附著於電子封裝外殼的壓電傳感器的使用的製作方法

2023-04-25 19:57:51 1

專利名稱：附著於電子封裝外殼的壓電傳感器的使用的製作方法
技術領域：
本發明涉及壓電傳感器和輪胎電子設備封裝的共同放置。
更
具體地，本發明涉及將壓電傳感器與包含其它輪胎電子設備電路的外 殼相關聯。
背景技術：
電子裝置和充氣輪胎結構的結合產生許多實用的優點。輪胎 電子設備可包含傳感器和其它組件，用於獲取關於輪胎的各種物理參 數的信息，諸如溫度、壓力、輪胎轉數、車速、實際速度(at speed) 的轉數、實際速度的溫度和其它物理和操作的參數，以及諸如產商名 稱、產商地址、生產日期等生產信息。這種性能信息在輪胎監控和報 警系統中是很有用的，甚至可潛在地與反饋系統一起使用以調整正確 的輪胎壓力級別。例如，在同一輛汽車上的不同的輪胎轉速可以表示 當輪胎直徑由於膨脹壓力細微改變時的欠於膨脹或過於膨脹。專利號為5,749,984的美國專利(發明人為Fery等人)公開 了一種輪胎監控系統和方法，可以確定諸如輪胎偏轉、輪胎速度以及 輪胎轉速等信息。在專利號為4,510,484的美國專利(發明人為Snyder) 可以找到另一輪胎電子設備系統的實例，該實例是關於非正常輪胎情 況報警系統。專利號為4,862,486的美國專利(發明人為Wing等人) 同樣涉及輪胎電子設備，並具體公開了與汽車輪胎和卡車輪胎結合使 用的示例性轉速表。與輪胎結構集成的電子設備系統提供了另一潛在的性能，其 對應於商用汽車應用的資產跟蹤和性能特徵。商用卡車車隊、飛行器 和重型推土機/採礦汽車都是可行的行業，該行業可以利用電子設備系 統和相關的信息傳輸的益處。輪胎傳感器可以確定車輛中每個輪胎駛 過的距離，並因此有助於這些商用系統的維護計劃。為了諸如採礦設 備的更昂貴的應用，可以對車輛的位置和性能進行優化。可以使用RF標籤傳輸來跟蹤整個汽車車隊，專利號為5,457,447的美國專利(發明 人為Ghaem等人)公開了示例性的內容。這種集成的輪胎電子設備系統通常通過多種技術和不同的 發電系統進行供電。實例包含一些機械特徵，用於產生來自輪胎移動、 非可再充電電池的能源以及用靠近輪胎的詢問天線收集RF電波功率。根據本發明，可以了解到壓電材料的某些優點早已公知。但 是，這些技術一直在改進，因此給使用壓電材料的應用潛在地提供了 改進的操作性能。專利號為5,869,189的美國專利(發明人為HagoodIV 等人)和專利號為6，048，622的美國專利(發明人為HagoodIV等人) 提供了壓電技術的相對新的改進的實例，是關於結構控制的複合材料。 本發明公開的技術是關於壓電技術的進一步改進，以使壓電傳感器和 其它或現有的與輪胎情況相關的電子傳感器結合，並能與輪胎或輪式 裝置集成在一起。出於本申請的目的，已通過引用將前述的美國專利的所有公 開內容完整地引入本申請。儘管己經將壓電傳感器裝置的多種應用發 展為應用於輪胎電子設備系統中，且儘管已經使用傳統的技術將信息 的各種組合從輪胎或輪式裝置無線傳播，但是並沒有出現能完全包括 隨後根據本發明的技術提出的所有期望特徵的設計。

發明內容
考慮到現有技術遇到的和本發明主題提出的公認特徵，己經 開發出一種用於將壓電傳感器合併在輪胎和/或車輪裝置內或與其相關 聯的改進的方法。在示例性的配置中，輪胎或車輪的轉動探測已將作為輪胎或 車輪參數的探測性能添加到現有輪胎的狀況參數探測中。在其中一個 更簡單的形式中，本發明通過將單個壓電傳感器添加到諸如米其林重 型推土機管理系統(MEMS)平臺的現有公知傳感器技術中，而提供 將輪胎/車輪轉動探測添加到已有傳感器系統中的性能。這種類型的裝置性能擴展的一個積極的方面是，可以通過單 個輪胎補片(patch)或在輪胎補片上安裝的密封殼體(enclosure)而 不需提供多個補片，來獲得附加的輪胎參數探測性能。根據本發明的某些實施例的一些方面，由此提供了減少安裝時間和裝置生產時間以 及與輪胎傳感器安裝有關的人工費用的方法。根據本發明的其它實施例的一些方面提供了一些方法，使用 在通常與輪胎轉動監控不相關的位置配置其它非轉動敏感裝置的轉動 敏感傳感器，替代現有已知的個別提供的通常與靠近輪胎胎冠的位置 相關聯的輪胎轉動傳感器。還根據本發明的實施例的另外的方面，已經提出了裝置和對 應的方法來防止暴露輪胎轉動敏感壓電傳感器而汙染輪胎內部。還根據本發明的另外的實施例的其它方面，已經提出了裝置 和方法以確保傳感器和相關的電子電路之間具有堅固的連接。其中提出了本發明的另外的目標和優點或該目標和優點根 據其中詳細的說明對於本領域技術人員而言是明顯的。而且，還了解 到在不背離本發明的原理和保護範圍的情況下，可以將具體例示、引 用和討論過的特徵和元件的修改和變化用於本發明的各種實施例和使 用。變化可以包括但不限於關於其中例示、引用和討論過的等同裝置、 特徵或步驟的替換，以及對各種部件、特徵、步驟等的功能性、操作 '性或位置的替換。同樣可以進一步了解到，本發明不同的實施例和目前不同的 優選的實施例，可包括各種當前公開的特徵、歩驟或組件，或其它等 同物(包括沒有在附圖中明確表示或沒有在這些附圖的詳細說明的陳 述中的特徵、部件或歩驟或它們的組合)的組合或配置。沒有必要在 發明內容部分說明的本發明另外的實施例，可包括和合併上述總結的 目標中的特徵、組件或步驟，和/或在本申請中另外討論的其它特徵、 組件或步驟的方面的組合。當閱讀本說明書的其餘部分時，本領域技 術人員將會更好地了解這些實施例的特徵和方面。


對於本領域技術人員，在說明書中提出了其中包含最佳模式
的本發明的完整和授權的公開內容，其引用了附圖，其中圖1示出用於將輪胎轉動傳感器安裝到輪胎內部襯墊的己知 配置；圖2例示了用於支撐包括根據本發明技術的壓電輪胎轉動傳 感器的輪胎狀況傳感器的米其林重型推土機管理系統(MEMS)平臺 補片的分解圖；圖3例示了將壓電輪胎轉動傳感器與MEMS平臺補片相關 聯並提供與MEMS平臺相耦合的信號的可選的方法；圖4概略地例示了將壓電輪胎轉動傳感器與MEMS平臺補 片相關聯並提供與MEMS平臺相耦合的信號的另外的可選的方法；在本說明書和附圖中重複使用附圖標記，來表示本發明相同 或相似的特徵和組件。
具體實施例方式如在本申請的發明內容部分所述，本發明具體是關於輪胎轉 動傳感器的併入或與先前只用於安放溫度傳感器和壓力傳感器以及用 於米其林重型推土機管理系統(MEMS)補片的相關的電子電路的密 封的外殼相關聯。MEMS補片可向內安裝在輪胎內側壁部分並通常距 輪胎圈的唇部有一段規定距離。這種位置通常不在輪胎的接觸補片中， 例如與輪胎滾過的表面接觸的輪胎部分。先前，除去其它情況，轉動 敏感傳感器已被放置在輪胎的冠部，用以將在輪胎轉動時暴露的傳感 器的彎曲最大化，因此有助於產生更高的幅度而由此可使轉動信號更 容易探測。根據本發明，已經發現壓電傳感器放置在通常安放MEMS 傳感器和電子設備的密封外殼之中或之上，儘管這種外殼的通常位置 遠離輪胎的接觸補片部分，但是卻有足夠的達到壓電傳感器的彎曲可 使壓電傳感器提供可用的輪胎轉動響應信號。通過放置在MEMS外殼 之上或之內的壓電傳感器產生的信號，可被電性調節以提供信號，該 信號可表示輪胎轉動並可以表示其它參數，包括例如加速度和其它運 動有關的參數。將輪胎轉動敏感裝置與MEMS傳感器和相關的電子設備安 裝在一起的另一積極方面是，出自於消除壓電輪胎轉動傳感器的暴露 而汙染輪胎內部的繼承的益處，特別是將化學混合物放置在輪胎內部 作為輪胎的保護機構。此外，在MEMS平臺中對壓電輪胎轉動傳感器的共同放置允許該傳感器與相關的電子電路之間的堅固連接。本發明的一些方面的選擇的組合對應於本發明的多個不同 的實施例。可以注意到，其中提出和討論的每個示例性實施例都不應 視為是對本發明的限制。特徵或步驟是作為一個實施例的一部分而例 示或說明的，也可以用來和另一實施例的一些方面相結合而產生另一 實施例。此外，某些特徵可以用未明確提到但執行相同或相似功能的 相似的裝置或組件替換。現在將對當前本發明的壓電輪胎轉動傳感器的安裝方法和 裝置的優選的實施例進行詳述。現在參考附圖，圖1例示了使用集成 在輪胎或車輪裝置中的自供電壓電裝置4計算輪胎轉動的已知配置。 更具體地，圖1描述了充氣輪胎1的示例性的外觀圖，其特徵在於具 有外部胎面部分8的冠部、輪胎圈部分10以及在每個胎圈10和冠部 之間延展的側壁部分6。內襯墊15沿著內部冠部和側壁表面設置，可 在上面安裝自供電的輪胎轉速表4和/或其它輪胎電子設備。在輪胎的內襯墊15上尤其在輪胎的冠部區，安裝輪胎轉速 表4，可以提供實際的輪胎轉動信號源，但是當這種輪胎轉動信號與來 自其它傳感器的其它輪胎狀況傳感器信號相關聯時，這種泣置還用於 打開(open)有關的各種區域。有關的第一區域產生於輪胎中的另外 的輪胎傳感器裝置的物理布置。如果該輪胎轉動傳感器和現存的傳感 器組合，可以避免或減少包含安裝輪胎轉動傳感器的人工費用的額外 的花費。本發明通過以更加全面說明的各種方式將輪胎轉動傳感器與 己有的傳感器相關聯來闡述這個考慮。現在參考圖2，例示了用於支撐包括根據本發明的壓電輪胎 轉動傳感器250的輪胎狀況傳感器的米其林重型推土機管理系統 (MEMS)平臺補片200。應該可以理解，儘管本討論內容主要涉及 MEMS狀況，但這並不限制本發明的主題，因為本發明的壓電輪胎轉 動傳感器，可與不限於其中例示性討論的重型推土機狀況的許多其它 不同類型的輪胎的平臺上的其它輪胎狀況傳感器相結合。如圖2中所例示，該MEMS平臺補片200提供外殼210，可 裝在彈性外殼220中以易於附著於要監控的輪胎的內表面上。輪胎狀 況傳感器和相關的其它元件包括但不限於溫度傳感器230、壓力傳感器240以及附加組件，包括但不限於無線發射機270和微處理器或微控制 器280， 二者都可包括存儲各種格式的數據的存儲器部分，可安裝在該 MEMS平臺補片200的外殼210中的印刷電路板260上。電池290可 提供MEMS平臺補片電路運行所需的電源。根據本發明的一個實施例，儘管在下文中將進一步討論可用 於該輪胎轉動敏感壓電傳感器250的其它位置，但是輪胎轉動敏感壓 電傳感器250同樣可以安裝在外殼210上。可以注意到，電池290可 用作該MEMS平臺補片200的電源，但其它配置也是可能的，包括提 供可充電電池，該電池可由壓電傳感器250獲得的能量充電。可選地， 用於該MEMS平臺補片200的所有的工作電源都可源自於壓電傳感器 250。在當前例示性討論的重型推土機狀況中，已經發現補片200 一個可接受的位置，即距離輪胎1的輪胎圈10的唇部大約8英寸的位 置。但是，可以理解這種位置不是本發明的限制，而僅僅是表示用於 連接補片200的一個可接受的位置。根據本發明，已經發現儘管先前的輪胎轉動傳感器已經放置 於輪胎的接觸補片區域中以最大化輪胎轉動信號產生，但是這種輪胎 轉動傳感器與MEMS平臺裝置200的傳感器的共同放置提供了一種可 接受的可選結構。將該輪胎轉動壓電傳感器250放置在當前使用的 MEMS補片位置會使該傳感器更多地受到多方位的受力，使得在頂點 的當前使用的輪胎轉動傳感器的位置，但是，輪胎上的偏轉和其它受 力仍然通過該補片200和外殼210傳輸到該壓電傳感器250。這種受力 傳輸路徑將改變由壓電傳感器250產生的信號，但這種信號接著被電 性調節以提供可以指示輪胎轉動和與輪胎運動相關的其它可能的參 數。來自壓電傳感器250的信號的電子信號調節可通過個別信號處理 器的方式提供，例如，數位訊號處理器(DSP)或先前提到過的已經與 該MEMS平臺裝置有關的微處理器或微控制器。與輪胎狀況敏感傳感器的供給有關的第二區域，涉及由於在 膨脹的輪胎中包括各種化學物質所正在進行的實際過程中而產生的問 題。除了其它因素外，這些化學物質甩於對輪胎進行物理保護。 TireLife , —種由華盛頓州奧林匹亞的福勒兄弟公司銷售的冷卻齊[J、潤
滑劑、抗氧化劑及抗鏽劑是與重型推土機類型的大型汽車的輪胎和車 輪結合使用的化學物質的一個實例。但是這種化學物質的一個負面影 響是它們相對於包含的電子傳感器充當了一種汙染物。這種汙染物對 輪胎中放置的各種傳感器的運行造成不利影響。本發明通過提供將壓
電輪胎轉動傳感器250密封在外殼210中的方法解決了這個考慮，外 殼210是預先提供為用於如在前面提到的MEMS平臺補片200中使用 的溫度傳感器230和壓力傳感器240的其它輪胎狀況傳感器。與輪胎狀況敏感傳感器的供給有關的第三區域，涉及包括將 來自各種傳感器的信號與該MEMS平臺和/或外部查詢器相耦合。該 MEMS平臺200可配置成使信號在連續或離散的載波上，從安裝了 MEMS外殼210的輪胎相關聯的無線傳輸電路(未示出)傳輸到安裝 了接收機的車輛，或可選擇地傳輸到手持査詢器或查詢器的驅動器。 將壓電輪胎轉動傳感器250和該MEMS平臺共同放置，可顯著減少在 將MEMS平臺用作機構時的信號耦合問題，由此將輪胎轉動信號傳送 到外部接收機。根據本發明，可以用多種方式將來自壓電輪胎轉動傳感器 '250的信號與MEMS平臺相耦合。根據本發明的一個實施例，可通過 將傳感器250如圖2所示地物理安裝在MEMS外殼210中，來提供輪 胎轉動敏感傳感器250的特殊堅固的連接。這種安裝方法還有利於提 供完全密封的狀況的期待的方面，以防止傳感器和所有其它有關的 MEMS平臺組件受到前述的輪胎附著的化學物質的汙染的影響。但是， 關於本發明的另外的實施例，預期的是可選的安裝和信號耦合方法。參考圖3，例示了本發明的另一實施例，其中輪胎轉動敏感 壓電傳感器350可嵌入MEMS平臺補片300之上或之中。在本發明的 這個實施例中，來自壓電傳感器350的信號可通過直接線連接352、354 與MEMS平臺相關聯的輪胎電子設備通信。壓電傳感器350可在將補 片300安裝到輪胎前固定於補片300，並配置有電線引出端以附著於在 MEMS外殼上的通孔型(thru-case)的連接器。可選擇地，該引出端可 使用焊接劑或導電環氧物而附著於該MEMS外殼和連接到該壓電傳感 器。還在本發明的另一實施例中，可以通過提供該壓電傳感器350作為具有導線352、 354的外部封裝來建立從壓電傳感器350到 MEMS外殼電子設備的直接連接，導線352、 354配置為表面接觸，該 表面接觸配置成在該MEMS補片300上與受載彈簧接觸處聯合。在這 種配置中的該電性連接可使用導電橡膠粘合劑或潤滑油進行密封或加 強。參考圖4，其中概略性例示了本發明的另外的實施例，全都 包括用於耦合來自嵌入到MEMS平臺補片400之上或之內的壓電傳感 器的信號。本發明的預定技術的另外的實施例中的每一個，都預期無 線信號耦合方法，其將來自壓電傳感器450的信號與包含在MEMS平 臺補片400中的電子設備相耦合，所有的實施例都通過示意性圖示的 能量波460而概略性例示。在第一無線信號傳輸方法中，可將該壓電傳感器450嵌入到 MEMS平臺補片400之上或之內，且電子電路配置成將射頻(RF)開 關信號傳輸到該MEMS電路板260上對應的接收機(未示出)。在這 個實例中，該RF傳輸要求發射機電路的運行電源應從壓電傳感器450 獲取，但當傳輸距離通常小於1英寸時僅需要獲取最小的能量，並且 在該MEMS電路板上的對應的接收機僅需探測是否存在該信號。本發明的這個實施例的第一變化是替換了剛討論過的低頻
率傳輸的、將來自壓電傳感器450的信號傳輸到該MEMS電路板的RF
傳輸方法。在這個可選的實施例中，由該壓電傳感器450偏移產生的
電源可通過電感器調節和放電。在MEMS電路板上的匹配電感器，結
合耦合到壓電傳感器450的電感器，起到空心變壓器的作用以將來自
該壓電傳感器450的信號與該MEMS電路板上包含的電子設備相耦 合。進一步參考圖4，其概略地表示了本發明的另一實施例，例 示的能量波460還用於表示將來自壓電傳感器450的信號傳輸到 MEMS電路板260上包含的電子設備的光學傳輸的使用。這種光學傳 輸可配置成兩種不同形式， 一種是採用與壓電傳感器450 —起安裝的 發射紅外線二極體(LED)和安裝在MEMS電路板上的對應的光電管 的形式。可以認識到，在本發明的這個實施例中，在特定情況中如當 前預期的重型推土機的類型的輪胎可包含削弱該光信號的液體，這種
削弱由於輪胎的內部非常暗、允許使用非常敏感的照相元件的情況而 抵消。此外還可理解本發明的另一光信號傳輸的實施例，是通過將 光電板用作前述的LED的替換物。在本發明的這個實施例中，可配置 壓電傳感器，使得當光電板固定於襯底另一側時，壓電元件安裝在該 襯底的一側。該裝置接著可固定於補片400並定向，以允許與關於前 述LED配置的實施例中的討論內容相似的方式，將光學信號傳輸到安 裝在MEMS電路板的光電管。儘管其中已經關於特定實施例詳細說明了本發明，但是應該 可以了解到，本領域技術人員在理解前述內容後，可以對這些實施例 做出修改、改變或等同替換。因此，本發明的保護範圍是以實施例的 方式而非限制性的方式，並且本發明並不排除包含對本發明做出對本 領域技術人員而言顯而易見的修改、改變和/或添加。
權利要求
1、一種輪胎狀況監控系統，包括外殼；電路板，放置在所述外殼中；信號發射機；輪胎狀況敏感傳感器，放置在所述外殼中，所述輪胎狀況敏感傳感器配置成向所述信號發射機提供輪胎環境相關的信號；彈性材料，圍繞所述外殼；以及壓電傳感器，與所述外殼物理耦合併配置成向所述信號發射機提供張力感應信號。
2、 如權利要求1所述的輪胎狀況監控系統，其中所述壓電傳感器 放置在所述外殼中。
3、 如權利要求1所述的輪胎狀況監控系統，其中所述壓電傳感器 通過所述彈性材料與所述外殼相耦合。
4、 如權利要求3所述的輪胎狀況監控系統，其中所述壓電傳感器 配置成向所述電路板的一部分直接提供張力感應信號。
5、 如權利要求1所述的輪胎狀況監控系統，進一步包括 光發射元件，與所述壓電傳感器相耦合；以及 光敏感元件，與所述電路板的一部分相耦合，由此所述壓電傳感器配置成通過在所述光發射元件和光敏感元件 之間建立的光學路徑，向所述電路板的一部分提供張力感應信號。
6、 如權利要求5所述的輪胎狀況監控系統，其中所述光發射元件 包括光發射二極體。
7、 如權利要求5所述的輪胎狀況監控系統，其中所述光發射元件包括光電板。
8、 如權利要求1所述的輪胎狀況監控系統，進一步包括 第一感應元件，與所述壓電傳感器相耦合；以及 第二感應元件，與所述電路板的一部分相耦合，由此所述第一和第二感應元件配置成空心變壓器，以通過在所述 第一感應元件和第二感應元件之間建立的磁路徑，向所述電路板的一 部分提供張力感應信號。
9、 如權利要求1所述的輪胎狀況監控系統，進一步包括 射頻發射機，與所述壓電傳感器相耦合；以及射頻接收機，與所述電路板的一部分相耦合， 由此通過在所述射頻發射機和所述射頻接收機之間建立的電磁路 徑，張力感應信號可與所述電路板的一部分相耦合。
10、 一種用於產生輪胎轉動響應信號的方法，包括以下步驟 提供輪胎；提供外殼；將壓電傳感器與所述外殼相關聯；提供信號處理器，用以處理由所述壓電傳感器產生的信號以提供 輪胎轉動響應信號；以及將所述外殼安裝到所述輪胎中受到輪胎轉動時的多方向的張力的 位置。
11、 如權利要求10所述的方法，其中所述關聯的歩驟包括將該壓 電傳感器安裝在所述外殼中。
12、 如權利要求10所述的方法，進一步包括下述步驟 將所述外殼裝入彈性材料。
13、 如權利要求12所述的方法，其中所述關聯的步驟包括將該壓 電傳感器與所述彈性材料相關聯。
14、如權利要求10所述的方法，進一步包括下述步驟 將所述信號發射機與所述壓電傳感器相耦合；以及 將所述信號接收機與所述信號處理器相耦合，由此所述壓電傳感器產生的信號通過所述信號發射機，由所述壓 電傳感器傳送到所述接收機，用以由所述信號處理器進行處理。
15、如權利要求14所述的方法，其中將所述信號發射機與所述壓電傳感器相耦合的步驟包括將導電體與所述壓電傳感器相耦合。
16、如權利要求14所述的方法，其中將所述信號發射機與所述壓 電傳感器相耦合的步驟包括將所述光產生裝置與所述壓電傳感器相耦
17、 如權利要求14所述的方法，其中將所述信號發射機與所述壓 電傳感器相耦合的步驟包括將所述射頻傳輸裝置與所述壓電傳感器相魏A
18、 如權利要求14所述的方法，其中將所述信號發射機與所述壓 電傳感器相耦合的步驟包括將所述感應裝置與所述壓電傳感器相耦
19、 一種用於探測輪胎轉動的方法，包括以下步驟將張力敏感傳感器安裝在輪胎中受到輪胎轉動時多方向的張力的位置；以及處理所述傳感器產生的信號，用以從輪胎轉動時所述張力敏感傳 感器產生的其它信號中分離輪胎轉動感應信號。
20、如權利要求19所述的方法，其中所述安裝的步驟包括將所述 壓電傳感器安裝在安放輪胎狀況相關的傳感器的外殼內。
全文摘要
本發明公開了通過將壓電傳感器(250)和安放輪胎狀況相關的傳感器和電子設備的外殼(210)相關聯來探測輪胎(1)轉動的裝置和方法。該外殼(210)可安裝在輪胎(1)中受到多方向張力的位置，並且信號處理器被用於由壓電傳感器(250)產生的其它類型的張力感應信號中分離輪胎轉動信息。
文檔編號G01M17/02GK101198854SQ200580050072
公開日2008年6月11日 申請日期2005年6月10日 優先權日2005年6月10日
發明者F·格蘭林, J·C·新內特, P·A·廷德爾 申請人:米其林研究和技術股份有限公司;米其林技術公司