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Die Erfindung betrifft eine Einlegesohle insbesondere für einen Sportschuh, welche aufweist: einen an die Innenkontur des Sportschuhs geometrisch angepassten flexiblen flächigen Träger und eine auf dem Träger fixierte Drucksensoranordnung aus einer Mehrzahl von flächigen Drucksensoren mit jeweils einem Paar Stromversorgungs- und Sensorsignalleitungen zur Stromversorgung der Drucksensoren und Fortleitung der Sensorsignale zu einer integrierten oder externen Sensorsignal-Übertragungseinheit. Sie betrifft des Weiteren eine Fußdruck-Messanordnung, die eine derartige Einlegesohle umfasst, sowie schließlich einen Sportschuh.
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Es ist seit Längerem bekannt, bei bestimmten Sportarten zur Verbesserung der Performance eine Analyse der Fußbewegungen des Sportlers und insbesondere des mit verschiedenen Abschnitten der Fußsohle auf den Untergrund ausgeübten Drucks vorzunehmen. Derartige Untersuchungen wurden bereits vor längerer Zeit im Golfsport angestellt, wobei der Golfspieler auf eine hinreichend große Druckmessplatte platziert wurde, die über eine Vielzahl von matrixartig angeordneten Sensorpunkten eine räumlich hochaufgelöste Erfassung des beim Schlagen des Golfballs auf den Untergrund ausgeübten Drucks der einzelnen Bereiche des Fußes ermöglicht. Es versteht sich, dass eine solche Anordnung mit einem relativ großen und schweren Messwertaufnehmer sich im Wesentlichen für einen stationären Einsatz eignet und ihre Anwendungsmöglichkeiten daher begrenzt sind.
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Des Weiteren ist es seit Längerem bekannt, in die Sohle von Schuhen, insbesondere auch Sportschuhen, Sensoren zur Erfassung bestimmter physiologischer Parameter oder auch des vom Träger bei bestimmten Bewegungen auf den Untergrund ausgeübten Drucks zu integrieren. Diese Lösungen haben den Nachteil, dass bei Unbrauchbarkeit der Sohle oder anderer Teile der Schuhkonstruktion aufgrund von Verschleiß oder Beschädigungen auch die relativ aufwändige Sensorik unbrauchbar wird. Zudem erfordert dann die Entsorgung des Schuhs eine separate Entsorgung der Elektronik, was natürlich die Entsorgungskosten erhöht. Darüber hinaus entstehen für Sportler, die für Trainingszwecke mehrere Paar Schuhe nutzen, relativ hohe Gesamtkosten, wenn jedes Paar dieser Schuhe mit einer entsprechenden Sensorik ausgestattet wird.
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Daher wurden inzwischen auch Lösungen vorgeschlagen, bei denen Sensoren für physiologische Parameter oder Druck- bzw. Kraftsensoren nicht in die Sohle des Schuhs, sondern in eine Einlegesohle integriert werden, die mit verschiedenen Schuhen genutzt werden kann und nicht wertlos wird, wenn ein Schuh verschlissen ist.
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Eine Einlegesohle dieser Art für medizinische Zwecke ist aus der
US 2010/0324455 A1 bekannt, und ein System zur Erfassung der beim Radfahren mit den Füßen aufgewendeten Kraft, welches eine entsprechende Einlegesohle einschließt, ist aus der
US 20015/0025816 A1 bekannt. Des Weiteren lehrt die
US 2019/0041278 A1 eine Krafterfassungseinrichtung, die insbesondere in eine Einlegesohle für eine Schuh eingebaut werden kann.
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Aus der
EP 3 771 357 A1 der Anmelderin ist eine Einlegesohle mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Einlegesohle der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, die insbesondere auch dann verlässliche und leicht auswertbare Daten liefert, wenn sie in im Wesentlichen identischer Konfiguration und in wenigen unterschiedlichen Größen in Serie hergestellt und für einen breiten Kreis von Sportlern und ggfs. auch für verschiedene Sportarten genutzt wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Einlegesohle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche. Des Weiteren werden Fußdruck-Messanordnungen mit den Merkmalen der Ansprüche 11 bis 14 bereitgestellt.
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Die Erfindung basiert auf experimentellen Untersuchungen der Erfinder, speziell im Bereich des Golfsports, und schließt den Gedanken ein, in die Einlegesohle jeweils eine geeignete Anzahl von Drucksensoren im Zehenbereich, im Ballenbereich, im Bereich des Außenrists und im Fersenbereich vorzusehen und diese Sensoren mit einer hinreichend großen Wirkfläche auszubilden, dass verlässliche und leicht auswertbare Messergebnisse trotz gewisser anatomischer Abweichungen bei verschiedenen Trägern der Sohle gewonnen werden können, und zwar ohne aufwändige vorherige Kalibrierungen für den jeweiligen Träger.
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Speziell wird vorgeschlagen, dass im Zehenbereich der Einlegesohle 2 bis 4 Drucksensoren, von denen einer im Bereich des großen Zehs platziert ist, im Ballenbereich 2 bis 4 Drucksensoren, im Bereich des Außenrists 1 bis 2 Drucksensoren und im Fersenbereich 2 bis 4 Drucksensoren vorgesehen sind und wobei die Wirkfläche jedes Sensors 2 cm2 oder mehr beträgt.
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Die Gesamtzahl der Sensoren ist hierbei für eine einfache Übertragung und Auswertung hinreichend klein, ermöglicht jedoch die Gewinnung aussagekräftiger Drucksignale insbesondere für verschiedene Sportarten, wie etwa den Golfsport, Tennis, Baseball oder Laufsportarten.
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In zweckmäßigen Ausgestaltungen liegt die Wirkfläche der Drucksensoren im Bereich zwischen 2,5 cm2 und 5 cm2.
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In einer weiteren praktisch bedeutsamen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass alle Drucksensoren im Wesentlichen rechteckig geformt sind und die gleiche geometrische Form und Wirkfläche haben. Dies ermöglicht eine kostengünstige Produktion der Einlegesohle und von Einlegesohlen, die für verschiedene Schuhgrößen bestimmt sind.
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In einer besonderen Ausführung sind im Zehenbereich zwei Drucksensoren angeordnet, von denen einer sich über die Berührungsfläche von mindestens zwei Zehen erstreckt. Hiermit lassen sich die besonders relevanten Druckkräfte, die einerseits vom großen Zeh und andererseits von den mittleren Zehen des Fußes auf den Untergrund ausgeübt werden, hinreichend genau erfassen und dann einer einfachen Auswertung unterziehen.
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In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass im Ballenbereich (also in dem Bereich der Fußsohle, der sich dorsal an den Zehenbereich anschließt) drei Drucksensoren angeordnet sind, von denen einer sich medial, ein anderer lateral und der dritte mittig zwischen beiden befindet.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist im Bereich des Außenrists ein Drucksensor im Wesentlichen mittig über die Längserstreckung des Außenrists angeordnet. Dieser einzelne Sensor ermöglicht im normalen Anwendungsfall für die o. a. Sportarten eine hinreichend verlässliche Erfassung der in diesem Bereich auftretenden Druckkräfte.
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Schließlich ist in einer weiteren Ausführung vorgesehen, dass im Fersenbereich drei Drucksensoren angeordnet sind, von denen einer medial, einer lateral und einer dorsal platziert ist. Für diese Ausführung gilt das Gleiche wie für die vorstehend genannten Ausgestaltungen, dass nämlich mit nur wenigen Sensoren eine völlig ausreichend aufgelöste Druckkrafterfassung bei den relevanten Bewegungen des Sportlers möglich ist.
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In einer weiteren nach den Erkenntnissen der Erfinder zweckmäßigen Ausführung sind die im Wesentlichen rechteckig geformten (ggfs. an den Ecken abgerundeten) Drucksensoren derart positioniert, dass die Längsrichtungen mit der Richtung der Längserstreckung der Einlegesohle Winkel zwischen 0° und 30° einschließen.
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In einer aus derzeitiger Sicht bevorzugten Ausführung der Drucksensoren handelt es sich um resistiv-dielektrische Drucksensoren, die auch als Druckmessfolien-Sensoren anzusprechen sind. Diese umfassen in einer speziellen Ausführung eine erste leitfähige Schicht, auf dieser eine dielektrische Schicht, die von einem die Form des Drucksensors bestimmenden Spacer umgeben und abgegrenzt ist, und auf der dielektrischen Schicht und dem Spacer eine zweite leitfähige Schicht. Diese Schichtfolge kann einerseits direkt auf dem flächigen flexiblen Träger der Einlegesohle oder andererseits auch auf einem speziellen dünnen isolierenden Sensor-Träger angeordnet sein, der einen oder mehrere Drucksensoren mit der jeweils zugehörigen Zuleitungsstruktur aufnimmt.
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In einer erprobten und aus derzeitiger Sicht gut funktionsfähigen Realisierung ist vorgesehen, dass die erste leitfähige Schicht Silber aufweist, die dielektrische Schicht aus voneinander beabstandeten dielektrischen Inseln gebildet ist und die zweite leitfähige Schicht Kohlenstoff aufweist.
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Alternativ können die Drucksensoren nach anderen physikalischen Wirkprinzipien gebildet sein, speziell kapazitive oder piezo-resistive Sensoren sein, sofern mit ihnen eine niedrige Bauhöhe realisierbar ist, die die Integration in eine Einlegesohle problemlos ermöglicht.
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In einer zweckmäßigen konstruktiven Ausführung hat die Einlegesohle einen mindestens 3-schichtigen Aufbau, der neben dem flächigen flexiblen Träger eine Zwischenschicht, in der die Drucksensoren und die Stromversorgungs- und Sensorsignalleitungen angeordnet sind, und eine oder mehrere Deckschicht/en umfasst, wobei die Steifigkeit des flächigen Trägers größer als die Steifigkeit der Deckschicht/en ist. Speziell können hierbei der flächige flexible Träger und die Deckschicht oder mindestens eine der Deckschichten auf PET-Basis gebildet sein.
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Die vorgeschlagene Einlegesohle kann in einer Minimalkonfiguration realisiert sein, in der sie keine Stromversorgungs-Signalübertragungs- oder Auswertungskomponenten enthält und daher besonders einfach und kostengünstig herstellbar ist. Eine mit einer solchen Einlegesohle gebildete Fußdruck-Messanordnung umfasst neben der eigentlichen Einlegesohle einen bandförmigen Zuleitungsträger, der ein an die Einlegesohle (oder den oben erwähnten gesonderten Drucksensor-Träger) angeformtes oder hiermit verbundenes erstes Ende und ein als Anschlussbuchse oder Anschlussstecker o. ä. ausgebildetes zweites Ende hat. Weiterhin umfasst sie ein mit dem zweiten Ende des Zuleitungsträgers verbindbares Stromversorgungs- und Übertragungsmodul, welches mindestens eine Stromquelle zur Stromversorgung der Drucksensoren und eine Sensorsignal-Übertragungseinheit zur Übertragung der Sensorsignale nach extern aufweist und zur Befestigung am Sportschuh konfiguriert ist. Die Sensorsignal-Übertragungseinheit kann insbesondere eine Bluetooth-Übertragungseinheit sein.
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Eine solche Fußdruck-Messanordnung kann mit einer zwischen die Drucksensoren und die drahtlose Übertragungseinheit in die Sensorsignalleitungen eingefügten integrierten Verarbeitungseinheit ausgestattet sein, die insbesondere eine der Anzahl der Drucksensoren entsprechende Anzahl von Vorverarbeitungs-Kanälen zur separaten Vorverarbeitung der Sensorsignale der einzelnen Drucksensoren umfasst. Eine solche integrierte Verarbeitungseinheit kann insbesondere eine Digitalisierung und/oder sonstige Vorverarbeitung der Sensor-Rohsignale für die Übertragung nach extern leisten.
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Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Einlegesohle (ohne Deckschicht/en),
- 2A-2F schematische Darstellungen der Sensorkonfiguration der Einlegesohle nach 1 (jeweils mit einer zugehörigen Detailansicht), die verschiedene Phasen der Herstellung der Drucksensoren verdeutlicht,
- 3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführung der erfindungsgemäßen Fußdruck-Messanordnung und
- 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführung der erfindungsgemäßen Fußdruck-Messanordnung.
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1 zeigt, als wesentliche Teile einer Einlegesohle 1, einen PET-Träger 3 in Fußform und eine hierauf fixierte Sensorträgerfolie 5, auf der insgesamt neun Drucksensoren 7 mit jeweils einem Paar von Stromversorgungs- und Sensorsignalleitungen (hier nicht gezeigt) angeordnet sind. Die Sensorträgerfolie 5 hat einen bandförmigen seitlichen Fortsatz 5a, der an dem Schaft eines Sportschuhs, in den die Einlegesohle 1 eingelegt wird, nach oben geführt werden kann, und an dessen Ende einen Anschlussstecker 5b.
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Von den neun Drucksensoren sind im Zehenbereich zwei vorgesehen, von denen einer im Bereich des großen Zehs und der andere so platziert ist, dass er sich über die Berührungsfläche von zwei weiteren Zehen erstreckt. Drei weitere sind im Bereich dorsal des Zehenbereiches in gleichen Abständen von medial nach lateral angeordnet, ein weiterer ist annähernd mittig im Bereich des Außenrists eines auf die Einlegesohle tretenden Fußes platziert, und die drei verbleibenden Drucksensoren sind im Fersenbereich platziert, und zwar einer medial, einer lateral und einer dorsal.
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Die Drucksensoren 7 können eine Breite im Bereich zwischen 12 und 18 mm, insbesondere von etwa 15 mm, und - in verschiedenen getesteten Ausführungen - eine Länge im Bereich zwischen 15 mm und 40 mm, insbesondere zwischen 30 und 35 mm, haben. Ihre Grundform ist, wie in 1 zu erkennen, abgerundet rechteckig, und in der gezeigten Ausführung haben alle Drucksensoren die gleiche Form, und sie sind - mit Ausnahme des dorsalen Drucksensors im Fersenbereich - weitgehend parallel zur Längsrichtung der Einlegesohle 1 ausgerichtet.
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2A bis 2F zeigen schematisch die wesentlichen Phasen der Herstellung der Drucksensorik der Einlegesohle in einer aus derzeitiger Sicht zweckmäßigen Ausführung. Demnach wird in einem ersten Schritt (2A) die Sensorträgerfolie 5 in geeigneter geometrischer Form bereitgestellt. In einem zweiten Schritt (2B) wird in den für die einzelnen Drucksensoren vorgesehenen Flächenbereichen jeweils eine Silberschicht 7a abgeschieden. In einem dritten Schritt (2C) wird beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens oder Tintenstrahldruck o. ä. innerhalb der Flächenbereiche der Silberschicht der einzelnen Sensoren eine Dielektrikumsschicht 7b aus kleinen Dielektrikums-Aggregaten in Scheibenform aufgebracht.
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In einem vierten Schritt (2D) wird um das Dielektrikum herum jeweils ein isolierender Spacer 7c aufgebracht, der die Wirkfläche der Sensoren begrenzt. In einem fünften Schritt (2E) wird auf das Dielektrikum 7b und den Spacer 7c als zweite leitfähige Schicht des Sensors eine Kohlenstoffschicht 7d aufgebracht. In einem abschließenden sechsten Schritt (2F) wird die Sensorträgerfolie mit den darauf erzeugten Sensorkomponenten mit einer PET-Deckfolie 7e abgedeckt und verschlossen.
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Es versteht sich, dass zusammen mit der ersten leitfähigen Schicht, der Silberschicht 7a, eine erste Zuleitung und zusammen mit der zweiten leitfähigen Schicht, der Kohlenstoffschicht 7d, eine zweite leitfähige Zuleitung zu dem jeweiligen Drucksensor zu dessen Stromversorgung und zur Sensorsignalableitung gebildet wird. Dies ist in 2B und 2E nicht gesondert dargestellt.
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Die auf die oben beschriebene Weise erzeugte Drucksensorkonfiguration wird zwischen den vorgefertigten Einlegsohlen-Träger 3 und mindestens einer Deckschicht laminiert, wobei an sich bekannte Verfahren eingesetzt werden können. Grundsätzlich ist es auch möglich, die erste leitfähige Schicht der Drucksensoren direkt auf einem Einlegsohlen-Träger zu erzeugen und die Deckschicht der Sensorkonfiguration zugleich als Deckschicht der gesamten Einlegesohle auszubilden.
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3 zeigt schematisch, in Art eines Blockschaltbildes, eine die Einlegesohle 1 nach 1 umfassende Fußdruck-Messanordnung, die neben der Einlegesohle ein Stromversorgungs- und Übertragungsmodul 9 umfasst. Dieses ist mittels eines schematisch dargestellten Clips 9a an dem Sportschuh befestigbar, in den die Einlegsohle 1 eingelegt wird.
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Das Modul 9 ist an den Anschluss 5b der Einlegsohle 1 angeschlossen und umfasst eine Stromquelle 11, etwa einen Akku, eine Stromversorgungssteuerung 13, die zwischen dem Akku und die im Stecker 5b zusammengefassten Zuleitungen der Drucksensoren 7 geschaltet ist, zur Stromversorgung der Drucksensoren. Sie umfasst des Weiteren eine drahtlose Übertragungseinheit 15, etwa vom Bluetooth-Typ, die über eine zugehörige Antenne 15a die mit der Einlegesohle 1 gewonnenen Druckdaten zur Auswertung nach außerhalb des Sportschuhs überträgt. In der gezeigten Ausführung ist zwischen den Signalanschluss 5b der Einlegsohle 1 und die Übertragungseinheit 15 eine Verarbeitungseinheit 17 geschaltet, die eine Vorverarbeitung der Sensorsignale für die drahtlose Signalübertragung leistet.
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Das Stromversorgungs- und Übertragungsmodul 9 wirkt hinsichtlich der Auswertung der Signale der Drucksensoren mit einem Auswertungssystem zusammen, welches beispielsweise im Smartphone eines Nutzers des Sportschuhs implementiert sein kann, das aber nicht zur vorliegenden Erfindung gehört und daher hier nicht beschrieben wird.
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4 zeigt eine andere Ausführung der Fußdruck-Messanordnung, bei der wesentliche Elektronik-Komponenten in die Einlegesohle 1 integriert sind. Es versteht sich, dass hierzu die entsprechenden Zuleitungen der Sensoren nicht über einen bandförmigen Zuleitungsträger aus der Sohle herausgeführt, sondern innerhalb der Sohle mit den entsprechenden Komponenten verbunden sind.
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In der gezeigten Ausführung umfasst die Fußdruck-Messanordnung ein in die Einlegesohle integriertes Stromversorgungselement 11' sowie eine ebenfalls in die Einlegesohle 1 integrierte Bluetooth-Übertragungseinheit 15' und eine Verarbeitungseinheit 17', deren Funktionen im Wesentlichen den Funktionen der oben beschriebenen entsprechenden Einheiten 15 und 17 aus 3 entsprechen.
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Bezugszeichenliste
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- 1; 1'
- Einlegesohle
- 3
- Träger
- 5
- Sensorträgerfolie
- 5a
- Fortsatz
- 5b
- Anschlussstecker
- 7
- Drucksensoren
- 7a
- Silberschicht
- 7b
- Dielektrikumsschicht
- 7c
- Spacer
- 7d
- Kohlenstoffschicht
- 7e
- Deckfolie
- 9; 9'
- Übertragungsmodul
- 9a
- Clip
- 11, 11'
- Stromquelle/Stromversorgungselement
- 13
- Stromversorgungssteuerung
- 15, 15'
- drahtlose Übertragungseinheit
- 17, 17'
- Verarbeitungseinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20100324455 A1 [0005]
- US 200150025816 A1 [0005]
- US 20190041278 A1 [0005]
- EP 3771357 A1 [0006]
