-
Die
Erfindung betrifft eine Anordnung aus einer Magnetkopplungsspule
und einer Transponder-Schaltung an einem Fahrzeugrad, um eine drahtlose
Datenkommunikation mit einer Abfrageschaltung zu gewährleisten,
die in einer festen Struktur des Fahrzeugs angeordnet ist. Das Rad
ist an dieser Struktur wie etwa dem Rahmen oder der Karosserie in
der Weise angebracht, dass es sich um wenigstens eine Drehachse
drehen kann. Die Magnetkopplungsspule, die koaxial zu der Drehachse
des Rades angebracht ist und eine geschlossene Schleife definiert,
dient als Induktionskopplungsschnittstelle zwischen einer Antennenspule
der Transponder-Schaltung und einer Erregungsspule der Abfrageschaltung.
-
Die
drahtlose Datenkommunikation mit Hilfe induktiver Signale zwischen
einer Antennenspule einer Transponder-Schaltung, die an einem Rad
eines Fahrzeugs angeordnet ist, und einer Erregungsspule einer Abfrageschaltung,
die an der Karosserie des Fahrzeugs angebracht ist, ist wohl bekannt.
Eine Anordnung einer Transponder-Schaltung mit ihrer Antennenspule
an dem Rad kann so gewählt
sein, dass die Datenkommunikation möglichst unabhängig von der
Position des Transponders am Reifen in Bezug auf die Abfrageschaltung
ist. Die zwischen der Transponder-Schaltung und der Abfrageschaltung übermittelten
Daten können
Identifizierungsdaten und/oder Messdaten, die von einem oder von
mehreren Sensoren der Transponder-Schaltung gewonnen werden, sein.
Wie aus den 1a und 1b hervorgeht,
ist die Transponder-Schaltung 1 beispielsweise an einer
Innenwand des Reifens 6 des Rades 5 des Fahrzeugs
mit einer Magnetkopplungsspule 2 angebracht. Eine Abfrageschaltung 3,
die an einer festen Struktur des Fahrzeugs befestigt ist, übermittelt
Daten an die Transponder-Schaltung über ein primäres Magnetfeld 8,
das durch eine Erregungsspule 4 erzeugt wird.
-
Die
Magnetkopplungsspule 2 ist koaxial zu der Drehachse angebracht,
die durch das Zentrum der Felge 7 an dem Rad verläuft, damit
die Datenkommunikation mit der Abfrageschaltung 3 möglichst von
der Position der Transponder-Schaltung
des Fahrzeugrades unabhängig
ist. Diese Kopplungsspule kann eine geschlossene Schleife definieren, damit
sie als induktive Schnittstelle zwischen der Erregungsspule 4 der
Abfrageschaltung 3 und einer Antennenspule der Transponder-Schaltung,
die in den 1a und 1b nicht
gezeigt ist, dient. Diese Magnetkopplungsspule kann auch direkt
mit dem Transponder verbunden sein, um als Antennenspule der Transponder-Schaltung
zu dienen.
-
In
dem in den
2a und
2b gezeigten Beispiel
ist der Transponder
1 direkt mit der Magnetkopplungsspule
2 verbunden,
die somit als Antennenspule der Transponder-Schaltung dient. Diese Kopplungsspule
2 ist
vorzugsweise am Umfang des Reifens des Fahrzeugs angeordnet, wie
auch in dem Patent
DE 199 24
830 beschrieben ist, das diese Ausführungsform angibt. Das primäre Magnetfeld
8, das
von der Erregungsspule
4 der Abfrageschaltung
3 stammt,
induziert in der Antennenspule einen Strom. Dieser induzierte Strom
erzeugt außerdem ein
sekundäres
Magnetfeld
11 in einer Richtung, die zu dem primären Magnetfeld
entgegengesetzt ist.
-
Da
der Transponder 1 direkt mit der Magnetkopplungsspule,
die als Antennenspule der Transponder-Schaltung dient, verbunden
ist, kann er in einer anfänglichen
Phase der Herstellungsschritte des Reifens in die Struktur des Reifens
integriert werden. Er kann jedoch mechanische Beanspruchungen erfahren,
die mit der Erhöhung
der Temperatur sowie mit der Biegung oder Kompression bestimmter
Teile des Reifens in Beziehung stehen, wenn das Fahrzeug in Bewegung
ist, was ein Nachteil ist, weil es im Fehlerfall verhältnismäßig schwierig
ist, diese Transponder-Schaltung auszutauschen.
-
Der
Transponder 1 kann mit der Magnetkopplungsspule auch nach
den Schritten der Herstellung des Reifens mit Hilfe eines bestimmten
Verbinders verbunden werden. Bei einem solchen Verbinder wird jedoch
im Lauf der Zeit bei verschiedenen Beanspruchungen, denen der Reifen
unterliegt, eine schlechte Verbindung des Transponders mit der Antennenspule
festgestellt, was ebenfalls einen Nachteil bildet.
-
In
dem in den 3a und 3b gezeigten Beispiel
enthält
die Transponder-Schaltung 1 ihre
eigene Antennenspule 10. Eine Kopplungsspule 2 in Form
einer geschlossenen Schleife dient als induktive Kopplungsschnittstelle
zwischen der Antennenspule der Transponder-Schaltung und einer Erregungsspule 4 der
Abfrageschaltung 3.
-
Wie
aus den 3a und 3b hervorgeht, wird
dann, wenn sich die Transponder-Schaltung 1 in der Nähe der Erregungsspule 4 befindet,
die Antennenspule 10 von einem induzierten Magnetfeld 11 der
Kopplungsspule sowie von dem primären Feld 8, das dem
induzierten Magnetfeld 11 entgegengesetzt ist, durchquert.
Weil das primäre
Magnetfeld einen Richtungssinn hat, der zu dem Magnetfeld entgegengesetzt
ist, das in der Kopplungsspule 2 in Form einer geschlossenen
Schleife induziert wird, kann ein Informations- oder Energieverlust
zu dem Zeitpunkt festgestellt werden, in dem sich die Transponder-Schaltung 1 gegenüber der
Erregungsspule 4 der Abfrageschaltung befindet.
-
Wenn
diese Transponder-Schaltung 1 von der Erregungsspule 4 entfernt
ist, sendet nur das in der Kopplungsspule 2 induzierte
Magnetfeld 11 an sie Energie und Daten. Trotz des Vorhandenseins der
Kopplungsspule hängt
die Energie- oder
Informationsübertragung
von der Drehung des Rades 5 des Fahrzeugs und daher von
der Position der Transponder-Schaltung am Rad ab, was ein wesentlicher Nachteil
ist. Dieses Problem kann auch bei der Kommunikation der Transponder-Schaltung
mit der Abfragschaltung festgestellt werden.
-
Hierzu
kann die Patentanmeldung
EP 1
354 729 erwähnt
werden, die eine Anordnung einer Transponder-Schaltung mit einer
Magnetkopplungsspule wie mit Bezug auf die
3a und
3b erläutert beschreibt.
Im Gegensatz dazu sind die Kopplungsspule und die Transponder-Schaltung
für die Überwachung
und Identifizierung des Reifens vorzugsweise in einer Lauffläche des
Reifens montiert. Eine solche Anordnung hängt jedoch ebenfalls von der
Position des Transponders in Bezug auf die Erregungsspule in einer
Abfrageschaltung ab, was ein Nachteil ist.
-
In
dem Patentdokument
WO 2004/025543 wird
eine Vorrichtung für
die induktive Übertragung von
Energie und/oder von Daten zwischen einer Primärschaltung mit Erregungsspule
und einer Sekundärschaltung,
die eine Antennenspule besitzt, beschrieben. Eine magnetische Zwischenschaltung umfasst
eine Antenne, die eine geschlossene Schleife bildet und zwischen
der primären
Schaltung und der sekundären
Schaltung angeordnet ist. Die magnetische Zwischenschaltung und
die sekundäre Schaltung
sind an einem Rad eines Fahrzeugs angebracht, während die primäre Schaltung
an einer festen Struktur des Fahrzeugs angebracht ist. Es ist entweder
eine Verlustinduktivität
in der sekundären Schaltung
oder ein Kopplungselement der magnetischen Zwischenschaltung, das
einen Verlustzweig besitzt, um eine von der Position der sekundären Schaltung
in Bezug auf die primäre
Schaltung unabhängige
Informationsübertragung
zu erhalten, vorgesehen. Indessen wird bei einer solchen Verlustinduktivität oder einem
solchen Kopplungselement die magnetische Kopplung zwischen der Antenne
der sekundären
Schaltung und der Antenne der primären Schaltung verringert, was
ein Nachteil ist.
-
In
einer Ausführungsvariante,
die in den 4a und 4b gezeigt
ist, kann die Magnetkopplungsspule 2 einen Schleifenabschnitt 2' aufweisen,
der die Antennenspule 10 der Transponder-Schaltung 1 umgibt.
Dies hat zur Folge, dass die Stärke
des induzierten Feldes 11, das in die Antennenspule 10 eindringt,
erhöht
wird, ohne die Abhängigkeit
von der Position des Transponders 1 wie oben er wähnt zu modifizieren.
Wenn die Transponder-Schaltung 1 sich in der Nähe der Erregungsspule 4 der
Abfrageschaltung 3 befindet, ist das resultierende Feld,
das durch die Antennenspule verläuft,
die Summe aus dem primären
Magnetfeld und dem induzierten Magnetfeld mit entgegengesetztem
Vorzeichen der Kopplungsspule, was für die Übertragung von Daten und von
elektrischer Energie ein Nachteil ist.
-
Die
Erfindung hat daher zum Ziel, die Nachteile des oben erwähnten Standes
der Technik zu beseitigen und eine Anordnung einer Magnetkopplungsspule
und einer Transponder-Schaltung an einem Rad eines Fahrzeugs für die Kommunikation
mit einer an der festen Struktur des Fahrzeugs angebrachten Abfrageschaltung
zu liefern, derart, dass sie von der Position der Transponder-Schaltung am Rad
in Bezug auf die Abfrageschaltung unabhängig ist.
-
Hierzu
betrifft die Erfindung eine Anordnung einer Magnetkopplungsspule
und einer Transponder-Schaltung an einem Rad eines Fahrzeugs wie oben
erwähnt,
die die im Anspruch 1 definierten Merkmale enthält.
-
Ein
Vorteil dieser Anordnung besteht in der Tatsache, dass selbst dann,
wenn die Antennenspule der Transponder-Schaltung sich in der Nähe der Erregungsspule
der Abfrageschaltung befindet, das im Schleifenabschnitt der Kopplungsspule
induzierte Feld in einer Richtung verläuft, die zum primären Feld im
Wesentlichen senkrecht ist. Auf Grund dieser Tatsache fängt die
Antennenspule nur das in der Kopplungsspule induzierte Magnetfeld
ein, ohne durch das primäre
Magnetfeld beeinflusst zu werden.
-
Vorzugsweise
beschreibt der Schleifenabschnitt eine Wicklung, die aus mehreren
Windungen gebildet ist, deren Windungsachse der Windungsachse der
Antennenspule der Transponder-Schaltung entspricht oder hierzu parallel
ist. Die Antennenspule kann sich innerhalb der Wicklung des Schleifenabschnitts
der Kopplungsspule befinden.
-
Die
Transponder-Schaltung kann einen oder mehrere Sensoren zum Messen
eines physikalischen Parameters enthalten. Es kann sich um einen Drucksensor
zum Messen des Drucks der Reifen des Fahrzeugs, um einen Temperatursensor,
um einen Kraftsensor, um einen Beschleunigungsmesser oder um einen
anderen Sensortyp handeln. Die von dem oder den Sensoren der Transponder-Schaltung
ausgeführten
Messungen können
an die Abfrageschaltung durch induktive Kopplung in den induktiven
Signalen beispielsweise durch Amplitudenmodulation übertragen
werden.
-
Die
Kopplungsspule in Form einer geschlossenen Schleife mit größerer Abmessung
als die Antennenspule der Transponder-Schaltung kann einen Draht
aufweisen, der wenigstens zwei Umläufe (Windungen) beschreibt.
Diese Kopplungsspule kann somit an oder in zwei inneren Seitenwänden des
Reifens des Rades des Fahrzeugs angeordnet sein, um das primäre Magnetfeld
aufzufangen, ohne dass die Orientierung des an der Felge des Rades
angebrachten Reifens wichtig wäre.
-
Die
Ziele, Vorteile und Merkmale der Anordnung einer Magnetkopplungsspule
und einer Transponder-Schaltung an einem Rad eines Fahrzeugs werden
deutlicher in der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform,
die durch die Zeichnungen erläutert
wird, in denen:
-
1a und 1b,
die bereits erwähnt
worden sind, auf vereinfachte Weise eine Vorderansicht bzw. eine
Seitenansicht teilweise im Schnitt einer herkömmlichen Anordnung einer Kopplungsspule und
einer Transponder-Schaltung an einem Rad, die mit einer an einer
festen Struktur eines Fahrzeugs angebrachten Abfrageschaltung kommunizieren,
zeigen,
-
2a und 2b,
die bereits erwähnt
worden sind, auf vereinfachte Weise eine Teilforderansicht bzw.
Teilseitenansicht einer Kopplungsspule zeigen, die direkt mit einer
Transponder-Schaltung verbunden ist, die an einem Fahrzeugrad angebracht ist
und mit einer Abfrageschaltung kommuniziert, die an einer festen
Struktur des Fahrzeugs angebracht ist, gemäß dem Stand der Technik,
-
3a und 3b,
die bereits beschrieben worden sind, auf vereinfachte Weise eine
Teilvorderansicht und eine Teilseitenansicht einer Kopplungsspule
in Form einer geschlossenen Schleife und einer Transponder-Schaltung
mit Antennenspule, die an einem Rad angebracht sind und mit einer
an einer festen Struktur des Fahrzeugs angebrachten Abfrageschaltung
kommunizieren, gemäß dem Stand
der Technik zeigen,
-
4a und 4b,
die bereits erwähnt
worden sind, auf vereinfachte Weise eine Teilvorderansicht bzw.
eine Teilseitenansicht einer Ausführungsvariante der Kopplungsspule
der 3a und 3b mit
einer Transponder-Schaltung, die mit einer an einer festen Struktur
des Fahrzeugs angebrachten Abfrageschaltung kommuniziert, gemäß dem Stand
der Technik zeigen, und
-
5a und 5b auf
vereinfachte Weise eine Teilvorderansicht bzw. eine Teilseitenansicht
einer Ausführungsform
einer Anordnung einer Magnetkopplungsspule und einer Transponder-Schaltung
an einem Rad eines Fahrzeugs gemäß der Erfindung zeigen,
die mit einer an einer festen Struktur des Fahrzeugs angebrachten
Abfrageschaltung kommunizieren.
-
Im
Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Anordnung einer
Magnetkopplungsspule und einer Transponder-Schaltung eines Rades eines
Fahrzeugs, derart, dass sie mit einer Abfrageschaltung an einer
festen Struktur des Fahrzeugs kommunizieren können, beschrieben. Es wird
darauf hingewiesen, dass in der folgenden Beschreibung alle elektronischen
Komponenten der Transponder-Schaltung oder der Abfrageschaltung,
die dem Fachmann auf diesem technischen Gebiet wohl bekannt sind,
nicht im Einzelnen erläutert
werden.
-
Wie
oben mit Bezug auf die 1a und 1b beschrieben
worden ist, betrifft der Gegenstand der Erfindung eine besondere
Anordnung einer Magnetkopplungsspule 2 und einer Transponder-Schaltung 1,
die an einem Rad 5 eines Fahrzeugs angebracht sind, für eine drahtlose
Kommunikation mit einer Abfrageschaltung 3, die an der
festen Struktur des Fahrzeugs angebracht ist. Eine drahtlose Datenkommunikation
zwischen einer Erregungsspule 4 der Abfrageschaltung 3 und
einer Antennenspule der Transponder-Schaltung 1, die in
den 1a und 1b nicht
gezeigt ist, kann kraft der Kopplungsspule 2, die als induktive
Kopplungsschnittstelle dient, ausgeführt werden. Hierzu wird beispielsweise
ein primäres
Magnetfeld 8 von der Erregungsspule ausgesendet, damit
es die Kopplungsspule 2 durchquert. Ein in dieser Kopplungsspule
induziertes Magnetfeld mit einem zu jenem des primären Magnetfeldes 8 entgegengesetzten
Richtungssinn wird dann von der Antennenspule der Transponder-Schaltung
aufgenommen, ohne durch das primäre
Magnetfeld 8 an jeder Position der Transponder-Schaltung
am Rad beeinflusst zu werden, wie später mit Bezug auf die 5a und 5b erläutert wird.
-
Die
Magnetkopplungsspule 2, die vorzugsweise kreisförmig ist,
ist koaxial zur Drehachse 9 angebracht, die durch das Zentrum
der Felge 7 des Rades 5 des Fahrzeugs verläuft. Diese
Kopplungsspule 2 kann eine oder mehrere Windungen aufweisen,
die eine geschlossene Schleife bilden, deren allgemeine Ebene zu
der Drehachse 9 des Rades im Wesentlichen senkrecht ist.
Diese Kopplungsspule kann in die Struktur des Reifens 6 des
Fahrzeugs beispielsweise bei der Herstellung integriert werden oder
an einer inneren Seitenwand oder an einer Lauffläche des Reifens 6 des
Rades 5 befestigt werden. Der Metalldraht der geschlossenen
Schleife der Kopplungsspule kann auf einem Hauptteil seiner Länge sinusförmige Wellenlinien
beschreiben, derart, dass Längenänderungen
insbesondere bei der Herstellung des Reifens ausgeglichen werden.
Dieser Metalldraht kann aus Kupfer, aus Aluminium oder eventuell
aus Stahl sein.
-
Selbstverständlich kann
in einer nicht gezeigten Ausführungsform
dann, wenn die Kopplungsspule 2 mehrere Windungen umfasst,
diese Spule an oder in zwei inneren Seitenwänden des Reifens des Rades
des Fahrzeugs angeordnet sein. Auf diese Weise kann diese Kopplungsspule
als Magnetkopplungsschnittstelle dienen, um das primäre Magnetfeld 8 aufzufangen,
ohne dass die Orientierung des an der Felge des Rades angebrachten
Reifens oder die Tatsache, ob sich die Transponder-Schaltung an der
einen oder der anderen Seitenwand des Reifens befindet, wichtig
wären.
-
In
den 5a und 5b ist
teilweise eine bevorzugte Form der Anordnung der Magnetkopplungsspule 2 und
der Transponder-Schaltung 1 des Rades der Erfindung, die
mit einer Abfrageschaltung 3 kommunizieren, gezeigt.
-
Die
Magnetkopplungsspule 2 umfasst einen Spulenabschnitt 2'', der so konfiguriert ist, dass
das induzierte Feld 11 in diesem Abschnitt im Wesentlichen
senkrecht zu dem primären
Magnetfeld 8 orientiert ist, das durch die Erregungsspule 4 der
Abfrageschaltung 3 erzeugt wird. Das in dem Rest der Kopplungsspule
induzierte Feld hat ebenfalls eine Richtung, die zu dem induzierten
Feld in diesem Abschnitt der Spule 2'' senkrecht
ist, jedoch mit einem Richtungssinn, der zu jenem des primären Feldes 8,
das durch die Ebene der Schleife der Kopplungsspule 2 verläuft, entgegengesetzt
ist.
-
Die
Transponder-Schaltung 1 umfasst insbesondere eine integrierte
Transponder-Schaltung und eine Antennenspule 10, die aus
einer Vielzahl von Metalldrahtwindungen, etwa aus Kupfer, gebildet
ist. Dieser isolierte Kupferdraht kann an einem Ferritkern angeordnet
sein. Die Elemente der Transponder-Schaltung können beispielsweise an einer
nachgiebigen oder starren Flachbaugruppe bzw. gedruckten Schaltung
angebracht sein.
-
Die
Antennenspule 10 ist vorzugsweise in eine Wicklung des
Abschnitts 2'' der Kopplungsspule eingeführt, die
ebenfalls mehrere Windungen umfasst. Diese Wicklung kann eine Länge besitzen,
die zur Länge
der Antennenspule äquivalent
ist.
-
Die
Achse der Windungen der Wicklung des Abschnitts 2'' ist zur Achse der Windungen der
Antennenspule 10 parallel. Auf diese Weise wird die Antennenspule 10 der
Transponder-Schaltung nur durch das induzierte Feld 11' dieses Abschnitts
der Kopplungsspule durchdrungen. Die Antennenspule 10 wird
durch das primäre
Magnetfeld 8, das zum induzierten Feld 11' dieses Abschnitts 2'' senkrecht ist, somit nicht beeinflusst,
unabhängig
davon, ob sich die Transponder-Schaltung
gegenüber
der Erregungsspule 4 der Abfrageschaltung 3 oder
an einer entfernten Position befindet. Deswegen wird bei dieser
Anordnung der Kopplungsspule 2 und der Antennenspule 10 gemäß der Erfindung
in jeder beliebigen Position der Transponder-Schaltung keinerlei
Informations- oder Energieverlust bei einer bidirektionalen Kommunikation
zwischen der Abfrageschaltung und der Transponder-Schaltung am Rad
festgestellt.
-
Selbstverständlich kann
die Antennenspule 10 der Transponder-Schaltung 1 auch
in der Nähe oder
außerhalb
der Wicklung des Abschnitts 2'' der Kopplungsspule 2 angeordnet
sein, sofern die Achse der Windungen der Antennenspule 10 zur
Achse der Windungen der Wicklung parallel ist.
-
Die
Transponder-Schaltung
1 des passiven Typs kann außerdem einen
oder mehrere Sensoren für
die Messung physikalischer Parameter wie etwa des Drucks des Reifens,
der Temperatur, der Verformung des Reifens und der Drehgeschwindigkeit
umfassen. Im Fall eines Drucksensors kann in Betracht gezogen werden,
ihn in ein Kunststoff- oder Glasgehäuse mit einer Öffnung an
einer Druckmessmembran einzukapseln. Die Größe der Transponder-Schaltung
kann einen Durchmesser in der Größenordnung von
5 mm und eine Länge
in der Größenordnung
von 25 mm und sogar eine geringere Größe haben. Sie ist an einer
inneren Seitenwand des Reifens vorzugsweise innerhalb der Wicklung
des Abschnitts
2'' mit Hilfe von
Haken oder von Klebstoff befestigt. Für weitere Einzelheiten bezüglich der
Transponder-Schaltung und der Abfrageschaltung und der Weise der Übermittlung
der Daten durch induktive Signale kann auf die Patentanmeldung
EP 03 004 618.9 im Namen des
Anmelders Bezug genommen werden.
-
Anhand
der eben gegebenen Beschreibung können viele verschiedene Abwandlungen
der Ausführung
der Anordnung der Magnetkopplungsspule und der Transponder-Schaltung
am Rad eines Fahrzeugs vom Fachmann vorgenommen werden, ohne vom
Umfang der Erfindung, der durch die Ansprüche definiert ist, abzuweichen.
Es kann vorgesehen werden, dass die Magnetkopplungsspule eine Polygonform
hat und dabei koaxial in Bezug auf die Drehachse des Rades des Fahrzeugs
positioniert bleibt. Mehrere Abschnitte der Schleife, die orientiert
sind, um ein induziertes Feld senkrecht zum primären Feld zu erzeugen, können an
der Kopplungsspule vorgesehen sein. Somit kann eine Transponder-Schaltung mit
ihrer eigenen Antennenspule in der Nähe jedes Abschnitts der Schleife
angeord net sein. Diese Kopplungsspule kann mehrere Umläufe eines
Metalldrahts umfassen, der an einer inneren Seitenwand des Reifens
oder an zwei Seitenwänden
sowie eventuell an der Innenwand der Lauffläche des Reifens angeordnet
ist. Diese Kopplungsspule kann mit Ausnahme des Abschnitts, der
eine Wicklung mit mehreren Windungen umfasst, in den Gummi des Reifens integriert
sein. Somit kann die Transponder-Schaltung nach den Schritten der
Herstellung des Reifens im Inneren des Reifens befestigt werden.