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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Stromgenerator, insbesondere, aber nicht ausschließlich auf einen piezoelektrischen Stromgenerator für die Verwendung in einem rotierbaren Gegenstand wie einem Fahrzeugreifen. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Fahrzeugreifenüberwachungseinrichtung und eine Telemetrieeinheit für die Übertragung der Daten von dem rotierenden Gegenstand wie einem Fahrzeugreifen.
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Eine Reifenüberwachungseinrichtung für die Aufzeichnung von Druck- und Temperaturdaten in einem Reifen, z. B. um ein Reifenversagen vorauszusehen, ist aus der
EP 1549515 bekannt. Diese Einrichtung umfasst einen Stromgenerator mit einer Stellgliedmasse, die zum Auslenken des piezoelektrischen Materials als Antwort auf externe Kräfte ausgebildet ist, um elektrische Ladungen zu erzeugen, mit der die Einrichtung betrieben wird. Es ist von Vorteil, wenn ein Steuerschaltkreis für die Einrichtung ein Teil der Stellgliedmasse bildet.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, Alternativen und/oder Verbesserungen der Konstruktion und des Betriebs des Stromgenerators und/oder der Reifenüberwachungseinrichtung, die in
EP 1549 515 beschrieben wird, zur Verfügung zu stellen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein piezoelektrischer Stromgenerator mit piezoelektrischem Material und einem Stellglied für die Auslenkung des piezoelektrischen Materials vorgesehen, um elektrische Ladungen zu erzeugen, wobei das Stellglied für hin- und hergehende Bewegungen längs einer ersten Achse als Reaktion auf externe Kräfte ausgebildet ist und wobei das Stellglied von Auslenkungen aus dieser Achse mittels eines oder mehrerer Aufhängeelemente abgehalten wird, wobei durch diese Aufhängeelemente das Stellglied beweglich aufgehängt ist.
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Die Aufhängung und die Bewegungsbeschränkung des Stellgliedes gemäß diesem Aspekt der Erfindung sollen eine effizientere und robustere Anordnung bereitstellen als der Stromgenerator gemäß der
EP 1 549 515 , z. B. durch Reduzierung des Verschleißes und des Vibrierens zwischen sich berührenden Teilen. Die Stromerzeugung wird verbessert, indem die Übertragung von radialen Kräften vom Stellglied auf das piezoelektrische Material reduziert wird.
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Das Stellglied ist vorzugsweise in einem Gehäuse mittels eines ringförmigen Aufhängeelementes oder mittels einer Reihe von separaten Aufhängeelementen, die einen Ring für das Stellglied bilden aufgehängt. Ein Innereabschnitt des oder jedes Aufhängelementes ist vorzugsweise integraler Bestandteil des Stellgliedes oder mit dem Umfang des Stellgliedes verbunden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Stellglied kreisförmig und das ringförmige Aufhängeelement oder die Reihe von Aufhängeelementen bilden einen kreisförmigen Ring für das Stellglied.
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Das piezoelektrische Material und das Stellglied sind vorzugsweise in einem Gehäuse angeordnet, das vorzugsweise ein Basiselement und ein Abdeckelement aufweist, wobei ein Außenabschnitt des oder jedes Aufhängeelementes zwischen dem Basiselement und dem Abdeckelement eingeklemmt ist. In anderen Ausführungsformen jedoch ist der Außenabschnitt des Stellgliedes in dem Abdeckelement für Bewegungen relativ zu diesem Basiselement verankert. In diesen Fällen ist vorzugsweise das Abdeckelement aus elastischem Material hergestellt, um hin- und hergehende Bewegungen des Stellgliedes längs dieser Achse als Reaktion auf externe Kräfte zu erlauben. Das Abdeckelement ist besonders bevorzugt ausgebildet oder verstärkt, um signifikante radiale Auslenkungen des Stellgliedes aus dieser Achse als Reaktion auf externe Kräfte zu verhindern.
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Das ringförmige Aufhängelement, die Reihe von Aufhängelementen oder die elastische Abdeckung sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sie als Membran wirken, wodurch potentielle radiale Auslenkungen des Stellgliedes als Reaktion auf externe Kräfte in eine Auf- und Abbewegung längs dieser Achse umgewandelt werden. Dadurch wird die Effizienz des Generators verbessert.
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Eine Verbindung zwischen dem oder jedem Aufhängelement und dem Stellglied wird vorzugsweise durch ein Schwing- oder Kugelgelenk gebildet. Vorzugsweise weist ein Innenabschnitt des oder jedes Aufhängelementes ein rundes Profil auf, das in einer komplementär ausgebildeten Nut oder Ausnehmung in einem Umfang des Stellgliedes angeordnet ist.
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Das piezoelektrische Material ist vorzugsweise für die Auslenkung in eine Vertiefung durch die Bewegung des Stellgliedes und für die Bewegung mit dem Stellglied als Reaktion auf externe Kräfte ausgebildet. Insbesondere ist das piezoelektrische Material konzentrisch mit dieser Vertiefung.
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Das Stellglied trägt vorzugsweise einen Schaltkreis zum Sammeln der Ladung von dem piezoelektrischen Material und das piezoelektrische Material steht in Verbindung mit diesem Schaltkreis. Das piezoelektrische Element ist vorzugsweise in elektrischem Kontakt mit diesem Schaltkreis über einen Leiter, der sich durch eine Öffnung in dem Stellglied erstreckt und der in einem potentialfreien, vorzugsweise elastisch vorgespannten, Kontakt mit dem Schaltkreis steht. Der Leiter hat vorzugsweise ein erstes Ende, das an dem piezoelektrischen Element befestigt ist und ein ungesichertes zweites Ende, das für den Kontakt mit dem Schaltkreis vorgesehen ist.
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Das piezoelektrische Material hat vorzugsweise die Form einer Scheibe und ist vorzugsweise aus piezokeramischen Material. Die Scheibe und die Vertiefung sind vorzugsweise in Draufsicht kreisförmig.
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Der Schaltkreis zum Sammeln der Ladungen von dem piezoelektrischen Material bildet vorzugsweise einen Teil des Stellgliedes. In einer Ausführungsform umfasst das Stellglied eine Wanne, die einen Raum definiert, in dem eine gedruckte Leiterplatte ortsfest angeordnet ist, z. B. über eine Epoxigießharzverbindung. Die gedruckte Leiterplatte steht vorzugsweise in elektrischer Verbindung mit dem piezoelektrischen Material. Die gedruckte Leiterplatte umfasst vorzugsweise einen Sensorschaltkreis, um Reifenüberwachungsfunktionen bereitzustellen. Besonders bevorzugt ist der Sensorschaltkreis mit einem oder mehreren Sensoren zur Überwachung von Parametern wie Druck und Temperatur verbunden.
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Der obige Aspekt der Erfindung kann einen oder mehrere der wesentlichen oder bevorzugten Merkmale eines oder mehrerer der anderen Aspekte der Erfindung einschließen.
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Gemäß eines anderen Aspekts der Erfindung ist ein piezoelektrischer Stromgenerator mit piezoelektrischem Material und einem Stellglied zum Auslenken des piezoelektrischen Materials für die Erzeugung elektrischer Ladung vorgesehen, wobei das piezoelektrische Material für die Auslenkung in eine Vertiefung durch die Bewegung des Stellgliedes ausgebildet ist und wobei das piezoelektrische Material für die Bewegung mit dem Stellglied als Reaktion auf externe Kräfte ausgebildet ist.
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Die Anordnung gemäß diesem Aspekt der Erfindung stellt eine robustere Anordnung als der Stromgenerator der gemäß
EP 1 549 515 dar, indem beispielsweise Relativbewegungen zwischen dem piezoelektrischen Material und dem Stellglied ausgeschlossen und so eine Schlagwirkung des Stellglieds auf das piezoelektrische Material vermieden wird.
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Der obige Aspekt der Erfindung kann einen oder mehrere der wesentlichen oder bevorzugten Merkmale eines oder mehrerer der anderen Aspekte der Erfindung mit einschließen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht einen piezoelektrischen Stromgenerator mit piezoelektrischen Material und einem Stellglied zum Auslenken des piezoelektrischen Materials zur Erzeugung elektrischer Ladung vor, wobei das Stellglied einen Schaltkreis zum Sammeln elektrischer Ladung von dem piezoelektrischen Element trägt und das piezoelektrische Element in elektrischem Kontakt mit diesem Schaltkreis über einen Leiter steht, der sich durch eine Öffnung in dem Stellglieder erstreckt und der in potentialfreiem (floating), vorzugsweise elastisch vorgespanntem, Kontakt mit dem Schaltkreis steht.
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Der Schaltkreis zum Sammeln von Ladung von dem piezoelektrischen Element bildet vorzugsweise einen Teil des Stellgliedes zum Auslenken des piezoelektrischen Elementes. In einer Ausführungsform ist das Stellglied in Form einer Wanne ausgebildet, die einen Raum definiert, in dem eine gedruckte Leiterplatte ortsfest angeordnet ist, z. B. über eine Epoxigießharzverbindung und wobei sich der Leiter durch eine Öffnung in dieser Wanne erstreckt.
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Der obige Aspekt der Erfindung kann einen oder mehrere der wesentlichen oder bevorzugten Merkmale eines oder mehrerer der anderen Aspekte der Erfindung einschließen. Die Erfindung stellt auch einen Reifen mit einem piezoelektrischen Stromgenerator gemäß einem oder mehreren der obigen Aspekte der Erfindung zur Verfügung.
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Die Erfindung stellt weiterhin eine Reifenüberwachungseinheit zur Verfügung, die in einem Fahrzeugreifen montiert werden kann und einen piezoelektrischen Stromgenerator gemäß einem oder mehreren der obigen Aspekte der Erfindung einschließt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht einen piezoelektrischen Stromgenerator zur Montage in einem Fahrzeugreifen vor, wobei der piezoelektrische Stromgenerator piezoelektrisches Material und ein Stellglied zum Auslenken des piezoelektrischen Materials zum Zweck der Erzeugung elektrischer Ladungen vorsieht, wobei der Generator ein Abdeckelement umfasst, das zum Sichern des Generators an dem Fahrzeugreifen vorgesehen ist, wobei das Stellglied in dem Abdeckelement verankert ist und für eine hin- und hergehende Bewegung längs einer Achse als Reaktion auf externe Kräfte zur Auslenkung des piezoelektrischen Materials ausgebildet ist.
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Das Abdeckelement ist vorzugsweise aus elastischem Material, um diese hin- und hergehende Bewegung zu erlauben.
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Der obige Aspekt der Erfindung kann einen oder mehrere der wesentlichen oder bevorzugten Merkmale eins oder mehrerer der anderen Aspekte der Erfindung einschließen.
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Die Erfindung sieht weiterhin einen Reifen mit einem piezoelektrischen Stromgenerator gemäß einem der obigen Aspekte der Erfindung und/oder mit einer Reifenüberwachungseinrichtung für die Überwachung von Druck und Temperatur innerhalb des Reifens vor, die einen piezoelektrischen Stromgenerator gemäß einem der obigen Aspekte der Erfindung einschließt.
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Die beschriebenen Stromgeneratoren haben den besonderen Vorteil in Fahrzeugreifen, wobei die Kräfte, die durch den sich in Bewegung befindlichen Reifen erzeugt werden, zu Nutze gemacht werden können, um elektrische Ladungen zu erzeugen. Andere auf Bewegung bezogene Anwendungen sind jedoch auch möglich.
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Andere Aspekte und Merkmale der Erfindung sind aus den Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung zu entnehmen, die Beispiele mit Bezug auf die dazugehörigen Zeichnungen enthält.
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Es zeigen:
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1 einen schematischen Querschnitt einer Reifenüberwachungseinheit, die zur Montage in einem Fahrzeugreifen ausgebildet ist, längs einer ersten Mittellinie;
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2 eine vergrößerte Darstellung des eingekreisten Bereichs in 1, die ein Stellglied in Ruheposition zeigt;
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3 einen schematischen Querschnitt durch die Reifenüberwachungseinheit der 1 längs einer zweiten Mittellinie senkrecht zur ersten Mittellinie;
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4 eine vergrößerte Darstellung des eingekreisten Bereichs in 3;
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5 perspektivische Explosionsdarstellung von oben auf die Einheit von 1
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6 entspricht der 5 und zeigt die Komponenten der Einheit von unten
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7 ist eine schematische Seitenansicht einer modifizierten Reifenüberwachungseinheit
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8 ist ein schematischer Querschnitt durch die Einheit der 7 längs der Linie A-A
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9 ist ein schematischer Querschnitt durch die Einheit von 8 längs der Linie B-B
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10 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der Einheit von oben aus 7 von oben.
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In den 1 bis 6, auf die sich zunächst bezogen wird, ist eine Reifenüberwachungseinheit 100 dargestellt, die einen piezoelektrischen Stromgenerator für batterielose Stromerzeugung innerhalb der Einheit 100 aufweist. Insbesondere schließt die Einheit 100 piezoelektrisches Material 110 und ein Stellglied 112 ein, wobei das Stellglied 112 zur Auslenkung des piezoelektrischen Materials 110 als Reaktion auf externe Kräfte, die auf die Einheit 100 wirken vorgesehen ist, um elektrische Ladung zu erzeugen.
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Das piezoelektrische Element 110 und das Stellglied 112 sind in einem Gehäuse 102 montiert, das vorzugsweise das piezoelektrische Element 110 und das Stellglied 112 einschließt, wobei Schadstoffe des Reifens vom Kontakt mit dem piezoelektrischen Element 110 oder dem Stellglied 112 ferngehalten werden. In dieser Ausführungsform schließt das Gehäuse 102 einen Basiselement 104 und eine Abdeckelement 106 ein, die zum Einkapseln des piezoelektrischen Elementes 110 und des Stellgliedes 112 zusammenwirken. Das Abdeckelement 106 ist an dem Basiselement 104 mittels Gewindestiften 108 befestigt (siehe 3 und 4), obwohl andere Mittel für die Verbindung zwischen dem Basiselement 104 und der Abdeckung 106 bevorzugt sein können, z. B. Ultraschallschweißen oder Nieten.
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Das Stellglied 112 ist beweglich im Gehäuse 102 montiert. Das besondere ist Stellglied 112 ist besonders für hin- und hergehende Bewegungen längs einer axialen Mittellinie X der Einheit 100 ausgebildet, das heißt für eine Auf- und Abbewegung wie in 1 zu sehen ist.
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Insbesondere wird das Stellglied 112 von Auslenkung aus der achsialen Mittellinie X (beispielsweise einer Bewegung von einer Seite auf die andere wie in 1 dargestellt ist) abgehalten, so dass das Stellglied im Wesentlichen konzentrisch zur axialen Mittellinie X der Einheit 100 verbleibt. Das piezoelektrische Element 110 und das Stellglied 112 sind somit konzentrisch zur Mittellinie X angeordnet.
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In der dargestellten Ausführungsform wird das Stellglied 112 von Auslenkungen aus der axialen Mittellinie x abgehalten, indem ein ringförmiges Halteelement 114 verwendet wird, das in Form eines Rings aus elastischem Material, beispielsweise Polyurethan gebildet ist. Das ringförmige Halteelement 114 ist vorzugsweise so ausgebildet, das es als Membran wirkt, wodurch potentielle radiale Auslenkungen des Stellglieds als Reaktion auf externe Kräfte in eine Auf- und Abbewegung umgewandelt werden. Dies soll die Effizienz des Generators verbessern. Eine gleiche oder ähnliche beschränkender Bewegungseffekt kann dadurch erreicht werden, dass eine Reihe von Halteelementen verwendet wird, die beabstandet voneinander um die Peripherie des zentral angeordneten Stellgliedes angeordnet sind, um einen trampolin- oder membranähnlichen Effekt zu erzeugen, wobei das Stellglied 112 innerhalb des Gehäuses mittels der Halteelemente aufgehängt ist und wobei die Haltelemente zusammenwirken, um eine Auf- und Abbewegung des Stellgliedes zu erlauben, während das Stellglied von einer Bewegung die von einer Seite auf die andere ausgeführt wird, zurückgehalten wird.
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Ein Innenabschnitt des Halteelementes 114 ist mit dem Umfang des Stellgliedes 112 verbunden (oder kann integraler Bestandteil sein) und ein Außenabschnitt des Haltelementes 114 ist innerhalb des Gehäuses 102 verankert. Es ist daher klar, dass das Stellglied 112 innerhalb des Gehäuses 102 durch das Haltelement 114 aufgehängt ist. Ein ähnlicher oder gleicher beschränkender Bewegunseffekt kann durch eine Reihe von Haltelementen erreicht werden.
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Wie deutlich aus den 1 und 2 zu entnehmen ist, ist ein Außenabschnitt 130 des Haltelementes 114 zwischen dem Basiselement 104 und der Abdeckung 106 eingeklemmt, so dass es ortsfest im Gehäuse 102 befestigt ist. Der Innenabschnitt 132 des Haltelementes 114 weist ein vergrößertes rundes Profil auf, das in einer komplementär ausgebildeten Ringnut 134 in eine Außenwand 136 des Stellgliedes 112 angeordnet ist, so dass ein Kugelgelenk gebildet wird, wobei das Stellglied 112 relativ zum Innenabschnitt des Haltelementes gelenkig gelagert ist, z. B. während der Bewegung des Stellgliedes 112 längs der axialen Mittellinie X unter der Wirkung von Zentrifugalkräften, die auf die Einheit 100 wirken, wenn diese innerhalb eines sich drehenden Fahrzeugreifens montiert ist.
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Das Stellglied 112 in den 1 bis 6 schließt eine allgemein kreisförmige Wanne 116 ein, die einen Raum 118 bildet. Eine gedruckte Leiterplatte (PCB) 120 ist in dem Raum 118 in der Wanne montiert und trägt so zur Stellgliedmasse bei, um das piezoelektrische Element 110 auszulenken. Wie im Detail weiter beschrieben wird, steht die gedruckte Leiterplatte 120 in elektrischer Verbindung mit dem piezoelektrischen Element 110.
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Die gedruckte Leiterplatte 120 schließt ein:
einen Gleichrichter zur Umwandlung eines Wechselstroms von dem piezoelektrischen Element 110 in einen Gleichstrom;
ein Energiespeicherelement in Form einer Reihe von Kondensatoren, die den Gleichstrom vom Gleichrichter speichern (bis dieser benötigt wird);
und eine DC-DC-Steuereinrichtung zur Regelung des Spannungsausgangs der Kondensatoren. Die bevorzugte Ausführungsform sieht Kondensatoren mit sehr wenig Leckstrom vor, um sicherzustellen, dass ein so groß wie möglicher Prozentsatz der erzeugten Ladungen bewahrt wird und dass interne Leckagen so gering wie möglich gehalten werden. Modifizierte Ausführungsformen können aufladbare Batterien für die Speicherung der erzeugten Ladung einschließen.
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In dieser Ausführungsform schließt die gedruckte Lagerplatte 120 einen Mikroprozessor ein, einen Radiofrequenztransmitter, einen Sensorschaltkreis und einen Steuerkreis, um Reifenüberwachungsfunktionen bereitzustellen. Insbesondere ist der Sensorschaltkreis an einen oder mehrere Sensoren, z. B. eine Sensorkapsel 122, die in der Wanne 116 angeordnet sind, oder an andere Sensoren angeschlossen, die außerhalb des Gehäuses 102 vorgeschlossen oder teilweise aus dem Gehäuse 102 vorstehen, um Parameter (wie z. B. Druck und Temperatur), benachbart zur Einheit 100 zu überwachen. Der Sensor, der Steuerprozessor, der Radiofrequenztransmitter und andere elektronische Komponenten können als ein ASIC bereitgestellt sein (Application Specific Integrated Circuit – anwendungspezifisch integrierte Schaltung).
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Die gedruckte Leiterplatte 120 kann auf der Wanne 116 sicher angeordnet sein, indem eine Vergussmasse (nicht dargestellt) verwendet wird. Die Vergussmasse kann ein geeignetes Material, z. B. ein Zweikomponentenharzkleber, sein und trägt zur Stellgliedmasse bei, um das piezoelektrische Element 110 auszulenken. Es ist jedoch zu bemerken, dass in anderen Ausführungsformen die gedruckte Leiterplatte und/oder Sensoren entfernt von dem Stellglied 112 angeordnet sein können.
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Wie insbesondere in
2 zu sehen ist, definiert das Basiselement
104 eine gekrümmte Vertiefung
105. Der Krümmungsradius erstreckt sich nur in einer Achse wie durch Vergleich zwischen den
2 und
3 zu sehen ist. Die Unterseite des Stellgliedes
112 (oder ein Abdeckelementes, das am piezoelektrischen Element
110 montiert ist) weist eine Krümmung auf, die dem Krümmungsradius der Vertiefung
105 entspricht. Das piezoelektrische Element
110 ist zur Auslenkung in die Vertiefung
105 als Reaktion auf die Auslenkung des Stellgliedes
112 ausgebildet, wobei das piezoelektrische Element
110 sich an die Krümmung der Vertiefung
105 und die Unterseite des Stellgliedes
112 anpasst. Es wird vorgeschlagen, dass durch eine solche eingebettete Auslenkung (nested deflection) des piezoelektrischen Material, insbesondere piezokeramischen Materials, die innere Struktur des piezoelektrischen Materials geschützt werden kann, wie dies in
US 2005/0082949 beschrieben wird.
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In bevorzugten Ausführungsformen kann es für das piezoelektrische Material bevorzugt sein, für die Auslenkung in eine Vertiefung durch die Bewegung des Stellgliedes ausgebildet zu sein, z. B. wenn es der Bewegung mit dem Stellglied als Reaktion auf externe Kräfte Rechnung trägt. Das piezoelektrische Material kann vorzugsweise konzentrisch mit dieser Vertiefung sein. Die Vertiefung kann vorzugsweise ein gekrümmtes Profil aufweisen und ein Kontaktabschnitt des Stellgliedes kann vorzugsweise ein komplementäres gekrümmtes Profil für das Ineinandergreifen mit dem Krümmungsradius der Vertiefung aufweisen. Insbesondere erstreckt sich der Krümmungsradius der Vertiefung längs einer einzigen Achse.
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In den 3 und 4 ist zu sehen, dass das piezoelektrische Element 110 für die Bewegung mit dem Stellglied 112 gekoppelt ist. Insbesondere wird das piezoelektrische Element 110 vom Stellglied 112 getragen.
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Wie deutlich in 5 zu sehen ist, ist das piezoelektrische Element 110 auf einem Substrat 140 montiert, das an der Unterseite der Wanne 116 angebracht ist. In der dargestellten Ausführungsform ist das Substrat 140 an der Wanne 116 mittels Gewindestiften 124 befestigt, die längs einer radialen Mittellinie des Elementes 110 angeordnet sind. Die Stifte 124 erstrecken sich durch den radialen Flansch 126 an der Wanne 116 und sind ortsfest mittels Muttern 128 befestigt. Das Substrat 140 jedoch kann auf andere Weise an der Wanne 116 z. B. durch Heißnieten oder Nieten befestigt sein.
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Das piezoelektrische Element 110 ist zwischen der Unterseite der Wanne 116 und dem Substrat 140 eingelegt. Eine Abdeckscheibe (nicht gezeigt) kann über dem piezoelektrischen Element 110 vorgesehen sein, um die Unversehrtheit des piezoelektrischen Materials bei der Auslenkung zu gewährleisten.
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In dieser Ausführungsform ist das piezoelektrische Element 110 in der Form einer kreisförmigen Scheibe ausgeführt, vorzugsweise aus piezokeramischen Material. Das Substrat 140 ist auch vorzugsweise in Form einer kreisförmigen Scheibe ausgebildet, insbesondere einer Scheibe, die einen größeren Durchmesser hat als die piezoelektrische Scheibe 110. Die Vertiefung 105 ist ebenfalls kreisförmig und das Stellglied 112 und die piezoelektrische Scheibe 110 sind vorzugsweise konzentrisch mit der Vertiefung 105.
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Das Substrat 140 ist vorzugsweise aus elektrisch leitendem Material. Ein Leiter 138 stellt die elektrische Verbindung zwischen dem piezoelektrischen Element 110 und der gedruckten Leiterplatte 120 her, wobei elektrische Ladungsimpulse von dem piezoelektrischen Element 110 an die gedruckte Leiterplatte 120 über das Substrat 140 und den Leiter 138 weitergegeben werden. Wie deutlich in 4 zu sehen ist, weist der Leiter 138 ein erstes Ende, das zwischen der Substratscheibe 140 und der Wanne 116 festgeklemmt ist und ein zweites Ende auf, das sich durch eine Öffnung 142 in der Wanne 116 erstreckt, so dass dieses für den Kontakt mit der gedruckten Leiterplatte 120 angeordnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Leiter 138 nicht an der gedruckten Leiterplatte 120 befestigt, sondern ist stattdessen elastisch in Anlage mit einem Kontaktabschnitt 144 der gedruckten Leiterplatte angeordnet. In anderen Ausführungsformen kann der Leiter 138 mittels einer Lötverbindung oder einer Klemmverbindung an der gedruckten Leiterplatte 120 befestigt sein.
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Die Einheit 100 ist vorzugsweise für die Anbringung an einer Basis ausgebildet, um die Einheit 100 an der Innenfläche eines Reifens anbringen zu können (vorzugsweise an einem Abschnitt des Reifens, der der Reifenkontaktfläche des Reifens direkt gegenüber liegt). In der dargestellten Ausführungsform weist das Gehäuse 102 (in diesem Fall ein Abschnitt des Basiselements 104) einen ringförmigen Kanal oder Nut 146 zum Einrasten in einer komplementären Öffnung 148 in einer Basis 150 auf. Gewöhnlich ist die Basis 150 am Reifen gesichert, z. B. durch die Verwendung von einem Klebstoff. In anderen Ausführungsformen kann das Gehäuse in einem Pflaster (patch) eingekapselt sein, das dann an einer Innenfläche des Reifens gesichert ist.
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Der Betrieb der Einheit
100 ist im Wesentlichen die gleiche wie bei den Einheiten die in
WO 2004/030949 beschrieben und erläutert werden. Der Inhalt dieser Schrift wird durch Bezugnahme eingeschlossen und wird daher nicht im Detail beschrieben. Der Basisbetrieb ist wie folgt:
Wenn sich das Rad in Rotation befindet, drücken die Zentrifugalkräfte die Wanne
116 in Richtung des Basiselement
104 (beispielsweise längs der Mittellinie x) aus einer Ruheposition (wie beispielsweise in
4 zu sehen ist), um das piezoelektrische Material in die Vertiefung
105 auszulenken. Insbesondere wenn die Wanne
116 in die Richtung des Sockels
104 gedrängt wird, wirkt das Substrat
140 als ein einfacher Stützbalken über der Vertiefung
105 und die Krümmung der Unterseite der Wanne
116 bewirkt eine Biegung des piezoelektrischen Materials
110 in die Vertiefung
110 über dem ungestützten Abschnitt des Substrats
140. Wenn die Fläche des Reifens benachbart zur Einheit
100 in Kontakt kommt mit der Straßenoberfläche kommt wird sie plötzlich deformiert, wodurch eine plötzliche Änderung der Zentrifugalkraft verursacht wird, die vom Stellglied
112 wahrgenommen wird. Dies bewirkt eine Änderung in der Auslenkung des piezoelektrischen Elementes
110. Die Änderungen im ausgelenkten Zustand des piezoelektrischen Elementes
110 aus seiner Ruheposition während der Rotation des Rades erzeugt Pulse elektrischer Ladung, die an die gedruckte Leiterplatte kommuniziert werden. Die gesammelte Ladung wird für das Betreiben des Sensorschaltkreises der gedruckten Leiterplatte verwendet.
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Obwohl die Einheit 100 für die batterielose Stromversorgung vorgesehen ist, kann die Einheit 100 so modifiziert werden, dass auch eine Batterie oder andere elektrische Energiespeicher eingeschlossen sind zusätzlich zur piezoelektrischen Anordnung.
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Es ist verständlich, dass die Einheit 100 einen piezoelektrischen Stromgenerator aufweist, der piezoelektrisches Material 110 und ein Stellglied 112 für die Auslenkung des piezoelektrischen Materials zur Erzeugung elektrischer Ladungen aufweist, wobei das piezoelektrische Material und ein Stellglied in einem Gehäuse 102 angeordnet sind und wobei das Stellglied für eine hin- und hergehende Bewegung längs der ersten Achse X als Reaktion auf externe Kräfte ausgebildet ist und wobei das Stellglied von Auslenkungen aus dieser Achse über einen oder mehrere Aufhängelemente abgehalten wird, wodurch das Stellglied beweglich innerhalb des Gehäuses aufgehängt ist.
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Es ist auch verständlich, dass die Einheit 100 einen piezoelektrischen Stromgenerator einschließlich piezoelektrisches Material 110 und Stellglied 112 für die Auslenkung des piezoelektrischen Materials zum Zwecke der Erzeugung elektrischer Ladung aufweist, wobei das piezoelektrische Material für die Auslenkung in eine Vertiefung 105 durch die Bewegung des Stellglieds ausgebildet ist und wobei das piezoelektrische Material für die Bewegung mit dem Aktuator als Reaktion auf externe Kräfte ausgebildet ist.
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Eine modifizierte Reifenüberwachungseinheit 200 ist in den 7 bis 10 dargestellt. Wie bei der Einheit 100 weist ach die Einheit 200 einen piezoelektrischen Stromgenerator mit piezoelektrischem Material 202 und einem Stellglied 204 für die Auslenkung des piezoelektrischen Materials zum Zweck der Erzeugung elektrischer Ladungen auf. Das piezoelektrische Material 202 und das Stellglied 204 sind in einem Gehäuse angeordnet und das Stellglied 204 ist innerhalb des Gehäuses für eine hin- und hergehende Bewegung längs einer ersten Achse X in Reaktion auf externe Kräfte aufgehängt. Das piezoelektrische Material 202 ist für die Auslenkung in eine Vertiefung 218 bei einer Bewegung des Stellgliedes 204 ausgebildet (besitzt einen Krümmungsradius, der sich nur in eine einzige Achse erstreckt) und das piezoelektrische Material 202 ist für die Bewegung mit dem Stellglied 204 als Reaktion auf externe Kräfte ausgebildet.
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Das Gehäuse besitzt eine Basis 206 und eine Abdeckung 208. Jedoch ist in dieser Ausführungsform ist die Abdeckung 208 in Form eines Pflasters (patch) ausgebildet, wodurch die Einheit 200 an ihrem Betriebsort gesichert werden kann, z. B. an der Innenfläche eines Reifens. Die Abdeckung 208 kapselt die Basis 206, das Stellglied 204 und das piezoelektrische Material 202 ein. Das Stellglied 204 ist in Draufsicht allgemein kreisförmig und für die Aufnahme eines Steuerkreises für die Einheit 200 vorgesehen. In dieser Ausführungsform ist jedoch das Stellglied 204 direkt an der Abdeckung 208 aufgehängt, ohne dass zusätzliche Aufhänge- oder Stützelemente (wie der Ring 114 der Einheit 100) notwendig ist. Dies reduziert die Anzahl der Komponenten und das Nettogewicht der Einheit 200.
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Wie zu sehen ist, schließt die Abdeckung 208 eine ringförmige Vertiefung 210 zur Aufnahme einer Umfangslippe 212 des Stellgliedes 204 ein. Die Abdeckung 208 besteht aus elastischem Material, insbesondere Material, was eine hin- und hergehende Bewegung des Stellgliedes 204 längs der Achse X (dies sind Auf- und Abbewegungen wie in 8 und 9 dargestellt) als Reaktion auf externe Kräfte z. B. Zentrifugalkraft in rotierenden Anwendungen ermöglicht.
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Die Abdeckung 208 ist vorzugsweise verstärkt oder ausgebildet, um das Stellglied 204 von Auslenkungen von dieser Achse X abzuhalten und so als Membran zu wirken, wodurch potentielle radiale Abweichungen des Stellglieds 204 als Reaktion auf externe Kräfte in eine Auf- und Abbewegung dieser Achse X umgewandelt werden. In dieser Ausführungsform ist die Basis 206 ein starres Element verglichen mit der elastischen Eigenschaft der Abdeckung 208) und erstreckt sich nach oben in die Abdeckung 208 insbesondere in den Abschnitt, der unmittelbar der Vertiefung 210 benachbart ist, um eine lokale Steifigkeit bereitzustellen, um eine seitliche Bewegung des Stellelementes 204 zu verhindern. Dies ist beispielsweise in den 8 und 9 dargestellt, in denen aufragende Abschnitte 214 der Basis 206 sich in die Fassung 216 erstrecken, die in der Abdeckung 208 ausgebildet ist. Die Basis 206 kann eine Mehrzahl solcher aufragender Abschnitte 214 aufweisen, die im Allgemeinen eine kreisförmige Reihe definieren, oder beispielsweise einen einzigen aufragenden Ring definieren.
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Der Betrieb der Einheit 200 ist im Wesentlichen der gleiche wie bei der Einheit 100 der 1 bis 6, wobei Zentrifugalkräfte das Stellglied 204 in die Richtung der Basis 206 drücken, um das piezoelektrische Material 110 in die Vertiefung 218 der Basis 206 zu drücken. Wiederum bewirkt die Krümmung der Unterseite des Stellglieds 206 die Biegung des piezoelektrischen Materials 202 in die Vertiefung 218.
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Es ist zu bemerken, dass ein Abstandselement 220 vorzugsweise unter dem piezoelektrischen Material 202 vorgesehen ist und zwar zwischen dem Stellglied 204 und der Basis 206. Das Abstandelement 220 dient dazu, den neutralen Radius der Durchbiegung zu verschieben, was auftritt, wenn das Stellglied bewirkt, dass das piezoelektrische Material 202 gebogen wird, und sich während der Biegung unterhalb des piezoelektrischen Materials 202 befindet, so dass das gesamte piezoelektrische Material 202 während der Durchbiegung komprimiert wird, und somit die Stromerzeugung verbessert. Entsprechend muss das piezoelektrische Material 202 am Abstandelement 220 gesichert angeordnet sein, so dass die Kombination des piezoelektrischen Materials 202 und das Abstandelements 220 als eine einzige zusammengesetzte Einheit während der Durchbiegung wirkt. In dieser Ausführungsform wird das Abstandelement 220 vom Stellglied 204 getragen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1549515 [0002, 0003, 0005, 0017]
- US 2005/0082949 [0051]
- WO 2004/030949 [0059]
