專利名稱：來自壓電電源的電能轉換的制作方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及一種用于將由暴露于傳統(tǒng)輪胎旋轉的機械能之下的壓電構件產(chǎn)生的電能轉換成一種用于給集成輪胎電子裝置提供電能的合適形式的系統(tǒng)和方法。利用壓電技術以將與輪胎彎曲相關的機械壓力轉換成電荷，然后調(diào)整該電荷并把其存儲在能量存儲裝置中。這樣的存儲能量的充足積累能給包括用于識別各種物理輪胎參數(shù)的組件以及可以傳送輪胎識別數(shù)據(jù)和其它數(shù)據(jù)的射電頻率(RF)傳送裝置的電子系統(tǒng)供應能量。
背景技術：
充氣輪結構與電子裝置的結合產(chǎn)生了許多實際的優(yōu)勢。輪胎電子裝置可以包括用于獲取關于一個輪胎的各種物理參數(shù)信息，諸如溫度、壓力、輪胎旋轉圈數(shù)、車輛速度、高速時的旋轉圈數(shù)、高速時的溫度與其它物理的和運行的參數(shù)，以及諸如制造者的名字、制造地點、制造日期等制造信息的傳感器和其它元件。這樣的性能信息在輪胎監(jiān)視與警告系統(tǒng)中可以是有益的，且甚至可以潛在地與反饋系統(tǒng)一起使用以調(diào)整合適的輪胎壓力級別。例如，由于輪胎的直徑隨著膨脹壓力稍微改變，同一車輛上的輪胎旋轉速度中的的差別可以表示處于過度打氣或者充氣不足。
美國專利第5,749,984號(Frey等人)公開了一種能夠確定諸如輪胎偏轉、輪胎速度和輪胎旋轉圈數(shù)的信息的輪胎監(jiān)視系統(tǒng)和方法。在美國專利第4,510,484號(Snyder)中可以找到輪胎電子裝置系統(tǒng)的另一個例子，其涉及不正常的輪胎狀況警告系統(tǒng)。美國專利第4,862,486號(Wing等人)也涉及輪胎電子裝置，且更特別地公開了一個與汽車和卡車輪胎結合使用的示例性轉速表。
然而，由結合輪胎構件的電子元件系統(tǒng)提供的另一潛在能力對應于用于商業(yè)車輛應用的資產(chǎn)跟蹤和性能特征。商業(yè)卡車車隊、航空器和重型推土機/采礦車輛都是能夠利用輪胎電子系統(tǒng)和相關的信息傳送的益處的實際行業(yè)領域。輪胎傳感器能測定一個車輛每一個輪已走過的距離并由此對于這樣的商業(yè)系統(tǒng)的維修保養(yǎng)計劃提供幫助。為了用于諸如這些關于地面-采礦裝置的更昂貴的應用，可以使車輛位置和性能達到最優(yōu)化。使用RF跟隨傳送可以跟蹤整個車隊的車輛，其示例方面已公開在美國專利第5,457,447號(Ghaem等人)中。
這樣的集成輪胎電子元件系統(tǒng)傳統(tǒng)上由多種技術和不同的電能產(chǎn)生系統(tǒng)提供能量。在美國專利第4,061,200號(Thompson)和第3,760,351號(Thomas)中公開了多個從輪胎移動產(chǎn)生電能的機械特征的例子。這些例子提供了大規(guī)模的復雜系統(tǒng)，該系統(tǒng)總體上對于結合現(xiàn)代輪胎應用不是優(yōu)選的。而在美國專利第4,510,484號(Snyder)中公開了用于給輪胎電子系統(tǒng)提供能量的另一個選擇，其涉及關于輪胎的輻射中心線對稱配置的壓電簧片電源。
用于給輪胎電子元件系統(tǒng)提供能量的另一個典型的解決辦法對應于不可充電電池的使用，該使用方式自然不能給輪胎用戶提供方便，因為正常的電子裝置系統(tǒng)運行依賴于定期的電池更換。傳統(tǒng)電池通常也包含具有對環(huán)境不利的重金屬，且其表現(xiàn)為很難進行適當?shù)奶幚恚貏e當其使用的數(shù)量極大時。另外，當給由其特征為功能程度復雜的電子裝置提供電能時電池組往往很快地消耗完它們的能量存儲。在經(jīng)過相對較遠的距離諸如從卡車輪胎的位置傳到卡車駕駛室中的接收器而傳送信息的電子系統(tǒng)中，電池能量存儲消耗特別普遍。甚至當在從車輪位置傳送到較近的接收器位置的電子元件系統(tǒng)中使用電池組時，信息一般通過硬線傳送介質(zhì)從RF接收器位置傳送到車輛駕駛室則被延遲，因此要求在車輛中安裝附加的和通常昂貴的傳送硬件。
而另一個已知的用于為輪胎監(jiān)視系統(tǒng)獲取電能的方法涉及利用很接近于輪胎和集成電子元件的探詢天線來提取RF束電能。將從天線放射出的能量提取出來以給電子元件提供電能，其必須通常專用于限制在幾微瓦的極低功率電子元件中。與由波束提供電能的電子裝置結合使用的探詢天線由于傳送范圍的限制必須一般放置在相對很接近每一個輪室的位置(在大約兩英尺之內(nèi))。這就一般要求每一個車輛有多個探詢天線，因此增加了潛在的裝置花費。每一個天線也很容易受到公路事故影響而損傷，且因此由于許多原因而不是用于給確定的輪胎電子裝置提供電能的最期望解決辦法。
根據(jù)本發(fā)明，應該了解壓電材料的一定優(yōu)勢已經(jīng)長期得到認可。然而，因為不斷地改進這個技術，因此潛在地提供了利用具有改進的運行能力的壓電材料的應用。在美國專利第5,869,189號(Hagood，IV等人)和第6,048,622號(Hagood，IV等人)中提供了壓電技術相對新的發(fā)展的例子，其用于結構控制的合成。本發(fā)明公開的技術涉及壓電技術進一步的發(fā)展，以使壓電發(fā)電裝置能夠與能量轉換裝置相結合并能夠與用于獲取能量的一個輪胎或者輪胎組合件結合在一起。
在此，為了全部目的另外以參考的方式將前述美國專利的所有公開內(nèi)容并入本申請中。雖然已經(jīng)開發(fā)了各種輪胎電子裝置系統(tǒng)以及能量生成與轉換系統(tǒng)，但是還沒有出現(xiàn)總體上包含如下文表述的根據(jù)發(fā)明技術的所有所需特征的設計。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到在現(xiàn)有技術中碰到的和由本發(fā)明所描述的公認特征，本發(fā)明已經(jīng)提供了一種為集成在一個輪結構中的電子系統(tǒng)提供電能的改良的系統(tǒng)和方法。利用壓電技術將與輪胎彎曲相關聯(lián)的機械壓力轉換成電荷，該電荷然后被獲取、調(diào)整和存儲在一個能量存儲裝置中。那么這種被存儲的能量的充足積累就能給電子裝置系統(tǒng)提供能量，該電子裝置系統(tǒng)包括用于識別各種物理輪胎參數(shù)的組件以及射頻(RF)傳送裝置。
根據(jù)所公開的技術的多個特定方面，本發(fā)明的一個方面是提供一個帶有集成的自我發(fā)電的電子元件的壓電輪胎。這些電子元件由從集成的壓電結構獲得的能量來給自身提供能量，并且可以與多個電子應用一致。一個典型的電子應用是涉及設計以測量和傳送與如壓力和溫度的輪胎狀況相關的信息及如輪胎旋轉圈數(shù)或常用的輪胎識別變量等其它信息的輪胎檢測系統(tǒng)。相關技術的另一個方面涉及用于產(chǎn)生能量以給這些電子裝置提供能量的方法。
本發(fā)明的輪胎電子系統(tǒng)和專用的發(fā)電裝置的各個特征和方面提供了多個優(yōu)點。所公開的技術提供不依賴于更換電池的自我發(fā)電的電子系統(tǒng)。盡管仍可以將電池和基于電池操作的裝置與本發(fā)明的多個方面相結合，然而根據(jù)所公開的技術可以消除有關單獨由電池供電的輪胎電子裝置的很多復雜因素。
本發(fā)明的另一優(yōu)點是提供了一種相對于傳統(tǒng)的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)減少了所需的信號硬件數(shù)量的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)。通過提供能自我發(fā)電的輪胎檢測系統(tǒng)，不再需要掃描(scavenger)天線或多個帶有附加硬線接頭的接收器單元。可以將這種輪胎檢測系統(tǒng)的元件集成在給定車輛上的每個單獨的輪結構中，以使單個接收器(一般位于車輛駕駛室中)能獲得由每個輪胎的集成電子裝置傳送的信息。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是對關于在輪胎和輪組件結構中可以利用的電子裝備的類型和數(shù)量的限制較少。通常將由傳統(tǒng)方法而并非由根據(jù)所公開的壓電技術供應電能的輪胎電子裝置限制為超低功率裝置。根據(jù)所公開的技術的裝置不必屈從于這些超低功率限制。這個優(yōu)點進一步促進了輪胎電子裝置有更強大的功能，因為潛在地可以使用更多的元件和/或高級別的設備。
還有本發(fā)明的另一優(yōu)點是根據(jù)多個已有的應用可以使用所公開的用于產(chǎn)生電能和利用這些電能的系統(tǒng)和方法。測量能力、檢測與警告系統(tǒng)、車輛反饋系統(tǒng)及資產(chǎn)跟蹤潛力對于如商業(yè)卡車車隊、飛機和采礦/重型推土機設備的應用是可行的。
在本發(fā)明的一個典型實施例中，一種帶有集成的自身發(fā)電的電子元件的壓電輪組件包括一個輪結構、一個有效的壓電結構、一個電能獲取與調(diào)整模塊和一個電子裝置包。更具體而言，該輪結構的特征由一個具有一個用于與地面接觸的外輪胎部分的輪周、用于將輪胎定位到輪邊緣的胎緣部分、在每個胎緣部分與輪周之間延伸的外側壁部分和一個沿著內(nèi)輪周和側壁面的內(nèi)襯來表現(xiàn)。該電能獲取與調(diào)整模塊電連接至壓電結構以接收在壓電結構中產(chǎn)生的電荷并產(chǎn)生一個被調(diào)整過的電壓輸出。這個調(diào)整過的電壓輸出然后給電子裝置包中的選定元件提供電能?？梢詫⒃搲弘娊Y構和與之相連的電能獲取與調(diào)整模塊粘附至輪胎的內(nèi)輪周面或可以將該壓電結構固化進輪胎的結構中。
本技術的另一個典型實施例涉及一種用于和一個氣胎輪結構相集成的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)被設計為用于測量和傳送與預先選定的輪胎狀況相關的信息。更具體而言，這樣一個輪胎監(jiān)測系統(tǒng)可以包括一個有效的壓電結構、一個電能獲取與調(diào)整模塊、多個傳感器、一個微控制器和一個RF發(fā)射器。將該壓電結構埋入一個環(huán)氧樹脂基體中并提供在至少兩個電極層之間，這個實施例優(yōu)選的是粘結到該氣胎輪結構的內(nèi)部或安裝和固化在輪結構本身內(nèi)。將電能獲取與調(diào)整模塊電連接至選定的電極層，以使其接收在壓電結構中產(chǎn)生的電流并將該電流存儲在一個能量存儲裝置中，直到將其提供為一個調(diào)整過的電壓輸出為止。多個傳感器由該調(diào)整過的電壓輸出供電，并且該傳感器確定與預先選定的輪狀況相關的信息。RF發(fā)射器電連接到微控制器，且RF發(fā)射器從微控制器接收信息以將信息調(diào)制成一個載波信號并將其傳送至一個遠程接收器單元。
還有所公開的技術的另一個典型實施例對應于一種用于從集成在輪組件中的壓電材料中產(chǎn)生、獲取與調(diào)整電能的方法。此方法中第一步涉及為了與輪組件中的一個選定的內(nèi)部單元相結合提供一個有效的壓電結構。此方法中的用于發(fā)電的第二步對應于使輪組件受到機械變形，該機械變形通常隨著輪組件沿著路面轉動而發(fā)生，這導致了輪組件的各個部分的彎曲及在所提供的壓電結構中產(chǎn)生電流。然后此產(chǎn)生的電流被獲取、調(diào)整并被存儲在一個能量存儲裝置中，使得可獲得一個調(diào)整過的電壓源，以用于給與輪組件相關聯(lián)的電子裝置提供電能。
已經(jīng)闡述了本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點，并且從在此詳細描述來看對于本領域的普通技術人員來說是很明顯的。另外，應進一步理解為不脫離本發(fā)明的精神和范圍，可以在各個實施例中和在對本發(fā)明的使用中實行對其具體描述、參考和討論的特征、步驟進行修改和改變。改變可以包括但是不局限于對等價裝置、特征或那些所解釋的、參考的或討論的步驟的替換及對各個部分、特征、步驟及類似物的功能性的、操作性的或位置性的顛倒。
還可以進一步理解為本發(fā)明的不同實施例及不同的現(xiàn)有優(yōu)選實施例可以包括目前公開的特征、步驟或元件或它們的等價物(包括其沒有在圖中明確顯示或沒有在這些圖的詳細描述中提及的特征、部件或步驟或結構的組合)的各種組合或配置。在此發(fā)明內(nèi)容部分不需要表述的本發(fā)明的另外實施例可以包括和結合在上述總結性的目的中提及的特征、元件或步驟和/或在此申請中另外討論的其它特征、元件或步驟的各種組合?；诨仡櫹旅娴木唧w說明，本領域普通技術人員將會理解這些實施例和其它實施例的特征和方面。


在說明書中論述了本發(fā)明的完整和能實施的公開，包括參考附圖向本領域普通技術人員披露的最佳實施方式，其中圖1是一個闡釋本發(fā)明的電能產(chǎn)生、獲取與調(diào)整裝置的框圖；圖2是一個闡釋本發(fā)明的電能產(chǎn)生、獲取與調(diào)整裝置的一個典型貫穿本說明書和附圖的附圖標記的重復使用意在表述本發(fā)明的相同或者類似的部件或者元件。
具體實施例方式
如同本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容部分所討論的那樣，本發(fā)明特別涉及一種用于給安裝在或者集成在一個輪結構中的電子裝置系統(tǒng)提供電能的改進系統(tǒng)和方法。一個電能產(chǎn)生裝置利用壓電技術將與輪胎彎曲相關的機械壓力轉換成電流，然后調(diào)整電流并存儲在一個能量存儲裝置中。那么這種被存儲的能量的充足積累就能給電子裝置系統(tǒng)提供能量，該電子裝置系統(tǒng)的例子包括用于識別各種物理輪胎參數(shù)的組件以及射頻(RF)傳送裝置。
根據(jù)公開技術的電能產(chǎn)生裝置通常包括兩個典型組件，一個壓電電能產(chǎn)生裝置以及一個電能獲取與調(diào)整模塊。參照2002年5月10日申請的且轉讓給本申請的受讓人的未決美國申請10/143535的圖2，描述了一個已知的典型壓電構件的情況，該申請合并在這里用于所有的目的。在同一未決申請中公開了一個典型的電能調(diào)整模塊(顯示在該申請的圖3中)，其類似于圖6中目前闡釋的已知的電能產(chǎn)生與調(diào)整電路。盡管已經(jīng)在上面提到的未決的申請中闡述了特定結構，然而應該了解其可以使用任何合適的壓電結構。
更具體地參考圖6，闡釋了一個已知的轉換器電路，其中提供了一個壓電元件60且連接到一個全波橋式整流器以便在壓電元件60彎曲時在總線70、80的兩端提供一個直流電壓(DC)。壓電元件60可以以任何合適的方式連接到或者嵌入一個輪結構中以使壓電元件暴露于主輪的運動或者旋轉產(chǎn)生的機械彎曲。壓電元件60的機械彎曲產(chǎn)生一個對電容器40的相對高的電壓、低電流的充電，該電容器40是一個容值相對大的高電壓裝置。由于壓電元件60的機械彎曲繼續(xù)發(fā)生，電容器40積累電荷直到齊納二極管120導通，從而允許脈寬調(diào)制的閉環(huán)大規(guī)模(bulk)轉換器100打開，排出電容器40存儲的高電壓、低電流能量的一部分，將所述電能轉換進低電壓、高電流能量的電荷存儲電容器50，且將轉換過的電能提供給一個外部裝置。電容器50可以是容值相對小、低電壓裝置。這種類型的運行可以稱作“大規(guī)模轉換”系統(tǒng)，因為當電容器40兩端的電壓到達一預定級別時從已存儲的高電壓、低電流電能變化為低電壓、高電流電能是自動傳送的。
很容易認識到，在要求這些的時刻，這樣的大規(guī)模轉換系統(tǒng)就會產(chǎn)生基于提供能量中的固定延遲的能量供應問題。例如，假定在需要能量的時刻主輪實際旋轉或者至少給壓電元件60提供彎曲的機械能，在這樣的轉換器能夠實際地將電能轉換成由外部裝置使用的合適形式的時刻之前，將仍然存在離需要能量的時刻有延遲。那么就有這樣的可能輪胎當前可能不給壓電元件提供任何機械或者在一段時間內(nèi)沒有提供這樣的能量，使得在電容器40中很少或者沒有存儲要轉換給外部裝置使用的電能。這種情況將不僅產(chǎn)生轉換中的基于缺少可轉換的存儲能的延遲，而且在輪胎實際重新開始移動之前還會需要進一步的延遲。
本發(fā)明對應于這些已知的電能產(chǎn)生、獲取與調(diào)整裝置的不足進行了發(fā)展。參照圖1，以框圖的形式闡釋本發(fā)明，從而演示了一種用于獲取與調(diào)整由安裝在諸如一個輪胎的主載體上的壓電條產(chǎn)生的電能的新方法的基本操作。在此時，應該注意到，盡管當前討論主要針對車輛和輪胎環(huán)境，然而應該清晰地認識到本發(fā)明技術能夠結合可給壓電條提供機械壓力的任何裝置，如產(chǎn)生可被獲取和調(diào)整的電能以給內(nèi)置的電子裝置提供運行電能的機構。例如，本技術可以應用在一個地球物理傳感器中，其中運輸一個主裝置的行為以及由振動感應事件諸如地震產(chǎn)生的實際振動產(chǎn)生了可以用來生成電源以運行一個傳感器的振動。其它應用可能涉及使用本技術以提供本身供應能量的傳感器，該傳感器可以用來檢測涉及幾乎任何種類的機器的運行的振動和其它狀況。
更具體地參考圖1，本技術使用了一個壓電元件60，該壓電元件可以安裝在或者嵌入在一個輪結構中，且可以按與在圖6的充電電容器40的已知配置中描述的壓電元件6相同的方式配置為電荷電容器45。然而，在本技術中，電容器45可以對應于一個與容值相對大、高電壓的電容器40相反的容值相對小、高電壓的電容器。將一個電壓檢測器與控制器110連接到電容器45，并且監(jiān)視電容器45兩端的電壓。當該電壓達到一個閾值水平時，電壓檢測器與控制器110產(chǎn)生一個激活單循環(huán)大規(guī)模轉換器200的控制信號。啟動該單轉換循環(huán)將能量的一小部分從電容器45傳送到電容器55，這允許電容器45操作在一個保持接近于最佳功率輸出水平的電壓范圍內(nèi)。在本技術中，電容器55可以是一個容值相對大、低電壓的電解電容器，該電容器當由單循環(huán)大規(guī)模轉換器的多個操作充電時，其對于目前公開的能量調(diào)整裝置起基本能量存儲裝置的作用。
相對于先前描述的大規(guī)模轉換系統(tǒng)，根據(jù)本技術剛才描述的通常操作可以稱為“零星轉換”系統(tǒng)。根據(jù)本技術，隨著電荷積累，啟動了轉換循環(huán)，即變得“可用”，并且由壓電條60的彎曲產(chǎn)生的電荷使得在電容器45的兩端的電壓超過一個閾值。這個可用的高電壓轉換為一低電壓、高電流形式的轉換過程允許從本技術的能量調(diào)整裝置中提取操作功率的任意負載裝置的立即運行，因此消除了與先前已知系統(tǒng)相關聯(lián)的可能延遲。本零星轉換方法的其它優(yōu)點見于這些事實與先前已知的脈寬調(diào)制器型轉換器相比，得到的轉換器更為簡單，更為廉價，實體上更小，重量上更輕。啟動單個轉換循環(huán)的閾值可以固定于一個特定的電壓值，或者可以隨著在諸如變化的輪胎負載的各種操作條件下要求保持最大的功率輸出而改變。
電壓檢測器與控制器110可以對應于幾種形式的任意一種，結合圖2和3闡釋了其中的兩個典型實施例。如后來更充分討論的那樣，在圖2和3中闡釋的實施例表現(xiàn)了簡單控制方案的例子，然而另一選擇為可以使用一個微控制器或類似的裝置來為轉換器提供更為智能的控制。
根據(jù)本發(fā)明，當一個安裝在輪胎上或安裝于輪胎中的電子裝置需要運行的能量時，已經(jīng)以較低的級別提供了能量。該低電壓存儲裝置可以對應于多個裝置或多級，包括但不局限于先前描述的電容器55。例如，該存儲裝置可以對應于一個或多個電容器，超級電容器，和各種類型的如電池的可充電裝置，因此即使當輪胎停止或僅很慢地旋轉時也有可能為用電力推動的電子裝置的長期運行快速地提供能量和較長期地存儲能量。
參照圖2，闡釋了一個本技術的電能獲取與調(diào)整裝置的一個典型實施例，本技術使用一個固定的閾值電壓，該閾值電壓是由齊納二極管120、一個用于控制標準的大規(guī)模轉換器的簡單電壓檢測器130和一個實施為電容器55的單級基本能量存儲裝置來確定的。電壓檢測器130例如可以對應于一個S-80825型2.5伏輸出電壓檢測器，而齊納二極管可以對應于一個額定電壓為33伏的裝置。由于由壓電條60提供的平均電流相當?shù)停噪妷簷z測器130的輸出固有地是單穩(wěn)的，并且每次超出該電壓界限時其操作為一個產(chǎn)生單個輸出脈沖的馳張振蕩器。重要的是應注意到如果每個轉換循環(huán)從電容器44傳送到電容器55的能量的數(shù)量少于在輪胎旋轉一圈中由壓電條60傳遞出的能量，那么輪胎的單圈旋轉不僅可以產(chǎn)生一個轉換循環(huán)，而且可以產(chǎn)生幾個轉換循環(huán)。相反，如果輪胎旋轉一圈由壓電條60傳遞出的能量少于由單個轉換循環(huán)傳送的能量，那么平均來說其將小于每圈一個轉換循環(huán)傳送的能量。晶體管310，320與齊納二極管340連同所說明的未編號的相關電阻對應于一個選通低漏分路調(diào)整器。然而，代替目前闡釋的選通調(diào)整器，對于相關技術領域的那些普通技術人員來說很明顯，可以使用幾個其它已知的電壓調(diào)整裝置的任意一種?？梢允褂眠@些調(diào)整器來將轉換器的輸出電壓維持在一個規(guī)定的值，該規(guī)定值適于被將通過本發(fā)明的電能調(diào)整電路提供能量的任意的電子裝置使用。在一個典型實施例中，電壓調(diào)整器可以將電容器55兩端的電壓維持在一個選定的值，該值在介于大約3.0伏到大約5.0伏的范圍之內(nèi)。對于本領域普通技術人員來說很明顯，晶體管210與220、電感230、二極管240和其它未編號的相關元件構成了前述的提供從電容器45到輸出電容器55的電荷傳送的標準大規(guī)模轉換器。
參照圖3，闡釋了一個本技術的電能獲取與調(diào)整電路的另一個典型實施例。圖3中所闡釋的典型實施例與圖2的相比區(qū)別在于兩個方面。第一，沒有如在圖2中闡釋的那樣闡釋分路規(guī)則。這個忽略不應被當作表示不應使用此種調(diào)整器，而實際上是為了簡化簡單地省略了該調(diào)整器。第二，已經(jīng)交換了齊納二極管和電壓檢測器130的位置。除了這些改變之外，已經(jīng)增加了電阻140與150以及齊納二極管160來協(xié)助對電壓檢測器與控制器電路的暫態(tài)抑制控制。在圖3中所闡釋的電能獲取與調(diào)整實施例運行方式基本上與在圖2中所闡釋的實施例的方式相同。也就是說，當電容器45兩端的電壓確立一個由齊納二極管120和電壓檢測器130的合成值確定的水平時，在該電壓檢測器的輸出端子產(chǎn)生一個脈沖，那么其允許包括晶體管210與220、電感230、二極管240和其它未編號的相關元件的標準大規(guī)模轉換器從電容器45向輸出電容器55傳送電荷。優(yōu)選地將電能獲取與調(diào)整模塊的輸出用于向輪胎或輪組件中的電子裝置系統(tǒng)提供能量。在圖5中展示了輪胎電子裝置系統(tǒng)的一個例子，其包括多個傳感器、一微控制器和一RF發(fā)射器，這將在后面進行更充分地描述。
現(xiàn)在將詳細參考為集成在輪胎或輪組件中的電子裝置系統(tǒng)提供電能的本發(fā)明系統(tǒng)和方法的目前優(yōu)選實施例?，F(xiàn)在參照附圖，圖4提供了根據(jù)本發(fā)明的一個帶有集成的自我發(fā)電的電子元件12(在圖5中進行了更具體地闡釋)的典型氣胎輪組件10的普通橫截面圖。應特別地理解為盡管在此闡釋的典型輪胎的橫截面更通常可以被看作或多或少傳統(tǒng)的氣胎輪，本發(fā)明不局限于與這些相關的輪胎，也可以與所謂的平轉輪相關聯(lián)，該平轉輪通常與目前描述的輪胎相比有稍微不同的橫截面。
優(yōu)選地與電子元件28，29，32，34，36，38相結合提供一個電能產(chǎn)生裝置60和電能獲取與調(diào)整電路，這些電子元件與輪結構相關聯(lián)，致使在輪胎組件10中電子元件是自我發(fā)電的。如在圖5中所闡釋的那樣，將電子元件28與29分別示意性地顯示為溫度和壓力傳感器，而元件30，32和34通常闡釋為傳感器X，Y和Z，它們可以對應于任意所需的傳感單元，或者也可以對應于信息存儲裝置，該信息存儲裝置的運行方式類似于這樣的傳感器，在這樣的傳感器中以下述方式相對于相關輪胎的數(shù)據(jù)經(jīng)由微控制器36和經(jīng)由RF發(fā)射器38從該“傳感器”傳送到一個外部接收裝置(未示出)，此種方式類似于從傳感器28與29中開始傳送溫度和壓力數(shù)據(jù)。僅作為一個非限制性的例子，“傳感器”30、32和34可以對應于其它物理環(huán)境響應裝置，例如，其它的溫度或壓力感應裝置，這些裝置可以在位置上與傳感器28與29、汽車速度傳感器、輪胎旋轉傳感器、輪胎偏轉傳感器、或其它物理或操作型傳感器分離開，或者可以對應于信息存儲裝置，該信息存儲裝置包含對應于制造商、制造日期、產(chǎn)品信息和其它可以與輪胎相關聯(lián)的這類數(shù)據(jù)或者它們的組合的信息。因此應當理解為根據(jù)公開的技術，使用本發(fā)明的電能產(chǎn)生技術可以運用除了在本說明書中特定公開的那些裝置之外的其它電子裝置。美國專利第5,749,984號公開了一個可以利用本發(fā)明的輪胎檢測系統(tǒng)的其它方面，并且為了通用在此以參考方式將這個專利并入本申請。一個輪胎電子裝置系統(tǒng)可以連接到一個全球定位系統(tǒng)(GPS)上以定位一個汽車的精確位置。另一選擇為，在一個輪組件中可以利用一個壓電電能產(chǎn)生、獲取與調(diào)整裝置來給燈組件或反饋系統(tǒng)提供電能。根據(jù)公開的技術的多個方面，用電力推動的電子裝置的數(shù)目是相當多的，并且這些決不應限制本發(fā)明。
本發(fā)明的電能產(chǎn)生、獲取與調(diào)整裝置的實際能力對于在一個輪組件中供應電能提供了多種超過傳統(tǒng)技術的優(yōu)點。如前面所討論的天線束提取(scavenging)電能的技術不再作為有限的為了給輪胎電子裝置提供電能進行挑選的選項中的一個。同樣，一般說來，增加了多種類型的輪胎電子裝置的操作能力。為了產(chǎn)生電能而利用電池的選項不再是基本的，因此避免了高成本和麻煩的更換電池。雖然目前公開的技術是為使得消除天線束電能和電池變?yōu)榭赡?，然而應理解為一個電能產(chǎn)生裝置可以利用壓電技術和/或電池和/或天線束提取的不同組合來給輪組件中的不同的選定的電子元件提供電能。
如在圖4中所闡釋的那樣，一個典型的輪結構16的特征由一個延伸到胎緣部分22而支撐一個外輪胎部分18和側壁20的輪周頂來表現(xiàn)。側壁20通常在剖面線17和19之間延伸，而輪胎的輪周15通常在兩條剖面線19之間延伸。通常提供輪珠22，以使輪結構能有效地處于輪組件的邊緣。不透氣材料的內(nèi)襯形成了輪胎的內(nèi)表面，包括內(nèi)輪周面24和內(nèi)側壁面26。外胎面23跨過側壁部分20和輪周15在胎緣22之間延伸，并且在膨脹的條件下壓力決定輪胎的形狀并為牽引和駕駛傳遞力。通常沿著輪周15在結構16中提供帶包21。
可以將如在圖4的典型輪組件實施例中所闡釋的電能產(chǎn)生、獲取與調(diào)整裝置14安裝到輪結構16的內(nèi)輪周面24上。此位置對于激勵裝置14中的壓電元件通常很合適，因為外輪胎部分18沿著路面移動并將導致輪結構16彎曲。由于輪組件10沿著一個面移動，這個輪彎曲連同通常的機械振動能使電能產(chǎn)生裝置14中的壓電結構產(chǎn)生電流，該電流然后被調(diào)整并被存儲于一個能量存儲裝置中，以用于給輪胎電子裝置12提供電能。雖然內(nèi)輪周面24是一個用于安裝電能產(chǎn)生裝置14的邏輯上的位置，然而應理解也可以將裝置14安裝在一個如內(nèi)側壁面26的位置。這些位置可能在壓電元件上提供的壓力較少，然而仍然為某些電子裝置提供了足夠的電能。此外，可以將裝置14安裝和固化在結構16中，例如，在沿著面24和/或26提供的外胎面23和內(nèi)襯之間。根據(jù)多種用于裝置14的可能位置，應理解為術語“集成”通常包括所有可能的位置，包括安裝在輪結構之上或之中。
壓電元件的電能產(chǎn)生元件可以包括多種如在前述未決申請中討論的壓電材料，該申請以參考的方式并入本申請，并且本質(zhì)上可以稱為對于有關壓電元件的進一步具體詳細描述。
雖然參照其特定實施例已經(jīng)詳細描述了本發(fā)明，然而應理解為本領域的普通技術人員基于以前的理解可以很容易制造出對這些實施例的替換物、變形和等價物。因此，僅用例子描述了本發(fā)明的范圍，而不是用于限制，并且本發(fā)明所公開的內(nèi)容不排除包括這些對于本領域普通技術人員來說很容易理解的修改、變形和/或對本發(fā)明的增加。
權利要求
1.一種帶有集成的自我發(fā)電的電子部件的氣胎輪組件，所述氣胎輪組件包括一輪結構，該輪結構的特征在于具有用于與地面接觸的外輪胎部分的輪周、用于將所述輪胎定位到輪邊緣的胎緣部分、在每個胎緣部分與輪周之間延伸的外側壁部分、內(nèi)輪周與側壁面；一壓電結構，其與所述輪結構的一選定部分集成在一起，以使所述壓電結構在所述輪機構彎曲的同時產(chǎn)生電能；一個電能獲取與調(diào)整模塊，其電連接至所述壓電結構用于接收在其中產(chǎn)生的電能，并用于在所述輪結構彎曲時提供一個調(diào)整過的電壓輸出；及一電子裝置包，其連接至所述電能獲取與調(diào)整模塊，使得由調(diào)整過的電壓輸出向所述電子裝置包的選定功能提供電能。
2.如權利要求1所述的氣胎輪組件，其中所述電能獲取與調(diào)整模塊包括一用于整流由壓電結構產(chǎn)生的電能的電壓整流器、一用于存儲整流過的電能的能量存儲裝置和一用于提供調(diào)整過的電壓輸出的電壓調(diào)整器。
3.如權利要求2所述的氣胎輪組件，其中所述電壓整流器是一個全橋整流器，及其中所述能量存儲裝置是一個電容器。
4.如權利要求2所述的氣胎輪組件，其進一步包括用于從電壓整流器中接收整流過的能量的第一存儲裝置；及一個用于將來自所述第一存儲裝置的能量傳送到所述能量存儲裝置的轉換器。
5.如權利要求4所述的氣胎輪組件，其中所述轉換器是一個大規(guī)模轉換器。
6.如權利要求4所述的氣胎輪組件，其中所述第一存儲裝置和所述能量存儲裝置都是電容器，并且其中所述第一存儲裝置的電容值低于所述能量存儲裝置的電容值。
7.如權利要求4所述的氣胎輪組件，其中第一存儲裝置的電壓額定值高于能量存儲裝置的電壓額定值。
8.一種用于與一個氣胎輪結構集成在一起的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)被設計為測量與傳送與預先選定的輪胎狀況有關的信息，所述輪胎檢測系統(tǒng)包括一壓電結構；一電能獲取與調(diào)整模塊，其電連接至所述壓電結構，用于接收在壓電結構中產(chǎn)生的電能，用于在電能調(diào)整模塊中存儲電荷，并且用于獨立地產(chǎn)生一個調(diào)整過的電壓輸出；多個用于確定有關預先選定的輪胎狀況的信息的傳感器；一微控制器，其連接至所述電能獲取與調(diào)整模塊，并且連接至所述多個傳感器，用于處理來自所述傳感器的信息，并用于產(chǎn)生表示預先選定的輪胎狀況的選擇信息；及一RF發(fā)射器，其電連接至所述控制器，用于從所述微控制器接收選擇信息，將選擇信息調(diào)制為一個載波信息，并且將選擇信息傳送至一個遠程接收單元。
9.如權利要求8所述的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，其中所述電能調(diào)整模塊包括一個用于整流在所述壓電結構中產(chǎn)生的電能的電壓整流器、一個用于存儲電能的能量存儲裝置和一個用于產(chǎn)生調(diào)整過的電壓輸出的電壓調(diào)整器。
10.如權利要求9所述的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，其中所述電壓整流器是一個全橋整流器和其中所述能量存儲裝置是一個電容器。
11.如權利要求10所述的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，其中調(diào)整過的輸出電壓的水平在大約3伏到大約5伏。
12.如權利要求10所述的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，其中選定的所述多個傳感器提供有關一個氣胎輪結構中的溫度和壓力信息。
13.如權利要求8所述的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，其中由所述微控制器產(chǎn)生的選擇信息表示輪結構的溫度與壓力、輪結構已經(jīng)承受的旋轉圈數(shù)和一個輪胎的識別標記。
14.一種用于從集成在一個輪組件中的壓電材料中產(chǎn)生電能的方法，所述方法包括下述步驟提供一壓電結構，其中所述壓電結構在輪組件的內(nèi)部沿著一個選定的位置定位；使輪組件受到機械變形，該機械變形通常隨著輪組件沿著路面旋轉而發(fā)生，這導致了輪組件的各個部分的彎曲及在所提供的壓電結構中產(chǎn)生電流；調(diào)整在壓電結構中產(chǎn)生的電流；及將調(diào)整過的電流存儲在一個能量存儲裝置中，使得立即可獲得一個調(diào)整過的電壓源，以用于向與輪組件相關聯(lián)的電子裝置提供電能。
15.如權利要求14所述的方法，其中所述調(diào)整步驟包括整流在壓電結構中產(chǎn)生的電流。
16.一種發(fā)電模塊，其包括一具有輸出端的壓電元件，該輸出端在所述壓電元件彎曲時提供一個輸出電壓；一具有一個輸入和一個輸出的整流器，整流器的輸入連接至壓電元件的輸出端；一連接至整流器的輸出的第一存儲元件；一具有一個連接至所述第一存儲元件的輸入和一個輸出的轉換器；一連接至所述轉換器的輸出的第二存儲元件，其中壓電元件基于彎曲產(chǎn)生一個相對高電壓的電荷，該電荷被存儲在所述第一存儲元件中，并且當?shù)竭_一個閾值水平時被轉換成一個相對低電壓的電荷并存儲在所述第二存儲元件中。
17.如權利要求16所述的發(fā)電模塊，其中所述轉換器是一個大規(guī)模轉換器。
18.如權利要求16所述的發(fā)電模塊，其中所述第一存儲元件和第二存儲元件是電容。
19.如權利要求18所述的發(fā)電模塊，其中所述第二存儲元件是一個電解電容器。
20.如權利要求18所述的發(fā)電模塊，其中所述第一存儲元件的電容值低于第二存儲元件的電容值。
21.如權利要求18所述的發(fā)電模塊，其中第一存儲元件的電壓額定值高于第二存儲元件的電壓額定值。
全文摘要
一種用于從旋轉的輪胎的機械能中產(chǎn)生電能的系統(tǒng)和方法，其涉及一個與電能獲取與調(diào)整模塊相關聯(lián)的壓電發(fā)電裝置。壓電結構優(yōu)選地安裝在一個輪結構中，以使隨著輪組件沿地面移動在其中產(chǎn)生電荷。壓電結構的電極連接至一個電能獲取與調(diào)整模塊，該模塊整流從壓電結構所得到的電流并將其存儲在一種能量存儲裝置中，優(yōu)選的是一個電容。從存儲在發(fā)電裝置中的能量中提供了一個調(diào)整過的電壓源，并能將其用于向集成在一個輪胎或一個輪組件中的各種電子裝置系統(tǒng)提供電能。一個所使用的帶有所公開的發(fā)電裝置集成輪胎電子裝置系統(tǒng)的例子對應于一個輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)以無線方式將如輪胎壓力、溫度和識別變量的信息傳送至一個遠程接收器單元。
文檔編號B60C19/00GK1716748SQ200510079828
公開日2006年1月4日 申請日期2005年6月29日 優(yōu)先權日2004年6月29日
發(fā)明者P·A·廷德爾 申請人:米其林研究和技術股份有限公司, 米其林技術公司