发电感测传输装置

技术领域

本发明涉及一种发电感测传输装置，详而言之，涉及一种利用压电发电以用于感测传输的装置。

背景技术

胎压侦测器TPMS(Tire pressure monitoring system)已在全球列为汽车标准配备，然而，路上爆胎造成车祸的事件仍层出不穷，虽然路上汽车爆胎的原因很复杂，然而胎压不足则为主要原因之一。

传统商用胎压温度侦测器使用一次性电池，在侦测器设定的压力值下限以上时，为了节省电力，侦测发送频率设定为30sec～60sec才发送一次。若将侦测及发送频率提高，一次性电池的电力将很快地耗尽。另外，传统商用胎压温度侦测器由于轮胎内的高压高湿度环境，一次性电池通常利用胶体予以密封，导致消费者无法更换一次性电池。如此，即使装配了胎压侦测器仍无法使爆胎事故降低。究其原因，极可能在于侦测发送胎压信息的时间间隔过长，意味着安全系数不佳。

此外，传统商用胎压温度侦测器锁固在钢圈(铝圈)上，因而仅能侦测轮胎内的气压及/或温度，无法真正侦测轮胎接触地面的最贴近参数，例如胎皮厚度、加速度、垂直荷载等。实际上轮胎在爆胎前的不规则抖动是最需要被侦测的。

因此，如何开发出一种能解决上述电力耗尽、信号传输延迟和侦测不够真实的问题，为目前业界积极朝向的目标之一。

发明内容

在一实施例中，本发明的发电感测传输装置，可至少部分地解决现有技术存在的各种问题。

本发明的发电感测传输装置包括：压电发电器；承载结构，其与该压电发电器叠合；封装支撑结构，其包含有用以封装该压电发电器与该承载结构的封装部以及与该封装部两端连接的二支撑部；以及固定支撑结构，其用以与该二支撑部匹配耦接并用以固定于一可弯曲面。

附图说明

图1A与图1B为本发明的发电感测传输装置的压电发电器及承载结构的示意图；

图2为本发明的发电感测传输装置的封装支撑结构及固定支撑结构的示意图；

图3为本发明的发电感测传输装置安装于可弯曲表面的示意图；

图4A和图4B为本发明的发电感测传输装置的封装支撑结构及固定支撑结构的匹配偶接示意图；

图5A和图5B为本发明的发电感测传输装置的电路模块及连接元件的示意图；

图6A至图6C为本发明的发电感测传输装置安装于轮胎内表面并随轮胎转动接触地面的动作示意图；

图7为本发明的发电感测传输装置的信号传输结果的示意图；

图8为本发明的发电感测传输装置安装于鞋子的内表面的示意图。

符号说明

1、1’、1”:压电发电器

10、10’:发电感测传输装置

11:压电薄膜

12:导电电极

2:承载结构

20:轮胎

3:封装支撑结构

30:鞋子

31:封装部

32:支撑部

321:第二匹配件

3211:穿孔

3212:开口

4:固定支撑结构

41:第一匹配件

411:头部

412:颈部

413基部

5、5’、5”:电路模块

51:整流器

52:储电器

53:传感器

6:连接元件

S:可弯曲面。

具体实施方式

以下借由特定的实施例说明本发明的实施方式，熟悉此项技术的人士可由本文所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。本说明书所附的附图所绘示的结构、比例、大小等均仅用于配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士的了解与阅读，非用于限定本发明可实施的限定条件，故任何修饰、改变或调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。另外，本说明书所使用的元件符号若在所属段落所参阅的附图中未出现，则于本发明的其他附图中都能查阅到。

请参阅图1A、图1B和图2，本发明的发电感测传输装置包括压电发电器1、承载结构2、封装支撑结构3以及固定支撑结构4。

压电发电器1包括压电薄膜11以及位于压电薄膜11上下两侧的二导电电极12，并与承载结构2叠合。压电发电器1例如为压电陶瓷的发电器，承载结构2例如为具有弹性的薄型金属板。如图1A所示，压电发电器1贴附于承载结构2的一侧；或如图1B所示，压电发电器1贴附于承载结构2的相对两侧，以于承载结构2受机械能而形变时，压电发电器1将机械能转换为电能。

封装支撑结构3包括用以封装压电发电器1和承载结构2的封装部31以及连接于封装部31两端的二支撑部32。封装支撑结构3的材料例如橡胶、硅胶或塑胶等具有可弹或可塑功能的相似材料。需说明的是，封装部31和支撑部32基本上为一体成型的，使得二支撑部32像桥墩般支撑着封装部31，让封装有压电发电器1和承载结构2的封装部31能在二支撑部32支撑的下进行振动。

固定支撑结构4用以与二支撑部32匹配耦接，并且固定支撑结构4固定在一可弯曲面S上，如图3所示。在一实施例中，本发明的发电感测传输装置10安装于可弯曲面S，例如轮胎20的内表面(请见图3)，又例如鞋子30的内表面(请见图8)。

请继续参阅图2，固定支撑结构4包含有两个第一匹配件41，且二支撑部32各自包含有一第二匹配件321，其中第一匹配件41与第二匹配件321以物理方式相互镶嵌。举例而言，第一匹配件41为凸出件，而第二匹配件321为凹入件。再具体言之，第一匹配件41包括头部411和颈部412，第二匹配件321包括贯穿支撑部32的穿孔3211以及自穿孔3211延伸至支撑部32边缘的开口3212，且开口3212的尺寸(宽度)实质上小于或等于颈部412的尺寸(宽度)。由此，第一匹配件41利用相对于头部411具有较小尺寸的颈部412进入第二匹配件321的开口3212直到到达穿孔3211为止，在此过程中，由于第一匹配件41具有类似于橡胶栓之类的特性，颈部412能被开口3212的边缘稍微挤压直到穿孔3211时再回弹，再借由头部411与穿孔3211之间的卡合，完成固定支撑结构4与封装支撑结构3之间的匹配耦合。另一方面，固定支撑结构4的第一匹配件41也可为凹入件，而封装支撑结构3的第二匹配件321为凸出件，借此完成固定支撑结构4与封装支撑结构3之间的匹配耦合。

请参阅图4A和图4B，其显示固定支撑结构4安装于可弯曲面S的示意图。首先，固定支撑结构4以如贴合胶方式粘附于可弯曲面S，在一实施例中，如图3所示，固定支撑结构4例如粘附于轮胎内冠部位，也可在轮胎制造过程中开模一体成型出固定支撑结构4，简言之，固定支撑结构4在可弯曲面S上为固定的而非易拆的。此外，当封装支撑结构3匹配耦接于固定支撑结构4时，是以封装部31的曲率半径小于或等于可弯曲面S的曲率半径来执行，以使封装部31的弯曲曲率大于或等于可弯曲面S的弯曲曲率，即固定支撑结构4对封装支撑结构3施加预应力。需说明的是，可弯曲面的弯曲程度，即曲率(curvature)，以半径的倒数来定义，半径越小越弯曲则曲率越大，而平面的曲率半径为无穷大。

在安装时，先稍微弯曲封装支撑结构3，使得封装支撑结构3的两个支撑部32容纳于两个第一匹配件41之间，接着将支撑部32的开口3212对准第一匹配件41，然后稍微减少原本弯曲封装支撑结构3的力量，让第一匹配件41沿着开口3212进入穿孔3211。第一匹配件41匹配耦合支撑部32之后，封装部31存在有预应力。

如图4A所示，固定支撑结构4包括两个第一匹配件41，各个第一匹配件41在附图中由上至下可分为头部、颈部和基部，其中两个基部可分离或一体成型，且两个第一匹配件41朝远离可弯曲面S方向而相互接近延伸(即渐缩延伸)，封装部31朝面对可弯曲面S的方向弯曲(也就是说，封装部31的中央处相较于二支撑部32距离可弯曲面S比较近)，而封装部31可完全不接触或稍微部分地接触可弯曲面S。因此，随着可弯曲面S的形变而产生机械能，例如轮胎滚动导致轮胎内表面形变，机械能传输至封装部31致使封装部31发生振动，而封装在封装部31内的承载结构2受机械能而形变时，压电发电器1将机械能转换为电能。

在另一实施例中，固定支撑结构4例如粘附于鞋子内表面中，请见图8。如图4B所示，固定支撑结构4包括两个第一匹配件41，各个第一匹配件41包括头部411、颈部412和基部413，其中两个基部413原则上为分离，且两个第一匹配件41朝远离可弯曲面S方向而相互远离延伸(即渐扩延伸)，封装部31朝远离可弯曲面S的方向弯曲(也就是说，封装部31的中央处相较于二支撑部32距离可弯曲面S比较远)，而封装部31可完全不接触或稍微部分地接触可弯曲面S。因此，随着可弯曲面S的形变，例如鞋子由于走动导致鞋子内表面形变以产生机械能，该机械能传输至封装部31致使封装部31发生振动，而封装在封装部31内的承载结构2受机械能而形变时，压电发电器1将机械能转换为电能。

接着参阅图5A和图5B，本发明的发电感测传输装置另包括电路模块5以及将电路模块5连接至压电发电器1和承载结构2的连接元件6，其中电路模块5和连接元件6可被封装支撑结构3包覆住而在封装部31内。此外，电路模块5包括整流器51、储电器52(如暂存控制电路或可充式电池)和传感器53(如包括感测模块和信号传输模块)，电路模块5将压电发电器1产生的交流电经过整流后进入暂存控制电路，以调压IC及电容作为控制输出电压水位，直接给予感测模块和信号传输模块使用；或者电路模块5将压电发电器1产生的交流电经过直流整流后充至可充式电池，由感测模块内的加速度芯片在G值大于或等于零的时候连接可充式电池获取需要的电力。另外，压电发电器1可为一个整体的单元叠合在承载结构2上，如图5A所示，或为多个分开的单元并分别叠合在承载结构2上，如图5B所示，则压电发电器1’和1”则相对地连接各自的电路模块5’和5”。在一实施例中，可在压电发电器1上叠加一薄金属板，以于压电发电器1发生裂缝时，能通过薄金属板持续保持与电路模块5之间的电性导通；在另一实施例中，可利用导电胶连接压电发电器1、承载结构2和电路模块5，以于承载结构2振动时能确实电连接压电发电器1、承载结构2和电路模块5；而在又一实施例中，可利用封装导电胶将压电发电器1和电路模块5封装、承载结构2和电路模块5封装，以确保与电路模块5之间的电性导通。

在一实施例中，例如，当车辆静止时，发电感测传输装置可能难以进行能量提取，则可设计一最小电能损耗电路，即将压电发电器1产生的交流电经由整流后进入电路模块5的储电器52(如暂存控制电路或可充式电池)，以调压IC及电容作为控制输出电压水位，直接提供给予传感器53(如包括感测模块和信号传输模块)的负载使用。在另一实施例中，又例如，为降低在路上行驶时遇到中钉的风险，其将可压电发电器1设计为两个分开的单元，或在同一块超薄型压电陶瓷上分割两个电极区域即成两个分离式发电器。另外，可将其中之一发电器所产生的交流电经由整流后进入电路模块5的储电器52(如暂存控制电路或可充式电池)，车辆行驶的时候加速器感应G值大于零，该压电发电器产生的电能直接对传感器53进行供电，而另一发电器则将行驶时候产生的电能输入储电器52，不对负载进行供电，仅当车辆静止时，需要进行检测时提供电力。

因此，根据图1A、图1B、图2、图3、图4A～图4B及图5A～图5B及上述说明可知，本发明的发电感测传输装置10中的固定支撑结构4固定在可弯曲面S(轮胎内表面)上，而压电发电器1、承载结构2、电路模块5和连接元件6则被封装支撑结构3封装为一体，借由支撑部32与固定支撑结构4匹配偶接，让封装部31具有小于和等于可弯曲面S的曲率半径，且完全不接触或稍微接触可弯曲面S，以在可弯曲面S的形变期间产生振动。

此外，在一实施例中，电路模块5的储电器52可设计成为取代一次性电池，借由压电发电器1提取轮胎滚动能量，而压电发电器1具有可调整的曲率，使其可产生足够电能供给温度、胎压及加速度计等感测模块及信号传输模块所需电力。换言之，本发明的发电感测传输装置10可应用于轮胎监测系统，以设计成为一种可重复拆卸、固定在轮胎内壁的轮胎参数感测装置。当轮胎使用一定期限后，还可移植至下一个轮胎持续使用。

请参阅图6A并配合参阅图1A、图1B和图2，在一实施例中，如图6A所示，轮胎20开始转动，轮胎内壁形变以产生机械能，发电感测传输装置10接收机械能，承载结构2形变带动压电发电器1振动，压电发电器1原本即具有小于轮胎内壁曲率半径的曲率半径。接着如图6B所示，轮胎20转动期间，轮胎内壁形变以产生机械能，发电感测传输装置10接收机械能，承载结构2形变带动压电发电器1振动。如图6C所示，当轮胎20与地面贴平时，封装部31中的承载结构2形变最大，压电发电器1的振动幅度最大，所具有的曲率半径最大。因此，随着轮胎20的转动，安装在轮胎内表面的发电感测传输装置10即可自行发电以执行感测和信号传输。

接着，以下表1A表示压电发电器弯曲的曲率半径与所产生的电压的关系，采用压电陶瓷作为压电发电器，其具有75mm×30mm×0.04m(Lp×Wp×Tp)的尺寸，并采用金属板作为承载结构，其具有100mm×32mm×0.1mm(L×W×T)的尺寸。压电发电器连接1kΩ负载，测量负载电压(V

表1A

由表1A可知，压电陶瓷的曲率半径越小，所产生的电压越大。

以下表1B表示压电发电器的厚度与所产生的电压/电流的关系，采用压电陶瓷作为压电发电器，其压电陶瓷具有75mm×30mm的尺寸，并采用金属板作为承载结构，其具有100mm×32mm×0.1mm(L×W×T)的尺寸，压电陶瓷的曲率半径为15cm。压电发电器连接1kΩ负载，测量负载电压(V

表1B

由表1B可知，压电陶瓷的厚度越小，所产生的电能越大。

请参阅以下表2A和表2B，本发明的发电感测传输装置安装于轮胎的内表面，以设计成一种智能轮胎。具体来说，发电感测传输装置的固定支撑结构固定安装于轮胎的内表面，或与轮胎一体成形，而发电感测传输装置的封装支撑结构与固定支撑结构匹配耦接，以利于拆卸更换。接着分别以轿车常见的16寸胎(约35cm)以及卡车胎(约65cm)来进行可行性应用实施例述明。由于轮胎主要以特殊橡胶包埋多层钢丝线圈结构构成，而卡车胎则是更多层次钢丝线圈紧密地包埋在橡胶内。因此在测试时，轿车轮胎内部的信号传递以433MHz的无线射频为信号传送方式，卡车胎则选用2.4GHz的蓝牙通讯方式。

在表2A中，首先以具有同样轮胎曲率半径的伏贴方式将本发明的发电感测传输装置固定在轮胎内冠部位的中央位置。使用在轿车胎的发电器面积为单一个超薄型压电陶瓷，其厚度为45μm；而使用在卡车胎的发电器则是两片超薄型压电陶瓷以双层压电片(bimorph)方式组成，厚度同样为45μm，面积略微加大，以双层压电片(bimorph)方式让两片压电陶瓷叠合在同一金属板，可节省面积。测试条件从静止开始加速至最高120km/hr，分别在时速30km/hr、60km/hr及120km/hr下行驶1个小时，在轮胎运转外的10m处放置对码后的信号接收器，观察记录其传送出来的胎压、温度及加速度信号间隔。

表2A

由表2A可知，以轿车胎而言，时速30km/hr下即能以每5秒一次的时间间隔在接收器收到轮胎内部传来的参数信息。当时速提升至60km/hr以上时，轿车胎的实施例已经可以达到每秒一次的频率信号传递。卡车胎的实施例也同样于轿车胎的趋势，只是卡车胎的轮径非常大，轮胎转动一圈需要长度达4米多，以时速30km/hr来计算轿车胎及卡车胎接触地面变形可以发电的时间间隔，轿车胎每0.264秒可以发电一次；卡车胎则是0.49秒才能发电一次。随着轮胎速度提高至高速运转时，卡车胎也能在时速120km/hr下达到近乎每秒一次的蓝牙信号传送。

在表2B中，以同样的测试速度条件进行测试，与表2A所示表格的差别在于：发电感测传输装置中封装支撑结构与固定支撑结构具有上倾的契合斜度，如图4A所示，使得发电感测传输装置因此具有较轮胎内壁更小的曲率半径，或称之为具有更弯折的起始状态。

表2B

根据表2B可知，轿车胎在低速30km/hr时，每一次传送信号出来的时间间隔已缩短至3秒左右，意味着发电感测传输装置能够提供车辆在市区慢速行驶或塞车时也能提取缓慢微小的机械能变化从而转换提供轮胎感测器及信号发射器所需电力。而卡车胎的例子也显示随着时速增加，发电感测传输装置因为预应力的关系使发电效能提升，从而使每次传送蓝牙信号的时间间隔大幅降低至10秒(在30km/hr时)、5秒(在60km/hr时)及1秒(在120km/hr时)。

请参阅图7，以更大的发电器22cm

请参阅图8，本发明的发电感测传输装置10或10’也可应用于运动监测系统，其安装在鞋子30的内表面。在一种实施例中，可设计成一种智能鞋，本发明的发电感测传输装置10或10’可设置于鞋子30的内表面的脚尖和脚掌处、脚跟处或其他处，借此输出脚的感测数据，例如体重、走路或跑步状态、关于运动的计步、公里数等等。例如发电感测传输装置10安装于鞋子30的内表面的脚尖或脚掌处，而发电感测传输装置10’安装于鞋子30的内表面的脚跟处。发电感测传输装置10或10’中封装支撑结构的曲率半径小于或等于发电感测传输装置10或10’安装处的鞋底的曲率半径，且封装支撑结构的弯曲方向可相同或相反于鞋底的弯曲方向。当鞋底接触地面，即提供机械能予发电感测传输装置10或10’，让封装部中的薄型金属板形变，以供薄型压电陶瓷将机械能转换为电能，以作为输出感测数据的电源。如图8，在本实施例中，本发明的发电感测传输装置应用于运动监测系统，发电感测传输装置10与10’安装在鞋子30的内表面(也就是可弯曲面)，发电感测传输装置的其中一者(图8中的发电感测传输装置10)设置于鞋子内里的鞋头的内表面，而发电感测传输装置的其中另一者(图8中的发电感测传输装置10’)则设置于鞋子内里的鞋跟的内表面，且该些发电感测传输装置的其中一者的封装支撑结构的封装部的弯曲方向与另一者的封装支撑结构的封装部的弯曲方向为相反。

综上所述，本发明的发电感侧传输装置为一种可重复拆卸、固定在例如轮胎内表面和鞋子内里底表面以感测轮胎或运动等参数的装置，并借由提取轮胎滚动(鞋子走动)能量，并供给温度、压力、加速度计等感测模块及信号传送模块所需电力。本发明的发电感侧传输装置利用具有机电转换能力的超薄型压电陶瓷来提取轮胎(鞋子)接触地面的机械能变化，贴附在轮胎内表面(鞋子内里底表面)的薄型压电陶瓷具有小于和等于轮胎内表面(鞋子内里底表面)的曲率半径，当该装置持续性地受到轮胎(鞋子)接触地面的机械能变化，使压电陶瓷在长度上拉伸，造成厚度上变化，就会产生足够的电能来供给感测模块及信号传输模块来感测及传输即时的压力及/或温度等参数信号，因此解决传统胎压侦测器使用一次性电池的不便性。此外，本发明的发电感侧传输装置还具有可重复拆卸的特性，当轮胎使用一定期限后，还可移植至下一个轮胎持续使用，具有绿能、环保、经济的优点。

上述实施例仅例示性说明本发明的功效，而非用于限制本发明，任何熟悉此项技术的人士均可在不违背本发明的精神及范畴下对上述该些实施态样进行修饰与改变。因此本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。