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Die
Erfindung betrifft ein textiles energieumformendes Gebilde nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Textile
energieumformende Gebilde dienen zur Signal- und Energieübertragung
bzw. -weiterleitung von einer externen Einrichtung in oder aus bzw. durch
ein textiles Bekleidungsstück,
Verkleidung, Umhüllung
oder dergleichen Anordnung zu einem innerhalb der Anordnung gelegenen
Verbraucher. Aus dem gegenwärtigen
Stand der Technik sind eine Reihe unterschiedlicher Varianten derartiger
textiler Gebilde bekannt.
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In
den Druckschriften
DE 43 22 371 und
JP 2002004129 werden
Polymerfasern und Verfahren zu deren Herstellung beschrieben, die
ferromagnetische Partikel enthalten. Diese Fasern können in
Gewebe, Gestricke oder Vliese eingearbeitet werden.
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Die
WO 2001053575 offenbart ein Garn aus einer Kombination aus textilen
und magnetischen Fasern, die aus Metall oder Metalllegierungen bestehen und
einen typischen Durchmesser von ca. 30 Mikrometern aufweisen. Derartige
magnetische Fasern werden beispielsweise dazu eingesetzt, um einen Faden oder
ein textiles Flächengebilde
zu markieren oder mit einem Code entsprechend der Magnetisierung
zu versehen. Weitere Anwendungen sind das Nutzen magnetischer Kräfte für ein Haften
der textilen Flächengebilde
an Oberflächen
oder der Einsatz magnetischer Textilien am menschlichen Körper für therapeutische
Zwecke.
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Magnetische
Flächengebilde
in Folienform sind aus der
DE
299 06 661 bekannt. Die Magnetisierung erfolgt bei derartigen
Gebilden meist einseitig lateral, zwei- oder mehrpolig, wobei die
Polkonfigurationen in Form gerader Streifen, konzentrischer Ringe, Sektoren
oder anderer geometrischer Gebilde vorliegen. Solche folienförmige Permanentmagnete
werden beispielsweise in Form runder Scheiben für therapeutische Zwecke eingesetzt.
Dabei ist es üblich, derartige
Scheiben in textile Umhüllungen
einzubringen und beispielsweise als Bandagen anzulegen.
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Die
DE 199 56 319 offenbart
ein textiles Flächengebilde
mit magnetischen oder magnetisierbaren Fasern. Diese bestehen aus
Metall oder werden durch eine Beschichtung synthetischer Fasern
mit magnetischen Materialien hergestellt. Diese textilen Flächengebilde
können
Magnetisierungen in unterschiedlichen Polkonfigurationen aufweisen.
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Für eine Energie-
und Signalübertragung wird
in der
EP 1 080 475 ein
Textil mit induktiven Eigenschaften beschrieben, das in Energie-
und Signalübertragungsvorrichtungen
oder induktiven Sensorvorrichtungen einsetzbar ist und Magnetfeldveränderungen
detektieren kann. Hierzu ist in das Textil, das ein Vlies oder Gewebe
sein kann, eine Vielzahl von Elementarfasern aus ferromagnetischem
Material eingearbeitet. Die Elementarfasern sind mit einer elektrisch
leitenden Oberflächenschicht
versehen, weisen eine Länge
von mehr als 10 mm auf und sind im wesentlichen gleich ausgerichtet.
Der maximale Unterschied in den Ausrichtungen der Elementarfasern
beträgt
dabei 10° oder
weniger. Das Textil leitet aufgrund dieser Anordnung einen magnetischen Fluss
entlang der induktiven Fasern von einer Einkoppelstelle zu einem
Empfänger.
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Eine
derartige flussleitende Gestaltung des textilen Gebildes erweist
sich in der praktischen Anwendung jedoch in mehrerer Hinsicht als
nachteilig. Ein erster Nachteil besteht darin, dass im textilen
Material keine Umwandlung der Energieform, sondern nur ein Weiterleiten
eines magnetischen Flusses statt findet. Dazu müssen die Einkoppelanordnung und
der Empfänger
aufeinander abgestimmt sein, d.h. die Einkoppelanordnung muss einen
definierten magnetischen Fluss erzeugen, während der Empfänger oder
Verbraucher für
eine Konversion des Flusses in eine elektrische Spannung ausgebildet
sein muss. Dies ist nur bei einer sehr begrenzten Zahl der möglichen
Verbraucher der Fall, sodass der Empfänger oder Verbraucher mit zusätzlichen
Komponenten nachgerüstet
werden muss. Die Anordnung ist somit auf spezielle Anwendungsfälle beschränkt und
nicht breit einsetzbar. Außerdem
erweisen sich die ferromagnetischen Elementarfasern als kostspielig
und ihre exakte Ausrichtung im textilen Gebilde als aufwändig.
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Es
besteht somit die Aufgabe der Erfindung, ein textiles Gebilde anzugeben,
bei dem in einer möglichst
einfachen und universell einsetzbaren Weise eine Energie- oder Signalübertragung
zwischen einer externen Anordnung und einem bei dem textilen Gebilde
angeordneten Verbraucher ermöglicht wird.
Zweckmäßigerweise
soll das textile Gebilde das Umsetzen eines vergleichsweise hohen
Energiebetrages zum Betrieb eines elektrischen Verbrauchers ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird mit einem textilen energieumformenden Gebilde mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Herstellungsverfahren für das textile
energieumformende Gebilde nach der Lehre des Anspruchs 10 gelöst, wobei
die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen
und Weiterbildungen umfassen.
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Erfindungsgemäß ist das
textile energieumformende Gebilde durch einen eingebrachten elektrischen
Leiter gekennzeichnet, der in Form mindestens einer, einer einwirkenden
magnetischen Polkonfiguration angepassten Leiterschleife zum Erzeugen einer
Induktionsspannung ausgebildet ist.
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Das
textile Gebilde dient demnach zur Erzeugung elektrischer Spannungen
nach dem Dynamoprinzip. Ein äußeres, auf
die Leiterschleife einwirkendes magnetisches Feld mit einem zeitveränderlichen
Fluss induziert in der Leiterschleife eine elektrische Spannung,
die abgegriffen wird. Dadurch wird die magnetische Energie in elektrische
Energie umgesetzt. Diese steht prinzipiell ohne weitere Umwandlungsschritte
oder zusätzliche
Umformungseinrichtungen direkt dem Verbraucher zur Verfügung.
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Der
elektrische Leiter ist zweckmäßigerweise
in Form einer metallischen Drahtanordnung, insbesondere einem Metalldraht
oder einer Metalllitze, ausgebildet. Metalldrähte weisen einen geringen Innenwiderstand
mit einer hohen Ladungsträgerkonzentration
und ein schnelles Ansprechverhalten auf Veränderungen des magnetischen
Flusses auf. Metalldrähte
oder Metalllitzen sind daher ein bevorzugtes Mittel der Wahl.
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Alternativ
dazu kann auch auf einen elektrischen Leiter in Form einer metallisierten
Fadenanordnung, insbesondere eines metallisierten Garns oder eines
metallisierten Wollfadens, zurückgegriffen werden.
Derartige Garne und Fäden
lassen sich wegen ihrer weniger von anderen textilen Fasern abweichenden
Beschaffenheit leichter mit Hilfe von üblichen Textilverarbeitungseinrichtungen
in das textile Gebilde einfügen.
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Die
durch den Leiter gebildete mindestens eine Leiterschleife verläuft bei
einer ersten Variante entsprechend einer Polkonfiguation einer sich
relativ im wesentlichen parallel zum textilen Gebilde bewegenden
flächenhaften
Magnetanordnung innerhalb einer Flächenebene des textilen Gebildes.
Das textile Gebilde weist somit eine in seiner Fläche liegende Leiterschleife
auf, durch die das magnetische Feld von außen hindurch greift. Eine derartige
Ausführungsform
ist für
im wesentlich parallel zueinander verschobene Konfigurationen aus
Magnetanordnung und textilem Gebilde vorteilhaft.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Variante bildet die mindestens
eine Leiterschleife mit weiteren Leiterschleifen des elektrischen
Leiters eine an die äußere magnetische
Polkonfiguration angepasste Leiterschleifenkaskade. Dadurch wird
die induzierte elektrische Spannung entsprechend den physikalischen
Gesetzen der elektromagnetischen Induktion gesteigert und der Wirkungsgrad
des textilen Gebildes erhöht.
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Bei
einer weiteren Variante ist die mindestens eine Leiterschleife in
Form einer induktiven Masche für
ein innerhalb der Masche bewegbares mindestens abschnittsweise magnetisiertes
Längengebilde,
insbesondere einen magnetisierten Faden, ausgebildet. Die induktive
Masche wirkt bei dieser Konfiguration wie eine Spule, durch deren
Kern das magnetisierte Längengebilde
verschoben wird. Eine derartige Anordnung ist für Konfigurationen zweckmäßig, bei
denen das textile Gebilde und die Magnetanordnung ineinander geschoben
werden, um Längenänderungen,
Dehnungen bzw. Beschleunigungen zu detektieren.
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Auch
bei dieser Ausführungsform
ist eine verschaltete Anordnung aus mehreren induktiven Maschen
zur Steigerung des Wirkungsgrades bzw. der erzeugten Spannung möglich. Die
induktive Masche bildet zusammen mit weiteren induktiven Maschen
eine induktive Maschenkaskade für
eine Anordnung magnetisierter Längengebilde.
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Die
magnetische Polkonfiguration kann auf unterschiedliche Arten verwirklicht
sein. Bei einer ersten Ausführungsform
ist die magnetische Polkonfiguration in Form eines flächenförmigen Permanentmagneten,
insbesondere einer magnetischen Folie oder eines magnetisch aktiven
textilen Flächengebildes
ausgeführt.
Hierzu kann auf die bereits bekannten magnetischen Folien zurückgegriffen
werden.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform
ist die magnetische Polkonfiguration in Form einer elektromagnetischen
Anordnung, insbesondere einer Spulen- oder Transponderanordnung,
ausgebildet. Hierbei handelt es sich somit um ein elektrisch aktives Bauteil,
dessen Magnetfeld in der Leiterschleife des textilen Gebildes eine
Spannung induziert.
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Das
Verfahren zur Herstellung des beschriebenen textilen Gebildes ist
gekennzeichnet durch in einen Herstellungsprozess integriertes Einarbeiten, insbesondere
ein Sticken, Einweben oder Einhäkeln, einer
elektrisch leitfähigen
Faseranordnung in eine elektrisch isolierende textile Struktur,
insbesondere ein Gewirke oder ein Gestricke. Grundsätzlich kann dabei
auf die bereits vorhandenen Strick-, Web-, Wirk- und sonstige Maschinen
zurückgegriffen
werden.
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Zur
Vermeidung von Kurzschlüssen
und für eine
möglichst
dichte Kaskadierung der Leiterschleifen bzw. der induktiven Maschen
wird die elektrisch leitfähige
Faseranordnung durch eine in die textile Struktur eingearbeitete
elektrisch isolierende Zwischenschicht mit einer elektrischen Isolierung
mindestens abschnittsweise umgeben.
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Eine
erste Anwendung des textilen Gebildes ist als ein auf dem Prinzip
der elektromagnetischen Induktion arbeitender Bewegungssensor gegeben. Dabei wird
innerhalb des textilen Gebildes, d.h. innerhalb der in ihm enthaltenen
Leiterschleifen bzw. induktiven Maschen eine Spannung induziert,
sobald eine Relativbewegung zu einem äußeren Magnetfeld stattfindet.
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Eine
zweite Anwendung des textilen Gebildes betrifft die Verwendung als
ein Mittel zur Energieübertragung
nach dem elektromagnetischen Induktionsprinzip von einer externen
Magnetfeldquelle in eine mit dem textilen Gebilde versehenen energieverbrauchenden
Einrichtung, insbesondere ein in einem Kleidungsstück angeordneten
elektrischen Verbraucher. Dabei befindet sich das textile Gebilde
beispielsweise in oder an einem Kleidungsstück, während ein elektrischer Verbraucher,
beispielsweise ein mobiles Endgerät, beim Passieren eines mit
einem Magnetfeld durchsetzten Bereichs über die induzierte Spannung
mit einem Lade- oder Betriebsstrom versorgt wird.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Zur Verdeutlichung dienen die 1 bis 4.
Es werden für
gleiche oder gleich wirkende Teile die selben Bezugszeichen verwendet.
Es zeigt:
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1 eine
der streifenförmigen
Polkonfiguration entsprechend gestaltete Leiterschleife auf einem
darunter angeordneten Permanentmagneten,
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2 eine
durch Sticken auf das textile Gebilde aufgebrachte Leiterschleife,
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3 eine
Leiterschleifenkaskade mit der dazu gehörenden Polkonfiguration,
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4 eine
Anordnung aus einer induktiven Masche, durchzogen von einem segmentweise
magnetisierten Faden,
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5 eine
beispielhafte Verwendung der Anordnung aus 4 in Form
eines Dehnungs- und Beschleunigungssensors in einem Aufzugseil oder -band.
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Die
nachfolgend beispielhaft dargestellten Leiterschleifen bestehen
aus herkömmlichen,
vorzugsweise web- oder nähfähigen Metalldrähten, Metalllitzen
oder elektrisch leitfähigen
metallisierten Fasern, bzw. aus elektrisch leitfähigen Kunststoffen. Sie sind
so angeordnet, dass bei einer Relativbewegung in Bezug auf einen
Permanent- oder Elektromagneten in den Leiterschleifen eine elektrische
Spannung induziert wird. Die Leiterschleifen sind entweder in einer
textilen Fläche
im wesentlichen zweidimensional so angeordnet, dass sie mit der
Polkonfiguration eines flächigen
Permanentmagneten, insbesondere dessen Polbreite, übereinstimmen.
Alternativ bilden die Leiterschleifen nebeneinander liegende induktive Maschen,
durch die ein abschnittsweise magnetisiertes Längengebilde, z.B. ein magnetisierter
Faden, bewegt werden kann.
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Durch
die aufeinander abgestimmten Dimensionen von Leiterschleifen und
Permanentmagneten, insbesondere der abgestimmten Breite der Leiterschleife
im Verhältnis
zur Polbreite, addieren sich die Induktionsspannungen aller Leiterschleifen.
Wie im Falle einer Zylinderspule ist bei einer planaren, flächenhaften
Anordnung der Leiterschleifen die Induktionsspannung zur Querschnittsfläche und
zur zeitlichen Änderung
des magnetischen Flusses proportional.
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Als
flächenförmige Permanentmagnete
sind die aus dem Stand der Technik bekannten magnetischen Folien
oder textile Flächengebilde
mit entsprechenden Polkonfigurationen einsetzbar. Anstelle des permanentmagnetischen
Flächengebildes
ist natürlich
auch eine entsprechende Anordnung von Elektromagneten, insbesondere
von Spulen mit einem zweckmäßig geformten
Kernquerschnitt möglich.
Es ist insbesondere eine Energieübertagung
nach dem Transformatorprinzip oder eine Informationsübertragung
nach dem Transponderprinzip ausführbar.
Dabei können
die Sender- oder Empfängerspulen
als die erfindungsgemäß in das
textile Gebilde eingearbeiteten Leiterschleifen ausgeführt sein.
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Als
Herstellungsverfahren der nachfolgend beschriebenen textilen Gebilde
kommen grundsätzlich
alle Fertigungsverfahren im textilen Bereich in Betracht, mit denen
es möglich
ist, Leiterschleifen in textile Materialien einzuarbeiten. Insbesondere
sind in diesem Zusammenhang Stickverfahren, Webverfahren, beispielsweise
Jacquardweben, oder Häkelverfahren,
z.B. die Häkelgalontechnik,
verwendbar.
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Zum
Vermeiden von Kurzschlüssen
zwischen den einzelnen Leiterschleifen werden isolierte Leitermaterialien
eingesetzt, oder es werden isolierende Zwischenschichten eingearbeitet.
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1 zeigt
eine streifenförmige
Polkonfiguration eines planaren Permanentmagneten mit einer alternierenden
Abfolge magnetischer Nord- und Südpole
N und S. bei dem in 1 gezeigten Beispiel kann in
einer oder mehreren Leiterschleifen 1 eines Leiters A bei
einer Relativbewegung zu dem Permanentmagneten mit der streifenförmigen Polkonfiguration 2 eine
elektrische Spannung induziert werden. Dieser Induktionsvorgang
erfolgt besonders dann effektiv, wenn die Dimensionierung der Leiterschleifen möglichst
genau mit der Polkonfiguration übereinstimmt.
In diesem Fall addieren sich die in jeder einzelnen Leiterschleife
induzierten Spannungen. Das für
eine Spule geltende Induktionsgesetz ist entsprechend der Fläche der
Leiterschleifen, deren Anzahl und der zeitlichen magnetischen Flussänderung
auf die Leiterschleifenanordnung übertragbar. Die in 1 dargestellte
Anordnung stellt somit eine vorteilhafte planare induktive Anordnung
aus einer flächenhaft
ausgebreiteten Spule mit einer planaren Magnetfeldquelle dar.
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2 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung. Hierbei sind die aus blanken oder isolierten metallischen
Drähten
oder leitfähigen
Fasern bestehenden Leiterschleifen 1 mit Hilfe von textilen
Näh- oder
Stickfäden 3 auf
einem textilen Flächengebilde 4 in
einer der Polkonfiguration des Permanentmagneten entsprechenden
Gestalt fixiert. Bestehen die Leiterschleifen 1 aus einem
nicht isolierten Material, sind an den Kreuzungspunkten 5 der
Leiterschleifen isolierende Zwischenschichten 6 mindestens
abschnittsweise angeordnet. Diese können beispielsweise aufgestickt
sein.
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3 zeigt
ein Beispiel für
eine Ausführungsform
des textilen Gebildes mit mehreren Leiterschleifenkaskaden 7.
Durch die Berücksichtigung des
Windungssinnes der Leiterschleifen, die sich als eine in der Ebene
angeordnete Spule auffassen lassen, wird eine additive Überlagerung
der in jeder einzelnen Leiterschleife induzierten Spannung erreicht. Wie
aus der Figur ersichtlich ist, sind die aus den Leiterschleifen
gebildeten Kaskaden in ihrer Dimensionierung auf die im Ausführungsbeispiel
gewählte streifenförmige Polkonfiguration
des Permanentmagneten abgestimmt. Zur Herstellung der Leiterschleifenkaskade
kann beispielsweise auf eine Kurbelstickerei-Technik zurückgegriffen
werden.
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4 zeigt
eine aus Fäden
und Maschen bestehende Anordnung. Ein elektrisch leitfähiger Draht
oder Faden 8 bildet induktive Maschen 9 aus. Durch
diese Maschen ist ein magnetisierter Faden 10 so geführt, dass
Relativbewegungen zwischen den Maschen 9 und dem magnetisierten
Faden 10 zu einer induzierten Spannung in den Maschen führen. Diese
Anordnung kann als Bewegungs- und
Beschleunigungssensor in Bändern
und Seilen, beispielsweise Aufzugseilen, eingesetzt werden.
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Bei
der Verwendung als Bewegungs- und Beschleunigungssensor ist das
die induktiven Maschen enthaltende textile Gewebe in ein Aufzugseil oder
-band eingebettet. Dabei werden die magnetisierten Fäden entlang
der zu erwartenden Beschleunigungs- oder Dehnungsrichtung orientiert
und stehen an einem Ende des textilen Gebildes frei. Dieses freistehende
Ende wird in dem Verbund des Aufzugsseiles oder -bandes fest verankert.
An dem entgegen gesetzt liegenden Ende des textilen Gebildes sind
die induktiven Maschen in den Verbund des Aufzugseiles oder -bandes
fest eingefügt.
Bei einer Beschleunigung des Aufzugseiles oder -bandes bzw. bei
einer während
dieses Vorgangs oder im Ruhezustand eintretenden Dehnung streckt
sich der Verbund des Aufzugseiles oder -bandes, wobei die magnetisierten Fasern
im eingebetteten Gebilde durch die induktiven Maschen gezogen werden.
Das Maß der
Beschleunigung und die damit auftretende zeitliche Veränderung
in der Länge
des Aufzugseiles oder -bandes zeigt sich dabei auf eine direkt proportionale
Weise in der Größe der in
den induktiven Maschen des textilen Gebildes induzierten Spannung.
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5 zeigt
einen diesbezüglichen
beispielhaften Dehnungs- und Beschleunigungssensor für ein Aufzugband 11 in
einer Draufsicht und in einer seitlichen Schnittdarstellung.
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Das
Aufzugband 11 besteht in diem hier dargestellten Beispiel
aus einem Verbund aus oberflächlichen
kraftübertragenden
Laufflächen 12,
die beispielsweise aus einem Gummiwerkstoff bestehen und über einen
Riementrieb bewegt werden und einer inneren reißfesten Zwischenschicht 13,
die beispielsweise ein Gewebe oder auch ein Metallband sein kann.
Innerhalb des Gewebes ist der Dehnungs- und Beschleunigungssensor
eingearbeitet. Dieser besteht aus dem textilen Flächengebilde 4 mit
den beschriebenen induktiven Maschen 9, das fest mit der
Zwischenschicht 13 verbunden ist. Ein Verband aus magnetisierten
Fasern 8 reicht auf einer Seite des Flächengebildes 4 heraus
und ist ebenfalls fest mit der Zwischenschicht 13 verbunden.
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Die
induktiven Maschen weisen weiterhin hier nicht abgebildete elektrische
Ableitungen für eine
Spannungsmesseinrichtung auf, die erforderlichenfalls mit einer
Verstärker-
und einer Auswerteeinrichtung gekoppelt sein kann. Wie aus der Figur zu
entnehmen ist, werden bei einer sich zeitlich verändernden
Länge des
Bandes 11, also einer Dehnung oder auch Stauchung die magnetisierten
Fasern 8 aus dem Flächengebilde 4 herausgezogen oder
hineingeschoben, wodurch eine Spannung in den induktiven Maschen 9 erzeugt
wird, die registriert werden kann.
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Das
textile Gebilde wurde anhand von beispielhaften Ausführungsformen
erläutert.
Es ist einsichtig, dass im Rahmen fachmännischen Handelns weitere Veränderungen
an den gezeigten Ausführungsformen
vorgenommen werden können,
ohne den Bereich des erfindungsgemäßen Grundgedankens zu verlassen.
Weitere Ausführungsformen
ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen.
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- A
- elektrischer
Leiter
- 1
- Leiterschleife
- 2
- Permanentmagnet
mit streifenförmiger
Polkonfiguration
- 3
- Näh- oder
Stickfaden
- 4
- textiles
Flächengebilde
- 5
- Kreuzungspunkt
der Leiterschleifen
- 6
- isolierende
Zwischenschicht
- 7
- Leiterschleifenkaskade
- 8
- elektrisch
leitfähiger
Draht oder Faden
- 9
- induktive
Masche
- 10
- segmentweise
magnetisierter Faden
- 11
- Aufzugband
- 12
- Laufflächen
- 13
- Zwischenschicht