專利名稱：從轉(zhuǎn)動(dòng)輪胎的靜電中收集電能的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及通過常規(guī)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)中所積累的電荷進(jìn)行自供電的輪胎電子組件。更具體地說，一帶有通常不導(dǎo)電部分的充氣輪胎結(jié)構(gòu)可被構(gòu)造成具有至少一導(dǎo)電段穿過輪胎結(jié)構(gòu)和胎面部分，從而提供一個(gè)通道，使累積的靜電能夠通過該通道釋放到地面上，同時(shí)該通道中的一部分靜電被收集到一儲(chǔ)能裝置中。這樣收集的能量累積到足夠多時(shí)就可以為輪胎電子系統(tǒng)供電，其中輪胎電子系統(tǒng)包括各種狀態(tài)響應(yīng)裝置(即，傳感器等)、射頻(RF)發(fā)射裝置以及其它組件。
背景技術(shù)：
充氣輪胎結(jié)構(gòu)與電子裝置的結(jié)合產(chǎn)生了很多實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。輪胎電子元件可以包括傳感器和其它組件，用來傳遞輪胎識(shí)別參數(shù)以及獲得關(guān)于輪胎的各種物理參數(shù)的信息，例如溫度、壓力、轉(zhuǎn)數(shù)和車速等等。這些性能信息對(duì)于輪胎監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)而言是非常有用的，并且還可能用在調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)妮喬毫λ降姆答佅到y(tǒng)中。
美國專利No.5,749,984(Frey等)公開了一種輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和方法，其可以確定輪胎信息，例如輪胎偏轉(zhuǎn)(tire deflection)、輪胎速度以及輪胎轉(zhuǎn)數(shù)。輪胎電子系統(tǒng)的另一實(shí)施例可以參見美國專利No.4,510,484(Snyder)，該專利是關(guān)于一種輪胎異常狀況的報(bào)警系統(tǒng)。美國專利No.4,862,486(Wing等)也是關(guān)于輪胎電子元件的，并更具體地公開了一種典型的用在汽車及卡車輪胎上的轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器。關(guān)于輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)容的例子可參見美國專利No.4,004,271(Haven等)、No.4,742,857(Gandhi)、No.5,616,196(Loewe)以及No.5,928,444(Loewe等)。
與輪胎結(jié)構(gòu)相結(jié)合的電子系統(tǒng)所提供的其它潛在性能是商用車輛應(yīng)用的資產(chǎn)跟蹤及工作特性。商用卡車車隊(duì)、航空飛行器以及重型推土機(jī)/礦車都是可以利用輪胎電子系統(tǒng)及相關(guān)信息傳遞的可行行業(yè)。輪胎傳感器可確定車輛中各輪胎的行駛距離，從而幫助這些商用系統(tǒng)制定維修計(jì)劃。對(duì)于一些更昂貴的應(yīng)用而言，例如重型采礦設(shè)備，可以優(yōu)化車輛位置及性能。利用RF標(biāo)簽發(fā)射裝置可以跟蹤整個(gè)車隊(duì)，其示例性的內(nèi)容公開于美國專利No.5,457,447(Ghaem等)中。
這種被集成的輪胎電子系統(tǒng)通常利用多種技術(shù)以及不同的發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行供電。美國專利No.4,061,200(Thompson)和No.3,760,351(Thomas)公開了利用輪胎運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生能量的機(jī)械特征的實(shí)例。這些實(shí)例提供了笨重且復(fù)雜的系統(tǒng)，其通常不適用于現(xiàn)代輪胎應(yīng)用。美國專利No.4,510,484(Snyder)公開了另一種為輪胎電子系統(tǒng)供電的選擇，即相對(duì)于一圍繞輪胎徑向中心線對(duì)稱設(shè)置的壓電簧片電源。
為輪胎電子系統(tǒng)供電的另一種典型的解決方案是利用不可充電電池，其本身不便于輪胎使用者的使用，因?yàn)檫@種電子系統(tǒng)的正確操作依賴于電池的定期更換。并且常規(guī)電池通常也含有對(duì)環(huán)境有害的重金屬而不易處理，特別是在大量應(yīng)用的情況下。此外，當(dāng)被供電的電子應(yīng)用具有較復(fù)雜的功能特征時(shí)，電池的電能消耗太快。特別是在相對(duì)較遠(yuǎn)距離間傳輸信息的電子系統(tǒng)中，例如從卡車車輪位置到卡車駕駛室的接收裝置，電池儲(chǔ)能的消耗通常就很快。即便電池是應(yīng)用于從車輪位置到一個(gè)較近的接收位置的電子系統(tǒng)中，一般是由硬線傳輸介質(zhì)將信息從RF接收位置傳送到車輛駕駛室，然而這也需要在車輛上安裝額外的并且通常較昂貴的通信硬件。
另外一種為輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取電能的已知方法是從靠近輪胎及集成了電子特性的詢問天線(interrogation antenna)中提取RF波束能量。提取天線發(fā)出的能量來為電子元件供電，并且這些電子元件必須特別限制為幾個(gè)微瓦的超低功率。由于傳輸范圍的限制，與由波束供電的電子元件一同使用的詢問天線必須安放在相對(duì)非?？拷鱾€(gè)車輪的位置上(在兩英尺以內(nèi))。這通常要求每輛汽車具有多個(gè)詢問天線，從而增加了潛在的設(shè)備成本。各天線也極易因?yàn)槁访鏃l件惡劣而遭受損壞，基于上述的多種原因，這種方法并不是為輪胎電子應(yīng)用供電的最理想的解決方案。
現(xiàn)在已有多種已知的收集電能并為輪胎電子系統(tǒng)供電的方法。然而，這些已知的技術(shù)內(nèi)容在某些輪胎應(yīng)用中無法采用。同樣，需要提供一種為輪胎電子應(yīng)用而收集電能的改進(jìn)方法。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，可以理解某些與輪胎結(jié)構(gòu)固有關(guān)聯(lián)的電特性。例如，運(yùn)動(dòng)的車輛以及其所具有的輪胎組件會(huì)積累靜電。除非提供一個(gè)接地通路，否則運(yùn)動(dòng)車輛所累積的靜電會(huì)達(dá)到相當(dāng)高的電壓。由于多種原因所導(dǎo)致的這種電荷累積是有害的。例如，電荷的出現(xiàn)會(huì)形成干擾源，從而對(duì)包括無線電接收的汽車電路產(chǎn)生不良作用。過多的電荷也可能會(huì)產(chǎn)生火花，從而在加油期間產(chǎn)生安全隱患。此外，由車輛所有者來進(jìn)行電荷接地，通常需要上、下車，這對(duì)于所有者而言也是特別不方便的。
可以利用輪胎來提供一個(gè)接地效果，以釋放掉車內(nèi)累積的靜電。然而，這并不要求輪胎結(jié)構(gòu)所用的所有材料都是必需導(dǎo)電的。導(dǎo)電的橡膠組合物通常由含有很高比例的炭黑的混合物構(gòu)成。相反地，相對(duì)不導(dǎo)電的橡膠組合物則是硅的含量比炭黑含量高出很多。通常，針對(duì)炭黑增加相應(yīng)比例的硅可以降低輪胎的導(dǎo)電率。
盡管硅基組合物通常導(dǎo)電性較差，但是使用硅作輪胎胎面部分的增強(qiáng)材料可以提供在潮濕條件下增強(qiáng)的制動(dòng)性能，同樣還可以減小輪胎滾動(dòng)阻力。因此，提出了通過電絕緣輪胎胎面來提供導(dǎo)電通路的方法。例如，參見美國專利No.5,937,926(Powell)、No.6,220,319(Reuter)和No.6,269,854，在此結(jié)合這些申請(qǐng)全部?jī)?nèi)容作為參考。
認(rèn)識(shí)到關(guān)于發(fā)電以及靜電釋放的需要，在輪胎環(huán)境下，根據(jù)本發(fā)明提供的各種導(dǎo)電通路除了能為累積的靜電提供一個(gè)接地通路外，其還可在輪胎中為車輛應(yīng)用提供雙重功能。由于在許多情況下與輪胎結(jié)構(gòu)相連的電子組件需要配備某種電源，因而可以導(dǎo)流并儲(chǔ)存輪胎內(nèi)的累積靜電為電子元件供電。盡管已經(jīng)分別研究出與輪胎結(jié)構(gòu)相關(guān)的電能收集以及靜電釋放方法，但是不存在包含了根據(jù)本發(fā)明下述的所有需要的技術(shù)特征的技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到現(xiàn)有技術(shù)遇到的以及本發(fā)明中所提出的上述問題，研究出了一種為結(jié)合在輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電子系統(tǒng)供電的改進(jìn)的系統(tǒng)和方法。一具有通常不導(dǎo)電部分的充氣輪胎結(jié)構(gòu)可被配置成具有至少一個(gè)導(dǎo)電段，該導(dǎo)電段沿輪胎結(jié)構(gòu)徑向設(shè)置從而提供了一個(gè)通道，使累積的靜電可以釋放到地面上，同時(shí)一部分流經(jīng)該通道的電荷被一儲(chǔ)能裝置收集。足夠量的這種儲(chǔ)存電能可以為與輪胎組件相連的各種電子組件供電，其中各種電子組件例如充電電池、各種狀態(tài)響應(yīng)裝置以及射頻(RF)發(fā)射裝置。
根據(jù)在此公開的技術(shù)的更具體內(nèi)容，本發(fā)明的一個(gè)目的旨在提供一種集成了自供電電子組件的充氣輪胎。這種電子組件接收來自儲(chǔ)存電荷的電能，該儲(chǔ)存電荷是車輪組件所收集的靜電的結(jié)果，并且這些電子組件可以是各種裝置，例如充電電池、轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器、主動(dòng)式RFID收發(fā)裝置等。更進(jìn)一步的電子應(yīng)用是關(guān)于被設(shè)計(jì)為測(cè)量和發(fā)送有關(guān)輪胎狀態(tài)(例如壓力和溫度)信息以及其它關(guān)于輪胎轉(zhuǎn)數(shù)或基本輪胎識(shí)別變量等信息的電子組件。
根據(jù)所公開技術(shù)的其它內(nèi)容，本發(fā)明的另一個(gè)目的是為輪胎電子組件提供一種發(fā)電裝置，其采用在輪胎結(jié)構(gòu)中形成的導(dǎo)電通路。這種導(dǎo)電通路為釋放掉在輪胎組件內(nèi)累積的靜電提供了一條途徑，因?yàn)檩喬サ哪承┎糠质怯上鄬?duì)較高的阻抗材料制成的。通過捕獲并儲(chǔ)存在導(dǎo)電通路中流動(dòng)的電荷，可以為輪胎電子組件供電。
本發(fā)明的輪胎電子組件以及特殊的電能收集技術(shù)的各種特征和內(nèi)容具有許多優(yōu)點(diǎn)。在此公開的技術(shù)提出了一種自供電的電子系統(tǒng)，其不依賴于電池的更換。盡管還可以將電池或電池操作裝置結(jié)合本發(fā)明內(nèi)容使用，但根據(jù)本發(fā)明可以降低只由電池供電的輪胎電子元件的復(fù)雜性。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是可以提供相對(duì)于傳統(tǒng)輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來說具有更少的所需信號(hào)硬件量的輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過提供一自供電的輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不再需要提取天線或者帶有附加硬線連接的多個(gè)接收位置。這種輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組件可以結(jié)合在給定車輛的每個(gè)單獨(dú)輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而使每個(gè)單獨(dú)的接收裝置(一般位于駕駛室內(nèi))都可以獲得由各輪胎所集成的電子元件發(fā)出的信息。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)用在輪胎及車輪組件內(nèi)部的電子設(shè)備的種類和數(shù)量限制的很少。通過傳統(tǒng)方法供電的電子元件通常限制為超低功率裝置。根據(jù)本發(fā)明的裝置可以不受這種極限功率的限制。當(dāng)可以使用更多的組件和/或高電平設(shè)備時(shí)，該優(yōu)點(diǎn)還幫助輪胎電子元件發(fā)揮更大的功效。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是在此公開的發(fā)電以及利用該電能的系統(tǒng)和方法可以用在多種現(xiàn)有應(yīng)用中。可以用在例如商用車隊(duì)、飛機(jī)、采礦/重型推土機(jī)等應(yīng)用中的測(cè)量能力、檢測(cè)和警告系統(tǒng)、車輛反饋系統(tǒng)、以及資產(chǎn)位置跟蹤。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，一輪胎組件被配置成在充氣輪胎結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)期間存儲(chǔ)被累積的電荷，該輪胎組件包括一輪胎結(jié)構(gòu)、一導(dǎo)電材料部分和一儲(chǔ)能裝置。更具體地說，該輪胎結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于具有一與地面接觸的外胎面部分的胎冠、將所述充氣輪胎結(jié)構(gòu)固定到車輪輪輞上的胎邊部分、在胎邊部分和胎冠部分之間延伸的側(cè)壁部分、以及內(nèi)襯。導(dǎo)電材料部分插入到所述內(nèi)襯和所述外胎面部分之間的空間內(nèi)，以至少部分地構(gòu)成了一個(gè)導(dǎo)電通路，使積累在所述充氣輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電荷可以通過該通路流到與所述外胎面接觸的地面上。儲(chǔ)能裝置，例如電容器或充電電池，與所述導(dǎo)電材料部分相連，以進(jìn)一步構(gòu)成該導(dǎo)電通路，使積累在所述輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電荷可以通過該通路流出，并儲(chǔ)存一定量的所述電荷。
本發(fā)明的附加實(shí)施例可以包括上述實(shí)施例的選定特征并與各種其它元件相結(jié)合。例如，附加實(shí)施例還可以包括選定的二級(jí)管元件，其與所述儲(chǔ)能裝置相結(jié)合。一個(gè)這種二極管可以與所述儲(chǔ)能裝置串連，以防止儲(chǔ)存在所述儲(chǔ)能裝置內(nèi)的電荷反向放電。另一個(gè)這種二極管可以是與所述儲(chǔ)能裝置并聯(lián)的齊納二極管，以在輪胎結(jié)構(gòu)中形成一備用導(dǎo)電通路，為所述儲(chǔ)能裝置提供過電壓保護(hù)。由導(dǎo)電材料部分和相連的電能收集電路構(gòu)成的導(dǎo)電通路可以通過在導(dǎo)電通路旁設(shè)置絕緣材料來進(jìn)一步限定。當(dāng)從輪胎靜電中收集了能量，該能量可以用來給與輪胎相連的其它組件供電，其中組件例如一狀態(tài)響應(yīng)裝置、一射頻(RF)發(fā)射裝置、一微控制器等等。
本發(fā)明的另一實(shí)施例是關(guān)于具有自供電電子組件的輪胎組件，包括一充氣輪胎結(jié)構(gòu)、至少一部分導(dǎo)電材料和至少一電子組件。該充氣輪胎結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于具有一與地面接觸的外胎面部分的胎冠、將所述充氣輪胎結(jié)構(gòu)固定到車輪輪輞上的胎邊部分、在胎邊部分和胎冠部分之間延伸的側(cè)壁部分、以及內(nèi)表面。該至少一部分導(dǎo)電材料插入到所述內(nèi)襯和所述外胎面部分之間的空間內(nèi)，以至少部分地構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)電通路，使積累在所述充氣輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電荷可以通過該通路流到與所述外胎面接觸的地面上。該至少一個(gè)與所述導(dǎo)電通路相連的電子組件優(yōu)選地與該導(dǎo)電通路相連，并由流經(jīng)所述導(dǎo)電通路的電荷供電。該至少一個(gè)電子組件可以是轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器、狀態(tài)響應(yīng)裝置、或其它組件。應(yīng)該理解，組件的各種組合也可以由通路內(nèi)的電荷供電。
本發(fā)明的另一實(shí)施例涉及一種從轉(zhuǎn)動(dòng)輪胎的靜電中收集電能的方法。這種方法包括提供一輪胎結(jié)構(gòu)的步驟，該輪胎結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于具有一與路面接觸的外胎面部分的胎冠、將所述充氣輪胎結(jié)構(gòu)固定到車輪輪輞上的胎邊部分、在胎邊部分和胎冠部分之間延伸的側(cè)壁部分、以及內(nèi)襯。該輪胎結(jié)構(gòu)還優(yōu)選地包括插入到所述內(nèi)襯和所述外胎面部分之間的空間內(nèi)的至少一部分導(dǎo)電材料，以構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)電通路，使積累在所述充氣輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電荷可以通過該通路流到與所述外胎面接觸的地面上。本發(fā)明的電能收集方法的另一步驟涉及轉(zhuǎn)動(dòng)所述輪胎結(jié)構(gòu)，從而使所述輪胎結(jié)構(gòu)的胎面部分接觸地面。該轉(zhuǎn)動(dòng)步驟優(yōu)選地在所述輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生靜電荷，從而使該靜電荷流過所述至少一部分導(dǎo)電材料。關(guān)于該示例性的電能收集方法的最終步驟是在一個(gè)儲(chǔ)能裝置，例如電容器或充電電池中，儲(chǔ)存一部分在轉(zhuǎn)動(dòng)步驟中所產(chǎn)生的靜電荷。
在下文的詳細(xì)說明書中闡述了本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)，或者使其對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。同樣，可以進(jìn)一步理解對(duì)這里特別示出的、參考的以及描述的特征和步驟所作出的改進(jìn)和變型可以應(yīng)用在本發(fā)明的各種實(shí)施例和用途中，而不偏離本發(fā)明的宗旨和范圍。變型可以包括，但不限于，那些圖示出的、參考的或討論的等效裝置、特征或步驟，以及各種部件、特征以及步驟的功能性的、操作性的、或者位置上的顛倒，以及其它。
另外，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不同的實(shí)施例以及所給出的不同的優(yōu)選實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)包括在此公開的特征、步驟、或元件、或其等效物的各種組合或構(gòu)型(包括未在附圖中明確示出的或未在這些附圖的詳細(xì)說明中闡述過的，上述特征、部件、或步驟、或結(jié)構(gòu)的組合)。未在該發(fā)明內(nèi)容部分中闡述的本發(fā)明的附加實(shí)施例，可以包括并且結(jié)合在上述發(fā)明內(nèi)容中參考的特征、組件、步驟和/或該申請(qǐng)討論的其它特征、組件、或步驟等的各種組合。本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀該說明書余下部分的基礎(chǔ)上可以更好地理解這些實(shí)施例的特征、內(nèi)容以及其它


說明書中闡述了本發(fā)明所公開的全部且能實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容，包括指導(dǎo)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的最佳實(shí)施方式，這些內(nèi)容可參考附圖，其中圖1示出了示例性的充氣輪胎結(jié)構(gòu)的一般剖面圖；圖2示出了本發(fā)明一個(gè)示例性的實(shí)施例的詳細(xì)剖面圖，該實(shí)施例中具有成型在胎體結(jié)構(gòu)內(nèi)的導(dǎo)電通路，用以將靜電荷導(dǎo)流至儲(chǔ)能裝置以及使靜電荷釋放到地面上；圖3示出了本發(fā)明另一實(shí)施例的詳細(xì)剖面圖，其具有成型在胎體結(jié)構(gòu)內(nèi)的導(dǎo)電通路，用于將靜電荷導(dǎo)流至儲(chǔ)能裝置以及用于使靜電荷釋放到地面上；圖4給出了一個(gè)示意圖，其表示出了根據(jù)本發(fā)明的一種與儲(chǔ)能裝置相連的示例性電能收集電路；圖5A給出了一個(gè)方塊圖，其表示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性自供電電子元件，包括有電能收集電路設(shè)備和輪胎電子組件，并且表示出了它們之間的相互作用。
圖5B給出了一個(gè)方塊圖，其表示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性的集成自供電電子元件，包括有電能收集電路設(shè)備和輪胎電子組件，并且表示出了它們之間的另一種相互作用。
圖6給出了一個(gè)方塊圖，其表示出了一種根據(jù)在此公開的技術(shù)的示例性輪胎電子組件；圖7給出了一個(gè)方塊圖，其表示出了一種根據(jù)本發(fā)明的示例性的遠(yuǎn)程接收裝置結(jié)構(gòu)。
在整篇說明書和附圖中所重復(fù)使用的附圖標(biāo)記應(yīng)表示本發(fā)明的相同或相似的特征或元件。
具體實(shí)施例方式
如本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容部分所述，本發(fā)明具體涉及到一種在輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)收集電能的系統(tǒng)和方法，同時(shí)還給出了用以釋放來自輪胎結(jié)構(gòu)的累積電荷的技術(shù)特征。然后，收集到的電荷累積量足夠多時(shí)，則可用于給電子系統(tǒng)供電，其中電子系統(tǒng)例如包括識(shí)別各種輪胎物理參數(shù)的電子組件以及射頻發(fā)射裝置等。
用于釋放來自輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的靜電累積的技術(shù)特征包括插在輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面之間的導(dǎo)電材料部分。在圖1至圖3中示出了這種導(dǎo)電材料部分及其與輪胎結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系的技術(shù)內(nèi)容。在圖2至圖4中示出了使用由在輪胎內(nèi)的導(dǎo)電材料部分限定出的導(dǎo)電通路的儲(chǔ)能裝置及其它電能收集電路。在圖6中表示出了一包括狀態(tài)響應(yīng)裝置、微控制器和一個(gè)RF發(fā)射裝置的輪胎電子系統(tǒng)的實(shí)例。分別參照?qǐng)D5A和圖5B對(duì)電能收集電路以及輪胎電子系統(tǒng)之間的相互作用進(jìn)行討論。最后，在圖7中表示出了用于獲得來自示例輪胎電子系統(tǒng)所傳送的信息的遠(yuǎn)程接收裝置結(jié)構(gòu)的實(shí)施例。
對(duì)上述公開技術(shù)內(nèi)容的特定組合對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的多個(gè)不同實(shí)施例。應(yīng)注意到，這里所給出并討論的各實(shí)施例絕不暗指對(duì)本發(fā)明的限制。圖示出的或描述的、作為一個(gè)實(shí)施例一部分的特征或步驟可以和另一實(shí)施例內(nèi)容相結(jié)合從而產(chǎn)生另外的實(shí)施例。因此，某些特征可以與一些未明顯提及但能完成相同或相似功能的類似裝置或特征進(jìn)行互換。類似地，某些處理步驟也可以換成或結(jié)合其它步驟，以產(chǎn)生額外的利用轉(zhuǎn)動(dòng)輪胎機(jī)械能發(fā)電的方法實(shí)施例。
下文將要介紹的電能收集技術(shù)特征的性能，與傳統(tǒng)的在輪胎組件內(nèi)供電的技術(shù)方案相比能夠提供眾多優(yōu)點(diǎn)。前面提到過的天線波束電能提取技術(shù)已不再是為輪胎電子元件供電的有限選擇了。同樣，許多種輪胎電子元件的功能都被提高了。使用電池來供電已不再是必需的選擇了，從而可以避免昂貴且麻煩的電池更換。盡管這里公開的技術(shù)給出了無需天線波束電能以及電池的電能收集技術(shù)，但是應(yīng)該理解，該電能收集特征也可以包括儲(chǔ)存被引導(dǎo)的靜電和/或電池和/或天線波束提取相結(jié)合的混合方案，以在車輪組件內(nèi)為不同的選定電子組件供電。
一種典型的充氣輪胎結(jié)構(gòu)10的特征在于包括一個(gè)支撐外胎面部分18的胎冠15以及延伸到胎邊部分22的側(cè)壁20。側(cè)壁20通常在剖面線17和19之間延伸，并且胎冠15通常在兩剖面線19之間延伸。提供輪胎胎邊22，從而使輪胎結(jié)構(gòu)10可以有效地支撐并固定在車輪組件的輪輞上。不透氣材料的內(nèi)襯構(gòu)成了輪胎的內(nèi)表面，包括內(nèi)胎冠表面24和內(nèi)側(cè)壁表面26。胎體23在穿過側(cè)壁部分20的胎邊22以及胎冠15之間延伸，在充氣壓力下確定出輪胎的形狀并傳遞作用力，以進(jìn)行牽引和轉(zhuǎn)向。在輪胎結(jié)構(gòu)16內(nèi)通常沿著胎冠15設(shè)置帶束(belt package)21。當(dāng)充氣輪胎在車輪上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，至少外胎面的某一部分優(yōu)選地連續(xù)接觸地面。
正如在本發(fā)明的發(fā)明背景部分所討論的，可采用多種不同的材料來構(gòu)成輪胎，包括各種用在輪胎胎冠、側(cè)壁以及胎面部分的橡膠混合物。每種這樣的輪胎材料都具有一定水平的導(dǎo)電率，或電阻率(其與導(dǎo)電率成反比)。導(dǎo)電的橡膠組合物通常由具有顯著比例的炭黑的化合物構(gòu)成。相反，相對(duì)不導(dǎo)電的橡膠組合物一般由具有比炭黑含量大的多的硅組成。通常，相對(duì)于炭黑而增加硅的含量會(huì)降低輪胎的導(dǎo)電率，但是可以提供更佳的在潮濕條件下的制動(dòng)性能，并且還能減小輪胎的滾動(dòng)阻力。
圖2示出了圖1中輪胎結(jié)構(gòu)10的具體視圖，還包括各種電能收集電路以及相連的電子組件。圖2的具體視圖示出了沿內(nèi)胎冠表面24的、在外胎面部分18和內(nèi)襯之間的輪胎胎冠15。該輪胎的一部分具有一通常不導(dǎo)電的硅材料，從而優(yōu)選地包括接地的導(dǎo)電通路，以釋放掉在常規(guī)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)以及其它情況下積累在輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的靜電。同樣，由第一導(dǎo)電段30和第二導(dǎo)電段32確定的導(dǎo)電材料部分插入到外胎面部分18和內(nèi)表面24(或者可選地內(nèi)側(cè)壁表面26)之間。當(dāng)靜電荷(由負(fù)電荷粒子27表示)在輪胎內(nèi)部積累時(shí)，帶電粒子被吸引到正電荷29處，該正電荷29可能存在于靠近輪胎結(jié)構(gòu)的地面上。電荷被吸引穿過導(dǎo)電材料部分，如圖2所示，該導(dǎo)電材料部分相對(duì)于輪胎結(jié)構(gòu)10徑向延伸。
仍然參考圖2，在第一段30和第二段32之間設(shè)有儲(chǔ)能裝置28，從而使流經(jīng)由導(dǎo)電段所確定的導(dǎo)電通路的靜電荷或電荷可以被儲(chǔ)存在該儲(chǔ)能裝置28中。在某些實(shí)施例中儲(chǔ)能裝置28是一個(gè)電容，例如一個(gè)電解電容、超級(jí)電容或一個(gè)非電解電容。在其它實(shí)施例中，儲(chǔ)能裝置28也可以是一個(gè)充電電池，例如可充電的固態(tài)電池或化學(xué)電池。附加的電能收集電路可與儲(chǔ)能裝置28相結(jié)合，下文將對(duì)此進(jìn)行討論。所示的儲(chǔ)能裝置28位于導(dǎo)電段30和32之間，但是應(yīng)該理解，該儲(chǔ)能裝置28也可以位于輪胎結(jié)構(gòu)10的不同位置上，而不應(yīng)僅限于以上公開的技術(shù)內(nèi)容中。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，可以在導(dǎo)電段30和32的相對(duì)面上設(shè)置兩個(gè)電容板，以形成一個(gè)儲(chǔ)能裝置。
為了保證累積的靜電荷可以儲(chǔ)存在儲(chǔ)能裝置28中，優(yōu)選地確保接地的導(dǎo)電通路是一嚴(yán)格限制的通道，通過該通道電荷可以反向流動(dòng)以釋放在與輪胎相連的某些其它位置上。如果輪胎橡膠主要由相對(duì)不導(dǎo)電的橡膠制成，例如一種表面電阻率大于1012歐姆·平方米的橡膠，那么導(dǎo)電段30和32所用的材料要具有足夠小的電阻率，從而使電荷從該限定了的導(dǎo)電通路流過。盡管在某些實(shí)施例中，在該導(dǎo)電通路中的材料表面電阻率優(yōu)選小于106歐姆·平方米，但是表面電阻率在106歐姆·平方米到109歐姆·平方米之間的材料仍然可以將電荷傳送到地面或者其它導(dǎo)體。由段30和32確定的導(dǎo)電材料部分與輪胎結(jié)構(gòu)10的其它部分相比，可以是一種導(dǎo)電性更強(qiáng)或者更小電阻的橡膠材料，或者在其它實(shí)施例中為對(duì)應(yīng)導(dǎo)電金屬的接線部分，例如導(dǎo)電纖維管(staple)或?qū)Ь€。由該導(dǎo)電材料部分確定的導(dǎo)電通路也可以由導(dǎo)電橡膠及金屬引線結(jié)合構(gòu)成。
在本發(fā)明技術(shù)的某些實(shí)施例中，優(yōu)選地通過在確定接地導(dǎo)電通路的區(qū)域內(nèi)設(shè)置附加的絕緣材料部分來進(jìn)一步限制由導(dǎo)電材料部分限定的導(dǎo)電通路。絕緣材料34可以緊靠第一導(dǎo)電段30和第二導(dǎo)電段32，并圍繞任意的電能收集電路，例如嵌在輪胎內(nèi)的儲(chǔ)能裝置28。絕緣材料34的特征在于其表面電阻率大于1012歐姆·平方米。在輪胎中一種適合的絕緣材料例子是CHEMLOK牌材料，例如由Lord ManufacturingCorporation出售的，其也可以用于幫助粘合材料的不同部分(例如橡膠的相對(duì)不導(dǎo)電部分粘合到橡膠或金屬的相對(duì)導(dǎo)電部分)。絕緣材料34也可以幫助限定導(dǎo)電通路，使其與輪胎的其它可能導(dǎo)電部分例如胎體23和帶束21(在圖2中未示出)區(qū)別開。在某些實(shí)施例中，段32和周圍的絕緣材料可以穿過輪胎10延伸到一相對(duì)帶束21和/或胎體23的選定位置。在一般標(biāo)題為“非導(dǎo)電輪胎胎面的導(dǎo)電通路(CONDUCTIVITYPATH FOR NON-CONDUCTIVE TIRE TREAD)”的美國申請(qǐng)?zhí)?0/271,331的專利申請(qǐng)中介紹了構(gòu)成相對(duì)于輪胎結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電通路的其它內(nèi)容，在此結(jié)合作為參考。
在上述共有的參考文獻(xiàn)中還公開了具有附加的導(dǎo)電與非導(dǎo)電橡膠材料相結(jié)合的輪胎結(jié)構(gòu)實(shí)施例。圖3示出了一個(gè)這種實(shí)施例的內(nèi)容，其中輪胎結(jié)構(gòu)10包括一胎冠和胎面部分，該部分由一不導(dǎo)電的胎面基底材料36和導(dǎo)電的胎面行駛面(tread cap)部分38組成。在這種情況下，由導(dǎo)電段30和32以及儲(chǔ)能裝置28確定的導(dǎo)電通路只需延伸到導(dǎo)電胎面行駛面橡膠38即可。圖3實(shí)施例比圖2實(shí)施例更可行，其中圖3實(shí)施例是導(dǎo)電部分30和32對(duì)應(yīng)于導(dǎo)線或纖維管，而不是對(duì)應(yīng)于導(dǎo)電橡膠材料。
應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解，根據(jù)在此公開的技術(shù)內(nèi)容也可以采用多條導(dǎo)電通路，并且可以設(shè)置多個(gè)儲(chǔ)能裝置來與這種多條導(dǎo)電通路相結(jié)合。例如，這些通路可以沿圍繞輪胎的圓周方向布置。
根據(jù)本發(fā)明，釋放累積靜電荷所需經(jīng)過的導(dǎo)電通路包括至少一部分導(dǎo)電材料和一儲(chǔ)能裝置28。可以與儲(chǔ)能裝置相連一個(gè)附加的電能收集電路，從而為額外的輪胎電子組件產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)調(diào)節(jié)的電源。在圖4中示意性地示出了包括儲(chǔ)能裝置28的附加電能收集電路40的實(shí)施例。儲(chǔ)能裝置28可以是一個(gè)電解電容器，例如Panasonic的TEL系列的電容約為47μ法拉的鉭電容器。其它類型的電容器，例如超級(jí)電容器或者非電解電容器，也可類似地用作儲(chǔ)能裝置28。儲(chǔ)能裝置還可以是一個(gè)充電電池，例如Infinite Power Solutions公司出售的LiteStar牌固態(tài)可充電電池。其它的可充電固態(tài)電池或者可充電化學(xué)電池也可用作儲(chǔ)能裝置28。
仍然參考圖4，儲(chǔ)能裝置28優(yōu)選地與二極管42串連，以防止儲(chǔ)能裝置28在其儲(chǔ)存電荷之后被反向放電。二極管42和儲(chǔ)能裝置28位于導(dǎo)電段30和32之間，并且優(yōu)選地嵌在輪胎結(jié)構(gòu)10內(nèi)。電能收集電路的其它組件也可以嵌在輪胎結(jié)構(gòu)10內(nèi)，例如位于絕緣材料34內(nèi)或者輪胎本身的其它嵌入位置上。這種電能收集電子元件也可以安裝到輪胎結(jié)構(gòu)的內(nèi)襯上，例如在圖2和圖3中表示出的沿著內(nèi)胎冠表面24的電子模塊44。該電子模塊44也包括附加的組件，例如下面將要介紹的各種輪胎電子系統(tǒng)。安裝電能收集電子裝置的另一個(gè)適合位置是沿著選定內(nèi)側(cè)壁表面26。此外，電能收集電路40的選定組件可以安裝并固化到輪胎結(jié)構(gòu)10內(nèi)部，例如，位于胎體23以及沿表面24和/或26的內(nèi)襯之間?？蛇x地可以將電能收集電路和/或附加輪胎電子元件在粘附到或嵌在輪胎內(nèi)部之前，設(shè)置在附加橡膠或彈性體外殼附近以提供額外的保護(hù)。這種殼體還可以幫助將電路安裝到輪胎結(jié)構(gòu)上。根據(jù)電能收集電路40以及任何被供電的電子組件的各種可能位置，應(yīng)當(dāng)理解，術(shù)語“集成”通常涵蓋所有可能的位置，包括安裝到輪胎結(jié)構(gòu)上或其內(nèi)部。
再次參考圖4，當(dāng)儲(chǔ)能裝置28中積累了足夠的能量時(shí)，將一個(gè)雙極晶體管50用作一個(gè)開關(guān)，以將儲(chǔ)能裝置28中儲(chǔ)存的能量釋放到一穩(wěn)壓器52。適于應(yīng)用在圖3所示實(shí)施例中的穩(wěn)壓器的實(shí)例可以是一個(gè)雙模式五伏可編程微功率線性穩(wěn)壓器，例如Maxim Integrated Products出售的MAX666牌。這種穩(wěn)壓器非常適用于本來由電池供電的電子系統(tǒng)，并且可以將儲(chǔ)能裝置28兩端的電壓轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的五伏輸出電壓44。其它的穩(wěn)壓器，例如微功率開關(guān)式穩(wěn)壓器，也可以根據(jù)上文公開的技術(shù)被使用，其中這種微功率開關(guān)式穩(wěn)壓器通常比線形穩(wěn)壓器具有更高的功效水平。在圖3的功率調(diào)節(jié)模塊實(shí)施例中還附帶有一擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(DMOS)FET晶體管54和齊納二極管56。齊納二極管56與儲(chǔ)能裝置28并聯(lián)，從而通過限定其內(nèi)儲(chǔ)存的電荷量來為該儲(chǔ)能裝置28提供過電壓保護(hù)。
開始時(shí)，晶體管50和54關(guān)斷，晶體管54的接地漏極懸空，從而沒有輸出電壓。當(dāng)儲(chǔ)能裝置28充電到足夠的電平時(shí)(由齊納二極管56和晶體管50的基極-發(fā)射極結(jié)決定)，晶體管50導(dǎo)通，開啟晶體管54并關(guān)斷晶體管50。此時(shí)，儲(chǔ)能裝置28放電并通過電路提供一個(gè)五伏調(diào)整輸出44給電子系統(tǒng)。典型地，當(dāng)由輸出電壓44所供給的電子元件完成其正常工作時(shí)，電子系統(tǒng)發(fā)回一個(gè)信號(hào)給信號(hào)通路58，通過電阻60和電容62來關(guān)斷晶體管50，并不再激勵(lì)晶體管54，從而可以再一次在儲(chǔ)能裝置28中積累電能。
根據(jù)本發(fā)明，由電能收集電路40儲(chǔ)存的電能可以應(yīng)用在各種組件或者不同的輪胎電子組件上。圖5A和5B分別示出了電能收集電路40和輪胎電子系統(tǒng)(TES)48之間的相互作用的實(shí)施例。
根據(jù)圖5A，能量積累在電能收集電路的儲(chǔ)能裝置中(例如，一個(gè)電容或者充電電池)，直到所得到的電荷量足以執(zhí)行TES48的所需功能。在供電循環(huán)之間，TES48一直未被供電，從而TES48的開啟由電能收集電路的儲(chǔ)能裝置累積電能的速率來控制。當(dāng)在電能收集電路中積蓄了足夠的電能時(shí)，分別在通路64和66將源電壓“Vdd”和接地電壓“Vss”提供給TES48。TES48會(huì)沿通路58返回一個(gè)“通電”信號(hào)，表示TES48中的電子元件當(dāng)前已經(jīng)開始工作了。當(dāng)TES48中的給定電子元件完成了各自任務(wù)時(shí)，“通電”信號(hào)減弱，并且儲(chǔ)能裝置28重新開始積累電能。只要輪胎組件以大于或等于一個(gè)速度閾值轉(zhuǎn)動(dòng)，該閾值通常為20公里/時(shí)左右，該循環(huán)就重復(fù)。
根據(jù)參照?qǐng)D5B所給出并進(jìn)行討論的相互作用的實(shí)施例，電能收集電路持續(xù)給TES48提供電壓“Vdd”和接地“Vss”信號(hào)以及一“油量計(jì)(fuel gage)”信號(hào)，該“油量計(jì)”信號(hào)示出了儲(chǔ)存在電能收集電路40中的電量。當(dāng)給TES48供電時(shí)，一個(gè)微處理器或者其它適合的電子組件可以定期激活自身，從而監(jiān)測(cè)來自電能收集電路40的“油量計(jì)”信號(hào)。如果在儲(chǔ)能裝置28中有足夠的電能可用，則TES48開始進(jìn)行一特定任務(wù)。如果沒有足夠的電能可用，則TES48進(jìn)入一個(gè)低能耗模式，在該模式中其消耗少于一μA的電能。此后周期性地檢測(cè)油量計(jì)信號(hào)，直到積蓄了足夠的電能。只要該輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)速度達(dá)到或超過一給定速度閾值，這種等待足夠的電能累積、進(jìn)入特定任務(wù)、以及返回到低能耗模式的循環(huán)優(yōu)選地以連續(xù)方式重復(fù)進(jìn)行。
如前文所述，TES48可以包括多種不同的電子應(yīng)用，這取決于輪胎或車輪組件上具有何種電子元件。輪胎電子系統(tǒng)48的一特定實(shí)施例即是圖6所示的裝置組合。具體來說，這種電子組件用作一輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其測(cè)量輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度和壓力，并將結(jié)果通過射頻(RF)發(fā)射裝置68傳送給遠(yuǎn)程接收裝置位置。用于上述公開的技術(shù)內(nèi)容中的發(fā)射裝置及接收裝置模塊的實(shí)施例分別對(duì)應(yīng)于Radiometrix Ltd發(fā)售的TX2牌和RX2牌的UHF FM數(shù)據(jù)發(fā)射裝置和接收裝置模塊。
參照?qǐng)D5A和5B所討論的五伏電力信號(hào)“Vdd”、接地信號(hào)“Vss”以及“通電”或“油量計(jì)”信號(hào)優(yōu)選地由電能收集電路提供給一微控制器70?？捎糜谏衔乃_的技術(shù)中的、適合的微控制器實(shí)例可以是一個(gè)Microchip牌的PIC16LF876的28針CMOS RISC微控制器。當(dāng)給輸入路徑64通電并向溫度傳感器72和壓力傳感器74(以及任意附加的傳感器，或者適于用在TES12中的電子裝置)供電時(shí)，微控制器70被激活。適于用在上述技術(shù)中的溫度傳感器實(shí)例可以是National Semiconductor發(fā)售的LM50 SOT-23單電源攝氏溫度傳感器。適于用在上述技術(shù)中的壓力傳感器實(shí)例可以是ICSensor及Measurement Specialties Inc.發(fā)售的模式1471印刷電路板可安裝壓力傳感器?？蛇x地，可以使用一個(gè)表面聲波(SAW)裝置來測(cè)量給定位置的溫度和壓力。附加傳感器76、78、80分別測(cè)量輪胎結(jié)構(gòu)或相應(yīng)車輪組件的其它附加特征。根據(jù)本發(fā)明，狀態(tài)響應(yīng)裝置可以包括傳感器、聲學(xué)裝置以及其它能夠響應(yīng)輸入狀態(tài)改變并產(chǎn)生某種輸出的組件。
圖6的TES實(shí)例48的另一組件是一充電電池81，其被配置成可以接收儲(chǔ)存在儲(chǔ)能裝置28中的電荷以及能夠儲(chǔ)存用于集成輪胎電子元件或者車輛的其它電子裝置上的額外電能?？捎糜诒景l(fā)明中的充電電池實(shí)例可以是Infinite Power Solutions發(fā)售的LiteStar牌固態(tài)可充電電池。儲(chǔ)存在電池81中的電能可以比在儲(chǔ)能裝置(例如電容器)中儲(chǔ)存更長(zhǎng)的時(shí)間，因而采用充電電池或者充電電池加上電容器則更為理想。當(dāng)在儲(chǔ)能裝置中沒有儲(chǔ)存足夠多的由壓電纖維的作用所產(chǎn)生的電能時(shí)，儲(chǔ)存在電池81中的電能可以提供給微控制器70。這種情況發(fā)生在例如當(dāng)車輪靜止或者當(dāng)輪胎從車輛上拆下時(shí)。例如，當(dāng)?shù)厍谌藛T檢查商務(wù)飛機(jī)的靜止輪胎的氣壓時(shí)，需要用儲(chǔ)存的電能給TES48供電。同樣，當(dāng)輪胎被拆下時(shí)，電池81可以用于給TES48供電，從而獲得管理輪胎存貨或翻新的信息。
進(jìn)一步參考圖6的TES實(shí)例48，微控制器70優(yōu)選地包括一模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器，其分別接收傳感器72-80的信息，并將這些信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息。微控制器70還包括存儲(chǔ)器，優(yōu)選地為永久性EEPROM，在EEPROM中存儲(chǔ)獨(dú)特的識(shí)別標(biāo)志，該標(biāo)志可為識(shí)別該輪胎或車輪組件提供充足的信息。這種識(shí)別變量在例如卡車車隊(duì)、飛機(jī)等商務(wù)應(yīng)用中用于跟蹤輪胎及車輛時(shí)特別有用。一旦微控制器70獲得例如由傳感器72-80分別提供的所需信息，并且這些所需信息被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，微控制器70優(yōu)選地切斷傳感器電源，并分別接通給RF發(fā)射裝置68供電的線路82和84。然后將所需的數(shù)字信息通過數(shù)據(jù)線86輸出給RF發(fā)射裝置68，在RF發(fā)射裝置68中，數(shù)據(jù)被調(diào)制為一調(diào)頻(FM)載波信號(hào)，并且通過天線88發(fā)給遠(yuǎn)程接收裝置位置。
可由該電能收集技術(shù)供電的輪胎電子組件實(shí)例可以是比圖6中TES實(shí)例48組件更少的組合，甚至是單個(gè)組件，例如一轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器、一單一狀態(tài)響應(yīng)裝置、一充電電池或者一閃光裝置。
一采用該帶有某種發(fā)射裝置的自供電電子元件的輪胎組件的車輛，優(yōu)選地配備有一單個(gè)接收裝置，以獲得來自各輪胎組件的無線傳輸信息。圖7給出了一個(gè)表示根據(jù)本發(fā)明的遠(yuǎn)程接收結(jié)構(gòu)90的方塊圖。接收天線92幫助接收各車輪組件發(fā)出的信息并將該信息傳遞給RF接收裝置94，在該接收裝置處所接收到的信息從其載波信號(hào)中解調(diào)，并通過通路96提供給信號(hào)處理器98。還從RF接收裝置94通過信號(hào)通路100提供給信號(hào)處理器98一個(gè)載波檢測(cè)信號(hào)。由RF接收裝置94輸出的數(shù)據(jù)以及該載波檢測(cè)信號(hào)優(yōu)選地在信號(hào)處理器98中相乘(multiply)，從而可以得到?jīng)]有寄生噪聲的信號(hào)。該具有減小誤差概率的數(shù)據(jù)信號(hào)優(yōu)選地發(fā)送給一駕駛員電路，該電路將該數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為適于經(jīng)由RS232接口102發(fā)送給主機(jī)104的電壓信號(hào)。優(yōu)選在主機(jī)104上采用終端仿真軟件，從而使通過RS232接口102接收的數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換為最終使用者可直接利用的信息，例如一個(gè)易讀的顯示模塊提供的信息。
應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)在此公開的技術(shù)內(nèi)容，除了本說明書特別公開的電子裝置以外，其它的電子裝置也可以用于該電能生成技術(shù)中。例如，可能需要傳遞除了溫度、壓力和識(shí)別信息以外的其它類型信息給遠(yuǎn)程位置。實(shí)施例包括輪胎轉(zhuǎn)數(shù)、輪胎偏轉(zhuǎn)量、車速以及作用在輪胎結(jié)構(gòu)上的靜力和動(dòng)力水平。美國專利No.5,749,984公開了可以應(yīng)用本發(fā)明的輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的其它內(nèi)容，在此結(jié)合該專利作為參考。一輪胎電子系統(tǒng)可以與一個(gè)全球定位系統(tǒng)(GPS)相連，以精確指示車輛準(zhǔn)確位置?？蛇x地所收集的電能可以用于為車輪組件的發(fā)光組件或反饋系統(tǒng)供電?？梢愿鶕?jù)在此公開的技術(shù)內(nèi)容被供電的電子應(yīng)用數(shù)量是非常巨大的，且不能限于本發(fā)明。
盡管是根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)施例來具體描述本發(fā)明的，但是應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員在理解了前述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，可以很容易地對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變換、修改以及得到等效方案。因此，本說明書的范圍僅僅是用于舉例說明而不是用來限制本發(fā)明的，并且本發(fā)明不排除對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的那些對(duì)本發(fā)明的改型、變形和/或補(bǔ)充。
權(quán)利要求
1.一種輪胎組件，其被配置為在充氣輪胎結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)期間存儲(chǔ)累積的電荷，所述輪胎組件包括一充氣輪胎結(jié)構(gòu)，其特征在于具有一與路面接觸的外胎面部分的胎冠、將所述充氣輪胎結(jié)構(gòu)固定到車輪輪輞上的胎邊部分、在胎邊部分和胎冠部分之間延伸的側(cè)壁部分、以及內(nèi)襯；一導(dǎo)電材料部分，該部分插入到所述內(nèi)襯和所述外胎面部分之間的空間內(nèi)，以至少部分地構(gòu)成一導(dǎo)電通路，使積累在所述充氣輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電荷可以通過該通路流到與所述外胎面接觸的地面上；以及一與所述導(dǎo)電材料部分相連的儲(chǔ)能裝置，用于進(jìn)一步構(gòu)成該導(dǎo)電通路，使積累在所述輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電荷可以通過該通路流出，其中所述儲(chǔ)能裝置被配置成可在其內(nèi)儲(chǔ)存流經(jīng)所述導(dǎo)電通路的所述電荷。
2.如權(quán)利要求1所述的輪胎組件，其中所述儲(chǔ)能裝置包括一電容器。
3.如權(quán)利要求1所述的輪胎組件，其中所述儲(chǔ)能裝置包括一充電電池。
4.如權(quán)利要求1所述的輪胎組件，還包括一個(gè)與所述儲(chǔ)能裝置相連的二極管，用于防止儲(chǔ)存在所述儲(chǔ)能裝置內(nèi)的電荷反向放電。
5.如權(quán)利要求1所述的輪胎組件，包括一與所述儲(chǔ)能裝置并聯(lián)的齊納二極管，用于和所述導(dǎo)電材料部分相結(jié)合構(gòu)成一備用導(dǎo)電通路，當(dāng)在所述儲(chǔ)能裝置中已經(jīng)存儲(chǔ)了預(yù)定量的電荷時(shí)電荷可以通過該通路流出。
6.如權(quán)利要求1所述的輪胎組件，還包括至少一個(gè)狀態(tài)響應(yīng)裝置，用于確定所選輪胎狀態(tài)的信息，其中所述至少一個(gè)狀態(tài)響應(yīng)裝置由存儲(chǔ)在所述儲(chǔ)能裝置中的電荷供電。
7.如權(quán)利要求1所述的輪胎組件，還包括一轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器，用于確定所述充氣輪胎結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)數(shù)，其中所述轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器由存儲(chǔ)在所述儲(chǔ)能裝置中的電荷供電。
8.如權(quán)利要求1所述的輪胎組件，還包括一絕緣材料的內(nèi)襯，其鄰近選定的導(dǎo)電材料部分和所述儲(chǔ)能裝置區(qū)域，以進(jìn)一步限制電荷在所述導(dǎo)電通路內(nèi)的流動(dòng)。
9.如權(quán)利要求1所述的輪胎組件，進(jìn)一步包括附加的導(dǎo)電材料部分，其插入到所述內(nèi)襯和所述外胎面部分之間的空間內(nèi)，以至少部分地構(gòu)成多條導(dǎo)電通路，使積累在所述充氣輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電荷可以通過該多條通路流到與所述外胎面接觸的地面上；以及一與所述導(dǎo)電材料的選定部分相連的儲(chǔ)能裝置，用于進(jìn)一步分別構(gòu)成所述導(dǎo)電通路，積累在所述輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電荷可以通過該通路流出，其中所述儲(chǔ)能裝置被配置成可在其內(nèi)儲(chǔ)存流經(jīng)各所述導(dǎo)電通路的所述電荷。
10.一種輪胎組件，其被配置成能夠儲(chǔ)存在充氣輪胎結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中所累積的電荷，所述輪胎組件包括一充氣輪胎結(jié)構(gòu)，其特征在于具有一與路面接觸的外胎面部分的胎冠、將所述充氣輪胎結(jié)構(gòu)固定到車輪輪輞上的胎邊部分、在胎邊部分和胎冠部分之間延伸的側(cè)壁部分、以及內(nèi)襯；一導(dǎo)電材料部分，其在所述內(nèi)襯和所述外胎面部分之間延伸，以至少部分地構(gòu)成一導(dǎo)電通路，使積累在所述充氣輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)的電荷可以通過該通路流到與所述外胎面接觸的地面上；以及一與所述導(dǎo)電材料部分相連的儲(chǔ)能裝置和二極管，用于進(jìn)一步構(gòu)成所述導(dǎo)電通路，使積累在所述輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)的電荷可以通過該通路流出，其中所述儲(chǔ)能裝置被配置成可在其內(nèi)儲(chǔ)存流經(jīng)所述導(dǎo)電通路的所述電荷；以及一絕緣材料的內(nèi)襯，其鄰近導(dǎo)電材料帶條和所述儲(chǔ)能裝置的選定部分，以進(jìn)一步限制電荷在所述導(dǎo)電通路內(nèi)的流動(dòng)。
11.如權(quán)利要求10所述的輪胎組件，其中所述儲(chǔ)能裝置包括一電容器。
12.如權(quán)利要求10所述的輪胎組件，其中所述儲(chǔ)能裝置包括一充電電池。
13.如權(quán)利要求10所述的輪胎組件，其中與所述儲(chǔ)能裝置串連的所述二極管用于防止儲(chǔ)存在所述儲(chǔ)能裝置內(nèi)的電荷反向放電。
14.如權(quán)利要求10所述的輪胎組件，其中所述二極管包括一與所述儲(chǔ)能裝置并聯(lián)的齊納二極管，用于和所述導(dǎo)電材料部分相結(jié)合構(gòu)成一備用導(dǎo)電通路，當(dāng)在所述儲(chǔ)能裝置中已經(jīng)存儲(chǔ)了預(yù)定量的電荷時(shí)電荷可以通過該通路流出。
15.如權(quán)利要求10所述的輪胎組件，其中所述二極管與所述儲(chǔ)能裝置串連，以防止儲(chǔ)存在所述儲(chǔ)能裝置內(nèi)的電荷反向放電，并且所述輪胎組件還包括一與所述儲(chǔ)能裝置并聯(lián)的齊納二極管。
16.如權(quán)利要求10所述的輪胎組件，還包括至少一個(gè)狀態(tài)響應(yīng)裝置，用于確定所選輪胎狀態(tài)的信息，其中所述至少一個(gè)狀態(tài)響應(yīng)裝置通過存儲(chǔ)在所述儲(chǔ)能裝置中的電荷供電；以及一個(gè)與所述至少一個(gè)狀態(tài)響應(yīng)裝置相連的天線，用于發(fā)送和接收射頻(RF)信號(hào)，該信號(hào)表示由所述至少一個(gè)狀態(tài)響應(yīng)裝置確定的關(guān)于所選定的輪胎狀態(tài)的所述信息。
17.如權(quán)利要求10所述的輪胎組件，其中所述充氣輪胎的所述外胎面部分的選定部分包括一導(dǎo)電材料，在該導(dǎo)電材料之下具有一相對(duì)不導(dǎo)電材料，并且其中所述導(dǎo)電材料部分限定出了一個(gè)與所述外胎面選定導(dǎo)電部分相連的導(dǎo)電通路。
18.如權(quán)利要求10所述的輪胎組件，還包括至少一個(gè)與所述儲(chǔ)能裝置相連的電子組件，從而使儲(chǔ)存在所述儲(chǔ)能裝置中的電荷能為所述至少一個(gè)電子組件供電；以及一與所述儲(chǔ)能裝置相連的功率調(diào)節(jié)模塊，用于接收儲(chǔ)存在所述儲(chǔ)能裝置中的電荷，以及向所述至少一個(gè)電子組件輸出一個(gè)穩(wěn)定電壓。
19.一種從轉(zhuǎn)動(dòng)輪胎的靜電中收集電能的方法，所述方法包括以下步驟提供一輪胎結(jié)構(gòu)，其特征在于具有一與路面接觸的外胎面部分的胎冠、將所述充氣輪胎結(jié)構(gòu)固定到車輪輪輞上的胎邊部分、在胎邊部分和胎冠部分之間延伸的側(cè)壁部分、以及內(nèi)襯，其中所述輪胎結(jié)構(gòu)還包括插入到所述內(nèi)襯和所述外胎面部分之間的空間內(nèi)的至少一部分導(dǎo)電材料，以構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)電通路，使積累在所述充氣輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電荷可以通過該通路流到與所述外胎面接觸的地面上；轉(zhuǎn)動(dòng)所述輪胎結(jié)構(gòu)，從而使所述輪胎結(jié)構(gòu)的胎面部分接觸地面，其中所述轉(zhuǎn)動(dòng)步驟在所述輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生靜電荷，隨后該靜電荷流過所述至少一部分導(dǎo)電材料；以及在一個(gè)儲(chǔ)能裝置中儲(chǔ)存一部分在轉(zhuǎn)動(dòng)步驟中所產(chǎn)生的靜電荷。
20.如權(quán)利要求19所述的收集電能的方法，還包括調(diào)節(jié)儲(chǔ)存在所述儲(chǔ)能裝置中的靜電荷以產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓的步驟。
21.如權(quán)利要求19所述的收集電能的方法，還包括防止在儲(chǔ)能步驟中儲(chǔ)存在儲(chǔ)能裝置中的靜電荷從該儲(chǔ)能裝置放電的步驟。
22.如權(quán)利要求19所述的收集電能的方法，還包括通過在所述導(dǎo)電通路周圍設(shè)置絕緣材料來進(jìn)一步限定靜電荷通過由所述至少一部分導(dǎo)電材料限定的導(dǎo)電通路到地面的流動(dòng)的步驟。
23.一種具有自供電電子組件的輪胎組件，所述輪胎組件包括一充氣輪胎結(jié)構(gòu)，其特征在于具有一與路面接觸的外胎面部分的胎冠、將所述充氣輪胎結(jié)構(gòu)固定到車輪輪輞上的胎邊部分、在胎邊部分和胎冠部分之間延伸的側(cè)壁部分、以及內(nèi)部的胎冠表面和側(cè)壁表面；至少一部分導(dǎo)電材料，其插入到所述內(nèi)襯和所述外胎面部分之間的空間內(nèi)，以至少部分地構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)電通路，使積累在所述充氣輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電荷可以通過該通路流到與所述外胎面接觸的地面上；以及至少一個(gè)與所述導(dǎo)電通路相連的電子組件，其中所述至少一個(gè)電子組件由流經(jīng)所述導(dǎo)電通路的電荷供電。
24.如權(quán)利要求23所述的輪胎組件，其中所述至少一個(gè)電子組件包括一狀態(tài)響應(yīng)裝置，以確定有關(guān)選定的輪胎狀態(tài)的信息。
25.如權(quán)利要求24所述的輪胎組件，還包括一個(gè)與所述至少一個(gè)狀態(tài)響應(yīng)裝置相連的天線，用于發(fā)送和接收射頻(RF)信號(hào)，該信號(hào)表示由所述至少一個(gè)狀態(tài)響應(yīng)裝置確定的關(guān)于所選定的輪胎狀態(tài)的所述信息。
26.如權(quán)利要求24所述的輪胎組件，其中所述至少一個(gè)狀態(tài)響應(yīng)裝置提供關(guān)于所述輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的穩(wěn)定和壓力的信息。
27.如權(quán)利要求24所述的輪胎組件，還包括一由流經(jīng)所述導(dǎo)電通路的電荷供電的微控制器，且該微控制器與所述至少一個(gè)狀態(tài)響應(yīng)裝置相連，以處理從所述至少一個(gè)狀態(tài)響應(yīng)裝置接收的信息，并發(fā)出表示所述選定輪胎狀態(tài)的選定信息。
28.如權(quán)利要求27所述的輪胎組件，還包括一個(gè)RF發(fā)射裝置，其與所述微控制器相連，以接收來自所述微控制器的信息，將選定的信息調(diào)制為一載波信號(hào)，并通過所述天線給遠(yuǎn)程接收位置發(fā)送該選定信息。
29.如權(quán)利要求23所述的輪胎組件，其中所述至少一個(gè)電子組件包括一轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器，用于確定所述充氣輪胎結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)數(shù)，其中所述轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器由存儲(chǔ)在所述儲(chǔ)能裝置中的電荷供電。
30.如權(quán)利要求23所述的輪胎組件，進(jìn)一步包括一個(gè)儲(chǔ)能裝置，其被配置成接收和存儲(chǔ)流經(jīng)所述導(dǎo)電通路的一定量的電荷，其中所述至少一個(gè)電子組件由所述儲(chǔ)能裝置供電。
全文摘要
一種電能收集解決方案涉及一基本不導(dǎo)電輪胎結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有至少一個(gè)確定的導(dǎo)電通路，從而使在輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)期間累積的靜電可以通過該通路釋放到地面上。這種導(dǎo)電通路由一部分導(dǎo)電材料構(gòu)成，該導(dǎo)電材料可以部分地被附加的絕緣材料包圍，從而限制電荷流到地面。一個(gè)儲(chǔ)能裝置，例如電容器或充電電池，與該導(dǎo)電通路相連，并被配置為用于儲(chǔ)存一定量的流經(jīng)該導(dǎo)電通路的電荷。各種二極管元件可與該儲(chǔ)能裝置結(jié)合，以防止反向放電并為儲(chǔ)能裝置提供電壓保護(hù)。當(dāng)積蓄了足夠多的這種收集電能時(shí)，就可以為輪胎電子系統(tǒng)供電，包括各種狀態(tài)響應(yīng)裝置(即，傳感器等)、轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器、射頻(RF)裝置、充電電池或一發(fā)光裝置。
文檔編號(hào)B60C13/00GK1753796SQ200480004940
公開日2006年3月29日 申請(qǐng)日期2004年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月25日
發(fā)明者J·D·亞當(dāng)森, G·P·奧布賴恩 申請(qǐng)人:米其林研究和技術(shù)股份有限公司, 米其林技術(shù)公司