DE102008035498A1

DE102008035498A1 - Reifenmodul mit piezosensitivem Sensor

Info

Publication number: DE102008035498A1
Application number: DE102008035498A
Authority: DE
Inventors: Stefan Kammann
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2009-03-05
Also published as: WO2009027424A1; US8291754B2; WO2009027423A1; US20110113876A1; DE102008035486A1

Abstract

Reifenmodul (7) zur Erfassung von Reifenzustandsgrößen, welches an einer Innenseite eines Reifens (1) in einem Bereich, welcher bei einem Latschdurchlauf (5, 6) verformt wird, befestigt ist und welches mindestens ein Trägermittel (12), auf welchem mindestens ein elektronisches Bauelement (13) angeordnet ist, und mindestens einen piezosensitiven Sensor (14, 32, 44) umfasst, wobei der piezosensitive Sensor (14, 32, 44) derart angeordnet ist, dass er bei einer Verformung des Reifens (1) bei einem Latschdurchlauf (5, 6) zumindest teilweise verformt wird, und wobei die Verformung des piezosensitiven Sensors (14, 32, 44) zur Bestimmung mindestens einer Latschkenngröße (4, 5, 6, L) herangezogen wird, und wobei das Reifenmodul (7) mindestens eine Batterie (10) zur zumindest teilweisen Energieversorgung des mindestens einen elektronischen Bauelementes (13) umfasst, sowie Verwendung des Reifenmoduls.

Description

Die Erfindung betrifft ein Reifenmodul gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie dessen Verwendung in einem Reifendrucküberwachungssystem.
In modernen Kraftfahrzeugen werden vermehrt Vorrichtungen eingesetzt, die Defekte und Fehlfunktionen verschiedener Bereiche im Kraftfahrzeug frühzeitig erkennen und dem Fahrer melden. Dazu gehört beispielsweise die Erfassung des Reifenluftdrucks, um Defekte oder Unfälle, welche auf einen zu niedrigen Reifenluftdruck zurückzuführen sind, zu vermeiden. Bei vielen der bereits für diesen Zweck eingesetzten Systeme ist jeweils ein Reifenmodul an jedem Rad, insbesondere im Inneren des Reifens, angeordnet. Das Reifenmodul umfasst meist zumindest einen Sensor zur Erfassung des Reifenluftdrucks, gegebenenfalls eine zugeordnete Auswerteelektronik sowie eine Sendeeinheit zur Übertragung des Reifenluftdrucks an eine Zentraleinheit am Fahrzeug.
Im Inneren des Reifens im Bereich der Lauffläche angeordnete Reifenmodule sollten möglichst leicht sein, da sie sonst durch die im Reifen auftretenden Kräfte zerstört werden oder eine Unwucht des Reifens erzeugen. Daher werden in solche Reifenmodule so wenig als nötig Elemente integriert. Es ist daher bekannt, in einem im Inneren des Reifens angeordneten Reifenmodul ein piezoelektrisches Element anzuordnen, welches sowohl zur Erkennung der Reifenumdrehung als auch zur Energieversorgung des Reifenmoduls benutzt wird.
So offenbart die DE 44 02 136 A1 ein System zur Bestimmung der Betriebsparameter von Fahrzeugreifen, bei dem im Fahrzeugreifen integriert eine Trägereinheit angeordnet ist, welche eine Sensoreinheit mit mindestens einem Detektor und eine Auswerteelektronik trägt. Auf dem Trägerkörper ist ein zur Energieversorgung der Systemkomponenten dienendes piezoelektrisches Element angeordnet, das zugleich als Sensor für die Reifenumdrehung dient. Das System ist in den Reifengummi integriert, so dass aufgrund des piezoelektrischen Effektes aufgrund der sich im Reifengummi zyklisch ändernden hydrostatischen Druckspannungen elektrische Energie gewonnen wird.
Die DE 10 2004 031 810 A1 beschreibt einen Sensortransponder mit einem piezoelektrischen Element, welcher in einem Fahrzeugluftreifen angeordnet ist, wobei das piezoelektrische Element an der Reifeninnenseite dem Laufstreifen gegenüberliegend angeordnet ist. Das Signal des piezoelektrischen Elements wird dabei zur Bestimmung der Raddrehzahl verwendet und das piezoelektrische Element liefert die gesamte Energie zur Versorgung der elektronischen Komponenten des Sensortransponders sowie zur Datenübertragung.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Reifenmodul mit einem piezoelektrischen Element zur Anbringung im Inneren eines Reifens im Bereich der Lauffläche bereitzustellen, welches nicht auf die Energieversorgung durch das piezoelektrischen Element angewiesen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Reifenmodul gemäß Anspruch 1 gelöst.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, in einem Reifenmodul, welches an einer Innenseite eines Reifens im Bereich der Lauffläche befestigt ist und mindestens ein piezosensitives Element, welches bei einer Verformung des Reifens bei einem Latschdurchlauf ebenfalls verformt wird, wobei diese Verformung zur Bestimmung einer Latschkenngröße ausgewertet wird, und ein Trägermittel, auf welchem mindestens ein elektronisches Bauelement angeordnet ist, umfasst, mindestens eine Batterie zur zumindest teilweisen Energieversorgung des Reifenmoduls anzuordnen.
Unter dem Begriff „piezosensitives Element" oder „piezosensitiver Sensor" soll erfindungsgemäß ein Element/Sensor verstanden werden, welches/welcher empfindlich auf Druck bzw. Verformung ist und piezoelektrische oder piezoresistive Eigenschaften besitzt.
Der Begriff „Latschkenngröße" beschreibt erfindungsgemäß eine Kenngröße, welche für den Latsch charakteristisch ist. Darunter kann z. B. eine Kenngröße, welche die Größe oder die Form des Latschs charakterisiert, z. B. die Latschlänge oder die Latschzeit.
Bevorzugt wird das piezosensitive Element ausschließlich als Sensorelement zur Bestimmung der Latschkenngröße verwendet. Entsprechend sind ein oder mehrere Batterien bevorzugt die einzige Energieversorgungsquelle des Reifenmoduls. Wird der piezosensitive Sensor, insbesondere ein piezoelektrischer Sensor, ausschließlich als Sensorelement, und nicht zur Energieversorgung, eingesetzt, so ist die Positionierung des Reifenmoduls im Reifen weniger kritisch, da nicht darauf geachtet werden muss, dass die Einbauposition eine geeignete Verformung des Elementes zur kontinuierli chen und ausreichenden Energieversorgung des Reifenmoduls gewährleistet.
Bei dem Trägermittel handelt es sich bevorzugt um eine Leiterplatte, auf welcher besonders bevorzugt alle elektronischen Bauelemente des Reifenmoduls angeordnet und/oder mit welcher alle elektronischen Bauelemente des Reifenmoduls verbunden sind. So muss keine weitere Leiterplatte im Reifenmodul angeordnet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem piezosensitiven Sensor um einen piezoresistiven Sensor. Dieser umfasst eine Spannungsversorgung oder ist mit einer Spannungsversorgung verbunden. Besonders bevorzugt umfasst der piezoresistive Sensor eine piezoresistive Messbrücke mit zumindest einem Piezo-Widerstand. Derartige Messbrücken sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Aus einem Ausgangsspannungssignal des piezoresistiven Sensors wird dann die Latschkenngröße bestimmt. Piezoresistive Elemente bzw. Sensoren (Messbrücken) bieten den Vorteil, dass sie klein und kostengünstig hergestellt werden können. Ganz besonders bevorzugt ist der Piezo-Widerstand oder der piezoresistive Sensor (Messbrücke) direkt auf der Leiterplatte als Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) ausgeführt. Hierdurch werden eine Verkleinerung des Reifenmoduls sowie eine Reduktion der Herstellungskosten erreicht.
Im Falle eines piezoresistiven Sensors versorgt die Batterie des Reifenmoduls bevorzugt auch den piezoresistiven Sensor mit elektrischer Energie. So ist keine weitere Batterie notwendig.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der piezoresistive Sensor eine piezoresistive Messbrücke in Form einer Wheatstoneschen Brücke, wobei mindestens ein Widerstand als piezoresistives Element ausgeführt ist, dessen Widerstand sich bei Latschdurchlauf auf Grund einer Verformung verändert (Messwiderstand). Die Wheatstoneschen Brücke umfasst besonders bevorzugt insgesamt vier Widerstände, wobei mindestens ein Widerstand als piezoresistives Element ausgeführt ist.
Bevorzugt wird das Ausgangssignal des piezoresistiven Sensors durch einen Verstärker verstärkt und durch einen A/D-Wandler digitalisiert. Das digitale Signal kann dann einfach in einem Mikrocontroller oder einem Rechenwerk ausgewertet werden, um z. B. die Latschkenngröße zu bestimmen.
Alternativ ist es bevorzugt, das Ausgangssignal des piezoresistiven Sensors durch einen Komparator mit nachgeschaltetem Mikrocontroller oder Rechenwerk auszuwerten. Bei der Auswertung mit Hilfe eines Komparators ist kein A/D-Wandler notwendig.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem piezosensitiven Sensor um einen piezoelektrischen Sensor, wobei aus einem Ausgangsspannungssignal des piezoelektrischen Sensors die Latschkenngröße bestimmt wird. Bei der Ausbildung des Latsch-Sensors als piezoelektrischem Sensor ist es, im Unterschied zur Ausbildung als piezoresistivem Sensor, vorteilhaft, dass keine Spannungsversorgung des Sensors notwendig ist. So entfallen entsprechende Kontaktierungen und der Stromverbrauch des Reifenmoduls wird minimiert. Auch ist mit einem piezoelektrischen Sensor einfach eine Aktivierung des Reifenmoduls bei Anfahren des Fahrzeugs (sogenannte „Wake-up"-Funktion) realisierbar, da mit Latschein- oder austritt eine Piezospannung erzeugt wird.
Bevorzugt wird aus einem Ausgangssignal des piezosensitiven Sensors erkannt, wenn das Reifenmodul in den Latsch eintritt und/oder austritt. Somit kann dann neben der Latschlänge bzw. Latschzeit auch die Radumlaufszeit bzw. Raddrehzahl bestimmt werden. Außerdem kann zur Schonung der Batterie des Reifenmoduls das Reifenmodul bei Stillstand des Fahrzeuges deaktiviert werden (z. B. keine Erfassung von Druckdaten oder Sendung von Daten) und dann das Ausgangssignal des piezosensitiven Latschsensors zur Aktivierung des Reifenmoduls bei Anfahren des Fahrzeugs nach dem Stillstand herangezogen werden (sogenannte „Wake-up"-Funktion).
Bevorzugt ist in dem Reifenmodul eine elektronische Auswerteschaltung angeordnet, in welcher aus dem Ausgangssignal des piezosensitiven Sensors eine Kenngröße ermittelt wird, welche ein Maß für die Latschlänge und/oder Latschform des Reifens ist. So können aus den Informationen eines oder mehrerer Latschsensoren am Fahrzeug Rückschlüsse auf die Beladung des Fahrzeugs gezogen werden oder zusätzliche Informationen zur Reifenüberwachung gewonnen werden. Hierzu werden die bestimmten Latschlängen der einzelnen Reifen untereinander oder jeweils mit zuvor eingelernten Vergleichsgrößen oder mit jeweils vorgegebenen Vergleichsgrößen verglichen.
Um den im Reifen auftretenden Belastungen standzuhalten, ist es vor allem für ein Reifenmodul, welches im Reifeninneren im Bereich der Lauffläche angebracht ist, notwendig, dass es möglichst kompakt ist. Daher sind gemäß einer be vorzugten Ausführungsform des Reifenmoduls das Trägermittel und die Batterie bezüglich einer Ausdehnungsrichtung des Reifenmoduls übereinander angeordnet, wobei das Trägermittel und die Batterie senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung zumindest teilweise überlappend angeordnet sind, und der piezosensitive Sensor ist bezüglich der Ausdehnungsrichtung über oder unter oder zwischen dem Trägermittel und der Batterie angeordnet, wobei der piezosensitive Sensor jeweils zu dem Trägermittel und zu der Batterie senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung zumindest teilweise überlappend angeordnet ist. Bei der Ausdehnungsrichtung handelt es sich besonders bevorzugt um die Höhe des Reifenmoduls. Vereinfacht ausgedrückt, die drei Komponenten Trägermittel, Batterie und piezosensitiver Sensor werden in dem Reifenmodul übereinander und zumindest teilweise einander überlappend angeordnet („gestapelt"), um die Ausdehnung des Reifenmoduls bezüglich seiner Grundfläche möglichst gering zu halten. So werden die auf das Reifenmodul bei Latschdurchlauf wirkenden Verformungskräfte möglichst gering gehalten, wodurch der piezosensitive Sensor vor übermäßiger Verformung geschützt wird, welche zur Beschädigung des Sensors, z. B. zum Bruch des piezoelektrischen Materials, führen kann. Es sind somit keine zusätzlichen Auslenkungsbegrenzungsmittel für das piezosensitive Element notwendig, welche wieder zu einer Erhöhung des Gewichts des Reifenmoduls führen würden.
Um einen weiteren Schutz des piezosensitiven Sensors gegen Beschädigung zu erzielen, sind das Trägermittel, die Batterie und der piezosensitive Sensor bevorzugt zumindest teilweise in eine Vergussmasse eingebettet. Besonders bevorzugt sind die drei Komponenten vollständig in die Vergussmasse eingebettet, um einen Schutz vor Umgebungseinflüssen von allen Seiten zu erreichen. Durch die durch das Vergussmate rial erzielte Versteifung des piezosensitiven Sensors wird die Bruchgefahr weiter minimiert. Aufgrund der kompakten Bauweise des Reifenmoduls („Stapelung" der Komponenten) wird weniger Vergussmasse zur Einbettung von Trägermittel, Batterie und piezosensitivem Sensor benötigt als bei einer Anordnung nebeneinander, so dass hierdurch ein Vorteil in Bezug auf ein möglichst geringes Gewicht des Reifenmoduls erreicht wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der piezosensitive Sensor direkt an der Batterie oder an dem Trägermittel angebracht. Hierdurch wird der piezosensitive Sensor noch zusätzlich durch die Batterie oder das Trägermittel vor übermäßiger Verformung geschützt. Besonders einfach und kostengünstig ist die Anbringung als eine Klebung ausgeführt. Im Fall eines piezoresistiven Sensors ist dieser vorteilhafterweise als Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) direkt in Silizium ausgeführt. Dies reduziert die Herstellungskosten des Reifenmoduls.
Ebenso ist es bevorzugt, den piezosensitiven Sensor mit einem Abstand zu dem Trägermittel und zu der Batterie anzuordnen, wobei der piezosensitive Sensor durch die Vergussmasse kraftschlüssig mit dem Trägermittel und/oder der Batterie verbunden ist. So wird gegenüber einer Anordnung des piezosensitiven Sensors auf dem Trägermittel Bauraum für weitere elektronische Bauelemente auf dem Trägermittel geschaffen.
Der piezosensitive Sensor wird bevorzugt zwischen der Batterie und dem Trägermittel angeordnet („Sandwich-Anordnung"), um eine Versteifung und Schutz von beiden Seiten zu erreichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Reifenmoduls sind das Trägermittel, die Batterie und der piezosensitive Sensor jeweils im Wesentlichen flächig ausgebildet und die Grundflächen von Trägermittel, Batterie und piezosensitivem Sensor im Wesentlichen parallel und übereinander angeordnet, wobei sich die Grundflächen jeweils paarweise zumindest teilweise überlappen. Hierdurch wird eine kompakte Bauweise bezüglich Höhe und Grundfläche erreicht, was im Falle einer Einbettung in eine Vergussmasse zu einem geringen Gewicht führt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der piezoelektrische Sensor einfach aus piezoelektrischem Material, besonders bevorzugt aus piezoelektrischer Keramik (z. B. PZT: Blei-Zirkonat-Titanat). Da PZT nicht auf eine Biegung, sondern nur auf eine Dehnung bzw. Stauchung piezoelektrisch reagiert, ist das piezoelektrische Material auf ein Trägermaterial (enthält „neutrale Phase") aufgebracht. Das Trägermaterial dient somit zum Einen zum Schutz des piezoelektrischen Materials vor übermäßiger Verformung und zum Anderen als „Hilfsmittel" zur Dehnung/Stauchung des piezoelektrischen Materials. Als Trägermaterial dient bevorzugt das Trägermittel des Reifenmoduls (Leiterplatte) oder die Batterie.
Alternativ umfasst der piezoelektrische Sensor bevorzugt ein Trägerelement aus Metall und piezoelektrisches Material, wobei das piezoelektrische Material auf dem Trägerelement aufgebracht ist. So dient das Trägerelement durch seine Steifigkeit direkt als Verformungsbegrenzungsmittel für das piezoelektrische Material. Das Trägerelement ist besonders bevorzugt eine Messingscheibe oder eine Messingplatte.
Bei dem piezoelektrischen Material handelt es sich besonders bevorzugt um eine piezoelektrische Keramik. Besonders bevorzugt wird der piezoelektrische Sensor mit seinem Trägerelement direkt an der Batterie oder an dem Trägermittel angebracht, ganz besonders bevorzugt durch Klebung.
Das Reifenmodul umfasst gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zwei oder mehr Batterie, welche übereinander angeordnet sind, wobei der piezosensitive Sensor über oder unter oder zwischen den Batterien angeordnet ist. Bei einer Anordnung des piezosensitiven Sensors zwischen den Batterien wird dieser von beiden Seiten durch die Batterien gegen übermäßige Verformung geschützt.
Bevorzugt ist zur Versorgung der elektronischen Bauelemente der Trägerschicht die Batterie über einen Batteriekontakt elektrisch leitend mit der Trägerschicht verbunden, wobei der piezoelektrische Sensor einseitig elektrisch leitend mit dem Batteriekontakt verbunden ist. Hierdurch wird eine Kontaktierung zwischen Trägerschicht und piezoelektrischem Sensor eingespart.
Der piezoelektrische Sensor wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Reifenmoduls auch zur Energieversorgung des Reifenmoduls genutzt. Hierzu umfasst das Reifenmodul, insbesondere auf dem Trägermittel, eine elektronische Schaltung, welche derart ausgeführt ist, dass die bei Verformung des piezoelektrischen Sensors erzeugte elektrische Spannung auch zur Energieversorgung des Reifenmoduls genutzt wird. So umfasst die elektronische Schaltung besonders bevorzugt Mittel zur Gleichrichtung der Piezospannung des piezoelektrischen Elements und zur Speicherung der erzeugten elektrischen Energie. Durch die zusätzliche Ener gieversorgung des Reifenmoduls mit Hilfe des piezoelektrischen Elements wird die Lebensdauer der Batterie verlängert.
Für eine Auswertung des Spannungssignals des piezosensitiven Sensors ist dieses bevorzugt elektrisch leitend mit dem Trägermittel verbunden.
Bevorzugt umfasst das Reifenmodul eine Auswerteschaltung, in welcher die positiven und negativen Anteile des Spannungssignals des piezosensitiven Sensors getrennt werden. Diese Auswerteschaltung des Reifenmoduls umfasst besonders bevorzugt vier Dioden.
Bevorzugt wird jedes der beiden entstehenden Teilsignale ausgewertet. So kann durch Auswertung des Spannungssignals des piezosensitiven Sensors zwischen Latscheintritt und Latschaustritt unterschieden werden.
Ebenso ist es bevorzugt, dass in der Auswerteschaltung das eine Teilsignal zur Erkennung eines Latscheintrittes und das andere Teilsignal zur Erkennung eines Latscheaustrittes ausgewertet werden.
In der Auswerteschaltung werden gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die beiden Teilsignale zur Bestimmung einer Kenngröße ausgewertet, welche ein Maß für die Latschlänge oder Latschform des Reifens ist. Hieraus werden, auch in Kombination mit den Kenngrößen von Reifenmodulen der anderen Reifen, Informationen über die Beladung des Fahrzeugs und/oder zur Reifenüberwachung gewonnen.
Bevorzugt umfasst das Reifenmodul eine Schaltung, mit welcher eines oder beide der Teilsignale zur Energieversorgung mindestens einer elektronischen Komponente genutzt wird/werden. Besonders bevorzugt wird ein Sensor, z. B. ein Druck- und/oder ein Temperatursensor, und/oder eine Auswerteschaltung mit elektrischer Energie versorgt.
Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass durch die Batterie die Versorgung des Reifenmoduls auch bei Stillstand des Fahrzeuges gewährleistet ist. So können auch bei Stillstand des Fahrzeuges z. B. Datenübertragungen oder Druckmessungen von dem Reifenmodul durchgeführt werden.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des Reifenmoduls in einem Reifendrucküberwachungssystem.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung anhand von Figuren.
Es zeigen schematisch
1 einen auf einem Untergrund abrollenden Reifen,
2 eine Anordnung von Komponenten in einem erfindungsgemäßen Reifenmodul gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
3 eine Anordnung von Komponenten in einem erfindungsgemäßen Reifenmodul gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
4 ein erfindungsgemäßes Reifenmodul gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels,
5 einen beispielsgemäßen piezoelektrischen Sensor,
6 eine Anordnung von Komponenten in einem erfindungsgemäßen Reifenmodul gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels,
7 einen beispielsgemäßen Verlauf einer Ausgangsspannung eines piezoelektrischen Sensors in einem Reifen,
8 beispielsgemäße Auswertungssignale einer Ausgangsspannung eines piezoelektrischen Sensors in einem Reifen,
9 eine beispielsgemäße elektronische Schaltung zur Auswertung einer Ausgangsspannung eines piezoelektrischen Sensors,
10 einen beispielsgemäßen piezoresistiven Sensor, und
11 zwei beispielsgemäße Prinzipschaltbilder zur Auswertung einer Ausgangsspannung eines piezoresistiven Sensors.
1 zeigt das Abrollverhalten eines Reifens 1 mit einer Rotationsrichtung 2. Das Abrollverhalten ist hier in idealisierter Form auf einem ebenen Untergrund 3 dargestellt. Es entsteht eine abgeplattete Aufstandsfläche, der so genannte Latsch 4. Die Größe, also die Länge L und Breite, wobei die Länge L vom Latscheintritt 6 bis zum Latschaustritt 5 gemessen wird, sowie die Form des Latschs 4 ist u. a. abhängig von Reifenkenndaten, der Radlast, dem Reifendruck, dem Fahrzustand (Längs- und Querkräfte) und der Geschwindigkeit.
Befindet sich ein Reifenmodul 7 in Reifen 1, so wirken auf dieses bei Latscheintritt 6 und Latschaustritt 5 aufgrund der Verformung des Reifens 1 Kräfte, welche zu Verformung von zumindest Teilen des Reifenmoduls 7 führen. Die Verformung des Reifens 1 bei Latschdurchlauf, speziell der Knick beim Latscheintritt 6 und Latschaustritt 5, kann mit einem piezosensitiven Element vermessen werden. Das Reifenmodul 7 ist derartig im Reifen befestigt, dass das piezosensitive Element in Reifenmodul 7 durch die Walkbewegungen verformt wird.
Ein beispielsgemäßes Reifenmodul 7 umfasst eine Batterie 10 sowie ein piezosensitives (Mess)Element, z. B. ein piezoelektrisches oder ein piezoresistives (Mess)Element. Die Batterie 10 dient dabei bevorzugt zur Versorgung der elektronischen Komponenten des Reifenmoduls 7. Das piezosensitive (Mess)Element dient zur Bestimmung oder Messung einer Kenngröße des Latsches 4, insbesondere zur Bestimmung oder Messung der Latschlänge L oder einer damit zusammenhängenden Größe, wie z. B. der Latschzeit. Zusätzlich kann das piezoelektrische Element auch als Wandlerelement, d. h. zur Erzeugung elektrischer Energie, herangezogen werden.
In 2 sind schematisch einige relevanten Teile eines erfindungsgemäßen Reifenmoduls 7 gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels dargestellt. In 2a) ist eine Seitenansicht, in 2b) eine Ansicht von unten nach oben (ent lang der z-Richtung, siehe 2a)) dargestellt. Batterie 10 ist über eine elektrisch leitende Verbindung 11 (in 2b) nicht dargestellt) mit Leiterplatte 12 verbunden. Batterie 10 ist unterhalb von Leiterplatte 12 angeordnet. Die beispielsgemäß runde Grundfläche von Batterie 10 überlappt vollständig mit der beispielsgemäß rechteckigen Grundfläche der Leiterplatte 12. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind Batterie 10 und Leiterplatte 12 in z-Richtung in einem gewissen Abstand angeordnet, es ist jedoch auch möglich, dass Batterie 10 direkt an Leiterplatte 12 angebracht ist. Auf Leiterplatte 12 sind weitere elektronische Bauelemente 13 angebracht. Beispielsgemäß ist ein piezoelektrisches Sensorelement 14 unterhalb von Batterie 10 an Batterie 10 angebracht. Die beispielsgemäß runde Grundfläche des Piezo-Sensors 14 überlappt vollständig mit der beispielsgemäß runden Grundfläche von Batterie 10. Piezo-Element 14 ist über eine elektrische Verbindung 20 mit der Leiterplatte 12 verbunden (in 2b) nicht dargestellt).
In 3 ist schematisch eine Anordnung von relevanten Komponenten in einem erfindungsgemäßen Reifenmodul 7 gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels in Seitenansicht dargestellt. Batterie 10 ist über eine elektrisch leitende Verbindung 11 mit Leiterplatte 12 verbunden. Batterie 10 ist wie im ersten Ausführungsbeispiel unterhalb von Leiterplatte 12, in einem gewissen Abstand angeordnet. Dabei überlappen sich die Grundflächen von Batterie 10 und Leiterplatte 12 zumindest teilweise (nicht zu sehen in der Ansicht von 3). Das piezoelektrische Element 14 ist zwischen Batterie 10 und Leiterplatte 12 angeordnet, wobei sich die Grundfläche des Piezo-Elements 14 zum einen mit der Grundfläche von Batterie 10 und zum anderen mit der Grundfläche von Leiterplatte 12 überlappt. Auf Leiterplatte 12 sind weitere elektronische Bauelemente 13 angebracht.
Bei den elektronischen Bauelementen 13 kann es sich z. B. um eine oder mehrere der folgenden Bauelemente handeln: Drucksensor, Temperatursensor, Sendeeinrichtung (z. B. HF-Sender), Empfängereinrichtung (z. B. HF-Empfänger), elektronische Auswerteschaltung, Gleichrichter, Speicherelement.
In 4 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reifenmoduls 7 schematisch dargestellt. Die Anordnung von Batterie 10, Leiterplatte 12 und piezoelektrischem Element 14 entspricht dem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel. Zusätzlich sind Batterie 10, Leiterplatte 12, piezoelektrisches Element 14 und elektronische Bauelemente 13 von einem geeigneten Verguss 15 umgeben. In dem dargestellten dritten Ausführungsbeispiel sind die Komponenten vollständig von der Vergussmasse 15 umschlossen, es können jedoch auch nur einige Komponenten oder die Komponenten nur teilweise von der Vergussmasse 15 umschlossen sein. Durch die Vergussmasse 15 sind die Komponenten gegen äußere Einflüsse geschützt. Auch wenn Teile des Reifenmoduls 7 umgossen ist, werden die Bewegungen (Verformungen) des Reifens 1 bei Latschdurchlauf auf die einzelnen Bauteile, insbesondere auf das piezoelektrische Element 14, übertragen.
Anstelle des in den oben beschriebenen drei Ausführungsbeispielen (1 bis 4) vorhandenen piezoelektrischen Sensors 14 kann das Reifenmodul auch einen piezoresistiven Sensor umfassen.
Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist das Reifenmodul 7 durch einen Container 16, welcher z. B. aus Gummi besteht, an Reifen 1 befestigt. Hierzu ist Container 16 am Innerliner des Reifens 1 befestigt, z. B. eingeklebt oder einvulkanisiert. Container 16 kann z. B. eine Öffnung enthalten (nicht dargestellt in 4), durch welche Reifenmodul 7 aus Container 16 entnommen oder in Container 16 eingeführt werden kann. So kann bei einem Defekt des Reifenmoduls 7 ein Austausch stattfinden.
In Piezo-Element 14 erfolgt bei Dehnung/Stauchung bzw. bei Biegung, z. B. bei Latschein- und Latschaustritt, eine Ladungstrennung. Nutzt man das Piezo-Element 14 ausschließlich als (Latschdeformations)Sensor – nicht als Energiewandler – so ist die exakte Anordnung in Reifenmodul 7 nicht von entscheidender Bedeutung für eine ordnungsgemäße Funktionsweise. Somit ist eine Bauraum-minimierende Anordnung von Batterie 10, Leiterplatte 12 und piezoelektrischem Element 14 möglich. Hierdurch wird auch die Montage des Reifenmoduls 7 vereinfacht, was zu geringeren Produktionskosten führt.
Beispielgemäß handelt es sich bei dem piezoelektrischen Sensor 14 einfach um piezoelektrisches Material mit entsprechenden elektrischen Kontakten, wobei das piezoelektrisches Material z. B. auf der Batterie 10 und auf der Platine 12 angebracht ist.
Bei Piezo-Element 14 handelt es sich gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Reifenmoduls 7 um einen an sich bekannten Piezo-Buzzer.
In 5 ist ein beispielgemäßes piezoelektrisches Element 32 schematisch dargestellt, dabei zeigt 5a) dieses in Aufsicht und 5b) in Seitenansicht. Das beispielgemäße Element 32 besteht aus einer Messingscheibe 30, auf welcher piezoelektrisches Material 31, insbesondere Piezokeramik, angebracht ist.
Der piezosensitive Sensor kann z. B. unter der Batterie 10 (z. B. 2), zwischen Platine 12 und Batterie 10 (z. B. 3 oder 5) oder direkt an Platine 12 (ohne Darstellung) angebracht sein. Er kann fest mit Platine 12 bzw. Batterie 10 verbunden sein (z. B. 2) oder auch ohne direkte Verbindung zu diesen Bauteilen 12, 10 umgossen werden (z. B. 5), da die Krafteinwirkung durch die Vergussmasse 15 gewährleistet wird.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Reifenmoduls 7 umfasst dieses zwei Batterien 10. Die beiden Batterien 10 sind übereinander angeordnet und der piezosensitive Sensor ist zwischen den Batterien 10 oder oberhalb oder unterhalb der Batterien 10 angeordnet. Eine beispielsgemäße Anordnung eines Piezo-Elements 14 zwischen zwei Batterien 10 ist in 6 schematisch dargestellt (viertes Ausführungsbeispiel). Die übrigen dargestellten Komponenten entsprechen den in 2 abgebildeten Komponenten.
Gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels ist das Piezo-Element 14 galvanisch direkt mit einem Batteriekontakt verbunden – so entfällt eine Kontaktierung.
Das in Reifenmodul 7 angeordnete Piezo-Element 14 kann sowohl als Signalgeber (z. B. zur Latschvermessung) als auch als Mikrogenerator (Energiewandler) verwendet werden. Durch die Variation der Größe des Elements 14 kann die abgegebene Leistung bzw. Spannung skaliert werden.
10 zeigt schematisch einen beispielsgemäßen piezoresistiven Sensor eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Reifenmoduls 7. Anstelle eines piezoelektrischen Elements 14 wird hier mindestens ein piezoresistives Messelement (R1, R2, R3, R4) verwendet. Der piezoresistive Sensor 44 besteht im wesentlichen aus einer piezoresistiven Messbrücke, welche beispielsgemäß als eine Wheatstonesche Brücke mit vier Widerständen R1, R2, R3 und R4 ausgeführt ist. Hierbei sind beispielhaft alle vier Widerstände R1, R2, R3 und R4 veränderlich. Es ist jedoch auch möglich, dass weniger Widerstände veränderlich sind (z. B. die Widerstandwerte von R1 und R2 sind bei Verformung veränderlich, während die Widerstandswerte von R3 und R4 bei Verformung gleich bleiben). Außerdem ist auch eine Sensor-Anordnung mit mehr oder weniger Widerständen (als den vier Widerständen einer Wheatstonesche Brücke) möglich.
Der piezoresistive Sensor 44 wird durch eine Spannung VCC versorgt und liefert ein Ausgangsspannungssignal 45.
Die Anordnung der Fläche des piezoresistiven Sensors 44 im Reifen ist beispielsweise parallel zur Reifenaufstandsfläche, so dass sich jeweils mindestens zwei Widerstände bei einer Verformung bei Latschdurchlauf 5, 6 verändern. Die Orientierung der Sensorbrücke relativ zur Reifenabrollrichtung ist dabei für die Funktionstüchtigkeit des Sensors nicht von Bedeutung.
Ein Vorteil von piezoresistiven Messelementen ist es, dass eine extrem kleine und somit kostengünstige Bauweise in MEMS-Struktur möglich ist. Hierbei können die einzelnen Messwiderstände bzw. die Messbrücke direkt in Silizium ausgeführt sein. Das MEMS kann dann als „bare die" (ohne Gehäuse) angeordnet werden, oder gehäust und dann aufgelötet werden. Vorteilhafterweise wird das piezoresistive MEMS direkt mit anderen Komponenten (z. B. Drucksensor, Mikrocontroller, RF-Stufe etc.) in einem integrierten Schaltkreis (IC, ASIC) integriert.
In 11 sind zwei beispielsgemäße Prinzipschaltbilder zur Auswertung einer Ausgangsspannung eines piezoresistiven Sensors 46 schematisch dargestellt.
Gemäß dem in 11a) dargestellten Beispiel wird das Ausgangssignal des Sensors 46 durch Verstärker 47 verstärkt und A/D-Wandler 48 des Reifenmoduls 7 zugeführt. Nach der A/D-Wandlung 48 wird das Signal in Mikrocontroller 49 analysiert. Je nach Auslegung der Widerstandsveränderung ist es auch möglich, dass keine Verstärkung notwendig ist.
Gemäß dem in 11b) dargestellten Beispiel wird das Ausgangssignal von Sensor 46 mittels Komparator 50 und Mikrocontroller 49 ausgewertet. Z. B. liefert der Komparator während des Latschdurchlaufs eine Ausgangsspannung (entsprechend einer logischen „1") und außerhalb des Latsches keine Ausgangsspannung (entsprechend einer logischen „0"). So kann ohne Verwendung eines A/D-Wandlers auf einfache Art und Weise die zeitliche Abfolge zwischen Latschdurchlauf und Umlauf festgestellt werden.
Mikrocontroller 49 kann auch durch ein Rechenwerk („State Machine") ersetzt werden.
Die Signale des piezosensitiven Sensors werden bevorzugt zur Bestimmung der Latschlänge L ausgewertet.
Im Folgenden wird ein weiteres Verfahren zur Auswertung des Ausgangsspannungssignals 40 eines piezosensitiven Sensors beschrieben, beispielhaft anhand eines piezoelektrischen Sensors 14. Eine analoge Auswertung ist für das Ausgangsspannungssignal 40 eines piezoresistiven Sensors möglich.
Ein aus der Reifenverformung resultierendes Ausgangssignal 20 eines Piezo-Elementes 14 hat beispielsgemäß den in 7 schematisch dargestellten Verlauf. Auf der x-Achse ist die Zeit t und auf der y-Achse die Piezospannung U oder eine ihr entsprechende Größe aufgetragen. Bei Latscheintritt T₆ und Latschaustritt T₅ erscheinen Spannungsspitzen in Signal 20. Im dargestellten Beispiel ergibt sich bei Latscheintritt T₆ eine negative Spannungsspitze (Peak), bei Latschaustritt T₅ eine positive Spannungsspitze (Peak).
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels umfasst Reifenmodul 7 eine Schaltung zur störungsfreien Auswertung des Signals 20. Dabei wird der negative Teil des Signals 20 getrennt vom positiven Teil des Signals 20 bewertet (sog. selektive Gleichrichtung).
8 zeigt mit den beiden unteren Signalen 21, 22 beispielsgemäße Verläufe der beiden selektiv gleichgerichteten Signale. Kurve 21 stellt den Betrag des negativen Signals (den negativen Signalanteil) und Kurve 22 das positive Signal (den positiven Signalanteil) bei zwei Latschdurchläufen dar. Kurve 23 gibt das Latschsignal an. Bei Latscheintritt T₆, welcher durch die steil ansteigende Flanke im negativen Signalanteil 21 angezeigt wird, steigt das Latschsignal 23 an, bei Latschaustritt T₅, welcher durch die steil ansteigende Flanke im positiven Signalanteil 22 angezeigt wird, fällt das Latschsignal 23 wieder ab. Anhand des Latschsignals 23 kann somit die Latschlänge L oder die Latschzeit oder das Verhältnis von Latschzeit zu Radumlaufzeit (Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Latscheintritten T₆ oder Latschaustritten T₅) bestimmt werden.
Durch die selektive Gleichrichtung lässt sich ein störendes Rauschen beim Latscheintritt 6 bzw. beim Latschaustritt 5 sehr wirkungsvoll ausblenden. Wie aus 8 deutlich ersichtlich ist, lässt sich bei einer Trennung von positivem Signal 22 und negativem Signal 21 der Latsch 4 leicht auswerten. Dies wäre bei einem komplett gleichgerichteten Signal nur mit größerem Aufwand möglich. Es wird also eine deutliche Vereinfachung bzw. Verbesserung der Latschvermessung erreicht.
Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Auswertung des Signals 20 eines Piezo-Elementes 14 wird das Signal 20 abgetastet und digitalisiert um eine genaue Auswertung des Signalverlaufs durchführen zu können. Dies ist aufwendiger als das oben beschriebene Verfahren der selektiven Gleichrichtung des Piezoelement-Signals 20. Des Weiteren verbraucht die bekannte Auswertung im Gegensatz zum hier beschriebenen Auswerteverfahren mehr Strom.
In 9 ist eine beispielsgemäße elektronische Schaltung zur selektiven Gleichrichtung dargestellt. Die Spannung 40 von Piezo-Element 14 wird mittels vier Dioden 41 selektiv gleichgerichtet. Der positive und der negative Signalanteil werden über die Kontakte K1 und K2 abgegriffen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4402136 A1 [0004]
- DE 102004031810 A1 [0005]

Claims

Reifenmodul (7) zur Erfassung von Reifenzustandsgrößen, welches an einer Innenseite eines Reifens (1) in einem Bereich, welcher bei einem Latschdurchlauf (5, 6) verformt wird, befestigt ist und welches mindestens ein Trägermittel (12), auf welchem mindestens ein elektronisches Bauelement (13) angeordnet ist, und mindestens einen piezosensitiven Sensor (14, 32, 44) umfasst, wobei der piezosensitive Sensor (14, 32, 44) derart angeordnet ist, dass er bei einer Verformung des Reifens (1) bei einem Latschdurchlauf (5, 6) zumindest teilweise verformt wird, und wobei die Verformung des piezosensitiven Sensors (14, 32, 44) zur Bestimmung mindestens einer Latschkenngröße (4, 5, 6, L) herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Reifenmodul (7) mindestens eine Batterie (10) zur zumindest teilweisen Energieversorgung des mindestens einen elektronischen Bauelementes (13) umfasst.
Reifenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Batterien (10) die einzige Energieversorgungsquelle des Reifenmoduls (7) sind.
Reifenmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der piezosensitive Sensor piezoresistiv arbeitet und mindestens ein piezoresistives Element (R1, R2, R3, R4) umfasst, insbesondere eine piezoresistive Messbrücke umfasst, wobei der piezoresistive Sensor (44) zumindest eine Spannungsversorgung umfasst oder mit einer Spannungsversorgung (10) verbunden ist, und dass aus ei nem Ausgangssignal (45) des piezoresistiven Sensors (44) die Latschkenngröße (4, 5, 6, L) bestimmt wird.
Reifenmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der piezosensitive Sensor piezoelektrisch arbeitet und mindestens ein piezoelektrisches Element (31) umfasst, und dass aus einem Ausgangssignal (20) des piezoelektrischen Sensors (14) die Latschkenngröße (4, 5, 6, L) bestimmt wird.
Reifenmodul nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Reifenmodul (7), insbesondere auf dem Trägermittel (12), eine elektronische Auswerteschaltung angeordnet ist, in welcher aus dem Ausgangssignal (20, 45) des piezosensitiven Sensors (14, 44) eine Latschkenngröße ermittelt wird, welche ein Maß für die Latschlänge (L) und/oder Latschform ist.
Reifenmodul nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermittel (12) und die Batterie (10) bezüglich einer Ausdehnungsrichtung (z) des Reifenmoduls (7) übereinander angeordnet sind, wobei das Trägermittel (12) und die Batterie (10) senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung (z) zumindest teilweise überlappend angeordnet sind, und dass der piezosensitive Sensor (14, 44) bezüglich der Ausdehnungsrichtung (z) über oder unter oder zwischen dem Trägermittel (12) und der Batterie (10) angeordnet ist, wobei der piezosensitive Sensor (14, 44) jeweils zu dem Trägermittel (12) und zu der Batterie (10) senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung (z) zumindest teilweise überlappend angeordnet ist.
Reifenmodul nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermittel (12), die Batterie (10) und der piezosensitive Sensor (14, 44) jeweils im Wesentlichen flächig ausgebildet sind und dass die Grundflächen von Trägermittel (12), Batterie (10) und piezosensitivem Sensor (14, 44) im Wesentlichen parallel und übereinander angeordnet sind, wobei sich die Grundflächen jeweils paarweise zumindest teilweise überlappen.
Reifenmodul nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der piezosensitive Sensor (14, 44) direkt an der Batterie (10) oder an dem Trägermittel (12) angebracht, insbesondere angeklebt, ist.
Reifenmodul nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermittel (12), die Batterie (10) und der piezosensitive Sensor (14, 44) zumindest teilweise, insbesondere vollständig, in eine Vergussmasse (15) eingebettet sind.
Reifenmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der piezosensitive Sensor (14, 44) mit einem Abstand zu dem Trägermittel (12) und zu der Batterie (10), insbesondere zwischen dem Trägermittel (12) und der Batterie (10), angeordnet ist, wobei der piezosensitive Sensor (14, 44) durch die Vergussmasse (15) kraftschlüssig mit dem Trägermittel (12) und/oder der Batterie (10) verbunden ist.
Reifenmodul nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Reifenmodul (7) zwei oder mehr Batterie (10) umfasst, welche übereinan der angeordnet sind, wobei der piezosensitive Sensor (14, 44) über oder unter oder zwischen den Batterien (10) angeordnet ist.
Reifenmodul nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Sensor (32) ein Trägerelement (30) aus Metall, insbesondere eine Messingscheibe oder eine Messingplatte, umfasst, wobei auf dem Trägerelement (30) piezoelektrisches Material (31), insbesondere piezoelektrische Keramik, aufgebracht ist.
Reifenmodul nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (10) über einen Batteriekontakt elektrisch leitend mit der Trägerschicht (12) verbunden ist und der piezoelektrische Sensor (14) elektrisch leitend mit dem Batteriekontakt verbunden ist.
Reifenmodul nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Reifenmodul (7), insbesondere auf dem Trägermittel (12), eine elektronische Schaltung umfasst, welche derart ausgeführt ist, dass die bei Verformung des piezoelektrischen Sensors (14) erzeugte elektrische Spannung auch zur Energieversorgung des Reifenmoduls (7) genutzt wird.
Verwendung eines Reifenmoduls (7) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14 in einem Reifendrucküberwachungssystem.