WO2006003052A1 - System zur erzeugung elektrischer energie für elektrische komponenten - Google Patents

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WO2006003052A1
WO2006003052A1 PCT/EP2005/052238 EP2005052238W WO2006003052A1 WO 2006003052 A1 WO2006003052 A1 WO 2006003052A1 EP 2005052238 W EP2005052238 W EP 2005052238W WO 2006003052 A1 WO2006003052 A1 WO 2006003052A1
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WO
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piezoelectric element
tire
piezoelectric
transponder
electrical energy
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/052238
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jakob Schillinger
Joachim Hrabi
Wilfried Babutzka
Dietmar Huber
Adrian Cyllik
Original Assignee
Continental Aktiengesellschaft
Lutz, Rainer
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Filing date
Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60C—VEHICLE TYRES; TYRE INFLATION; TYRE CHANGING; CONNECTING VALVES TO INFLATABLE ELASTIC BODIES IN GENERAL; DEVICES OR ARRANGEMENTS RELATED TO TYRES
    • B60C23/00—Devices for measuring, signalling, controlling, or distributing tyre pressure or temperature, specially adapted for mounting on vehicles; Arrangement of tyre inflating devices on vehicles, e.g. of pumps or of tanks; Tyre cooling arrangements
    • B60C23/02—Signalling devices actuated by tyre pressure
    • B60C23/04—Signalling devices actuated by tyre pressure mounted on the wheel or tyre
    • B60C23/0408—Signalling devices actuated by tyre pressure mounted on the wheel or tyre transmitting the signals by non-mechanical means from the wheel or tyre to a vehicle body mounted receiver
    • B60C23/041—Means for supplying power to the signal- transmitting means on the wheel
    • B60C23/0411—Piezoelectric generators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60C—VEHICLE TYRES; TYRE INFLATION; TYRE CHANGING; CONNECTING VALVES TO INFLATABLE ELASTIC BODIES IN GENERAL; DEVICES OR ARRANGEMENTS RELATED TO TYRES
    • B60C23/00—Devices for measuring, signalling, controlling, or distributing tyre pressure or temperature, specially adapted for mounting on vehicles; Arrangement of tyre inflating devices on vehicles, e.g. of pumps or of tanks; Tyre cooling arrangements
    • B60C23/02—Signalling devices actuated by tyre pressure
    • B60C23/04—Signalling devices actuated by tyre pressure mounted on the wheel or tyre
    • B60C23/0486—Signalling devices actuated by tyre pressure mounted on the wheel or tyre comprising additional sensors in the wheel or tyre mounted monitoring device, e.g. movement sensors, microphones or earth magnetic field sensors
    • B60C23/0488—Movement sensor, e.g. for sensing angular speed, acceleration or centripetal force
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators

Definitions

  • the invention relates to a system for generating electrical energy for electronic components with a piezoelectric element which is arranged on a pneumatic vehicle tire having a tread arranged on the outside.
  • Vehicle tires in particular motor vehicle tires, are increasingly being equipped with transponders that contain or record information about the tire and send it to evaluation devices on or in the vehicle.
  • operating parameters of vehicle tires such as temperature or air pressure, as well as the mileage can be sent via corresponding transmitting devices from the vehicle tire to evaluation units.
  • DE 440236 A1 discloses a system for determining the operating parameters of vehicle tires, in which a carrier unit, which carries a sensor unit with at least one detector and an evaluation electronic unit, is integrated in the vehicle tire. On the carrier body serving for supplying energy to the system components piezoelectric element is arranged, which also serves as a sensor for the tire revolutions. Likewise, the carrier body is provided with a data transmission unit.
  • the system is integrated in the tire rubber, so that due to the piezoelectric effect due to the cyclic changing in the tire rubber hydrostatic compressive stress electrical energy is obtained.
  • the object of the present invention is to provide an improved system which allows a higher energy yield. According to the invention this object is achieved by a system having the features of claim 1. Advantageous developments of the invention are set forth in the subclaims.
  • the electric power generation system for electronic components of the present invention having a piezoelectric element disposed on a vehicle pneumatic tire having a tread disposed on the outside provides that the piezoelectric element is attached to the piezoelectric element
  • Tire inside is arranged opposite the tread. It has been found that in the operation of a vehicle tire, high, sudden changes in the centripetal forces occur when the rolling of the tire, the transition to the tire footprint takes place. There are very high jumps in the course of Zentripetalbeatitch both when hitting the driving surface and when leaving the driving surface. Due to the high acceleration changes, it is possible to produce a very large piezoelectric effect so that a large amount of electrical energy.
  • the piezoelectric element is designed as a bending beam, a piezo stack with stacked piezoelectric elements or as a torsion element that generates electrical energy due to the sudden change in the course of Zentripetalbevantung.
  • the rotational movement of the tire generates centrifugal and centripetal forces at the location of the piezoelectric element.
  • the dominant force component is determined by the selected mechanical and electrical design of the piezoelectric element.
  • a development of the invention provides that the piezoelectric element formed as a bending beam is mounted between two contact gaps, which in turn are connected via a rectifier circuit to a charge storage.
  • the charge storage device can be designed, for example, as a rechargeable battery, electrolytic capacitor or capacitor, preferably a ceramic capacitor.
  • the piezoelectric elements or the piezoelectric element are mounted on a carrier which is arranged on or in the tire inner side.
  • the rectifier circuit and other line elements or electronic components are arranged, which are supplied with electrical energy.
  • the arrangement on a carrier has the advantage of a mechanical protection of the components arranged thereon.
  • a cover which is preferably arranged on the carrier and comprises the electronic components.
  • the cover is optionally formed as a solid housing or as a Globtop, wherein the highly elastic glob-top shell protects the piezoelectric element against a fixation by a potting compound.
  • a development of the invention provides that the piezoelectric element offset from each other arranged contact surfaces are assigned to the
  • Determination of lateral or longitudinal acceleration associated with an evaluation circuit e.g. the direction of rotation of the tire so that the direction of movement of the vehicle tire and the vehicle are detected.
  • the system further provides that a transponder or a transmitting device for transmitting stored or determined data with respect to the tire with is connected to the piezoelectric element and is powered by this with energy.
  • At least one seismic mass is arranged on the piezoelectric element, preferably the transponder forms this seismic mass.
  • An attachment of the piezoelectric element to the inside of the tire is carried out via a belt or a belt, a potting compound protects the transponder from damage.
  • Fig. 1 - a schematic representation of a tire
  • Fig. 3 - a first embodiment of a piezoelectric generator in a housing
  • FIG. 4 shows a piezoelectric generator according to FIG. 3 with a glob top
  • FIG. 5 shows a variant of a piezoelectric generator with Globtop.
  • Fig. 6 is a piezoelectric generator according to FIG. 5 with elastic
  • FIG. 7 - a detail view of a contact layer according to
  • FIG. 8 shows a schematic view of a sensor transponder
  • Fig. 9 - a mounted sensor transponder assembly.
  • a tire mounted on a rim 3 is shown, on the outer circumference of which a running tire 2 is arranged.
  • a sensor transponder 1 with a piezoelectric element for measuring tire-specific characteristic values is fastened. Due to the wheel load rolling on a roadway 5 tire is flattened in the area of a tire contact patch 6, namely the Eindschreibset 4th
  • the angle-dependent course of a centripetal acceleration a is shown via the rotational angle ⁇ of the tire, depending on the location at which the piezoelectric element is located in the sensor transponder 1. If the piezoelectric element is arranged on the rim 3, a constant centripetal acceleration course 8 sets in at a uniform speed. In contrast to a mounting location on the rim, the sensor transponder mounted in the area of the tread only partially describes a circular path; in the area of the ground contact area, it moves on a straight line. This fact leads to acceleration changes, over which the piezoelectric effect can be exploited.
  • a centripetal acceleration a is shown via the rotational angle ⁇ of the tire, depending on the location at which the piezoelectric element is located in the sensor transponder 1.
  • a constant centripetal acceleration course 8 sets in at a uniform speed.
  • the sensor transponder mounted in the area of the tread only partially describes a circular path; in the area of the ground contact area, it moves on a straight
  • Tire contact patch 6 does not act Zentripetalbeatung a on the piezoelectric element in a sensor transponder 1. Based on the acceleration peaks in the inlet area E and outlet area A and reducing the acceleration to zero, a tire speed detection can be performed. The arrangement of the piezoelectric element on the inner side of the tire results in a high change in the acceleration of the piezoelectric element, since the Centripetal acceleration a is greater, the farther the piezoelectric element is from the fulcrum.
  • Fig. 3 shows a possible structure of a piezoelectric generator on a tire inside, in which on a support 9, preferably a support plate, a piezoelectric bending beam 11 are mounted between two contact blocks 10.
  • the contact blocks 10 are electrically conductive and connect the piezoelectric bending beam 11 with a direction detection circuit, which is shown in FIG. From there, cables move to a charge storage.
  • a housing 12 is arranged as a hood over it, while an inelastic encapsulation 13 mechanically protects the overall arrangement on the inside of the tire.
  • the piezoelectric bending arc of FIG. 3 and 4 can be implemented as a single layer, multilayer or as a piezo-metal composite.
  • Ih of Fig. 4 is a variant of the piezoelectric generator 1 is shown in the
  • FIG. 5 An alternative embodiment of the piezoelectric element is shown in FIG. 5, in which, instead of a bending beam 11 according to FIGS. 3 and 4, a multilayer axial sensor 110 designed as a piezo element is mounted on the carrier 9 via an electrically conductive layer 14. The assembly can over
  • Gluing, soldering or lending press done.
  • a seismic mass 15 is applied to the axial sensor 110 formed as a piezoelectric element in order to increase the piezoelectric effect.
  • Surrounding the sensor transponder 1 is again from a Globtop 16, which causes a separation of a solid potting compound 13 and allows movement of the piezoelectric element.
  • FIG. 6 An alternative embodiment of the piezoelectric generator 1 is shown in FIG. 6, in which the elastic contact layer 14, as shown in FIG. 7, is designed as a facet-shaped contact layer which serves to detect the direction.
  • the elastic contact layer 14 as shown in FIG. 7, is designed as a facet-shaped contact layer which serves to detect the direction.
  • Piezoiatas 110 executed in facet form, whereby it is possible to additionally detect the transverse and longitudinal accelerations by forming differences on the pad voltages. It can also be seen that three of the contact surfaces 111, 112, 113, 114 are connected to a differentiating circuit.
  • FIG. 8 shows the basic structure of a sensor transponder 1 with a support plate 9, on which a piezoelectric element 110 is arranged, on which a seismic mass 15 is positioned.
  • a piezoelectric element 110 is arranged, on which a seismic mass 15 is positioned.
  • a capacitor 17 serves as a charge storage
  • an ECU 18 is arranged on the support plate 9, connected to a transmission device 19, for example a transmitter.
  • pressure and temperature sensors can be mounted on the support plate 9 and polled by the ECU 18.
  • a piezoelectric generator which serves to charge an electric charge storage 17 or as an additional source of energy for battery or high frequency powered transponder systems.
  • the power generator uses the acceleration that acts on a tire-mounted transponder module during wheel rotation. From a certain charging voltage, the measurement can be started via a sensor and subsequently the transmission via the transponder. Triggering can take place either asynchronously when a certain charge is reached or synchronously as an external request.
  • piezo material which can be used as a piezo stack 110 as pure axial force sensors in a multilayer stacking.
  • the formation of the piezoelectric element is provided as a bending beam 11. It is also possible to utilize shear forces or torsional forces by means of a corresponding arrangement of the piezoelectric elements.
  • the rectifier circuit connected to the piezoelectric element polarizes this charge and stores it in a charge quantity memory, such as capacitor 17.
  • the capacitor 17, the circuit 18 and the transponder electronics 19 are protected in a rigid potting compound 13 or a mold, while a globtop elastic sheath 16 or a housing 12 protect the piezoelectric element and allow mobility.
  • the energy generated by the piezoelectric element can be collected via powerful capacitors. This energy is used to power the ECU 18, the RF link and the sensor electronics. Furthermore, the piezoelectric element can serve as an energy generator for operating a micropump, which compensates for diffusion losses in a tire, without additional energy needs to be supplied.
  • the piezoelectric generator enables electronics to be saved in the wheel housing and higher transmission ranges, which leads to a reduction in the number of transmitting antennas. It is also possible to use relatively small generators with piezoelectric elements due to the high centripetal accelerations.
  • FIG. 9 shows a mounted sensor transponder arrangement in which a piezoelectric element 11 is arranged on a wiring carrier.
  • the piezoelement 11 is connected to the carrier 9 via a contacting layer 25.
  • This elastic coupling layer 22 allows the piezoelectric element 11 moves at a change in acceleration and generates electrical energy.
  • the wiring carrier 9 is partially encapsulated with a molding material 13 '.
  • the electrical connection of the wiring substrate 9 via lead frame 23, which in turn is connected to connector pins 20.
  • the housing 12 is connected via a peripheral connection point 24, for example, formed as a belt or band, connected to the tire inner side 21.
  • the housing 12 can also be vulcanized in the tire inner side 21.
  • the forces acting on the piezoelectric element forces may be axial, bending, shear or torsional forces.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
  • Tires In General (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung elektrischer Energie für elektronische Komponenten mit einem piezoelektrischen Element (1, 11, 110), das in einem Fahrzeugluftreifen angeordnet ist, der einen an der Aussenseite angeordneten Laufstreifen (2) aufweist. Das piezoelektrische Element (1, 11, 110) ist an der Reifeninnenseite dem Laufstreifen (2) gegenüberliegend angeordnet.

Description

Continental Aktiengesellschaft:
Beschreibung
SYSTEM ZUR ERZEUGUNG ELEKTRISCHER ENERGIE FÜR ELEKTRISCHE KOMPONENTEN
Die Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung elektrischer Energie für elektronische Komponenten mit einem piezoelektrischen Element, das auf einem Fahrzeugluftreifen angeordnet ist, der einen an der Außenseite angeordneten Laufstreifen aufweist.
Fahrzeugreifen, insbesondere Kraftfahrzeugreifen, werden zunehmend mit Transpondern ausgerüstet, die Informationen über den Reifen beinhalten bzw. aufnehmen und an Auswerteeinrichtungen am oder im Fahrzeug senden. Darüber hinaus können Betriebsparameter von Fahrzeugreifen, wie Temperatur oder Luftdruck, sowie die Laufleistung über entsprechende Sendeeinrichtungen aus dem Fahrzeugreifen an Auswerteeinheiten gesendet werden. "
Aus der DE 440236 Al ist ein System zur Bestimmung der Betriebsparameter von Fahrzeugreifen bekannt, bei der im Fahrzeugreifen integriert eine Trägereinheit angeordnet ist, die eine Sensoreinheit mit mindestens einem Detektor und eine Auswerteelektronikeinheit trägt. Auf dem Trägerkörper ist ein zur Energieversorgung der Systemkomponenten dienendes piezoelektrisches Element angeordnet, das zugleich als Sensor für die Reifenumdrehungen dient. Ebenfalls ist der Trägerkörper mit einer Datenübertragungseinheit versehen. Das Sys-tem ist in dem Reifengummi integriert, so dass aufgrund des piezoelektrischen Effektes aufgrund der sich im Reifengummi zyklisch ändernden hydrostatischen Druckspannung elektrische Energie gewonnen wird. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes System bereitzustellen, das eine höhere Energieausbeute zulässt. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Das erfindungsgemäße System zur Erzeugung elektrischer Energie fiir elektronische Komponenten mit einem piezoelektrischen Element, das an einem Fahrzeugluftreifen angeordnet ist, die einen an der Außenseite angeordneten Laufstreifen aufweist, sieht vor, dass das piezoelektrische Element an der
Reifeninnenseite dem Laufstreifen gegenüberliegend angeordnet ist. Es hat sich gezeigt, dass sich im Betrieb eines Fahrzeugreifens hohe, sprunghafte Änderungen bei den Zentripetalkräften einstellen, wenn beim Abrollen des Reifens der Übergang zur Reifenaufstandsfläche stattfindet. Dabei finden sowohl beim Auftreffen auf den Fahrbelag als auch beim Verlassen des Fahrbelages sehr hohe Sprünge im Verlauf der Zentripetalbeschleunigungen statt. Durch die hohen Beschleunigungswechsel ist es möglich, einen sehr großen piezoelektrischen Effekt damit eine große Menge elektrischer Energie zu erzeugen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das piezoelektrische Element als ein Biegebalken, ein Piezostack mit aufeinandergestapelten piezoelektrischen Elementen oder als ein Torsionselement ausgebildet ist, das aufgrund der sprunghaften Wechsel im Verlauf der Zentripetalbeschleunigung elektrische Energie erzeugt. Durch die Drehbewegung des Reifens werden am Ort des piezoelektrischen Elementes Zentrifugal- und Zentripetalkräfte erzeugt. Diese wirken auf das Piezoelement je nach dessen Aufbau als Druck-, Biege-, Torsions- und/oder Scherkräfte, das elektrische Energie erzeugt. Die dominierende Kraftkomponente wird durch den gewählten mechanischen und elektrischen Aufbau des Piezoelementes bestimmt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das als Biegebalken ausgebildete piezoelektrische Element zwischen zwei Kontaktlücken gelagert ist, die wiederum über eine Gleichrichterschaltung mit einem Ladungsspeicher verbunden sind. Der Ladungsspeicher kann beispielsweise als Akku, Elko oder Kondensator, vorzugsweise Keramikkondensator, ausgebildet sein.
Bei einer Ausbildung als übereinandergestapelte Piezoelemente in Gestalt eines Piezostacks ist dieser auf einer elektrisch leitföhigen Schicht angeordnet, um von dort die elektrische Energie zu dem Verbraucher oder dem elektrischen Ladungsspeicher zu leiten.
Vorzugsweise sind die piezoelektrischen Elemente oder das piezoelektrische Element auf einem Träger montiert, der auf oder in der Reifeninnenseite angeordnet ist. Auf diesem Träger sind auch die Gleichrichterschaltung und weitere Leitungselemente oder elektronische Bauteile angeordnet, die mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Anordnung auf einem Träger hat den Vorteil eines mechanischen Schutzes der darauf angeordneten Komponenten.
Ein weitergehender Schutz des piezoelektrischen Elementes und der elektronischen Komponenten wird durch eine Abdeckung gewährt, die bevorzugt auf dem Träger angeordnet ist und die elektronischen Komponenten umfasst. Die Abdeckung ist wahlweise als ein festes Gehäuse oder als ein Globtop ausgebildet, wobei die hochelastische Glob-top-Hülle das piezoelektrische Element gegen eine Fixierung durch eine Vergussmasse schützt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass dem piezoelektrischen Element versetzt zueinander angeordnete Kontaktflächen zugeordnet sind, die zur
Ermittlung von Quer- oder Längsbeschleunigung mit einer Auswerteschaltung verbunden sind. Auf diese Art und Weise kann z.B. die Drehrichtung des Reifens damit die Bewegungsrichtung des Fahrzeugreifens und des Fahrzeuges erkannt werden.
Das System sieht weiterhin vor, dass ein Transponder oder eine Sendeeinrichtung zum Übermitteln gespeicherter oder ermittelter Daten bezüglich des Reifens mit dem piezoelektrischen Element verbunden ist und von diesem mit Energie versorgt wird.
Zur Erhöhung des piezoelektrischen Effektes ist auf dem piezoelektrischen Element zumindest eine seismische Masse angeordnet, vorzugsweise bildet der Transponder diese seismische Masse.
Eine Befestigung des piezoelektrischen Elementes an der Reifeninnenseite ist über ein Band oder einen Gurt ausgeführt, eine Vergussmasse schützt den Transponder vor Beschädigungen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren bezeichnen gleiche Komponenten. Es zeigen:
Fig. 1 - eine schematische Darstellung eines Reifens;
Fig. 2 - einen Verlauf einer drehwinkelabhängigen x Zentrifugalbeschleunigung über eine komplette* Reifenumdrehung;
Fig. 3 - eine erste Ausgestaltung eines Piezogenerators in einem Gehäuse;
Fig. 4 einen Piezogenerator gemäß Fig. 3 mit einem Glob top;
Fig. 5 eine Variante eines Piezogenerators mit Globtop;
Fig. 6 einen Piezogenerator gemäß Fig. 5 mit elastischer
Kontaktschicht; Fig. 7 - eine Einzeldarstellung einer Kontaktschicht gemäß
Figur 6;
Fig. 8 - eine schematische Ansicht eines Sensortranspon- ders; sowie
Fig. 9 - eine montierte Sensortransponderanordnung.
Ih der Figur 1 ist ein auf einer Felge 3 montierter Reifen gezeigt, an dessen äußerem Umfang ein Laufetreifen 2 angeordnet ist. Auf der Reifeninnenseite, dem Laufstreifen 2 gegenüber, ist ein Sensortransponder 1 mit einem piezoelektrischen Element zur Messung reifenspezifϊscher Kennwerte befestigt. Aufgrund der Radlast ist der auf einer Fahrbahn 5 abrollende Reifen im Bereich einer Reifenaufstandsfläche 6 abgeflacht, und zwar um die Eindrückstrecke 4.
In der Fig. 2 ist über den Drehwinkel ß des Reifens der winkeläbhängige Verlauf einer Zentripetalbeschleunigung a gezeigt, abhängig von dem Ort, an dem sich das piezoelektrische Element in dem Sensortransponder 1 befindet. Ist das piezoelektrische Element an der Felge 3 angeordnet, stellt sich bei einer gleichmäßigen Geschwindigkeit ein konstanter Zentripetalbeschleunigungsverlauf 8 ein. Im Gegensatz zu einem Anbringungsort an der Felge beschreibt der im Bereich des Laufstreifens angebrachte Sensortransponder nur zum Teil eine Kreisbahn, im Bereich der Bodenaufstandsfläche bewegt er sich auf einer Geraden. Diese Tatsache fuhrt zu Beschleunigungsänderungen, über die der piezoelektrische Effekt ausgenutzt werden kann. Im Bereich der
Reifenaufstandsfläche 6 wirkt keine Zentripetalbeschleunigung a auf das Piezoelement in einem Sensortransponder 1. Anhand der Beschleunigungsspitzen im Einlauf bereich E und Auslauf bereich A bzw. dem Verringern der Beschleunigung auf Null kann eine Reifendrehzahlerkennung durchgeführt werden. Die Anordnung des Piezoelementes an der Reifeninnenseite hat eine hohe Beschleunigungsänderung des Piezoelementes zur Folge, da die Zentripetalbeschleunigung a größer wird, je weiter entfernt das Piezoelement von dem Drehpunkt ist.
Die Fig. 3 zeigt einen möglichen Aufbau eines Piezogenerators an einer Reifeninnenseite, bei dem auf einem Träger 9, vorzugsweise einer Trägerplatte, ein piezoelektrischer Biegebalken 11 zwischen zwei Kontaktblöcken 10 montiert sind. Die Kontaktblöcke 10 sind elektrisch leitend und verbinden den piezoelektrischen Biegebalken 11 mit einer Schaltung zur Richtungserkennung, die in der Figur 7 dargestellt ist. Von dort aus rühren Kabel zu einem Ladungsspeicher.
Um die Bewegungsfreiheit des Biegebalkens 11 zu gewährleisten, ist ein Gehäuse 12 als Haube darüber angeordnet, während ein unelastischer Verguss 13 die Gesamtanordnung an der Reifeninnenseite mechanisch schütz. Die Befestigung des Piezogenerators erfolgt über einen Gurt oder ein Band an die Reifeninnenseite bzw. wird an die Reifeninnenseite geklebt oder vulkanisiert.
Durch die Beschleunigungskräfte, wie sie in der Figur 2 dargestellt sind, werden die Enden des Biegebalkens 11 in Richtung der Doppelpfeile bewegt und verformen den Biegebalken 11. Dadurch wird elektrische Energie aufgrund des piezoelektrischen Effektes erzeugt. Der piezoelektrische Biegealken der Fig. 3 und 4 kann als Singlelayer, Multilayer oder als Piezo-Metall- Verbund ausgeführt werden.
Ih der Fig. 4 ist eine Variante des Piezogenerators 1 dargestellt, die in der
Funktionsweise und im Aufbau sich von der Figur 3 dadurch unterscheidet, dass anstelle einer starren Haube 12 ein hochelastischer Globtop 16 den Biegebalken 11 vor einer Blockierung durch eine starre Vergussmasse 13 schützt. Aufgrund der Elastizität der Globtop-Hülle ist es möglich, dass sich der Biegebalken 11 aufgrund der Beschleunigungskräfte, die montagebedingt beim Übergang in den und aus den Bereich der Reifenaufstandsfläche 6 auf den Sensortransponder 1 wirken, verformen kann. Eine alternative Ausgestaltung des piezoelektrischen Elementes ist in der Figur 5 dargestellt, bei der statt eines Biegebalkens 11 gemäß der Figuren 3 und 4 ein mehrlagiger als Piezoelement ausgebildeter Axialsensor 110 über eine elektrisch leitfähige Schicht 14 auf dem Träger 9 montiert ist. Die Montage kann über
Kleben, Löten oder Leihpressen erfolgen. Zusätzlich ist eine seismische Masse 15 auf dem als Piezoelement ausgebildeten Axialsensor 110 aufgebracht, um den piezoelektrischen Effekt zu erhöhen. Umgeben ist der Sensortransponder 1 wieder von einem Globtop 16, der eine Trennung von einer festen Vergussmasse 13 bewirkt und eine Bewegung des Piezoelementes ermöglicht.
Eine alternative Ausgestaltung des Piezogenerators 1 ist in der Figur 6 dargestellt, bei der die elastische Kontaktschicht 14, wie in der Fig. 7 gezeigt, als eine facettenförmige Kontaktschicht ausgebildet ist, die zur Richtungserkennung dient. Dabei sind verdrahtungsseitige Kontaktierflächen 111, 112, 113 des
Piezoelementes 110 in Facettenform ausgeführt, wodurch es möglich ist, durch Differenzbildungen über die Padspannungen zusätzlich die Quer- und Längsbeschleunigungen zu erkennen. Auch ist zu erkennen, dass drei der Kontaktflächen 111, 112, 113, 114 mit einer Differenzier Schaltung verbunden sind.
In der Figur 8 ist der grundsätzliche Aufbau eines Sensortransponders 1 mit einer Trägerplatte 9 gezeigt, auf der ein piezoelektrisches Element 110 angeordnet ist, auf dem eine seismische Masse 15 positioniert ist. Damit eine Beweglichkeit aufgrund der Zentripetalbeschleunigungen ermöglicht ist, ist die Anordnung aus dem piezoelektrischen Element 110 und seismischer Masse 15 über ein Gehäuse 12 oder ein Globtop geschützt. Ein Kondensator 17 dient als Ladungsspeicher, ebenfalls ist eine ECU 18 auf der Trägerplatte 9 angeordnet, verbunden mit über einer Übertragungseinrichtung 19, beispielsweise einem Sender. Zusätzlich können Sensoren für Druck und Temperatur auf der Trägerplatte 9 montiert und von der ECU 18 abgefragt werden. Durch den grundsätzlichen Aufbau und die Anordnung eines Sensortransponders 1 an einer Reifeninnenseite in der Äquatorialebene des Reifens wird ein Piezogenerator bereitgestellt, der zur Aufladung eines elektrischen Ladungsspeichers 17 oder als zusätzliche Energiequelle für batterie- oder hochfrequenzgespeiste Transpondersysteme dient. Der Energiegenerator nutzt die Beschleunigung, die auf ein an einen Reifen angebrachten Transpondermodul während der Raddrehung einwirken. Ab einer bestimmten Ladespannung kann die Messung über einen Sensor und nachfolgend die Übertragung über den Transponder gestartet werden. Eine Triggerung kann sowohl asynchron bei Erreichen einer bestimmten Ladung oder synchron auf externe Anforderung erfolgen. Als Piezowerkstoff sind Quarz, Piezokeramik oder Piezofolien geeignet, die bei einer mehrlagigen Stapelung als Piezostack 110 als reine Axialkraftsensoren eingesetzt werden können. Alternativ ist die Ausbildung des Piezoelementes als ein Biegebalken 11 vorgesehen. Ebenfalls ist es möglich, Scherkräfte oder Torsionskräfte durch eine entsprechende Anordnung der piezoelektrischen Elemente auszunutzen.
Insbesondere beim Übergang in und aus der Reifenaufstandsfläche wirken hohe Änderungen der Beschleunigungskräfte auf das piezoelektrische Elemdnt, die zu Ladungsverschiebungen führen. Die mit dem piezoelektrischen Element verbundene Gleichrichterschaltung polarisiert diese Ladung und speichert sie in einem Ladungsmengenspeicher, beispielsweise Kondensator 17. Der Kondensator 17, die Schaltung 18 und die Transponderelektronik 19 sind in einer starren Vergussmasse 13 oder auch einem Mould geschützt, während eine elastische Globtop-Hülle 16 oder ein Gehäuse 12 das piezoelektrische Element schützen und eine Beweglichkeit ermöglichen.
Die durch das piezoelektrische Element erzeugte Energie kann über leistungsstarke Kondensatoren gesammelt werden. Diese Energie wird zur Versorgung der ECU 18, der HF-Strecke und der Sensorelektronik verwendet. Desweiteren kann das piezoelektrische Element als Energiegenerator zum Betrieb einer Mikropumpe dienen, die Diffusionsverluste in einem Reifen ausgleicht, ohne dass zusätzliche Energie zugeführt werden muss. Der Piezogenerator ermöglicht eine Einsparung von Elektronik im Radkasten sowie höhere Sendereichweiten, was zu einer Verringerung der Anzahl der Sendeantennen führt. Ebenfalls ist es möglich, aufgrund der hohen Zentripetalbeschleunigungen relativ kleine Generatoren mit piezoelektrischen Elementen zu verwenden.
In der Figur 9 ist eine montierte Sensortransponderanordnung gezeigt, bei der ein piezoelektrisches Element 11 an einem Verdrahtungsträger angeordnet ist. Zusätzlich befinden sich auf dem Träger 9 eine elektrische Beschallung 18 des Sensortransponders und gegebenenfalls ein zusätzlicher Beschleunigungssensor 30. Das Piezoelement 11 ist über eine Kontaktierschicht 25 mit dem Träger 9 verbunden. Die mechanische Anbindung des Piezoelementes 11 an die Reifeninnenseite 21 erfolgt über eine elastische Koppelschicht 22. Diese elastische Koppelschicht 22 ermöglicht es, dass sich das piezoelektrische Element 11 bei einer Beschleunigungsänderung bewegt und elektrische Energie erzeugt. Der Verdrahtungsträger 9 ist partiell mit einem Moldmaterial 13' umspritzt. Die elektrische Anbindung des Verdrahtungsträgers 9 erfolgt über Leadframe 23, der wiederum mit Steckerpins 20 verbunden ist. Zusätzlich erfolgt eine mechanische Fixierung des durch das Moldmaterial 13' geschützten Sensortransponders innerhalb des Gehäuses 12 über eine Vergussmasse 13. Das Gehäuse 12 wird über eine umlaufende Verbindungsstelle 24, beispielsweise als Gurt oder Band ausgebildet, mit der Reifeninnenseite 21 verbunden. Das Gehäuse 12 kann in der Reifeninnenseite 21 auch einvulkanisiert werden. Die auf das piezoelektrische Element einwirkenden Kräfte können Axial-, Biege-, Scher- oder Torsionskräfte sein. Eine Ankopplung des piezoelektrischen Elementes 11 an den Reifen 1 erfolgt über die elastische Koppelschicht 22, die auch als visko-elastische Klebeschicht ausgebildet sein kann.

Claims

Patentansprüche
1. System zur Erzeugung elektrischer Energie für elektronische
Komponenten mit einem piezoelektrischen Element, das in einem Fahrzeugluftreifen angeordnet ist, der einen an der Außenseite angeordneten Laufstreifen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (1, 11, 110) an der Reifeninnenseite (21) dem Laufstreifen (2) gegenüberliegend angeordnet ist.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (1) als ein Biegebalken (11), Piezostack (110) oder als Torsionselement ausgebildet ist.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegebalken (11) zwischen Kontaktblöcken (10) gelagert ist.
4. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezostack (110) auf einer elektrisch leitfähigen Schicht (14) angeordnet
"ist.
5. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (1, 11, 110) auf einem Träger (9) montiert ist, der an oder in der Reifeninnenseite (21) angeordnet ist.
6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Träger (9) und der Reifeninnenseite eine elastische Koppelschicht (22) angeordnet ist.
7. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (1, 11, 110) mit einer Abdeckung (12, 16) versehen ist.
8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (12, 16) als Gehäuse oder als Globtop ausgebildet ist.
9. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem piezoelektrischen Element (110) versetzt zueinander angeordnete Kontaktflächen (111, 112, 113) zugeordnet sind, die zur Ermittlung von Quer- oder Längsbeschleunigung mit einer Auswerteschaltung verbunden sind.
10. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transponder mit dem piezoelektrischen Element (1, 11, 110) verbunden ist.
11. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem piezoelektrischen Element (1, 11, 110) zumindest eine seismische Masse (15) angeordnet ist.
12. System nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder die seismische Masse (15) bildet.
13. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (1, 11, 110) in einer Vergussmasse (13) eingebettet ist.
14. System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (11, 110) Bestandteil eines Sensortransponders (1) ist.
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