СИСТЕМА ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ШИНЫ
SYSTEM FOR GENERATION OF ELECTRIC ENERGY FROM MECHANICAL ENERGY OF ROTATING TYRE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системе и способу механического воздействия вращающейся стандартной шины на пьезоэлектрические элементы для генерирования электрической энергии для интегрированных электронных схем шины. Пьезоэлектрическая технология используется для преобразования механической деформации, связанной с прогибом шины, в электрический заряд, который затем преобразуется и сохраняется в устройстве накопления энергии. Достаточное количество такой накопленной энергии может затем снабжать энергией электронные системы, включающие в себя элементы для идентификации различных физических параметров шины, а также радиочастотные (РЧ) устройства передачи.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Включение электронных устройств в конструкцию пневматических шин дает много практических преимуществ. Электронные схемы шины могут включать в себя датчики и другие элементы для получения информации, касающейся различных физических параметров шины, таких как температура, давление, число оборотов шины, скорость транспортного средства и т.д. Такая информация может стать полезной в системах мониторинга и сигнализации шины и может даже потенциально использоваться с системами обратной связи для регулирования давления шины.
В патенте США №5749984 раскрыты система и способ мониторинга шины, позволяющий определять отклонение шины, скорость шины и число оборотов шины. Другой пример электронной системы шины раскрыт в патенте США №4510484, в котором, в частности, раскрыта система сигнализации аномального состояния шины. В патенте США №4862486 раскрыта электронная схема шины, и, в частности, раскрыт счетчик оборотов для шин автомобилей и грузовых автомобилей.
Еще одно потенциальное преимущество, которое дают электронные системы, интегрированные в конструкцию шин, заключается в возможности отслеживать ценные качества и характеристики работы для коммерческих приложений транспортных средств. Коммерческие парки грузовых автомобилей, самолеты и экскаваторы/горная техника - все являются жизнеспособными отраслями промышленности, в которых могли бы использоваться преимущества электронных систем шины и получение соответствующей информации. Датчики шины могут определять величину пробега каждой шины транспортного средства и, таким образом, помогать в планировании и поддержании таких коммерческих систем. Местоположение и работа транспортного средства могут быть оптимизированы для более дорогих приложений, таких которые касаются горного оборудования. Целые парки транспортных средств могли бы отслеживаться путем передачи радиочастотного сигнала РЧ, примеры которого раскрыты в патенте США №5457447.
Интегрированные электронные системы шины снабжаются энергией различным образом и различными системами генерирования энергии. Примеры механических систем для генерирования энергии из движения шины раскрыты в патентах США №4061200 и 3760351. В этих патентах раскрыты громоздкие сложные системы, которые, в общем, не обладают преимуществами для включения в современные электронные системы шин.
Некоторые электронные системы шины снабжаются энергией от различных пьезоэлектрических устройств. В патенте США №6438193 раскрыт счетчик оборотов шины с собственным источником энергии, который содержит пьезоэлектрический элемент, смонтированный в шине таким образом, что подвергается периодическим механическим деформациям при вращении шины и в ответ обеспечивает периодические импульсы. Еще один пример пьезоэлектрических устройств, используемых для снабжения энергией электронных систем шины раскрыт в патенте США №4510484, где раскрыт пьезоэлектрический источник питания в виде катушки, симметрично расположенной вокруг радиальной центральной линии шины.
Другое типичное решение для снабжения энергией электронных систем шины заключается в использовании неперезаряжаемой батареи, которая представляет неудобство пользователю шины, так как правильная работа системы электронных схем зависит от периодической замены батареи. Стандартные батареи также часто содержат тяжелые металлы, которые загрязняют окружающую среду и которые составляют проблему при утилизации, особенно при их использовании в огромных количествах. Кроме того, запас энергии батареи расходуется очень быстро при снабжении энергией электронных систем, характеризующихся сложными структурами. Быстрое расходование энергии батареи особенно превалирует в электронных системах, которые передают информацию на сравнительно большое расстояние от колес грузовика до приемника в кабине грузовика. Даже когда батареи используются в электронных системах, которые передают сигналы от местоположений колес к более близкому местонахождению приемника, информация затем обычно передается через среду передачи жесткого монтажа от местоположения приемника РЧ-сигнала в кабину транспортного средства, что требует установки дополнительного и часто дорогого аппаратного обеспечения связи в транспортном средстве.
Еще один известный способ получения энергии для систем мониторинга шины относится к извлечению энергии радиочастотного сигнала антенной опроса, расположенной вблизи шины, и интегрированных электронных характеристик. Энергия, которая излучается от антенны, используется для снабжения энергией электронных схем, которые часто должны быть очень специализированными электронными схемами сверхнизкой мощности, ограниченной в пределах нескольких микроватт. Антенны опроса, используемые в сочетании с электронными схемами, питаемыми энергией луча, должны быть размещены относительно близко (в пределах около двух футов) к каждому колесу из-за ограниченных диапазонов передачи. Это обычно требует наличия множества антенн опроса на транспортном средстве, что увеличивает стоимость оборудования. Каждая антенна очень чувствительна к неровностям дороги и по многим причинам не может быть предпочтительным решением для снабжения энергией электронных систем шины.
В настоящее время не известны конструкции электронных систем и систем генерирования энергии для них, которые имеют все желательные характеристики.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической задачей настоящего изобретения является разработка усовершенствованных системы и способа для снабжения энергией электронных систем, интегрированных в структуру шины. Пьезоэлектрическая технология используется для преобразования механических деформаций, возникающих при прогибе шины, в электрический заряд, который затем преобразуется и накапливается в одном или нескольких устройствах накопления энергии. Достаточное количество такой накопленной энергии может затем снабжать энергией электронные системы, включающие в себя элементы для идентификации различных физических параметров шины, а также радиочастотные РЧ устройства передачи.
В соответствии с более конкретными аспектами задачей настоящего изобретения является создание пневматической шины с интегрированными электронными элементами и собственным источником энергии. Такие электронные элементы снабжаются энергией от интегрированных пьезоэлектрических структур и могут иметь большое число вариантов электронных схем. Один вариант электронной схемы разработан для системы мониторинга шин, спроектированной для измерения и передачи информации, касающейся условий шины, таких как давление и температура, а также число оборотов шины или общие переменные идентификации шины.
Предложенные электронные схемы шины и устройство генерирования энергии обеспечивают множество преимуществ. Согласно изобретению предложена система электронных схем шины с собственным источником энергии, которая не зависит от замены батарей. Хотя батареи и управляемые батареей устройства могут быть включены в предмет изобретения, многие сложности, касающиеся электронных схем шины, которые снабжаются энергией исключительно от батарей, устраняются.
Другим преимуществом предложенного изобретения является то, что обеспечена система мониторинга шины, которая уменьшает объем необходимого аппаратного обеспечения относительно стандартных систем мониторинга шины. При использовании системы мониторинга шины, которая имеет собственный источник энергии, не требуются антенны для извлечения энергии или множество приемников с дополнительными соединениями жесткого монтажа. Элементы такой системы мониторинга шины могут быть интегрированы в пределах каждой индивидуальной конструкции шины на транспортном средстве таким образом, что один приемник (обычно расположенный в кабине транспортного средства) может принимать информацию, передаваемую интегрированными электронными схемами каждой шины.
Еще одним преимуществом данного изобретения является то, что практически отсутствуют ограничения, касающиеся типа и размера электронного оборудования, предназначенного для использования в шине и колесе. Электронные схемы, снабжаемые энергией стандартными способами, не в соответствии с пьезоэлектрической технологией, часто ограничены устройствами сверхнизкой мощности. Устройство в соответствии с изобретением не ограничено такими условиями. Это преимущество дополнительно позволяет расширить возможности электронных схем шины, так как потенциально может использоваться большее количество элементов и/или оборудование более высокого уровня.
Еще одно преимущество данного изобретения заключается в том, что предложенные система и способ генерирования энергии и ее использование могут иметь множество приложений. Возможности измерения, системы мониторинга и сигнализации, системы обратной связи транспортных средств и системы доступа могут быть использованы для грузовиков, самолетов и оборудования горной техники/экскаваторов.
В варианте осуществления изобретения узел пневматической шины с интегрированными элементами генерирования энергии содержит шину, пьезоэлектрическое устройство, устройство накопления энергии и блок электронных схем. Конструкция шины содержит корону, имеющую внешнюю часть протектора шины для контакта с поверхностью земли, части борта шины для посадки на обод колеса и боковые части шины между каждой частью борта шины и короной. Пьезоэлектрическое устройство предназначено для генерирования электрического заряда, когда конструкция шины подвергается механической деформации. Устройство накопления энергии подключено к пьезоэлектрическому устройству для приема и накопления заданных количеств электрического заряда, генерируемого в пьезоэлектрическом устройстве. Блок электронных схем подключен к устройству накопления энергии таким образом, что заданные элементы блока электронных схем снабжаются энергией, накопленной в устройстве накопления энергии.
В другом варианте осуществления изобретения блок электронных схем для интеграции с шиной содержит пьезоэлектрическое устройство, по меньшей мере один датчик и антенну. Пьезоэлектрическое устройство содержит по меньшей мере одну пьезокерамическую пластину и предназначен для генерирования в ней электрического заряда под действием механических сил. Указанный по меньшей мере один датчик снабжается энергией электрического заряда, генерируемого в пьезоэлектрическом устройстве, и определяет информацию о заданных характеристиках шины. Антенна подключена по меньшей мере к одному датчику для излучения сигналов РЧ, представляющих информацию о заданных характеристиках, которая в некоторых вариантах соответствует давлению и температуре. В некоторых вариантах осуществления устройство содержит микроконтроллер, энергия для которого генерируется в пьезоэлектрическом устройстве, подключенный по меньшей мере к одному датчику для обработки информации, принимаемой от датчика, и для генерации выбранной информации, соответствующей предварительно выбранным характеристикам шины. В дополнительных вариантах осуществления может использоваться РЧ передатчик для приема заданной информации от микроконтроллера, модулирования информации для сигнала несущей и передачи информации через антенну к удаленному приемнику.
Согласно еще одному варианту осуществления устройство содержит шину, множество пьезоэлектрических устройств и по меньшей мере одно устройство накопления энергии. Конструкция шины содержит корону, имеющую внешнюю часть протектора шины для контакта с поверхностью земли, части борта шины для посадки шины на обод колеса и боковые части шины между каждой частью борта шины и короной. Множество пьезоэлектрических устройств интегрировано на различных участках шины и имеют соответствующую конфигурацию для генерирования электрического заряда на шине, подвергнутой механической деформации. По меньшей мере одно устройство накопления энергии подключено к пьезоэлектрическим устройствам для приема электрического заряда и его накопления. В некоторых вариантах осуществления для каждого пьезоэлектрического устройства используется одно устройство накопления энергии. Одно или несколько устройств накопления энергии могут быть использованы для снабжения энергией централизованного модуля электронных схем или множества отдельных модулей.
В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления изобретения пьезоэлектрическое устройство/устройства могут быть реализованы в виде структуры волокнистых композиционных материалов с множеством пьезоэлектрических волокон, встроенных в матрицу из эпоксидной смолы. Пьезоэлектрическое устройство/ва может альтернативно содержать пьезокерамическую пластину, окруженную защитным корпусом и снабженную встроенными первым и вторым электрическими соединительными проводами для подключения к пьезокерамической пластине (например, через электроды). В других вариантах осуществления пьезоэлектрическое устройство/ва содержит слой пьезокерамического материала с соответствующими проводящими слоями (например, из алюминия или из нержавеющей стали), приклеенными на его противоположных сторонах полиимидным клеем (например, высокотемпературным термопластичным полиимидом). Пьезоэлектрические устройства иногда могут содержать множество пьезоэлектрических элементов, соединенных последовательно или параллельно. Указанное множество пьезоэлектрических элементов может также иметь конфигурацию с направлениями поляризации, которые находятся либо в фазе, либо в противофазе, и с модами смещения либо d33, либо d31.
Дополнительные цели и преимущества заявленного изобретения изложены ниже. Модификации и вариации изобретения могут практиковаться в различных вариантах осуществления изобретения, не выходя за рамки сущности и объема заявленных признаков.
Различные варианты осуществления могут включать в себя различные комбинации или конфигурации описываемых свойств, стадий или элементов или их эквивалентов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов его воплощения со ссылками на прилагаемые чертежи, в которых:
Фиг.1 изображает поперечное сечение конструкции пневматической шины с интегрированными электронными элементами и собственным источником энергии согласно изобретению;
Фиг.2А - общий вид первого варианта пьезоэлектрической структуры для использования с устройством генерирования энергии согласно изобретению;
Фиг.2В - общий вид второго варианта пьезоэлектрической конструкции для использования с устройством генерирования энергии согласно изобретению;
Фиг.2С - общий вид (в разобранном виде) третьего варианта пьезоэлектрической структуры для использования с устройством генерирования энергии согласно изобретению;
Фиг.3 - электрическую схему устройства генерирования энергии с модулем преобразования энергии согласно изобретению;
Фиг.4А - блок-схему интегрированных электронных блоков с собственным источником энергии, содержащих устройство генерирования энергии и электронные схемы шины, согласно изобретению;
Фиг.4В - блок-схему интегрированных электронных блоков с собственным источником энергии, содержащих устройство генерирования энергии и электронную систему шины, согласно изобретению;
Фиг.5 - блок-схему электронной системы шины согласно изобретению;
Фиг.6 - блок-схему удаленного приемника согласно изобретению;
Фиг.7А, 7В, 7С и 7D - общие виды множественных пьезоэлектрических элементов в комбинации для использования в устройстве генерирования энергии согласно изобретению;
Фиг.8А и 8В - пьезоэлектрические элементы, подключенные последовательно и параллельно, согласно изобретению;
Фиг.9А, 9В и 9С - различные конфигурации множественных пьезоэлектрических элементов, подключенных к одному или нескольким устройствам накопления энергии и одному или нескольким модулям электронных схем, согласно изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно изобретению предложены усовершенствованные система и способ для снабжения энергией электронных систем, интегрированных в структуру шины. В устройстве генерирования энергии используется пьезоэлектрическая технология преобразования механической деформации от прогиба шины в электрический ток, который затем преобразуется и сохраняется в устройстве накопления энергии. Достаточные количества такой энергии могут затем использоваться для питания электронных систем, которые обеспечивают идентификацию различных физических параметров шины, а также для питания радиочастотных (РЧ) устройств передачи.
Устройство генерирования энергии согласно изобретению содержит два элемента - пьезоэлектрическую структуру и модуль преобразования энергии. Различные аспекты пьезоэлектрических структур представлены на фиг.2А, 2В и 2С, и модуль преобразования энергии (с устройством накопления энергии) представлен на фиг.3. Дополнительные аспекты, связанные с конфигурациями одного или нескольких пьезоэлектрических элементов в устройстве генерирования энергии, показаны на фиг.7А-7D и на фиг.8А и 8В. Модуль преобразования энергии может предпочтительно использоваться для снабжения энергией электронных систем в узле шины или колеса. Пример системы электронных схем шины, включая датчики, микроконтроллер и РЧ передатчик, представлен на фиг.5. Аспекты взаимодействия между устройством генерирования энергии и электронной системой шины представлены на фиг.4А и 4В соответственно. Дополнительные аспекты взаимодействия между множественными пьезоэлектрическими элементами и одним или несколькими модулями электронных схем шины представлены на фиг.9А, 9В и 9С. Наконец, вариант осуществления удаленного приемника для получения информации, передаваемой от электронной системы шины, представлен на фиг.6.
Свойства, показанные или описанные как часть одного варианта осуществления изобретения, могут быть использованы в комбинации с аспектами другого варианта осуществления для получения других вариантов.
На фиг.1 представлено поперечное сечение узла 10 пневматической шины с интегрированными электронными элементами 12 и собственным источником энергии согласно изобретению. Устройство 14 генерирования энергии (УГЭ) предпочтительно сопряжено с электронными элементами, внешними по отношению к конструкции 16 шины, таким образом, что элементы электронных схем имеют собственный источник энергии в узле 10 шины.
Устройство генерирования энергии с пьезоэлектрическими материалами обеспечивает многочисленные преимущества по сравнению с известными способами генерирования энергии в узле шины. Способы использования энергии луча антенны, как указано выше, более не ограничивают снабжение энергией электронных схем шины. Поэтому функциональные возможности электронных схем шины возрастают. Использование батарей для генерирования энергии больше не является существенным, что позволяет избежать дорогостоящей и затруднительной замены батареи. Хотя описываемая в настоящее время технология предусматривает устройство генерирования энергии, которое позволяет использовать энергию антенны и батареи, следует понимать, что устройство генерирования энергии могло бы использовать гибридную комбинацию пьезоэлектрической технологии, и/или батарей, и/или антенны для снабжения энергией различных электронных элементов блока.
Типичная конструкция 16 шины содержит корону 15, которая поддерживает внешнюю часть 18 протектора шины, и боковины 20 шины, которые проходят к частям 22 борта шины. Боковины 20 обычно проходят между линиями 17 и 19 разреза, а корона 15 находится между двумя линиями 19 разреза. Борта 22 шины обычно сформированы таким образом, что конструкция 16 шины может быть эффективно посажена на обод колеса. Внутренняя прокладка из воздухонепроницаемого материала образует внутреннюю поверхность шины, включая внутреннюю поверхность 24 короны и внутренние поверхности 26 боковин. Каркас 23 проходит между бортами 22 через части 20 боковины и корону 15 и под давлением воздуха в камере шины определяет форму шины и передает силы для сцепления шины (с дорожной поверхностью) и управления рулем. Пояс 21 размещен обычно вдоль короны 15.
УГЭ 14 (фиг.1) может быть размещено на внутренней поверхности 24 короны шины. Это место хорошо подходит для активации пьезоэлектрического устройства в УГЭ 14, так как внешняя часть 18 протектора шины движется по поверхности земли и приводит к прогибу конструкции 16 шины. Прогиб шины, связанный с механическими вибрациями при движении шины по поверхности, позволяет пьезоэлектрическому устройству генерировать электрический ток, который затем преобразуется и накапливается в устройстве накопления энергии и предназначен для снабжения энергией электронных систем 12 шины. Хотя внутренняя поверхность 24 короны является предпочтительным местом для размещения устройства 14 генерирования энергии, следует понимать, что УГЭ 14 может быть также закреплено на внутренней поверхности 26 боковины шины. Это место обеспечит меньшую деформацию пьезоэлектрических элементов, но все же обеспечивает достаточное генерирование энергии для определенных электронных схем. Кроме того, УГЭ 14 могло бы быть закреплено, например, между каркасом 23 и внутренней прокладкой вдоль поверхностей 24 и/или 26. В соответствии с множеством возможных мест для УГЭ 14 следует понимать, что термин «интегрированный» обычно охватывает все возможные варианты, включая монтаж на шине или в ней.
УГЭ 14 обычно содержит два основных элемента - пьезоэлектрическое устройство и модуль преобразования энергии. Пьезоэлектрическое устройство подвергается механическим деформациям, вызванным вращением шины, что вызывает формирование заряда в одном или нескольких пьезоэлектрических элементах. Этот электрический заряд затем поступает в модуль преобразования энергии, где результирующий ток выпрямляется, преобразуется и накапливается для использования с мощными электронными схемами.
Пьезоэлектрическое устройство может быть выполнено из различных пьезоэлектрических материалов, включая, но не ограничиваясь ими, титанат бария, поливинилиденфторид (PVDF), кристаллы цирконат-титаната свинца (PZT) или волокна PZT. Конкретный тип пьезоэлектрического материала, который может использоваться в соответствии с указанным устройством генерирования энергии, является структурой известных пьезоэлектрических волокнистых композиционных материалов, раскрытых в патентах США №5869189 и 6048622. Пример таких активных волокнистых композиционных материалов (АВКМ), которые могут использоваться согласно изобретению, соответствует технологии марки «PiezoFlex» (Continuum Control Corporation).
Пьезоэлектрическая структура 28 (фиг.2А) (АВКМ) содержит множество пьезоэлектрических волокон 30, которые однонаправленно выровнены для обеспечения активации и жесткости структуры 28. Волокна 30 окружены матрицей 32 из эпоксидной смолы или полимера, которая обеспечивает устойчивость к деформации через механизмы передачи нагрузки. Пьезоэлектрические волокна имеют общее направление 34 поляризации сегнетоэлектрика, поперечное к их параллельному осевому расположению.
Электродные слои предпочтительно расположены на отдельных подложках вдоль двух противолежащих поверхностей матрицы из волокон/эпоксидной смолы для электрического ввода и вывода на структуру 28. В соответствии с указанным вариантом осуществления электродные слои 36 имеют конфигурацию с встречно-штыревым расположением с чередующейся от пальца к пальцу полярностью. Такие электродные слои 36 со встречно-штыревой конфигурацией могут быть вытравлены на отдельных слоях подложки (из полиимида или сложного полиэфира) с использованием известных способов трафаретной печати проводящих чернил, таких как загруженная серебром эпоксидная смола. Выравнивание встречно-штыревой электродной конфигурации обеспечивает повышение направленности электромеханической реакции структуры 28, а также обеспечивает относительно высокие коэффициенты заряда и связи. Величина матрицы 32 из смолы между электродами 36 и волокнами 30 предпочтительно минимизирована для достижения большей производительности.
Ориентация волокон в структуре 28 активных волокнистых композиционных материалов (АВКМ) относительно конструкции шины является фактором конкретного проектирования в соответствии с рассматриваемой технологией. При ориентации волокон вдоль кругового направления шины пьезоэлектрические волокна подвержены высоким деформациям растяжения, но низким деформациям сжатия. Ориентация направления волокон вдоль радиального направления шины обеспечивает формирование первичной энергии с радиальными деформациями. При такой ориентации меньше вероятность нарушения волокон, но потенциально более высокая чувствительность к компрессионному уменьшению электрической поляризации волокон. Таким образом, ориентация пьезоэлектрической структуры устройства генерирования энергии является радиальной по сравнению с круговым расположением вдоль вершины шины и может быть определена на основе размера пьезоэлектрической структуры и конкретной деформации шины, которой она будет подвергнута. Оптимальное размещение и ориентация пьезоэлектрической структуры 28 АВКМ может основываться на таких факторах, как требуемая максимальная мощность на цикле шины, максимальные деформации растяжения и сжатия вдоль радиальных направлений крепления по сравнению с круговыми направлениями крепления и однородность деформаций по структуре 28 АВКМ в заданные моменты времени.
Возможны различные варианты пьезоэлектрической структуры 28 АВКМ, такие как указанный вариант (фиг.2А), для получения различных характеристик. Например, пьезоэлектрические волокна могут представлять собой множество различных PZT материалов, включая PZT 5A, PZT 5H, PZT 4, PZT 8 и PMN-33PT. В другом варианте конструкция соответствует диаметру 38 пьезоэлектрических волокон, который обычно может находиться в диапазоне от около 0,003 дюйма (мил) до около 15 мил. Другие конкретные размеры, которые могут быть разработаны для конкретных приложений, включают ширину 40 и шаг 42 пальцев электродов во встречно-штыревых слоях 36. В качестве примера ширина 40 пальца электрода составляет около двадцати пяти мил, а диапазон шага 42 электродов составляет от около 20 мил до около 100 мил. Конкретный пример всей пьезоэлектрической структуры 28 (АВКМ) согласно изобретению содержит встречно-штыревые электроды с шагом пальцев электродов в 45 мил и PZT-5A пьезоэлектрические волокна диаметром 10 мил.
Согласно дополнительным вариантам воплощения изобретения пьезоэлектрическая структура для использования в устройстве генерирования энергии имеет определенные размеры и изготовлена путем пьезоэлектрической склейки для интеграции в структуру шины. Предположим, что УГЭ содержит пьезоэлектрическое устройство, закрепленное по кругу вдоль вершины шины вдоль интегрированного модуля преобразования энергии. УГЭ предпочтительно размещено в дополнительном резиновом или эластомерном корпусе или установлено на резиновой или стеклотекстолитовой подложке при приклеивании к внутренней части шины для дополнительной защиты. Резиновый корпус или подложка дополнительно обеспечивает легкость при приклеивании УГЭ к шине.
Обычно длина пьезоэлектрической склейки не ограничена, однако тестирование показало, что склейки длиной более 70 мм разрушаются. Максимальная ширина около 80 мм может быть использована в некоторых случаях. Максимальная толщина пьезоэлектрической склейки (без модуля преобразования энергии) составляет около 700 микрометров, а максимальная масса около 20 граммов (включая пьезоэлектрическую склейку и модуль преобразования энергии) желательна в некоторых случаях. Чтобы приклеить пьезоэлектрическую склейку к резине внутренней части шины, склейка должна выдержать около 170°С в течение около 30 минут при давлении около 20 бар и также выдержать около 150°С в течение около 60 минут при давлении около 20 бар. Эти конкретные ограничения могут изменяться с появлением соответствующих материалов и технологий склеивания. Кроме того, УГЭ согласно изобретению должно выдерживать рабочие условия от около -40°С до около 125°С, при максимальной скорости шины около 160 км/ч и долговечности либо десять лет, либо семьсот тысяч миль.
3
Еще один тип пьезоэлектрической склейки, который может быть использован в УГЭ 14 согласно изобретению, соответствует твердым пьезокерамическим пластинам. Такими пьезокерамическими пластинами могут быть структуры из одного кристалла или поликристаллические структуры, включающие в себя, но не ограниченные ими, пластины из поликристаллических сегнетоэлектрических материалов, таких как титанат бария (BaTiO) и цирконат-титанат свинца (PZT).
На фиг.2В показан более конкретный вариант выполнения пьезоэлектрического устройства 28' для использования в устройстве 14 генерирования энергии. Пьезоэлектрическое устройство 28' содержит одну или несколько пластин, расположенных униморфно, биморфно или в виде стопки/сэндвича и упакованных в защитную оболочку 108. Униморфное расположение обычно соответствует одной модульной части (т.е. слою) пьезокерамического материала, которая может быть связана с неактивной подложкой. Биморфное расположение обычно соответствует двум модульным частям (т.е. слоям) пьезокерамического материала, которые связаны с противоположными сторонами центрального слоя металлической прокладки, а расположение в виде стопки, или сэндвича, соответствует нескольким пьезоэлектрическим элементам, примыкающим друг к другу и связанным друг с другом. Биморфное расположение и расположение в виде стопки может дать более высокий уровень генерированного заряда в зависимости от величины механического смещения, чем униморфные расположения.
Защитный корпус 108, в котором может быть размещена одна или несколько пьезокерамических пластин, может служить в качестве электрической изоляции для пьезокерамических пластин, также как защитой от влажности и грубых загрязнителей. В некоторых вариантах реализации пьезокерамические пластины могут содержать специфические PZT материалы, такие как PZT-5A и/или PZT-5H. Распределенные электроды 110 могут быть выполнены из никеля и могут быть расположены на верхней и нижней поверхностях блока для подключения к предварительно присоединенным первому и второму электрическим соединительным проводам 112 и 114 соответственно. Штыревые контакты для подключения к соединительным проводам 112 и 114 могут быть доступны через соединительный элемент 120. Дополнительные штыревые контакты в соединительном элементе 120 могут обеспечивать электрические соединения 116 и 118 для поляризации пьезокерамического элемента (элементов) в пределах пьезоэлектрического устройства 28'. Пьезоэлектрическое устройство, которое может использоваться в заявленном изобретении, соответствует технологии марки «QuickPack» (например, ACX QuickPack-PowerAct QP15W) (Midé Technology Corporation).
TM
Еще один пример пьезоэлектрического устройства для использования в устройстве генерирования энергии представлен на фиг.2С - элемент 28'', который содержит множественные слои, расположенные в виде стопки, причем отдельные материалы уложены слоями один поверх другого. Первый слой в слоистом композиционном материале, содержащем пьезоэлектрический элемент 28'', соответствует металлическому слою подложки 121, например слою нержавеющей стали. Последующие адгезивные слои 122 расположены вокруг внутреннего слоя 124 пьезоэлектрического материала. Пьезоэлектрический слой 124 может представлять собой в некоторых вариантах осуществления пьезокерамический материал, такой как PZT. Адгезивные слои 122 могут содержать полиимидный материал или, более конкретно, высокотемпературный термопластичный полиимид (например, материал марки LaRC-SI, разработанный NASA's Langley Research Center). Верхний слой 126 пьезоэлектрического элемента 28'' содержит металлический материал, такой как алюминий. Множественные слои могут быть соединены вместе путем помещения всего узла в автоклав, в котором множественные слои нагревают, сжимают вместе, обеспечивают сварку, а затем охлаждают до комнатной температуры. Когда пьезоэлектрический элемент 28'' начинает охлаждаться, слой 121 подложки, который связан с пьезокерамическим слоем 124, удерживает пьезокерамический слой 124 в сжатом состоянии, тогда как он сам находится в постоянном состоянии растяжения. Это предварительное напряжение может вызвать предельное формирование пьезоэлектрического устройства в слегка изогнутую конфигурацию и обеспечивает возможность приложения гораздо более высокого уровня механической нагрузки, чем стандартные пьезоэлектрические устройства, без разрушения.
Конкретный пример пьезоэлектрического устройства, представленный на фиг.2С, соответствует технологии марки «THUNDER» (например, Face Thunder Actuator 6R), которая предлагается на продажу Face International Corporation. Продукты THUNDER обычно соответствуют устройствам Thin Layer Unimorph Ferroelectric Driver and Sensor (тонкослойный униморфный сегнетоэлектрический драйвер и датчик), которые выполнены из множественных слоев материала, удерживаемых вместе в упаковке типа «сэндвич» с большой силой связывания материалов, для обеспечения внутренних предварительных напряжений. Адгезивные слои 122 пьезоэлектрического элемента 28'' удерживают различные слои устройства вместе несмотря на относительно высокие внутренние напряжения, которые создаются при изготовлении устройства.
Следует понимать, что могут быть реализованы варианты пьезоэлектрических устройств для использования с устройством генерирования энергии и что такие варианты находятся в пределах сущности и объема настоящего изобретения. Хотя пьезоэлектрические элементы, представленные здесь, являются прямоугольными по форме, следует понимать, что могут также использоваться пьезоэлектрические элементы различных форм, круговые, квадратные или иные. Дополнительные модификации геометрии, размеров, типа материала и т.д. пьезоэлектрических элементов находятся в пределах объема изобретения.
3
Дополнительные аспекты, которые могут быть реализованы согласно изобретению, касаются комбинации множественных пьезоэлектрических элементов. На фиг.7А-7D представлены варианты расположения множественных элементов 130 вертикально внутри шины. Хотя в каждой конфигурации показаны только два пьезоэлектрических элемента 130, следует понимать, что может быть использовано более двух пьезоэлектрических элементов. Пьезоэлектрические элементы 130 могут соответствовать однокристаллическим или поликристаллическим пьезокерамическим пластинам, включающим, но не ограничивающимся этим, пластины из поликристаллических сегнетоэлектрических материалов, таких как титанат бария (BaTiO) и цирконат-титаната свинца (PZT). Между смежными пьезоэлектрическими элементами 130 может быть обеспечен центральный слой проводящей прокладки.
Различные конфигурации, показанные на фиг.7А-7D, иллюстрируют различные режимы поляризации и смещения для комбинированных пьезоэлектрических элементов 130. Более короткие стрелки 132 и 134 в пределах каждого пьезоэлектрического элемента 130 представляют направление поляризации в каждом пьезоэлектрическом элементе от положительного к отрицательному электроду поляризации, к которому могло бы быть приложено высокое напряжение постоянного тока во время изготовления пьезоэлектрических элементов 130. Все указанные пьезоэлектрические элементы 130 характеризуются векторами 132 и 134 поляризации, которые обычно параллельны трем осям. На фиг.7В и 7D представлены конфигурации с обоими пьезоэлектрическими элементами 130, имеющими векторы поляризации, которые противоположны, или не в фазе. Пьезоэлектрические конфигурации на фиг.7А и 7В находятся в режиме d33, в котором силы смещения (представленные стрелками 136) соответствуют растяжению в том же направлении, что и электрическое поле и направление поляризации. Пьезоэлектрические конфигурации на фиг.7С и 7D находятся в режиме d31, в котором силы смещения (представленные стрелками 138) соответствуют сжатию, перпендикулярному к электрическому полю и направлению поляризации.
Конфигурации на фиг.7А-7D представляют примеры того, как много пьезоэлектрического материала может быть обеспечено в заданном поле деформации с той же опорной поверхностью, что и у одного пьезоэлектрического элемента. Такое расположение имеет потенциал для выдачи большего выхода энергии для каждого вращения узла шины или колеса при прохождении пьезоэлектрического элемента/ов через область контактной склейки.
Пьезоэлектрические элементы 140 могут быть подключены последовательно (фиг.8А), параллельно (фиг.8В) или в комбинации, когда комбинируются более двух пьезоэлектрических элементов. Последовательное соединение пьезоэлектрических элементов 140 (фиг.8А) обеспечивает обычно выход с более высоким напряжением и более низким током, чем для одного пьезоэлектрического элемента. Такая конфигурация может быть особенно полезной для детектирования оборотов шины при прохождении пьезоэлектрического элемента через контактную склейку узла шины или колеса. Параллельное соединение пьезоэлектрических элементов 140 (фиг.8В) обеспечивает выход с более низким напряжением и более высоким током, который может быть особенно полезным для накопления энергии. Такая конфигурация помогает уменьшить утечки энергии и может упростить электронные схемы преобразования энергии. Пьезоэлектрические элементы 140 могут быть выполнены как пьезоэлектрические элементы 28, 28' и 28''(фиг.2А, 2В и 2С) или как элементы 130 (фиг.7А-7D).
Вторым основным элементом устройства 14 является модуль преобразования энергии (фиг.3). Основная функция модуля преобразования энергии согласно изобретению состоит в выпрямлении, преобразовании и накоплении электрического заряда, который генерируется в пьезоэлектрической структуре 140. Модули преобразования энергии могут быть спроектированы для различных электронных схем. В соответствии с вариантом осуществления системы мониторинга шины, раскрытой в данном описании, модуль преобразования энергии (фиг.3) разработан согласно требованиям динамической энергии, т.е. выход 44 напряжения составляет около 5 В, максимальная пульсация выходного напряжения 44 находится в пределах +10 мВ, минимальный рабочий цикл выходного напряжения 44 составляет около 60 с, и максимальный рабочий цикл выходного напряжения 44 составляет около 5 с. Дополнительные требования, в которых работает модуль преобразования энергии, соответствуют максимальному требованию энергии для электронной системы около 4 мДж и времени, в течение которого электронная система может работать, от около 25 мс до около 200 мс.
Один или несколько пьезоэлектрических элементов 140 подключены параллельно к выпрямителю, например к полномостовому выпрямителю 46. Альтернативные конфигурации выпрямителя могли бы соответствовать удваивающему выпрямителю или N-стадийному умножителю напряжения. Выпрямленный сигнал от выпрямителя 46 сохраняется в электролитическом конденсаторе 48. Пример электролитического конденсатора 48 для применения в модуле преобразования энергии соответствует танталовому конденсатору серии Panasonic TEL с емкостью около 47 мкФ. Другие электролитические конденсаторы подходят для использования в качестве элемента накопления для модуля преобразования энергии. Другие элементы накопления энергии, такие как перезаряжаемые батареи или суперконденсаторы, могут обеспечить подходящую альтернативу в определенных случаях в качестве устройства накопления энергии для модуля преобразования энергии.
После того как достаточное количество энергии было накоплено в электролитическом конденсаторе 48, полевой транзистор 50 действует как переключатель для передачи накопленной энергии в стабилизатор 52 напряжения. Примером стабилизатора напряжения для использования в описываемом варианте осуществления является двухрежимный пятивольтовый программируемый микромощный стабилизатор напряжения марки MAX666 (Maxim Integrated Products). Такой стабилизатор напряжения идеально подходит для электронных систем, которые могут иметь системы, снабжаемые энергией от батареи, и эффективно преобразуют напряжение через конденсатор 48 в отрегулированное выходное напряжение 44 в 5 В. Модуль преобразования энергии дополнительно содержит полевой транзистор 54 ДМОП-структуры и стабилитрон 56.
Первоначально транзисторы 50 и 54 выключены, и заземление на стоке транзистора 54 плавает таким образом, что не обеспечивается выходное напряжение 44. Когда конденсатор 48 заряжается до достаточного уровня напряжения (определяемого стабилитроном 56 и переходом база-эмиттер транзистора 50), транзистор 50 включается, активируя транзистор 54 и запирая транзистор 50. В этой точке конденсатор 48 может разряжаться, обеспечивая регулируемый выход 44 в 5 В к системе электронных схем. Когда электронные схемы, на которые подается выходное напряжение 44, закончили полезную работу, электронная система посылает сигнал обратно по линии 58 через резистор 60 и конденсатор 62 для выключения полевого транзистора 50 (FET) и деактивации транзистора 54, чтобы энергия вновь накапливалась на конденсаторе 48.
Энергия, генерируемая устройством 14, может быть приложена к множеству различных электронных систем шины. Hа фиг.4А и 4В представлены варианты взаимодействия между устройством 14 и электронной системой 12.
dd
ss
Согласно фиг.4А энергия может накапливаться в устройстве 14 накопления энергии (например, в конденсаторе 48), пока достаточный заряд не будет получен для выполнения функций в электронной системе 12. Между циклами энергии электронная система 12 остается без энергии, т.е. активация электронной системы 12 управляется скоростью, при которой энергия накапливается в устройстве 14 накопления энергии. Когда достаточная энергия накапливается в устройстве 14 (фиг.3), напряжение питания «V» и напряжение заземления «V» устанавливаются в линиях 64 и 66. Электронная система 12 возвратит «активный» сигнал по линии 58, что указывает, что электронные схемы в электронной системе 12 в данный момент функционируют. Когда электронные схемы в электронной системе 12 завершат свои задания, «активный» сигнал становится низким, и устройство 14 накопления энергии переходит в режим накапливания энергии. Этот цикл будет повторяться, пока узел шины вращается с заданной скоростью или выше, которая обычно составляет около 20 км/ч.
dd
ss
Устройство 14 непрерывно подает напряжения питания «V» и заземления «V» для электронной системы 12 совместно с сигналом «Fuel Gage» (датчика топлива), представляющим собой величину энергии, накопленной в устройстве 14. Когда энергия подается на электронную систему 12, микропроцессор может периодически включаться контролировать сигнал датчика топлива. Если в устройстве 14 накопления энергии накоплено достаточное количество энергии, то электронная система 12 будет выполнять определенное задание. Если достаточного количества энергии не накоплено, то электронная система 12 перейдет в режим низкой энергии, где она потребляет меньше 1 мА энергии. Сигнал датчика топлива после этого периодически проверяется, пока накопление энергии не будет достаточным. Этот цикл ожидания накопления достаточной энергии, вовлечения в определенное задание и возврат в режим низкой энергии повторяется непрерывно, пока шина вращается при заданной пороговой скорости или выше.
Электронная система 12 содержит множество различных электронных блоков в зависимости от того, какие данные должны быть получены. В конкретном примере электронная система 12 предназначена для мониторинга шины, в частности для измерения температуры и давления в пределах конструкции шины и направления результатов посредством радиочастотного передатчика 68 к удаленному приемнику. Пример модулей передатчика и приемника соответствует: UHF FM для передатчика и для приемника - марки TX2 и RX2 (Radiometrix Ltd).
dd
ss
Сигнал мощности 5 В «V», сигнал заземления «V» и либо «Active», либо «Fuel Gage» сигнал передаются от устройства 14 к микроконтроллеру 70. В качестве подходящего микроконтроллера может быть микроконтроллер PIC16LF876 28-pin CMOS RISC (Microchip). Микроконтроллер 70 активируется, когда энергия подается в линию 64, и затем подает энергию к датчику 72 температуры и к датчику 74 давления (а также к любым дополнительным датчикам и соответствующим электронным устройствам в электронной системе 12). В качестве датчика 72 температуры для использования в устройстве можно указать датчик с одним источником питания LM50 SOT-23 (National Semiconductor). В качестве датчика 74 давления используется установленный на плате датчик давления модели 1471 PC (ICSSensors and Measurement Specialties Inc). Дополнительные датчики 76, 78 и 80 могут измерять дополнительные характеристики шины или соответствующего узла колеса.
Еще один элемент электронной системы 12 (фиг.5) представляет собой перезаряжаемую батарею 81, которая может быть использована для накопления электрического заряда, генерируемого пьезоэлектрической структурой 28, и накопления дополнительной энергии для интегрированных электронных схем шины. Энергия в батарее 81 может храниться в течение гораздо большего времени, чем в других устройствах, таких как конденсатор 48. Энергия в батарее 81 может быть предназначена для микроконтроллера 70, когда пьезоэлектрическое устройство генерирует недостаточно энергии. Такая ситуация имеет место, когда транспортное средство является неподвижным или когда шины удалены с транспортного средства. Накопленная энергия может быть необходимой для снабжения энергией электронной системы 12, когда бригада на земле проверяет давление воздуха в неподвижных шинах на коммерческом авиалайнере. Батарея 81 может обеспечить энергией электронную систему 12 таким образом, что информация для управления материально-производственными запасами шин или новых покрышек доступна, когда шина удалена с транспортного средства.
Микроконтроллер 70 предпочтительно содержит в себе аналого-цифровой (A/Ц) преобразователь, который принимает информацию от датчиков 72-80 соответственно и преобразует ее в цифровые сигналы. Микроконтроллер 70 также содержит память, предпочтительно энергонезависимое ЭСППЗУ, которое сохраняет уникальную метку идентификации, которая обеспечивает достаточную информацию для идентификации узла шины или колеса. Такая идентификация может быть особенно полезна при отслеживании шин и транспортных средств в парках грузовых автомобилей, самолетах. После того как информация с датчиков 72-80 поступает на микроконтроллер 70 и преобразуется в цифровую информацию, микроконтроллер 70 предпочтительно перекрывает поступление энергии к датчикам и направляет энергию к РЧ передатчику 68 по линиям 82 и 84. Оцифрованная информация затем передается на линию 86 данных для РЧ передатчика 68, где данные модулируются сигналом несущей и передаются через антенну 88 к приемнику.
Транспортное средство, в котором используются блоки с электронными устройствами с собственным источником энергии, согласно изобретению содержит один приемник для получения передаваемой беспроводным образом информации для каждого узла шины. На фиг.6 представлена блок-схема примерной конфигурации 90 удаленного приемника согласно изобретению. Антенна 92 приемника обеспечивает прием информации, передаваемой от каждого узла колеса, и передает эту информацию к РЧ приемнику 94, где принимаемая информация демодулируется из сигнала несущей и подается в линию 96 для процессора 98 сигналов. Сигнал детектирования несущей также поступает от РЧ приемника 94 к процессору 98 сигналов по линии 100. Данные, выдаваемые РЧ приемником 94, и сигнал детектирования несущей предпочтительно перемножаются в процессоре 98 таким образом, что из сигнала исключается ложный шум. Этот сигнал с уменьшенной вероятностью ошибки затем направляется в схему драйвера, которая преобразует цифровой сигнал в сигнал с уровнями напряжения, подходящими для передачи через RS232 интерфейс 102 к главному компьютеру 104. Программное обеспечение эмуляции терминала предпочтительно обеспечено в главном компьютере 104 таким образом, что данные, принятые через RS232 интерфейс 102, преобразуются в информацию на считываемом модуле, легко используемую конечным пользователем.
Другие электронные устройства, отличающиеся от устройств, раскрытых в данном описании, также могут быть использованы. Например, может быть желательно передавать другую информацию, отличающуюся от температуры, давления и идентификации к удаленному месту. Например, это могут быть: число оборотов шины, величина отклонения шины и скорость транспортного средства. В патенте США №5749984 раскрыты другие аспекты системы мониторинга шины. Электронная система шины может быть соединена с системой глобального позиционирования (GPS) для точного указания точного местоположения транспортного средства. Пьезоэлектрическое устройство может быть альтернативно использовано для снабжения энергией легких узлов или систем обратной связи в узле колеса. Число приложений электронных схем огромно и не должно ограничивать предмет изобретения.
Указанные система и способ генерирования электрической энергии не ограничены одним устройством генерирования энергии и одним модулем электронных схем на узел шины или колеса. Различные примерные комбинации свойств представлены для потенциального включения в шину или соответствующий узел колеса (фиг.9А, 9В, 9С).
Узел шины или колеса содержит множественные пьезоэлектрические элементы 140. Такие пьезоэлектрические элементы 140 могут быть размещены в непосредственной близости друг к другу в шине или колесе или могут бать распределены по всей шине или колесу. Пьезоэлектрические элементы 140 могут в некоторых вариантах осуществления содержать конкретные пьезоэлектрические элементы 28, 28' и 28'' или в других вариантах осуществления - пьезокерамические пластины, такие как элементы 130. Каждый пьезоэлектрический элемент 140 (фиг.9А) генерирует энергию при прохождении через контактную склейку узла шины или колеса, к которому он прикреплен.
Пьезоэлектрические элементы 140 могут подключаться последовательно или параллельно, при этом они связаны с центральным модулем 142 накопления энергии. Модуль 142 накопления энергии содержит схему преобразования энергии (фиг.3), включая устройство накопления энергии, например конденсатор или батарею для хранения энергии, генерируемой соответствующими пьезоэлектрическими элементами 140. Модуль 142 накопления энергии дополнительно подключен к электронному модулю, например к электронной системе 12, так что электронные схемы могут принимать энергию, накопленную модулем 142 накопления энергии.
Распределенные пьезоэлектрические элементы 140 (фиг.9В и 9С) могут быть подключены последовательно или параллельно, причем каждый из них связан с локальными модулями 142 накопления энергии. Каждый модуль 142 накопления энергии содержит схемы преобразования энергии, включая устройство накопления энергии, такое как конденсатор или батарея для накопления энергии, генерируемой соответствующими пьезоэлектрическими элементами 140. Множественные модули 142 (фиг.9В) накопления могут быть подключены последовательно или параллельно для доставки энергии к центральному модулю электронных схем, такому как электронная система 12, так что электронные схемы могут принимать энергию, накопленную модулями 142 накопления энергии. Альтернативно, каждый из множества модулей 142 (фиг.9С) накопления энергии может доставлять энергию к соответствующему локальному модулю электронных схем, например электронной системе 12. Множество локальных модулей электронных систем 12 может быть распределено в различных местах по всей шине или колесу и может выполнять аналогичные функции или может иметь конфигурацию для выполнения различных функций, таких как измерение различных параметров в различных местах.
Хотя был подробно описан конкретный вариант воплощения изобретения, имеются эквиваленты для указанных вариантов осуществления.