带有RFID标志的车辆轮胎

1.发明领域

本发明涉及一种车辆轮胎，更具体地说，涉及一种带RFID标志 的车辆轮胎，上述RFID标志安装在车辆轮胎上，以便即使当外力施 加到车辆轮胎上时，RFID标志也合适地工作。

2.相关技术说明

最近，无线通信设备，如智能卡或射频识别(RFID)标志，在许 多工业领域中用于各种应用，包括用于识别有关产品信息的分配领域。

无线通信系统一般包括一种RFID标志(亦即收发两用机)和一 种读出装置，上述RFID标志固定到一个产品上，而上述读出装置与 RFID标志通信。RFID标志包括一根天线和一个RFID芯片。因此， 来自读出装置的信息通过天线接收并储存在RFID芯片中，及将储存 在RFID芯片中的信息通过天线发射到读出装置。

车辆轮胎是一种对其可应用这类无线通信技术的产品。如果在制 造过程中或者在行驶时对一些工作参数如压力和温度没有合适地控 制，则有使车辆轮胎断裂的高度危险。因此，有必要监测车辆轮胎的 工作参数。

图1是示出一种常规RFID标志的平面图，图2是图1的RFID 标志的侧视图。为了便于说明起见，图1的RFID标志未示出保护层 和放松层。RFID标志包括一个薄膜11、一根天线10和一个RFID芯 片，上述天线10在薄膜11上形成，而上述RFID芯片接合到天线10 上。薄膜11可以用一种聚合物如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚氯 乙烯(PVC)、或聚乙烯(PE)制成。天线10可以通过将若干铜薄层 或铝薄层叠加在薄膜11上并蚀刻叠加层形成。如图2所示，RFID芯 片50可以是压焊在天线10一端上的倒装片。更具体地说，RFID芯 片50和天线10可以通过在它们之间插入一种各向异性的导电粘合剂 20进行电连接。用于保护RFID标志的保护层15设置在天线10的上 面部分上，而用于将RFID标志固定到产品上的松开层13设置在天线 10的下面部分上。保护层15和松开层13每个都分别用粘合剂12和 14接合。RFID标志在除去松开层13之后固定到产品上。

然而，当把常规的RFID标志安装在具有高压的车辆轮胎中时， 有一个缺点是读出装置不能与RFID标志通信，因为RFID标志的频 率由于天线10或RFID芯片50的变形或损坏而改变。因此，需要一 种用于保护RFID标志的附加机构和用于确定安装位置的设计规范， 此处RFID标志可以在考虑车辆轮胎中内部应力分布时进行保护。

发明概述

本发明提供一种车辆轮胎用的RFID标志，所述RFID标志即使 在外力加到轮胎上时也能合适地工作。

本发明还提供一种在考虑车辆轮胎中内部应力分配时对RFID标 志安装位置的设计规范。

按照本发明的一个方面，提供了一种车辆用充气式轮胎，该充气式 轮胎包括：一个外胎，该外胎包括：一个基本上是平面的带，所述带形 成一个外部圆周；一个胎边，所述胎边与车轮的轮圈配合，并形成一 个内部圆周，和一个在所述胎边与所述基本上是平面的带之间延伸的 环形壁；一个橡胶层，所述橡胶层设置在外胎上，并包括一个胎面和 一个侧壁，所述胎面在所述基本上是平面的带的外侧构成，而所述侧 壁在所述环形壁的外侧构成；和一个射频识别标志，该射频识别标志 安装在侧壁中并与胎边间隔开一个径向距离，所述径向距离不大于环 形壁高度的0.74，所述射频识别标志包括：一个射频识别芯片，该芯 片包括一个连接器；一根天线，所述天线与连接器接合；一个第一模 塑件，该第一模塑件封装天线的第一部分、所述射频识别芯片和所述 连接器；和一个第二模塑件，该第二模塑件封装天线的第二部分和所 述第一模塑件。

本发明还提供了一种充气式车辆用轮胎，包括：一个外胎，所述 外胎包括一个环形端壁，一个第一侧壁，一个第二侧壁，和胎边，所 述第一侧壁从环形端壁的第一边缘沿径向向内延伸，所述第二侧壁从 环形端壁的第二边缘沿径向向内延伸，而所述胎边端接第一和第二侧 壁的每一个，其中胎边接触一个车轮的轮圈，以便密封外胎和车轮之 间的空气；一个带，该带设置在环形端壁上；一个橡胶层，所述橡胶 层包括侧壁部分和胎面，所述侧壁部分覆盖第一和第二侧壁的外表面， 而所述胎面接合到环形端壁和带上，胎面具有用于接触路面的花纹； 和一个射频识别标志，所述射频识别标志设置在其中一个侧壁部分上， 并与胎边在径向上间隔开一个距离，该距离不大于胎边与带之间距离 的0.74，其中射频识别标志包括：一个射频识别芯片，该射频识别芯 片包括一个连接器；一根天线，该天线与射频识别芯片的连接器接合； 一个第一模塑件，所述第一模塑件封装天线的第一部分、所述射频识 别芯片和所述连接器；和一个第二模塑件，所述第二模塑件封装天线 的第二部分和所述第一模塑件。

本发明还提供了一种车辆轮胎，包括：一个外胎，该外胎包括一 个环形端壁、一个侧边部分、和一个胎边，所述侧边部分从环形端壁 的每个边缘沿径向向内延伸，而所述胎边终接每个侧边部分并与车轮 的轮圈接触，以便密封外胎和轮圈之间的空气；一个挠性胎面，所述 胎面接合到环形端壁上，并具有用于与路面接触的花纹；一个挠性侧 壁，所述挠性侧壁接合到每个侧边部分和挠性胎面上；和一个射频识 别标志，所述射频识别标志包括一个芯片、一根天线和一种封装，其 中射频识别标志设置在挠性侧壁中，并与胎边间隔开一个距离，该距 离不大于侧边部分高度的0.74，所述封装包括：一种环氧树脂封装， 该环氧树脂封装环绕天线的第一部分和所述芯片，所述环氧树脂封装 的粘合强度是在15-25Mpa范围内；和一种树脂封装，该树脂封装环 绕天线的第二部分和所述环氧树脂封装，所述树脂封装具有低弹性。

附图简介

本发明的上述和另一些特点和优点通过参照附图详细描述优选实 施例将更显而易见，其中：

图1是示出常规RFID标志的平面图；

图2是图1的RFID标志侧视图；

图3是示出按照本发明一个实施例所述RFID标志的平面图；

图4是图3RFID标志的侧视图；

图5是按照本发明所述的RFID标志应用于其上的车辆轮胎局部 横断面透视图；

图6是示出用于限定RFID标志的车辆轮胎计算机模型剖视图；

图7是图6车辆轮胎计算机模型另一个剖视图；

图8是用于限定RFID标志安装位置的计算机模型透视图；

图9是图8的RFID芯片计算机模型透视图；

图10是本发明的RFID标志加在轮胎上的计算机模型剖面透视 图；

图11A和11B是示出分析结果与加到一个节点上的剪应力关系曲 线图；

图12是示出最大等效应力分布图与径向方向上距离的关系曲线 图；和

图13是示出疲劳断裂载荷周期与等效剪应力关系曲线图。

发明详细说明

现在参照附图更全面地说明本发明，在所述附图中示出了本发明 示例性实施例。

图3是示出按照本发明一个实施例所述的一种RFID标志100的 平面图，而图4是图3的RFID标志100的侧视图。RFID标志100 包括：一根天线110，该天线110具有预定的工作频率；一个RFID 芯片150，该芯片150接合到天线110上；及模塑件101，102和103， 上述模塑件101，102，和103盖住天线110和RFID芯片150。天线 110可以是例如一种两极波天线。

RFID芯片150可以用一种各向异性导电粘合剂120通过倒装片 压焊法压焊到天线110上。也就是说，RFID芯片150的焊接区150a 和天线110的两侧可通过在它们之间插入各向异性导电粘合剂120进 行电连接。

天线110和RFID芯片150被模塑件101，102，和103封装或用 别的方法密封。RFID标志100包括第一模塑件101，第二模塑件102， 和第三模塑件103，上述第二模塑件102环绕第一模塑件101，而上述 第三模塑件103环绕第一和第二模塑件101和102二者。模塑件101， 102，和103用一种非导电材料制成，并保护天线110和RFID芯片 150免受外部环境影响。

第一模塑件101密封RFID芯片150和RFID芯片150与天线110 之间的接合部分。第一模塑件101可以用一种比较硬的材料制成，因 为如果接合部分由于外力而很容易变形，则可能发生天线110与RFID 芯片150之间错误的连接。一种环氧树脂化合物是用于形成第一模塑 件的硬质模制材料的一个例子。

设置在第一模塑件101外侧上的第二模塑件102起一种缓冲层作 用，用于减少由于吸收外部压力或冲击而转移到RFID标志100上的 应力。也就是说，当RFID标志100安装在一个轮胎上时，在行驶期 间把相当大的压缩作用施加到轮胎上，并在轮胎制造过程中把突然伸 展或压缩作用施加到轮胎上。正如可以理解的，RFID标志100当固 定到轮胎上时经受上述力。因此，第二模塑件102具有缓冲作用，以 便保护RFID标志100免受轮胎突然伸展或压缩作用的影响。第二模 塑件102可以用一种具有低弹性的树脂如硅橡胶制成。

第三模塑件103设置在第二模塑件102的外部，并且第三模塑件 103直接接触RFID标志安装在其上的轮胎。第三模塑件103可以用 一种与形成轮胎用的材料类似的橡胶材料制成，以便保持与轮胎紧密 接触。

下面，将说明一个安装位置，在该安装位置处可以保护RFID标 志100免受施加到轮胎上的力影响。

图5是一个车辆轮胎300的局部横断面透视图，按照本发明所述 的RFID标志安装在上述轮胎300上。参见图5，轮胎300包括：一 个外胎310(比如用帘布制成)，该外胎310形成一个用于插入轮圈的 轮胎框架；一个胎面330，所述胎面330具有一预定的花纹，它接合 到外胎310的圆周上，并接触路面；一个带320，通过插在外胎310 和胎面330之间来限制胎面330的运动；和一个侧壁350，所述侧壁 350接合到外胎310的两个侧表面上，并在径向方向上从轮圈的圆周 延伸到胎面330。

胎边305沿着外胎310的内部圆周形成，所述胎边305密封由外 胎310和轮圈所形成的空间，用于防止从上述空间中漏气，在上述空 间中充装空气达到预定的压力。带320和胎边305用钢制成。正如可 以理解的和如下面所述，在大多数情况下，在胎边305和带320附近 设置RFID标志是不合适的。因此，按照本发明的一个方面，RFID 标志将成形在侧壁350中。在某些实施例中，RFID标志将完全设置 (比如，封装，埋入等)在外胎310和侧壁350外表面之间侧壁350 的材料中。按照本发明的一个方面，带有RFID标志的车辆轮胎可以 通过将RFID标志固定在外胎310上，尤其是固定到外胎310的垂直 侧上，和然后成层、叠层、成形、铸造或用别的办法在外胎310和RFID 标志上设置挠性材料(比如橡胶层)来制造。因此，RFID标志设置 在轮胎300的侧壁350中。在另一些实施例中，RFID标志可以在侧 壁350的外表面处露出一部分，以便改良RFID标志和读出装置之间 的通信。下面，应该理解，术语如象“安装在一上”，“安装位置”等 不是意味着固定或附着到外部表面上，而是打算意思是指埋置、封装、 插入等。

图6是示出车辆轮胎一种计算机模型的剖视图，上述车辆轮胎的 计算机模型用来确定一个RFID标志100在轮胎上的安装位置。参见 图6，轮胎400包括：一个外胎410，该外胎410密封充装在轮胎400 中的空气；一个带420和一个胎面430，它们二者盖住外胎410的圆 周；和一个侧壁450，该侧壁450盖住外胎410的侧表面。

参见图7，接触地面的轮胎表面由于汽车的重量而具有一扁平形 状。因此，为便于计算机分析起见，假定地表面500升高一预定的高 度h。另外，如图6所示，对一种边界条件，轮胎400通过用具有预 定压力的空气充装外胎410进行充气，以使胎边405向内移动一预定 的距离e，因此轮胎400可以安装在轮圈上。

按照本发明所述的RFID标志100优选的是安装在轮胎400的侧 壁上而不是在胎面430上，因为当它安装在胎面430中时，有更大的 损坏RFID标志100的危险。RFID标志100优选的是固定到距钢制 的胎边405和带420足够远的一个位置处，以便不影响到RFID标志 100与读出装置之间的无线通信。

因此，在本分析中，选定了在胎边405和带420之间径向方向上 不同位置处的5个安装点P1-P5，并计算在每个安装点P1-P5处的变 形。在径向方向上到每个安装点P1-P5的距离r代表一种相对距离， 所述相对距离假定胎边405和带420之间的距离为1，并且每个距离r 在每个所指示的点P1-P5之后的括号中指出。

参见图7，在一个安装点P处的变形根据轮胎400的旋转而周期 性地改变。也就是说，在一上面点Pt处的变形与一下面点Pb处的变 形不同，上述下面点Pb是一个地面点。因此，在一分析中，计算在 轮胎400的圆周方向上0-180°的角度θ下每个安装点P1-P5处的变形。 因为轮胎400基本上是对称的，所以在圆周方向上180-360°的角度下 得到同样的变形结果。

由计算机分析所得到的轮胎400的变形，作为边界条件用来计算 在RFID芯片与RFID标志的模塑件之间的接合表面处的应力分布， 这将在后面说明。

图8是用于确定RFID标志200安装位置的计算机分析模型透视 图。参见图8，RFID标志200包括一个RFID芯片250和一根天线 210，并且RFID芯片250被第一模塑件201封装或用别的方法密封。 在图8中，一个第二模塑件为清楚起见未示出，但第二模塑件(比如 图3-4中的第二模塑件102)设置在第一模塑件201的外部。

RFID芯片250以一种立方体形状形成模型，而天线210以一种 棒形状形成模型。另外，第一模塑件201以一种立方体形状形成模型， 和第二模塑件以一种立方体形状形成模型。第三模塑件不形成模型， 因为如上所述，第三模塑件基本上用一种与制造轮胎400相似的材料 制成。也就是说，第三模塑件可以认为是轮胎的一部分(亦即与轮胎 成为整体)。RFID芯片250在切向方向上安装在轮胎400的侧壁450 上(见图6)。

用于给RFID芯片、天线、第一模塑件、和第二模塑件形成模型 的物理性能，分别是硅、铜、环氧树脂、和硅橡胶的物理性能。表1 综合了在计算机分析中所用部件的物理性能。

表1

  RFID芯片   天线   第一模塑件   第二模塑件   young氏   模量(Mpa)   130000   117000   3500   3300   poisson氏比   0.3   0.3   0.32   0.45

已知在电子包装中，在半导体芯片与密封该半导体芯片的模塑件 之间的接合面处，由于周期应力而可能产生疲劳断裂。周期应力可能 由于半导体芯片的热膨胀或收缩产生，或者象在本发明中那样，RFID 标志中的周期应力可能于施加到安装于轮胎上的RFID标志的周期性 载荷产生。也就是说，疲劳断裂可能由于周期性载荷而在RFID芯片 和模塑件的接合面处产生。

参见图8，通过在RIFD芯片250上选择5排和5列，产生25个 标号为(1，1)-(5，5)的节点，来计算RFID芯片250与第一模塑 件201之间接合面处的周期应力。如图8所示，每个节点都限定在一 排和一列的交叉处。所产生的节点形成RFID芯片250和第一模塑件 201之间的接合面。

如上所述，由于周期载荷施加到RFID标志上，而在RFID芯片 和第一模塑件之间的接合面处产生裂纹，并且随着裂纹增大而使第一 模塑件与RFID芯片分开。因此，在本计算机分析中，所施加的力与 RFID芯片和模塑件之间的接合面乎行，也就是说，使图9中的xz平 面和yz平面中的剪力经受分析。

具有上述模型的RFID标志在图10中示出为固定在轮胎400′上。 在上述阶段中所计算的轮胎变形在轮胎400′的计算机分析中是作为边 界条件。边界条件随着轮胎400′在径向方向上的距离r(图6)和在圆 周方向上的角度θ(图7)的不同而变化，并且通过改变在圆周方向上 轮胎400′相对于一个安装点的角度θ(轮胎在径向方向上的距离r是规 定的)计算25个节点的应力分布。

图11A和11B是示出施加到一个安装点P3上的一个节点(5，1) 上(见图6)剪应力变化的曲线图。参见图11A和11B，在xz平面和 xz平面中所施加的剪应力随着圆周方向上角度θ的改变而变化。一个 振幅(以后，叫做应力振幅)是将正峰和负峰的绝对值相加所得到的 数值，所述振幅是在RFID芯片和模塑件之间的接合面处产生疲劳断 裂的很重要的因素，并且应力振幅在轮胎400′的圆周方向上保持恒定 不变。例如，在节点(5，1)中，在xz平面中的应力振幅为大约2.2Mpa， 而在yz平面中的应力振幅为大约2.2Mpa。在每个节点处加在xz平面 中的应力振幅||τxz||和加在yz平面中的应力振幅||τyz||可以通过下面 的方程转变成一个等效应力。

${\tau }_{\mathrm{equ}}=\sqrt{{\left|\right|{\tau }_{\mathrm{xz}}\left|\right|}^2+{\left|\right|{\tau }_{\mathrm{yz}}\left|\right|}^2}$

在每个安装点处分别得到施加于每个节点上的25个等效应力，并 且在每个安装点处所得到的等效应力中有一个最大的等效应力。

图12是示出最大等效应力分布图随轮胎400径向方向上的距离r 不同而变化的曲线图。参见图12，最大等效应力随着从胎边朝带径向 方向上的距离r增加到约0.36而增加，当从胎边到带的径向方向上距 离r大于0.36时减小，而当从胎边朝向带的径向方向上的距离r增加 到大于0.52时再次增加。也就是说，随着径向方向上的距离r增加， 最大等效应力有两个拐点。此处，第一拐点在从胎边朝向带的径向方 向上距离r为0.36处出现，并且在这点处，最大等效应力为4.5Mpa。 第二拐点在从胎边朝向带的径向方向上距离r为0.52处出现，并且在 这点处，最大等效应力为3.4Mpa。如果在4.5Mpa的等效应力处不发 生疲劳断裂，则RFID标志可以安装在从胎边朝向带的径向方向上距 离0.65内的一个位置处，上述距离是在在通过第二拐点之后具有与第 一拐点相同的最大等效应力的距离r，因为在这个范围内第一拐点处 的最大等效应力是最大。

在一半导体芯片和密封该半导体芯片的环氧树脂之间的接合面处 疲劳断裂与应力比τ/τadh之间的关系已知Alex Gladkov和Avram Bar-Cohen所著论文中公开，该论文在IEEE有关部件和包装技术的 会刊，vol.22，No.2中发表，该论文包括在本文中作为参考文献。此处， τadh代表环氧树脂的最大粘合强度，并且最大粘合强度代表一个临界 应力，在所述临界应力下，即使将剪应力小于临界应力的无限循环加 到接合面上，环氧树脂也不与半导体芯片剥离。另外，τ表示一种等效 剪应力，所述等效剪应力是加到许多表面和不同方向上的应力，并对 应于图12中所示的最大等效应力。

另外，在上述论文中提出了下面疲劳寿命方程。

$N_f=\frac{A}{\exp \left(17\frac{\tau }{{\tau }_{\mathrm{adh}}}\right)}\times f^{0.3}$

式中，Nf是在一个接合面处产生疲劳断裂的载荷周期(以后，叫 做疲劳断裂载荷周期)数，而f是一种载荷的频率。另外，A是一个 随粘合面形状而变的常数，并具有一个正值。

在本发明中，轮胎旋转1.82×107次，同时假定轮胎的平均直径为 70cm和轮胎的使用寿命距离是40000km。因此，把1.82×107次周期 载荷加到安装在轮胎上的RFID标志上。如果疲劳断裂载荷周期大于 1.82×107，则可以假定，在轮胎的使用寿命范围内不发生疲劳断裂。 若假定汽车的平均行驶速度为60km/h，则载荷的频率f为7.58Hz。

在环氧树脂情况下，最大粘合强度τadh是在16-25Mpa范围内，并 且当接合面是平的时，常数A具有一个值是在约4.6×107～7.2×108范围 内。最大粘合强度τadh随着环氧树脂的抗疲劳性、杂质的混合程度、 及涂布环氧树脂的表面的粗糙度和湿度不同而变化。常数A也随着接 合面平面度不同而变化。

在本发明中，当假定由环氧树脂制成的第一模塑件与RFID芯片 之间的接合面具有一平均水平的接合条件时，环氧树脂的最大粘合强 度τadh和常数A的值分别是20Mpa和108。

图13是示出当所形成的第一模塑件与RFID芯片之间的接合面具 有平均接合条件水平(分布图平均值)时，疲劳断裂载荷周期随等效 剪应力变化的曲线图。参见图13，必须施加小于2.7Mpa的等效剪应 力，以使疲劳断裂载荷周期可以大于1.82×107。这里，再参见图12， RFID标志必需在从胎边朝向带的径向方向上安装在距离为0.26之内， 以便可以施加小于2.7Mpa的最大等效应力。

最大粘合强度值和常数A值分别是25Mpa和7.2×108，因为当接 合条件最佳时，最大粘合强度和常数A具有在上述范围内的最大值。 在图13中，示出了当接合条件最佳时疲劳断裂载荷强度随等效剪应力 变化而变的情况。必需施加小于6.5Mpa的等效剪应力，以使疲劳断 裂载荷周期可以大于1.82×107。再参见图12，RFID标志必需安装在 从胎边朝向带的径向方向上一个距离0.74内，以便可以应用小于 6.5Mpa的最大等效应力。

在本发明的附图中，为说明方便起见示出了一种两极天线，但本 发明不限于此，也可以应用一种单极天线。

按照本发明的各方面，车辆轮胎用的RFID标志具有下列优点：

首先，在车辆轮胎的侧壁中合适布置RFID标志的情况下，可以 防止对RFID的可能损伤。即使RFID标志安装在其上施加重载荷的 车辆轮胎上，按照本发明所述的RFID标志也可以适当地起作用，因 为RFID标志包括至少两层不同的模塑件，并可以防止RFID标志损 坏和读出装置未认识的问题。

其次，提供了用于安装RFID标志位置的设计规范。按照本发明， 可以通过分析轮胎中内部应力分布提供设计参数和设计参数范围。

尽管本发明特别示出并参照其一些示例性实施例进行了说明，但 该技术的技术人员应该理解，在不脱离如下面权利要求书所述的本发 明的精神和范围情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

与相关专利申请的交叉参考

本申请要求韩国知识产权局在2004年8月21日递交的韩国专利 申请No.10-2004-0066170的优先权，其公开内容整个包括在本文中作 为参考文献。

发明背景