DE602004009542T2

DE602004009542T2 - System und verfahren zur nutzung von elektrostatisch geladenen rollenden reifen als energiequelle

Info

Publication number: DE602004009542T2
Application number: DE602004009542T
Authority: DE
Inventors: John David Simpsonville ADAMSON; George Phillips Piedmont O'BRIEN
Original assignee: Michelin Recherche et Technique SA Switzerland; Michelin Recherche et Technique SA France; Societe de Technologie Michelin SAS
Current assignee: Michelin Recherche et Technique SA Switzerland; Michelin Recherche et Technique SA France; Societe de Technologie Michelin SAS
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2024-02-21
Also published as: JP4809211B2; DE602004009542D1; US6847126B2; WO2004076208A1; CN100375369C; CN1753796A; EP1597097A1; ATE375874T1; US20040164558A1; JP2006521233A; EP1597097B1

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Reifenelektronikanordnungen, die über während der normalen Reifendrehung angesammelte Ladungen selbst mit Energie versorgt werden. Insbesondere kann eine Luftreifenstruktur mit allgemein nicht leitenden Abschnitten mit mindestens einem elektrisch leitenden Segment aufgebaut sein, welches durch die Reifenstruktur und einen Laufflächenabschnitt gebildet wird, um einen Kanal bereitzustellen, durch den aufgebaute statische Elektrizität an den Boden abgegeben werden kann, während einige der kanalisierten statischen Elektrizität gleichzeitig in einer Energiespeichervorrichtung gesammelt wird. Ausreichende Ansammlungen der so gespeicherten Energie können dann Reifenelektroniksysteme, einschließlich verschiedener, auf den Zustand reagierender Vorrichtungen (d. h. Sensoren usw.), Hochfrequenz-(HF)-Sender und andere Bauteile, mit Energie versorgen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Einbettung elektronischer Vorrichtungen in Luftreifenstrukturen bietet zahlreiche praktische Vorteile. Zur Reifenelektronik können Sensoren und andere Bauteile gehören, um Reifenidentifikationsparameter zurückzugeben und Informationen bezüglich verschiedener physischer Parameter eines Reifens zu erhalten, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Anzahl der Reifenumdrehungen, Fahrzeuggeschwindigkeit usw. Solche Leistungsinformationen können bei der Überwachung des Reifens und in Warnsystemen nützlich werden und können potenziell auch in Feedbacksystemen eingesetzt werden, um die korrekte Höhe des Reifensdrucks zu regulieren.
Aus der US-Patentschrift Nr. 5,749,984 (Frey et al.) ist ein Reifenüberwachungssystem und ein Verfahren bekannt, welche in der Lage sind, solche Informationen wie Reifenablenkung, Reifengeschwindigkeit und Anzahl der Reifenumdrehungen zu bestimmen. Ein weiteres Beispiel eines Reifenelektroniksystems ist aus US-Patentschrift Nr. 4,510,484 (Snyder) bekannt, welches ein Warnsystem bei anormalen Reifenzuständen betrifft. Die US-Patentschrift Nr. 4,862,486 (Wing et al.) bezieht sich auch auf Reifenelektronik, insbesondere offenbart sie einen beispielhaften Umdrehungszähler zur Verwendung in Verbindung mit Automobil- und Lastwagenreifen. Beispiele von Ausgestaltungen von Reifendrucküberwachungssystemen werden in den US-Patentschriften Nr. 4,004,271 (Haven et al.), 4,742,857 (Gandhi), 5,616,196 (Loewe) und 5,928,444 (Loewe et al.) offenbart.
Noch eine weitere Möglichkeit, die durch in die Reifenstrukturen eingebettete elektronische Systeme bereitgestellt wird, bezieht sich auf die Teileverfolgung und Leistungscharakterisierung für kommerzielle Fahrzeuganwendungen. Kommerzielle Lastwagenfuhrparks, Luftfahrzeuge und Erdbewegungs-/Bergbaufahrzeuge sind alles geeignete Industriebereiche, welche von den Vorteilen der Reifenelektroniksysteme und der verwandten Informationssendung profitieren könnten. Reifensensoren können die Strecke bestimmen, die jeder Reifen in einem Fahrzeug zurückgelegt hat, und somit bei der Wartungsplanung für solche kommerziellen Systemen helfen. Bei kostspieligeren Anwendungen, wie jene, die die Erdbewegungsausrüstung betreffen, kann die Fahrzeuglokalisierung und -leistung optimiert werden. Ganze Fuhrparks von Fahrzeugen können unter Verwendung von HF-Tag-Sendung verfolgt werden, beispielhafte Ausgestaltungen davon werden in der US-Patentschrift Nr. 5,457,447 (Ghaem et al.) offenbart.
Herkömmlicherweise wurden solche integrierte Reifenelektroniksysteme durch eine Vielzahl von Techniken und verschiedene Energieerzeugungssysteme mit Energie versorgt. Beispiele mechanischer Einrichtungen zum Erzeugen von Energie aus der Reifenbewegung werden in den US-Patentschriften Nr. 4,061,200 (Thompson) und 3,760,351 (Thomas) offenbart. Solche Beispiele stellen umfangreiche, komplexe Systeme bereit, die zur Einbettung in moderne Reifenanwendungen allgemein nicht bevorzugt werden. Noch eine weitere Option zur Energieversorgung von Reifenelektroniksystemen wird in der Patentschrift Nr. 4,510,484 (Snyder) offenbart, welche eine piezoelektrische Reed-Energieversorgung betrifft, die symmetrisch um eine radiale Mittellinie eines Reifens angeordnet ist.
Eine weitere typische Lösung zur Energieversorgung von Reifenelektroniksystemen betrifft die Verwendung einer nicht wiederaufladbaren Batterie, welche für den Nutzer des Reifens einen inhärenten Nachteil darstellt, die die korrekte Funktion des Elektroniksystems von einem periodischen Ersatz der Batterie abhängt. Herkömmliche Batterien enthalten außerdem oftmals Schwermetalle, die nicht umweltverträglich sind und Probleme hinsichtlich der Entsorgung darstellen, insbesondere, wenn sie in hochzahligen Mengen eingesetzt werden. Außerdem neigen Batterien dazu, ihren Energiespeicher recht schnell zu entleeren, wenn sie Elektronikanwendungen versorgen, die durch komplexe Funktionalitätsniveaus gekennzeichnet sind. Die Entladung des Batteriespeichers ist besonders schwerwiegend bei Elektroniksystemen, die Informationen über einen verhältnismäßig großen Abstand, wie beispielsweise von der Position eines Lastwagenreifens zu einem Empfänger in der Führerkabine senden. Auch wenn Batterien in Elektroniksystemen eingesetzt werden, die von Reifenpositionen zu einer näheren Empfängerposition senden, werden die Informationen dann in der Regel über ein drahtgebundenes Sendemedium von der Position des HF-Senders zu der Fahrzeugkabine gesendet, wodurch die Installation zusätzlicher und oftmals kostenaufwändiger Hardware in einem Fahrzeug erforderlich wird.
Noch ein anderes bekanntes Verfahren zur Ableitung von Energie für Reifenüberwachungssysteme betrifft die Rückgewinnungsenergie von HF-Strahlen mit einer Abfrageantenne in enger Näher zu einem Reifen und integrierten Elektronikeinrichtungen. Von der Antenne ausgestrahlte Energie wird zur Energieversorgung der Elektronik wiedergewonnen, wobei es sich oftmals um spezielle Elektronik mit äußerst geringem Energieverbrauch handeln muss, der auf einige Mikrowatt beschränkt ist. Die Abfrageantennen, die in Verbindung mit durch Strahlen mit Energie versorgter Elektronik eingesetzt werden, müssen aufgrund eingeschränkter Sendebereiche sehr nah (in einem Abstand von wenigen Fuß) zu jedem Rad angeordnet werden. Dies macht in der Regel mehrere Abfrageantennen pro Fahrzeug erforderlich, wodurch die möglichen Kosten der Ausrüstung steigen. Jede Antenne ist außerdem recht anfällig gegenüber Schäden, die aus Verkehrsgefahren resultieren und dies kann daher nicht die wünschenswerteste Lösung zur Energieversorgung bestimmter Reifenelektronikanwendungen sein.
Es gibt viele bekannte Verfahren, um Energie zu sammeln und der Reifenelektronik bereitzustellen. In bestimmten Reifenanwendungen können einzelne Aspekte solcher bekannter Technologien jedoch unerwünscht sein. Somit ist es wünschenswert, ein verbessertes Verfahren zum Sammeln von Energie für Reifenelektronikanwendungen bereitzustellen.
Weiter in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung versteht sich, dass bestimmte elektronische Eigenschaften inhärent mit den Reifenstrukturen verbunden sind. Beispielsweise erfahren sich bewegende Fahrzeuge und die in Verbindung damit bereitgestellten Reifenanordnungen einen Aufbau statischer Elektrizität. Wenn kein Erdungsweg bereitgestellt wird, kann es bei sich bewegenden Fahrzeugen zu einem Aufbau statischer Elektrizität kommen, der eine relativ hohe Spannung erreicht. Einzus solcher Ladungsaufbau statischer Elektrizität ist aus einer Reihe von Gründen nicht erwünscht. Das Vorliegen einer solchen Ladung kann beispielsweise eine Störquelle darstellen und somit eine nachteilige Wirkung auf die Elektronikschaltungen des Fahrzeugs haben, einschließlich des Funkempfangs. Übermäßige Ladung kann außerdem ein Funkenpotenzial schaffen, welches beim Nachtanken ein Sicherheitsrisiko darstellen kann. Außerdem kann die Erdung einer Ladung durch einen Fahrzeuginsassen, in der Regel beim Einsteigen in das Fahrzeug oder Aussteigen aus dem Fahrzeug, besonders unangenehm sein.
Reifen können dazu verwendet werden, eine Erdung bereitzustellen, über die der Aufbau statischer Elektrizität in einem Fahrzeug abgeleitet wird. Nicht alle Materialien, die in einem Reifenaufbau eingesetzt werden, sind jedoch notwendigerweise elektrisch leitfähig. Elektrisch leitfähige Gummizusammensetzungen werden allgemein aus Bestandteilen gefertigt, die signifikante Mengen an Ruß enthalten. Dagegen weisen verhältnismäßig nicht leitfähige Gummizusammensetzungen einen gegenüber Ruß erhöhten Siliziumanteil auf. Allgemein wird durch Erhöhen des Siliziumanteils relativ zu dem Rußanteil die Leitfähigkeit des Reifens verringert.
Während siliziumbasierte Zusammensetzungen Elektrizität allgemein schlecht leiten, kann der Einsatz von Silizium als Verstärkungsmaterial in dem Laufflächenabschnitt eines Reifens erhöhte Bremsfähigkeit bei Nässe bereitstellen und auch zu einem Reifen führen, der einen verringerten Rollwiderstand aufweist. Dementsprechend wurden Verfahren vorgeschlagen, mit denen eine Leitfähigkeitsstrecke durch eine elektrisch isolierende Reifenlauffläche bereitgestellt wird. Siehe zum Beispiel die US-Patentschriften Nr. 5,937,926 (Powell), 6,220,319 (Reuter), 6,269,854 .
Mit Blick auf den Bedarf an Energieerzeugung und Abgabe statischer Energie in einer Reifenumgebung kann die Bereitstellung verschiedener elektrischer Leitfähigkeitsstrecken in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung eine zweifache Funktionalität für Fahrzeuganwendungen in einem Reifen darstellen, zusätzlich zu der Bereitstellung einer Erdungsstrecke für den Aufbau statischer Energie. Da es in vielen Fällen wünschenswert ist, dass die mit einer Reifenstruktur verbundenen Elektronikkomponenten mit einer Energiequelle ausgestattet sind, wird der Aufbau statischer Elektrizität in einem Reifen kanalisiert und zur Energieversorgung der Elektronikkomponenten gespeichert. Obwohl jeweils bekannte, mit einer Reifenstruktur verbundene Verfahren zur Sammlung von Energie und Abgabe statischer Elektrizität entwickelt worden sind, ist es noch zu keiner Konstruktion gekommen, die alle gewünschten Merkmale umfasst, wie in Übereinstimmung mit der Technologie im Folgenden dargestellt.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In Anbetracht der im Stand der Technik angetroffenen bekannten Merkmale, auf die der vorliegende Gegenstand abzielt, wurden ein verbessertes System und Verfahren zur Energieversorgung von Elektroniksystemen, die in einer Reifenstruktur eingebettet sind, entwickelt, wie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt. Eine Luftreifenstruktur mit allgemein nicht-leitfähigen Abschnitten kann mit mindestens einem elektrisch leitfähigen Segment aufgebaut sein, welches radial durch die Reifenstruktur geformt ist, um einen Kanal bereitzustellen, durch den der Aufbau statischer Elektrizität an die Erdung abgegeben werden kann, während gleichzeitig einige der statischen Elektrizität in einer Energiespeichervorrichtung gesammelt wird. Ausreichende Ansammlungen solcher gespeicherten Energie können dann verschiedene mit einer Reifenanordnung verbundene Elektronikkomponenten mit Energie versorgen, wie wiederaufladbare Batterien, verschiedene auf den Zustand reagierende Vorrichtungen und Hochfrequenz-(HF)-Sender/Empfänger.
In Übereinstimmung mit bestimmten Ausgestaltungen der dargelegten Technologie ist es eine Aufgabe des vorliegenden Gegenstands, einen Luftreifen bereitzustellen, der integrierte Elektronikkomponenten enthält, welche sich selbst mit Energie versorgen. Solche Elektronikkomponenten empfangen Energie von der elektrischen Ladung, die als Ergebnis der kanalisierten Elektrizität von innerhalb einer Radanordnung gespeichert wurde, und können einer Vielzahl von Vorrichtungen entsprechen, wie einer wiederaufladbaren Batterie, einem Umdrehungszähler, einem aktiven RFID-Transponder usw. Noch eine weitere Elektronikanwendung betrifft eine Elektronikanordnung, die dazu ausgelegt ist, Informationen bezüglich Reifenzuständen, wie Druck und Temperatur, sowie andere Informationen, wie beispielsweise die Anzahl von Reifenumdrehungen oder allgemeine Reifenidentifikationswerte, zu messen und zu senden.
In Übereinstimmung mit zusätzlichen Ausgestaltungen der dargelegten Technologie ist es eine Aufgabe der vorliegend offenbarten Technologie, eine Energieerzeugungsvorrichtung für Reifenelektronikkomponenten bereitzustellen, welche elektrisch leitfähige Strecken einsetzt, die durch eine Reifenstruktur gebildet sind. Solche elektrisch leitfähigen Strecken bieten einen Weg, um statische Elektrizität abzugeben, welche sich in einer Reifenanordnung angesammelt haben kann, die Abschnitte aufweist, welche aus Material mit verhältnismäßig hohem Widerstand geformt sind. Durch Sammeln und Speichern der elektrischen Ladung, die durch solche elektrisch leitfähigen Strecken kanalisiert wird, wird eine Energiequelle für die Reifenelektronikkomponenten bewirkt.
Zahlreiche Merkmale und Aspekte des vorliegenden Reifenelektroniksystems und spezialisierte Energiesammlungstechnologie bieten eine Vielzahl von Vorteilen. Die offenbarte Technologie sieht ein sich selbst mit Energie versorgendes Reifenelektroniksystem vor, das nicht von dem Ersatz von Batterien abhängt. Obwohl Batterien und batteriebetriebene Vorrichtungen immer noch in Ausgestaltungen des vorliegenden Gegenstands enthalten sein können, werden in Übereinstimmung mit der offenbarten Technologie viele der Schwierigkeiten, welche Reifenelektronik betreffen, die ausschließlich durch Batterien angetrieben werden, vermieden.
Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Gegenstands besteht darin, dass ein Reifenüberwachungssystem bereitgestellt wird, welches die Menge erforderlicher Signalhardware gegenüber herkömmlichen Reifenüberwachungssystemen verringert. Durch Bereitstellen eines sich selbst mit Energie versorgenden Reifenüberwachungssystems sind keine Wiedergewinnungsantennen oder mehrere Empfängerstellen mit zusätzlichen Hardwareverbindungen mehr erforderlich. Bestandteile eines solchen Reifenüberwachungssystems können in jede einzelne Reifenstruktur eines gegebenen Fahrzeugs integriert sein, so dass ein einziger (in der Regel in einer Fahrzeugkabine angeordneter) Empfänger in der Lage ist, die von der integrierten Elektronik jedes Reifens gesendeten Informationen zu erhalten.
Noch ein weiterer Vorteil des vorliegenden Gegenstands besteht darin, dass es weniger Beschränkungen hinsichtlich der Art und der Menge der elektronischen Ausrüstung gibt, welche in Reifen- und Radanordnungsstrukturen eingesetzt werden können. Mit herkömmlichen Verfahren mit Energie versorgte Reifenelektronik ist oft auf Vorrichtungen mit äußerst geringem Energieverbrauch beschränkt. Vorrichtungen gemäß der offenbarten Technologie unterliegen nicht notwendigerweise solchen extremen Energiebeschränkungen. Dieser Vorteil erleichtert die größere Funktionalität der Reifenelektronik weiter, da potenziell mehr Komponenten und/oder Ausrüstungen höheren Niveaus eingesetzt werden können.
Noch ein weiterer Vorteil des vorliegenden Gegenstands besteht darin, dass das offengelegte System und das Verfahren zur Erzeugung und Verwendung von Energie mit einer Vielzahl bestehender Anwendungen verwendet werden können. Messoptionen, Überwachungs- und Warnsysteme, Fahrzeugfeedbacksysteme und Teileverfolgungspotenzial sind für Anwendungen, wie kommerzielle Lastwagenfuhrparks, Luftfahrzeuge und Bergbau-/Erdbewegungsausrüstung möglich.
In einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden Gegenstands enthält eine zum Speichern elektrischer Ladung, die sich während der Drehung einer Luftreifenstruktur angesammelt hat, konfigurierte Reifenanordnung eine Reifenstruktur, einen Abschnitt aus leitfähigem Material und eine Energiespeichervorrichtung. Insbesondere ist die Reifenstruktur durch eine Wölbung gekennzeichnet, die einen äußeren Laufflächenabschnitt, um Kontakt mit einer Bodenoberfläche herzustellen, Wulstabschnitte, um die Reifenstruktur auf eine Felge aufzusetzen, Seitenabschnitten, die sich zwischen jedem Wulstabschnitt und der Wölbung erstrecken, und einen Innenbelag aufweist. Der Abschnitt aus leitfähigem Material ist in dem Raum zwischen dem Innenbelag und dem äußeren Laufflächenabschnitt angeordnet, und bildet mindestens teilweise eine Leitfähigkeitsstrecke, durch die in der Reifenstruktur angesammelte elektrische Ladung zu einer Bodenoberfläche strömen kann, die sich in Kontakt mit dem äußeren Laufflächenabschnitt befindet. Die Energiespeichervorrichtung, beispielsweise ein Kondensator oder eine wiederaufladbare Batterie, ist mit dem Abschnitt aus leitfähigem Material gekoppelt, um ferner die Leitfähigkeitsstrecke zu bilden, durch die elektrische Ladungsansammlungen strömen können, und um eine ausgewählte Menge solcher elektrischen Ladung zu speichern.
Zusätzliche Ausführungsformen der vorliegenden Technologie können ausgewählte Merkmale der vorgenannten beispielhaften Ausführungsform in Kombination mit verschiedenen anderen Elementen enthalten. Zusätzliche Ausführungsformen können beispielsweise auch ausgewählte Diodenelemente in Kombination mit der Energiespeichervorrichtung enthalten. Eine solche Diode kann in Reihe mit der Energiespeichervorrichtung bereitgestellt sein, um zu verhindern, dass in der Energiespeichervorrichtung gespeicherte elektrische Ladung sich umgekehrt daraus entlädt. Eine weitere solche Diode entspricht einer Zenerdiode, die parallel mit der Energiespeichervorrichtung bereitgestellt ist, um Überspannungsschutz für die Energiespeichervorrichtung bereitzustellen, indem eine alternative Leitfähigkeitsstrecke in der Reifenstruktur bereitgestellt wird. Durch Abschnitte aus leitfähigem Material und damit verbundene Energiesammlungsschaltungen bereitgestellte Leitfähigkeitsstrecken können ferner durch die Bereitstellung von Isoliermaterial um die Leitfähigkeitsstrecken eingeschränkt werden. Sobald Energie aus der statischen Elektrizität eines Reifens gesammelt wird, kann sie verwendet werden, um andere Komponenten, die mit einem Reifen verbunden sind, mit Energie zu versorgen, wie beispielsweise eine auf den Zustand reagierende Vorrichtung, einen Hochfrequenz-(HF)-Sender, eine Mikrosteuerung usw.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Technologie betrifft eine Reihe von Anordnungen mit elektronischen Komponenten, die sich selbst mit Energie versorgen, zu denen eine Luftreifenstruktur, mindestens ein Abschnitt aus leitfähigem Material und eine elektronische Komponente gehört. Die Luftreifenstruktur kann durch eine Wölbung charakterisiert sein, die einen äußeren Laufflächenabschnitt, um einen Kontakt zu einer Bodenoberfläche herzustellen, Wulstabschnitte, um die Luftreifenstruktur auf eine Felge aufzusetzen, Seitenwandabschnitte, die sich zwischen jedem Wulstabschnitt und der Wölbung erstrecken, und eine Innenoberfläche aufweist. Der mindestens eine Abschnitt aus leitfähigem Material erstreckt sich zwischen der Innenoberfläche und dem äußeren Laufflächenabschnitt der Luftreifenstruktur, um mindestens teilweise eine Leitfähigkeitsstrecke zu bilden, durch die elektrische Ladung, die sich in der Luftreifenstruktur angesammelt hat, zu einer Bodenoberfläche abströmen kann, die sich in Kontakt mit dem äußeren Laufflächenabschnitt befindet. Die mindestens eine elektronische Komponente ist vorzugsweise mit der Leitfähigkeitsstrecke gekoppelt und wird durch die elektrische Ladung mit Energie versorgt, die durch eine solche Strecke strömt. Die mindestens eine elektronische Komponente kann einen Umdrehungszähler, eine auf den Zustand reagierende Vorrichtung oder andere Komponenten umfassen. Es sei darauf hingewiesen, dass verschiedene Kombinationen der Komponenten auch durch die kanalisierte elektrische Ladung mit Energie versorgt werden kann.
Noch eine weitere Ausführungsform des vorliegenden Gegenstands betrifft ein Verfahren zum Sammeln von Energie aus der statischen Elektrizität eines sich drehenden Reifens. Ein solches Verfahren kann den Schritt des Bereitstellens einer Reifenstruktur enthalten, die durch eine Wölbung charakterisiert ist, welche einen Laufflächenabschnitt, um Kontakt mit einer Bodenoberfläche herzustellen, Wulstabschnitte, um die Reifenstruktur auf eine Felge aufzusetzen, Seitenwandabschnitte, die sich zwischen jedem Wulstabschnitt und der Wölbung erstrecken, und einen Innenbelag aufweist. Die bereitgestellte Reifenstruktur enthält vorzugsweise auch mindestens einen Abschnitt aus leitfähigem Material, der zwischen dem Innenbelag und der Lauffläche angeordnet ist, um eine Leitfähigkeitsstrecke zu bilden, durch die in der Reifenstruktur angesammelte elektrische Ladung zu einer Bodenoberfläche strömen kann, die sich in Kontakt mit dem Laufflächenabschnitt befindet. Ein mit der vorliegenden Energiesammlungsmethodologie verbundener zusätzlicher Schritt enthält das Drehen der Reifenstruktur, so dass der äußere Laufflächenabschnitt der Reifenstruktur sich in Kontakt mit einer Bodenoberfläche befindet. Ein solcher Drehungsschritt erzeugt vorzugsweise statische Ladung in der Reifenstruktur, welche danach durch den mindestens einen Abschnitt aus leitfähigem Material strömt. Ein Endschritt, der mit einem solchen beispielhaften Energiesammlungsverfahren verbunden ist, entspricht dem Speichern einiger statischer Ladung, die in dem Drehschritt erzeugt wird, in eine Energiespeichervorrichtung, wie einem Kondensator oder einer wiederaufladbaren Batterie.
Weitere zusätzliche Aufgaben und Vorteile des vorliegenden Gegenstands werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung dargelegt oder werden Fachleuten auf dem Gebiet aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In der Beschreibung wird eine vollständige und befähigende Darlegung des vorliegenden Gegenstands einschließlich des besten Modus davon dargelegt, welche sich an einen Durchschnittsfachmann richtet und in der Bezug auf die beigefügten Figuren genommen wird, in denen:
1 eine allgemeine Querschnittansicht einer beispielhaften Reifenstruktur zeigt;
2 eine ausführliche Querschnittansicht einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden Gegenstands mit einer in der Reifenstruktur gebildeten Leitfähigkeitsstrecke zum Kanalisieren von statischer Energie an eine Energiespeichervorrichtung und zum Abgeben von statischer Ladung an die Erdung darstellt;
3 eine ausführliche Querschnittansicht einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden Gegenstands mit einer Leitfähigkeitsstrecke, die in einer Reifenstruktur gebildet ist, um statische Ladung zu einer Energiespeichervorrichtung zu kanalisieren und statische Ladung an Erdung abzugeben, zeigt;
4 eine schematische Darstellung beispielhafter Energiesammelschaltungen in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Gegenstand zur Verbindung mit einer Energiespeichervorrichtung bereitstellt;
5A eine Blockdiagrammdarstellung von beispielhafter, sich selbst mit Energie versorgender Elektronik mit einer Energiesammelschaltungsvorrichtung und einer Reifenelektronikanordnung und beispielhafter Wechselwirkung davon in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Gegenstand bereitstellt;
5B eine Blockdiagrammdarstellung einer beispielhaften integrierten, sich selbst mit Energie versorgenden Elektronik mit Energiesammelschaltung und einer Reifenelektronikanordnung und alternativer beispielhafter Wechselwirkung davon in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Gegenstand bereitstellt;
6 eine Blockdiagrammdarstellung einer beispielhaften Reifenelektronikanordnung in Übereinstimmung mit der offenbarten Technologie bereitstellt; und
7 eine Blockdiagrammdarstellung einer beispielhaften abgesetzten Empfängerkonfiguration in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Gegenstand bereitstellt.
Die wiederholte Verwendung von Bezugszahlen in der gesamten vorliegenden Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen sollen dieselben oder analoge Merkmale oder Elemente der Erfindung darstellen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie in dem Abschnitt „Kurze Darstellung der Erfindung" dargestellt, betrifft der vorliegende Gegenstand insbesondere ein System und ein Verfahren zum Sammeln von Energie in einer Reifenstruktur, während gleichzeitig Merkmale zum Abgeben des Aufbaus elektrischer Ladung von einer Reifenstruktur bereitgestellt werden. Ausreichende Ansammlungen der gesammelten elektrischen Ladung können dann verwendet werden, um Elektroniksysteme mit Energie zu versorgen, wobei Beispiele dieser elektronischen Systeme Komponenten zum Identifizieren verschiedener physischer Reifenparameter sowie Hochfrequenz-(HF)- Sendungsvorrichtungen und andere umfassen.
Merkmale zum Abgeben des Aufbaus statischer Elektrizität von innerhalb einer Reifenstruktur enthalten Abschnitte aus leitfähigem Material, die zwischen der inneren und der äußeren Oberfläche einer Reifenstruktur angeordnet sind. Beispielhafte Ausgestaltungen solcher Abschnitte aus leitfähigem Material und ihre Verbindung mit einer Reifenstruktur werden in Bezug auf 1 bis 3 dargestellt. Eine Energiespeichervorrichtung und andere Energiesammelschaltungen zur Verwendung mit einer Leitfähigkeitsstrecke, wie sie durch Abschnitte aus leitfähigem Material in einem Reifen definiert wird, werden in Bezug auf 2 bis 4 dargestellt. Ein Beispiel eines Reifenelektroniksystems, das auf den Zustand reagierende Vorrichtungen, eine Mikrosteuerung und einen HF-Sender enthält, wird in 6 dargestellt. Ausgestaltungen beispielhafter Wechselwirkungen zwischen Energiesammelschaltungen und einem Reifenelektroniksystem werden unter Bezugnahme auf 5A bzw. 5B erörtert. Schließlich wird eine beispielhafte Ausführungsform einer abgesetzten Empfängerkonfiguration zum Erhalten von Informationen, die von einem beispielhaften Reifenelektroniksystem gesendet werden, unter Bezugnahme auf 7 dargestellt.
Ausgewählte Kombinationen der vorgenannten Ausgestaltungen der dargelegten Technologie entsprechen einer Vielzahl verschiedener Ausführungsformen des Gegenstands. Es sei darauf hingewiesen, dass keine der beispielhaften Ausführungsformen, die hierin dargestellt und erörtert werden, eine Beschränkung des vorliegenden Gegenstands andeuten soll. Als Teil einer Ausführungsform dargestellte oder beschriebene Merkmale oder Schritte können in Kombination mit Ausgestaltungen anderer Ausführungsformen eingesetzt werden, um noch weitere Ausführungsformen zu ergeben. Außerdem können bestimmte Merkmale mit ähnlichen Vorrichtungen oder Merkmalen, die nicht ausdrücklich erwähnt sind, welche dieselben oder ähnliche Funktionen ausführen, ausgetauscht werden. Analog können bestimmte Prozessschritte ausgetauscht oder in Kombination mit anderen Schritten eingesetzt werden, um zusätzliche beispielhafte Ausführungsformen eines Verfahrens zum Erzeugen elektrischer Energie aus der mechanischen Energie eines sich drehenden Reifens zu ergeben.
Die Fähigkeiten der vorliegenden Energiesammelvorrichtung, wie im Folgenden dargestellt, bieten zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Techniken zum Bereitstellen von Energie in einer Reifenanordnung. Die Techniken zur Wiedergewinnung der Antennenstrahlenergie, die vorher erörtert worden sind, sind nicht länger eine einer beschränkten Anzahl von Optionen, aus denen zur Energieversorgung von Reifenelektronik gewählt werden kann. Die Funktionsfähigkeiten vieler Arten von Reifenelektronik sind allgemein erhöht. Die Option der Verwendung von Batterien zur Energieerzeugung ist nicht mehr wesentlich, womit ein kostspieliger und umständlicher Ersatz von Batterien vermieden wird. Obwohl die vorliegend offenbarte Technologie eine Energiesammeltechnologie bereitstellt, welche den Verzicht auf Antennenstrahlenergie und Batterien gestattet, sei darauf hingewiesen, dass Energiesammelvorrichtungen eine Mischkombination zum Speichern kanalisierter statischer Elektrizität und/oder Batterien und/oder Antennenstrahlwiedergewinnung verwenden können, um verschiedene ausgewählte elektronische Komponenten in einer Radanordnung mit Energie zu versorgen.
Eine typische Luftreifenstruktur 10 wird durch eine Wölbung 15 charakterisiert, welche einen äußeren Laufflächenabschnitt 18 und Seitenwände 20 unterstützt, die sich zu Wulstabschnitten 22 erstrecken. Die Seitenwände 20 erstrecken sich allgemein zwischen Abschnittlinien 17 und 19 und die Reifenwölbung 15 erstreckt sich allgemein zwischen den beiden Abschnittlinien 19. Die Reifenwülste 22 sind so bereitgestellt, dass die Reifenstruktur 10 effektiv auf den Rand einer Felgenanordnung gesetzt und daran befestigt werden kann. Ein Innenbelag aus luftundurchlässigem Material bildet die Oberfläche des Reifens einschließlich der Innenwölbungsoberfläche 24 und der Innenseitenwandoberfläche 26. Ein Unterbau 23 erstreckt sich zwischen den Wülsten 22 über die Seitenwandabschnitte 20 und die Wölbung 15 und ein unterer Aufpumpdruck definiert die Form des Reifens und überträgt Zug- und Lenkkräfte. In der Reifenstruktur 16 ist allgemein entlang der Wölbung 15 ein Riemenpaket 21 bereitgestellt. Wenn ein aufgeblasener Reifen sich auf einem Fahrzeugrad dreht, befindet sich mindestens ein Abschnitt der äußeren Lauffläche in fortwährendem Kontakt mit einer Bodenoberfläche.
Wie in dem Abschnitt „Allgemeiner Stand der Technik" erörtert, kann eine Vielzahl verschiedener Materialien bei der Bildung eines Reifens verwendet werden, einschließlich verschiedener Gummimischungen in der Wölbung, Seitenwand und den Laufflächenabschnitten eines Reifens. Jedes solche Reifenmaterial kann mit einem bestimmten Leitfähigkeitsniveau oder Widerstand charakterisiert sein (welche umgekehrt proportional zu der Leitfähigkeit ist). Die Gummizusammensetzungen, die elektrisch leitfähig sind, werden allgemein aus Bestandteilen hergestellt, welche signifikante Anteile von Ruß aufweisen. Umgekehrt neigen Gummizusammensetzungen, die verhältnismäßig nicht-leitfähig sind, dazu, signifikant größere Siliziumanteile gegenüber Rußanteilen aufzuweisen. Allgemein führt die Zunahme des Siliziumanteils gegenüber dem Rußanteil dazu, dass die Reifenleitfähigkeit verringert wird, kann jedoch eine erhöhte Bremsfähigkeit bei Nässe bereitstellen und auch zu einem Reifen mit verringertem Rollwiderstand führen.
2 stellt eine ausführliche Ansicht einer beispielhaften Reifenstruktur 10 wie in 1 dar, wobei ferner verschiedene Energiesammelschaltungen und Elektronikkomponenten damit verbunden sind. Die ausführliche Ansicht aus 2 stellt einen Abschnitt der Reifenwölbung 15 zwischen dem äußeren Laufflächenabschnitt 18 und dem Innenbelag entlang der Innenwölbungsoberfläche 24 dar. Ein Abschnitt des Reifens wird aus einem allgemein nicht leitfähigen Siliziummaterial gebildet, so dass vorzugsweise eine Leitfähigkeitsstrecke zur Erdung enthalten sein kann, um jeden Aufbau statischer Elektrizität in der Reifenstruktur 10 abzuleiten, welche sich während herkömmlicher Reifendrehung oder anderen Phänomenen ansammeln kann. Als solches ist ein Abschnitt leitfähigen Materials, der durch ein erstes leitfähiges Segment 30 und ein zweites leitfähiges Segment 32 definiert ist, zwischen dem äußeren Laufflächenabschnitt 18 und der Innenoberfläche 24 (oder alternativ einer Innenseitenwandoberfläche 26) angeordnet. Wenn sich statische Ladung (die durch negativ geladene Partikel 27 bezeichnet ist) in dem Reifen ansammelt, werden die geladenen Partikel zu positiven Ladungen 29 angezogen, welche an einer der Reifenstruktur 10 benachbarten Bodenoberfläche bestehen können. Der Abschnitt aus leitfähigem Material, durch den die Ladungen angezogen werden können, wie in 2 dargestellt, kann sich in radialer Richtung bezüglich der Reifenstruktur 10 erstrecken.
Weiter unter Bezugnahme auf 2 wird eine Energiespeichervorrichtung 28 zwischen dem ersten Segment 30 und dem zweiten Segment 32 bereitgestellt, so dass die statische oder elektrische Ladung, die durch die durch solche leitfähigen Segmente definierte Leitfähigkeitsstrecke strömt, in der Energiespeichervorrichtung 28 gespeichert werden kann. Die Energiespeichervorrichtung 28 kann in einigen Ausführungsformen einem Kondensator, wie einem elektrolytischem Kondensator, einem Superkondensator oder einem nicht-elektrolytischem Kondensator entsprechen. Die Energiespeichervorrichtung 28 kann in anderen Ausführungsformen auch einer wiederaufladbaren Batterie, wie einer wiederaufladbaren Festzustands- oder chemischen Batterie, entsprechen. Zusätzliche Energiesammelschaltungen können in Kombination mit der Energiespeichervorrichtung 28 bereitgestellt sein, wie im Folgenden näher dargelegt. Die Energiespeichervorrichtung 28 wird zwischen leitfähigen Segmenten 30 und 32 dargestellt, aber es versteht sich, dass die Energiespeichervorrichtung 28 auch an anderen Positionen bezüglich der Reifenstruktur 10 bereitgestellt sein kann und keineswegs auf die vorliegend offengelegte Technologie beschränkt sein soll. Es sei ferner darauf hingewiesen, dass in anderen Ausführungsformen des vorliegenden Gegenstands zwei Kondensatorplatten aus den sich jeweils gegenüberliegenden Oberflächen der leitfähigen Segmente 30 und 32 gebildet sein können, um eine Energiespeichervorrichtung zu ergeben.
Um sicherzustellen, dass angesammelte statische Ladung in der Energiespeichervorrichtung 28 gespeichert wird, wird vorzugsweise sichergestellt, dass es sich bei der Leitfähigkeitsstrecke zur Erdung um einen beschränkten Kanal handelt, durch den die Ladung strömen wird, statt an einer anderen, mit der Reifenstruktur verbundenen Stelle auszuströmen. Wenn der überwiegende Teil des Reifengummis aus einem verhältnismäßig leitfähigen Gummi gefertigt ist, wie einem mit einem Oberflächenwiderstand von mehr als 10¹² Ohm·sq, dann sollte das in den leitfähigen Segmenten 30 und 32 eingesetzte Material einen Widerstand aufweisen, der ausreichend geringer ist, damit die Ladung durch die definierte Leitfähigkeitsstrecke strömen wird. Obwohl in einigen Ausführungsformen der Oberflächenwiderstand der Materialien in einer solchen Leitfähigkeitsstrecke vorzugsweise um 10⁶ Ohm·sq geringer sein kann, ermöglichen Materialien mit einem Oberflächenwiderstand von zwischen 10⁶ Ohm·sq und 10⁹ Ohm·sq immer noch den Transfer elektrischer Ladung in die Erdung oder andere leitfähige Objekte. Der Abschnitt aus leitfähigem Material, der durch die Segmente 30 und 32 definiert ist, kann ein leitfähiges oder weniger widerstandsfähiges Gummimaterial sein, als das, was allgemein in anderen Abschnitten der Reifenstruktur 10 verwendet wird, oder kann in anderen Ausführungsformen einem verdrahteten Abschnitt aus verhältnismäßig leitfähigem Metall entsprechen, wie beispielsweise leitfähigen Stapeln oder leitfähigen Leitungen. Die durch einen solchen Abschnitt aus leitfähigem Material definierte Leitfähigkeitsstrecke kann auch durch eine Kombination aus leitfähigem Gummi und Metallleitungen gebildet sein.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Technologie kann es bevorzugt sein, die Leitfähigkeitsstrecke, die durch den Abschnitt aus leitfähigem Material definiert ist, ferner einzuschränken, indem ein zusätzlicher Abschnitt aus Isolationsmaterial um das Gebiet, welches die Leitfähigkeitsstrecke zur Erdung definiert, bereitgestellt ist. Das Isolationsmaterial 34 kann neben einem ersten und zweiten leitfähigem Segment 30 und 32 sowie die energiesammelnden Schaltungen umgebend bereitgestellt sein, wie Energiespeichervorrichtung 28, die in dem Reifen eingebettet sein kann. Das Isolationsmaterial 34 kann durch ein Oberflächenwiderstand größer als ungefähr 10¹² Ohm·sq gekennzeichnet sein. Ein Beispiel eines geeigneten Isolationsmaterials in einem Reifen ist ein Material der Marke CHEMLOK, wie kommerziell von der Lord Manufacturing Corporation erhältlich, und kann auch verwendet werden, um bei die Haftung bestimmter Abschnitte des Materials aneinander zu unterstützen (wie ein verhältnismäßig nicht leitfähiger Abschnitt aus Gummi an einem verhältnismäßig leitfähigem Abschnitt aus Gummi oder Metall). Die Bereitstellung von Isolationsmaterial 34 kann auch bei der Einschränkung der Leitfähigkeitsstrecke von anderen potenziell leitfähigen Abschnitten eines Reifens zu einem Unterbau 23 und Riemenpackung 21 (in 2 nicht dargestellt) helfen. In einigen Ausführungsformen kann sich das Segment 32 und die umgebende Isolation durch den Reifen 10 zu einer ausgewählten Position relativ zu dem Riemenpaket 21 und/oder dem Unterbau 23 erstrecken. Zusätzliche Aspekte des Bildens einer Leitfähigkeitsstrecke relativ zu einer Reifenstruktur werden in der allgemein gehaltenen Patentanmeldung mit der Nummer USSN 10/271,331, mit dem Titel „CONDUCTIVITY PATH FOR NON-CONDUCTIVE TIRE TREAD" beschrieben.
Die obige, allgemein gehaltene Bezugsquelle offenbart auch beispielhafte Reifenstrukturausführungsformen mit zusätzlichen Kombinationen aus leitfähigem und nicht-leitfähigem Gummimaterial. 3 veranschaulicht Aspekte einer solchen beispielhaften Ausführungsform, wobei eine Reifenstruktur 10 eine Wölbung und einen Laufflächenabschnitt enthält, welcher aus einem Laufflächenbasismaterial 36 besteht, das allgemein nicht leitfähig ist, und einem Laufflächenkappenabschnitt 38, der allgemein leitfähig ist. In diesem Fall müssen sich die durch die leitfähigen Segmente 30 und 32 definierte Leitfähigkeitsstrecke und die Energiespeichervorrichtung 28 möglicherweise nur zu dem leitfähigen Laufflächenkappengummi 38 erstrecken. In der Ausführungsform aus 3 kann es machbarer als in der Ausführungsform aus 2 sein, dass leitfähige Abschnitte 30 und 32 einer leitfähigen Leitung oder einem Stapel statt einem verhältnismäßig leitfähigem Gummimaterial entsprechen.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass auch mehrere Leitfähigkeitsstrecken verwendet werden können in Übereinstimmung mit der offengelegten Technologie und dass mehrere Energiespeichervorrichtungen in Kombination mit solchen mehreren Leitfähigkeitsstrecken bereitgestellt sein. Solche Strecken können beispielsweise in einer sich in Umfangsrichtung um den Reifen erstreckenden Richtung beabstandet sein.
In Übereinstimmung mit dem vorliegenden Gegenstand kann eine Leitfähigkeitsstrecke, durch die angesammelte elektrische Ladung abgegeben werden kann, mindestens einen Abschnitt aus leitfähigem Material und eine Energiespeichervorrichtung 28 enthalten. Zusätzliche Energiesammelschaltungen können mit der Energiespeichervorrichtung gekoppelt sein, um eine konditionierte Energiequelle für zusätzliche Reifenelektronikkomponenten bereitzustellen. Eine beispielhafte Ausführungsform für zusätzliche Energiesammelschaltungen 40, die die Energiespeichervorrichtung 28 enthalten, wird in 4 schematisch dargestellt. Die Energiespeichervorrichtung 28 kann einem elektrolytischem Kondensator, wie einem Tantalumkondensator aus der Reihe Panasonic TEL mit einer Kapazität von ungefähr 47 Mikrofarad entsprechen. Andere Arten von Kondensatoren, wie Superkondensatoren und nicht-elektrolytische Kondensatoren können analog für die Verwendung als Energiespeichervorrichtung 28 geeignet sein. Die Energiespeichervorrichtung kann auch einer wiederaufladbaren Batterie, wie einer wiederaufladbaren Festzustandsbatterie der Marke Litestar, welche im Handel von Infinite Power Solutions erhältlich ist, entsprechen. Andere wiederaufladbare Festzustandsbatterien oder wiederaufladbare chemische Batterien können als Energiespeichervorrichtung 28 ebenfalls eingesetzt werden.
Weiter unter Bezugnahme auf 4 ist die Energiespeichervorrichtung 28 vorzugsweise in Reihe mit einer Diode 42 verbunden, um zu verhindern, dass die Energiespeichervorrichtung 28 sich rückwärts entlädt, nachdem die elektrische Ladung bereits darin gespeichert worden ist. Die Diode 42 und die Energiespeichervorrichtung 28 können zwischen leitfähigen Segmenten 30 und 32 angeordnet sein und sind vorzugsweise in der Reifenstruktur 10 eingebettet. Die anderen Komponenten der Energiesammelschaltungen können ebenfalls in der Reifenstruktur 10 eingebettet sein, wie in dem Isolationsmaterial 34 oder an anderer eingebetteter Stelle in dem Reifen selbst. Solche Energiesammelelektronik kann auch an dem Innenbelag einer Reifenstruktur angebracht sein, wie beispielsweise entlang der inneren Wölbungsoberfläche 24, wie durch das Elektronikmodul 44 aus 2 und 3 dargestellt. Das Elektronikmodul 44 kann auch zusätzliche Komponenten enthalten, wie beispielsweise verschiedene Reifenelektroniksysteme, wie später erörtert werden wird. Eine weitere geeignete Stelle für die Energiesammelelektronik ist entlang einer ausgewählten Innenseitenwandoberfläche 26. Ausgewählte Komponenten der Energiesammelschaltungen 40 könnten außerdem in der Reifenstruktur 10 beispielsweise zwischen dem Unterbau 23 und dem entlang den Oberflächen 24 und/oder 26 bereitgestellten Innenbelag angebracht und gehärtet sein. Die Energiesammelschaltungen und/oder zusätzliche Reifenelektronik können alternativ neben einem zusätzlichen Gummi- oder Elastomergehäuse bereitgestellt sein, bevor sie an den Reifen angebracht oder in den Reifen eingebettet werden, um zusätzlichen Schutz bereitzustellen. Ein solches Gehäuse stellt zusätzlich die vereinfachte Montage der Schaltungen an eine Reifenstruktur bereit. In Übereinstimmung mit der Vielzahl möglicher Stellen für die Energiesammelschaltungen 40 und aller Elektronikkomponenten, die dadurch mit Energie versorgt werden, versteht sich, dass der Begriff „integriert" allgemein alle möglichen Stellen einschließlich der Anbringung an oder in einer Reifenstruktur umfasst.
Wieder unter Bezugnahme auf 4 und sobald sich eine ausreichende Energiemenge in der Energiesammelvorrichtung 28 gesammelt hat, agiert ein Bipolartransistor 50 als ein Schalter, um die gespeicherte Energie in der Energiespeichervorrichtung 28 an einen Spannungsregulator 52 abzugeben. Ein Beispiel eines sich für die Verwendung in der beispielhaften Ausführungsform aus 3 eignenden Spannungsregulator ist ein programmierbarer linearer Spannungsregulator wie der Marke MAX666, die im Handel von Maxim Integrated Products erhältlich ist. Ein solcher Spannungsregulator kann sich gut für Elektroniksysteme eignen, die in der Regel batteriebetriebene Systeme waren, und ist in der Lage, die Spannung über die Energiespeichervorrichtung 28 auf eine regulierte 5-Volt-Ausgabespannung 44 umzuwandeln. Andere Spannungsregulatoren, wie Mikropower-Schaltregulatoren, welche oftmals höhere Effizienzpegel als lineare Regulatoren aufweisen, können in Übereinstimmung mit der offengelegten Technologie ebenfalls eingesetzt werden. Ein Diffusionsmetalloxid-Halbleiter-(DMOS)-FET-Transistor 54 und eine Zenerdiode 56 werden außerdem in dem beispielhaften Energiekonditionierungsmodul aus 3 bereitgestellt. Die Zenerdiode 56 ist parallel mit der Energiespeichervorrichtung 28 bereitgestellt, um Überspannungsschutz für die Energiespeichervorrichtung bereitzustellen, indem die Menge der darin gespeicherten Ladung beschränkt wird.
Anfangs sind die Transistoren 50 und 54 ausgeschaltet und Masse an der Drainelektrode des Transistors 54 ist erdfrei, so dass keine Ausgabespannung bereitgestellt wird. Wenn die Energiespeichervorrichtung 28 sich auf einen ausreichenden Spannungspegel auflädt (der durch die Zenerdiode 56 und die Basisausgeberverbindung des Transistors 50 bestimmt wird), schaltet sich Transistor 50 ein und aktiviert den Transistor 54 und den Verriegelungstransistor 50. An dieser Stelle wird zugelassen, dass die Energiespeichervorrichtung 28 sich über die Schaltung entlädt, wodurch eine regulierte Ausgabespannung 44 von 5 Volt an ein elektronisches System bereitgestellt wird. Wenn die Anwendungselektronik, an die die Ausgabespannung 44 bereitgestellt wird, ihre nützliche Arbeit beendet hat, sendet das Elektroniksystem ein Signal an der Signalstrecke 58 durch den Transistor 60 und den Kondensator 62 zurück, um den Transistor 50 auszustellen und den Transistor 54 zu deaktivieren, so dass sich Energie wieder in der Energiespeichervorrichtung 28 ansammeln kann.
Durch die Energiesammelschaltung 40 gespeicherte Energie kann in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Gegenstand an eine Vielzahl von Komponenten oder unterschiedliche Reifenelektronikanordnungen angelegt werden. 5A bzw. 5B veranschaulichen beispielhafte Aspekte der Wechselwirkung zwischen Energiesammelschaltung 40 und einem beispielhaften Reifenelektroniksystem (TES) 48.
In Übereinstimmung mit 5A wird Energie in einer Energiespeichervorrichtung in der Energiesammelschaltung (beispielsweise ein Kondensator oder eine wiederaufladbare Batterie) angesammelt, bis eine ausreichende Ladung erhalten worden ist, um die erwünschten Funktionen in TES 48 auszuführen. Zwischen den Energiezyklen bleibt TES 48 ohne Energie und somit wird die Aktivierung von TES 48 durch die Rate, mit der Energie in der Energiespeichervorrichtung der Energiesammelschaltung 40 angesammelt wird, geleitet. Wenn ausreichende Energie in der Energiesammelschaltung angesammelt ist, wird eine Zufuhrspannung V_dd und eine Massespannung V_ss an den Strecken 64 und 66 an TES 48 bereitgestellt. TES 48 wird ein „Aktiv"-Signal entlang der Strecke 58 zurückgeben, welches anzeigt, dass die Elektronik in TES 48 immer noch funktioniert. Wenn die gegebene Elektronik in TES 48 mit ihren jeweiligen Aufgaben abgeschlossen hat, wird das Aktivsignal niedrig und die Energiespeichervorrichtung 28 sammelt wieder Energie. Dieser Zyklus wird sich so oft wiederholen, wie eine Reifenanordnung bei oder oberhalb einer gegebenen Schwellgeschwindigkeit rotiert, was allgemein um 20 kph liegen kann.
In Übereinstimmung mit der beispielhaften Wechselwirkung, die unter Bezugnahme auf 5B dargestellt und erörtert worden ist, stellt die Energiesammelschaltung fortwährend Spannungs-(V_dd) und Masse-(V_ss)-Signale an TES 48 zusammen mit einem Fuel-Gage-Signal, das die Menge der in der Energiesammelschaltung 40 gespeicherten Energie darstellt, bereit. Wenn an TES 48 Energie angelegt wird, kann ein Mikroprozessor oder eine andere geeignete Elektronikkomponente sich periodisch selbst aktivieren und das Fuel-Gage-Signal von der Energiesammelschaltung 40 überwachen. Wenn eine ausreichende Energiemenge in der Energiespeichervorrichtung 28 verfügbar ist, wird TES 48 eine bestimmte Aufgabe aufnehmen. Wenn keine ausreichende Menge der Energie verfügbar ist, wird TES 48 in einen Modus mit geringem Energieverbrauch übergehen, bei dem es weniger als ungefähr ein Mikroampere Energie verbraucht. Das Fuel-Gage-Signal wird danach periodisch geprüft, bis die Energieansammlung ausreichend ist. Dieser Zyklus des Wartens auf ausreichende Energieansammlung, des Befassens mit einer bestimmten Aufgabe und des Zurückkehrens zu einem geringen Energiemodus wird vorzugsweise auf durchgängige Weise wiederholt, bis der Reifen sich bei oder oberhalb einer gegebenen Schwellgeschwindigkeit dreht.
Wie vorher erwähnt, könnte TES 48 eine Vielzahl verschiedener Elektronikanwendungen umfassen, abhängig davon, welche Art von Komponenten in einem Reifen oder einer Radanordnung enthalten sind. Ein spezifisches Beispiel eines Reifenelektroniksystems 48 entspricht der Kombination von Vorrichtungen, die in 6 dargestellt sind. Insbesondere funktioniert eine solche Elektronikanordnung als ein Reifenüberwachungssystem, das die Temperatur und den Druck in einer Reifenstruktur misst und die Ergebnisse mittels eines Hochfrequenz-(HF)-Senders 68 zu einer entfernten Empfangsstelle sendet. Ein Beispiel eines jeweiligen Sender- und Empfängermoduls zur Verwendung mit Aspekten der offengelegten Technologie entspricht TX2- und RX2-UHF-FM-Datensender- und -Empfängermodulen, welche kommerziell durch Radiometrix Ltd. erhältlich sind.
Ein Energiesignal „V_dd" mit fünf Volt, ein Massesignal „V_ss" und entweder ein „Aktiv"- oder ein „Fuel-Gage"-Signal", wie mit Bezug auf 5A und 5B erläutert, werden vorzugsweise von der Energiesammelschaltung an eine Mikrosteuerung 70 bereitgestellt. Ein Beispiel einer Mikrosteuerung, die sich zur Verwendung mit der offengelegten Technologie eignet, ist ein Mikrochip der Marke PIC16LF876 28-Pin, CMOS RISC-Mikrosteuerung.
Die Mikrosteuerung 70 wird aktiviert, wenn an der Eingangsstrecke 64 Energie angelegt wird und legt dann Energie an den Temperatursensor 72 und den Drucksensor 74 an (sowie alle zusätzlichen Sensoren oder geeigneten elektronischen Vorrichtungen in TES 12). Ein Beispiel für einen Temperatursensor 72, der sich zur Verwendung mit der offengelegten Technologie eignet, ist ein LM50 SOT-23 Einfach-Zentigrad-Temperatursensor, wie kommerziell von National Semiconductor erhältlich. Ein Beispiel für einen Drucksensor 74, der sich zur Verwendung mit der offengelegten Technologie eignet, ist ein Modell 1471 PC-Board Mountable Drucksensor, wie kommerziell von ICSensors and Measurement Specialties erhältlich. Alternativ kann eine akustische Oberflächenwellen-(SAW)-Vorrichtung eingesetzt werden, um sowohl Temperatur als auch Druck an einer gegebenen Stelle zu messen. Zusätzliche Sensoren 76, 78 bzw. 80 können zusätzliche Merkmale einer Reifenstruktur oder einer entsprechenden Radanordnung messen. In Übereinstimmung mit dem vorliegenden Gegenstand soll eine auf den Zustand reagierende Vorrichtung Sensoren, akustische Vorrichtungen und andere Komponenten enthalten, die eine Art von Ausgabe bereitstellen, die von einer Änderung der Eingabebedingungen abhängt.
Noch eine weitere Komponente der beispielhaften TES-Ausführungsform 48 aus 6 entspricht einer wiederaufladbaren Batterie 81, die auch so konfiguriert sein kann, um eine in der Energiespeichervorrichtung 28 gespeicherte elektrische Ladung zu empfangen und zusätzliche Energie für die integrierte Reifenelektronik oder andere elektronische Vorrichtung in einem Fahrzeug zu speichern. Ein Beispiel für eine wiederaufladbare Batterie zur Verwendung mit dem vorliegenden Gegenstand ist eine wiederaufladbare Festzustandsbatterie der Marke LiteStar, die von Infinite Power Solutions im Handel erhältlich ist. Die in der Batterie 81 gespeicherte Energie kann in der Regel für einen viel längeren Zeitraum gespeichert werden, als in einer Energiespeichervorrichtung wie einem Kondensator, somit kann es ideal sein, die wiederaufladbare Batterie für sich oder in Kombination mit einem Kondensator zu verwenden. Die in Batterie 81 gespeicherte Energie kann einer Mikrosteuerung 70 bereitgestellt werden, wenn nicht ausreichend Energie in dem Energiespeicher durch die Betätigung piezoelektrischer Fasern gespeichert ist. Zu einer solchen Situation kann es beispielsweise kommen, wenn das Fahrzeug still steht oder wenn die Reifen von einem Fahrzeug entfernt werden. Gespeicherte Energie kann beispielsweise erforderlich sein, um TES 48 mit Energie zu versorgen, wenn eine Bodencrew den Luftdruck in still stehenden Reifen an einer Handelsmaschine überprüft. Die Batterie 81 kann auch dazu dienen, TES 48 Energie bereitzustellen, so dass Informationen zur Verwaltung von Reifeninventaren oder erneuerte Reifen verfügbar sind, wenn ein Reifen von dem Fahrzeug entfernt wird.
Weiter unter Bezugnahme auf die beispielhafte TES-Ausführungsform 48 aus 6 enthält die Mikrosteuerung 70 vorzugsweise einen Analog-zu-Digital-(A/D)-Umwandler, der Informationen von Sensoren 72 bis 80 empfängt und sie in digitale Informationen umwandelt. Die Mikrosteuerung 70 umfasst auch Speicher, vorzugsweise nicht-flüchtigen EEPROM, der ein eindeutiges Identifikationstag speichert, welches ausreichend Information bereitstellt, um den Reifen oder die Radanordnung zu identifizieren. Eine solche Identifikationsvariable kann insbesondere beim Nachverfolgen von Reifen und Fahrzeugen in kommerziellen Anwendungen, wie Lastkraftfuhrparks, Luftfahrzeugen usw. sein. Sobald die gewünschte Information, wie durch Sensoren 72 bis 80 bereitgestellt, von der Mikrosteuerung 70 empfangen und in digitale Informationen umgewandelt wurde, unterbricht die Mikrosteuerung 70 vorzugsweise die Energieversorgung zu den Sensoren und schaltet die Energieversorgung zu dem HF-Sender 68 an Leitungen 82 bzw. 84 ein. Die erwünschte digitalisierte Information wird dann an der Datenleitung 86 an den HF-Sender 68 ausgegeben, wo die Daten auf ein FM-Trägersignal moduliert und über die Antenne 88 an eine entfernte Empfängerposition gesendet werden.
Zusätzliche Ausführungsformen der Reifenelektronikanordnungen, die über die vorliegende Energiesammeltechnologie mit Energie versorgt werden, können einer Kombination aus viel weniger Komponenten als der beispielhaften TES-Ausführungsform 48 aus 6 oder auch nur einer Komponente, wie einem Umdrehungszähler, einer einzigen auf den Zustand reagierenden Vorrichtung, einer wiederaufladbaren Batterie oder einer Blinklichtvorrichtung entsprechen.
Ein Fahrzeug, das Reifenanordnungen mit sich selbst mit Energie versorgender Elektronik einsetzt, welche eine Art von Sendervorrichtung enthält, ist vorzugsweise mit einem einzigen Empfänger zum Erhalten der drahtlos gesendeten Informationen von jeder Reifenanordnung ausgerüstet. 7 stellt eine Blockdiagrammdarstellung einer beispielhaften abgesetzten Empfängerkonfiguration 90 in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Gegenstand bereit. Die Empfängerantenne 92 ermöglicht den Erhalt von Informationen, die von jeder Radanordnung gesendet werden und gibt die Informationen an den HF-Empfänger 94 weiter, wo die empfangenen Informationen von ihrem Trägersignal demoduliert und auf Strecke 96 dem Signalprozessor 98 bereitgestellt werden. Ein Trägerdetektionssignal wird ebenfalls von HF-Empfänger 94 dem Signalprozessor 98 über die Signalstrecke 100 bereitgestellt. Die von dem HF-Empfänger 94 ausgegebenen Daten und das Trägerdetektionssignal werden vorzugsweise miteinander in dem Signalprozessor 98 multipliziert, so dass ein Signal ohne Restrauschen erhalten wird. Dieses Datensignal mit verminderter Fehlerwahrscheinlichkeit wird dann vorzugsweise an eine Antriebsschaltung weitergeleitet, welche das digitale Signal in eine Signal mit Spannungspegeln umwandelt, die sich für die Sendung über eine RS232-Schnittstelle 102 an einen Hostcomputer 104 eignet. Die Endgeräteemulationssoftware ist vorzugsweise an dem Hostcomputer 104 bereitgestellt, so dass die über die RS232-Schnittstelle 102 empfangenen Daten in einfach durch einen Endnutzer lesbare Informationen umgewandelt werden, wie diejenigen, die auf einem lesbaren Anzeigemodul bereitgestellt werden.
Es sei gemäß der offengelegten Technologie darauf hingewiesen, dass andere Elektronikvorrichtungen als die in der vorliegenden Beschreibung spezifisch dargelegten mit der vorliegenden Energieerzeugungstechnologie verwendet werden können. Es kann beispielsweise erwünscht sein, andere Arten von Informationen als Temperatur, Druck und Identifikation an eine entfernte Stelle zu senden. Zu Beispielen gehören die Anzahl der Reifenumdrehungen, das Ausmaß der Reifenablenkung, die Fahrzeuggeschwindigkeit und das Niveau statischer und dynamischer Kräfte, die auf eine Reifenstruktur wirken
Ein Reifenelektroniksystem kann mit einem GPS-(Global Positioning)-System gekoppelt sein, um die genaue Position eines Fahrzeugs auszumachen. Gesammelte Energie kann alternativ verwendet werden, um Lichtanordnungen oder Feedbacksysteme in einer Radanordnung mit Energie zu versorgen. Die Zahl elektronischer Anwendungen, die gemäß den Ausgestaltungen der offengelegten Technologie mit Energie versorgt werden können, ist ausgesprochen hoch und sollte nicht auf den vorliegenden Gegenstand beschränkt sein.

Claims

Reifenanordnung, die konfiguriert ist, um während der Drehung einer Luftreifenstruktur (10) gesammelte elektrische Ladung zu speichern, wobei die Reifenanordnung Folgendes umfasst: eine Luftreifenstruktur (10), die eine Wölbung (15) mit einem äußeren Laufflächenabschnitt (18), um mit einer Bodenfläche Kontakt herzustellen, Wulstabschnitte (22), um die Luftreifenstruktur auf eine Felge zu setzen, Seitenwandabschnitte (20), die sich zwischen jedem Wulstabschnitt und der Wölbung erstrecken, und einen Innenbelag aufweist; und einen Abschnitt aus leitfähigem Material (30, 32), der in dem Raum zwischen dem Innenbelag und dem äußeren Laufflächenabschnitt (18) angeordnet ist, um mindestens teilweise eine Leitfähigkeitsstrecke zu bilden, durch die elektrische Ladung, die sich in der Luftreifenstruktur angesammelt hat, zu einer Bodenfläche, die sich in Kontakt mit dem äußeren Laufflächenabschnitt (18) befindet, strömen kann, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine Energiespeichervorrichtung (28) umfasst, welche mit dem Abschnitt aus leitfähigem Material (30, 32) gekoppelt ist, um ferner die Leitfähigkeitsstrecke zu bilden, durch die elektrische Ladung, die sich in der Luftreifenstruktur angesammelt hat, strömen kann, und dadurch, dass die Energiespeichervorrichtung (28) dazu ausgelegt ist, darin ausgewählte elektrische Ladung, die durch die Leitfähigkeitsstrecke strömt, zu speichern.
Reifenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Energiespeichervorrichtung (28) einen Kondensator umfasst.
Reifenanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Energiespeichervorrichtung (28) eine wiederaufladbare Batterie (81) umfasst.
Reifenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend eine Diode (42), die mit der Energiespeichervorrichtung (28) gekoppelt ist, um zu verhindern, dass elektrische Ladung, die in der Energiespeichervorrichtung gespeichert ist, sich rückwärts entlädt.
Reifenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend eine Zenerdiode (56), die parallel zu der Energiespeichervorrichtung (28) bereitgestellt ist, um in Kombination mit dem Abschnitt aus leitfähigem Material (30, 32) eine alternative Leitfähigkeitsstrecke zu bilden, durch die elektrische Ladung strömen kann, wenn in der Energiespeichervorrichtung (28) bereits eine vorgegebene Menge elektrischer Ladung gespeichert ist.
Reifenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend einen Belag (34) aus isolierendem Material, der neben ausgewählten Bereichen des Abschnitts aus leitfähigem Material (30, 32) und der Energiespeichervorrichtung (28) bereitgestellt ist, um den Strom der elektrischen Ladung in der Leitfähigkeitsstrecke weiter einzuschränken.
Reifenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend: zusätzliche Abschnitte aus leitfähigem Material, die in dem Raum zwischen dem Innenbelag und dem äußeren Laufflächenabschnitt angeordnet sind, um mindestens teilweise eine Vielzahl von Leitfähigkeitsstrecken zu bilden, durch die elektrische Ladung, die in der Luftreifenstruktur gesammelt wurde, zu einer Bodenoberfläche strömen kann, die sich in Kontakt mit dem äußeren Laufflächenabschnitt befindet; und eine Energiespeichereinrichtung, die mit ausgewählten Abschnitten des leitfähigen Materials gekoppelt ist, um ferner jeweilige Leitfähigkeitsstrecken zu bilden, durch die elektrische Ladung, die sich in der Reifenstruktur angesammelt hat, strömen kann, wobei jede der Energiespeichervorrichtungen so konfiguriert ist, dass darin ausgewählte elektrische Ladung gespeichert wird, die durch die jeweiligen Leitfähigkeitsstrecken strömt.
Reifenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein ausgewählter Abschnitt (38) des äußeren Laufflächenabschnitts (18) der Luftreifenstruktur (10) ein leitfähiges Material umfasst, unter dem ein relativ nicht-leitfähiges Material (36) bereitgestellt ist, und wobei der Abschnitt aus leitfähigem Material (30, 32, 34), der eine Leitfähigkeitsstrecke definiert, mit dem leitfähigen ausgewählten Abschnitt (38) des äußeren Laufflächenabschnitts (18) verbunden ist.
Reifenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend, mindestens ein elektronisches Bauteil (72, 74, 76, 78, 80), das mit der Energiespeichervorrichtung (28) so gekoppelt ist, dass die in der Energiespeichervorrichtung (28) gespeicherte Energie mindestens ein elektronisches Bauteil mit Energie versorgt.
Reifenanordnung nach Anspruch 9, ferner umfassend ein Energieaufbereitungsmodul, das zum Empfangen von elektrischer Energie, welche in der Energiespeichervorrichtung (28) gespeichert ist, und zum Bereitstellen einer regulierten Spannungsausgabe an mindestens ein elektronisches Bauteil mit der Energiespeichervorrichtung (28) gekoppelt ist.
Reifenanordnung nach einem der Ansprüche 9 und 10, wobei das mindestens eine elektronische Bauteil eine auf den Zustand reagierende Vorrichtung (72, 74, 76, 78, 80) zum Bestimmen von Informationen über vorher ausgewählte Reifenzustände umfasst.
Reifenanordnung nach Anspruch 11, wobei die mindestens eine auf den Zustand reagierende Vorrichtung Informationen über die Temperatur und den Druck in der Luftreifenstruktur bereitstellt.
Reifenanordnung nach einem der Ansprüche 11 und 12, ferner umfassend eine Mikrosteuerung (70), die durch die in der Energiespeichervorrichtung (28) gespeicherte Energie mit Energie versorgt wird und mit mindestens einer auf den Zustand reagierenden Vorrichtung (72, 74, 76, 78, 80) gekoppelt ist, um von der mindestens einen auf den Zustand reagierenden Vorrichtung empfangene Informationen zu verarbeiten und ausgewählte Informationen zu erzeugen, die die vorher ausgewählten Reifenzustände anzeigen.
Reifenanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, ferner umfassend: eine Antenne (88), die mit der mindestens einen auf den Zustand reagierenden Vorrichtung (72, 74, 76, 78, 80) gekoppelt ist, um Hochfrequenz-(HF)-Signale auszustrahlen und zu empfangen, die die Informationen über die vorher ausgewählten Reifenzustände anzeigen, welche durch die mindestens eine auf den Zustand reagierende Vorrichtung bestimmt werden.
Reifenanordnung nach Anspruch 14, ferner umfassend einen HF-Sender (68), der mit der Mikrosteuerung (70) gekoppelt ist, um ausgewählte Informationen von der Mikrosteuerung zu empfangen, die ausgewählten Informationen auf ein Trägersignal zu modulieren und die ausgewählten Informationen über die Antenne (88) zu einer entfernten Empfängerstelle zu senden.
Reifenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, ferner umfassend einen Umdrehungszähler zum Bestimmen der Anzahl von Umdrehungen, die von der Luftreifenstruktur (10) gemacht werden, wobei der Umdrehungszähler durch die in der Energiespeichervorrichtung (28) gespeicherte Energie mit Energie versorgt wird.
Verfahren zum Sammeln von Energie aus der statischen Elektrizität eines sich drehenden Reifens, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Reifenstruktur mit einer Wölbung mit einem äußeren Laufflächenabschnitt, um mit einer Bodenfläche Kontakt herzustellen, Wulstabschnitten, um die Luftreifenstruktur auf eine Felge zu setzen, Seitenwandabschnitten, die sich zwischen jedem Wulstabschnitt und der Wölbung erstrecken, und einem Innenbelag, wobei die Reifenstruktur ferner mindestens einen Abschnitt aus leitfähigem Material enthält, der zwischen der inneren Wölbungsfläche und dem Laufflächenabschnitt angeordnet ist, um eine Leitfähigkeitsstrecke zu bilden, durch die elektrische Ladung, die sich in der Reifenstruktur angesammelt hat, zu einer Bodenfläche, die sich in Kontakt mit dem Laufflächenabschnitt befindet, strömen kann, Drehen der Reifenstruktur, wodurch der Laufflächenabschnitt der Reifenstruktur sich in Kontakt mit einer Bodenfläche befindet, wobei der Schritt des Drehens in der Reifenstruktur statische Ladung erzeugt, welche danach durch den mindestens einen Abschnitt aus leitfähigem Material strömt, und gekennzeichnet durch Speichern einiger der durch den Schritt des Drehens erzeugten statischen Energie in einer Energiespeichervorrichtung.
Verfahren zum Sammeln von Energie nach Anspruch 17, ferner umfassend den Schritt des Aufbereitens der in der Energiespeichervorrichtung gespeicherten statischen Ladung, um eine regulierte Spannungsausgabe zu erzeugen.
Verfahren zum Sammeln von Energie nach einem der Ansprüche 17 und 18, ferner umfassend den Schritt des Verhinderns, dass in einer Energiespeichervorrichtung über den Speicherschritt gespeicherte statische Ladung sich aus der Energiespeichervorrichtung entlädt.
Verfahren zum Sammeln von Energie nach einem der Ansprüche 17 bis 19, ferner umfassend den Schritt des weiteren Einschränkens des Stroms statischer Ladung zu einer Bodenfläche nur über die durch den mindestens einen Abschnitt aus leitfähigem Material definierte Leitfähigkeitsstrecke durch Bereitstellen von Isolatormaterial um die Leitfähigkeitsstrecke.