CN113302090B

CN113302090B - 用于无线电力传输和数据通信的集成电磁和光学装置

Info

Publication number: CN113302090B
Application number: CN202080008884.9A
Authority: CN
Inventors: S·阿南坦; A·拉杰; A·巴拉拉姆; R·达莫达兰; A·阿特瓦德卡
Original assignee: Autoliv Development AB
Current assignee: Autoliv Development AB
Priority date: 2019-01-12
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2024-01-02
Anticipated expiration: 2040-01-09
Also published as: CN113302090A; WO2020144249A1

Abstract

一种用于无线电力传输和数据传送的集成电磁和光学装置，该集成电磁和光学装置具有设置在底座元件(101)上的光发射器(111)、光接收器(112)和磁通量导向元件(108)。电磁感应接口(107)耦合到磁通量放大器(106)，并设置在磁通量导向元件(108)内。密封元件(115)具有光学孔(116,117)以暴露光发射器(111)和光接收器(112)，并形成密封外壳。一对集成电磁和光学装置(200a,200b)被设置为电磁和光学耦合，并且被配置为实现它们之间的无线电力传输和数据传送。一种用于机动车辆的乘员约束系统(300)，该乘员约束系统具有扣件组件和舌片组件，用于电力传输和数据传送的无线传输。

Description

用于无线电力传输和数据通信的集成电磁和光学装置

技术领域

本发明涉及无线能量传输和数据通信，尤其涉及一种集成电磁和光学装置，以在电磁和光学耦合的系统之间实现无线电力传输和数据传送。本发明还涉及一种用于车辆的乘员约束系统，其配备有本发明的集成电磁和光学装置，用于乘员约束系统的扣件和织带之间的无线电力传输和数据通信。

背景技术

能量或电力可以使用电磁装置无线传输。类似地，数据和信息可以使用光学网络技术进行通信，例如使用发光二极管的Li-Fi，发光二极管可以是用于数据传送的可见光二极管或红外二极管。

然而，通过采用独立的结构布置，即电磁和光学网络装置，实现了电力传输和数据通信，以分别传输电力和传送数据。这种单独的布置可能需要独立的硬件系统，从而增加了装置的尺寸以及相应电磁和光学部件的配置的复杂性。

在汽车安全系统中，安全带系统在将乘员固定到座椅方面起着关键作用，特别是在由于碰撞或其他原因导致就座乘员从其正常位置快速移动的异常情况下。安全带系统通常包括存放在卷收器中并连接到滑动舌片的安全带织带卷轴布置。扣件连接到车辆的结构部件上，如座椅底座，并定位成接收和锁定滑动舌片，以在发生碰撞时，安全带织带将乘员固定到他们的座椅上。

安全带系统还配备有通过扣件和舌片将电力从车辆电源传输到安全带织带的构件。还有通过扣件和舌片将数据从车辆的一部分传输到安全带系统的构件。

US2016/0355157公开了一种安全带系统，其中当初级线圈和次级线圈彼此靠近放置并且没有物理连接时，初级线圈和次级线圈之间的电磁耦合用于将电力/数据从连接到初级线圈的一个导电元件(作为传输元件的扣件)传输到连接到次级线圈的另一个导电元件(作为接收元件的舌片)。在这种布置中，电磁线圈被布置成非常靠近安全带系统的扣件和舌片的锁定区域，并且电磁线圈用于电力传输和数据通信。

发明目的

本发明的主要目的是提供一种集成电磁和光学装置，以在电磁和光学耦合的系统之间实现无线电力传输和数据通信。

本发明的一个目的是提供一种电磁和光学耦合的集成电磁和光学装置对，以实现电磁和光学耦合系统之间的无线电力传输和数据通信。

本发明的另一个目的是提供一种具有本发明的集成电磁和光学装置对的乘员约束系统，用于通过乘员约束系统的扣件和舌片的电磁和光学耦合来实现无线电力传输和数据通信。

本发明的又一个目的是提供一种具有本发明的集成电磁和光学装置对的乘员约束系统，用于实现向安全带织带的无线电力传输和数据通信，以致动至少一个报警元件。

本发明的另一个目的是提供一种具有本发明的集成电磁和光学装置对的乘员约束系统，其中电磁接口和数据收发器设置在扣件和舌片延伸壳体中，并且不靠近舌片和扣件组件的锁定区域。

附图说明

图1是用于实现无线电力传输和数据通信的集成电磁和光学装置的例示透视图，其中数据收发器间隔开。

图2是图1所示装置的例示分解示意图。

图3是图1所示装置的装置的例示顶部透视图。

图4是图1所示装置的例示侧面透视图。

图5是用于无线电力传输和数据通信的集成电磁和光学装置的例示透视图，其中数据收发器以紧密的空间结构布置。

图6是图5所示装置的例示分解示意图。

图7是图5所示装置的装置的例示顶部透视图。

图8是图5所示装置的例示侧视图。

图9是用于无线电力传输和数据传送的成对集成电磁和光学装置的侧视图。

图10是示出当如图9所示的成对集成电磁和光学装置电磁和光学耦合时，来自电磁接口的磁通量线的侧面透视图。

图11是示出当如图9所示的成对集成电磁和光学装置电磁和光学耦合时，来自电磁接口和磁通量放大器的磁通量线的侧面透视图。

图12是示出当如图9所示的成对集成电磁和光学装置电磁和光学耦合时，来自电磁接口和磁通量放大器以及磁通量导向元件的磁通量线的侧面透视图。

图13是示出被带有报警元件的安全带约束的乘员的前视图，其中安全带的舌板和扣件示出为处于锁定状态。

图14是处于锁定状态的乘员约束系统的舌板和扣件组件的例示透视图，描绘了本发明的用于无线电力传输和数据传送的集成电磁和光学装置对的布置。

图15是乘员约束系统的舌片组件的透视图，示出了本发明的集成电磁和光学装置的布置。

图16是舌片组件的透视图，示出了本发明的集成电磁和光学装置以及设置在安全带织带中的报警元件的布置。

图17是如图16所示的本发明的集成电磁和光学装置的局部放大图。

图18是扣件组件的透视图，示出了本发明的集成电磁和光学装置以及设置在安全带织带中的报警元件的布置。

图19是如图18所示的本发明的集成电磁和光学装置的局部放大图。

图20是示出为处于锁扣状态的乘员约束系统的舌片和扣件组件的局部透视图以及集成电磁和光学装置对的布置。

图21是图20的局部放大图，示出了成对集成电磁和光学装置的布置。

图22是具有本发明的集成电磁和光学装置的系统的概略示意图。

图23是乘员约束系统的舌片和扣件组件的透视图，示出了多个集成电磁和光学装置的布置。

图24是图23的局部放大图，示出了集成电磁和光学装置的布置。

发明内容

本发明提供了一种用于无线电力传输和数据传送的集成电磁和光学装置。该装置具有设置在底座元件上的光发射器和光接收器。磁通量导向元件安装在底座元件上。耦合到磁通量放大器的电磁感应接口设置在磁通量导向元件中和底座元件的绝缘基板上。具有光学孔的密封元件连接到底座元件，以形成密封外壳。光发射器和光接收器被配置为用于数据通信，并且电磁感应接口和磁通量放大器被配置为用于电力传输。本发明还提供了一种成对装置和一种用于具有该成对装置的机动车辆的乘员约束系统。

具体实施方式

本公开提供了一种集成电磁和光学装置，以在电磁和光学耦合的系统之间实现无线电力传输和数据通信。在本公开中，该装置的示例性应用之一以机动车辆的乘员约束系统的形式进行描述，其中电力通过舌片组件从安全带扣件组件传输到安全带织带。同时，数据/信息通过舌片组件从安全扣件组件传送到安全带织带。此外，还通过舌片组件从安全带织带到安全带组件执行数据通信，作为反馈和其他需要通信的有用信息。

因此，这里应当理解，本发明的使用装置不限于本公开中描述和示出的特定示例或应用，而是可以用于驱动多种应用，例如心率监测器、麦克风和用于乘员约束系统的安全带织带的加热系统。本发明的装置也可以在车辆的不同位置使用，例如在车辆座椅下，其中可以对相应的座椅电子装置和数据通信一起供电。本发明的装置还可以应用于车辆维护平台或充电站的电力和数据传输。本发明的装置也可以用于家庭、商业和工业环境，例如智能家居、办公室和制造企业，只要需要电磁和光学耦合系统之间的无线电力传输和数据通信。

最初，集成电磁和光学装置的优选实施方案能够在电磁和光学耦合系统之间实现无线电力传输和数据通信。在本公开中，术语电磁和光学耦合系统包括被配置为接收和传输电力以及传送数据的设备，其中数据包括指令集。电力和数据用于驱动和致动设备的电子、机械和机电元件的所需功能属性。

如最初在图1-图4中所示，集成电磁和光学装置100包括底座元件101，其中底座元件101被配置为充当用于集成装置100的电磁和光学元件的其他元件的平台，以形成单个单元。单个单元的形成使得能够在电磁和光学耦合系统之间并行或独立地实现电力传输和数据通信。在该示例性方面，底座元件101被示出为矩形结构，其不限于该特定构造，因为其他合适的形状例如正方形、圆形等也可以适合用作底座元件101。通量导向元件开口109优选地布置在底座元件101的中心部分上。底座元件101上的底座元件开口102、103、104位于通量导向元件开口109的外部和底座元件101的外围区域中。通量导向元件开口109设置在底座元件101上。底座元件101优选地由充当磁通量屏障的材料制成，磁通量屏障可以阻尼或衰减在装置100中产生的感应磁通量。因此，材料可以是如丙烯酸、聚苯乙烯、黄铜、铜、铝、钢、铁、纸、不锈钢等。

现在描述数据收发器组件的优选实施方案。数据收发器组件包括光发射器111，光发射器通过底座元件开口104布置在底座元件101的外围部分上(如图1和图2中具体所示)。在这种布置中，光发射器111有利地是使用可见光光谱作为数据通信的数据载体的Li-Fi装置。在本示例性实施方案中，发光二极管(LED)是光发射器111，其被配置为通过电力电缆118从电源接收电力，用于产生光脉冲或闪光。光发射器111被装备成通过光发射器电缆113与具有集成电路封装的合适的Li-Fi系统连接，该光发射器电缆具有数据转换模块，该数据转换模块被配置成将诸如语音、文本、视频等的数据转换成1和0，使得它们可以被表示为数字信号。集成电路封装通过光发射器数据电缆113将数字信号作为输入数据馈送到光发射器111(LED)。Li-Fi系统优选地具有在4×101⁴至8×101⁴范围内的工作频率。数据处理单元还配备有发射器模块，该发射器模块被配置为使用合适的Li-Fi技术(例如单载波调制方案，例如开关键控(OOK))为LED产生相应的开-关模式，从而以光脉冲或闪光的形式发射数字信号，每个比特之间具有时间间隔。如果优选的话，多载波调制方案也可以适用于高速光无线通信。在该示例性方面，单个光发射器111被示为光学光发射器。然而，这里应当理解，光发射器阵列也可以适合使用。使用色移键控(CSK)也在本发明的范围内，其中信号被编码成由红绿蓝(RGB)LED发射的颜色强度。替代地，光发射器111也可以是发射红外(IR)线作为数据载体的二极管。数码相机也可以用来观察发出的红外线，以验证装置的功能。因此，光发射器111广泛基于Li-Fi系统，输入数据首先通过ADC(数字信号)被转换成二进制，然后数字信号被馈送到由集成信号电路控制的LED驱动电路。LED驱动器以高速利用开关键控调制工作，并且从光发射器111以光脉冲的形式传送数据。

在该示例性方面，光或光接收器112通过开口102布置在底座元件101的外围部分上(如图1所示)。光接收器112被配置成通过电力电缆119从光源接收电力。光接收器112有利地定位在与光发射器111的视线配置中，并且在空间上分开，以便防止它们之间的任何可能的光学干涉。在该示例性方面，光接收器112是硅光电二极管(p-i-n光电二极管)，其连接到集成电路封装，该集成电路封装通过光接收器数据电缆114专用于光接收器112，并且被配置为从光发射器111接收入射在其表面上的光脉冲。光接收器112将光脉冲转换为电信号，该电信号由跨阻放大器放大，然后通过使用比较器转换回二进制数据(数字信号)。在该示例性方面，示出了单个光接收器112。然而，这里应当理解，光接收器阵列也可以适当地适用于与光发射器阵列的相互布置。

在本发明的另一方面，光接收器112还被配置成从光发射器111(例如，从成对数据收发器组件的光发射器)接收数据，其中数据可以是反馈或任何其他数据和音频通信的形式。

因此，光发射器111和光接收器112的布置构成了数据收发器组件，其可以被配置为以无线模式发送或接收数据。

本发明的数据收发器组件(光发射器和接收器)符合现行标准，例如红外数据协会(IrDA)和IEEE 802.11、IEC、ANSI标准，优选那些为数据传送提供聚焦和窄光束的装置。通过提供基于视线系统的红外链路，本发明的数据收发器组件还可以适合于长距离(大于10m)数据通信，以最小化路径损耗。

迄今为止，描述了与数据的光传输有关的结构元件。现在，通过参考图1-图4，描述使用本发明的装置100电磁传输电力的优选实施方案。磁通量导向元件108通过通量导向元件开口109连接到底座元件101，并且定位在光发射器111和光接收器112之间，如图2中具体所示。在该示例性方面，磁通量导向元件108设置有中空结构部分，并且优选为圆柱形。其他合适的中空结构部分，如矩形、正方形等，可以适用于磁通量导向元件108。通过引导由装置100感应产生的磁通量，磁通量导向元件108被配置为充当磁通量导向器或磁通量集中器。磁通量导向元件108也可以由不同层的合适材料构成。在一个示例性方面，磁通量导向元件108优选由主要包含铁氧化物的铁氧体材料制成，该铁氧化物与诸如钡、锶、锰、镍、锌、锂和镉的其他金属混合。

绝缘基板105粘附到磁通量导向元件108的底部，并且由环氧绝缘树脂或至少一种选自诸如丙烯酸聚合物、基于苯酚的聚合物、聚酰亚胺聚合物等的材料制成。

电磁感应接口107安装在绝缘基板105上，该电磁接口能够在施加电能时产生期望的电磁场。在该示例性方面，电磁感应接口107是感应线圈。电磁感应接口107耦合到电源，以经由电源变压器或任何其他合适的电力转换装置从预先指定的电力系统接收电能。应当理解和意识到，电磁感应接口107可以足够大以给连接的装置供电。例如，电磁感应接口107是连接到交流信号发生器电路的铜线圈，其产生大约80kHz-300kHz范围内的交流信号。然后，铜线圈将该交流电转换成随时间变化的电磁场。

一侧连接到电磁感应接口107的终端的感应接口电力电缆110被允许穿过通量导向元件开口109和底座元件开口103，用于建立与电源的电连接。允许感应接口电力电缆110通过的通量导向元件开口109的通道区域用合适的材料如粘合剂、硅酮密封剂、橡胶或聚合物密封剂等密封，以防止磁通量通过通量导向元件开口109的任何可能的泄漏。电磁感应接口107所需的磁场强度作为从电源获得的驱动电流幅度的函数而变化。在一个示例性方面，提供给电磁感应接口107的交流驱动电流在5伏至12伏时通常在10(毫)安培至2000(毫)安培的数量级，频率在80kHz至300kHz的范围内。

磁通量放大器106安装在绝缘基板105上，并设置在电磁感应接口107的中心开口区域，如图3中具体所示。在这种布置中，磁通量放大器106电磁耦合到电磁感应接口107。在本实施方案中，磁通量放大器106用于通过引导、集中和聚焦由电磁感应接口107产生的通量来增强电磁感应接口107的通量密度。磁通量放大器106有利地是铁或亚铁磁体。可适用的其他示例性磁通量聚焦元件包括钕或钕稀土磁体(NdFeB)、钐钴(SmCo)、硬铁氧体或陶瓷磁体，例如(SrFe203)铝镍钴磁体(Al-Ni-Co)。磁通量放大器106因此产生归因于永磁体的恒定磁通量。

因此，电磁感应接口107连同磁通量放大器106一起被封闭在磁通量导向元件108内部。因此，在施加电力时，电磁感应接口107感应地产生变化的磁通量，而磁通量放大器106产生基本恒定的磁通量。因此，由磁通量放大器106产生的磁通量放大了由电磁感应接口107产生的变化的磁通量，从而实现来自电磁感应接口107的磁通量的有效传输。

在如上所述的布置中，从电磁感应接口107和磁通量放大器106产生的磁通量线分别在电磁感应接口107和磁通量放大器106周围形成不同的回路。在该过程中，一些磁通量线离开所述路径并散布到周围环境中，从而增强磁通量线的磁阻路径或磁阻。安装在底座元件101上的磁通量导向元件108通过屏蔽和引导磁通量线来控制离开的磁通量线，以增强磁通量线的最小阻力路径。因此，磁通量导向元件108的优选几何形状被选择成使得它基本上减少磁阻路径，并且防止磁通量线散布到不期望的周围环境中。

因此，电磁感应接口107、磁通量放大器106和磁通量导向元件108的组合布置不仅导致增强的通量密度，而且有助于引导磁通量线具有减小的磁阻路径和提高的效率。

密封元件115用于覆盖底座元件101和本发明的装置100的组成元件。密封元件115的形状与底座元件101的形状相反，并且用作盖子以容纳和密封安装在底座元件101上的装置100的组成元件。密封元件115的上部还设置有光学孔116和117，以分别暴露光发射器111和光接收器112的末端。用于密封元件115的材料选自表现出磁通量渗透性的材料。因此，密封元件115由合适的材料制成，其可以允许源自电磁感应接口107和磁通量放大器106的磁通量线通过其传播，包括但不限于玻璃、特氟隆等。

在本发明的又一方面，磁通量导向元件108也可以垂直延伸以与密封元件115的上部连接。

因此，本发明能够在电磁和光学耦合系统之间实现无线电力传输和数据通信的集成电磁和光学装置100是设置在单个底座元件101上的电磁和光学元件的集成组合。集成电磁和光学装置100可以被配置成不仅接收和传输电力，而且接收和传送数据。

因此，如图1-图4所示，用于无线电力传输和数据传送的集成电磁和光学装置100由这样的组件形成：其中构成数据收发器的光发射器111和光接收器112光学耦合并设置在底座元件101上。磁通量导向元件108安装在底座元件101上，并设置在光发射器111和光接收器112之间。耦合到磁通量放大器106的电磁感应接口107设置在磁通量导向元件108中和底座元件101的绝缘基板105上。密封元件115用作装置100的组成元件的盖子和外壳。密封元件115还设有光学孔116、117，以暴露光发射器111和光接收器112。

在本发明的另一方面，如图5-图8所示，集成电磁和光学装置100包括具有彼此相邻地布置在磁通量放大器106上的光发射器111和光接收器112的数据收发器组件，如图5中具体所示。收发器组件的这种布置可用于优选紧凑型集成电磁和光学装置100的应用中。参考图1-图4，集成电磁和光学装置100的其他组成元件的布置如上所述。考虑到光发射器111和光接收器112的近端布置，可以在光发射器111和光接收器112之间放置由合适的不透明材料制成的屏幕或分隔元件，以防止光发射器111和光接收器112之间的光学干涉。

在本发明的又一方面，用于电力传输和数据传送的电磁和光学耦合装置对200a、200b的优选实施方案通过具体参考图9来描述。电磁和光学装置对200a、200b由如上所述的集成电磁和光学装置100的电磁和光学耦合构成。如图9所示，耦合的集成电磁和光学装置被指定为200a、200b。用于无线电力传输和数据传送的集成电磁和光学装置对200a、200b包括被配置为用于无线电力传输和数据传送的电磁和光学耦合的集成电磁和光学装置200a、200b，其分别包括构成数据收发器的集成电磁和光学装置200a、200b的光发射器和光接收器211a、211b、212a、212b，它们相互光学耦合并设置在底座元件201a、201b的外围端。具有中空结构部分的磁通量导向元件208a、208b安装在相应的底座元件201a、201b上，并分别位于光发射器211a、211b和光接收器212a、212b之间。

耦合到磁通量放大器206a、206b的电磁感应接口207a、207b布置在磁通量导向元件208a、208b中和底座元件201a、201b的绝缘基板205a、205b上。具有光学孔216a、217b以暴露光发射器和光接收器211a、211b、212a、212b的密封元件215a、215b分别设置在底座元件201a、201b上。

在该布置中，集成电磁和光学装置200b的电磁感应接口207a作为电力传输和数据传送装置，被配置为从期望的电源接收电力，以产生相应的振荡磁通量，该振荡磁通量由磁通量放大器206a放大。所产生的振荡磁通量因此被传输到电磁感应接口207b，电磁感应接口将该振荡磁通量转换成恒定的直流电，如图9中具体所示。

如图10所示，电磁和光学耦合装置对200a、200b设置有磁通量导向元件208a和208b。安装在底座元件201a和201b上的磁通量导向元件208a和208b通过屏蔽和引导磁通量线来控制离开的磁通量线，从而增强磁通量线的最小阻力路径。

集成电磁和光学装置200a还被配置成通过数据收发器(光发射器和光接收器)211a、212a接收和传送数据，其中光接收器212a接收数据(来自指定的源)，数据由光发射器211a以光能的形式传送到光学耦合的光接收器212b，接收的光能被转换成相应的电信号，并且这些电信号被放大以产生期望的输出。换句话说，来自光发射器211a的数据被转换成中间数据表示，即字节格式，然后被转换成由光发射器211a发射的光信号，如图9所示。光信号由光接收器211b接收，颠倒该过程以从接收的光信号中检索数据。

本发明的集成电磁和光学装置对200a、200b可以适用于电磁和光学连接系统中的电力传输和数据通信。

本发明的电磁和光学耦合装置对200a、200b可以被配置为在不同的系统中实现，只要在电磁和光学耦合实体之间需要无线电力传输和数据通信。电磁和光学耦合装置对200a、200b之间的电力传输和数据通信可以通过使用合适的数据处理器和通信协议来执行。

通过具体参考图10-图12，描述了电磁和光学耦合装置对200a、200b的优选实施方案，以说明磁通量导向元件208a、208b在调节磁通量的流动中的功能方面。安装在底座元件201a、201b上的磁通量导向元件208a和208b通过屏蔽和引导磁通量线来控制离开的磁通量线，从而增强磁通量线的最小阻力路径。此外，电磁接口207a、207b、磁通量增强器206a、206b和磁通量导向元件208a、208b的组合布置不仅导致增强的磁通量密度，而且有助于引导磁通量线以获得减小的磁阻路径，从而提高电力传输效率。

在本发明中，作为示例性实施方案，布置在机动车辆的乘员约束系统的织带上的报警元件(例如触觉致动器)可以被致动，其中从扣件组件到舌片组件进行无线电力传输，以进一步向前传输。数据通信也是以无线模式从扣件组件到舌片组件执行的，反之亦然。基于由机动车辆的电子控制单元(ECU)产生的警报，通过扣件和舌片组件，电力传输和数据通信被用于致动致动器(视觉和听觉的)，包括安全带织带的触觉致动器。本领域普通技术人员应当理解，使用本发明的集成电磁和光学装置的电力和数据传输不限于在乘员约束系统中的电力传输和数据通信，如这里示例性示出的，而是无线电力传输和数据传送可以适当地针对机动车辆的其他车载系统实现，并且也可以在机动车辆和可以无线连接的其他外部装置之间实现。

现在描述机动车辆的乘员约束系统300的优选实施方案，从而以示例性方式展示本发明的集成电磁和光学装置的实现，特别是成对的集成电磁和光学装置，用于主要在扣件和舌片组件之间的无线电力传输和数据通信，以及用于致动设置在安全带织带中的报警元件(触觉致动器)。

包括本发明的集成电磁和光学装置对的乘员约束系统300的示例性实施方案通过具体参考图13-图24来描述。耦合的集成电磁和光学装置被指定为乘员约束系统300的扣件组件的300a和舌片组件的300b。

如图13所示，示例性乘员约束系统300在机动车辆的操作过程中由乘员325使用，该乘员位于车辆座椅326上并佩戴具有安全带织带328的安全带327。当被乘员325佩戴时，安全带织带328被布置成围绕乘员325延伸。安全带织带328的一端通过锚定板330锚定到车身329，该锚定板位于车辆座椅326的一侧，如图13所示。安全带织带328的另一端连接到卷收器(图13中未示出)，该卷收器在车辆座椅326的同一侧固定到车身329。

如图14所示，安全带织带328也可以允许穿过舌片组件331b，并且舌片组件331b可滑动地安装在安全带织带328上。安全带织带328设置有报警元件(触觉致动器)342，报警元件又通过电力和数据电缆318b、319b连接到舌片组件331b的集成电路封装341b，如图15和图16中具体所示。

如图15中具体所示，舌片组件331b包括可滑动舌板332b，该舌板通常包括带有开口333b的较窄的端部。如图11所示，当乘员325佩戴安全带327时，具有开口333b的较窄的端部用于锁定舌片组件331b和扣件组件337a。因此，可滑动舌板332b的狭窄部分形成舌片组件331b的锁定区域。舌片组件331b还包括舌片主体334b，该舌片主体通常带有塑料包覆成型件335b，该包覆成型件具有织带开口，舌片组件331b通过该织带开口可滑动地安装在安全带织带328上。通过延伸舌片主体334b的塑料包覆成型件335b，形成作为中空元件的舌片延伸壳体336T。为了接合安全带织带328，可以握住并拉动舌片组件331b越过坐在车辆座椅326上的乘员325的大腿和躯干。当舌片组件331b被拉过乘员325的大腿和躯干时，舌片组件331b沿着安全带织带328移动，并且当安全带织带328被拉过乘员325的大腿和躯干时，安全带织带328从卷收器上松开。乘员325将舌片组件331扣入扣件组件337a，以使安全带327起到约束作用。当安全带织带328因此处于扣合位置时，安全带织带328的长度在车辆乘员325的躯干部分上延伸，并且其圈部在车辆乘员325的大腿上延伸。当安全带327不使用时，安全带织带328缠绕在卷收器上。扣件组件337a连接到车身329，并且布置在车辆座椅326的与锚定板330相对的一侧。

现在描述对应于舌片组件331b的集成电磁和光学装置300b的优选实施方案。如图15和图16所示，集成电磁和光学装置300b安装在舌片延伸壳体336b内。用于舌片组件331b的集成电路封装341b布置在塑料包覆成型件335b内部，并且通过合适的走线(用于数据和电力)布置电连接到舌片组件331b的集成电磁和光学装置300b。集成电路封装341b的连接性通过走线布置进一步延伸穿过安全带织带328。延伸走线布置连接到触觉致动器传感器组件，包括但不限于触觉致动器349的组件。集成电路封装341b还连接到车辆ECU 349的电子单元348，以接收与需要触发安全带织带328的报警元件(触觉致动器)347的事件感测相关的数据和指令。触觉致动器347b布置在安全带织带328中，并通过所需数据和电力电缆连接到集成电路封装341b，如图15、图16、图17所示。

扣件组件337a包括扣件壳体338a，其中布置有闩锁元件(图中未示出)以锁定舌片组件331b的可滑动舌板332b。因此，扣件组件337b的闩锁元件形成扣件组件337a的闩锁区域。可以通过推动扣件组件337a的释放按钮339来取下安全带327。扣件延伸壳体340a作为中空元件形成在扣件壳体338的侧面上。集成电路封装344a连接到车辆347的电源和车辆的电子控制单元(ECU)348，以接收与需要触发触觉致动器342的事件感测相关的电力和数据。

当乘员325扣上安全带327时，通过舌片和扣件组件331a、337b的锁扣，闩锁区域彼此物理啮合以提供锁定布置。因此，这种锁定布置是一种摩擦锁定布置，其在锁定区域中引起舌片和扣件组件331a、337b的配合零件的摩擦。因此，任何靠近锁定区域的电子或电磁部件的布置都可能由于安全带的频繁扣紧和松开而面临摩擦磨损和撕裂的风险。

因此，对于具有本发明的集成电磁和光学装置对300a、300b的乘员约束系统300，其中集成电磁和光学装置对300a、300b分别设置在扣件和舌片上，并且位于不靠近或更靠近舌片和扣件组件331a、337b的锁定区域的位置，其中安全带扣件的频繁闭锁和解除闭锁不会干扰集成电磁和光学装置对300a、300b的功能。

现在，图20和图16所示的对应于扣件组件331a的集成电磁和光学装置300的布置被布置在扣件延伸壳体340a中。用于扣件组件331a的集成电路封装344a布置在扣件延伸壳体340a内，并通过合适的走线布置电连接到扣件组件331a的集成电磁和光学装置300。

现在描述当扣件和舌片组件331a、337b处于锁定状态时，本发明的系统300的优选实施方案。如图21所示，在锁定状态下，舌片延伸壳体336b和扣件延伸壳体340a同轴布置并且彼此非常接近。如图21所示，对应于舌片组件331b的集成电磁和光学装置300b和对应于扣件组件337a的集成电磁和光学装置300a也彼此同轴布置，其间具有中间间隙。换句话说，当舌片和扣件组件331a、337b处于锁定状态并且彼此非常接近时，这些组件电磁耦合，使得可以通过电磁接口307a、307b之间的磁通量的产生和传输来执行从扣件组件331a到舌片组件337b的电力传输的无线传输。同时，在锁定布置中，还在舌片和扣件组件331a、337b之间建立光学耦合，以光脉冲或闪光的形式在扣件和舌片组件331a、337b的光发射器和光接收器311a、311b、312a、312b之间执行数据传送，如图21中具体所示。

现在，通过参考图24来描述耦合装置的广义系统结构，具体参考它们在乘员约束系统中的布置。虽然本发明是针对用于触觉致动器的致动的系统来描述的，但是本发明可以适用于其他控制和通信系统等。在以下描述中，针对一个示例性实施方案描述了各种操作参数和部件。因此，这些特定的参数和部件作为示例被包括在内，并且不意味着是限制性的。

本发明的系统主要由以下主要部分组成：车辆控制和电力部分349、扣件部分350、舌片部分351和触觉致动器部分352。

车辆控制和电力部分349包括车辆电源347，其满足车辆的车载电气、电子和机械装置的电力需求。车辆电源347，其通常是包括诸如电池、起动器、交流发电机等元件的单元，提供所需的直流电。

扣件部分350包括连接到车辆电源347的电力调节器353，以调节输入直流电并保护系统的各个部件。电力发射器控制器354连接到电力调节器353，以根据所需电力来控制要传送到电磁接口驱动器355(扣件部分)的电量。电磁接口驱动器355配备有振荡器、交流/直流电转换器，以产生对应于输入直流电的交流电。该交流电然后被允许通过扣件部分350的电磁接口307a，以产生相应的时变磁通量。

舌片部分351包括电磁接口307b，其被配置成从电磁接口307a接收磁通量并将磁通量转换成相应的电力。电磁接口驱动器(舌片)356连接到电磁接口307b，并且包括整流器、交流/直流电转换器，以将所提供的交流电源转换成所需的直流电。该直流电然后被允许通过电力接收器控制器357，以基于最终使用需求来控制或调节电量。例如，在当前情况下，致动安全带织带的触觉致动器所需的电力。电力调节器358连接到舌片部分351的电力接收器控制器357，使得恒定的直流电被供应到其他部件，包括舌片部分351的集成电路封装和安全带织带的报警元件342。通过使用现有的光通信系统，电力接收器控制器还将其电力需求和接收的电量传送给电力发射器控制器。这有助于电力发射器采取必要的措施来提高电力效率，从而避免不必要的系统发热和金属物体的干扰。

车辆控制和电力部分349还包括电子控制单元(ECU)348。此处所用的术语ECU还应包括一组满足车辆各种功能的ECU。因此，ECU 348可以是汽车电子装置中的任何嵌入式系统，其控制车辆中的一个或多个电气和电子系统、子系统。例如，连接到诸如图像处理模块、传感器和摄像机等装置的汽车ECU支持多种高级驾驶辅助系统(ADAS)，如自适应巡航控制、驾驶员睡意检测、车道偏离警告、前方碰撞警告、行人检测等，基于这些系统，在车辆中自动或通过车辆乘员提示和执行适当的动作和警告。ECU 348包括微处理器、专用集成电路(ASIC)或任何其他定制设计的具有所需存储器插槽的装置。ECU通常嵌入有与机动车辆的各种功能相对应的固件。ECU还配备有ADC、DAC、产生高电平数字输出的能力、信号调节器、实现诸如控域网(CAN)等车内通信标准的通信芯片。ECU 348可以是车辆的中央计算机，因此能够控制其他车辆部件和附件的操作。在本示例性实施方案中，ECU 348尤其被配置为执行用于结合车载事件捕获元件(装置/传感器)，例如电荷耦合器件(CCD)、雷达、激光雷达、红外传感器、氧传感器、图像捕获和处理装置、车轮速度传感器等，从高级驾驶辅助系统(ADAS)接收警报的例程。由ECU 348接收的警报被处理并通过通信协议(例如，CAN、FlexRay或Ethernet)传送到集成电路封装344a，该集成电路封装布置在扣件部分350中。

扣件部分的集成电路封装344a有利地是具有中央处理器、输入/输出和存储器控制器、接口连接器、存储器和为所需目的和应用而集成的其他部件的PCB。PCB的子系统被诸如配置为使用串行外围接口(SPI)、集成电路间(I2C)等通信协议进行内部通信。集成电路封装344a将从ECU 348接收的信息处理成兼容格式，用于传输到扣件部分350的光发射器的驱动器359。例如，在当前情况下，处理的信息涉及安全带织带的触觉致动器的致动。驱动器359被配置成将从集成电路封装344a接收的信息转换成期望脉冲宽度和频率的脉冲电压信号，该脉冲电压信号被发送到光发射器311a。光发射器311a是Li-Fi装置，其使用可见光光谱作为数据通信的数据载体。在本示例性实施方案中，连接到扣件部分350的集成电路封装344a的光发射器311a设置有数据转换模块或例程，其被配置为将诸如语音、文本、视频等的数据转换成1和0，使得它们可以被表示为数字信号。这些数字信号作为输入数据被馈送到光发射器311a。Li-Fi装置优选地被配置为以4×10¹⁴至8×10¹⁴范围内的工作频率工作。集成电路封装344a还配备有发射器模块或例程，其被配置为使用合适的Li-Fi技术(例如，单载波调制方案，例如，开关键控(OOK))为光发射器311a生成相应的开-关模式，以光脉冲或闪光的形式发射数字信号，每个比特之间具有时间间隔。如果优选的话，多载波调制方案也可以适用于高速光无线通信。使用色移键控(CSK)也在本发明的范围内，其中信号被编码成由红绿蓝(RGB)LED发射的颜色强度。替代地，光发射器也可以是发射红外(IR)线作为数据载体的二极管。数码相机也可以用来观察发出的红外线，以验证装置的功能。因此，广泛基于Li-Fi系统的光发射器311a首先通过ADC将输入数据转换(以获得数字信号)，然后将数字信号馈送到由信号处理器控制的LED驱动电路(光发射器)中。LED驱动器以高速利用开关键控调制工作，并且从光发射器311a以光脉冲的形式传输数据和/或经处理的信息。

以光学和电磁方式耦合到扣件部分350的舌片部分351设有光接收器312b，光接收器以光学方式耦合到光发射器311a，以通过无线模式接收携带数据的脉冲光信号。驱动器360(舌片)连接到舌片部分351的光接收器312b，并且被配置成将脉冲信号转换成合适的格式，用于由舌片部分351的集成电路封装341b进一步处理。集成电路封装341b的配置类似于集成电路封装344a。集成电路封装341b被配置成与安全带织带的报警元件542通信，该报警元件被耦合到集成电路封装341b用于致动。因此，本发明的系统有助于扣件和舌片组件之间的无线电力传输和数据通信，并有助于诸如触觉致动器的终端使用装置。

在本发明系统的布置中，集成电路封装341b也连接到驱动器360和舌片部分351的光发射器312b，以在舌片和扣件组件耦合后提供反馈。反馈从光发射器312b传送到扣件部分350的光接收器312a，又通过驱动器362传送到集成封装电路343a。反馈信息通道可用于确定事件，例如成对装置的光学和电磁耦合、传输误差等。

在本发明的又一方面，如图23和图24所示，具有多个集成电磁和光学装置400a1、400b1、400a2、400b2的乘员约束系统400布置在相应扣件437a和舌片组件431b的任一侧，并且在扣件延伸壳体440a1、440a2和舌片延伸壳体436b1、436b2的内部，其中在舌片和扣件组件400a1、400b1、400a2、400b2之间建立电磁和光学耦合。

Claims

1.一种用于无线电力传输和数据传送的集成电磁和光学装置（100），所述集成电磁和光学装置（100）包括：

构成数据收发器的光发射器（111）和光接收器（112）设置在底座元件（101）上，

磁通量导向元件（108）安装在所述底座元件（101）上，并设置在所述光发射器（111）和所述光接收器（112）之间；

耦合到磁通量放大器（106）的电磁感应接口（107）设置在所述磁通量导向元件（108）中和所述底座元件（101）的绝缘基板（105）上；

密封元件（115），其具有分别以暴露所述光发射器（111）的光学孔（116）和所述光接收器（112）的光学孔（117），并且连接到所述底座元件（101）并形成密封外壳；以及

所述光发射器（111）和所述光接收器（112）被配置为用于数据通信，并且所述电磁感应接口（107）和所述磁通量放大器（106）被配置为用于电力传输。

2.根据权利要求1所述的集成电磁和光学装置（100），其中一对所述集成电磁和光学装置（200a、200b）被设置为电磁和光学耦合，并且被配置为用于实现它们之间的无线电力传输和数据传送。

3.根据权利要求1所述的集成电磁和光学装置（100），其中所述电磁感应接口（107）是电磁线圈。

4.根据权利要求1所述的集成电磁和光学装置（100），其中用于所述磁通量导向元件（108）的材料是铁氧体材料。

5.根据权利要求1所述的集成电磁和光学装置（100），其中所述磁通量导向元件（108）连接到所述密封元件（115）的上部。

6.根据权利要求1所述的集成电磁和光学装置（100），其中所述光发射器（111）和所述光接收器（112）设置在彼此相邻的外围端上或所述磁通量放大器（106）上。

7.根据权利要求1所述的集成电磁和光学装置（100），其中所述光发射器和所述光接收器的阵列设置在所述底座元件（101）上。

8.根据权利要求1所述的集成电磁和光学装置（100），其中所述光发射器（111）是白光LED或红外LED，并且所述光接收器（112）是硅光电二极管。

9.根据权利要求7所述的集成电磁和光学装置（100），其中所述光发射器阵列是白光LED、红绿蓝（RGB）LED或红外LED，并且所述光接收器阵列是硅光电二极管。

10. 一种车辆的乘员约束系统，所述乘员约束系统具有扣件组件和舌片组件，用于当所述舌片组件与所述扣件组件锁扣时，在所述扣件组件和所述舌片组件之间进行无线电力传输和数据通信，所述乘员约束系统包括：

具有至少一个报警元件（342）的安全带（327）的织带（328）可滑动地连接到所述舌片组件（331b）并紧固到乘员（325），所述车辆的车辆电源（347）和ECU （348）连接到所述扣件组件（337a），其特征在于

第一集成电磁和光学装置（300a）和第二集成电磁和光学装置（300b）分别设置在扣件延伸壳体（340a）和舌片延伸壳体（336b）中，并且被配置为电磁和光学耦合，用于无线电力传输和数据传送，所述第一集成电磁和光学装置和所述第二集成电磁和光学装置每一者包括

构成数据收发器的光发射器和光接收器设置在底座元件上；

磁通量导向元件安装在所述底座元件上，并设置在所述光发射器和所述光接收器之间；

分别耦合到所述扣件组件（337a）和舌片组件（331b）的第一磁通量放大器（306a）和第二磁通量放大器（306b）的第一电磁感应接口（307a）和第二电磁感应接口（307b）设置在所述磁通量导向元件中和所述底座元件的绝缘基板上；具有第一光学孔（316a）、第二光学孔（317b）以分别暴露所述光发射器和所述光接收器的密封元件连接到所述底座元件，并形成密封外壳；以及

第一集成电路封装（343a）、第二集成电路封装（341b）分别设置在所述扣件组件（337a）和所述舌片组件（331b）中，并且可操作地

连接到所述车辆电源（347）、所述ECU （348）和所述第一集成电磁和光学装置以及所述第二集成电磁和光学装置，以将所述车辆电源（347）的电力作为磁通量从所述第一电磁感应接口（307a）传输到所述第二电磁感应接口（307b），并从所述第二电磁感应接口（307b）向所述报警元件（342）供电；以及

所述第一集成电路封装、所述第二集成电路封装和所述ECU （348）还被配置成通过所述数据收发器执行从所述ECU （348）到所述报警元件（342）的数据通信。

11.根据权利要求10所述的乘员约束系统，其中所述第一集成电磁和光学装置和所述第二集成电磁和光学装置被设置成电磁和光学耦合，用于无线电力传输和数据传送。

12.根据权利要求10所述的乘员约束系统，其中所述第一电磁感应接口和所述第二电磁感应接口是电磁线圈。

13.根据权利要求10所述的乘员约束系统，其中所述第一磁通量导向元件和所述第二磁通量导向元件的材料是铁氧体材料。

14.根据权利要求10所述的乘员约束系统，其中所述第一磁通量导向元件和所述第二磁通量导向元件连接到所述密封元件的上部。

15.根据权利要求10所述的乘员约束系统，其中所述光发射器和所述光接收器设置在彼此相邻的外围端上或所述第一磁通量放大器和所述第二磁通量放大器上。

16.根据权利要求10所述的乘员约束系统，其中所述光发射器和所述光接收器的阵列设置在所述底座元件上。

17.根据权利要求10所述的乘员约束系统，其中所述光发射器是白光LED或红外LED，并且所述光接收器是硅光电二极管。

18.根据权利要求16所述的乘员约束系统，其中所述光发射器阵列是白光LED、红绿蓝（RGB）LED或红外LED，并且所述光接收器阵列是硅光电二极管。