WO2008034825A1 - Reifenmodul mit piezoelektrischem wandler - Google Patents

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WO2008034825A1
WO2008034825A1 PCT/EP2007/059850 EP2007059850W WO2008034825A1 WO 2008034825 A1 WO2008034825 A1 WO 2008034825A1 EP 2007059850 W EP2007059850 W EP 2007059850W WO 2008034825 A1 WO2008034825 A1 WO 2008034825A1
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WO
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tire module
tire
piezoelectric transducer
module
transducer element
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/059850
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jakob Schillinger
Dietmar Huber
Manfred Krapf
Günther ROMHART
Klaus Liebrich
Original Assignee
Continental Teves Ag & Co. Ohg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Teves Ag & Co. Ohg filed Critical Continental Teves Ag & Co. Ohg
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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
    • B60C23/02—Signalling devices actuated by tyre pressure
    • B60C23/04—Signalling devices actuated by tyre pressure mounted on the wheel or tyre
    • B60C23/0491—Constructional details of means for attaching the control device
    • B60C23/0493—Constructional details of means for attaching the control device for attachment on the tyre

Definitions

  • the invention relates to a tire module with a piezo element, which is arranged on an inner side of a tire, and a tire pressure monitoring system with such a tire module.
  • a tire module is arranged on each wheel, in particular in the interior of the tire.
  • a tire module often comprises at least one sensor for detecting at least one tire parameter, in particular the tire air pressure, as well as a transmitting unit and optionally evaluation electronics.
  • the power supply of the electronic components can, for. B. by a battery, an energy converter with piezoelectric element or a transponder coil done.
  • a system for determining the operating parameters of vehicle tires in which a sensor unit, an evaluation and a piezoelectric element is arranged on a support body, which supplies the other system components with energy.
  • the piezoelectric element has a multilayer structure.
  • EP 1 614 552 A1 discloses a bridge-shaped patch with an electromechanical transducer for use in a vehicle tire.
  • the piezoelectric element is surrounded by a cover formed as a fixed casing or a globtop and thus protected from a surrounding potting compound ,
  • the energy converter When using an energy converter to power a tire module mounted in the tire interior, it must be ensured that the energy converter is designed to withstand the stresses throughout the life of the tire. It is advantageous if the energy converter with the other components, such. As the electronic components, a compact module forms.
  • the present invention seeks to provide an improved tire module with piezoelectric energy converter for mounting inside a tire.
  • the invention is based on the consideration that a tire module that makes use of an acceleration change to convert motion and / or deformation energy into electrical power requires a seismic mass that is deflected by the acceleration that arises during driving.
  • a mass which can also be used as a seismic mass is available both through the piezoelectric element itself and through an enclosure which typically serves for protection and / or fastening.
  • the tire module is advantageously positively or non-positively and in a particularly advantageous embodiment form-fit and frictionally embedded in the enclosing material.
  • the piezoelectric element is advantageously designed as a piezoelectric transducer element for generating electrical energy.
  • the piezoelectric transducer element In order that the piezoelectric transducer element can be protected against weathering and other influences, it is advantageously completely surrounded by the enclosing material. To generate electrical energy, a mechanical force acting on the piezoelectric transducer element is required. To achieve this force, the enclosing material is advantageously designed as a seismic mass for the piezoelectric transducer element. - A -
  • an additional seismic mass is advantageously embedded in the enclosing material, the specific gravity of which is expediently higher than that of the enclosing material.
  • the additional seismic mass is spatially separated from the piezoelectric transducer element embedded in the enclosing material.
  • this is expediently annular, flat, strip-shaped, fibrous, foil-like or fabric-like.
  • the piezoelectric wall element is designed as a single layer.
  • the piezoelectric wall element in order to achieve a temperature compensation with simultaneous doubling of the signal voltage, is designed in multiple layers.
  • piezoelectric transducer element In order to be able to select the manufacturing process which is as advantageous as possible for the overall design, different production methods, such as transfer malls, injection mounts, overmolds or potting, are provided for embedding the piezoelectric transducer element in the enclosing material.
  • the arrangement of the piezoelectric transducer element is advantageously carried out on a carrier layer in order to exclude as far as possible mechanical damage to the piezoelectric transducer element, and in a particularly advantageous embodiment on a printed circuit board in order to provide electrical contacts.
  • a number of further electronic components in particular a pressure and / or temperature sensor, an evaluation circuit and a transmitting and / or receiving unit, are advantageously arranged on the carrier layer.
  • the carrier layer with the components is advantageously completely, possibly also surrounded by multi-layered enclosing material.
  • the piezoelectric transducer element is expediently with an electrical memory, for.
  • an electrical memory for.
  • the tire module advantageously comprises one or more additional electrical taps for decoupling the generated voltage.
  • the tire module has a simple and space-saving design and is protected by the embedding in the enclosing material and the piezoelectric energy converter effectively ensures the power supply of the tire module for the extraction, evaluation and transmission of information.
  • tire pressure sensor To increase driving safety and / or driving comfort sensors are usually mounted in motor vehicles on the wheel or in the rim, which measure the tire pressure and / or the temperature (tire pressure sensor). A further improvement is achieved if in addition the latitude or latitudinal length, ie the length of the tire footprint, is detected. This value can be used to improve the control of the brake systems, the damper systems and / or the drive system.
  • Known tire pressure monitoring systems usually derive their energy from a battery or are supplied via an electromagnetic field (transponder systems). Since these energy sources have disadvantages, among others, in terms of costs, disposal, service life and weight, an increasing attempt is being made to use self-sufficient supply systems.
  • the mounting of the sensor module takes place at a location that can not lead to damage during assembly or disassembly of the tire on the rim.
  • the centrifugal acceleration acts on a tire module which is arranged on the tire inner liner, in particular in the area of the tire tread. If the module is located within the footprint, however, only the acceleration due to gravity is active.
  • the radius of the tire is reduced (flattening) and there is an increase in acceleration.
  • a tire module that makes use of an acceleration change to convert kinetic energy and / or strain energy into electrical energy requires a seismic mass that is deflected by the acceleration.
  • the idea of the invention is that the enveloping mass of the tire load sensor (tire module) is the seismic mass of an energy converter with at least one piezoelectric element (piezoelectric element).
  • At least one piezoelectric element is completely or partially, in particular positive and / or non-positive, embedded in the Umhüllmasse.
  • the piezoelectric element may be annular, planar, strip-shaped, fibrous, foil-like or fabric-like.
  • the piezoelectric element can be designed in one or more layers.
  • the embedding of the piezoelectric element is carried out by Transfermolden, Injection golden, Overmolden or potting.
  • Ummüllmasse enclosing material
  • plastics are suitable materials such.
  • thermoplastics thermosets (eg epoxy), potting materials, silicones, paints or the like.
  • the piezoelectric material may be a piezoelectric ceramic, in particular lead zirconate titanate (PZT), or a piezoelectric film, in particular of polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • PZT lead zirconate titanate
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the piezoelectric element is used together with an electrical circuit and / or other electronic components, eg. As sensors, in particular a pressure sensor, evaluation, transmitting and / or receiving devices for the exchange of control and data signals, storage, etc., applied to a substrate (circuit board).
  • This shoring unit is fully ummoldet, partially and / or multi-layered.
  • the resulting tire module is attached by means of suitable fasteners (attachment means) on the inner liner flexible (loose, movable).
  • the tire module is arranged on the innerliner of the tire such that a partially different surface pressure is produced on the encapsulation material during the slippage pass at the transition from the centrifugal acceleration to the gravitational acceleration and vice versa.
  • the tire module according to the invention experiences different contact forces which, via the direct coupling of the enveloping mass to the piezo element (s), result in a small but sufficient, reversible elastic deformation of the piezo element (s). s) leads.
  • This deformation generates an electrical charge which, after rectification, forms an electrical memory (eg capacitor, Electrolytic capacitor or accumulator) charges and / or provides the trigger signals for the Latschweitentown.
  • the piezo element is used solely for generating the trigger signals for the latitude measurement and the power supply is supplied by a battery or a transponder module.
  • the shape of the enveloping compound and the position of the piezoelectric element (in the tire module) are selected in such a way that as much charge as possible is generated in the transition zone from and into the lathe zone. In this case, electrical charge by bending, torsional, shear, tensile, compressive and / or tensile forces acting on the sensor element can be generated.
  • the generation of electrical energy by the piezoelectric transducer element is typically done by spatially different contact forces on the enclosing material, which lead to bending, torsional, shear, tensile, compressive and / or tensile forces on the piezoelectric transducer element.
  • the electrical memory Upon reaching a certain minimum voltage of the electrical memory and / or upon receipt of a trigger signal, the electrical memory supplies the measuring electronics of the tire module. This performs a measurement and transmits the measured data to an HF receiver via an RF transmitter (HF: high frequency).
  • the discharge of the electrical memory is up to a lower threshold voltage, which is sufficient, part of the measuring electronics, z.
  • the charging voltage of the electrical storage is in several Divisions divided into: "Transmit voltage range", "Latch voltage range” and "No function".
  • the tire module for decoupling the acceleration voltage has one or more additional electrical taps on the piezoelectric element, and embodiments with several piezoelectric transducers are also conceivable.
  • the mounting surface for the piezo element also serves as a mounting and wiring surface for the electrical circuit and / or the electrical components of the tire load sensor (tire module).
  • a flexible (loose) connection between the tire module / piezoelectric element and the tire is used. Adhesion of the tire module to the tire or embedding in the tire is not performed. On the tire an attachment means (adhesive patch), z. B. by gluing, attached. In or on this, the tire module (loose) is arranged, for. B. by attaching, inserting, hooking or the like. The tire module is so arranged, limited by the attachment means, movable in the tire.
  • Fig. 3, 4, 5 schematically the electrical connection of the
  • Fig. 1 shows schematically an example according to the annular tire module 1 with annular piezoelectric element 2.
  • a piezoelectric element 2 is mounted on a carrier layer 4, for. B. PCB, arranged on which also other components 6, such. As electronic circuits, sensors or other electronic components are arranged. These components 6 are embedded in a wrapping compound 8 (enclosing material), which encloses the components 6.
  • the Umhüllmasse 8 is carried out according to the example annularly with a hole in the middle.
  • the tire module 1 is placed on the innerliner of the tire by means of an attachment means 10, a fastening patch (eg, adhesive patch) comprising an approximately mandrel-like formation 12 (attachment pin).
  • the attachment means 10 fixing patch
  • the tire module 1 is placed with the hole on the mounting pin 12.
  • the fixing patch 10 um- This protects the attachment means 10 against abrasion or damage by the Umhüllmasse 8 and also serves as an abutment for the tire module 1.
  • the wrapping 8 is, for example, an annular additional mass 16, the already existing by the wrapping material 8 seismic mass raised, embedded.
  • the additional mass 16 is preferably arranged in the region of the outer edge of the wrapping compound 8.
  • FIG. 2 schematically shows an exemplary flat piezoelectric element 2 or planar tire module 1.
  • a piezoelectric element 2 is mounted on a carrier layer 4, for example a piezoelectric element 2.
  • B. PCB arranged on which also other components 6, such. As electronic circuits, sensors or other electronic components are arranged. These components 6 are embedded in a wrapping compound 8, which encloses the components 6.
  • the surface of Umhüllmasse 8 can z. B. be round, square, rectangular or polygonal executed.
  • an additional mass 16 is embedded according to the example.
  • the additional mass 16 is preferably arranged in the central region of the surface of the enveloping mass 8.
  • the sensor module 1 (tire module) is inserted into a fastening patch 10 (attachment means) and / or fixed to the inner liner 18 by a belt or a plurality of straps.
  • the attachment patch 10 is adhered, for example, via an adhesive surface on the inner liner 18, but there are also other mounting options are conceivable.
  • the attachment means 10 has hook-shaped side parts 20 or a circumferential, tapered edge. By bending the side parts 20, it is possible to insert the tire module 1 in the attachment means 10. The tire module 1 is loose in the Attachment means 10 and is prevented by the hook-shaped side parts 20 from falling out.
  • the printed circuit board 4 in the region of the piezoelectric element 2 has a cutout.
  • the piezoelectric element 2 can be completely embedded in enclosing material 8.
  • FIG. 3 schematically illustrates an embodiment for the electrical connection of the piezoelectric element. It is a frontal electrical connection of the piezoelectric element 2 to a printed circuit board 4 with cutout, wherein the end faces 22 are each arranged on the right and left of the piezoelectric element.
  • the electrical connection is done by gluing or soldering to the adhesive or solder joints 24.
  • the adhesive or the solder material is also used here for attachment of the piezoelectric element 2 to the circuit board 4.
  • the piezoelectric element 2 is not shown here with a rectifier circuit with a charge storage and / or connected to a trigger circuit for the Latschweitentown.
  • the piezoelectric element 2 shows a planar electrical connection of the piezoelectric element 2 to a circuit board 4 with cutout.
  • the flat contacts 26 are arranged on and below the piezoelectric element.
  • the lower contact 26 is guided for easier tapping via a conductor 27 upwards.
  • the electrical connection is done in each case by means of a bonding wire 28.
  • the piezoelectric element 2 is attached via splices 24 to the circuit board 4.
  • FIG. 5 shows a piezoelectric element 2 with a flat electrical tap in plan view.
  • An additional tap 30 is attached.
  • This additional tap 30 a decoupling of the piezoelectric voltage is additionally carried out. This arises, as already described above, proportional to the acceleration.
  • This signal is preferably used to determine the latitudinal length and to obtain information to be determined from the latitudinal length.

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Abstract

Ein Reifenmodul (1) mit einem Piezoelement (2), welches an einer Innenseite eines Reifens angeordnet ist, soll ein verbessertes Reifenmodul (1) mit piezoelektrischem Energiewandler zur Anbringung im Inneren eines Reifens bereitstellen. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Reifenmodul (2) zumindest teilweise von einem Umschließungsmaterial (8) umgeben ist.

Description

Reifenmodul mit piezoelektrischem Wandler
Die Erfindung betrifft ein Reifenmodul mit einem Piezoele- ment, welches an einer Innenseite eines Reifens angeordnet ist, sowie ein Reifendrucküberwachungssystem mit einem derartigen Reifenmodul.
In modernen Kraftfahrzeugen werden vermehrt Reifenluft- druckerfassungsvorrichtungen verwendet, um Defekte oder Unfälle, welche auf einen unkorrekten Reifenluftdruck zurückzuführen sind, zu vermeiden. Bei vielen dieser Systeme ist jeweils ein Reifenmodul an jedem Rad, insbesondere im Inneren des Reifens, angeordnet. Ein Reifenmodul umfasst oft mindestens einen Sensor zur Erfassung mindestens eines Reifenparameters, insbesondere des Reifenluftdrucks, sowie eine Sendeeinheit und gegebenenfalls Auswerteelektronik. Die Energieversorgung der elektronischen Komponenten kann z. B. durch eine Batterie, einen Energiewandler mit piezoelektrischem Element oder eine Transponderspule erfolgen.
Aus der DE 44 02 136 Al ist ein System zur Bestimmung der Betriebsparameter von Fahrzeugreifen bekannt, bei dem auf einem Trägerkörper eine Sensoreinheit, eine Auswerteelektronik und ein piezoelektrisches Element angeordnet ist, das die übrigen Systemkomponenten mit Energie versorgt. Das piezoelektrische Element weist einen mehrschichtigen Aufbau auf .
In der EP 1 614 552 Al wird ein brückenförmiger Flicken mit einem elektromechanischen Wandler zur Verwendung in einem Fahrzeugreifen offenbart. Bei dem System zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem piezoelektrischen Element, welches in der WO 2006/003052 offenbart wird, ist das piezoelektrische Element von einer Abdeckung, die als ein festes Gehäuse oder ein Globtop ausgebildet ist, umgeben und wird so vor einer umgebenden Vergussmasse geschützt.
Bei der Verwendung eines Energiewandlers zur Energieversorgung eines Reifenmoduls, welcher im Reifeninneren angebracht ist, muss sichergestellt werden, dass der Energiewandler so gestaltet ist, dass er den Belastungen während der gesamten Lebensdauer des Reifens standhält. Dabei ist es von Vorteil, wenn der Energiewandler mit den übrigen Komponenten, wie z. B. den elektronischen Bauteilen, ein kompaktes Modul bildet.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Reifenmodul mit piezoelektrischem Energiewandler zur Anbringung im Inneren eines Reifens bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Reifenmodul zumindest teilweise von einem Umschließungsmaterial umgeben ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein Reifenmodul, das eine Beschleunigungsänderung zur Umwandlung von Bewegungs- und/oder Verformungsenergie in elektrische Leistung nutzt, eine seismische Masse benötigt, die durch die im Fahrbetrieb entstehende Beschleunigung ausgelenkt wird. Eine Masse, die auch als seismische Masse genutzt werden kann, steht sowohl durch das Piezoelement selber als auch durch eine typischerweise dem Schutz und/oder der Befestigung dienende Umhüllung zur Verfügung.
Um eine besonders haltbare Befestigung des Reifenmoduls im Reifeninneren, auch bei hohen Belastungen, zu erreichen, ist das Reifenmodul vorteilhafterweise formschlüssig oder kraftschlüssig und in besonders vorteilhafter Ausführung formschlüssig und kraftschlüssig in das Umschließungsmaterial eingebettet.
Um eine Befestigung des Reifenmoduls im Reifeninneren, auch nach der Produktion des Reifens im Nachrüstverfahren, und eine besonders hohe Energiegewinnung zu ermöglichen, ist zweckmäßigerweise ein zur flexiblen Befestigung des Reifenmoduls im Reifeninnern geeignetes Anbringungsmittel vorgesehen .
Um eine autarke Energieversorgung des Reifenmoduls und somit eine Signalübertragung an eine zugeordnete Empfangseinheit im Kraftfahrzeug zu erreichen, ist das Piezoelement vorteilhafterweise als piezoelektrisches Wandlerelement zur Erzeugung elektrischer Energie ausgelegt.
Damit das piezoelektrische Wandlerelement gegen Witterungsund andere Einflüsse geschützt werden kann, ist es vorteil- hafterweise vollständig vom Umschließungsmaterial umgeben. Zur Erzeugung elektrischer Energie ist eine auf das piezoelektrische Wandlerelement einwirkende mechanische Kraft vonnöten. Um diese Krafteinwirkung zu erreichen, ist das Umschließungsmaterial vorteilhafterweise als seismische Masse für das piezoelektrische Wandlerelement ausgelegt. - A -
Um eine Erhöhung der Energiegewinnung erreichen zu können, ist in dem Umschließungsmaterial vorteilhafterweise eine zusätzliche seismische Masse eingebettet, deren spezifisches Gewicht zweckmäßigerweise höher als das des Umschließungsmaterials ist.
Zur Erreichung einer besonders hohen mechanischen Krafteinwirkung durch einen besonders großen Hebel ist die zusätzliche seismische Masse räumlich getrennt vom piezoelektrischen Wandlerelement in dem Umschließungsmaterial eingebettet.
Um das piezoelektrische Wandelement möglichst optimal an die Form und das Design des Reifenmoduls anpassen zu können, ist dieses zweckmäßigerweise ringförmig, flächig, streifenförmig, fasrig, folienartig oder gewebeartig ausgeführt.
Üblicherweise ist das piezoelektrische Wandelement einlagig ausgeführt. In einer besonders vorteilhaften Ausführung, um eine Temperaturkompensation bei gleichzeitiger Verdopplung der Signalspannung zu erreichen, ist das piezoelektrische Wandelement mehrlagig ausgeführt.
Um das für das Gesamtdesign möglichst vorteilhafte Fertigungsverfahren wählen zu können, sind unterschiedliche Fertigungsverfahren wie Transfermolden, Injektionsmolden, Overmolden oder Vergießen für das Einbetten des piezoelektrischen Wandlerelementes in das Umschließungsmaterial vorgesehen . Die Anordnung des piezoelektrischen Wandlerelements erfolgt vorteilhafterweise auf einer Trägerschicht, um mechanische Beschädigungen des piezoelektrischen Wandlerelements wei- testgehend auszuschließen, und in besonders vorteilhafter Ausführung auf einer Leiterplatte, um elektrische Kontaktierungen zur Verfügung zu stellen.
Um Informationen aufnehmen und/oder auswerten und/oder übermitteln zu können, ist auf der Trägerschicht vorteilhafterweise eine Anzahl von weiteren elektronischen Bauelementen, insbesondere ein Druck- und/oder Temperatursensor, eine Auswerteschaltung sowie eine Sende- und/oder Empfangseinheit, angeordnet.
Um die Trägerschicht mit dem piezoelektrischen Wandlerelement und den weiteren elektronischen Bauteilen zuverlässig gegen Witterungs- und andere Einflüsse zu schützen, ist die Trägerschicht mit den Bauelementen vorteilhafterweise vollständig, evtl. auch mehrschichtig vom Umschließungsmaterial umgeben .
Um eine besonders zuverlässige elektrische Verbindung des piezoelektrischen Wandlerelements zu erreichen, ist dessen Kontaktierung vorteilhafterweise in Klebe-, Löt-, Druckkontakt- oder Bonddrahttechnik ausgeführt.
Um Energie dauerhaft speichern und die Messsignale auswerten und übertragen zu können, ist das piezoelektrische Wandlerelement zweckmäßigerweise mit einem elektrischen Speicher, z. B. einen Kondensator oder Elko, in besonders vorteilhafter Ausführung über einen Gleichrichter, verbunden . Um aus der zeitlichen Lage der piezoelektrischen Ladeströme auf die Latschweite des Reifens schließen zu können, um- fasst das Reifenmodul vorteilhafterweise einen oder mehrere zusätzliche elektrische Abgriffe zur Auskopplung der erzeugten Spannung.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass das Reifenmodul einen einfachen und platzsparenden Aufbau besitzt sowie durch die Einbettung in das Umschließungsmaterial geschützt ist und der piezoelektrische Energiewandler effektiv die Energieversorgung des Reifenmoduls für die Gewinnung, Auswertung und Übermittlung von Informationen sicherstellt.
Zur Erhöhung der Fahrsicherheit und/oder des Fahrkomforts werden in Kraftfahrzeugen am Rad oder in der Felge üblicherweise Sensoren angebracht, die den Reifendruck und/oder die Temperatur messen (Reifendrucksensor) . Eine weitere Verbesserung wird erreicht, wenn zusätzlich die Latschweite oder Latschlänge, d. h. die Länge der Reifenaufstandsflache, erfasst wird. Dieser Wert kann zur Verbesserung der Regelung der Bremssysteme, der Dämpfersysteme und/oder des Antriebssystems verwendet werden. Bekannte Reifendrucküberwachungssysteme beziehen ihre Energie üblicherweise aus einer Batterie oder werden über ein elektromagnetisches Feld versorgt (Transpondersysteme) . Da diese Energiequellen Nachteile u. a. bei den Kosten, der Entsorgung, der Lebensdauer und dem Gewicht mit sich bringen, wird zunehmend versucht, autarke Versorgungssysteme einzusetzen. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass die Befestigung des Sensormoduls an einer Stelle erfolgt, die bei der Montage oder Demontage des Reifens auf der Felge nicht zu einer Beschädigung führen kann. Rollt ein Reifen eines Kraftfahrzeugs, Motorrads, Motorrollers, Nutzfahrzeugs, Fahrrads oder Flugzeugs auf einem Untergrund ab, so entsteht immer eine abgeplattete Aufstandsfläche - der so genannte Latsch. Während der rotatorischen Bewegung des Reifens wirkt die Zentrifugalbeschleunigung auf ein Reifenmodul, welches am Reifen-Innerliner, insbesondere im Bereich der Reifenlauffläche, angeordnet ist. Befindet sich das Modul innerhalb der Aufstandsfläche wirkt hingegen nur die Erdbeschleunigung. Bei Ein- und Austritt in den Latschdurchlauf verringert sich der Radius des Reifens (Abplattung) und es kommt zu einer Beschleunigungsüberhöhung.
Ein Reifenmodul, welches eine Beschleunigungsänderung zur Umwandlung von Bewegungsenergie und/oder Verformungsenergie in elektrische Energie ausnutzt, benötigt eine seismische Masse, die durch die Beschleunigung ausgelenkt wird. Die Idee der Erfindung ist es, dass die Umhüllmasse des Reifenlastsensors (Reifenmoduls) die seismische Masse eines Energiewandlers mit mindestens einem piezoelektrischen Element (Piezoelement ) ist.
Dazu wird mindestens ein Piezoelement vollständig oder partiell, insbesondere form- und/oder kraftschlüssig, in die Umhüllmasse eingebettet. Das Piezoelement kann ringförmig, flächig, streifenförmig, fasrig, folienartig oder gewebeartig ausgeführt sein. Außerdem kann das piezoelektrische Element ein- oder mehrlagig ausgeführt sein. Die Einbettung des Piezoelementes erfolgt durch Transfermolden, Injekti- onsmolden, Overmolden oder Vergießen. Als Umhüllmasse (Umschließungsmaterial) sind Kunststoffe geeignete Materialien, wie z. B. Thermoplaste, Duroplaste (z. B. Epoxid) , Vergussmaterialien, Silikone, Lacke oder ähnliches .
Das piezoelektrische Material kann eine piezoelektrische Keramik, insbesondere Bleizirkonattitanat (PZT) , oder eine piezoelektrische Folie, insbesondere aus Polyvinylidenfluo- rid (PVDF) , sein.
Das Piezoelement wird zusammen mit einer elektrischen Schaltung und/oder weiteren elektronischen Bauteilen, z. B. Sensoren, insbesondere einem Drucksensor, Auswerteelektronik, Sende- und/oder Empfangseinrichtungen zum Austausch von Steuer- und Datensignalen, Speichern etc., auf ein Substrat (Leiterplatte) aufgebracht. Diese Verbaueinheit wird vollständig, teilweise und/oder mehrschichtig ummoldet. Das entstandene Reifenmodul wird mittels geeigneter Befestigungselemente (Anbringungsmittel) auf dem Innerliner flexibel (lose, beweglich) angebracht.
Das Reifenmodul wird so am Innerliner des Reifens angeordnet, dass bei Latschdurchlauf beim Übergang von der Zentrifugalbeschleunigung zur Erdbeschleunigung und umgekehrt eine partiell unterschiedliche Flächenpressung auf die Umhüllmasse entsteht. Das heißt, beim Übergang in den und aus dem Latschbereich erfährt das erfindungsgemäße Reifenmodul unterschiedliche Anpresskräfte, welche über die direkte An- kopplung der Umhüllmasse an das/die Piezoelement (e) zu einer geringen, aber hinreichenden, reversiblen elastischen Verformung des/der Piezoelemente (s) führt. Diese Verformung erzeugt eine elektrische Ladung, welche - nach Gleichrichtung - einen elektrischen Speicher (z. B. Kondensator, Elektrolytkondensator oder Akkumulator) auflädt und/oder die Triggersignale für die Latschweitenmessung liefert. Es ist auch vorstellbar, dass das Piezoelement allein zur Erzeugung der Triggersignale für die Latschweitenmessung dient und die Energieversorgung von einer Batterie oder einem Transpondermodul geliefert wird.
Die Formgebung der Umhüllmasse und die Lage des Piezoele- mentes (im Reifenmodul) werden so gewählt, dass möglichst viel Ladung in der Übergangszone aus und in die Latschzone erzeugt wird. Dabei kann elektrische Ladung durch Biege-, Torsions-, Scher-, Zug-, Druck- und/oder Dehnkräfte, die auf das Sensorelement wirken, erzeugt werden.
Die Erzeugung elektrischer Energie durch das piezoelektrische Wandlerelement geschieht typischerweise durch räumlich unterschiedliche Anpresskräfte auf das Umschließungsmaterial, welche zu Biege-, Torsions-, Scher-, Zug-, Druck- und/oder Dehnkräften auf das piezoelektrische Wandlerelement führen.
Bei Erreichen einer bestimmten Mindestspannung des elektrischen Speichers und/oder bei Empfang eines Triggersignals versorgt der elektrische Speicher die Messelektronik des Reifenmoduls. Diese führt eine Messung durch und überträgt über einen HF-Sender (HF: Hochfrequenz) die Messdaten an einen HF-Empfänger. Die Entladung des elektrischen Speichers erfolgt bis zu einer unteren Schwellspannung, welche ausreicht, einen Teil der Messelektronik, z. B. den Teil zur Bestimmung der Latschlänge, weiterhin mit Spannung zu versorgen. Das heißt, in einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ladespannung des elektrischen Speichers in mehrere Bereiche unterteilt: „Sendespannungsbereich", „Latschmess- spannungsbereich" und „ohne Funktion".
Es besteht die Möglichkeit, aus der zeitliche Lage der piezoelektrischen Ladeströme auf die Latschweite (Latschlänge; zu schließen. In vereinfachender Weise kann dies durch einen zusätzlichen Abgriff auf dem Piezoelement erfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt daher das Reifenmodul zur Auskopplung der Beschleunigungsspannung einen oder mehrere zusätzliche elektrische Abgriffe auf dem Piezoelement. Es sind auch Ausführungsformen mit mehreren Pie- zowandlern vorstellbar.
Die Montagefläche für das Piezoelement dient gleichzeitig als Montage- und Verdrahtungsfläche für die elektrische Schaltung und/oder die elektrischen Bauelemente des Reifenlastsensors (Reifenmoduls).
Es ist weiterhin bevorzugt, aber nicht zwingend notwendig, dass zur Erhöhung der Energiegewinnung mindestens eine Zusatzmasse in dem Reifenmodul eingemoldet ist.
Im Gegensatz zu den bekannten alternativen Verfahren zur Energiegewinnung/-umwandlung mittels Piezoelement wird bei dieser Erfindung eine flexible (lose) Verbindung zwischen dem Reifenmodul/Piezoelement und dem Reifen verwendet. Ein Ankleben des Reifenmoduls an den Reifen oder ein Einbetten in den Reifen wird nicht durchgeführt. Am Reifen wird ein Anbringungsmittel (Klebepatch), z. B. durch Kleben, befestigt. In oder an diesem wird das Reifenmodul (lose) angeordnet, z. B. durch Aufstecken, Einlegen, Einhaken oder ähnliches. Das Reifenmodul ist so, eingeschränkt durch das Anbringungsmittel, beweglich im Reifen angeordnet. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 schematisch ein ringförmiges Reifenmodul,
Fig. 2 schematisch ein flächiges Reifenmodul,
Fig. 3, 4, 5 schematisch die elektrische Anbindung des
Piezoelementes in verschiedenen Ausführungsformen .
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Fig. 1 zeigt schematisch ein beispielsgemäßes ringförmiges Reifenmodul 1 mit ringförmigem Piezoelement 2. Ein piezoelektrisches Element 2 ist auf einer Trägerschicht 4, z. B. Leiterplatte, angeordnet, auf welcher außerdem weitere Komponenten 6, wie z. B. elektronische Schaltungen, Sensoren oder andere elektronische Bauteile, angeordnet sind. Diese Komponenten 6 sind in eine Umhüllmasse 8 (Umschließungsmaterial) eingebettet, welche die Komponenten 6 umschließt. Die Umhüllmasse 8 ist beispielsgemäß ringförmig mit einem Loch in der Mitte ausgeführt. Das Reifenmodul 1 wird mittels eines Anbringungsmittels 10, eines Befestigungspatches (z. B. Klebepatch), welches eine annährend dornähnliche Ausformung 12 (Befestigungspin) umfasst, am Innerliner des Reifens angeordnet. Dazu wird das Anbringungsmittel 10 (Befestigungspatch) z. B. mittels einer Klebefläche 11 am hier nicht dargestellten Innerliner des Reifens angeklebt. Das Reifenmodul 1 wird mit dem Loch an dem Befestigungspin 12 angeordnet. Das Befestigungspatch 10 um- fasst beispielsgemäß einen Schutzring 14. Dieser schützt das Anbringungsmittel 10 gegen Abrieb oder Beschädigung durch die Umhüllmasse 8 und dient zudem als Widerlager für das Reifenmodul 1. In der Umhüllmasse 8 ist beispielsgemäß eine ringförmige Zusatzmasse 16, die die durch das Umhüllungsmaterial 8 bereits vorhandene seismische Masse erhöht, eingebettet. Die Zusatzmasse 16 ist bevorzugt im Bereich des äußeren Randes der Umhüllmasse 8 angeordnet.
Die Fig. 2 zeigt schematisch ein beispielsgemäßes flächiges Piezoelement 2 bzw. flächiges Reifenmodul 1. Ein piezoelektrisches Element 2 ist auf einer Trägerschicht 4, z. B. Leiterplatte, angeordnet, auf welcher außerdem weitere Komponenten 6, wie z. B. elektronische Schaltungen, Sensoren oder andere elektronische Bauteile, angeordnet sind. Diese Komponenten 6 sind in eine Umhüllmasse 8 eingebettet, welche die Komponenten 6 umschließt. Die Fläche der Umhüllmasse 8 kann z. B. rund, quadratisch, rechteckig oder vieleckig ausgeführt sein. In der Umhüllmasse 8 ist beispielsgemäß eine Zusatzmasse 16 eingebettet. Die Zusatzmasse 16 ist bevorzugt im mittleren Bereich der Fläche der Umhüllmasse 8 angeordnet. Zur Anbringung des Reifenmoduls 1 am Reifen wird das Sensormodul 1 (Reifenmodul) in ein Befestigungspatch 10 (Anbringungsmittel) eingelegt und/oder durch einen Gurt oder mehrere Gurte am Innerliner 18 fixiert.
Das Befestigungspatch 10 wird beispielsgemäß über eine Klebefläche am Innerliner 18 angeklebt, es sind jedoch auch andere Befestigungsmöglichkeiten denkbar. Das Anbringungsmittel 10 besitzt hakenförmige Seitenteile 20 oder einen umlaufenden, verjüngten Rand. Durch Aufbiegen der Seitenteile 20 ist es möglich, das Reifenmodul 1 in das Anbringungsmittel 10 einzulegen. Das Reifenmodul 1 liegt lose im Anbringungsmittel 10 und wird durch die hakenförmigen Seitenteile 20 am Herausfallen gehindert.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Leiterplatte 4 im Bereich des Piezoelementes 2 eine Freisparung. Hierdurch kann das Piezoelement 2 vollständig in Umschließungsmaterial 8 eingebettet werden.
Die Fig. 3 stellt schematisch eine Ausführungsform zur elektrischen Anbindung des Piezoelementes dar. Es handelt sich um eine stirnseitige elektrische Anbindung des Piezoelementes 2 an eine Leiterplatte 4 mit Freisparung, wobei die Stirnseiten 22 jeweils rechts und links des Piezoele- ments angeordnet sind. Die elektrische Anbindung geschieht mittels Kleben oder Löten an den Klebe- oder Lötstellen 24. Der Kleber oder das Lötmaterial dient hier auch zur Befestigung des Piezoelementes 2 an der Leiterplatte 4. Das Piezoelement 2 ist so über eine hier nicht dargestellte Gleichrichterschaltung mit einem Ladungsspeicher und/oder mit einer Triggerschaltung für die Latschweitenmessung verbunden .
In der Fig. 4 ist eine flächige elektrische Anbindung des Piezoelementes 2 an eine Leiterplatte 4 mit Freisparung dargestellt. Die flächigen Kontakte 26 sind auf und unter dem Piezoelement angeordnet. Der untere Kontakt 26 wird zum einfacheren Abgriff über einen Leiter 27 nach oben geführt. Die elektrische Anbindung geschieht jeweils mittels eines Bonddrahtes 28. Das Piezoelement 2 ist über Klebestellen 24 an der Leiterplatte 4 befestigt.
Die Fig. 5 zeigt ein Piezoelement 2 mit einem flächigen elektrischen Abgriff in Draufsicht. Auf der oberen Seite ist ein Zusatzabgriff 30 angebracht. Mittels dieses Zusatzabgriffs 30 wird zusätzlich eine Auskopplung der Piezospan- nung durchgeführt. Diese entsteht, wie oben bereits beschrieben, proportional zur Beschleunigung. Dieses Signal wird bevorzugt zur Bestimmung der Latschlänge und zur Gewinnung von aus der Latschlänge zu ermittelnden Informationen verwendet .
Bezugszeichenliste
1 Reifenmodul
2 Piezoelement
4 Trägerschicht
6 elektrische Komponenten
8 Umschließungsmaterial
10 Anbringungsmittel
11 Klebefläche
12 Befestigungspin
14 Schutzring
16 Zusatzmasse
18 Innerliner
20 Seitenteil
22 Stirnseite
24 Klebe- oder Lötstelle
26 Kontaktfläche
27 elektrischer Leiter
28 Bonddraht
30 zusätzlicher elektrischer Abgriff

Claims

Patentansprüche :
1. Reifenmodul (1) mit einem Piezoelement , welches an einer Innenseite eines Reifens angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Reifenmodul (1) zumindest teilweise von einem Umschließungsmaterial (8) umgeben ist.
2. Reifenmodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (2) zumindest teilweise in dem Umschließungsmaterial (8) des Reifenmoduls (1) formschlüssig und/oder kraftschlüssig eingebettet ist.
3. Reifenmodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Reifenmodul (1) über ein Anbringungsmittel (10) flexibel an oder in der Reifeninnenseite angeordnet ist.
4. Reifenmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Piezoelemen- ten (2) als piezoelektrische Wandlerelemente ausgelegt ist.
5. Reifenmodul (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Wandlerelement vollständig im Umschließungsmaterial (8) eingebettet ist.
6. Reifenmodul (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschließungsmaterial (8) als seismische Masse für das piezoelektrische Wandlerelement ausgelegt ist.
7. Reifenmodul (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Umschließungsmaterial
(8) eine zusätzliche seismische Masse (16) eingebettet ist.
8. Reifenmodul (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche seismische Masse (16) räumlich getrennt von dem piezoelektrischen Wandlerelement in dem Umschließungsmaterial (8) eingebettet ist.
9. Reifenmodul (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Wandlerelement ringförmig, flächig, streifenförmig, fasrig, folienartig oder gewebeartig ausgeführt ist.
10. Reifenmodul (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Wandlerelement einlagig oder mehrlagig ausgeführt ist.
11. Reifenmodul (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Wandlerelement durch Transfermolden, Injektionsmolden, Overmolden oder Vergießen in das Umschließungsmaterial (8) eingebettet ist.
12. Reifenmodul (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Wandlerelement auf einer Trägerschicht (4), insbesondere einer Leiterplatte, angeordnet ist.
13. Reifenmodul (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Trägerschicht (4) mindestens ein weiteres elektronisches Bauelement angeordnet ist.
14. Reifenmodul (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (4) mit dem/den auf ihr angeordneten Element (en) vollständig in dem Umschließungsmaterial (8) eingebettet ist.
15. Reifenmodul (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktie- rung des piezoelektrischen Wandlerelements in Klebe-, Löt-, Druckkontakt- oder Bonddrahttechnik ausgeführt ist.
16. Reifenmodul (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Wandlerelement über einen Gleichrichter mit einem elektrischen Speicher verbunden ist.
17. Reifenmodul (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Wandlerelement mit einer Trigger-Elektronik verbunden ist.
18. Reifenmodul (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Wandlerelement mindestens einen weiteren elektrischen Ab- griff (30) zur Auskopplung der erzeugten Spannung um- fasst .
19. Reifendrucküberwachungssystem mit einem Reifenmodul (I] nach einem der Ansprüche 1 bis 18.
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