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Die Erfindung betrifft eine Auswerteschaltung zum Auswerten eines Sensorsignals eines elektromechanischen Wandlers eines Reifens zum Ermitteln eines Latsch des Reifens.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Latsch eines Reifens.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Auswerten eines Sensorsignals eines elektromechanischen Wandlers eines Reifens zum Ermitteln eines Latsch des Reifens.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Programm-Element.
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Die Erfindung betrifft ferner ein computerlesbares Speichermedium.
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Moderne Kraftfahrzeuge bilden komplexe Systeme von Hardware und Software. Zur Regelung und Steuerung des mechatronischen Systems Automobil kommt eine hohe Anzahl verschiedenster Steuergeräte zum Einsatz. Intelligente Reifensysteme integrieren auch den Latsch eines Reifens in den Betrieb eines Kraftfahrzeugs.
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Der Latsch eines Reifens bezeichnet die Reifenaufstandsfläche bzw. eine Größe, die für die Reifenaufstandsfläche indikativ ist. Eine solche Größe ist insbesondere die Länge des Latsch, das. heißt die in Fahrtrichtung gemessene Länge, entlang welcher der Reifen auf der Straße aufliegt. Beim Fahren ist die Reifenaufstandsfläche beim PKW häufig nur etwa so groß wie eine Handfläche. Beim Motorrad ist sie noch kleiner. Ist der Reifenluftdruck zu hoch, wird die Reifenaufstandsfläche kleiner. Dann nutzt der Reifen nur mittig ab und kann weniger Kräfte auf die Fahrbahn übertragen. Ist der Luftdruck zu gering, rollt der Reifen nur noch auf den äußeren Reifenschultern, nutzt nur außen ab, kann ebenso weniger Kräfte übertragen und sich außerdem erhitzen und im Extremfall platzen oder sich auflösen.
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Somit kann bei herkömmlichen Fahrzeugen ein Reifenschaden dadurch entstehen, dass der Latsch des Reifens fehlerhaft ist.
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DE 10 2008 035 498 A1 offenbart ein Reifenmodul mit einem piezosensitiven Sensor zum Bestimmen eines Latschdurchlaufs. Eine dem Sensor nachgeschaltete Auswerteschaltung umfasst in einer Ausführungsform einen Verstärker, einen A/D Wandler zum Digitalisieren des verstärkten Signals und einen Mikrocontroller zum Auswerten des digitalisierten Signals, und in einer anderen Ausführungsform einen Komparator, einen A/D Wandler zum Digitalisieren des Komparatorausgangssignals und einen Mikrocontroller zum Auswerten des Komparatorausgangssignals.
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US 2007/0213953 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Berechnen einer Reifenverformung. Als im Reifen angeordneter Sensor ist ein Beschleunigungssensor vorgesehen, dessen Ausgangssignal geglättet und anschließend zweimal über der Zeit integriert wird, um ein Deformationssignal zu erhalten.
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US 2007/0240502 A1 ,
JP 2005/205956 A ,
US 5749984 A und
WO 02/092364 A2 offenbaren ebenfalls Vorrichtungen zum Messen und/oder Bestimmen eines Latsch eines Reifens.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System bereitzustellen, bei dem der Latsch eines Reifens präzise ermittelt werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Auswerteschaltung zum Auswerten eines Sensorsignals eines elektromechanischen Wandlers (zum Beispiel eines Piezoelements) eines Reifens zum Ermitteln eines Latsch (insbesondere einer Latschlänge oder einer anderen für den Latsch indikativen Größe) des Reifens (bzw. zum Ermitteln einer Reifenaufstandsfläche auf einer Unterlage) geschaffen, wobei die Auswerteschaltung einen Sensorsignaleingang aufweist, an dem das zeitabhängige elektrische Sensorsignal (zum Beispiel eine elektrische Spannung) des elektromechanischen Wandlers bereitstellbar ist, welches Sensorsignal infolge einer Verbiegung des elektromechanischen Wandlers (der an bzw. in dem Reifen angebracht sein kann) während eines Latschdurchgangs (das heißt während eines Zeitintervalls, während dem ein Abschnitt, an dem der elektromechanische Wandler angebracht ist, eines rollenden Reifens den Untergrund berührt) des Reifens generierbar ist. Die Auswerteschaltung enthält ferner eine Empfindlichkeitseinstelleinrichtung, die eingerichtet ist, eine Eingangsempfindlichkeit (zum Beispiel ein von der Auswerteschaltung fehlerfrei verarbeitbarer Eingangsspannungsbereich) der Auswerteschaltung basierend auf einer Stärke (zum Beispiel einer Amplitude bzw. eines Maximalausschlags) des Sensorsignals derart einzustellen, dass mit der eingestellten Eingangsempfindlichkeit das volle Sensorsignal (das heißt über dessen gesamte Stärke, zum Beispiel über den gesamten Signalhub, hinweg) auswertbar ist. Die Auswerteschaltung weist ferner eine Auswerteeinrichtung auf, die eingerichtet ist, bei eingestellter Eingangsempfindlichkeit basierend auf dem bereitgestellten Sensorsignal ein Auswertesignal zu generieren, das für den Latsch des Reifens indikativ ist.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Latsch eines Reifens bereitgestellt, wobei die Vorrichtung einen elektromechanischen Wandler (zum Beispiel ein Piezoelement) aufweist, der an dem Reifen anbringbar ist und zum Generieren eines zeitabhängigen elektrischen Sensorsignals infolge einer Verbiegung des elektromechanischen Wandlers während eines Latschdurchgangs des Reifens eingerichtet ist. Die Vorrichtung enthält ferner eine Auswerteschaltung mit den oben beschriebenen Merkmalen zum Auswerten des Sensorsignals des elektromechanischen Wandlers des Reifens zum Ermitteln des Latsch des Reifens.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Fahrzeug (beispielsweise ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftfahrzeug oder ein Lastkraftfahrzeug oder ein Motorrad) mit einer Auswerteschaltung mit den oben genannten Merkmalen oder mit einer Vorrichtung mit den oben genannten Merkmalen bereitgestellt.
- • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren zum Auswerten eines Sensorsignals eines elektromechanischen Wandlers eines Reifens zum Ermitteln eines Latsch des Reifens bereitgestellt. Bei dem Verfahren wird das zeitabhängige elektrische Sensorsignal des elektromechanischen Wandlers empfangen, welches Sensorsignal infolge einer Verbiegung des elektromechanischen Wandlers während eines Latschdurchgangs des Reifens generiert wird. Ferner wird eine Eingangsempfindlichkeit einer Auswerteschaltung zum Auswerten des Sensorsignals basierend auf einer Stärke des Sensorsignals derart eingestellt, dass mit der eingestellten Eingangsempfindlichkeit das Sensorsignal über dessen gesamte Stärke hinweg auswertbar ist. Ferner wird ein Auswertesignal bei eingestellter Eingangsempfindlichkeit basierend auf dem empfangenen Sensorsignal derart generiert, dass das Auswertesignal für den Latsch des Reifens indikativ ist.
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In einem computerlesbaren Speichermedium gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Programm zum Auswerten eines Sensorsignals eines elektromechanischen Wandlers eines Reifens zum Ermitteln eines Latsch des Reifens gespeichert, welches Programm zum Durchführen oder Steuern des Verfahrens mit den oben beschriebenen Merkmalen eingerichtet ist, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird.
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Ein Programm-Element (Computerprogramm-Element) gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Auswerten eines Sensorsignals eines elektromechanischen Wandlers eines Reifens zum Ermitteln eines Latsch des Reifens weist die oben beschriebenen Verfahrensschritte auf (bzw. steuert diese oder führt diese durch), wenn es ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können sowohl mittels eines Computerprogramms-, das heißt einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektrischer Schaltungen, das heißt in Hardware, oder in beliebig hybrider Form, das heißt mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden.
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Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Tatsache Rechnung getragen, dass ein Sensorsignal eines elektromechanischen Wandlers großen Schwankungen unterliegen kann. Zu diesem Zwecke wird eine fehlerfreie und artifaktfreie Auswertung des Sensorsignals durch eine Auswerteschaltung dadurch sichergestellt, dass die Auswerteschaltung selbsttätig ihre Eingangsempfindlichkeit basierend auf einer Stärke oder Amplitude des Sensorsignals zum Beispiel rückkoppelnd justiert, um sicherzustellen, dass über die gesamte Signalamplitude hinweg eine nachgeschaltete Auswerteeinrichtung die Auswertung des Signals zur Bestimmung der Länge eines Latsch eines Reifens bewerkstelligen kann.
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Im Weiteren werden exemplarische Ausführungsbeispiele der Auswerteschaltung beschrieben. Diese gelten auch für die Vorrichtung, das Fahrzeug, das Verfahren, das Programmelement und das computerlesbare Speichermedium.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Empfindlichkeitseinstelleinrichtung einen variablen Verstärker auf, dem das Sensorsignal zuführbar ist. Der Verstärkungsfaktor dieses variablen Verstärkers ist mittels eines Steuersignals variierbar, welches Steuersignal auf einem Ausgangssignal des variablen Verstärkers basieren kann. Anders ausgedrückt kann eine Rückkopplungsschleife implementiert werden, welche dynamisch den jeweiligen Verstärkungsfaktor des variablen Verstärkers bzw. Impedanzwandlers anpasst, um einer gegenwärtigen Signalstärke des Sensorsignals Rechnung zu tragen.
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Immer noch Bezug nehmend auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel kann die Auswerteeinheit einen Mikrokontroller oder einen anderen Prozessor aufweisen, dem das Ausgangssignal des variablen Verstärkers zuführbar ist. Basierend auf dem Ausgangssignal kann der Mikrokontroller das Auswertesignal generieren. Basierend auf dem Ausgangssignal kann der Mikrokontroller das Steuersignal generieren und dem variablen Verstärker zuführen. Somit kann der Mikrokontroller sowohl zum Generieren des Steuersignals zum Nachregeln des variablen Verstärkers dienen, als auch das dann in einem handhabbaren Amplitudenbereich liegende Sensorsignal vorwärts verarbeiten, um ein für den aktuellen Latsch des Reifens charakteristischen Wert zu bestimmen.
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Der Mikrokontroller kann ferner basierend auf dem Ausgangssignal das Auswertesignal derart generieren, dass das Auswertesignal einen vorgebbaren unteren Schwellenwert nicht überschreitet und einen vorgebbaren oberen Schwellenwert nicht überschreitet. Der untere Schwellenwert kann so gewählt werden, dass vermieden wird, das Signale so schwach sind, dass sie nicht oder nur mit einem hohen Signalrauschverhältnis auswertbar sind. Das Halten der Signale unterhalb eines oberen Schwellenwerts stellt sicher, dass keine Signale verarbeitet. werden müssen, die außerhalb eines verarbeitungsfähigen Bereichs von Amplituden liegen.
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Die Empfindlichkeitseinstelleinrichtung kann ein Abtasthalteglied („sample and hold“ Glied) aufweisen. Das Abtasthalteglied kann eingerichtet sein, eine Stärke des Sensorsignals zu speichern und darauf basierend im elektromechanischen Wandler eine variable bzw. variierbare Kapazität parallel zu schalten derart, dass die Stärke des der Auswerteeinrichtung zugeführten Sensorsignals entsprechend variierbar ist. Anders ausgedrückt kann das Abtasthalteglied eine maximale Amplitude eines Sensorsignals speichern und damit eine einstellbare Kapazität hinsichtlich des Werts der Kapazität vergrößern oder verkleinern. Durch das Parallelschalten der veränderlichen Kapazität zu dem elektromechanischen Wandler kann eine- Dämpfung bzw. Zeitkonstante justiert werden, womit der Auswerteeinrichtung ein von dieser verarbeitbares Signal bereitgestellt werden kann.
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Die Auswerteeinrichtung kann einen Komparator aufweisen, das heißt einen Baustein, der das Ergebnis des Vergleichs zweier an zwei Eingängen bereitgestellter Signale an einem Ausgang bereitstellt. Ein solcher Komparator kann verschaltet sein, eine Länge des Latsch des Reifens basierend auf dem Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Nulldurchgängen des zeitabhängigen elektrischen Sensorsignals zu ermitteln. Bei einem Piezoelement als bevorzugtes Beispiel eines elektromechanischen Wandlers kann während eines Latschdurchgangs ein zeitabhängiges Signal detektiert werden, insbesondere ein Ladungs- oder Spannungssignal, dessen beide Nulldurchgänge ein Maß für die Länge des Latsch sind. Hierfür kann die aktuelle Geschwindigkeit des Reifens für die Auswertung berücksichtigt werden. Aufgrund der Charakteristik eines Piezoelements kann es vorteilhaft sein,.das Signal in einen Komparator einzugeben, womit ein pulsartiges Signal mit einer Pulslänge erhalten wird, welche ein Maß für die Länge des Latsch ist.
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Die Auswerteschaltung kann ferner eine Zeitkonstantenänderungseinheit aufweisen, die zum Ändern einer Zeitkonstante des elektromechanischen Wandlers parallel zu dem elektromechanischen Wandler schaltbar ist. Eine solche Zeitkonstantenveränderungseinheit kann eine Schaltung aus einer Kapazität und einem ohmschen Widerstand sein, womit eine charakteristische Zeitkonstante eines Sensorsignals eines Piezoelements aufgrund der Parallelschaltung verlängert oder verkürzt werden kann. Insbesondere kann eine Verlängerung einer solchen Zeitkonstante erforderlich sein, um einem Komparator das Signal artifaktfrei bereitzustellen.
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Im Weiteren werden Ausgestaltungen der Vorrichtung beschrieben. Diese gelten auch für die Auswerteschaltung, das Fahrzeug, das Verfahren, das Programmelement und das computerlesbare Speichermedium.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung als Reifenmodul ausgestaltet sein. Anders ausgedrückt können die Komponenten der Auswerteschaltung sowie der elektromechanische Wandler beide an oder in einem Reifen angebracht sein, um als kompakte modulartige Einheit als Ausgabesignal die Latschlänge des Reifens oder bei bekannter Latschbreite die Latschfläche auszugeben.
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Alternativ kann in dem Reifen zum Beispiel nur der elektromechanische Wandler angebracht sein, wohingegen die übrigen Komponenten der Auswerteschaltung als Teil eines Fahrzeugelektronikmoduls realisiert sein können. Dann kann die Fahrzeugelektronik auch die Latschlänge zu Steuerzwecken oder dergleichen verwenden, was wichtig für eine sichere Betriebsweise des Kraftfahrzeugs ist sowie für die Minimierung des Kraftstoffverbrauchs und die Maximierung der Kraftübertragung vom Motor auf die Straße.
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Im Weiteren werden zusätzliche Ausgestaltungen des Fahrzeugs beschrieben. Diese gelten auch für die Auswerteschaltung, für die Vorrichtung, für das Verfahren, für das Programm-Element und für das computerlesbare Speichermedium.
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Das Fahrzeug kann zum Beispiel ein Automobil (zum Beispiel ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftfahrzeug oder Lastkraftfahrzeug) sein. Es ist aber auch möglich, das erfindungsgemäße Steuersystem in einem Zug, in einem Fahrrad oder dergleichen zu implementieren.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
- 1 zeigt eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Latsch eines Reifens gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2 veranschaulicht die Verbiegung eines Piezoelements als elektromechanischen Wandler während eines Latschdurchgangs eines Reifens.
- 3 zeigt ein Diagramm, das eine Biegung eines Piezoelements abhängig von einem Drehwinkel des Reifens zeigt.
- 4 veranschaulicht ein Piezoelement als Beispiel eines elektromechanischen Wandlers.
- 5 zeigt ein Diagramm, welches die Abhängigkeit einer von einem Piezoelement erzeugten Ladung von einem Drehwinkel des Reifens zeigt.
- 6 ist ein Diagramm, das den Ausgang eines Komparators sowie ein Eingangssignal als Sensorsignal eines elektromechanischen Wandlers darstellt.
- 7 zeigt eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Latsch eines Reifens gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 8 zeigt eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Latsch eines Reifens gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 9 zeigt ein Diagramm, welches den Einfluss einer Empfindlichkeitseinstellung einer Auswerteschaltung zum Auswerten eines Sensorsignals eines elektromechanischen Wandlers eines Reifens zum Ermitteln eines Latsch des Reifens gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
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Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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1 zeigt eine Vorrichtung 150 zum Ermitteln eines einen Latsch kennzeichnenden Parameters, genauer gesagt einer Latschlänge 1, eines Reifens 104 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Vorrichtung 150 enthält einen elektromechanischen Wandler 102, der an dem Reifen 104 angebracht ist und zum Generieren eines zeitabhängigen elektrischen Sensorsignals infolge einer Verbiegung des elektromechanischen Wandlers 102 während eines Latschdurchgangs (siehe Pfeil 120 bzw. das Intervall zwischen Positionen 2 und 4 in 2) des Reifens 104 eingerichtet ist. Ferner enthält die Vorrichtung 150 eine Auswerteschaltung 100 zum Auswerten des Sensorsignals des elektromechanischen Wandlers 102 des Reifens 104 zum Ermitteln des Latsch des Reifens 104.
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Wenn sich der Reifen 104 in der Richtung 120 dreht, so erfährt der elektromechanische Wandler 102, zum Beispiel ein Piezoelement, während dieser Drehung eine Verbiegung, solange sich der elektromechanische Wandler 102 angrenzend an eine Straße 122 als Untergrund des Reifens 104 befindet. Eine Verbiegung des elektromechanischen Wandlers 102 führt zu der Erzeugung eines elektrischen Sensorsignals, das der Auswerteschaltung 100 an einem Sensorsignaleingang 106 bereitgestellt wird. Somit wird dem Sensorsignaleingang 106 das zeitabhängige elektrische Sensorsignal des elektromechanischen Wandlers 102 bereitgestellt, welches Sensorsignal infolge einer Verbiegung des elektromechanischen Wandlers 102 während eines Latschdurchgangs des Reifens 104 generiert wird. Dieses zeitabhängige elektrische Sensorsignal wird einer Empfindlichkeitseinstelleinrichtung 108 der Auswerteschaltung 100 zugeführt. Die Empfindlichkeitseinstelleinrichtung 108 ist eingerichtet, zum Beispiel basierend auf einem Rückkopplungssignals 180 eine Eingangsempfindlichkeit der Auswerteschaltung 100 basierend auf der Stärke, zum Beispiel einer Amplitude, des Sensorsignals derart einzustellen, dass mit der eingestellten Eingangsempfindlichkeit das Sensorsignal vollständig über dessen gesamte Stärke oder Signalhub hinweg auswertbar ist. Obwohl also ein Sensorsignal aufgrund äußererEinflüsse gerade bei der Anwendung des Ausmessens eines Latsch eines Reifens 104 stark hinsichtlich der Maximalamplitude variieren kann, kann die Empfindlichkeitseinstelleinrichtung 108 variabel die Empfindlichkeit der Auswerteschaltung 100 einstellen, so dass einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung 110 eine Auswertung des bereitgestellten Sensorsignals über dessen gesamte Amplitude ermöglicht ist. Die Auswerteeinrichtung 110 kann zum fehlerfreien Auswerten des Sensorsignals innerhalb eines vorgegebenen Verarbeitungsintervalls eingerichtet sein. Mittels der vorgeschalteten Empfindlichkeitseinstelleinrichtung 108 kann somit sichergestellt werden, dass auch bei stark veränderter Stärke des Sensorsignals dieses mittels der Empfindlichkeitseinstelleinrichtung 108 so adaptiert wird, dass die Auswerteeinrichtung 110 das Signal korrekt auswerten kann. Die Auswerteeinrichtung 100 ist daher eingerichtet, bei eingestellter Eingangsempfindlichkeit basierend auf dem bereitgestellten Sensorsignal ein Auswertesignal zu generieren, das für den Latsch des Reifens 104 charakteristisch oder indikativ ist.
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Der Auswerteeinrichtung 110 nachgeschaltet ist eine Ausgabeeinrichtung 112, welche das Ergebnis des Auswertens, nämlich die Länge 1 des Latsch, ausgibt. Die Ausgabe kann zum Beispiel an eine in 1 nicht dargestellte Fahrzeugelektronik weitergeleitet werden, welche basierend auf dem gemessenen Latsch die Steuerung des Fahrzeugs anpassen kann. Es ist auch möglich, einen zum Beispiel nicht optimalen Latschwert einem Benutzer mitzuteilen, welcher basierend darauf entsprechende Vorkehrungen treffen kann, um den Latsch auf einen gewünschten Wert einzustellen.
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Der elektromechanische Wandler 102, der vorzugsweise als Piezoelement ausgestaltet ist, kann in einem Reifenmodul angeordnet werden und dient in diesem Fall der Messung der Latschlänge. Das Piezoelement wird dabei durch die Form des Reifens 104 gebogen. Die Biegung des Reifens 104 kann dabei (je nach mechanischer Auslegung) von 0% bis 100% auf das Piezoelement übertragen werden.
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2 zeigt nochmals den elektromechanischen Wandler 102 in Form eines Piezoelements, das in dem Reifen 104 integriert ist. Während des Latschdurchgangs erfährt das Piezoelement zunächst ausgehend von Stellung 1 einen Übergang 1 nach 2, dann einen Übergang 2 nach 3, dann einen Übergang 3 nach 4 und schließlich einen Übergang 4 nach 1. In dem Zustand 1 hat das Piezoelement eine konstante Biegung, so dass ein entsprechendes Ladungs- oder Spannungssignal keine Steigung aufweist. Beim Übergang 1 nach 2 erfolgt ein Übergang von einer leichten in eine starke Biegung, was zu einer positiven Steigung in einem Sensorsignal führt. Bei einem Übergang von 2 nach 3 erfolgt ein Übergang von starker Biegung zur Entspannung, was einer negativen Steigung des Sensorsignals entspricht. Bei einem Übergang von 3 nach 4 erfolgt ein Übergang von Entspannung in eine starke Biegung, was zu einer positiven Steigung in dem Sensorsignal führt. Bei dem Übergang von 4 nach 1 erfolgt ein Übergang von einer starken in eine leichte Biegung, was zu einer negativen Steigung des Sensorsignals führt.
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3 zeigt ein Diagramm 300, das eine Abszisse 302 aufweist, entlang welcher ein Drehwinkel α des Reifens 104 aufgetragen ist. Entlang einer Ordinate 304 ist die resultierende Biegung des Piezoelements zu sehen. 3 zeigt auch die Punkte 1, 2, 3, 4 gemäß 2.
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4 zeigt, wie ein Piezoelement als Beispiel für einen elektromechanischen Wandler 102 ausgestaltet sein kann. Auf einem Trägermaterial 400 kann eine Schicht Piezomaterial 402 abgeschieden werden, wobei in 4 auch eine neutrale Phase 404 des elektromechanischen Wandlers 102 zu sehen ist. Sobald die neutrale Phase 404 nicht symmetrisch im Piezoelement liegt, wird durch eine Biegung des Piezoelements eine Längenänderung des Elements hervorgerufen. Das Trägermaterial 400 kann zum Beispiel ein Metall (zum Beispiel Messing) oder eine geeignete Leiterplatte sein, auf die das Piezomaterial 402 direkt aufgebracht wird. Erfolgt eine Längenänderung des Piezomaterials 402 (hervorgerufen durch eine Veränderung der Biegung), so erfolgt eine Ladungstrennung.
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Eine Konsequenz daraus ist in 5 gezeigt, wo ein Diagramm 500 zu sehen ist, welches eine Abszisse 502 hat, entlang welcher der Drehwinkel α des Reifens 104 gezeigt ist. Entlang einer Ordinate 504 des Diagramms 500 ist die elektrische Ladung in dem Piezomaterial aufgetragen, und zwar in den in 2 definierten Zuständen 1, 2, 3, 4.
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Über die Kapazität des Piezos (bzw. eine extern parallel geschaltete Kapazität) ergibt sich aus der Ladung eine Spannung gemäß der Beziehung U=Q/C.
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Die Latschlänge 1 liegt bei der Biegung eines Piezoelements zwischen den beiden Nulldurchgängen beim Latschein- bzw. Latschaustritt (vgl. 3 und 5).
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Mit Hilfe einer Komparatorschaltung ist es möglich, die reale Latschlänge zu messen. Hierbei soll die Zeitkonstante des Piezoelements und der daran angeschlossenen Bauteile (zum Beispiel Kondensator bzw. Widerstand) so groß sein, dass die Piezospannung auch bei geringer Geschwindigkeit im Latschdurchlauf nicht signifikant abfällt und damit das Messsignal verfälscht. Vorzugsweise können dem Piezoelement hierfür ein Kondensator und ein (zum Beispiel hochohmiger) ohmscher Widerstand parallel geschaltet werden.
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6 zeigt ein Diagramm 600, das eine Abszisse 602 hat, entlang welcher eine Zeit aufgetragen ist. Entlang einer Ordinate 604 ist eine Signalamplitude zu erkennen. Ein in 6 mit „Eingang“ bezeichnetes Signal entspricht einem Eingangssignal an einem Komparator, wohingegen ein in 6 mit „Ausgang“ bezeichnetes Signal, einem Signal an einem Ausgang des Komparators entspricht. 6 zeigt, dass das Ausgangssignal einer einfachen Komparatorschaltung mit einem Piezoelement von dem Eingangssignal abweicht. Je nach äußeren Gegebenheiten (Reifentyp, Temperatur, Anbindung zum Reifen, etc.) kann die Amplitude des Piezoelements stark schwanken, so dass der Eingangsspannungsbereich des Komparators nicht in allen Situation eine einwandfreie Funktion gewährleisten kann. Zur Behebung dieses Problems ist es vorteilhaft, eine Schaltung bereitzustellen, die sich automatisch den Gegebenheiten (insbesondere der Amplitude des Piezoelements) anpasst.
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Vorteilhaft kann eine Schaltung eingesetzt werden, die ihre Eingangsempfindlichkeit der Amplitude eines Piezosignals anpasst. Somit kann eine Idee eines Ausführungsbeispiels der Erfindung darin gesehen werden, eine automatische Anpassung („auto range“) des Piezosignals um einen möglichst breiten Funktionsbereich zu erreichen.
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7 zeigt eine Auswerteschaltung 700 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Gemäß 7 stellt der elektromechanische Wandler 102 das Sensorsignal zunächst einem variablen Verstärker 702 bereit, dessen Verstärkungsfaktor mittels eines Steuersignals variierbar ist, welches Steuersignal auf einem Ausgangssignal des variablen Verstärkers 702 basiert. Dieses Ausgangssignal stellt der variable Verstärker 702 einen Mikrokontroller 704 bereit, der basierend auf dem Ausgangssignal das Auswertesignal generiert und der basierend auf dem Ausgangssignal das Steuersignal generiert und dem Verstärker 702 mittels einer Rückkopplungsschleife 706 zuführt. Das Signal, das an einem Ausgang des Komparators 702 bereitgestellt und dem Mikrokontroller 704 weitergeleitet wird, ist ein Analogsignal. Über die Rückkopplungsschleife 706 wird eine Steuersignalverstärkung an den Verstärker 702 weitergeleitet.
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Das Sensorsignal des als Piezoelement ausgestalteten elektromechanischen Wandlers 102 wird somit von dem variablen Verstärker 702 (einem Impedanzwandler) so angepasst, dass es von dem Mikrokontroller 704 verarbeitet werden kann. Der Mikrokontroller 704 regelt die Verstärkung des Sensorsignals so ein, dass die Amplitude weder zu groß, noch zu klein ist.
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8 zeigt eine Auswerteschaltung 800 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Gemäß 8 ist ein Abtasthalteglied 802 vorgesehen, das eingerichtet ist, eine maximale Amplitude des Sensorsignals zu speichern und darauf basierend dem elektromechanischen Wandler 102 eine variable Kapazität 804 parallel zu schalten. Dieser erfolgt derart, dass die Stärke des der Auswerteeinrichtung bzw. einem Komparator 806 zugeführte Sensorsignal entsprechend variierbar ist. 8 zeigt somit eine andere Möglichkeit, die Amplitude des von einem Piezoelement als elektromechanischem Wandler 102 generierte Piezosignal automatisch anzupassen. Ein maximaler Ausschlag des Sensorsignals kann in dem Abtasthalteglied 802 („sample and hold“ Glied) gespeichert werden. Mit dieser Spannung kann die Kapazität 804 dem Piezoelement 102 variabel (das heißt mehr oder weniger) parallel geschaltet werden.
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9 zeigt ein Diagramm 900, das einen vorteilhaften Effekt eines Ausführungsbeispiels der Erfindung veranschaulicht. Das Diagramm 900 enthält eine Abszisse 902, entlang welcher ein Zeitsignal aufgetragen ist. Entlang einer Ordinate 904 ist die Amplitude eines Signals zu sehen. Das Diagramm 900 zeigt ein Eingangssignal sowie ein Ausgangssignal einer Pegelanpassungsschaltung.
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Das Eingangssignal ist zunächst bei kleinen Zeiten relativ groß. Das Ausgangssignal ist nicht plausibel, der Komparator schaltet unkontrolliert. Im Folgenden wird das Eingangssignal gedämpft. Etwa ab dem vierten Durchlauf funktioniert das Ausgangssignal einwandfrei.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
