Continental Aktiengesellschaft: Continental Corporation:
Beschreibungdescription
SYSTEM ZUR ERZEUGUNG ELEKTRISCHER ENERGIE FÜR ELEKTRISCHE KOMPONENTENSYSTEM FOR GENERATING ELECTRICAL ENERGY FOR ELECTRICAL COMPONENTS
Die Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung elektrischer Energie für elektronische Komponenten mit einem piezoelektrischen Element, das auf einem Fahrzeugluftreifen angeordnet ist, der einen an der Außenseite angeordneten Laufstreifen aufweist.The invention relates to a system for generating electrical energy for electronic components with a piezoelectric element which is arranged on a pneumatic vehicle tire having a tread arranged on the outside.
Fahrzeugreifen, insbesondere Kraftfahrzeugreifen, werden zunehmend mit Transpondern ausgerüstet, die Informationen über den Reifen beinhalten bzw. aufnehmen und an Auswerteeinrichtungen am oder im Fahrzeug senden. Darüber hinaus können Betriebsparameter von Fahrzeugreifen, wie Temperatur oder Luftdruck, sowie die Laufleistung über entsprechende Sendeeinrichtungen aus dem Fahrzeugreifen an Auswerteeinheiten gesendet werden. "Vehicle tires, in particular motor vehicle tires, are increasingly being equipped with transponders that contain or record information about the tire and send it to evaluation devices on or in the vehicle. In addition, operating parameters of vehicle tires, such as temperature or air pressure, as well as the mileage can be sent via corresponding transmitting devices from the vehicle tire to evaluation units. "
Aus der DE 440236 Al ist ein System zur Bestimmung der Betriebsparameter von Fahrzeugreifen bekannt, bei der im Fahrzeugreifen integriert eine Trägereinheit angeordnet ist, die eine Sensoreinheit mit mindestens einem Detektor und eine Auswerteelektronikeinheit trägt. Auf dem Trägerkörper ist ein zur Energieversorgung der Systemkomponenten dienendes piezoelektrisches Element angeordnet, das zugleich als Sensor für die Reifenumdrehungen dient. Ebenfalls ist der Trägerkörper mit einer Datenübertragungseinheit versehen. Das Sys-tem ist in dem Reifengummi integriert, so dass aufgrund des piezoelektrischen Effektes aufgrund der sich im Reifengummi zyklisch ändernden hydrostatischen Druckspannung elektrische Energie gewonnen wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes System bereitzustellen, das eine höhere Energieausbeute zulässt. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.DE 440236 A1 discloses a system for determining the operating parameters of vehicle tires, in which a carrier unit, which carries a sensor unit with at least one detector and an evaluation electronic unit, is integrated in the vehicle tire. On the carrier body serving for supplying energy to the system components piezoelectric element is arranged, which also serves as a sensor for the tire revolutions. Likewise, the carrier body is provided with a data transmission unit. The system is integrated in the tire rubber, so that due to the piezoelectric effect due to the cyclic changing in the tire rubber hydrostatic compressive stress electrical energy is obtained. The object of the present invention is to provide an improved system which allows a higher energy yield. According to the invention this object is achieved by a system having the features of claim 1. Advantageous developments of the invention are set forth in the subclaims.
Das erfindungsgemäße System zur Erzeugung elektrischer Energie fiir elektronische Komponenten mit einem piezoelektrischen Element, das an einem Fahrzeugluftreifen angeordnet ist, die einen an der Außenseite angeordneten Laufstreifen aufweist, sieht vor, dass das piezoelektrische Element an derThe electric power generation system for electronic components of the present invention having a piezoelectric element disposed on a vehicle pneumatic tire having a tread disposed on the outside provides that the piezoelectric element is attached to the piezoelectric element
Reifeninnenseite dem Laufstreifen gegenüberliegend angeordnet ist. Es hat sich gezeigt, dass sich im Betrieb eines Fahrzeugreifens hohe, sprunghafte Änderungen bei den Zentripetalkräften einstellen, wenn beim Abrollen des Reifens der Übergang zur Reifenaufstandsfläche stattfindet. Dabei finden sowohl beim Auftreffen auf den Fahrbelag als auch beim Verlassen des Fahrbelages sehr hohe Sprünge im Verlauf der Zentripetalbeschleunigungen statt. Durch die hohen Beschleunigungswechsel ist es möglich, einen sehr großen piezoelektrischen Effekt damit eine große Menge elektrischer Energie zu erzeugen.Tire inside is arranged opposite the tread. It has been found that in the operation of a vehicle tire, high, sudden changes in the centripetal forces occur when the rolling of the tire, the transition to the tire footprint takes place. There are very high jumps in the course of Zentripetalbeschleunigungen both when hitting the driving surface and when leaving the driving surface. Due to the high acceleration changes, it is possible to produce a very large piezoelectric effect so that a large amount of electrical energy.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das piezoelektrische Element als ein Biegebalken, ein Piezostack mit aufeinandergestapelten piezoelektrischen Elementen oder als ein Torsionselement ausgebildet ist, das aufgrund der sprunghaften Wechsel im Verlauf der Zentripetalbeschleunigung elektrische Energie erzeugt. Durch die Drehbewegung des Reifens werden am Ort des piezoelektrischen Elementes Zentrifugal- und Zentripetalkräfte erzeugt. Diese wirken auf das Piezoelement je nach dessen Aufbau als Druck-, Biege-, Torsions- und/oder Scherkräfte, das elektrische Energie erzeugt. Die dominierende Kraftkomponente wird durch den gewählten mechanischen und elektrischen Aufbau des Piezoelementes bestimmt.A further development of the invention provides that the piezoelectric element is designed as a bending beam, a piezo stack with stacked piezoelectric elements or as a torsion element that generates electrical energy due to the sudden change in the course of Zentripetalbeschleunigung. The rotational movement of the tire generates centrifugal and centripetal forces at the location of the piezoelectric element. These act on the piezoelectric element depending on its structure as pressure, bending, torsional and / or shear forces, which generates electrical energy. The dominant force component is determined by the selected mechanical and electrical design of the piezoelectric element.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das als Biegebalken ausgebildete piezoelektrische Element zwischen zwei Kontaktlücken gelagert ist,
die wiederum über eine Gleichrichterschaltung mit einem Ladungsspeicher verbunden sind. Der Ladungsspeicher kann beispielsweise als Akku, Elko oder Kondensator, vorzugsweise Keramikkondensator, ausgebildet sein.A development of the invention provides that the piezoelectric element formed as a bending beam is mounted between two contact gaps, which in turn are connected via a rectifier circuit to a charge storage. The charge storage device can be designed, for example, as a rechargeable battery, electrolytic capacitor or capacitor, preferably a ceramic capacitor.
Bei einer Ausbildung als übereinandergestapelte Piezoelemente in Gestalt eines Piezostacks ist dieser auf einer elektrisch leitföhigen Schicht angeordnet, um von dort die elektrische Energie zu dem Verbraucher oder dem elektrischen Ladungsspeicher zu leiten.In a design as stacked piezoelectric elements in the form of a piezo stack this is arranged on an electrically leitfohigen layer to direct the electrical energy from there to the consumer or the electric charge storage.
Vorzugsweise sind die piezoelektrischen Elemente oder das piezoelektrische Element auf einem Träger montiert, der auf oder in der Reifeninnenseite angeordnet ist. Auf diesem Träger sind auch die Gleichrichterschaltung und weitere Leitungselemente oder elektronische Bauteile angeordnet, die mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Anordnung auf einem Träger hat den Vorteil eines mechanischen Schutzes der darauf angeordneten Komponenten.Preferably, the piezoelectric elements or the piezoelectric element are mounted on a carrier which is arranged on or in the tire inner side. On this support, the rectifier circuit and other line elements or electronic components are arranged, which are supplied with electrical energy. The arrangement on a carrier has the advantage of a mechanical protection of the components arranged thereon.
Ein weitergehender Schutz des piezoelektrischen Elementes und der elektronischen Komponenten wird durch eine Abdeckung gewährt, die bevorzugt auf dem Träger angeordnet ist und die elektronischen Komponenten umfasst. Die Abdeckung ist wahlweise als ein festes Gehäuse oder als ein Globtop ausgebildet, wobei die hochelastische Glob-top-Hülle das piezoelektrische Element gegen eine Fixierung durch eine Vergussmasse schützt.Further protection of the piezoelectric element and the electronic components is afforded by a cover, which is preferably arranged on the carrier and comprises the electronic components. The cover is optionally formed as a solid housing or as a Globtop, wherein the highly elastic glob-top shell protects the piezoelectric element against a fixation by a potting compound.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass dem piezoelektrischen Element versetzt zueinander angeordnete Kontaktflächen zugeordnet sind, die zurA development of the invention provides that the piezoelectric element offset from each other arranged contact surfaces are assigned to the
Ermittlung von Quer- oder Längsbeschleunigung mit einer Auswerteschaltung verbunden sind. Auf diese Art und Weise kann z.B. die Drehrichtung des Reifens damit die Bewegungsrichtung des Fahrzeugreifens und des Fahrzeuges erkannt werden.Determination of lateral or longitudinal acceleration associated with an evaluation circuit. In this way, e.g. the direction of rotation of the tire so that the direction of movement of the vehicle tire and the vehicle are detected.
Das System sieht weiterhin vor, dass ein Transponder oder eine Sendeeinrichtung zum Übermitteln gespeicherter oder ermittelter Daten bezüglich des Reifens mit
dem piezoelektrischen Element verbunden ist und von diesem mit Energie versorgt wird.The system further provides that a transponder or a transmitting device for transmitting stored or determined data with respect to the tire with is connected to the piezoelectric element and is powered by this with energy.
Zur Erhöhung des piezoelektrischen Effektes ist auf dem piezoelektrischen Element zumindest eine seismische Masse angeordnet, vorzugsweise bildet der Transponder diese seismische Masse.To increase the piezoelectric effect, at least one seismic mass is arranged on the piezoelectric element, preferably the transponder forms this seismic mass.
Eine Befestigung des piezoelektrischen Elementes an der Reifeninnenseite ist über ein Band oder einen Gurt ausgeführt, eine Vergussmasse schützt den Transponder vor Beschädigungen.An attachment of the piezoelectric element to the inside of the tire is carried out via a belt or a belt, a potting compound protects the transponder from damage.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren bezeichnen gleiche Komponenten. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying figures. Like reference numerals in different figures indicate like components. Show it:
Fig. 1 - eine schematische Darstellung eines Reifens;Fig. 1 - a schematic representation of a tire;
Fig. 2 - einen Verlauf einer drehwinkelabhängigen x Zentrifugalbeschleunigung über eine komplette* Reifenumdrehung;2 shows a course of a rotational angle-dependent x centrifugal acceleration over a complete tire revolution;
Fig. 3 - eine erste Ausgestaltung eines Piezogenerators in einem Gehäuse;Fig. 3 - a first embodiment of a piezoelectric generator in a housing;
Fig. 4 einen Piezogenerator gemäß Fig. 3 mit einem Glob top;FIG. 4 shows a piezoelectric generator according to FIG. 3 with a glob top; FIG.
Fig. 5 eine Variante eines Piezogenerators mit Globtop;5 shows a variant of a piezoelectric generator with Globtop.
Fig. 6 einen Piezogenerator gemäß Fig. 5 mit elastischerFig. 6 is a piezoelectric generator according to FIG. 5 with elastic
Kontaktschicht;
Fig. 7 - eine Einzeldarstellung einer Kontaktschicht gemäßContact layer; Fig. 7 - a detail view of a contact layer according to
Figur 6;Figure 6;
Fig. 8 - eine schematische Ansicht eines Sensortranspon- ders; sowie8 shows a schematic view of a sensor transponder; such as
Fig. 9 - eine montierte Sensortransponderanordnung.Fig. 9 - a mounted sensor transponder assembly.
Ih der Figur 1 ist ein auf einer Felge 3 montierter Reifen gezeigt, an dessen äußerem Umfang ein Laufetreifen 2 angeordnet ist. Auf der Reifeninnenseite, dem Laufstreifen 2 gegenüber, ist ein Sensortransponder 1 mit einem piezoelektrischen Element zur Messung reifenspezifϊscher Kennwerte befestigt. Aufgrund der Radlast ist der auf einer Fahrbahn 5 abrollende Reifen im Bereich einer Reifenaufstandsfläche 6 abgeflacht, und zwar um die Eindrückstrecke 4.1, a tire mounted on a rim 3 is shown, on the outer circumference of which a running tire 2 is arranged. On the inside of the tire, opposite the tread 2, a sensor transponder 1 with a piezoelectric element for measuring tire-specific characteristic values is fastened. Due to the wheel load rolling on a roadway 5 tire is flattened in the area of a tire contact patch 6, namely the Eindrückstrecke 4th
In der Fig. 2 ist über den Drehwinkel ß des Reifens der winkeläbhängige Verlauf einer Zentripetalbeschleunigung a gezeigt, abhängig von dem Ort, an dem sich das piezoelektrische Element in dem Sensortransponder 1 befindet. Ist das piezoelektrische Element an der Felge 3 angeordnet, stellt sich bei einer gleichmäßigen Geschwindigkeit ein konstanter Zentripetalbeschleunigungsverlauf 8 ein. Im Gegensatz zu einem Anbringungsort an der Felge beschreibt der im Bereich des Laufstreifens angebrachte Sensortransponder nur zum Teil eine Kreisbahn, im Bereich der Bodenaufstandsfläche bewegt er sich auf einer Geraden. Diese Tatsache fuhrt zu Beschleunigungsänderungen, über die der piezoelektrische Effekt ausgenutzt werden kann. Im Bereich derIn FIG. 2, the angle-dependent course of a centripetal acceleration a is shown via the rotational angle β of the tire, depending on the location at which the piezoelectric element is located in the sensor transponder 1. If the piezoelectric element is arranged on the rim 3, a constant centripetal acceleration course 8 sets in at a uniform speed. In contrast to a mounting location on the rim, the sensor transponder mounted in the area of the tread only partially describes a circular path; in the area of the ground contact area, it moves on a straight line. This fact leads to acceleration changes, over which the piezoelectric effect can be exploited. Around
Reifenaufstandsfläche 6 wirkt keine Zentripetalbeschleunigung a auf das Piezoelement in einem Sensortransponder 1. Anhand der Beschleunigungsspitzen im Einlauf bereich E und Auslauf bereich A bzw. dem Verringern der Beschleunigung auf Null kann eine Reifendrehzahlerkennung durchgeführt werden. Die Anordnung des Piezoelementes an der Reifeninnenseite hat eine hohe Beschleunigungsänderung des Piezoelementes zur Folge, da die
Zentripetalbeschleunigung a größer wird, je weiter entfernt das Piezoelement von dem Drehpunkt ist.Tire contact patch 6 does not act Zentripetalbeschleunigung a on the piezoelectric element in a sensor transponder 1. Based on the acceleration peaks in the inlet area E and outlet area A and reducing the acceleration to zero, a tire speed detection can be performed. The arrangement of the piezoelectric element on the inner side of the tire results in a high change in the acceleration of the piezoelectric element, since the Centripetal acceleration a is greater, the farther the piezoelectric element is from the fulcrum.
Die Fig. 3 zeigt einen möglichen Aufbau eines Piezogenerators an einer Reifeninnenseite, bei dem auf einem Träger 9, vorzugsweise einer Trägerplatte, ein piezoelektrischer Biegebalken 11 zwischen zwei Kontaktblöcken 10 montiert sind. Die Kontaktblöcke 10 sind elektrisch leitend und verbinden den piezoelektrischen Biegebalken 11 mit einer Schaltung zur Richtungserkennung, die in der Figur 7 dargestellt ist. Von dort aus rühren Kabel zu einem Ladungsspeicher.Fig. 3 shows a possible structure of a piezoelectric generator on a tire inside, in which on a support 9, preferably a support plate, a piezoelectric bending beam 11 are mounted between two contact blocks 10. The contact blocks 10 are electrically conductive and connect the piezoelectric bending beam 11 with a direction detection circuit, which is shown in FIG. From there, cables move to a charge storage.
Um die Bewegungsfreiheit des Biegebalkens 11 zu gewährleisten, ist ein Gehäuse 12 als Haube darüber angeordnet, während ein unelastischer Verguss 13 die Gesamtanordnung an der Reifeninnenseite mechanisch schütz. Die Befestigung des Piezogenerators erfolgt über einen Gurt oder ein Band an die Reifeninnenseite bzw. wird an die Reifeninnenseite geklebt oder vulkanisiert.In order to ensure the freedom of movement of the bending beam 11, a housing 12 is arranged as a hood over it, while an inelastic encapsulation 13 mechanically protects the overall arrangement on the inside of the tire. The attachment of the piezoelectric generator via a belt or a belt to the inside of the tire or is glued or vulcanized to the inside of the tire.
Durch die Beschleunigungskräfte, wie sie in der Figur 2 dargestellt sind, werden die Enden des Biegebalkens 11 in Richtung der Doppelpfeile bewegt und verformen den Biegebalken 11. Dadurch wird elektrische Energie aufgrund des piezoelektrischen Effektes erzeugt. Der piezoelektrische Biegealken der Fig. 3 und 4 kann als Singlelayer, Multilayer oder als Piezo-Metall- Verbund ausgeführt werden.By the acceleration forces, as shown in Figure 2, the ends of the bending beam 11 are moved in the direction of the double arrows and deform the bending beam 11. As a result, electrical energy is generated due to the piezoelectric effect. The piezoelectric bending arc of FIG. 3 and 4 can be implemented as a single layer, multilayer or as a piezo-metal composite.
Ih der Fig. 4 ist eine Variante des Piezogenerators 1 dargestellt, die in derIh of Fig. 4 is a variant of the piezoelectric generator 1 is shown in the
Funktionsweise und im Aufbau sich von der Figur 3 dadurch unterscheidet, dass anstelle einer starren Haube 12 ein hochelastischer Globtop 16 den Biegebalken 11 vor einer Blockierung durch eine starre Vergussmasse 13 schützt. Aufgrund der Elastizität der Globtop-Hülle ist es möglich, dass sich der Biegebalken 11 aufgrund der Beschleunigungskräfte, die montagebedingt beim Übergang in den und aus den Bereich der Reifenaufstandsfläche 6 auf den Sensortransponder 1 wirken, verformen kann.
Eine alternative Ausgestaltung des piezoelektrischen Elementes ist in der Figur 5 dargestellt, bei der statt eines Biegebalkens 11 gemäß der Figuren 3 und 4 ein mehrlagiger als Piezoelement ausgebildeter Axialsensor 110 über eine elektrisch leitfähige Schicht 14 auf dem Träger 9 montiert ist. Die Montage kann überFunctioning and construction differs from that of FIG. 3 in that, instead of a rigid hood 12, a highly elastic globtop 16 protects the bending beam 11 from being blocked by a rigid potting compound 13. Due to the elasticity of the globtop sheath, it is possible that the bending beam 11 may deform due to the acceleration forces, which act on the sensor transponder 1 as a result of the assembly as it moves into and out of the area of the tire footprint 6. An alternative embodiment of the piezoelectric element is shown in FIG. 5, in which, instead of a bending beam 11 according to FIGS. 3 and 4, a multilayer axial sensor 110 designed as a piezo element is mounted on the carrier 9 via an electrically conductive layer 14. The assembly can over
Kleben, Löten oder Leihpressen erfolgen. Zusätzlich ist eine seismische Masse 15 auf dem als Piezoelement ausgebildeten Axialsensor 110 aufgebracht, um den piezoelektrischen Effekt zu erhöhen. Umgeben ist der Sensortransponder 1 wieder von einem Globtop 16, der eine Trennung von einer festen Vergussmasse 13 bewirkt und eine Bewegung des Piezoelementes ermöglicht.Gluing, soldering or lending press done. In addition, a seismic mass 15 is applied to the axial sensor 110 formed as a piezoelectric element in order to increase the piezoelectric effect. Surrounding the sensor transponder 1 is again from a Globtop 16, which causes a separation of a solid potting compound 13 and allows movement of the piezoelectric element.
Eine alternative Ausgestaltung des Piezogenerators 1 ist in der Figur 6 dargestellt, bei der die elastische Kontaktschicht 14, wie in der Fig. 7 gezeigt, als eine facettenförmige Kontaktschicht ausgebildet ist, die zur Richtungserkennung dient. Dabei sind verdrahtungsseitige Kontaktierflächen 111, 112, 113 desAn alternative embodiment of the piezoelectric generator 1 is shown in FIG. 6, in which the elastic contact layer 14, as shown in FIG. 7, is designed as a facet-shaped contact layer which serves to detect the direction. In this case, wiring-side contacting surfaces 111, 112, 113 of the
Piezoelementes 110 in Facettenform ausgeführt, wodurch es möglich ist, durch Differenzbildungen über die Padspannungen zusätzlich die Quer- und Längsbeschleunigungen zu erkennen. Auch ist zu erkennen, dass drei der Kontaktflächen 111, 112, 113, 114 mit einer Differenzier Schaltung verbunden sind.Piezoelementes 110 executed in facet form, whereby it is possible to additionally detect the transverse and longitudinal accelerations by forming differences on the pad voltages. It can also be seen that three of the contact surfaces 111, 112, 113, 114 are connected to a differentiating circuit.
In der Figur 8 ist der grundsätzliche Aufbau eines Sensortransponders 1 mit einer Trägerplatte 9 gezeigt, auf der ein piezoelektrisches Element 110 angeordnet ist, auf dem eine seismische Masse 15 positioniert ist. Damit eine Beweglichkeit aufgrund der Zentripetalbeschleunigungen ermöglicht ist, ist die Anordnung aus dem piezoelektrischen Element 110 und seismischer Masse 15 über ein Gehäuse 12 oder ein Globtop geschützt. Ein Kondensator 17 dient als Ladungsspeicher, ebenfalls ist eine ECU 18 auf der Trägerplatte 9 angeordnet, verbunden mit über einer Übertragungseinrichtung 19, beispielsweise einem Sender. Zusätzlich können Sensoren für Druck und Temperatur auf der Trägerplatte 9 montiert und von der ECU 18 abgefragt werden.
Durch den grundsätzlichen Aufbau und die Anordnung eines Sensortransponders 1 an einer Reifeninnenseite in der Äquatorialebene des Reifens wird ein Piezogenerator bereitgestellt, der zur Aufladung eines elektrischen Ladungsspeichers 17 oder als zusätzliche Energiequelle für batterie- oder hochfrequenzgespeiste Transpondersysteme dient. Der Energiegenerator nutzt die Beschleunigung, die auf ein an einen Reifen angebrachten Transpondermodul während der Raddrehung einwirken. Ab einer bestimmten Ladespannung kann die Messung über einen Sensor und nachfolgend die Übertragung über den Transponder gestartet werden. Eine Triggerung kann sowohl asynchron bei Erreichen einer bestimmten Ladung oder synchron auf externe Anforderung erfolgen. Als Piezowerkstoff sind Quarz, Piezokeramik oder Piezofolien geeignet, die bei einer mehrlagigen Stapelung als Piezostack 110 als reine Axialkraftsensoren eingesetzt werden können. Alternativ ist die Ausbildung des Piezoelementes als ein Biegebalken 11 vorgesehen. Ebenfalls ist es möglich, Scherkräfte oder Torsionskräfte durch eine entsprechende Anordnung der piezoelektrischen Elemente auszunutzen.8 shows the basic structure of a sensor transponder 1 with a support plate 9, on which a piezoelectric element 110 is arranged, on which a seismic mass 15 is positioned. In order to enable mobility due to the centripetal accelerations, the arrangement of the piezoelectric element 110 and seismic mass 15 is protected by a housing 12 or globtop. A capacitor 17 serves as a charge storage, also an ECU 18 is arranged on the support plate 9, connected to a transmission device 19, for example a transmitter. In addition, pressure and temperature sensors can be mounted on the support plate 9 and polled by the ECU 18. Due to the basic structure and the arrangement of a sensor transponder 1 on a tire inside in the equatorial plane of the tire, a piezoelectric generator is provided which serves to charge an electric charge storage 17 or as an additional source of energy for battery or high frequency powered transponder systems. The power generator uses the acceleration that acts on a tire-mounted transponder module during wheel rotation. From a certain charging voltage, the measurement can be started via a sensor and subsequently the transmission via the transponder. Triggering can take place either asynchronously when a certain charge is reached or synchronously as an external request. Quartz, piezoceramics or piezo foils are suitable as piezo material, which can be used as a piezo stack 110 as pure axial force sensors in a multilayer stacking. Alternatively, the formation of the piezoelectric element is provided as a bending beam 11. It is also possible to utilize shear forces or torsional forces by means of a corresponding arrangement of the piezoelectric elements.
Insbesondere beim Übergang in und aus der Reifenaufstandsfläche wirken hohe Änderungen der Beschleunigungskräfte auf das piezoelektrische Elemdnt, die zu Ladungsverschiebungen führen. Die mit dem piezoelektrischen Element verbundene Gleichrichterschaltung polarisiert diese Ladung und speichert sie in einem Ladungsmengenspeicher, beispielsweise Kondensator 17. Der Kondensator 17, die Schaltung 18 und die Transponderelektronik 19 sind in einer starren Vergussmasse 13 oder auch einem Mould geschützt, während eine elastische Globtop-Hülle 16 oder ein Gehäuse 12 das piezoelektrische Element schützen und eine Beweglichkeit ermöglichen.Especially at the transition in and out of the tire footprint, high changes in the acceleration forces act on the piezoelectric element resulting in charge shifts. The rectifier circuit connected to the piezoelectric element polarizes this charge and stores it in a charge quantity memory, such as capacitor 17. The capacitor 17, the circuit 18 and the transponder electronics 19 are protected in a rigid potting compound 13 or a mold, while a globtop elastic sheath 16 or a housing 12 protect the piezoelectric element and allow mobility.
Die durch das piezoelektrische Element erzeugte Energie kann über leistungsstarke Kondensatoren gesammelt werden. Diese Energie wird zur Versorgung der ECU 18, der HF-Strecke und der Sensorelektronik verwendet. Desweiteren kann das piezoelektrische Element als Energiegenerator zum Betrieb einer Mikropumpe dienen, die Diffusionsverluste in einem Reifen ausgleicht,
ohne dass zusätzliche Energie zugeführt werden muss. Der Piezogenerator ermöglicht eine Einsparung von Elektronik im Radkasten sowie höhere Sendereichweiten, was zu einer Verringerung der Anzahl der Sendeantennen führt. Ebenfalls ist es möglich, aufgrund der hohen Zentripetalbeschleunigungen relativ kleine Generatoren mit piezoelektrischen Elementen zu verwenden.The energy generated by the piezoelectric element can be collected via powerful capacitors. This energy is used to power the ECU 18, the RF link and the sensor electronics. Furthermore, the piezoelectric element can serve as an energy generator for operating a micropump, which compensates for diffusion losses in a tire, without additional energy needs to be supplied. The piezoelectric generator enables electronics to be saved in the wheel housing and higher transmission ranges, which leads to a reduction in the number of transmitting antennas. It is also possible to use relatively small generators with piezoelectric elements due to the high centripetal accelerations.
In der Figur 9 ist eine montierte Sensortransponderanordnung gezeigt, bei der ein piezoelektrisches Element 11 an einem Verdrahtungsträger angeordnet ist. Zusätzlich befinden sich auf dem Träger 9 eine elektrische Beschallung 18 des Sensortransponders und gegebenenfalls ein zusätzlicher Beschleunigungssensor 30. Das Piezoelement 11 ist über eine Kontaktierschicht 25 mit dem Träger 9 verbunden. Die mechanische Anbindung des Piezoelementes 11 an die Reifeninnenseite 21 erfolgt über eine elastische Koppelschicht 22. Diese elastische Koppelschicht 22 ermöglicht es, dass sich das piezoelektrische Element 11 bei einer Beschleunigungsänderung bewegt und elektrische Energie erzeugt. Der Verdrahtungsträger 9 ist partiell mit einem Moldmaterial 13' umspritzt. Die elektrische Anbindung des Verdrahtungsträgers 9 erfolgt über Leadframe 23, der wiederum mit Steckerpins 20 verbunden ist. Zusätzlich erfolgt eine mechanische Fixierung des durch das Moldmaterial 13' geschützten Sensortransponders innerhalb des Gehäuses 12 über eine Vergussmasse 13. Das Gehäuse 12 wird über eine umlaufende Verbindungsstelle 24, beispielsweise als Gurt oder Band ausgebildet, mit der Reifeninnenseite 21 verbunden. Das Gehäuse 12 kann in der Reifeninnenseite 21 auch einvulkanisiert werden. Die auf das piezoelektrische Element einwirkenden Kräfte können Axial-, Biege-, Scher- oder Torsionskräfte sein. Eine Ankopplung des piezoelektrischen Elementes 11 an den Reifen 1 erfolgt über die elastische Koppelschicht 22, die auch als visko-elastische Klebeschicht ausgebildet sein kann.
FIG. 9 shows a mounted sensor transponder arrangement in which a piezoelectric element 11 is arranged on a wiring carrier. In addition, there are electrical sounding 18 of the sensor transponder and possibly an additional acceleration sensor 30 on the carrier 9. The piezoelement 11 is connected to the carrier 9 via a contacting layer 25. The mechanical connection of the piezoelectric element 11 to the tire inner side 21 via an elastic coupling layer 22. This elastic coupling layer 22 allows the piezoelectric element 11 moves at a change in acceleration and generates electrical energy. The wiring carrier 9 is partially encapsulated with a molding material 13 '. The electrical connection of the wiring substrate 9 via lead frame 23, which in turn is connected to connector pins 20. In addition, a mechanical fixation of the protected by the mold material 13 'sensor transponder within the housing 12 via a potting compound 13. The housing 12 is connected via a peripheral connection point 24, for example, formed as a belt or band, connected to the tire inner side 21. The housing 12 can also be vulcanized in the tire inner side 21. The forces acting on the piezoelectric element forces may be axial, bending, shear or torsional forces. A coupling of the piezoelectric element 11 to the tire 1 via the elastic coupling layer 22, which may also be formed as a visco-elastic adhesive layer.