DE102010038136A1

DE102010038136A1 - Reifenmodul und damit ausgestatteter Reifen

Info

Publication number: DE102010038136A1
Application number: DE102010038136A
Authority: DE
Inventors: Axel DUSSINGER; Ralf Kessler; Ingemar WOLF; Andre SEIFERT; Benjamin Müller
Original assignee: BorgWarner Beru Systems GmbH
Current assignee: Huf Baolong Electronics Bretten GmbH
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2030-10-13
Also published as: CN102442168B; CN102442168A; DE102010038136B4; US8578767B2; US20120085160A1

Abstract

Beschrieben wird ein Reifenmodul zum Anbringen an einer Innenseite (20) eines Luft-Reifens (21) für Fahrzeuge, mit einer Einrichtung (5) zum Messen und/oder Überwachen des Luftdrucks in dem Reifen, mit einem Sender (34) zum Übertragen von Funksignalen, welche eine Information über den Luftdruck im Reifen (21) enthalten, mit einem mechanisch-elektrischen Wandler (17, 18, 2) mit einem biegbaren piezoelektrischen Element (17), welches vom rollenden Reifen (21) verursachte wechselnde Formänderungen des piezoelektrischen Elementes (17) in elektrische Energie wandelt, und mit einem Speicher (30) für die elektrische Energie, welcher mit dem Wandler (17, 18, 2) verbunden ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Wandler (17, 18, 2) ein kreisförmiges, scheibenförmiges, piezoelektrisches Element (17) enthält, welches nachfolgend als Piezoscheibe bezeichnet ist und an welcher eine durch den Piezo-Effekt erzeugte elektrische Spannung an Kontaktstellen abgegriffen wird, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Piezoscheibe (17) befinden.

Description

Die Erfindung geht von einem Reifenmodul mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen aus. Ein solches Reifenmodul ist z. B. aus der DE 10 2004 031 810 A1 bekannt. Das bekannte Reifenmodul wird an der Innenseite eines Luftreifens für Fahrzeuge angebracht. Es enthält eine Einrichtung zum Messen und/oder Überwachen des Luftdrucks in dem Reifen und einen Sender zum Übertragen von Funksignalen, welche eine Information über den Luftdruck im Reifen enthalten. Die elektrische Energie, welche das Reifenmodul benötigt, wird von einem mechanisch-elektrischen Wandler mit einem biegbaren piezoelektrischen Element geliefert, welches vom rollenden Reifen verursachte wechselnde Verformungen des piezo-elektrischen Elementes in elektrische Energie wandelt. Die wechselnden Verformungen des piezoelektrischen Elementes werden dadurch verursacht, dass der Reifen beim Rollen laufend verformt wird, insbesondere an den Übergängen seiner Aufstandsfläche (Latsch) zu dem Bereich der Lauffläche des Reifens, welcher gerade keinen Kontakt zur Fahrbahn hat. Die vom mechanisch-elektrischen Wandler gelieferte elektrische Energie wird einem Speicher, insbesondere einem Kondensator oder einem Akku, zugeführt, aus welchem sie zum Betreiben der Einrichtung zum Messen und/oder Überwachen des Luftdrucks und zum Betreiben des Senders entnommen werden kann. Der den Piezoeffekt ausnutzende mechanisch-elektrische Wandler kann eine sonst im Reifenmodul erforderliche langlebige Batterie ersetzen.
Das aus der DE 10 2004 031 810 A1 bekannte Reifenmodul hat als piezoelektrisches Element einen Biegebalken, welcher in einem an der Innenseite des Reifens befestigten Gehäuse gelagert ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders leicht zu montierendes Reifenmodul zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Reifenmodul mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Reifen, der mit einem solchen Reifenmodul ausgestattet ist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Reifenmodul hat eine Einrichtung zum Messen und/oder Überwachen des Luftdrucks in dem Reifen, einen Sender zum Übertragen von Funksignalen, welche eine Information über den Luftdruck im Reifen enthalten, einen mechanisch-elektrischen Wandler mit einem biegbaren piezoelektrischen Element, welches vom rollenden Reifen verursachte wechselnde Verformungen des piezoelektrischen Elementes in elektrische Energie wandelt, und einen Speicher für die elektrische Energie, welcher mit dem Wandler verbunden ist. Der Wandler enthält ein kreisförmiges, scheibenförmiges, piezoelektrisches Element, welches nachfolgend als Piezoscheibe bezeichnet ist und an welchem eine durch den Piezoeffekt erzeugte elektrische Spannung an Kontaktstellen abgegriffen wird, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Piezoscheibe befinden.
Das erfindungsgemäße Reifenmodul hat wesentliche Vorteile:

• Durch die Verwendung eines kreisförmigen, scheibenförmigen, piezoelektrischen Elements kann das Reifenmodul, welches zweckmäßigerweise so angeordnet wird, dass die Mittelachse der kreisförmigen Piezoscheibe senkrecht zur Lauffläche des Reifen und damit radial in Bezug auf die Drehachse des Reifens ausgerichtet ist, im übrigen in beliebiger Orientierung an der Innenseite des Reifens befestigt werden. Für Drehungen des Reifenmoduls um die Mittelachse der kreisförmigen Piezoscheibe blieben ohne nennenswerten Einfluss auf den Wirkungsgrad des mechanisch-elektrischen Wandlers.
• Die Verwendung einer kreisförmigen Piezoscheibe erlaubt die Verwendung eines flachen, zylindrischen Gehäuses für das Reifenmodul, dessen Durchmesser sich am Durchmesser der Piezoscheibe orientiert. Das ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau des Reifenmoduls mit minimaler Masse.
• Minimale Masse bedeutet minimale Unwucht und minimale Trägheitskräfte, welche ihrerseits eine lange Lebensdauer begünstigen.
• Ein Reifenmodul mit flachem, zylindrischem Gehäuse lässt sich besonders leicht handhaben und leicht und dauerhaft an der Innenseite des Reifens befestigen.
• Zweckmäßigerweise wird das Reifenmodul im Bereich der Mitte der Lauffläche an der Innenseite des Reifen befestigt. Eine falsche Anordnung des erfindungsgemäßen Reifenmoduls ist dort nicht möglich.

Das kreisförmige, scheibenförmige, piezoelektrische Element besteht vorzugsweise aus einer Piezokeramik, z. B. aus Bleizirkonattitanat. Das piezoelektrische Element kann aber auch gebildet werden, indem ein Substrat, insbesondere ein metallisches Substrat, mit einem piezoelektrischen Material beschichtet wird. In diesem Fall dient das Substrat als Träger für das piezoelektrische Material. Für beide Ausführungsformen wird in dieser Patentbeschreibung der Begriff „Piezoscheibe” verwendet. Die Piezoscheibe wird im Reifenmodul so montiert, dass Formänderungen der Lauffläche des Reifens Formänderungen der Piezoscheibe erzeugen, welche insbesondere beim Latscheinlauf und beim Latschauslauf auftreten. Die wechselnden Formänderungen erzeugen auf der Piezoscheibe eine elektrische Spannung, die an Kontaktstellen abgegriffen werden kann, die sich auf der gegenüberliegen Seite der Piezoscheibe befinden.
Eine der Kontaktstellen, welche für das Abgreifen der elektrischen Spannung verwendet wird, ist vorzugsweise durch eine kreisförmige Metallscheibe gebildet, welche eine erste Seite der Piezoscheibe vollständig bedeckt. Die kreisförmige Metallscheibe ist so dünn und biegsam, dass sie das erwünschte Biegen der Piezoscheibe beim Latschdurchlauf nicht behindert und das piezoelektrische Material schützt, insbesondere gegen Bruch. In der Ausführungsform, in welcher ein metallisches Substrat mit piezoelektrischem Material beschichtet ist, kann das metallische Substrat als die eine Kontaktstelle der Piezoscheibe verwendet werden.
Vorzugsweise hat die Metallscheibe, welche eine erste Seite der Piezoscheibe vollständig bedeckt und als elektrische Kontaktstelle benutzt wird, einen etwas größeren Durchmesser als die Piezoscheibe.
Die zweite Seite der Piezoscheibe wird vorzugsweise nur teilweise mit einer oder mehreren Kontaktstellen versehen. Das erleichtert es, dafür zu sorgen, dass der aus der Piezoscheibe, der kontaktgebenden Metallscheibe auf der ersten Seite der Piezoscheibe und dem elektrischen Kontaktmaterial auf der zweiten Seite der Piezoscheibe gebildete Verbundkörper eine neutrale Faser hat, die beim Biegen der Piezoscheibe nicht in der Mitte der Piezoscheibe liegt, sondern am Rand der Piezoscheibe oder gar in der Metallscheibe. Das ist von Bedeutung für einen guten Wirkungsgrad des mechanisch-elektrischen Wandlers auf Piezobasis.
Vorzugsweise sind auf der zweiten Seite der Piezoscheibe mehrere Kontaktstellen vorgesehen, welche elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Das stellt sicher, dass der mechanisch-elektrische Wandler nicht schon dann ausfällt, wenn sich eine Kontaktstelle von der Piezoscheibe ablösen sollte. Die eine bzw. die mehreren Kontaktstellen auf der zweiten Seite der Piezoscheibe sind vorzugsweise mittig auf der Piezoscheibe angeordnet und bedecken zweckmäßigerweise nicht mehr als 20%, vorzugsweise höchstens 10% der Oberfläche der zweiten Seite der Piezoscheibe.
Vorzugsweise ist die Piezoscheibe zwischen der Metallscheibe auf der ersten Seite der Piezoscheibe und einer flexiblen Leiterbahnfolie auf der zweiten Seite der Piezoscheibe angeordnet. Auf der flexiblen Leiterbahnfolie befinden sich Leiterbahnen, die zu den Kontaktstellen auf der zweiten Seite der Piezoscheibe führen und diese gegebenenfalls miteinander und mit dem im Reifenmodul vorgesehenen Speicher für die elektrische Energie verbinden. Die Leiterbahnfolie kann auch eine Leiterbahn haben, welche die elektrische Verbindung zwischen der Metallscheibe auf der ersten Seite der Piezoscheibe und dem Speicher für die elektrische Energie herstellt. Die Verbindung zwischen den Leiterbahnen und der Metallscheibe auf der ersten Seite der Piezoscheibe und den Kontaktstellen auf der zweiten Seite der Piezoscheibe kann z. B. durch Reflow-Löten hergestellt werden. Dabei können zwischen der Metallscheibe und der mit ihr zu verbindenden Leiterbahn der Leiterbahnfolie aus Sicherheitsgründen mehrere Lötstellen ausgebildet sein. Vorzugsweise verläuft die Leiterbahn, durch welche die Verbindung mit der kreisförmigen Metallscheibe hergestellt wird, am Rand der Kreisscheibe und erstreckt sich nahezu über den gesamten Umfang der Kreisscheibe.
Die Leiterbahnfolie kann – wie eine Leiterplatte – Leiterbahnen auf beiden Seiten der Leiterbahnfolie aufweisen. Das ist eine Möglichkeit, um die Leiterbahn, die zur ersten Seite der Piezoscheibe führt, von den Leiterbahnen, die zu den Kontaktstellen auf der zweiten Seite der Piezoscheibe führen, elektrisch zu isolieren. Die Leiterbahnen können aber auch auf ein und derselben Seite der Leiterbahnfolie verlaufen. Soweit sie dabei über einen Randbereich der kreisförmigen Metallscheibe führen, können sie dort durch einen elektrisch isolierenden Lack voneinander isoliert werden.
Die Metallscheibe soll an der Piezoscheibe haften. Das kann z. B. mit Hilfe eines Leitklebers erfolgen. Ein Leitkleber ist ein Klebstoff, in welchem elektrisch leitfähige Pigmente verteilt sind.
Die Leiterbahnfolie, welche die erste Seite der Piezoscheibe bedeckt, bildet vorzugsweise eine Kreisfläche, welche durch einen Steg, der vorzugsweise ebenfalls aus der Leiterbahnfolie besteht und vom Rand der Kreisfläche aus geht, mit einem Schaltungsträger verbunden ist. Der Schaltungsträger besteht vorzugsweise ebenfalls aus der Leiterbahnfolie, so dass er und die Kreisfläche, welche die erste Seite der Piezoscheibe bedeckt, in einem Stück aus der flexiblen Leiterbahnfolie gebildet sein können. Das ist günstig für einen leichten, preiswerten und kompakten Aufbau des Reifenmoduls. Der Aufbau ist dann besonders kompakt, wenn die beiden Kreisflächen, welche im Durchmesser vorzugsweise übereinstimmen, unter Zwischenfügen einer steifen Distanzscheibe, vorzugsweise einer starren Distanzscheibe, welche vorzugsweise ebenfalls kreisförmig ist, übereinander und vorzugsweise koaxial zueinander angeordnet sind. In diese Lage können die beiden Kreisflächen dadurch gebracht werden, dass die Leiterbahnfolie im Bereich des Stegs unter Zwischenfügen der Distanzscheibe um diese umgeschlagen wird. Die Piezoscheibe, die Distanzscheibe und der Teil der Leiterbahnfolie, welcher den Schaltungsträger bildet und mit den Bauelementen und Schaltungsteilen des Reifenmoduls bestückt ist, sind auf diese Weise besonders kompakt übereinander angeordnet und können von einem Gehäuse mit zylindrischer Mantelfläche aufgenommen werden, wobei sich der Durchmesser der Mantelfläche des Gehäuses am Durchmesser der Piezoscheibe und der vorzugsweise etwas größeren Metallscheibe orientiert, welche die Piezoscheibe trägt.
Die Distanzscheibe ist auf ihrer der Piezoscheibe zugewandten Seite vorzugsweise konvex gewölbt. Das hat den Vorteil, dass auf diese Weise ein Freiraum gebildet wird, in welchen hinein der Rand der Piezoscheibe gebogen werden kann. Die Größe dieses Freiraums ist zweckmäßigerweise so gewählt, dass die gebogene Piezoscheibe der ihr zugewandten konvexen Seite der Distanzscheibe flächig anliegt, bevor sie brechen kann.
Zweckmäßigerweise sind die Bestandteile des Reifenmoduls, mit Ausnahme des Freiraums zwischen der konvexen Seite der Distanzscheibe und der ihr zugewandten Kreisfläche sowie mit Ausnahme der der Piezoscheibe abgewandten Seite der Metallscheibe in eine elektrisch isolierende Vergussmasse eingebettet. Die Vergussmasse schützt die Bestandteile des Reifenmoduls gegen Staub und insbesondere gegen das Eindringen von Feuchtigkeit. Um zu verhindern, dass die Vergussmasse in den Freiraum zwischen der konvexen Seite der Distanzscheibe und der ihr zugewandten Seite der Leiterbahnfolie eindringt, ist zwischen der Distanzscheibe und der von der Leiterbahnfolie gebildeten Kreisfläche, welche der Piezoscheibe zugewandt ist, ein Dichtring vorgesehen, welcher vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt hat. Der Dichtring besteht vorzugsweise aus einem kompressiblen Schaumstoff.
Wenn sich die Vergussmasse nach dem Vergießen der Bestandteile des Reifenmoduls verfestigt hat, hat sie vorzugsweise eine im wesentlichen zylindrische Umfangsfläche. „Im wesentlichen” ist hier so zu verstehen, dass die Gestalt der Umfangsfläche von der idealen Zylinderform abweichen kann, um das vergossene Reifenmodul entformen zu können, denn das Vergießen soll in einer Gießform stattfinden, aus welcher man das Modul nach dem Verfestigen der Vergussmasse entnehmen muss, wozu eine das Entformen erleichternde geringe Konizität der Gießform zweckmäßig ist.
Vorzugsweise ist eine Kappe vorgesehen, in welche das vergossene Reifenmodul eingesetzt wird. An ihrem Rand hat diese Kappe vorzugsweise einen nach außen weisenden Flansch, mit welchem die Kappe an der Innenseite des Reifens befestigt werden kann. Die Kappe ist zweckmäßigerweise ein vorgefertigtes Formteil. Damit sie das vergossene Modul spielfrei aufnimmt, hat die Umfangsfläche der Vergussmasse des Reifenmoduls gegenüber der lichten Weite der leeren Kappe vorzugsweise ein Übermaß, so dass die Kappe ein wenig gedehnt wird, wenn das Reifenmodul in sie eingesetzt wird. Vorzugsweise hat auch die Höhe des Reifenmoduls gegenüber der lichten Höhe der Kappe ein Übermaß, so dass die Kappe auch in der Höhe ein wenig gedehnt wird, wenn sie mit dem eingesetzten Reifenmodul an der Innenseite des Reifens befestigt wird. Dieses Befestigen kann auf unterschiedliche Weise geschehen, z. B. dadurch, dass der Flansch der Kappe auf die Innenseite des Reifens vulkanisiert, insbesondere kalt vulkanisiert wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Flansch der Kappe mit der Innenseite des Reifens zu verkleben, z. B. mit einem Hot-melt.
Die Kappe besteht zweckmäßigerweise aus einem elastomeren Werkstoff, insbesondere aus einem Werkstoff auf Kautschukbasis.
Wenn das Reifenmodul eine Einrichtung zum Messen des Luftdrucks im Reifen haben soll, dann muss die Luft im Reifen Zugang zum Inneren des Reifenmoduls haben. Es ist bekannt, zum Messen des Luftdrucks im Reifen einen integrierten Schaltkreis vorzusehen, in welchen ein elektrischer Drucksensor, insbesondere auf Siliziumbasis, integriert ist. Ein solcher integrierter Schaltkreis hat eine Öffnung, welche den Zutritt der unter Druck stehenden Luft zum Drucksensor ermöglicht, wobei diese Öffnung zum Schutz vor Verschmutzungen ein Filterelement enthalten kann. Über einer solchen Öffnung ist sowohl in der Vergussmasse als auch in der Kappe ein Zugang offen zu lassen, über welchen der Drucksensor mit der Druckluft im Reifen in Verbindung steht.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung enthält das Reifenmodul nicht nur einen Sender mit einer Sendeantenne, sondern auch einen Empfänger mit einer Empfangsantenne. Während der Sender üblicherweise mit Frequenzen oberhalb von 100 MHz sendet, ist der Empfänger im Reifenmodul vorzugsweise für eine wesentlich niedrigere Frequenz ausgelegt, insbesondere für eine Frequenz von 125 KHz. Von dieser Empfangsantenne können Signale empfangen werden, welche eine Information transportieren, z. B. Signale zum Einstellen und/oder Programmieren einer im Reifenmodul vorgesehenen Steuerschaltung, welche z. B. ein Mikroprozessor, ein Mikrocontroller oder ein ASIC sein kann. Über diese Empfangsantenne können auch Signale empfangen werden, welche Daten enthalten, die den Reifen selbst charakterisieren, z. B. nach Typ und Jahr der Herstellung, und welche das Reifenmodul charakterisieren, z. B. eine individuelle Kennung, nämlich ein Code, der jedes Mal mitgesandt wird, wenn das Reifenmodul ein Signal aussendet, so dass der Empfänger dieses Signals anhand der mit übertragenen Kennung feststellen kann, von welchem Reifenmodul das Signal kommt.
Über die niederfrequente Empfangsantenne des Reifenmoduls kann aber auch per Funk übertragene elektrische Energie zum Laden des Speichers im Reifenmodul empfangen werden. Das ist von Vorteil, wenn das Fahrzeug so lange stillgestanden ist, dass sich der im Reifenmodul vorgesehene Speicher für elektrische Energie entladen hat. So kann der Speicher z. B. bei Wartungsarbeiten in einer Werkstatt aufgeladen werden, wo es nicht möglich ist, mit dem piezoelektrisch arbeitenden mechanisch-elektrischen Wandler den Speicher aufzuladen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Reifenmodul in einer Explosionsdarstellung, und zwar in Schrägansicht,
2 zeigt das Reifenmodul aus 1, eingesetzt in eine Kappe, in einem vereinfachten Schnitt durch die Mittelachse der Kappe,
3 zeigt das Reifenmodul in einem vereinfachten Schnitt wie in 2, befestigt an der Innenseite eines Reifens,
4 zeigt eine Draufsicht auf die aufgeklappte, mit Bauelementen bestückte Leiterbahnfolie, und
5 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild der im Reifenmodul untergebrachten elektrischen Schaltung.
1 zeigt eine flexible Leiterbahnfolie 1, welche eine erste Kreisfläche 2, eine zweite Kreisfläche 3 und einen Steg 4 bildet, welcher die beiden Kreisflächen 2 und 3 einstückig miteinander verbindet. Die Kreisfläche 3 ist ein Schaltungsträger, auf welchem, nur beispielhaft und schematisch dargestellt, ein integrierter Schaltkreis 5 und ein weiteres elektrisches Bauelement 6 angeordnet sind. Damit soll lediglich gezeigt werden, dass der Schaltungsträger 3 elektrische und elektronische Bauelemente trägt. Der integrierte Schaltkreis (IC) 5 enthält in seinem Gehäuse einen Drucksensor. Zu diesem Zweck hat das Gehäuse des IC 5 eine Öffnung 14, siehe 2, die durch einen Filter 7 abgedeckt ist.
Unter dem Schaltungsträger 3 ist eine kreisförmige Scheibe 8 aus einem starren Kunststoff angeordnet, deren Unterseite 8a konvex gewölbt ist. Unter der Kunststoffscheibe 8 ist ein kompressibler Dichtring 9 vorgesehen, welcher einen rechteckigen Querschnitt hat. Zum Zusammenbauen wird der Schaltungsträger 3 auf die Oberseite der Kunststoffscheibe 8 gelegt. Der Dichtring 9 wird an die Unterseite der Kunststoffscheibe 8 gelegt und die Kreisfläche 2 der Leiterbahnfolie 1 wird nach oben gegen den Dichtring 9 geschwenkt, wodurch zwischen der konvexen Unterseite 8a der Kunststoffscheibe 8 und der Kreisfläche 2 ein von dem Dichtring 9 begrenzter, abgeschlossener Freiraum 16 geschaffen wird. Auf der in 1 nicht sichtbaren Unterseite der Kreisfläche 2 befinden sich eine Piezoscheibe 17 und darunter eine Metallscheibe 18, siehe 2 und 3.
Die Bestandteile des Reifenmoduls werden mit einer Vergussmasse 13 vergossen und nach deren Verfestigungen bloc in eine Kappe 10 gesteckt, welche in ihrer Oberseite eine Öffnung 11 hat, in welche der Filter 7 eingreift. Die Kappe 10 hat einen nach außen vorspringenden Rand 12, mit welchem sie auf der Innenseite 20 eines Reifens 21 befestigt werden kann, siehe 3.
2 zeigt, wie das mit der Vergussmasse 13 vergossene Reifenmodul in der Kappe 10 sitzt. Die verfestigte Gussmasse 13 hat eine im wesentlichen zylindrische Umfangsfläche 13a, welche gegenüber der lichten Weite der leeren Kappe 10 ein Übermaß hat, so dass die Kappe 10 das Reifenmodul unter mechanischer Vorspannung aufnimmt. Damit sich die Kappe 10 dehnen kann, besteht sie aus einem elastomeren Werkstoff, insbesondere auf Kautschukbasis.
In 2 sieht man von den Bauelementen auf dem Schaltungsträger 3 lediglich den IC 5. Weitere Bauelemente sind aus Gründen der Vereinfachung nicht mit eingezeichnet worden. Im Gehäuse des IC 5 ist die Lage der Öffnung 14 angegeben, durch welche der im IC 5 vorgesehene Drucksensor mit der im Reifen vorhandenen Druckluft beaufschlagt werden kann.
Man sieht in der Schnittdarstellung der 2, dass die Unterseite der Kunststoffscheibe 8 am Rand mit einer Ringschulter 15 versehen ist, an welcher der Dichtring 9 liegt. Der Dichtring 9 ist eine radiale Begrenzung des Freiraums 16, welcher sich zwischen der Kunststoffplatte 8 und der darunter liegenden ersten Kreisfläche 2 der Leiterbahnfolie 1 befindet. An der Unterseite der ersten Kreisfläche 2 ist eine Piezoscheibe 17 angeordnet, welche vorzugsweise aus einer Piezokeramik besteht. Unter der Piezoscheibe 17 ist eine Metallscheibe 18 befestigt. Die Metallscheibe 18 besteht mit Vorteil aus einer Nickel-Eisen-Legierung mit 42 Gew.-% Nickel. Sie kann mittels eines Leitkleber mit der Piezoscheibe 17 verbunden sein.
Der Durchmesser der Metallscheibe 18 ist größer als der Durchmesser der Piezoscheibe, aber nicht größer als der Durchmesser den beiden Kreisflächen 2 und 3.
An der Unterseite des Flansches 12 der Kappe 10 ist ein Haftvermittler 19 vorgesehen, z. B. ein Hot-melt. Mit diesem kann die Kappe 10 mitsamt dem eingesetzten Reifenmodul, wie in 3 dargestellt, auf die Innenseite 20 eines nur schematisch und ausschnittweise dargestellten Reifen 21 geklebt werden. Eine alternative Befestigungsmöglichkeit ist das Aufvulkanisieren des Flansches 12 auf die Innenseite 20 des Reifens 21.
3 zeigt, dass das Reifenmodul in der Höhe etwas Übermaß gegenüber der lichten Höhe der Kappe 10 hat. Beim Verbinden des Flansches 12 mit der Innenseite 20 des Reifens 21 wird das Reifenmodul unter Dehnung der Kappe 10 in diese hineingedrückt und ist darin allseits spielfrei gehalten.
4 zeigt die aufgeklappte Leiterbahnfolie 1, welche die erste Kreisfläche 2 und die zweite Kreisfläche 3 bildet, welche in einem Stück durch den Steg 4 miteinander verbunden sind. Die Leiterbahnfolie 1 ist flexibel und wird deshalb auch als Flexfolie bezeichnet. Auf der Kreisfläche 2 ist die Piezoscheibe 17 angeordnet. Die Piezoscheibe 17 ist durch die kreisförmige Metallscheibe 18 verdeckt und deshalb nur gestrichelt gezeichnet. Die Piezoscheibe 17 und die Metallscheibe 18 sind koaxial zur Kreisfläche 2 angeordnet. Der Durchmesser der Metallscheibe 18 ist nur wenig kleiner als der Durchmesser der Kreisfläche 2. Der Durchmesser der Piezoscheibe 17 ist kleiner als der Durchmesser der Metallscheibe 18.
Die Metallscheibe 18 ist z. B. mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers mit der Piezoscheibe 17 verbunden und stellt mit der ersten Seite der Piezoscheibe 17 einen vollflächigen elektrischen Kontakt her. Die zweite Seite der Piezoscheibe 17 ist mit Hilfe der Leiterbahnfolie 1 elektrisch kontaktiert. Im mittleren Bereich der Piezoscheibe 17 sind eine oder mehrere Kontaktstellen 22 angeordnet, welche durch Leiterbahnen 23 der Leiterbahnfolie untereinander verbunden und mit einer Leiterbahn 24 der Leiterbahnfolie mit einem Eingang des integrierten Schaltkreises 5 verbunden sind. Die Metallscheibe 18 ist entlang eines Kreisbogens 25, welcher in der Nähe des Randes der Metallscheibe 18 verläuft und sich über einen Umfangswinkel von etwas weniger als 360° erstreckt, verlötet und durch eine Leiterbahn 26 der Leiterbahnfolie mit einem weiteren Eingang des integrierten Schaltkreises 5 verbunden. Auf diese Weise wird die an der Piezoscheibe 17 auftretende Piezo-Spannung an den integrierten Schaltkreis 5 und – in 4 nicht dargestellt – über einen Gleichrichter 28 an einen Kondensator oder dergleichen Speicher 30 für elektrische Energie übertragen, siehe 5.
Auf der Metallplatte 18 sind die beiden Leiterbahnen 24 und 26 durch elektrisch isolierenden Lack voneinander isoliert.
Die auf der Kreisfläche 3 der Leiterbahnfolie 1 dargestellten Bauelemente sind lediglich schematisch und ohne ihre funktionellen Verbindungen dargestellt, nur um zu zeigen, dass es sich bei der Kreisfläche 3 um einen Schaltungsträger handelt.
5 ist ein vereinfachtes Schaltbild des Reifenmoduls. Es zeigt den piezoelektrisch arbeitenden mechanisch-elektrischen Wandler 27, im wesentlichen bestehend aus der Piezoscheibe 17, der Metallscheibe 18 auf der einen und der Kreisfläche 2 der Leiterbahnfolie 1 auf der anderen Seite der Piezoscheibe 17. Der Wandler 27 ist einerseits direkt mit zwei Eingängen des integrierten Schaltkreises 5 und andererseits mit einem Gleichrichter 28 verbunden, der mehrere Dioden, z. B. acht Dioden enthält, von denen zwei Dioden 29 dargestellt sind. Der Gleichrichter 28 speist einen Speicher 30 für elektrische Energie, bei dem es sich im vorliegenden Fall um einen Kondensator handelt. Der Speicher 30 ist über eine Steuerschaltung 31, welche die Stromversorgung steuert (im englischen Sprachgebrauch eine Power Manager Unit PMU), mit dem integrierten Schaltkreis 5 verbunden. Die Steuerschaltung 31 enthält einen Komparator 32, welcher den Ladezustand des Speichers 30 mit einem Grenzwert vergleicht und – bei Überschreiten des Grenzwerts – den integrierten Schaltkreis 5 über einen Feldeffekttransistor 33 mit Strom versorgt. Der integrierte Schaltkreis 5 enthält unter anderem einen Drucksensor und steuert einen Sender 34, welcher hochfrequente Signale aussendet, die einen vom integrierten Schaltkreis 5 zur Verfügung gestellten Informationsgehalt haben, z. B. eine Angabe über den Reifendruck, eine Kennung, Angaben über den Reifen, seine Laufleistung etc.. Diese Signale können z. B. mit einer Frequenz von 433 MHz übertragen werden.
Die Schaltung enthält ferner eine Empfangsantenne, insbesondere eine magnetische Antenne, dargestellt als eine Wicklung 35, welche für relativ niederfrequente Signale empfänglich ist, beispielsweise für Signale von 125 KHz. Diese Signale können einerseits verwendet werden, um Steuersignale und Daten an den integrierten Schaltkreis 5 zu übertragen, wozu die Wicklung 35 über Leitungen 36 und 37 mit zwei Eingängen des integrierten Schaltkreises 5 verbunden ist. Die von der Wicklung 35 empfangenen niederfrequenten Signale können aber auch benutzt werden, um den Speicher 30 aufzuladen. In diesem Fall werden die Signale dem Gleichrichter 28 zugeführt.
Der Speicher 30 ist so ausgelegt, dass seine Ladung für mehrere Mess- und Sendevorgänge ausreicht, wenn er vollständig aufgeladen wurde. Die Mess- und Sendevorgänge können z. B. jeweils dann ausgelöst werden, wenn der Ladezustand des Speichers 30 einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Da der mechanisch-elektrische Wandler 27 bei jeder Radumdrehung eine bestimmte Ladungsmenge für den Speicher 30 zur Verfügung stellt, kann auf diese Weise mit zunehmender Geschwindigkeit häufiger gemessen und gesendet werden. Die Häufigkeit der Mess- und Sendevorgänge kann aber vom integrierten Schaltkreis 5 beschränkt werden, wenn der Ladezustand hoch ist, um nicht unnötig häufig zu messen und zu senden.
Bei langsamer Fahrt oder im Stillstand, wenn der Grenzwert des Ladezustands unterschritten wird, kann die Steuerschaltung 31 den integrierten Schaltkreis 5 abschalten. Wenn der Ladezustand des Speichers 30 den vorgegebenen Grenzwert des Ladezustandes des Speichers 30 wieder überschreitet, kann der integrierte Schaltkreis 5 wieder aktiviert werden und seine Mess- und Sendevorgänge wieder aufnehmen.
Der mechanisch-elektrische Wandler 27 liefert bei jedem Latschdurchgang des Reifens zwei markante elektrische Impulse von unterschiedlicher Polarität. Daraus kann der integrierte Schaltkreis 5 zwischen Stillstand und Fahrt unterscheiden und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs erkennen. Bei höheren Geschwindigkeiten wird dem Speicher 30 so viel elektrische Energie zugeführt, dass nicht nur regelmäßig, z. B. alle 10 Sekunden, der Reifendruck gemessen und gesendet werden kann, sondern auch noch charakteristische Daten des Reifens, insbesondere eine Reifenkennung, ein Reifentyp und seine Laufleistung, übertragen werden können.
Aus dem zeitlichen Abstand der beiden markanten Impulse, die beim Latschdurchlauf erzeugt werden, kann die Latschlänge bestimmt werden. Das ist ein wichtiger Sicherheitsaspekt, weil die Latschlänge nicht nur vom Füllgrad des Reifens abhängt, sondern auch von der Beladung des Fahrzeugs. Mit zunehmender Beladung nimmt die Latschlänge zu. Eine unzulässig hohe Beladung kann durch Auswerten der gemessenen Latschlänge erkannt und dem Fahrer signalisiert werden. Die Ermittlung der Latschlänge ist auch deshalb von Bedeutung, weil sie mitbestimmend ist für den Verschleiß, welchem der Reifen unterliegt.
Bezugszeichenliste

1: Leiterbahnfolie
2: erste Kreisfläche
3: zweite Kreisfläche, Schaltungsträger
4: Steg
5: integrierter Schaltkreis mit Drucksensor
6: Bauelement
7: Filter
8: Distanzscheibe aus Kunststoff
8a: Unterseite von 8, konvexe Seite
9: Dichtring
10: Kappe
11: Öffnung in 10, Zugang
12: Flansch
13: Vergussmasse
13a: Umfangsfläche von 13
14: Öffnung in 5, Zugang
15: Ringschulter
16: Freiraum
17: Piezoscheibe
18: Metallscheibe
19: Haftvermittler
20: Innenseite des Reifens
21: Reifen
22: Kontaktstelle
23: Leiterbahn
24: Leiterbahn
25: Kreisbogen
26: Leiterbahn
27: Wandler
28: Gleichrichter
29: Dioden
30: Speicher
31: Steuerschaltung
32: Komparator
33: Feldeffekttransistor
34: Sender
35: Wicklung, Empfangsantenne
36: Leitung
37: Leitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004031810 A1 [0001, 0002]

Claims

Reifenmodul zum Anbringen an einer Innenseite (20) eines Luft-Reifens (21) für Fahrzeuge, mit einer Einrichtung (5) zum Messen und/oder Überwachen des Luftdrucks in dem Reifen, mit einem Sender (34) zum Übertragen von Funksignalen, welche eine Information über den Luftdruck im Reifen (21) enthalten, mit einem mechanisch-elektrischen Wandler (17, 18, 2) mit einem biegbaren piezoelektrischen Element (17), welches vom rollenden Reifen (21) verursachte wechselnde Formänderungen des piezoelektrischen Elementes (17) in elektrische Energie wandelt, und mit einem Speicher (30) für die elektrische Energie, welcher mit dem Wandler (17, 18, 2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (17, 18, 2) ein kreisförmiges, scheibenförmiges, piezoelektrisches Element (17) enthält, welches nachfolgend als Piezoscheibe bezeichnet ist und an welcher eine durch den Piezo-Effekt erzeugte elektrische Spannung an Kontaktstellen abgegriffen wird, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Piezoscheibe (17) befinden.
Reifenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktstelle durch eine kreisförmige Metallscheibe (18) gebildet ist, welche eine erste Seite der Piezoscheibe (17) vollständig bedeckt.
Reifenmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallscheibe (18) einen größeren Durchmesser hat als die Piezoscheibe (17).
Reifenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Seite der Piezoscheibe (17) nur teilweise mit wenigstens einer Kontaktstelle (22) versehen ist, vorzugsweise mit mehreren Kontaktstellen (22), welche elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Reifenmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eine bzw. die mehreren Kontaktstellen (22) auf der zweiten Seite der Piezoscheibe (17) mittig angeordnet sind.
Reifenmodul nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die eine bzw. die mehreren Kontaktstellen (22) auf der zweiten Seite der Piezoscheibe (17) höchstens 20%, vorzugsweise höchstens 10% der Oberfläche der zweiten Seite der Piezoscheibe (17) bedecken.
Reifenmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoscheibe (17) zwischen der Metallscheibe (18) auf der ersten Seite und einer flexiblen Leiterbahnfolie (1) auf der zweiten Seite der Piezoscheibe (17) angeordnet ist.
Reifenmodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallscheibe (18) an der Piezoscheibe (17) haftet.
Reifenmodul nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnfolie (1), welche die erste Seite der Piezoscheibe (17) bedeckt, eine Kreisfläche (2) bildet, welche durch einen Steg (4), der vorzugsweise ebenfalls aus der Leiterbahnfolie besteht und vom Rand der Kreisfläche (2) ausgeht, mit einem Schaltungsträger (3) verbunden ist.
Reifenmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (3) ebenfalls aus der Leiterbahnfolie besteht.
Reifenmodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltungsträger (3) ebenfalls eine Kreisfläche bildet und dass die beiden Kreisflächen (2, 3) durch den Steg (4) einstückig miteinander verbunden sind.
Reifenmodul nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kreisflächen (2, 3) im Durchmesser übereinstimmen.
Reifenmodul nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kreisflächen (2, 3) unter Zwischenfügen einer kreisförmigen Distanzscheibe (8) übereinander und vorzugsweise koaxial zueinander angeordnet sind.
Reifenmodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzscheibe (8) auf ihrer der Piezoscheibe (17) zugewandten Seite konvex gewölbt ist.
Reifenmodul nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Distanzscheibe (8) und der von der Leiterbahnfolie gebildeten Kreisfläche (2), welche der Piezoscheibe (17) zugewandt ist, ein Dichtring (9) vorgesehen ist.
Reifenmodul nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestandteile des Reifenmoduls, mit Ausnahme eines Freiraums (16) zwischen der konvexen Seite (8a) der Distanzscheibe (8) und der der konvexen Seite (8a) der Distanzscheibe (8) zugewandten Kreisfläche (2) sowie mit Ausnahme der der Piezoscheibe (17) abgewandten Seite der Metallscheibe (18) in eine elektrisch isolierende Vergussmasse (13) eingebettet sind.
Reifenmodul nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die verfestigte Vergussmasse (13) eine im wesentlichen zylindrische Umfangsfläche (13a) hat.
Reifenmodul nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kappe (10) vorgesehen ist, welche das vergossene Reifenmodul aufnimmt und einen Flansch (12) zum Verbinden der Kappe (10) mit der Innenseite (20) des Reifens (21) hat.
Reifenmodul nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsfläche (13a) der verfestigten Vergussmasse (13) gegenüber der lichten Weite der leeren Kappe (10) ein Übermaß hat.
Reifenmodul nach Anspruch 18 oder 19 dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (10) und die verfestigte Vergussmasse (13) einen Zugang (11, 14) zu einem im Reifenmodul vorgesehenen Drucksensor (im IC 5) offen lassen.
Reifenmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Empfangsantenne (35) für den Empfang von Signalen, welche eine Information transportieren, und von elektrischer Energie zum Laden des Speichers (30) enthält.
Reifen, an dessen Innenseite (20) ein Reifenmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche befestigt ist.