CN103493357B - 能量采集器及其矩阵、矩阵系统和模块、轮胎和鞋类 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于把能量从机械领域转换到电气领域的采集器(12)。所述采集器包括至少一个惯性体(6)、至少一个梁(7，9)、支撑所述至少一个梁(7，9)的支撑体(8)、以及转换器装置(10，16)。所述至少一个梁(7，9)将所述惯性体(6)构造为从所述支撑体(8)悬挂下来的摆结构，使得所述梁(7，9)能够根据所述惯性体(6)的动力学状态变化而弯曲。所述至少一个梁(7，9)还被构造成与至少一个转换器装置(10)相互作用，所述至少一个转换器装置(10)被构造成响应于所述梁(7，9)的动力学状态而产生所述转换器装置(10，16)的电气状态变化。本发明还示出了包括至少一个所述采集器的采集器模块、采集器矩阵和采集器系统。本发明也示出了包括至少一个所述采集器的轮胎和鞋类。

Description

能量采集器及其矩阵、矩阵系统和模块、轮胎和鞋类

技术领域

在非常概括的程度上来说，本发明涉及封闭系统中的能量守恒，特别是涉及在诸如轮胎结构之类的封闭系统中的能量采集。更具体地，根据本发明的采集器涉及在有关采集器的独立权利要求的前序部分中已经指出的领域。本发明还涉及在有关采集器矩阵的独立权利要求的前序部分中已经指出的领域中的采集器矩阵。本发明还涉及在有关采集器矩阵系统的独立权利要求的前序部分中已经指出的领域中的采集器矩阵系统。本发明还涉及在有关采集器矩阵模块的独立权利要求的前序部分中已经指出的领域中的采集器矩阵模块。此外，本发明也涉及在有关轮胎的独立权利要求的前序部分中已经指出的领域中的轮胎。另外，本发明也涉及在有关鞋类(foot-ware)的独立权利要求的前序部分中已经指出的领域中的鞋类。

背景技术

我们生活在包括多种类型能量的环境中，这些能量在使用中从一次来源(primarysource)流出并且当所使用的能量的主要目的已经得以实现时可以形成小的能量流，但是仍然有以衰减的水平或者另一种形式存在于系统中的剩余能量或者二次能量。

当今，汽车轮胎中的压力测量系统是普遍的。在本领域系统的典型状态下，压力及温度传感器模块与无线电发射器结合并且被装配在轮胎内部的阀杆(valve stem)上。该模块的电能由电池供给。来自电池的可利用的能量限制了信号传送频率和该模块的工作寿命。所述传送频率可能为每分钟一次这样低。而且，仅当轮胎以足够高的速度转动时，动作开关(motion switch)才处于使用状态以使得传送能够进行。

曾经提出了能量源的一些替代方案。一个方案是通过电磁场向压力及温度传感器模块供给电能。已经既使用了高频无线电信号又使用了低频磁场耦合。能够传送足够的能量，以使得更新频率(update frequency)达到每秒一次。也不需要有动作开关。缺点是：在每一个轮胎附近都需要天线及相关电缆。这使得系统在实际实施方面过于昂贵。

本领域解决方案的第三个替代状态是从可能存在于轮胎中的可利用的机械、热、辐射或者类似能量源中产生电能。轮胎的转动运动提供了机械能的可靠来源。与所需要的10～100μW电功率相比，可以获得大量的能量作为机械功率。

还期望在轮胎的内衬层(inner liner)上安装测量模块，因为在这个位置能够获得代表性的温度读数而不会受到刹车的影响。此外，如果测量模块与轮胎结合而不与阀门(valve)或轮辋(rim)结合，那么除了能够传送压力和温度读数之外，还能够传送轮胎参数信息。

然而，在例如轮胎这样的封闭系统中，如果考虑到与外部能量源的连接，那么上述各方案难以可靠地实施。必须替换和/或装载外部能量源来恢复轮胎内系统电子设备(诸如测量电子设备和/或用于收集、保存和/或对测量结果进行无线报告的发射器等)的功能。在外部能量源的应用即便不是完全不可能但至少是十分困难的系统条件下，就需要内部能量源。

然而，尽管在世界上能量是以多种形式围绕在我们周围，但是这样的松散能量(loose energy)(有时也称作退化能量)的利用是个问题，尤其在例如转动的轮胎内部这样的封闭系统中是个问题。这样的能量的量对于数字电子设备的许多用途而言是足够的，但是就根据已知的技术本身而言，除了所要获得的非常低水平的能量收益之外，还没有发现用于发掘这样的能量的实施方式和/或将可获得的能量转换成可利用形式的实施方式，因而在轮胎结构中所涉及到的电子设备可能不是切实可行的。

发明内容

本发明的实施例解决了涉及能量采集的现有技术中存在的上述这些问题，本发明的实施例即使不能完全地解决，至少以新的方式提供了缓解方案。

根据本发明的采集器的特征是有关采集器的独立权利要求的特征部分所指出的特征。

根据本发明的采集器矩阵的特征是有关采集器矩阵的独立权利要求的特征部分所指出的特征。

根据本发明的采集器矩阵系统的特征是有关采集器矩阵系统的独立权利要求的特征部分所指出的特征。

根据本发明的采集器模块的特征是有关采集器模块的独立权利要求的特征部分所指出的特征。

根据本发明的轮胎的特征是有关轮胎的独立权利要求的特征部分所指出的特征。

根据本发明的鞋类的特征是有关鞋类的独立权利要求的特征部分所指出的特征。

根据本发明实施例，一种把能量从机械领域转换到电气领域的采集器包括：

至少一个惯性体；

至少一个梁；

支撑所述至少一个梁的支撑体；和

转换器装置，

其中，所述至少一个梁将所述惯性体配置成从所述支撑体悬挂下来的摆结构，使得所述梁能够根据所述惯性体的动力学状态变化而形变；

所述至少一个梁被设置成与至少一个转换器装置相互作用，所述至少一个转换器装置被设置成响应于所述惯性体的动力学状态和/或所述梁的形变状态而产生所述转换器装置的电气状态变化。

根据本发明实施例，本发明实施例的所述采集器包括扭转摆结构，所述扭转摆结构具有能够扭转形变的至少一个梁。

根据本发明实施例，本发明实施例的所述采集器包括两个梁，所述两个梁被构造为借助它们的中间的所述惯性体形成扭转轴，所述两个梁分别在各自的相反侧处悬挂于所述支撑体。

根据本发明实施例，在本发明实施例的所述采集器中，所述惯性体至少具有这样的三维尺寸：该三维尺寸的在摆平面中的长度尺寸垂直于摆运动平面中的转动轴而对准。

根据本发明实施例，本发明实施例的所述采集器包括被设置用来起到摆结构中的弹簧的作用的梁。根据实施例，所述弹簧被构造成能够形变。根据实施例，所述形变是弯曲。根据实施例，所述形变包括扭转。根据实施例，所述形变包括扭转弯曲和/或扭曲。

根据本发明实施例，本发明实施例的所述采集器包括惯性体和梁，所述惯性体的长度尺寸比所述梁的长度尺寸长，即，所述惯性体长度至少是所述梁的长度的1.5倍，所述梁的长度是在连接至所述支撑体的悬挂点与连接至所述惯性体的悬挂点之间测量的。

根据本发明实施例，本发明实施例的所述采集器被构造为使得所述梁的长度尺寸比所述惯性体的所述长度尺寸短，即，所述梁的长度至多是所述惯性体的长度的0.66倍，所述梁的长度是在连接至所述支撑体的悬挂点与连接至所述惯性体的悬挂点之间测量的。根据实施例的变形例，所述惯性体的长度与所述梁的长度之间的长度比在如实施例中所述的短与长之间的范围内。

根据非对称的实施例，当从某个梁在所述惯性体上的安装点进行测量时，到所述惯性体的第一端部与到所述惯性体的第二端部的所述惯性体尺寸是不同的。这种方式可能会对振动的幅度比产生影响。

根据本发明实施例，本发明实施例的所述采集器被构造为使得所述支撑体包括引导结构，所述引导结构用于引导电力通过所述支撑体的层。

根据本发明实施例，在本发明实施例的所述采集器中，用于引导电力通过所述支撑体的层的所述引导结构包括通过所述支撑体的电流导线和/或包括电容器，所述电容器的至少一个电极与所述转换器连接。

根据本发明实施例，本发明实施例的所述采集器还包括下列中的至少一个：

模块外壳；

安装至平移装置的附件装置；

至少一个防过载件；

集成至所述惯性体的至少一个防过载件；

防过载件，其功能基于磁性排斥；

用于电流接触的接触电极；

电气组件、接收器和/或发射器电路；

整流电路；

用于稳定所产生的电流的滤波电路；和

用于所产生的电力的能量储存器。

根据本发明实施例，在本发明实施例的所述采集器中，所述转换器包括被构造为电响应于所述梁的弯曲的压电元件。

根据本发明实施例，在本发明实施例的所述采集器中，所述压电元件包括位于所述梁的至少一个表面上的压电层。

根据本发明实施例，在本发明实施例的所述采集器中，所述梁能够在长度方向上沿径向对准以安装到轮胎内。

根据本发明实施例，在本发明实施例的所述采集器中，与所述惯性体连接的梁被构造为位于比连接到所述采集器支撑体的端部更远离所述轮胎的转动中心的安装位置处。

根据本发明实施例，在本发明实施例的所述采集器中，所述转换器装置包括至少一个线圈和至少一个永磁铁，所述至少一个线圈和所述至少一个永磁铁适合于当所述磁铁和所述线圈之间的距离和/或角度根据所述惯性体相对于所述支撑体的运动而变化时产生电磁感应。

根据本发明实施例，在本发明实施例的所述采集器中，所述转换器装置包括所述惯性体中的至少一个线圈，并且所述支撑体具有至少一个永磁铁。

根据本发明实施例，在本发明实施例的所述采集器中，所述转换器装置包括所述支撑体处的至少一个线圈，并且所述惯性体具有至少一个永磁铁。

根据本发明实施例的采集器矩阵包括至少一个根据本发明实施例所述的采集器。

一种采集器矩阵系统，其包括至少一个根据本发明实施例所述的采集器矩阵。根据实施例，所述采集器矩阵系统包括一组采集器矩阵和/或单独的采集器，其中最初的一些采集器例如具有不同的取向、不同的机械尺寸、不同的功率大小和/或不同的操作机能(即基于扭转和/或基于摆)。

根据本发明实施例的采集器模块在所述模块中包括至少一个根据本发明实施例的采集器，其优选被构造为安装到所述平移装置的结构中。

根据本发明的实施例，在本发明实施例的所述采集器模块中，包括安装至平移装置的内衬层的附件结构。

根据本发明的实施例，在本发明实施例的所述采集器模块中，所述平移装置包括轮胎、车轮、传送带或鞋类。

根据本发明实施例的轮胎包括至少一个根据实施例所述的采集器。

根据本发明实施例，本发明实施例的所述轮胎包括连接装置，所述连接装置把连接有采集器的发射器连接至轮胎的金属部件以便被用作天线。

本发明实施例的鞋类包括根据本发明实施例的采集器模块。

根据本发明实施例，在本发明实施例的所述采集器中，所述惯性体具有均匀的质量分布。

根据本发明实施例，本发明实施例的所述采集器中的所述惯性体在长度方向上在各端部处的质量大于在该惯性体的中间处的质量。

根据本发明实施例，本发明实施例的所述采集器包括被设置用来形成收发器的电路，所述收发器能够按照脉冲无线电标准进行操作。

根据本发明实施例，本发明实施例的所述采集器包括至少一个防过载件构件，所述防过载件构件包括一对磁铁，所述一对磁铁适合于借助磁性排斥而起到阻挡功能，以避免所述防过载件的磁性表面的直接接触。

根据一个实施例，能够仅测量温度和/或压力。然而，根据另一个集合的实施例，可选择地，或者除了仅测量压力和/或温度之外，也能够通过轮胎传感器模块根据各自的实施例测量其它的物理量：道路接触面积、摩擦、牵引力、轮胎形变。

根据本发明实施例，本发明实施例的所述轮胎包括轮胎结构中的应变计，所述应变计按照传统方式工作和读数，但是与用作直接或间接电源的所述采集器模块连接。

当使用采集器模块或者采集器模块集合作为间接电源时，那么就存在诸如电池和/或超级电容器等存储器，用于存储电力以及用于在超过采集器模块生产能力这个能力的突然需求下的送电。在这样的实施例中，当可得到的电多于所述实施例的正常工作当前所需的电时，所述采集器把电存储到所述电池和/或超级电容器。

根据本发明实施例，在本发明实施例的采集器中至少一个防过载件位于所述惯性体上。

在本发明各实施例的范围内，“包括”一词(及其变形形式)是作为开放式表达而使用的。所使用的“构造”一词是这样的表达：其用来以适当部分表达各实施例中的机械和/或电气实体中的结构特征。

本发明各实施例在适当部分中可以进行组合。

附图说明

在下文中，给出了示例并且将参照附图更加详细地说明本发明的实施例，附图并入本发明的说明书中成为说明书的一部分。图中所示的对象的示例未必与在同一图中或其它图中所示的项和/或部分在尺寸上彼此成比例。在图中，使用同样的附图标记来标示同一类型的对象(不必实际上相同)。然而，根据实施例和上下文的说明，潜在的差异对于本领域技术人员而言是清楚的。

图1图示了运转中的轮胎和形状形态形成区域(shape morphosis area)的转变位置。

图2图示了径向加速度的实验结果。

图3和图4图示了切向加速度的实验结果。

图5示出了时域中的在转变点处的作为时间的函数的轮胎表面角度。

图6图示了时域中的在转变点处的作为时间的函数的角速度。

图7示出了时域中的在转变点处的作为时间的函数的轮胎表面角加速度。

图8图示了实施例中的采集器的惯性体。

图9a至图9f图示了根据本发明实施例的采集器的扭转摆结构的实施例。

图10a至图10f图示了根据本发明实施例的采集器的弯曲摆结构的实施例。

图11图示了实施例中的压电式采集器的主要部分的横截面。

图12图示了在采集器模块中的本发明的实施例。

图13图示了在安装至轮胎的采集器模块中的本发明的实施例。

图14图示了在实施例中惯性体的振动的衰减和新的激励。

图15图示了在本发明实施例中的电子设备。

具体实施方式

关于实施例集合的集合示例

作为能量源的轮胎

值得注意的是，在轮胎形状的转变点处(图1中的点3和点4)角运动能够用来激励惯性系统。轮胎从圆形到平坦的形态形成(3)将机械能返还至轮胎结构中，所述轮胎结构在轮胎形态恢复(4)成原始圆形的时候被解除。还值得注意的是，当能量水平对于维持测量装置和小型无线电发射器和/或接收器而言是足够的时候，使用了本发明实施例中的惯性结构的采集器实际上解决了如轮胎这样的封闭系统中的电子设备的能量产生问题。

确信的是，在没有任何外部附加效应下是不可能从以恒定角速度转动的车轮中采集能量的。地球引力的存在使得对轮胎结构恢复能量进行采集成为可能，但是要获得高的功率水平就需要相当大的惯性体。地球引力的效果可以看作是在图2和图3中的正弦基线变化。

径向加速度

轮胎提供的加速度水平远远高于地球引力。图1示出了处于转动运动中的橡胶轮胎。“橡胶(rubber)”只是为了使用方便而以非限制性的方式提及和涉及到的轮胎的主要组成物的例子，因而并不仅限于橡胶是轮胎的主要组成物的实施例。根据实施例集合，轮胎也可以包含有在已知的轮胎中使用的其它材料。因转动而产生的径向向心加速度是：

a＝ω²r (1)

其中，ω是轮胎的角速度且r是半径。本领域技术人员知道向心力的性质，并且在这里的说明中使用它的说明性优点。该加速度在轮胎不与地面接触的位置(1)处是普遍存在的。在与地面接触期间，认为轮胎是平坦的(2)(尽管真实的轮胎在轮胎外部表面上可能包括在平坦区域处未被平坦化的表面形式)，曲率半径变成无穷大且向心加速度为0。在从平坦到圆形部分(并且再次变回)的转变处，曲率半径瞬间变得非常小(3，4)因此径向加速度存在大的峰值。这可在图2中看到，图2是基于从低速到50km/h的加速期间的实验数据。加速度计(5)安装在进行实施研究的实施例中的内衬层上。在图2中，径向加速度是作为时间(以秒为单位)的函数而给出的。

在参考文献[1]中介绍了利用径向加速度的能量采集器。不存在加速度时的短暂的平坦时期用于采集。如果不将采集器结构制造得非常结实，那么在循环的剩余期间向心加速度可能很容易造成采集器过载，但将采集器结构制造得非常结实是以损失效率作为代价的。在参考文献[2]中介绍了基于径向加速度变化的相似概念。

切向加速度

由于内衬层上的对象的轨迹变化，还存在着切向加速度分量。在平坦部分上的切向速度取决于位置和相应的角度：

$v\left(t\right)=v_0\frac{cos\left(\frac{v_0{t}_0}{r}\right)}{{\cos }^2\left(\frac{v_{0}t}{r}\right)}---\left(2\right)$

其中，v₀是在轮胎表面的测量位置处的圆形部分上的切向速度，r是轮胎的半径，t₀是在图1的点4处的时间矩(time moment)。在示例中，选择平坦部分的中间点作为时间原点。速度在点3处突然增加而在点4处减小。图3示出了当v₀＝30km/h，r＝0.3m和t₀＝6.3ms(毫秒)时基于等式(2)计算出的加速度的示例。

图4中示出了关于切向加速度的实验结果的示例。可以如具有第一正尖锐加速度峰和第二负尖锐加速度峰的图3中那样看到类似的一般性表现。

因此，切向加速度能够用来在转变点处激励惯性系统。

角运动

在从圆形部分到平坦部分(3)和从平坦部分到圆形部分(4)的转变期间，轮胎表面经历了非常大的角运动。图5示出了在所说明的示例性实施方式中，作为时间的函数的角度。如在图6中所示，在转变点处角速度具有大而窄的峰。如在图7中所示，在转变点处角加速度具有双峰。

用于角激励的惯性能量采集器的实施例

实施例示例的集合

在实施例示例的集合中，惯性系统包括惯性体和弹簧。弹簧使惯性体能够以线性方式或以角度方式或以二者组合的方式移动，这些运动模式也被定义为形变或形变模式。在前一种情况下，惯性体的质量和线性弹簧常数决定动态行为和存储在惯性系统中的能量。在后一种情况下，转动惯量和角度弹簧常数决定动态行为和存储在惯性系统中的能量。本发明各实施例的这一集合涉及能量采集器和弹簧，所述能量采集器基于包括具有转动惯量的惯性体的惯性系统，所述弹簧使得惯性体能够进行角(或转动)运动，本发明各实施例也相应地被称作摆(和/或扭转摆(torsion pendulum))实施例。

根据本发明的实施例，转换器装置10包括采集元件16。根据实施例，所述采集元件包括下面中的至少一个：适于弯曲和/或扭曲的压电元件；磁铁；线圈；和包括至少一个电容器的电容器极板(capacitor plate)集合。根据实施例，采集器结构中使用数个采集器元件。根据实施例，不同的采集器元件用于单个采集器。这样，借助数个转换器装置和/或不同类型的采集元件，能够使得在冗余方式下进行采集是可操作的，并因此能够限制操作的致命性错误。

在本发明实施例的关于惯性采集器的示例中，惯性采集器响应于突发的角运动，诸如存在于汽车轮胎中的从圆形部分(3)到平坦部分(4)和从平坦部分(4)到圆形部分(3)的转变点(3，4)处。重要的是要注意到，该示例性实施例的采集器具有这样的惯性体：其在轮胎转动轴周围具有大的转动惯量。作为示例，矩形长方体的转动惯量是：

$I=\frac{1}{12}{\mathrm{mL}}^2---\left(3\right)$

其中，m是该惯性体的质量，L是该惯性体的垂直于转动轴的最大尺寸。不仅可以通过增加质量，也可以通过增加长度和/或通过使用非均匀质量分布来有效地增加转动惯性体的惯性。作为示例，有这样的实施例：惯性体(6)具有锤状L形的末端。图8说明了具有长方体形状的惯性体6的转动轴和长度L。稍后将这类型的实施例关联起来称为扭转摆。这里使用长方体作为示例是出于简化说明的目的，并没有任何意图要把实施例仅限定于使用长方体形状质量的实施例集合，也没有意图要将惯性体限制为沿着特征尺寸L具有在质量方面的均匀质量分布。

关于利用跷跷板结构(see-saw structure)的实施例集合

在图8的实施例的示例中，如图9a中所示，惯性体6能够通过一对扭转弹簧7悬挂在转动轴上。扭转弹簧的外端固定于支撑结构8，支撑结构8将惯性体6和该系统连接至例如轮胎等运动源。根据实施例，也能够通过悬挂至支撑体8的单悬挂7来实施所述扭转摆的变形例(尤其是在该摆中包括弯曲梁7的实施例中)，当惯性体6的惯性状态变化时(图11)，使该摆实施例采用振荡的其它连接(扭转)模式。当将所涉及的模式用于信号形成和/或能量采集时，有利的是设置有起到扭转弹簧的作用的扭转梁，所述扭转弹簧具有灵敏的将该扭转弹簧能量转换为用于所述目的的电能的转换器。

在图9b中，把惯性体的动能转换为电能的能量采集元件16放置在惯性体上的具有大位移的位置处。作为转换器10的采集元件16可以基于能够将能量从机械领域转换为电气领域的电容、电磁、压电或任何其它类似的已知方法。图9b中的采集元件16是完全独立的采集器，不需要机械地、磁地或电容地连接至惯性体的外部。

在图9c中，惯性体上的采集器部件16a是可移动的并且在实施例中需要与惯性体外部的固定部件16b相互作用。在电磁式实施例中，可移动的采集器部件16a包括永磁铁，并且固定部件16b包括线圈，或者反之亦然：惯性体处的采集器部件16a包括线圈，而固定位置处的固定部件16b包括磁铁16b。在静电式实施例中，惯性体处的采集器部件16a安装于电容器的第一电极，并且采集器的固定部件16b安装于静电式采集器的第二电极。

扭转弹簧适于具有如下转换器的能量采集器实施例：所述转换器借助能量以电容和/或电磁形式从机械领域到电气领域的转换来实现其功能。在优先权日时，压电材料不适于直接放置在扭转弹簧7上，这是因为扭转弹簧的剪切形变不能和压电极化(piezoelectric polarization)很好地配合。在压电式实施例的变形例中，必须将附加的压电元件17放置为使其连接至惯性体6和固定支座(fixed anchor)18。图9d、图9e和图9f示出了所述压电元件的可能位置，但是示出的这些仅仅是当本领域技术人员阅读并了解了本发明的优选实施例时能够使用的众多可能方案中的示例。

关于使用T型结构的实施例集合

除了可以是扭转弹簧，惯性体能够被悬挂以在短的悬臂梁(cantilever beam)上进行转动运动。根据实施例，包括短的悬臂梁弹簧的压电采集器是优选的，因为弹簧的弯曲很容易和压电产生(piezoelectric generation)配合。然而，他们产生的不是纯粹的角运动，而是存在小的线性位移分量。但是通过选择足够长的惯性体就能够使角分量占主导。在实施例集合中，特别有利的是用于角运动的压电悬臂梁弹簧的使用，这是因为由于弹簧的弯曲是弹簧端部处的扭矩(而不是力)导致的，所以弹簧上的压电层的应变作为弹簧长度的函数将会是恒定的。图10a示出了具有惯性体6、短的悬臂梁弹簧9和支撑结构8的结构的示例。在关于摆的技术领域的常规状态下，所述结构包括使刚性(不可弯曲或基本上不可弯曲)梁能够前后移动的接头(joint)。与本技术领域的上述状态相反的是，在摆实施例以及扭转摆实施例的例子的适当部分中，梁将会弯曲和/或扭曲。

当然，能够把独立的采集器或一组这样的采集器放置在此类采集器的惯性体(与被扭转弹簧支撑的惯性体(图9b和图9c)类似)上。这样的实施例的示例如图10b中所示。

在示范性实施例中，作为距与惯性体连接的端部的位置的函数，给出了悬臂梁的偏转(deflection)：

$y=\frac{T}{2{\mathrm{EI}}_B}(1^2-x^2)+\frac{F}{3{\mathrm{EI}}_B}(1^3-x^3)---\left(4\right)$

其中，T是惯性体的惯性力矩，E是杨氏模量，I_B是弹簧的横截面的转动惯量，l是弹簧的长度，F是惯性体的惯性力。惯性力矩是根据在特定的实施例中使用的惯性体的形状和质量分布来决定的。

相应地，给出了悬臂梁的角度：

$\mathrm{\θ}=\frac{T}{{\mathrm{EI}}_B}(1-x)+\frac{F}{2{\mathrm{EI}}_B}(1^2-x^2)---\left(5\right)$

给出了弹簧的弯矩：

M＝T+Fx (6)

弹簧表面处的应变是：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{Mh}{2I_{B}E}=\frac{h}{2I_{B}E}(T+Fx)---\left(7\right)$

其中，h是弹簧的厚度。根据式(7)，从所示的示例性实施例中可以明显看出，如果T远大于F×l(即，如果x＝1)，那么将产生沿着梁的长度的均匀应变。这对于压电式转换器是有利的，因为电荷生成将是均匀的并且不存在将会电容性地负载该电荷生成活性区域的非活性区域。这里使用悬臂梁作为示例，但是没有任何意图把实施例的范围仅限于跟悬臂梁有关的实施例。

根据实施例，如图10c(上面)所示，悬臂梁弹簧9可以位于惯性体6的凹槽中。惯性体可以是部分中空的，因为对于大转动惯量和低质量而言，质量分布主要靠近惯性体的端部是有利的(如图10d(下面)所示)。图10e(上面)和图10f(下面)示出了相应实施例的惯性体和弹簧的俯视图。根据本发明的实施例，在本申请中，可以如图10e中那样仅存在一个弹簧，或如图10f中那样存在至少两个弹簧，甚至对于提高强度而言更多的弹簧是有利的。

图10c和图10d示出了惯性体的非均匀质量分布的示例。在实施例中，弹簧7、9的一部分可存在于惯性体的凹槽中。根据实施例的进一步的变形例，该质量分布可形成为使得质量集中在惯性体的外端部处。根据所示的实施例的示例，质量分布关于位于惯性体中心处的弹簧位置是对称的。然而，这不是意图要把实施例的范围仅限定于对称的质量分布。根据实施例的进一步的变形例，惯性体可包括非均匀外观，但是当在惯性体构造的相反的分支处使用不同的材料和/或不同量的材料时，在各端部处的力矩仍能够平衡。

图10e和/或图10f图示了在惯性体中央具有凹槽的船状惯性体6的俯视图。一些实施例不是必须仅限于这样的凹槽类型、形式和/或凹槽数量，而是可以根据实施例的不同而相应地变化。示出了在“船”的中央处的弯曲梁位置，但不必把实施例的范围仅限于此。将图10e和/或图10f中的弯曲梁的形状设置成使得梁7、9在“船”的横向上是刚性的，但在长度方向上容易弯曲。

图10e和/或图10f也示出了这样的实施例：其中，使用两个以上的弯曲梁7、9以使采集器对于横向冲击更加稳固而不必使得弹簧过宽，并且使得采集器在长度方向上由于材料而同样是刚性的。在图10e和/或图10f的视图中梁7、9被放置成一直线，使得基本上不会存在相对于矩形船状结构的对角方向的扭矩。但是在期望这类模式的实施例中，能够通过非对准的梁来实施，非对准梁优选能够承受存在于这样实施的实施例中的至少一些扭转。

根据实施例，尽管在图10a至图10f中可能使用了，但是在图10a至图10f中的惯性体上没有示出阻挡件和/或运动限定件(movement delimiter)。

图11示出了实施例的压电采集器的主要部件的横截面的示例。惯性体6悬挂在悬臂梁弹簧9上。压电转换器10安装于悬臂梁的一侧(单压电片)或两侧(双压电片)。在本发明的使用了三角形状的梁弹簧的实施例中，梁弹簧的各侧(多压电片)能够包括转换器，所述转换器将要用于运动模式能量采集以用于信号形成和/或能量转换以供直接使用和/或存储。转换器通过电连接装置11电连接至支撑结构8上的电路。所述电连接装置可以是焊线(soldered wires)、粘合漆包线(bonded wires)、直接焊接件(direct solderattachment)或导电胶(conducting adhesive)等。根据本发明的实施例，在一些情况下也可以使用感应和/或电容连接来把电能传送至使用中的电路。

在图12中示出了完整的采集器装置。“完整的”，是在为了理解根据所示示例的采集器的操作的意义上而使用的。基于实施例，并且由于本领域技术人员的技能，本领域技术人员能够根据先前已知的技术提供具有下述构造的轮胎和/或采集器和/或采集器模块，这些在图12中没有示出，但是对于在仅用于支撑功能的用途中的实际实施而言可能是必需的。因此，“完整的”应当被理解为是指知晓了使用所涉及的并例示出的电子设备13将能量转换至电气领域的操作原理。在示例中，支撑结构8是被实施为印刷电路板。支撑结构8安装于模块外壳12。电气组件13安装在印刷电路板8上。实施例中的电气组件用来转换和/或稳定采集器输出电压以及用于该系统需要执行的其他功能，例如压力及温度测量以及测量结果及轮胎信息的无线电波传送。防过载件14设置在封装体上或惯性体上以防止压电转换器的过载损坏。在实施例中，至少一些防过载件能够基于磁性排斥而被实施，因此使这些阻挡件的接触和磨损最小化。

在示例中，采集器处于采集器模块中，采集器模块借助于兼容层(compliantlayer)19而被安装在橡胶轮胎15的内衬层上。悬臂梁9在径向上以这样的方式对准：使得连接至惯性体的端部比连接至采集器基部的端部更远离轮胎的转动中心(当梁位于与引力场对齐的静止位置(rest position)时)。这就避免了静止向心加速度造成的弹簧压缩、共振频率的降低以及潜在的弹簧屈曲。

根据本发明的实施例，轮胎内包含应变计。轮胎中包含多个应变计并且将它们放置到轮胎的数个区域中，这样就能够指示出轮胎的哪一部分与道路接触。根据实施例，也能测量到接触处的应变计经受的力，并且把所述力转换成电信号。

采集器操作

根据实施例的采集器将按如下方式进行操作：当采集器到达轮胎表面上的转变点3、4时，如图5至图7中所示的快速角运动将激励该惯性系统。如果与转变速度相比该系统的共振频率是低的，那么该激励将会是根据图5的振幅激励。如果与转变速度相比该共振频率是高的，那么该系统将响应于图7的加速度信号。图5的激励角幅值将是大约0.2弧度，在本申请的优先权日时，该值对于实际长度的任何压电元件的弯曲而言都太高了。因此，在本示例中，防过载件将会把运动限制到例如0.05弧度。然而，当材料相应地发展时，更大的值也是可能的。

在轮胎转变之后以及能量转换期间，惯性系统的机械能将在弹簧的势能和惯性体的动能之间以系统的共振频率振荡。在采集器的振动期间，由采集元件产生的电能被连续不断地从采集元件传送到电气负载。所述负载可包括用于测量、通信的电子电路和/或能量储存装置(见图15所示的示例)。由于放电后的采集元件所造成的能量损失以及由于内部机械能损失，振荡幅度将逐渐衰减。下一个转变点将再次激励该惯性系统，并且采集实际上可以在轮胎的整个循环过程中不间断地持续进行。图14说明了采集器的输出电压的振动衰减和新激励。

与采集器连接的电气负载包括整流电路、电压转换电路、稳压电路以及例如超级电容器等能量储存装置。

尽管说明了这样的采集器操作，但不是意图将轮胎中的采集器数量仅限定于一个。相反，根据各实施例，数个采集器能够在所实施的采集器组或采集器矩阵中并行操作，该采集器组或采集器矩阵能够被安装到轮胎中，甚至如实施例那样在安装位置方面遵循轮胎的曲率。这样的包括至少一个采集器的模块能够对称地置于实施例中，从而平衡轮胎和/或提供更多的供使用的能量。

图15图示了在本发明实施例中涉及的电子设备。在一个实施例中传感器组包括至少一个传感器，但是在其它的实施例中传感器组包括用于测量轮胎中的各种量的传感器集合。所述各种量可以是温度和压力以及加速度和/或轮胎位置。因此，甚至能够在车辆驾驶员注意到失衡之前就能够检测到失衡的轮胎。当读取传感器组中的所有传感器或某些传感器时，通过在实施例中指出的测量用电子设备来读取传感器和/或与传感器通信。在实施例中，由此获得的测量数据被发送至发射器从而被传播到轮胎的外部。接收器周围的虚线表明了对于使用接收器将信号传送至测量电路的这种实施例的一种可供选择方案。如果对于将要获得和将要传播的测量数据交替地或并行地使用定时读取或者间歇读取或者与阈值或公差相关的读取，那么信号就能够例如与传感器的读取指令相关联。

发射器和接收器周围的虚线体现了其中将发射器和接收器这两个集成从而形成收发器的实施例。图示出的无线电方框包括根据实施例的脉冲无线电，这同样也能够以已知的方式实施。这样，可节省能量并且能够在充电控制器控制下将采集器功率用于给电池充电，从而将能量传送到能量储存器。在可供选择的实施例中，在适当部件中也可以设置有可用于控制电子设备的操作和/或存储测量软件和/或数据的微处理器μΡ和/或存储器。

根据实施例，当可得到足够的能量时，能够通过能量源向所述微处理器和/或所述存储器供电。根据微处理器的作用，也可以将微处理器布置为通过接收器来激活以执行电子电路的控制职责和/或报告职责。

在实施例中，图15中所示的方框中的至少一个设置有专用的采集器组，使得所述采集器组中的至少一个采集器为该方框进行供给工作。根据实施例，可以将数个采集器组安装至轮胎中。它们中的至少一个能被布置用来为能量储存器进行供给工作。根据实施例，所述采集器组形成轮胎内采集器(in-tire-harvester)系统，也被简称为采集器系统。在实施例中，所述系统可以包括数个采集器，所述数个采集器被布置为与专用的电子设备部一起工作。在实施例中，也可以将系统的各部分多样化地设置于轮胎结构中，从而当转动时获得轮胎的稳定性。

根据实施例，采集器模块中至少布置有一个采集器(例如如图12中所示)，这样布置是为了配合至轮胎结构中。根据实施例，这样的采集器模块可以(但不是必须)包括数个采集器从而将采集器组形成为模块。不是必须以相同的操作实例来实施各采集器。所以，即使在单个采集器组中也可以存在基于不同形变的摆，例如被实施为弯曲摆的实例和/或通过扭转摆而实施的采集器等。

根据轮胎中装有数个模块的实施例，该数个模块被对称地安装入所实施的轮胎中从而获得平衡转动的轮胎结构。

根据本发明的实施例，采集器可包括转换器装置(10)，其中在可替代的实施例中，所述转换器装置可以是多样化的，从而使得转换器装置包括至少一个静止部件和一个动态部件。根据本发明的实施例，所述静止部件可包括磁铁和/或线圈，那么所述动态部件相对应地包括线圈和/或磁铁，它们被布置成基于电磁感应产生电能。根据实施例，所述动态部件被布置为沿着梁和/或惯性体移动，从而使得在本实施例中，相应的转换器部件的磁力场能够把电动势感应至转换器装置的线圈中。根据实施例，所述惯性体包括线圈。根据实施例，所述线圈作为印刷板线圈处于支撑体上。根据实施例，所述惯性体包括用于感应的磁铁。根据实施例，使用相同的磁铁作为磁性阻挡件，但不是必须仅限于此。根据本发明的可替代实施例，转换器的所述动态部件因此也能被设置为使得梁(7、9)的相互作用可以是间接的(即，例如通过惯性体相互作用)，以提供在用于感应的静止部件和动态部件之间的各自的运动。

在一些实施例中，转换器装置除了包括用于感应的静态部件和动态部件之外还能够包括压电部件。在它们被隔离开的实施例中，由它们供给能量的电路能够用于在一定意义上不同的独立目的。

从本发明所示的各实施例中，本领域技术人员能够清楚地知晓，以类似的方式还能够激励诸如传送带等其他平移装置和/或靴或其它鞋类。

参考文献

[1]US7415874

[2]US7414351

Claims (27)

1.用于将能量从机械领域转换到电气领域的采集器，其包括：

至少一个惯性体(6)；

至少一个梁(7，9)；

支撑所述至少一个梁(7，9)的支撑体(8)；以及

转换器装置(10，16)，

其中，所述至少一个梁(7，9)具有长度尺寸(l)，并将所述惯性体(6)构造为在从所述支撑体(8)悬挂下来的摆结构中进行角运动，使得所述梁(7，9)根据所述惯性体(6)的动力学状态变化(3)、(4)而形变，

所述转换器装置(10)的电气状态的变化被构造成响应于所述惯性体(6)的动力学状态和/或所述梁(7，9)的形变状态而产生，

所述惯性体(6)在至少三个维度尺寸上延伸，所述惯性体在所述至少三个维度尺寸之中的长度尺寸(L)垂直于所述梁的长度尺寸(l)而对准，并且

所述惯性体(6)的长度尺寸(L)比所述梁的长度尺寸(l)长。

2.如权利要求1所述的采集器，其中所述采集器包括扭转摆结构，所述扭转摆结构具有能够扭转形变的至少一个梁(7，9)。

3.如权利要求2所述的采集器，其中所述采集器包括两个梁(7，9)，所述两个梁(7，9)被构造为借助它们的中间的惯性体(6)形成扭转轴，所述两个梁(7，9)分别在各自的相反侧处悬挂于支撑体(8)。

4.如权利要求1所述的采集器，其中至少一个所述梁(7，9)被构造成作为所述摆结构中的弯曲弹簧和/或扭转弹簧而起作用。

5.如权利要求1所述的采集器，其中，所述惯性体(6)的长度尺寸(L)至少是所述梁(7，9)的长度尺寸(l)的1.5倍，所述梁的长度尺寸(l)是在连接至所述支撑体的悬挂点与连接至所述惯性体(6)的悬挂点之间测量的。

6.如权利要求1所述的采集器，其中所述至少一个梁(7，9)的长度尺寸(l)至多是所述惯性体(6)的长度尺寸(L)的0.66倍，所述至少一个梁的长度尺寸(l)是在连接至所述支撑体(8)的悬挂点与连接至所述惯性体(6)的悬挂点之间测量的。

7.如权利要求1所述的采集器，其中所述支撑体(8)包括引导结构，所述引导结构用于引导电力通过所述支撑体(8)的层。

8.如权利要求7所述的采集器，其中用于引导电力通过所述支撑体(8)的层的所述引导结构包括穿过所述支撑体的电流导线和/或包括电容器，所述电容器的至少一个电极与所述转换器装置(10，16)连接。

9.如权利要求1所述的采集器，其中所述采集器还包括下列中的至少一者：

模块外壳(12)；

安装至平移装置(15)的附件装置；

至少一个防过载件(14)；

用于电流接触的接触电极(11)；

电气组件(13)、接收器和/或发射器电路(13)；

整流电路；

用于稳定所产生的电流、电压和/或从它们中的至少一者得出的量的滤波电路p(13B)；

用于所产生的电力的能量储存器；以及

作为所述转换器装置(10)的部件的磁铁、线圈和/或压电层。

10.如权利要求1所述的采集器，其中所述转换器装置(10)包括压电元件，所述压电元件被构造为电气地响应于至少一个所述梁(7，9)的弯曲。

11.如权利要求10所述的采集器，其中所述压电元件包括位于至少一个所述梁(7，9)的至少一个表面上的压电层。

12.如权利要求1所述的采集器，其中至少一个所述梁(7，9)在长度方向上沿径向对准以安装到轮胎内。

13.如权利要求1所述的采集器，其中所述采集器安装至能够旋转的轮胎上，且其中连接至所述惯性体(6)的梁(7，9)被构造为位于比连接至所述采集器支撑体的端部更远离所述轮胎的转动中心的安装位置处。

14.如权利要求1所述的采集器，其中所述转换器装置(10，16)包括至少一个线圈和至少一个永磁铁，所述至少一个线圈和所述至少一个永磁铁适合于当所述永磁铁和所述线圈之间的距离和/或角度根据所述惯性体(6)相对于所述支撑体(8)的运动而变化时产生电磁感应。

15.如权利要求14所述的采集器，其中在所述采集器中，所述转换器装置(10)包括所述惯性体(6)中的至少一个线圈，并且所述支撑体(8)具有至少一个永磁铁。

16.如权利要求14所述的采集器，其中在所述采集器中，所述转换器装置(10)包括所述支撑体(8)处的至少一个线圈，并且所述惯性体(6)具有至少一个永磁铁。

17.如权利要求1所述的采集器，其中所述惯性体(6)具有均匀的质量分布。

18.如权利要求1所述的采集器，其中所述惯性体(6)构件在长度方向上在各端部处的质量大于在中间处的质量。

19.如权利要求1所述的采集器，其中所述采集器包括用于形成收发器的电路，所述收发器能够按照脉冲无线电标准进行操作。

20.如权利要求9所述的采集器，其中所述至少一个防过载件(14)包括一对磁铁，所述一对磁铁适合于借助磁性排斥而起到阻挡功能，以避免所述防过载件的磁性表面的直接接触。

21.如权利要求1所述的采集器，其中至少一个防过载件位于所述惯性体(6)上。

22.如权利要求9所述的采集器，其中所述平移装置(15)包括轮胎、车轮、传送带或鞋类。

23.采集器矩阵，其包括至少一个如权利要求1至22中任一项所述的采集器。

24.采集器矩阵系统，其包括至少一个如权利要求23所述的采集器矩阵。

25.采集器模块，其包括至少一个如权利要求1至22中任一项所述的采集器。

26.轮胎，其包括至少一个如权利要求1-22中任一项所述的采集器。

27.鞋类，其包括如权利要求25所述的采集器模块。