專利名稱：集電器結(jié)構(gòu)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的集電器結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還涉及一種用于集電的方法。
背景技術(shù)：
在許多無線設(shè)備中，獲取電力已經(jīng)成為核心問題。對于振動的產(chǎn)品，已經(jīng)開發(fā)出了基于壓電的解決方案，但是它們的操作壽命很短。MEMS曾被認(rèn)為是一種很有前途的解決方案，但是由于MEMS結(jié)構(gòu)的尺寸小，所以在集電時MEMS結(jié)構(gòu)的性能很差?；赗FID-技術(shù)進(jìn)行集電的解決方案也是已知的，但是在這些方案中，硬件配置是昂貴的。在汽車輪胎中，還已知有基于感應(yīng)進(jìn)行集電的解決方案，但是在機械地極端地進(jìn)行測試的環(huán)境中，這些解決方案的耐久性一直較差。在測量汽車輪胎的壓力時，還將電池連同電壓力傳感器(electric pressure sensor)及其發(fā)送器一起使用，但是這種解決方案的問題是需要不斷地更換電池。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明中，提供了 一種用于集電的方法，所述方法特別好地適用于汽車輪胎。該方法基于銷針(Pin)，當(dāng)輪胎的將要與該輪胎下的表面相接觸的一部分由于撞擊地面而彎曲時會引起該銷針的振動。通常，通過對輪胎的外圍殼部的內(nèi)表面進(jìn)行硫化而將銷針的一端固定至該輪胎。在銷針的末端處，具有這樣的MEMS加速度傳感器或壓電元件，其能夠在與輪胎的運動狀態(tài)的變化相關(guān)的加速度的影響下進(jìn)行集電。當(dāng)汽車輪胎的面對著行駛表面的那個表面的一部分與路面接觸時，在輪胎的該表面中將會發(fā)生幾十度的突然角度變化，這種變化取決于輪胎壓力。由于上述角度變化，銷針彎曲并開始振動。處于銷針末端處的MEMS或壓電收集器中就產(chǎn)生了周期性加速度，直到衰減抑制住了該振動為止。更精確地說，根據(jù)本發(fā)明的集電器的特征在于由權(quán)利要求1中的特征部分示出的內(nèi)容。至于根據(jù)本發(fā)明的方法，其特征在于由權(quán)利要求12中的特征部分示出的內(nèi)容。在根據(jù)本發(fā)明實施例的集電器結(jié)構(gòu)中，所述集電器結(jié)構(gòu)剛性地連接到基部，以使得所述集電器結(jié)構(gòu)的固有共振頻率確定為總共振頻率的至少50%。根據(jù)本發(fā)明實施例的集電器結(jié)構(gòu)包括機電轉(zhuǎn)換器。在根據(jù)本發(fā)明實施例的集電器結(jié)構(gòu)中，所述機電轉(zhuǎn)換器是MEMS轉(zhuǎn)換器。在根據(jù)本發(fā)明實施例的集電器結(jié)構(gòu)中，所述基部是汽車輪胎的外圍部的內(nèi)表面。在根據(jù)本發(fā)明實施例的集電器結(jié)構(gòu)中，所述基部是靴(shoe)或靴的一部分。根據(jù)本發(fā)明實施例的集電器結(jié)構(gòu)中的集電器包括MEMS元件。根據(jù)本發(fā)明實施例的集電器中的所述機電轉(zhuǎn)換器設(shè)置有用于向所述轉(zhuǎn)換器提供偏置電壓的偏置裝置。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述偏置裝置是通過壓電元件來實現(xiàn)的。
根據(jù)本發(fā)明的實施例,所述偏置裝置是通過合適的材料對(material couple)來實現(xiàn)的。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述集電器包括壓電元件。在根據(jù)本發(fā)明實施例的集電器結(jié)構(gòu)中，測量用電子器件被集成在所述集電器中。在根據(jù)本發(fā)明實施例的集電器結(jié)構(gòu)中，發(fā)送用電子器件被集成在所述集電器中。在根據(jù)本發(fā)明實施例的方法中，將集電器結(jié)構(gòu)剛性地連接到基部，以使得所述集電器結(jié)構(gòu)的固有共振頻率確定為總共振頻率的至少50%。在根據(jù)本發(fā)明實施例的方法中，將機電轉(zhuǎn)換器用作集電器結(jié)構(gòu)。在根據(jù)本發(fā)明一個實施例的方法中，所述機電轉(zhuǎn)換器是MEMS轉(zhuǎn)換器。在根據(jù)本發(fā)明實施例的方法中，將汽車輪胎的外圍部的內(nèi)表面用作基部。在根據(jù)本發(fā)明實施例的方法中，將靴或靴的一部分用作基部。在根據(jù)本發(fā)明實施例的方法中，將被提供有偏置電壓的MEMS元件用于所述集電器中。在根據(jù)本發(fā)明實施例的方法中，所述偏置電壓是通過壓電元件來實現(xiàn)的。在根據(jù)本發(fā)明實施例的方法中，所述偏置電壓是通過合適的材料對來實現(xiàn)的。在根據(jù)本發(fā)明實施例的方法中，將壓電元件用作所述集電器。在根據(jù)本發(fā)明實施例的方法中，將測量用電子器件集成在所述集電器中。在根據(jù)本發(fā)明實施例的方法中，將發(fā)送用電子器件集成在所述集電器中。根據(jù)本發(fā)明實施例的汽車輪胎包括根據(jù)本發(fā)明一個實施例的集電器。根據(jù)本發(fā)明實施例的靴包括根據(jù)本發(fā)明實施例的集電器。根據(jù)本發(fā)明實施例的輥結(jié)構(gòu)包含根據(jù)本發(fā)明實施例的集電器。在根據(jù)本發(fā)明實施例的用于制造集電器結(jié)構(gòu)的方法中，通過將由本發(fā)明實施例的方法提供的待使用的部件連接到所述集電器結(jié)構(gòu)而形成所述集電器結(jié)構(gòu)。在根據(jù)本發(fā)明實施例的用于制造集電器結(jié)構(gòu)的方法中，所述集電器結(jié)構(gòu)是以如下方式來形成的:所述集電器結(jié)構(gòu)被安裝為根據(jù)本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)部件，比如汽車輪胎、汽車輪胎的一部分、輪輞(rim)、或上述這些的組合、靴、或棍結(jié)構(gòu)。通過本發(fā)明取得了顯著的優(yōu)點。本發(fā)明為例如汽車輪胎提供了廉價且免維護(hù)的壓力傳感器。計算結(jié)果表明，通過這種布置可以容易獲得超過ImW的功率，該功率高達(dá)與壓力傳感器相關(guān)的電子器件所需功率的10倍。該方法的一個優(yōu)選應(yīng)用是監(jiān)視車輛的輪胎壓力，不過該方法也可以用于其他應(yīng)用。在該方法中，我們首先專注于能量由彈簧儲存，不過，當(dāng)然可以想到的是起初憑借加速度的能量被綁定到質(zhì)量的動能。這為該方法開發(fā)了若干個應(yīng)用目標(biāo)。除輪胎之外，該方法的功能原理可以在例如靴和棍墊(roller mat)中起作用，因此它可以與例如雪地車棍(snowmobile roller)結(jié)合起來使用以用于監(jiān)視該棍的狀況或積雪特點。


下面，根據(jù)附圖借助于實施例示例來檢驗本發(fā)明。在附圖中:圖1以框圖形式示出了根據(jù)本發(fā)明的集電器；圖2更詳細(xì)地示出了圖1的框圖；以及
圖3結(jié)合汽車輪胎示出了本發(fā)明的實施例。
具體實施例方式根據(jù)圖1，根據(jù)本發(fā)明的集電器的實施例示例包括與需要電能的電子器件2連接的集電器I。根據(jù)圖2，集電器通常包括MEMS元件3，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該MEMS元件的等效電路包括電容器。實踐中，這個電容器的電容是由固定不動的電極以及與該電極相鄰的棒形振動器形成的，該棒形振動器形成該電容器的另一電極。在這兩個電極之間施加偏置電壓，然后該棒形振動器的振動棒在其兩極(pole)之間產(chǎn)生AC電壓。偏置電壓可以通過電池、壓電元件或所謂的內(nèi)置效應(yīng)(build-1n effect)來形成，由此將會在兩種不同材料之間產(chǎn)生電壓。這個電壓通過整流器4而被整流，并被輸入到電子電路2，電子電路2包括測量用電子器件5、傳感器7和連接有發(fā)射天線8的發(fā)送用電子器件6。傳感器7通常是壓力傳感器。元件3也可以由壓電元件代替，該壓電元件可以安置在如下文所描述的銷針10的末端處，或可以安置在該銷針的所述末端的周圍。根據(jù)圖3，相當(dāng)短的銷針10在汽車輪胎的外圍殼部的內(nèi)表面11處被固定至輪胎12，S卩，被固定到汽車輪胎12的加壓的內(nèi)部。銷針10通過適當(dāng)?shù)腻^9而被固定到外圍殼部的內(nèi)表面11。如果銷針10的特征頻率足夠低，那么當(dāng)輪胎彎曲時銷針10的質(zhì)量維持在原地，然后彈簧將根據(jù)該銷針的彈簧常數(shù)的變化能轉(zhuǎn)化為儲存在該彈簧結(jié)構(gòu)中的能量。變化后，銷針10開始以其特征頻率振動。MEMS集電器1、2被安裝在銷針10的末端處。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，還優(yōu)選使壓力傳感器7位于銷針的末端處以達(dá)到較大的質(zhì)量。如果銷針10的Q值足夠大(經(jīng)常高達(dá)1000)，那么基本上僅通過MEMS3以電力的形式進(jìn)行集電。根據(jù)本發(fā)明的一個 實施例，必要的是:在MEMS3中，還另外設(shè)有例如用于產(chǎn)生偏置電壓的壓電元件以使MEMS3作為集電器進(jìn)行操作。然而，如果MEMS中的間隙非常窄，那么該壓電元件可以被去除，因為所謂的內(nèi)置電壓往往會在該間隙間產(chǎn)生電壓。電池也可被用于產(chǎn)生偏置電壓，但不局限于僅單獨使用電池。于是，該電池將會具有非常長的壽命，這是因為實際上僅僅偏置電壓自身根本不會消耗電池。在本申請中，術(shù)語“銷針”表示細(xì)長的、棒狀的結(jié)構(gòu)，其最小直徑明顯小于該結(jié)構(gòu)的長度。數(shù)學(xué)分析在一定意義上，如果與銷針10的特征頻率相比輪胎12的表面的彎曲足夠快，那么該表面彎曲到角度φ的程度，該角度φ基本上取決于汽車的重量和輪胎壓力。從銷針的末端處的質(zhì)量的角度來看，這意味著位移χΛ。在這種情況下，通過銷針 ο而被儲存下來的能量為:
1■11 I ^E =—fa; =—nm
22其中k為銷針的彈簧常數(shù)，ω為銷針振動的特征頻率，以及m為銷針的質(zhì)量。上述位移可以通過銷針的長度I和角度φ來表示，其示出了當(dāng)輪胎的有關(guān)部分撞擊到路面時的曲率變化。該位移可以由下式來表示:
權(quán)利要求
1.一種連接到能夠重復(fù)變形或彎曲的基部(11)的集電器結(jié)構(gòu)(10)，其特征在于， 所述集電器結(jié)構(gòu)(10)是棒狀的， 所述集電器結(jié)構(gòu)(10)以基本上剛性的方式連接到所述基部(11)，并且 用于將機械能轉(zhuǎn)化成電能的集電器(3)連接到所述集電器結(jié)構(gòu)(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集電器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述集電器結(jié)構(gòu)(10)剛性地連接到所述基部(11)，以使得所述集電器結(jié)構(gòu)(10)的固有共振頻率確定為總共振頻率的至少50%。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的集電器結(jié)構(gòu)(10)，其特征在于，所述集電器結(jié)構(gòu)(10)包括機電轉(zhuǎn)換器。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的集電器結(jié)構(gòu)(10)，其特征在于，所述基部(11)是汽車輪胎(12)的外圍部的內(nèi)表面(11)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求1 3中任一項所述的集電器結(jié)構(gòu)(10)，其特征在于，所述基部(11)是靴或靴的一部分。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的集電器結(jié)構(gòu)(10)，其特征在于，所述集電器包括用于向MEMS元件提供偏置電壓的偏置裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的集電器結(jié)構(gòu)(10)，其特征在于，用于提供所述偏置電壓的所述偏置裝置是通過壓電元件來實現(xiàn)的。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的集電器結(jié)構(gòu)(10)，其特征在于，用于提供所述偏置電壓的所述偏置裝置是通過合適的材料對來實現(xiàn)的。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的集電器結(jié)構(gòu)(10)，其特征在于， 所述集電器⑶包括壓電元件。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的集電器結(jié)構(gòu)(10)，其特征在于，測量用電子器件(2)被集成在所述集電器(3)中。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的集電器結(jié)構(gòu)(10)，其特征在于，發(fā)送用電子器件(6)被集成在所述集電器(3)中。
12.一種用于從能夠重復(fù)變形或彎曲的基部(11)集電的方法，在所述方法中使用集電器結(jié)構(gòu)(10)，其特征在于，在所述方法中，使用棒狀的集電器結(jié)構(gòu)(10)和用于將機械能轉(zhuǎn)化成電能的集電器(3)，將所述集電器結(jié)構(gòu)(10)基本上剛性地連接到基部(11)，并且將所述集電器(3)連接到所述集電器結(jié)構(gòu)(10)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，將所述集電器結(jié)構(gòu)(10)剛性地連接到所述基部(11)，以使得所述集電器結(jié)構(gòu)(10)的固有共振頻率確定為總共振頻率的至少50%。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，將機電轉(zhuǎn)換器用作所述集電器結(jié)構(gòu)(10)。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，將汽車輪胎(12)的外圍部的內(nèi)表面(11)用作所述基部(11)。
16.根據(jù)權(quán)利要求12 14中任一項所述的方法，其特征在于，將靴或靴的一部分用作所述基部(11)。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，將被提供有偏置電壓的MEMS元件(3)用作所述集電器。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在所述方法中，所述偏置電壓是通過壓電元件來實現(xiàn)的。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在所述方法中，所述偏置電壓是通過合適的材料對來實現(xiàn)的。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在所述方法中，將壓電元件用作所述集電器(3)。
21.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在所述方法中，將測量用電子器件(2)集成在所述集電器(3)中。
22.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在所述方法中，將發(fā)送用電子器件(6)集成在所述集電器(3)中。
23.一種汽車輪胎，其特征在于，其包括前述權(quán)利要求1 11中任一項所述的集電器。
24.—種靴,其特征在于,其包括前述權(quán)利要求1 11中任一項所述的集電器。
25.一種輥結(jié)構(gòu)，其特征在于，其包括前述權(quán)利要求1 11中任一項所述的集電器。
26.一種用于制造集電器結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，在所述方法中，通過將由權(quán)利要求12 22中任一項所述的方法提供的部件連接到所述集電器結(jié)構(gòu)來形成所述集電器結(jié)構(gòu)。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，所述集電器結(jié)構(gòu)是根據(jù)權(quán)利要求23 25中任一項所述的結(jié)構(gòu)部件，即是汽車輪胎、汽車輪胎的一部分、輪輞、或上述這些的組合、靴、或輥結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種連接到能夠重復(fù)變形或彎曲的基部(11)的集電器結(jié)構(gòu)(10)，還涉及方法。根據(jù)本發(fā)明，集電器結(jié)構(gòu)(10)是棒狀的，集電器結(jié)構(gòu)(10)以基本上剛性的方式連接到基部(11)，并且用于將機械能轉(zhuǎn)化成電能的集電器(3)連接到集電器結(jié)構(gòu)(10)。
文檔編號H02N2/18GK103168417SQ201180043060
公開日2013年6月19日 申請日期2011年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者?；と?申請人:村田電子有限公司