СБОРКА ШИНЫ СО ВСТРОЕННЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
TIRE ASSEMBLY WITH BUILT-IN ELECTRIC POWER GENERATION DEVICES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе и способу воздействия на пьезоэлектрические структуры посредством механической энергии вращения шин и генерированию за счет этого электрической энергии для встроенных электронных средств шин. Пьезоэлектрические элементы используют для преобразования механического напряжения, возникающего при изгибе элементов шин или колес, в электрический заряд, который затем приводится к требуемым условиям и аккумулируется в устройстве аккумулирования энергии. Достаточные запасы этой аккумулированной энергии могут впоследствии обеспечить питание электронных систем, в число которых входят элементы для идентификации различных физических параметров шин, а также радиочастотные (РЧ) передающие устройства.
Предшествующий уровень техники
Внедрение электронных устройств в конструкции шин дает много практических преимуществ. Электронные средства шин могут включать в себя датчики и другие компоненты для получения информации, касающейся различных физических параметров шины, таких как температура, давление, количество оборотов шины, скорость транспортного средства и т.д. Такая информация о рабочих характеристиках может оказаться полезной в системах оперативного контроля и аварийной сигнализации шин и даже обладает потенциалом использования в системах обратной связи для регулирования надлежащих уровней давления в шинах.
В патенте США №5749984 описаны система и способ оперативного контроля шин, обеспечивающие возможность определения такой информации, как прогиб шины, скорость шины и количество оборотов шины. Еще один пример электронной системы шин раскрыт в патенте США № 4510484, который касается системы аварийной сигнализации аномального состояния шины. Патент США № 4862486 также относится к электронным средствам шин, а более конкретно, описывает возможный счетчик оборотов шин легковых и грузовых автомобилей.
Еще одна потенциальная возможность, обеспечиваемая электронными системами, встраиваемыми в структуры шин, касается получения характеристик параметров слежения и эксплуатации для коммерческих приложений транспортных средств. Парки грузовых автомобилей, воздушные суда, а также землеройные транспортные средства и/или транспортные средства горнодобывающей промышленности, - все они относятся к жизненно важным отраслям промышленности, в которых можно воспользоваться выгодами электронных систем шин и передачей полученной информации. Датчики шин могут определять расстояние, которое прошла каждая шина в транспортном средстве, а значит, и оказывать помощь в планировании технического обслуживания таких систем. Можно оптимизировать определение местонахождения и технические характеристики транспортных средств для более дорогостоящего использования, которое касается оборудования горнодобывающей промышленности. За всеми транспортными средствами можно осуществлять слежение с помощью передачи радиочастотных сигналов-меток, возможные аспекты которой описаны в патенте США № 4457477.
Питание таких встроенных электронных систем шин обычно осуществлялось различными способами с помощью разных систем выработки электроэнергии. Примеры механических устройств для генерирования энергии в результате движения шин описаны в патентах США № 4061200 и № 3760351. В этих примерах раскрыты громоздкие сложные системы, которые обычно не пользуются предпочтением при внедрении в современных приложениях шин.
Питание некоторых электронных систем шин осуществляется также с помощью различных пьезоэлектрических устройств. В патенте США № 6438193 описан безбатарейный счетчик оборотов шины, который содержит пьезоэлектрический элемент, установленный в шине таким образом, что подвергается периодическим механическим напряжениям, когда шина вращается, и выдает периодические импульсы в ответ на них. Еще один пример пьезоэлектрических устройств, используемых для питания электронных систем шин, описан в патенте США № 4510484, в котором раскрыт пьезоэлектрический источник питания на основе вибрирующей пластины, установленной симметрично относительно радиальной центральной линии шины.
Еще одно типичное решение, касающееся питания электронных систем шин, относится к использованию неперезаряжаемой батареи, что неизбежно связано с неудобством для пользователя шин, поскольку правильная работа электронной системы зависит от периодической замены батареи. Обычные батареи часто содержат тяжелые металлы, которые неблагоприятны для окружающей среды и в настоящее время существует проблема утилизации, особенно когда они используются в больших количествах. Помимо этого, батареи имеют тенденцию расходовать свою энергию довольно быстро для питания электронных приборов, имеющих комплексные уровни функциональных возможностей. Истощение запаса энергии батарей особенно касается электронных систем, которые передают информацию на относительно большое расстояние, например, с участков на колесах грузового автомобиля в приемник, находящийся в кабине грузового автомобиля. Даже когда батареи используются в электронных системах, которые осуществляют передачу с участков на колесах грузового автомобиля в более близкое место, где находится приемник, информация затем, как правило, транслируется через схемное для передачи из места, где находится радиочастотный приемник, в кабину автомобиля, вследствие чего требуется установка дополнительного и часто дорогостоящего аппаратного обеспечения связи.
Еще один известный способ получения электрической энергии для систем оперативного контроля шин относится к захвату электроэнергии радиочастотного луча опрашивающей антенной, размещенной в непосредственной близости к шине, и встроенным в нее электронным средствам. Энергия, излучаемая антенной, используется для питания электронных средств, которые часто представляют собой весьма специализированные электронные средства сверхмалой мощности, ограниченной в пределах нескольких микроватт. Опрашивающие антенны, применяемые для питания электронных средств должны располагаться сравнительно близко (в пределах примерно двух футов) к каждому колесу из-за ограниченных диапазонов передачи. Как правило, для этого нужны несколько опрашивающих антенн на транспортном средстве, которые вносят дополнительный вклад в потенциальные затраты на аппаратуру. Каждая антенна также весьма подвержена повреждению в результате дорожных инцидентов, так что по многим причинам этот способ не представляет собой решение, наиболее желательное для питания в некоторых приложениях электронных средств шин.
Хотя известны различные электронные системы шин и системы генерирования электроэнергии для этих систем, до сих пор не создана конструкция, которая охватывает в целом все желательные характеристики, представляемая ниже в соответствии с предлагаемой технологией.
Краткое изложение сущности изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является устранение недостатков, которые присущи известным техническим решениям, т.е. создание усовершенствованных систем и способа питания электронных систем, встроенных в структуру шины, обеспечивающих преобразование механических напряжений, связанных с прогибом шины, в электрический заряд, который приводится к требуемым условиям и аккумулируется в одном или более устройствах аккумулирования энергии, на основе пьезоэлектрической технологии, а затем аккумулированная энергия впоследствии используется для питания электронных систем, в число которых входят элементы для идентификации различных физических параметров шин, а также радиочастотных (РЧ) передающих устройств.
Более конкретно, задача, которую позволяет решить настоящее изобретение, состоит в создании шины со встроенными безбатарейными электронными компонентами. Безбатарейное питание таких электронных компонентов осуществляется энергией от встроенных пьезоэлектрических структур и может соответствовать многочисленным требованиям электронных средств. Одно возможное приложение электронных средств касается системы оперативного контроля шин, предназначенной для измерения и передачи информации, связанной с условиями работы шин, например давлением и температурой, а также другой информации, такой, как количество оборотов шин или общие идентификационные переменные шин.
Различные признаки и аспекты предлагаемой электронной системы шины и специализированного устройства для выработки электроэнергии дают множество преимуществ. Предлагаемая технология обеспечивает безбатарейную систему питания шины, не зависящую от замены батарей. Хотя в некоторых аспектах настоящего изобретения не исключается возможность встраивания батарей и устройств с батарейным питанием, в соответствии с предлагаемой технологией исключаются многие сложности, касающиеся электронных средств шин, которые просто питаются от батарей.
Другое преимущество настоящего изобретения состоит в том, что предложена система оперативного контроля, которая уменьшает количество требуемых аппаратных средств передачи сигналов по сравнению с обычными системами оперативного контроля шин. За счет создания оперативной системы контроля шин, которая питается не от батарей, не требуются ни собирающие антенны, ни многочисленные места расположения приемников с дополнительными схемно-реализованными соединениями. Элементы такой системы оперативного контроля шин могут быть встроены внутри каждой отдельной структуры шин на заданном транспортном средстве таким образом, что приемник (в типичном случае находящийся в кабине транспортного средства) будет получать информацию, передаваемую электронными средствами каждой шины.
Еще одно преимущество настоящего изобретения состоит в том, что имеются лишь незначительные ограничения, касающиеся типа и количества электронной аппаратуры, которую можно использовать внутри структур шин и узлов колес. Электронные средства шин, питание которых осуществляется обычными способами, а не в соответствии с предлагаемой пьезоэлектрической технологией, часто ограничены устройствами сверхмалой мощности. Устройства в соответствии с предлагаемой технологией не имеют таких ограничений по потреблению электроэнергии. Это преимущество облегчает достижение расширенных функциональных возможностей электронных средств шин, поскольку обеспечивается использование большего количества элементов и/или единиц аппаратуры более высокого уровня.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения узел шины со встроенными устройствами для выработки электроэнергии содержит структуру пневматической шины, пьезоэлектрическое устройство и электронный узел. Структура пневматической шины характеризуется наличием короны, имеющей протекторный участок для создания контакта с поверхностью грунта, бортовых участков для посадки шины на обод колеса и участков боковин между каждым бортовым участком и короной. Внутри шины вдоль боковин между бортовыми участками и короной предусмотрен каркас, внутри короны шины между протекторным участком и каркасом предусмотрена брекерная набивка, а внутренний герметизирующий слой образует внутреннюю поверхность структуры шины. Пьезоэлектрическое устройство выполнено с возможностью формирования в нем электрического заряда, когда структура шины подвергается воздействию механических напряжений. Электронный узел подсоединен к устройствам выработки электроэнергии (в некоторых вариантах осуществления через устройства аккумулирования энергии) таким образом, что требуемые элементы электронного узла запитываются электрическим зарядом, генерируемым пьезоэлектрическим устройством.
Пьезоэлектрическое устройство может быть встроено во множестве разных участков структуры пневматической шины, включая, но, не ограничиваясь, участки в короне между протекторным участком и брекерной набивкой, в короне между брекерным участком и каркасом, в короне между каркасом и внутренним герметизирующим слоем, в боковине между каркасом и внешней поверхностью шины, в боковине между каркасом и внутренним герметизирующим слоем, а также в основании короны около выбранного бортового участка структуры шины. В некоторых вариантах осуществления структура пневматической шины также включает в себя участок бегового слоя между брекерной набивкой и протекторным участком. В таких вариантах осуществления пьезоэлектрическое устройство может быть внедрено в корону шины либо между протекторным участком и участком бегового слоя, либо между брекерной набивкой и участком бегового слоя. В других вариантах осуществления, брекерная набивка включает в себя, по меньшей мере, первый и второй стальные брекеры, а пьезоэлектрическое устройство может быть установлено между соответствующими стальными брекерами. Пьезоэлектрическое устройство также может быть прикреплено к резиновому кожуху, который обеспечивает дополнительную опору для пьезоэлектрического устройства, или может быть внедрено в этот кожух. Резиновый корпус и пьезоэлектрическое устройство можно установить на внутренний герметизирующий слой или на внешний протекторный участок структуры пневматической шины.
В другом возможном варианте осуществления сборка шины со встроенными устройствами для генерирования электроэнергии включает в себя структуру пневматической шины, защитную опору, пьезоэлектрическое устройство и электронный узел. Структура пневматической шины характеризуется наличием короны, имеющей протекторный участок для создания контакта с поверхностью грунта. Защитная опора выполнена с возможностью установки на обод колеса изнутри структуры пневматической шины, чтобы протекторный участок мог иметь опору в случае потери давления накачивания. Защитная опора содержит кольцевое тело, имеющее внутреннюю поверхность, предназначенную для посадки вокруг обода колеса, и внешнюю крышку, входящую в контакт с протекторным участком шины в случае потери давления. Пьезоэлектрическое устройство может быть встроено на выбранном участке защитной опоры и выполнено с возможностью выработки в нем электрического заряда, когда защитная опора подвергается воздействию механических напряжений во время потери давления в структуре пневматической шины. Электронный узел подсоединен к пьезоэлектрическому устройству, а выбранные элементы узла запитываются электрическим зарядом, вырабатываемым пьезоэлектрическим устройством. В некоторых вариантах осуществления также можно использовать электрический заряд для инициирования сигнала, указывающего, когда структура пневматической шины работает в условиях, когда шина прокалывается и спускает.
В еще одном возможном варианте осуществления изобретения узел шины содержит непневматическую шину с несущей структурой, пьезоэлектрическое устройство и электронный узел. Непневматическая шина с несущей структурой включает в себя армированный кольцевой бандаж, множество листовых спиц, проходящих поперек армированного кольцевого бандажа радиально внутрь от него, и монтажный бандаж у радиально внутреннего конца листовых спиц. На радиально внешней поверхности армированного кольцевого бандажа также может располагаться протекторный участок. Пьезоэлектрическое устройство может быть выполнено как единое целое с непневматической шиной с несущей структурой и располагаться в таких местах, как внутренняя поверхность армированного кольцевого бандажа либо на одной или более из множества листовых спиц. Когда непневматическая шина с несущей структурой подвергается воздействию механических напряжений, пьезоэлектрическое устройство вырабатывает электрический заряд, который впоследствии используется для питания одного или более электронных элементов электронного узла.
В соответствии с более конкретными вариантами осуществления изобретения в некоторых случаях пьезоэлектрическое устройство (вышеупомянутые пьезоэлектрические устройства) может быть реализовано на основе волоконной композиционной структуры с множеством пьезоэлектрических волокон, внедренных в эпоксидную матрицу. В альтернативном варианте пьезоэлектрические устройства могут включать в себя пьезоэлектрическую пластину, окруженную защитным кожухом, и снабжены первым и вторым электрическими выводами для соединения с пьезокерамической пластиной, например, через электроды. В других вариантах осуществления пьезоэлектрические устройства могут включать слой пьезоэлектрического материала с соответствующими проводящими слоями, например слоями алюминия или нержавеющей стали, приклеенными к противоположным сторонам полиимидным клеем, например, высокотемпературным термопластичным полиимидом. Пьезоэлектрические устройства могут иногда включать в себя несколько пьезоэлектрических элементов, соединенных друг с другом последовательно или параллельно. Эти несколько пьезоэлектрических элементов также могут быть выполнены с направлениями поляризации сегнетоэлектрика, которые находятся либо в фазе, либо в противофазе, а также с размещением, соответствующим режимам d33 или d31 смещения. Пьезоэлектрические элементы могут включать в себя такие материалы, как цирконат-титанат свинца (PZT), титанат бария, кварц, сульфид кадмия, поливинилфторид (PVF) и поливинилхлорид (PVC).
Дополнительные задачи и преимущества предмета настоящего изобретения приведены в нижеследующем подробном описании. В рамках предмета изобретения возможны модификации и изменения конкретно иллюстрируемых, упоминаемых и рассматриваемых признаков и этапов осуществления изобретения. Изменения могут включать в себя, но не в ограничительном смысле, замену эквивалентными средствами, признаков или этапов, которые иллюстрируются, упоминаются и рассматриваются, а также функциональные, технологические или позиционные перестановки различных деталей, признаков, этапов и т.п.
Краткое описание чертежей
Полная и подробная характеристика настоящего изобретения, включая лучший вариант его осуществления, приведена в нижеследующем описании со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает поперечное сечение структуры пневматической шины со встроенными безбатарейными электронными элементам согласно изобретению;
фиг. 2А - общий вид первого варианта пьезоэлектрической структуры для использования с устройством для выработки электроэнергии согласно изобретению;
фиг. 2В - общий вид второго варианта пьезоэлектрической структуры для использования с устройством для выработки электроэнергии согласно изобретению;
фиг. 2С - общий вид третьего варианта пьезоэлектрической структуры для использования с устройством для выработки электроэнергии согласно изобретению;
фиг. 3 - электрическую схему возможного аспекта устройства для выработки электроэнергии, в частности модуля приведения электроэнергии к требуемым условия, согласно изобретению;
фиг. 4А - блок-схему возможных встроенных безбатарейных электронных средств, включая устройство для выработки электроэнергии и электронную систему шины, согласно изобретению;
фиг. 4В - блок-схему возможных встроенных безбатарейных электронных средств, включая устройство для выработки электроэнергии и электронную систему шины, согласно изобретению;
фиг. 5 - блок-схему возможной электронной системы шины согласно изобретению;
фиг. 6 - блок-схему возможной конфигурации с удаленным приемником согласно изобретению;
фиг. 7А, 7В, 7С и 7D - возможные конфигурации нескольких пьезоэлектрических элементов в стопообразной комбинации для использования в устройстве для выработки электроэнергии согласно изобретению;
фиг. 8А и 8В - возможные конфигурации нескольких пьезоэлектрических элементов в последовательной и параллельной комбинации для использования в устройстве для выработки электроэнергии согласно изобретению;
фиг. 9А, 9В и 9С - возможные конфигурации нескольких пьезоэлектрических элементов, подсоединенных к одному или более устройствам аккумулирования энергии и одному или более прикладным электронным модулям для выработки электроэнергии и электронной системы шины, согласно изобретению;
фиг. 10 - осевое полусечение шины, имеющей защитную опору, установленную на ободе колеса внутри шины, и встроенные безбатарейные электронные элементы согласно изобретению;
фиг. 11 - осевое полусечение шины и защитной опоры, где защитная опора находится в состоянии спущенной шины согласно изобретению;
фиг. 12 - вид сбоку возможной непневматической шины с несущей структурой, имеющей встроенные безбатарейные электронные компоненты, согласно изобретению.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
В описании раскрыты система и способ питания электронных систем, встроенных в структуру шины. В устройстве для выработки электроэнергии используется пьезоэлектрическая технология для преобразования механического напряжения, связанного с изгибом шины, в электрический ток, который затем приводится к требуемым условиям и аккумулируется в устройстве аккумулирования энергии. Достаточные запасы такой аккумулированной энергии могут впоследствии обеспечить питание электронных систем, примеры которых включают в себя компоненты для идентификации различных физических параметров шин, а также передающие устройства, работающие на радиочастотах.
Устройство для выработки электроэнергии согласно изобретению содержит два компонента - пьезоэлектрическую структуру и модуль приведения электроэнергии к требуемым условиям. Аспекты различных возможных пьезоэлектрических структур описаны со ссылками на фиг.2А, 2В и 2С, а возможный модуль приведения электроэнергии к требуемым условиям представлен на фиг.3. Дополнительные возможные конфигурации одного или более пьезоэлектрических элементов в устройстве для выработки электроэнергии иллюстрируются на фиг. 7А-7D соответственно, и на фиг. 8А и 8В. Электроэнергию модуля приведения электроэнергии к требуемым условиям можно использовать для питания электронных систем внутри узла колеса или шины. Пример электронной системы шины, включая датчики, микроконтроллер и радиочастотный передатчик, представлен на фиг. 5. Аспекты возможного взаимодействия между устройством для выработки электроэнергии и электронной системой шины рассматриваются на фиг. 4А и 4В соответственно. Дополнительные аспекты взаимодействия между несколькими пьезоэлектрическими элементами и одним или более электронными модулями шины представлены на фиг. 9А, 9В и 9С. И, наконец, возможный вариант осуществления с удаленным приемником для получения информации, передаваемой из электронной системы шины, представлен на фиг. 6.
Признаки или этапы, иллюстрируемые и описываемые как часть одного варианта осуществления, могут использоваться в комбинации в другом варианте осуществления, что приводит к дополнительным вариантам осуществления. Некоторые технологические этапы могут быть взаимозаменяемыми или применяемыми в комбинациях с другими этапами, что приводит к дополнительным возможным вариантам осуществления способа выработки электрической энергии из механической энергии вращающейся шины.
На фиг. 1 представлено общее поперечное сечение возможного узла 10 пневматической шины со встроенными безбатарейными электронными элементами 12. Устройство 14 для выработки электроэнергии (УВЭ) выполнено совместно с электронными компонентами, которые являются внутренними безбатарейными элементами внутри узла 10 шины.
Возможности предлагаемого устройства для выработки электроэнергии с пьезоэлектрическими материалами, представляемыми ниже, дают многочисленные преимущества над обычными способами выработки электроэнергии внутри узла шины. Способы захвата электроэнергии луча антенны, рассмотренные ранее, больше не являются одним из вариантов, выбираемым для питания электронных средств шин. Как таковые, функциональные возможности многих типов электронных средств шин значительно расширены. Вариант использования батарей для выработки электроэнергии больше не актуален, что позволяет избежать дорогостоящей и хлопотной замены батарей. Хотя предлагаемая в настоящем изобретении технология обеспечивает исключение устройства для выработки электроэнергии, в котором используются электроэнергия луча антенны и батареи, следует понять, что в этом устройстве для выработки электроэнергии возможно применение гибридной комбинации пьезоэлектрической технологии и/или батарей и/или захвата луча антенны для питания различных выбранных электронных компонентов внутри узла колеса.
Структура 16 пневматической шины характеризуется наличием короны 15, которая поддерживает протекторный участок 18 и боковины 20, проходящие к бортовым участкам 22. Боковины 20 проходят между двумя линиями 17 и 19 сечения. Борта 22 шины выполнены так, что структуру 16 шины можно эффективно сажать на обод узла колеса. Внутренний герметизирующий слой воздухонепроницаемого материала образует внутреннюю поверхность шины, включая поверхность 24 короны и внутренние поверхности 26 боковин. Вдоль участков 20 боковин между бортами 22 и короной 15 проходит каркас 23, который под воздействием давления накачивания определяет форму шины и передает силу тяги и управления поворотом. Внутри структуры 16 шины, главным образом, вдоль короны 15, предусмотрена брекерная набивка, содержащая по меньшей мере первый и второй брекеры 21а и 21b, обычно выполненные из такого материала как сталь. В некоторых шинах могут быть предусмотрены дополнительные покровные слои или беговые слои, полностью покрывающие стальной брекер и способствующие поддержанию брекерной набивки отделенной от шины, что обеспечивает улучшенные рабочие характеристики и повышенную долговечность шины. Участок 25 бегового слоя может включать в себя один или более слоев усиления из промышленного текстиля.
Как показано в возможном варианте осуществления узла шины на фиг. 1, УВЭ 14 может быть установлено на внутренней поверхности 24 короны структуры 16 шины. Это место подходит для возбуждения пьезоэлектрического устройства, находящегося внутри УВЭ 14, когда внешний протекторный участок 18 движется по поверхности грунта, что проявляется в изгибе структуры 16 шины. Изгиб шины связан с общими механическими вибрациями, когда узел 10 шины движется по поверхности, и гарантирует, что пьезоэлектрическое устройство внутри устройства 14 для выработки электроэнергии будет вырабатывать электрический ток, который затем приводится к требуемым условиям и аккумулируется в устройстве аккумулирования энергии для питания электронных средств 12 шины. Хотя внутренняя поверхность 24 короны является логичным местом для установки устройства 14 для выработки электроэнергии, УВЭ 14 также может быть установлено на других участках, включая внутреннюю поверхность 26 боковин. Такое место может обусловить меньшее напряжение на пьезоэлектрических элементах внутри предлагаемого УВЭ 14, обеспечивая при этом выработку достаточной электроэнергии для некоторых приложений электронных средств.
Кроме того, УВЭ 14 или по меньшей мере часть пьезоэлектрических элементов УВЭ 14 могут быть завулканизированы внутри структуры 16 шины. Примеры участков, где УВЭ 14 или его пьезоэлектрический элемент можно внедрить внутрь структуры 16 шины, включают, но не ограничиваются, участки в короне шины или в области промежутка между протекторным участком 19 и брекерной набивкой, в виде первого и второго стальных брекеров 21а и 21b, в области промежутка между первым и вторым стальными брекерами 21а и 21b и внутренним герметизирующим слоем, предусмотренным вдоль поверхностей 24 и/или 26, в боковине между каркасом 23 и внутренним герметизирующим слоем, в боковине между каркасом и резиной боковины, в общем случае расположенной на участках 27 или внедренной в участки 29, часто называемые зоной основания шины. Для шин, которые включают в себя беговые слои, такие как участок бегового слоя 25, дополнительные конкретные участки, где возможно внедрение УВЭ 14 или соответствующего пьезоэлектрического элемента, включают в себя участки в имеющейся в шине области между протекторным участком 18 и участком 25 бегового слоя, или между участком 25 бегового слоя и брекерной набивкой, в виде первого и второго стальных брекеров 21а, 21b.
В альтернативном варианте для обеспечения дополнительной защиты, УВЭ 14 или его выбранные элементы можно разместить в дополнительном резиновом или эластомерном кожухе перед приклеиванием к структуре шины или внедрением в нее. Такой кожух можно расположить рядом с одной стороной УВЭ 14 или его выбранными элементами для создания опоры, и тогда кожух можно приклеить к внутренней поверхности структуры шины. В других вариантах осуществления УВЭ 14 можно устанавливать на относительно жесткую подложку, например, из стекловолокна или другого подходящего жесткого материала, чтобы обеспечить дополнительную защиту и опору для структуры. Резиновый кожух и/или подложка и/или другие элементы, которые расположены рядом с УВЭ 14, совместно служат механическим сопряжением между довольно жестким пьезоэлектрическим элементом внутри УВЭ 14 и довольно гибким материалом структуры 16 шины, в который такие элементы внедрены. Наличие механического сопряжения способствует защите структуры 16 шины от повреждения, которое может быть вызвано наличием негибкого пьезоэлектрического элемента, а также защищает пьезоэлектрический элемент от относительно больших искажений формы, которые в противном случае инициировались бы шиной на пьезоэлектрическом элементе. В некоторых случаях можно проводить механическую оптимизацию относительно промежуточного слоя для регулирования коэффициента напряжений (сил) и деформаций (смещений), которые возникают с любой стороны сопряжения.
Возможные участки для размещения комбинации накладок и пьезоэлектрических элементов включают в себя участки вдоль внутреннего герметизирующего слоя, расположенного вдоль поверхностей 24 и/или 26, или внутри структуры 16 шины. В соответствии с множеством возможных участков для УВЭ 14 должно быть понятно, что термин «встроенные» в общем случае охватывает возможные участки, где возможна установка на или в структуре шины.
Предлагаемую пьезоэлектрическую технологию можно использовать в нетрадиционных шинах, т.е. шинах, в возможную конструкцию которых внесены изменения. Например, заявленная технология генерирования электроэнергии может быть внедрена в шины, имеющие защитные опорные элементы, установленные внутри шин на ободах их колес, для восприятия нагрузки в случае отказа шины и, таким образом, поддерживающие протекторную полосу шины в случае снижения давления накачивания. На фиг. 10 и 11 представлены элементы защитной опоры. На фиг. 10 представлено осевое полусечение защитной опоры 150, установленной вокруг предпочтительного обода 152 колеса внутри полости 154 шины 156. Шина 156 предназначена для установки на ободе 152 колеса и имеет два борта разных диаметров. Опора 150 имеет три основные детали: основание 158 круглой общей формы, армированное слоем 160, ориентированным продольно под углом ноль градусов, кольцевую крышку 162 с продольными канавками 164 в ее радиально внешней стенке, и кольцевое тело 166 для соединения основания 158 и крышки 172 друг с другом. Полость, ограниченная участком 168, дает возможность уменьшить вес опоры 150, а также обеспечивает равномерное опирание в состоянии езды на спущенной шине (т.е. при полной или частичной потере давления шины). На фиг. 11 представлена защитная опора, аналогичная той, которая представлена на фиг. 10, во время езды на спущенной шине. Крышка 162 опоры 150 находится в контакте с радиально внутренней поверхностью бегового слоя шины 156, предотвращая, таким образом, проворачивание шины 156 на ободе 152 колеса во время потери давления воздуха в полости шине 154. Внутри структуры шины могут быть встроены другие специальные защитные опоры. Известная опора (см., например, патент США № 5891279) является твердым круглым приспособлением, но возможны и другие варианты воплощения опоры из других материалов, например из пенорезины, которая подвергается деформации в режиме езды на спущенной шине.
Пьезоэлектрический элемент или другие выбранные части УВЭ 14 можно выполнить как единое целое с защитной опорой 150 структур шин, подверженных проколам. Например, УВЭ 14 или его части могут быть выполнены как единое целое с участком крышки защитной опоры 150, например, между краями одной из канавок 164. Альтернативное место установки может соответствовать внутренней поверхности области, ограниченной полостью 168. УВЭ 14 или, в частности, его электрический элемент можно устанавливать, крепить или внедрять и в других местах относительно шины, имеющей элемент защитной опоры, для облегчения езды на спущенной шине.
Когда шина (фиг. 10 и 11) работает при нормальных давлениях накачивания, шина 156 подвергается деформациям, а защитная опора 150 - нет. Однако, когда шина работает в режиме езды на спущенной шине, который также называют режимом повышенной подвижности, защитная опора 150 подвергается деформации. Напряжения, вносимые этими деформациями, вызывают выработку электроэнергии пьезоэлектрическим элементом, выполненным как единое целое с защитной опорой 150. Эту электроэнергию можно использовать для включения визуального и/или звукового индикатора, сигнализатора или другого сигнального механизма, указывающего водителю транспортного средства, что шина работает в режиме «езды на спущенной шине», при полной или частичной потере давления, по меньшей мере, в одной шине. Вырабатываемую электроэнергию также можно использовать для питания электронных устройств внутри узла шины и/или колеса. Электронные устройства можно использовать для осуществления таких возможных функций, как подсчет количества оборотов или расстояния, которое указывается в милях, километрах, и которое шина с защитной опорой прошла в режиме езды на спущенной шине или повышенной подвижности, измерение контактной длины накладки защитной опоры в качестве показателя того, насколько сильно спустила шина, и измерение температуры защитной опоры во время работы в режиме повышенной подвижности. Выбираемую комбинацию вышеуказанных возможных данных можно использовать для определения остающегося эффективного срока службы защитной опоры. Остающийся эффективный срок службы защитной опоры и другие, связанные с ним данные, включая информацию, указывающую, когда шина работала при потере давления в шине, можно хранить в запоминающем устройстве, которое крепится на или в защитной опоре шины. Тогда при обслуживании шины техник сможет определить, требует ли замены упомянутая опора-вкладыш. В некоторых вариантах осуществления можно аккумулировать достаточную электрическую энергию для передачи радиосигнала в центральный пункт в кабине для оповещения водителя, когда возникает опасное состояние.
Еще одним примером шины, с которой можно использовать предлагаемую пьезоэлектрическую систему, является шина со структурной опорой, которая представлена на фиг. 12, будет описана непневматическая шина со структурной опорой. Непневматическая шина 170 (фиг. 12) выполнена с возможностью выдерживать нагрузку просто с помощью собственных структурных элементов, в отличие от механизма обычных пневматических шин без опоры, создаваемой внутренним давлением воздуха. Непневматическая шина 170 со структурной опорой имеет контактирующий с грунтом протекторный участок 172, армированный кольцевой бандаж 174, расположенный радиально изнутри от протекторного участка, множество листовых спиц 176, проходящих от кольцевого бандажа в поперечном направлении радиально внутрь от него, и монтажный бандаж 178 на радиально внутреннем конце листовых спиц. Монтажный бандаж 178 крепит шину 170 к колесу 180 или ступице. Хотя это не показано на фиг. 12, но может быть предусмотрено дополнительное множество листовых спиц, проходящих в экваториальной плоскости. Армированный кольцевой бандаж 174 может содержать, в частности, эластомерный слой, работающий на сдвиг, первую мембрану, приклеенную к радиальной, крайней изнутри поверхности эластомерного слоя, работающего на сдвиг, и вторую мембрану, приклеенную к радиальной, крайней снаружи поверхности эластомерного слоя, работающего на сдвиг. Эти мембраны имеют жесткость при растяжении, которая больше, чем жесткость при сдвиге, который имеет слой, работающий на сдвиг, так что армированный кольцевой бандаж подвергается деформации сдвига под нагрузкой. Армированный кольцевой бандаж 174 выдерживает нагрузки, прикладываемые к шине. Нагрузка L, приложенная вдоль оси Х вращения шины, передается посредством натяжения листовых спиц 176 на кольцевой бандаж 174. Кольцевой бандаж 174 действует как арка и обеспечивает жесткость при окружном сжатии и жесткость при продольном изгибе в экваториальной плоскости шины, достаточно высокие, чтобы бандаж мог действовать как выдерживающий нагрузку элемент. Под нагрузкой кольцевой бандаж деформируется в области С контакта с поверхностью грунта посредством механизма, предусматривающего деформацию сдвига бандажа. Способность деформироваться со сдвигом обеспечивает податливую область С контакта с грунтом, которая действует аналогично области контакта пневматической шины с аналогичными результатами. Дополнительные элементы непневматической шины со структурной опорой, например, как на фиг. 12, описаны в заявке № 2004/0159385 на патент США.
Пьезоэлектрический элемент или другие выбранные части УВЭ 14 могут быть выполнены как единое целое с непневматической шиной 170 со структурной опорой. Например, УВЭ 14 или его части можно выполнить на внутренней поверхности контактирующего с грунтом протекторного участка 172, на внутренней поверхности армированного кольцевого бандажа 174 или на одной или более листовых спиц 150 как единое целое с этими поверхностями или спицами. УВЭ 14 или, в частности, его пьезоэлектрический элемент можно устанавливать, крепить или внедрять на других участках непневматической шины со структурной опорой.
Когда шина (фиг. 12) вращается, двигаясь по поверхности грунта, она подвергается деформациям. Напряжения, создаваемые этими деформациями, вызывают генерирование электроэнергии пьезоэлектрическим элементом, выполненным как единое целое с непневматической шиной 170. Эту электроэнергию можно использовать для питания электронных устройств внутри шины и/или узла колеса. Электронные устройства можно использовать для выполнении таких функций, как подсчет количества оборотов или расстояния, которое указывается в милях, километрах, которое прошла шина, измерение контактной длины накладки непневматической шины в качестве показателя того, насколько сильно нагружена шина, и измерение температуры непневматической шины. Выбираемую комбинацию вышеуказанных возможных данных можно использовать для определения остающегося эффективного срока службы непневматической шины. Остающийся эффективный срок службы непневматической шины и другие связанные с ним данные можно хранить в запоминающем устройстве, которое крепится на или в шине. В некоторых вариантах осуществления можно аккумулировать достаточную электрическую энергию для передачи радиосигнала на центральный пункт в кабине для оповещения водителя, когда возникает опасная ситуация.
УВЭ 14 в общем случае содержит два основных компонента - пьезоэлектрическое устройство и модуль приведения электроэнергии к требуемым условиям. Пьезоэлектрическое устройство подвергается воздействию механических напряжений, вызываемых вращением, и генерирует за счет этого заряд в одном или более пьезоэлектрических элементов. Этот электрический заряд передается в модуль приведения электроэнергии к требуемым условиям, где получаемый ток выпрямляется, приводится к требуемым условиям и аккумулируется для питания электронных средств.
Пьезоэлектрическое устройство может содержать ряд пьезоэлектрических материалов, включая, но, не ограничиваясь, титанат бария, поливинилиденфторид (PVDF), кристаллы цирконата-титаната свинца (PZT) или волокна PZT. Конкретным типом пьезоэлектрического материала, который можно использовать в предлагаемом устройстве для генерирования электроэнергии, является пьезоэлектрическая волоконная композиционная структура, например, описанная в патентах США №№ 5869189 и 6048622. Аналогичный пример активных волоконных композитов (АВК), которые можно использовать в предлагаемом изобретении, получают по технологии “PiezoFlex”, которую предлагает к продаже Continuum Control Corporation.
На фиг. 2А показан общий вид пьезоэлектрической активной волоконной композиционной структуры (АВК-структуры) 28 в соответствии с возможными аспектами предлагаемого в изобретении устройства для выработки электроэнергии. Пьезоэлектрическая АВК-структура 28 содержит множество пьезоэлектрических волокон 30, которые выровнены в одном направлении для обеспечения возбуждения и жесткости пьезоэлектрической АВК-структуры 28. Волокна 30 окружены матрицей 32 из эпоксидной смолы или полимера, которая обеспечивает сглаживание при передаче нагрузки. Пьезоэлектрические волокна имеют общее направление 34 поляризации сегнетоэлектрика в поперечном направлении, по существу, параллельного осевому расположению.
На отдельных подложках вдоль двух противолежащих поверхностей конфигурации матрицы волокон предпочтительно предусмотрены электродные слои для подачи электрического входного сигнала в АВК-структуру 28 и электрического выходного сигнала. В соответствии с возможным вариантом осуществления (фиг. 2А) электродные слои 36 выполнены во встречно-штыревой конфигурации с чередованием полярностей от отвода к отводу. Такие электродные слои 36 встречно-штыревой конфигурации можно получать травлением отдельных слоев подложки (например, из полиимида или сложного полиэфира), пользуясь методами трафаретной печати, как известно в данной области техники, и электропроводными чернилами, такими как эпоксидные чернила с примесью серебра. Выравнивание во встречно-штыревой конфигурации предназначено для усиления направленности электромеханического отклика АВК-структуры 28, а также для обеспечения относительно больших коэффициентов заряда и связи. Количество материала матрицы 32 смолы между электродами 36 и волокнами 30 в предпочтительном варианте минимизировано для расширения функциональных возможностей.
Ориентация волокон в АВК-структуре относительно структуры шины является фактором конструирования в соответствии с предлагаемой технологией. При ориентации волокон вдоль окружного направления шины пьезоэлектрические волокна подвергаются воздействию, в основном, больших растягивающих напряжений, но малых сжимающих напряжений. Ориентация направления волокон вдоль радиального направления шины связывает «сбор» первичной энергии с радиальными напряжениями. Эта ориентация с меньшей вероятностью вызывает повреждение волокнам, но дает потенциально более высокую восприимчивость волокон к деполяризации сегнетоэлектрика при сжатии. Таким образом, ориентацию пьезоэлектрической конструкции устройства для выработки электроэнергии согласно изобретению в радиальном, а не в окружном направлении вдоль поверхности раздела структуры шины, можно определить на основании размера конструкции и конкретной среды шины, для которой предназначена накладка. Оптимальное размещение и ориентация пьезоэлектрической АВК-структуры основаны на таких факторах, как максимальная требуемая электроэнергия за цикл шины, соотношение пиковых растягивающих и сжимающих напряжений вдоль радиального направления монтажа с аналогичными параметрами вдоль окружного направления монтажа, и равномерность напряжений по АВК-структуре в заданные моменты времени.
Для разных приложений можно предусмотреть более конкретные характеристики пьезоэлектрической АВК-структуры, например, как показано на фиг. 2А. Из пьезоэлектрических волокон могут быть изготовлены различные материалы PZT, включая PZT 5А, PZT 5Н, PZT 4, PZT 8 и PMN-33PT. Другие конструкторские ограничения соответствуют диаметру 38 пьезоэлектрических волокон, который может находиться в диапазоне от около 0,003 дюйма (мил) до около 15 мил. Другие размеры, которые могут быть предназначены для конкретных приложений, включают ширину 40 и шаг 42 электродных отводов в слоях 36 встречно-штыревой конфигурации. Пример ширины 40 электродного отвода соответствует 25 мил, а возможный диапазон шага 42 электродов соответствует величинам от около 20 мил до около 100 мил. Конкретный пример всей пьезоэлектрической АВК-структуры согласно изобретению представляет собой электроды встречно-штыревой конфигурации с шагом электродных отводов 45 мил и пьезоэлектрическими волокнами из материала PZT-5A диаметром 10 мил.
В некоторых случаях можно учесть дополнительные конструкторские ограничения пьезоэлектрической структуры, предназначенной для использования в устройстве для генерирования электроэнергии. Например, возможны некоторые конструкторские ограничения, касающиеся размера и возможностей обработки пьезоэлектрической накладки и предназначенные для того, чтобы разместить ее внутри структуры шины как единое целое с шиной. Предположим, что УВЭ в соответствии с предлагаемой технологией содержит пьезоэлектрическое устройство, установленное в окружном направлении вдоль поверхности раздела шины, и имеется также встроенный модуль приведения электроэнергии к требуемым условиям. УВЭ предпочтительно заключено в дополнительный резиновый или эластомерный кожух или опирается на резиновую, или стекловолоконную несущую подложку, причем подложка приклеена к внутренней поверхности шины для придания устройству дополнительной защиты. Резиновый кожух или резиновая подложка обеспечивает простое приклеивание УВЭ к структуре шины.
В соответствии с конфигурациями УВЭ, упомянутыми выше, обычно нет ограничений по длине пьезоэлектрической накладки, однако испытания показали, что накладки длиной свыше семидесяти миллиметров могут иметь отказы. Для некоторых приложений желательна максимальная ширина около 80 мм. В некоторых случаях желательно иметь максимальную толщину пьезоэлектрической накладки (без модуля приведения электроэнергии к требуемым условиям), составляющую около 700 микрометров, и максимальную массу около 20 граммов (включая пьезоэлектрическую накладку и модуль приведения электроэнергии к требуемым условиям). Чтобы прикрепить пьезоэлектрическую накладку к резиновой прокладке для приклеивания к внутренней поверхности шины, пьезоэлектрическая накладка должна выдерживать температуру нагрева около 170°С в течение около 30 мин при давлении около 20 бар, а также выдерживать температуру около 150°С в течение около 60 мин при давлении около 20 бар. Эти ограничения могут изменяться с усовершенствованием соответствующих материалов и технологий приклеивания. Кроме того, УВЭ в соответствии с изобретением предпочтительно должно выдержать следующие рабочие условия: температура от -40°С до +125°С, максимальная скорость движения шины около 160 км/ч, износоустойчивость либо в течение десяти лет, либо при пробеге 700000 миль.
3
Еще один тип пьезоэлектрической накладки, которую можно использовать в УВЭ 14 согласно изобретению, представляет собой сплошные пьезокерамические пластины. Такие пьезокерамические пластины могут быть монокристаллическими или поликристаллическими структурами, включая, но не ограничиваясь, пластины, изготовленные из поликристаллических сегнетоэлектриков, например, титаната бария (BaTiO) и цирконат-титаната свинца (PZT).
На фиг.2В, представлен пример возможного пьезоэлектрического устройства 28', предназначенного для использования в устройстве 14 для генерирования электроэнергии, выполненном по технологии, согласно изобретению. Пьезоэлектрическое устройство содержит одну или более пьезокерамических пластин, расположенных в мономорфной, либо биморфной компоновки, либо в виде стопки и (бутербродной) и упакованных внутри защитного кожуха 108. Мнономорфная компоновка имеет один модульный участок (т.е. слой) пьезоэлектрического материала, который в некоторых вариантах осуществления может быть прикреплен к неактивной подложке. Биморфная компоновка имеет два модульных участка (т.е. два слоя) пьезоэлектрического материала, которые прикреплены к противоположным сторонам центрального металлического прокладочного слоя, а стопообразная или бутербродная компоновка имеет несколько пьезоэлектрических элементов, расположенных рядом и склеенных друг с другом. В некоторых случаях биморфная и стопообразная компоновки могут обеспечить более высокий уровень соотношения «вырабатываемый заряд - величина механического смещения», чем мономорфные компоновки.
Защитный кожух 108 (фиг.2В), в котором могут быть размещены одна или более пьезокерамических пластин, может служить в качестве электрической изоляции для пьезокерамических пластин, а также в качестве средства защиты от влажности и потенциально вредных загрязняющих веществ. В некоторых вариантах осуществления пьезокерамические пластины могут содержать материалы PZT, например PZT-5А и/или PZT-5Н. Распределенные электроды 110 могут быть выполнены из такого материала, как никель, и могут быть расположены на верхней и нижней поверхностях для связи с предварительно прикрепленными первым и вторым электрическими выводами 112 и 114 соответственно. Доступ к штырям для соединения с выводами 112 и 114 возможен через соединительный элемент 120 для получения надежного элемента без паяных проводов. Дополнительные штыри в соединительном элементе 120 могут обеспечить соответствующие электрические соединения 116 и 118 для поляризации сегнетоэлектрика пьезоэлектрического элемента (пьезоэлектрических элементов) внутри пьезоэлектрического устройства 28'. Конкретный пример пьезоэлектрического устройства согласно изобретению соответствует технологии “QuicPack” (см., например, ACX QuickPack-Power Act QP15W), которую предлагает к продаже Midé Technology Corporation.
TM
Еще один пример пьезоэлектрического устройства, предназначенного для использования в устройстве для выработки электроэнергии согласно изобретению, приведен на фиг. 2С - элемент 28”, где показан общий вид с пространственным разделением деталей пьезоэлектрического элемента 28”, содержащего несколько слоев, расположенных в стопке, где отдельные материалы наслоены один поверх другого. Первый слой слоистого композита представляет собой пьезоэлектрический элемент 28” и является металлическим слоем 120 подложки, например слой нержавеющей стали. Последующие слои 122 клея нанесены вокруг внутреннего слоя 124 пьезоэлектрического материала. В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрический слой 124 может быть выполнен из пьезокерамического материала, например PZT. В некоторых вариантах осуществления слои 122 клея могут содержать полиимидный материал, конкретнее, высокотемпературный термопластичный полиимид, например, материал марки LaRC-SI, разработанный Исследовательским центром NASA. Верхний слой 126 пьезоэлектрического элемента 28” содержит металлический материал, например алюминий. Несколько слоев могут быть объединены друг с другом путем размещения всего узла в автоклаве, где эти несколько слоев нагревают, спрессовывают друг с другом, дают им прокипятиться, а затем охлаждают до комнатной температуры. Когда пьезоэлектрический элемент 28” начинает охлаждаться, слой 120 подложки, который скреплен с пьезокерамическим слоем 124, удерживает пьезокерамический слой 124 в сжатом состоянии, а сам при этом находится в состоянии непрерывного растяжения. Это принудительное предварительное напряжение может вызвать, в конечном счете, придание пьезоэлектрическому устройству несколько криволинейной конфигурации и обеспечивает возможность выдерживать гораздо более высокие уровни механического прогиба, чем некоторые известные пьезоэлектрические устройства, без образования трещин.
Th
Un
D
e
r
Пьезоэлектрическое устройство (фиг. 2С) соответствует технологии под названием “THUNDER” (см., Face Tunder Actuator 6R), которую предлагает к продаже Face International Corporation. Изделия, изготовленные по технологии TUNDER, в основном соответствуют таким устройствам, как «Тонкослойные мономорфные сегнетоэлектрические возбудитель и датчик» (in Layer imorph Ferroelectric river and Snso), которые изготовлены из нескольких слоев материала, удерживаемых как единое целое в виде «бутербродной» набивки с помощью высокопрочных связующих материалов, и выполнены с возможностью создания внутренних предварительных напряжений. Слои 122 клея пьезоэлектрического элемента 28” склеивают различные слои устройства в виде единого целого, несмотря на относительно высокие внутренние напряжения, которые создаются во время изготовления устройства.
В возможные пьезоэлектрические устройства, рассмотренные выше, можно внести изменения, очевидные для специалиста в данной области техники. Например, хотя пьезоэлектрические элементы, представленные на чертежах, имеют прямоугольную форму, возможно также использование пьезоэлектрических элементов других форм: круглой, квадратной или иной.
3
Еще один аспект конструкции, который можно реализовать в соответствии с предлагаемой технологией, связан с комбинацией нескольких пьезоэлектрических элементов (фиг. 7А-7D и 8А-8В) соответственно. На фиг. 7А-7D показаны возможные конфигурации, поясняющие, как нескольких пьезоэлектрических элементов можно уложить стопкой вертикально внутри УВЭ шины. Хотя в каждой конфигурации на фиг. 7А-7D показаны два пьезоэлектрических элемента 130, можно использовать и большее количество пьезоэлектрических элементов. Пьезоэлектрические элементы 130 могут представлять собой монокристаллические или поликристаллические пластины, включая пластины, изготовленные из поликристаллических сегнетоэлектриков, таких как титанат бария (BaTiO) и цирконат-титанат свинца (PZT). Между соседними пьезоэлектрическими элементами 130 можно предусмотреть центральный проводящий прокладочный слой, что характерно для некоторых биморфных и стопообразных компоновок пьезоэлектрических устройств.
Различные конфигурации иллюстрируют разные режимы поляризации сегнетоэлектрика и смещения для комбинированных пьезоэлектрических элементов 130. Более короткие стрелки 132 и 134 внутри каждого пьезоэлектрического элемента 130 отображают направление поляризации сегнетоэлектрика в каждом пьезоэлектрическом элементе и в общем случае направлены от положительного поляризующего электрода к отрицательному поляризующему электроду, к которым во время изготовления пьезоэлектрических элементов 130 должно быть приложено высокое напряжение постоянного тока. Хотя варианты не ограничиваются возможными конфигурациями поляризации сегнетоэлектрика, показанными на фиг. 7А-7D, все такие пьезоэлектрические элементы 130 характеризуются векторами 132 поляризации, которые обычно параллельны оси 3 отсчета. На Фиг. 7В и 7D представлены конфигурации, в которых оба пьезоэлектрических элемента 130 имеют вектора поляризации, находящиеся в фазе, тогда как на фиг. 7А и 7D представлены конфигурации, в которых оба пьезоэлектрических элемента 130 имеют векторы поляризации, находящиеся в противофазе или не в фазе. Пьезоэлектрические конфигурации согласно фиг. 7А и 7В находятся в моде d33, причем силы смещения (обозначенные стрелками 136) соответствуют расширению в том же направлении, которое является направлением  электрического поля и в котором ориентировано направление поляризации сегнетоэлектрика. Пьезоэлектрические конфигурации согласно фиг. 7В и 7D обе находятся в моде d31, где силы смещения (обозначенные стрелками 138) соответствуют сжатию перпендикулярно направлению электрического поля и направлению поляризации сегнетоэлектрика.
Конфигурации на фиг. 7А-7D иллюстрируют пример того, как в заданном поле напряжений можно обеспечить больше пьезоэлектрического материала при такой же опорной поверхности, как у единственного пьезоэлектрического элемента. Такая компоновка позволяет получить больше электроэнергии на каждый оборот узла шины или колеса по мере прохождения пьезоэлектрического элемента (пьезоэлектрических элементов) по контактной накладке шины.
Пьезоэлектрические элементы 140 (фиг. 8А и 8В) могут быть электрически соединены последовательно (фиг. 8А), параллельно (фиг. 8В) или в комбинации, когда требуется объединение более двух пьезоэлектрических элементов. Последовательное соединение пьезоэлектрических элементов 140 обеспечивает большее выходное напряжение и меньший выходной ток, чем один пьезоэлектрический элемент. Конфигурация, представленная на фиг. 8А, может оказаться особенно полезной для измерительных приложений, таких как определение количества оборотов шины по мере прохождения пьезоэлектрического элемента по контактной накладке узла колеса или шины. Параллельное соединение пьезоэлектрических элементов 140 обеспечивает в общем случае меньшее выходное напряжение и больший выходной ток и может оказаться особенно полезным для приложений, связанных со сбором энергии. Конфигурация, представленная на фиг. 8В, способствует уменьшению утечек энергии и может упростить электронные средства приведения электроэнергии к требуемым условиям. Пьезоэлектрические элементы 140 могут представлять собой такие пьезоэлектрические элементы, как 28, 28' и 28”, (фиг. 2А, 2В, 2С) или пьезокерамические пластины, например элемент 130, (фиг. 7А - 7D), соответственно.
Вторым основным элементом УВЭ 14 (фиг.3) в дополнение к пьезоэлектрическому элементу является модуль приведения электроэнергии к требуемым условиям. Основными функциональными возможностями модуля приведения электроэнергии к требуемым условиям согласно изобретению являются выпрямление, приведение к требуемым условиям и аккумулирование электрического заряда, который генерируется в пьезоэлектрической структуре 140. Вообще говоря, модули приведения электроэнергии к требуемым условиям могут быть предназначены, в частности, для разных приложений электронных средств, для которых производится сбор электроэнергии. В соответствии с возможным вариантом осуществления системы оперативного контроля шины, модуль приведения электроэнергии к требуемым условиям выполнен в соответствии с определенными динамическими требованиями к энергии. В частности, модуль приведения электроэнергии к требуемым условиям выполнен так, что выходное напряжение 44 обычно составляет около 5 В, максимальная пульсация выходного напряжения 44 находится в пределах ±10 В, минимальный рабочий цикл выходного напряжения 44 составляет около пяти секунд, а максимальный рабочий цикл выходного напряжения 44 составляет около 60 с. Дополнительные конструкторские требования, в рамках которых возможный модуль приведения электроэнергии к требуемым условиям работает в соответствии с максимальным потреблением энергии электронной системой, составляющим около 4 мДж, промежуток времени, в течение которого может работать электронная система, составляет от около 25 миллисекунд до около 200 миллисекунд в зависимости от функциональных возможностей электронной системы.
Один или более пьезоэлектрических элементов 140 соединены параллельно с выпрямителем, например двухполупериодным мостовым выпрямителем 46. Альтернативные конфигурации выпрямителя могут соответствовать удваивающему выпрямителю или N-каскадному умножителю напряжения. Выпрямленный сигнал с выпрямителя 46 сохраняется в электролитическом конденсаторе 38. Конкретный пример электролитического конденсатора 48, пригодного для применения в модуле приведения электроэнергии к требуемым условиям представляет собой танталовый конденсатор серии TEL фирмы Panasonic, имеющий емкость около 47 микрофарад. Для модуля приведения электроэнергии к требуемым условиям могут оказаться подходящими другие специальные электролитические конденсаторы для использования в качестве запоминающего элемента. Другие элементы аккумулирования энергии, такие как аккумуляторные батареи или конденсаторы большой емкости, могут обеспечить подходящую альтернативу в некоторых случаях в качестве устройства аккумулирования энергии для модуля приведения электроэнергии к требуемым условиям.
Сразу же после того, как в электролитическом конденсаторе 48 (или другом подходящем устройстве аккумулирования энергии) накопилось достаточное количество энергии, полевой транзистор 54 с МОП-структурой, изготовленный методом двойной диффузии (ДМОП-ПТ), действует как переключатель, передавая энергию, аккумулированную в конденсаторе 48, в регулятор 52 напряжения. Примером регулятора напряжения является двухрежимный пятивольтный программируемый микромощный регулятор напряжения, например, марки МАХ666, поставляемый для продажи фирмой Maxim Integrated Products. Такой регулятор напряжения идеально подходит для электронных систем, которые были системами батарейного питания, и эффективно преобразует напряжение на конденсаторе 48 в регулируемое выходное напряжение 44 номиналом пять вольт. В возможном модуле приведения электроэнергии к требуемым условиям дополнительно предусмотрены биполярный PNP-транзистор 50 и стабилитрон 56.
Сначала транзисторы 50 и 54 заперты, а «земля» на стоке транзистора 54 является плавающей, так что выходное напряжение 44 не выдается. Когда конденсатор 48 заряжается до достаточного уровня напряжения (определяемого стабилитроном 56 и переходом база-эмиттер транзистора 50), транзистор 50 открывается, активируя транзистор 54 и блокируя транзистор 50. В этот момент конденсатор 48 получает возможность разряжаться через схему, выдающую регулируемое выходное напряжение 44 номиналом пять вольт в электронную систему. Когда прикладные электронные средства, на которые подается выходное напряжение 44, закончили свою работу, электронная система посылает сигнал обратно по тракту 58 сигнала через резистор 60 и конденсатор 62, чтобы запереть PNP-транзистор 50 и деактивировать ПТ 54, вследствие чего снова оказывается возможным аккумулирование энергии на конденсаторе 48.
Энергия, которая генерируется УВЭ 14, может быть приложена к ряду различных электронных систем шины (ЭСШ) в соответствии с предметом настоящего изобретения. На фиг. 4А и 4В представлены возможные аспекты взаимодействия между УВЭ 14 и ЭСШ 12.
dd
ss
На фиг. 4А показана возможность аккумулирования энергии в устройстве аккумулирования энергии (например, на конденсаторе 48) в УВЭ до тех пор, пока не получится достаточный заряд для выполнения желательных функций в ЭСШ 12. Между циклами питания ЭСШ 12 остается без питания, и поэтому активацией ЭСШ 12 управляет скорость, с которой энергия аккумулируется в устройстве аккумулирования энергии, имеющемся в УВЭ 14. Когда в УВЭ 14 аккумулируется достаточная энергия, УВЭ 14 непрерывно выдает сигналы V напряжения питания и V напряжения «земли» в ЭСШ 12 вместе с сигналом «количество топлива по расходомеру», отображающим количество энергии, аккумулированной в УВЭ 14. Когда в ЭСШ 12 подается питание, микропроцессор или другой подходящий электронный компонент может периодически активироваться и осуществлять оперативный контроль сигнала «количество топлива по расходомеру» из УВЭ 14. Если в устройстве аккумулирования энергии, имеющемся в УВЭ 14, оказывается достаточное количество энергии, то ЭСШ 12 будет решать некоторую специальную задачу. Если достаточного количества энергии нет, то ЭСШ 12 войдет в режим малой мощности, в котором эта система потребляет электроэнергию при токе менее одного микроампера. После этого осуществляется периодический контроль сигнала «количество топлива по расходомеру» до тех пор, пока энергии не станет достаточно. Этот цикл ожидания достаточного аккумулирования энергии, решения некоторой конкретной задачи и возврата в режим малой мощности в предпочтительном варианте повторяется непрерывно столько времени, сколько шина движется, вращаясь с некоторой заданной пороговой скоростью или больше.
Как упоминалось ранее, ЭСШ 12 шины может предусматривать ряд различных приложений электронных средств в зависимости от типа компонентов, входящих в состав узла колеса или шины. Конкретный пример электронной системы 12 шины соответствует системе оперативного контроля шины (рассматривается ниже). Система оперативного контроля шины (фиг. 5) измеряет температуру и давление внутри структуры шины и направляет получаемые результаты посредством радиочастотного (РЧ) передатчика 68 на удаленный приемник. Пример соответствующих модулей передатчика и приемника для использования соответствует сверхвысокочастотным частотно-модулированным модулям передатчика и приемника моделей ТХ2 и RX2 соответственно, поставляемым для продажи фирмой Radiometrix Ltd.
dd
ss
Сигнал V напряжением пять вольт, сигнал V напряжения «земли» и либо сигнал «активное состояние», либо сигнал «количество топлива по расходомеру» (фиг. 4А и 4В) в предпочтительном варианте выдаются из УВЭ 14 в микроконтроллер 70. Примером подходящего микроконтроллера для использования является 28-выводный микроконтроллер с сокращенным набором команд, выполненный по технологии комплементарных структур «металл - окисел полупроводник» (КМОП-структур) на основе микросхемы марки PIC16LF876. Микроконтроллер 70 активируется, когда питание подается в входной тракт 64, после чего микроконтроллер подает питание и на датчик 72 температуры, и на датчик 74 давления (а также на любые дополнительные датчики или подходящие электронные приборы в ЭСШ 12). Примером датчика 72 температуры является датчик температуры, отградуированный в °С с одним питающим входом модели LM50 SOT-23, фирмы National Semiconductor. Примером датчика 74 давления является выполненный с возможностью монтажа на плате персонального компьютера датчик давления модели 1471, фирмы ICSensors and Measurement Specialities Inc. Дополнительные датчики 76, 78 и 80 могут измерять дополнительные характеристики структуры шины или соответствующего узла колеса.
Еще один компонент возможной ЭСШ 12 в варианте ее осуществления (фиг. 5) представляет собой аккумуляторную батарею 81, которая может быть выполнена с возможностью приема электрического заряда, генерируемого пьезоэлектрической структурой 28 УВЭ 14, и аккумулирования дополнительной энергии для встроенных электронных средств шины. Энергия, аккумулируемая в батарее 81, может сохраняться в течение большего периода времени, чем в других аккумулирующих устройствах, таких как возможный конденсатор 48. Энергия, аккумулируемая в батарее 81, может передоваться микроконтроллеру 70, когда электроэнергия, генерируемая при возбуждении пьезоэлектрического устройства, оказывается недостаточной. Такая ситуация может возникнуть, например, когда транспортное средство стоит или когда с транспортного средства сняты шины. Например, аккумулированная энергия может понадобиться для питания ЭСШ 12, когда бригада наземного обслуживания контролирует давление воздуха в неподвижных шинах на воздушном лайнере. Кроме того, батарея 81 может служить для подачи питания в ЭСШ 12 таким образом, что в наличии будет информация для экономного расходования запасных частей шин или перетачивания ободов, когда шина снята с транспортного средства.
Микроконтроллер 70 содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который получает информацию от датчиков 72-80 соответственно и преобразует ее в цифровую информацию. Микроконтроллер 70 также содержит память, предпочтительно энергонезависимую электрически стираемую программируемую постоянную память (EEPROM), которая хранит особую идентификационную метку, представляющую достаточную информацию для идентификации узла колеса или шины. Такая идентификационная переменная может оказаться полезной, в частности, при слежении за шинами и транспортными средствами парка автомашин, воздушными судами и т.д. Сразу же после того, как информация, выдаваемая датчиками 72-80, получена микроконтроллером 70 и преобразована в цифровую информацию, микроконтроллер 70 отключает подачу питания на датчики и включает подачу питания на радиочастотный приемник 68 по линиям 82 и 84 соответственно. После этого происходит передача информации, преобразованной в цифровую форму, по линии 86 данных в радиочастотный приемник 68, где данные модулируются наложением на частотно-модулированный сигнал несущей и передаются посредством антенны 88 в то место, где находится удаленный приемник.
Транспортное средство, в котором применяются узлы шин с безбатарейными электронными средствами согласно изобретению, предпочтительно оснащено одним приемником для получения информации, передаваемой радиосредствами из каждого узла шины. На фиг. 6 приведена блок-схема возможной конфигурации 90 удаленного приемника согласно изобретению. Принимающая антенна 92 осуществляет прием информации, передаваемой из каждого узла колеса, и транслирует эту информацию в радиочастотный приемник 94, где принимаемая информация демодулируется из сигнала несущей и выдается по тракту 96 в процессор 98 сигналов. Из радиочастотного приемника в процессор 98 сигналов по тракту 100 сигналов также поступает сигнал обнаружения несущей. Данные из радиочастотного приемника 94 и сигнал обнаружения несущей перемножаются в процессоре 98 сигналов таким образом, что получается сигнал без паразитного шума. Этот сигнал данных с пониженной вероятностью наличия шума затем направляется в схему возбуждения, которая преобразует цифровой сигнал в сигнал с уровнями напряжения, подходящими для передачи через интерфейс 102 стандарта RS232 в главный компьютер 104. В главном компьютере 104 предпочтительно предусмотрено программное обеспечение эмуляции терминала, так что данные, принимаемые через интерфейс 102 стандарта RS232, преобразуются в информацию, которой легко сможет воспользоваться конечный пользователь, например, на модуле дисплея.
Следует понять, что в соответствии с предлагаемой технологией возможно применение других электронных устройств, отличающихся от тех, которые раскрыты в данном описании, совместно с предлагаемой технологией выработки электроэнергии. Например, может оказаться желательной передача информации других типов, не связанная с температурой, давлением и идентификацией некоторого удаленного места. Примеры включают в себя количество оборотов шин, величину прогиба шин и скорость транспортного средства. В патенте США № 5749984 описаны другие аспекты системы оперативного контроля шин, которую можно применять совместно с заявленным изобретением. Электронная система шины может быть связана с Глобальной системой позиционирования (GPS) для определения точного местоположения транспортного средства. Пьезоэлектрическое УВЭ в альтернативном варианте можно использовать для питания узлов подсветки или систем обратной связи в узле колеса. Количество приложений электронных средств, в которых возможно обеспечить питание согласно изобретению, чрезвычайно велико и не ограничивается предметом настоящего изобретения.
В соответствии с технологией, предлагаемой в настоящем изобретении, варианты осуществления предлагаемых системы и способа генерирования электрической энергии не ограничиваются одним устройством для выработки электроэнергии и одним электронным модулем шины, предусмотренным для каждой шины или каждого узла колеса. Выборочная комбинация нескольких вышеописанных элементов не ограничивает существо и объем притязаний настоящего изобретения. На фиг. 9А, 9В и 9С представлены разные возможные комбинации элементов, которые могут быть встроены внутрь шины, представленной на фиг. 1, или соответствующего узла колеса.
Внутри узла колеса или шины можно предусмотреть несколько пьезоэлектрических элементов 140, которые могут быть расположены в непосредственной близости друг к другу внутри узла колеса или шины или могут быть распределены в разных местах по узлу шины или колеса. В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрические элементы 140 могут содержать пьезоэлектрические элементы 28, 28' и 28 или пьезокерамические пластины, такие как элементы 130. Каждый пьезоэлектрический элемент 140 согласно фиг. 9А генерирует энергию, когда проходит по контактной накладке узла шины или колеса, на котором эта накладка установлена.
Пьезоэлектрические элементы 140 (фиг. 9А) могут быть соединены последовательно или параллельно, и все они подсоединены к центральному модулю 142 аккумулирования энергии. Модуль 142 аккумулирования энергии включает в себя схемы приведения электроэнергии к требуемым условиям, аналогичные представленным на фиг. 3, включая устройство аккумулирования электроэнергии, например конденсатор или батарея для аккумулирования энергии, генерируемой соответствующими пьезоэлектрическими элементами 140. Этот единственный модуль 142 аккумулирования энергии также подсоединен к электронному модулю, такому как ЭСШ 12, так что выбранные прикладные электронные средства в ЭСШ 12 могут получать электроэнергию, запасенную модулем 142 аккумулирования энергии.
Распределенные пьезоэлектрические элементы 140 (фиг. 9В и 9С) могут быть соединены последовательно или параллельно, причем все они подсоединены к отличным друг от друга локальным модулям 142 аккумулирования энергии. Каждый локальный модуль 142 аккумулирования энергии включает в себя схемы приведения электроэнергии к требуемым условиям, включая устройство аккумулирования электроэнергии, например конденсатор или батарея для аккумулирования энергии, вырабатываемой соответствующим пьезоэлектрическим элементом 140. Несколько модулей 142 (фиг. 9В) аккумулирования энергии могут быть соединены электрически последовательно или параллельно для подачи энергии в центральный электронный модуль ЭСШ 12, так что выбранные прикладные электронные средства в ЭСШ 12 могут получать электроэнергию, запасенную модулями 142 аккумулирования энергии. В альтернативном варианте, как показано на фиг. 9С, каждый из множества модулей 142 аккумулирования энергии может подавать энергию в соответствующий локальный электронный модуль ЭСШ 12. Множество локальных электронных модулей 12 может быть распределено в различных местах по всему узлу шины или колеса и они могут выполнять аналогичные функции или могут иметь конфигурации, обеспечивающие возможность выполнения разных функций, например измерение разных параметров в различных соответствующих местах.
Объем данного описания следует считать носящим характер примера, а не ограничения.