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Die
Erfindung betrifft ein Reifenmodul mit einem Piezoelement, welches
an einer Innenseite eines Reifens angeordnet ist, sowie ein Reifendrucküberwachungssystem
mit einem derartigen Reifenmodul.
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In
modernen Kraftfahrzeugen werden vermehrt Reifenluftdruckerfassungsvorrichtungen
verwendet, um Defekte oder Unfälle,
welche auf einen unkorrekten Reifenluftdruck zurückzuführen sind, zu vermeiden. Bei
vielen dieser Systeme ist jeweils ein Reifenmodul an jedem Rad,
insbesondere im Inneren des Reifens, angeordnet. Ein Reifenmodul
umfasst oft mindestens einen Sensor zur Erfassung mindestens eines
Reifenparameters, insbesondere des Reifenluftdrucks, sowie eine
Sendeeinheit und gegebenenfalls Auswerteelektronik. Die Energieversorgung
der elektronischen Komponenten kann z. B. durch eine Batterie, einen
Energiewandler mit piezoelektrischem Element oder eine Transponderspule erfolgen.
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Aus
der
DE 44 02 136 A1 ist
ein System zur Bestimmung der Betriebsparameter von Fahrzeugreifen
bekannt, bei dem auf einem Trägerkörper eine
Sensoreinheit, eine Auswerteelektronik und ein piezoelektrisches
Element angeordnet ist, das die übrigen
Systemkomponenten mit Energie versorgt. Das piezoelektrische Element
weist einen mehrschichtigen Aufbau auf.
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In
der
EP 1 614 552 A1 wird
ein brückenförmiger Flicken
mit einem elektromechanischen Wandler zur Verwendung in einem Fahrzeugreifen
offenbart.
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Bei
dem System zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem piezoelektrischen
Element, welches in der
WO
2006/003052 offenbart wird, ist das piezoelektrische Element
von einer Abdeckung, die als ein festes Gehäuse oder ein Globtop ausgebildet ist,
umgeben und wird so vor einer umgebenden Vergussmasse geschützt.
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Bei
der Verwendung eines Energiewandlers zur Energieversorgung eines
Reifenmoduls, welcher im Reifeninneren angebracht ist, muss sichergestellt werden,
dass der Energiewandler so gestaltet ist, dass er den Belastungen
während
der gesamten Lebensdauer des Reifens standhält. Dabei ist es von Vorteil,
wenn der Energiewandler mit den übrigen Komponenten,
wie z. B. den elektronischen Bauteilen, ein kompaktes Modul bildet.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein verbessertes Reifenmodul mit piezoelektrischem Energiewandler
zur Anbringung im Inneren eines Reifens bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das Reifenmodul zumindest teilweise von einem Umschließungsmaterial
umgeben ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung geht von der Überlegung
aus, dass ein Reifenmodul, das eine Beschleunigungsänderung
zur Umwandlung von Bewegungs- und/oder Verformungsenergie in elektrische
Leistung nutzt, eine seismische Masse benötigt, die durch die im Fahrbetrieb
entstehende Beschleunigung ausgelenkt wird. Eine Masse, die auch
als seismische Masse genutzt werden kann, steht sowohl durch das
Piezoelement selber als auch durch eine typischerweise dem Schutz
und/oder der Befestigung dienende Umhüllung zur Verfügung.
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Um
eine besonders haltbare Befestigung des Reifenmoduls im Reifeninneren,
auch bei hohen Belastungen, zu erreichen, ist das Reifenmodul vorteilhafterweise
formschlüssig
oder kraftschlüssig
und in besonders vorteilhafter Ausführung formschlüssig und
kraftschlüssig
in das Umschließungsmaterial eingebettet.
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Um
eine Befestigung des Reifenmoduls im Reifeninneren, auch nach der
Produktion des Reifens im Nachrüstverfahren,
und eine besonders hohe Energiegewinnung zu ermöglichen, ist zweckmäßigerweise
ein zur flexiblen Befestigung des Reifenmoduls im Reifeninnern geeignetes
Anbringungsmittel vorgesehen.
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Um
eine autarke Energieversorgung des Reifenmoduls und somit eine Signalübertragung
an eine zugeordnete Empfangseinheit im Kraftfahrzeug zu erreichen,
ist das Piezoelement vorteilhafterweise als piezoelektrisches Wandlerelement
zur Erzeugung elektrischer Energie ausgelegt.
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Damit
das piezoelektrische Wandlerelement gegen Witterungs- und andere Einflüsse geschützt werden
kann, ist es vorteilhafterweise vollständig vom Umschließungsmaterial
umgeben. Zur Erzeugung elektrischer Energie ist eine auf das piezoelektrische
Wandlerelement einwirkende mechanische Kraft vonnöten. Um
diese Krafteinwirkung zu erreichen, ist das Umschließungsmaterial
vorteilhafterweise als seismische Masse für das piezoelektrische Wandlerelement
ausgelegt.
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Um
eine Erhöhung
der Energiegewinnung erreichen zu können, ist in dem Umschließungsmaterial
vorteilhafterweise eine zusätzliche
seismische Masse eingebettet, deren spezifisches Gewicht zweckmäßigerweise
höher als
das des Umschließungsmaterials
ist.
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Zur
Erreichung einer besonders hohen mechanischen Krafteinwirkung durch
einen besonders großen
Hebel ist die zusätzliche
seismische Masse räumlich
getrennt vom piezoelektrischen Wandlerelement in dem Umschließungsmaterial
eingebettet.
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Um
das piezoelektrische Wandelement möglichst optimal an die Form
und das Design des Reifenmoduls anpassen zu kön nen, ist dieses zweckmäßigerweise
ringförmig,
flächig,
streifenförmig,
fasrig, folienartig oder gewebeartig ausgeführt.
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Üblicherweise
ist das piezoelektrische Wandelement einlagig ausgeführt. In
einer besonders vorteilhaften Ausführung, um eine Temperaturkompensation
bei gleichzeitiger Verdopplung der Signalspannung zu erreichen,
ist das piezoelektrische Wandelement mehrlagig ausgeführt.
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Um
das für
das Gesamtdesign möglichst
vorteilhafte Fertigungsverfahren wählen zu können, sind unterschiedliche
Fertigungsverfahren wie Transfermolden, Injektionsmolden, Overmolden
oder Vergießen
für das
Einbetten des piezoelektrischen Wandlerelementes in das Umschließungsmaterial
vorgesehen.
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Die
Anordnung des piezoelektrischen Wandlerelements erfolgt vorteilhafterweise
auf einer Trägerschicht,
um mechanische Beschädigungen
des piezoelektrischen Wandlerelements weitestgehend auszuschließen, und
in besonders vorteilhafter Ausführung
auf einer Leiterplatte, um elektrische Kontaktierungen zur Verfügung zu
stellen.
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Um
Informationen aufnehmen und/oder auswerten und/oder übermitteln
zu können,
ist auf der Trägerschicht
vorteilhafterweise eine Anzahl von weiteren elektronischen Bauelementen,
insbesondere ein Druck- und/oder Temperatursensor, eine Auswerteschaltung
sowie eine Sende- und/oder Empfangseinheit, angeordnet.
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Um
die Trägerschicht
mit dem piezoelektrischen Wandlerelement und den weiteren elektronischen
Bauteilen zuverlässig
gegen Witterungs- und andere Einflüsse zu schützen, ist die Trägerschicht mit
den Bauelementen vorteilhafterweise vollständig, evtl. auch mehrschichtig
vom Umschließungsmaterial
umgeben.
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Um
eine besonders zuverlässige
elektrische Verbindung des piezoelektrischen Wandlerelements zu
erreichen, ist dessen Kontaktierung vorteilhafterweise in Klebe-,
Löt-, Druckkontakt-
oder Bonddrahttechnik ausgeführt.
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Um
Energie dauerhaft speichern und die Messsignale auswerten und übertragen
zu können, ist
das piezoelektrische Wandlerelement zweckmäßigerweise mit einem elektrischen
Speicher, z. B. einen Kondensator oder Elko, in besonders vorteilhafter Ausführung über einen
Gleichrichter, verbunden.
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Um
aus der zeitlichen Lage der piezoelektrischen Ladeströme auf die
Latschweite des Reifens schließen
zu können,
umfasst das Reifenmodul vorteilhafterweise einen oder mehrere zusätzliche
elektrische Abgriffe zur Auskopplung der erzeugten Spannung.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass das Reifenmodul einen einfachen und platzsparenden Aufbau besitzt
sowie durch die Einbettung in das Umschließungsmaterial geschützt ist
und der piezoelektri sche Energiewandler effektiv die Energieversorgung
des Reifenmoduls für
die Gewinnung, Auswertung und Übermittlung
von Informationen sicherstellt.
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Zur
Erhöhung
der Fahrsicherheit und/oder des Fahrkomforts werden in Kraftfahrzeugen
am Rad oder in der Felge üblicherweise
Sensoren angebracht, die den Reifendruck und/oder die Temperatur messen
(Reifendrucksensor). Eine weitere Verbesserung wird erreicht, wenn
zusätzlich
die Latschweite oder Latschlänge,
d. h. die Länge
der Reifenaufstandsfläche,
erfasst wird. Dieser Wert kann zur Verbesserung der Regelung der
Bremssysteme, der Dämpfersysteme
und/oder des Antriebssystems verwendet werden. Bekannte Reifendrucküberwachungssysteme
beziehen ihre Energie üblicherweise aus
einer Batterie oder werden über
ein elektromagnetisches Feld versorgt (Transpondersysteme). Da diese
Energiequellen Nachteile u. a. bei den Kosten, der Entsorgung, der
Lebensdauer und dem Gewicht mit sich bringen, wird zunehmend versucht,
autarke Versorgungssysteme einzusetzen. Dabei sollte darauf geachtet
werden, dass die Befestigung des Sensormoduls an einer Stelle erfolgt,
die bei der Montage oder Demontage des Reifens auf der Felge nicht
zu einer Beschädigung
führen
kann.
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Rollt
ein Reifen eines Kraftfahrzeugs, Motorrads, Motorrollers, Nutzfahrzeugs,
Fahrrads oder Flugzeugs auf einem Untergrund ab, so entsteht immer
eine abgeplattete Aufstandsfläche – der so
genannte Latsch. Während
der rotatorischen Bewegung des Reifens wirkt die Zentrifugalbeschleunigung
auf ein Reifenmodul, welches am Reifen-Innerliner, insbe sondere
im Bereich der Reifenlauffläche, angeordnet
ist. Befindet sich das Modul innerhalb der Aufstandsfläche wirkt
hingegen nur die Erdbeschleunigung. Bei Ein- und Austritt in den
Latschdurchlauf verringert sich der Radius des Reifens (Abplattung) und
es kommt zu einer Beschleunigungsüberhöhung.
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Ein
Reifenmodul, welches eine Beschleunigungsänderung zur Umwandlung von
Bewegungsenergie und/oder Verformungsenergie in elektrische Energie
ausnutzt, benötigt
eine seismische Masse, die durch die Beschleunigung ausgelenkt wird.
Die Idee der Erfindung ist es, dass die Umhüllmasse des Reifenlastsensors
(Reifenmoduls) die seismische Masse eines Energiewandlers mit mindestens
einem piezoelektrischen Element (Piezoelement) ist.
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Dazu
wird mindestens ein Piezoelement vollständig oder partiell, insbesondere
form- und/oder kraftschlüssig,
in die Umhüllmasse
eingebettet. Das Piezoelement kann ringförmig, flächig, streifenförmig, fasrig,
folienartig oder gewebeartig ausgeführt sein. Außerdem kann
das piezoelektrische Element ein- oder mehrlagig ausgeführt sein.
Die Einbettung des Piezoelementes erfolgt durch Transfermolden, Injektionsmilden,
Overmolden oder Vergießen.
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Als
Umhüllmasse
(Umschließungsmaterial) sind
Kunststoffe geeignete Materialien, wie z. B. Thermoplaste, Duroplaste
(z. B. Epoxid), Vergussmaterialien, Silikone, Lacke oder ähnliches.
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Das
piezoelektrische Material kann eine piezoelektrische Keramik, insbesondere
Bleizirkonattitanat (PZT), oder eine piezoelektrische Folie, insbesondere
aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), sein.
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Das
Piezoelement wird zusammen mit einer elektrischen Schaltung und/oder
weiteren elektronischen Bauteilen, z. B. Sensoren, insbesondere
einem Drucksensor, Auswerteelektronik, Sende- und/oder Empfangseinrichtungen
zum Austausch von Steuer- und Datensignalen, Speichern etc., auf ein
Substrat (Leiterplatte) aufgebracht. Diese Verbaueinheit wird vollständig, teilweise
und/oder mehrschichtig ummoldet. Das entstandene Reifenmodul wird
mittels geeigneter Befestigungselemente (Anbringungsmittel) auf
dem Innerliner flexibel (lose, beweglich) angebracht.
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Das
Reifenmodul wird so am Innerliner des Reifens angeordnet, dass bei
Latschdurchlauf beim Übergang
von der Zentrifugalbeschleunigung zur Erdbeschleunigung und umgekehrt
eine partiell unterschiedliche Flächenpressung auf die Umhüllmasse
entsteht. Das heißt,
beim Übergang
in den und aus dem Latschbereich erfährt das erfindungsgemäße Reifenmodul
unterschiedliche Anpresskräfte,
welche über
die direkte Ankopplung der Umhüllmasse an
das/die Piezoelement(e) zu einer geringen, aber hinreichenden, reversiblen
elastischen Verformung des/der Piezoelemente(s) führt. Diese
Verformung erzeugt eine elektrische Ladung, welche – nach Gleichrichtung – einen
elektrischen Speicher (z. B. Kondensator, Elektrolytkondensator
oder Akkumulator) auflädt
und/oder die Triggersignale für
die Latschweitenmessung liefert. Es ist auch vorstellbar, dass das
Piezoelement allein zur Erzeugung der Triggersignale für die Latschweitenmessung
dient und die Energieversorgung von einer Batterie oder einem Transpondermodul
geliefert wird.
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Die
Formgebung der Umhüllmasse
und die Lage des Piezoelementes (im Reifenmodul) werden so gewählt, dass
möglichst
viel Ladung in der Übergangszone
aus und in die Latschzone erzeugt wird. Dabei kann elektrische Ladung
durch Biege-, Torsinns-, Scher-, Zug-, Druck- und/oder Dehnkräfte, die auf
das Sensorelement wirken, erzeugt werden.
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Die
Erzeugung elektrischer Energie durch das piezoelektrische Wandlerelement
geschieht typischerweise durch räumlich
unterschiedliche Anpresskräfte
auf das Umschließungsmaterial,
welche zu Biege-, Torsinns-, Scher-, Zug-, Druck- und/oder Dehnkräften auf das piezoelektrische
Wandlerelement führen.
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Bei
Erreichen einer bestimmten Mindestspannung des elektrischen Speichers
und/oder bei Empfang eines Triggersignals versorgt der elektrische
Speicher die Messelektronik des Reifenmoduls. Diese führt eine
Messung durch und überträgt über einen
HF-Sender (HF: Hochfrequenz) die Messdaten an einen HF-Empfänger. Die
Entladung des elektrischen Speichers erfolgt bis zu einer unteren
Schwellspannung, welche ausreicht, einen Teil der Messelektronik,
z. B. den Teil zur Bestimmung der Latschlänge, weiterhin mit Spannung
zu versorgen. Das heißt,
in einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Ladespannung des elektrischen Speichers in mehrere Bereiche
unterteilt: „Sendespannungsbereich", „Latschmessspannungsbereich" und „ohne Funktion".
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Es
besteht die Möglichkeit,
aus der zeitliche Lage der piezoelektrischen Ladeströme auf die Latschweite
(Latschlänge)
zu schließen.
In vereinfachender Weise kann dies durch einen zusätzlichen Abgriff
auf dem Piezoelement erfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform
besitzt daher das Reifenmodul zur Auskopplung der Beschleunigungsspannung
einen oder mehrere zusätzliche
elektrische Abgriffe auf dem Piezoelement. Es sind auch Ausführungsformen
mit mehreren Piezowandlern vorstellbar.
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Die
Montagefläche
für das
Piezoelement dient gleichzeitig als Montage- und Verdrahtungsfläche für die elektrische
Schaltung und/oder die elektrischen Bauelemente des Reifenlastsensors
(Reifenmoduls).
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Es
ist weiterhin bevorzugt, aber nicht zwingend notwendig, dass zur
Erhöhung
der Energiegewinnung mindestens eine Zusatzmasse in dem Reifenmodul
eingemoldet ist.
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Im
Gegensatz zu den bekannten alternativen Verfahren zur Energiegewinnung/-umwandlung
mittels Piezoelement wird bei dieser Erfindung eine flexible (lose)
Verbindung zwischen dem Reifenmodul/Piezoelement und dem Reifen
verwendet. Ein Ankleben des Reifenmoduls an den Reifen oder ein Einbetten
in den Reifen wird nicht durchgeführt. Am Reifen wird ein Anbringungsmittel
(Klebepatch), z. B. durch Kleben, befestigt. In oder an diesem wird
das Reifenmodul (lose) ange ordnet, z. B. durch Aufstecken, Einlegen,
Einhaken oder ähnliches.
Das Reifenmodul ist so, eingeschränkt durch das Anbringungsmittel,
beweglich im Reifen angeordnet.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 schematisch
ein ringförmiges
Reifenmodul,
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2 schematisch
ein flächiges
Reifenmodul,
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3, 4, 5 schematisch
die elektrische Anbindung des Piezoelementes in verschiedenen Ausführungsformen.
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Gleiche
Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt
schematisch ein beispielsgemäßes ringförmiges Reifenmodul 1 mit
ringförmigem Piezoelement 2.
Ein piezoelektrisches Element 2 ist auf einer Trägerschicht 4,
z. B. Leiterplatte, angeordnet, auf welcher außerdem weitere Komponenten 6, wie
z. B. elektronische Schaltungen, Sensoren oder andere elektronische
Bauteile, angeordnet sind. Diese Komponenten 6 sind in
eine Umhüllmasse 8 (Umschließungsmaterial)
eingebettet, welche die Komponenten 6 umschließt. Die
Umhüllmasse 8 ist
beispielsgemäß ringförmig mit
einem Loch in der Mitte ausgeführt.
Das Reifenmodul 1 wird mittels eines Anbringungsmittels 10,
eines Befestigungspatches (z. B. Klebepatch), welches eine annährend dornähnliche
Ausformung 12 (Befestigungsgin) umfasst, am Innerliner
des Reifens angeordnet. Dazu wird das Anbringungsmittel 10 (Befestigungspatch)
z. B. mittels einer Klebefläche 11 am
hier nicht dargestellten Innerliner des Reifens angeklebt. Das Reifenmodul 1 wird
mit dem Loch an dem Befestigungsgin 12 angeordnet. Das
Befestigungspatch 10 umfasst beispielsgemäß einen
Schutzring 14. Dieser schützt das Anbringungsmittel 10 gegen
Abrieb oder Beschädigung durch
die Umhüllmasse 8 und
dient zudem als Widerlager für
das Reifenmodul 1. In der Umhüllmasse 8 ist beispielsgemäß eine ringförmige Zusatzmasse 16, die
die durch das Umhüllungsmaterial 8 bereits
vorhandene seismische Masse erhöht,
eingebettet. Die Zusatzmasse 16 ist bevorzugt im Bereich
des äußeren Randes
der Umhüllmasse 8 angeordnet.
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Die 2 zeigt
schematisch ein beispielsgemäßes flächiges Piezoelement 2 bzw.
flächiges
Reifenmodul 1. Ein piezoelektrisches Element 2 ist
auf einer Trägerschicht 4,
z. B. Leiterplatte, angeordnet, auf welcher außerdem weitere Komponenten 6,
wie z. B. elektronische Schaltungen, Sensoren oder andere elektronische
Bauteile, angeordnet sind. Diese Komponenten 6 sind in
eine Umhüllmasse 8 eingebettet,
welche die Komponenten 6 umschließt. Die Fläche der Umhüllmasse 8 kann z.
B. rund, quadratisch, rechteckig oder vieleckig ausgeführt sein.
In der Umhüllmasse 8 ist
beispielsgemäß eine Zusatzmasse 16 eingebettet.
Die Zusatzmasse 16 ist bevorzugt im mittleren Bereich der
Fläche
der Umhüllmasse 8 angeordnet.
Zur Anbringung des Reifenmoduls 1 am Reifen wird das Sensormodul 1 (Reifenmodul) in
ein Befesti gungspatch 10 (Anbringungsmittel) eingelegt
und/oder durch einen Gurt oder mehrere Gurte am Innerliner 18 fixiert.
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Das
Befestigungspatch 10 wird beispielsgemäß über eine Klebefläche am Innerliner 18 angeklebt,
es sind jedoch auch andere Befestigungsmöglichkeiten denkbar. Das Anbringungsmittel 10 besitzt hakenförmige Seitenteile 20 oder
einen umlaufenden, verjüngten
Rand. Durch Aufbiegen der Seitenteile 20 ist es möglich, das
Reifenmodul 1 in das Anbringungsmittel 10 einzulegen.
Das Reifenmodul 1 liegt lose im Anbringungsmittel 10 und
wird durch die hakenförmigen
Seitenteile 20 am Herausfallen gehindert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
besitzt die Leiterplatte 4 im Bereich des Piezoelementes 2 eine
Freisparung. Hierdurch kann das Piezoelement 2 vollständig in
Umschließungsmaterial 8 eingebettet
werden.
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Die 3 stellt
schematisch eine Ausführungsform
zur elektrischen Anbindung des Piezoelementes dar. Es handelt sich
um eine stirnseitige elektrische Anbindung des Piezoelementes 2 an
eine Leiterplatte 4 mit Freisparung, wobei die Stirnseiten 22 jeweils
rechts und links des Piezoelements angeordnet sind. Die elektrische
Anbindung geschieht mittels Kleben oder Löten an den Klebe- oder Lötstellen 24. Der
Kleber oder das Lötmaterial
dient hier auch zur Befestigung des Piezoelementes 2 an
der Leiterplatte 4. Das Piezoelement 2 ist so über eine
hier nicht dargestellte Gleichrichterschaltung mit einem Ladungsspeicher
und/oder mit einer Triggerschaltung für die Latschweitenmessung verbunden.
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In
der 4 ist eine flächige
elektrische Anbindung des Piezoelementes 2 an eine Leiterplatte 4 mit
Freisparung dargestellt. Die flächigen
Kontakte 26 sind auf und unter dem Piezoelement angeordnet. Der
untere Kontakt 26 wird zum einfacheren Abgriff über einen
Leiter 27 nach oben geführt.
Die elektrische Anbindung geschieht jeweils mittels eines Bonddrahtes 28.
Das Piezoelement 2 ist über
Klebestellen 24 an der Leiterplatte 4 befestigt.
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Die 5 zeigt
ein Piezoelement 2 mit einem flächigen elektrischen Abgriff
in Draufsicht. Auf der oberen Seite ist ein Zusatzabgriff 30 angebracht. Mittels
dieses Zusatzabgriffs 30 wird zusätzlich eine Auskopplung der
Piezospannung durchgeführt.
Diese entsteht, wie oben bereits beschrieben, proportional zur Beschleunigung.
Dieses Signal wird bevorzugt zur Bestimmung der Latschlänge und
zur Gewinnung von aus der Latschlänge zu ermittelnden Informationen
verwendet.
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- 1
- Reifenmodul
- 2
- Piezoelement
- 4
- Trägerschicht
- 6
- elektrische
Komponenten
- 8
- Umschließungsmaterial
- 10
- Anbringungsmittel
- 11
- Klebefläche
- 12
- Befestigungsgin
- 14
- Schutzring
- 16
- Zusatzmasse
- 18
- Innerliner
- 20
- Seitenteil
- 22
- Stirnseite
- 24
- Klebe-
oder Lötstelle
- 26
- Kontaktfläche
- 27
- elektrischer
Leiter
- 28
- Bonddraht
- 30
- zusätzlicher
elektrischer Abgriff