具有金屬芯的壓電陶瓷纖維的製作方法
2023-05-15 19:55:41
專利名稱：具有金屬芯的壓電陶瓷纖維的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及用於輪胎和車輪組件應用中的改進的壓電材料，尤其是用在傳感器或者致動器中或者用在輪胎電子組件或者其它振動系統的發電模塊中。
背景技術：
充氣輪胎結構與電子設備的組合產生了很多實際的優點。輪胎電子設備可以包括傳感器和用於獲得有關輪胎的多種物理參數，例如溫度、壓力、輪胎旋轉的數量、車輛速度等的信息的其它部件。在輪胎監控和警示系統中這種性能信息可以變得有用，並且甚至可以能和反饋系統一起使用以調整適當的輪胎壓力，以及和車輛性能與控制系統一起使用。
然而對於商業車輛的應用，由與輪胎結構結合在一起的電子系統提供的另一個可能的性能對應於資產跟蹤和特性描述。商用卡車車隊、航空飛行器和重型推土機/採礦車輛都是能夠受益於輪胎電子系統和相關的信息傳輸的可行的工業。輪胎傳感器可以確定車輛中每個輪胎已經行進的距離並由此幫助維持用於這種商業系統的設計。對於更昂貴的應用，例如這些有關的地面採礦設備，可以優化車輛位置和特性。使用RF標記傳輸可以跟蹤車輛的整個疾馳(fleets)過程。
某些壓電材料已經用在有關輪胎和車輪組件以及其它振動系統中的多種應用中。例如，壓電變換器可以用作傳感器以測量對外加聲場的響應。壓電致動器可以將施加的電場轉換成運動能量和機械位移。已經應用了壓電簧片和其它專門的壓電結構，以將輪胎轉動的機械振動轉換成用於給輪胎的電子設備組件供電的電能。
由於和壓電材料的結構和運行能力內在相關的獨特本性和潛在的局限性，所以在上述應用的和其它方案的壓電材料的使用經常受到限制。壓電晶體和纖維經常經受高應變等級下的裂化和/或軋碎。壓電陶瓷需要至少一次還原處理來調整材料的極域，由此使它能夠起到傳感器或者致動裝置的作用。為了壓電裝置的有效操作，通常必須精確設置和保持具有壓電材料的電極的組合。另外，某些類型的壓電材料可以不是充分適用於所給出的應用或者在所給出的環境中。例如，儘管鋯鈦酸鉛(PZT)材料通常以所需的運行特性為特徵，但是對於某些應用，鋁基材料可能不是優選的。
根據本發明的主旨，可以意識到的是，很久就已經認識到壓電材料的某些優點。但是，一直在不斷地在改進這種技術，由此可能提供使用具有改進了運行能力的壓電材料和壓電結構的應用。本發明提出了目前所公開關注的和其它關於多種輪胎和車輪組件應用所使用的壓電材料的方案，以及提出用於這些應用和其它方面的改進的壓電結構。
發明內容
考慮到由本發明主旨提出的公認的特徵，已經研製了用於和輪胎和車輪組件應用有關的改進的壓電陶瓷。改進的壓電陶瓷結構包括由金屬芯形成的並設置有外導電層壓電陶系纖維。金屬芯和導電層給壓電材料充當第一和第二電極，並可以與應用在傳感器或者致動裝置中的或者用在輪胎電子設備組件的發電模塊中的另外的電子設備相互作用。
本發明的壓電技術和輪胎電子設備應用的多個特徵和方案提供了多個優點。由於壓電結構獨特的電子結構，公開的壓電結構具有有效的設計通用性。在它們的未加工狀態，壓電陶瓷的柔韌特性使得形成具有多種橫截面形狀的目標壓電瓷材料。另外，可以多種不同的結構來定向該結構，例如基本上以直線，以二維正弦結構或者以三維螺旋線結構。
本發明技術的另一個優點是公開的壓電技術可以用於作為單一結構或者作為模塊聚集的多種應用。通過提供外導電層電極，有利於在模塊補片狀組件中組合多個壓電結構。模塊組件可以設置成多層，並且可為了在特殊環境中運行和安裝到特殊表面而定製該模塊組件。
本發明的另一個優點是可以用較低的還原電壓幅度以及在較低的溫度位還原公開的壓電結構，由此有利於壓電裝置的任何必需的還原。裝置的機械致動所需的電壓電勢電平的幅度的相應降低，使公開的結構可理想的用於某些壓電致動器應用中。
本發明的附屬結構不僅可以作為致動裝置，而且可以作為條件響應裝置，例如變換器或傳感器，或者作為發電裝置。設置在輪胎組件中的發電裝置可以給許多輪胎電子系統供電，包括轉數計數器、圓周傳感器、可反覆充電電池組、閃光組件、微控制器、全球定位系統(GPS)和射頻(RF)收發機和其它RF裝置。當公開的技術用作發電裝置時，該結構提供不依賴於電池組的替換的自供電輪胎電子系統。儘管電池組和電池組運行的裝置仍可以和本發明的方案相結合，但是根據公開的技術，可以避免關於僅由電池組或者其它供電方案供電的輪胎電子設備的很多複雜問題。
本發明的另外的優點包括關於用於本發明結構中的材料類型設計的多功能性。一種通常更適用於發明結構的陶瓷纖維中的壓電材料的優選類型是鈦酸鋇，由於它不包括任何鉛，所以在很多應用中被優選使用。
本發明的仍然另一個優點是，根據目前的多種應用可以使用用於產生電源和使用這種電源的所公開的系統的方法。檢測性能、監控和警示系統、車輛反饋系統和資產跟蹤潛力(asset tracking potential)可以用於例如商業輕型載重汽車、飛機和採礦/重型推土機裝備的應用中。
在本發明的一個典型實施例中，電子設備組件包括至少一個壓電線結構(piezoelectric wire structure)和微控制器。壓電線結構包括壓電材料的細長部分、金屬芯和外導電層。金屬芯基本上被壓電材料的細長部分圍繞並設置成起到壓電結構的第一電極的作用。該外導電層優選覆蓋壓電材料的細長部分的所選區域，並起到壓電結構的第二電極的作用。將微控制器連接到至少一個壓電線結構，用於監控由壓電結構(例如根據被設置成作為條件響應裝置的壓電線結構)產生的電荷的數量或者用於監控提供給壓電線結構(例如根據被設置成作為機械致動器的壓電線結構)的電荷的數量。當將壓電線結構設置成作為條件響應裝置工作時，該結構可以監控預定的特性，例如溫度和/或壓力，和/或相對穩定的程度和/或動力。當應用在像輪胎或者車輪組件這樣的環境中時，還可以應用壓電線結構來確定像輪胎/車輪轉動的數量和/或車輛速度這樣的信息。RF裝置可以進一步連接到壓電線結構(例如通過微控制器)用於傳送由壓電結構輸出的信號或者用於給壓電結構輸入信號。
本技術的另一個典型實施例對應於發電裝置以及儲能裝置，發電裝置包括如上面所述的多個壓電結構的模塊補片(patch)。根據這種模塊組件，將可集中的多個內芯設置成第一電極，同時由包圍所有結構的導電材料形成第二電極。將模塊補片設置成當發電裝置經受機械振動時在其中產生電荷。可以經受這種機械振動的環境的例子是在輪胎中或者車輪組件中。設置儲能裝置(例如電容器或者可反覆充電電池組)以存儲由模塊補片產生的選擇量的電荷。然後利用所存儲的能量給這些電子部件供電，例如，轉數計數器、圓周傳感器、閃光組件、微控制器、RF裝置和GPS裝置等。
根據上述電子組件，可以監控由這種結構的至少一個壓電線結構或者模塊補片產生的電荷的數量，以確定該結構的效率什麼時候降到低於預定閾值，例如可以表示需要再還原(repole)壓電結構。在確定需要這種再還原的情況中，壓電結構的電極可以連接到能夠施加足夠電荷的電源以實現裝置的再還原。
本發明的仍然另一個典型實施例涉及具有綜合發電特性的輪胎組件，該輪胎組件包括充氣輪胎結構和如上所述的壓電材料的模塊補片。該充氣輪胎結構的特徵在於具有用於和地面接觸的胎面部分的胎冠、用於放置輪胎到輪箍的胎緣部分和在每個胎緣部分和胎冠之間延伸的側壁部分。模塊補片與充氣輪胎結構的所選擇部分結合在一起，並設置成當充氣輪胎結構經受機械應力時在其中產生電荷。在一些實施例中，儲能裝置設置成接收壓電材料的模塊補片中產生的電荷，並將所選擇量的能量存儲在其中。為了促進發電裝置和輪胎結構的結合，模塊補片可以附著到或者嵌入壓電線結構中。
本發明的另一個典型實施例涉及一種從與振動系統結合在一起的壓電材料產生電能的方法。這種方法包括相對于振動系統在所選擇的位置提供至少一個壓電線結構的步驟，使至少一個壓電線結構經受與振動系統相關的機械應力，以及存儲當經受機械應力時在至少一個壓電線結構中產生的所選量的電荷。該至少一個壓電線結構特徵在於設置有內電極和外電極的壓電材料的細長部分。在該結構中產生的電能可以用於為和振動系統相關的電子設備通電。
從這裡的具體描述可以陳述本發明的另外的目的和優點，或者對於本領域的普通技術人員將是顯而易見的。而且，應當還可以理解的是，在不脫離本發明的精神和範圍的條件下，可以在多種實施例和本發明的用途中實踐對此處具體描述、談及的和論述內容的更改和變化。變化可以包括(但是不局限於)對於那些說明的、參考的或者論述的，以及不同部分、特徵、步驟等的功能的、操作的或者反向位置的等價裝置、特徵或者步驟的置換。
另外的，應當理解的是，本發明的不同實施例，以及目前不同的優選實施例可以包括目前公開的特徵、步驟或者部件或者它們的等價物(包括沒有在圖中明確示出或者沒有在這些圖中的具體論述中所描述的特徵、部件或者步驟的組合)的多種組合或者配置。本發明的另外的特徵，不必是在該概述部分中明確說明的，其可以包括和併入在上述概述的結果中提及的特徵、部件或者步驟的方案，和/或如在該申請中另外論述的其它特徵、部件或者步驟。通過閱讀該說明書的剩餘部分，本領域普通技術人員將更好的理解這些實施例的特徵和方案以及其它。
參考附圖，在說明書中向本領域普通技術人員論述了包括其最優模式的本發明的全面和允許的公開，其中圖1示出了通常用於本發明的實施例中的典型壓電線結構的橫截面透視圖；圖2示出了用於本發明的一些實施例中的壓電線結構的功能連接的透視圖，其用作模塊化壓電補片；圖3A和3B分別示出了根據本發明的典型輪胎組件的立體圖，示出了用於定向具有充氣輪胎結構的壓電補片的分別的典型結構；圖4示出了根據本發明的以通常二維正弦取向設置的典型壓電線結構；圖5示出了根據本發明的以通常三維螺旋線取向設置的典型壓電線結構；圖6是具有根據本發明設置有附加支撐特徵和外圍電子部件的模塊壓電補片的細長的頂透視圖的立體圖。
整個本說明書和附圖中，重複使用的參考字符旨在說明本發明的相同或者相似特徵或者部件。
具體實施例方式
如在本發明的發明內容部分所述的，本發明尤其涉及用於輪胎和車輪組件應用中的具有改進的壓電材料，以及更特別的是用於傳感器或者致動裝置中或者用於輪胎電子設備組件的發電模塊中的具有改進的壓電材料。改進的壓電材料包括與金屬芯一起形成的壓電陶瓷纖維，例如鈦酸鋇，在圖1、2、4和5中描述了這些方面。在圖3A和3B中描述了與輪胎組件集成的這種壓電結構。當在發電應用中使用本發明的壓電模塊時，該模塊可以用於發電系統，如圖6所示。
所公開技術的上述方案的所選組合對應於本發明的多個不同實施例。應當注意的是，這裡示出和論述的每個實施例不應當視為對本發明的限制。作為一個實施例的一部分，所舉例說明和描述的特徵或者步驟可以和另一個實施例的部分一起使用，以產生另外的實施例。另外，某些特徵可以與沒有確切提到的能完成相同或者相似功能的類似裝置或者特徵相互交換。類似地，某些處理步驟可以與其它步驟共同互相交換或者應用，以產生本發明的另外的典型實施例。
現在，將結合集成在輪胎或者車輪組件中的電子系統一起來詳細說明本發明的壓電結構的優選實施例。現在參考附圖，圖1提供了典型壓電線結構10的通常的橫截面透視圖。壓電線材料10由具有金屬芯14的部分壓電材料12構成。可以通過共同擠壓法以細長的線狀結構形成這些部分，或者可以通過浸漬、噴鍍、等離子沉積或者本領域知道的其它製備方法在金屬芯上形成壓電材料。在一些實施例中，該線狀結構10可以具有大約在五十(50)和五百(500)微米之間的典型直徑18的通常圓形的橫截面。應當可以理解的是，這個示意性的尺寸不應當限制本發明，對於特殊的應用，更小或者更大的橫截面尺寸也是容易理解的。還應當可以理解的是，儘管在圖1所示的結構被描述成具有通常圓形的橫截面，但是還可考慮其它的結構，例如具有通常方形橫截面或者其它形狀，並由此落在本發明公開的技術的精神和範圍之內。藉助陶瓷材料的柔韌特性，在煅燒裝置之前它的生坯狀態便於結構10的設計多功能性。
結構10的壓電材料12優選是纖維狀的壓電陶瓷，例如鈦酸鋇或者鋯鈦酸鉛(PZT)纖維，但是在以下實施例中還可以對應於例如石英、硫化鎘、聚偏氟乙稀(PVDF)或者聚氯乙烯(PVC)的材料，或者可以被本領域技術人員熟知的以其它纖維或者晶體形式的其它壓電材料。應當可以理解的是，這些典型材料的某些更適用於輪胎結構中，並且材料選擇由此可以依賴於某些性能特性。例如，公知PZT陶瓷在很多環境中具有相對高性能的良率，並由此對某些應用有益。然而，由於鈦酸鋇類似於無鉛的壓電陶瓷，它可以更適於其它應用。應當注意的是，關於這些和其它壓電材料的技術進步可以使得所給出的壓電材料更適合用於車輛應用，並由此落在本發明的範圍之內，以包括在本發明結構中的這種新研製材料。
仍然參考圖1，壓電線結構10的金屬芯14形成用於壓電裝置的第一電極，同時圍繞壓電材料設置的外導電層16充當裝置的第二電極。由於壓電材料中的裂化或破裂將固有地降低它的運行特性，所以外導電層16還提供對壓電材料12的有益的保護。用於這種導電部分14和16的典型材料包括銀鈀合金、鎳、銅、鋁纖維或者其它金屬襯底，或者如本領域技術人員所知道的金屬合金。這種合成結構10的還原方向在內導電芯14和外導電層16之間。
一旦形成結構10，為了對準壓電陶瓷纖維的域或者局部對準的鄰接偶極的區域，必須還原該裝置。還原處理通常包含使壓電陶瓷12承受強大的、直流電場，例如通過向由導體部分14和16形成的第一和第二電極施加電壓。這通常在稍微低於居裡溫度的溫度下完成，這是在仍然能正常運行時還原的壓電材料所能處於的最大溫度。
在壓電材料10經受還原處理之後，大多數壓電材料的偶極在還原方向被對準，由此使得該結構有效地顯示壓電特性。當結構10經受應力，例如機械張力或者壓力時，在兩個電極14和16之間產生電壓，由此將機械能轉化成電能。根據這種壓電動作，結構10可以用作傳感器或者發電裝置，這將在後面更具體的描述。相反，如果將與還原電壓相同極性的電壓施加給壓電材料12(電極14和16兩端)，那麼結構10的直徑18將增加，由此將電能轉換成機械能。如果將與還原電壓的極性相反的電壓施加給結構10，直徑18將減小。這種類型的壓電動作使得結構10能夠用作致動裝置，這將在後面更具體的描述。
在壓電結構以上述方式有效地運行之前，幾乎所有的壓電材料都必須被還原。在圖1中描述的新穎布置產生了能夠用較低的還原電壓幅度以及在較低的溫度水平下被還原的結構，由此極大地簡化了結構10的製造和多種線狀部件的任何模塊聚集。這還降低了裝置的機械致動所需的電壓電勢電平的振幅。
還應當注意的是，甚至在壓電結構經受初始還原處理之後，過多的受到機械和/或電應力可以使得壓電材料質量退化，導致壓電偶極的不對準和壓電結構10的性能下降。同樣地，必須再還原(repole)該裝置，其表示了還原和再還原該裝置所需的降低的電勢電平的附加優點。本技術的很多實施例在輪胎或者車輪應用中使用本發明的壓電結構。如果在壓電結構已經被初始還原並和輪胎結構組合在一起之後需要更新，那麼相對低的還原電壓要求可以使得更容易在輪胎內提供用於還原壓電結構的裝置。可以通過根據壓電的發電存儲的電荷或者通過提供可選擇的電源(例如電池組)來影響這種壓電裝置。參考圖6將在後面示出這種還原特性的更優選的方案。
根據本發明的技術，可以將多個壓電結構組合在一起，以形成壓電結構的模塊補片，其在圖2中表示成組件20。組件20組合了多個結構10，其中設置的各個外電極16彼此接觸，由此形成用於組件20的公共電極端。通過嵌入由各個芯14和在金屬化的、導電環氧樹脂等的統一部分中的壓電部分12形成的多個共同擠壓的線，在各個實施例中形成公共電極端也是可能的。到各個內芯14的單獨電連接用作其它組件端子。通過如本領域技術人員可以理解的許多公知方法可以影響這種端子的形成，因此此處不再詳述。用於結束各個內芯的連接類型的例子是公知的帶狀連接器或者多個鉗狀連接，如通過圖6的端子22所示。
當在如圖2的組件20中組合多個結構10時，由於獨特的電極構成，所以壓電結構10的結構變得尤其有益。對於多層(例如，圖2中示出的三層)形成壓電組件的有源區域是可能的。在其它公知的壓電補片實施例中，在單平面層中並排設置多個壓電纖維(沒有內芯電極)。然後，例如沿著平面纖維組件的頂和底表面通過絲網印刷相互交叉的電極指狀物(finger)可以形成第一和第二電極。在電極可以僅僅與一層壓電纖維連接的方面限制這種結構。而且，對於這種組件的有效操作，必須精確地配置和保持電極與壓電材料之間的連接。
根據本發明的提供壓電線結構的多層和獨特模塊構成的能力不僅提供了設計多功能性，而且提供了定製模塊補片的構成以適應特殊應用的能力。例如，當它承受通常的機械應力時，如果沿著一個軸相對地定位壓電組件20通常承受的機械應力，那麼可以增加有源區域的厚度(或者層的數量)以減少組件20中的電容損失。而且，多壓電結構可以組合在模塊中，設計該模塊以符合特殊的安裝表面，其包括任何宏觀的改變。參考圖3A和3B，根據輪胎結構24的內表面可以形成壓電材料20的模塊補片。通過設計模塊補片組件以匹配輪胎結構的獨特輪廓，當被添加或者嵌入輪胎內時，壓電纖維可以是在非應力狀態。這允許在補片20用作傳感器或者發電裝置時更好地利用其內振動的或者提取的能量。
當多個壓電結構10組合在模塊組件20中(例如圖2)時，通常將另外的設計方案應用到線狀結構10相對於輪胎結構24的所選方向(例如圖3A和3B中示出的)。當沿著輪胎的圓周方向定位壓電纖維結構時，壓電纖維通常承受高的拉伸應變，但是低的壓縮應變。根據圓周的纖維方向，可以優選將模塊組件20組合在輪胎結構24的胎冠部分26中，例如在圖3A的典型輪胎組件實施例28中所示的。沿著輪胎的徑向定向纖維方向，將主要能源產生耦合到徑向應力。這種定向更不容易導致破壞纖維，但是產生潛在地更高的纖維壓縮脫芯的敏感性。根據徑向纖維定向，可以優選將模塊組件20組合在輪胎結構24的所選擇的側壁部分30中，如在圖3B的典型輪胎組件實施例28中所示。因此，根據補片的體積和將要經受的特定輪胎環境，可以決定徑向和圓周地沿著輪胎結構定向本發明的模塊壓電補片。更特別地，壓電補片的最佳位置和方向可以基於一些因素，比如每個輪胎周期所需的最大功率、沿著徑向和圓周安裝方向的最大拉伸和壓縮應力以及在給定時間的壓電補片上的應變均勻性。
如在圖3A和3B的典型輪胎組件實施例28中示出的，單一的壓電結構10或者模塊補片20可以安裝到輪胎結構24的內胎冠表面26或者內側壁表面30。當輪胎結構24的胎面部分25沿著地表面移動並導致輪胎結構彎曲時，這些位置通常很適於驅動補片20內的壓電材料。當輪胎組件28沿著能使壓電結構產生電荷的表面移動時，與通常的機械振動耦合的該輪胎彎曲能使模塊補片的操作充當傳感器或發電裝置。另外，補片20可以安裝或者放置在結構24內，例如，在通常的輪胎結構的外胎身和內襯部分之間。在被粘接到或者嵌入輪胎中之前，補片20可以可選擇地設置在另外的橡膠或者合成橡膠外套中，以提供另外的保護。這種外套另外提供了便於使壓電補片粘接到輪胎結構。可以可選擇地提供用於支撐的鄰接於補片20的單側的橡膠外套，然後可將其粘接到輪胎結構的內表面。根據用於壓電結構的多個可能位置，應當可以理解的是，術語「組合的」通常包括所有可能的位置，包括被安裝在輪胎結構上或者輪胎結構中。
如前所述，可以多種不同的方式應用壓電結構10或者模塊補片組件20，如打算用於輪胎和車輪組件以及其它環境中。例如，根據本發明的壓電補片可以用作致動器、傳感器、發電模塊或者作為所有這些裝置的任何或者全部的組合。由於本發明壓電結構不受簡支梁(simple beam)或者平面組件的限制，所以可能有無限多種壓電致動器和傳感器實施例。一些典型實施例包括如圖4所示的二維正弦結構10′或者如圖5所示的三維螺旋狀或者彈簧狀結構10″。應當理解的是，對於壓電結構(通常10)的定向的其它變化落在本發明的精神和範圍內。這種實施例可以提供增大的應力範圍，在該範圍壓電結構可以有效地運行並還可以產生具有數十個動態範圍的特別敏感的振動傳感器。
由於壓電致動器通常以相對快的響應時間和高效的能量轉換為特徵，所以作為機械致動裝置的本發明的壓電結構的使用是所希望的。壓電致動器通常適合於裝置小型化，由此使得具有單一壓電結構或者具有模塊補片組件的可行的壓電致動器得以實現。由於致動壓電裝置需要相對低的電壓電勢，所以可以實現另外的優點。
其中本發明的壓電結構或者模塊補片可以用作條件響應裝置，例如變換器、傳感器、聲學裝置或者響應輸入條件的變化提供某種輸出的其它部件。這種條件響應裝置可以用於監控任何數量的輪胎或者車輪特性，例如(但是不局限於)，溫度、壓力、輪胎旋轉的數量、車輛速度以及與作用於輪胎結構或者與輪胎結構(例如側壁形變或輪胎位移)有關的三維靜態和動態力的大小。壓電變換器的組合可以用在單一聲學裝置中，通過檢測壓電結構對施加的聲場和其它力的響應，該聲學裝置能夠監控與所給輪胎結構相關的溫度和壓力。
本發明的壓電結構的另一個重要應用對應於設立用在輪胎結構中的發電裝置。用於為輪胎電子組件供電的常規電源可以對應於電池組或者從最接近的輻射天線獲取的能量。如果電池組是不可反覆充電的，那麼可能需要周期地替換它們，並經常對他們進行處理和效率關注。從詢問天線獲取的RF能量的實施例經常是效率非常低、昂貴且容易損壞。因此，通過獲得當輪胎承受機械應力時在壓電補片內產生的電荷，根據本技術的壓電補片可以提供用於輪胎電子組件的改進電源。通常在輪胎旋轉過程中，可以產生足量的機械應力。
如下文所示的，具有壓電材料的本發明發電裝置的性能具有超過用於在輪胎組件內提供電源的常規技術的很多優點。如上面討論的，天線射束能量獲取技術不再是選自於為輪胎電子設備供電的其中一個受限的選擇。同樣，通常提高了很多類型的輪胎電子設備的操作性能。利用電池組供電的選擇不再是必須的，由此避免了昂貴的和麻煩的電池組替換。儘管目前公開的技術提出了能夠不使用天線射束能量和電池組的發電裝置，但是應當可以理解的是，發電裝置可以應用壓電技術和/或電池組和/或天線射束獲取技術的混合組合，用於給車輪組件內不同選擇的電子部件供電。
當壓電補片20用作發電裝置時，它通常與某些儲能和/或調節裝置32一起設置，如圖6所示的。儲能裝置32可以和第一和第二電端子22和34並連連接，使得當它承受機械應力時接收在補片20中產生的所選數量的電荷。儲能裝置32可以相當於電解電容器，例如至少大約47μF的松下TEL系列鉭電容器。其它類型的電容，例如超級電容器或者非電解電容器可以同樣適用於作為儲能裝置32使用。儲能裝置32還可以相當於可反覆充電電池組，例如LiteStar牌的固態可反覆充電電池組，例如由Infinite Power Solutions提供的。其它的可反覆充電固態電池組或者可反覆充電的化學電池組也可以用作儲能裝置28。
輔助的能量獲取電路可以和儲能裝置一起設置，以產生用於某些輪胎電子部件的調節電源。在通常擁有的專利申請USSN 10/143,535中公開了包括電源獲取電路和典型的輪胎電子系統的電源之間的相互作用的方案這種電源獲取/調節電路的例子，題目為「用於從使用壓電纖維成分的轉動輪胎的機械能量產生電能的系統和方法」，出於參考的目的在這裡引作參考。
當在壓電補片20中產生足量的電荷並依次存儲在儲能裝置32中時，它然後可以用於給輪胎電子組件36供電，電子組件36可以包括許多部件或者其組合。輪胎電子組件36可以包括這種典型部件，作為轉數計數器、條件響應裝置、可反覆充電電池組、閃光組件、微控制器、全球定位系統(GPS)和/或射頻(RF)裝置。題目為「用於從使用壓電纖維成分的轉動輪胎的機械能量產生電能的系統和方法」的上面提到的美國專利申請USSN10/143,535包括可以用壓電組件供電的輪胎電子系統的另外的實施例。這裡公開的本發明改進的壓電結構可以與USSN 10/143,535中公開的技術一起使用或者和其中的元件的任何組合一起使用，其也落在本發明的精神和範圍內。
應當可以理解的是，根據公開的技術，不同於本說明書特定公開或者通過這裡參考引入的那些其它電子設備可以與本發明的壓電發電技術一起使用。根據所公開技術的方案，能夠被供電的電子應用的數量是巨大的並且決不應當限制到本發明。
如上所述，可以設置與本發明壓電結構相關的電路，以便當需要再還原以及實際再還原壓電結構時監控壓電結構。監控模塊補片20中的壓電結構的特性的一個例子是監控存儲在儲能裝置32或者存儲在與模塊補片20一起(例如可以設置在電子組件36中)提供的另一個專用儲能元件(例如電容器)的電荷數量。與這種儲能裝置有關的電容大小可以直接與模塊補片20中的壓電材料的特性相關，例如這種材料的介電常數。在相關的儲能裝置檢測的電容大小可以與設置在電子組件36中的微控制器編程的預定電容大小作比較。如果檢測的值下降到低於預定閾值，則可能需要對裝置進行再還原。由於可能需要在裝置再還原中施加相對大的電壓，所以還可以提供電壓變換器以將存儲的能量從相對較低的電壓轉化成較高的電壓(例如大約300V或者由模塊補片20中的壓電材料的類型或者厚度決定的其它特定大小)。然後可以將這種相對較高的電壓施加在模塊補片20的壓電材料的電極兩端以影響裝置再還原。
對於用作根據本發明的發電裝置，可以考慮用於某些應用的壓電補片20的另外的設計限制。例如，如圖6所示，通過靠近支撐襯底38設置壓電補片20可以給壓電補片20提供額外的加固。根據任何公知的方法可以將模塊補片20粘著到支撐襯底38。在另外的典型實施例中，可以將模塊補片20可選擇地嵌入支撐襯底中。壓電補片20和支撐襯底38的組合有利於通過補片20內的壓電纖維材料看見的應力的機械分配。通過改善越過補片20的應力的均衡，所有壓電結構通常以相同的張力運行。加固的壓電補片能夠在輪胎結構內和對應的車輛環境中繼續存在更長時間。
由於支撐襯底38優選用於儘可能均衡地分配越過壓電補片20的應力，所以支撐襯底38的特徵優選地在於均衡的厚度和硬度大小。可以根據在輪胎結構中使用的材料類型來設計支撐襯底的實際厚度，該輪胎結構與根據本發明的壓電補片組合在一起。可以設計用於輪胎結構的襯底厚度與彈性模塊的最佳組合，以保證壓電補片的適當致動以及以合適的方式將輪胎結構與該補片組合在一起的能力。在該技術的一些實施例中，雖然硬度大小是不均勻的，但是還是可以容易地調節的。典型的支撐襯底38的特徵還在於在一些實施例中的用於繼續存在於輪胎環境中的例如低遲滯、化學惰性和粘著能力的性質。適於形成支撐襯底38的材料的特殊例子是印刷電路板(PCB)材料，例如玻璃纖維或者其它這種材料。用於形成支撐襯底38的適當材料的另一個例子是高模量橡膠混合物。
儘管參考其特定實施例具體描述了本發明，但是本領域技術人員可以理解的是，依據前述獲得的理解可以容易產生對這些實施例的變形、改變及其等價物。因此，本發明具體所述實施例是作為例子，而不是作為限制，並且本發明的範圍不排除包括這種變形、改變和/或根據本發明對本領域技術人員顯而易見的內容。
權利要求
1.一種發電裝置，包括壓電材料的模塊補片，其被設置成用於當所述發電裝置承受機械振動時在其中產生電荷，所述模塊補片包括多個細長的壓電結構；多個金屬芯，每個金屬芯基本上由所述多個細長的壓電結構的其中一個圍繞，其中集中的多個金屬芯設置成起著壓電材料的模塊補片的第一電極的作用；以及導電材料，環繞所述多個細長的壓電結構的每個，並形成壓電材料的模塊補片的公共第二電極；以及儲能裝置，其被設置成用於從壓電材料的所述模塊補片接收所述電荷，並在其中存儲選擇數量的所述電荷。
2.根據權利要求1的發電裝置，其中所述的多個壓電結構包括鈦酸鋇纖維。
3.根據權利要求1的發電裝置，其中所述壓電結構包括選自於由石英、鈦酸鋇、硫化鎘、鋯鈦酸鉛(PZT)、聚偏氟乙稀(PVDF)和聚氯乙烯(PVC)所組成的組中的材料。
4.根據權利要求1的發電裝置，還包括用於監控由壓電材料的所述模塊補片產生的電荷的數量的裝置，以確定充氣輪胎結構的預選特性。
5.根據權利要求4的發電裝置，其中所述預選特性選自於由溫度、壓力、輪胎旋轉的數量、車輛速度以及作用在輪胎結構上的靜態和動態力的大小所組成的組。
6.根據權利要求1的發電裝置，其中壓電材料的所述模塊補片與充氣輪胎結構的所選部分組合在一起，並設置成當所述充氣輪胎結構承受機械應力時在其中產生電荷。
7.根據權利要求1的發電裝置，還包括用於監控由壓電材料的所述模塊補片產生的電荷的裝置，以確定壓電結構的還原效率什麼時候降到低於預定的閾值大小。
8.根據權利要求7的發電裝置，還包括接到所述模塊補片的各自的第一和第二電極的電源，用於在裝置效率降到低於預定的閾值大小時再還原壓電材料的模塊補片。
9.根據權利要求1的發電裝置，還包括至少一個電子部件，該電子部件選自於由轉數計數器、條件響應裝置、可反覆充電電池組、閃光組件、微控制器、全球定位系統(GPS)和射頻(RF)裝置組成的組，其中所述至少一個電子部件由產生在壓電材料的所述模塊補片中的電荷供電。
10.根據權利要求1的發電裝置，其中所述儲能裝置包括電解電容器、超級電容器、可反覆充電固態電池組和可反覆充電化學電池中的一個。
11.一種電子設備組件，包括至少一個壓電線結構，所述至少一個壓電線結構包括壓電材料的細長部分；金屬芯，基本上被壓電材料的所述細長部分圍繞，設置所述金屬芯以起到壓電結構的第一電極的作用；和外導電層，覆蓋壓電材料的所述細長部分的所選區域，設置所述外導電層以起到壓電結構的第二電極的作用；和微控制器，連接到至少一個壓電線結構，用於監控由所述至少一個壓電線結構產生的電荷的量，或者監控提供給所述至少一個壓電線結構的電荷的量。
12.根據權利要求11的電子設備組件，其中所述壓電材料包括鈦酸鋇纖維。
13.根據權利要求11的電子設備組件，其中所述壓電材料包括選自由於由石英、鈦酸鋇、硫化鎘、鋯鈦酸鉛(PZT)、聚偏氟乙稀(PVDF)和聚氯乙烯(PVC)所組成的組中的材料。
14.根據權利要求11的電子設備組件，其中所述至少一個壓電線結構起到條件響應裝置的作用，以相對於預定的特性通過產生變化量的電荷來監控給定環境的預定特性。
15.根據權利要求14的電子設備組件，其中所述預定特性選自於由溫度、壓力以及作用在所述給定環境的靜態和動態力的大小所組成的組。
16.根據權利要求11的電子設備組件，其中所述至少一個壓電線結構與充氣輪胎結構的所選部分組合在一起，並設置成用於感測從選自於由溫度、壓力、輪胎旋轉的數量、車輛速度以及作用在充氣輪胎結構上的靜態和動態力的大小所組成的組中的至少一個預定特性。
17.根據權利要求11的電子設備組件，還包括用於控制所述壓電結構作為機械致動裝置的裝置。
18.根據權利要求11的電子設備組件，其中所述至少一個壓電線結構以二維正弦結構定向。
19.根據權利要求11的電子設備組件，其中所述至少一個壓電線結構以三維螺旋結構定向。
20.根據權利要求11的電子設備組件，其中所述基本上由壓電材料的所述細長部分圍繞的金屬芯通過共同擠壓而形成。
21.根據權利要求11的電子設備組件，其中通過浸漬、噴鍍、或等離子沉積的其中之一圍繞所述金屬芯而形成所述壓電材料的細長部分。
22.根據權利要求11的電子設備組件，還包括連接到並由所述微控制器控制的射頻(RF)裝置，用於傳遞由所述至少一個壓電線結構輸出的信號或者用於將信號輸入到所述至少一個壓電線結構。
23.一種具有集成的發電特徵的輪胎組件，所述輪胎組件包括充氣輪胎結構，特徵在於具有用於和地表面接觸的胎面部分的胎冠部分、用於將所述輪胎設置到輪箍的胎緣部分和在每個胎緣部分和胎冠之間的延伸的側壁部分；和與所述充氣輪胎結構的選擇部分組合的壓電材料的模塊補片，所述模塊補片設置成用於在所述充氣輪胎結構承受機械應力時在其中產生電荷，所述模塊補片包括多個細長的壓電結構；多個金屬芯，每個金屬芯基本上由所述多個細長的壓電結構的其中一個圍繞，其中集中的多個金屬芯設置成起著壓電材料的模塊補片的第一電極的作用；以及導電材料，環繞所述多個細長的壓電結構的每個並形成壓電線結構的模塊補片的公共第二電極。
24.根據權利要求23的輪胎組件，其中在所述模塊補片中的壓電結構包括選自由於由石英、鈦酸鋇、硫化鎘、鋯鈦酸鉛(PZT)、聚偏氟乙稀(PVDF)和聚氯乙烯(PVC)所組成的組中的材料。
25.根據權利要求23的輪胎組件，還包括用於監控在所述模塊補片中產生的電荷的數量的裝置，以確定充氣輪胎結構的預定特性。
26.根據權利要求25的輪胎組件，其中所述預定特性選自於由溫度、壓力、輪胎旋轉的數量、車輛速度以及作用在輪胎結構上的靜態和動態力的大小所組成的組。
27.根據權利要求23的輪胎組件，還包括儲能裝置，設置該儲能裝置以接收壓電材料的所述模塊補片中的電荷，並在其中存儲選擇量的所述電荷。
28.根據權利要求27的輪胎組件，其中所述儲能裝置包括選自由於由電解電容器、非電解電容器、超級電容器、可反覆充電固態電池組和可反覆充電化學電池所組成的組中的裝置。
29.根據權利要求23的輪胎組件，還包括用於監控由壓電材料的所述模塊補片產生的電荷的裝置，以確定壓電結構的還原效率什麼時候降到低於預定的閾值大小。
30.根據權利要求29的輪胎組件，還包括連接到所述模塊補片的各自的第一和第二電極的電源，用於在裝置效率降到低於預定的閾值大小時再還原壓電材料的模塊補片。
31.根據權利要求23的輪胎組件，還包括至少一個電子部件，該電子部件選自於由轉數計數器、條件響應裝置、可反覆充電電池組、閃光組件、微控制器、全球定位系統(GPS)和射頻(RF)裝置所組成的組，其中所述至少一個電子部件由產生在壓電材料的所述模塊補片中的電荷供電。
32.根據權利要求23的輪胎組件，還包括支撐襯底，其中所述模塊補片嵌入在所述支撐襯底中。
33.一種用於從與振動系統組合的壓電材料發電的方法，所述方法包括下述步驟在相對于振動系統所選擇的位置處提供至少一個壓電線結構，其中所述至少一個壓電線結構特徵在於設置有內電極和外電極的壓電材料的細長部分；使所述至少一個壓電線結構承受與振動系統有關的機械應力，使得在至少一個壓電線結構內產生電荷；以及存儲所述的至少一個壓電線結構中產生的電荷的所選的量，使得所述存儲的電荷用於為與所述振動系統有關的電子裝置供電。
34.根據權利要求33的方法，還包括在所述存儲步驟之前，調節所述至少一個壓電線結構中產生的電荷的流動的步驟。
35.根據權利要求33的方法，還包括根據所存儲的電荷將調節的電壓源提供給另外連接到所述振動系統的微控制器的步驟。
36.根據權利要求33的方法，其中所述的振動系統包括輪胎或者車輪組件，其中與振動系統有關的所述承受步驟的機械應力對應於通常在輪胎或者車輪組件沿著地表面轉動時產生的機械應力。
全文摘要
改進的壓電線結構包括壓電部分的細長部分、金屬芯和外導電層。金屬芯基本上被壓電材料的細長部分圍繞，並設置成壓電結構的第一電極。該外導電層優選覆蓋壓電材料的細長部分的所選區域並作為結構的第二電極。該壓電材料可以為鈦酸鋇陶瓷纖維，使得無鉛結構有效，然而，還可以使用其它的材料。可以用降低的還原電壓和較低的溫度還原所公開的結構，而且該結構還需要降低機械致動所需的電壓電平。這種壓電結構的集合還可以一起設置在模塊補片組件中，該模塊補片組件可以形成在用於與多種環境組合的多種專用結構中，並可以用作機械致動裝置、條件響應裝置(例如傳感器)和/或作為發電裝置。
文檔編號B60C23/04GK1707934SQ20051007535
公開日2005年12月14日 申請日期2005年6月10日 優先權日2004年6月10日
發明者J·蒂森, J·D·阿達姆松 申請人:米其林技術公司, 米其林研究和技術股份有限公司