專利名稱：具有金屬芯的壓電陶瓷纖維的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及用于輪胎和車輪組件應(yīng)用中的改進(jìn)的壓電材料，尤其是用在傳感器或者致動器中或者用在輪胎電子組件或者其它振動系統(tǒng)的發(fā)電模塊中。
背景技術(shù)：
充氣輪胎結(jié)構(gòu)與電子設(shè)備的組合產(chǎn)生了很多實際的優(yōu)點(diǎn)。輪胎電子設(shè)備可以包括傳感器和用于獲得有關(guān)輪胎的多種物理參數(shù)，例如溫度、壓力、輪胎旋轉(zhuǎn)的數(shù)量、車輛速度等的信息的其它部件。在輪胎監(jiān)控和警示系統(tǒng)中這種性能信息可以變得有用，并且甚至可以能和反饋系統(tǒng)一起使用以調(diào)整適當(dāng)?shù)妮喬毫?，以及和車輛性能與控制系統(tǒng)一起使用。
然而對于商業(yè)車輛的應(yīng)用，由與輪胎結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起的電子系統(tǒng)提供的另一個可能的性能對應(yīng)于資產(chǎn)跟蹤和特性描述。商用卡車車隊、航空飛行器和重型推土機(jī)/采礦車輛都是能夠受益于輪胎電子系統(tǒng)和相關(guān)的信息傳輸?shù)目尚械墓I(yè)。輪胎傳感器可以確定車輛中每個輪胎已經(jīng)行進(jìn)的距離并由此幫助維持用于這種商業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計。對于更昂貴的應(yīng)用，例如這些有關(guān)的地面采礦設(shè)備，可以優(yōu)化車輛位置和特性。使用RF標(biāo)記傳輸可以跟蹤車輛的整個疾馳(fleets)過程。
某些壓電材料已經(jīng)用在有關(guān)輪胎和車輪組件以及其它振動系統(tǒng)中的多種應(yīng)用中。例如，壓電變換器可以用作傳感器以測量對外加聲場的響應(yīng)。壓電致動器可以將施加的電場轉(zhuǎn)換成運(yùn)動能量和機(jī)械位移。已經(jīng)應(yīng)用了壓電簧片和其它專門的壓電結(jié)構(gòu)，以將輪胎轉(zhuǎn)動的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成用于給輪胎的電子設(shè)備組件供電的電能。
由于和壓電材料的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行能力內(nèi)在相關(guān)的獨(dú)特本性和潛在的局限性，所以在上述應(yīng)用的和其它方案的壓電材料的使用經(jīng)常受到限制。壓電晶體和纖維經(jīng)常經(jīng)受高應(yīng)變等級下的裂化和/或軋碎。壓電陶瓷需要至少一次還原處理來調(diào)整材料的極域，由此使它能夠起到傳感器或者致動裝置的作用。為了壓電裝置的有效操作，通常必須精確設(shè)置和保持具有壓電材料的電極的組合。另外，某些類型的壓電材料可以不是充分適用于所給出的應(yīng)用或者在所給出的環(huán)境中。例如，盡管鋯鈦酸鉛(PZT)材料通常以所需的運(yùn)行特性為特征，但是對于某些應(yīng)用，鋁基材料可能不是優(yōu)選的。
根據(jù)本發(fā)明的主旨，可以意識到的是，很久就已經(jīng)認(rèn)識到壓電材料的某些優(yōu)點(diǎn)。但是，一直在不斷地在改進(jìn)這種技術(shù)，由此可能提供使用具有改進(jìn)了運(yùn)行能力的壓電材料和壓電結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。本發(fā)明提出了目前所公開關(guān)注的和其它關(guān)于多種輪胎和車輪組件應(yīng)用所使用的壓電材料的方案，以及提出用于這些應(yīng)用和其它方面的改進(jìn)的壓電結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到由本發(fā)明主旨提出的公認(rèn)的特征，已經(jīng)研制了用于和輪胎和車輪組件應(yīng)用有關(guān)的改進(jìn)的壓電陶瓷。改進(jìn)的壓電陶瓷結(jié)構(gòu)包括由金屬芯形成的并設(shè)置有外導(dǎo)電層壓電陶系纖維。金屬芯和導(dǎo)電層給壓電材料充當(dāng)?shù)谝缓偷诙姌O，并可以與應(yīng)用在傳感器或者致動裝置中的或者用在輪胎電子設(shè)備組件的發(fā)電模塊中的另外的電子設(shè)備相互作用。
本發(fā)明的壓電技術(shù)和輪胎電子設(shè)備應(yīng)用的多個特征和方案提供了多個優(yōu)點(diǎn)。由于壓電結(jié)構(gòu)獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，公開的壓電結(jié)構(gòu)具有有效的設(shè)計通用性。在它們的未加工狀態(tài)，壓電陶瓷的柔韌特性使得形成具有多種橫截面形狀的目標(biāo)壓電瓷材料。另外，可以多種不同的結(jié)構(gòu)來定向該結(jié)構(gòu)，例如基本上以直線，以二維正弦結(jié)構(gòu)或者以三維螺旋線結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明技術(shù)的另一個優(yōu)點(diǎn)是公開的壓電技術(shù)可以用于作為單一結(jié)構(gòu)或者作為模塊聚集的多種應(yīng)用。通過提供外導(dǎo)電層電極，有利于在模塊補(bǔ)片狀組件中組合多個壓電結(jié)構(gòu)。模塊組件可以設(shè)置成多層，并且可為了在特殊環(huán)境中運(yùn)行和安裝到特殊表面而定制該模塊組件。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點(diǎn)是可以用較低的還原電壓幅度以及在較低的溫度位還原公開的壓電結(jié)構(gòu)，由此有利于壓電裝置的任何必需的還原。裝置的機(jī)械致動所需的電壓電勢電平的幅度的相應(yīng)降低，使公開的結(jié)構(gòu)可理想的用于某些壓電致動器應(yīng)用中。
本發(fā)明的附屬結(jié)構(gòu)不僅可以作為致動裝置，而且可以作為條件響應(yīng)裝置，例如變換器或傳感器，或者作為發(fā)電裝置。設(shè)置在輪胎組件中的發(fā)電裝置可以給許多輪胎電子系統(tǒng)供電，包括轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)器、圓周傳感器、可反復(fù)充電電池組、閃光組件、微控制器、全球定位系統(tǒng)(GPS)和射頻(RF)收發(fā)機(jī)和其它RF裝置。當(dāng)公開的技術(shù)用作發(fā)電裝置時，該結(jié)構(gòu)提供不依賴于電池組的替換的自供電輪胎電子系統(tǒng)。盡管電池組和電池組運(yùn)行的裝置仍可以和本發(fā)明的方案相結(jié)合，但是根據(jù)公開的技術(shù)，可以避免關(guān)于僅由電池組或者其它供電方案供電的輪胎電子設(shè)備的很多復(fù)雜問題。
本發(fā)明的另外的優(yōu)點(diǎn)包括關(guān)于用于本發(fā)明結(jié)構(gòu)中的材料類型設(shè)計的多功能性。一種通常更適用于發(fā)明結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維中的壓電材料的優(yōu)選類型是鈦酸鋇，由于它不包括任何鉛，所以在很多應(yīng)用中被優(yōu)選使用。
本發(fā)明的仍然另一個優(yōu)點(diǎn)是，根據(jù)目前的多種應(yīng)用可以使用用于產(chǎn)生電源和使用這種電源的所公開的系統(tǒng)的方法。檢測性能、監(jiān)控和警示系統(tǒng)、車輛反饋系統(tǒng)和資產(chǎn)跟蹤潛力(asset tracking potential)可以用于例如商業(yè)輕型載重汽車、飛機(jī)和采礦/重型推土機(jī)裝備的應(yīng)用中。
在本發(fā)明的一個典型實施例中，電子設(shè)備組件包括至少一個壓電線結(jié)構(gòu)(piezoelectric wire structure)和微控制器。壓電線結(jié)構(gòu)包括壓電材料的細(xì)長部分、金屬芯和外導(dǎo)電層。金屬芯基本上被壓電材料的細(xì)長部分圍繞并設(shè)置成起到壓電結(jié)構(gòu)的第一電極的作用。該外導(dǎo)電層優(yōu)選覆蓋壓電材料的細(xì)長部分的所選區(qū)域，并起到壓電結(jié)構(gòu)的第二電極的作用。將微控制器連接到至少一個壓電線結(jié)構(gòu)，用于監(jiān)控由壓電結(jié)構(gòu)(例如根據(jù)被設(shè)置成作為條件響應(yīng)裝置的壓電線結(jié)構(gòu))產(chǎn)生的電荷的數(shù)量或者用于監(jiān)控提供給壓電線結(jié)構(gòu)(例如根據(jù)被設(shè)置成作為機(jī)械致動器的壓電線結(jié)構(gòu))的電荷的數(shù)量。當(dāng)將壓電線結(jié)構(gòu)設(shè)置成作為條件響應(yīng)裝置工作時，該結(jié)構(gòu)可以監(jiān)控預(yù)定的特性，例如溫度和/或壓力，和/或相對穩(wěn)定的程度和/或動力。當(dāng)應(yīng)用在像輪胎或者車輪組件這樣的環(huán)境中時，還可以應(yīng)用壓電線結(jié)構(gòu)來確定像輪胎/車輪轉(zhuǎn)動的數(shù)量和/或車輛速度這樣的信息。RF裝置可以進(jìn)一步連接到壓電線結(jié)構(gòu)(例如通過微控制器)用于傳送由壓電結(jié)構(gòu)輸出的信號或者用于給壓電結(jié)構(gòu)輸入信號。
本技術(shù)的另一個典型實施例對應(yīng)于發(fā)電裝置以及儲能裝置，發(fā)電裝置包括如上面所述的多個壓電結(jié)構(gòu)的模塊補(bǔ)片(patch)。根據(jù)這種模塊組件，將可集中的多個內(nèi)芯設(shè)置成第一電極，同時由包圍所有結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電材料形成第二電極。將模塊補(bǔ)片設(shè)置成當(dāng)發(fā)電裝置經(jīng)受機(jī)械振動時在其中產(chǎn)生電荷?？梢越?jīng)受這種機(jī)械振動的環(huán)境的例子是在輪胎中或者車輪組件中。設(shè)置儲能裝置(例如電容器或者可反復(fù)充電電池組)以存儲由模塊補(bǔ)片產(chǎn)生的選擇量的電荷。然后利用所存儲的能量給這些電子部件供電，例如，轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)器、圓周傳感器、閃光組件、微控制器、RF裝置和GPS裝置等。
根據(jù)上述電子組件，可以監(jiān)控由這種結(jié)構(gòu)的至少一個壓電線結(jié)構(gòu)或者模塊補(bǔ)片產(chǎn)生的電荷的數(shù)量，以確定該結(jié)構(gòu)的效率什么時候降到低于預(yù)定閾值，例如可以表示需要再還原(repole)壓電結(jié)構(gòu)。在確定需要這種再還原的情況中，壓電結(jié)構(gòu)的電極可以連接到能夠施加足夠電荷的電源以實現(xiàn)裝置的再還原。
本發(fā)明的仍然另一個典型實施例涉及具有綜合發(fā)電特性的輪胎組件，該輪胎組件包括充氣輪胎結(jié)構(gòu)和如上所述的壓電材料的模塊補(bǔ)片。該充氣輪胎結(jié)構(gòu)的特征在于具有用于和地面接觸的胎面部分的胎冠、用于放置輪胎到輪箍的胎緣部分和在每個胎緣部分和胎冠之間延伸的側(cè)壁部分。模塊補(bǔ)片與充氣輪胎結(jié)構(gòu)的所選擇部分結(jié)合在一起，并設(shè)置成當(dāng)充氣輪胎結(jié)構(gòu)經(jīng)受機(jī)械應(yīng)力時在其中產(chǎn)生電荷。在一些實施例中，儲能裝置設(shè)置成接收壓電材料的模塊補(bǔ)片中產(chǎn)生的電荷，并將所選擇量的能量存儲在其中。為了促進(jìn)發(fā)電裝置和輪胎結(jié)構(gòu)的結(jié)合，模塊補(bǔ)片可以附著到或者嵌入壓電線結(jié)構(gòu)中。
本發(fā)明的另一個典型實施例涉及一種從與振動系統(tǒng)結(jié)合在一起的壓電材料產(chǎn)生電能的方法。這種方法包括相對于振動系統(tǒng)在所選擇的位置提供至少一個壓電線結(jié)構(gòu)的步驟，使至少一個壓電線結(jié)構(gòu)經(jīng)受與振動系統(tǒng)相關(guān)的機(jī)械應(yīng)力，以及存儲當(dāng)經(jīng)受機(jī)械應(yīng)力時在至少一個壓電線結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的所選量的電荷。該至少一個壓電線結(jié)構(gòu)特征在于設(shè)置有內(nèi)電極和外電極的壓電材料的細(xì)長部分。在該結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的電能可以用于為和振動系統(tǒng)相關(guān)的電子設(shè)備通電。
從這里的具體描述可以陳述本發(fā)明的另外的目的和優(yōu)點(diǎn)，或者對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將是顯而易見的。而且，應(yīng)當(dāng)還可以理解的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的條件下，可以在多種實施例和本發(fā)明的用途中實踐對此處具體描述、談及的和論述內(nèi)容的更改和變化。變化可以包括(但是不局限于)對于那些說明的、參考的或者論述的，以及不同部分、特征、步驟等的功能的、操作的或者反向位置的等價裝置、特征或者步驟的置換。
另外的，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的不同實施例，以及目前不同的優(yōu)選實施例可以包括目前公開的特征、步驟或者部件或者它們的等價物(包括沒有在圖中明確示出或者沒有在這些圖中的具體論述中所描述的特征、部件或者步驟的組合)的多種組合或者配置。本發(fā)明的另外的特征，不必是在該概述部分中明確說明的，其可以包括和并入在上述概述的結(jié)果中提及的特征、部件或者步驟的方案，和/或如在該申請中另外論述的其它特征、部件或者步驟。通過閱讀該說明書的剩余部分，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將更好的理解這些實施例的特征和方案以及其它。


參考附圖，在說明書中向本領(lǐng)域普通技術(shù)人員論述了包括其最優(yōu)模式的本發(fā)明的全面和允許的公開，其中圖1示出了通常用于本發(fā)明的實施例中的典型壓電線結(jié)構(gòu)的橫截面透視圖；圖2示出了用于本發(fā)明的一些實施例中的壓電線結(jié)構(gòu)的功能連接的透視圖，其用作模塊化壓電補(bǔ)片；圖3A和3B分別示出了根據(jù)本發(fā)明的典型輪胎組件的立體圖，示出了用于定向具有充氣輪胎結(jié)構(gòu)的壓電補(bǔ)片的分別的典型結(jié)構(gòu)；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的以通常二維正弦取向設(shè)置的典型壓電線結(jié)構(gòu)；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的以通常三維螺旋線取向設(shè)置的典型壓電線結(jié)構(gòu)；圖6是具有根據(jù)本發(fā)明設(shè)置有附加支撐特征和外圍電子部件的模塊壓電補(bǔ)片的細(xì)長的頂透視圖的立體圖。
整個本說明書和附圖中，重復(fù)使用的參考字符旨在說明本發(fā)明的相同或者相似特征或者部件。
具體實施例方式
如在本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容部分所述的，本發(fā)明尤其涉及用于輪胎和車輪組件應(yīng)用中的具有改進(jìn)的壓電材料，以及更特別的是用于傳感器或者致動裝置中或者用于輪胎電子設(shè)備組件的發(fā)電模塊中的具有改進(jìn)的壓電材料。改進(jìn)的壓電材料包括與金屬芯一起形成的壓電陶瓷纖維，例如鈦酸鋇，在圖1、2、4和5中描述了這些方面。在圖3A和3B中描述了與輪胎組件集成的這種壓電結(jié)構(gòu)。當(dāng)在發(fā)電應(yīng)用中使用本發(fā)明的壓電模塊時，該模塊可以用于發(fā)電系統(tǒng)，如圖6所示。
所公開技術(shù)的上述方案的所選組合對應(yīng)于本發(fā)明的多個不同實施例。應(yīng)當(dāng)注意的是，這里示出和論述的每個實施例不應(yīng)當(dāng)視為對本發(fā)明的限制。作為一個實施例的一部分，所舉例說明和描述的特征或者步驟可以和另一個實施例的部分一起使用，以產(chǎn)生另外的實施例。另外，某些特征可以與沒有確切提到的能完成相同或者相似功能的類似裝置或者特征相互交換。類似地，某些處理步驟可以與其它步驟共同互相交換或者應(yīng)用，以產(chǎn)生本發(fā)明的另外的典型實施例。
現(xiàn)在，將結(jié)合集成在輪胎或者車輪組件中的電子系統(tǒng)一起來詳細(xì)說明本發(fā)明的壓電結(jié)構(gòu)的優(yōu)選實施例?，F(xiàn)在參考附圖，圖1提供了典型壓電線結(jié)構(gòu)10的通常的橫截面透視圖。壓電線材料10由具有金屬芯14的部分壓電材料12構(gòu)成?？梢酝ㄟ^共同擠壓法以細(xì)長的線狀結(jié)構(gòu)形成這些部分，或者可以通過浸漬、噴鍍、等離子沉積或者本領(lǐng)域知道的其它制備方法在金屬芯上形成壓電材料。在一些實施例中，該線狀結(jié)構(gòu)10可以具有大約在五十(50)和五百(500)微米之間的典型直徑18的通常圓形的橫截面。應(yīng)當(dāng)可以理解的是，這個示意性的尺寸不應(yīng)當(dāng)限制本發(fā)明，對于特殊的應(yīng)用，更小或者更大的橫截面尺寸也是容易理解的。還應(yīng)當(dāng)可以理解的是，盡管在圖1所示的結(jié)構(gòu)被描述成具有通常圓形的橫截面，但是還可考慮其它的結(jié)構(gòu)，例如具有通常方形橫截面或者其它形狀，并由此落在本發(fā)明公開的技術(shù)的精神和范圍之內(nèi)。借助陶瓷材料的柔韌特性，在煅燒裝置之前它的生坯狀態(tài)便于結(jié)構(gòu)10的設(shè)計多功能性。
結(jié)構(gòu)10的壓電材料12優(yōu)選是纖維狀的壓電陶瓷，例如鈦酸鋇或者鋯鈦酸鉛(PZT)纖維，但是在以下實施例中還可以對應(yīng)于例如石英、硫化鎘、聚偏氟乙稀(PVDF)或者聚氯乙烯(PVC)的材料，或者可以被本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的以其它纖維或者晶體形式的其它壓電材料。應(yīng)當(dāng)可以理解的是，這些典型材料的某些更適用于輪胎結(jié)構(gòu)中，并且材料選擇由此可以依賴于某些性能特性。例如，公知PZT陶瓷在很多環(huán)境中具有相對高性能的良率，并由此對某些應(yīng)用有益。然而，由于鈦酸鋇類似于無鉛的壓電陶瓷，它可以更適于其它應(yīng)用。應(yīng)當(dāng)注意的是，關(guān)于這些和其它壓電材料的技術(shù)進(jìn)步可以使得所給出的壓電材料更適合用于車輛應(yīng)用，并由此落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，以包括在本發(fā)明結(jié)構(gòu)中的這種新研制材料。
仍然參考圖1，壓電線結(jié)構(gòu)10的金屬芯14形成用于壓電裝置的第一電極，同時圍繞壓電材料設(shè)置的外導(dǎo)電層16充當(dāng)裝置的第二電極。由于壓電材料中的裂化或破裂將固有地降低它的運(yùn)行特性，所以外導(dǎo)電層16還提供對壓電材料12的有益的保護(hù)。用于這種導(dǎo)電部分14和16的典型材料包括銀鈀合金、鎳、銅、鋁纖維或者其它金屬襯底，或者如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的金屬合金。這種合成結(jié)構(gòu)10的還原方向在內(nèi)導(dǎo)電芯14和外導(dǎo)電層16之間。
一旦形成結(jié)構(gòu)10，為了對準(zhǔn)壓電陶瓷纖維的域或者局部對準(zhǔn)的鄰接偶極的區(qū)域，必須還原該裝置。還原處理通常包含使壓電陶瓷12承受強(qiáng)大的、直流電場，例如通過向由導(dǎo)體部分14和16形成的第一和第二電極施加電壓。這通常在稍微低于居里溫度的溫度下完成，這是在仍然能正常運(yùn)行時還原的壓電材料所能處于的最大溫度。
在壓電材料10經(jīng)受還原處理之后，大多數(shù)壓電材料的偶極在還原方向被對準(zhǔn)，由此使得該結(jié)構(gòu)有效地顯示壓電特性。當(dāng)結(jié)構(gòu)10經(jīng)受應(yīng)力，例如機(jī)械張力或者壓力時，在兩個電極14和16之間產(chǎn)生電壓，由此將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。根據(jù)這種壓電動作，結(jié)構(gòu)10可以用作傳感器或者發(fā)電裝置，這將在后面更具體的描述。相反，如果將與還原電壓相同極性的電壓施加給壓電材料12(電極14和16兩端)，那么結(jié)構(gòu)10的直徑18將增加，由此將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。如果將與還原電壓的極性相反的電壓施加給結(jié)構(gòu)10，直徑18將減小。這種類型的壓電動作使得結(jié)構(gòu)10能夠用作致動裝置，這將在后面更具體的描述。
在壓電結(jié)構(gòu)以上述方式有效地運(yùn)行之前，幾乎所有的壓電材料都必須被還原。在圖1中描述的新穎布置產(chǎn)生了能夠用較低的還原電壓幅度以及在較低的溫度水平下被還原的結(jié)構(gòu)，由此極大地簡化了結(jié)構(gòu)10的制造和多種線狀部件的任何模塊聚集。這還降低了裝置的機(jī)械致動所需的電壓電勢電平的振幅。
還應(yīng)當(dāng)注意的是，甚至在壓電結(jié)構(gòu)經(jīng)受初始還原處理之后，過多的受到機(jī)械和/或電應(yīng)力可以使得壓電材料質(zhì)量退化，導(dǎo)致壓電偶極的不對準(zhǔn)和壓電結(jié)構(gòu)10的性能下降。同樣地，必須再還原(repole)該裝置，其表示了還原和再還原該裝置所需的降低的電勢電平的附加優(yōu)點(diǎn)。本技術(shù)的很多實施例在輪胎或者車輪應(yīng)用中使用本發(fā)明的壓電結(jié)構(gòu)。如果在壓電結(jié)構(gòu)已經(jīng)被初始還原并和輪胎結(jié)構(gòu)組合在一起之后需要更新，那么相對低的還原電壓要求可以使得更容易在輪胎內(nèi)提供用于還原壓電結(jié)構(gòu)的裝置?？梢酝ㄟ^根據(jù)壓電的發(fā)電存儲的電荷或者通過提供可選擇的電源(例如電池組)來影響這種壓電裝置。參考圖6將在后面示出這種還原特性的更優(yōu)選的方案。
根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)，可以將多個壓電結(jié)構(gòu)組合在一起，以形成壓電結(jié)構(gòu)的模塊補(bǔ)片，其在圖2中表示成組件20。組件20組合了多個結(jié)構(gòu)10，其中設(shè)置的各個外電極16彼此接觸，由此形成用于組件20的公共電極端。通過嵌入由各個芯14和在金屬化的、導(dǎo)電環(huán)氧樹脂等的統(tǒng)一部分中的壓電部分12形成的多個共同擠壓的線，在各個實施例中形成公共電極端也是可能的。到各個內(nèi)芯14的單獨(dú)電連接用作其它組件端子。通過如本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的許多公知方法可以影響這種端子的形成，因此此處不再詳述。用于結(jié)束各個內(nèi)芯的連接類型的例子是公知的帶狀連接器或者多個鉗狀連接，如通過圖6的端子22所示。
當(dāng)在如圖2的組件20中組合多個結(jié)構(gòu)10時，由于獨(dú)特的電極構(gòu)成，所以壓電結(jié)構(gòu)10的結(jié)構(gòu)變得尤其有益。對于多層(例如，圖2中示出的三層)形成壓電組件的有源區(qū)域是可能的。在其它公知的壓電補(bǔ)片實施例中，在單平面層中并排設(shè)置多個壓電纖維(沒有內(nèi)芯電極)。然后，例如沿著平面纖維組件的頂和底表面通過絲網(wǎng)印刷相互交叉的電極指狀物(finger)可以形成第一和第二電極。在電極可以僅僅與一層壓電纖維連接的方面限制這種結(jié)構(gòu)。而且，對于這種組件的有效操作，必須精確地配置和保持電極與壓電材料之間的連接。
根據(jù)本發(fā)明的提供壓電線結(jié)構(gòu)的多層和獨(dú)特模塊構(gòu)成的能力不僅提供了設(shè)計多功能性，而且提供了定制模塊補(bǔ)片的構(gòu)成以適應(yīng)特殊應(yīng)用的能力。例如，當(dāng)它承受通常的機(jī)械應(yīng)力時，如果沿著一個軸相對地定位壓電組件20通常承受的機(jī)械應(yīng)力，那么可以增加有源區(qū)域的厚度(或者層的數(shù)量)以減少組件20中的電容損失。而且，多壓電結(jié)構(gòu)可以組合在模塊中，設(shè)計該模塊以符合特殊的安裝表面，其包括任何宏觀的改變。參考圖3A和3B，根據(jù)輪胎結(jié)構(gòu)24的內(nèi)表面可以形成壓電材料20的模塊補(bǔ)片。通過設(shè)計模塊補(bǔ)片組件以匹配輪胎結(jié)構(gòu)的獨(dú)特輪廓，當(dāng)被添加或者嵌入輪胎內(nèi)時，壓電纖維可以是在非應(yīng)力狀態(tài)。這允許在補(bǔ)片20用作傳感器或者發(fā)電裝置時更好地利用其內(nèi)振動的或者提取的能量。
當(dāng)多個壓電結(jié)構(gòu)10組合在模塊組件20中(例如圖2)時，通常將另外的設(shè)計方案應(yīng)用到線狀結(jié)構(gòu)10相對于輪胎結(jié)構(gòu)24的所選方向(例如圖3A和3B中示出的)。當(dāng)沿著輪胎的圓周方向定位壓電纖維結(jié)構(gòu)時，壓電纖維通常承受高的拉伸應(yīng)變，但是低的壓縮應(yīng)變。根據(jù)圓周的纖維方向，可以優(yōu)選將模塊組件20組合在輪胎結(jié)構(gòu)24的胎冠部分26中，例如在圖3A的典型輪胎組件實施例28中所示的。沿著輪胎的徑向定向纖維方向，將主要能源產(chǎn)生耦合到徑向應(yīng)力。這種定向更不容易導(dǎo)致破壞纖維，但是產(chǎn)生潛在地更高的纖維壓縮脫芯的敏感性。根據(jù)徑向纖維定向，可以優(yōu)選將模塊組件20組合在輪胎結(jié)構(gòu)24的所選擇的側(cè)壁部分30中，如在圖3B的典型輪胎組件實施例28中所示。因此，根據(jù)補(bǔ)片的體積和將要經(jīng)受的特定輪胎環(huán)境，可以決定徑向和圓周地沿著輪胎結(jié)構(gòu)定向本發(fā)明的模塊壓電補(bǔ)片。更特別地，壓電補(bǔ)片的最佳位置和方向可以基于一些因素，比如每個輪胎周期所需的最大功率、沿著徑向和圓周安裝方向的最大拉伸和壓縮應(yīng)力以及在給定時間的壓電補(bǔ)片上的應(yīng)變均勻性。
如在圖3A和3B的典型輪胎組件實施例28中示出的，單一的壓電結(jié)構(gòu)10或者模塊補(bǔ)片20可以安裝到輪胎結(jié)構(gòu)24的內(nèi)胎冠表面26或者內(nèi)側(cè)壁表面30。當(dāng)輪胎結(jié)構(gòu)24的胎面部分25沿著地表面移動并導(dǎo)致輪胎結(jié)構(gòu)彎曲時，這些位置通常很適于驅(qū)動補(bǔ)片20內(nèi)的壓電材料。當(dāng)輪胎組件28沿著能使壓電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電荷的表面移動時，與通常的機(jī)械振動耦合的該輪胎彎曲能使模塊補(bǔ)片的操作充當(dāng)傳感器或發(fā)電裝置。另外，補(bǔ)片20可以安裝或者放置在結(jié)構(gòu)24內(nèi)，例如，在通常的輪胎結(jié)構(gòu)的外胎身和內(nèi)襯部分之間。在被粘接到或者嵌入輪胎中之前，補(bǔ)片20可以可選擇地設(shè)置在另外的橡膠或者合成橡膠外套中，以提供另外的保護(hù)。這種外套另外提供了便于使壓電補(bǔ)片粘接到輪胎結(jié)構(gòu)?？梢钥蛇x擇地提供用于支撐的鄰接于補(bǔ)片20的單側(cè)的橡膠外套，然后可將其粘接到輪胎結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面。根據(jù)用于壓電結(jié)構(gòu)的多個可能位置，應(yīng)當(dāng)可以理解的是，術(shù)語“組合的”通常包括所有可能的位置，包括被安裝在輪胎結(jié)構(gòu)上或者輪胎結(jié)構(gòu)中。
如前所述，可以多種不同的方式應(yīng)用壓電結(jié)構(gòu)10或者模塊補(bǔ)片組件20，如打算用于輪胎和車輪組件以及其它環(huán)境中。例如，根據(jù)本發(fā)明的壓電補(bǔ)片可以用作致動器、傳感器、發(fā)電模塊或者作為所有這些裝置的任何或者全部的組合。由于本發(fā)明壓電結(jié)構(gòu)不受簡支梁(simple beam)或者平面組件的限制，所以可能有無限多種壓電致動器和傳感器實施例。一些典型實施例包括如圖4所示的二維正弦結(jié)構(gòu)10′或者如圖5所示的三維螺旋狀或者彈簧狀結(jié)構(gòu)10″。應(yīng)當(dāng)理解的是，對于壓電結(jié)構(gòu)(通常10)的定向的其它變化落在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。這種實施例可以提供增大的應(yīng)力范圍，在該范圍壓電結(jié)構(gòu)可以有效地運(yùn)行并還可以產(chǎn)生具有數(shù)十個動態(tài)范圍的特別敏感的振動傳感器。
由于壓電致動器通常以相對快的響應(yīng)時間和高效的能量轉(zhuǎn)換為特征，所以作為機(jī)械致動裝置的本發(fā)明的壓電結(jié)構(gòu)的使用是所希望的。壓電致動器通常適合于裝置小型化，由此使得具有單一壓電結(jié)構(gòu)或者具有模塊補(bǔ)片組件的可行的壓電致動器得以實現(xiàn)。由于致動壓電裝置需要相對低的電壓電勢，所以可以實現(xiàn)另外的優(yōu)點(diǎn)。
其中本發(fā)明的壓電結(jié)構(gòu)或者模塊補(bǔ)片可以用作條件響應(yīng)裝置，例如變換器、傳感器、聲學(xué)裝置或者響應(yīng)輸入條件的變化提供某種輸出的其它部件。這種條件響應(yīng)裝置可以用于監(jiān)控任何數(shù)量的輪胎或者車輪特性，例如(但是不局限于)，溫度、壓力、輪胎旋轉(zhuǎn)的數(shù)量、車輛速度以及與作用于輪胎結(jié)構(gòu)或者與輪胎結(jié)構(gòu)(例如側(cè)壁形變或輪胎位移)有關(guān)的三維靜態(tài)和動態(tài)力的大小。壓電變換器的組合可以用在單一聲學(xué)裝置中，通過檢測壓電結(jié)構(gòu)對施加的聲場和其它力的響應(yīng)，該聲學(xué)裝置能夠監(jiān)控與所給輪胎結(jié)構(gòu)相關(guān)的溫度和壓力。
本發(fā)明的壓電結(jié)構(gòu)的另一個重要應(yīng)用對應(yīng)于設(shè)立用在輪胎結(jié)構(gòu)中的發(fā)電裝置。用于為輪胎電子組件供電的常規(guī)電源可以對應(yīng)于電池組或者從最接近的輻射天線獲取的能量。如果電池組是不可反復(fù)充電的，那么可能需要周期地替換它們，并經(jīng)常對他們進(jìn)行處理和效率關(guān)注。從詢問天線獲取的RF能量的實施例經(jīng)常是效率非常低、昂貴且容易損壞。因此，通過獲得當(dāng)輪胎承受機(jī)械應(yīng)力時在壓電補(bǔ)片內(nèi)產(chǎn)生的電荷，根據(jù)本技術(shù)的壓電補(bǔ)片可以提供用于輪胎電子組件的改進(jìn)電源。通常在輪胎旋轉(zhuǎn)過程中，可以產(chǎn)生足量的機(jī)械應(yīng)力。
如下文所示的，具有壓電材料的本發(fā)明發(fā)電裝置的性能具有超過用于在輪胎組件內(nèi)提供電源的常規(guī)技術(shù)的很多優(yōu)點(diǎn)。如上面討論的，天線射束能量獲取技術(shù)不再是選自于為輪胎電子設(shè)備供電的其中一個受限的選擇。同樣，通常提高了很多類型的輪胎電子設(shè)備的操作性能。利用電池組供電的選擇不再是必須的，由此避免了昂貴的和麻煩的電池組替換。盡管目前公開的技術(shù)提出了能夠不使用天線射束能量和電池組的發(fā)電裝置，但是應(yīng)當(dāng)可以理解的是，發(fā)電裝置可以應(yīng)用壓電技術(shù)和/或電池組和/或天線射束獲取技術(shù)的混合組合，用于給車輪組件內(nèi)不同選擇的電子部件供電。
當(dāng)壓電補(bǔ)片20用作發(fā)電裝置時，它通常與某些儲能和/或調(diào)節(jié)裝置32一起設(shè)置，如圖6所示的。儲能裝置32可以和第一和第二電端子22和34并連連接，使得當(dāng)它承受機(jī)械應(yīng)力時接收在補(bǔ)片20中產(chǎn)生的所選數(shù)量的電荷。儲能裝置32可以相當(dāng)于電解電容器，例如至少大約47μF的松下TEL系列鉭電容器。其它類型的電容，例如超級電容器或者非電解電容器可以同樣適用于作為儲能裝置32使用。儲能裝置32還可以相當(dāng)于可反復(fù)充電電池組，例如LiteStar牌的固態(tài)可反復(fù)充電電池組，例如由Infinite Power Solutions提供的。其它的可反復(fù)充電固態(tài)電池組或者可反復(fù)充電的化學(xué)電池組也可以用作儲能裝置28。
輔助的能量獲取電路可以和儲能裝置一起設(shè)置，以產(chǎn)生用于某些輪胎電子部件的調(diào)節(jié)電源。在通常擁有的專利申請USSN 10/143,535中公開了包括電源獲取電路和典型的輪胎電子系統(tǒng)的電源之間的相互作用的方案這種電源獲取/調(diào)節(jié)電路的例子，題目為“用于從使用壓電纖維成分的轉(zhuǎn)動輪胎的機(jī)械能量產(chǎn)生電能的系統(tǒng)和方法”，出于參考的目的在這里引作參考。
當(dāng)在壓電補(bǔ)片20中產(chǎn)生足量的電荷并依次存儲在儲能裝置32中時，它然后可以用于給輪胎電子組件36供電，電子組件36可以包括許多部件或者其組合。輪胎電子組件36可以包括這種典型部件，作為轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)器、條件響應(yīng)裝置、可反復(fù)充電電池組、閃光組件、微控制器、全球定位系統(tǒng)(GPS)和/或射頻(RF)裝置。題目為“用于從使用壓電纖維成分的轉(zhuǎn)動輪胎的機(jī)械能量產(chǎn)生電能的系統(tǒng)和方法”的上面提到的美國專利申請USSN10/143,535包括可以用壓電組件供電的輪胎電子系統(tǒng)的另外的實施例。這里公開的本發(fā)明改進(jìn)的壓電結(jié)構(gòu)可以與USSN 10/143,535中公開的技術(shù)一起使用或者和其中的元件的任何組合一起使用，其也落在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
應(yīng)當(dāng)可以理解的是，根據(jù)公開的技術(shù)，不同于本說明書特定公開或者通過這里參考引入的那些其它電子設(shè)備可以與本發(fā)明的壓電發(fā)電技術(shù)一起使用。根據(jù)所公開技術(shù)的方案，能夠被供電的電子應(yīng)用的數(shù)量是巨大的并且決不應(yīng)當(dāng)限制到本發(fā)明。
如上所述，可以設(shè)置與本發(fā)明壓電結(jié)構(gòu)相關(guān)的電路，以便當(dāng)需要再還原以及實際再還原壓電結(jié)構(gòu)時監(jiān)控壓電結(jié)構(gòu)。監(jiān)控模塊補(bǔ)片20中的壓電結(jié)構(gòu)的特性的一個例子是監(jiān)控存儲在儲能裝置32或者存儲在與模塊補(bǔ)片20一起(例如可以設(shè)置在電子組件36中)提供的另一個專用儲能元件(例如電容器)的電荷數(shù)量。與這種儲能裝置有關(guān)的電容大小可以直接與模塊補(bǔ)片20中的壓電材料的特性相關(guān)，例如這種材料的介電常數(shù)。在相關(guān)的儲能裝置檢測的電容大小可以與設(shè)置在電子組件36中的微控制器編程的預(yù)定電容大小作比較。如果檢測的值下降到低于預(yù)定閾值，則可能需要對裝置進(jìn)行再還原。由于可能需要在裝置再還原中施加相對大的電壓，所以還可以提供電壓變換器以將存儲的能量從相對較低的電壓轉(zhuǎn)化成較高的電壓(例如大約300V或者由模塊補(bǔ)片20中的壓電材料的類型或者厚度決定的其它特定大小)。然后可以將這種相對較高的電壓施加在模塊補(bǔ)片20的壓電材料的電極兩端以影響裝置再還原。
對于用作根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電裝置，可以考慮用于某些應(yīng)用的壓電補(bǔ)片20的另外的設(shè)計限制。例如，如圖6所示，通過靠近支撐襯底38設(shè)置壓電補(bǔ)片20可以給壓電補(bǔ)片20提供額外的加固。根據(jù)任何公知的方法可以將模塊補(bǔ)片20粘著到支撐襯底38。在另外的典型實施例中，可以將模塊補(bǔ)片20可選擇地嵌入支撐襯底中。壓電補(bǔ)片20和支撐襯底38的組合有利于通過補(bǔ)片20內(nèi)的壓電纖維材料看見的應(yīng)力的機(jī)械分配。通過改善越過補(bǔ)片20的應(yīng)力的均衡，所有壓電結(jié)構(gòu)通常以相同的張力運(yùn)行。加固的壓電補(bǔ)片能夠在輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)和對應(yīng)的車輛環(huán)境中繼續(xù)存在更長時間。
由于支撐襯底38優(yōu)選用于盡可能均衡地分配越過壓電補(bǔ)片20的應(yīng)力，所以支撐襯底38的特征優(yōu)選地在于均衡的厚度和硬度大小。可以根據(jù)在輪胎結(jié)構(gòu)中使用的材料類型來設(shè)計支撐襯底的實際厚度，該輪胎結(jié)構(gòu)與根據(jù)本發(fā)明的壓電補(bǔ)片組合在一起?？梢栽O(shè)計用于輪胎結(jié)構(gòu)的襯底厚度與彈性模塊的最佳組合，以保證壓電補(bǔ)片的適當(dāng)致動以及以合適的方式將輪胎結(jié)構(gòu)與該補(bǔ)片組合在一起的能力。在該技術(shù)的一些實施例中，雖然硬度大小是不均勻的，但是還是可以容易地調(diào)節(jié)的。典型的支撐襯底38的特征還在于在一些實施例中的用于繼續(xù)存在于輪胎環(huán)境中的例如低遲滯、化學(xué)惰性和粘著能力的性質(zhì)。適于形成支撐襯底38的材料的特殊例子是印刷電路板(PCB)材料，例如玻璃纖維或者其它這種材料。用于形成支撐襯底38的適當(dāng)材料的另一個例子是高模量橡膠混合物。
盡管參考其特定實施例具體描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，依據(jù)前述獲得的理解可以容易產(chǎn)生對這些實施例的變形、改變及其等價物。因此，本發(fā)明具體所述實施例是作為例子，而不是作為限制，并且本發(fā)明的范圍不排除包括這種變形、改變和/或根據(jù)本發(fā)明對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)電裝置，包括壓電材料的模塊補(bǔ)片，其被設(shè)置成用于當(dāng)所述發(fā)電裝置承受機(jī)械振動時在其中產(chǎn)生電荷，所述模塊補(bǔ)片包括多個細(xì)長的壓電結(jié)構(gòu)；多個金屬芯，每個金屬芯基本上由所述多個細(xì)長的壓電結(jié)構(gòu)的其中一個圍繞，其中集中的多個金屬芯設(shè)置成起著壓電材料的模塊補(bǔ)片的第一電極的作用；以及導(dǎo)電材料，環(huán)繞所述多個細(xì)長的壓電結(jié)構(gòu)的每個，并形成壓電材料的模塊補(bǔ)片的公共第二電極；以及儲能裝置，其被設(shè)置成用于從壓電材料的所述模塊補(bǔ)片接收所述電荷，并在其中存儲選擇數(shù)量的所述電荷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)電裝置，其中所述的多個壓電結(jié)構(gòu)包括鈦酸鋇纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)電裝置，其中所述壓電結(jié)構(gòu)包括選自于由石英、鈦酸鋇、硫化鎘、鋯鈦酸鉛(PZT)、聚偏氟乙稀(PVDF)和聚氯乙烯(PVC)所組成的組中的材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)電裝置，還包括用于監(jiān)控由壓電材料的所述模塊補(bǔ)片產(chǎn)生的電荷的數(shù)量的裝置，以確定充氣輪胎結(jié)構(gòu)的預(yù)選特性。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的發(fā)電裝置，其中所述預(yù)選特性選自于由溫度、壓力、輪胎旋轉(zhuǎn)的數(shù)量、車輛速度以及作用在輪胎結(jié)構(gòu)上的靜態(tài)和動態(tài)力的大小所組成的組。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)電裝置，其中壓電材料的所述模塊補(bǔ)片與充氣輪胎結(jié)構(gòu)的所選部分組合在一起，并設(shè)置成當(dāng)所述充氣輪胎結(jié)構(gòu)承受機(jī)械應(yīng)力時在其中產(chǎn)生電荷。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)電裝置，還包括用于監(jiān)控由壓電材料的所述模塊補(bǔ)片產(chǎn)生的電荷的裝置，以確定壓電結(jié)構(gòu)的還原效率什么時候降到低于預(yù)定的閾值大小。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的發(fā)電裝置，還包括接到所述模塊補(bǔ)片的各自的第一和第二電極的電源，用于在裝置效率降到低于預(yù)定的閾值大小時再還原壓電材料的模塊補(bǔ)片。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)電裝置，還包括至少一個電子部件，該電子部件選自于由轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)器、條件響應(yīng)裝置、可反復(fù)充電電池組、閃光組件、微控制器、全球定位系統(tǒng)(GPS)和射頻(RF)裝置組成的組，其中所述至少一個電子部件由產(chǎn)生在壓電材料的所述模塊補(bǔ)片中的電荷供電。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)電裝置，其中所述儲能裝置包括電解電容器、超級電容器、可反復(fù)充電固態(tài)電池組和可反復(fù)充電化學(xué)電池中的一個。
11.一種電子設(shè)備組件，包括至少一個壓電線結(jié)構(gòu)，所述至少一個壓電線結(jié)構(gòu)包括壓電材料的細(xì)長部分；金屬芯，基本上被壓電材料的所述細(xì)長部分圍繞，設(shè)置所述金屬芯以起到壓電結(jié)構(gòu)的第一電極的作用；和外導(dǎo)電層，覆蓋壓電材料的所述細(xì)長部分的所選區(qū)域，設(shè)置所述外導(dǎo)電層以起到壓電結(jié)構(gòu)的第二電極的作用；和微控制器，連接到至少一個壓電線結(jié)構(gòu)，用于監(jiān)控由所述至少一個壓電線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電荷的量，或者監(jiān)控提供給所述至少一個壓電線結(jié)構(gòu)的電荷的量。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的電子設(shè)備組件，其中所述壓電材料包括鈦酸鋇纖維。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的電子設(shè)備組件，其中所述壓電材料包括選自由于由石英、鈦酸鋇、硫化鎘、鋯鈦酸鉛(PZT)、聚偏氟乙稀(PVDF)和聚氯乙烯(PVC)所組成的組中的材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的電子設(shè)備組件，其中所述至少一個壓電線結(jié)構(gòu)起到條件響應(yīng)裝置的作用，以相對于預(yù)定的特性通過產(chǎn)生變化量的電荷來監(jiān)控給定環(huán)境的預(yù)定特性。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的電子設(shè)備組件，其中所述預(yù)定特性選自于由溫度、壓力以及作用在所述給定環(huán)境的靜態(tài)和動態(tài)力的大小所組成的組。
16.根據(jù)權(quán)利要求11的電子設(shè)備組件，其中所述至少一個壓電線結(jié)構(gòu)與充氣輪胎結(jié)構(gòu)的所選部分組合在一起，并設(shè)置成用于感測從選自于由溫度、壓力、輪胎旋轉(zhuǎn)的數(shù)量、車輛速度以及作用在充氣輪胎結(jié)構(gòu)上的靜態(tài)和動態(tài)力的大小所組成的組中的至少一個預(yù)定特性。
17.根據(jù)權(quán)利要求11的電子設(shè)備組件，還包括用于控制所述壓電結(jié)構(gòu)作為機(jī)械致動裝置的裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求11的電子設(shè)備組件，其中所述至少一個壓電線結(jié)構(gòu)以二維正弦結(jié)構(gòu)定向。
19.根據(jù)權(quán)利要求11的電子設(shè)備組件，其中所述至少一個壓電線結(jié)構(gòu)以三維螺旋結(jié)構(gòu)定向。
20.根據(jù)權(quán)利要求11的電子設(shè)備組件，其中所述基本上由壓電材料的所述細(xì)長部分圍繞的金屬芯通過共同擠壓而形成。
21.根據(jù)權(quán)利要求11的電子設(shè)備組件，其中通過浸漬、噴鍍、或等離子沉積的其中之一圍繞所述金屬芯而形成所述壓電材料的細(xì)長部分。
22.根據(jù)權(quán)利要求11的電子設(shè)備組件，還包括連接到并由所述微控制器控制的射頻(RF)裝置，用于傳遞由所述至少一個壓電線結(jié)構(gòu)輸出的信號或者用于將信號輸入到所述至少一個壓電線結(jié)構(gòu)。
23.一種具有集成的發(fā)電特征的輪胎組件，所述輪胎組件包括充氣輪胎結(jié)構(gòu)，特征在于具有用于和地表面接觸的胎面部分的胎冠部分、用于將所述輪胎設(shè)置到輪箍的胎緣部分和在每個胎緣部分和胎冠之間的延伸的側(cè)壁部分；和與所述充氣輪胎結(jié)構(gòu)的選擇部分組合的壓電材料的模塊補(bǔ)片，所述模塊補(bǔ)片設(shè)置成用于在所述充氣輪胎結(jié)構(gòu)承受機(jī)械應(yīng)力時在其中產(chǎn)生電荷，所述模塊補(bǔ)片包括多個細(xì)長的壓電結(jié)構(gòu)；多個金屬芯，每個金屬芯基本上由所述多個細(xì)長的壓電結(jié)構(gòu)的其中一個圍繞，其中集中的多個金屬芯設(shè)置成起著壓電材料的模塊補(bǔ)片的第一電極的作用；以及導(dǎo)電材料，環(huán)繞所述多個細(xì)長的壓電結(jié)構(gòu)的每個并形成壓電線結(jié)構(gòu)的模塊補(bǔ)片的公共第二電極。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的輪胎組件，其中在所述模塊補(bǔ)片中的壓電結(jié)構(gòu)包括選自由于由石英、鈦酸鋇、硫化鎘、鋯鈦酸鉛(PZT)、聚偏氟乙稀(PVDF)和聚氯乙烯(PVC)所組成的組中的材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求23的輪胎組件，還包括用于監(jiān)控在所述模塊補(bǔ)片中產(chǎn)生的電荷的數(shù)量的裝置，以確定充氣輪胎結(jié)構(gòu)的預(yù)定特性。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的輪胎組件，其中所述預(yù)定特性選自于由溫度、壓力、輪胎旋轉(zhuǎn)的數(shù)量、車輛速度以及作用在輪胎結(jié)構(gòu)上的靜態(tài)和動態(tài)力的大小所組成的組。
27.根據(jù)權(quán)利要求23的輪胎組件，還包括儲能裝置，設(shè)置該儲能裝置以接收壓電材料的所述模塊補(bǔ)片中的電荷，并在其中存儲選擇量的所述電荷。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的輪胎組件，其中所述儲能裝置包括選自由于由電解電容器、非電解電容器、超級電容器、可反復(fù)充電固態(tài)電池組和可反復(fù)充電化學(xué)電池所組成的組中的裝置。
29.根據(jù)權(quán)利要求23的輪胎組件，還包括用于監(jiān)控由壓電材料的所述模塊補(bǔ)片產(chǎn)生的電荷的裝置，以確定壓電結(jié)構(gòu)的還原效率什么時候降到低于預(yù)定的閾值大小。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的輪胎組件，還包括連接到所述模塊補(bǔ)片的各自的第一和第二電極的電源，用于在裝置效率降到低于預(yù)定的閾值大小時再還原壓電材料的模塊補(bǔ)片。
31.根據(jù)權(quán)利要求23的輪胎組件，還包括至少一個電子部件，該電子部件選自于由轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)器、條件響應(yīng)裝置、可反復(fù)充電電池組、閃光組件、微控制器、全球定位系統(tǒng)(GPS)和射頻(RF)裝置所組成的組，其中所述至少一個電子部件由產(chǎn)生在壓電材料的所述模塊補(bǔ)片中的電荷供電。
32.根據(jù)權(quán)利要求23的輪胎組件，還包括支撐襯底，其中所述模塊補(bǔ)片嵌入在所述支撐襯底中。
33.一種用于從與振動系統(tǒng)組合的壓電材料發(fā)電的方法，所述方法包括下述步驟在相對于振動系統(tǒng)所選擇的位置處提供至少一個壓電線結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個壓電線結(jié)構(gòu)特征在于設(shè)置有內(nèi)電極和外電極的壓電材料的細(xì)長部分；使所述至少一個壓電線結(jié)構(gòu)承受與振動系統(tǒng)有關(guān)的機(jī)械應(yīng)力，使得在至少一個壓電線結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生電荷；以及存儲所述的至少一個壓電線結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的電荷的所選的量，使得所述存儲的電荷用于為與所述振動系統(tǒng)有關(guān)的電子裝置供電。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的方法，還包括在所述存儲步驟之前，調(diào)節(jié)所述至少一個壓電線結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的電荷的流動的步驟。
35.根據(jù)權(quán)利要求33的方法，還包括根據(jù)所存儲的電荷將調(diào)節(jié)的電壓源提供給另外連接到所述振動系統(tǒng)的微控制器的步驟。
36.根據(jù)權(quán)利要求33的方法，其中所述的振動系統(tǒng)包括輪胎或者車輪組件，其中與振動系統(tǒng)有關(guān)的所述承受步驟的機(jī)械應(yīng)力對應(yīng)于通常在輪胎或者車輪組件沿著地表面轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。
全文摘要
改進(jìn)的壓電線結(jié)構(gòu)包括壓電部分的細(xì)長部分、金屬芯和外導(dǎo)電層。金屬芯基本上被壓電材料的細(xì)長部分圍繞，并設(shè)置成壓電結(jié)構(gòu)的第一電極。該外導(dǎo)電層優(yōu)選覆蓋壓電材料的細(xì)長部分的所選區(qū)域并作為結(jié)構(gòu)的第二電極。該壓電材料可以為鈦酸鋇陶瓷纖維，使得無鉛結(jié)構(gòu)有效，然而，還可以使用其它的材料。可以用降低的還原電壓和較低的溫度還原所公開的結(jié)構(gòu)，而且該結(jié)構(gòu)還需要降低機(jī)械致動所需的電壓電平。這種壓電結(jié)構(gòu)的集合還可以一起設(shè)置在模塊補(bǔ)片組件中，該模塊補(bǔ)片組件可以形成在用于與多種環(huán)境組合的多種專用結(jié)構(gòu)中，并可以用作機(jī)械致動裝置、條件響應(yīng)裝置(例如傳感器)和/或作為發(fā)電裝置。
文檔編號B60C23/04GK1707934SQ20051007535
公開日2005年12月14日 申請日期2005年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月10日
發(fā)明者J·蒂森, J·D·阿達(dá)姆松 申請人:米其林技術(shù)公司, 米其林研究和技術(shù)股份有限公司