实施例，提供有装置和方法，以基于各种感测到的状况来调节和/或控制特定车辆的相关运行。

本发明主题的另外的目的和优点将被阐明，或对于本领域中的一般技术人员来说经过此文中的详细说明后会是显面易见的。同样，应当进一步理解的是，对于特别地示例的、参考的和讨论的特征和元件的修改和变化可在本发明的不同的实施例中和使用中得以实践，而并不偏离本主题的精神和范围。各种变化可包括但不限于用于那些所图示的、参考的、或讨论的等效装置、特征或步骤的替代物，以及不同零件、特征、步骤或类似的内容的功能的、操作的或位置的颠倒。

另外，需了解的是，本发明主题的不同的实施例，及目前优选的不同实施例可包括当前公开的特征、步骤或元件或他们的等效物的各种结合或构造(包括未在图中表示或未在该图的具体说明中表述的特征、部件或步骤或结构的不同的结合或构造)。本发明主题的其它实施例不必在此发明内容章节中表述，其可包括并结合在上述概述目的中所提及的特征、组件或步骤的各方面的不同结合，和/或其它另外在此申请中所讨论的特征、组件或步骤。本领域的一般技术人员在对说明书其它部分的回顾时，将更加理解这些具体实施例及其它的特征和各方面内容。

附图说明

对于本领域的一般技术人员来说，本发明的完整且可实施的公开包括其最佳的方式，该公开的将在本申请文件中参考附图而进行说明，在附图中：

图1示意性地显示了本发明主题的第一示例性实施例，其采用了一对压电传感器；

图2示意性地显示了本发明主题的第二示例性实施例，其采用了多对压电传感器；

图3显示了根据本发明主题的示例性的轮胎组件的等比例视图，其显示了用来在充气轮胎结构中定向压电传感器的示例性结构；

图4示意性地显示了本发明主题的第三示例性实施例，其采用了共享的传感器，该共享的传感器从三个独立的传感器中形成两对传感器；以及

图5示意性地显示了本发明主题的第四示例性实施例，其中从一对单独的传感器通过已知的安装方向而有效地形成了两对传感器；

遍及本申请文件和附图的参考特征的重复使用意欲表现本发明相同或相类似的特征或元素。

具体实施方式

如在发明内容部分中讨论的那样，本发明主题特别涉及一种改进的产生轮胎相关的信号的装置，其可以用来确定轮胎在车辆上的安装位置，以及其它轮胎相关的特性。

被公开的技术的各方面的有所选择的多个结合相当于本发明的多个不同的实施例。需注意的是，每一个在此呈现和讨论的例示性实施例不应该理解为本发明主题内容的限制。作为一个实施例的一部分而被举例说明或描述的多个特征或多个步骤可被用于与另一具体实施例的多个方面相结合，从而产生其它的多个实施例。另外，某些特征可与未明确提及的但执行相同或相似的功能的相似的装置或特征相替换。

现在将详细地提及本发明的主题“胎内多元件压电传感器”目前优选的实施例。现在参考说明书附图，图1图解了根据本发明的主题所构造的胎内多元件压电传感器100的第一示例性实施例。

多元件压电传感器100采用了一对相对窄的条状的压电传感器110、112，压电传感器110、112按照互相呈平行的关系安装在基片102的两端。基片102可相当于任何适宜的轮胎相容材料。在示例性的实施例当中，基片102可相当于类似于电子装置中通常用作印刷电路板的玻璃纤维垫板。可作为压电传感器110、112的示例性的压电材料包括石英、钛酸钡、硫化镉、锆钛酸铅(PZT)、聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚氯乙烯(PVC)。

压电传感器110、112相隔已知的精确距离而进行安装，其理由将会在后面更加全面地解释。在压电传感器110、112之间的区域中，可以任选地安装有能量采集压电元件120。如果具有能量采集压电元件120，那么该元件应当尽可能最大化地占据压电传感器110、112之间的剩余表面区域，并且还可与压电传感器110、112之间安装有电路系统，以用来调节和存储由能量采集压电元件120所采集的能量。压电元件110、112、120中的每一个都与其它压电元件电绝缘。用作能量采集压电元件120的适宜的示例性压电材料包括以上所列举的用于传感器110、112的示例性的压电材料。所述任选的能量调节和存储电路可以与上述的美国专利第6,725,713号(发明人为Adamson等人)中所公开的相类似。

正如下面要更加全面描述的，压电元件110、112专门用作信号发生器，以为之后的分析提供轮胎相关的信号。能量采集压电元件120可用来产生类似的信号，但是人们已经发现，穿过该元件的任何电载荷均可影响到所述信号，所以必须对这种情况进行考虑。

所述的多元件压电传感器100被设置成安装在轮胎的圆周中心线上的中心位置，其位于胎冠的下方并且位于内衬表面上，并朝轮胎的转动方向定向，如箭头130所示。具有如图1所示的传感器结构的目的之一是，提供时间可分离的成对压电传感器110、112信号，这样通过得知它们的方向和精确的分离距离，人们可以通过确定所述成对传感器之间所产生的信号序列和所产生的信号之间的延迟时间，而确定轮胎带状组件的滚动方向和表面速度。此外，滚动轮胎转一圈所需的时间也可从单独的信号压电传感器110、112的信号中的某一个来确定。知道了轮胎带速度和轮胎角速度，可以计算出轮胎的移动速度。

进一步地，任意一个独立信号压电传感器110、112可以用来测量在绝对项中的或者作为轮胎带长的比率的接触地面长度的持续时间。然后还可计算轮胎偏斜。如果通过包含额外的轮胎安装的传感器的其它装置，可以确定所包含的轮胎气压，接着可以对所计算出的偏斜进行分析，来确定轮胎是否过载。

为了创建与轮胎相关联的“黑匣子”，本文中以上所述的任何以及所有测量或计算的参数可以定期写入轮胎内的永久性的或可重写的记忆装置内。这样，可以对长期的轮胎历史记录以及最近的轮胎历史记录进行存储并检索，或甚至传输到车辆上的中央处理器或者传输至遥远位置。应当理解，对于个体轮胎，通过检查总里程、最大温度、最小压力、最大偏斜、最大速度和/或在一组行驶条件下所花费的时间或所花费的里程数，这种累计的“黑匣子”数据可以用于轮胎翻新的决策当中。这种应用的一个例子可涉及传统的漏气续行的检测以及不在高偏斜下(亦即，被双重固板支撑)的零膨胀检测，这曾经很难进行检测。另一个应用例子可包括通过使用本技术的多元件传感器与临时的备用轮胎相结合来产生的信号。来自这种临时使用的轮胎的轮胎相关联的信号可以通过提醒司机是否超出了距离和速度限制以及通过实际限制车辆速度来产生里程数和速度限制，其中车辆速度的实际限制是依靠使用临时的备用轮胎而驱动的自动速度控制系统来实现的。

如前所述，成对的压电传感器在二者之间具有精确的间隔距离，而提供这种结构的压电传感器的目的之一在于可以确定带组件的滚动方向和表面速度。假设存在与车辆结合的通信系统，本技术的胎内多元件压电传感器具有通向该通信系统的入口，人们可以提供这种配置的轮胎，该轮胎能够获知它们在车辆上的安装位置。

如果一个人知道车辆上的每个轮胎标识(ID)，并且在相同的时间范围内，知道膨胀压力、带速度或轮胎角速度和接触地面长度或偏斜或载荷，此人就可以推断出足以识别每个轮胎ID的相对的轮胎位置与在车辆上的具体位置的结合。

作为例子，在18轮卡车的情况下，任何成对的双重安装的轮胎将始终具有相同的角速度，因此操控轮胎可以被识别为仅有的不具有双重固板的轮胎。在转弯期间，可发现车辆一侧上的所有轮胎的负载和角速度的总体增大，而发现车辆另一侧上的所有轮胎的负载和角速度的总体减小。并且在转弯期间，当一个轮胎由于减小的转弯半径而从操控轴前进到车辆的后部时，轴速度的比较应当显示角速度的总体下降。在每个急转弯中，拖车内侧轮胎能够实际上向后旋转。

在刹车过程中，前后排列的主轮轴轮胎会看到负载的增大。其它的可能包括通过防抱死制动系统(ABS)以及得知哪个轴正在制动或者在驱动扭力存在或缺乏的基础上将轮胎进行分类的选择性的制动轴。通过处理器，相关的轮胎数据将被视为与最近的历史或与累计历史相比的及时的变化和发展。这种数据可以是平均时间，以增强位置决定的信心或者确认之前的决定。

如果不能在轮胎内控制多元件压电传感器的安装方向，则通过不同的压电传感器结构可增强相关数据的结合。这种增强可通过使用如图2所示的本发明主题的第二示例性实施例而实现。

现在参考图2，图示有多元件压电传感器200，其包括四对压电传感器212、222、214、224、216、226和218、228，各成对的压电传感器以平行的关系进行安装，并环绕基片202上的中心轴线而大致呈八边形的布局。基片202可使用与如图1所示的示例性实施例的基片102大致类似的材料，而成对的压电传感器212、222、214、224、216、226和218、228可使用与所描述的压电传感器110、112相类似的材料。

通过如图2所示的成对的传感器的布置，该四对相对的传感器中的每一对均可以在纵向方向上被诠释为如上文对图1中的示例性实施例所做的描述一样。可通过确定具有读数信号之间的最大相差或时间分隔的那对压电传感器，来确定最接近于纵向排列的那对传感器。接着，垂直于被识别出的那对纵向传感器的一对传感器可以被识别出，并被用来扩大可用的位置标识数据，以包含与滚动的估定方向相结合的轮胎的操控响应。

利用如上所述且如图2所示的安装在车辆的每个轮胎内的多元件压电传感器200，并且，假设存在有通信系统从而车辆上的所有轮胎能够将各种数据发送至车辆上的中央处理器单元，则对于车辆控制而言存在多种可能。例如，如果来自多元件压电传感器200的数据与膨胀压力和温度信号相结合，并被传送至连接到车辆的电子控制模块(ECM)的中央处理器，该数据不仅能够有助于获知如前所述的车辆的轮胎位置，并且还能够用来控制车辆的运行，其控制方式类似于上文所述的关于备用轮胎在安全运行限制的外部条件下控制轮胎的运行。这些条件包括、但不仅限于：相结合的速度、偏斜、负载、低膨胀压力的限制。可以给车辆驾驶员听觉或视觉警告，并且/或者实际的车辆速度可以通过所述的EMC来限制，其方式类似于目前的系统，其可以基于发动机温度而限制发动机速度。

现在参考图3，图示有示例性的轮胎组件，该组件包括安装在轮胎300内的多元件压电传感器328。轮胎300包括胎冠部分316，该胎冠部分316分别具有外胎面部分、内外侧壁部分322、320，且所述轮胎300在胎冠区域316的下方包括内衬315，多元件压电传感器328可安装在内衬315上。

本领域技术人员应当理解，尽管本发明主题已经参考结合充气轮胎的传感器而进行了举例说明和描述，其它的结构也是可以预见的。例如，传感器可与非充气装置相结合，例如由本发明主题的受让人目前所发展的“Tweel”轮胎和车轮组合。

还应当理解，尽管本技术需要至少一对传感器来获得目前优选的性能，但本技术并不仅限于如图1所示的单独一对的压电传感器或者如图2所示的四对压电传感器。事实上，本技术可以提供任何数量的成对传感器，这个数量仅仅被物理的和其它生产的考虑因素和实践所限制。在本发明主题的一些示例性实施例当中，例如如图1和图2所示，成对的传感器以平行布置来安装。在本发明主题的某些其它实施例当中，两对传感器可以通过使用三个传感器而形成，其中该三个传感器中的一个相当于每对所述传感器中的各元件中的一个。在这种布置当中，多个传感器可以如图4所是那样排成三角形结构。此外，本技术可被应用使用除目前优选的压电传感器之外的传感器，只要保持成对的动作敏感传感器的物理关系即可。

参考图4，将会看到，图中提供有使用一组三个压电传感器410、412、414的多元件压电传感器400，它们以大致三角形的布局安装在基片402上。根据本发明的主题，通过将传感器412包含为两对传感器所共有的元件，可以创建两对传感器。按照这种方式，传感器410、412结合形成第一对传感器420，而传感器412、414结合形成第二对传感器422。如图2的示例性实施例那样，通过分析来自各个传感器410、412、414的信号，可以确定传感器400的安装定向。

在本发明主题的另一示例性实施例当中，如图5所示，共享传感器标识来形成多对传感器的思想可以进一步扩展，从而可通过仅仅提供两个传感器而获得类似的结果。

参考图5，图示有本发明主题的第五示例性实施例，其中提供有使用一对压电传感器502、504的多元件压电传感器500。如图1中所示的本发明主题的第一实施例那样，图5中所示的该示例性实施例需要传感器500的方向的具体认识。如图5所示，如果传感器500定位在与轮胎的中心线510呈角度的位置，其中所述传感器与该中心线510相关联，那么可以确定特定的移动所产生的特性。

进一步参考图5，将会观察到，通过传感器500相对于轮胎中心线510而成角度安装，可利用传感器502、504产生的信号的相之间的相差520来确定车辆的速度和滚动方向。类似地，可以采用传感器502和504之间产生的波长中的差522来确定操控方向和幅度。

如前所述，本技术还不仅考虑了在同一基片上将动力产生和采集装置结合在一起，并且考虑了将其它轮胎电子元件和传感器相结合。这些元件和传感器可包括、但不仅限于：温度和压力传感器、声表面波(SAW)装置、射频识别(RFID)装置、信号和数据存储和传输部件、信号接收部件、以及包含微处理器和微控制器的数据处理部件。

虽然本发明的主题已经参考其具体的实施例进行了详细说明，但本领域的技术人员将会理解，通过对上述内容的理解，可很容易地进行改进以形成这些实施例的变体或替代装置。因此，本公开的范围是通过例子而不是通过限制确定的，且本发明主题内容的公开并不排除包含这种对于本领域的一般技术人员来说将是显然的对本发明主题内容的变化、改进和/或增加。

Claims (20)

1.一种轮胎传感器，包括：

基片；以及

至少一对动作敏感传感器，其安装在所述基片上，

其中所述至少一对动作敏感传感器中的传感器以互相之间的预定关系并且互相之间相隔预定距离而安装在所述基片上，从而通过对所述至少一对动作敏感传感器产生的信号进行评价，可确定选定的轮胎特性。

2.如权利要求1所述的轮胎传感器，其中所述至少一对动作敏感传感器包括压电传感器。

3.如权利要求1所述的轮胎传感器，进一步包括：

能量采集元件，其中所述能量采集元件通过所述至少一对动作敏感传感器而安装在所述基片上。

4.如权利要求3所述的轮胎传感器，其中所述能量采集元件包括压电元件。

5.如权利要求1所述的轮胎传感器，包括：

至少两对动作敏感传感器，其安装在所述基片上，其中所述至少两对动作敏感传感器中的每对传感器以互相之间的预定关系并且相互之间相隔预定距离而安装在所述基片上，从而在并不提前知道传感器安装方向的情况下，通过对所述至少两对动作敏感传感器产生的信号进行评价，而可以确定选定的轮胎特性。

6.如权利要求5所述的轮胎传感器，其中所述至少两对动作敏感传感器的每一对传感器都包括一对压电传感器。

7.如权利要求5所述的轮胎传感器，其中具有至少四对动作敏感传感器，并且所述至少四对动作敏感传感器绕中心轴线大致呈八边形的形状而安装在所述基片上。

8.如权利要求5所述的轮胎传感器，其中所述至少两对的动作敏感传感器中的每一对传感器共享一个公共传感器。

9.一种轮胎组件，包括：

轮胎；

基片；和

至少一对动作敏感传感器，其安装在所述基片上，

其中所述至少一对动作敏感传感器中的传感器以互相之间的预定关系并且互相之间相隔预定距离而安装在所述基片上，并且其中所述基片与所述轮胎相结合，从而通过对所述至少一对动作敏感传感器产生的信号进行评价，可以确定选定的轮胎特性。

10.如权利要求9所述的轮胎组件，其中所述至少一对动作敏感传感器包括压电传感器。

11.如权利要求9所述的轮胎组件，进一步包括：

能量采集元件，其中所述能量采集元件通过所述至少一对动作敏感传感器而安装在所述基片上。

12.如权利要求9所述的轮胎组件，其中所述轮胎包括胎冠和侧壁部分，所述胎冠包括外胎面部分和内胎冠部分，所述内胎冠部分包括与其相结合的内衬，并且其中所述基片固定至所述内衬。

13.如权利要求9所述的轮胎组件，包括：

至少两对动作敏感传感器，其安装在所述基片上，其中所述至少两对的动作敏感传感器中的每对传感器以互相之间的预定关系并且相互之间相隔预定距离而安装在所述基片上，从而在并不提前知道传感器安装方向的情况下，通过对所述至少两对动作敏感传感器产生的信号进行评价，而可以确定选定的轮胎特性。

14.如权利要求13所述的轮胎组件，其中所述至少两对动作敏感传感器中的每一对传感器均包括一对压电传感器。

15.如权利要求13所述的轮胎组件，其中所述至少两对动作敏感传感器中的每一对传感器共享一个公共传感器。

16.如权利要求13所述的轮胎组件，其中至少四对传感器绕中心轴线以大致呈八边形的形状安装在所述基片上。

17.一种确定选定的轮胎特性的方法，包括：

提供轮胎；

在基片上相隔预定距离来安装至少一对动作敏感传感器；

将所述基片与所述轮胎相结合；

转动所述轮胎；以及

对所述至少一对动作敏感传感器产生的信号进行评价，以确定选定的轮胎特性。

18.如权利要求17所述的方法，其中在基片上相隔预定距离来安装至少一对动作敏感传感器的操作包括：在基片上相隔预定距离来安装至少一对压电传感器。

19.如权利要求17所述的方法，其中在基片上相隔预定距离来安装至少一对动作敏感传感器的操作包括：在所述基片上安装至少四对动作敏感传感器，每对传感器中的每个传感器互相之间呈平行关系，并且进一步包括：

对所述至少四对动作敏感传感器产生的信号进行评价，以确定对于所述轮胎的转动方向而言最接近直线排列的那对传感器。

20.如权利要求17所述的方法，其中对所述至少一对动作敏感传感器产生的信号进行评价以确定选定的轮胎特性的操作包括：对所述至少一对动作敏感传感器产生的信号进行评价，以确定轮胎转动方向、轮胎转动速度、驾驶方向和轮胎安装位置的至少其中一个特性。

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