CN1549776A - 利用增强压电材料从旋转轮胎机械能量中产生电能的系统 - Google Patents

Abstract

一种用于从旋转轮胎的机械能量中产生电能的系统，包括带有压电结构和能量存储器的电能产生装置。该压电结构最好包括以大致单向方式埋在环氧树脂基体内的多个压电纤维。压电结构可安装到支撑衬底上，用于将机械应变以大致均匀的方式分散在压电结构上。压电结构安装在轮胎结构内，从而当车轮组件沿着地面运动时，在轮胎内产生电荷。在压电结构内的电极连接到电能调节模块上，以对电流进行整流，并把该电流存储在能量存储器中，该存储器例如电解电容或者充电电池。从调整后的电压源将产生并存储的电能以向集成在车轮或轮胎中的各种电子仪器供电。一种带有把轮胎压力、温度和识别变量的信息发送到遥控接收器位置的发射装置的监测系统。

Description

利用增强压电材料从旋转轮胎机械能量中产生电能的系统

                        优先权声明

本申请为同一申请人的题为“利用压电纤维组合物从旋转轮胎机械能量中产生电能的系统和方法”的在先美国专利申请的接续申请。该申请于2002年5月10日提交，申请号为USSN10/143535，为了所有目的，这里参照引用该申请。

发明领域

本发明一般涉及这样的系统和方法，该系统和方法用于使压电结构经受传统轮胎旋转的机械能量，从而为一体形成的轮胎电子仪器产生电能。压电技术被用于将涉及轮胎弯曲的机械应变转换成电荷，然后调节该电荷量，并该电荷存储到能量存储器中。这种存储能量的足够积累则可为电子系统提供电能，电子系统包括用于识别各种物理轮胎参数的元件以及射频(RF)发射器。

发明背景

电子器件与充气轮胎结构结合可具有许多实际的优点。轮胎电子仪器可包括传感器和其他获得有关各种轮胎物理参数的元件，这些参数例如为，温度、压力、轮胎转数、车速等。在轮胎监测和警报系统中，这种性能变得很有用，甚至有可能用在反馈系统中，以调整适当的轮胎压力水平。

第5,749,984号美国专利(Frey等人)公开了一种能确定如轮胎偏转、轮胎速度和轮胎转数的轮胎监测系统和方法。在第4,510,484号美国专利(Snyder)中也可发现轮胎电子系统的另一个实例，该实例涉及非正常轮胎调节报警系统。第4,862,486号美国专利(Wing等人)中还涉及轮胎电子仪器，更特别公开了与车辆和卡车轮胎一起使用的典型转数表。

由集成在轮胎结构上的电子系统提供的另一个潜在能力为商业车辆应用中的财产跟踪和运行特性。商业车队、航空器和大型挖土机/采矿车辆均为可利用轮胎电子系统和相关信息传输好处的可行产业。轮胎传感器可确定在车辆中每个轮胎行走距离，并有助于这种商业系统的维护计划。对于如涉及大地开采的那些更昂贵设备，可对车辆定位和性能可进行优化。利用RF标签传输可跟踪整个车队，在第5,457,447号美国专利(Ghaem等人)中公开了以上的典型方面。

这种集成的轮胎电子系统用传统方式通过各种技术和不同电能发生系统来提供电能。在第4,061,200号(Thompson)和第3,760,351号(Thomas)美国专利中公开了从轮胎运动产生能量的机械特性的实例。这些实例提供了笨重复杂的系统，同时对于与现代轮胎结合不是最好的。在第4,510,484号美国专利(Snyder)中公开了对轮胎电子系统提供电能的另外一个选择，其中涉及了沿着轮胎径向中心对称的压电簧片电源。

为轮胎电子系统提供电能的另一个典型解决方案为利用非充电电池，由于正确的电子系统操作要取决于周期性电池替换，因此该电池固有的特性使轮胎用户不方便。传统电池还通常带有重金属，这种重金属不环保，同时特别是当大量使用时，就有如何处置的问题。此外，当为以复杂功能为特征的电子应用场合提供电能时，电池非常快地损耗能量存储。在以相对较远距离传输信息的电子系统中，例如从卡车车轮处到卡车驾驶室的接收器，电池存储损耗特别普遍。即使电池在从车轮位置传输到较近接收器位置的电子系统中使用时，信息一般通过硬线传输媒质从RF接收器位置到车辆驾驶室进行转发，从而在车辆中需要安装额外并且通常昂贵的通信硬件。

为轮胎监测系统发生能量的另外公知方法为，利用靠近轮胎并集成有电子仪器的询问天线提取RF射束能量。提取从天线发出的能量为电子仪器提供电能，而该电子仪器经常是限于几微瓦内的非常特定的超低能电子仪器。由于有限的传输范围，与射束提供能量的电子仪器一起使用的询问天线必须相对靠近(大约两英寸内)到每个车轮上。这样每辆车辆就需要多路询问天线，从而增加了潜在的设备成本。每根天线还非常容易遭受路面灾害的破坏，因此从各方面看，不是为某些轮胎电子应用场合提供能量的最理想方案。

根据本主题，可以知道的是，压电材料的某些优点早就被认识了。但是，这种技术经常地进步，从而潜在地提供了利用具有改进操作性能压电材料的应用场合。在第5,869,189号(Hagood，IV等人)和第6,048,622号(Hagood，IV等人)美国专利中提供了压电技术新进展，涉及结构控制的混合物。目前披露技术涉及了在压电技术上的进一步进展，从而压电能量发生装置可集成在轮胎或车轮组件上，用于能量采集。假定压电材料通常对过大应变水平非常敏感，则本发明的另外方面可帮助确保这种集成的压电材料得到增强，从而减少应变水平以及材料损坏的危险。

为了参照的目的，上述所有美国专利公开的内容完全引用到本申请中。虽然各种轮胎电子系统和电能产生装置得到开发，但是包含在后面根据主题技术提出的所有期望特征中的设计还没有出现。

发明概述

根据现有技术中遇到以及由本主题提出的已知特征，开发出为集成在轮胎结构内电子系统提供电能的改进系统和方法。压电技术被用于将与轮胎弯曲有关的机械应变转换成电荷，该电荷接着被调节并存储到能量存储器中。这种存储能量的足够积累然后为包括如射频(RF)装置的轮胎内各种电子元件提供电能，从而把轮胎内的信息无线转发出去。

根据公开技术的更具体方面，本主题的目的是提供集成有自我供电的电子元件的充气轮胎。这样电子元件从集成的压电结构中接收电能，其中该电子元件为充电电池、转数表、有源RFID转发器等。另一种电子应用场合涉及用来测量和传输有关轮胎状态信息和其他信息的电子组件，该状态信息例如为压力和温度的信息，其他信息例如为轮胎转数或一般轮胎识别变量信息。还可对在主题的集成压电结构中采用的压电材料种类进行变化。典型压电材料包括石英、钛酸钡、硫化镉、锆钛酸铅(PZT)、聚偏氟乙稀(PVDF)和聚氯乙烯(PVC)。

根据本技术的另外具体方面，各种特征可与本主题压电结构结合使用，以增强结构并减少损坏的危险。其在某种情况下特别有利，由于集成在轮胎结构的压电材料通常经受应变，该应变程度可使压电材料损坏或破裂，从而减少结构操作性能的有效性。在本技术的一些实施例中采用的一种增强部件涉及一种压电纤维的收集结构，这些纤维排成一线，并由环氧树脂或聚合物的树脂基体所包围。通过把纤维埋在这种树脂中，压电材料经受的总机械应变分布在整个结构上。可通过把压电结构安装在为结构提供均匀刚度的支撑衬底上而得到机械应变的附加分布。

本主题轮胎电子系统的各种特征和方面以及特定电能产生装置具有多个优点。披露的技术提供了不依赖替换电池的自我供电轮胎电子系统。虽然电池和电池操作装置仍然包含在本主题的方面内，然而根据披露技术，许多涉及仅仅由电池提供电能的电子仪器的困难被排除了。

本主题的另一个优点是，提供这样的轮胎监测系统，该系统比传统轮胎监测系统减少了需要信号硬件的数量。通过提供自我供电的轮胎监测系统，就不需要带附加硬线连接件的提取天线或多路接收器地点。这种轮胎检测系统的元件可集成在给定车辆上的每个独立轮胎结构中，从而一个接收器(一般位于车辆驾驶室内)就能获取由每个轮胎集成电子仪器传输的信息。

本主题的另一个优点是，对于能在轮胎和车轮组件结构内利用的电子设备种类和数量没有过多限制。由披露技术以外传统方法提供电能的电子仪器通常限制为超低能量装置。根据披露技术的装置不需要进行这种极端能量限制。由于能够利用了更多元件和/或高级别设备，这个优点还有助于轮胎电子仪器更好发挥功能。

本主题的又一个优点是，用于产生电能并利用该电能的披露系统和方法可用在各种现有的应用场合。对于如商业车队、飞机和采矿/大型挖土机设备的应用场合，测量能力、监测和报警系统、车辆反馈系统和财产跟踪潜在能力是可行的。

在本主题的一个典型实施例中，一种带有集成的自我供电电子元件的轮胎组件包括：充气轮胎结构、压电材料片、能量存储器和电子组件。最好是，充气轮胎结构的特征为一胎冠具有与地面接触的外胎面部分、使所述轮胎安装在轮辋上的胎圈部分、在每个胎圈部分和胎冠之间延伸的外胎壁部分以及沿着内胎冠和胎壁的内衬。压电材料片与所述充气轮胎结构的选定部分一体形成，并且该压电材料片设计成当充气轮胎结构经受机械应变时可在该压电片上产生电荷，其中的机械应变例如由轮胎旋转而产生的那些应变。能量存储器最好设计成接收在压电材料片上产生的电荷，并在其中存储选定量的电荷。电子组件连接到能量存储器上，从而电子组件选定的功能由能量存储器中的电荷提供电能。

本技术的另外实施例可包括具有与各种增强特征结合的上述典型实施例的特征。根据这种典型增强特征，压电材料片包括压电纤维的组合结构，该纤维埋在环氧树脂基体内，从而有助于把压电纤维受到的应变负载分散。本主题的又一个增强特征为如由玻璃纤维制成的支撑衬底，压电材料片可附接到该衬底上，同样使应变在压电材料上更均匀分布。

本技术的另外典型实施例涉及一种用于与充气轮胎结构集成的电子组件，该组件设计成测量和传输与选定轮胎条件有关的信息。更具体地说，这种电子组件包括：活性压电纤维组合物结构、支撑衬底、电能调节模块、多个传感器、微控制器和RF发射器；压电结构的特征可以是多根压电纤维埋在环氧树脂基体内并设置在至少两个电极层之间，这种实施例最好可结合到充气轮胎结构的内部，或者安装和固化到轮胎结构本身内。电能调节模块导电连接到选定电极层上，从而接收在压电纤维内产生的电流，并把该电流荷存储到电能能量存储器中，直到可选择地提供调整后的电压输出。多个传感器由调整后电压输出来提供电能并确定有关预先选择轮胎条件的信息。RF发射器导电连接到微控制器上，并接收来自微控制器上的信息，从而把该信息在载波信号上调制，并发送到遥远接收器位置。这种典型电子组件还包括接收调节后电压输出的充电电池。

从这里的详细描述中，可知本主题的另外目的和优点，或者对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。另外，还应当知道的是，在不脱离本主题精神和范围的情况下，在本发明的各种实施例和应用中，可对具体示出、指出和讨论特征和步骤进行改型和变化。这些变化可包括但不限于对那些示出、提及或讨论的那些等同装置、特征或步骤进行的替换，以及各种部件、特征、步骤等的功能性、操作性或位置的颠倒。

此外，可以理解的是，本主题的不同实施例以及当前不同的优选实施例可包括对目前披露特征、步骤或元件，或者它们的等同方式进行各种组合或配置(包括的特征、部件或步骤的组合以及配置不超过图中示出或在该图详细描述中提到的范围)。本主题的另外实施例不需要在该概述部分描述，而可包括和包含在上述概述中提到的特征、元件或步骤以及/或者在该申请中讨论的其他特征、元件或步骤的各种组合。在对说明书其他部分进行浏览后，本领域普通技术人员将清楚地知道这些实施例和其他实施例的特征和方面。

附图说明

对于本领域的普通技术人员，在说明书中对包括最佳模式的本主题进行了完整和可能的披露，其中说明书参照了附图，这些附图为：

图1示出了集成有本主题的自我供电电子元件的典型轮胎结构的剖面图；

图2示出了本主题的电能产生装置典型方面的等角透视图，特别涉及了典型压电结构；

图3A和3B分别示出了本主题典型轮胎组件的等角透视图，该图示出了压电片与充电轮胎结构取向的相应典型结构；

图4示出了本主题的电能装置的外观等角透视图，该图特别涉及压电结构的典型支撑衬底；

图5为本主题的电能产生装置另外典型方面的示意图；

图6A为本主题典型集成的自我供电电子仪器以及它们典型的相互作用的方框图，其中的电子仪器包括电能产生装置和轮胎电子系统；

图6B为本主题典型集成的自我供电电子仪器以及可替代的它们典型相互作用的方框图，其中的电子仪器包括电能产生装置和轮胎电子系统；

图7为披露技术的典型轮胎电子系统的方框图；

图8为本主题的典型遥控接收器结构的方框图。

在整个说明书和附图中，相同标号表示本发明相同或类似特征或元件。

优选实施例的详细描述

如在本发明概述部分讨论的那样，本主题特别涉及为集成在轮胎结构内的电子系统进行充电的改进系统。电能产生装置利用了压电技术来把由轮胎挠曲产生的机械应变转化成电流，该电流然后被调节并存储到能量存储器中。这种存储能量的充分积累后可为电子系统提供电能，这些电子系统的例子包括，用来确定各种轮胎物理参数的部件以及射频(RF)发射装置。

根据公开技术的电能产生装置一般包括如增强压电结构的元件和电能调节模块。典型压电结构的方面参照图2和4进行描述，而典型电能调节模块存在于图5中，并参照图5进行描述。图1、3A和3B示出了把这样电能产生装置与轮胎结构集成的典型方面。电能产生装置的输出可最好用于对轮胎或车轮组件内的电子系统充电。图7中示出了包括传感器、微控制器和RF发射器的轮胎电子系统实例。参照图6A和6B来讨论电能产生装置和电子系统之间的典型交互作用方面。最后，图8中示出了用于得到从轮胎电子系统发射信息的遥控接收结构典型实施例。

公开技术的上述方面的选择组合对应于本主题的多个不同实施例。需要注意的是，在这里示出和讨论的每个典型实施例都不对本主题进行暗示地限制。作为一个实施例示出或描述的特征或步骤用于与另一个实施例的一些方面结合，从而得到又一个实施例。此外，某些特征可与类似装置或特征进行互换，这些类似装置或特征没有提到，但可实现相同或类似功能。同样地，某些工艺步骤可进行互换或与其他步骤结合，从而得到方法的另外典型实施例，其中该方法用于从来自转动轮胎的机械能产生电能。

下面具体参见示出的主题系统和方法的优选实施例，其中该主题系统和方法用于为集成在轮胎或车轮组件内的电子系统产生电能。下面参见附图，图1示出了典型充气轮胎组件10的剖面图，其中该组件带有本主题的集成自我充电的电子元件12。电能产生装置(PGD)14最好与电子元件一起设置在轮胎结构16内，从而电子元件可在轮胎组件10内进行自我充电。

与在轮胎组件内提供电能的传统技术比，带有压电材料(在后面描述)的本主题电能产生装置性能具有多个优点。前面讨论的天线射束电能提取技术不再是选择用来对轮胎电子组件进行充电的有限选择中之一。这样，可总体上增加多种轮胎电子仪器的功能。利用电池产生能量的选择已经不再是必要的，这样避免了浪费和麻烦的电池更换。虽然示出的用于发电的公开技术中提出可不采用天线射束能量和电池，然而可以理解的是，电能产生装置可采用压电技术和/或电池和/或天线射束提取的混杂组合，从而为车轮组件内不同选择的电子元件提供能量。

典型充气轮胎结构16的特征为胎冠15和胎壁20，其中该胎冠支撑着外胎面部分18，而胎壁20延伸到胎圈部22。胎壁20通常在剖面线17和19之间延伸，而轮胎胎冠15通常在两个剖面线19之间延伸。胎圈22设置成使轮胎结构16可有效地装在车轮组件的轮辋上。由不透气材料制成的内衬形成了轮胎内表面，该内表面包括内胎冠表面24和内胎壁表面26。胎体23穿过胎壁部20和胎冠15在胎圈22之间延伸，并在充气压力下，限定了轮胎形状，并传递力以牵引和转向。带组件21大致沿着胎冠15而设置在轮胎结构16内。

在图1的典型轮胎组件实施例中示出的PGD14可安装到轮胎结构16的内胎冠表面24上。当外胎面部分18沿着地面运动并导致轮胎结构16弯曲时，上述位置非常适合于对PGD14内的压电纤维进行驱动。当轮胎组件10沿着表面运动时，这种与总机械振动相关联的轮胎弯曲可使在电能产生装置14内的压电纤维产生电流，该电流接着被调节并存储到能量存储器中，用于为轮胎电子仪器12提供电能。虽然内胎冠表面24为安装电能产生装置14的逻辑位置，然而可以理解的是，PGD14也可安装到如内胎壁表面26的位置上。这个位置可为主题PGD14内的压电纤维带来很少应变，同时仍然为某些电子应用场合提供足够电能。另外，PGD14可安装并固化在轮胎结构16内，例如，位于胎体23和沿着表面24和/或26提供的内衬之间。PGD14在结合或埋入在轮胎结构前可选择地设置在附加的橡胶或弹性壳体上，以提供附加的保护。这种壳体可为使PGD结合到轮胎结构上而另外提供。橡胶壳体可选择地提供到PGD14的一侧附近用于支撑，然后结合到轮胎结构的内表面上。根据PGD14的各种可能位置，可以理解的是，术语“集成的”一般包含了所有可能位置，这些位置包括了安装在轮胎结构上或轮胎结构内。由PGD14提供电能的电子元件也可设置在相对于轮胎结构的包括上面选择位置的各种位置上。同样地，术语“集成的”应该通常包含了用于这种轮胎电子仪器的所有可能位置，其中这些位置包括了安装在轮胎结构上或安装在轮胎结构内。

PGD14通常包括两个主要元件、一个压电片和一个包括至少一个能量存储器的电能调节模块。该压电片经受由轮胎旋转产生的机械应变，从而在压电材料中产生电荷(相关领域的任何普通技术人员应该知道)。该电荷然后最好被输送到能量调节模块中，在该模块中，产生的电流被检波、调节和存储，用于对电子仪器提供电能。

根据本主题能量发生装置的可利用的具体压电材料特定种类为压电纤维组合结构，如，Hagood.IV等人的第5,869,622号和第6,048,622号美国专利中披露的那些，为了所有目的在这里参照引用。可根据本主题利用的这种活性纤维组合物(AFCs)的例子对应于如ContinuumControl Corporation销售的“PiezoFlex”牌技术。这种活性纤维组合物与已知的单片压电陶瓷结构相比具有许多优点，提供了带有改进致动和传感性能的舒适及稳固结构。

图2示出了根据目前披露的电能产生典型方面的压电AFC结构28的等角图。这种压电AFC结构28包括多个压电纤维30，该纤维单向取向，以提供AFC结构28的致动和刚度。纤维30由环氧树脂或聚合物的树脂基体32所包围，该基体通过负荷转移机构提供了损伤容限。换句话说，把压电纤维30埋在树脂基体32内可使压电材料经受的总机械应变分布在AFC结构28中。该压电纤维具有共同极向34，该方向垂直于其大致相互平行的轴。

仍然参见图2，电极层最好沿着纤维/树脂基体结构的两个相对表面设置在分隔的衬底上，以为AFC结构28提供电输入和输出。根据图2的典型实施例，电极层36设计成带有交替指对指极性的成交叉指型结构。通过本领域公知的漏模印刷技术和如加有银的环氧树脂的导电油墨，这种交叉指型的电极层36可蚀刻到分隔的衬底层上(例如由聚酰亚胺或聚酯制成)。图2中单向电极结构的取向设计成增强AFC结构28机电响应的定向性，以及提供相对较高的电荷和耦合系数。在电极36和纤维30之间树脂基体32的量最好最小化，以达到较好的操作性能。

根据主题技术，在AFC结构中纤维相对于轮胎结构的取向是特定的设计因素。当把纤维沿着轮胎圆周方向进行取向时，压电纤维经受较大的拉伸应变，而经受较小的压缩应变。根据圆周纤维取向，最好是对轮胎结构16的胎冠15中AFC结构28集成，如在图3A典型轮胎组件实施例中示出的那样。把纤维方向沿着轮胎径向取向可使获取的主要能量与径向应变联系起来。这种取向几乎不能对纤维产生破坏，而得到了纤维压缩芯的潜在较高的敏感度。根据径向纤维的取向，如图3B典型轮胎组件实施例10所示，最好把AFC结构28集成在轮胎结构16的选择后胎壁部分20上。这样，根据压电片的尺寸和将要经受的特定轮胎环境，可确定沿着轮胎结构径向对圆周方向的本主题电能产生装置的压电片取向。更具体地说，对压电AFC结构的最佳定位和取向可基于下面因素，即轮胎每转一圈所需要的最大电能、沿径向对圆周安装方向的最大张力和压缩应变以及在给定次数AFC结构上应变均匀性等因素。

如图2典型实施例的压电AFC结构的更特定特征可针对不同应用而进行调整。AFC结构28的压电纤维30可包括多种不同压电材料，这些材料的实例包括：石英、钛酸钡、硫化镉、锆钛酸铅(PZT)、聚偏氟乙稀(PVDF)和聚氯乙烯(PVC)。一些特定的PZT材料包括PZT5A、PZT5H、PZT4和PZT8。应该知道的是，这些典型材料中的某些材料非常适合用在轮胎结构内，因此可根据某些性能特征来进行材料选择。应当注意的是，这些和其他压电材料的技术进步可以形成更适合于用与机动车应用场合的给定材料，因此，在主题电能产生装置中包括这种新开发材料也属于本发明的范围。例如，现有形式的PVDF弹性体可能不适合于暴露于轮胎内的某些极端条件下，但一定的进展可制造出更适合的PVDF材料。

另外的特定设计约束条件为压电纤维的直径38，该直径通常在从大约3个千分之一英寸(密耳)到大约15密耳的范围内。此外，对于具体应用场合设计的特定尺寸为交叉指型层36的电极指的宽度40和间距42。电极指宽度40的实例对应于大约25密耳，而电极间距42的典型范围对应于从大约20密耳到大约100密耳。根据本主题采用的整个压电AFC结构的特定实例包括，具有45密耳电极指间距和具有10密耳直径的PZT-5A压电纤维交叉指型电极。

用在本主题电能产生装置中的压电AFC结构的另一个设计约束条件可考虑某些应用场合。例如，如图4所示，附加的增强件可通过把其设置在支撑衬底43附近而加到AFC结构28上。AFC结构28可根据任何已知的方法结合到支撑衬底43上。AFC结构28与支撑衬底43的结合有利于在AFC结构28内压电纤维经受的应变力的机械分布。通过对使整个AFC结构28上应变的均衡，所有的压电纤维可在相同张力下工作。如低于大约3500με平面致动应变的那些减少的应变水平有助于减少对压电纤维的潜在破坏力，同时提高AFC结构的综合性能。增强的压电片能在轮胎结构内相对于车辆环境可存在很长时间。在图4中，衬底43的尺寸比AFC结构28的要大，同时也容纳有电端子49，该端子49连接到AFC结构28的选定电极部分上。

由于支撑衬底43最好用来使应变尽可能地在AFC结构28上分布均匀，支撑衬底43也最好具有均匀的厚度和刚度水平。支撑衬底的实际厚度可根据在轮胎结构中采用材料种类来设计，其中本主题的PGD与轮胎结构集成在一起。设计轮胎结构的衬底厚度与弹性模量的最佳组合，以确保压电片的正确致动和以适当方式把PGD集成在轮胎结构的能力。在该技术的一些实施例中，刚度水平是均匀的，然而也是容易调节的。典型支撑衬底43在一些实施例中的特征也可为，具有如低磁滞效应、化学惰性和在轮胎环境下存在能力的特有性能。适合于形成支撑衬底43材料的具体实例为如玻璃纤维或其他类似材料的印制电路板(PCB)材料。另外制作支撑衬底43的适当材料的实例为高模量橡胶化合物。

对于集成在轮胎结构内压电片的尺寸和加工能力也有某些设计约束条件。一般对压电片长度没有限制；然而，测试表明，在长度上超过70毫米的压电片在持续一定时间和/或暴露于某些极端条件下有失效的趋势。对于某些应用场合，可能需要大约80毫米的最大宽度。参见图4，压电片28的典型尺寸为大约35毫米的长度45和大约50毫米的宽度47，得到约1750平方毫米的面积。已经确定的是，这样的面积可提供足够能量以对图7中示出的典型轮胎电子组件12提供电能，其中该电子组件12包括至少一个微控制器、多个传感器和一个RF发射器。对于其他轮胎应用场合，如转数计，大约750平方毫米的压电片面积可获得足够能量。应当知道的是，取决于需要电能的电子装置数量和种类，根据本技术的最小压电片面积适当范围为约750平方毫米到约2500平方毫米之间。当然，根据本主题，压电片可始终较大，这样有时导致某些无效操作和/或者增加对纤维破坏的可能性。在该具体实施例中，长度尺寸设计成对应于压电片结构28内压电纤维的长度。压电片(没有电能调节模块)最大厚度可以是大约700微米，对于某些应用，则需要大约20克的最大质量(包括压电片和电能调节模块)。为了使压电片结合到橡胶片上，以使其固定在轮胎内部。该压电片必须能在大约170摄氏度时能工作约30分钟，同时经受20巴压力并也在150摄氏度下工作约60分钟。应当知道的是，这些特定的限制条件可随着相关材料和附着技术的进展而变化。另外，根据本主题的PGD最好能具有从约-40摄氏度到约125摄氏度、约160千米/时的速度和约10年或70万英里耐久性的操作条件。

除了压电片28外PGD14的第二个主要元件为电能调节模块，在图3中示出了该模块的典型实施例。根据本主题的电能调节模块的主要功能为整流、调节和存储在压电片结构28内产生的电荷。一般地，电能调节模块可特别为不同收集电能的电子仪器应用而设计。根据本说明书中公开的轮胎监测系统典型实施例，根据一定的动态能量需要，设计图3中的典型电能调节模块。特别是，图3的典型电能调节模块设计成电压输出44通常为大约5伏特，输出电压44的最大偏差在±10毫伏内，输出电压44的最小工作周期为大约60秒，以及输出电压44的最大工作周期为大约5秒。根据电子系统的功能，图3典型电能调节模块实施例操作的另外设计要求为，电子系统的大约4毫焦耳(mJoules)的最大能量要求以及电子系统在大约25微秒和大约200微秒之间的时间间隔。

再来参照图3的典型电能调节模块，压电结构28的电极层36与如全桥式整流器46的整流器并联。可替代的整流器结构为双整流器或者N级电压倍压器。来自整流器46的整流过信号然后存储到电解电容48中。适合于在图3中典型电能调节模块中使用的电解电容48为，大约为47μF电容的松下TEL系列钽电容器。根据披露的电能调节模块，其他特定的电解电容可同样适合用作存储元件。如可充电的固态电池、可充电化学电池、超级电容器或非电解电容的其他能量存储元件可在某些应用中提供适当的替代品，作为电能调节模块的能量存储器。

一旦在电解电容48(或者其他适当的能量存储器)中积累了充足的能量，则FET晶体管50就作为开关，把在电容器48中存储的能量释放到电压调节器52中。适用在图3典型实施例中的电压调节器为双模式5伏可编程微功耗线性电压调节器，这种调节器例如为由MaximIntegrated Products销售的MAX666牌调节器。这种电压调节器可很好地适用在为用电池供电的系统中，并能把经过电容器48的电压转换成调节后的5伏输出电压44。如微功耗开关调节器的其他电压调节器通常比线性调节器具有较高效率，根据公开技术，这种调节器也可采用。扩散金属氧化物半导体(DMOS)FET晶体管54和齐纳二极管56可附加地设置在图3的典型电能调节模块中。

最初，晶体管50和54关闭，在晶体管54的漏极接地线未接地，从而没有输出电压44。电容器48充上足够的电压电平(由齐纳二极管56和晶体管50的基极发射极结确定)，晶体管50打开，驱动晶体管54以及关闭晶体管50。在这一点上，电容器48经过电路放电，为电子系统提供5伏调节后的输出电压44。一般地，当提供有输出电压44的应用电子仪器完成了有用的工作后，电子系统经过电阻器60和电容器62在信号路径58上发出信号反馈，以关闭场效应管(FET)50和钝化晶体管54，从而能量可再次开始在电容器48上累积。

由PGD14产生的能量施加到各种器件上或根据本主题的不同轮胎电子系统(TESs)上。图6A和6B分别示出了PGD14和TES12之间交互作用的典型方面。

根据图6A，能量可积累在PGD上的能量存储器上，直到得到充足能量，从而实现TES12的所期望的功能。在电能循环之间，TES12保持无电能，这样通过能量积累到PGD14的能量存储器上的速度来控制对TES12的驱动。当在PGD14上累积有足够能量后，供电电压“V_dd”和接地电压“V_ss”将在路径64和66分别提供给TES12。TES12将把“有效的”信号沿着路径58返回，该信号表明在TES12中的电子仪器目前正在工作。当在TES12中的给定电子仪器完成了各自任务后，接着“有效的”信号变低，同时在PGD14中的能量存储器再次积累能量。该循环将重复，只要轮胎组件以等于或大于给定阈值速度旋转，其中的阈值速度一般大约为20千米/小时。

根据参照图6B描述和讨论的典型交互作用，PGD14持续地把电压“V_dd”和接地“V_ss”信号提供给TES12，同时提供表示存储在PGD14中能量多少的“能量计”。当电能加到TES12上时，微处理器或其他适当电子元件可周期地自身驱动，同时监测来自PGD14的能量计信号。如果在PGD14的能量存储器中有足够多的能量，则TES12进行一特定的任务。如果能量的量不够使用，则TES12将进入较低电能模式，在该模式，消耗的能量约少于1μA。能量记信号然后进行周期地核对，直到能量累计充足。只要轮胎以等于或大于给定阈值速度旋转，等待足够能量累积、进行特定操作以及返回到较低电能模式的循环最好以持续方式重复，。

如上所述，根据在轮胎或车轮组件中具有的元件种类，TES12具有多个不同电子应用场合。轮胎电子系统12的特定实例为图7中示出的电子组件。具体地说，这种电子组件作为轮胎监测系统，该系统测量轮胎结构内的温度和压力，并把结果通过射频(RE)发射器68发送到遥控接收器位置。利用公开技术的相应发射器和接收器模块为如Radiometrix Ltd.出售的相应的TX2和RX2牌UHF FM数据发射器和接收器模块。

参照图6A和6B讨论的5伏电能信号“V_dd”、接地信号“V_ss”以及“有效的”或者“能量计”信号最好从PGD14提供到微控制器70。利用公开技术的适当微处理器实例为Microchip牌PIC16LF876的28插头CMOS RISC微控制器。当电能施加到输入路径64上，驱动微控制器70，同时把电能提供到温度传感器72和压力传感器74上(以及任何附加的传感器或适当TES12上的电子器件上)。适合于用在公开技术的温度传感器实例为LM50 SOT-23单电源摄氏度传感器，这种传感器例如由松下半导体公司出售的那种。用在公开技术中适当的压力传感器74实例为，由ICSensors and MeasurementSpecialties Inc.出售的Modle 1471PC Board Mountable压力传感器。附加的传感器76、78和80分别测量轮胎结构和相应车轮组件的附加特征。

图7的典型TES实施例12的另一个元件为可充电电池81，该电池也可设计成接收在PGD14的压电结构28内产生的电荷，并为集成的轮胎电子仪器或车辆内其他电子器件存储附加能量。用在本主题中的可充电电池实例为，由Infinite Power Solutions出售的LiteStar牌固态可充电电池。存储在电池81中的能量通常比如典型电容器48的其他存储器存储较长时间。当通过致动压电纤维而不能有足够电能产生时，存储在电池81中的能量可提供给微控制器70中。例如当车辆静止或当轮胎从车辆中拆下时，这种情况会发生。例如，当地面工作人员检查商业客机上静态轮胎中的气压时，需要有存储的能量从而为TES12提供电能。另外，电池81可用来为TES12提供电能，从而当轮胎从车辆上拆下时，可得到管理轮胎记录或维修信息。

再来参见图7的典型TES实施例12，微控制器70最好包括模拟-数字(A/D)转换器，该转换器分别从传感器72-80接收信息，并把其转换成数字信息。微控制器70还包括存储器，最好是非易失性的电子可擦可编程序只读存贮器(EEPROM)，该存储器存储唯一的识别标签，该标签提供足够的信息，以识别轮胎或车轮组件。这种识别变量在如货运车队和飞机等商业应用中跟踪轮胎和车辆中特别有用。一旦如分别由传感器72-80提供的需要信息由微控制器70得到并转换成数字信息，微控制器70最好切断提供给传感器的电能，并分别在导线82和84把电能提供给RF发射器68。所需的数字信息然后在线86输出到RF发射器86，在那里数据在FM载波信号上进行调制，并通过天线88传输到遥控接收器位置。

根据本主题电能发生技术的被提供电能的电子组件的另一个实施例为，比图7的典型TES实施例更少元件的组合，或者甚至是一个元件，如转数表、单个传感器、充电电池或闪光装置。

采用根据本主题带自供电电子仪器的轮胎组件的车辆最好配有单个接收器，用于得到来自每个轮胎组件的无线传输信息。图8提供了根据本主题的典型遥控接收器结构90的方框图。接收天线92有利于对从每个车轮组件传输来的信息的接收，并把该信息转送给RF接收器94，在那里接收的信息从载波信号解调，并在路径96上提供给信号处理器98。载波探测信号也从RF接收器94上通过信号路径100提供给信号处理器98。从RF接收器94输出的数据和载波探测信号最好在信号处理器98中一起放大，从而得到了没有寄生噪声的信号。具有减少的误差可能性的数据信号然后最好发送给驱动电路，该电路把该数字信号转换成具有适合于通过RS232接口102传输到主机104的电压电平。在主机104上最好设置有终端仿真软件，从而把通过RS232接口102接收的数据转换成由终端用户容易使用的信息，如在可读显示模块上提供的信息。

应当知道的是，根据公开技术，除了在本说明书中具体公开的那些外，其它电子器件也可用于本主题电能发生技术中。例如，需要把除了温度、压力和识别信息以外的其他种类信息传输到遥远位置。这些实例包括轮胎转数、轮胎偏转量、车辆速度和作用在轮胎结构上静态和动态力程度。第5749984号美国专利中公开了轮胎监测系统的另一个方面，该方面可用在本主题中，同时为了各种目的，该专利被参照地引用。轮胎电子系统可结合全球定位系统(GPS)，从而查明车辆的精确位置。压电PGD可选择地用于对车轮组件中的发光组件或反馈系统提供电能。能根据公开技术被供电能的电子应用场合数量非常大，同时决不限定于本主题。

虽然参照特定实施例详细地描述了本主题，然而可以理解的是，在对上述内容理解后，本领域技术人员很容易对该实施例进行变化、变型和等同替代。因此，本说明书公开范围借助于实例，而不是被限制，同时本主题披露内容不排除对本主题进行改型、变化和/或者增加，而这些改型、变化和或者增加对于本领域普通技术人员是显而易见的。

Claims (33)

1.一种带有集成的自我供电电子元件的轮胎组件，所述轮胎组件包括：

充气轮胎结构，其特征为一胎冠具有与地面接触的外胎面部分、使所述轮胎安装到轮辋上的胎圈部分、在每个胎圈部分和胎冠之间延伸的外胎壁部分、以及内胎冠和胎壁的表面；

压电材料片，与所述充气轮胎结构的选定部分一体形成，所述压电材料片设计成一旦所述充气轮胎结构经受机械应变即可在该压电片上产生电荷；

能量存储器，设计成从所述压电材料片上接收所述电荷，并在其中存储选定量的所述电荷；以及

电子组件，包括与所述能量存储器连接的所述电子元件，从而使所述电子组件的选定电子元件由存储在所述能量存储器中的电荷提供电能。

2.如权利要求1的轮胎组件，其中所述压电材料从石英、钛酸钡、硫化镉、锆钛酸铅(PZT)、聚偏氟乙稀(PVDF)和聚氯乙烯(PVC)中选择。

3.如权利要求1的轮胎组件，还包括设置在所述压电材料片附近的支撑衬底，该支撑衬底用于分散应变，所述压电材料以大致均匀方式在整个所述压电材料片上经受该应变。

4.如权利要求3的轮胎组件，还包括设置在组合的支撑衬底和压电材料片的至少一侧附近的橡胶壳体，以利于与所述充气轮胎结构集成一体。

5.如权利要求2的轮胎组件，其中所述压电材料片包括纤维组合结构，其中多种压电纤维埋在环氧树脂基体上。

6.如权利要求5的轮胎结构，其中所述纤维组合物结构的压电纤维均以大致一个方向取向，且因与所述充气轮胎结构的选定胎壁一体形成而沿径向设置。

7.如权利要求5的轮胎结构，其中所述纤维组合物结构的压电纤维均以大致一个方向取向，且因与所述充气轮胎结构的选定胎冠部分一体形成而沿圆周方向设置。

8.如权利要求1的轮胎结构，还包括与所述能量存储器一起设置的电能调节模块，该模块用于对表示产生在压电材料片内的所述电荷的电流信号进行整流，并把整流后电流信号提供给所述能量存储器，并产生调整后的电压输出。

9.如权利要求8的轮胎结构，其中所述电子组件包括充电电池。

10.如权利要求1的轮胎结构，其中所述电子组件包括至少一个用来监测所述充气轮胎结构的预定特征的传感器。

11.如权利要求10的轮胎结构，其中所述电子组件包括用于把选定的传感器信息以及附加的轮胎识别信息转发到遥远位置的射频(RF)装置。

12.如权利要求10的轮胎结构，其中所述预定特征从温度、压力、轮胎转数、车辆速度和作用在轮胎结构上静态和动态力水平中选择。

13.如权利要求1的轮胎结构，其中限定所述压电片的尺寸形成了在约750平方毫米和约2500平方毫米之间的片面积。

14.如权利要求1的轮胎组件，其中所述能量存储器为电容器。

15.一种带有集成的自我供电电子元件的轮胎组件，所述轮胎组件包括：

充气轮胎结构，其特征为一胎冠具有与地面接触的外胎面部分、使所述轮胎安装到轮辋上的胎圈部分、在每个胎圈部分和胎冠之间延伸的外胎壁部分、以及内胎冠和胎壁的表面；

压电材料片，由所述充气轮胎结构的选定部分承载，所述压电材料片设计成一旦所述充气轮胎结构经受机械应变即可在该压电片上产生电荷；

支撑衬底，设置在所述压电材料片附近，该支撑衬底用于分散应变，所述压电材料以大致均匀方式在整个所述压电材料片上经受该应变；

能量存储器，设计成接收所述压电材料片产生的所述电荷，并在其中存储选定量的所述电荷；以及

电子组件，包括与所述能量存储器连接的所述电子元件，从而使所述电子组件的选定电子元件由存储在所述能量存储器中的电荷提供电能。

16.如权利要求15的轮胎组件，其中所述压电材料从石英、钛酸钡、硫化镉、锆钛酸铅(PZT)、聚偏氟乙稀(PVDF)和聚氯乙烯(PVC)中选择。

17.如权利要求16的轮胎组件，其中所述压电材料片包括纤维组合结构，其中多根压电纤维埋在环氧树脂基体上。

18.如权利要求15的轮胎结构，还包括与所述能量存储器一起设置的电能调节模块，该模块用于对产生在压电材料片内的一电流信号进行整流，并把整流后电流信号提供给所述能量存储器，并产生调整后的电压输出。

19.如权利要求18的轮胎结构，还包括充电电池，该电池设计成接收所述调整后电压输出。

20.如权利要求15的轮胎结构，其中所述电子组件包括用来监测所述充气轮胎结构温度和压力的传感器。

21.如权利要求20的轮胎结构，其中所述电子组件还包括用于把选定的传感器信息以及附加的轮胎识别信息转发到遥远位置的射频(RF)装置。

22.如权利要求15的轮胎结构，其中限定所述压电片的长度和宽度尺寸形成了在约750平方毫米和约2500平方毫米之间的片面积，并且所述支撑衬底的特征是，其长度和宽度尺寸大于或等于所述压电片的相应尺寸。

23.如权利要求15的轮胎组件，其中所述支撑衬底由玻璃纤维构成。

24.一种用于与充气轮胎结构集成的电子组件，设计成测量和传输与选定轮胎条件有关的信息，所述电子组件包括：

活性压电纤维组合物结构，集成在充气轮胎结构中，其中所述压电纤维组合物结构的特征是多根压电纤维埋在环氧树脂基体内并设置在至少两个电极层之间；

支撑衬底，设置在所述活性压电纤维组合物结构附近，用于分散应变，所述压电材料以大致均匀的方式在所述压电纤维组合物结构内经受该应变；

电能调节模块，导电连接到所述压电纤维组合物结构的选定电极层，用于接收在压电纤维内产生的电荷，该电能调节模块用于把该电荷存储到电能调节模块内的能量存储器中，并用于产生调整后的电压输出；

多个传感器，用于确定有关预先选定轮胎条件的信息，其中所述传感器由来自于所述电能调节模块的调整后电压输出来提供电能；

微控制器，连接到所述电能调节模块上并连接到所述多个传感器上，用于处理从所述传感器上接收的信息，并用于产生表示预先选定轮胎条件的选择信息；以及

RF发射器，导电连接到所述微控制器上，用于接收来自微控制器上的选择信息，把该选择信息调制到载波信号上，并把该选择信息发送到遥控接收器位置。

25.如权利要求24的电子组件，其中所述能量存储器从电解电容、非电解电容、超级电容器、充电固态电池和充电化学电池中选择。

26.如权利要求24的电子组件，其中选择的所述多个传感器提供了有关充气轮胎结构内的温度和压力的信息。

27.如权利要求24的电子组件，还包括充电电池，其连接到来自所述电能调节模块的调整后电压输出的。

28.如权利要求24的电子组件，还包括由来自所述电能调节模块的调整后电压输出提供电能的轮胎转数表。

29.一种带有集成的电能发生特征的轮胎组件，所述轮胎组件包括：

充气轮胎结构，其特征为一胎冠具有与地面接触的外胎面部分、使所述轮胎安装在轮辋上的胎圈部分、在每个胎圈部分和胎冠之间延伸的外胎壁部分、以及内胎冠和胎壁的表面；

压电材料片，与所述充气轮胎结构的选定部分一体形成，所述压电材料片设计成一旦所述充气轮胎结构经受机械应变即可在该压电片上产生电荷；

至少一个传感器，用于确定有关预先选定轮胎条件的信息，其中所述至少一个传感器由所述压电材料片内产生的电荷提供电能；以及

天线，连接到所述至少一个传感器上，用于发射和接收RF信号，该信号表示由所述至少一个传感器确定的有关预先选择轮胎条件的所述信息。

30.如权利要求29的轮胎结构，还包括设置在所述压电材料片附近的支撑衬底，该支撑衬底用于分散应变，所述压电材料以大致均匀方式在所述压电材料片内经受该应变。

31.如权利要求29的轮胎组件，其中所述至少一个传感器提供有关所述充气轮胎结构内温度和压力的信息。

32.如权利要求29的轮胎结构，还包括微控制器，该微控制器由所述压电材料片产生的电荷提供电能，并连接到所述至少一个传感器上，用于处理从所述至少一个传感器接收的信息，并用于产生表示所述预先选择条件的选择信息。

33.如权利要求32的轮胎结构，还包括射频(RF)发射器，该发射器连接到所述微控制器上，用于接收来自所述微控制器的选择信息，把选择信息调制到载波信号上，并把该选择信息通过所述天线发送到遥控接收器位置。

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