WO2009027423A1 - Reifenmodul mit piezosensitivem sensor - Google Patents

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WO2009027423A1
WO2009027423A1 PCT/EP2008/061200 EP2008061200W WO2009027423A1 WO 2009027423 A1 WO2009027423 A1 WO 2009027423A1 EP 2008061200 W EP2008061200 W EP 2008061200W WO 2009027423 A1 WO2009027423 A1 WO 2009027423A1
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WO
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sensor
tire
tire module
battery
piezosensitive
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PCT/EP2008/061200
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English (en)
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Inventor
Stefan Kammann
Original Assignee
Continental Teves Ag & Co. Ohg
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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
    • 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
    • B60C23/06—Signalling devices actuated by deformation of the tyre, e.g. tyre mounted deformation sensors or indirect determination of tyre deformation based on wheel speed, wheel-centre to ground distance or inclination of wheel axle
    • B60C23/064—Signalling devices actuated by deformation of the tyre, e.g. tyre mounted deformation sensors or indirect determination of tyre deformation based on wheel speed, wheel-centre to ground distance or inclination of wheel axle comprising tyre mounted deformation sensors, e.g. to determine road contact area

Definitions

  • the invention relates to a tire module according to the preamble of claim 1 and its use in a tire pressure monitoring system.
  • a tire module is arranged on each wheel, in particular in the interior of the tire.
  • the tire module usually comprises at least one sensor for detecting the tire air pressure, optionally an associated evaluation electronics and a transmitting unit for transmitting the tire air pressure to a central unit on the vehicle.
  • Tire modules arranged inside the tire in the region of the tread should be as light as possible, otherwise they would be destroyed by the forces occurring in the tire or produce an imbalance of the tire. Therefore, as little as necessary elements are integrated into such tire modules. It is therefore known to arrange a piezoelectric element in a tire module arranged inside the tire, which is used both for detecting the tire rotation and for supplying energy to the tire module.
  • DE 44 02 136 A1 discloses a system for determining the operating parameters of vehicle tires, in which integrated in the vehicle tire, a carrier unit is arranged, which carries a sensor unit with at least one detector and an evaluation. On the carrier body serving for supplying energy to the system components piezoelectric element is arranged, which also serves as a sensor for tire rotation. The system is integrated into the tire rubber, so that due to the piezoelectric effect due to the cyclically changing hydrostatic compressive stresses in the tire rubber electrical energy is obtained.
  • DE 10 2004 031 810 A1 describes a sensor transponder having a piezoelectric element which is arranged in a pneumatic vehicle tire, wherein the piezoelectric element on the tire inner side is arranged opposite the tread.
  • the signal of the piezoelectric element is used to determine the wheel speed and the piezoelectric element provides all the energy for the supply of the electronic components of the sensor transponder and for data transmission.
  • the object of the invention is to provide an alternative tire module with a piezoelectric element for mounting inside a tire in the region of the tread, which is not dependent on the power supply by the piezoelectric element.
  • the invention is based on the idea, in a tire module, which is attached to an inner side of a tire in the region of the tread and at least one piezositive tives element which is also deformed in a deformation of the tire in a Latsch presslauf, said deformation for determining a Loss characteristic is evaluated, and a carrier, on which at least one electronic component is arranged, comprises arranging at least one battery for the at least partial energy supply of the tire module.
  • piezosensitive element or “piezosensitive-sensitive sensor” is understood to mean an element / sensor which is sensitive to pressure or deformation and has piezoelectric or piezoresistive properties.
  • the term "Lapse characteristic” describes a parameter which is characteristic of the Laces, and may include, for example, a parameter which characterizes the size or the shape of the Laces, for example the latitudinal length or the lathe time.
  • the piezosensitive element is used exclusively as a sensor element for determining the Latency parameter.
  • one or more batteries are preferably the only power source of the tire module. If the piezosensitive sensor, in particular a piezoelectric sensor, is used exclusively as a sensor element and not for energy supply, the positioning of the tire module in the tire is less critical since it is not necessary to ensure that the installation position ensures suitable deformation of the element for continuous operation. Chen and sufficient energy supply of the tire module ensures.
  • the carrier means is preferably a printed circuit board on which particularly preferably all electronic components of the tire module are arranged and / or to which all electronic components of the tire module are connected. So no further circuit board must be arranged in the tire module.
  • the piezo-sensitive sensor is a piezo-resistive sensor.
  • This includes a power supply or is connected to a power supply.
  • the piezoresistive sensor comprises a piezoresistive measuring bridge with at least one piezoelectric resistor.
  • Such measuring bridges are known per se from the prior art. From an output voltage signal of the piezoresistive sensor then the Latency parameter is determined.
  • Piezoresistive elements or sensors (measuring bridges) offer the advantage that they can be manufactured small and inexpensively.
  • the piezoelectric resistor or the piezoresistive sensor (measuring bridge) is designed directly on the printed circuit board as a micro-electro-mechanical system (MEMS). As a result, a reduction of the tire module and a reduction of the production costs are achieved.
  • MEMS micro-electro-mechanical system
  • the battery of the tire module preferably also supplies the piezoresistive sensor with electrical energy. So no further battery is necessary.
  • the piezoresistive sensor comprises a piezoresistive measuring bridge in the form of a Wheatstone bridge, wherein at least one resistor is designed as a piezoresistive element, the resistance of which changes when moving through the plate due to a deformation (measuring resistor).
  • the Wheatstone bridge particularly preferably comprises a total of four resistors, wherein at least one resistor is designed as a piezoresistive element.
  • the output signal of the piezoresistive sensor is amplified by an amplifier and digitized by an A / D converter.
  • the digital signal can then be easily evaluated in a microcontroller or calculator, e.g. to determine the Latschkennndu.
  • the piezo-sensitive sensor is a piezoelectric sensor, wherein from an output voltage signal of the piezoelectric sensor, the Latency parameter is determined.
  • the LASK sensor as a piezoelectric sensor
  • a piezoelectric sensor is easy activation of the tire module when starting the vehicle (so-called "Wake- up "function) can be realized, since a piezo voltage is generated with latitude or outflow.
  • the tire module is detected from an output signal of the piezo-sensitive sensor when the tire module enters the lance and / or exits.
  • the Humlaufszeit or wheel speed can be determined.
  • the tire module can be deactivated when the vehicle is stationary (eg no acquisition of pressure data or transmission of data) and then the output of the piezo-sensitive latschsensors for activating the tire module when starting the vehicle after standstill be used (so-called, , Wake-up function).
  • an electronic evaluation circuit is arranged in the tire module, in which from the output signal of the piezo-sensitive sensor, a parameter is determined, which is a measure of the Latschand and / or Latschform of the tire.
  • a parameter is determined, which is a measure of the Latschin and / or Latschform of the tire.
  • the carrier and the battery are arranged with respect to an extension direction of the tire module Tire module arranged one above the other, wherein the support means and the battery are arranged at least partially overlapping perpendicular to the extension direction, and the piezosensitive sensor is arranged with respect to the extension direction above or below or between the carrier and the battery, wherein the piezo-sensitive sensor respectively to the carrier means and the battery is arranged perpendicular to the extension direction at least partially overlapping.
  • the expansion direction is particularly preferably the height of the tire module.
  • the three components carrier, battery and piezosensitive sensor are stacked and stacked in the tire module at least partially to minimize the expansion of the tire module with respect to its footprint
  • the piezo-sensitive sensor is protected from excessive deformation, which can lead to damage of the sensor, eg breakage of the piezoelectric material Weight of the tire module would result.
  • the carrier, the battery and the piezosensitive sensor are preferably at least partially embedded in a potting compound.
  • the three components are completely embedded in the potting compound to achieve protection against environmental influences from all sides.
  • the stiffening of the piezosensitive sensor achieved by the potting material further minimizes the risk of breakage. Due to the compact design of the tire module ("stacking" of the components) less potting compound for embedding carrier, battery and piezosensitive sensor is required as in an arrangement next to each other, so that thereby an advantage in terms of the lowest possible weight of the tire module is achieved.
  • the piezosensitive sensor is attached directly to the battery or to the support means.
  • the piezosensitive sensor is additionally protected by the battery or the carrier from excessive deformation.
  • the attachment is designed as a bond.
  • this is advantageously designed as a micro-electro-mechanical system (MEMS) directly in silicon. This reduces the manufacturing cost of the tire module.
  • MEMS micro-electro-mechanical system
  • the piezosensitive sensor with a distance to the carrier and to the battery, wherein the piezosensitive sensor is non-positively connected by the potting compound with the carrier means and / or the battery.
  • the piezosensitive sensor is non-positively connected by the potting compound with the carrier means and / or the battery.
  • the piezosensitive sensor is preferably placed between the battery and the carrier ("sandwich" arrangement) to provide stiffening and protection from both sides.
  • the carrier means, the battery and the piezosensitive sensor are each formed substantially flat and the bases of the carrier, battery and piezosensitive Sensor arranged substantially parallel and one above the other, wherein the base surfaces in each case at least partially overlap in pairs.
  • the piezoelectric sensor is simply made of piezoelectric material, more preferably piezoelectric ceramic (e.g., PZT: lead zirconate titanate). Since PZT does not piezoelectrically respond to bending, but only to strain, the piezoelectric material is applied to a substrate (containing "neutral phase"), which serves to protect the piezoelectric material from excessive deformation and distortion Others as "aids” for stretching / compressing the piezoelectric material.
  • the carrier material of the tire module (printed circuit board) or the battery is preferably used as carrier material.
  • the piezoelectric sensor preferably comprises a carrier element made of metal and piezoelectric material, wherein the piezoelectric material is applied to the carrier element.
  • the support element serves by its rigidity directly as deformation limiting means for the piezoelectric material.
  • the carrier element is particularly preferably a brass disc or a brass plate.
  • the piezoelectric material is particularly preferably a piezoelectric ceramic.
  • the piezoelectric sensor is mounted with its support member directly to the battery or to the support means, most preferably by gluing.
  • the tire module according to an advantageous embodiment of the invention, two or more battery, which are arranged one above the other, wherein the piezosensitive sensor is arranged above or below or between the batteries. When the piezo-sensitive sensor is placed between the batteries, it is protected from excessive deformation by the batteries on both sides.
  • the battery is preferably electrically conductively connected to the carrier layer via a battery contact, wherein the piezoelectric sensor is electrically conductively connected to the battery contact on one side.
  • the piezoelectric sensor is also used according to a preferred embodiment of the tire module for powering the tire module.
  • the tire module in particular on the carrier means, comprises an electronic circuit which is designed such that the electrical voltage generated upon deformation of the piezoelectric sensor is also used to supply power to the tire module.
  • the electronic circuit particularly preferably comprises means for rectifying the piezoelectric voltage of the piezoelectric element and for storing the generated electrical energy. The additional power supply of the tire module by means of the piezoelectric element extends the life of the battery.
  • the tire module preferably comprises an evaluation circuit in which the positive and negative components of the voltage signal of the piezo-sensitive sensor are disconnected.
  • This evaluation circuit of the tire module particularly preferably comprises four diodes.
  • each of the two resulting partial signals is evaluated.
  • it can be distinguished by evaluation of the voltage signal of the piezo-sensitive sensor between Latscheinhoff and Latschauslinger.
  • the one sub-signal for detecting a Latscheinbaumes and the other sub-signal for detecting a Latscheaustrittes be evaluated.
  • the two sub-signals are evaluated to determine a parameter, which is a measure of the Latschanna or Latschform of the tire according to an embodiment of the invention. From this, information about the loading of the vehicle and / or tire monitoring is obtained, also in combination with the characteristics of tire modules of the other tires.
  • the tire module comprises a circuit with which one or both of the component signals is used to supply power to at least one electronic component.
  • a sensor e.g. a pressure and / or a temperature sensor, and / or an evaluation circuit supplied with electrical energy.
  • An advantage of the invention is that the supply of the tire module is ensured by the battery even when the vehicle is stationary. So you can stand still the vehicle eg data transmissions or pressure measurements are performed by the tire module.
  • the invention also relates to the use of the tire module in a tire pressure monitoring system.
  • FIG. 3 shows an arrangement of components in a tire module according to the invention according to a second embodiment
  • FIG. 6 shows an arrangement of components in a tire module according to the invention according to a fourth exemplary embodiment
  • FIG. 7 shows an exemplary course of an output voltage of a piezoelectric sensor in a tire
  • 8 shows exemplary evaluation signals of an output voltage of a piezoelectric sensor in a tire
  • FIG. 11 shows two exemplary circuit diagrams for evaluating an output voltage of a piezoresistive sensor.
  • Laces 4 shows the rolling behavior of a tire 1 with a direction of rotation 2.
  • the rolling behavior is shown here in an idealized form on a flat surface 3.
  • the result is a flattened footprint, the so-called Laces 4.
  • the size, ie the length L and width, the length L from Latscheinhoff 6 is measured to Latschaustritt 5, and the shape of the Laces 4 u.a. depending on tire characteristics, wheel load, tire pressure, driving condition (longitudinal and lateral forces) and speed.
  • a tire module 7 is located in tire 1, forces acting on the latter in the case of latitude run 6 and landslip 5 due to the deformation of the tire 1 lead to deformation of at least parts of the tire module 7.
  • the deformation of the tire 1 in the case of a sheet pass, especially the kink in the case of the sheet 6 and the sheet outlet 5, can be measured with a piezosensitive element.
  • the tire module 7 is mounted in the tire such that the piezosensitive Element in the tire module 7 is deformed by the Walk movements.
  • An exemplary tire module 7 comprises a battery 10 and a piezo-sensitive (measuring) element, e.g. a piezoelectric or a piezoresistive (measuring) element.
  • the battery 10 preferably serves to supply the electronic components of the tire module 7.
  • the piezosensitive (measuring) element is used to determine or measure a parameter of the blade 4, in particular for determining or measuring the latitudinal length L or a quantity associated therewith, e.g. the latschzeit.
  • the piezoelectric element may also be used as a transducer element, i. used for generating electrical energy.
  • FIG. 2 schematically shows some relevant parts of a tire module 7 according to the invention in accordance with a first exemplary embodiment.
  • Fig. 2 a) is a side view
  • Fig. 2 b) is a bottom-up view (along the z-direction, see Fig. 2a)) shown.
  • Battery 10 is connected via an electrically conductive connection 11 (not shown in FIG. 2 b)) to circuit board 12.
  • Battery 10 is arranged below printed circuit board 12.
  • the exemplary round base of battery 10 completely overlaps with the exemplary rectangular base of the circuit board 12.
  • battery 10 and circuit board 12 are arranged in the z-direction at a certain distance, but it is also possible that battery 10 directly to the circuit board 12 is attached.
  • a piezoelectric sensor element 14 is mounted below battery 10 on battery 10.
  • Piezo element 14 is connected via an electrical connection 20 with the circuit board 12 (in Fig. 2 b) not shown).
  • Fig. 3 is an arrangement of relevant components in a tire module 7 according to the invention according to a second embodiment is shown schematically in side view.
  • Battery 10 is connected via an electrically conductive connection 11 with printed circuit board 12.
  • Battery 10 is arranged as in the first embodiment below printed circuit board 12, at a certain distance. In this case, the bases of battery 10 and circuit board 12 overlap at least partially (not seen in the view of Fig. 3).
  • the piezoelectric element 14 is arranged between the battery 10 and the printed circuit board 12, wherein the base of the piezoelectric element 14 overlaps on the one hand with the base of the battery 10 and on the other with the base of the printed circuit board 12. On circuit board 12 more electronic components 13 are attached.
  • the electronic components 13 may be e.g. to be one or more of the following: pressure sensor, temperature sensor, transmitting device (e.g., RF transmitter), receiver device (e.g., RF receiver), electronic evaluation circuit, rectifier, storage element.
  • a third embodiment of a tire module 7 according to the invention is shown schematically.
  • the arrangement of battery 10, circuit board 12 and piezoelectric element 14 corresponds to the second embodiment shown in FIG.
  • battery 10, circuit board 12, piezoelectric element 14 and electronic components 13 are surrounded by a suitable potting 15.
  • the components are completely enclosed by the potting compound 15, however, only a few components or the components may be only partially enclosed by the potting compound 15.
  • the potting compound 15 the components are protected against external influences. Even if parts of the tire module 7 are surrounded, the movements (deformations) of the tire 1 are transferred to the individual components, in particular to the piezoelectric element 14, during a lane pass.
  • the tire module may also comprise a piezoresistive sensor.
  • the tire module 7 is defined by a container 16, which e.g. made of rubber, attached to tire 1.
  • container 16 is attached to the interior of the tire 1, e.g. glued or vulcanised.
  • Container 16 may e.g. an opening (not shown in Figure 4) through which tire module 7 can be removed from container 16 or inserted into container 16.
  • an exchange takes place.
  • piezoelectric element 14 is carried out at strain / compression or bending, for example, at Latschein- and Latschaustritt, a charge separation. If the piezoelectric element 14 is used exclusively as a (lathe deformation) sensor - not as an energy converter - then the exact arrangement in the tire module 7 is not of decisive importance for a proper functioning. Thus, a space-minimizing arrangement of battery 10, circuit board 12 and piezoelectric element 14 is possible. As a result, the assembly of the Tire module 7 simplified, resulting in lower production costs.
  • the piezoelectric sensor 14 is simply piezoelectric material with corresponding electrical contacts, the piezoelectric material being e.g. is mounted on the battery 10 and on the board 12.
  • Piezo element 14 is according to another embodiment of the tire module 7 according to the invention is a known piezo buzzer.
  • FIG. 5 schematically shows an exemplary piezoelectric element 32, FIG. 5 a) showing this in plan view and FIG. 5 b) in side view.
  • the exemplary element 32 consists of a brass disk 30, on which piezoelectric material 31, in particular piezoceramic, is mounted.
  • the piezosensitive sensor may e.g. under the battery 10 (e.g., Figure 2), between circuit board 12 and battery 10 (e.g., Figures 3 or 5), or directly attached to circuit board 12 (not shown). It may be fixedly connected to circuit board 12 or battery 10 (for example Fig. 2) or may be surrounded without direct connection to these components 12, 10 (for example Fig. 5), since the force is ensured by the potting compound 15.
  • this comprises two batteries 10.
  • the two batteries 10 are arranged one above the other and the piezosensitive sensor is disposed between the batteries 10 or above or below the batteries 10.
  • An example Corresponding arrangement of a piezoelectric element 14 between two batteries 10 is shown schematically in Fig. 6 (fourth embodiment).
  • the other components shown correspond to the components shown in FIG.
  • the piezoelectric element 14 is electrically connected directly to a battery contact - so eliminates a contact.
  • the piezo element 14 arranged in the tire module 7 can be used both as a signal generator (for example for the measurement of the latitude) and as a microgenerator (energy converter). By varying the size of the element 14, the output power or voltage can be scaled.
  • the piezoresistive sensor 44 essentially consists of a piezoresistive measuring bridge which, for example, is designed as a Wheatstone bridge with four resistors R1, R2, R3 and R4.
  • resistors Rl, R2, R3 and R4 are variable.
  • fewer resistors are variable (e.g., the resistance values of R1 and R2 are variable upon deformation, while the resistance values of R3 and R4 remain the same upon deformation).
  • a sensor arrangement with more or fewer resistors is possible.
  • the piezoresistive sensor 44 is powered by a voltage VCC and provides an output voltage signal 45.
  • the arrangement of the surface of the piezoresistive sensor 44 in the tire is, for example, parallel to the tire footprint, so that in each case at least two resistors change during a deformation in the case of the lane passage 5, 6.
  • the orientation of the sensor bridge relative to the tire rolling direction is not important for the functionality of the sensor.
  • piezoresistive measuring elements An advantage of piezoresistive measuring elements is that an extremely small and thus cost-effective design in MEMS structure is possible.
  • the individual measuring resistors or the measuring bridge can be designed directly in silicon.
  • the MEMS can then be arranged as "bare die” (without housing), or housed and then soldered in.
  • the piezoresistive MEMS is directly connected to other components (eg, pressure sensor, microcontroller, RF stage, etc.) in an integrated circuit Integrated (IC, ASIC).
  • IC integrated circuit Integrated
  • FIG. 11 two exemplary circuit diagrams for evaluating an output voltage of a piezoresistive sensor 46 are shown schematically.
  • the output signal of the sensor 46 is amplified by amplifiers 47 and fed to the A / D converter 48 of the tire module 7. After the A / D conversion 48, the signal in microcontroller 49 is analyzed. Depending on the design of the resistance change, it is also possible that no gain is necessary.
  • the output signal from sensor 46 is evaluated by means of comparator 50 and microcontroller 49.
  • the comparator provides an output voltage during the latency sweep. speaking a logical "1") and outside of the Laces no output voltage (corresponding to a logical "0").
  • the time sequence between Latschlauflauf and circulation can be determined.
  • Microcontroller 49 can also be replaced by an arithmetic logic unit ("state machine").
  • the signals of the piezo-sensitive sensor are preferably evaluated to determine the latitudinal length L.
  • a further method for evaluating the output voltage signal 40 of a piezo-sensitive sensor is described below, by way of example based on a piezoelectric sensor 14. An analogous evaluation is possible for the output voltage signal 40 of a piezoresistive sensor.
  • An output signal 20 resulting from the tire deformation of a piezo element 14 has the course shown schematically in FIG. 7, for example.
  • the time t is plotted on the x-axis and the piezo voltage U or a quantity corresponding to it is plotted on the y-axis.
  • latitude T 6 and latitude T 5 appear voltage spikes in signal 20.
  • Latscheintritt T 6 a negative voltage peak (peak)
  • Latschaustritt T 5 a positive peak voltage (peak).
  • the tire module 7 comprises a circuit for trouble-free evaluation of the signal 20.
  • the negative part of the signal 20 is evaluated separately from the positive part of the signal 20 (so-called selective rectification).
  • FIG. 8 shows, with the two lower signals 21, 22, exemplary courses of the two selectively rectified signals.
  • Curve 21 represents the amount of the negative signal (the negative signal portion) and curve 22 the positive signal (the positive signal portion) in two laps sweeps.
  • Curve 23 indicates the latency signal. In Latscheinerie T 6 , which is indicated by the steeply rising edge in the negative signal portion 21, the Latency signal 23 increases, at Latschauslinger T 5 , which is indicated by the steeply rising edge in the positive signal portion 22, the Latency signal 23 drops again.
  • the latitudinal length L or the lathe time or the ratio of latschzeit to Rohmlaufzeit time between two consecutive Latscheinhoffen T 6 or Latschaustritten T 5 ) can be determined on the basis of the Latschsignals 23.
  • FIG. 9 shows an exemplary electronic circuit for selective rectification.
  • the voltage 40 of piezo element 14 is selectively rectified by means of four diodes 41.
  • the positive and the negative signal component are tapped via the contacts K1 and K2.

Abstract

Reifenmodul (7) zur Erfassung von Reifenzustandsgrößen, welches an einer Innenseite eines Reifens (1) in einem Bereich, welcher bei einem Latschdurchlauf (5, 6) verformt wird, befestigt ist und welches mindestens ein Trägermittel (12), auf welchem mindestens ein elektronisches Bauelement (13) angeordnet ist, und mindestens einen piezosensitiven Sensor (14, 32, 44) umfasst, wobei der piezosensitive Sensor (14, 32, 44) derart angeordnet ist, dass er bei einer Verformung des Reifens (1) bei einem Latschdurchlauf (5, 6) zumindest teilweise verformt wird, und wobei die Verformung des piezosensitiven Sensors (14, 32, 44) zur Bestimmung mindestens einer Latschkenngröße (4, 5, 6, L) herangezogen wird, und wobei das Reifenmodul (7) mindestens eine Batterie (10) zur zumindest teilweisen Energieversorgung des mindestens einen elektronischen Bauelementes (13) umfasst, sowie Verwendung des Reifenmoduls.

Description

Reifenmodul mit piezosensitivem Sensor
Die Erfindung betrifft ein Reifenmodul gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie dessen Verwendung in einem ReifendrucküberwachungsSystem.
In modernen Kraftfahrzeugen werden vermehrt Vorrichtungen eingesetzt, die Defekte und Fehlfunktionen verschiedener Bereiche im Kraftfahrzeug frühzeitig erkennen und dem Fahrer melden. Dazu gehört beispielsweise die Erfassung des Reifenluftdrucks, um Defekte oder Unfälle, welche auf einen zu niedrigen Reifenluftdruck zurückzuführen sind, zu vermeiden. Bei vielen der bereits für diesen Zweck eingesetzten Systeme ist jeweils ein Reifenmodul an jedem Rad, insbesondere im Inneren des Reifens, angeordnet. Das Reifenmodul umfasst meist zumindest einen Sensor zur Erfassung des Reifenluftdrucks, gegebenenfalls eine zugeordnete Auswerteelektronik sowie eine Sendeeinheit zur Übertragung des Reifenluftdrucks an eine Zentraleinheit am Fahrzeug.
Im Inneren des Reifens im Bereich der Lauffläche angeordnete Reifenmodule sollten möglichst leicht sein, da sie sonst durch die im Reifen auftretenden Kräfte zerstört werden o- der eine Unwucht des Reifens erzeugen. Daher werden in solche Reifenmodule so wenig als nötig Elemente integriert. Es ist daher bekannt, in einem im Inneren des Reifens angeordneten Reifenmodul ein piezoelektrisches Element anzuordnen, welches sowohl zur Erkennung der Reifenumdrehung als auch zur Energieversorgung des Reifenmoduls benutzt wird. So offenbart die DE 44 02 136 Al ein System zur Bestimmung der Betriebsparameter von Fahrzeugreifen, bei dem im Fahrzeugreifen integriert eine Trägereinheit angeordnet ist, welche eine Sensoreinheit mit mindestens einem Detektor und eine Auswerteelektronik trägt. Auf dem Trägerkörper ist ein zur Energieversorgung der Systemkomponenten dienendes piezoelektrisches Element angeordnet, das zugleich als Sensor für die Reifenumdrehung dient. Das System ist in den Reifengummi integriert, so dass aufgrund des piezoelektrischen Effektes aufgrund der sich im Reifengummi zyklisch ändernden hydrostatischen Druckspannungen elektrische Energie gewonnen wird.
Die DE 10 2004 031 810 Al beschreibt einen Sensortranspon- der mit einem piezoelektrischen Element, welcher in einem Fahrzeugluftreifen angeordnet ist, wobei das piezoelektrische Element an der Reifeninnenseite dem Laufstreifen gegenüberliegend angeordnet ist. Das Signal des piezoelektrischen Elements wird dabei zur Bestimmung der Raddrehzahl verwendet und das piezoelektrische Element liefert die gesamte Energie zur Versorgung der elektronischen Komponenten des Sensortransponders sowie zur Datenübertragung.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Reifenmodul mit einem piezoelektrischen Element zur Anbringung im Inneren eines Reifens im Bereich der Lauffläche bereitzustellen, welches nicht auf die Energieversorgung durch das piezoelektrischen Element angewiesen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Reifenmodul gemäß Anspruch 1 gelöst. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, in einem Reifenmodul, welches an einer Innenseite eines Reifens im Bereich der Lauffläche befestigt ist und mindestens ein piezosensi- tives Element, welches bei einer Verformung des Reifens bei einem Latschdurchlauf ebenfalls verformt wird, wobei diese Verformung zur Bestimmung einer Latschkenngröße ausgewertet wird, und ein Trägermittel, auf welchem mindestens ein e- lektronisches Bauelement angeordnet ist, umfasst, mindestens eine Batterie zur zumindest teilweisen Energieversorgung des Reifenmoduls anzuordnen.
Unter dem Begriff „piezosensitives Element" oder „piezosen- sitiver Sensor" soll erfindungsgemäß ein Element/Sensor verstanden werden, welches/welcher empfindlich auf Druck bzw. Verformung ist und piezoelektrische oder piezoresisti- ve Eigenschaften besitzt.
Der Begriff „Latschkenngröße" beschreibt erfindungsgemäß eine Kenngröße, welche für den Latsch charakteristisch ist. Darunter kann z.B. eine Kenngröße, welche die Größe oder die Form des Latschs charakterisiert, z.B. die Latschlänge oder die Latschzeit.
Bevorzugt wird das piezosensitive Element ausschließlich als Sensorelement zur Bestimmung der Latschkenngröße verwendet. Entsprechend sind ein oder mehrere Batterien bevorzugt die einzige Energieversorgungsquelle des Reifenmoduls. Wird der piezosensitive Sensor, insbesondere ein piezoelektrischer Sensor, ausschließlich als Sensorelement, und nicht zur Energieversorgung, eingesetzt, so ist die Positionierung des Reifenmoduls im Reifen weniger kritisch, da nicht darauf geachtet werden muss, dass die Einbauposition eine geeignete Verformung des Elementes zur kontinuierli- chen und ausreichenden Energieversorgung des Reifenmoduls gewährleistet .
Bei dem Trägermittel handelt es sich bevorzugt um eine Leiterplatte, auf welcher besonders bevorzugt alle elektronischen Bauelemente des Reifenmoduls angeordnet und/oder mit welcher alle elektronischen Bauelemente des Reifenmoduls verbunden sind. So muss keine weitere Leiterplatte im Reifenmodul angeordnet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem piezosensitiven Sensor um einen piezo- resistiven Sensor. Dieser umfasst eine Spannungsversorgung oder ist mit einer Spannungsversorgung verbunden. Besonders bevorzugt umfasst der piezoresistive Sensor eine piezore- sistive Messbrücke mit zumindest einem Piezo-Widerstand. Derartige Messbrücken sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Aus einem Ausgangsspannungssignal des piezore- sistiven Sensors wird dann die Latschkenngröße bestimmt. Piezoresistive Elemente bzw. Sensoren (Messbrücken) bieten den Vorteil, dass sie klein und kostengünstig hergestellt werden können. Ganz besonders bevorzugt ist der Piezo- Widerstand oder der piezoresistive Sensor (Messbrücke) direkt auf der Leiterplatte als Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) ausgeführt. Hierdurch werden eine Verkleinerung des Reifenmoduls sowie eine Reduktion der Herstellungskosten erreicht.
Im Falle eines piezoresistiven Sensors versorgt die Batterie des Reifenmoduls bevorzugt auch den piezoresistiven Sensor mit elektrischer Energie. So ist keine weitere Batterie notwendig. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der piezo- resistive Sensor eine piezoresistive Messbrücke in Form einer Wheatstoneschen Brücke, wobei mindestens ein Widerstand als piezoresistives Element ausgeführt ist, dessen Widerstand sich bei Latschdurchlauf auf Grund einer Verformung verändert (Messwiderstand) . Die Wheatstoneschen Brücke umfasst besonders bevorzugt insgesamt vier Widerstände, wobei mindestens ein Widerstand als piezoresistives Element ausgeführt ist.
Bevorzugt wird das Ausgangssignal des piezoresistiven Sensors durch einen Verstärker verstärkt und durch einen A/D- Wandler digitalisiert. Das digitale Signal kann dann einfach in einem MikroController oder einem Rechenwerk ausgewertet werden, um z.B. die Latschkenngröße zu bestimmen.
Alternativ ist es bevorzugt, das Ausgangssignal des piezoresistiven Sensors durch einen Komparator mit nachgeschaltetem MikroController oder Rechenwerk auszuwerten. Bei der Auswertung mit Hilfe eines Komparators ist kein A/D-Wandler notwendig.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem piezosensitiven Sensor um einen piezoelektrischen Sensor, wobei aus einem Ausgangsspannungssignal des piezoelektrischen Sensors die Latschkenngröße bestimmt wird. Bei der Ausbildung des Latsch-Sensors als piezoelektrischem Sensor ist es, im Unterschied zur Ausbildung als piezoresistivem Sensor, vorteilhaft, dass keine Spannungsversorgung des Sensors notwendig ist. So entfallen entsprechende Kontaktierungen und der Stromverbrauch des Reifenmoduls wird minimiert. Auch ist mit einem piezoelektrischen Sensor einfach eine Aktivierung des Reifenmoduls bei Anfahren des Fahrzeugs (sogenannte „Wake- up"-Funktion) realisierbar, da mit Latschein- oder austritt eine Piezospannung erzeugt wird.
Bevorzugt wird aus einem Ausgangssignal des piezosensitiven Sensors erkannt, wenn das Reifenmodul in den Latsch eintritt und/oder austritt. Somit kann dann neben der Latschlänge bzw. Latschzeit auch die Radumlaufszeit bzw. Raddrehzahl bestimmt werden. Außerdem kann zur Schonung der Batterie des Reifenmoduls das Reifenmodul bei Stillstand des Fahrzeuges deaktiviert werden (z.B. keine Erfassung von Druckdaten oder Sendung von Daten) und dann das Ausgangssignal des piezosensitiven Latschsensors zur Aktivierung des Reifenmoduls bei Anfahren des Fahrzeugs nach dem Stillstand herangezogen werden (sogenannte ,,Wake-up"-Funktion) .
Bevorzugt ist in dem Reifenmodul eine elektronische Auswerteschaltung angeordnet, in welcher aus dem Ausgangssignal des piezosensitiven Sensors eine Kenngröße ermittelt wird, welche ein Maß für die Latschlänge und/oder Latschform des Reifens ist. So können aus den Informationen eines oder mehrerer Latschsensoren am Fahrzeug Rückschlüsse auf die Beladung des Fahrzeugs gezogen werden oder zusätzliche Informationen zur Reifenüberwachung gewonnen werden. Hierzu werden die bestimmten Latschlängen der einzelnen Reifen untereinander oder jeweils mit zuvor eingelernten Vergleichsgrößen oder mit jeweils vorgegebenen Vergleichsgrößen verglichen.
Um den im Reifen auftretenden Belastungen standzuhalten, ist es vor allem für ein Reifenmodul, welches im Reifeninneren im Bereich der Lauffläche angebracht ist, notwendig, dass es möglichst kompakt ist. Daher sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Reifenmoduls das Trägermittel und die Batterie bezüglich einer Ausdehnungsrichtung des Reifenmoduls übereinander angeordnet, wobei das Trägermittel und die Batterie senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung zumindest teilweise überlappend angeordnet sind, und der piezosensitive Sensor ist bezüglich der Ausdehnungsrichtung über oder unter oder zwischen dem Trägermittel und der Batterie angeordnet, wobei der piezosensitive Sensor jeweils zu dem Trägermittel und zu der Batterie senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung zumindest teilweise überlappend angeordnet ist. Bei der Ausdehnungsrichtung handelt es sich besonders bevorzugt um die Höhe des Reifenmoduls. Vereinfacht ausgedrückt, die drei Komponenten Trägermittel, Batterie und piezosensitiver Sensor werden in dem Reifenmodul übereinander und zumindest teilweise einander überlappend angeordnet („gestapelt"), um die Ausdehnung des Reifenmoduls bezüglich seiner Grundfläche möglichst gering zu halten. So werden die auf das Reifenmodul bei Latschdurchlauf wirkenden Verformungskräfte möglichst gering gehalten, wodurch der piezosensitive Sensor vor übermäßiger Verformung geschützt wird, welche zur Beschädigung des Sensors, z.B. zum Bruch des piezoelektrischen Materials, führen kann. Es sind somit keine zusätzlichen Auslenkungsbegrenzungsmittel für das piezosensitive Element notwendig, welche wieder zu einer Erhöhung des Gewichts des Reifenmoduls führen würden.
Um einen weiteren Schutz des piezosensitiven Sensors gegen Beschädigung zu erzielen, sind das Trägermittel, die Batterie und der piezosensitive Sensor bevorzugt zumindest teilweise in eine Vergussmasse eingebettet. Besonders bevorzugt sind die drei Komponenten vollständig in die Vergussmasse eingebettet, um einen Schutz vor Umgebungseinflüssen von allen Seiten zu erreichen. Durch die durch das Vergussmaterial erzielte Versteifung des piezosensitiven Sensors wird die Bruchgefahr weiter minimiert. Aufgrund der kompakten Bauweise des Reifenmoduls („Stapelung" der Komponenten) wird weniger Vergussmasse zur Einbettung von Trägermittel, Batterie und piezosensitivem Sensor benötigt als bei einer Anordnung nebeneinander, so dass hierdurch ein Vorteil in Bezug auf ein möglichst geringes Gewicht des Reifenmoduls erreicht wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der piezosensitive Sensor direkt an der Batterie oder an dem Trägermittel angebracht. Hierdurch wird der piezosensitive Sensor noch zusätzlich durch die Batterie oder das Trägermittel vor übermäßiger Verformung geschützt. Besonders einfach und kostengünstig ist die Anbringung als eine Klebung ausgeführt. Im Fall eines piezoresistiven Sensors ist dieser vorteilhafterweise als Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) direkt in Silizium ausgeführt. Dies reduziert die Herstellungskosten des Reifenmoduls.
Ebenso ist es bevorzugt, den piezosensitiven Sensor mit einem Abstand zu dem Trägermittel und zu der Batterie anzuordnen, wobei der piezosensitive Sensor durch die Vergussmasse kraftschlüssig mit dem Trägermittel und/oder der Batterie verbunden ist. So wird gegenüber einer Anordnung des piezosensitiven Sensors auf dem Trägermittel Bauraum für weitere elektronische Bauelemente auf dem Trägermittel geschaffen .
Der piezosensitive Sensor wird bevorzugt zwischen der Batterie und dem Trägermittel angeordnet („Sandwich- Anordnung") , um eine Versteifung und Schutz von beiden Seiten zu erreichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Reifenmoduls sind das Trägermittel, die Batterie und der piezosensitive Sensor jeweils im Wesentlichen flächig ausgebildet und die Grundflächen von Trägermittel, Batterie und piezosensitivem Sensor im Wesentlichen parallel und übereinander angeordnet, wobei sich die Grundflächen jeweils paarweise zumindest teilweise überlappen. Hierdurch wird eine kompakte Bauweise bezüglich Höhe und Grundfläche erreicht, was im Falle einer Einbettung in eine Vergussmasse zu einem geringen Gewicht führt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der piezoelektrische Sensor einfach aus piezoelektrischem Material, besonders bevorzugt aus piezoelektrischer Keramik (z.B. PZT: Blei-Zirkonat-Titanat) . Da PZT nicht auf eine Biegung, sondern nur auf eine Dehnung bzw. Stauchung piezoelektrisch reagiert, ist das piezoelektrische Material auf ein Trägermaterial (enthält „neutrale Phase") aufgebracht. Das Trägermaterial dient somit zum Einen zum Schutz des piezoelektrischen Materials vor übermäßiger Verformung und zum Anderen als „Hilfsmittel" zur Dehnung/Stauchung des piezoelektrischen Materials. Als Trägermaterial dient bevorzugt das Trägermittel des Reifenmoduls (Leiterplatte) oder die Batterie.
Alternativ umfasst der piezoelektrische Sensor bevorzugt ein Trägerelement aus Metall und piezoelektrisches Material, wobei das piezoelektrische Material auf dem Trägerelement aufgebracht ist. So dient das Trägerelement durch seine Steifigkeit direkt als Verformungsbegrenzungsmittel für das piezoelektrische Material. Das Trägerelement ist besonders bevorzugt eine Messingscheibe oder eine Messingplatte. Bei dem piezoelektrischen Material handelt es sich besonders bevorzugt um eine piezoelektrische Keramik. Besonders bevorzugt wird der piezoelektrische Sensor mit seinem Trägerelement direkt an der Batterie oder an dem Trägermittel angebracht, ganz besonders bevorzugt durch Klebung. Das Reifenmodul umfasst gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zwei oder mehr Batterie, welche übereinander angeordnet sind, wobei der piezosensitive Sensor über oder unter oder zwischen den Batterien angeordnet ist. Bei einer Anordnung des piezosensitiven Sensors zwischen den Batterien wird dieser von beiden Seiten durch die Batterien gegen übermäßige Verformung geschützt.
Bevorzugt ist zur Versorgung der elektronischen Bauelemente der Trägerschicht die Batterie über einen Batteriekontakt elektrisch leitend mit der Trägerschicht verbunden, wobei der piezoelektrische Sensor einseitig elektrisch leitend mit dem Batteriekontakt verbunden ist. Hierdurch wird eine Kontaktierung zwischen Trägerschicht und piezoelektrischem Sensor eingespart.
Der piezoelektrische Sensor wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Reifenmoduls auch zur Energieversorgung des Reifenmoduls genutzt. Hierzu umfasst das Reifenmodul, insbesondere auf dem Trägermittel, eine elektronische Schaltung, welche derart ausgeführt ist, dass die bei Verformung des piezoelektrischen Sensors erzeugte elektrische Spannung auch zur Energieversorgung des Reifenmoduls genutzt wird. So umfasst die elektronische Schaltung besonders bevorzugt Mittel zur Gleichrichtung der Piezospannung des piezoelektrischen Elements und zur Speicherung der erzeugten elektrischen Energie. Durch die zusätzliche Energieversorgung des Reifenmoduls mit Hilfe des piezoelektrischen Elements wird die Lebensdauer der Batterie verlängert .
Für eine Auswertung des Spannungssignals des piezosensitiven Sensors ist dieses bevorzugt elektrisch leitend mit dem Trägermittel verbunden. Bevorzugt umfasst das Reifenmodul eine Auswerteschaltung, in welcher die positiven und negativen Anteile des Spannungssignals des piezosensitiven Sensors getrennt werden. Diese Auswerteschaltung des Reifenmoduls umfasst besonders bevorzugt vier Dioden.
Bevorzugt wird jedes der beiden entstehenden Teilsignale ausgewertet. So kann durch Auswertung des Spannungssignals des piezosensitiven Sensors zwischen Latscheintritt und Latschaustritt unterschieden werden.
Ebenso ist es bevorzugt, dass in der Auswerteschaltung das eine Teilsignal zur Erkennung eines Latscheintrittes und das andere Teilsignal zur Erkennung eines Latscheaustrittes ausgewertet werden.
In der Auswerteschaltung werden gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die beiden Teilsignale zur Bestimmung einer Kenngröße ausgewertet, welche ein Maß für die Latschlänge oder Latschform des Reifens ist. Hieraus werden, auch in Kombination mit den Kenngrößen von Reifenmodulen der anderen Reifen, Informationen über die Beladung des Fahrzeugs und/oder zur Reifenüberwachung gewonnen.
Bevorzugt umfasst das Reifenmodul eine Schaltung, mit welcher eines oder beide der Teilsignale zur Energieversorgung mindestens einer elektronischen Komponente genutzt wird/werden. Besonders bevorzugt wird ein Sensor, z.B. ein Druck- und/oder ein Temperatursensor, und/oder eine Auswerteschaltung mit elektrischer Energie versorgt.
Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass durch die Batterie die Versorgung des Reifenmoduls auch bei Stillstand des Fahrzeuges gewährleistet ist. So können auch bei Stillstand des Fahrzeuges z.B. Datenübertragungen oder Druckmessungen von dem Reifenmodul durchgeführt werden.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des Reifenmoduls in einem Reifendrucküberwachungssystem.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung anhand von Figuren.
Es zeigen schematisch
Fig. 1 einen auf einem Untergrund abrollenden Reifen,
Fig. 2 eine Anordnung von Komponenten in einem erfindungsgemäßen Reifenmodul gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 3 eine Anordnung von Komponenten in einem erfindungsgemäßen Reifenmodul gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Reifenmodul gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels,
Fig. 5 einen beispielsgemäßen piezoelektrischen Sensor, Fig. 6 eine Anordnung von Komponenten in einem erfindungsgemäßen Reifenmodul gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels,
Fig. 7 einen beispielsgemäßen Verlauf einer Ausgangsspannung eines piezoelektrischen Sensors in einem Reifen, Fig. 8 beispielsgemäße Auswertungssignale einer Ausgangsspannung eines piezoelektrischen Sensors in einem Reifen,
Fig. 9 eine beispielsgemäße elektronische Schaltung zur Auswertung einer Ausgangsspannung eines piezoelektrischen Sensors,
Fig. 10 einen beispielsgemäßen piezoresistiven Sensor, und
Fig. 11 zwei beispielsgemäße Prinzipschaltbilder zur Auswertung einer Ausgangsspannung eines piezoresistiven Sensors.
Fig. 1 zeigt das Abrollverhalten eines Reifens 1 mit einer Rotationsrichtung 2. Das Abrollverhalten ist hier in idealisierter Form auf einem ebenen Untergrund 3 dargestellt. Es entsteht eine abgeplattete Aufstandsfläche, der so genannte Latsch 4. Die Größe, also die Länge L und Breite, wobei die Länge L vom Latscheintritt 6 bis zum Latschaustritt 5 gemessen wird, sowie die Form des Latschs 4 ist u.a. abhängig von Reifenkenndaten, der Radlast, dem Reifendruck, dem Fahrzustand (Längs- und Querkräfte) und der Geschwindigkeit .
Befindet sich ein Reifenmodul 7 in Reifen 1, so wirken auf dieses bei Latscheintritt 6 und Latschaustritt 5 aufgrund der Verformung des Reifens 1 Kräfte, welche zu Verformung von zumindest Teilen des Reifenmoduls 7 führen. Die Verformung des Reifens 1 bei Latschdurchlauf, speziell der Knick beim Latscheintritt 6 und Latschaustritt 5, kann mit einem piezosensitiven Element vermessen werden. Das Reifenmodul 7 ist derartig im Reifen befestigt, dass das piezosensitive Element in Reifenmodul 7 durch die Walkbewegungen verformt wird.
Ein beispielsgemäßes Reifenmodul 7 umfasst eine Batterie 10 sowie ein piezosensitives (Mess) Element, z.B. ein piezoelektrisches oder ein piezoresistives (Mess) Element . Die Batterie 10 dient dabei bevorzugt zur Versorgung der elektronischen Komponenten des Reifenmoduls 7. Das piezosensiti- ve (Mess) Element dient zur Bestimmung oder Messung einer Kenngröße des Latsches 4, insbesondere zur Bestimmung oder Messung der Latschlänge L oder einer damit zusammenhängenden Größe, wie z.B. der Latschzeit. Zusätzlich kann das piezoelektrische Element auch als Wandlerelement, d.h. zur Erzeugung elektrischer Energie, herangezogen werden.
In Fig. 2 sind schematisch einige relevanten Teile eines erfindungsgemäßen Reifenmoduls 7 gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels dargestellt. In Fig. 2 a) ist eine Seitenansicht, in Fig. 2 b) eine Ansicht von unten nach oben (entlang der z-Richtung, siehe Fig. 2a)) dargestellt. Batterie 10 ist über eine elektrisch leitende Verbindung 11 (in Fig. 2 b) nicht dargestellt) mit Leiterplatte 12 verbunden. Batterie 10 ist unterhalb von Leiterplatte 12 angeordnet. Die beispielsgemäß runde Grundfläche von Batterie 10 überlappt vollständig mit der beispielsgemäß rechteckigen Grundfläche der Leiterplatte 12. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind Batterie 10 und Leiterplatte 12 in z-Richtung in einem gewissen Abstand angeordnet, es ist jedoch auch möglich, dass Batterie 10 direkt an Leiterplatte 12 angebracht ist. Auf Leiterplatte 12 sind weitere elektronische Bauelemente 13 angebracht. Beispielsgemäß ist ein piezoelektrisches Sensorelement 14 unterhalb von Batterie 10 an Batterie 10 angebracht. Die beispielsgemäß runde Grundfläche des Piezo-Sensors 14 überlappt vollständig mit der bei- spielsgemäß runden Grundfläche von Batterie 10. Piezo- Element 14 ist über eine elektrische Verbindung 20 mit der Leiterplatte 12 verbunden (in Fig. 2 b) nicht dargestellt).
In Fig. 3 ist schematisch eine Anordnung von relevanten Komponenten in einem erfindungsgemäßen Reifenmodul 7 gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels in Seitenansicht dargestellt. Batterie 10 ist über eine elektrisch leitende Verbindung 11 mit Leiterplatte 12 verbunden. Batterie 10 ist wie im ersten Ausführungsbeispiel unterhalb von Leiterplatte 12, in einem gewissen Abstand angeordnet. Dabei überlappen sich die Grundflächen von Batterie 10 und Leiterplatte 12 zumindest teilweise (nicht zu sehen in der Ansicht von Fig. 3). Das piezoelektrische Element 14 ist zwischen Batterie 10 und Leiterplatte 12 angeordnet, wobei sich die Grundfläche des Piezo-Elements 14 zum einen mit der Grundfläche von Batterie 10 und zum anderen mit der Grundfläche von Leiterplatte 12 überlappt. Auf Leiterplatte 12 sind weitere elektronische Bauelemente 13 angebracht.
Bei den elektronischen Bauelementen 13 kann es sich z.B. um eine oder mehrere der folgenden Bauelemente handeln: Drucksensor, Temperatursensor, Sendeeinrichtung (z.B. HF- Sender), Empfängereinrichtung (z.B. HF-Empfänger), elektronische Auswerteschaltung, Gleichrichter, Speicherelement.
In Fig. 4 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reifenmoduls 7 schematisch dargestellt. Die Anordnung von Batterie 10, Leiterplatte 12 und piezoelektrischem Element 14 entspricht dem in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel. Zusätzlich sind Batterie 10, Leiterplatte 12, piezoelektrisches Element 14 und elektronische Bauelemente 13 von einem geeigneten Verguss 15 umgeben. In dem dargestellten dritten Ausführungsbeispiel sind die Komponenten vollständig von der Vergussmasse 15 umschlossen, es können jedoch auch nur einige Komponenten o- der die Komponenten nur teilweise von der Vergussmasse 15 umschlossen sein. Durch die Vergussmasse 15 sind die Komponenten gegen äußere Einflüsse geschützt. Auch wenn Teile des Reifenmoduls 7 umgössen ist, werden die Bewegungen (Verformungen) des Reifens 1 bei Latschdurchlauf auf die einzelnen Bauteile, insbesondere auf das piezoelektrische Element 14, übertragen.
Anstelle des in den oben beschriebenen drei Ausführungsbeispielen (Fig. 1 bis 4) vorhandenen piezoelektrischen Sensors 14 kann das Reifenmodul auch einen piezoresistiven Sensor umfassen.
Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist das Reifenmodul 7 durch einen Container 16, welcher z.B. aus Gummi besteht, an Reifen 1 befestigt. Hierzu ist Container 16 am Innerli- ner des Reifens 1 befestigt, z.B. eingeklebt oder einvulkanisiert. Container 16 kann z.B. eine Öffnung enthalten (nicht dargestellt in Fi. 4), durch welche Reifenmodul 7 aus Container 16 entnommen oder in Container 16 eingeführt werden kann. So kann bei einem Defekt des Reifenmoduls 7 ein Austausch stattfinden.
In Piezo-Element 14 erfolgt bei Dehnung/Stauchung bzw. bei Biegung, z.B. bei Latschein- und Latschaustritt, eine Ladungstrennung. Nutzt man das Piezo-Element 14 ausschließlich als (Latschdeformations) Sensor - nicht als Energiewandler - so ist die exakte Anordnung in Reifenmodul 7 nicht von entscheidender Bedeutung für eine ordnungsgemäße Funktionsweise. Somit ist eine Bauraum-minimierende Anordnung von Batterie 10, Leiterplatte 12 und piezoelektrischem Element 14 möglich. Hierdurch wird auch die Montage des Reifenmoduls 7 vereinfacht, was zu geringeren Produktionskosten führt.
Beispielgemäß handelt es sich bei dem piezoelektrischen Sensor 14 einfach um piezoelektrisches Material mit entsprechenden elektrischen Kontakten, wobei das piezoelektrisches Material z.B. auf der Batterie 10 und auf der Platine 12 angebracht ist.
Bei Piezo-Element 14 handelt es sich gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Reifenmoduls 7 um einen an sich bekannten Piezo-Buzzer .
In Fig. 5 ist ein beispielgemäßes piezoelektrisches Element 32 schematisch dargestellt, dabei zeigt Fig. 5 a) dieses in Aufsicht und Fig. 5 b) in Seitenansicht. Das beispielgemäße Element 32 besteht aus einer Messingscheibe 30, auf welcher piezoelektrisches Material 31, insbesondere Piezokeramik, angebracht ist.
Der piezosensitive Sensor kann z.B. unter der Batterie 10 (z.B. Fig. 2), zwischen Platine 12 und Batterie 10 (z.B. Fig. 3 oder 5) oder direkt an Platine 12 (ohne Darstellung) angebracht sein. Er kann fest mit Platine 12 bzw. Batterie 10 verbunden sein (z.B. Fig. 2) oder auch ohne direkte Verbindung zu diesen Bauteilen 12, 10 umgössen werden (z.B. Fig. 5), da die Krafteinwirkung durch die Vergussmasse 15 gewährleistet wird.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Reifenmoduls 7 umfasst dieses zwei Batterien 10. Die beiden Batterien 10 sind übereinander angeordnet und der piezosensitive Sensor ist zwischen den Batterien 10 oder oberhalb oder unterhalb der Batterien 10 angeordnet. Eine beispiels- gemäße Anordnung eines Piezo-Elements 14 zwischen zwei Batterien 10 ist in Fig. 6 schematisch dargestellt (viertes Ausführungsbeispiel) . Die übrigen dargestellten Komponenten entsprechen den in Fig. 2 abgebildeten Komponenten.
Gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels ist das Piezo- Element 14 galvanisch direkt mit einem Batteriekontakt verbunden - so entfällt eine Kontaktierung.
Das in Reifenmodul 7 angeordnete Piezo-Element 14 kann sowohl als Signalgeber (z.B. zur Latschvermessung) als auch als Mikrogenerator (Energiewandler) verwendet werden. Durch die Variation der Größe des Elements 14 kann die abgegebene Leistung bzw. Spannung skaliert werden.
Fig. 10 zeigt schematisch einen beispielsgemäßen piezore- sistiven Sensor eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Reifenmoduls 7. Anstelle eines piezoelektrischen Elements 14 wird hier mindestens ein piezore- sistives Messelement (Rl, R2, R3, R4) verwendet. Der piezo- resistive Sensor 44 besteht im wesentlichen aus einer pie- zoresistiven Messbrücke, welche beispielsgemäß als eine Wheatstonesche Brücke mit vier Widerständen Rl, R2, R3 und R4 ausgeführt ist. Hierbei sind beispielhaft alle vier Widerstände Rl, R2, R3 und R4 veränderlich. Es ist jedoch auch möglich, dass weniger Widerstände veränderlich sind (z.B. die Widerstandwerte von Rl und R2 sind bei Verformung veränderlich, während die Widerstandswerte von R3 und R4 bei Verformung gleich bleiben) . Außerdem ist auch eine Sensor-Anordnung mit mehr oder weniger Widerständen (als den vier Widerständen einer Wheatstonesche Brücke) möglich.
Der piezoresistive Sensor 44 wird durch eine Spannung VCC versorgt und liefert ein Ausgangsspannungssignal 45. Die Anordnung der Fläche des piezoresistiven Sensors 44 im Reifen ist beispielsweise parallel zur Reifenaufstandsflache, so dass sich jeweils mindestens zwei Widerstände bei einer Verformung bei Latschdurchlauf 5, 6 verändern. Die Orientierung der Sensorbrücke relativ zur Reifenabrollrichtung ist dabei für die Funktionstüchtigkeit des Sensors nicht von Bedeutung.
Ein Vorteil von piezoresistiven Messelementen ist es, dass eine extrem kleine und somit kostengünstige Bauweise in MEMS-Struktur möglich ist. Hierbei können die einzelnen Messwiderstände bzw. die Messbrücke direkt in Silizium ausgeführt sein. Das MEMS kann dann als „bare die" (ohne Gehäuse) angeordnet werden, oder gehaust und dann aufgelötet werden. Vorteilhafterweise wird das piezoresistive MEMS direkt mit anderen Komponenten (z.B. Drucksensor, Mikrocont- roller, RF-Stufe etc.) in einem integrierten Schaltkreis (IC, ASIC) integriert.
In Fig. 11 sind zwei beispielsgemäße Prinzipschaltbilder zur Auswertung einer Ausgangsspannung eines piezoresistiven Sensors 46 schematisch dargestellt.
Gemäß dem in Fig. 11 a) dargestellten Beispiel wird das Ausgangssignal des Sensors 46 durch Verstärker 47 verstärkt und A/D-Wandler 48 des Reifenmoduls 7 zugeführt. Nach der A/D-Wandlung 48 wird das Signal in MikroController 49 analysiert. Je nach Auslegung der Widerstandsveränderung ist es auch möglich, dass keine Verstärkung notwendig ist.
Gemäß dem in Fig. 11 b) dargestellten Beispiel wird das Ausgangssignal von Sensor 46 mittels Komparator 50 und Mik- rocontroller 49 ausgewertet. Z.B. liefert der Komparator während des Latschdurchlaufs eine Ausgangsspannung (ent- sprechend einer logischen „1") und außerhalb des Latsches keine Ausgangsspannung (entsprechend einer logischen „0") . So kann ohne Verwendung eines A/D-Wandlers auf einfache Art und Weise die zeitliche Abfolge zwischen Latschdurchlauf und Umlauf festgestellt werden.
MikroController 49 kann auch durch ein Rechenwerk („State Machine") ersetzt werden.
Die Signale des piezosensitiven Sensors werden bevorzugt zur Bestimmung der Latschlänge L ausgewertet.
Im Folgenden wird ein weiteres Verfahren zur Auswertung des Ausgangsspannungssignals 40 eines piezosensitiven Sensors beschrieben, beispielhaft anhand eines piezoelektrischen Sensors 14. Eine analoge Auswertung ist für das Ausgangsspannungssignal 40 eines piezoresistiven Sensors möglich.
Ein aus der Reifenverformung resultierendes Ausgangssignal 20 eines Piezo-Elementes 14 hat beispielsgemäß den in Fig. 7 schematisch dargestellten Verlauf. Auf der x-Achse ist die Zeit t und auf der y-Achse die Piezospannung U oder eine ihr entsprechende Größe aufgetragen. Bei Latscheintritt T6 und Latschaustritt T5 erscheinen Spannungsspitzen in Signal 20. Im dargestellten Beispiel ergibt sich bei Latscheintritt T6 eine negative Spannungsspitze (Peak) , bei Latschaustritt T5 eine positive Spannungsspitze (Peak) .
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels umfasst Reifenmodul 7 eine Schaltung zur störungsfreien Auswertung des Signals 20. Dabei wird der negative Teil des Signals 20 getrennt vom positiven Teil des Signals 20 bewertet (sog. selektive Gleichrichtung) . Fig. 8 zeigt mit den beiden unteren Signalen 21, 22 beispielsgemäße Verläufe der beiden selektiv gleichgerichteten Signale. Kurve 21 stellt den Betrag des negativen Signals (den negativen Signalanteil) und Kurve 22 das positive Signal (den positiven Signalanteil) bei zwei Latschdurchläufen dar. Kurve 23 gibt das Latschsignal an. Bei Latscheintritt T6, welcher durch die steil ansteigende Flanke im negativen Signalanteil 21 angezeigt wird, steigt das Latschsignal 23 an, bei Latschaustritt T5, welcher durch die steil ansteigende Flanke im positiven Signalanteil 22 angezeigt wird, fällt das Latschsignal 23 wieder ab. Anhand des Latschsignals 23 kann somit die Latschlänge L oder die Latschzeit oder das Verhältnis von Latschzeit zu Radumlaufzeit (Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Latscheintritten T6 oder Latschaustritten T5) bestimmt werden.
Durch die selektive Gleichrichtung lässt sich ein störendes Rauschen beim Latscheintritt 6 bzw. beim Latschaustritt 5 sehr wirkungsvoll ausblenden. Wie aus Fig. 8 deutlich ersichtlich ist, lässt sich bei einer Trennung von positivem Signal 22 und negativem Signal 21 der Latsch 4 leicht auswerten. Dies wäre bei einem komplett gleichgerichteten Signal nur mit größerem Aufwand möglich. Es wird also eine deutliche Vereinfachung bzw. Verbesserung der Latschvermessung erreicht.
Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Auswertung des Signals 20 eines Piezo-Elementes 14 wird das Signal 20 abgetastet und digitalisiert um eine genaue Auswertung des Signalverlaufs durchführen zu können. Dies ist aufwendiger als das oben beschriebene Verfahren der selektiven Gleichrichtung des Piezoelement-Signals 20. Des Weiteren verbraucht die bekannte Auswertung im Gegensatz zum hier beschriebenen Auswerteverfahren mehr Strom. In Fig. 9 ist eine beispielsgemäße elektronische Schaltung zur selektiven Gleichrichtung dargestellt. Die Spannung 40 von Piezo-Element 14 wird mittels vier Dioden 41 selektiv gleichgerichtet. Der positive und der negative Signalanteil werden über die Kontakte Kl und K2 abgegriffen.

Claims

Patentansprüche :
1. Reifenmodul (7) zur Erfassung von Reifenzustandsgrößen, welches an einer Innenseite eines Reifens (1) in einem Bereich, welcher bei einem Latschdurchlauf (5, 6) verformt wird, befestigt ist und welches mindestens ein Trägermittel (12), auf welchem mindestens ein elektronisches Bauelement (13) angeordnet ist, und mindestens einen piezosensitiven Sensor (14, 32, 44) umfasst, wobei der piezosensitive Sensor (14, 32, 44) derart angeordnet ist, dass er bei einer Verformung des Reifens (1) bei einem Latschdurchlauf (5, 6) zumindest teilweise verformt wird, und wobei die Verformung des piezosensitiven Sensors (14, 32, 44) zur Bestimmung mindestens einer Latschkenngröße (4, 5, 6, L) herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Reifenmodul (7) mindestens eine Batterie (10) zur zumindest teilweisen Energieversorgung des mindestens einen elektronischen Bauelementes (13) umfasst .
2. Reifenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Batterien (10) die einzige Energieversorgungsquelle des Reifenmoduls (7) sind.
3. Reifenmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der piezosensitive Sensor piezoresistiv arbeitet und mindestens ein piezoresistives Element (Rl, R2, R3, R4) umfasst, insbesondere eine piezoresistive Messbrücke umfasst, wobei der piezoresistive Sensor (44) zumindest eine Spannungsversorgung umfasst oder mit einer Spannungsversorgung (10) verbunden ist, und dass aus einem Ausgangssignal (45) des piezoresistiven Sensors (44) die Latschkenngröße (4, 5, 6, L) bestimmt wird.
4. Reifenmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der piezosensitive Sensor piezoelektrisch arbeitet und mindestens ein piezoelektrisches Element (31) umfasst, und dass aus einem Ausgangssignal (20) des piezoelektrischen Sensors (14) die Latschkenngröße (4, 5,
6, L) bestimmt wird.
5. Reifenmodul nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Reifenmodul (7), insbesondere auf dem Trägermittel (12), eine elektronische Auswerteschaltung angeordnet ist, in welcher aus dem Ausgangssignal (20, 45) des piezosensitiven Sensors (14, 44) eine Latschkenngröße ermittelt wird, welche ein Maß für die Latschlänge (L) und/oder Latschform ist.
6. Reifenmodul nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermittel (12) und die Batterie (10) bezüglich einer Ausdehnungsrichtung
(z) des Reifenmoduls (7) übereinander angeordnet sind, wobei das Trägermittel (12) und die Batterie (10) senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung (z) zumindest teilweise überlappend angeordnet sind, und dass der piezosensitive Sensor (14, 44) bezüglich der Ausdehnungsrichtung (z) über oder unter oder zwischen dem Trägermittel (12) und der Batterie (10) angeordnet ist, wobei der piezosensitive Sensor (14, 44) jeweils zu dem Trägermittel (12) und zu der Batterie (10) senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung (z) zumindest teilweise überlappend angeordnet ist.
7. Reifenmodul nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermittel (12), die Batterie (10) und der piezosensitive Sensor (14, 44) je- weils im Wesentlichen flächig ausgebildet sind und dass die Grundflächen von Trägermittel (12), Batterie (10) und piezosensitivem Sensor (14, 44) im Wesentlichen parallel und übereinander angeordnet sind, wobei sich die Grundflächen jeweils paarweise zumindest teilweise überlappen .
8. Reifenmodul nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der piezosensitive Sensor
(14, 44) direkt an der Batterie (10) oder an dem Trägermittel (12) angebracht, insbesondere angeklebt, ist.
9. Reifenmodul nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermittel (12), die Batterie (10) und der piezosensitive Sensor (14, 44) zumindest teilweise, insbesondere vollständig, in eine Vergussmasse (15) eingebettet sind.
10. Reifenmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der piezosensitive Sensor (14, 44) mit einem Abstand zu dem Trägermittel (12) und zu der Batterie (10), insbesondere zwischen dem Trägermittel (12) und der Batterie (10), angeordnet ist, wobei der piezosensitive Sensor (14, 44) durch die Vergussmasse (15) kraftschlüssig mit dem Trägermittel (12) und/oder der Batterie (10) verbunden ist.
11. Reifenmodul nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Reifenmodul (7) zwei oder mehr Batterie (10) umfasst, welche übereinander angeordnet sind, wobei der piezosensitive Sensor
(14, 44) über oder unter oder zwischen den Batterien
(10) angeordnet ist.
12. Reifenmodul nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis
11, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Sensor (32) ein Trägerelement (30) aus Metall, insbesondere eine Messingscheibe oder eine Messingplatte, um- fasst, wobei auf dem Trägerelement (30) piezoelektrisches Material (31), insbesondere piezoelektrische Keramik, aufgebracht ist.
13. Reifenmodul nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis
12, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (10) über einen Batteriekontakt elektrisch leitend mit der Trägerschicht (12) verbunden ist und der piezoelektrische Sensor (14) elektrisch leitend mit dem Batteriekontakt verbunden ist.
14. Reifenmodul nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis
13, dadurch gekennzeichnet, dass das Reifenmodul (7), insbesondere auf dem Trägermittel (12), eine elektronische Schaltung umfasst, welche derart ausgeführt ist, dass die bei Verformung des piezoelektrischen Sensors
(14) erzeugte elektrische Spannung auch zur Energieversorgung des Reifenmoduls (7) genutzt wird.
15. Verwendung eines Reifenmoduls (7) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14 in einem Reifendrucküberwachungssystem.
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