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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft die Montage und Anordnung eines ringförmigen Apparats,
einschließlich einer
Antenne und eines Transponders, in einem Reifen zum Zweck der Übertragung
von Reifen- oder Raddaten, und spezifischer das Verfahren der Montage
und Anordnung des ringförmigen
Apparats in Bezug auf den Reifen oder das Rad, um konkurrierende
Leistungskriterien zu optimieren. Sie betrifft auch das Koppeln
elektronischer Vorrichtungen, wie etwa eines Transponders und einer
Antenne, und spezifischer direktes magnetisches Koppeln eines Transponders
und einer ringförmigen
Antenne zur Anwendung in Luftreifen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft einen ringförmigen Apparat,
der eine Antenne umfasst, zum elektronischen Übertragen von Reifen- oder
Radidentifikation oder anderer Daten auf Hochfrequenz. Es ist üblich, einen
ringförmigen
Apparat, der eine Antenne umfasst, zum elektronischen Übertragen
von Reifen- oder Radidentifikation oder anderer Daten auf Hochfrequenz
einzusetzen. Der Apparat umfasst einen Hochfrequenztransponder,
der einen integrierten Schaltkreischip umfasst, welcher eine Datenkapazität aufweist,
die zumindest ausreichend ist, um Identifikationsinformation für den Reifen
oder das Rad zu behalten. Andere Daten, wie etwa der Fülldruck
des Reifens oder die Temperatur des Reifens oder Rades am Transponderstandort,
können
von dem Transponder zusammen mit den Identifikationsdaten übertragen
werden. Während
die vorliegende Erfindung spezifisch auf die Kopplung eines Transponders
an eine Antenne zur Verwendung in Luftreifen gerichtet ist, ist
die Erfindung nicht so eingeschränkt.
Die hierin beschriebenen Prinzipien können in der magnetischen Kopplung
einer Reihe elektronischer Vorrichtungen an eine ringförmige Antenne
für eine
Myriade anderer Anwendungen, die den Fachleuten in der Technik deutlich
sein werden, Anwendung finden.
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Wie
durch die nachstehend beschriebenen, hierin als Referenz aufgenommenen
Referenzen bewiesen wird, ist es in der Technik bekannt, eine ringförmige Antenne
zu verwenden, um, auf Hochfrequenzen, Daten von einem innerhalb
der Struktur eines Reifens oder einer Reifen-/Radeinheit enthaltenen Transponder
zu übertragen.
Antenne und Transponder können
während
der "Vor-Aushärtungs"-Fertigung in einen
Reifen eingearbeitet werden. In der Praxis ist es jedoch sehr schwierig,
das zu tun. Sowohl Radialreifen als auch Diagonalreifen werden im Verlauf
der Fertigung einer beträchtlichen
Durchmesservergrößerung unterzogen.
Diagonalreifen werden vom Durchmesser her ausgedehnt, wenn sie in
eine Vulkanisierpresse eingebracht werden, die typischerweise einen
Balg aufweist, der den Rohreifen in die Kreisringform der ihn umschließenden Form
zwingt. Radialreifen werden während
des Reifenbau- oder -formprozesses einer Durchmesserausdehnung und im
Verlauf des Aushärtens
einer weiteren Durchmesserausdehnung unterzogen. Jedwede in den
Reifen eingebaute ringförmige
Antenne und die dieser zugeordnete elektronische Schalttechnik muss
in der Lage sein, strukturelle Integrität und die mechanische Verbindung
zwischen dem Antennen- und Transponderpaket während der Durchmesservergrößerung des
Reifens während
seiner Fertigung aufrechtzuerhalten. Weiterhin muss die ringförmige Antenne
in der Lage sein, die während
des Reifengebrauchs auftretenden wiederholten Verformungen und die
Härten,
die von Testprozeduren auferlegt werden, denen Reifen vor der Runderneuerung
unterzogen werden, zu überleben.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an einem ringförmigen Apparat und
einem Verfahren, die ausreichend sind, um mechanische und strukturelle
Integrität
in der Transponder-Antennenschleifenverbindung während der Durchmesservergrößerung des
Reifens während
des Bau- und Aushärteprozesses
aufrechtzuerhalten. Zusätzlich
müssen
die Antenne und die Transponder-Antennenschleifenverbindung haltbar
und in der Lage sein, strukturelle Integrität während der Härten des Reifenbetriebs und
Runderneuerungsprozeduren aufrechtzuerhalten, ohne eine Verschlechterung in
der Leistung oder Versagen aufgrund von Bruch von Kabeln oder elektrischen
Verbindungen.
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Sobald
sie in den Reifen eingebaut sind, zerstört jede wahrgenommene Fehlfunktion
in Antenne, Transponder oder der Verbindung zwischen Antenne und
Transponder, die nicht repariert werden kann, die Brauchbarkeit
des Reifens und kann ein Ausmustern des Reifens nötig machen.
Von daher trägt
das Anbringen einer Baugruppe von ringförmiger Antenne und Transponder
in einen Reifen während
dessen Fertigung das Risiko, dass ein anschließendes Versagen oder Brechen
von Baugruppenkomponenten die Zerstörung des ansonsten geeigneten
Wirtreifens erforderlich machen wird.
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Nicht
nur ist das Risiko der Beschädigung
an einem Ringantennen-Transponder-System während seiner Einarbeitung in
einen Reifen während
der Fertigung vorhanden, sondern sind Beschädigungen an solchen Systemen
vom Betrieb des Reifens an einem Fahrzeug nicht unüblich. Schleifenantennen
in bekannten Reifendrucküberwachungssystemen
wurden bis dato während
des Aushärtevorgangs
entweder am Zenit des Reifens, dem Wulst des Reifens oder der Seitenwand
in dem Reifen plaziert. Im Zenit befindliche Antennen und Transponder
sind wesentlicher Kompressionsbelastung und an der Seitenwand einer
hohen Beanspruchungsamplitude ausgesetzt. Solche Standorte stellen
Bereiche des Reifens mit hoher Belastung und Verformung dar. Folglich neigen
Antenne, Transponder und die Verbindungen dazwischen an solchen
Standorten zu Bruch und mechanischem oder elektrischem Versagen.
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Über den
Bedarf an der Aufrechterhaltung mechanischer struktureller Integrität, wie oben
erörtert,
hinaus ist es wichtig, dass die Verbindung zwischen der Antenne
und dem Transponder einen hohen Energietransfer verschafft. Passivtransponder erfordern
die Zufuhr von Energie von einer entfernt gelegenen (berührungslosen)
Energiequelle. Diese Energiekopplung wird üblicherweise durch Generieren
eines Niederfrequenz(beispielsweise 125kHz bis 135kHz)-Wechselstroms
in einer Leserantennenspule erzielt. Die Leserspule ist typischerweise,
aber nicht notwendigerweise, ein induktiv-kapazitiver (LC) Reihenresonanzkreis.
Der Strom in der Leserantennenspule erzeugt ein nahegelegenes Magnetfeld. Ein
Passivtransponder innerhalb dieses Feldes fängt durch induktive Kopplung
zwischen dem Magnetfeld und der Transponderantennenspule, die typischerweise,
jedoch nicht notwendigerweise, in einen parallel abgestimmten LC-Resonanzschaltkreis
eingearbeitet ist, Energie auf.
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Eine
Form von Transponderantennenspule ist eine Drahtschleife mit großem Durchmesser
mit einer oder sehr wenigen Windungen. Eine solche Antenne ist beispielsweise
in einem Reifen sehr gebrauchsgeeignet, wo die Schleife in Reifenzenit
oder Seitenwand angebracht werden kann, um durch 360 Grad Umdrehung
eine kontinuierliche Kopplung zu verschaffen. Eine große Schleife
von einer oder einigen Windungen bietet ein großes Gebiet, um Energie von
dem Feld der Leserantennenspule einzufangen, hat jedoch eine sehr
niedrige Induktivität.
Daraus resultiert ein LC-Resonanzschaltkreis
schlechter Qualität
und eine schlechte Impedanzanpassung an die Transponderelektronik.
Zur Überwindung
schlechter Impedanzanpassung kann ein Transformator eingesetzt werden,
der aus einer niedrigen Anzahl primärer Windungen in Reihe mit
der Schleifenantenne und einer hohen Anzahl von an den Eingang der Transponderelektronik
angeschlossenen Sekundärwindungen
besteht. Der Transformator verschafft eine höhere Induktivität auf der
Primärseite
und ermöglicht
daher einen hochqualitativ abgestimmten LC-Schaltkreis, ein hohes
Spannungsniveau am Transpondereingang und gute Impendanzanpassung
an die Transponderelektronik. Das effizienteste Mittel zur Schaffung
eines solchen Transformators ist durch Verwendung eines Ferritmaterials,
typischerweise in einer kreisringförmigen Konfiguration, um eine
hohe Effizienz und hohen Kopplungsfaktor in einem kleinen Volumen
zu ergeben.
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Die
Verbindung zwischen der Antennenschleife mit großem Durchmesser und dem in
der Primärwicklung
eines kreisringförmigen
Transformators verwendeten feinen Draht kann jedoch in einem Transponderpaket
problematisch sein. Die Antennenschleife ist oft ein steifes und
starkes Material, um den Anforderungen einer bestimmten Anwendung, wie
etwa Reifen, zu entsprechen. Die elektrische Verbindung zwischen
dem steifen Draht und dem feinen Draht verursacht Zuverlässigkeits-
und Verfahrensprobleme. Die Materialzusammensetzung der Schleifenantenne
kann möglicherweise
kein Löten
gestatten und der geringe verfügbare
Platz kann das Herstellen einer starken mechanischen Verbindung
erschweren. Zusätzlich
kann das Endenlassen eines steifen Drahts in dem in Transponderpaketen
verfügbaren
kleinen Volumen zu einem schwachen und weniger als dauerhaften Anschlussstelle
führen.
Folglich kann der Verbindung durch Walken oder andere Bewegung der
Schleifenantenne auferlegte Beanspruchung das Versagen der Verbindung
verursachen. Außerdem
ist in einem typischen Transponderpaket nur eine kleine Menge Epoxy
oder anderes Einkapselmaterial verfügbar, um solcher Beanspruchung
zu widerstehen.
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In
der Technik ist es bekannt, einen Transponder mit einem gewickelten
Ferritstab in der Nähe einer
langen Drahtschleife zu positionieren. Vom Leser in der Schleife
induzierter Strom erzeugt ein Magnetfeld in Nähe der Schleife, das in den
Stab gekoppelt wird.
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Andere
alternative bekannte Ausführungen nehmen
einen Teil der langen Schleife und wickeln ihn zu einer kleinflächigen "Konzentrator"-Wicklung. Die Konzentratorwicklung
konzentriert das Magnetfeld und verursacht mehr induktive Kopplung
zu einer proximal zu der Wicklung angebrachten Ferritstabtransponderantenne.
Elektrisch stellt eine solche Verbindung einen locker gekoppelten
Transformator dar, wobei die Konzentratorwicklung die Primärwicklung
des Transformators ist und die Wicklung auf dem Ferritstab die Sekundärwicklung
ist.
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Ein
bei der Einarbeitung bekannter Antennen-Transponder-Baugruppen in reifenbasierten Systemen
inhärentes
Problem wird verursacht, wenn der Transpondertransformator einmal
per Umdrehung direkt unter der Leserantenne vorbeiläuft. Wenn die
Transformator-Primärwicklung
magnetisch offen ist, wie im Fall eines Ferritstabs, dann induziert
das Magnetfeld von dem Leser direkt Spannung in der Sekundärwicklung,
wobei sie der von der Antennenschleife induzierten Spannung entgegenwirkt.
Diese direkte Kopplung ist in umgekehrter Phase zu der Schleifenkopplung.
Folglich wirken die zwei Felder einander an zwei Stellen bei jeder
Umdrehung exakt entgegen, wodurch sie einen toten Punkt in der Kopplung
verursachen. Dieses Ereignis eliminiert eine zu bevorzugende 360
Grad-Ablesung und kann das Ablesen von Transpondern bei hohen Radgeschwindigkeiten
verhindern. Dementsprechend besteht ein Bedarf an der Verschaffung
einer Antennen-Transponder-Baugruppe
für Reifensysteme,
die eine kontinuierliche 360 Grad-Ablesung, einen hohen Kopplungsfaktor
und minimale Interferenz zwischen von dem Lesermagnetfeld induzierter
Spannung und der von der Antennenschleife induzierten verschafft.
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Andere
relevante Punkte für
das Montieren eines Transpondermoduls in einem Reifen beinhalten
das Ersetzen des gesamten Transpondermoduls, wenn es Ersatz erfordert,
und, im Fall batteriebetriebener ("aktiver") Transponder, Ersetzen der Batterie, falls
erforderlich. Vorzugsweise sollte der Transponder, ob "aktiv" oder "passiv", nur einen Bruchteil
der Kosten des gesamten Reifens darstellen. von daher wäre das Ersetzen
eines gesamten Reifens aufgrund eines funktionsunfähigen Transponders
höchst
unerwünscht.
Im Fall des dauerhaften Einbettens des Transponders in dem Reifen,
wie in 13 von US-A-5,500,065 gezeigt,
ist das Ersetzen der Transpondereinheit oder irgendeiner Komponente
davon völlig
unmöglich.
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US-A-5,181,975
offenbart eine Anzahl von Standorten und Techniken zur Montage eines
Transponders in einem Reifen. In einem bereits gefertigten Reifen
kann der Transponder mittels eines Reifenflickens oder ähnlichen
Materials oder Vorrichtung an der axial inneren Seite der Innenisolierung
oder an der axial äußeren Seite
der Reifenseitenwand befestigt werden. Es offenbart auch einen Luftreifen
mit einem integrierten Schaltkreis(IC)-Transponder und Drucktransducer. Wie
in diesem Patent beschrieben, kann der Transponder mittels eines
Reifenflickens oder anderem ähnlichen
Material oder Vorrichtung an einer Innenfläche des Reifens befestigt sein. US-A-5,218,861
offenbart ebenfalls Standorte und Techniken zur Montage eines integrierten
Schaltkreis-Transponders
und Drucktransducers in einem Luftreifen. Das bei jeder Herangehensweise
des Standes der Technik auftretende gemeinsame Problem ist, dass
Transponder und Antenne ein System darstellen. Zur besten magnetischen
Kopplung und zur Ermöglichung
einer kontinuierlichen 360 Grad-Ablesung ist es wünschenswert,
dass die Antenne ringförmig
ist. Die Art und Weise des Erstellens einer effektiven und mechanisch
sicheren Kopplung zwischen einem Transponder und einer ringförmigen Antenne
ist problematisch, und in der Technik findet sich keine zufriedenstellende
Lösung.
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Eine
abschließende
Gestaltungsherausforderung ist das Verschaffen einer Standardplattform, die
in der Lage ist, sich an die breite Vielfalt von Transpondern und
verschiedenen Typen und Größen von
Reifen, die in der Industrie kommerziell erhältlich sind, anzupassen. Optimalerweise
würde ein
standardisierter ringförmiger
Apparat Komponenten verschiedener Hersteller akzeptieren, und eine
solche Gleichförmigkeit
in der Plattform des ringförmigen Systems
würde zur
Erhöhung
ihrer kommerziellen Akzeptanz dienen.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung ist die Verschaffung eines Verfahrens
und eines Apparats zur Montage eines Transpondermoduls in einem
Luftreifen auf solche Weise, dass der Transponder bequem eingesetzt,
entfernt, ersetzt und/oder gewartet werden kann, entweder während der
Reifenfertigung oder danach. Zusätzlich
würde der
ringförmige
Apparat und das Verfahren zu dessen Anwendung so wirken, dass die
Transpondersensoren optimal innerhalb eines Reifenhohlraums untergebracht
werden, um genaues Messen zu erleichtern. Ein weiterer Aspekt der
vorliegenden Erfindung ist das Verschaffen eines Verfahrens und
eines Apparats zum Montieren eines Transponders und einer Antenne
für den Transponder
in einem Luftreifen, und das Verschaffen eines mechanisch abgekoppelten
Verhältnisses zwischen
dem Transponder und der Antenne. Daneben ist ein weiterer Aspekt
der Erfindung das Verschaffen eines Verfahrens zum Montieren eines Transpondermoduls
in einem Luftreifen an jedem beliebigen Punkt im Reifenfertigungsprozess,
mit minimalem Einfluss auf die Reifenleistung.
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Einer
der zwei voneinander beabstandeten Metallwülste eines Reifens kann die
Anforderung einer in einem Reifen montierten Transformator-Primärwicklung
mit großem
Durchmesser, wie in US-A-5,181,975 und 5,218,861 beschrieben, erfüllen. Der
Nachteil ist, dass, während
der Wulststandort in einem Reifen einen Bereich mit niedriger Belastung
und Verformung darstellt, diesem Vorteil von dem unerwünschten
elektromagnetischen Einfluss entgegengewirkt wird, der mit dem elektrisch
leitenden Metallrad zusammenhängt,
worauf der Reifen montiert ist und zu dem der Wulst dicht benachbart ist.
Folglich kann der Standort der Antennen-Transponder-Baugruppe am Wulst
die Baugruppe vor vom Betrieb des Reifens herrührender Beanspruchung schützen, jedoch
kann sich die Kommunikationsqualität aufgrund von an einem solchen
Standort auftretenden Interferenzproblemen als nicht zufriedenstellend
erweisen.
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Das
Wegbewegen der Antenne vom Wulstbereich des Reifens zum Zenitbereich,
wie von WO-A1-99/29525 gelehrt, vermeidet durch die Radfelge verursachte
magnetische Interferenz, plaziert die Antenne jedoch in einem Bereich
mit hoher Beanspruchung. Folglich kann sich eine Beschädigung der
Antenne durch den Reifenbetrieb ergeben.
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Abhängig von
dem HF-Generator, dem Transponder oder anderen beteiligten elektronischen Geräten, und
Eingangskrafterfordernissen des Systems muss die Antenne auch gewissen
Leitfähigkeitsanforderungen
sowie auch den vorangehend zusammengefassten mechanischen Anforderungen entsprechen.
Die Kabelkonstruktion der Wahl ist eine oder mehr Drähte, zusammengesetzt
aus Kupfer, kupferbekleidetem Stahl, Aluminium, oder jedem anderen
hochleitenden Material. Der Draht für die Antenne muss einen minimalen
elektrischen Widerstand haben, um Stromverluste und Signalübertragungsverluste
zu minimieren. In Passivsystemen, wo Strom durch eine magnetische
Kopplung zwischen der Antenne und einer Transponderspule zu dem Transponderpaket übertragen
wird, müssen
die Antenne und die Kopplung von der Antenne zum Transponder auch
einen hohen Energietransfer erleichtern.
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US-A-4,319,220
offenbart ein System zur Überwachung
von Reifendruck, das Radeinheiten in den Reifen und einen gemeinsamen
Empfänger
umfasst. Jede Radeinheit hat eine Antenne, die eine in einen offenen
Kreisring eingebettete kontinuierliche Drahtschleife umfasst, der
gegen den Innenumfang des Reifens angeordnet ist, um Signale zu übertragen
und Strom zu empfangen. US-A-6,147,659
offenbart die Verwendung von Metallkomponentenelementen in einem
Reifen als eine direkt an einen Transponder angeschlossene Antenne. US-A-4,074,227 offenbart
ein Reifendruckanzeigegerät
für einen
Reifen und enthält
einen Transponder, der an eine Signalspule gekoppelt ist, die als
eine kreisförmige
Schleife um den Reifen angeordnet ist. US-A-5,491,483 offenbart
eine Einzelschleifen-Ringantenne, die durch einen Impedanztransformator mechanisch
und magnetisch an einen Transponder gekoppelt ist. US-A-5,479,171
offenbart eine doppelt gekoppelte Transponder- und Antennenbaugruppe für einen
Reifen, wobei die Antenne um den Außenumfang eines Reifens montiert
ist und eine Kopplungsspule an einem Ende enthält. Ein Transponder ist nächster Nähe angeordnet
und ist locker an die Spule gekoppelt. Gleichartigerweise offenbart US-A-5,270,717
einen HF-ID-Transponder mit einer langen Antenne, die durch eine
lockere Kopplungsspule an einen Transponder gekoppelt ist. US-A-5,304,172
offenbart ein Reifenfülldrucküberwachungssystem,
das eine an einen Empfänger
gekoppelte Schleifenantenne umfasst. US-A-6,062,072 offenbart ein Reifendrucküberwachungssystem,
das einen Transmitter mit einer Antenne mit mehreren Wicklungen,
die in die Seitenwände
oder den Laufflächenbereich
eines Reifens integriert sind, umfasst. WO-A1-99/29523 offenbart
einen ringförmigen
Apparat, der in einen Ring aus Elastomermaterial eingearbeitet werden
kann, der an der Felge befestigt oder in den Reifen an seiner Äquatorebene
eingebettet wird. US-A-4,911,217 offenbart einen Reifentransponder und
Signaltransmitter. US-A-5,181,975 offenbart einen Reifentransmitter,
der den Wulst des Reifens als eine primäre Transformatorwicklung verwendet. US-A-5,218,861
offenbart einen Transponder für
einen Reifen mit einer Spulenantenne. US-A-6,228,929 offenbart einen
Reifen, der einen Streifen aus elektrisch leitendem Gummi umfasst. US-A-6,255,940
lehrt eine flickenmontierte Reifenmarke. US-A-6,369,712 offenbart
einen einstellbaren Temperatursensor für einen Reifen. WO-A1-01/12452 offenbart
einen Transponder und Koppelelement für einen Reifen. WO-A1-01/17806 offenbart
ein Reifenüberwachungssystem. WO-A1-01/36221
offenbart einen Transponder- und Antennenapparat für Luftreifen. US-A1-2001/0008083
offenbart ein Reifenüberwachungssystem,
das eine ringförmige
Antenne umfasst. WO-A1-99/29522
offenbart einen ringförmigen Apparat
für einen
Reifen, der eine in den Reifen an dessen Äquatorebene eingebettete Antenne
umfasst.
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US-A-541574
und EP-A-1310389 beschreiben ein Reifentranspondersystem gemäß der Einleitung
von Anspruch 1, das einen Transponder, eine an den Transponder gekoppelte
ringförmige
Antenne und einen aus einem nichtleitenden Material gebildeten Trägerstreifen,
der die Antenne zumindest teilweise einkapselt, umfasst.
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Während der
oben aufgeführte
Stand der Technik gut funktioniert und mehrere durchführbare Herangehensweisen
an die Erfüllung
der Anforderungen der Industrie darstellt, hindern gewisse, jeder Herangehensweise
inhärente
Mängel
den gesamten Stand der Technik daran, ein zufriedenstellendes System,
eine Baugruppe und ein Verfahren zum magnetischen Koppeln einer
ringförmigen
Antenne an einen Transponder oder zum mechanischen Integrieren eines
Systems von ringförmiger
Antenne und Transponder in einen Reifen zu erzielen. Einerseits lehrt
der Stand der Technik Techniken zum Koppeln einer Antenne an einen
Transponder, die einen weniger als zufriedenstellenden Kopplungsfaktor
erzielen. Außerdem
legt der Stand der Technik Verbindungen von Transponder zu Schleife
vor, die weniger haltbar sind als erwünscht, die im allgemeinen kompliziert
zu erzielen sind und zu Bruch während
Fertigung und Betrieb des Reifens neigen. Zusätzlich erleichtern die Verfahren
des Standes der Technik zur Einarbeitung eines Systems von ringförmiger Antenne
und Transponder in einen Reifen nicht eine bequeme Nachrüstungseinarbeitung
des Überwachungssystems
in zuvor gefertigte Reifen und gestatten keine leichte Reparatur
oder Ersatz der ringförmigen
Baugruppe oder von Komponenten, falls die Notwendigkeit auftreten sollte.
Schließlich
erzielen bestehende Systeme des Standes der Technik zum Koppeln
einer ringförmigen Antenne
an ein Transponderpaket nicht individuell oder kollektiv die vorangehenden
mechanischen Ziele, während sie
den Apparat an einem optimalen Standort an oder in einem Reifen
positionieren. Andererseits verschafft der Stand der Technik entweder einen
weniger als zufriedenstellenden Kopplungsfaktor, eine weniger als
haltbare Verbindung zwischen Transponder und Schleife, ein kompliziertes
Verfahren der Befestigung der Antennenschleife an einem Transponder;
oder relativ hohe Systemkosten. Folglich bleibt der Bedarf der Industrie
an einem System, einer Baugruppe und einem Verfahren zur Erzielung einer
hohen magnetischen Kopplung einer ringförmigen Antenne zu einem Transponder,
während
die Antenne mechanisch von dem Transponder isoliert ist. Bis dato
ist kein System erzielt worden, das eine ringförmige Antenne verschafft, die
magnetisch an einen Transponder gekoppelt, jedoch mechanisch davon entkoppelt
ist. Zusätzlich
wird ein zufriedenstellendes System relativ preisgünstige Komponenten
umfassen, die eine leichte und preisgünstige Fertigung und Montage
erleichtern. Außerdem
wird ein zufriedenstellendes System haltbar und in der Lage sein,
der oben beschriebenen Beanspruchung zu widerstehen, die bei vielen
Anwendungen für
das System, einschließlich
Reifen, zu erwarten ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
die Mängel
bekannter Systeme und Verfahren zum Koppeln einer Antenne an eine
elektrische Vorrichtung, wie etwa einen Transponder. In einem Aspekt
der Erfindung wird eine ringförmige
Antenne entweder direkt oder indirekt an einen Transponder gekoppelt. Gemäß einer
Ausführung
der Erfindung wird ein kreisringförmiger Körper, der aus einem Material
mit hoher elektromagnetischer Permeabilität zusammengesetzt ist, mittels
einer Wicklung an eine Transpondervorrichtung gekoppelt. Die Antennenschleife
wird direkt durch die zentrale Öffnung
in dem Kreisring geführt
und koppelt magnetisch direkt mit dem kreisringförmigen Körper, ohne Nutzung einer Wicklung oder
mechanischen Verbindung. Die elektrische Kopplung findet zwischen
der Schleife und dem Kreisring statt, und daher in die Wicklung
zu dem Transducer, da der in der Schleifenantenne von dem Transceiver-Magnetfeld induzierte
Strom einen Magnetfluss in Nähe
der Schleife erzeugt. Somit wird das Magnetfeld direkt in den Kreisringkörper induziert, der
den Antennenschleifendraht bzw. -drähte eng umgibt. Eine solche
Kopplung wird hiernach als direkte Magnetkopplung (Direct Magnetic
Coupling, DMC) bezeichnet. Die DMC-Herangehensweise gestattet es der Antennenschleife,
das Transponderpaket ohne eine mechanische Verbindung zu durchlaufen
und eliminiert somit die Probleme mit der Herstellung und Aufrechterhaltung
einer mechanischen Verbindung zwischen dem Schleifendraht und dem Transponderpaket.
Die den Kreisring an das Transponderpaket koppelnde Wicklung kann
variiert werden, um eine optimale Impedanzanpassung zu ermöglichen.
Folglich verschafft die DMC-Technik eine hohe Energiekopplung mit
hohem Widerstand gegen Bruch, da eine mechanische Verbindung zwischen der
Antennenschleife und dem Transponder vermieden wird. Weiterhin wird
der Prozess des Befestigens der Antennenschleife an einem Transporter
vereinfacht und die auf Abstand stattfindende Kopplung zwischen
Drahtbündeln
oder Kabeln und Transpondern wird erleichtert. Außerdem wird
die magnetische Kopplung zwischen einer ringförmigen Antenne und einem Transponder
unter Nutzung der DMC-Technik in einer kontinuierlichen 360 Grad-Ablesung
gehalten und werden tote Zonen im Abfragegebiet vermieden.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung ist die ringförmige Baugruppe an einer Stelle
an dem Reifen befestigt, die eine niedrige Aussetzung gegenüber Beanspruchung
und eine niedrige Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischem Einfluss von
der Radfelge aus Metall verschafft.
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Gemäß noch einem
anderen Aspekt der Erfindung sind die Antenne und der Transponder
zumindest teilweise in einen nichtleitenden Trägerstreifen eingebettet, um
eine Ringbaugruppe zu bilden, um das Antennen- und Transponderpaket
einstückig transportierbar
zu machen. Eine solche Baugruppe kann während des Reifenfertigungsprozesses
in einen Reifen eingearbeitet werden, wird jedoch vorzugsweise mittels
Klebstoffen oder anderer bekannter Verfahren in einem nach der Fertigung
stattfindenden Befestigungsvorgang an dem Reifen befestigt. Der
Trägerstreifen
dient zumindest einem vierfachen Zweck. Erstens schützt der
Reifen die Unversehrtheit des darin eingekapselten Antennendrahts
und Transponders. Zweitens erzeugt der Streifen eine einstückige Baugruppe,
die bequem transportiert, gelagert und eingesetzt werden kann, um
bestehende Reifen mit einem Überwachungssystem
nachzurüsten
oder defekte Komponenten zu ersetzen, falls die Notwendigkeit auftreten
sollte. Drittens hält
der Streifen die Antenne in einer beabsichtigten optimalen Position relativ
zu dem kreisringförmigen
Transponderkörper, durch
den sie sich erstreckt. Schließlich
dient der Trägerstreifen
dazu, eine optimale Ausrichtung des Transponders zu dem Reifenhohlraum
aufrechtzuerhalten.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Zuordnung einer
Schleifenantenne zu einer elektronischen Vorrichtung, wie etwa einem
Transponder, und der Anordnung der Antennen-Transponder-Baugruppe
an einem Reifen in einer Position, die die Baugruppe vor durch Reifenbetrieb
verursachte Beanspruchung und vor elektromagnetischer Interferenz
von der Radfelge schützt, verschafft.
Das Verfahren umfasst weiter die Schritte des Koppelns der Schleifenantenne
an die elektronische Vorrichtung entweder direkt oder indirekt,
wie etwa durch einen kreisringförmigen
Körper,
wie etwa einen Transformator. Ein weiterer Schritt umfasst zumindest
das teilweise Einkapseln der Antenne und des elektronischen Vorrichtungspakets
in einem nichtleitenden Trägerstreifenmaterial,
um die Antenne und das Transponderpaket einstückig transportabel zu macen
und die relativen Positionen von Antenne und Transponder in jeweiligen
optimalen Ausrichtungen zu fixieren.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird ein kreisringförmiger Körper aus Material mit einer
hohen elektromagnetischen Permeabilität gebildet. Es wird keine Primärwicklung
im Zusammenwirken mit oder als Teil der kreisringförmigen Vorrichtung
verwendet. Vielmehr wird die Antennenschleife direkt durch die zentrale Öffnung in
dem Kreisring geführt
und koppelt unter Abwesenheit einer Primärwicklung magnetisch mit dem
kreisringförmigen
Körper.
Die magnetische Kopplung findet zwischen der Schleife und dem Kreisring
statt, und daher in die Sekundärwicklung,
da die von dem Transceivermagnetfeld in der Schleifenantenne induzierte
Spannung ein Magnetfeld in Nähe
der Schleife erzeugt. Das Magnetfeld wird durch direkte Magnetkopplung
(DMC) direkt in den Ferrit-Kreisring induziert, der den Schleifendraht
bzw. -drähte
eng umgibt. Die DMC-Herangehensweise
gestattet, dass die Antennenschleife ohne eine mechanische Verbindung
das Transponderpaket durchläuft,
und eliminiert daher die zuvor erläuterten Probleme mit dem Herstellen
und Aufrechterhalten der Verbindung zwischen dem Schleifendraht
und dem Transponderpaket. Das Sekundärwindungsverhältnis kann
variiert werden, um eine optimale Impedanzanpassung zu ergeben.
Folglich verschafft die DMC-Technik eine hohe Energiekopplung und
hohe Haltbarkeit, da eine äußerliche
Verbindung zwischen der Antennenschleife und dem kreisringförmigen Körper eliminiert
ist. Weiterhin wird der Prozess des Befestigens der Antennenschleife
an einem Transponder vereinfacht, wodurch jede auf Abstand stattfindende
Kopplung zwischen Drahtbündeln
oder Kabeln und Transpondern wesentlich weniger schwierig wird.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung sind die Antenne und der Transponder
zumindest teilweise in ein nichtleitendes Einkapselmaterial eingebettet,
um das Antennen- und Transponderpaket einstückig transportierbar zu machen.
Eine solche Baugruppe erleichtert die Leichtigkeit der Einarbeitung
der Baugruppe in einen Reifen während
des Reifenfertigungsprozesses oder in einer nach der Fertigung stattfindenden
Befestigungsprozedur. Außerdem
dient das Einkapselmaterial weiterhin dazu, die Antenne und den
kreisringförmigen
Körper
in mechanisch entkoppeltem, jedoch elektromagnetisch gekoppeltem
vorteilhaftem Verhältnis
zu halten.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren verschafft zur
Zuordnung einer Schleifenantenne zu einer elektronischen Vorrichtung,
wie etwa einem Transponder, durch einen kreisringförmigen Körper mit
einer zentralen Öffnung. Das
Verfahren umfasst die Schritte des Positionierens der Schleifenantenne,
sodass sie in einem berührungslosen
Verhältnis
zu dem kreisringförmigen Körper durch
die zentrale Öffnung
ragt, Erstellens einer direkten magnetischen Kopplung zwischen der Schleifenantenne
und dem kreisringförmigen
Körper, und
Koppelns der elektronischen Vorrichtung durch den kreisringförmigen Körper an
die Antenne. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist das Einschließen der
Schritte des zumindest teilweise Einkapselns der Antenne und des
Elektronikvorrichtungspakets in einem nichtleitenden Material, um
die Antenne und das Elektronikvorrichtungspaket einstückig transportierbar
zu machen und um die relative Position zwischen der Antenne und
der elektronischen Vorrichtung in einer spezifizierten Ausrichtung
zu fixieren.
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Die
Vorteile der Erfindung, die den Fachleuten in der Technik deutlich
sein werden, werden durch bevorzugte und alternative Ausführungen
erzielt, die nachfolgend detailliert beschrieben und durch die begleitenden
Zeichnungen illustriert werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Perspektivansicht eines Reifens und des vorliegenden ringförmigen Apparats, wobei
Teile des Reifens zu Illustrationszwecken entfernt sind.
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2 ist
eine schematische Schnittdarstellung eines auf einer Felge montierten
Reifens und illustriert alternative Standorte, an denen der vorliegende
ringförmige
Apparat montiert werden kann.
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3 ist
eine vergrößerte Perspektivansicht eines
Reifenteils, das eine Transponder- und Antennenbaugruppe aufweist,
die gegen eine Reifenseitenwandoberfläche positioniert ist.
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4 ist
eine schematische Schnittansicht einer an einem Fahrzeugrahmen montierten
Reifen- und Radbaugruppe.
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5 ist
eine vergrößerte Perspektivansicht der
vorliegenden Antenne, die durch ein Transpondermodul ragt.
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6 ist
eine vergrößerte Perspektivansicht eines
Teils der vorliegenden ringförmigen
Baugruppe.
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7 ist
eine perspektivische Vorderansicht des vorliegenden Transpondermoduls.
-
8 ist
eine perspektivische Explosionsansicht davon.
-
9 ist
eine Draufsicht davon.
-
10 ist
eine Längsschnittansicht
durch das Transpondermodul von 9, genommen
entlang der Linie 10-10.
-
11 ist
eine Querschnittsansicht durch das Transpondermodul von 9,
genommen entlang der Linie 11-11.
-
12 ist
eine Perspektivansicht der Modulschaltplatte.
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13 ist
eine Perspektivansicht des Empfängermoduls.
-
14 ist
eine Perspektivansicht einer alternativen Ausführung des Transpondermoduls.
-
15 ist
ein Blockdiagramm des Fahrzeugtransceiver- und Reifenüberwachungssystems.
-
Definitionen
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"Axial" bedeutet die parallel
zur Rotationsachse des Reifens verlaufenden Linien oder Richtungen.
-
"Wulst" oder "Wulstkern" bedeutet im allgemeinen
denjenigen Teil des Reifens, der ein ringförmiges Zugelement aus radial
inneren Wülsten
umfasst, die dem Festhalten des Reifens an der Felge zugeordnet
sind; wobei die Wülste
durch Lagenkorde eingeschlagen und geformt sind, mit oder ohne andere
Verstärkungselemente. "Umfangsgerichtet" oder "in Umfangsrichtung" bedeutet meistens
kreisförmige Linien
oder Richtungen, die sich entlang dem Außenumfang der Oberfläche der
ringförmigen
Lauffläche senkrecht
zur axialen Richtung erstrecken; es kann sich auch auf die Richtung
der Sätze
benachbarter kreisförmiger
Kurven beziehen, deren Radien die axiale Krümmung der Lauffläche, im
Querschnitt gesehen, definieren.
-
"Innere" bedeutet zur Innenseite
des Reifens hin und "äußere" bedeutet zu seiner
Außenseite
hin.
-
"Seitlich" bedeutet in eine
Richtung parallel zur axialen Richtung.
-
"Radial" bedeutet Richtungen
radial zu oder weg von der Rotationsachse des Reifens.
-
"Schulter" bedeutet den oberen
Teil der Seitenwand gerade unter der Laufflächenkante.
-
"Seitenwand" bedeutet den Teil
des Reifens zwischen Lauffläche
und Wulst.
-
Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
-
Wie
hierin verwendet, ist ein "Transponder" ein elektronischer
Apparat (Vorrichtung), der in der Lage ist, einen Zustand, wie etwa
den Luftdruck in einem Luftreifen, zu überwachen und dann diese Information
zu einer externen Vorrichtung zu senden. Die externe Vorrichtung
kann entweder eine HF(Hochfrequenz)-Lese-/Abfragevorrichtung oder einfach ein HF-Empfänger sein.
Ein einfacher Empfänger
kann verwendet werden, wenn der Transponder "aktiv" ist und seine eigene Kraftquelle hat.
Eine Lese-/Abfragevorrichtung würde
verwendet, wenn der Transponder "passiv" ist und durch ein
HF-Signal von der Lese-/Abfragevorrichtung mit Strom versorgt wird.
In jedem der beiden Fälle
bildet der Transponder, im Zusammenwirken mit der externen Vorrichtung,
eine Komponente eines Gesamt-Reifenzustandsüberwachungs-/Warnsystems. Ein "Ferritkreisring" ist mittels einer Sekundärwicklung
an den Transponder gekoppelt. Wie hierin verwendet, ist ein "Ferritkreisring" ein aus ferromagnetischem
Material durch eine kontinuierlich gekrümmte Oberfläche geformter kreisringförmiger Körper und
enthält
eine zentrale durchgehende Öffnung.
Der kreisringförmige
Körper
kann zylindrisch, länglich,
symmetrisch oder asymmetrisch sein, ohne von der hierin ausgeführten Erfindung
abzuweichen. Um HF-Signale zu senden oder zu empfangen, muss ein
Transponder eine Antenne haben. Diese Antenne ist vorzugsweise von
ringförmiger
Konfiguration und kann entweder während der Fertigung in den
Reifen eingearbeitet werden oder mittels einer nach der Fertigung
stattfindenden Prozedur am Reifen befestigt werden. Die Antenne
kann einen Einzeldraht oder eine Vielzahl von Litzen umfassen. Verschiedene
kommerziell erhältliche
Transponder, Sensoren, und andere elektrische Vorrichtungen, die
in Kombination mit einer ringförmigen
Antenne eingesetzt werden, insbesondere aus konventionellen leitfähigen Materialien
geformt, sind zur Verwendung in Übereinstimmung
mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung geeignet.
-
Ein
kreisringförmiger
Körper,
der aus einem Material mit hoher elektromagnetischer Permeabilität zusammengesetzt
ist, ist mittels einer Wicklung an den Transponder gekoppelt. In
konventionellen Systemen ist die Antenne mittels einer Primärwicklung an
den kreisringförmigen
Körper
gekoppelt und der Transponder ist mittels einer Sekundärwicklung
an den kreisringförmigen
Körper
gekoppelt. Wie nachstehend erläutert,
wird die Primärwicklung
in Übereinstimmung
mit der Praxis der vorliegenden Erfindung eliminiert. Die "sekundäre" Wicklung, die einen Transponder
an den kreisringförmigen
Körper
koppelt, wird daher hierin nur als die "Wicklung" bezeichnet. Zum Zweck der vorliegenden
Offenbarung und der Erfindung ist das ringförmige System nicht transponderspezifisch.
Das heißt,
eine breite Spanne üblicherweise
erhältlicher
Transponder, Sensoren und zugeordneter Elektronik kann mit der vorliegenden Erfindung
zusammen verpackt und genutzt werden.
-
Wie
hierin verwendet, ist ein "Kreisring" ein aus Material
mit einer hohen elektromagnetischen Permeabilität durch eine kontinuierliche
gekrümmte Oberfläche gebildeter
Körper
und enthält
eine zentrale durchgehende Bohrung. Wie hierin verwendet, enthält ein "kreisringförmiger Körper" somit einen Transformator
mit einer oder mehr Wicklungen.
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Wie
hierin verwendet, kann eine "ringförmige Antenne" kreisförmig, länglich,
symmetrisch oder asymmetrisch sein, ohne von den vorliegenden erfinderischen
Prinzipien abzuweichen. Die bevorzugte Konfiguration der Antenne
ist jedoch kreisförmig
und so dimensioniert, dass sie den Reifenseitenwandbereich, an dem
sie befestigt ist, überlappt.
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Akzeptable
Materialien für
den Antennendraht umfassen Stahl, Aluminium, Kupfer oder anderen
elektrisch leitenden Draht. Wie in diesem Patentdokument offenbart,
wird der Drahtdurchmesser im allgemeinen nicht als kritisch für den Betrieb
als eine Antenne für
einen Transponder erachtet. Zwecks Haltbarkeit wird aus Mehrfachlitzen
aus feinem Draht bestehender verseilter Stahldraht bevorzugt. Andere erhältliche
Drahtoptionen beinhalten Bandkabel, flexible Leitungen, leitfähige Folie,
leitfähigen
Gummi usw.
-
Anfänglich bezugnehmend
auf 1 ist eine bevorzugte Ausführung 10 der vorliegenden
Erfindung in einem Reifen 12 eingesetzt dargestellt. Der Reifen 12 ist
mittels konventioneller Mittel aus konventionellen Materialien,
wie etwa Kautschuk oder Kautschukkompositmaterialien, gebildet und
kann eine Radial- oder eine Diagonalkonfiguration umfassen. Ein
typischer Reifen 12 ist konfiguriert mit einer Lauffläche 14,
einer Schulter 16, einer ringförmigen Seitenwand 18 und
einem Abschlusswulst 20. Eine Innenisolierung 22 ist
gebildet und definiert einen Reifenhohlraum 24. Der Reifen 12 ist
zur montierten Anordnung auf einer ringförmigen Felge 26 mit
einem Umfangsfelgenflansch und einer äußeren Felgenflanschfläche 30 gedacht.
Die Felge 26 ist konventionell konfiguriert und aus einem
geeignet starken Metall, wie etwa Stahl, zusammengesetzt.
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Eine
ringförmige
Antenne 32 ist vorgesehen und verkörpert in der bevorzugten Ausführung eine sinusförmige Konfiguration.
Die Antenne 32 kann alternativ zu alternativen Mustern
konfiguriert sein oder einen geraden Draht bzw. Drähte umfassen,
wenn gewünscht,
und kann ein Filamentdraht, oder Kord oder verseilter Draht sein.
Akzeptable Materialien für den
Draht beinhalten Stahl, Aluminium, Kupfer oder anderen elektrisch
leitenden Draht. Wie zuvor erwähnt,
wird der Drahtdurchmesser allgemein nicht als kritisch für den Betrieb
als eine Antenne erachtet und werden Mehrfachlitzen aus feinem Draht
werden bevorzugt. Die krummlinige Form der Antenne 32 sorgt
für Flexibilität und minimiert
das unten erläuterte
Risiko auf Bruch während
Fertigung und Gebrauch.
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Unter
fortgesetztem Verweis auf 1 wird ein
Transpondermodul 34 des oben beschriebenen allgemeinen
Typs verschafft und kann Mittel zum Erfassen von Reifenparametern
wie etwa Druck und Temperatur enthalten. Als Teil des Apparats 10 ist
ein Trägerstreifen 36 aus
in die gezeigte ringförmige Konfiguration
geformtem Material enthalten. Der Trägerstreifen 36 ist
aus elektrisch isolierendem, vorzugsweise halbstarrem Elastomermaterial
geformt, das in der Industrie üblich
ist, wie etwa Gummi oder Kunststoff. Der Streifen 36 ist
so geformt, dass er den Antennendraht bzw. -drähte 32 im Wesentlichen
und zumindest einen Teil des Transpondermoduls 34 auf die
nachstehend beschriebene Weise einkapselt. In dem Zustand nach Fertigung
ist der Apparat 10, der die Antenne 32, das Transpondermodul 34 und
den Trägerstreifen 36 umfasst,
eine einstückige,
im allgemeinen kreisförmige,
halbstarre Baugruppe, die leicht transportierbar und zur Befestigung
an dem Reifen 12 handhabbar ist. Der Durchmesser der Apparatebaugruppe 10 ist
eine Funktion der Größe des Reifens 12 und
des bevorzugten Befestigungsstandorts daran.
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2 illustriert
einen bevorzugten Standort für
den ringförmigen
Apparat 10 an einem Reifen in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung. Der Reifen 12 ist auf konventionelle Weise an
einer Felge 26 montiert. Der Wulst 20 des Reifens 12 ist
innerhalb der Felge 26 gegen den Flansch 28 angeordnet.
Die Oberseite des Flanschs 28 befindet sich über einer
Unterkante des Reifenwulsts 20. Wie gewürdigt werden wird, schirmt
der Flansch 28 den unteren Teil des Reifens 12 ab,
der den Wulst 20 umfasst, und definiert einen "HF-INTERFERENZ"-Bereich 38 des Reifens. Ein
Bereich 40 des Reifens 12 über dem Bereich 38 an
der Seitenwand 18 ist weiter als ein Bereich "HOHER BELASTUNGSAMPLITUDE" definiert. Wenn
die Seitenwand 18 sich während des Betriebs des Reifens
an einem Fahrzeug durchbiegt, erfährt der Bereich 40 einen
hohen Beanspruchungsgrad. Der an dem Laufflächenbereich des Reifens befindliche
Bereich 42 wird hierin zu Erläuterungszwecken als ein "DRUCKBEANSPRUCHUNG"sbereich bezeichnet.
An diesem Bereich 42 erfährt der Reifen 12 einen
hohen Grad an Druckbeanspruchung, wenn der Reifen wirksam genutzt
wird.
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In
kombiniertem Verweis auf die 1 und 2 wird
der Apparat 10 entweder während der Fertigung des Reifens
oder, wie vorzuziehen ist, in einem nach der Fertigung stattfindenden
Montagevorgang an der Isolierung 22 des Reifens 12 befestigt. Die
Befestigung kann mittels eines Klebstoffs stattfinden, oder der
Apparat kann während
der Fertigung in den Reifen selbst eingebettet werden. Üblicherweise in
der Industrie für
Reifenflicken und – Reparatur
genutzte Klebstoffe können
eingesetzt werden. Der Standort an dem Reifen, an dem der Apparat 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung befestigt wird, ist der Bereich 44 in 2,
der sich zwischen dem HF-INTERFERENZ-Bereich 38 und
dem Bereich HOHER BEANSPRUCHUNGSAMPLITUDE 40 befindet.
Es ist zu würdigen,
dass der Bereich 38 von einer mechanischen Perspektive
aus geeignet wäre,
da der Reifenbereich 38 relativ starr ist, durch den Reifenflansch 28 geschützt, und
während
des Betriebs des Reifens ein relativ niedriges Beanspruchungsniveau erfährt. Von
einer elektrischen Perspektive aus ist der Bereich 38 des
Reifens 12, vom Felgenflansch 28 abgeschirmt,
schlecht geeignet als Standort für
den Transponder 34.
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Der
Standort des Apparats 10 in dem Bereich 40 der
Reifenseitenwand 18 ist eine Option. Ein solcher Standort
würde die
von der Felge verursachte HF-Interferenz
vermeiden. Die Reifenseitenwand 18 erfährt jedoch während des
Betriebs des Reifens hohe Beanspruchungsgrade. Folglich kann eine
Beschädigung
oder Bruch von an der Seitenwand befestigten Komponenten auftreten.
Gleichermaßen würde der
Standort des Apparats 10 am Laufflächenbereich 42 des
Reifens 12 HF-Interferenz
von der Felge vermeiden, jedoch erfährt der Laufflächenbereich
während
des Betriebs des Reifens eine hohe Kompressionsbelastung. Die Anordnung
von Reifenüberwachungssystemen
an solch einem Standort wäre
daher aus einer mechanischen Perspektive nicht wünschenswert.
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Folglich
wird der Apparat 10 vorzugsweise gemäß der Erfindung innerhalb des
Bereichs 44 des Reifens 12 angeordnet. Der Bereich 44 ist
im allgemeinen ein ringförmiger
Bereich, der sich im Wesentlichen zwischen 10 bis 30 Millimeter über der
Oberseite 30 des Felgenflanschs 28 befindet, wenn
der Reifen 12 an der Felge 26 montiert ist. Innerhalb
des Bereichs 44 ist der Apparat frei von HF-Interferenz vom
Flansch 28 der Felge 26. Der Bereich 44 ist
weiterhin ein Bereich des Reifens 12 mit relativ niedriger Beanspruchungsamplitude.
Somit stellt der Bereich 44 des Reifens 12 einen
optimalen Standort für
den Apparat 10 dar, der die Notwendigkeit für minimale HF-Interferenz
von der Felge ausgleicht, während
er den Apparat 10 mechanisch vor Beschädigung aufgrund von in den
Reifen während
dessen Betrieb eingebrachten Beanspruchungskräften schützt.
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3 illustriert
eine alternative Ausführung des
vorliegenden Apparats 10, wobei der Trägerstreifen 36 eliminiert
ist und die Antenne 32 und der Transponder 34 direkt
in den Reifen 12 während
dessen Fertigung eingebettet werden. Der Standort der Antenne 32 ist
wiederum in dem im vorangehenden Abschnitt als optimal beschriebenen
Bereich 44; das heißt,
annähernd
10–30
Millimeter über
der Felgenflanschoberfläche 30,
wenn der Reifen 12 an der Felge 26 montiert ist.
Das Befestigen des Apparats 10 im Reifen 12 während dessen
Fertigung ist erfindungsgemäß möglich, wird
jedoch nicht bevorzugt, da ein solches Vorgehen notwendigerweise
den Transponder 34 und die Antenne potentiellen Beschädigungskräften aussetzen
würde,
wenn der Reifen geformt wird. Auch macht das Implantieren einer freiliegenden
ringförmigen
Antenne 32 und eines Transducers 34 den Austausch
und die Reparatur der Baugruppe im Fall von Beschädigung oder
Bruch problematisch. Folglich ist es vorzuziehen, den Apparat 10 in
einem nach der Fertigung stattfindenden Vorgang mittels Klebstoffen
oder dergleichen am Reifen 12 zu befestigen. Die Vorteile
der Montage nach Fertigung sind, dass dem Apparat 10 die
Beanspruchung des Reifenfertigungsprozesses erspart wird und der
Apparat 10 im Fall von Bruch leicht entfernt und ersetzt
werden kann. Außerdem
kann der in 1 gezeigte einstückige Apparat 10 mittels
Klebstoff leicht an vorgefertigten oder gebrauchten Reifen nachgerüstet werden.
Schließlich
ist der ringförmige Apparat
eine einstückige
Baugruppe und kann bequem in einer Spanne von Durchmesserabmessungen
gelagert werden, um für
vorgefertigte Reifen verschiedener Größen zu passen.
-
4 zeigt
den Transponder 34 an seinem bevorzugten Standort an einem
Reifen 14 befindlich und zum Reifenhohlraum 24 hin
freiliegend. Der Transponder kann Druck- und Temperatursensoren zur Überwachung
des Status des Hohlraums 24 enthalten und solche Information
zu einem beabstandeten Transceiver 48, der am Fahrzeugrahmen 46 montiert
ist, übertragen.
Der Transceiver 48 ist gegenüber der Antenne des Apparats 10 positioniert und
ist während
der 360 Grad-Rotation des Reifens 14 in kontinuierlicher
Kommunikation damit. Der Transceiver 48 ist von einem in
der Industrie kommerziell erhältlichen
Typ und ist durch die Kabelader 50 elektrisch an konventionelle
Logik-, Verarbeitungs- und
Anzeigeelektronik des Fahrzeugs (nicht dargestellt) angeschlossen.
Wie zuvor beschrieben, ist die Position des Transpondermoduls 34 über dem Felgenflansch 28,
sodass HF-Kommunikation zwischen dem Transponder und dem Transceiver 48 nicht
behindert wird.
-
Unter
kollektivem Verweis auf die 5–12 wird
die Konfiguration des ringförmigen
Apparats 10 detaillierter beschrieben. Das Transpondermodul
umfasst im allgemeinen ein Basisgehäuse 52, das mittels
konventioneller Mittel aus Gummi- oder Kunststoffmaterial geformt
ist. Das Gehäuse 52 umfasst
gegenüberliegende
Seitenwände 54, 56,
die entlang einer gerundeten Bodenfläche 55 an gegenüberliegende
vertikale Endwände 58, 60 anschließen. Die
Wände 54, 55, 56, 58 und 60 definieren
ein zentrales Fach 62. Eine durchgehende Öffnung 64 erstreckt
sich durch den unteren Teil der Endwände 58, 60 in
Kommunikation mit dem Fach 62.
-
Das
Gehäuse 52 umfasst
weiterhin ein Deckelelement 68, das ebenfalls mittels konventioneller Mittel,
wie etwa Spritzgießen,
aus konventionellem Gummi- oder Kunststoffmaterial geformt ist.
Das Deckelelement 58 enthält einen oberen Vorsprung oder "Tülle" 70, der vertikale Seitenwände 72 umfasst,
die an einer horizontalen Oberseite 74 enden. Ein Sensordurchgang oder Öffnung 76 ist
an der Mitte der Oberfläche 74 positioniert
und erstreckt sich durch diese. Ein Flansch 78 definiert
peripher eine untere Grenze des Deckels 68 und verschafft
eine horizontale Simsfläche 80,
die in einem rechten Winkel in die vertikalen Seitenwände 72 übergeht.
Der Flansch 78 ist so dimensioniert, dass er auf dem oberen
Ende des Modul-Basisgehäuses 52 aufliegt,
wie gewürdigt werden
wird. Die horizontale Simsfläche 70 des
Deckels 68 ist zwischen dem Flansch 78 und den
vertikalen Seitenwänden 72 angeordnet.
Es sind obere Seitenwandteile 81 vorgesehen, die sich nach
innen zur oberen Oberfläche 74 hin
verjüngen.
Das verjüngte
Profil des Deckels 68 erleichtert eine bequeme und verlässliche
Fertigung des Apparats 10.
-
In
der illustrierten Ausführung
enthält
das Transpondermodul 34 weiter einen kreisringförmigen Körper (Kreisring) 82,
zusammengesetzt aus einem Material, wie etwa einem Ferrit, mit einer
hohen elektromagnetischen Permeabilität. Der Körper 82 umfasst im
allgemeinen einen Zylinder mit einer elliptischen Querschnittskonfiguration.
Die elliptische Schnittkonfiguration des Körpers 82 dient dazu,
seine vertikale Abmessung zu reduzieren und gestattet ein kompakteres
Verpacken des Körpers 82 innerhalb
eines Transpondermoduls. Der Körper 82 umfasst
eine Wicklung 84, wie dargestellt, die an Leiterkabeladern 86 angeschlossen
ist. Eine zentrale durchgehende Öffnung 88 erstreckt
sich in einer axialen oder Längsrichtung
durch den Körper 82.
-
Weiterhin
ist ein schützendes
Muffenelement 90 vorgesehen, das zur Aufnahme und zum Verbleib in
der Öffnung 88 des
Körpers 82 dimensioniert
ist. Die Muffe 90 umfasst im allgemeinen einen langgestreckten
Zylinder mit einem elliptischen Querschnitt. Die Muffe 90 enthält weiterhin
eine umfangsgerichtete Seitenwand 92 und eine axiale oder
längsgerichtete
durchgehende Öffnung 94.
Die Öffnung 94 ist
in Bezug zur Längsachse
der Muffe 90 versetzt, um eine Wand 95 von erhöhter Dicke
an einer nach außen
gerichteten Seite der Muffe 90 zu erzeugen. Ein nach außen hin
offener längsgerichteter
Kanal 96 ist innerhalb der Wand 95 gebildet, wie
dargestellt. Die Muffe 90 wird innerhalb der Öffnung 88 des
Körpers 82 eng
anliegend aufgenommen und die Wicklung 84 wird im Kanal 96 der
Muffe 90 aufgenommen.
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Unter
fortgesetztem Verweis auf die 5–12 wird
eine Leiterplatte 98 innerhalb des zentralen Fachs 62 des
Transponder-Basisgehäuses 52 montiert.
Die Leiterplatte 98 ist typischerweise konfiguriert, um
ein an einer Oberseite 102 montiertes Elektronikpaket 100 zu
umfassen und kann ein an einer Unterseite 104 montiertes
Elektronikpaket 106 umfassen. Die Elektronikpakete 100, 106 sind
generisch in den 5–12 abgebildet
und enthalten die Transpondersensoren, Logik- und HF-Übertragungssysteme, die notwendig
sind, um eine Reifenhohlraumüberwachungsaktivität durchzuführen. Die vorliegende
Erfindung ist nicht transpondergestaltungsspezifisch, und jedes
beliebige von mehrfachen konventionellen Transpondersystemen kann
genutzt und an einer oder beiden Oberflächen 100, 104 der Leiterplatte 98 montiert
werden. Die Platte 98 umfasst weiterhin Kabeladeraufnahmekanäle 108,
die innerhalb einer Plattenseite fabriziert sind.
-
Der
Zusammenbau des Transpondermoduls geht im allgemeinen vor sich wie
folgt. Die Muffe 90 wird in die durchgehende Öffnung 88 des
kreisringförmigen
Körpers 82 eingesetzt,
der dann in die Kammer 62 der Gehäusebasis 52 eingesetzt
wird. Innerhalb der Kammer 62 angeordnet, richten sich
die durchgehende Öffnung 94 der
Muffe 90 und die Öffnung 99 des
Körpers 82 koaxial
zu der durchgehenden Gehäuseöffnung 64 aus.
Die Wicklung 84 des Körpers 82 wird
in dem Kanal 96 der Muffe 90 aufgenommen und die
Kabeladern 86 werden nach oben geleitet. Die Anzahl der
Windungen in der Wicklung 84 ist so gestaltet, dass sie
von der Impedanz her auf konventionelle Weise an die Transponderelektronik angepasst
ist. Die Platte 98 wird in der bevorzugten Ausführung horizontal
innerhalb des Gehäuses 52 über der
Muffe 90 und dem Durchgang durch den kreisringförmigen Körper 82 montiert.
Kabeladern 86 von der Wicklung 84 werden in die
Kanäle 108 geleitet
und elektrisch an die Elektronik 100, 106 auf
der Leiterplatte 98 angeschlossen. Der Umfangsflansch 78 des
Deckelelements 68 wird danach auf der Oberseite 66 des
Gehäuses 52 positioniert
und die Anschlussstelle wird durch Anbringen eines geeigneten Klebstoffs
versiegelt.
-
In
zusammengebautem Zustand ist das Transpondermodul 34 wie
in 7 gezeigt. Das Transpondermodulgehäuse, der
innere Zusammenbau und die Komponentenausrichtung können, falls gewünscht, in
der Praxis der Erfindung variiert werden. Das Transpondermodul 34 umfasst
somit eine versiegelte, in sich geschlossene Einheit, die Leiterplatten-
und Transponderelektronik zur Überwachung
von Parametern eines Reifenhohlraums, wie etwa Druck und Temperatur,
enthält.
Die Elektronik des Transpondermoduls 34 kann weiterhin
Reifenidentifikationsinformation umfassen. Der kreisringförmige Körper 82 ist
elektromagnetisch und mechanisch mittels der Wicklung 84 an
das Transponderpaket 24 gekoppelt. Alternativ kann der
Körper 82 eliminiert
und die Antenne 32 direkt elektrisch an den Transponder
gekoppelt sein. Die resultierende ringförmige Baugruppe würde gleichfalls
an dem oben beschriebenen optimalen Standort in einem Reifen positioniert.
Eine weitere Alternative wäre,
die Antenne 32 durch einen Transformator von konventioneller Konfiguration
mit Primär-
und Sekundärwicklungen an
den Transponder zu koppeln.
-
Die
Antenne 32 wird durch das Transpondermodul 34 geleitet,
wie am besten in 5 ersichtlich, und umfasst eine
Endlosschleife. Die Antenne 32 in der bevorzugten Ausführung ist
zu einer sinusförmigen
Konfiguration geformt, wobei die Sinusform dazu dient, für eine Antennenverlängerungskapazität zu sorgen,
womit Dehnungskräften
in dem Reifen aufgrund seines Betriebs entgegengekommen wird. Die Antenne 32 ragt
auf berührungslose
Weise durch die durchgehende Öffnung 94 der
Muffe 90, die Öffnung 88 des
Körpers 82 und
die durchgehende Öffnung 64 des
Gehäuses 52.
Die Antenne 32 ist somit mechanisch von dem Transpondermodul 34 entkoppelt.
Es ist anzumerken, dass der kreisringförmige Körper 82 als ein Transformator
wirkt, worin die Primärwicklung eliminiert
ist. Die Antennenschleife 32 wird direkt durch die durchgehende Öffnung 88 des
Kreisrings 82 geführt
und koppelt magnetisch mit dem Körper,
in Abwesenheit einer Primärwicklung.
Die elektrische Kopplung findet zwischen der Schleife 32 und
dem kreisringförmigen
Körper 82 statt
und daher in die Wicklung 84, da der in der Schleifenantenne 32 von dem
Magnetfeld des Transceivers 48 erzeugte Strom einen Magnetfluss
in Nähe
der Schleife erzeugt. Das Magnetfeld wird direkt in den kreisringförmigen Körper 82,
der den Antennendraht bzw. die Antennendrähte 32 eng umgibt,
induziert.
-
Eine
solche Kopplung, die hierin als direkte Magnetkopplung (DMC) bezeichnet
wird, bietet mehrere deutliche Vorteile. Die DMC-Herangehensweise gestattet
es der Antennenschleife, ohne eine mechanische Verbindung durch
das Transponderpaket zu verlaufen, und eliminiert daher die vorangehend
erläuterten
Probleme mit der Herstellung und Aufrechterhaltung einer Verbindung
zwischen dem Schleifendraht und dem Transponderpaket. Das Windungsverhältnis der
Wicklung 84 kann variiert werden, um eine optimale Impedanzanpassung
zu erhalten. Zweitens verschafft die DMC-Technik eine hohe Energiekopplung.
Weiterhin wird der Vorgang des Befestigens der Antennenschleife
an einem Transponder vereinfacht, was die auf Abstand stattfindende
Kopplung zwischen Drahtbündeln
oder Kabeln und Transpondern wesentlich weniger schwierig macht.
Außerdem
wird die magnetische Kopplung zwischen der ringförmigen Antenne und dem Transponder
unter Anwendung der DMC-Technik in einer kontinuierlichen 360 Grad-Ablesung
aufrechterhalten und werden tote Zonen im Abfragegebiet vermieden.
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Wie
zuvor erörtert,
kann die Baugruppe von 5 in einen Reifen während dessen
Fertigung eingebettet werden, was die in 3 gezeigte
Reifenbaugruppe ergibt, obwohl es nicht vorzuziehen ist, dies zu
tun. Die Einarbeitung des ringförmigen
Apparats während
des Reifenbaus erlegt den Reifenüberwachungskomponenten
eine bedeutende Beanspruchung auf und kann zu Bruch der Komponenten
führen.
In einem Zustand nach Aushärtung
kann das Entfernen einer ringförmigen
Baugruppe oder einer beliebigen Komponente darin schwierig oder
unmöglich
sein. Folglich wird bevorzugt, dass die vorliegende ringförmige Baugruppe
in einem nach dem Reifenbau stattfindenden Arbeitsgang an einem
Reifen befestigt wird.
-
Hierzu
werden die Antenne 32 und die Transpondermodul-Unterbaugruppe zuerst
in einem in den 1 und 6 gezeigten,
starren oder halbstarren Trägerstreifen 36 eingebettet.
Der Streifen 36 ist aus einem nichtleitenden Einkapselmaterial,
wie etwa Gummi oder Kunststoff, gebildet, und es ergibt sich eine
ringförmige
Baugruppe, die einstückig
ist und leicht zu transportieren, lagern und handhaben ist. Die
Schaffung einer einstückigen
Kombination von Antenne, Transponder und Trägerstreifen erleichtert die
Leichtigkeit der Einarbeitung der ringförmigen Baugruppe in einen Reifen
in einem nach dem Reifenbau stattfindenden Vorgang. Die Baugruppe
ist an einem Standort innerhalb des zuvor erörterten optimalen Bereichs 44 gegen
die Reifeninnenisolierung 22 positioniert. Der Streifen 36 wird
durch Anbringen allgemein erhältlicher
Klebstoffe an den Reifen geklebt. Sollte das Antennentranspondermodul
beim Transport brechen oder versagen, so kann die Baugruppe 10 entfernt
und ersetzt werden, ohne den Reifen zu beschädigen. Außerdem dient das Einkapselmaterial
weiterhin dazu, die Antenne und den kreisringförmigen Körper in ihrer beabsichtigten
gegenseitigen Ausrichtung zu halten.
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Um
die flotte Einarbeitung des Transpondermoduls 34 in den
Trägerstreifen 36 zu
erleichtern, hat das Gehäuse
des Transponders 34, das den Deckel 68 und das
Basisgehäuse 52 umfasst,
eine einzigartige abgestufte und verjüngte Konfiguration. Der Deckel
umfasst die verjüngte
Tülle 70 an
einem oberen Ende, definiert durch sich nach innen verjüngende Oberflächen 81.
Der Deckel 68 tritt an dem unteren Umfangsrandflansch 78 nach
außen vor.
Wie am besten in den 7 und 11 ersichtlich,
wird die Gehäusetülle 70 in
einem Hohlraum 112 in einem Formblock 110 aufgenommen.
Das verjüngte
Profil macht das Transpondergehäuse
selbsteinpassend und zentriert das Gehäuse in dem Hohlraum 112 vor dem
Einbringen des Trägerstreifenmaterials.
In der zentrierten Position schlagen die Seitenwände 114 des Formblocks 110 dicht
gegen die Deckelflächen 82 an
und die Unterseiten 116 des Blocks 110 schlagen
an der Oberfläche 80 des
Deckelflanschs 78 an, um die Tülle 70 des Deckels 68 in
dem Formhohlraum 112 zu isolieren und zu schützen. Eine
untere Hälfte
des Formblocks (in 11 nicht dargestellt) schließt gegen
die Unterseiten 115 von Block 110 an, und Material
zur Bildung des Trägerstreifens 36 wird in
den Formhohlraum eingebracht. Der abdichtende Anschlag zwischen
den Formblockflächen 114, 115 und
Deckelflächen 72, 80 hindert
das Trägermaterial daran,
in den Hohlraum 112 einzutreten und daraufhin in die Transponderöffnung 76 einzudringen.
Es ist anzuerkennen, dass den Trägerstreifen 36 bildendes Material
bis zur Fläche 80 des
Flanschs 78 eingefüllt wird,
wobei es die Antenne 32 vollständig einkapselt und die Basis 52 des
Transpondermoduls 34 teilweise einkapselt.
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Die
Formhälften
werden getrennt und der ringförmige
Trägerstreifen
mit integral festgehaltener Antenne und Transponderpaket wird aus
der Form entfernt. Danach wird die vorliegende ringförmige Baugruppe
in der zuvor beschriebenen und in den 1 und 6 gezeigten
Weise an der Innenisolierung 22 des Reifens 12 befestigt.
Das Transpondermodul 34 kann flach gegen den Trägerstreifen
ausgerichtet sein, wie in 3 gezeigt,
oder aufrecht orientiert sein, wie in durchbrochener Linie bei 34' gezeigt. Welche
Ausrichtung auch immer genutzt wird, das Streifenmaterial 36 dient
dazu, den Transponder und die Antenne in einer bevorzugten optimalen
gegenseitigen Ausrichtung und das Transpondermodul 34 in
einer optimalen Ausrichtung in Bezug auf den Reifenhohlraum zu halten.
Die Durchgangsöffnung 76 in
der Oberseite 74 des Deckels 68 liegt zum Reifenhohlraum 24 hin
frei vom Trägerstreifen 36.
Direkte Kommunikation zwischen dem Reifenhohlraum 24 und
auf der Leiterplatte 98 montierten Sensoren wird dadurch
durch die Durchgangsöffnung 76 erleichtert. Die
abgestufte und verjüngte
Konfiguration des Transpondermoduls wird bevorzugt, um das Modul selbstzentrierend
in der Form zu machen und die Erstellung einer Abdichtung zwischen
der Form und Außenseiten
des Transpondermoduls zu gestatten. Die zwischen der Simsfläche 80 und
der vertikalen Oberfläche,
Seitenwänden 72 des
Deckels 68 und den nach innen gerichteten Flächen der
Formseitenwände 114 definierte
Bahn lenkt den Strom von Trägermaterial
in den Hohlraum 112 ab. Würde der Materialstrom nicht
eingedämmt,
so könnte
das Material in den Hohlraum 112 eintreten und durch die
Durchgangsöffnung 76 zur
Leiterplatte 90 vordringen. Somit werden die auf der Leiterplatte 98 montierten Elektronikbauteile
und Sensoren während
des Vorgangs des Anformens des Trägerstreifens 36 um
die Transpondermodulbasis 52 durch die abgestufte Konfiguration
des Transpondergehäuses
geschützt.
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14 bildet
ein alternativ konfiguriertes Transpondermodul 116 mit
einem pyramidenförmigen
Deckel 118 und einer Basis 120 ab. Das Basisgehäuse 120 verschafft
eine durchgehende Öffnung 124 auf
gleichartige Weise wie die zuvor beschriebene bevorzugte Ausführung. Die
Seiten des Deckels 118 verjüngen sich nach innen zur Oberseite 128,
die eine zentrale Zugangsöffnung 126 aufweist.
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Aus
dem Vorangehenden wird gewürdigt werden,
dass die vorliegende Erfindung die Mängel bekannter Systeme und
Verfahren zum Koppeln einer ringförmigen Antenne an eine elektrische
Vorrichtung, wie etwa einen Transponder, überwindet. Gemäß der Erfindung
wird ein kreisringförmiger
Körper mit
einer hohen elektromagnetischen Permeabilität durch eine Wicklung mit variabler
Windung an die Transpondervorrichtung gekoppelt. Eine Antennenschleife
wird direkt durch die zentrale Öffnung
in dem Kreisring geführt
und koppelt magnetisch direkt mit dem kreisringförmigen Körper, ohne Nutzung einer Wicklung
oder mechanischen Verbindung. Eine hohe magnetische Kopplung findet
zwischen der Antennenschleife und dem Kreisring statt, und daher
in die Wicklung zu dem Transducer, aufgrund des in der Schleifenantenne
von dem Transceiver induzierten Stroms. Die Eliminierung einer mechanischen
Verbindung zwischen der Antenne und dem Transponder vermeidet die
Probleme mit der Herstellung und Aufrechterhaltung einer mechanischen
Verbindung zwischen dem Antennenschleifendraht und dem Transponderpaket.
Dadurch wird eine hohe Energiekopplung mit einem minimalen Bruchrisiko
erzielt. Außerdem
kann die ringförmige
Baugruppe gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung an einem Standort an dem Reifen befestigt
werden, der ein niedriges Ausgesetztsein gegenüber Beanspruchung und eine
niedrige Empfindlichkeit gegenüber
elektromagnetischem Einfluss von der Metall-Radfelge verschafft.
In der bevorzugten Ausführung
sind die Antenne und der Transponder zumindest teilweise in einen
nichtleitenden Trägerstreifen
eingebettet, um eine Ringbaugruppe zu bilden, um das Antennen- und Transponderpaket
einstückig
transportierbar zu machen. Der Trägerstreifen wirkt weiterhin
so, dass er die Unversehrtheit der Antennenschleife und der Transponderkomponenten
schützt.
Eine solche Baugruppe kann während
des Reifenfertigungsprozesses in einen Reifen eingearbeitet werden,
wird jedoch vorzugsweise in einem nach der Fertigung stattfindenden
Befestigungsvorgang mittels Klebstoffen oder anderer bekannter Verfahren
an dem Reifen befestigt. Der Trägerstreifen
schützt
die Unversehrtheit. des darin eingekapselten Antennendrahts und
Transponders; erzeugt eine einstückige
Baugruppe, die bequem transportiert, gelagert und eingesetzt werden
kann, um bestehende Reifen mit einem Überwachungssystem nachzurüsten oder
um defekte Komponenten zu ersetzen, wenn sich die Notwendigkeit ergibt;
hält die
Antenne in einem optimalen Verhältnis zu
dem kreisringförmigen
Transponderkörper,
durch den sie sich erstreckt; und dient zur Erleichterung einer
optimalen Ausrichtung des Transponders zum Reifenhohlraum.