JP4934201B2

JP4934201B2 - タイヤセンサモジュールのためのエネルギー発生装置

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Publication number: JP4934201B2
Application number: JP2009545119A
Authority: JP
Inventors: パネックトルステン
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-01-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2027-11-09
Also published as: EP2107974B1; ATE468236T1; DE502007003893D1; EP2107974A1; US20100295655A1; DE102007001361A1; JP2010515616A; WO2008083872A1

Description

本発明は、タイヤセンサモジュールのためのエネルギー発生装置、この種のエネルギー発生装置を備えるタイヤセンサモジュール、ならびにこの種のタイヤセンサモジュールを備える車両タイヤに関する。

先行技術
車両タイヤにおいては、例えばタイヤ圧力、タイヤ温度、生じる力、並びに摩擦値等の状態パラメータを測定するセンサモジュールが使用される。センサモジュールには、とりわけこのセンサモジュールのセンサエレメントを駆動するため、また信号を車両側の送受信装置へと伝送するために、電力を供給しなければならない。

このために一方では、直流電気的エレメント、すなわちバッテリーを備えるセンサモジュールが公知である。しかしながらこのエレメントの寿命は限られており、さらに車両タイヤを廃棄処理する際には環境汚染が生じる。

したがって、自給自足的なエネルギー供給部を備えるセンサモジュールが公知である。ここでは通常、タイヤで形成される応力ないし変形がエネルギーに変換される。これに関し、ＰＶＤＦ（フッ化ポリビニリデン）のような有機材料からなるピエゾ圧電式シートを使用することが公知である。このシートは、確かに充分なエネルギーを供給するのだが、しかしながら温度安定性に乏しく、したがって比較的早く劣化してしまう。さらに、シートとセンサとの接続も困難である。ケーブル接続は確実性の理由から問題がある。

発明の概要
本発明は、ピエゾ圧電素子を、該ピエゾ圧電素子が２つの異なる湾曲状態において安定した位置につくように収容するという技術思想に基づく。これらの湾曲状態はとりわけアーチ形とすることができ、このことは、ピエゾ圧電素子を該ピエゾ圧電素子の対向する端部において挟み込み、この挟み込み領域の間で上方または下方へのアーチを形成することによって可能となる。このようにして、不安定性の中間領域を備える２つの安定した湾曲位置が形成されるのである。ピエゾ圧電素子には、安定した湾曲位置を形成するために、有利には機械的に予備応力がかけられている。

これら２つの湾曲位置の間での位置変更は、第１方向へは、機械的なリセット装置によって形成される。この機械的なリセット装置は、充分な機械的変形の際にピエゾ圧電素子に到達し、このピエゾ圧電素子を、もう一方の安定した湾曲位置に戻すように位置変更させる。変形として有利には、タイヤ接地面の領域への移行が利用される。

逆方向である第２方向への位置変更として有利には、ピエゾ圧電素子と付加的な質量要素とに働く慣性力、すなわちとりわけ遠心力が利用される。本発明の基礎となる技術思想は、タイヤ接地面においては接線に沿って働く力だけが作用し、半径方向の力は作用せず、したがってピエゾ圧電素子およびピエゾ圧電素子の付加的な質量要素に対して遠心力も作用せず、この結果機械的なリセット装置によって与えられる第１方向への位置変更の力が制限されているということに基づく。

したがってタイヤが回転する際に、２つの安定した静止位置の間において、すなわちセンサモジュールがタイヤ接地面の領域へと移行する際と、この領域を離れる際とにおいて、２つの位置変更が可能であり、このときそれぞれエネルギーが供給される。

とりわけ２つの異なるアーチ形に曲げられている場合、これらの安定した湾曲位置間での大きな機械的湾曲変形によって、それぞれ大きな機械的応力を達成することができ、これにより高電圧および大電力を達成することができる。

本発明により、とりわけ少なくとも２つの層、たとえば１つの基板層と、例えばＰＺＴ等のセラミック材料からなる１つのピエゾ圧電層とから形成されるピエゾ複合体を形成することができる。このピエゾ複合体は、高い機械的信頼性と高出力電圧ないし大電力供給、とりわけ有機材料に対する高い温度安定性を可能にする。これら２つの層が異なる熱膨脹係数を有することによって機械的予備応力が形成され、これにより、供給可能な電圧がさらに高くなる。

本発明によれば電力供給が大きくなるので、１つまたは複数のセンサ素子と送受信装置とその他の電気的構成素子とを備えるセンサモジュールは、自給自足的に動作することが可能となる。

ピエゾ圧電素子は、有利にはケーシング部分またはケーシングを固定する収容部において挟み込まれている。これによって確実な固定と、有利には直接の電気的接触接続とが可能となり、このための付加的かつ敏感なケーブルまたは別の固定具を設ける必要はなくなる。リセット装置は、タイヤに半径方向に外側に配置される別のケーシング部分と直接結合されており、このケーシング部分は強い変形にさらされており、このリセット装置の相対運動はピエゾ圧電素子に到達する。

ピエゾ圧電素子をケーシングに直接取り付けることによって、本発明によれば、組み込み度が高くなり、構造スペースが小さくなり、さらに敏感な部分が確実に収容される。とりわけセンサモジュールをタイヤのトレッド面に直接取り付けることができるので、関連する状態パラメータ、たとえば振動を直接測定することが可能となり、このとき発生する高い機械的変形は、高いエネルギー収益へと導く。

車輪回転運動における、本発明のセンサモジュールを備える車輪の側面図を示す。タイヤ接地面の外側における第１湾曲位置での、実施形態によるエネルギー発生装置を示す。タイヤ接地面における第２湾曲位置でのエネルギー発生装置を示す。これらの湾曲位置におけるピエゾ圧電素子の概略図を示す。

本発明の実施形態
複数ある車輪のうちの１つの車輪のタイヤ１が、走行中に走行道路２上を回転する。図１では、２つの互いに連続する時点ｔ１、ｔ２における位置が示されている。タイヤ１は、タイヤ接地面３の外側にある外側表面１ａにおいて実質的に一様に曲げられた形状を有している。このタイヤ１のタイヤ接地面３（contact patch）は、走行道路２の上に平坦ないし平らに載っており、このタイヤ接地面３の上には変形されたタイヤ領域１１が形成される。

タイヤ１には本発明のセンサモジュール４が収容されている。センサモジュール４は、図２，３において部分的に破線によって概略的に示したケーシング５，６を有しており、このケーシングは本発明によれば、圧縮応力下において変形可能もしくは位置変更可能である。このためにケーシングは、例えばケーシング上部５とケーシング下部６とを有することができる。ここではケーシング下部６は、ケーシング上部５に向かって垂直方向ないしは（タイヤ１に関連して）半径方向Ｒに位置変更することができる。このことに関して、ケーシング上部６をケーシング上部５と一体的に形成して、例えば弾性に位置変更できるように形成することも可能である。さらにまた、ケーシング上部５とケーシング下部６とを別個に２つの部分から構成することも可能であり、この場合ケーシング下部６は、例えばケーシング上部５の中でシフト可能に挿入されている。本発明によれば、ケーシング上部５とケーシング下部６の間において半径方向Ｒにおける相対シフトが可能であるが、それにもかかわらず負荷に対するケーシング内室１３の充分な密閉は、タイヤのゴム材料の中に加硫処理する際に達成される。図２では明瞭性のために、ケーシング上部５の下部領域のみ図示されている。

ケーシング内室１３の中において、ピエゾ圧電素子７が複数の、有利には２つの互いに接続された層７ａ、ｂを備えるピエゾ圧電式の複合材料として形成されており、少なくとも１つの層７ａは、ピエゾ圧電式セラミック材料、とりわけＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）から製造されている。第２の層７ｂは、ピエゾ圧電層７ａとは異なる熱膨張係数を有する別の材料から製造されており、ピエゾ圧電素子７全体は、図４に示されるように機械的な予備応力を含む。ピエゾ圧電素子７は、該ピエゾ圧電素子の機械的変形ないし機械的たわみに相応して、圧力検出のために使用される自身の端部、すなわちピエゾ圧電層７ａの端部にてピエゾ電圧Ｕｐを測定する。このピエゾ電圧の極性は、アーチ形に曲げる方向に依存している。

したがってピエゾ圧電素子７は、該ピエゾ圧電素子の不安定かつ水平かつ強力に緊張した中間位置から、２つの安定した湾曲位置の一方へと上方または下方にアーチ形に曲がることによって弛緩することができる。図２の下方湾曲位置においては、上のピエゾ圧電層７ａは圧力で強く押されており、第１極性のピエゾ電圧Ｕｐを供給し、このとき基板として使用される下方の第２層７ｂは、引張応力下に置かれている。図３の上方湾曲位置においては、上方のピエゾ圧電層７ａは引張応力下に置かれており、第２の逆の極性のピエゾ電圧Ｕｐを供給し、このとき基板として使用される下方の第２層７ｂは、圧力で強く押されている。湾曲負荷が交替すると、ピエゾ圧力Ｕｐは相応に正負の符号を変更する。

ピエゾ圧電素子７の形状は、所期の弾性モジュールおよび所要電圧に相応して選択することができる。ここではピエゾ圧電素子７を回転対称形状に選択することもできる。すなわちピエゾ圧電素子７を、例えば「クリッカー（Knackfrosch）」のように、基本状態においてアーチ形に曲がった例えば球殻形ないしエシャロット形（schalottenfoermig）の構成に選択することもできる。

ピエゾ複合体として２つの層７ａ、７ｂから形成されたピエゾ圧電素子７は、双安定システムとして２つのアーチ形状態の間にて、スナップ式に完全に凹部と凸部が反転するように跳ね動き（durchschnappen）、これにより大きな変位が達成され、したがって高い電気出力が達成される。

この多層のピエゾ圧電素子７は、自身の端部８、９において、ケーシング上部５のケーシング収容部５ａ、ｂの中に収容されている。ケーシング収容部５ａ、ｂは、ピエゾ圧電素子を機械的に挟み込む以外に、ピエゾ圧電素子７の端部８、９の電気的接触接続のためにも使用される。ピエゾ圧電素子の端部８と９の間の中間領域においては、このピエゾ圧電素子７に、測定装置、例えば図２，３による２つの質量要素１０、または例えばリング状の通常の質量要素１０が接続されている。質量要素１０は基本的に、ピエゾ圧電素子７の表側または裏側に固定することができる。

ケーシング下部６には、上に向かって突出した針部１２が固定されている。この針部１２は、図２に示す下方湾曲位置においてピエゾ圧電素子７の中心部のやや下まで突出しているが、しかしこのピエゾ圧電素子を変形させない。センサモジュール４は、タイヤ１のトレッド面に以下のように収容されている。すなわち、針部１２を備えるケーシング下部６が、放射状に外側に設けられており、ピエゾ圧電素子７を備えるケーシング上部５が、放射状に内側に設けられており、ケーシング下部６は、タイヤが回転運動する際にタイヤ１が変形するとケーシング上部５に向かって位置変更され、したがって針部１２が上に向かって押圧され、かつこの針部１２が、下方にアーチ形に曲がったピエゾ圧電素子７の機械的予備応力に対向して、ならびにピエゾ圧電素子７と少なくとも１つの質量要素１０とによって及ぼされる慣性力に対向して作用する、ようにセンサモジュール４が収容されるのである。このピエゾ圧電素子７と質量要素１０とに及ぼされる慣性力Ｆｇは、重力Ｆｇ＝ｍ x ｇ、ただしｇ≪１０ｍ／ｓ²、ならびに遠心力Ｆｚ＝ｖ²／ｒ、ただしｒ＝ピエゾ圧電素子７のトラックの曲率半径、から形成される。この曲率半径は、タイヤ接地面３ないし変形されたタイヤ領域１１の外側においては、基本的にタイヤ半径Ｒに相応しており、平坦なタイヤ接地面３においては、この曲率半径はｒ＝無限であり、すなわち遠心力がゼロとなる接線運動が描かれる。タイヤ接地面３に接する変形されたタイヤ領域１１においても、遠心力は消えるか、ないしは上に向かって非常に小さい値を受ける。

変形されたタイヤ領域１１の外側においては、すなわち回転運動の大部分にわたっては、エネルギー発生装置１４は図２に示す下方湾曲位置に位置している。少なくとも１つの質量要素１０は、回転する車輪１の遠心力Ｆｚによって放射状に外側に加速される。この質量要素１０に働く重力Ｆｇの動径成分は、タイヤ１のエネルギー発生装置１４の配向ないし回転位置に依存するが、ピエゾ圧電素子７の遠心力Ｆｚおよび予備圧力Ｆに比べて非常に小さい。

エネルギー発生装置１４を備えるセンサモジュール４が下に向かって、タイヤ接地面３の上の変形されたタイヤ領域１１に到達するとすぐに、ケーシング下部６はケーシング上部５に関連して上方へと位置変更する。このケーシング下部６は、針部１２によってピエゾ圧電素子７を、予備圧力ならびに質量要素１０に及ぼされる遠心力Ｆｚに対向して上向きに押圧し、そして中間位置に到達後、ピエゾ圧電素子７はスナップ式に凹部凸部が完全に反転するように上に向かって運動し、図３に示す上方湾曲位置に着く。

このとき、平坦なタイヤ接地面３の上方にある変形されたタイヤ領域１１において、センサモジュール４とエネルギー発生装置１４は、上述のようにただ接線運動にのみさらされている。すなわちエネルギー発生装置１４には、加速度のうち無視できる接線成分だけが働く、つまり長手方向ないしｘ軸方向の車両加速度、ならびにタイヤ表面に対して垂直な半径方向の、すなわちここでは垂直のｚ方向の重力Ｆｇだけが働くのである。したがって本発明によれば、タイヤ接地面３において遠心力は発生せず、したがってピエゾ圧電素子７に下向きに働く力は、非常に小さくなり、かつ質量要素１０の質量ならびにピエゾ圧電素子７の固有質量にのみ依存することがわかる。

エネルギー発生装置１４を備えるセンサモジュール４が、平坦なタイヤ接地面３の上方にある変形された領域１１を離れると、このセンサモジュールは、再び実質的にタイヤ１の半径Ｒを有する円軌道へと突入し、したがってタイヤ１の回転数に依存した半径加速度にさらされる。この半径加速度は、速度に応じて数１００から数１００００ｍ／ｓ²の間にあるとすることができる。

したがってタイヤ接地面３の外側においては、格段により大きな遠心力Ｆｚが、半径方向にタイヤ表面１ａに対して働き、ピエゾ圧電素子７は再び図２の下方湾曲位置へと戻る。ここではピエゾ圧電素子７と質量要素１０の全体質量は、遠心力Ｆｚが、ピエゾ圧電素子７を再び元の位置に戻し動かすのに充分であるように適合されている。

本発明によれば基本的に、ケーシング上部５とケーシング下部６との間において、付加的に比較的小さな弾性ばね作用を構成することができ、この弾性ばね作用は、タイヤ接地面３の外側においてケーシング下部６を再び外側へ向かって押圧する。

図２の湾曲位置から図３の湾曲位置へと位置変更する際、ならびにリセットプロセスの際に、異なる極性ないし異なる符号を有するピエゾ電圧Ｕｐが形成される。図２の概略図によれば、接触接続のために使用されるケーシング収容部５ａ、５ｂは、整流回路１６と接続されており、この整流回路１６は整流された電圧を、センサモジュール４の別の電気回路１８に供給する。この電気回路１８は、ここではとりわけ電気的に選択されたセンサモジュール４のセンサ１９と、さらに制御装置２２と、車両の相応の送受信装置と信号伝達するための送受信装置２０と、有利にはエネルギー蓄積器２１、例えばコンデンサとを有する。このエネルギー蓄積器は、変形と変形の間の期間にも、すなわちタイヤ接地面３の外側における残りのタイヤ回転の間においても、エネルギー供給を補償する。

センサ１９は、例えばタイヤ圧力、加速度、温度、および／または摩擦置を測定するために使用される。さらに、電気回路１８の付加的な電気的機能も可能である。

Claims

車両タイヤ（１）のタイヤセンサモジュール（４）を備えるエネルギー発生装置（１４）において、
該装置は、ピエゾ圧電素子（７）とリセット装置（１２）とを有しており、
前記ピアゾ圧電素子（７）は、安定した第１湾曲位置と安定した第２湾曲位置との間で位置変更可能であり、かつ該第１湾曲位置と第２湾曲位置との間での位置変更の際にピエゾ電圧（Ｕｐ）を形成し、
前記リセット装置（１２）は、前記ピエゾ圧電素子（７）を前記安定した第１湾曲位置から前記安定した第２湾曲位置へと機械的に位置変更させるために使用され、
前記リセット装置（１２）は、前記エネルギー発生装置（１４）に作用する変形によって作動可能である、
ことを特徴とするエネルギー発生装置。
前記リセット装置（１２）は、前記エネルギー発生装置（１４）が、前記車両タイヤ（１）のタイヤ接地面（３）の上にある変形されたタイヤ領域（１１）に配置されている場合に作動可能である、
ことを特徴とする請求項１記載のエネルギー発生装置。
前記変形されたタイヤ領域（１１）の外側の位置においては、前記車両タイヤ（１）が回転する際に前記ピエゾ圧電素子（７）に働く遠心力（Ｆｚ）が、前記ピエゾ圧電素子（７）を、前記安定した第１湾曲位置に向かって押圧する、
ことを特徴とする請求項１または２記載のエネルギー発生装置。
前記ピエゾ圧電素子（７）に少なくとも１つの質量要素（１０）が設けられており、
該質量要素（１０）は、及ぼされる慣性力、とりわけタイヤ回転時に及ぼされる遠心力（Ｆｚ）を増加させるために使用される、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のエネルギー発生装置。
前記ピエゾ圧電素子（７）は、自身の端部領域（８、９）によって収容部（５ａ、ｂ）に挟み込まれており、不安定性の中間状態を有する２つの逆向きにアーチ形に曲げられた安定した湾曲位置を有する、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のエネルギー発生装置。
前記収容部（５ａ、ｂ）は、第１ケーシング領域（５）と接続されており、
前記リセット装置（１２）は、第２ケーシング領域（６）と接続されており、
該第２ケーシング領域（６）は、前記エネルギー発生装置（１４）に対して変形が作用する際に前記第１ケーシング領域（５）に向かって位置移動する、
ことを特徴とする請求項５記載のエネルギー発生装置。
前記第２ケーシング領域（６）は、下から力が及ぶ際に前記リセット装置（１２）を前記ピエゾ圧電素子（７）に対して押圧するケーシング上部（６）であり、
前記ピエゾ圧電素子（７）の弾性のリセット力と、前記ピエゾ圧電素子（７）の慣性力（Ｆｇ、Ｆｚ）とによって反力が働く、
ことを特徴とする請求項６記載のエネルギー発生装置。
前記ピエゾ圧電素子（７）の端部（８、９）のための前記収容部（５ａ、ｂ）は、電気的接触接続のため、およびピエゾ電圧（Ｕｐ）の測定のためにも使用される、
ことを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項記載のエネルギー発生装置。
前記ピエゾ圧電素子（７）は、少なくとも２つの互いに接続された、例えば接着された層（７ａ、７ｂ）を有し、
前記２つの層（７ａ、７ｂ）は、異なる熱膨張率と、相互の機械的予備応力とを備えており、
前記２つの層（７ａ、７ｂ）の少なくとも１つの層は、前記２つの安定した湾曲位置の間での位置移動の際にピエゾ電圧（Ｕｐ）を供給するためのピエゾ圧電層（７ａ）である、
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載のエネルギー発生装置。
前記ピエゾ圧電層（７ａ）は、ピエゾ圧電式セラミック材料、例えばチタン酸ジルコン酸鉛から製造されている、
ことを特徴とする請求項９記載のエネルギー発生装置。
前記エネルギー発生装置は、異なる極性のピエゾ電圧（Ｕｐ）を整流するための整流回路（１６）を有する、
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項記載のエネルギー発生装置。
前記リセット装置（１２）は、前記ピエゾ圧電素子（７）の実質的に中心部に向かって上に突出している針部（１２）である、
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項記載のエネルギー発生装置。
車両タイヤ（１）に取り付けるためのタイヤセンサモジュール（４）において、
該センサモジュールは、請求項１〜１２のいずれか一項記載のエネルギー発生装置と、車両タイヤ（１）の状態パラメータを測定するためのセンサ（１９）と、車両に設けられた送受信装置と信号交換をするための送受信装置（２０）とを有し、
前記タイヤセンサモジュールは、エネルギー的に自給自足であり、
前記エネルギー発生装置（１４）は、前記センサ（１９）と前記送受信装置（２０）とに電力を供給する、
ことを特徴とするタイヤセンサモジュール。
前記タイヤセンサモジュールは、前記エネルギー発生装置によって形成されたエネルギーを一時的に蓄積するためのエネルギー蓄積器（２１）を有する、
ことを特徴とする請求項１３記載のタイヤセンサモジュール。
車両タイヤ（１）において、
該車両タイヤのゴム材料の中に、とりわけ該車両タイヤのトレッド面の中に、請求項１３または１４記載のタイヤセンサモジュール（４）が設けられている、
ことを特徴とする車両タイヤ。