WO2007031414A1 - Piezoelektrische keramiken als vibrationssensoren zur rollerkennung in reifendrucksystemen - Google Patents

Piezoelektrische keramiken als vibrationssensoren zur rollerkennung in reifendrucksystemen Download PDF

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WO2007031414A1
WO2007031414A1 PCT/EP2006/065899 EP2006065899W WO2007031414A1 WO 2007031414 A1 WO2007031414 A1 WO 2007031414A1 EP 2006065899 W EP2006065899 W EP 2006065899W WO 2007031414 A1 WO2007031414 A1 WO 2007031414A1
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WO
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sensor
vehicle wheel
rolling motion
detecting
rolling
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Application number
PCT/EP2006/065899
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English (en)
French (fr)
Inventor
Davide Buro
Oliver Wolst
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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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

Definitions

  • a number of metrics may be used, e.g. Centripetal acceleration, gravitational force changes in the Radumformatung, vibrations or wheel noise. Accordingly, the roll detection sensor z.
  • technologies e.g., mechanical spring-mass systems,
  • a erfmdungssieer piezoelectric ceramic sensor for detecting the wheel vibration - in contrast to the above-mentioned Rollerkennungschteen - combines a number of important advantages: Small size, integration in
  • the invention relates to a device for detecting a rolling movement or a predetermined rolling movement or a predetermined type of rolling movements or certain rolling movements of a vehicle wheel, comprising
  • the - Evaluation means in which depending on the detected vibration movements, the presence and / or absence of the rolling motion of the vehicle wheel is determined.
  • the knowledge about the presence of a rolling movement of the vehicle wheel is important, for example, for determining the operating state of a tire pressure sensor.
  • the tire pressure sensor can be converted into a passive, i.e. not measuring, switching mode and thus minimizing its energy consumption. Further, during passive operation, no electromagnetic radiation is emitted, which is compatible with other vehicle systems in the
  • the detection means are a piezoelectric sensor or a microphone. Both components are particularly suitable for detecting vibration movements.
  • An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the detection means include a piezoelectric element.
  • An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the piezoelectric sensor is a ceramic-based sensor.
  • An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the device is part of a tire pressure monitoring system.
  • the invention comprises a method for detecting a rolling motion of a vehicle wheel, wherein by evaluating the output signals of a detection means for detecting vibration movements of a vehicle component, in particular the vehicle wheel, the presence and / or absence of a rolling motion of the vehicle wheel is determined.
  • An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the method is used in the context of a tire pressure monitoring system.
  • An advantageous embodiment of the invention characterized in that it is the detection means is a piezoelectric sensor and that it is determined by evaluation of the electrical output signal of the sensor element, whether a rolling motion of the vehicle is present.
  • Rolling then detected as present if when the electrical output voltage of the sensor element exceeds a predetermined threshold.
  • the drawing includes
  • Figure 1 which includes the images 1 a) - 1 e
  • Figure 2 which includes the images 2a) and 2b) and
  • FIG. 3 which shows the sequence of the method according to the invention.
  • the invention thus allows detection of the wheel movement to distinguish the vehicle driving mode from the park state.
  • the wheel of a car vibrates while driving. Particularly pronounced are vibrations in the range of natural vibration frequencies of the wheel, typically in the frequency range of 0, IkHz to IkHz. This frequency range is well suited for the use of a ceramic piezoelectric sensor element. In contrast, the quasi-static centripetal force or the low-frequency directional changes are the
  • a piezoelectric sensor element Compared to mechanical spring-mass systems, micromechanical bending beams, capacitive acceleration sensors and microphones, a piezoelectric sensor element offers the following advantages:
  • Piezoceramic elements can be made sufficiently small (typically ⁇ 10mm 3 ) to be integrated into a chip package. Suitable piezoceramics are robust to temperature or pressure during or after the mold process. - Reliability: The deformation under acceleration is in the range of a few
  • Micrometers (stiffness of the ceramic). In contrast to macroscopic spring-mass systems, mechanical wear is negligible. A "stop" for peak accelerations - as with most micromechanical systems - is not necessary. - Electricity requirement: A piezoceramic does not require a supply current or voltage.
  • Acceleration-induced stress causes electrical charges on the surfaces of the ceramic.
  • a corresponding charge amplifier can be operated with low power consumption and can be switched on and off in short time scales in a suitable design ( ⁇ l-10ms).
  • - AlSIC-integrable signal evaluation Filter and charge amplifier for the
  • Frequency range 0 IkHz to IkHz can be realized with smaller capacities and require significantly shorter turn-on and turn-off times as filters for the range of wheel rotation frequencies (2 - 20Hz).
  • the corresponding circuit is to be integrated with a small footprint on a pressure sensor ASIC. In particular for this reason, wheel vibration offers itself as a measured variable. For roll recognition one is enough
  • a piezoceramic plate, or a simple or double suspended piezoceramic bending beam is a relatively simple and inexpensive component to be manufactured.
  • the integrability in the pressure sensor chip package offers another cost-saving potential.
  • the wheels of a car vibrate while driving. These vibrations are caused by the roughness of the road surface and the tire profile, by vibrations of the
  • the amplitude of the wheel vibration strongly depends on the driving speed, the condition of the road surface and imbalances. Particularly pronounced are vibrations in the range of natural vibration frequencies of the wheel, typically in the frequency range of 0, IkHz to IkHz. These frequencies are not primarily dependent on the driving speed but on the mass, size, material and construction of the wheel. For typical car tires, the vibration spectrum shows a local maximum at about 200 - 300 Hz or at about twice the frequency. This frequency range can be easily measured with the aid of a ceramic piezoelectric element.
  • a suitable amplifier e.g.
  • Charge amplifier with bandpass filter is easy to implement and can be integrated cost-effectively on an ASIC.
  • centripetal acceleration on the rim is proportional in magnitude to the square of the wheel revolution frequency and quasi-static (i.e., unmodulated at constant speed).
  • the direction with which the gravitational acceleration (+/- Ig) acts on the sensor changes in time with the wheel revolution frequency (for example ⁇ 3Hz at 20km / h).
  • centripetal acceleration also acts on the tire tread (in the radial direction). However, for any point on the tire surface, the value of the radial acceleration drops to the value of Ig for each momentum rotation for a brief moment, whenever the point touches the road.
  • This modulation of the radial acceleration can also be good with a piezoelectric Detected sensor, which must be mounted in this case in the tire. Again, the invention can be used for roll detection.
  • the piezoelectric ceramic should be suitable for operating temperatures from -40 0 C to 125 ° C. In the event that the sensor element is to be integrated into a chip package, it must also be ensured that the polarization is maintained during and after the mold process (T> 140 0 C up to 6h). In this context, for example, ceramic mixtures based on lead zirconate titanate (PZT) are suitable. Mixtures PZT typically exhibit Curie temperatures T> 300 0 C.
  • a piezoelectric ceramic plate with electrodes on both sides of the plate can be used.
  • the platelet may e.g. be mounted flat on a chip carrier.
  • the chip carrier can serve simultaneously as a mechanical inertial mass and as an electrical contact to the first electrode (Figure Ia).
  • 100 indicates the mold compound, 101 the contact metallization, 102 den
  • the second electrode may be contacted via a wire (e.g., by bonding or by conductively bonding).
  • the first electrode can also be contacted via a wire.
  • an existing acceleration induces a material strain - essentially due to the inherent mass of the piezoelectric element or due to mobile (for example elastic) masses on the side of the chip which lies opposite the chip carrier.
  • elastic mass can serve a gel hood, which is applied before the mold process on the platelets ( Figure Ib), and the molding compound itself can serve as an elastic mass.
  • 104 indicates the gel hood.
  • the sensitivity of the system can be increased by the fact that the ceramic only partially on the
  • Chip carrier is attached ( Figure 1 c, where the component is only partially glued, as indicated at 105), or even with only a part of the chip carrier overlaps, e.g. at the edge or at a recess of the chip carrier (picture Id and Ie). At the same time, the ceramic can either not be wholly or partly or completely re-treated.
  • a piezoelectric ceramic plate also externally, that is outside a Chippackages be built on a board. Glue or potting compounds on the plate can increase the sensitivity. All mentioned construction variants can also be used for a bimorph bending beam.
  • a bimorph bending beam the electrical stresses of the tensil and compressively strained regions are ideally added together during bending.
  • greater sensitivity to acceleration or vibration can be expected from a system incorporating a bimorph beam than from a system constructed with a simple piezoelectric ceramic plate.
  • the active volume is often much smaller than the component size.
  • the manufacturing costs of a bending beam are typically higher than those of a small plate.
  • a bending beam can also be externally, that is outside a Chippackages be built on a board.
  • piezoelectric shock sensors or acceleration sensors can also be used.
  • the housings e.g., ceramic or epoxy
  • SMD components are often in the form of SMD components.
  • shock sensor components are the high sensitivity (typically 0, 1 to 0.5 pC / g) and the simplicity of the design and construction
  • shock sensor components can be attached or bonded by gluing, bonding, soldering or a combination of these techniques (Fig. 2a). If necessary, the component can be protected against material distortion with a gel cover before the mold process (Fig. 2b). In Figure 2a, the shock sensor device is indicated at 106. 104 in Figure 2b identifies the gel hood. In addition, a shock sensor component can also be mounted externally, ie outside a chip bag on a circuit board (eg in SMD technology).
  • the expected, vibration-induced, piezoelectric charges are in the range of femto- to picocoulomb and are modulated with frequencies in the order of 0.1 ⁇ IkHz.
  • an amplifier e.g., charge amplifier
  • High-impedance resistors may possibly be in "switch-capacitor" -
  • ⁇ Ti can be chosen very differently. If ⁇ Ti is chosen to be very long - e.g. 10ms, corresponding to the period length of the low frequency signal components - the probability will go to 1, a signal overshoot of e.g. to detect half the signal amplitude. To operate the amplifier for such a long time is on the one hand energy consuming, on the other hand one can determine already after few such measurements with certainty, whether a tire movement exists or not.
  • ⁇ Ti can be selected shorter until the times necessary for startup and shutdown of the amplifier. With such "snapshots", the probability actually drops a signal exceeding a predetermined one
  • Threshold to detect - even if there is wheel movement.
  • the short measuring times reduce the energy expenditure for the individual measurement, but a larger number of measurements is necessary to determine with certainty a tire movement.
  • the security of the roll recognition depends strongly on the magnitude of the threshold U TH .
  • low values for U TH lead to a high degree of safety of the roll recognition, but on the other hand also to a greater false detection rate during non-movement and to higher demands on the vibration sensor and amplification circuit.
  • the signal can also be integrated over the time period ⁇ Ti. Since the tire vibrations usually cause an oscillating charge on the piezo element, it may be necessary to first rectify the signal or filter it for signal components of one polarity before integration.
  • a suitable algorithm can increase the reliability of the statement as to whether or not there is rolling motion.
  • a decision as to whether rolling motion is accepted or not can be made according to different criteria:
  • N 3 non-exceedances are detected in a period ⁇ T 3 , standstill is assumed. If neither does occur, it can either be assumed that the condition of the vehicle has not changed in relation to the previous history or, for safety's sake, rolling movement is assumed.
  • a counter is increased by the amount U 4 (eg 1), and lowered by the amount n 5 (eg 1) for each non-exceeding. If the counter exceeds a value N 4 (eg 15) If rolling is decided, the counter reaches a lower limit N 5 (eg 0) is set to standstill. It is recommended to limit the totalizer in its value range (eg between N 5 and N 4 ). As long as the counter does not reach any of the limits, it can either be assumed that the state of the vehicle has not changed compared to the previous history, or, for safety's sake, rolling motion is assumed.
  • the values ⁇ T 2 , AT 3 and N 2 , N 3 and U 4 , n 5 can be selected in pairs either equal to or different, or depending on the history (roles or not). For safety reasons, it is a goal, the probability of negative misrecognition (rolling motion is present, but not recognized) to keep much lower than the probability of positive misrecognition (rolling motion is not present, but is assumed). The increase in safety in this sense, however, is in conflict with the potential energy savings through roll detection.
  • Vehicle wheel detected This can be done, for example, by evaluating the electrical output signal of a piezoelectric sensor or a microphone. Depending on this, it is determined in block 202 whether there is a rolling movement of the vehicle wheel. If the answer is "no" (marked “n” in Fig. 2), i. If there is a stationary wheel, then in block 203 a tire pressure measuring system is switched to a passive and power-saving operating mode. If the answer is "yes” (marked “y” in Fig. 2), i. if there is a rotating wheel, then at block 204, a tire pressure sensing system is switched to an active mode of operation. Following blocks 203 and 204, it is possible to branch back to block 200, i. the process starts again.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rollerkennung eines Fahrzeugrades, umfassend Erfassungsmittel zur Erfassung von Vibrationsbewegungen einer Fahrzeugkomponente, insbesondere des Fahrzeugrades, Auswertemittel, in welchen abhängig von den erfassten Vibrationsbewegungen das Vorliegen und/oder Nichtvorliegen einer Rollbewegung des Fahrzeugrades ermittelt wird.

Description

Beschreibung
Titel
Piezoelektrische Keramiken als Vibrationssensoren zur Rollerkennung in Reifendrucksystemen
Stand der Technik
Für Batterie betriebene Kfz-Reifendruck-Sensorsysteme ist der Stromverbrauch und damit die Batterielebensdauer von großer Bedeutung. Um eine Lebensdauer von typischerweise 10 Jahren (oder 150.000 Meilen) zu gewährleisten, beinhalten viele
Systeme einen Rollerkennungssensor. Dieser Sensor ermöglicht es, das System in einem Energiesparmodus zu betreiben, während das Kfz geparkt ist und in den aktiveren Betriebsmodus zu schalten sobald das Kfz fährt. Da Kfz typischerweise mehr als 90% Ihrer Lebensdauer geparkt sind, können solche Strategien zu erheblicher Verlängerung der Batterielebensdauer führen.
Zur Rollerkennung können eine Reihe von Messgrößen dienen, z.B. Zentripetalbeschleunigung, Gravitationskraftwechsel bei der Radumdrehung, Vibrationen oder Radgeräusche. Dem entsprechend wird der Rollerkennungssensor z. Zt. in unterschiedlichen Technologien realisiert (z.B. mechan. Feder-Masse-Systeme,
Beschleunigungssensoren).
Dagegen vereint ein erfmdungsgemäßer piezoelektrischer keramischer Sensor zur Detektion der Radvibration - im Gegensatz zu oben genannten Rollerkennungskonzepten - eine Reihe von wichtigen Vorteilen: Kleine Baugröße, Integrationsmöglichkeit in
Drucksensor-Chippackage, geringer Energieverbrauch, Robustheit, einfache Signalauswertung und niedrige Kosten. Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung einer Rollbewegung bzw. einer vorgegebenen Rollbewegung bzw. einer vorgegebenen Art von Rollbewegungen bzw. bestimmter Rollbewegungen eines Fahrzeugrades, umfassend
- Erfassungsmittel zur Erfassung von Vibrationsbewegungen einer Fahrzeugkomponente, insbesondere des Fahrzeugrades,
- Auswertemittel, in welchen abhängig von den erfassten Vibrationsbewegungen das Vorliegen und/oder Nichtvorliegen der Rollbewegung des Fahrzeugrades ermittelt wird. Die Kenntnis über das Vorliegen einer Rollbewegung des Fahrzeugrades ist beispielsweise für die Festlegung des Betriebszustandes eines Reifendrucksensors wichtig. Insbesondere kann bei einem Stillstand des Rades der Reifendrucksensor in einen passiven, d.h. nicht messenden, Modus geschaltet werden und damit dessen Energieverbrauch minimiert werden. Weiter wird während des passiven Betriebs keine elektromagnetische Strahlung abgegeben, welche mit anderen Fahrzeugsystemen im
Fahrzeug wechselwirken könnte.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Erfassungsmitteln um einen piezoelektrischen Sensor oder ein Mikrofon handelt. Beide Bauteile sind zur Detektion von Vibrationsbewegungen besonders geeignet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsmittel ein piezoelektrisches Element beinhalten.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem piezoelektrischen Sensor um einen Sensor auf Keramikbasis handelt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Bestandteil eines Reifendrucküberwachungssystems ist.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Erkennung einer Rollbewegung eines Fahrzeugsrades, bei welchem durch Auswertung der Ausgangssignale eines Erfassungsmittels zur Erfassung von Vibrationsbewegungen einer Fahrzeugkomponente, insbesondere des Fahrzeugrades, das Vorliegen und/oder Nichtvorliegen einer Rollbewegung des Fahrzeugrades ermittelt wird. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren im Rahmen eines Reifendrucküberwachungssystems eingesetzt wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Erfassungsmittel um einen piezoelektrischen Sensor handelt und dass durch Auswertung des elektrischen Ausgangssignals des Sensorelements festgestellt wird, ob eine Rollbewegung des Fahrzeugs vorliegt.
Einen vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine
Rollbewegung dann als vorliegend detektiert wenn, wenn die elektrische Ausgangsspannung des Sensorelements einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem vorgegebenen Zeitfenster eine Mehrzahl vom Messungen der elektrischen
Ausgangsspannung des Sensorelements durchgeführt wird und
- dass eine Rollbewegung dann als vorliegend detektiert wenn wenigstens bei einer vorgegebenen Anzahl innerhalb der Mehrzahl vom Messungen die elektrische Ausgangsspannung des Sensorelements einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet und/oder
- dass eine Rollbewegung dann als nicht vorliegend detektiert wird, wenn wenigstens bei einer vorgegebenen Anzahl innerhalb der Mehrzahl vom Messungen die elektrische Ausgangsspannung des Sensorelements einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet. Dadurch wird eine besonders hohe Zuverlässigkeit bei der Detektion des Vorliegens bzw.
Nichtvorliegens eines Rollbewegung gewährleistet.
Die Zeichnung umfasst
Figur 1 , welche die Bilder 1 a) - 1 e) beinhaltet, - Figur 2 welche die Bilder 2a) und 2b) beinhaltet sowie
Figur 3, welche den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.
Die Erfindung erlaubt damit eine Erkennung der Radrollbewegung zur Unterscheidung des Kfz-Fahrbetriebs vom Parkzustand. - A -
Das Rad eines Kfz vibriert im Fahrbetrieb. Besonders ausgeprägt sind Vibrationen im Bereich der Eigenschwingungsfrequenzen des Rades, typischerweise im Frequenzbereich von 0,IkHz bis IkHz. Dieser Frequenzbereich ist gut geeignet für den Einsatz eines keramischen piezoelektrischen Sensorelements. Im Gegensatz dazu sind die quasistatische Zentripetalkraft oder auch die niederfrequenten Richtungswechsel der
Gravitationskraft aufwendiger mit einer Piezokeramik messbar.
Gegenüber mechanischen Feder-Masse-Systemen, mikromechanischen Biegebalken, kapazitiven Beschleunigungssensoren und Mikrofonen bietet ein piezoelektrisches Sensorelement folgende Vorteile:
Integrierbarkeit: Piezokeramische Elemente können hinreichend klein (typischerweise < 10mm3) ausgeführt werden, um in ein Chippackage integrierbar zu sein. Geeignete Piezokeramiken sind robust gegenüber Temperatur oder Druck während oder nach dem Mold-Prozess. - Zuverlässigkeit: Die Verformung unter Beschleunigung liegt im Bereich von wenigen
Mikrometern (Steifheit der Keramik). Im Gegensatz zu makroskopischen Feder- Masse-Systemen ist der mechanische Verschleiß vernachlässigbar. Ein "Anschlag" für Spitzenbeschleunigungen - wie bei den meisten mikromechanischen Systemen - ist nicht nötig. - Strombedarf: Eine Piezokeramik benötigt keinen Versorgungsstrom oder -Spannung.
Bei beschleunigungsbedingtem Stress entsteht an den Oberflächen der Keramik elektrische Ladung. Ein entsprechender Ladungsverstärker kann mit niedrigem Stromverbrauch betrieben werden und in geeigneter Ausführung auf kurzen Zeitskalen ein- und wieder ausgeschaltet werden (~l-10ms). - AlSIC-integrierbare Signalauswertung: Filter und Ladungsverstärker für den
Frequenzbereich 0,IkHz bis IkHz sind mit kleineren Kapazitäten realisierbar und benötigen deutlich kürzere Ein- und Ausschaltzeiten als Filter für den Bereich der Radumdrehungsfrequenzen (2 - 20Hz). Die entsprechende Schaltung ist mit geringem Platzbedarf auf einem Drucksensor- ASIC zu integrieren. Insbesondere aus diesem Grund bietet sich Radvibration als Messgröße an. Zur Rollerkennung reicht eine
Schwellwertmessung der Vibrationsamplitude aus. Eine quantitative Bestimmung der Vibrationsamplitude oder des Frequenzspektrums ist nicht nötig. Kosten: Im Vergleich zu allen oben genannten Alternativen ist ein piezokeramisches Plättchen, oder ein einfacher, bzw. doppelt aufgehängter piezokeramischer Biegebalken ein verhältnismäßig einfaches und kostengünstig zu fertigendes Bauteil. Die Integrierbarkeit in das Drucksensor-Chip-package bietet ein weiteres Kosteneinsparungspotential.
Die Räder eines Kfz vibrieren im Fahrbetrieb. Diese Vibrationen werden durch die Rauhigkeit der Straßenoberfläche und des Reifenprofils, durch Schwingungen des
Antriebsstrang und des Fahrgestells, als auch durch Unwucht des Antriebsstrangs, der Bremse und des Rades angeregt. Die Amplitude der Radvibration ist stark abhängig von der Fahrgeschwindigkeit, der Beschaffenheit der Straßenoberfläche und von Unwuchten. Besonders ausgeprägt sind Vibrationen im Bereich der Eigenschwingungsfrequenzen des Rades, typischerweise im Frequenzbereich von 0,IkHz bis IkHz. Diese Frequenzen sind nicht in erster Linie von der Fahrgeschwindigkeit sondern von Masse, Größe, Material und Bauweise des Rades abhängig. Für typische Pkw-Reifen zeigt das Vibrationsspektrum ein lokales Maximum bei etwa 200 - 300Hz oder auch bei ca. der doppelten Frequenz. Dieser Frequenzbereich ist mit Hilfe eines keramischen piezoelektrischen Elements gut messbar. Ein geeigneter Verstärker (z.B.
Ladungsverstärker mit Bandpassfilter) ist einfach zu realisieren und kann kostengünstig auf einem ASIC integriert werden.
Neben den Vibrationen treten im Rad weitere Beschleunigungen auf: a) Die Zentripetalbeschleunigung an der Felge ist im Betrag proportional zum Quadrat der Radumdrehungsfrequenz und quasistatisch (d.h. bei konstanter Geschwindigkeit unmoduliert). b) Die Richtung mit der die Gravitationsbeschleunigung (+/-Ig) am Sensor wirkt, wechselt im Takt der Radumdrehungsfrequenz (z.B. ~3Hz bei 20km/h). Beide Effekte - die quasistatische Zentripetalbeschleunigung sowie die niederfrequenten
Richtungswechsel der Gravitationsbeschleunigung - sind ebenfalls mit einer Piezokeramik messbar, stellen jedoch höhere Anforderungen an die Verstärkungsschaltung (Ladungsabfluss, hochohmiger rauschanfälliger Eingang, niederfrequente Filter, große Kapazitäten).
Darüber hinaus wirkt die Zentripetalbeschleunigung auch an der Reifenlauffläche (in radialer Richtung). Für einen beliebigen Punkt der Reifenfläche fällt der Wert der Radialbeschleunigung aber bei jeder Radumdrehung für einen kurzen Moment auf den Wert von Ig ab - immer in dem Moment da dieser Punkt die Straße berührt. Diese Modulation der Radialbeschleunigung kann ebenfall gut mit einem piezoelektrischen Sensor detektiert werden, der in diesem Fall im Reifen angebracht werden muss. Auch hier kann die Erfindung zur Rolldetektion eingesetzt werden.
Die Piezoelektrische Keramik sollte für Betriebstemperaturen von -400C bis 125°C geeignet sein. Für den Fall, dass das Sensorelement in ein Chippackage integriert werden soll, muß darüber hinaus sichergestellt sein, dass die Polarisation auch während und nach dem Mold-Prozess erhalten bleibt (T > 1400C bis zu 6h). In diesem Zusammenhang sind z.B. Keramik-Mischungen basierend auf Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) geeignet. PZT- Mischungen zeigen typischerweise Curie-Temperaturen T > 3000C.
Im einfachsten Fall kann ein piezoelektrisches keramisches Plättchen mit Elektroden auf beiden Seiten des Plättchens verwendet werden. Das Plättchen kann z.B. flach auf einem Chipträger befestigt werden. Der Chipträger kann dabei gleichzeitig als mechanische träge Masse und als elektrischer Kontakt zur ersten Elektrode dienen (Bild Ia). In Bild Ia kennzeichnet 100 den Moldcompound, 101 die Kontaktmetallisierung, 102 den
Chipträger und 103 die Piezokeramik oder den Biegebalken. Die zweite Elektrode kann über einen Draht kontaktiert werden (z.B. durch bonden oder leitfähig kleben). Alternativ kann auch die erste Elektrode über einen Draht kontaktiert werden. In dieser Aufbauvariante induziert eine vorliegende Beschleunigung eine Materialverspannung - im Wesentlichen durch die Eigenmasse des Piezoelements bzw. durch bewegliche (z.B. elastische) Massen auf der Seite des Plättchens, die dem Chipträger gegenüber liegt. Als elastische Masse kann eine Gelhaube dienen, die vor dem Mold-Prozess über dem Plättchen aufgebracht wird (Bild Ib), auch die Moldmasse selbst kann als elastische Masse dienen. In Fig. Ib kennzeichnet 104 die Gelhaube. Die Empfindlichkeit des System kann dadurch gesteigert werden, dass die Keramik nur teilweise auf dem
Chipträger befestigt wird (Bild 1 c, dort wird das Bauteil nur teilweise aufgeklebt, wie mit 105 gekennzeichnet), oder auch nur mit einem Teil des Chipträgers überlappt, z.B. am Rand oder an einer Aussparung des Chipträgers (Bild Id und Ie). Dabei kann die Keramik entweder gar nicht, teilweise oder rundherum vergelt werden.
Darüber hinaus kann ein piezoelektrisches Keramikplättchen auch extern, dass heißt außerhalb eines Chippackages auf einer Platine aufgebaut werden. Kleber oder Vergussmassen auf dem Plättchen können die Empfindlichkeit erhöhen. Sämtliche genannten Aufbauvarianten können auch für einen bimorphen Biegebalken angewendet werden. In einem bimorphen Biegebalken addieren sich bei Verbiegung idealerweise die elektrischen Spannungen der tensil und kompressiv verspannten Regionen. Von einem System, das einen bimorphen Biegebalken beinhaltet, kann prinzipiell eine größere Sensitivität gegenüber Beschleunigung oder Vibration erwartet werden, als von einem System, das mit einem einfachen piezoelektrischen Keramikplättchen aufgebaut ist. Allerdings ist im Gegenteil zu einem keramischen Plättchen das aktive Volumen häufig deutlich kleiner als die Bauteilgröße. Die Herstellungskosten eines Biegebalkens liegen allerdings typischerweise höher, als die eines Plättchens.
Darüber hinaus, kann ein Biegebalken auch extern, dass heißt außerhalb eines Chippackages auf einer Platine aufgebaut werden.
Anstelle von allein stehenden Plättchen oder Biegebalken können auch integrierte piezoelektrische Schocksensoren oder Beschleunigungssensoren verwendet werden.
Dabei handelt es sich um einfach oder doppelt aufgehängte Biegebalken, die in ein Gehäuse integrierte sind und somit ein funktionales Bauteil darstellen. Die Addition von Ladungen oder elektrischen Spannungen der tensil und kompressiv verspannten Regionen in den Biegebalken solcher Bauteile wird typischerweise entweder über unterschiedliche orientierte Polaristationen der Piezokeramik oder durch geeignete Elektrodengeometrien
(z.B. mit einer Mittelelektrode) realisiert. Die Gehäuse (z.B. aus Keramik oder Epoxidharz) sind häufig in Form von SMD-Bauteilen ausgeführt.
Die Vorteile von Schocksensorbauteilen liegen in der großen Empfindlichkeit (typischerweise 0, 1 bis 0,5pC/g) und in der Einfachheit der Aufbau- und
Verbindungstechnik (AVT). Während im Fall der allein stehenden Plättchen oder Biegebalken die Sensitivität des Systems vollständig von der AVT (AVT = Aufbau- und Verbindungstechnik) bestimmt wird, ist die Sensitivität von Schocksensorbauteilen weitgehend unabhängig von der AVT.
Auf einem Chipträger können Schocksensorbauelemente wahlweise durch kleben, bonden, löten oder eine Kombination dieser Techniken befestigt und kontaktiert werden (Bild 2a). Gegebenenfalls kann das Bauteil vor dem Mold-Prozess mit einer Gelhaube gegen Materialverspannung geschützt werden (Bild 2b). In Bild 2a ist mit 106 das Schocksensorbauelement gekennzeichnet. 104 in Bild 2b kennzeichnet die Gelhaube. Darüber hinaus, kann ein Schocksensorbauteil auch extern, dass heißt außerhalb eines Chippackages auf einer Platine aufgebaut werden (z.B. in SMD-Technik).
Je nach Straßenbelag, Geschwindigkeit und verwendetem Sensorelement liegen die zu erwartenden, durch Vibration induzierten, piezoelektrischen Ladungen im Bereich von Femto- bis Picocoulomb und sind mit Frequenzen in der Größenordnung von 0,1 ~ IkHz moduliert. Für diesen Bereich kann ein Verstärker (z.B. Ladungsverstärker) und entsprechende Hoch- und Tiefpass-Filter realisiert werden, die auf einem ASIC integrierbar sind. Hochohmige Widerstände können evtl. in "switch-capacitor"-
Technologie aufgebaut werden. Letzteres bietet u.a. die Möglichkeit, beim Einschalten die Schaltung besonders schnell in den Arbeitspunkt zu fahren (z.B. schneller als die charakteristische Zeit des Hochpass-Filters).
Zur Signalauswertung empfiehlt es sich in einem definierten Zeitfenster der Länge ΔTi den Verstärker zu betreiben und (z.B. mit Hilfe eines Komparators) zu prüfen, ob zu irgendeinem Zeitpunkt innerhalb des Zeitfensters ein geeigneter vorgegebener Schwellspannungswert UTH überschritten wird oder nicht.
Je nach beabsichtigter Strategie kann ΔTi sehr unterschiedlich gewählt werden. Wird ΔTi sehr lang gewählt - z.B. 10ms, entsprechend der Periodenlänge der niederfrequenten Signalanteile - wird die Wahrscheinlichkeit gegen 1 gehen, eine Signalüberschreitung von z.B. der halben Signalamplitude zu detektieren. Den Verstärker für so lange Zeit zu betreiben ist zwar einerseits energieaufwendig, andererseits kann man bereits nach wenigen solcher Messungen mit Sicherheit feststellen, ob eine Reifenbewegung vorliegt, oder nicht.
Alternativ kann ΔTi kürzer gewählt werden bis hin zu den Zeiten, die für Inbetriebnahme und Abschalten des Verstärkers notwendig sind. Bei solchen "Momentaufnahmen" sinkt die Wahrscheinlichkeit tatsächlich eine Signalüberschreitung eines vorgegebenen
Schwellwertes zu detektieren - auch wenn Radbewegung vorliegt. Die kurzen Messzeiten senken den Energieaufwand für die einzelne Messung, allerdings wird eine größere Anzahl von Messungen notwendig, um mit Sicherheit eine Reifenbewegung festzustellen. Darüber hinaus hängt die Sicherheit der Rollerkennung stark vom Betrag des Schwellwerts UTH ab. Niedrige Werte für UTH führen einerseits zu einer großen Sicherheit der Rollerkennung, andererseits aber auch zu einer größeren Falscherkennungsrate bei Nichtbewegung und zu höheren Anforderungen an Vibrationssensor und Verstärkungsschaltung.
Alternativ zur instantanen Schwellwertmessung kann das Signal auch über den Zeitraum ΔTi integriert werden. Da die Reifenvibrationen in der Regel eine oszillierende Ladung auf dem Piezoelement verursachen, muss möglicherweise vor der Integration das Signal erst gleichgerichtet oder auf Signalanteile einer Polarität gefiltert werden.
Je nach Wahl des Messprinzips und der Parameter UTH und ΔTi kann ein geeigneter Algorithmus die Aussagesicherheit erhöhen, ob Rollbewegung vorliegt oder nicht.
Eine Entscheidung, ob Rollbewegung angenommen wird, oder nicht, kann nach unterschiedlichen Kriterien getroffen werden:
a) In einem Zeitraum ΔT2 (»ΔTi), z.B. 10s, werden wiederholt oben beschriebene Schwellwertmessung durchgeführt. Werden ausschließlich Schwellwertüberschreitungen festgestellt, dann wird das Vorliegen einer Rollbewegung angenommen. Werden in einem Zeitraum ΔT3 keine Überschreitungen festgestellt wird Stillstand angenommen. Tritt beides nicht ein, kann entweder angenommen werden, dass der Zustand des Fahrzeugs sich gegenüber der Vorgeschichte nicht verändert hat, oder es wird sicherheitshalber Rollbewegung angenommen. b) In einem Zeitraum ΔT2 (»ΔTi), z.B. 10s, werden wiederholt oben beschriebene Schwellwertmessung durchgeführt. Werden mindestens N2 Schwellwertüberschreitungen festgestellt wird Rollbewegung angenommen. Werden in einem Zeitraum ΔT3 mindestens N3 Nicht-Überschreitungen festgestellt, wird Stillstand angenommen. Tritt beides nicht ein, kann entweder angenommen werden, dass der Zustand des Fahrzeugs sich gegenüber der Vorgeschichte nicht verändert hat, oder es wird sicherheitshalber Rollbewegung angenommen. c) Bei jeder Schwellwertüberschreitung wird ein Zählwerk um den Betrag U4 (z.B. 1) erhöht, und bei jeder Nicht-Überschreitung um den Betrag n5 (z.B. 1) gesenkt. Überschreitet das Zählwerk einen Wert N4 (z.B. 15) wird für Rollbewegung entschieden, erreicht das Zählwerk einen unteren Grenzwert N5 (z.B. 0) wird für Stillstand entschieden. Es empfiehlt sich, das Zählwerk in seinem Wertebereich einzuschränken (z.B. zwischen N5 und N4). Solange das Zählwerk keinen der Grenzwerte erreicht, kann entweder angenommen werden, dass der Zustand des Fahrzeugs sich gegenüber der Vorgeschichte nicht verändert hat, oder es wird sicherheitshalber Rollbewegung angenommen.
Die Werte ΔT2, AT3 und N2, N3 und U4, n5 können paarweise entweder gleich, oder unterschiedlich, oder je nach Vorgeschichte (Rollen oder nicht) gewählt werden. Aus Sicherheitsgründen ist es dabei ein Ziel, die Wahrscheinlichkeit der negativen Falscherkennung (Rollbewegung liegt vor, wird aber nicht erkannt) deutlich geringer zu halten als die Wahrscheinlichkeit der positiven Falscherkennung (Rollbewegung liegt nicht vor, wird aber angenommen). Die Erhöhung der Sicherheit in diesem Sinne steht allerdings im Zielkonflikt mit dem Energieeinsparpotential durch Rollerkennung.
Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 3 dargestellt. Nach dem Start des Verfahrens in Block 200 werden in Block 201 die Vibrationsbewegungen eines
Fahrzeugrades erfasst. Das kann beispielsweise durch Auswertung des elektrischen Ausgangssignals eines piezoelektrischen Sensors oder eines Mikrofons erfolgen. Abhängig davon wird in Block 202 ermittelt, ob eine Rollbewegung des Fahrzeugrades vorliegt. Lautet die Antwort „nein" (in Fig. 2 mit „n" gekennzeichnet), d.h. es liegt ein stillstehendes Rad vor, dann wird in Block 203 ein Reifendruckmesssystem in einen passiven und stromsparenden Betriebsmodus geschaltet. Lautet die Antwort „ja" (in Fig. 2 mit „y" gekennzeichnet), d.h. es liegt ein sich drehendes Rad vor, dann wird in Block 204 ein Reifendruckmesssystem in einen aktiven Betriebsmodus geschaltet. Im Anschluss an die Blöcke 203 und 204 kann zu Block 200 zurückverzweigt werden, d.h. das Verfahren beginnt erneut.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Erkennung einer Rollbewegung eines Fahrzeugrades, umfassend - Erfassungsmittel zur Erfassung von Vibrationsbewegungen einer Fahrzeugkomponente, insbesondere des Fahrzeugrades,
- Auswertemittel, in welchen abhängig von den erfassten Vibrationsbewegungen das Vorliegen und/oder Nichtvorliegen der Rollbewegung des Fahrzeugrades ermittelt wird
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den
Erfassungsmitteln um einen piezoelektrischen Sensor oder ein Mikrofon handelt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsmittel ein piezoelektrisches Element beinhalten.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem piezoelektrischen Sensor um einen Sensor auf Keramikbasis handelt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Bestandteil eines Reifendrucküberwachungssystems ist.
6. Verfahren zur Erkennung einer Rollbewegung eines Fahrzeugsrades, bei welchem durch Auswertung der Ausgangssignale eines Erfassungsmittels zur Erfassung von Vibrationsbewegungen einer Fahrzeugkomponente, insbesondere des Fahrzeugrades, das Vorliegen und/oder Nichtvorliegen einer Rollbewegung des Fahrzeugrades ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren im Rahmen eines Reifendrucküberwachungssystems eingesetzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem
Erfassungsmittel um einen piezoelektrischen Sensor handelt und dass durch Auswertung des elektrischen Ausgangssignals des Sensorelements festgestellt wird, ob eine Rollbewegung des Fahrzeugs vorliegt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rollbewegung dann als vorliegend detektiert wenn, wenn die elektrische Ausgangsspannung des Sensorelements einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vorgegebenen
Zeitfenster eine Mehrzahl vom Messungen der elektrischen Ausgangsspannung des Sensorelements durchgeführt wird und
- dass eine Rollbewegung dann als vorliegend detektiert wenn wenigstens bei einer vorgegebenen Anzahl innerhalb der Mehrzahl vom Messungen die elektrische Ausgangsspannung des Sensorelements einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet und/oder
- dass eine Rollbewegung dann als nicht vorliegend detektiert wird, wenn wenigstens bei einer vorgegebenen Anzahl innerhalb der Mehrzahl vom Messungen die elektrische Ausgangsspannung des Sensorelements einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet.
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