DE102016201152A1

DE102016201152A1 - Energie gewinnende Sohle

Info

Publication number: DE102016201152A1
Application number: DE102016201152.9A
Authority: DE
Inventors: Vesa-Pekka Torvinen; Michael Welker; Burkhard Dümler; Marc Simon Anthony NORRIDGE
Original assignee: Adidas AG
Current assignee: Adidas AG
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2036-01-28
Also published as: CN107006940A; EP3235395B1; JP6419866B2; CN107006940B; DE102016201152B4; US20170208890A1; JP2017159024A; EP3235395A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System für eine Schuhsohle mit wenigstens einem Modul, das Modul aufweisend wenigstens ein piezoelektrisches Element, das ausgebildet ist, um ein elektrisches Signal bei einer mechanischen Deformation des wenigstens eines Piezoelements zu erzeugen. Das elektrische Signal ist ausgebildet, um als ein Signal zum Ableiten wenigstens eines Bewegungsparameters der Schuhsohle verwendet zu werden. Das System umfasst weiterhin wenigstens einen ersten Energiespeicher und einen zweiten Energiespeicher, die wenigstens ersten Energiespeicher und zweiten Energiespeicher sind ausgebildet, um elektrische Energie zu speichern, welche von dem elektrischen Signal erhalten wird und der zweite Energiespeicher wird erst aufgeladen, nachdem der erste Energiespeicher einen ersten Energieschwellenwert erreicht.

Description

1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System für eine Schuhsohle mit wenigstens einem Modul aufweisend wenigstens ein piezoelektrisches Element.
2. Stand der Technik
Für viele Menschen ist Sport ein integraler Teil ihres Lebens. Zum Beispiel gehen Menschen zum Laufen, um ihre Fitness zu verbessern und um einen gesunden Lebensstil zu führen. Mit dem Aufkommen von Smartphones wurde es auch üblich, die eigene Leistung während oder nach einem Training zu überwachen, um das Training zu verbessern und sogar um die Ergebnisse mit Freunden zu teilen, z. B. über soziale Netzwerke.
Zu diesem Zweck sind verschiedene Ansätze bekannt, um Daten zu erhalten, wie z. B. eine Anzahl von Schritten, zurückgelegte Strecke, Kadenz, Tempo, Geschwindigkeit usw. Zum Beispiel stellen Smartphones Apps bereit, welche zum Überwachen von Aktivitäten über integrierte Sensoren wie z. B. GPS Sensoren und/oder Bewegungssensoren in dem Smartphone verwendet werden.
Die meisten der vorstehend erwähnten Sensoren umfassen eine Batterie, um die gewünschten Daten messen zu können. Als eine Folge davon wird die Batterie von Zeit zu Zeit leer und muss durch eine neue Batterie ausgetauscht werden. Für manche Sensormodelle kann es sogar notwendig sein, die vollständige Vorrichtung auszutauschen. Es ist offensichtlich, dass diese Lösungen eine signifikante Belastung für die Umwelt darstellen. Deshalb wurden von der Industrie weitere Ansätze verfolgt.
Ein Beispiel von anderen Sensoren beinhaltet piezoelektrische Elemente zum Erzeugen von Energie während einer Übung, die für den Betrieb der jeweiligen Sensoren gespeichert oder verwendet werden kann.
Zum Beispiel betrifft die US Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2013/0028368 einen Schrittzähler für Schuhe. Eine elektrisch betriebene Einheit umfasst ein piezoelektrisches Element, welches einen elektrischen Strom erzeugt, in Antwort auf einen Druck der darauf ausgeübt wird, wenn ein Benutzer mit seinen Füßen auf dem Untergrund aufkommt. Der elektrische Strom wird an eine externe Schrittzählereinheit weitergeleitet, um eine Schrittzählung durchzuführen.
Eine andere Lösung ist in dem Artikel „Insole Pedometer With Piezoelectric Energy Harvester and 2 V Organic Circuits" von Ishida et al., veröffentlicht in IEEE Journal of solid-state circuits, Vol. 48, No. 1, Januar 2013, beschrieben, welcher einen Einlegesohlen-Schrittzähler beschreibt, der aus einem piezoelektrischen Energiegewinner besteht und einen Pseudo-CMOS 14 bit Schrittzähler umfasst, welcher die Anzahl von Schritten aufnimmt unter Verwendung der gewonnenen Energie. Jedes Mal, wenn die Einlegesohle durch den Fuß während des Laufens zusammengedrückt wird, erzeugt der piezoelektrische Energiegewinner, der ein aufgerolltes Polyvinylidendifluorid (PVDF) Blatt ist, einen Puls. Andere PVDF Rollen, die ebenfalls in der Schuhsohle beinhaltet sind, können als Energiequelle für die organischen Schaltkreise dienen.
Die US Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2014/0088917 offenbart auch einen Schrittzähler mit einer Energiegewinnungsfunktionalität. Zu diesem Zweck detektiert eine Schrittzählervorrichtung Schritte und zählt die Benutzerschritte. Die Vorrichtung umfasst einen Transducer der von einem piezoelektrischen Typ sein könnte, der konfiguriert ist, um ein elektrisches Transduktions-Signal in Antwort auf Benutzerschritte zu erzeugen. Ein Energiegewinnungssystem ist mit dem Transducer gekoppelt, um eine Spannungsversorgung in Antwort auf das elektrische Transduktions-Signal bereitzustellen. Eine Verarbeitungseinheit wird durch die Spannungsversorgung betrieben. Die Verarbeitungseinheit ist weiterhin konfiguriert, um das elektrische Transduktions-Signal zu erfassen und um zu bestimmen, ob ein Benutzerschritt aufgetreten ist und in Antwort auf diese Bestimmung einen Schrittzähler zu erhöhen.
Während die vorstehenden Ansätze teilweise zu einer Reduzierung nachteiliger Effekte auf die Umwelt beitragen, gibt es aus praktischer Sicht dennoch verschiedene Nachteile. Zum Beispiel sind solche Sensoren kompliziert in der Herstellung, relativ groß, und es ist mitunter nicht praktisch, sie in verschiedenen denkbaren Situationen einzusetzen. Zum Beispiel könnte ist es möglich, dass die Sensoren oder die erhaltenen Daten nicht verwendet werden können, wenn der Schuh nicht benutzt wird, z. B. während einer kurzen Pause oder nach dem Workout.
Es ist deshalb eine Aufgabe welche der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegt, verbesserte piezoelektrische Sensorsysteme bereitzustellen, zur Verwendung für die Überwachung verschiedener Parameter, die leicht zu produzieren sind, angenehm klein sind, um innerhalb der Schuhsohle platziert zu werden, und die eine ausgezeichnete Benutzbarkeit für den Athleten bereitstellen.
3. Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird zumindest teilweise gelöst durch ein System für eine Schuhsohle mit wenigstens einem Modul, das Modul aufweisend wenigstens ein piezoelektrisches Element, das ausgebildet ist, um ein elektrisches Signal bei einer mechanischen Deformation des wenigstens eines Piezoelements (hierin auch als piezoelektrisches Element bezeichnet) zu erzeugen. Das elektrische Signal ist ausgebildet, um als ein Signal zum Ableiten wenigstens eines Bewegungsparameters der Schuhsohle verwendet zu werden. Das System umfasst weiterhin wenigstens einen ersten Energiespeicher und einen zweiten Energiespeicher, die wenigstens ersten Energiespeicher und zweiten Energiespeicher sind ausgebildet, um elektrische Energie zu speichern, welche von dem elektrischen Signal erhalten wird und der zweite Energiespeicher wird erst aufgeladen, nachdem der erste Energiespeicher einen ersten Energieschwellenwert erreicht.
Die Verwendung von Modulen umfassend piezoelektrische Elemente bieten verschiedene Vorteile wie z. B. das Vermeiden von externen Leistungsquellen. Nichtsdestotrotz bedeutet die Erzeugung eigener Energie von Grund auf auch, dass man, um die Module und das System betreiben zu können, eine bestimmte anfängliche Bewegungsmenge des Trägers des Schuhs benötigt, um eine minimale Energiemenge zu erzeugen, die benötigt wird, um das System und die Module zu betreiben. Der Grund ist, dass nur dann, wenn genügend Energie verfügbar ist, in dem System elektrische Signale verarbeitet und Parameter bestimmt (und z. B. lokal gespeichert) werden können. Durch Bereitstellen eines ersten Energiespeichers, der verwendet werden kann, um das System schnell zu betreiben oder zumindest die wichtigsten Teile hiervon, kann eine ordnungsgemäße Funktion des Systems sichergestellt werden. Die Speichergröße des ersten Energiespeichers (z. B. Kapazität) kann so gering wie möglich gehalten werden, um die grundlegende Funktionalität (z. B. eines oder mehrerer Steuerungselemente wie z. B. einen logischen Schaltkreis und/oder einen Regulierungsschaltkreis) zu betreiben. Wenn man eine kleine Kapazität hat, dann steigt die Spannung in dem Kondensator schneller an (U = Q/C), wobei C die Kapazität, Q die Ladung und U die Spannung ist. Jedoch darf die Kapazität nicht zu klein sein, denn wenn die grundlegenden Steuerungselemente mit der Arbeit beginnen, dann benötigen sie zusätzliche Startleistung/Ladung, die einen Spannungsabfall in dem Kondensator bewirkt. Die Schrittzählung kann dann in der Steuerungslogik (z. B. in dem logischen Schaltkreis) beginnen. Auf der anderen Seite kann durch zusätzliche Bereitstellung eines zweiten Energiespeichers der nur dann geladen wird, wenn der erste Energiespeicher einen ersten Energieschwellenwert erreicht (und über diesem Schwellenwert verbleibt) zusätzliche Funktionalität genutzt werden. Wenn die Steuerungselemente (z. B. Regulierungsschaltkreis und logischer Schaltkreis) laufen, dann benötigen sie eine bestimmte Menge von Leistung/Ladung. Die zusätzliche Leistung/Ladung wird in den zweiten Energiespeicher geladen (z. B. ein Kondensator). Wenn die in dem zweiten Energiespeicher (z. B. Kondensator) gespeicherte Energie ein bestimmtes Niveau erreicht, dann kann das Steuerungselement (z. B. logischer Schaltkreis) es erlauben, zusätzliche Steuerungselemente wie z. B. einem Microcontroller oder eine Steuerung für entfernte Übertragung (z. B. eine Bluetooth Low Energy (BTLE), Bluetooth, Bluetooth Smart, IrDA, Near Field Communication (NFC), zelluläre Netzwerke, ZigBee, Wi-Fi oder andere Steuerungen welche geeignete Standards verwenden) zu betreiben. Diese Elemente werden eine bestimmte Menge von Leistung/Ladung benötigen und werden von dem ersten Kondensator über ein anderes Steuerungselement gespeist (z. B. ein Regulierungsschaltkreis). In einem Beispiel unterstützt der zweite Kondensator den ersten Kondensator über eine Rückkopplungsdiode, welche eine Schottky-Diode sein kann. Der Begriff Sohle, so wie er in diesem Dokument verwendet wird, bezieht sich auf eine Einlegesohle (insole) oder eine Zwischensohle (midsole).
Das System kann auch einen dritten Energiespeicher umfassen, der ausgebildet ist um elektrische Energie, welche von dem elektrischen Signal erhalten wurde, zu speichern.
Die Kapazität des dritten Energiespeichers kann größer sein als die des ersten und des zweiten Energiespeichers, so dass wenn der Athlet für einen Moment pausieren muss oder auch nach der Aktivität, die Daten von dem System an eine externe und entfernte Vorrichtung, wie z. B. ein Smartphone, Smartwatch, Tablet Computer, Personal Computer oder eine andere Vorrichtung übermittelt werden kann. Dies ist vorteilhaft, weil sichergestellt werden kann, dass die Zeit, welche benötigt wird, um das Modul startklar zu bekommen, reduziert wird durch Verwendung des ersten Energiespeichers, ohne zu riskieren, dass die Energie in der Zwischenzeit für andere, weniger notwendige, Aspekte wie z. B. Datenübertragung an eine entfernte Vorrichtung, Betrieb von LEDs usw. verwendet wird. Es ist somit besser, separat steuerbare Speichervorrichtungen zu haben. Die Art des dritten Kondensators kann ein Super Cap, eine Dünnfilm Lithium Batterie oder Ähnliches sein. Der Leckstrom in dem dritten Speicher sollte so gering wie möglich sein, um die Ladung für mehrere Stunden/Tage zu behalten. Zum Beispiel kann dies erreicht werden durch geeignete Wahl der Speichervorrichtung, z. B. des Kondensators. Zum Beispiel können manche Kondensatoren einen geringeren Leckstrom haben als andere Kondensatoren. In einem Beispiel kann der dritte Energiespeicher auch während des Herstellungsprozesses in der Fabrik aufgeladen werden. Jedoch kann er alternativ oder zusätzlich auch während der Benutzung aufgeladen werden. In einem Beispiel wird der dritte Energiespeicher erst geladen, nachdem der zweite Energiespeicher eine Schwellenwertspannung erreicht hat.
Das System kann bereitgestellt werden, so dass der erste Energiespeicher ausgebildet ist, um Energie zum Verarbeiten des abgeleiteten wenigstens einen Bewegungsparameters bereitzustellen, wobei der zweite Energiespeicher ausgebildet ist, um Energie für ein Steuerungselement und/oder Funkfrequenzfunktionalität bereitzustellen, und wobei der dritte Speicher ausgebildet ist, um Energie für das Übermitteln des abgeleiteten Bewegungsparameters ausgebildet ist. In einem Beispiel, wenn drei Kondensatoren als Energiespeicher verwendet werden, dann können die Kapazitäten der jeweiligen Kondensatoren wie folgt sein: Erster Kondensator: 40 bis 100 μF; zweiter Kondensator 100 bis 200 μF; dritter Kondensator 2 bis 15 mF.
Der dritte Energiespeicher kann ausgebildet sein, um Energie zum Übermitteln von Bewegungsparametern (z. B. an eine entfernte Vorrichtung) bereitzustellen, wenn die Schuhsohle nicht in Bewegung ist und das piezoelektrische Element nicht verformt wird. Als ein Beispiel können die bestimmten Bewegungsparameter an eine entfernte Vorrichtung wie z. B. ein Smartphone, Smartwatch, Tablet-Computer, Personal Computer und andere geeignete Vorrichtungen übermittelt werden. Es kann vorteilhaft und bequem sein, die übermittelten erhaltenen Daten auf einer entfernten Vorrichtung zu überwachen (z. B. während einer kurzen Pause oder nach dem Workout). Bekannte Lösungen ermöglichen keinen solchen bequemen Zugriff auf die Daten, da die Vorrichtungen nur Energie erzeugen, die verfügbar ist solange die Vorrichtung verwendet wird. Es gibt keine Energiespeicher zum Bereitstellen von Energie während Pausen oder zumindest für eine bestimmte an Zeit nach dem der Workout beendet ist, die ausreicht, um die Daten von dem Modul auf die entfernte Vorrichtung zu übermitteln. Jedoch kann dieses Konzept auch auf dem zweiten Energiespeicher übertragen werden.
Das System kann auch ein Steuerungselement umfassen, wobei das Steuerungselement ausgebildet ist zum Steuern und/oder Überwachen der Energieniveaus der Energiespeicher. Der Begriff Steuerungselement, so wie er hierin verwendet wird, kann sich auf einen Microcontroller, ein logisches Element, ein programmierbares logisches Element oder andere aktive Schaltkreiskomponenten beziehen. In einem Beispiel hat das Hauptsteuerungselement in diesem System eine programmierbare Logik. Steuerungselemente haben vorteilhafte Eigenschaften zum Steuern des Systems und insbesondere der Module. Zum Beispiel kann das Steuerungselement den Energiefluss in dem System steuern, insbesondere von dem piezoelektrischen Sensor zu den verschiedenen Energiespeichern. Es kann auch konfiguriert sein, um die Funkvorrichtung, z. B. die Antenne, zu betreiben. Datenübertragung über die Funkvorrichtung wie z. B. die Antenne kann periodisch oder aperiodisch auftreten. Zum Beispiel könnten in aperiodischen Übertragungsszenarios Daten nur übermittelt werden, wenn ein Puffer voll ist oder nach einer bestimmten Benutzerinteraktion (z. B. durch Drücken eines Knopfes). Die bestimmte Benutzerinteraktion kann auch den Empfang eines Anforderungssignals von der entfernten Vorrichtung (z. B. während oder nach dem Workout) umfassen. Dies kann vorteilhaft sein, wenn es nicht nötig ist, die gemessenen Parameter konstant zu überwachen. Verschiedene Steuerungselemente können verwendet werden für verschiedene Zwecke wie nachstehend in größerem Detail beschrieben wird.
Des Weiteren kann das System zumindest ein Leistungsventil zum Steuern des Energieflusses an die ersten und die zweiten Energiespeicher oder, falls vorhanden, zwischen den ersten und dritten Energiespeichern und/oder zwischen den zweiten und den dritten Energiespeichern dienen. In Abhängigkeit von der Anzahl von Energiespeichern kann die Anzahl von Leistungsventilen variieren. Zum Beispiel kann es ein dediziertes Leistungsventil für jeden Energiespeicher geben. Das Leistungsventil kann vorteilhafterweise steuern, wann der erste Energiespeicher zu verwenden ist und wann der zweite Energiespeicher zu verwenden ist, oder allgemeiner, wann ein beliebiger der Energiespeicher zu verwenden ist. In dieser Weise kann ein verbesserter Betrieb und Verwendung verfügbarer Ressourcen erreicht werden.
Die Energiespeicher können Kondensatoren, Super-Kondensatoren, Dünnfilm-Lithium-Batterien oder andere Typen geeigneter Energiespeicher sein. Natürlich können verschiedene Kombinationen beliebiger dieser Typen verwendet werden. Zum Beispiel kann der erste Energiespeicher ein Kondensator sein und der zweite Energiespeicher kann eine Dünnfilm-Lithium-Batterie sein. Auf diese Weise können verschiedene Eigenschaften und Vorteile der jeweiligen Typen von Energiespeichern optimal verwendet werden. Als ein Beispiel kann ein Energiespeicher eines ersten Typs schnell aufladen, aber die gespeicherte Energie nicht für eine längere Zeitperiode vorhalten. Ein anderer Energiespeicher kann für die Aufladung länger benötigen, dann aber die gespeicherte Energie für eine längere Zeitperiode vorhalten.
Das System kann betrieben werden durch ausschließliche Verwendung von Energie, welche durch das elektrische Signal des piezoelektrischen Elements erhalten wurde. Auf diese Weise wird das System selbstversorgend betrieben und ist vollständig unabhängig von externen Energiequellen. Dies ermöglicht es, eine hermetisch abgeschlossene Konstruktion des Systems bereitzustellen, weil es nicht nötig ist, Zugriff auf beliebige der Komponenten zu ermöglichen oder eine externe Schnittstelle für Stecker zum Aufladen oder für andere Zwecke bereitzustellen. Durch Versiegeln des Systems ist es wasserdicht und die mechanische Konstruktion wird einfacher, da keine Öffnungen (wie z. B. Batterieabdeckungen) benötigt werden. Diese Art der Konstruktion ermöglicht auch eine einfache Konstruktion der Sohle. Es wird bemerkt, dass jede hierin beschriebene Ausführungsform als eine hermetisch versiegelte Konstruktion bereitgestellt werden kann.
Das piezoelektrische Element kann wenigstens zwei piezoelektrische Platten umfassen. Durch Verwendung mehr als einer Platte eines piezoelektrischen Elements ist es möglich, mehr Energie während des Ausübens einer Kraft zu erzeugen. Da alle diese Platten des piezoelektrischen Elements deformiert werden können und somit ein elektrisches Signal erzeugen, kann die Verwendung von zwei oder mehr davon vorteilhaft sein, wenn mehr Energie benötigt wird, als durch ein einzelnes piezoelektrisches Element mit einer einzelnen Platte erzeugt werden kann.
Des Weiteren könnte das System eine Antenne zum Übermitteln von Daten umfassen, welche von dem elektrischen Signal erhalten wurden. Die Antenne könnte in das Modul integriert sein, sie könnte aber auch extern zu dem Modul bereitgestellt werden. In einem Beispiel kann die Antenne flexibel sein und in der Einlegesohle des Schuhs bereitgestellt werden. Durch Verwendung einer externen Antenne kann eine bessere Übertragung von Daten realisiert werden.
Das Modul kann weiterhin einen Gleichrichter zum Verarbeiten des elektrischen Signals das in einem der Energiespeicher gespeichert werden soll, umfassen. Der elektrische Strom von den piezoelektrischen Elementen ist Wechselstrom (AC, engl. alternating current) und der Gleichrichter konvertiert den Wechselstrom in einen Gleichstrom (DC, engl. direct current), der an die Energiespeicher geleitet wird. Somit ermöglicht der Gleichrichter die Verwendung des elektrischen Stroms und somit der elektrischen Energie, welche aus der Deformation des piezoelektrischen Elements in beide Richtungen resultiert.
Das System kann eine Funkfrequenzvorrichtung umfassen, wobei die Funkfrequenzvorrichtung ausgebildet ist, um Daten an eine externe und entfernte Vorrichtung zu übermitteln und/oder zu empfangen. In einem Beispiel können die Daten in Übereinstimmung mit dem Bluetooth Low Energy (BTLE) Standard übermittelt werden. Andere mögliche Übertragungsstandards können ZigBee, Near Field Communication (NFC), Bluetooth, Bluetooth Smart, IrDA, Wi-Fi, zelluläre Netzwerkstandards oder andere geeignete Standards umfassen.
Das System kann zusätzliche Sensoren umfassen, um bestimmte Bewegungen des Schuhs zu messen, z. B. Beschleunigungssensor(en), um Distanz, Geschwindigkeit, Tempo, Bewegungszeit, zu erfassen, Gyroskop(e), um Orientierungsdaten zu erfassen, Magnetometer, um magnetische Daten zu erfassen, Temperatursensor(en), um die Temperatur zu messen, Drucksensor(en), um den Druck bei bestimmten Punkten in der Sohle zu bestimmen, GPS (oder Galileo, GLONASS), um die Position und Leistungsdaten (Geschwindigkeit, Tempo, Distanz, Zeit) zu ermitteln. Verschiedene Kombinationen von Sensoren können verwendet werden. Ein geeignetes Steuerungselement kann bereitgestellt werden, welche den Betrieb der jeweiligen Sensoren ermöglicht und selektives Einschalten oder Ausschalten von einem oder mehreren der Sensoren ermöglicht. Zum Beispiel kann es nicht nötig sein, die Position oder die Temperatur regelmäßig zu messen. Somit, um Energie zu sparen, kann das jeweilige Steuerungselemente ausgebildet sein, um den Betrieb der jeweiligen Sensoren zu steuern.
Das System kann einen Speicher aufweisen, der alle gemessenen und detektierten Daten speichert. Speicher die verwendet werden können umfassen RAM, ROM, Flash Speicher und andere Typen von Speichern, die dem Fachmann im Allgemeinen bekannt sind.
Das System kann eine Batterie umfassen, die zusammen mit dem Piezoelement verwendet werden kann und auch als Rückfalllösung verwendet werden kann, wenn die erzeugte Energie nicht effizient genug ist, um die Leistungsdaten zu ermitteln oder diese Daten zu übermitteln.
Der wenigstens eine Bewegungsparameter kann sich auf eines oder mehrere der folgenden beziehen: Schrittanzahl, Kadenz, Beschleunigung, Geschwindigkeit, Tempo, Zeit, Distanz oder Ereignisdetektion (Unterscheidung zwischen Laufen, Joggen, Rennen, Stehen). Das elektrische Signal kann weiterhin verwendet werden zum Bestimmen einer Dauer der Verwendung des Schuhs. Dies kann erzielt werden durch einen eingebauten Zeitgeber, der jedes Mal aktiviert wird, wenn eine Bewegung detektiert wird. In einem anderen Beispiel wird die Aktivierungszeit von wenigstens einem Piezoelement (oder Beschleunigungsmesser/Gyroskop/Magnetometer) gesammelt, um die Dauer der Verwendung des Schuhs zu bestimmen. Dies ermöglicht eine einfache Bestimmung der für die Aktivität relevanten Parameter durch Verwendung des selbstversorgenden Systems basierend ausschließlich auf der gewonnenen Energie.
Das Modul kann wenigstens einen Unterstützungsring zum Schutz des Moduls umfassen. Der Unterstützungsring kann die Bewegung der Abdeckung zum Schutz der Komponenten begrenzen. Insbesondere kann der Unterstützungsring das Überbiegen der Platten des piezoelektrischen Elements verhindern.
Das Modul kann wenigstens einen Druckbalken zum Betätigen des piezoelektrischen Elements umfassen. Bereitstellen eines solchen Druckbalkens (oder kurz „Balkens”) kann dazu beitragen, die Platten des piezoelektrischen Elements während der Verwendung des Schuhs zu biegen. Natürlich kann der Balken unterschiedliche Formen haben, z. B. eine längliche Form, eine Kreuzform, eine Kreisform oder andere Arten von Formen. Es ist auch denkbar, mehr als nur einen Balken zu haben, z. B. einen auf der Oberseite des Moduls und einen auf der Unterseite des Moduls, um das Biegen zu verbessern. Die Formen der Balken auf der Oberseite und der Unterseite der Module kann sich unterscheiden. Das Balkenmaterial kann aus verschiedenen Plastikmaterialien, Gummi, oder anderen geeigneten Materialien bestehen. Es ist auch möglich, überhaupt keinen Balken zu verwenden und das Piezomaterial als den Aktivator zu verwenden.
Das Modul kann wenigstens eine Blechabdeckung zum Leiten des elektrischen Signals umfassen. Blechabdeckungen können verschiedene Funktionen haben. Auf der einen Seite können sie eine elektrische Verbindung zwischen den piezoelektrischen Elementen und anderen Komponenten des Moduls bereitstellen. Diese anderen Komponenten können elektronische Komponenten oder eine Antenne sein. In diesem Sinn wird die zumindest eine Blechabdeckung nicht nur als Schutz verwendet, sondern auch als leitendes Element. Es ist auch denkbar, eine Plastikabdeckung oder eine Gummiabdeckung zu verwenden. Wenn das Abdeckungsmaterial nicht leitend ist, dann kann eine elektrische Verbindung bereitgestellt werden durch eine direkte Verbindung eines leitenden flexiblen Materials (z. B. ein Draht oder leitendes Band) zwischen den verschiedenen Komponenten wie z. B. Steuerungselemente, Sensoren und Piezoelement. Des Weiteren ist es denkbar, überhaupt keine Abdeckung zu verwenden. Wenn keine Abdeckung verwendet wird, dann kann ein leitendes Klebemittel verwendet werden. Zum Beispiel werden leitende Klebemittel bereitgestellt durch die Firma 3M. Leitende Bänder können verwendet werden, um übliche Erdungsmittel (Schrauben oder Befestigungen) zu verwenden. Des Weiteren können Sie eine verbesserte Flexibilität bereitstellen.
Die Dicke des wenigstens einen Moduls kann weniger als 5 mm, vorzugsweise weniger als 3 mm, betragen. Durch Bereitstellen eines Moduls mit einer Dicke von weniger als 3 mm kann es leicht in typische Einlegesohlen integriert werden, ohne eine wesentliche neue Konstruktion anderer Teile des Schuhs zu erfordern. Es ist auch vorteilhaft, ein dünnes Modul zu haben, um den Komfort für den Träger des Schuhs nicht zu reduzieren.
Das Modul kann in eine Kavität oder eine Ausnehmung einer Einlegesohle, einer Zwischensohle oder einer Außensohle eines Schuhs integriert werden. Abhängig von den einen oder mehreren Anforderungen des Athleten, den Eigenschaften des Schuhs und der Anzahl von Modulen, können eines oder mehrere der Module in unterschiedliche Teile des Schuhs oder der Schuhsohle integriert werden. Zum Beispiel kann ein erstes Modul in der Einlegesohle bereitgestellt werden, während ein zweites Modul in der Außensohle oder in der Zwischensohle bereitgestellt wird.
Die Module können in der Sohle (z. B. in der Einlegesohle oder der Zwischensohle) des Schuhs platziert werden, so dass sie maximalen Kräften ausgesetzt sind, während auf dem Untergrund aufgetreten wird. Die Module können in dem Fersenbereich und/oder in dem Vorderfußbereich der Sohle angeordnet werden. Während der Verwendung des Schuhs bzw. der Schuhsohle kann es Bereiche geben, die mehr Druck ausgesetzt sind als andere Teile des Schuhs oder der Schuhsohle. Zum Beispiel kann der Druck in dem Fersenbereich wesentlich höher sein als in dem Mittelfußbereich. Außerdem kann der Druck in dem Vorderfußbereich höher sein als in dem Mittelfußbereich. Welche Region dem höchsten Druck ausgesetzt es ist, kann auch von der jeweiligen Aktivität abhängen, z. B. kann es einen Unterschied machen, ob der Träger läuft oder Basketball spielt. Deshalb kann durch die Platzierung der Module in der Schuhsohle und durch Berücksichtigen dieser Aspekte eine verbesserte Energieeffizienz erhalten werden.
Die Module können in der Zwischensohle des Schuhs platziert werden, so dass sie maximalen Kräften während des Auftretens auf den Untergrund ausgesetzt sind. Die Module können in dem Fersenbereich und/oder in dem Vorderfuß Bereich der Sohle angeordnet werden. Während der Verwendung des Schuhs bzw. der Schuhsohle kann es Bereiche geben, die mehr Druck ausgesetzt sind als andere Teile des Schuhs oder der Schuhsohle. Zum Beispiel kann der Druck in dem Fersenbereich wesentlich höher sein als in dem Mittelfußbereich. Außerdem kann der Druck in dem Vorderfußbereich höher sein als in dem Mittelfußbereich. Welche Region dem höchsten Druck ausgesetzt ist, kann auch von der jeweiligen Aktivität abhängen, z. B. kann es einen Unterschied machen ob der Träger läuft oder Basketball spielt. Deshalb kann durch die Platzierung der Module in der Schuhsohle und durch Berücksichtigen dieser Aspekte eine verbesserte Energieeffizienz erhalten werden.
4. Kurze Beschreibung der Figuren
Mögliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden weiter beschrieben in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung mit Bezug auf die folgenden Figuren:
1: Schematische Zeichnung einer Einlegesohle aufweisend Energiegewinnungsknöpfe und Elektronik in Übereinstimmung mit einem Beispiel;
2: Aufsicht einer Einlegesohle in Übereinstimmung mit einem Beispiel;
3: Schematische seitliche Zeichnung eines Energiegewinnungsknopfes in Übereinstimmung mit einem Beispiel;
4: Schematische Zeichnung eines Energiegewinnungsknopfes in Übereinstimmung mit einem Beispiel;
5a–5g: Schematische Zeichnung eines Energiegewinnungsknopfes und des Betriebs davon in Übereinstimmung mit einem Beispiel;
6: Seitliche Ansicht eines Energiegewinnungsknopfes in Übereinstimmung mit einem Beispiel;
7: Konzeptdiagramm eines Energiegewinnungsknopfes in Übereinstimmung mit einem Beispiel;
8: Schematische Zeichnung einer Einlegesohle und eines Energiegewinnungsknopfes in Übereinstimmung mit einem Beispiel;
9: Konzeptdiagramm eines Energiegewinnungsknopfes umfassend verschiedene Sensoren in Übereinstimmung mit einem Beispiel;
10: Ansicht einer Einlegesohle aufweisend einen Energiegewinnungsknopf und verschiedene Drucksensoren in Übereinstimmung mit einem Beispiel;
11: Ansicht einer Einlegesohle aufweisend einen Energiegewinnungsknopf und verschiedene Drucksensoren und weitere Sensoren in Übereinstimmung mit einem Beispiel; und
12: Schematische Zeichnung eines Energiegewinnungsknopfes in Übereinstimmung mit einem Beispiel.
5. Detaillierte Beschreibung der Figuren
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in größerem Detail und mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Während manche der folgenden Beispiele für einen „Energiegewinnungsknopf” beschrieben werden, versteht sich, dass dies lediglich ein beispielhafter Typ eines Moduls ist. Die Erfindung kann auch auf verschiedene andere Weisen implementiert werden, z. B. indem das Modul als ein anderer Typ eines „Energiegewinnungs”-Moduls verwirklicht wird. Es versteht sich somit, dass eine beliebige Referenz auf einen „Energiegewinnungsknopf” hierin nicht auf die spezifische Form eines Knopfes beschränkt werden soll.
1 zeigt eine seitliche Ansicht einer beispielhaften Einlegesohle für einen Schuh, die Einlegesohle umfassend einen unteren Teil 100 und einen oberen Teil 110. Zwischen dem unteren Teil 100 und dem oberen Teil 110 sind drei Energiegewinnungsknöpfe aufweisend piezoelektrische Elemente 120, 130, 140 angeordnet. Des Weiteren gibt es in diesem Beispiel drei piezoelektrische Elemente 120, 130, 140 die durch zwei elektronische Komponenten 150, 160 gesteuert werden. Zum Beispiel kann die elektronische Komponente 150 das piezoelektrische Element 120 steuern, während die elektronische Komponente 160 die piezoelektrischen Elemente 130, 140 steuert. Beispielhafte Energiegewinnungsknöpfe aufweisend piezoelektrische Elemente und elektronische Komponenten werden nachstehend in größerem Detail beschrieben.
2 ist eine Aufsicht auf eine Einlegesohle für einen Schuh, wobei die Einlegesohle verschiedene Energiegewinnungsknöpfe aufweisend piezoelektrische Elemente und elektronische Komponenten aufweist. In diesem Beispiel weist ein Energiegewinnungsknopf ein piezoelektrisches Element 210 auf, welches in dem Fersenbereich der Sohle platziert ist, während drei Energiegewinnungsknöpfe aufweisend piezoelektrische Elemente 220, 230 und 240 in dem Vorderfußbereich der Sohle platziert sind. Ein Energiegewinnungsknopf umfassend das piezoelektrische Element 250 ist in dem lateralen Mittelfußbereich der Sohle angeordnet. Des Weiteren werden die dargestellten Energiegewinnungsknöpfe umfassend piezoelektrische Elemente 210, 220, 230, 240, 250 durch zwei elektronische Komponenten 260, 270 gesteuert. Die Verwendung von weniger elektronischen Komponenten als von Energiegewinnungsknöpfen aufweisend piezoelektrische Elemente ist vorteilhaft, da sie den Bedarf nach elektrischer Leistung zum Betrieb und auch den notwendigen Platz in der Sohle reduziert. Des Weiteren ist es möglich, nur einen Teil der Energiegewinnungsknöpfe aufweisend piezoelektrische Sensoren und somit der elektronischen Komponenten zu einem Zeitpunkt zu verwenden. In einem Beispiel könnte nur der Energiegewinnungsknopf aufweisend den piezoelektrischen Sensor 210 in der Ferse und die elektronische Komponente 260 verwendet werden. In einem anderen Beispiel können die elektronischen Komponenten 260 und 270 miteinander verbunden sein. In einem Beispiel umfasst nur eine der elektronischen Komponenten Datenübertragungsmittel wie z. B. eine Antenne. Dies wird in größerem Detail nachstehend beschrieben.
Die Energiegewinnungsknöpfe aufweisend piezoelektrische Sensoren und elektronische Komponenten können in der Sohle so angeordnet sein, dass eine maximale Kraft auf die piezoelektrischen Elemente welche von den Energiegewinnungsknöpfen umfasst sind auftreten, während die Kraft auf die elektronischen Komponenten so gering wie möglich gehalten wird. Auf diese Weise ist es möglich, die elektronischen Vorrichtungen zu schützen, während eine optimale Energiegewinnung aus dem Biegen der piezoelektrischen Elemente sichergestellt wird.
3 ist eine seitliche Ansicht eines beispielhaften Energiegewinnungsknopfes 300 in Übereinstimmung mit verschiedenen Beispielen der vorliegenden Erfindung. Hierin umfasst der Energiegewinnungsknopf 300 einen Unterstützungsring 340 und mehrere flexible Schaltkreise (PCB, engl. printed circuit boards) 310. Dazwischen können die piezoelektrischen Elemente 320 deformiert werden, wenn eine Kraft auf sie ausgeübt wird. Die piezoelektrischen Elemente können eine gesteuerte Bewegungsdistanz 330 in dem Energiegewinnungsknopf 300 haben, welcher durch den Unterstützungsring 340 definiert wird.
4 zeigt einen anderen beispielhaften Energiegewinnungsknopf 400 in Übereinstimmung mit verschiedenen Beispielen der vorliegenden Erfindung (wie vorstehend erwähnt, ist der Begriff „Knopf” nicht einschränkend zu verstehen; stattdessen kann der Knopf eine beliebige geeignete Form haben). Der Energiegewinnungsknopf 400 umfasst ein Gehäuse 405, welches Bereiche zum platzieren von Elektronik 410, Energie speichern (z. B. mit Kondensator, Superkondensator, Dünnfilm-Lithium-Batterie- oder anderen geeigneten Arten von Energiespeichern) und die Antenne umfassen kann. Der Energiegewinnungsknopf 400 kann auch ein Scheibenelement 420 (z. B. kreisförmige Form oder elliptische Form) umfassen, welches verhindert, dass das piezoelektrische Element 430 zu stark gebogen wird. Der Bereich in dem die piezoelektrischen Elemente 430 platziert werden, kann mit Bezug auf das Scheibenelement 420 erhöht werden, um ein Biegen des piezoelektrischen Elements 430 zu ermöglichen. Das piezoelektrische Element 430 kann mit den Steuerelementen und den anderen Elementen des Energiegewinnungsknopfes 400 (wie z. B. Energiespeicher, Sensor oder Antenne) verbunden werden, z. B. über einen flexiblen Schaltkreis oder ein leitendes Klebemittel 440. In einem Beispiel kann der Energiegewinnungsknopf 400 über einen Deckel geöffnet und geschlossen werden, um eine hermetisch versiegelte Komponente bereitzustellen.
5a zeigt einen Querschnitt eines anderen beispielhaften Energiegewinnungsknopfes 500 in Übereinstimmung mit einem Beispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel umfasst der Energiegewinnungsknopf 500 zwei Abdeckungen 505, eine obere Abdeckung und eine untere Abdeckung. Die Abdeckungen 505 können als Schutz verwendet werden (z. B. zur Bereitstellung einer starken oder wasserdichten Konstruktion). Falls die Abdeckungen aus einem leitfähigen Material (z. B. Blech oder ein flexibler Schaltkreis (FPC, engl. flexible printed circuit) mit einer Kupferschicht oder leitfähigem Klebemittel) ist, dann können die Abdeckungen 505 auch als leitfähige Elemente dienen, um Elektrizität und/oder Signale an die elektronische Komponente 540 weiterzuleiten, welche ebenfalls von dem Energiegewinnungsknopf 500 umfasst sein kann. Der dargestellte Energiegewinnungsknopf 500 umfasst zwei piezoelektrische Platten 510 in der Mitte des Energiegewinnungsknopfes 500, beide auf Keramiken platziert, wobei die Keramiken sich zur Seite erstrecken und mit einem Unterstützungsring 530 verbunden sind. Der Unterstützungsring 530 beschränkt die Bewegung der Abdeckungen 505 und verhindert auf diese Weise ein Überbiegen der piezoelektrischen Platten. In diesem Beispiel ist die elektronische Komponente 540 des Energiegewinnungsknopfes vollständig in dem Energiegewinnungsknopf 500 bereitgestellt und es gibt lediglich eine Verbindung zu einem externen Energiespeicher (z. B. Batterie) 550 welcher sich außerhalb befindet. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass die Antenne außerhalb des Energiegewinnungsknopfes 500 angeordnet wird, was zu einer verbesserten Datenübertragungseigenschaft führen kann. Jedoch kann in Abhängigkeit von der spezifischen Konstruktion die Antenne ebenfalls vollständig innerhalb des Energiegewinnungsknopfes 500 integriert sein. Des Weiteren können die oberen und unteren Teile des Energiegewinnungsknopfes 500 (die Abdeckungen) auch einen oder mehrere Balken 520 umfassen. Diese Balken 520 können sich von der Abdeckung zu den piezoelektrischen Platten 410 erstrecken und somit die piezoelektrischen Platten 510 bewegen und drücken. In dem dargestellten Beispiel gibt es einen Balken auf der unteren Seite und einen Balken auf der oberen Seite, die sich zu den jeweiligen unteren und oberen piezoelektrischen Platten erstrecken. Jedoch ist es auch denkbar, andere Konstruktionen zu verwenden. Zum Beispiel könnte die Form der Balken anders sein oder es wird nur ein einzelner Balken anstatt von zweien verwendet. Es kann auch eine andere Anzahl von Balken verwendet werden, in Abhängigkeit von der spezifischen Konstruktion.
5b zeigt eine Aufsicht auf den Energiegewinnungsknopf 500, wobei die obere Abdeckung entfernt worden ist, so dass der Unterstützungsring 530 sichtbar ist, welcher einen Schutz für die piezoelektrischen Elemente und die elektronischen Komponenten 540 bereitstellt. Der obere Balken 520 ist ebenfalls sichtbar, der es ermöglicht, das piezoelektrische Element (in dieser Figur nicht dargestellt) zu biegen.
Die folgenden 5c bis 5g (welche alle Schnittansichten wie 5a darstellen) zeigen einen beispielhaften Betriebszyklus des Energiegewinnungsknopfes 500. In 5c wird Druck auf den Energiegewinnungsknopf 500 ausgeübt (dargestellt durch die Pfeile), z. B. wenn der Fuß des Trägers des Schuhs in Kontakt mit dem Untergrund kommt. Dieser Druck wird auf die piezoelektrischen Platten 510 über den Balken 520 übertragen. Als Ergebnis der Deformation wird ein elektrischer Strom 555 von jeder der gebogenen piezoelektrischen Platten 510 erzeugt. Dieser elektrische Strom entspricht auch einem Signal des piezoelektrischen Elements. In einem Beispiel kann das Signal als ein Schrittsignal interpretiert werden, um einen Schrittzähler zu erhöhen. Der elektrische Strom wird dann in die elektronische Komponente des Energiegewinnungsknopfes 500 weitergeleitet 560 (5d), wie auch das Schrittsignal, welches an das entsprechende Steuerungselement weitergeleitet werden kann (z. B. Microcontroller, digitale Logik oder ähnliche Komponente). Danach wird, wie mit Bezug auf 5e beschrieben, ein weiterer elektrischer Strom 570 durch die piezoelektrischen Elemente erzeugt, wenn der Druck freigegeben wird (z. B. wenn der Schuh von dem Untergrund angehoben wird), als ein Ergebnis der Deformation (Übergang in den stabilen Zustand) des piezoelektrisches Elements. Auch dieser weitere elektrische Strom 570 kann an die elektronische Komponente übertragen werden 560 und weiterverarbeitet werden, wie in 5f dargestellt. Zuletzt kann das erhaltene Schrittsignal (welches durch den Microcontroller des Energiegewinnungsknopfes 500 weiterverarbeitet worden sein kann) an eine entfernte Vorrichtung 590 (z. B. ein Smartphone, Smartwatch, Tablet-Computer, Personal Computer oder eine beliebige andere geeignete Vorrichtung, Server, Cloud) zur Anzeige und/oder weiteren Bearbeitung weitergeleitet 580 werden. Die Erfindung ermöglicht die Verwendung des Signals der piezoelektrisches in Elemente sowohl als Sensor (z. B. als Schrittzähler) als auch zum Betrieb der elektronischen Komponenten des Energiegewinnungsknopfes 500, umfassend die Übertragung an eine entfernte Vorrichtung. Mit dieser Technik ist es auch möglich, die Zeit zwischen zwei Schritten zu detektieren, welche dann verwendet werden kann, um die „Luftzeit” (z. B. um einen Sprung zu bestimmen) zu detektieren, oder um eine Schrittfrequenz (z. B. Schritte pro Minute) zu detektieren, oder um verschiedene Ereignisse während der Bewegung zu detektieren, Mittel zum Detektieren, ob der Träger des Schuhs läuft, rennt, joggt, sprintet, ..., dies kann auch leicht ermittelt werden durch Vergleich des Signals mit Nachschlagetabellen. Diese Ereignisklassifikation, sowie die Schritte können dann in einem Speicher gespeichert werden und entweder (via Bluetooth Low Energy (BTLE), ZigBee, Near Field Communication (NFC), Bluetooth, Bluetooth Smart, IrDA, Wi-Fi, zelluläre Netzwerkstandards oder andere geeignete Standards) in Echtzeit oder nach einem Workout (oder Bewegung der Sohle) übertragen werden. Es könnte in der Elektronik gespeichert sein, dass nach einer vordefinierten Zeit die Daten, die (zumindest temporär) in dem Speicher abgelegt sind, an eine entfernte Vorrichtung übertragen werden. Diese entfernte Vorrichtung könnte ein Smartphone, Smartwatch, Tablet-Computer, Personal Computer oder eine andere geeignete Vorrichtung oder eine Server-/Cloud-Vorrichtung sein.
6 ist eine andere Darstellung eines Beispiels eines Energiegewinnungsknopfes 600 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Der Energiegewinnungsknopf 600 umfasst untere und obere Blechabdeckungen 610, 620. Die Blechabdeckungen beinhalten jeweils einen Druckbalken 640, zum Ausüben von Druck auf die piezoelektrischen Elemente 650, so dass sie einen elektrischen Strom als Ergebnis der Deformation erzeugen. Der Energiegewinnungsknopf 600 wird durch die Unterstützungsringe 630 geschützt. Somit können die piezoelektrischen Elemente 650 vor Rissen oder Durchbruch geschützt werden. Die Unterstützungsringe können hergestellt werden unter Verwendung von Flüssigkristall-Polymer-Formen (LCP, engl. liquid crystal polymer molding). Jedoch sind auch andere Herstellungsarten oder Formungsarten denkbar und dem Fachmann im Allgemeinen bekannt. Weitere Teile des Energiegewinnungsknopfes 600 wurden in 6 aus Klarheitsgründen unterdrückt. Auf diese Weise kann ein selbstversorgender Schrittzähler (Energiegewinnungsknopf 600) bereitgestellt werden, welcher die notwendige Elektronik integriert hat. Der Energiegewinnungsknopf 600 kann in die Einlegesohle integriert werden, kann aber auch in die Zwischensohle oder sogar in die Außensohle integriert werden. In Abhängigkeit von der spezifischen Konstruktion kann eine Kavität notwendig sein für den Energiegewinnungsknopf 600.
7 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Energiegewinnungsknopfes 700 in Übereinstimmung mit einem Beispiel der vorliegenden Erfindung. Es zeigt die duale Funktionalität des piezoelektrischen Elements, nämlich sowohl zum Energiegewinn als auch als Sensorelement verwendet zu werden. Das piezoelektrische Element 705 erzeugt einen elektrischen Strom beim Durchbiegen wie vorstehend beschrieben. Der erzeugte elektrische Strom ist ein Wechselstrom (AC, engl. alternating current) und kann zu dem Gleichrichter 710 weitergeleitet werden. Der Gleichrichter 710 transformiert den Wechselstrom in einen Gleichstrom (DC, engl. direct current), der nachfolgend für das Energieverwendung Modul 720 verwendet werden kann. Das Energieverwaltungsmodul 720 erzeugt einen regulierten Strom, der verwendet werden kann zum Betrieb des Microcontrollers 730 und für die Datenanalyse. Des Weiteren kann der durch das piezoelektrische Element 705 erzeugte elektrische Strom verwendet werden zur Schrittzählung oder Ableitung anderer Bewegungsparameter über die Hochimpedanzbrücke 740 und den Hochimpedanzkomparator 750, welcher einen Spannungspuls erzeugt, der an den Microcontroller weitergeleitet wird zur nachfolgenden Datenanalyse. Die Hochimpedanzbrücke 740 ist ein Widerstands-Spannungsteiler (engl. resistance voltage divider). Dieser muss einen sehr hohen Widerstand aufweisen, um den Stromfluss für Sensorzwecke so gering wie möglich zu halten. Der Hochimpedanzkomparator 750 ist eine Komponente welche Spannungsniveaus an zwei Eingängen vergleicht. Normalerweise gibt es eine Referenzspannung und die andere ist die aktive Spannung (wie z. B. ein Signal von dem Piezoelement). Wenn die aktive Spannung die Referenzspannung übersteigt, dann steigt die Ausgangsspannung in dem Komparator. Wenn die aktive Spannung geringer ist als die Referenzspannung, dann ist die Ausgangsspannung des Komparators niedrig.
Auf diese Weise kann das piezoelektrische Element in dem Energiegewinnungsknopf 700 für zwei verschiedene Funktionen verwendet werden, nämlich zum Energiegewinn und zur Schrittzählung. Jedoch können auch andere Arten von Bewegungsparametern aus dem elektrischen Strom abgeleitet werden, wie z. B. Kadenz (Zeit zwischen zwei Signalen, welche Schritte darstellen), Geschwindigkeit (z. B. wenn die durchschnittliche Schrittlänge und die Anzahl von Schritten bekannt ist, welche entweder von dem Benutzer vordefiniert sein könnten oder mithilfe eines Mobilgeräts ermittelt werden, das (über Bluetooth Low Energy (BTLE), ZigBee, Near Field Communication (NFC), Bluetooth, Bluetooth Smart, IrDA, Wi-Fi, zelluläre Netzwerkstandards oder andere geeignete Standards) mit der Elektronik des Energiegewinnungsknopfes 700 verbunden ist, sowie viele andere, die hierin beschriebene werden. Der Begriff Mobilgerät sowie hierin verwendet, bezieht sich auf eine tragbare Vorrichtung, welche geeignet ist um, über einen oder mehrere der vorstehend erwähnten Standards zu kommunizieren. Mobilgeräte umfassen Smartphones, Smartwatches, Tablet PCs, mobile Computer, tragbare Computer, Personal Digital Assistants, Spielekonsolen, Digitalkameras, Pager, Smartcards, Mobiltelefone, und Musikabspielgeräte. Mobilgeräte umfassen typischerweise eine Anzeige, eine (virtuelle) Tastatur, einen Prozessor und einen Speicher. Jedoch müssen in Abhängigkeit von dem Typ des Mobilgeräts nicht alle diese Komponenten vorhanden sein. Der Energiegewinnungsknopf 700 der vorliegenden Erfindung bietet eine preiswertere Lösung als andere Lösungen (z. B. Beschleunigungsmesser basierend auf Schrittdetektion), hat einen geringen Stromverbrauch und eine sehr einfache Konstruktion: Zur Schrittzählung benötigt der Energiegewinnungsknopf 700 gemäß dem vorstehend gezeigten Beispiel zwei Widerstände und einen MOSFET-Transistor, und zur Energiegewinnung benötigt der Energiegewinnungsknopf 700 nach dem vorstehend gezeigten Beispiel eine Gleichrichterbrücke (4 Dioden) und einen oder mehreren Kondensatoren zum Energie speichern. Des Weiteren wird zum Steuern der Komponenten ein Mikrocontroller und ein logischer Schaltkreis benötigt. Der kleine und leichte Energiegewinnungsknopf 700 kann leicht in die Einlegesohle eines Schuhs (oder andere Teile eines Schuhs) integriert werden.
8 zeigt eine beispielhafte Implementierung eines Energiegewinnungsknopfes 800 in eine Einlegesohle, die in Übereinstimmung mit einem Beispiel der vorliegenden Erfindung ist. Wie man sieht, umfasst die Einlegesohle 805 eine Kavität 810. Der Energiegewinnungsknopf 800 wie hierin beschrieben, kann innerhalb der Kavität platziert werden, welche mit dem Deckel 830 geschlossen werden kann. Auf diese Weise kann der Energiegewinnungsknopf 800 leicht in der Einlegesohle platziert werden und zum Bestimmen zumindest eines Bewegungsparameters verwendet werden, und dabei ausschließlich auf die durch die piezoelektrischen Elemente gewonnene Energie zurückgreifen. Jedoch ist es auch denkbar, dass der Energiegewinnungsknopf 800 in die Einlegesohle integriert ist (das heißt, nicht entfernt werden kann). In diesem Beispiel könnte die Elektronik an die Innenseite der Einlegesohle eingeformt werden. Die Einlegesohle kann dann Schritte unter Verwendung des piezoelektrischen Elements detektieren und messen (durch Verwendung derselben Elemente, welche die Energie erzeugen), sowie die Geh- und/oder Renn-Frequenz, die Laufgeschwindigkeit und/oder die Distanz. Es ist auch denkbar, andere Sensoren innerhalb der Sohle des Schuhs zu verwenden und zu betreiben. Zum Beispiel können die anderen Sensoren einen Beschleunigungssensor, ein Gyroskop, ein Magnetometer und/oder einen Positionssensor (z. B. GPS, Galileo, oder GLONASS) umfassen. Natürlich können auch verschiedene Kombinationen dieser Sensoren verwendet werden, in Abhängigkeit der typischen Verwendung des Energiegewinnungsknopfes. Zum Beispiel kann zum Basketball spielen eine Sohle mit einem Positionssensor von geringerer Notwendigkeit sein, als für einen Energiegewinnungsknopf in einem Laufschuh.
Eine Ausführungsform eines Energiegewinnungsknopfes 900 der vorliegenden Erfindung ist in 9 gezeigt. Dieser kann einen Prozessor 905, ein piezoelektrisches Element 910 (wie vorstehend beschrieben), einen Speicher 950 (z. B. RAM, ROM, Flash Speicher, FRAM Speicher, oder andere geeignete Speicherarten) und zumindest eines oder mehrere der folgenden Elemente umfassen: Energiespeicher 960 (z. B. die Kondensatoren), eine Batterie 970 (wie vorstehend beschrieben), eine Sender/Empfänger Einheit 980 (z. B. Bluetooth Low Energy (BTLE), ZigBee, Near Field Communication (NFC), Bluetooth, Bluetooth Smart, IrDA, Wi-Fi, zelluläre Netzwerkstandards oder andere geeignete Standards) und verschiedene zusätzliche Sensoren, wobei der wenigstens eine Sensor einer der folgenden ist: Beschleunigungssensor 920, Gyroskop 930, Magnetometer 940, Drucksensor 990 und ein Positionssensor 995 (z. B. GPS, Galileo, GLONASS). Andere Arten von Sensoren können ebenfalls verwendet werden (nicht gezeigt). Es wird deutlich gemacht, dass ein Energiegewinnungsknopf so wie hierin beschrieben, nicht alle der mit Bezug auf 9 dargestellten Sensoren umfassen muss. Stattdessen kann es sein, dass in Abhängigkeit von dem jeweiligen Zweck nur einer oder manche der Sensoren beinhaltet sind.
10 zeigt eine beispielhafte Verwendung eines hierin beschriebenen Energiegewinnungsknopfes 1000 in einer Einlegesohle. Der Energiegewinnungsknopf 1000 ist in dem Fersenbereich einer Sohle 1010 (z. B. Zwischensohle oder Einlegesohle) in Verbindung mit verschiedenen Drucksensoren 1020a–e platziert. In diesem Beispiel gibt es fünf Drucksensoren die ausgebildet sind, um den Druck, der in dem Vorderfußbereich, z. B. durch die Zehen des Trägers, ausgeübt wird, zu messen. Die Drucksensoren können durch den Energiegewinnungsknopf 1000 gesteuert und betrieben werden, der eines oder mehrere piezoelektrisches Elemente zum Erzeugen von Energie, sowie geeignete Steuerelemente zum Steuern der Drucksensoren umfasst. Es sei angemerkt, dass die Anzahl, der Typ und die Platzierung von Sensoren und Energiegewinnungsknöpfen 1000 in 10 nicht repräsentativ ist. Andere Arten von Sensoren könnten auch verwendet werden, verschiedene Positionen in der Sohle 1010 (Zwischensohle oder Einlegesohle) sind denkbar und eine unterschiedliche Anzahl von Sensoren ist auch möglich, in Abhängigkeit von dem vorgesehenen bestimmten Zweck. Ein beispielhafter Energiegewinnungsknopf 1000 der verwendet werden könnte, ist mit Bezug auf 9 mit dem Bezugszeichen 900 beschrieben.
Ein weiteres Beispiel ist in 11 gezeigt. Wie gesehen werden kann, umfasst eine Einlegesohle einen Energiegewinnungsknopf 1100, der in dem Fersenbereich der Sohle 1110 angeordnet ist. In ähnlicher Weise zu der vorangehenden Figur sind fünf Drucksensoren 1120a–e in dem Vorderfußbereich angeordnet, um den Druck des Vorderfußbereichs, z. B. durch die Zehen des Trägers, zu messen. Zusätzlich gibt es noch einen anderen Drucksensor 1120f, der in dem Fersenbereich angeordnet ist, um den Druck zu messen, welcher durch den Träger ausgeübt wird, wenn er mit der Ferse auf dem Untergrund aufkommt. Zusätzliche elektronische Elemente 1130 wie z. B. Sensoren (z. B. Positionssensor (z. B. GPS, GLONASS, Galileo), Temperatursensor, Beschleunigungssensor, Magnetometer, Gyroskop oder beliebige andere Kombinationen hiervon, Speicher, Batterie) können in dem Mittelfußbereich der Einlegesohle bereitgestellt werden. Elektrische Elemente 1130 können nicht lösbar mit der Einlegesohle (oder mit der Zwischensohle) verbunden sein oder lösbar in einer Kavität (Hohlraum oder dergleichen) innerhalb der Einlegesohle (oder Zwischensohle) gesichert sein. Jedoch sei angemerkt, dass die Anzahl, der Typ und die Position der jeweiligen Sensoren variieren kann. Zum Beispiel kann die Anzahl von Drucksensoren in dem Vorderfußbereich reduziert werden, so dass nur der Druck des gesamten Vorderfußbereichs gemessen wird (im Gegensatz zu dem Druck der durch jeden Zeh ausgeübt wird).
12 ist eine andere Darstellung eines Beispiels eines Energiegewinnungsknopfes 1200 in Übereinstimmung mit einem Beispiel der vorliegenden Erfindung. Wie vorstehend beschrieben worden ist, erzeugt eines oder mehrere piezoelektrische Elemente 1205 ein elektrisches Signal oder Strom als ein Ergebnis einer Deformation. Dieser elektrische Strom kann verwendet werden zur Bestimmung 1210 eines oder mehrerer Bewegungsparameter, wie z. B. Schrittdetektion. Der elektrische Strom kann dann an einen Gleichrichter 1220 weitergeleitet werden, welcher das AC-Signal des piezoelektrischen Elements 1205 in ein DC-Signal konvertiert.
Der erste Energiespeicher wird zuerst geladen. Wenn die Spannung in dem ersten Energiespeicher ein bestimmtes Niveau überschreitet, dann wird der Spannungsregulierer 1260 (DCDC Konverter/LDO Regulierer) eingeschaltet. Unmittelbar danach wird der Spannungsregulierer 1260 die Leistungsverwaltungslogik (z. B. Leistungsverwaltungsschaltkreis) 1270 starten. Die Funktion der Leistungsverwaltungslogik 1270 ist, dass sie den Leistungsfluss zwischen Energiespeichern (z. B. den Kondensatoren) steuert und Spannungniveaus kennt, welche dem Mikrocontroller 1280 mitgeteilt werden. Die Leistungsverwaltungslogik 1270 prüft in einem Beispiel alle 200 ms das Spannungsniveau in den Kondensatoren 1230 und 1235. In Abhängigkeit von den spezifischen Eigenschaften können auch andere Zeitintervalle zum Prüfen des Spannungsniveaus sinnvoll sein, wie z. B. alle 50 ms, 100 ms 300 ms oder 500 ms.
Das Spannungsniveaudetektierungsverfahren kann mit der Widerstandsbrücke verwendet werden, welche in Reihe mit Lastschalterkomponenten geschaltet ist, welche mit Kondensatoren verbunden sind. Auch ein direktes Spannungsmessungsverfahren kann verwendet werden.
Wenn das Spannungsniveau eine bestimmte Grenze überschreitet (z. B. 4,2 V), dann detektiert die Leistungsverwaltungslogik 1072 diesen Überschuss und wird das Leistungsventil zwischen den Kondensatoren öffnen.
Wenn zum Beispiel das Spannungsniveau in dem ersten Energiespeicher 1032 überschritten wird, dann wird die Leistungsverwaltungslogik 1072 das Leistungsventil zwischen dem ersten Energiespeicher 1230 und dem zweiten Energiespeicher 1235 öffnen. Wenn das Leistungsventil geöffnet ist, dann wird ein Strom zu dem zweiten Energiespeicher 1235 fließen. Zur selben Zeit sinkt die Spannung in dem ersten Energiespeicher 1230 und sobald sie unter einem bestimmten Schwellenwert ist (z. B. 4,2 V), wird das Leistungsventil geschlossen. Dasselbe wird auch zwischen dem zweiten Energiespeicher 1035 und dem Dritten Energiespeicher 1240 auftreten.
Wenn das Spannungsniveau in dem zweiten Energiespeicher 1235 hoch genug steigt, dann detektiert die Leistungsverwaltungslogik 1270 dies und wird das Einschalten des Microcontrollers ermöglichen. Wenn der Microcontroller eingeschaltet wird, dann beginnen die Spannungsniveaus in dem ersten Energiespeicher 1230 und dem zweiten Energiespeicher 1235 zu sinken. Wenn die Niveaus unter einem bestimmten Schwellenwert sind, der durch die Leistungsverwaltunglogik 1270 gemessen werden kann, dann wird ein Steuerungsignal an den Microcontroller gesendet, welcher einen Schlafmodus/Niedrigenergiemodus initiiert. Die Leistungssteuerung kann auch auf andere Weisen durchgeführt werden, z. B. kann der Microcontroller sich selbst für eine bestimmte Zeitperiode eingeschaltet lassen, wenn er exakt weiß, wie viel Ladung aus den Energiespeichern (z. B. Kondensatoren) verbraucht wird.
Wenn der Microcontroller eingeschaltet ist, dann wird der Stromfluss aus dem ersten Energiespeicher 1030 über den Spannungsregulierer 1260 fortgesetzt. Wenn das Spannungsniveau in dem ersten Energiespeicher 1230 geringer ist als der in dem zweiten Energiespeicher 1035 minus dem Schwellenwertniveau des Leistungsrückkopplungselements 1245 (z. B. eine Schottky-Diode), dann kommt der Stromfluss auch von dem zweiten Energiespeicher 1235, welcher den ersten Energiespeicher 1230 unterstützt.
Der Microcontroller 1180 kann auch die Antenne 1290 für nachfolgende Datenübertragung betreiben. In Übereinstimmung mit den hierin beschriebenen Beispielen kann die Datenübertragung auf zwei Wegen erfolgen: Der erste besteht darin, dass ein Mobilgerät von dem Benutzer während der Übung getragen wird. Die Daten von dem Energiegewinnungsknopf 1200 werden von Zeit zu Zeit an das Mobilgerät gesendet. Zum Beispiel können die Daten in Echtzeit oder in Intervallen wie z. B. 50 ms, 500 ms, 1 Sekunde, 5 Sekunden, 10 Sekunden, 30 Sekunden, oder nur wenn der Speicher voll ist oder bei Anfrage durch den Benutzer, gesendet werden. Eine zweite Möglichkeit zur Datenübertragung kann realisiert werden, wenn der Energiegewinnungsknopf 1200 ohne das Mobilgerät verwendet wird. Die Daten werden in einem Speicher (z. B. RAM, ROM, Flash-Speicher, FRAM Speicher oder ähnliche geeignete Speicherarten) gesammelt, welcher mit dem Energiespeicherknopf 1200 verbunden oder kombiniert ist. Nach der Übung, das bedeutet nach einer bestimmten Zeit, während der der Energiegewinnungsknopf 1200 oder die Sensoren kein Signal produzieren oder empfangen, endet die Aufnahme. Der Energiegewinnungsknopf 1200 verbindet sich über einen Sender oder Sender/Empfänger (engl. transceiver) (z. B. Bluetooth Low Energy (BTLE), ZigBee, Near Field Communication (NFC), Bluetooth, Bluetooth Smart, IrDA, Wi-Fi, zelluläre Netzwerkstandards oder andere geeignete Standards) mit einem Router, einem Servercomputer, einem Computer, einem Mobilgerät wie vorstehend definiert oder einem beliebigem andere geeigneten Medium und überträgt die aufgenommenen Daten, die während der Übung gesammelt wurden. Ein Beispiel, wie es in diesem Fall realisiert werden könnte, wäre, dass der Microcontroller das Sender bzw. Sender/Empfängersignal detektiert und das Ventil zwischen dem dritten Energiespeicher 1040 und dem Leistungsrückkopplungselement 1250 öffnet. Auf diese Weise wird es genug Leistung für die Datenübertragung geben. Die Leistung von dem dritten Energiespeicher 1042 kann über das Leistungsrückkopplungselement 1250 zu dem ersten Energiespeicher 1230 fließen.
Zusätzlich kann die Leistung von dem dritten Energiespeicher 1042 auch für andere Zwecke verwendet werden, wie z. B. ein schneller Start des Systems. Auf diese Weise kann der Energiegewinnungsknopf 1200 sich selbst, basierend auf selbst gewonnener Energie, verwalten. Nichtsdestotrotz ist der Energiegewinnungsknopf 1200 entwickelt worden, um einen sehr geringen Stromverbrauch zu haben. Die Leistungsspeicher die vorstehend erwähnt wurden, können eines oder mehrerer von Kondensator, Superkondensator, Dünnfilm-Lithium-Batterie oder andere geeignete Arten von Energiespeichern (z. B. beliebige Batterie) sein, welche einen geringen Leckstrom und kleine Abmessungen haben. Die Firmware des Microcontrollers und die Antenne können auf eine Weise entwickelt sein, dass sie in einem Schlafmodus sind, wenn sie nicht verwendet werden. Dies ermöglicht einen geringeren Leistungsverbrauch und eine effizientere Energienutzung.
Es wird darauf hingewiesen, dass die verschiedenen hierin beschriebenen Sensoren, z. B. mit Bezug auf 9, verwendet werden können in Verbindung mit dem Energiegewinnungsknopf 1200, der in Verbindung mit 12 beschrieben worden ist. Zum Beispiel können beliebige oder auch Kombinationen von Beschleunigungssensor 920, Gyroskop 930, Magnetometer 940, Drucksensor 990 und Positionssensor 995 mit dem Energiegewinnungsknopf 1200 verwendet werden. In einem Beispiel können die Sensoren gesteuert werden durch das Steuerungselement 1280, welches auch ausgebildet ist zum Steuern des Restes des Energiegewinnungsknopfes 1200, und die Sensoren können die zum Betrieb nötige Leistung von den hierin beschriebenen Energiespeichern erhalten.
Während das vorstehende mit Bezug auf piezoelektrische Elemente beschrieben worden ist, wird angemerkt, dass auch andere Arten von Elementen die in der Lage sind, einen elektrischen Strom aus mechanischer Dehnung zu erzeugen, verwendet werden können. Somit kann das Ziel, einen sich selbst versorgenden Energiegewinnungsknopf bereitzustellen, der einen oder mehrere Sensoren umfasst und bei dem die erzeugte elektrische Energie sowohl als Sensorsignal als auch zum Betreiben des Systems verwendet wird, auch durch andere Arten von Elementen realisiert werden (z. B. durch einen elektromagnetischen Typ umfassend einen Körper, mit permanenter Magnetisierung, konfiguriert, um in einer Spule bewegt zu werden, wobei die Bewegung erzeugt wird durch Ausüben von Druck auf das Element).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Artikel „Insole Pedometer With Piezoelectric Energy Harvester and 2 V Organic Circuits” von Ishida et al., veröffentlicht in IEEE Journal of solid-state circuits, Vol. 48, No. 1, Januar 2013 [0007]

Claims

System für eine Schuhsohle mit wenigstens einem Modul, das Modul aufweisend: a. wenigstens ein Piezoelement das ausgebildet ist um ein elektrisches Signal zu erzeugen bei einer mechanischen Deformation des wenigstens einen Piezoelements; b. wobei das elektrische Signal ausgebildet ist um als ein Signal zum Ableiten wenigstens eines Bewegungsparameters der Schuhsohle verwendet zu werden; c. wenigstens ein erster Energiespeicher und ein zweiter Energiespeicher, der wenigstens erste Energiespeicher und zweite Energiespeicher sind ausgebildet zum Speichern elektrischer Energie, die von dem elektrischen Signal erhalten wird; d. wobei der zweite Energiespeicher erst geladen wird, nachdem der erste Energiespeicher einen ersten Energieschwellenwert erreicht.
System nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend einen dritten Energiespeicher, der ausgebildet ist zum Speichern von elektrischer Energie, die von dem elektrischen Signal erhalten wurde.
System nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Energiespeicher ausgebildet ist, um Energie zum Verarbeiten des abgeleiteten zumindest einen Bewegungsparameters bereitzustellen, wobei der zweite Energiespeicher ausgebildet ist, um Energie für ein Steuerungselement und/oder Funkfrequenzfunktionalität bereitzustellen, und wobei der dritte Energiespeicher ausgebildet ist, um Energie zum Übermitteln des abgeleiteten Bewegungparameters bereitzustellen.
System nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Energie bereitgestellt wird, wenn die Schuhsohle nicht in Bewegung ist.
System nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend ein Steuerungselement, wobei das Steuerungselement ausgebildet ist zum Steuern und/oder Überwachen der Energieniveaus der Energiespeicher.
System nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend zumindest ein Leistungsventil zum Steuern des Energieflusses zu den wenigstens ersten und zweiten Energiespeichern.
System nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei die Energiespeicher Kondensatoren, Superkondensatoren oder Dünnfilm-Lithium-Batterien oder Kombinationen hiervon sind.
System nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei das System betrieben wird, indem nur Energie verwendet wird welche von dem elektrischen Signal erhalten wurde.
System nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei das Piezoelement wenigstens zwei Piezoplatten aufweist.
System nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend eine Antenne zum Übermitteln von Daten, welche von dem elektrischen Signal erhalten wurden.
System nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei das Modul weiterhin einen Gleichrichter zum Verarbeiten des elektrischen Signals aufweist, welches in einem der Energiespeicher zu speichern ist.
System nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend eine Funkfrequenzvorrichtung, wobei die Funkfrequenzvorrichtung ausgebildet ist zum Übermitteln von Daten nach dem Bluetooth Low Energy (BTLE) Standard.
System nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Bewegungsparameter sich auf eines oder mehrere von Schrittzahl, Schrittfrequenz, Tempo, Kadenz, Beschleunigung, Geschwindigkeit oder Distanz bezieht.
System nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Bewegungsparameter in einem Speicher gespeichert wird.
System nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei das elektrische Signal weiterhin verwendet wird zum Bestimmen einer Benutzungsdauer des Schuhs.
System nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei das Modul wenigstens einen Druckbalken zum betätigen des Piezoelements aufweist.
System nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dicke des wenigstens einen Moduls weniger als 3 mm beträgt.
System nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei das Modul in eine Kavität einer Einlegesohle, einer Zwischensohle oder einer Außensohle eines Schuhs integriert ist.
System nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche aufweisend mehrere Module, wobei die Module in der Sohle des Schuhs platziert sind, so dass sie maximalen Kräften während des Auftretens auf den Untergrund ausgesetzt sind.
System nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die mehreren Module in dem Fersenbereich und/oder dem Vorderfußbereich der Sohle angeordnet sind.
Schuhsohle aufweisend ein System nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche.
Schuh aufweisend eine Schuhsohle nach dem vorangehenden Anspruch.