从转动轮胎的静电中收集电能的系统和方法

专利名称：从转动轮胎的静电中收集电能的系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及通过常规轮胎转动中所积累的电荷进行自供电的轮胎电子组件。更具体地说，一带有通常不导电部分的充气轮胎结构可被构造成具有至少一导电段穿过轮胎结构和胎面部分，从而提供一个通道，使累积的静电能够通过该通道释放到地面上，同时该通道中的一部分静电被收集到一储能装置中。这样收集的能量累积到足够多时就可以为轮胎电子系统供电，其中轮胎电子系统包括各种状态响应装置(即，传感器等)、射频(RF)发射装置以及其它组件。
背景技术：
充气轮胎结构与电子装置的结合产生了很多实用的优点。轮胎电子元件可以包括传感器和其它组件，用来传递轮胎识别参数以及获得关于轮胎的各种物理参数的信息，例如温度、压力、转数和车速等等。这些性能信息对于轮胎监测和报警系统而言是非常有用的，并且还可能用在调节适当的轮胎压力水平的反馈系统中。
美国专利No.5,749,984(Frey等)公开了一种轮胎监测系统和方法，其可以确定轮胎信息，例如轮胎偏转(tire deflection)、轮胎速度以及轮胎转数。轮胎电子系统的另一实施例可以参见美国专利No.4,510,484(Snyder)，该专利是关于一种轮胎异常状况的报警系统。美国专利No.4,862,486(Wing等)也是关于轮胎电子元件的，并更具体地公开了一种典型的用在汽车及卡车轮胎上的转数计数器。关于轮胎压力监测系统内容的例子可参见美国专利No.4,004,271(Haven等)、No.4,742,857(Gandhi)、No.5,616,196(Loewe)以及No.5,928,444(Loewe等)。
与轮胎结构相结合的电子系统所提供的其它潜在性能是商用车辆应用的资产跟踪及工作特性。商用卡车车队、航空飞行器以及重型推土机/矿车都是可以利用轮胎电子系统及相关信息传递的可行行业。轮胎传感器可确定车辆中各轮胎的行驶距离，从而帮助这些商用系统制定维修计划。对于一些更昂贵的应用而言，例如重型采矿设备，可以优化车辆位置及性能。利用RF标签发射装置可以跟踪整个车队，其示例性的内容公开于美国专利No.5,457,447(Ghaem等)中。
这种被集成的轮胎电子系统通常利用多种技术以及不同的发电系统进行供电。美国专利No.4,061,200(Thompson)和No.3,760,351(Thomas)公开了利用轮胎运动而产生能量的机械特征的实例。这些实例提供了笨重且复杂的系统，其通常不适用于现代轮胎应用。美国专利No.4,510,484(Snyder)公开了另一种为轮胎电子系统供电的选择，即相对于一围绕轮胎径向中心线对称设置的压电簧片电源。
为轮胎电子系统供电的另一种典型的解决方案是利用不可充电电池，其本身不便于轮胎使用者的使用，因为这种电子系统的正确操作依赖于电池的定期更换。并且常规电池通常也含有对环境有害的重金属而不易处理，特别是在大量应用的情况下。此外，当被供电的电子应用具有较复杂的功能特征时，电池的电能消耗太快。特别是在相对较远距离间传输信息的电子系统中，例如从卡车车轮位置到卡车驾驶室的接收装置，电池储能的消耗通常就很快。即便电池是应用于从车轮位置到一个较近的接收位置的电子系统中，一般是由硬线传输介质将信息从RF接收位置传送到车辆驾驶室，然而这也需要在车辆上安装额外的并且通常较昂贵的通信硬件。
另外一种为轮胎监测系统获取电能的已知方法是从靠近轮胎及集成了电子特性的询问天线(interrogation antenna)中提取RF波束能量。提取天线发出的能量来为电子元件供电，并且这些电子元件必须特别限制为几个微瓦的超低功率。由于传输范围的限制，与由波束供电的电子元件一同使用的询问天线必须安放在相对非常靠近各个车轮的位置上(在两英尺以内)。这通常要求每辆汽车具有多个询问天线，从而增加了潜在的设备成本。各天线也极易因为路面条件恶劣而遭受损坏，基于上述的多种原因，这种方法并不是为轮胎电子应用供电的最理想的解决方案。
现在已有多种已知的收集电能并为轮胎电子系统供电的方法。然而，这些已知的技术内容在某些轮胎应用中无法采用。同样，需要提供一种为轮胎电子应用而收集电能的改进方法。
进一步根据本发明，可以理解某些与轮胎结构固有关联的电特性。例如，运动的车辆以及其所具有的轮胎组件会积累静电。除非提供一个接地通路，否则运动车辆所累积的静电会达到相当高的电压。由于多种原因所导致的这种电荷累积是有害的。例如，电荷的出现会形成干扰源，从而对包括无线电接收的汽车电路产生不良作用。过多的电荷也可能会产生火花，从而在加油期间产生安全隐患。此外，由车辆所有者来进行电荷接地，通常需要上、下车，这对于所有者而言也是特别不方便的。
可以利用轮胎来提供一个接地效果，以释放掉车内累积的静电。然而，这并不要求轮胎结构所用的所有材料都是必需导电的。导电的橡胶组合物通常由含有很高比例的炭黑的混合物构成。相反地，相对不导电的橡胶组合物则是硅的含量比炭黑含量高出很多。通常，针对炭黑增加相应比例的硅可以降低轮胎的导电率。
尽管硅基组合物通常导电性较差，但是使用硅作轮胎胎面部分的增强材料可以提供在潮湿条件下增强的制动性能，同样还可以减小轮胎滚动阻力。因此，提出了通过电绝缘轮胎胎面来提供导电通路的方法。例如，参见美国专利No.5,937,926(Powell)、No.6,220,319(Reuter)和No.6,269,854，在此结合这些申请全部内容作为参考。
认识到关于发电以及静电释放的需要，在轮胎环境下，根据本发明提供的各种导电通路除了能为累积的静电提供一个接地通路外，其还可在轮胎中为车辆应用提供双重功能。由于在许多情况下与轮胎结构相连的电子组件需要配备某种电源，因而可以导流并储存轮胎内的累积静电为电子元件供电。尽管已经分别研究出与轮胎结构相关的电能收集以及静电释放方法，但是不存在包含了根据本发明下述的所有需要的技术特征的技术方案。

发明内容
考虑到现有技术遇到的以及本发明中所提出的上述问题，研究出了一种为结合在轮胎结构内部的电子系统供电的改进的系统和方法。一具有通常不导电部分的充气轮胎结构可被配置成具有至少一个导电段，该导电段沿轮胎结构径向设置从而提供了一个通道，使累积的静电可以释放到地面上，同时一部分流经该通道的电荷被一储能装置收集。足够量的这种储存电能可以为与轮胎组件相连的各种电子组件供电，其中各种电子组件例如充电电池、各种状态响应装置以及射频(RF)发射装置。
根据在此公开的技术的更具体内容，本发明的一个目的旨在提供一种集成了自供电电子组件的充气轮胎。这种电子组件接收来自储存电荷的电能，该储存电荷是车轮组件所收集的静电的结果，并且这些电子组件可以是各种装置，例如充电电池、转数计数器、主动式RFID收发装置等。更进一步的电子应用是关于被设计为测量和发送有关轮胎状态(例如压力和温度)信息以及其它关于轮胎转数或基本轮胎识别变量等信息的电子组件。
根据所公开技术的其它内容，本发明的另一个目的是为轮胎电子组件提供一种发电装置，其采用在轮胎结构中形成的导电通路。这种导电通路为释放掉在轮胎组件内累积的静电提供了一条途径，因为轮胎的某些部分是由相对较高的阻抗材料制成的。通过捕获并储存在导电通路中流动的电荷，可以为轮胎电子组件供电。
本发明的轮胎电子组件以及特殊的电能收集技术的各种特征和内容具有许多优点。在此公开的技术提出了一种自供电的电子系统，其不依赖于电池的更换。尽管还可以将电池或电池操作装置结合本发明内容使用，但根据本发明可以降低只由电池供电的轮胎电子元件的复杂性。
本发明的另一优点是可以提供相对于传统轮胎监测系统来说具有更少的所需信号硬件量的轮胎监测系统。通过提供一自供电的轮胎监测系统，不再需要提取天线或者带有附加硬线连接的多个接收位置。这种轮胎监测系统的组件可以结合在给定车辆的每个单独轮胎结构内，从而使每个单独的接收装置(一般位于驾驶室内)都可以获得由各轮胎所集成的电子元件发出的信息。
本发明的另一个优点是对用在轮胎及车轮组件内部的电子设备的种类和数量限制的很少。通过传统方法供电的电子元件通常限制为超低功率装置。根据本发明的装置可以不受这种极限功率的限制。当可以使用更多的组件和/或高电平设备时，该优点还帮助轮胎电子元件发挥更大的功效。
本发明的另一优点是在此公开的发电以及利用该电能的系统和方法可以用在多种现有应用中。可以用在例如商用车队、飞机、采矿/重型推土机等应用中的测量能力、检测和警告系统、车辆反馈系统、以及资产位置跟踪。
在本发明的一个实施例中，一轮胎组件被配置成在充气轮胎结构转动期间存储被累积的电荷，该轮胎组件包括一轮胎结构、一导电材料部分和一储能装置。更具体地说，该轮胎结构的特点在于具有一与地面接触的外胎面部分的胎冠、将所述充气轮胎结构固定到车轮轮辋上的胎边部分、在胎边部分和胎冠部分之间延伸的侧壁部分、以及内衬。导电材料部分插入到所述内衬和所述外胎面部分之间的空间内，以至少部分地构成了一个导电通路，使积累在所述充气轮胎结构内部的电荷可以通过该通路流到与所述外胎面接触的地面上。储能装置，例如电容器或充电电池，与所述导电材料部分相连，以进一步构成该导电通路，使积累在所述轮胎结构内部的电荷可以通过该通路流出，并储存一定量的所述电荷。
本发明的附加实施例可以包括上述实施例的选定特征并与各种其它元件相结合。例如，附加实施例还可以包括选定的二级管元件，其与所述储能装置相结合。一个这种二极管可以与所述储能装置串连，以防止储存在所述储能装置内的电荷反向放电。另一个这种二极管可以是与所述储能装置并联的齐纳二极管，以在轮胎结构中形成一备用导电通路，为所述储能装置提供过电压保护。由导电材料部分和相连的电能收集电路构成的导电通路可以通过在导电通路旁设置绝缘材料来进一步限定。当从轮胎静电中收集了能量，该能量可以用来给与轮胎相连的其它组件供电，其中组件例如一状态响应装置、一射频(RF)发射装置、一微控制器等等。
本发明的另一实施例是关于具有自供电电子组件的轮胎组件，包括一充气轮胎结构、至少一部分导电材料和至少一电子组件。该充气轮胎结构的特点在于具有一与地面接触的外胎面部分的胎冠、将所述充气轮胎结构固定到车轮轮辋上的胎边部分、在胎边部分和胎冠部分之间延伸的侧壁部分、以及内表面。该至少一部分导电材料插入到所述内衬和所述外胎面部分之间的空间内，以至少部分地构成一个导电通路，使积累在所述充气轮胎结构内部的电荷可以通过该通路流到与所述外胎面接触的地面上。该至少一个与所述导电通路相连的电子组件优选地与该导电通路相连，并由流经所述导电通路的电荷供电。该至少一个电子组件可以是转数计数器、状态响应装置、或其它组件。应该理解，组件的各种组合也可以由通路内的电荷供电。
本发明的另一实施例涉及一种从转动轮胎的静电中收集电能的方法。这种方法包括提供一轮胎结构的步骤，该轮胎结构的特点在于具有一与路面接触的外胎面部分的胎冠、将所述充气轮胎结构固定到车轮轮辋上的胎边部分、在胎边部分和胎冠部分之间延伸的侧壁部分、以及内衬。该轮胎结构还优选地包括插入到所述内衬和所述外胎面部分之间的空间内的至少一部分导电材料，以构成一个导电通路，使积累在所述充气轮胎结构内部的电荷可以通过该通路流到与所述外胎面接触的地面上。本发明的电能收集方法的另一步骤涉及转动所述轮胎结构，从而使所述轮胎结构的胎面部分接触地面。该转动步骤优选地在所述轮胎结构内产生静电荷，从而使该静电荷流过所述至少一部分导电材料。关于该示例性的电能收集方法的最终步骤是在一个储能装置，例如电容器或充电电池中，储存一部分在转动步骤中所产生的静电荷。
在下文的详细说明书中阐述了本发明的其它目的和优点，或者使其对本领域技术人员来说是显而易见的。同样，可以进一步理解对这里特别示出的、参考的以及描述的特征和步骤所作出的改进和变型可以应用在本发明的各种实施例和用途中，而不偏离本发明的宗旨和范围。变型可以包括，但不限于，那些图示出的、参考的或讨论的等效装置、特征或步骤，以及各种部件、特征以及步骤的功能性的、操作性的、或者位置上的颠倒，以及其它。
另外，应当理解，本发明不同的实施例以及所给出的不同的优选实施例，应当包括在此公开的特征、步骤、或元件、或其等效物的各种组合或构型(包括未在附图中明确示出的或未在这些附图的详细说明中阐述过的，上述特征、部件、或步骤、或结构的组合)。未在该发明内容部分中阐述的本发明的附加实施例，可以包括并且结合在上述发明内容中参考的特征、组件、步骤和/或该申请讨论的其它特征、组件、或步骤等的各种组合。本领域技术人员在阅读该说明书余下部分的基础上可以更好地理解这些实施例的特征、内容以及其它


说明书中阐述了本发明所公开的全部且能实现的内容，包括指导本领域普通技术人员的最佳实施方式，这些内容可参考附图，其中图1示出了示例性的充气轮胎结构的一般剖面图；图2示出了本发明一个示例性的实施例的详细剖面图，该实施例中具有成型在胎体结构内的导电通路，用以将静电荷导流至储能装置以及使静电荷释放到地面上；图3示出了本发明另一实施例的详细剖面图，其具有成型在胎体结构内的导电通路，用于将静电荷导流至储能装置以及用于使静电荷释放到地面上；图4给出了一个示意图，其表示出了根据本发明的一种与储能装置相连的示例性电能收集电路；图5A给出了一个方块图，其表示出了根据本发明的示例性自供电电子元件，包括有电能收集电路设备和轮胎电子组件，并且表示出了它们之间的相互作用。
图5B给出了一个方块图，其表示出了根据本发明的示例性的集成自供电电子元件，包括有电能收集电路设备和轮胎电子组件，并且表示出了它们之间的另一种相互作用。
图6给出了一个方块图，其表示出了一种根据在此公开的技术的示例性轮胎电子组件；图7给出了一个方块图，其表示出了一种根据本发明的示例性的远程接收装置结构。
在整篇说明书和附图中所重复使用的附图标记应表示本发明的相同或相似的特征或元件。
具体实施例方式
如本发明的发明内容部分所述，本发明具体涉及到一种在轮胎结构内收集电能的系统和方法，同时还给出了用以释放来自轮胎结构的累积电荷的技术特征。然后，收集到的电荷累积量足够多时，则可用于给电子系统供电，其中电子系统例如包括识别各种轮胎物理参数的电子组件以及射频发射装置等。
用于释放来自轮胎结构内部的静电累积的技术特征包括插在轮胎结构内外表面之间的导电材料部分。在图1至图3中示出了这种导电材料部分及其与轮胎结构的连接关系的技术内容。在图2至图4中示出了使用由在轮胎内的导电材料部分限定出的导电通路的储能装置及其它电能收集电路。在图6中表示出了一包括状态响应装置、微控制器和一个RF发射装置的轮胎电子系统的实例。分别参照图5A和图5B对电能收集电路以及轮胎电子系统之间的相互作用进行讨论。最后，在图7中表示出了用于获得来自示例轮胎电子系统所传送的信息的远程接收装置结构的实施例。
对上述公开技术内容的特定组合对应于本发明的多个不同实施例。应注意到，这里所给出并讨论的各实施例绝不暗指对本发明的限制。图示出的或描述的、作为一个实施例一部分的特征或步骤可以和另一实施例内容相结合从而产生另外的实施例。因此，某些特征可以与一些未明显提及但能完成相同或相似功能的类似装置或特征进行互换。类似地，某些处理步骤也可以换成或结合其它步骤，以产生额外的利用转动轮胎机械能发电的方法实施例。
下文将要介绍的电能收集技术特征的性能，与传统的在轮胎组件内供电的技术方案相比能够提供众多优点。前面提到过的天线波束电能提取技术已不再是为轮胎电子元件供电的有限选择了。同样，许多种轮胎电子元件的功能都被提高了。使用电池来供电已不再是必需的选择了，从而可以避免昂贵且麻烦的电池更换。尽管这里公开的技术给出了无需天线波束电能以及电池的电能收集技术，但是应该理解，该电能收集特征也可以包括储存被引导的静电和/或电池和/或天线波束提取相结合的混合方案，以在车轮组件内为不同的选定电子组件供电。
一种典型的充气轮胎结构10的特征在于包括一个支撑外胎面部分18的胎冠15以及延伸到胎边部分22的侧壁20。侧壁20通常在剖面线17和19之间延伸，并且胎冠15通常在两剖面线19之间延伸。提供轮胎胎边22，从而使轮胎结构10可以有效地支撑并固定在车轮组件的轮辋上。不透气材料的内衬构成了轮胎的内表面，包括内胎冠表面24和内侧壁表面26。胎体23在穿过侧壁部分20的胎边22以及胎冠15之间延伸，在充气压力下确定出轮胎的形状并传递作用力，以进行牵引和转向。在轮胎结构16内通常沿着胎冠15设置带束(belt package)21。当充气轮胎在车轮上转动时，至少外胎面的某一部分优选地连续接触地面。
正如在本发明的发明背景部分所讨论的，可采用多种不同的材料来构成轮胎，包括各种用在轮胎胎冠、侧壁以及胎面部分的橡胶混合物。每种这样的轮胎材料都具有一定水平的导电率，或电阻率(其与导电率成反比)。导电的橡胶组合物通常由具有显著比例的炭黑的化合物构成。相反，相对不导电的橡胶组合物一般由具有比炭黑含量大的多的硅组成。通常，相对于炭黑而增加硅的含量会降低轮胎的导电率，但是可以提供更佳的在潮湿条件下的制动性能，并且还能减小轮胎的滚动阻力。
图2示出了图1中轮胎结构10的具体视图，还包括各种电能收集电路以及相连的电子组件。图2的具体视图示出了沿内胎冠表面24的、在外胎面部分18和内衬之间的轮胎胎冠15。该轮胎的一部分具有一通常不导电的硅材料，从而优选地包括接地的导电通路，以释放掉在常规轮胎转动以及其它情况下积累在轮胎结构内部的静电。同样，由第一导电段30和第二导电段32确定的导电材料部分插入到外胎面部分18和内表面24(或者可选地内侧壁表面26)之间。当静电荷(由负电荷粒子27表示)在轮胎内部积累时，带电粒子被吸引到正电荷29处，该正电荷29可能存在于靠近轮胎结构的地面上。电荷被吸引穿过导电材料部分，如图2所示，该导电材料部分相对于轮胎结构10径向延伸。
仍然参考图2，在第一段30和第二段32之间设有储能装置28，从而使流经由导电段所确定的导电通路的静电荷或电荷可以被储存在该储能装置28中。在某些实施例中储能装置28是一个电容，例如一个电解电容、超级电容或一个非电解电容。在其它实施例中，储能装置28也可以是一个充电电池，例如可充电的固态电池或化学电池。附加的电能收集电路可与储能装置28相结合，下文将对此进行讨论。所示的储能装置28位于导电段30和32之间，但是应该理解，该储能装置28也可以位于轮胎结构10的不同位置上，而不应仅限于以上公开的技术内容中。应当进一步理解，在本发明的其它实施例中，可以在导电段30和32的相对面上设置两个电容板，以形成一个储能装置。
为了保证累积的静电荷可以储存在储能装置28中，优选地确保接地的导电通路是一严格限制的通道，通过该通道电荷可以反向流动以释放在与轮胎相连的某些其它位置上。如果轮胎橡胶主要由相对不导电的橡胶制成，例如一种表面电阻率大于1012欧姆·平方米的橡胶，那么导电段30和32所用的材料要具有足够小的电阻率，从而使电荷从该限定了的导电通路流过。尽管在某些实施例中，在该导电通路中的材料表面电阻率优选小于106欧姆·平方米，但是表面电阻率在106欧姆·平方米到109欧姆·平方米之间的材料仍然可以将电荷传送到地面或者其它导体。由段30和32确定的导电材料部分与轮胎结构10的其它部分相比，可以是一种导电性更强或者更小电阻的橡胶材料，或者在其它实施例中为对应导电金属的接线部分，例如导电纤维管(staple)或导线。由该导电材料部分确定的导电通路也可以由导电橡胶及金属引线结合构成。
在本发明技术的某些实施例中，优选地通过在确定接地导电通路的区域内设置附加的绝缘材料部分来进一步限制由导电材料部分限定的导电通路。绝缘材料34可以紧靠第一导电段30和第二导电段32，并围绕任意的电能收集电路，例如嵌在轮胎内的储能装置28。绝缘材料34的特征在于其表面电阻率大于1012欧姆·平方米。在轮胎中一种适合的绝缘材料例子是CHEMLOK牌材料，例如由Lord ManufacturingCorporation出售的，其也可以用于帮助粘合材料的不同部分(例如橡胶的相对不导电部分粘合到橡胶或金属的相对导电部分)。绝缘材料34也可以帮助限定导电通路，使其与轮胎的其它可能导电部分例如胎体23和带束21(在图2中未示出)区别开。在某些实施例中，段32和周围的绝缘材料可以穿过轮胎10延伸到一相对带束21和/或胎体23的选定位置。在一般标题为“非导电轮胎胎面的导电通路(CONDUCTIVITYPATH FOR NON-CONDUCTIVE TIRE TREAD)”的美国申请号10/271,331的专利申请中介绍了构成相对于轮胎结构的导电通路的其它内容，在此结合作为参考。
在上述共有的参考文献中还公开了具有附加的导电与非导电橡胶材料相结合的轮胎结构实施例。图3示出了一个这种实施例的内容，其中轮胎结构10包括一胎冠和胎面部分，该部分由一不导电的胎面基底材料36和导电的胎面行驶面(tread cap)部分38组成。在这种情况下，由导电段30和32以及储能装置28确定的导电通路只需延伸到导电胎面行驶面橡胶38即可。图3实施例比图2实施例更可行，其中图3实施例是导电部分30和32对应于导线或纤维管，而不是对应于导电橡胶材料。
应当进一步理解，根据在此公开的技术内容也可以采用多条导电通路，并且可以设置多个储能装置来与这种多条导电通路相结合。例如，这些通路可以沿围绕轮胎的圆周方向布置。
根据本发明，释放累积静电荷所需经过的导电通路包括至少一部分导电材料和一储能装置28。可以与储能装置相连一个附加的电能收集电路，从而为额外的轮胎电子组件产生一个经调节的电源。在图4中示意性地示出了包括储能装置28的附加电能收集电路40的实施例。储能装置28可以是一个电解电容器，例如Panasonic的TEL系列的电容约为47μ法拉的钽电容器。其它类型的电容器，例如超级电容器或者非电解电容器，也可类似地用作储能装置28。储能装置还可以是一个充电电池，例如Infinite Power Solutions公司出售的LiteStar牌固态可充电电池。其它的可充电固态电池或者可充电化学电池也可用作储能装置28。
仍然参考图4，储能装置28优选地与二极管42串连，以防止储能装置28在其储存电荷之后被反向放电。二极管42和储能装置28位于导电段30和32之间，并且优选地嵌在轮胎结构10内。电能收集电路的其它组件也可以嵌在轮胎结构10内，例如位于绝缘材料34内或者轮胎本身的其它嵌入位置上。这种电能收集电子元件也可以安装到轮胎结构的内衬上，例如在图2和图3中表示出的沿着内胎冠表面24的电子模块44。该电子模块44也包括附加的组件，例如下面将要介绍的各种轮胎电子系统。安装电能收集电子装置的另一个适合位置是沿着选定内侧壁表面26。此外，电能收集电路40的选定组件可以安装并固化到轮胎结构10内部，例如，位于胎体23以及沿表面24和/或26的内衬之间。可选地可以将电能收集电路和/或附加轮胎电子元件在粘附到或嵌在轮胎内部之前，设置在附加橡胶或弹性体外壳附近以提供额外的保护。这种壳体还可以帮助将电路安装到轮胎结构上。根据电能收集电路40以及任何被供电的电子组件的各种可能位置，应当理解，术语“集成”通常涵盖所有可能的位置，包括安装到轮胎结构上或其内部。
再次参考图4，当储能装置28中积累了足够的能量时，将一个双极晶体管50用作一个开关，以将储能装置28中储存的能量释放到一稳压器52。适于应用在图3所示实施例中的稳压器的实例可以是一个双模式五伏可编程微功率线性稳压器，例如Maxim Integrated Products出售的MAX666牌。这种稳压器非常适用于本来由电池供电的电子系统，并且可以将储能装置28两端的电压转化成稳定的五伏输出电压44。其它的稳压器，例如微功率开关式稳压器，也可以根据上文公开的技术被使用，其中这种微功率开关式稳压器通常比线形稳压器具有更高的功效水平。在图3的功率调节模块实施例中还附带有一扩散金属氧化物半导体(DMOS)FET晶体管54和齐纳二极管56。齐纳二极管56与储能装置28并联，从而通过限定其内储存的电荷量来为该储能装置28提供过电压保护。
开始时，晶体管50和54关断，晶体管54的接地漏极悬空，从而没有输出电压。当储能装置28充电到足够的电平时(由齐纳二极管56和晶体管50的基极-发射极结决定)，晶体管50导通，开启晶体管54并关断晶体管50。此时，储能装置28放电并通过电路提供一个五伏调整输出44给电子系统。典型地，当由输出电压44所供给的电子元件完成其正常工作时，电子系统发回一个信号给信号通路58，通过电阻60和电容62来关断晶体管50，并不再激励晶体管54，从而可以再一次在储能装置28中积累电能。
根据本发明，由电能收集电路40储存的电能可以应用在各种组件或者不同的轮胎电子组件上。图5A和5B分别示出了电能收集电路40和轮胎电子系统(TES)48之间的相互作用的实施例。
根据图5A，能量积累在电能收集电路的储能装置中(例如，一个电容或者充电电池)，直到所得到的电荷量足以执行TES48的所需功能。在供电循环之间，TES48一直未被供电，从而TES48的开启由电能收集电路的储能装置累积电能的速率来控制。当在电能收集电路中积蓄了足够的电能时，分别在通路64和66将源电压“Vdd”和接地电压“Vss”提供给TES48。TES48会沿通路58返回一个“通电”信号，表示TES48中的电子元件当前已经开始工作了。当TES48中的给定电子元件完成了各自任务时，“通电”信号减弱，并且储能装置28重新开始积累电能。只要轮胎组件以大于或等于一个速度阈值转动，该阈值通常为20公里/时左右，该循环就重复。
根据参照图5B所给出并进行讨论的相互作用的实施例，电能收集电路持续给TES48提供电压“Vdd”和接地“Vss”信号以及一“油量计(fuel gage)”信号，该“油量计”信号示出了储存在电能收集电路40中的电量。当给TES48供电时，一个微处理器或者其它适合的电子组件可以定期激活自身，从而监测来自电能收集电路40的“油量计”信号。如果在储能装置28中有足够的电能可用，则TES48开始进行一特定任务。如果没有足够的电能可用，则TES48进入一个低能耗模式，在该模式中其消耗少于一μA的电能。此后周期性地检测油量计信号，直到积蓄了足够的电能。只要该轮胎转动速度达到或超过一给定速度阈值，这种等待足够的电能累积、进入特定任务、以及返回到低能耗模式的循环优选地以连续方式重复进行。
如前文所述，TES48可以包括多种不同的电子应用，这取决于轮胎或车轮组件上具有何种电子元件。轮胎电子系统48的一特定实施例即是图6所示的装置组合。具体来说，这种电子组件用作一轮胎监测系统，其测量轮胎结构内部的温度和压力，并将结果通过射频(RF)发射装置68传送给远程接收装置位置。用于上述公开的技术内容中的发射装置及接收装置模块的实施例分别对应于Radiometrix Ltd发售的TX2牌和RX2牌的UHF FM数据发射装置和接收装置模块。
参照图5A和5B所讨论的五伏电力信号“Vdd”、接地信号“Vss”以及“通电”或“油量计”信号优选地由电能收集电路提供给一微控制器70。可用于上文所公开的技术中的、适合的微控制器实例可以是一个Microchip牌的PIC16LF876的28针CMOS RISC微控制器。当给输入路径64通电并向温度传感器72和压力传感器74(以及任意附加的传感器，或者适于用在TES12中的电子装置)供电时，微控制器70被激活。适于用在上述技术中的温度传感器实例可以是National Semiconductor发售的LM50 SOT-23单电源摄氏温度传感器。适于用在上述技术中的压力传感器实例可以是ICSensor及Measurement Specialties Inc.发售的模式1471印刷电路板可安装压力传感器。可选地，可以使用一个表面声波(SAW)装置来测量给定位置的温度和压力。附加传感器76、78、80分别测量轮胎结构或相应车轮组件的其它附加特征。根据本发明，状态响应装置可以包括传感器、声学装置以及其它能够响应输入状态改变并产生某种输出的组件。
图6的TES实例48的另一组件是一充电电池81，其被配置成可以接收储存在储能装置28中的电荷以及能够储存用于集成轮胎电子元件或者车辆的其它电子装置上的额外电能。可用于本发明中的充电电池实例可以是Infinite Power Solutions发售的LiteStar牌固态可充电电池。储存在电池81中的电能可以比在储能装置(例如电容器)中储存更长的时间，因而采用充电电池或者充电电池加上电容器则更为理想。当在储能装置中没有储存足够多的由压电纤维的作用所产生的电能时，储存在电池81中的电能可以提供给微控制器70。这种情况发生在例如当车轮静止或者当轮胎从车辆上拆下时。例如，当地勤人员检查商务飞机的静止轮胎的气压时，需要用储存的电能给TES48供电。同样，当轮胎被拆下时，电池81可以用于给TES48供电，从而获得管理轮胎存货或翻新的信息。
进一步参考图6的TES实例48，微控制器70优选地包括一模数(A/D)转换器，其分别接收传感器72-80的信息，并将这些信息转化为数字信息。微控制器70还包括存储器，优选地为永久性EEPROM，在EEPROM中存储独特的识别标志，该标志可为识别该轮胎或车轮组件提供充足的信息。这种识别变量在例如卡车车队、飞机等商务应用中用于跟踪轮胎及车辆时特别有用。一旦微控制器70获得例如由传感器72-80分别提供的所需信息，并且这些所需信息被转换为数字信息，微控制器70优选地切断传感器电源，并分别接通给RF发射装置68供电的线路82和84。然后将所需的数字信息通过数据线86输出给RF发射装置68，在RF发射装置68中，数据被调制为一调频(FM)载波信号，并且通过天线88发给远程接收装置位置。
可由该电能收集技术供电的轮胎电子组件实例可以是比图6中TES实例48组件更少的组合，甚至是单个组件，例如一转数计数器、一单一状态响应装置、一充电电池或者一闪光装置。
一采用该带有某种发射装置的自供电电子元件的轮胎组件的车辆，优选地配备有一单个接收装置，以获得来自各轮胎组件的无线传输信息。图7给出了一个表示根据本发明的远程接收结构90的方块图。接收天线92帮助接收各车轮组件发出的信息并将该信息传递给RF接收装置94，在该接收装置处所接收到的信息从其载波信号中解调，并通过通路96提供给信号处理器98。还从RF接收装置94通过信号通路100提供给信号处理器98一个载波检测信号。由RF接收装置94输出的数据以及该载波检测信号优选地在信号处理器98中相乘(multiply)，从而可以得到没有寄生噪声的信号。该具有减小误差概率的数据信号优选地发送给一驾驶员电路，该电路将该数字信号转换为适于经由RS232接口102发送给主机104的电压信号。优选在主机104上采用终端仿真软件，从而使通过RS232接口102接收的数据可以转换为最终使用者可直接利用的信息，例如一个易读的显示模块提供的信息。
应当理解，根据在此公开的技术内容，除了本说明书特别公开的电子装置以外，其它的电子装置也可以用于该电能生成技术中。例如，可能需要传递除了温度、压力和识别信息以外的其它类型信息给远程位置。实施例包括轮胎转数、轮胎偏转量、车速以及作用在轮胎结构上的静力和动力水平。美国专利No.5,749,984公开了可以应用本发明的轮胎监测系统的其它内容，在此结合该专利作为参考。一轮胎电子系统可以与一个全球定位系统(GPS)相连，以精确指示车辆准确位置。可选地所收集的电能可以用于为车轮组件的发光组件或反馈系统供电。可以根据在此公开的技术内容被供电的电子应用数量是非常巨大的，且不能限于本发明。
尽管是根据本发明的特定实施例来具体描述本发明的，但是应当理解，本领域技术人员在理解了前述内容的基础上，可以很容易地对上述实施例进行变换、修改以及得到等效方案。因此，本说明书的范围仅仅是用于举例说明而不是用来限制本发明的，并且本发明不排除对于本领域技术人员来说显而易见的那些对本发明的改型、变形和/或补充。
权利要求
1.一种轮胎组件，其被配置为在充气轮胎结构转动期间存储累积的电荷，所述轮胎组件包括一充气轮胎结构，其特征在于具有一与路面接触的外胎面部分的胎冠、将所述充气轮胎结构固定到车轮轮辋上的胎边部分、在胎边部分和胎冠部分之间延伸的侧壁部分、以及内衬；一导电材料部分，该部分插入到所述内衬和所述外胎面部分之间的空间内，以至少部分地构成一导电通路，使积累在所述充气轮胎结构内部的电荷可以通过该通路流到与所述外胎面接触的地面上；以及一与所述导电材料部分相连的储能装置，用于进一步构成该导电通路，使积累在所述轮胎结构内部的电荷可以通过该通路流出，其中所述储能装置被配置成可在其内储存流经所述导电通路的所述电荷。
2.如权利要求1所述的轮胎组件，其中所述储能装置包括一电容器。
3.如权利要求1所述的轮胎组件，其中所述储能装置包括一充电电池。
4.如权利要求1所述的轮胎组件，还包括一个与所述储能装置相连的二极管，用于防止储存在所述储能装置内的电荷反向放电。
5.如权利要求1所述的轮胎组件，包括一与所述储能装置并联的齐纳二极管，用于和所述导电材料部分相结合构成一备用导电通路，当在所述储能装置中已经存储了预定量的电荷时电荷可以通过该通路流出。
6.如权利要求1所述的轮胎组件，还包括至少一个状态响应装置，用于确定所选轮胎状态的信息，其中所述至少一个状态响应装置由存储在所述储能装置中的电荷供电。
7.如权利要求1所述的轮胎组件，还包括一转数计数器，用于确定所述充气轮胎结构的转数，其中所述转数计数器由存储在所述储能装置中的电荷供电。
8.如权利要求1所述的轮胎组件，还包括一绝缘材料的内衬，其邻近选定的导电材料部分和所述储能装置区域，以进一步限制电荷在所述导电通路内的流动。
9.如权利要求1所述的轮胎组件，进一步包括附加的导电材料部分，其插入到所述内衬和所述外胎面部分之间的空间内，以至少部分地构成多条导电通路，使积累在所述充气轮胎结构内部的电荷可以通过该多条通路流到与所述外胎面接触的地面上；以及一与所述导电材料的选定部分相连的储能装置，用于进一步分别构成所述导电通路，积累在所述轮胎结构内部的电荷可以通过该通路流出，其中所述储能装置被配置成可在其内储存流经各所述导电通路的所述电荷。
10.一种轮胎组件，其被配置成能够储存在充气轮胎结构转动过程中所累积的电荷，所述轮胎组件包括一充气轮胎结构，其特征在于具有一与路面接触的外胎面部分的胎冠、将所述充气轮胎结构固定到车轮轮辋上的胎边部分、在胎边部分和胎冠部分之间延伸的侧壁部分、以及内衬；一导电材料部分，其在所述内衬和所述外胎面部分之间延伸，以至少部分地构成一导电通路，使积累在所述充气轮胎结构内的电荷可以通过该通路流到与所述外胎面接触的地面上；以及一与所述导电材料部分相连的储能装置和二极管，用于进一步构成所述导电通路，使积累在所述轮胎结构内的电荷可以通过该通路流出，其中所述储能装置被配置成可在其内储存流经所述导电通路的所述电荷；以及一绝缘材料的内衬，其邻近导电材料带条和所述储能装置的选定部分，以进一步限制电荷在所述导电通路内的流动。
11.如权利要求10所述的轮胎组件，其中所述储能装置包括一电容器。
12.如权利要求10所述的轮胎组件，其中所述储能装置包括一充电电池。
13.如权利要求10所述的轮胎组件，其中与所述储能装置串连的所述二极管用于防止储存在所述储能装置内的电荷反向放电。
14.如权利要求10所述的轮胎组件，其中所述二极管包括一与所述储能装置并联的齐纳二极管，用于和所述导电材料部分相结合构成一备用导电通路，当在所述储能装置中已经存储了预定量的电荷时电荷可以通过该通路流出。
15.如权利要求10所述的轮胎组件，其中所述二极管与所述储能装置串连，以防止储存在所述储能装置内的电荷反向放电，并且所述轮胎组件还包括一与所述储能装置并联的齐纳二极管。
16.如权利要求10所述的轮胎组件，还包括至少一个状态响应装置，用于确定所选轮胎状态的信息，其中所述至少一个状态响应装置通过存储在所述储能装置中的电荷供电；以及一个与所述至少一个状态响应装置相连的天线，用于发送和接收射频(RF)信号，该信号表示由所述至少一个状态响应装置确定的关于所选定的轮胎状态的所述信息。
17.如权利要求10所述的轮胎组件，其中所述充气轮胎的所述外胎面部分的选定部分包括一导电材料，在该导电材料之下具有一相对不导电材料，并且其中所述导电材料部分限定出了一个与所述外胎面选定导电部分相连的导电通路。
18.如权利要求10所述的轮胎组件，还包括至少一个与所述储能装置相连的电子组件，从而使储存在所述储能装置中的电荷能为所述至少一个电子组件供电；以及一与所述储能装置相连的功率调节模块，用于接收储存在所述储能装置中的电荷，以及向所述至少一个电子组件输出一个稳定电压。
19.一种从转动轮胎的静电中收集电能的方法，所述方法包括以下步骤提供一轮胎结构，其特征在于具有一与路面接触的外胎面部分的胎冠、将所述充气轮胎结构固定到车轮轮辋上的胎边部分、在胎边部分和胎冠部分之间延伸的侧壁部分、以及内衬，其中所述轮胎结构还包括插入到所述内衬和所述外胎面部分之间的空间内的至少一部分导电材料，以构成一个导电通路，使积累在所述充气轮胎结构内部的电荷可以通过该通路流到与所述外胎面接触的地面上；转动所述轮胎结构，从而使所述轮胎结构的胎面部分接触地面，其中所述转动步骤在所述轮胎结构内产生静电荷，随后该静电荷流过所述至少一部分导电材料；以及在一个储能装置中储存一部分在转动步骤中所产生的静电荷。
20.如权利要求19所述的收集电能的方法，还包括调节储存在所述储能装置中的静电荷以产生一个稳定的输出电压的步骤。
21.如权利要求19所述的收集电能的方法，还包括防止在储能步骤中储存在储能装置中的静电荷从该储能装置放电的步骤。
22.如权利要求19所述的收集电能的方法，还包括通过在所述导电通路周围设置绝缘材料来进一步限定静电荷通过由所述至少一部分导电材料限定的导电通路到地面的流动的步骤。
23.一种具有自供电电子组件的轮胎组件，所述轮胎组件包括一充气轮胎结构，其特征在于具有一与路面接触的外胎面部分的胎冠、将所述充气轮胎结构固定到车轮轮辋上的胎边部分、在胎边部分和胎冠部分之间延伸的侧壁部分、以及内部的胎冠表面和侧壁表面；至少一部分导电材料，其插入到所述内衬和所述外胎面部分之间的空间内，以至少部分地构成一个导电通路，使积累在所述充气轮胎结构内部的电荷可以通过该通路流到与所述外胎面接触的地面上；以及至少一个与所述导电通路相连的电子组件，其中所述至少一个电子组件由流经所述导电通路的电荷供电。
24.如权利要求23所述的轮胎组件，其中所述至少一个电子组件包括一状态响应装置，以确定有关选定的轮胎状态的信息。
25.如权利要求24所述的轮胎组件，还包括一个与所述至少一个状态响应装置相连的天线，用于发送和接收射频(RF)信号，该信号表示由所述至少一个状态响应装置确定的关于所选定的轮胎状态的所述信息。
26.如权利要求24所述的轮胎组件，其中所述至少一个状态响应装置提供关于所述轮胎结构内部的稳定和压力的信息。
27.如权利要求24所述的轮胎组件，还包括一由流经所述导电通路的电荷供电的微控制器，且该微控制器与所述至少一个状态响应装置相连，以处理从所述至少一个状态响应装置接收的信息，并发出表示所述选定轮胎状态的选定信息。
28.如权利要求27所述的轮胎组件，还包括一个RF发射装置，其与所述微控制器相连，以接收来自所述微控制器的信息，将选定的信息调制为一载波信号，并通过所述天线给远程接收位置发送该选定信息。
29.如权利要求23所述的轮胎组件，其中所述至少一个电子组件包括一转数计数器，用于确定所述充气轮胎结构的转数，其中所述转数计数器由存储在所述储能装置中的电荷供电。
30.如权利要求23所述的轮胎组件，进一步包括一个储能装置，其被配置成接收和存储流经所述导电通路的一定量的电荷，其中所述至少一个电子组件由所述储能装置供电。
全文摘要
一种电能收集解决方案涉及一基本不导电轮胎结构，该结构具有至少一个确定的导电通路，从而使在轮胎转动期间累积的静电可以通过该通路释放到地面上。这种导电通路由一部分导电材料构成，该导电材料可以部分地被附加的绝缘材料包围，从而限制电荷流到地面。一个储能装置，例如电容器或充电电池，与该导电通路相连，并被配置为用于储存一定量的流经该导电通路的电荷。各种二极管元件可与该储能装置结合，以防止反向放电并为储能装置提供电压保护。当积蓄了足够多的这种收集电能时，就可以为轮胎电子系统供电，包括各种状态响应装置(即，传感器等)、转数计数器、射频(RF)装置、充电电池或一发光装置。
文档编号B60C13/00GK1753796SQ200480004940
公开日2006年3月29日 申请日期2004年2月20日 优先权日2003年2月25日
发明者J·D·亚当森, G·P·奥布赖恩 申请人:米其林研究和技术股份有限公司, 米其林技术公司