CN103168417B - 集电器结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连接到能够重复变形或弯曲的基部(11)的集电器结构(10)，还涉及方法。根据本发明，集电器结构(10)是棒状的，集电器结构(10)以基本上刚性的方式连接到基部(11)，并且用于将机械能转化成电能的集电器(3)连接到集电器结构(10)。

Description

集电器结构及方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的集电器结构。

本发明还涉及一种用于集电的方法。

背景技术

在许多无线设备中，获取电力已经成为核心问题。对于振动的产品，已经开发出了基于压电的解决方案，但是它们的操作寿命很短。MEMS曾被认为是一种很有前途的解决方案，但是由于MEMS结构的尺寸小，所以在集电时MEMS结构的性能很差。

基于RFID-技术进行集电的解决方案也是已知的，但是在这些方案中，硬件配置是昂贵的。在汽车轮胎中，还已知有基于感应进行集电的解决方案，但是在机械地极端地进行测试的环境中，这些解决方案的耐久性一直较差。在测量汽车轮胎的压力时，还将电池连同电压力传感器(electric pressure sensor)及其发送器一起使用，但是这种解决方案的问题是需要不断地更换电池。

发明内容

在本发明中，提供了一种用于集电的方法，所述方法特别好地适用于汽车轮胎。该方法基于销针(pin)，当轮胎的将要与该轮胎下的表面相接触的一部分由于撞击地面而弯曲时会引起该销针的振动。通常，通过对轮胎的外围壳部的内表面进行硫化而将销针的一端固定至该轮胎。在销针的末端处，具有这样的MEMS加速度传感器或压电元件，其能够在与轮胎的运动状态的变化相关的加速度的影响下进行集电。当汽车轮胎的面对着行驶表面的那个表面的一部分与路面接触时，在轮胎的该表面中将会发生几十度的突然角度变化，这种变化取决于轮胎压力。由于上述角度变化，销针弯曲并开始振动。处于销针末端处的MEMS或压电收集器中就产生了周期性加速度，直到衰减抑制住了该振动为止。

更精确地说，根据本发明的集电器的特征在于由权利要求1中的特征部分示出的内容。

至于根据本发明的方法，其特征在于由权利要求12中的特征部分示出的内容。

在根据本发明实施例的集电器结构中，所述集电器结构刚性地连接到基部，以使得所述集电器结构的固有共振频率确定为总共振频率的至少50％。

根据本发明实施例的集电器结构包括机电转换器。

在根据本发明实施例的集电器结构中，所述机电转换器是MEMS转换器。

在根据本发明实施例的集电器结构中，所述基部是汽车轮胎的外围部的内表面。

在根据本发明实施例的集电器结构中，所述基部是靴(shoe)或靴的一部分。

根据本发明实施例的集电器结构中的集电器包括MEMS元件。

根据本发明实施例的集电器中的所述机电转换器设置有用于向所述转换器提供偏置电压的偏置装置。

根据本发明的实施例，所述偏置装置是通过压电元件来实现的。

根据本发明的实施例，所述偏置装置是通过合适的材料对(materialcouple)来实现的。

根据本发明的实施例，所述集电器包括压电元件。

在根据本发明实施例的集电器结构中，测量用电子器件被集成在所述集电器中。

在根据本发明实施例的集电器结构中，发送用电子器件被集成在所述集电器中。

在根据本发明实施例的方法中，将集电器结构刚性地连接到基部，以使得所述集电器结构的固有共振频率确定为总共振频率的至少50％。

在根据本发明实施例的方法中，将机电转换器用作集电器结构。在根据本发明一个实施例的方法中，所述机电转换器是MEMS转换器。

在根据本发明实施例的方法中，将汽车轮胎的外围部的内表面用作基部。

在根据本发明实施例的方法中，将靴或靴的一部分用作基部。

在根据本发明实施例的方法中，将被提供有偏置电压的MEMS元件用于所述集电器中。

在根据本发明实施例的方法中，所述偏置电压是通过压电元件来实现的。

在根据本发明实施例的方法中，所述偏置电压是通过合适的材料对来实现的。

在根据本发明实施例的方法中，将压电元件用作所述集电器。

在根据本发明实施例的方法中，将测量用电子器件集成在所述集电器中。

在根据本发明实施例的方法中，将发送用电子器件集成在所述集电器中。

根据本发明实施例的汽车轮胎包括根据本发明一个实施例的集电器。

根据本发明实施例的靴包括根据本发明实施例的集电器。

根据本发明实施例的辊结构包含根据本发明实施例的集电器。

在根据本发明实施例的用于制造集电器结构的方法中，通过将由本发明实施例的方法提供的待使用的部件连接到所述集电器结构而形成所述集电器结构。

在根据本发明实施例的用于制造集电器结构的方法中，所述集电器结构是以如下方式来形成的：所述集电器结构被安装为根据本发明实施例的结构部件，比如汽车轮胎、汽车轮胎的一部分、轮辋(rim)、或上述这些的组合、靴、或辊结构。

通过本发明取得了显著的优点。

本发明为例如汽车轮胎提供了廉价且免维护的压力传感器。计算结果表明，通过这种布置可以容易获得超过1mW的功率，该功率高达与压力传感器相关的电子器件所需功率的10倍。该方法的一个优选应用是监视车辆的轮胎压力，不过该方法也可以用于其他应用。在该方法中，我们首先专注于能量由弹簧储存，不过，当然可以想到的是起初凭借加速度的能量被绑定到质量的动能。这为该方法开发了若干个应用目标。除轮胎之外，该方法的功能原理可以在例如靴和辊垫(roller mat)中起作用，因此它可以与例如雪地车辊(snowmobile roller)结合起来使用以用于监视该辊的状况或积雪特点。

附图说明

下面，根据附图借助于实施例示例来检验本发明。在附图中：

图1以框图形式示出了根据本发明的集电器；

图2更详细地示出了图1的框图；以及

图3结合汽车轮胎示出了本发明的实施例。

具体实施方式

根据图1，根据本发明的集电器的实施例示例包括与需要电能的电子器件2连接的集电器1。

根据图2，集电器通常包括MEMS元件3，根据本发明的一个实施例，该MEMS元件的等效电路包括电容器。实践中，这个电容器的电容是由固定不动的电极以及与该电极相邻的棒形振动器形成的，该棒形振动器形成该电容器的另一电极。在这两个电极之间施加偏置电压，然后该棒形振动器的振动棒在其两极(pole)之间产生AC电压。偏置电压可以通过电池、压电元件或所谓的内置效应(build-in effect)来形成，由此将会在两种不同材料之间产生电压。这个电压通过整流器4而被整流，并被输入到电子电路2，电子电路2包括测量用电子器件5、传感器7和连接有发射天线8的发送用电子器件6。传感器7通常是压力传感器。

元件3也可以由压电元件代替，该压电元件可以安置在如下文所描述的销针10的末端处，或可以安置在该销针的所述末端的周围。

根据图3，相当短的销针10在汽车轮胎的外围壳部的内表面11处被固定至轮胎12，即，被固定到汽车轮胎12的加压的内部。销针10通过适当的锚9而被固定到外围壳部的内表面11。如果销针10的特征频率足够低，那么当轮胎弯曲时销针10的质量维持在原地，然后弹簧将根据该销针的弹簧常数的变化能转化为储存在该弹簧结构中的能量。变化后，销针10开始以其特征频率振动。MEMS集电器1、2被安装在销针10的末端处。根据本发明的一个实施例，还优选使压力传感器7位于销针的末端处以达到较大的质量。如果销针10的Q值足够大(经常高达1000)，那么基本上仅通过MEMS3以电力的形式进行集电。根据本发明的一个实施例，必要的是：在MEMS3中，还另外设有例如用于产生偏置电压的压电元件以使MEMS3作为集电器进行操作。然而，如果MEMS中的间隙非常窄，那么该压电元件可以被去除，因为所谓的内置电压往往会在该间隙间产生电压。电池也可被用于产生偏置电压，但不局限于仅单独使用电池。于是，该电池将会具有非常长的寿命，这是因为实际上仅仅偏置电压自身根本不会消耗电池。

在本申请中，术语“销针”表示细长的、棒状的结构，其最小直径明显小于该结构的长度。

数学分析

在一定意义上，如果与销针10的特征频率相比轮胎12的表面的弯曲足够快，那么该表面弯曲到角度的程度，该角度基本上取决于汽车的重量和轮胎压力。从销针的末端处的质量的角度来看，这意味着位移χ_Δ。在这种情况下，通过销针10而被储存下来的能量为：

$E=\frac{1}{2}{\mathrm{kx}}_{\mathrm{\Δ}}^2=\frac{1}{2}{\mathrm{m\ω}}^2{x}_{\mathrm{\Δ}}^2$

其中k为销针的弹簧常数，ω为销针振动的特征频率，以及m为销针的质量。上述位移可以通过销针的长度l和角度来表示，其示出了当轮胎的有关部分撞击到路面时的曲率变化。该位移可以由下式来表示：

角度可以通过轮胎的在下方表面上的轨迹2h(轮胎或相应物与下方表面之间进行接触的部分)和轮胎的半径r来表示：

即可得到：

$x_{\mathrm{\Δ}}=l\tan \arcsin \frac{h}{r}=l\frac{h}{r\sqrt{1-{(h/r)}^2}}\≈l\frac{h}{r}$

现在，总能量可以用下式表示为：

$E=\frac{1}{2}m{\mathrm{\ω}}^2{l}^2{\left(\frac{h}{r}\right)}^2$

假设当轮胎转动过位移角时发生了从轮胎的圆形部分到平面部分的行进。由此，可以计算出与这个位移相关的时间。

由于质量惯性的原因，处在变化阶段的质量必定会阻止运动状态发生变化，保持为它的瞬时状态，以将与轮胎的表面的弯曲相关的变化能转化为弹簧能，所以，我们获得了销针的机械共振频率的先决条件。

如果使用这个定界(delimiting)频率，那么获得了由下式表示的最大能量：

对于每一转动获得两次能量，所以重复频率将会为：

$f=\frac{v_a}{\mathrm{\πr}}$

现在，平均功率可以表示为下式：

假设销针的质量为m＝0.002kg(0.07盎司)，速度为v_a＝50km/h(31英里/小时)，销针的长度l＝0.01m(0.39英寸)，轮胎的半径r＝0.30m(11.81英寸)，并且轨迹2h的总长＝0.1m(3.94英寸)以及与该轨迹相应的弯曲角度为弧度(1.72度)，那么获得的功率为P＝0.4W。由于销针的共振频率不可能被设计成任意大，因此实际上功率将会较小。另一方面，MEMS元件3不一定能够在其整体上收集到所有的束缚于销针的能量。然而，这种销针或棒10的品质因数可高达1000，因此MEMS元件3以如下方式构成对振动的负荷：上述品质因数由该MEMS所进行的集电来确定。考虑到特征频率被设计为比最大频率低大约10倍，该功率将会为约4mW。通常，用于汽车轮胎中的压力的传感器需要约0.1mW的功率，因此按照根据本发明实施例的方法的技术足以用于该应用。

本发明的主要应用是从轮胎集电。在存在结构弯曲或振动的应用中，都可以使用该方法。在汽车轮胎中，也可以通过销针10的Q值来测量上述压力，该Q值与轮胎12中的压力成比例。遗憾的是，湿气也会影响该结果。可能必须限制销针10的摇摆运动以使根据本发明实施例的结构能够耐久。根据本发明实施例的方法的优点是该弯曲不像加速度那样取决于汽车的速度。如果加速度不直接影响销针的横向运动，那么本发明就能实现这样一种结构性的解决方案：获得这种可耐久的结构，其也能够在低轮胎速度下集电。

可以改善根据本发明实施例的结构的耐久性，使得销针10轻触定界点(delimiter)(例如橡胶止挡件)，因此任何大的运动都会受到抑制。通过这个方法也可以让最大振幅衰减。如果该结构中的弹簧是刚性的，那么质量将遵循弯曲，于是销针受到的弯曲较小，这提高了销针的耐久性。

Claims (24)

1.一种集电器，其连接到在转动运动中能够重复变形或弯曲的基部(11)的集电器结构(10)，其特征在于，

所述集电器结构(10)是棒状的销针，所述销针的一端以基本上刚性的方式连接到所述基部，

所述集电器结构(10)的所述棒状的销针从所述基部(11)径向地延伸，并且

用于将机械能转化成电能的所述集电器(3)位于所述集电器结构(10)的末端处。

2.根据权利要求1所述的集电器结构，其特征在于，所述集电器结构(10)刚性地连接到所述基部(11)，以使得所述集电器结构(10)的固有共振频率确定为总共振频率的至少50％。

3.根据权利要求1或2所述的集电器，其特征在于，所述集电器结构(10)包括机电转换器。

4.根据权利要求1或2所述的集电器，其特征在于，所述基部(11)是汽车轮胎(12)的外围部的内表面(11)。

5.根据权利要求1或2所述的集电器，其特征在于，所述集电器包括用于向MEMS元件提供偏置电压的偏置装置。

6.根据权利要求5所述的集电器，其特征在于，用于提供所述偏置电压的所述偏置装置是通过压电元件来实现的。

7.根据权利要求5所述的集电器，其特征在于，用于提供所述偏置电压的所述偏置装置是通过合适的材料对来实现的。

8.根据权利要求1或2所述的集电器，其特征在于，所述集电器(3)包括压电元件。

9.根据权利要求1或2所述的集电器，其特征在于，测量用电子器件(2)被集成在所述集电器(3)中。

10.根据权利要求1或2所述的集电器，其特征在于，发送用电子器件(6)被集成在所述集电器(3)中。

11.一种用于从在转动运动中能够重复变形或弯曲的基部(11)集电的方法，其特征在于，在所述方法中，使用作为集电器结构(10)的棒状的销针和用于将机械能转化成电能的集电器(3)，所述棒状的销针的一端基本上刚性地连接到基部(11)，所述集电器结构(10)的所述棒状的销针从所述基部(11)径向地延伸，并且所述集电器(3)位于所述棒状的集电器结构(10)的末端处。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，将所述集电器结构(10)刚性地连接到所述基部(11)，以使得所述集电器结构(10)的固有共振频率确定为总共振频率的至少50％。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，将机电转换器用作所述集电器结构(10)。

14.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，将汽车轮胎(12)的外围部的内表面(11)用作所述基部(11)。

15.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，将被提供有偏置电压的MEMS元件(3)用作所述集电器。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在所述方法中，所述偏置电压是通过压电元件来实现的。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在所述方法中，所述偏置电压是通过合适的材料对来实现的。

18.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，在所述方法中，将压电元件用作所述集电器(3)。

19.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，在所述方法中，将测量用电子器件(2)集成在所述集电器(3)中。

20.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，在所述方法中，将发送用电子器件(6)集成在所述集电器(3)中。

21.一种汽车轮胎，其特征在于，其包括前述权利要求1～10中任一项所述的集电器。

22.一种辊结构，其特征在于，其包括前述权利要求1～10中任一项所述的集电器。

23.一种用于制造集电器结构的方法，其特征在于，在所述方法中，通过将由权利要求11～20中任一项所述的方法提供的部件连接到所述集电器结构来形成所述集电器结构。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述集电器结构是汽车轮胎、汽车轮胎的一部分、轮辋或辊结构。