УСТРОЙСТВО ДАТЧИКА ШИНЫ
TIRE SENSOR DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение относится к области датчиков для шин транспортных средств и, в частности, к устройству датчика шины.
Уровень техники
Включение электронных устройств в пневматические шины имеет большое значение для повышения безопасности транспортных средств. Шинная электроника может включать в себя датчики и другие компоненты, подходящие для получения информации о поведении шины, а также о ее различных физических параметрах, таких как, например, температура, давление, количество оборотов шины, скорость транспортного средства и т.д.
Такая информация может стать полезной в системах контроля и/или сигнализации шин.
Более того, Системы активного управления/безопасности транспортного средства могут быть основаны на информации, поступающей от устройств датчиков, обеспечиваемых в шинах.
Системы активной безопасности используют информацию о внешней среде транспортного средства для изменения поведения транспортного средства в предаварийный период времени или во время аварии с конечной целью избежать аварию в целом. Первоначально системы активной безопасности главным образом были направлены на улучшение продольной динамики движения транспортного средства, в частности, на антиблокировочные системы (ABS) более эффективного торможения и системы контроля тяги (TC). Системы TC предотвращают колесо от буксования при улучшении устойчивости и управляемости транспортного средства за счет максимизации тяговых и боковых сил между шиной транспортного средства и дорогой. За этими системами последовали более мощные системы контроля устойчивости транспортного средства, например, электронная система стабилизации (ESP), система контроля устойчивости транспортного средства (VSC) и система динамического контроля устойчивости (DSC). Эти последние системы используют и тормоза и крутящий момент двигателя для стабилизации транспортного средства в экстремальных ситуациях управления путем управления движением рыскания. Системы активной подвески также являются важной частью в системах активной безопасности транспортного средства. Они традиционно разрабатывались, находя компромисс между тремя противоречивыми критериями: курсовая устойчивость, грузоподъемность и комфорт пассажиров. Система подвески должна поддерживать транспортное средство, обеспечивать управление направлением перемещения во время маневров управления и обеспечивать эффективную изоляцию пассажиров/полезной нагрузки от повреждений дороги.
Системы управления активной безопасностью, описанные выше, основаны на оценке динамических переменных транспортного средства, таких как силы, передача нагрузки, сцепление шин с дорогой. Чем точнее и ближе к «реальному времени» оценка параметров, тем лучше общая производительность системы управления. В настоящее время большинство из этих переменных опосредованно оцениваются с использованием бортовых датчиков и не очень точны. Использование измерений, выполняемых с помощью датчиков, установленных на шинах транспортного средства, будет обеспечивать гораздо более точную оценку параметров, относящихся к динамике транспортного средства.
Сущность изобретения
Однако, настройка системы на основе датчиков, устанавливаемых на шины транспортного средства, является сложной задачей по нескольким причинам. В частности, устройство датчика шины должно иметь ограниченные размеры и/или вес, для того чтобы ограничивать или по возможности исключать разбалансировку шины во время вращения. Однако сложные датчики шин, выполненные с возможностью обеспечения подробной информации для системы управления транспортного средства, связанной с поведением шин во время движения транспортного средства, требуют несколько компонентов электроники и/или чувствительных компонентов, которые должны быть обеспечены. Такое множество компонентов может достигать нескольких сотен или более и требует пространство для размещения их должным образом. Это идет вразрез с требованием наличия устройства датчика шины с достаточно небольшими размерами.
Было обнаружено, что очень компактное устройство датчика шины может быть выполнено за счет использования гибкой печатной платы. В частности, гибкая печатая плата может вмещать большое количество компонентов и может быть сложена, для того чтобы ограничивать занимаемое пространство.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения обеспечено устройство датчика шины, содержащее соединительный элемент для соединения устройства датчика шины с шиной транспортного средства, и узел электроники устройства датчика шины, размещенный в соединительном элементе.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения обеспечена шина транспортного средства, содержащая внутренний гермослой, причем устройство датчика шины соединено с указанным внутренним гермослоем с помощью соединительного элемента, причем указанное устройство датчика шины содержит узел электроники устройства датчика шины, размещенный в соединительном элементе.
Предпочтительные аспекты настоящего изобретения описаны ниже.
Узел электроники устройства датчика шины содержит гибкую печатную плату, складываемую и содержащую по меньшей мере два участка печатной платы, каждый из которых имеет две поверхности, причем по меньшей мере два участка печатной платы подходят для размещения на по меньшей мере одной их поверхности электронных компонентов устройства датчика шины, причем указанные электронные компоненты содержат по меньшей мере один датчик для определения по меньшей мере одного параметра шины. Гибкая печатная плата сложена так, что узел электроники устройства датчика шины может быть вставлен в соединительный элемент с по меньшей мере двумя участками печатной платы, являющимися по существу плоскими.
Предпочтительно, гибкая печатая плата сложена так, что по меньшей мере два по существу плоских участка печатной платы лежат на по существу вертикально уложенных плоскостях.
Соединительный элемент может содержать резиновый корпус, выполненный с возможностью прикрепления к внутреннему гермослою шины. Резиновый корпус предпочтительно имеет посадочное место для приема вмещающей части, имеющей полость для вмещения узла электроники устройства датчика шины.
Предпочтительно, устройство датчика шины содержит корпус, размещенный в указанной вмещающей части и выполненный с возможностью вмещения сложенной печатной платы.
Указанный корпус может содержать первую часть корпуса и вторую часть корпуса, соединяемые друг с другом, и крышку, которая закрывает корпус сверху.
Предпочтительно, гибкая печатная плата является складываемой в общую S-образную или Z-образную форму, и в сложенном состоянии она содержит три по существу плоских участка, подходящих для размещения на по меньшей мере одной их поверхности электронных компонентов устройства датчика шины.
Гибкая печатная плата может содержать два соединительных участка для соединения трех по существу плоских участков, причем указанные соединительные участки обеспечивают гибкое механическое соединение между по существу плоскими участками и электрическое соединение между электронными компонентами, расположенными на по существу плоских участках.
В вариантах выполнения настоящего изобретения гибкая печатная плата имеет три проводящих слоя для сигналов и один проводящий слой для потенциала заземления в трех по существу плоских участках и один проводящий слой для сигналов и один проводящий слой для потенциала заземления в соединительных участках.
Устройство датчика шины может предпочтительно содержать передающую антенну, которая содержит концевой участок гибкой печатной платы, присоединенный к одному из по существу плоских участков с помощью соединительного участка антенны.
Предпочтительно, устройство датчика шины может содержать контактные клеммы для соединения узла электроники датчика шины с внешней клеммой.
Краткое описание чертежей
Эти и другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из последующего описания некоторых его примерных и неограничивающих вариантов выполнения при рассмотрении в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг. 1 - вид в перспективе устройства датчика шины согласно варианту выполнения настоящего изобретения;
Фиг. 2 - устройство датчика шины с Фиг. 1 в разобранном виде;
Фиг. 3 - вид в перспективе корпуса устройства датчика шины с Фиг. 1 и 2;
Фиг. 4 - сечение корпуса устройства датчика шины с Фиг. 3 по средней вертикальной плоскости;
Фиг. 5 - сечение устройства датчика шины с Фиг. 1 по средней вертикальной плоскости;
Фиг. 6 - вид сбоку компонентов устройства датчика шины, размещаемых в корпусе устройства датчика шины, с частично сложенной гибкой печатной платой (PCB) с электроникой устройства датчика шины, размещаемой внутри корпуса устройства датчика шины;
Фиг. 7 - вид сверху гибкой PCB в разложенном состоянии;
Фиг. 8 - вид сбоку гибкой PCB с Фиг. 7 в разложенном состоянии;
Фиг. 9 - вид снизу гибкой PCB с Фиг. 7 и 8 в разложенном состоянии;
Фиг. 10 - вид спереди гибкой PCB с Фиг. 7-9 в разложенном состоянии;
Фиг. 11 - схематическая функциональная блок-схема электроники датчика шины; и
Фиг. 12A-12G - некоторые этапы примерной процедуры сборки устройства датчика шины.
Подробное описание примерных вариантов выполнения изобретения
Со ссылкой на Фиг. 1 показано в перспективе устройство 100 датчика шины согласно варианту выполнения настоящего изобретения. Устройство 100 датчика шины также показано в разобранном виде на Фиг. 2. Устройство 100 датчика шины содержит корпус 205 для размещения компонентов устройства датчика шины, описанных подробно ниже. Корпус 205 устройства датчика шины содержит соединительную часть 210 и вмещающую часть 215 основания. Соединительная часть 210 является в общем круглой по форме и предназначена для прикрепления к внутреннему гермослою шины (не показан на чертежах) так, чтобы соединять устройство 100 датчика шины с шиной. Соединительная часть 210, например, выполнена из резины. Соединение между устройством 100 датчика и внутренним гермослоем шины, например, может быть осуществлено путем склеивания.
Вмещающая часть 215 основания прикреплена к соединительной части 210. Соединительная часть 210 имеет круглую манжету 217, поднимающуюся от круглого основания соединительной части 210, причем круглая манжета 217 является полой для приема и размещения в ней по меньшей мере участка вмещающей части 215 основания.
Вмещающая часть 215 основания является в общем цилиндрической и полой так, чтобы образовывать в ней полость, в пределах которой размещаются компоненты устройства датчика шины. Как видно на Фиг. 2, компоненты устройства датчика шины, которые размещаются в полости вмещающей части 215 основания, содержат: нижний буфер 220 (опционально); аккумулятор 225 электропитания; узел 230 электроники, заключенный в корпусе 235, и клипсу 240 для закрытия вмещающей части 215 основания так, чтобы удерживать компоненты устройства датчика шины внутри вмещающей части 215 основания.
Фиг. 3 и 4 показывают отдельно корпус 205 устройства датчика шины (т.е. с соединительной частью 210 и вмещающей частью 215 основания, но без других компонентов, показанных на Фиг. 2) в перспективе (Фиг. 3) и в сечении вдоль средней вертикальной плоскости (Фиг. 4).
Соединительная часть 210 имеет в общем круглый фланец 305 основания, имеющий первый диаметр, и на противоположной стороне относительно стороны 405 фланца основания, которая при использовании прилегает к внутреннему гермослою шины, соединительная часть 210 сужается и поднимается (предпочтительно, скругленным и гладким образом) для образования круглой манжеты 217, которая является полой для образования в общем цилиндрического посадочного места 310 для приема вмещающей части 215 основания.
Вмещающая часть 215 основания имеет участок, который принимается внутри посадочного места 310 соединительной части 210. Участок вмещающей части 215 основания, который принимается внутри посадочного места 310, предпочтительно имеет, например, два, выступающих ребра 410, например, периферийных, для получения более прочного крепления вмещающей части 215 основания к соединительной части 210. Участок вмещающей части 215 основания, который выступает из посадочного места 310, имеет две диаметрально противоположных дугообразных выступающих стенки 315.
Фиг. 5 показывает сечение вдоль вертикальной средней плоскости, подобное показанному на Фиг. 4, устройства датчика шины на Фиг. 1 со всеми компонентами. Также видна конструкция узла 230 электроники внутри корпуса 235, а также два уплотнительных кольца 505, предпочтительно обеспеченных ниже узла 230 электроники 230 (точнее, между узлом электроники и аккумулятором 225) и/или выше его (точнее, между узлом 230 электроники и клипсой 240), чтобы противодействовать возможному(ым) смещению и/или трению между узлом электроники и другими компонентами устройства датчика шины.
Узел 230 электроники содержит гибкую печатную плату (PCB) 510 с электронными компонентами, установленными на ней. На Фиг. 5 гибкая PCB 510 находится в согнутом и сложенном состоянии, тогда как на Фиг. 6 гибкая PCB 510 находится в частично согнутом, частично сложенном состоянии, в то время как Фиг. 7, 8, 9 и 10 соответственно представляют собой вид сверху, вид сбоку, вид снизу и вид спереди гибкой PCB 510 в разогнутом состоянии с лучшим образом видимыми компонентами узла электроники. Фиг. 11 представляет собой схематическую функциональную блок-схему узла 230 электроники устройства датчика шины.
Далее узел 230 электроники описан со ссылкой совместно на Фиг. 6-11.
Узел 230 электроники содержит передающую антенна 1105 (например, передающую антенну, выполненную с возможностью сверхширокополосной (UWB) передачи) для передачи (восходящего канала) на приемник (не показан), например, на координирующее устройство, для координации двух или более устройств датчиков шин, установленных на двух или более шинах транспортного средства.
Возможно, может быть обеспечена антенна для нисходящего канала, т.е. для приема от координирующего устройства. Например, приемная антенна может быть низкочастотной (LF) антенной 1110; в качестве альтернативы, передающая антенна 1105 может использоваться также в качестве приемной антенны.
Передающая антенна получает сигнал от блока 1115 приема, обработки и передачи сигнала, например, ASIC (интегральной схемы специального назначения).
Приемная антенна 1110 подает сигнал блоку 1120 приемника (например, блоку низкочастотного приемника), который, в свою очередь, подает сигнал блоку 1115 приема, обработки и передачи сигнала.
Приемник 1120 и блок 1115 приема, обработки и передачи сигнала соединены с одним или более блоками 1125 датчиков шин, выполненными с возможностью определения по меньшей мере одного параметра шины, содержащими, например, датчик температуры, и/или датчик акселерометра, и/или датчик давления, и с блоками 1130 памяти.
Блок 1135 электропитания подает питание на различные блоки узла 230 электроники. Питание подается либо от аккумулятора 225, либо от внешнего источника 1140 питания. Питание от внешнего источника 1140 питания, например, принимается через контактные клеммы 605 в виде стержней, которые, когда гибкая PCB 510 согнута и размещена в корпусе 235, продолжаются вертикально. Контактные клеммы 605 также могут использоваться для соединения узла 230 электроники с внешним оборудованием - не показано - например, для программирования/перепрограммирования датчика.
Узел 230 электроники обычно может содержать дополнительные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, установленные на гибкой PCB 510. Такие компоненты не описаны подробно, так как их обеспечение и размещение является обычной работой для среднестатистического проектировщика электронных систем.
Гибкая PCB 510, как видно на Фиг. 7-9, содержит три основных участка 705, 710, 715 PCB, соединенных с помощью соединительных участков 720, 725. Основные участки 705, 710, 715 PCB имеют в общем круглую форму (однако возможны другие формы; например, форма основных участков PCB может зависеть от формы корпуса 235) и больше, чем соединительные участки 720, 725 PCB, которые, например, являются в общем прямоугольными. Электронные компоненты установлены на основных участках 705, 710, 715 PCB гибкой PCB, предпочтительно на обеих ее сторонах. Соединительные участки 720, 725 PCB обеспечивают гибкое механическое соединение между основными участками, а также электрическое соединение между электронными компонентами. Передающая антенна 1105, например, представляет собой полосковую антенну, образованную, например, путем трафаретной печати на в общем прямоугольном концевом участке 735 гибкой PCB 510, соединенном с основным участком 705 PCB с помощью соединительного участка 730. Концевой участок 735, где образована передающая антенна, является гибким, как и остальная часть PCB 510, так, что он может быть согнут, чтобы принимать форму дуги, как видно на Фиг. 6.
Корпус 235 для узла 230 электроники содержит две части 610 и 615, которые являются соединяемыми друг с другом, и которые заключают в себе и поддерживают гибкую PCB 510, и крышку 245, которая закрывает корпус 235 сверху. В частности, часть 610 (закрывающая часть) корпуса 235 имеет такую форму, чтобы иметь дугообразный выступ, который используется в качестве опоры для концевого участка 735 гибкой PCB 510, образующего передающую антенну 1105. При соединении друг с другом две части 610 и 615 корпуса 235 образуют прочный и компактный узел, который может быть вставлен во вмещающую часть 215 основания, по возможности после защиты крышкой 245.
Под концевым участком 735 предпочтительно обеспечен магнитный экран для экранирования передающей антенны 1105 от остальной электроники.
Гибкая PCB 510, например, выполнена с четырьмя слоями в основных участках (три проводящих слоя для сигналов и один проводящий слой для заземления) и двумя слоями (один проводящий слой для сигналов и один проводящий слой для заземления) в соединительных участках.
В частности, гибкая PCB 510 может быть узлом из нескольких слоев, состоящих из:
полиамида и адгезива для непроводящих слоев;
меди для внутренних проводящих слоев;
меди, никеля и золота для внешних проводящих слоев.
Предпочтительно, паяльная маска используется для защиты PCB на внешнем слое.
Гибкая PCB 510 с электронными компонентами, установленными на ней, сложена, например, в S-образной или Z-образной форме, как уже отмечено выше, с основными участками 705, 710, 715 PCB (где установлены электронные компоненты), которые остаются по существу плоскими, когда гибкая PCB 510 сложена, лежащими в трех параллельных плоскостях. Возможность складывания становиться возможной благодаря гибкости соединительных участков 720, 725 PCB, а также за счет гибкого материала, из которого выполнена PCB 510.
Обеспечивая гибкую PCB 510, которая является складываемой в S-образную или Z-образную форму, вплоть до шести по существу плоских поверхностных участков PCB становятся доступными для размещения электронных компонентов (три основных участка 705, 710, 715 PCB, каждый из которых имеет две стороны). В других вариантах выполнения настоящего изобретения гибкая PCB 510 сложена, например, в C-образную форму (в этом случае четыре по существу плоских поверхностных участка PCB становятся доступными для размещения электронных компонентов), или в другие более сложные формы, делая доступными более шести по существу плоских поверхностных участка PCB для размещения электронных компонентов.
В сложенном состоянии гибкая PCB 510 заключается в закрывающую часть 235.
Некоторые этапы примерной процедуры сборки узла 100 датчика изображены на Фиг. 12A - 12G.
Как показано на Фиг. 12A, гибкую PCB 510 с электронными компонентами, уже установленными на ней, укладывают в разогнутом состоянии на сборочный инструмент 1205, который имеет соответственную форму для приема гибкой PCB 510. Сборочный инструмент 1205 содержит удерживающую пластину 1210, которую после укладывания гибкой PCB 510 в надлежащем положении на монтажный инструмент 1205 привинчивают к сборочному инструменту 1205 для удержания гибкой PCB 510 в требуемом положении во время последующих операций (Фиг. 12B).
Далее концевой участок 735 гибкой PCB 510, который образует передающую антенну 1105, сгибают для получения формы дуги (Фиг. 12C).
Далее гибкую PCB 510 удаляют с монтажного инструмента 1205.
Гибкую PCB 510 сгибают, как на Фиг. 12D, для получения компактной конфигурации, показанной на Фиг. 12E.
Наконец, согнутую PCB вставляют в корпус 235, закрытый крышкой 245 (Фиг. 12F), и узел предпочтительно заливают компаундом.
Благодаря настоящему изобретению может быть изготовлено небольшое, но сложное устройство датчика: например, устройство датчика может включать в себя более 100 компонентов SMD (поверхностного монтажа) плюс 2 пластиковые трубки, 4 контактных штырька и 2 контакта аккумулятора, все из которых встроены в корпус 235, имеющий диаметр менее 2 см и толщину около 1-1,5 см.