用于制造配备有射频应答器的补片的方法和包括这种补片的轮胎与流程

本发明涉及配备有射频应答器的橡胶补片，所述橡胶补片旨在固定至轮胎的壁，更具体地，本发明涉及用于制造这种橡胶补片的方法。

背景技术：

为轮胎配备电子识别设备是有利的，所述电子识别设备允许在轮胎的制造、存储、整个寿命以及翻新期间对轮胎进行识别和追踪。

所讨论的轮胎是用于重型货车、游览车、施工设备、农业机械和飞机的所有类型的轮胎。

这种电气设备可以是射频应答器或射频识别(RFID)标签。

这些电子设备必须非常精准地放置，以保证良好的无线电通信，可接受的设备寿命，并且不会损害轮胎的操作或耐久性。

文献JP2010/176454A公开了一种用于获得射频应答器补片的方法。然而，这种方法的缺点是在补片内部产生气泡，在机械方面使补片弱化。因此，本发明的目的是找到解决该缺点的技术替代方案。

技术实现要素：

本发明的一个主题是一种用于制造包括射频应答器的橡胶补片的方法，所述补片具有第一层和第二层，所述方法包括如下步骤：

-选择第一模具，所述第一模具的模印具有适合于补片的第一层的几何形状的几何形状并且在第一层的表面上限定能够接收应答器的腔体；

-将形成补片第一层的橡胶材料放置在第一模具的模印中；

-在适当的时间内使第一模具承受适当的温度，以获得经硫化第一层，所述经硫化第一层的外表面上具有能够接收射频应答器的腔体；

-选择第二模具，所述第二模具的模印具有适合于补片的几何形状的几何形状；

-将经硫化第一层放置在第二模具的模印中；

-将射频应答器放置在为此目的提供的经硫化第一层的表面的腔体中；

-将未硫化橡胶第二层放置在第二模具的内腔中；

-在适当的时间内使第二模具承受适当的温度，以获得至少部分硫化的橡胶第二层；并且

-从第二模具中取出包括嵌在第一橡胶层和第二橡胶层之间的射频应答器的橡胶补片。

在两个操作中生产这种橡胶补片允许以高精度和可重复的方式将射频应答器放置在补片中。因此能够以最佳和可重复的方式将其放置在轮胎的壁上。

优选地，第一模具的模印包括至少一个肋，以便在第一层的表面中在能够接收射频应答器的腔体和所述表面的外端之间形成凹槽。

在将第二层引入第二模具或关闭该第二模具的期间，面向模具通风口设置的该凹槽允许从两种橡胶共混物之间排出空气，从而避免最终补片中的起泡缺陷。

优选地，第一模具的模印包括四个肋，以便在所述第一层的表面中在能够接收射频应答器的腔体和所述表面的外端之间形成四个沿着第一层的表面的长度和宽度延伸的凹槽。

如上所述，面向模具的四个通风口设置的这四个凹槽允许优化的空气排出。

制造第一层的材料可以是基于不饱和或饱和二烯弹性体(例如丁基橡胶、SBR、聚丁二烯、天然橡胶、聚异戊二烯)的橡胶共混物。丁基橡胶的优点是它具有优异的抗氧化性。也可以使用EPDM(乙烯丙烯二烯单体橡胶)作为弹性体。

根据一个有利的实施方案，在将经硫化第一层放置在第二模具的模印中之后并且在将未硫化橡胶第二层放置在第二模具的模印中之前，准备经硫化第一层的表面。

可以通过施加溶剂膜或通过等离子体处理或通过在硫化之前除去放置在第一层表面上的中间层来准备该表面。

根据另一个实施方案，在获得经硫化第一层之后，将该经硫化第一层放置在第二模具的模印中，并且在较短时间(优选不到一小时)内将未硫化橡胶第二层放置在第二模具的内腔中。

第一层和第二层的橡胶材料可以通过注射成型形成。

它们也可以通过包覆成型形成。

有利地，在经硫化补片已经从第二模具中脱模之后，将未硫化的结合橡胶层添加到第二层的外表面。

该结合橡胶层的目的是确保与轮胎表面的连接。

还可以使用基于聚氨酯、硅氧烷、氰基丙烯酸酯或硅烷化聚醚的粘合剂层。

由硅烷化聚醚制成的粘合剂层的优点在于它允许实现非常宽的温度范围，即覆盖高温和低温的温度范围。

射频应答器通常包括电子芯片和能够与射频读取器通信的辐射天线。

特别地，射频应答器的通信频率位于介于300MHz至3GHz之间的超高频(UHF)频带中，允许在辐射天线的尺寸和射频应答器的可读取距离之间获得有利的折衷，辐射天线的尺寸可以较小从而允许天线容易地集成到用于外胎的橡胶补片中，所述可读取距离可能远离外胎。有利地，射频应答器在介于860MHz至960MHz之间的窄频带中进行通信，更特别是在860MHz至870MHz和915MHz至925MHz的极窄频带中进行通信。具体地，在这些频率下，对于外胎的常规弹性体共混物，在电磁波的传播方面达到了良好的折衷。另外，这些频率是最高可能频率，以便最小化辐射天线的尺寸，从而有助于将嵌入橡胶补片的射频应答器集成到外胎中。

根据第一个实施方案，辐射天线包括两个螺旋天线段，并且电子芯片电连接至两个螺旋天线段。

根据另一个实施方案，射频应答器还包括电连接至电子芯片的主天线，其中主天线电感耦合至辐射天线，并且其中辐射天线是由单股螺旋弹簧组成的偶极天线。

该第二个实施方案的优点在于：使辐射天线与应答器的电子元件机械地分离，从而避免传统应答器的弱点，即天线段紧固至电子芯片的载体的区域。

本发明的另一主题是一种轮胎，所述轮胎包括胎冠、两个胎圈和两个胎侧，以及锚固至所述两个胎圈的胎体帘布层，使得根据本发明的一个主题的补片紧固至轮胎的一个壁。

根据一个优选的实施方案，橡胶补片的辐射天线的轴线朝向垂直于胎体帘布层的增强体。

根据一个实施方案，橡胶补片可以紧固至轮胎的胎侧。因此，不需要将橡胶补片紧邻引导肋或轮胎胎侧的中间设置，可以将其设置在引导肋的上方或下方。

根据另一个实施方案，橡胶补片可以紧固至轮胎内层的表面。

该轮胎包括位于内腔侧面的径向内端，该端部被称为胎趾，橡胶补片有利地完全设置在距离该胎趾的曲线坐标大于60mm并且优选介于70至110mm之间的区域中。

这种配备有射频应答器的橡胶补片可以在从制造到翻新的轮胎寿命期间的任何时刻进行安装。

附图说明

通过以下详细描述和附图将更好地理解本发明的各个主题，在所有附图中使用相同的附图标记来引用相同的部件，并且在附图中：

-图1是根据本发明的一个主题的补片的立体图；

-图2是经硫化第一层的表面的俯视图，显示了用于接收射频应答器的腔体；

-图3是图2的放大图，具有插在为此目的而设置的腔体中的应答器；

-图4是根据本发明的射频应答器的辐射天线的细节图；

-图5是射频应答器的电子部分的立体图，在该构造中电子部分位于辐射天线的内部；

-图6是根据本发明的射频应答器的立体图，在该构造中电子部分位于辐射天线的内部；

-图7是根据本发明的射频应答器的立体图，在该构造中电子部分位于辐射天线的外部；

-图8是位于轮胎内部的UHF RFID标签的激活阈值的比较；

-图9是用于制造根据本发明的包括射频应答器的识别补片的方法的概述；

-图10以轴向截面显示了轮胎，所述轮胎包括设置在其结构中的射频模块和通过粘合结合至其内壁而紧固的射频模块；并且

-图11以局部轴向截面显示了轮胎胎圈，所述胎圈包括通过粘合结合至其内壁而紧固的射频模块。

具体实施方式

图1是根据发明的补片2的立体图。

该补片具有细长形状并且具有基本平坦的上表面51，旨在紧固至轮胎壁的基本平坦的下表面52，以及连接上表面和下表面的外部轮廓的裙部53。裙部53在任何正横截面中的轮廓相对于下表面的方向倾斜约9至15°的角度，以便保证补片与轮胎壁的良好机械附接。

在图1中可以看出，该补片2由三个主要部分组成。包括上表面51和裙部53的外部531的第一层54，包括裙部53的下部532的第二层55以及冷硫化结合橡胶(例如由Tech International销售的Gray gum)的层56。该结合橡胶层的厚度为约1mm。

第一层和第二层的材料优选是电绝缘的并且在915MHz下的介电常数低于6.5。

包封应答器的第一层和第二层的弹性体共混物包含100phr(每100份弹性体的质量份数)聚合物，例如EPDM(乙烯丙烯二烯单体橡胶)、丁基橡胶、氯丁橡胶或二烯弹性体如SBR(苯乙烯-丁二烯橡胶)、聚丁二烯、天然橡胶或聚异戊二烯。

共混物可以包含填料，例如二氧化硅、炭黑、白垩和高岭土类型的填料：

-二氧化硅类型的填料的最大量为50phr；

-由ASTM等级高于700的炭黑组成的类型的填料的量低于50phr；

-由等级低于或等于500的炭黑组成的类型的填料的最大量为20phr。

-可以在这些填料中加入或替换成白垩或高岭土。

这样的填料的用量和类型能够保证相对介电常数低于6.5，特别是在915MHz的频率下。

用于包封应答器的共混物在固化状态下的刚度优选低于或接近补片旨在固定至的轮胎壁的相邻共混物的刚度。

图2显示了第一层54例如在离开第一制造模具时的俯视图。该图显示了用于与第二层55结合的表面60。该表面包括旨在接收射频应答器1的腔体61。它还包括设置在腔体61和表面60的轮廓外部之间的四个凹槽62。当将第二层的橡胶共混物置入或注入第二模具的模印时，这些凹槽旨在便于排出空气。这四个凹槽各自面向第二模具的通风口。这允许避免在完全硫化之后在补片2中存在气泡。

图3是图2的中央部分的放大图。该图显示了存在传统射频应答器，例如文献WO 2012/030321 A1中所描述的。该应答器包括紧固至载体或印刷电路板(PCB)72并且电连接至两个半天线73的电子芯片71。天线是实心核为钢丝的螺旋弹簧。

腔体61适合接收且非常精准地定位射频应答器。因此，在补片完全硫化之后，非常精准地知晓该应答器的位置。

图4至图7显示了射频应答器的另一个实施方案。

图4显示了由钢丝12组成的辐射天线10，钢丝12已经塑性变形以形成具有旋转轴11的螺旋弹簧。该钢丝涂有由铜、铝、银、金、铜、锡、锌或黄铜制成的导电层，所述导电层如果需要的话覆盖有例如由黄铜、锌、镍或锡制成的化学绝缘层，以保护橡胶共混物免受导电层材料的影响。

这种天线的电磁传导主要通过趋肤效应发生，即它主要发生在天线的外层。趋肤厚度特别取决于辐射的频率和制成导电层的材料。举例来说，对于UHF频率(例如915MHz)，银的趋肤厚度为约2.1μm，铜为2.2μm，黄铜为4.4μm。

钢丝可以用这些层涂覆然后成型；或者也可以成型然后涂覆。

螺旋弹簧主要由涂覆丝的缠绕直径和螺距限定。因此，已知丝的直径，可以精准地确定螺旋弹簧的内径13和外径15。这里弹簧17的长度对应于橡胶块中的射频应答器1的传输信号的一半波长。此外，可以限定螺旋弹簧的中间平面19，所述中间平面19垂直于旋转轴线11并且将辐射天线分成两个相等的部分。该平面位于辐射天线的中心区域16的中间，该中心区域16对应于天线总长度的约25％，优选15％。

图5显示了射频应答器1的电子部分20，在该构造中电子部分20位于辐射天线10的内部。电子部分20包括电子芯片22和主天线24，所述主天线24经由印刷电路板26电连接至电子芯片22。这里的主天线由具有对称轴23的表面安装设备(SMD，法语缩写为CMS)微线圈组成。主天线的中间平面21由平行于SMD线圈的对称轴23的法线限定，并且将线圈分成两个相等的部分。印刷电路板上的元件使用由铜垫27端接的铜制电路电连接。印刷电路板上的元件使用引线接合技术通过在元件和垫27之间延伸的金线28电连接。由印刷电路板26、电子芯片22和主天线24组成的组件嵌入由电绝缘高温环氧树脂制成的刚性块29中，并且形成射频应答器1的电子部分20。

图6显示了射频应答器1，在该构造中电子部分20位于辐射天线10的内部。电子部分10的几何形状限制在圆柱体中，所述圆柱体的直径小于或等于螺旋弹簧的内径13。由此便于将电子部分20引入辐射天线10中。主天线的中间平面21位于辐射天线的中心区域中并且基本上叠置在辐射天线10的中间平面19上。

图7显示了射频应答器1，在该构造中电子部分20位于辐射天线10的外部。电子部分20的几何形状具有圆柱形腔体25，所述圆柱形腔体25的直径大于或等于辐射天线10的外径15。由此便于将辐射天线10引入电子部分的圆柱形腔体25中。主天线的中间平面21位于辐射天线的中心区域中并且基本上与辐射天线10的中间平面19对齐。

图8是通过位于商标为XINCITY且尺寸为275/70R22.5的米其林轮胎内部的射频应答器传输到射频读取器的电功率的曲线图。采用的测量协议对应于标题为“Identification Electromagnetic Field Threshold and Frequency Peaks”的标准ISO/IEC 18046-3的测量协议。在宽范围的扫描频率内进行测量，而不是像传统情况那样在单一频率下进行测量。纵轴表示通信信号的频率。横坐标轴是由读取器及其天线辐射的允许芯片启动(即其激活阈值)因此允许从标签接收响应的用分贝-毫瓦(dBm)表示的电磁功率。读取器如现有技术中所述，并且参考RFID标签如文献WO 2012030321中所述。虚线100表示根据引用文献的射频应答器的响应。连续曲线200表示根据本发明的应答器在相同测量条件下的响应。可以注意到有利于根据本发明的射频应答器的在930MHz处3dBm的增长以及比现有技术更大的总带宽。

图9是根据本发明的用于制造射频通信模块2的方法的概述。为了获得通信模块2，必须首先制造射频应答器1。现在将描述制造射频应答器1的各个连续步骤，然后将描述制造识别补片2的各个连续步骤。从轮胎制造商例如为了应用至轮胎而进行的组装步骤开始，清楚描述了与电信或电子技术相关的步骤。

有三个独立和连续的阶段。

在对应于电信技术的第一阶段中，形成辐射天线10，所述辐射天线10确保向射频读取器发射电磁波并且从射频读取器接收电磁波。

在一个具体实施方案中，第一步骤是使200微米外径的钢丝12塑性变形，以便使用合适的工业装置(例如弹簧卷绕机)形成螺旋弹簧。因此，获得外径15为约1.5毫米的连续弹簧，该直径相对于最终辐射天线所需的长度17(介于35至55mm之间，例如50mm)较小。在该塑性变形步骤之后可以进行热处理，例如在200℃以上的温度下持续至少30分钟的热处理，以使由此形成的螺旋弹簧中的任何预应力松弛。

第二步骤是通过激光切割将螺旋弹簧切割成所需长度，该长度对应于电磁通信信号频率下的一半波长(即约50mm)(已知这些波在弹性体介质中的传播速度)。由此获得的机械部件是根据本发明的辐射天线10。

在第二阶段中，制备射频应答器1的电子部分20，所述电子部分20询问电子芯片22并将响应发送至辐射天线10。辐射天线10和电子部分20之间的信息传输是通过使用主天线24的电感耦合实现的。

该电子设备封装在刚性块29中，一方面由电子芯片22构成，另一方面由主天线24构成。

该电子设备的一个实施方案显示为如下构造：电子部分20旨在位于辐射天线10的内部。在一个优选的实施方案中，使用引线框架方法来形成主天线24和电子芯片22的机电载体，引线框架形成印刷电路板26的等同物。该方法特别适合这种构造，因为其非常适合小型化。

第一步骤是形成电子板。为此，首先使用导电粘合剂(例如来自Tedella的粘合剂H20E)将电子芯片22紧固至引线框架。接下来，通过引线接合将芯片连接至引线框架，即例如使用20微米直径的金线28在电子芯片22和代表引线框架的印刷电路板26之间形成电桥。然后，可以使用诸如阻抗计的合适的电气设备在主天线24紧固至引线框架的点处测量电子板的电阻抗。

第二步骤是制造主天线24。这里该天线由通过引线接合技术在引线框架上直接构建的圆形匝的线圈组成。为此，使用20微米直径的金线，尽管也可以使用铝线或涂钯铜线，以在引线框架的背面形成线圈的半匝。这些半匝中的每一个的直径为400微米，并且使用半导体工业中常规使用的超声技术来电连接金线和引线框架。接下来，在引线框架的前侧形成另半匝以便获得400微米直径的15匝圆柱形线圈。

限定主天线24的匝数，使得主天线24的电阻抗与电子板的电阻抗相匹配，电子板至少包括引线框架代表的印刷电路板26和电子芯片22。在我们的情况下，电子芯片22本身的电阻抗是复数，具有例如(10–j*150)欧姆的值。因此，400微米直径的15匝线圈对应于由铜引线框架构成的电子板的电阻抗的良好匹配。

制造电子部分20的最后步骤是使用高温环氧树脂将引线框架和与其连接的元件封装在刚性块29中。为此，将采用圆顶封装(globtop)技术。该技术是使用用于吸取和分配的装置(例如注射器)沉积液体状态的树脂，例如来自DELO的MONOPOX GE780树脂。该操作在传统的微电子工业环境(例如洁净室)中进行。接下来，液体树脂通过紫外灯聚合，所述紫外灯产生至少130℃的温度并且加速树脂的聚合以实现约1分钟的化学反应时间。由此聚合产生的刚性块29形成包围引线框架和电子元件(代表射频应答器1的电子板)的胶囊。

制造射频应答器1的第三阶段是将第一步骤中制造的辐射天线10与第二步骤中制造的电子部分20组装在一起。

在主天线24旨在位于辐射天线10内部的第一种构造中，过程如下。

首先，使用合适的尖嘴镊子拾取电子部分20，所述电子部分20内接在直径小于或等于第一步骤中制造的辐射天线10的内径13(即约1毫米)的圆柱体中。

电子部分20插入辐射天线10的内部，使得主天线的对称轴23位于辐射天线10的旋转轴11的方向上。然后使电子部分20更深地移动至辐射天线10中，直到主天线的中间平面21与辐射天线的中间平面19重合。接下来，从尖嘴镊子释放电子部分20，并且从辐射天线10的内部小心移除镊子。

因此实现了自定心，即轴的平行以及辐射天线10和主天线24的中间平面的相对位置，这有利于获得两个天线之间的高质量的感应耦合。

根据一个优化的实施方案，使用开口销促进辐射天线10和主天线24的相对定位。例如，其是由柔性和电绝缘材料(例如橡胶共混物)制成的管状开口销。该开口销具有沿着管的长度延伸的狭缝以及沿着开口销的轴线位于其一端的厚度中的圆柱形孔。理想地，开口销的外表面上配备有标记，当电子部分20容纳在开口销的内部时，该标记识别主天线的中间平面21。该管具有内径和外径，内径和外径分别对应于电子部分20外接的外径和辐射天线10的完美配合的内径13。通过将开口销的两半分开以便打开狭缝，将电子部分20插入到狭缝管的内部。放置电子部分20使得主天线24的对称轴23平行于开口销的轴，并且使得主天线24的中间平面21与开口销的外表面上的标记重合。

接下来，用一对长距镊子预先拾取开口销，所述长距镊子的每个爪的端部容纳在开口销的一个圆柱形孔中，使用镊子将开口销引导至辐射天线10的内部，使得一方面开口销的外表面上的标记与辐射天线的中间平面19重合，另一方面开口销的轴线与辐射天线10的旋转轴11平行。闭合长距镊子从而闭合开口销的狭缝，便于将开口销引入辐射天线10。一旦就位，打开长距镊子，允许开口销恢复其初始位置，从而使开口销保持在辐射天线10中。然后只需要从开口销的孔中移除镊子的爪端并且小心移除镊子。

由此形成的组件是射频应答器1，其可以在如上所述的补片2的制造期间非常容易地替代传统的应答器70。当然必须使腔体61适应应答器1的尺寸。

图10显示了轮胎的轴向截面，所述轮胎包括紧固至其内壁的补片。

图10显示了轴向方向X、周向方向C和径向方向Z以及中间平面EP(垂直于轮胎旋转轴线的平面，其位于两个胎圈4之间的中间并且穿过胎冠增强件6的中部)。

该轮胎30包括胎冠32、两个胎侧33和两个胎圈34，所述胎冠32用胎冠增强件或带束层36增强，每个胎圈34用胎圈线35增强。胎冠增强件36的径向外部被橡胶胎面39覆盖。胎体增强件37围绕每个胎圈34中的两个胎圈线35缠绕，该增强件37的卷边38例如朝向轮胎30的外部设置。以本身已知的方式，胎体增强件37由至少一个由所谓的“径向”帘线(例如织物)增强的帘布层构成，也就是说这些帘线几乎彼此平行设置并且从一个胎圈延伸到另一个胎圈，以便与周向中平面EP形成80°至90°之间的角度。气密性内衬40从一个胎圈延伸至另一个胎圈并且相对于胎体增强件37沿径向位于内部。

轮胎30包括两个预硫化补片2，所述补片2通过传统的冷硫化结合橡胶(例如Tech International销售的Gray-Gum)紧固至轮胎，一个补片紧固至轮胎的外胎侧，另一个补片紧固至内衬40。在制造通信模块之后(例如在准备翻新轮胎时)将该通信模块紧固至轮胎。

还可以使用基于硅烷化聚醚的粘合剂。

这种粘合剂基于在链端处甲氧基硅烷官能化的聚氧丙烯：

首先在两个链端的每个链端处用烯丙基官能化高分子量聚氧丙烯，然后氢化硅烷化以最终获得甲基二甲氧基硅烷官能化的遥爪聚醚。

这些聚合物相对较好地结合了硅氧烷(耐老化性)和聚氨酯(材料的内聚力)的优点。它们不含异氰酸酯和溶剂。

取决于使用，基于硅烷化聚醚的粘合剂或密封剂的典型配方除了官能性聚醚之外还可以包含：填料、增塑剂、颜料、促粘剂、脱水剂、催化剂、触变剂和任选的抗氧化剂和/或UV稳定剂。

一个配方示例(Kaneka DKB-5密封剂)⁽¹⁾如下表所示：

⁽¹⁾CABOT–在MS聚合物密封剂中的CAB-O-SIL TS-720(2010)

phr：每100份弹性体(在该情况下为硅烷化的聚醚)的重量份；

pcm：相对于100g粘合剂的重量百分比。

在施加基于硅烷化聚醚(甲硅烷基封端的聚醚或STPE)的粘合剂之后，硅烷化聚醚与来自空气的水分聚合⁽²⁾。

该聚合分两个步骤进行：

步骤1：通过水解将甲氧基硅烷转化为硅烷醇：

步骤2：硅烷醇与甲氧基硅烷缩合以形成硅氧烷桥：

⁽²⁾CRAY VALLEY–单组分湿固化甲氧基硅烷密封剂(2001)

基于硅烷化聚醚的粘合剂可商购，特别是来自Bostik：BOSTIK-Simson-ISR-7003，其为单组分粘合剂。

使用这种粘合剂的优点是不使用任何溶剂或任何溶液，并且具有比常规的冷硫化结合橡胶层(例如Tech International供应的Gray-Gum)快得多的交联动力学，同时具有优异的机械强度。该结合橡胶需要使用溶液(“硫化化学流体”)，所述溶液包含硫化超促进剂并且必须在对待粘合表面进行准备之后施加。

图11显示了重型货车轮胎的径向胎圈34，该胎圈包括处于特别有利位置的补片2。该胎圈包括具有卷边38的胎体帘布层37、胎圈线35、沿径向设置在胎圈线35外部的两个填充橡胶41和42，以及沿径向设置在胎圈线35下方并且能够与轮辋座接触的保护器43。该保护器的径向和轴向内端是被称为胎趾45的边缘。

然后，在翻新操作期间，有利地将射频补片2完全放置在距离该胎趾45的曲线坐标大于60mm并且优选介于70至110mm之间的区域中。补片的纵向轴线朝向垂直于径向胎体帘布层37的增强体。通过完全放置在所识别的区域中，意味着补片2的下唇距离胎趾超过60mm。借助于制造补片的方法，精准地知晓应答器的位置及其取向。