DE102004031810B4 - System for generating electrical energy for electronic components - Google Patents

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Abstract

System zur Erzeugung elektrischer Energie für elektronische Komponenten mit einem piezoelektrischen Element, das in einem Fahrzeugluftreifen angeordnet ist, der einen an der Außenseite angeordneten Laufstreifen aufweist, wobei dass das piezoelektrische Element (1, 11, 110) an der Reifeninnenseite (21) dem Laufstreifen (2) gegenüberliegend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem piezoelektrischen Element (110) versetzt zueinander angeordnete Kontaktflächen (111, 112, 113) zugeordnet sind, die zur Ermittlung von Quer- oder Längsbeschleunigung mit einer Auswerteschaltung verbunden sind.System for generating electrical energy for electronic components with a piezoelectric element, which is arranged in a pneumatic vehicle tire having a tread arranged on the outside, wherein the piezoelectric element (1, 11, 110) on the tire inner side (21) the tread ( 2) is arranged opposite, characterized in that the piezoelectric element (110) offset from each other arranged contact surfaces (111, 112, 113) are assigned, which are connected to determine transverse or longitudinal acceleration with an evaluation circuit.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung elektrischer Energie für elektronische Komponenten mit einem piezoelektrischen Element, das auf einem Fahrzeugluftreifen angeordnet ist, der einen an der Außenseite angeordneten Laufstreifen aufweist.The invention relates to a system for generating electrical energy for electronic components with a piezoelectric element which is arranged on a pneumatic vehicle tire having a tread arranged on the outside.

Fahrzeugreifen, insbesondere Kraftfahrzeugreifen, werden zunehmend mit Transpondern ausgerüstet, die Informationen über den Reifen beinhalten bzw. aufnehmen und an Auswerteeinrichtungen am oder im Fahrzeug senden. Darüber hinaus können Betriebsparameter von Fahrzeugreifen, wie Temperatur oder Luftdruck, sowie die Laufleistung über entsprechende Sendeeinrichtungen aus dem Fahrzeugreifen an Auswerteeinheiten gesendet werden.Vehicle tires, in particular motor vehicle tires, are increasingly being equipped with transponders that contain or record information about the tire and send it to evaluation devices on or in the vehicle. In addition, operating parameters of vehicle tires, such as temperature or air pressure, as well as the mileage can be sent via corresponding transmitting devices from the vehicle tire to evaluation units.

Aus der DE 44 02 136 A1 ist ein System zur Bestimmung der Betriebsparameter von Fahrzeugreifen bekannt, bei der im Fahrzeugreifen integriert eine Trägereinheit angeordnet ist, die eine Sensoreinheit mit mindestens einem Detektor und eine Auswerteelektronikeinheit trägt. Auf dem Trägerkörper ist ein zur Energieversorgung der Systemkomponenten dienendes piezoelektrisches Element angeordnet, das zugleich als Sensor für die Reifenumdrehungen dient. Ebenfalls ist der Trägerkörper mit einer Datenübertragungseinheit versehen. Das System ist in dem Reifengummi integriert, so dass aufgrund des piezoelektrischen Effektes aufgrund der sich im Reifengummi zyklisch ändernden hydrostatischen Druckspannung elektrische Energie gewonnen wird. Die US 4 246 567 A , US 2003/0062994 A1 , DE 698 06 566 T2 , und US 2003/0058118 A1 offenbaren weitere bekannte Systeme zur Energieerzeugung.From the DE 44 02 136 A1 a system for determining the operating parameters of vehicle tires is known in which a carrier unit is integrated in the vehicle tire, which carries a sensor unit with at least one detector and an evaluation electronics unit. On the carrier body serving for supplying energy to the system components piezoelectric element is arranged, which also serves as a sensor for the tire revolutions. Likewise, the carrier body is provided with a data transmission unit. The system is integrated in the tire rubber, so that due to the piezoelectric effect due to the cyclic changing in the tire rubber hydrostatic compressive stress electrical energy is obtained. The US 4 246 567 A . US 2003/0062994 A1 . DE 698 06 566 T2 , and US 2003/0058118 A1 disclose other known systems for power generation.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes System bereitzustellen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.The object of the present invention is to provide an improved system. According to the invention this object is achieved by a system having the features of claim 1. Advantageous developments of the invention are set forth in the subclaims.

Das erfindungsgemäße System zur Erzeugung elektrischer Energie für elektronische Komponenten mit einem piezoelektrischen Element, das an einem Fahrzeugluftreifen angeordnet ist, die einen an der Außenseite angeordneten Laufstreifen aufweist, sieht vor, dass das piezoelektrische Element an der Reifeninnenseite dem Laufstreifen gegenüberliegend angeordnet ist. Es hat sich gezeigt, dass sich im Betrieb eines Fahrzeugreifens hohe, sprunghafte Änderungen bei den Zentripetalkräften einstellen, wenn beim Abrollen des Reifens der Übergang zur Reifenaufstandsfläche stattfindet. Dabei finden sowohl beim Auftreffen auf den Fahrbelag als auch beim Verlassen des Fahrbelages sehr hohe Sprünge im Verlauf der Zentripetalbeschleunigungen statt. Durch die hohen Beschleunigungswechsel ist es möglich, einen sehr großen piezoelektrischen Effekt damit eine große Menge elektrischer Energie zu erzeugen.The electric power generation system for electronic components of the present invention having a piezoelectric element disposed on a vehicle pneumatic tire having a tread provided on the outside provides that the piezoelectric element on the tire inner side is disposed opposite to the tread. It has been found that in the operation of a vehicle tire, high, sudden changes in the centripetal forces occur when the rolling of the tire, the transition to the tire footprint takes place. There are very high jumps in the course of Zentripetalbeschleunigungen both when hitting the driving surface and when leaving the driving surface. Due to the high acceleration changes, it is possible to produce a very large piezoelectric effect so that a large amount of electrical energy.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das piezoelektrische Element als ein Biegebalken, ein Piezostack mit aufeinandergestapelten piezoelektrischen Elementen oder als ein Torsionselement ausgebildet ist, das aufgrund der sprunghaften Wechsel im Verlauf der Zentripetalbeschleunigung elektrische Energie erzeugt. Durch die Drehbewegung des Reifens werden am Ort des piezoelektrischen Elementes Zentrifugal- und Zentripetalkräfte erzeugt. Diese wirken auf das Piezoelement je nach dessen Aufbau als Druck-, Biege-, Torsions- und/oder Scherkräfte, das elektrische Energie erzeugt. Die dominierende Kraftkomponente wird durch den gewählten mechanischen und elektrischen Aufbau des Piezoelementes bestimmt.A further development of the invention provides that the piezoelectric element is designed as a bending beam, a piezo stack with stacked piezoelectric elements or as a torsion element that generates electrical energy due to the sudden change in the course of Zentripetalbeschleunigung. The rotational movement of the tire generates centrifugal and centripetal forces at the location of the piezoelectric element. These act on the piezoelectric element depending on its structure as pressure, bending, torsional and / or shear forces, which generates electrical energy. The dominant force component is determined by the selected mechanical and electrical design of the piezoelectric element.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das als Biegebalken ausgebildete piezoelektrische Element zwischen zwei Kontaktlücken gelagert ist, die wiederum über eine Gleichrichterschaltung mit einem Ladungsspeicher verbunden sind. Der Ladungsspeicher kann beispielsweise als Akku, Elko oder Kondensator, vorzugsweise Keramikkondensator, ausgebildet sein.A development of the invention provides that the piezoelectric element formed as a bending beam is mounted between two contact gaps, which in turn are connected via a rectifier circuit to a charge storage device. The charge storage device can be designed, for example, as a rechargeable battery, electrolytic capacitor or capacitor, preferably a ceramic capacitor.

Bei einer Ausbildung als übereinandergestapelte Piezoelemente in Gestalt eines Piezostacks ist dieser auf einer elektrisch leitfähigen Schicht angeordnet, um von dort die elektrische Energie zu dem Verbraucher oder dem elektrischen Ladungsspeicher zu leiten.In a design as stacked piezoelectric elements in the form of a piezo stack this is arranged on an electrically conductive layer to guide from there the electrical energy to the load or the electric charge storage.

Vorzugsweise sind die piezoelektrischen Elemente oder das piezoelektrische Element auf einem Träger montiert, der auf oder in der Reifeninnenseite angeordnet ist. Auf diesem Träger sind auch die Gleichrichterschaltung und weitere Leitungselemente oder elektronische Bauteile angeordnet, die mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Anordnung auf einem Träger hat den Vorteil eines mechanischen Schutzes der darauf angeordneten Komponenten.Preferably, the piezoelectric elements or the piezoelectric element are mounted on a carrier which is arranged on or in the tire inner side. On this support, the rectifier circuit and other line elements or electronic components are arranged, which are supplied with electrical energy. The arrangement on a carrier has the advantage of a mechanical protection of the components arranged thereon.

Ein weitergehender Schutz des piezoelektrischen Elementes und der elektronischen Komponenten wird durch eine Abdeckung gewährt, die bevorzugt auf dem Träger angeordnet ist und die elektronischen Komponenten umfasst. Die Abdeckung ist wahlweise als ein festes Gehäuse oder als ein Globtop ausgebildet, wobei die hochelastische Glob-top-Hülle das piezoelektrische Element gegen eine Fixierung durch eine Vergussmasse schützt.Further protection of the piezoelectric element and the electronic components is afforded by a cover, which is preferably arranged on the carrier and comprises the electronic components. The cover is optionally formed as a solid housing or as a Globtop, wherein the highly elastic glob-top shell protects the piezoelectric element against a fixation by a potting compound.

Es ist vorgesehen, dass dem piezoelektrischen Element versetzt zueinander angeordnete Kontaktflächen zugeordnet sind, die zur Ermittlung von Quer- oder Längsbeschleunigung mit einer Auswerteschaltung verbunden sind. Auf diese Art und Weise kann z. B. die Drehrichtung des Reifens damit die Bewegungsrichtung des Fahrzeugreifens und des Fahrzeuges erkannt werden.It is envisaged that the piezoelectric element offset from one another Contact surfaces are assigned, which are connected to determine transverse or longitudinal acceleration with an evaluation circuit. In this way, z. B. the direction of rotation of the tire so that the direction of movement of the vehicle tire and the vehicle are detected.

Das System sieht weiterhin vor, dass ein Transponder oder eine Sendeeinrichtung zum Übermitteln gespeicherter oder ermittelter Daten bezüglich des Reifens mit dem piezoelektrischen Element verbunden ist und von diesem mit Energie versorgt wird.The system further provides that a transponder or transmitting device for communicating stored or detected data relating to the tire is connected to and powered by the piezoelectric element.

Zur Erhöhung des piezoelektrischen Effektes ist auf dem piezoelektrischen Element zumindest eine seismische Masse angeordnet, vorzugsweise bildet der Transponder diese seismische Masse.To increase the piezoelectric effect, at least one seismic mass is arranged on the piezoelectric element, preferably the transponder forms this seismic mass.

Eine Befestigung des piezoelektrischen Elementes an der Reifeninnenseite ist über ein Band oder einen Gurt ausgeführt, eine Vergussmasse schützt den Transponder vor Beschädigungen.An attachment of the piezoelectric element to the inside of the tire is carried out via a belt or a belt, a potting compound protects the transponder from damage.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren bezeichnen gleiche Komponenten. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying figures. Like reference numerals in different figures indicate like components. Show it:

1 – eine schematische Darstellung eines Reifens; 1 A schematic representation of a tire;

2 – einen Verlauf einer drehwinkelabhängigen Zentrifugalbeschleunigung über eine komplette Reifenumdrehung; 2 A course of a rotational angle-dependent centrifugal acceleration over a complete tire revolution;

3 – eine erste Ausgestaltung eines Piezogenerators in einem Gehäuse; 3 - A first embodiment of a piezoelectric generator in a housing;

4 – einen Piezogenerator gemäß 3 mit einem Globtop; 4 - a piezoelectric generator according to 3 with a globtop;

5 – eine Variante eines Piezogenerators mit Globtop; 5 - A variant of a piezoelectric generator with Globtop;

6 – einen Piezogenerator gemäß 5 mit elastischer Kontaktschicht; 6 - a piezoelectric generator according to 5 with elastic contact layer;

7 – eine Einzeldarstellung einer Kontaktschicht gemäß 6; 7 - An individual representation of a contact layer according to 6 ;

8 – eine schematische Ansicht eines Sensortransponders; sowie 8th A schematic view of a sensor transponder; such as

9 – eine montierte Sensortransponderanordnung. 9 A mounted sensor transponder assembly.

In der 1 ist ein auf einer Felge 3 montierter Reifen gezeigt, an dessen äußerem Umfang ein Laufstreifen 2 angeordnet ist. Auf der Reifeninnenseite, dem Laufstreifen 2 gegenüber, ist ein Sensortransponder 1 mit einem piezoelektrischen Element zur Messung reifenspezifischer Kennwerte befestigt. Aufgrund der Radlast ist der auf einer Fahrbahn 5 abrollende Reifen im Bereich einer Reifenaufstandsfläche 6 abgeflacht, und zwar um die Eindrückstrecke 4.In the 1 is one on a rim 3 mounted tire shown on the outer periphery of a tread 2 is arranged. On the inside of the tire, the tread 2 opposite, is a sensor transponder 1 attached with a piezoelectric element for measuring tire-specific characteristics. Because of the wheel load is on a roadway 5 rolling tires in the area of a tire contact patch 6 flattened, and indeed around the Eindrückstrecke 4 ,

In der 2 ist über den Drehwinkel β des Reifens der winkelabhängige Verlauf einer Zentripetalbeschleunigung a gezeigt, abhängig von dem Ort, an dem sich das piezoelektrische Element in dem Sensortransponder 1 befindet. Ist das piezoelektrische Element an der Felge 3 angeordnet, stellt sich bei einer gleichmäßigen Geschwindigkeit ein konstanter Zentripetalbeschleunigungsverlauf 8 ein. Im Gegensatz zu einem Anbringungsort an der Felge beschreibt der im Bereich des Laufstreifens angebrachte Sensortransponder nur zum Teil eine Kreisbahn, im Bereich der Bodenaufstandsfläche bewegt er sich auf einer Geraden. Diese Tatsache führt zu Beschleunigungsänderungen, über die der piezoelektrische Effekt ausgenutzt werden kann. Im Bereich der Reifenaufstandsfläche 6 wirkt keine Zentripetalbeschleunigung a auf das Piezoelement in einem Sensortransponder 1. Anhand der Beschleunigungsspitzen im Einlaufbereich E und Auslaufbereich A bzw. dem Verringern der Beschleunigung auf Null kann eine Reifendrehzahlerkennung durchgeführt werden. Die Anordnung des Piezoelementes an der Reifeninnenseite hat eine hohe Beschleunigungsänderung des Piezoelementes zur Folge, da die Zentripetalbeschleunigung a größer wird, je weiter entfernt das Piezoelement von dem Drehpunkt ist.In the 2 For example, the angle-dependent course of a centripetal acceleration a is shown via the rotational angle β of the tire, depending on the location at which the piezoelectric element in the sensor transponder 1 located. Is the piezoelectric element on the rim 3 arranged at a uniform speed, a constant Zentripetalbeschleunigungsverlauf 8th one. In contrast to a mounting location on the rim, the sensor transponder mounted in the area of the tread only partially describes a circular path; in the area of the ground contact area, it moves on a straight line. This fact leads to acceleration changes, over which the piezoelectric effect can be exploited. In the area of the tire contact patch 6 no centripetal acceleration a acts on the piezo element in a sensor transponder 1 , Based on the acceleration peaks in the inlet region E and outlet region A or reducing the acceleration to zero, a tire speed detection can be performed. The arrangement of the piezoelectric element on the inner side of the tire results in a high change in the acceleration of the piezoelectric element, since the centripetal acceleration a increases the farther away the piezoelectric element is from the fulcrum.

Die 3 zeigt einen möglichen Aufbau eines Piezogenerators an einer Reifeninnenseite, bei dem auf einem Träger 9, vorzugsweise einer Trägerplatte, ein piezoelektrischer Biegebalken 11 zwischen zwei Kontaktblöcken 10 montiert sind. Die Kontaktblöcke 10 sind elektrisch leitend und verbinden den piezoelektrischen Biegebalken 11 mit einer Schaltung zur Richtungserkennung, die in der 7 dargestellt ist. Von dort aus führen Kabel zu einem Ladungsspeicher.The 3 shows a possible construction of a piezoelectric generator on a tire inner side, in which on a support 9 , preferably a carrier plate, a piezoelectric bending beam 11 between two contact blocks 10 are mounted. The contact blocks 10 are electrically conductive and connect the piezoelectric bending beam 11 with a circuit for direction detection, which in the 7 is shown. From there, cables lead to a charge storage.

Um die Bewegungsfreiheit des Biegebalkens 11 zu gewährleisten, ist ein Gehäuse 12 als Haube darüber angeordnet, während ein unelastischer Verguss 13 die Gesamtanordnung an der Reifeninnenseite mechanisch schütz. Die Befestigung des Piezogenerators erfolgt über einen Gurt oder ein Band an die Reifeninnenseite bzw. wird an die Reifeninnenseite geklebt oder vulkanisiert.To the freedom of movement of the bending beam 11 to ensure is a housing 12 arranged as a hood over it, while an inelastic encapsulation 13 the overall arrangement on the inside of the tire mechanically protected. The attachment of the piezoelectric generator via a belt or a belt to the inside of the tire or is glued or vulcanized to the inside of the tire.

Durch die Beschleunigungskräfte, wie sie in der 2 dargestellt sind, werden die Enden des Biegebalkens 11 in Richtung der Doppelpfeile bewegt und verformen den Biegebalken 11. Dadurch wird elektrische Energie aufgrund des piezoelektrischen Effektes erzeugt. Der piezoelektrische Biegealken der 3 und 4 kann als Singlelayer, Multilayer oder als Piezo-Metall-Verbund ausgeführt werden.By the acceleration forces, as in the 2 are shown, the ends of the bending beam 11 moved in the direction of the double arrows and deform the bending beam 11 , This will cause electrical energy due to the generated piezoelectric effect. The piezoelectric bending of the 3 and 4 can be implemented as a single layer, multilayer or as a piezo-metal composite.

In der 4 ist eine Variante des Piezogenerators 1 dargestellt, die in der Funktionsweise und im Aufbau sich von der 3 dadurch unterscheidet, dass anstelle einer starren Haube 12 ein hochelastischer Globtop 16 den Biegebalken 11 vor einer Blockierung durch eine starre Vergussmasse 13 schützt. Aufgrund der Elastizität der Globtop-Hülle ist es möglich, dass sich der Biegebalken 11 aufgrund der Beschleunigungskräfte, die montagebedingt beim Übergang in den und aus den Bereich der Reifenaufstandsfläche 6 auf den Sensortransponder 1 wirken, verformen kann.In the 4 is a variant of the piezo generator 1 shown in the functioning and in the structure of the 3 it differs in that instead of a rigid hood 12 a highly elastic globtop 16 the bending beam 11 before being blocked by a rigid potting compound 13 protects. Due to the elasticity of the globtop sheath, it is possible that the bending beam 11 due to the acceleration forces caused by the assembly during the transition to and from the area of the tire contact patch 6 on the sensor transponder 1 act, can deform.

Eine alternative Ausgestaltung des piezoelektrischen Elementes ist in der 5 dargestellt, bei der statt eines Biegebalkens 11 gemäß der 3 und 4 ein mehrlagiger als Piezoelement ausgebildeter Axialsensor 110 über eine elektrisch leitfähige Schicht 14 auf dem Träger 9 montiert ist. Die Montage kann über Kleben, Löten oder Leihpressen erfolgen. Zusätzlich ist eine seismische Masse 15 auf dem als Piezoelement ausgebildeten Axialsensor 110 aufgebracht, um den piezoelektrischen Effekt zu erhöhen. Umgeben ist der Sensortransponder 1 wieder von einem Globtop 16, der eine Trennung von einer festen Vergussmasse 13 bewirkt und eine Bewegung des Piezoelementes ermöglicht.An alternative embodiment of the piezoelectric element is in the 5 shown in place of a bending beam 11 according to the 3 and 4 a multi-layer formed as a piezoelectric element axial sensor 110 via an electrically conductive layer 14 on the carrier 9 is mounted. The assembly can be done by gluing, soldering or lending. In addition, a seismic mass 15 on the formed as a piezoelectric element axial sensor 110 applied to increase the piezoelectric effect. Surrounded is the sensor transponder 1 again from a globtop 16 which is a separation from a solid potting compound 13 causes and allows movement of the piezoelectric element.

Eine alternative Ausgestaltung des Piezogenerators 1 ist in der 6 dargestellt, bei der die elastische Kontaktschicht 14, wie in der 7 gezeigt, als eine facettenförmige Kontaktschicht ausgebildet ist, die zur Richtungserkennung dient. Dabei sind verdrahtungsseitige Kontaktierflächen 111, 112, 113 des Piezoelementes 110 in Facettenform ausgeführt, wodurch es möglich ist, durch Differenzbildungen über die Padspannungen zusätzlich die Quer- und Längsbeschleunigungen zu erkennen. Auch ist zu erkennen, dass drei der Kontaktflächen 111, 112, 113, 114 mit einer Differenzierschaltung verbunden sind.An alternative embodiment of the piezator 1 is in the 6 shown in which the elastic contact layer 14 , like in the 7 shown as a facet-shaped contact layer is formed, which serves for direction detection. Here are wiring-side contact surfaces 111 . 112 . 113 of the piezo element 110 executed in facet form, whereby it is possible to recognize by difference formations on the pad voltages in addition to the transverse and longitudinal accelerations. It can also be seen that three of the contact surfaces 111 . 112 . 113 . 114 are connected to a differentiating circuit.

In der 8 ist der grundsätzliche Aufbau eines Sensortransponders 1 mit einer Trägerplatte 9 gezeigt, auf der ein piezoelektrisches Element 110 angeordnet ist, auf dem eine seismische Masse 15 positioniert ist. Damit eine Beweglichkeit aufgrund der Zentripetalbeschleunigungen ermöglicht ist, ist die Anordnung aus dem piezoelektrischen Element 110 und seismischer Masse 15 über ein Gehäuse 12 oder ein Globtop geschützt. Ein Kondensator 17 dient als Ladungsspeicher, ebenfalls ist eine ECU 18 auf der Trägerplatte 9 angeordnet, verbunden mit über einer Übertragungseinrichtung 19, beispielsweise einem Sender. Zusätzlich können Sensoren für Druck und Temperatur auf der Trägerplatte 9 montiert und von der ECU 18 abgefragt werden.In the 8th is the basic structure of a sensor transponder 1 with a carrier plate 9 shown on which a piezoelectric element 110 is arranged, on which a seismic mass 15 is positioned. In order to allow mobility due to the Zentripetalbeschleunigungen, the arrangement of the piezoelectric element 110 and seismic mass 15 over a housing 12 or a globtop protected. A capacitor 17 serves as a charge storage, also is an ECU 18 on the carrier plate 9 arranged, connected to over a transmission device 19 For example, a transmitter. In addition, sensors for pressure and temperature on the carrier plate 9 mounted and from the ECU 18 be queried.

Durch den grundsätzlichen Aufbau und die Anordnung eines Sensortransponders 1 an einer Reifeninnenseite in der Äquatorialebene des Reifens wird ein Piezogenerator bereitgestellt, der zur Aufladung eines elektrischen Ladungsspeichers 17 oder als zusätzliche Energiequelle für batterie- oder hochfrequenzgespeiste Transpondersysteme dient. Der Energiegenerator nutzt die Beschleunigung, die auf ein an einen Reifen angebrachten Transpondermodul während der Raddrehung einwirken. Ab einer bestimmten Ladespannung kann die Messung über einen Sensor und nachfolgend die Übertragung über den Transponder gestartet werden. Eine Triggerung kann sowohl asynchron bei Erreichen einer bestimmten Ladung oder synchron auf externe Anforderung erfolgen. Als Piezowerkstoff sind Quarz, Piezokeramik oder Piezofolien geeignet, die bei einer mehrlagigen Stapelung als Piezostack 110 als reine Axialkraftsensoren eingesetzt werden können. Alternativ ist die Ausbildung des Piezoelementes als ein Biegebalken 11 vorgesehen. Ebenfalls ist es möglich, Scherkräfte oder Torsionskräfte durch eine entsprechende Anordnung der piezoelektrischen Elemente auszunutzen.Due to the basic structure and the arrangement of a sensor transponder 1 On a tire inside in the equatorial plane of the tire, a piezoelectric generator is provided, which is used to charge an electric charge storage 17 or as an additional source of energy for battery or high frequency powered transponder systems. The power generator uses the acceleration that acts on a tire-mounted transponder module during wheel rotation. From a certain charging voltage, the measurement can be started via a sensor and subsequently the transmission via the transponder. Triggering can take place either asynchronously when a certain charge is reached or synchronously as an external request. Quartz, piezoceramics or piezo foils are suitable as piezotermaterials, which in the case of a multilayer stacking as a piezo stack 110 can be used as pure axial force sensors. Alternatively, the design of the piezoelectric element is a bending beam 11 intended. It is also possible to utilize shear forces or torsional forces by means of a corresponding arrangement of the piezoelectric elements.

Insbesondere beim Übergang in und aus der Reifenaufstandsfläche wirken hohe Änderungen der Beschleunigungskräfte auf das piezoelektrische Element, die zu Ladungsverschiebungen führen. Die mit dem piezoelektrischen Element verbundene Gleichrichterschaltung polarisiert diese Ladung und speichert sie in einem Ladungsmengenspeicher, beispielsweise Kondensator 17. Der Kondensator 17, die Schaltung 18 und die Transponderelektronik 19 sind in einer stammen Vergussmasse 13 oder auch einem Mould geschützt, während eine elastische Globtop-Hülle 16 oder ein Gehäuse 12 das piezoelektrische Element schützen und eine Beweglichkeit ermöglichen.In particular, during the transition in and out of the tire contact patch, high changes in the acceleration forces act on the piezoelectric element, which lead to charge shifts. The rectifier circuit connected to the piezoelectric element polarizes this charge and stores it in a charge quantity memory, for example a capacitor 17 , The capacitor 17 , the circuit 18 and the transponder electronics 19 are in a sourced potting compound 13 or even a mold protected while an elastic globtop cover 16 or a housing 12 protect the piezoelectric element and allow mobility.

Die durch das piezoelektrische Element erzeugte Energie kann über leistungsstarke Kondensatoren gesammelt werden. Diese Energie wird zur Versorgung der ECU 18, der HF-Strecke und der Sensorelektronik verwendet. Desweiteren kann das piezoelektrische Element als Energiegenerator zum Betrieb einer Mikropumpe dienen, die Diffusionsverluste in einem Reifen ausgleicht, ohne dass zusätzliche Energie zugeführt werden muss. Der Piezogenerator ermöglicht eine Einsparung von Elektronik im Radkasten sowie höhere Sendereichweiten, was zu einer Verringerung der Anzahl der Sendeantennen führt. Ebenfalls ist es möglich, aufgrund der hohen Zentripetalbeschleunigungen relativ kleine Generatoren mit piezoelektrischen Elementen zu verwenden.The energy generated by the piezoelectric element can be collected via powerful capacitors. This energy will be used to supply the ECU 18 using RF link and sensor electronics. Furthermore, the piezoelectric element can serve as an energy generator for operating a micropump, which compensates for diffusion losses in a tire, without additional energy must be supplied. The piezoelectric generator enables electronics to be saved in the wheel housing and higher transmission ranges, which leads to a reduction in the number of transmitting antennas. It is also possible to use relatively small generators with piezoelectric elements due to the high centripetal accelerations.

In der 9 ist eine montierte Sensortransponderanordnung gezeigt, bei der ein piezoelektrisches Element 11 an einem Verdrahtungsträger angeordnet ist. Zusätzlich befinden sich auf dem Träger 9 eine elektrische Beschaltung 18 des Sensortransponders und gegebenenfalls ein zusätzlicher Beschleunigungssensor 30. Das Piezoelement 11 ist über eine Kontaktierschicht 25 mit dem Träger 9 verbunden. Die mechanische Anbindung des Piezoelementes 11 an die Reifeninnenseite 21 erfolgt über eine elastische Koppelschicht 22. Diese elastische Koppelschicht 22 ermöglicht es, dass sich das piezoelektrische Element 11 bei einer Beschleunigungsänderung bewegt und elektrische Energie erzeugt. Der Verdrahtungsträger 9 ist partiell mit einem Moldmaterial 13' umspritzt. Die elektrische Anbindung des Verdrahtungsträgers 9 erfolgt über Leadframe 23, der wiederum mit Steckerpins 20 verbunden ist. Zusätzlich erfolgt eine mechanische Fixierung des durch das Moldmaterial 13' geschützten Sensortransponders innerhalb des Gehäuses 12 über eine Vergussmasse 13. Das Gehäuse 12 wird über eine umlaufende Verbindungsstelle 24, beispielsweise als Gurt oder Band ausgebildet, mit der Reifeninnenseite 21 verbunden. Das Gehäuse 12 kann in der Reifeninnenseite 21 auch einvulkanisiert werden. Die auf das piezoelektrische Element einwirkenden Kräfte können Axial-, Biege-, Scher- oder Torsionskräfte sein. Eine Ankopplung des piezoelektrischen Elementes 11 an den Reifen 1 erfolgt über die elastische Koppelschicht 22, die auch als visko-elastische Klebeschicht ausgebildet sein kann.In the 9 an assembled sensor transponder arrangement is shown in which a piezoelectric element 11 is arranged on a wiring carrier. Additionally located on the carrier 9 an electrical circuit 18 the sensor transponder and optionally an additional acceleration sensor 30 , The piezo element 11 is via a contacting layer 25 with the carrier 9 connected. The mechanical connection of the piezo element 11 to the inside of the tire 21 takes place via an elastic coupling layer 22 , This elastic coupling layer 22 allows the piezoelectric element 11 moved at an acceleration change and generates electrical energy. The wiring carrier 9 is partial with a mold material 13 ' molded. The electrical connection of the wiring substrate 9 via lead frame 23 that in turn with plug pins 20 connected is. In addition, there is a mechanical fixation of the through the mold material 13 ' protected sensor transponder within the housing 12 via a potting compound 13 , The housing 12 is via a circumferential junction 24 , For example, designed as a belt or band, with the inside of the tire 21 connected. The housing 12 can in the tire inside 21 also vulcanized. The forces acting on the piezoelectric element forces may be axial, bending, shear or torsional forces. A coupling of the piezoelectric element 11 on the tires 1 takes place via the elastic coupling layer 22 , which can also be designed as a visco-elastic adhesive layer.

Claims (13)

System zur Erzeugung elektrischer Energie für elektronische Komponenten mit einem piezoelektrischen Element, das in einem Fahrzeugluftreifen angeordnet ist, der einen an der Außenseite angeordneten Laufstreifen aufweist, wobei dass das piezoelektrische Element (1, 11, 110) an der Reifeninnenseite (21) dem Laufstreifen (2) gegenüberliegend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem piezoelektrischen Element (110) versetzt zueinander angeordnete Kontaktflächen (111, 112, 113) zugeordnet sind, die zur Ermittlung von Quer- oder Längsbeschleunigung mit einer Auswerteschaltung verbunden sind.System for generating electrical energy for electronic components having a piezoelectric element, which is arranged in a pneumatic vehicle tire having a tread arranged on the outside, wherein the piezoelectric element ( 1 . 11 . 110 ) on the inside of the tire ( 21 ) the tread ( 2 ) is arranged opposite, characterized in that the piezoelectric element ( 110 ) staggered contact surfaces ( 111 . 112 . 113 ), which are connected to the determination of transverse or longitudinal acceleration with an evaluation circuit. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (1) als ein Biegebalken (11), Piezostack (110) oder als Torsionselement ausgebildet ist.System according to claim 1, characterized in that the piezoelectric element ( 1 ) as a bending beam ( 11 ), Piezo stack ( 110 ) or is designed as a torsion element. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegebalken (11) zwischen Kontaktblöcken (10) gelagert ist.System according to claim 1 or 2, characterized in that the bending beam ( 11 ) between contact blocks ( 10 ) is stored. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezostack (110) auf einer elektrisch leitfähigen Schicht (14) angeordnet ist.System according to claim 1 or 2, characterized in that the piezo stack ( 110 ) on an electrically conductive layer ( 14 ) is arranged. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (1, 11, 110) auf einem Träger (9) montiert ist, der an oder in der Reifeninnenseite (21) angeordnet ist.System according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric element ( 1 . 11 . 110 ) on a support ( 9 ) mounted on or inside the tire ( 21 ) is arranged. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Träger (9) und der Reifeninnenseite eine elastische Koppelschicht (22) angeordnet ist.System according to claim 5, characterized in that between the carrier ( 9 ) and the tire inside an elastic coupling layer ( 22 ) is arranged. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (1, 11, 110) mit einer Abdeckung (12, 16) versehen ist.System according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric element ( 1 . 11 . 110 ) with a cover ( 12 . 16 ) is provided. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (12, 16) als Gehäuse oder als Globtop ausgebildet ist.System according to claim 7, characterized in that the cover ( 12 . 16 ) is designed as a housing or Globtop. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transponder mit dem piezoelektrischen Element (1, 11, 110) verbunden ist.System according to one of the preceding claims, characterized in that a transponder with the piezoelectric element ( 1 . 11 . 110 ) connected is. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem piezoelektrischen Element (1, 11, 110) zumindest eine seismische Masse (15) angeordnet ist.System according to one of the preceding claims, characterized in that on the piezoelectric element ( 1 . 11 . 110 ) at least one seismic mass ( 15 ) is arranged. System nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder die seismische Masse (15) bildet.System according to claim 9 and 10, characterized in that the transponder the seismic mass ( 15 ). System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (1, 11, 110) in einer Vergussmasse (13) eingebettet ist.System according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric element ( 1 . 11 . 110 ) in a potting compound ( 13 ) is embedded. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (11, 110) Bestandteil eines Sensortransponders (1) ist.System according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric element ( 11 . 110 ) Component of a sensor transponder ( 1 ).
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