DE68913900T2

DE68913900T2 - Antenne für eine Reifendrucküberwachungseinrichtung.

Info

Publication number: DE68913900T2
Application number: DE68913900T
Authority: DE
Inventors: David Myatt
Original assignee: Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Current assignee: Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Priority date: 1988-10-24
Filing date: 1989-10-13
Publication date: 1994-06-23
Anticipated expiration: 2009-10-14
Also published as: CN1042114A; EP0365939A1; DE68913900D1; FR2638231A1; CA1321019C; AU4357689A; FR2638231B1; EP0365939B1; CN1019087B; AU620160B2; BR8905398A; ATE102875T1; JPH02263137A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Reifenüberwachungsvorrichtungen vom Transponder-Typ, d. h. mit Radmodulen, einer Erregungs- und Abtastanordnung im Fahrzeug und Antennen zur Kopplung zwischen der Anordnung und jedem Radmodul. Sie bezieht sich insbesondere auf eine induktive Antenne, die zur Übertragung von Signalen durch induktive resonante Kopplung verwendbar ist, insbesondere auf eine solche Antenne, die als ortsfeste, mit dem Chassis verbundene Antenne benutzt wird.
Das Patent US-A-4 737 761 zeigt, wie durch induktive Kopplung zwischen zwei Spulen ausreichend viel Energie aufgefangen werden kann, und wie sie rationell verwendet werden kann. Das Absenden von Energie zum Rad geschieht durch induktive Kopplung zwischen einer Antenne, die mit einem nicht drehbewegten Punkt des Fahrzeugs, z. B. dem Radhalter oder einer Bremsgabel verbunden ist, und einer mit dem Rad verbundenen Antenne. Diese Antennen werden als "ortsfeste Antenne" bzw. "Radantenne" bezeichnet. Zahlreiche Varianten des Aufbaus und der Positionierung dieser Antennen sind möglich. Da das grundlegende Prinzip die Verwendung induktiver Kopplung ist, umfassen diese Antennen jeweils mindestens eine Spule.
Die mit dem Chassis verbundene Spule kann gleichzeitig zum Absenden von Energie zum Rad und zum Aufnehmen eines vom Rad ausgesandten codierten Signals dienen.
Um die Energie zwischen zwei Spulen zu übertragen, muß die Senderspule ein ausreichendes Induktionswechselfeld erzeugen können. In der Praxis zeigt sich, daß zur Erzeugung dieses Feldes an die Anschlüsse der Spule hohe Spannungen angelegt werden müssen, die nicht unmittelbar verfügbar sind. Man muß daher die Windungszahl beider Spulen anpassen, um ein passendes Transformationsverhältnis zu erzielen, oder zur Senderspule einen Kondensator hinzufügen, um eine Reihenresonanzschaltung zu erhalten, oder die Induktivität der Spule anpassen, um geschickt parasitäre Kapazitäten zu nutzen, die manchmal beträchtlich sein können. Bei Resonanz ist die Spannung an den Anschlüssen der Spule gleich der Versorgungsspannung multipliziert mit einem Überspannungsverhältnis.
Per Konvention wird als Antenne eine Anordnung bezeichnet, die wenigstens die Sender- oder Empfängerspule und die Kapazität enthalten, die zusammen eine Resonanzschaltung bilden. In der Praxis wird diese Kapazität durch Hinzufügen eines Kondensators in Reihe mit der Spule erhalten. Bei manchen Installationen an Fahrzeugen könnte dies jedoch allein die parasitäre Kapazität der Schaltung sein. Kondensator und Spule sind einander eng benachbart und in demselben mechanischen Schutzgehäuse untergebracht, um zu vermeiden, daß hohe Spannungen an langen elektrischen Leitungen liegen.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine solche Antenne, insbesondere die als ortsfest bezeichnete und ausschließlich in ihrer Funktion zur Energieübertragung, wobei ihre mögliche Funktion des Signalempfangs in keiner Weise betroffen ist.
In Wirklichkeit ist es aufgrund der Streuungen der Induktivität der Spule und der Kapazität des Kondensators, aufgrund der Driften dieser Werte usw. sehr schwierig, Resonanzbedingungen in einfacher Weise zu erzielen.
Die Spannung an den Anschlüssen der Spule nimmt sehr schnell ab, wenn von den optimalen Bedingungen abgewichen wird.
Es muß daher ein maximaler Variationsbereich dieser Bedingungen eingehalten werden, innerhalb dessen ein ausreichendes Induktionsfeld sichergestellt ist.
Dieser Funktionsbereich entspricht einer notwendigen Toleranz für den Wert der Betriebsfrequenz der Energieversorgungsschaltung. Je größer in diesem Fall der Funktionsbereich ist, um so schlechter muß der Gütefaktor der Resonanzschaltung sein, um eine zu hohe Spannungsverstärkung zu vermeiden, wenn ideale Resonanzbedingungen erfüllt sind. Dies macht die Verwendung von Widerständen zur Begrenzung des Gütefaktors erforderlich; dies führt zu beträchtlicher Energiedissipation, die für die Wirtschaftlichkeit des Betriebs schädlich ist, die aber insbesondere zu für die Installation an einem Fahrzeug, insbesondere einem PKW, inakzeptablen Erhitzungen führen kann.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht in der Einführung einer nichtlinearen Dämpfung der Resonanz. Die erfindungsgemäße Antenne, die eine Spule zur Erzeugung der Induktivität und eine in Reihe oder parallel geschaltete Kapazität aufweist, wobei Kapazität und Induktivität eine Resonanzschaltung bilden, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne Mittel zum Abschneiden der Impulsspitzen des von dieser Antenne zur angekoppelten Antenne übergehenden Flusses aufweist.
Die nachfolgenden Figuren und die darauf bezogene Beschreibung ermöglichen ein gutes Verständnis sowohl des gestellten Problems als auch der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung.
Fig. 1A ist ein Anordnungsschema einer Überwachungsvorrichtung für Reifen.
Fig. 1B zeigt eine Ausführungsvariante.
Fig. 2A und 2B charakterisieren die beiden Antennen.
Fig. 3 zeigt die Energieübertragung zwischen den Spulen.
In Fig. 1A ist eine Spule 10 und ein Kondensator 12, die Teil der ortsfesten Antenne 1 sind und eine Spule 2, die die Radantenne bildet, zu sehen. Das Radmodul 3 umfaßt die zur Speicherung und Verwendung der übertragenen Energie notwendigen Elemente sowie eine Codierstufe für die ausgesandten Signale. Vorzugsweise wird das Radmodul nach den Lehren der Patente US-A-4 703 650 und US-A-4 737 761 entworfen. Das Radmodul umfaßt daher einen oder mehrere Kondensatoren als Energiespeicher. Am Fahrzeug wird eine Erregungs- und Abtastanordnung 4 installiert, die mit jeder ortsfesten Antenne 1 über eine elektrische Leitung 41 verbunden ist. Die Anordnung 4 umfaßt einen Generator 42, der ein Signal mit der für die Leistungsübertragung ausgewählten Frequenz (in diesem Beispiel 83 kHz) sowie einen Leistungsverstärker 43 umfaßt. Eine Steuervorrichtung wählt das oder die von der Energieübertragung betroffenen Räder und stellt außerdem die Verbindung des zu untersuchenden Rades mit einem Klein-Signalverstärker 45 zum Empfang des vom Rad ausgesandten codierten Signals sicher.
Die ortsfeste Antenne umfaßt außerdem einen Kondensator 12 zur Bildung einer Reihenresonanzschaltung. Die Fig. 2A und 2B ermöglichen ein gutes Verständnis der Funktionsweise der ortsfesten Antenne 1 bzw. der Radantenne 2. Es ist wünschenswert, daß die an das Radmodul 3 angelegte Spannung V eine gute Aufladung des oder der Kondensatoren ermöglicht, die den Energiespeicher im Modul 3 bilden. Vorzugsweise soll die Aufladungszeit unter 100 Millisekunden bleiben. Die Radantenne 2 ist so dimensioniert und am Rad installiert, daß unter Berücksichtigung der parasitären Kapazitäten 23, die das Aufsuchen einer parallelen Resonanz ermöglichen, die Resonanzfrequenz fo den oben erwähnten 83 kHz entspricht. Das Rad selber ist elektrisch leitend und verhält sich wie eine kurzgeschlossene Windung 21, deren Innenwiderstand durch den Widerstand 22 dargestellt ist.
Hier sei eingeschoben, daß wenn das Rad oder genauer gesagt die Felge, unter der die Radantenne 2 eingehängt ist, nichtleitend ist, was derzeit nur für einen vernachlässigbaren Teil der an Fahrzeugen angetroffenen Fälle zutrifft, die in der vorliegenden Beschreibung mit Bezug auf die ortsfeste Antenne 1 dargelegte Lehre in gleicher Weise auf die Radantenne 2 anwendbar ist. Aus diesem Grund ist das Wort "Antenne" im Anspruch 1 generisch, als sowohl die ortsfeste Antenne als auch die Radantenne bezeichnend zu verstehen.
Fig. 2B stellt die an den Anschlüssen der Spule 2 abgegriffene Potentialdifferenz in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz dar. In der Praxis ist der Gütefaktor einer solchen parallelen Resonanzschaltung schlecht, im wesentlichen aufgrund der Dämpfung durch die Felge. Der Durchgangsbereich BPr ist daher breit, breit genug um einem Betriebsbereich zu entsprechen, dessen Ausmaß durch industrielle Überlegungen bestimmt ist: Veränderungen der Werte für die Spule 2, der parasitären Kapazität 23, des Dämpfungswiderstands 22, der Betriebstemperatur usw. ...
Die ortsfeste Antenne 1 hat jedoch intrinsisch einen sehr hohen Gütefaktor, der in Fig. 2A durch die Strichpunktkurve dargestellt ist. Hieraus resultiert ein sehr schmaler Durchgangsbereich BPf, wesentlich schmaler als der durch die industrielle Berücksichtigung der Toleranzen erforderliche Betriebsbereich P. Wenn man daher darauf achtet, daß das Spannungsniveau Umin an den Rändern des Bereichs P groß genug ist, dann wird die Spannung Umax viel zu hoch. Aus diesem Grunde wurde vor der vorliegenden Erfindung ein Widerstand in Reihe mit dem Kondensator 12 und der Spule 10 oder parallel zu einem dieser Elemente verwendet, um den Gütefaktor so weit zu senken, daß eine Kennkurve der Spannung U in Abhängigkeit von der Frequenz f (gestrichelte Linie in Fig. 2A) erreicht wurde, die der Kennkurve der Radantenne 2 (Fig. 2B) vergleichbar war. Unglücklicherweise dissipiert dieser Widerstand Energie, die von anderer Stelle zugeführt werden muß, was zu unzulässigen Erwärmungen hauptsächlich an den Leistungsverstärkern 43 führt.
Aus diesem Grund wird vorgeschlagen, eine nichtlineare Dämpfung hinzuzufügen, anstatt den Gütefaktor der Antenne durch Widerstände zu verringern. Zu diesem Zweck wird beispielsweise eine Verzweigung 13 parallel zur Spule 10 montiert. Diese Verzweigung 13 kann aus zwei in entgegengesetzter Orientierung montierten Zenerdioden, einem Varistor oder auch aus in entgegengesetzter Orientierung montierten Lawinendioden mit eingegrenztem Durchbruchsbereich bestehen. Vom elektrischen Gesichtspunkt her ist es äquivalent, die Verzweigung 13 parallel zum die Kapazität der Resonanzschaltung bildenden Kondensator 12 zu montieren, da die Begrenzung der Spannung an den Anschlüssen des Kondensators 12 zwangsläufig durch einfache Anwendung der Kirchoff'schen Gesetze für die betrachtete Masche zur Begrenzung der Spannung U an den Anschlüssen der Spule 10 führt. So wird der Vorteil einer induktiven resonanten Kopplung mit hohem Gütefaktor gewahrt, wobei die Begrenzung nur für den zyklisch auftretenden Energiebruchteil wirksam wird, der eine Erhöhung der Spannung an den Anschlüssen der Spule über das erträgliche Maß hinaus zur Folge hätte. Mit anderen Worten wird von einem gewissen Niveau an nur der zum Halten der Spannung an der erreichten Schwelle erforderliche Energiebruchteil abgenommen und die restliche Energie in der Verzweigung dissipiert.
Fig. 1B zeigt eine Variante der Begrenzung, bei der direkt auf den im Magnetkreis umlaufenden Fluß eingewirkt wird. Man erkennt die Antenne 1 mit einer Spule 10 und einem Kondensator 12. Ferner ist ein Kern 11 aus einem magnetischen Ferrit zu sehen. Eine Regelspule 14 umgreift den von der Spule 10 erzeugten Fluß. Die Spannung an den Anschlüssen der Spule 14 wird verstärkt (15) und von einem Schwellwertelement 16 überwacht, das jenseits des gewählten Grenzwerts eine Stromquelle 17 steuert, die durch Absenden eines permanenten Gleichstroms den Magnetkern polarisiert, um den Betriebspunkt in den Sättigungsbereich zu verschieben, so daß die Resonanzerscheinung auf einem vorbestimmten Wert beschränkt bleibt, der die Auswahl des Schwellwertelements 16 bestimmt. Man erhält so ebenfalls eine Begrenzung der von der Senderspule 10 abgesandten Energie. Es ist auch denkbar, den Fluß durch Vormagnetisierung eines den Kern 11 bildenden sättigbaren Ferrits zu begrenzen.
Die Fig. 3 vereint mehrere Signalverlaufskurven, die durchgezogen das an die Anschlüsse der ortsfesten Antenne 1 angelegte Erregungssignal, gestrichelt das Verhalten der Spannung U an den Anschlüssen der Spule für eine nicht gedämpfte Resonanzschaltung und als Strichpunktlinie das Verhalten der Spannung U für eine Schaltung mit der Verzweigung 13 darstellen. Man stellt fest, daß anders als bei einer auf Widerständen basierenden herkömmlichen Dämpfung nur der zusätzliche Energiebeitrag dissipiert wird, der dem das mit Z in Fig. 3 bezeichnete Niveau überschreitenden Bruchteil der Spannung proportional ist, welcher auch in dem Spannungsbereich, in dem die Zenerdioden vorübergehend leitend werden, wesentlich kleiner ist.
Eine solche nichtlineare Begrenzung der Antenne ist auch für eine Antenne mit kapazitiver Kopplung denkbar. Außerdem tritt auch bei spulenförmigen Antennen ein - allerdings sehr kleiner - Anteil von kapazitiver Kopplung zwischen den Spulen auf, wobei der Leitungsdraht die Funktion einer Kondensatorplatte hat. In diesem Fall umfaßt bei einer Reifenüberwachungsvorrichtung, die Übertragungen durch kapazitive Kopplung zwischen einer mit dem Rad verbundenen Antenne und einer mit dem Radträger verbundenen Antenne ausnutzt, die Antenne eine Kondensatorplatte, von der ein elektrisches Feld abgestrahlt wird, außerdem eine Spule mit gegebener Induktivität und einen Kondensator mit gegebener Kapazität und ist dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zum Abschneiden der Impulsspitzen des von der Kondensatorplatte abgestrahlten elektrischen Feldes besitzt. Diese Mittel sind genau wie oben dargelegt ausgewählt und angeordnet.

Claims

1. Antenne für eine Vorrichtung zur Reifenüberwachung unter Verwendung der Übertragung durch induktive Kopplung zwischen zwei gekoppelten Antennen, welche Antenne eine Spule (10) zur Bildung einer Induktivität und eine in Reihe und/oder parallel angeschlossene Kapazität aufweist, wobei Kapazität und Induktivität eine Resonanzschaltung bilden, gekennzeichnet durch Mittel zum Abschneiden der Impulsspitzen des von der Antenne zur angekoppelten Antenne übergehenden Flusses.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel aus einer parallel zur Spule (10) oder zur Kapazität angeschlossenen Verzweigung (13) bestehen, die zwei in Reihe und in entgegengesetzter Orientierung montierte Zenerdioden aufweist.

3. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel aus einer parallel zur Spule (10) oder zur Kapazität montierten Verzweigung (13) bestehen, die einen Varistor aufweist.

4. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel aus einer parallel zur Spule (10) oder zur Kapazität montierten Verzweigung (13) bestehen, die eine Lawinendiode mit eingeschränktem Durchbruchsbereich aufweist.

5. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen aus einem Magnetkreis mit einem sättigbaren Ferrit bestehen.

6. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel eine Regelspule (14) zum Regeln des im Magnetkreis der Antenne umlaufenden Flusses umfassen.

7. Antenne für Vorrichtung zur Reifenüberwachung unter Verwendung von kapazitiver Kopplung zwischen einer mit dem Rad verbundenen Antenne und einer mit dem Radträger verbundenen Antenne, welche Antenne eine Kondensatorplatte, von der ein elektrisches Feld abgestrahlt wird, eine Spule mit gegebener Induktivität und einen Kondensator mit gegebener Kapazität aufweist, wobei die Kapazität des Kondensators und die Induktivität eine Resonanzschaltung bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne Mittel zum Abschneiden der Impulsspitzen des von der Kondensatorplatte abgestrahlten elektrischen Feldes aufweist.

8. Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel aus einer parallel zur Spule oder zum Kondensator montierten Verzweigung bestehen, die zwei in Reihe und in entgegengesetzter Orientierung montierte Zenerdioden aufweist.

9. Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel aus einer parallel zur Spule oder zur Kapazität montierten Verzweigung bestehen, die einen Varistor aufweist.

10. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel aus einer parallel zur Spule oder zur Kapazität montierten Verzweigung bestehen, die eine Lawinendiode mit eingeschränktem Durchbruchsbereich aufweist.