CN1707934B - 具有金属芯的压电陶瓷纤维 - Google Patents

Abstract

改进的压电线结构包括压电部分的细长部分、金属芯和外导电层。金属芯基本上被压电材料的细长部分围绕，并设置成压电结构的第一电极。该外导电层优选覆盖压电材料的细长部分的所选区域并作为结构的第二电极。该压电材料可以为钛酸钡陶瓷纤维，使得无铅结构有效，然而，还可以使用其它的材料。可以用降低的还原电压和较低的温度还原所公开的结构，而且该结构还需要降低机械致动所需的电压电平。这种压电结构的集合还可以一起设置在模块补片组件中，该模块补片组件可以形成在用于与多种环境组合的多种专用结构中，并可以用作机械致动装置、条件响应装置(例如传感器)和/或作为发电装置。

Description

具有金属芯的压电陶瓷纤维

技术领域

本发明通常涉及用于轮胎和车轮组件应用中的改进的压电材料，尤其是用在传感器或者致动器中或者用在轮胎电子组件或者其它振动系统的发电模块中。

背景技术

充气轮胎结构与电子设备的组合产生了很多实际的优点。轮胎电子设备可以包括传感器和用于获得有关轮胎的多种物理参数，例如温度、压力、轮胎旋转的数量、车辆速度等的信息的其它部件。在轮胎监控和警示系统中这种性能信息可以变得有用，并且甚至可以能和反馈系统一起使用以调整适当的轮胎压力，以及和车辆性能与控制系统一起使用。

然而对于商业车辆的应用，由与轮胎结构结合在一起的电子系统提供的另一个可能的性能对应于资产跟踪和特性描述。商用卡车车队、航空飞行器和重型推土机/采矿车辆都是能够受益于轮胎电子系统和相关的信息传输的可行的工业。轮胎传感器可以确定车辆中每个轮胎已经行进的距离并由此帮助维持用于这种商业系统的设计。对于更昂贵的应用，例如这些有关的地面采矿设备，可以优化车辆位置和特性。使用RF标记传输可以跟踪车辆的整个疾驰(fleets)过程。

某些压电材料已经用在有关轮胎和车轮组件以及其它振动系统中的多种应用中。例如，压电变换器可以用作传感器以测量对外加声场的响应。压电致动器可以将施加的电场转换成运动能量和机械位移。已经应用了压电簧片和其它专门的压电结构，以将轮胎转动的机械振动转换成用于给轮胎的电子设备组件供电的电能。

由于和压电材料的结构和运行能力内在相关的独特本性和潜在的局限性，所以在上述应用的和其它方案的压电材料的使用经常受到限制。压电晶体和纤维经常经受高应变等级下的裂化和/或轧碎。压电陶瓷需要至少一次还原处理来调整材料的极域，由此使它能够起到传感器或者致动装置的作用。为了压电装置的有效操作，通常必须精确设置和保持具有压电材料的电极的组合。另外，某些类型的压电材料可以不是充分适用于所给出的应用或者在所给出的环境中。例如，尽管锆钛酸铅(PZT)材料通常以所需的运行特性为特征，但是对于某些应用，铝基材料可能不是优选的。

根据本发明的主旨，可以意识到的是，很久就已经认识到压电材料的某些优点。但是，一直在不断地在改进这种技术，由此可能提供使用具有改进了运行能力的压电材料和压电结构的应用。本发明提出了目前所公开关注的和其它关于多种轮胎和车轮组件应用所使用的压电材料的方案，以及提出用于这些应用和其它方面的改进的压电结构。

发明内容

考虑到由本发明主旨提出的公认的特征，已经研制了用于和轮胎和车轮组件应用有关的改进的压电陶瓷。改进的压电陶瓷结构包括由金属芯形成的并设置有外导电层压电陶系纤维。金属芯和导电层给压电材料充当第一和第二电极，并可以与应用在传感器或者致动装置中的或者用在轮胎电子设备组件的发电模块中的另外的电子设备相互作用。

本发明的压电技术和轮胎电子设备应用的多个特征和方案提供了多个优点。由于压电结构独特的电子结构，公开的压电结构具有有效的设计通用性。在它们的未加工状态，压电陶瓷的柔韧特性使得形成具有多种横截面形状的目标压电瓷材料。另外，可以多种不同的结构来定向该结构，例如基本上以直线，以二维正弦结构或者以三维螺旋线结构。

本发明技术的另一个优点是公开的压电技术可以用于作为单一结构或者作为模块聚集的多种应用。通过提供外导电层电极，有利于在模块补片状组件中组合多个压电结构。模块组件可以设置成多层，并且可为了在特殊环境中运行和安装到特殊表面而定制该模块组件。

本发明的另一个优点是可以用较低的还原电压幅度以及在较低的温度位还原公开的压电结构，由此有利于压电装置的任何必需的还原。装置的机械致动所需的电压电势电平的幅度的相应降低，使公开的结构可理想的用于某些压电致动器应用中。

本发明的附属结构不仅可以作为致动装置，而且可以作为条件响应装置，例如变换器或传感器，或者作为发电装置。设置在轮胎组件中的发电装置可以给许多轮胎电子系统供电，包括转数计数器、圆周传感器、可反复充电电池组、闪光组件、微控制器、全球定位系统(GPS)和射频(RF)收发机和其它RF装置。当公开的技术用作发电装置时，该结构提供不依赖于电池组的替换的自供电轮胎电子系统。尽管电池组和电池组运行的装置仍可以和本发明的方案相结合，但是根据公开的技术，可以避免关于仅由电池组或者其它供电方案供电的轮胎电子设备的很多复杂问题。

本发明的另外的优点包括关于用于本发明结构中的材料类型设计的多功能性。一种通常更适用于发明结构的陶瓷纤维中的压电材料的优选类型是钛酸钡，由于它不包括任何铅，所以在很多应用中被优选使用。

本发明的仍然另一个优点是，根据目前的多种应用可以使用用于产生电源和使用这种电源的所公开的系统的方法。检测性能、监控和警示系统、车辆反馈系统和资产跟踪潜力(asset tracking potential)可以用于例如商业轻型载重汽车、飞机和采矿/重型推土机装备的应用中。

在本发明的一个典型实施例中，电子设备组件包括至少一个压电线结构(piezoelectric wire structure)和微控制器。压电线结构包括压电材料的细长部分、金属芯和外导电层。金属芯基本上被压电材料的细长部分围绕并设置成起到压电结构的第一电极的作用。该外导电层优选覆盖压电材料的细长部分的所选区域，并起到压电结构的第二电极的作用。将微控制器连接到至少一个压电线结构，用于监控由压电结构(例如根据被设置成作为条件响应装置的压电线结构)产生的电荷的数量或者用于监控提供给压电线结构(例如根据被设置成作为机械致动器的压电线结构)的电荷的数量。当将压电线结构设置成作为条件响应装置工作时，该结构可以监控预定的特性，例如温度和/或压力，和/或相对稳定的程度和/或动力。当应用在像轮胎或者车轮组件这样的环境中时，还可以应用压电线结构来确定像轮胎/车轮转动的数量和/或车辆速度这样的信息。RF装置可以进一步连接到压电线结构(例如通过微控制器)用于传送由压电结构输出的信号或者用于给压电结构输入信号。

本技术的另一个典型实施例对应于发电装置以及储能装置，发电装置包括如上面所述的多个压电结构的模块补片(patch)。根据这种模块组件，将可集中的多个内芯设置成第一电极，同时由包围所有结构的导电材料形成第二电极。将模块补片设置成当发电装置经受机械振动时在其中产生电荷。可以经受这种机械振动的环境的例子是在轮胎中或者车轮组件中。设置储能装置(例如电容器或者可反复充电电池组)以存储由模块补片产生的选择量的电荷。然后利用所存储的能量给这些电子部件供电，例如，转数计数器、圆周传感器、闪光组件、微控制器、RF装置和GPS装置等。

根据上述电子组件，可以监控由这种结构的至少一个压电线结构或者模块补片产生的电荷的数量，以确定该结构的效率什么时候降到低于预定阈值，例如可以表示需要再还原(repole)压电结构。在确定需要这种再还原的情况中，压电结构的电极可以连接到能够施加足够电荷的电源以实现装置的再还原。

本发明的仍然另一个典型实施例涉及具有综合发电特性的轮胎组件，该轮胎组件包括充气轮胎结构和如上所述的压电材料的模块补片。该充气轮胎结构的特征在于具有用于和地面接触的胎面部分的胎冠、用于放置轮胎到轮箍的胎缘部分和在每个胎缘部分和胎冠之间延伸的侧壁部分。模块补片与充气轮胎结构的所选择部分结合在一起，并设置成当充气轮胎结构经受机械应力时在其中产生电荷。在一些实施例中，储能装置设置成接收压电材料的模块补片中产生的电荷，并将所选择量的能量存储在其中。为了促进发电装置和轮胎结构的结合，模块补片可以附着到或者嵌入压电线结构中。

本发明的另一个典型实施例涉及一种从与振动系统结合在一起的压电材料产生电能的方法。这种方法包括相对于振动系统在所选择的位置提供至少一个压电线结构的步骤，使至少一个压电线结构经受与振动系统相关的机械应力，以及存储当经受机械应力时在至少一个压电线结构中产生的所选量的电荷。该至少一个压电线结构特征在于设置有内电极和外电极的压电材料的细长部分。在该结构中产生的电能可以用于为和振动系统相关的电子设备通电。

从这里的具体描述可以陈述本发明的另外的目的和优点，或者对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。而且，应当还可以理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可以在多种实施例和本发明的用途中实践对此处具体描述、谈及的和论述内容的更改和变化。变化可以包括(但是不局限于)对于那些说明的、参考的或者论述的，以及不同部分、特征、步骤等的功能的、操作的或者反向位置的等价装置、特征或者步骤的置换。

另外的，应当理解的是，本发明的不同实施例，以及目前不同的优选实施例可以包括目前公开的特征、步骤或者部件或者它们的等价物(包括没有在图中明确示出或者没有在这些图中的具体论述中所描述的特征、部件或者步骤的组合)的多种组合或者配置。本发明的另外的特征，不必是在该概述部分中明确说明的，其可以包括和并入在上述概述的结果中提及的特征、部件或者步骤的方案，和/或如在该申请中另外论述的其它特征、部件或者步骤。通过阅读该说明书的剩余部分，本领域普通技术人员将更好的理解这些实施例的特征和方案以及其它。

附图说明

参考附图，在说明书中向本领域普通技术人员论述了包括其最优模式的本发明的全面和允许的公开，其中：

图1示出了通常用于本发明的实施例中的典型压电线结构的横截面透视图；

图2示出了用于本发明的一些实施例中的压电线结构的功能连接的透视图，其用作模块化压电补片；

图3A和3B分别示出了根据本发明的典型轮胎组件的立体图，示出了用于定向具有充气轮胎结构的压电补片的分别的典型结构；

图4示出了根据本发明的以通常二维正弦取向设置的典型压电线结构；

图5示出了根据本发明的以通常三维螺旋线取向设置的典型压电线结构；

图6是具有根据本发明设置有附加支撑特征和外围电子部件的模块压电补片的细长的顶透视图的立体图。

整个本说明书和附图中，重复使用的参考字符旨在说明本发明的相同或者相似特征或者部件。

具体实施方式

如在本发明的发明内容部分所述的，本发明尤其涉及用于轮胎和车轮组件应用中的具有改进的压电材料，以及更特别的是用于传感器或者致动装置中或者用于轮胎电子设备组件的发电模块中的具有改进的压电材料。改进的压电材料包括与金属芯一起形成的压电陶瓷纤维，例如钛酸钡，在图1、2、4和5中描述了这些方面。在图3A和3B中描述了与轮胎组件集成的这种压电结构。当在发电应用中使用本发明的压电模块时，该模块可以用于发电系统，如图6所示。

所公开技术的上述方案的所选组合对应于本发明的多个不同实施例。应当注意的是，这里示出和论述的每个实施例不应当视为对本发明的限制。作为一个实施例的一部分，所举例说明和描述的特征或者步骤可以和另一个实施例的部分一起使用，以产生另外的实施例。另外，某些特征可以与没有确切提到的能完成相同或者相似功能的类似装置或者特征相互交换。类似地，某些处理步骤可以与其它步骤共同互相交换或者应用，以产生本发明的另外的典型实施例。

现在，将结合集成在轮胎或者车轮组件中的电子系统一起来详细说明本发明的压电结构的优选实施例。现在参考附图，图1提供了典型压电线结构10的通常的横截面透视图。压电线材料10由具有金属芯14的部分压电材料12构成。可以通过共同挤压法以细长的线状结构形成这些部分，或者可以通过浸渍、喷镀、等离子沉积或者本领域知道的其它制备方法在金属芯上形成压电材料。在一些实施例中，该线状结构10可以具有大约在五十(50)和五百(500)微米之间的典型直径18的通常圆形的横截面。应当可以理解的是，这个示意性的尺寸不应当限制本发明，对于特殊的应用，更小或者更大的横截面尺寸也是容易理解的。还应当可以理解的是，尽管在图1所示的结构被描述成具有通常圆形的横截面，但是还可考虑其它的结构，例如具有通常方形横截面或者其它形状，并由此落在本发明公开的技术的精神和范围之内。借助陶瓷材料的柔韧特性，在煅烧装置之前它的生坯状态便于结构10的设计多功能性。

结构10的压电材料12优选是纤维状的压电陶瓷，例如钛酸钡或者锆钛酸铅(PZT)纤维，但是在以下实施例中还可以对应于例如石英、硫化镉、聚偏氟乙稀(PVDF)或者聚氯乙烯(PVC)的材料，或者可以被本领域技术人员熟知的以其它纤维或者晶体形式的其它压电材料。应当可以理解的是，这些典型材料的某些更适用于轮胎结构中，并且材料选择由此可以依赖于某些性能特性。例如，公知PZT陶瓷在很多环境中具有相对高性能的良率，并由此对某些应用有益。然而，由于钛酸钡类似于无铅的压电陶瓷，它可以更适于其它应用。应当注意的是，关于这些和其它压电材料的技术进步可以使得所给出的压电材料更适合用于车辆应用，并由此落在本发明的范围之内，以包括在本发明结构中的这种新研制材料。

仍然参考图1，压电线结构10的金属芯14形成用于压电装置的第一电极，同时围绕压电材料设置的外导电层16充当装置的第二电极。由于压电材料中的裂化或破裂将固有地降低它的运行特性，所以外导电层16还提供对压电材料12的有益的保护。用于这种导电部分14和16的典型材料包括银钯合金、镍、铜、铝纤维或者其它金属衬底，或者如本领域技术人员所知道的金属合金。这种合成结构10的还原方向在内导电芯14和外导电层16之间。

一旦形成结构10，为了对准压电陶瓷纤维的域或者局部对准的邻接偶极的区域，必须还原该装置。还原处理通常包含使压电陶瓷12承受强大的、直流电场，例如通过向由导体部分14和16形成的第一和第二电极施加电压。这通常在稍微低于居里温度的温度下完成，这是在仍然能正常运行时还原的压电材料所能处于的最大温度。

在压电材料10经受还原处理之后，大多数压电材料的偶极在还原方向被对准，由此使得该结构有效地显示压电特性。当结构10经受应力，例如机械张力或者压力时，在两个电极14和16之间产生电压，由此将机械能转化成电能。根据这种压电动作，结构10可以用作传感器或者发电装置，这将在后面更具体的描述。相反，如果将与还原电压相同极性的电压施加给压电材料12(电极14和16两端)，那么结构10的直径18将增加，由此将电能转换成机械能。如果将与还原电压的极性相反的电压施加给结构10，直径18将减小。这种类型的压电动作使得结构10能够用作致动装置，这将在后面更具体的描述。

在压电结构以上述方式有效地运行之前，几乎所有的压电材料都必须被还原。在图1中描述的新颖布置产生了能够用较低的还原电压幅度以及在较低的温度水平下被还原的结构，由此极大地简化了结构10的制造和多种线状部件的任何模块聚集。这还降低了装置的机械致动所需的电压电势电平的振幅。

还应当注意的是，甚至在压电结构经受初始还原处理之后，过多的受到机械和/或电应力可以使得压电材料质量退化，导致压电偶极的不对准和压电结构10的性能下降。同样地，必须再还原(repole)该装置，其表示了还原和再还原该装置所需的降低的电势电平的附加优点。本技术的很多实施例在轮胎或者车轮应用中使用本发明的压电结构。如果在压电结构已经被初始还原并和轮胎结构组合在一起之后需要更新，那么相对低的还原电压要求可以使得更容易在轮胎内提供用于还原压电结构的装置。可以通过根据压电的发电存储的电荷或者通过提供可选择的电源(例如电池组)来影响这种压电装置。参考图6将在后面示出这种还原特性的更优选的方案。

根据本发明的技术，可以将多个压电结构组合在一起，以形成压电结构的模块补片，其在图2中表示成组件20。组件20组合了多个结构10，其中设置的各个外电极16彼此接触，由此形成用于组件20的公共电极端。通过嵌入由各个芯14和在金属化的、导电环氧树脂等的统一部分中的压电部分12形成的多个共同挤压的线，在各个实施例中形成公共电极端也是可能的。到各个内芯14的单独电连接用作其它组件端子。通过如本领域技术人员可以理解的许多公知方法可以影响这种端子的形成，因此此处不再详述。用于结束各个内芯的连接类型的例子是公知的带状连接器或者多个钳状连接，如通过图6的端子22所示。

当在如图2的组件20中组合多个结构10时，由于独特的电极构成，所以压电结构10的结构变得尤其有益。对于多层(例如，图2中示出的三层)形成压电组件的有源区域是可能的。在其它公知的压电补片实施例中，在单平面层中并排设置多个压电纤维(没有内芯电极)。然后，例如沿着平面纤维组件的顶和底表面通过丝网印刷相互交叉的电极指状物(finger)可以形成第一和第二电极。在电极可以仅仅与一层压电纤维连接的方面限制这种结构。而且，对于这种组件的有效操作，必须精确地配置和保持电极与压电材料之间的连接。

根据本发明的提供压电线结构的多层和独特模块构成的能力不仅提供了设计多功能性，而且提供了定制模块补片的构成以适应特殊应用的能力。例如，当它承受通常的机械应力时，如果沿着一个轴相对地定位压电组件20通常承受的机械应力，那么可以增加有源区域的厚度(或者层的数量)以减少组件20中的电容损失。而且，多压电结构可以组合在模块中，设计该模块以符合特殊的安装表面，其包括任何宏观的改变。参考图3A和3B，根据轮胎结构24的内表面可以形成压电材料20的模块补片。通过设计模块补片组件以匹配轮胎结构的独特轮廓，当被添加或者嵌入轮胎内时，压电纤维可以是在非应力状态。这允许在补片20用作传感器或者发电装置时更好地利用其内振动的或者提取的能量。

当多个压电结构10组合在模块组件20中(例如图2)时，通常将另外的设计方案应用到线状结构10相对于轮胎结构24的所选方向(例如图3A和3B中示出的)。当沿着轮胎的圆周方向定位压电纤维结构时，压电纤维通常承受高的拉伸应变，但是低的压缩应变。根据圆周的纤维方向，可以优选将模块组件20组合在轮胎结构24的胎冠部分26中，例如在图3A的典型轮胎组件实施例28中所示的。沿着轮胎的径向定向纤维方向，将主要能源产生耦合到径向应力。这种定向更不容易导致破坏纤维，但是产生潜在地更高的纤维压缩脱芯的敏感性。根据径向纤维定向，可以优选将模块组件20组合在轮胎结构24的所选择的侧壁部分30中，如在图3B的典型轮胎组件实施例28中所示。因此，根据补片的体积和将要经受的特定轮胎环境，可以决定径向和圆周地沿着轮胎结构定向本发明的模块压电补片。更特别地，压电补片的最佳位置和方向可以基于一些因素，比如每个轮胎周期所需的最大功率、沿着径向和圆周安装方向的最大拉伸和压缩应力以及在给定时间的压电补片上的应变均匀性。

如在图3A和3B的典型轮胎组件实施例28中示出的，单一的压电结构10或者模块补片20可以安装到轮胎结构24的内胎冠表面26或者内侧壁表面30。当轮胎结构24的胎面部分25沿着地表面移动并导致轮胎结构弯曲时，这些位置通常很适于驱动补片20内的压电材料。当轮胎组件28沿着能使压电结构产生电荷的表面移动时，与通常的机械振动耦合的该轮胎弯曲能使模块补片的操作充当传感器或发电装置。另外，补片20可以安装或者放置在结构24内，例如，在通常的轮胎结构的外胎身和内衬部分之间。在被粘接到或者嵌入轮胎中之前，补片20可以可选择地设置在另外的橡胶或者合成橡胶外套中，以提供另外的保护。这种外套另外提供了便于使压电补片粘接到轮胎结构。可以可选择地提供用于支撑的邻接于补片20的单侧的橡胶外套，然后可将其粘接到轮胎结构的内表面。根据用于压电结构的多个可能位置，应当可以理解的是，术语“组合的”通常包括所有可能的位置，包括被安装在轮胎结构上或者轮胎结构中。

如前所述，可以多种不同的方式应用压电结构10或者模块补片组件20，如打算用于轮胎和车轮组件以及其它环境中。例如，根据本发明的压电补片可以用作致动器、传感器、发电模块或者作为所有这些装置的任何或者全部的组合。由于本发明压电结构不受简支梁(simple beam)或者平面组件的限制，所以可能有无限多种压电致动器和传感器实施例。一些典型实施例包括如图4所示的二维正弦结构10′或者如图5所示的三维螺旋状或者弹簧状结构10″。应当理解的是，对于压电结构(通常10)的定向的其它变化落在本发明的精神和范围内。这种实施例可以提供增大的应力范围，在该范围压电结构可以有效地运行并还可以产生具有数十个动态范围的特别敏感的振动传感器。

由于压电致动器通常以相对快的响应时间和高效的能量转换为特征，所以作为机械致动装置的本发明的压电结构的使用是所希望的。压电致动器通常适合于装置小型化，由此使得具有单一压电结构或者具有模块补片组件的可行的压电致动器得以实现。由于致动压电装置需要相对低的电压电势，所以可以实现另外的优点。

其中本发明的压电结构或者模块补片可以用作条件响应装置，例如变换器、传感器、声学装置或者响应输入条件的变化提供某种输出的其它部件。这种条件响应装置可以用于监控任何数量的轮胎或者车轮特性，例如(但是不局限于)，温度、压力、轮胎旋转的数量、车辆速度以及与作用于轮胎结构或者与轮胎结构(例如侧壁形变或轮胎位移)有关的三维静态和动态力的大小。压电变换器的组合可以用在单一声学装置中，通过检测压电结构对施加的声场和其它力的响应，该声学装置能够监控与所给轮胎结构相关的温度和压力。

本发明的压电结构的另一个重要应用对应于设立用在轮胎结构中的发电装置。用于为轮胎电子组件供电的常规电源可以对应于电池组或者从最接近的辐射天线获取的能量。如果电池组是不可反复充电的，那么可能需要周期地替换它们，并经常对他们进行处理和效率关注。从询问天线获取的RF能量的实施例经常是效率非常低、昂贵且容易损坏。因此，通过获得当轮胎承受机械应力时在压电补片内产生的电荷，根据本技术的压电补片可以提供用于轮胎电子组件的改进电源。通常在轮胎旋转过程中，可以产生足量的机械应力。

如下文所示的，具有压电材料的本发明发电装置的性能具有超过用于在轮胎组件内提供电源的常规技术的很多优点。如上面讨论的，天线射束能量获取技术不再是选自于为轮胎电子设备供电的其中一个受限的选择。同样，通常提高了很多类型的轮胎电子设备的操作性能。利用电池组供电的选择不再是必须的，由此避免了昂贵的和麻烦的电池组替换。尽管目前公开的技术提出了能够不使用天线射束能量和电池组的发电装置，但是应当可以理解的是，发电装置可以应用压电技术和/或电池组和/或天线射束获取技术的混合组合，用于给车轮组件内不同选择的电子部件供电。

当压电补片20用作发电装置时，它通常与某些储能和/或调节装置32一起设置，如图6所示的。储能装置32可以和第一和第二电端子22和34并连连接，使得当它承受机械应力时接收在补片20中产生的所选数量的电荷。储能装置32可以相当于电解电容器，例如至少大约47μF的松下TEL系列钽电容器。其它类型的电容，例如超级电容器或者非电解电容器可以同样适用于作为储能装置32使用。储能装置32还可以相当于可反复充电电池组，例如LiteStar牌的固态可反复充电电池组，例如由Infinite Power Solutions提供的。其它的可反复充电固态电池组或者可反复充电的化学电池组也可以用作储能装置28。

辅助的能量获取电路可以和储能装置一起设置，以产生用于某些轮胎电子部件的调节电源。在通常拥有的专利申请USSN 10/143,535中公开了包括电源获取电路和典型的轮胎电子系统的电源之间的相互作用的方案这种电源获取/调节电路的例子，题目为“用于从使用压电纤维成分的转动轮胎的机械能量产生电能的系统和方法”，出于参考的目的在这里引作参考。

当在压电补片20中产生足量的电荷并依次存储在储能装置32中时，它然后可以用于给轮胎电子组件36供电，电子组件36可以包括许多部件或者其组合。轮胎电子组件36可以包括这种典型部件，作为转数计数器、条件响应装置、可反复充电电池组、闪光组件、微控制器、全球定位系统(GPS)和/或射频(RF)装置。题目为“用于从使用压电纤维成分的转动轮胎的机械能量产生电能的系统和方法”的上面提到的美国专利申请USSN10/143,535包括可以用压电组件供电的轮胎电子系统的另外的实施例。这里公开的本发明改进的压电结构可以与USSN 10/143,535中公开的技术一起使用或者和其中的元件的任何组合一起使用，其也落在本发明的精神和范围内。

应当可以理解的是，根据公开的技术，不同于本说明书特定公开或者通过这里参考引入的那些其它电子设备可以与本发明的压电发电技术一起使用。根据所公开技术的方案，能够被供电的电子应用的数量是巨大的并且决不应当限制到本发明。

如上所述，可以设置与本发明压电结构相关的电路，以便当需要再还原以及实际再还原压电结构时监控压电结构。监控模块补片20中的压电结构的特性的一个例子是监控存储在储能装置32或者存储在与模块补片20一起(例如可以设置在电子组件36中)提供的另一个专用储能元件(例如电容器)的电荷数量。与这种储能装置有关的电容大小可以直接与模块补片20中的压电材料的特性相关，例如这种材料的介电常数。在相关的储能装置检测的电容大小可以与设置在电子组件36中的微控制器编程的预定电容大小作比较。如果检测的值下降到低于预定阈值，则可能需要对装置进行再还原。由于可能需要在装置再还原中施加相对大的电压，所以还可以提供电压变换器以将存储的能量从相对较低的电压转化成较高的电压(例如大约300V或者由模块补片20中的压电材料的类型或者厚度决定的其它特定大小)。然后可以将这种相对较高的电压施加在模块补片20的压电材料的电极两端以影响装置再还原。

对于用作根据本发明的发电装置，可以考虑用于某些应用的压电补片20的另外的设计限制。例如，如图6所示，通过靠近支撑衬底38设置压电补片20可以给压电补片20提供额外的加固。根据任何公知的方法可以将模块补片20粘着到支撑衬底38。在另外的典型实施例中，可以将模块补片20可选择地嵌入支撑衬底中。压电补片20和支撑衬底38的组合有利于通过补片20内的压电纤维材料看见的应力的机械分配。通过改善越过补片20的应力的均衡，所有压电结构通常以相同的张力运行。加固的压电补片能够在轮胎结构内和对应的车辆环境中继续存在更长时间。

由于支撑衬底38优选用于尽可能均衡地分配越过压电补片20的应力，所以支撑衬底38的特征优选地在于均衡的厚度和硬度大小。可以根据在轮胎结构中使用的材料类型来设计支撑衬底的实际厚度，该轮胎结构与根据本发明的压电补片组合在一起。可以设计用于轮胎结构的衬底厚度与弹性模块的最佳组合，以保证压电补片的适当致动以及以合适的方式将轮胎结构与该补片组合在一起的能力。在该技术的一些实施例中，虽然硬度大小是不均匀的，但是还是可以容易地调节的。典型的支撑衬底38的特征还在于在一些实施例中的用于继续存在于轮胎环境中的例如低迟滞、化学惰性和粘着能力的性质。适于形成支撑衬底38的材料的特殊例子是印刷电路板(PCB)材料，例如玻璃纤维或者其它这种材料。用于形成支撑衬底38的适当材料的另一个例子是高模量橡胶混合物。

尽管参考其特定实施例具体描述了本发明，但是本领域技术人员可以理解的是，依据前述获得的理解可以容易产生对这些实施例的变形、改变及其等价物。因此，本发明具体所述实施例是作为例子，而不是作为限制，并且本发明的范围不排除包括这种变形、改变和/或根据本发明对本领域技术人员显而易见的内容。

Claims (36)

1.一种发电装置，包括：

压电材料的模块补片，其被设置成用于当所述发电装置承受机械振动时在其中产生电荷，所述模块补片包括：

多个细长的压电结构；

多个金属芯，每个金属芯由所述多个细长的压电结构的其中一个围绕，其中集中的多个金属芯设置成起着压电材料的模块补片的第一电极的作用；以及

导电材料，环绕所述多个细长的压电结构的每个，并形成压电材料的模块补片的公共第二电极；以及

储能装置，其被设置成用于从压电材料的所述模块补片接收所述电荷，并在其中存储选择数量的所述电荷。

2.根据权利要求1的发电装置，其中所述的多个压电结构包括钛酸钡纤维。

3.根据权利要求1的发电装置，其中所述压电结构包括选自于由石英、钛酸钡、硫化镉、锆钛酸铅、聚偏氟乙稀和聚氯乙烯所组成的组中的材料。

4.根据权利要求1的发电装置，还包括用于监控由压电材料的所述模块补片产生的电荷的数量的装置，以确定充气轮胎结构的预选特性。

5.根据权利要求4的发电装置，其中所述预选特性选自于由温度、压力、轮胎旋转的数量、车辆速度以及作用在轮胎结构上的静态和动态力的大小所组成的组。

6.根据权利要求1的发电装置，其中压电材料的所述模块补片与充气轮胎结构的一部分组合在一起，并设置成当所述充气轮胎结构承受机械应力时在其中产生电荷。

7.根据权利要求1的发电装置，还包括用于监控由压电材料的所述模块补片产生的电荷的装置，以确定压电结构的还原效率什么时候降到低于预定的阈值大小。

8.根据权利要求7的发电装置，还包括接到所述模块补片的各自的第一和第二电极的电源，用于在发电装置效率降到低于预定的阈值大小时再还原压电材料的模块补片。

9.根据权利要求1的发电装置，还包括至少一个电子部件，该电子部件选自于由转数计数器、条件响应装置、可反复充电电池组、闪光组件、微控制器、全球定位系统和射频装置组成的组，其中所述至少一个电子部件由产生在压电材料的所述模块补片中的电荷供电。

10.根据权利要求1的发电装置，其中所述储能装置包括电解电容器、超级电容器、可反复充电固态电池组和可反复充电化学电池中的一个。

11.一种电子设备组件，包括：

至少一个压电线结构，所述至少一个压电线结构包括：

压电材料的细长部分；

金属芯，被压电材料的所述细长部分围绕，设置所述金属芯以起到压电线结构的第一电极的作用；和

外导电层，覆盖压电材料的所述细长部分的一部分区域，设置所述外导电层以起到压电线结构的第二电极的作用；和

微控制器，连接到至少一个压电线结构，用于监控由所述至少一个压电线结构产生的电荷的量，或者监控提供给所述至少一个压电线结构的电荷的量。

12.根据权利要求11的电子设备组件，其中所述压电材料包括钛酸钡纤维。

13.根据权利要求11的电子设备组件，其中所述压电材料包括选自由于由石英、钛酸钡、硫化镉、锆钛酸铅、聚偏氟乙稀和聚氯乙烯所组成的组中的材料。

14.根据权利要求11的电子设备组件，其中所述至少一个压电线结构起到条件响应装置的作用，以相对于预定的特性通过产生变化量的电荷来监控给定环境的预定特性。

15.根据权利要求14的电子设备组件，其中所述预定特性选自于由温度、压力以及作用在所述给定环境的静态和动态力的大小所组成的组。

16.根据权利要求11的电子设备组件，其中所述至少一个压电线结构与充气轮胎结构的一部分组合在一起，并设置成用于感测从选自于由温度、压力、轮胎旋转的数量、车辆速度以及作用在充气轮胎结构上的静态和动态力的大小所组成的组中的至少一个预定特性。

17.根据权利要求11的电子设备组件，还包括用于控制所述压电线结构作为机械致动装置的装置。

18.根据权利要求11的电子设备组件，其中所述至少一个压电线结构以二维正弦结构定向。

19.根据权利要求11的电子设备组件，其中所述至少一个压电线结构以三维螺旋结构定向。

20.根据权利要求11的电子设备组件，其中所述由压电材料的所述细长部分围绕的金属芯通过共同挤压而形成。

21.根据权利要求11的电子设备组件，其中通过浸渍、喷镀、或等离子沉积的其中之一围绕所述金属芯而形成所述压电材料的细长部分。

22.根据权利要求11的电子设备组件，还包括连接到并由所述微控制器控制的射频装置，用于传递由所述至少一个压电线结构输出的信号或者用于将信号输入到所述至少一个压电线结构。

23.一种具有集成的发电特征的轮胎组件，所述轮胎组件包括：

充气轮胎结构，特征在于具有用于和地表面接触的胎面部分的胎冠部分、用于将所述轮胎设置到轮箍的胎缘部分和在每个胎缘部分和胎冠之间的延伸的侧壁部分；和

与所述充气轮胎结构的一部分组合的压电材料的模块补片，所述模块补片设置成用于在所述充气轮胎结构承受机械应力时在其中产生电荷，所述模块补片包括：

多个细长的压电结构；

多个金属芯，每个金属芯由所述多个细长的压电结构的其中一个围绕，其中集中的多个金属芯设置成起着压电材料的模块补片的第一电极的作用；以及

导电材料，环绕所述多个细长的压电结构的每个并形成压电材料的模块补片的公共第二电极。

24.根据权利要求23的轮胎组件，其中在所述模块补片中的压电结构包括选自于由石英、钛酸钡、硫化镉、锆钛酸铅、聚偏氟乙稀和聚氯乙烯所组成的组中的材料。

25.根据权利要求23的轮胎组件，还包括用于监控在所述模块补片中产生的电荷的数量的装置，以确定充气轮胎结构的预定特性。

26.根据权利要求25的轮胎组件，其中所述预定特性选自于由温度、压力、轮胎旋转的数量、车辆速度以及作用在轮胎结构上的静态和动态力的大小所组成的组。

27.根据权利要求23的轮胎组件，还包括储能装置，设置该储能装置以接收压电材料的所述模块补片中的电荷，并在其中存储选择量的所述电荷。

28.根据权利要求27的轮胎组件，其中所述储能装置包括选自于由电解电容器、非电解电容器、超级电容器、可反复充电固态电池组和可反复充电化学电池所组成的组中的装置。

29.根据权利要求23的轮胎组件，还包括用于监控由压电材料的所述模块补片产生的电荷的装置，以确定压电结构的还原效率什么时候降到低于预定的阈值大小。

30.根据权利要求29的轮胎组件，还包括连接到所述模块补片的各自的第一和第二电极的电源，用于在发电装置效率降到低于预定的阈值大小时再还原压电材料的模块补片。

31.根据权利要求23的轮胎组件，还包括至少一个电子部件，该电子部件选自于由转数计数器、条件响应装置、可反复充电电池组、闪光组件、微控制器、全球定位系统和射频装置所组成的组，其中所述至少一个电子部件由产生在压电材料的所述模块补片中的电荷供电。

32.根据权利要求23的轮胎组件，还包括支撑衬底，其中所述模块补片嵌入在所述支撑衬底中。

33.一种用于从与振动系统组合的压电材料发电的方法，所述方法包括下述步骤：

在相对于振动系统所选择的位置处提供多个压电线结构，其中所述多个压电线结构特征在于压电材料的细长部分，压电材料的细长部分设置有用作第一内电极的金属芯和环绕压电材料的细长部分并形成所述多个压电线结构的第二公共外电极的导电材料；

承受步骤，使所述多个压电线结构承受与振动系统有关的机械应力，使得在多个压电线结构内产生电荷；以及

存储步骤，存储选择量的所述多个压电线结构中产生的电荷，使得所述存储的电荷用于为与所述振动系统有关的电子装置供电。

34.根据权利要求33的方法，还包括：在所述存储步骤之前，调节所述多个压电线结构中产生的电荷的流动的步骤。

35.根据权利要求33的方法，还包括根据所存储的电荷将调节的电压源提供给另外连接到所述振动系统的微控制器的步骤。

36.根据权利要求33的方法，其中所述的振动系统包括轮胎或者车轮组件，其中与振动系统有关的所述承受步骤的机械应力对应于通常在轮胎或者车轮组件沿着地表面转动时产生的机械应力。

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