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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen einen Drucksensor, insbesondere, aber nicht ausschließlich für ein Fußbekleidungsstück, wie z. B. einen Schuh, einen Stiefel, eine Sandale oder dergleichen. Ein solcher Drucksensor kann verwendet werden, um vom Fuß des Trägers auf die Sohlenstruktur ausgeübten Druck zu messen.
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Stand der Technik
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Das Dokument
US 2010/0063779 offenbart einen Schuh mit einem integrierten Sensorsystem. Das Sensorsystem erfasst Leistungsdaten, die zur weiteren Verwendung über einen Kommunikationsanschluss übertragen werden. Der Schuh enthält einen in der Sohlenstruktur angeordneten Kraftsensor zum Messen eines durch den Fuß des Trägers auf die Sohlenstruktur ausgeübten Drucks (einer Kraft) in mehreren Bereichen sowie ein elektronisches Modul, das ausgebildet ist, um Daten von den Sensoren zu erfassen. Das Modul ist dafür ausgebildet, die Daten zur weiteren Verarbeitung an eine externe Vorrichtung zu übertragen. In einer der in der
US 2010/0063779 offenbarten Ausführungsformen umfasst der Drucksensor vier längliche Druckmesszellen, die jeweils eine erste und eine zweite Elektrode sowie ein kraftempfindliches Widerstandsmaterial enthalten, das zwischen den Elektroden angeordnet ist, um die Elektroden elektrisch zu verbinden. Wenn auf das kraftempfindliche Material ein Druck ausgeübt wird, ändert sich dessen Widerstandsfähigkeit und die sich ergebende Änderung des Widerstands wird von dem elektronischen Modul erkannt. Materialien, die ein volumenbasiertes Widerstandsverhalten aufweisen, werden als das kraftempfindliche Material verwendet: Wenn ein solches Material zusammengedrückt wird, bewegen sich in diesem enthaltene leitfähige Teilchen näher aufeinander zu, wodurch Leitungswege gebildet werden und der Widerstand abnimmt. Wenn ein anderer Widerstand gegenüber dem Druckprofil erforderlich ist, muss ein geeignetes kraftempfindliches Material gefunden werden, was schwierig sein kann.
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Die
WO 2009/152456 A2 beschreibt einen Schuh mit einem Sensorsystem, das mit einem Kommunikationsanschluss verbunden ist. Leistungsdaten werden von dem System erfasst und können zur weiteren Verwendung über den Kommunikationsanschluss übertragen werden. Der Schuh kann ein elektronisches Modul enthalten, welches zum Sammeln von Daten von den Sensoren konfiguriert ist. Das Modul kann die Daten auch an ein externes Gerät zur weiteren Verarbeitung übertragen.
US 20011 0008 389 A1 beschreibt einen Kraftsensor mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode aus leitfähigem Material, die beabstandet zueinander auf einem ersten isolierenden Träger angeordnet sind. Ein Kontaktelement aus leitfähigem Material ist gegenüber den beiden Elektroden angeordnet, wobei das Kontaktelement gegen die Elektroden gepresst wird, wenn eine Kraft auf den Kraftsensor ausgeübt wird.
US 2011/0115738A1 beschreibt ein Berührungspanel, das mit einer Druckerkennungsfunktion versehen ist, wobei das Berührungspanel einen druckempfindlichen Sensor umfasst.
WO 2011/040291 A1 beschreit eine Montagestruktur mit einer Berührungseingabe-vorrichtung, an deren Unterseite mindestens ein Berührungsfeld und ein Drucksensor befestigt sind.
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Aufgabenstellung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Drucksensor zur Verfügung zu stellen, wobei die eine oder die mehreren Druckmesszellen einen vergrößerten dynamischen Bereich aufweisen, d. h. wobei deren elektrischer Widerstand mit zunehmendem Druck langsamer, aber über einen weiteren Bereich abnimmt. Diese Aufgabe wird durch einen Drucksensor nach Anspruch 1 gelöst.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Der vorgeschlagene Drucksensor umfasst eine oder mehrere Druckmesszellen. Jede Zelle umfasst eine erste flexible Trägerfolie und eine zweite flexible Trägerfolie, wobei die erste und die zweite Trägerfolie durch eine Abstandsfolie mit einer Öffnung aneinander angebracht sind, eine Vielzahl von auf der ersten Trägerfolie angeordneten ersten Elektroden und eine Vielzahl von auf der zweiten Trägerfolie angeordneten zweiten Elektroden, wobei die Vielzahl von ersten Elektroden und die Vielzahl von zweiten Elektroden derart einander in der Öffnung gegenüberliegend angeordnet sind, dass die ersten und die zweiten Elektroden miteinander in Kontakt gebracht werden können, wenn auf die Druckmesszelle Druck ausgeübt wird, und dass sich mit steigendem Druck Kontaktbereiche zwischen den ersten und den zweiten Elektroden vergrößern. Die ersten Elektroden sind Widerstandselektroden (z. B. aus Graphittinte, Kohlenstofftinte, Graphit-KohlenstoffTinte oder dergleichen). Die Vielzahl von ersten Elektroden umfasst eine erste Gruppe von Elektroden und eine zweite Gruppe von Elektroden, wobei die erste und die zweite Gruppe von Elektroden derart angeordnet sind, dass sie ineinander greifen und dabei Lücken zwischen sich abgrenzen. Die erste Trägerfolie trägt Leiterbahnen, die Randabschnitte der ersten Elektroden kontaktieren, die sich entlang der Lücken erstrecken, wobei jede Leiterbahn eine Äquipotentialkurve in dem jeweiligen Randabschnitt definiert. Ein oder mehrere elektrisch isolierende Aufdrucke sind auf der ersten Trägerfolie angeordnet, um die Lücken abzudecken. Die Aufdrucke überlappen die Randabschnitte, in denen die ersten Elektroden von den Leiterbahnen kontaktiert werden, zumindest teilweise (vorzugsweise bedecken sie sie vollständig). Die elektrisch isolierenden Aufdrucke verhindern lokal einen direkten Kontakt zwischen den ersten und zweiten Elektroden und ermöglichen den direkten Kontakt, wenn sie fehlen. Der Drucksensor gemäß der Erfindung kann insbesondere (aber nicht ausschließlich) in einem Fußbekleidungsstück (insbesondere einem Sportschuh, wie z. B. einem Laufschuh, einem Tennisschuh oder dergleichen) verwendet werden, welcher eine Sohlenstruktur zum Unterstützen des Fußes eines Trägers und ein Obermaterial zum Halten des Fußes des Trägers auf der Sohlenstruktur umfasst. In diesem Fall ist ein Drucksensor gemäß der Erfindung vorzugsweise in der Sohlenstruktur angeordnet, um einen Druck zu messen, der von dem Fuß des Trägers auf die Sohlenstruktur ausgeübt wird.
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Die oben beschriebene Druckmesszelle zeigt ein verbessertes dynamisches Verhalten auf Grund des Vorliegens der elektrisch isolierenden Aufdrucke und der Leiterbahnen in den Randbereichen der ersten Elektroden. Diese Schichten verstärken lokal die erste Trägerfolie, wodurch die mechanische Reaktion der Trägerfolie hin zu höheren Drücken verschoben wird (d. h. sie biegt sich weniger leicht unter Druck). Es folgt daraus, dass die Zuwachsrate des Kontaktbereichs zwischen den ersten und den zweiten Elektroden mit zunehmendem Druck abnimmt (bei höheren Drücken breitet sich der Kontaktbereich zu den Rändern der druckempfindlichen Zelle aus, wobei zumindest die erste Trägerfolie auf Grund des Vorliegens der Leiterbahn und der Aufdrucke unter Druck weniger leicht nachgibt).
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Dies bedeutet wiederum, dass ein maximaler mechanischer Kontakt zwischen den ersten Elektroden und den zweiten Elektroden bei einem höheren Druck auftritt als bei herkömmlichen Druckmesszellen.
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Vorzugsweise sind die Druckmesszellen derart konfiguriert (insbesondere durch Anpassen der Form der elektrisch isolierenden Aufdrucke), dass sich Drücke im Bereich von etwa 0,1 bar bis 7 bar in einer stetigen Änderung des Kontaktbereichs zwischen den Widerstandselektroden (und somit des elektrischen Widerstands der Zelle) von 0 % (beim Einschaltdruck, d. h. bei etwa 0,1 bar) und etwa 100 % (vollständiger Kontakt bei etwa 7 bar) äußern.
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Vorzugsweise sind auch die zweiten Elektroden Widerstandselektroden. Alternativ können sie leitfähige Elektroden sein (z. B. aus einer Silbertinte oder einer leitfähigen Kohlenstoff-/Graphittinte). Die elektrisch isolierenden Aufdrucke sind vorzugsweise aus elektrisch isolierender (dielektrischer) Tinte gefertigt.
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Vorteilhafterweise umfasst die Vielzahl von zweiten Elektroden eine dritte Gruppe von Elektroden und eine vierte Gruppe von Elektroden, wobei die dritte und die zweite vierte Gruppe von Elektroden derart angeordnet sind, dass sie ineinander greifen und dabei Lücken zwischen sich abgrenzen. Am meisten bevorzugt sind die ersten und zweiten Elektroden spiegelsymmetrisch zueinander.
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Auch die zweite Trägerfolie kann Leiterbahnen tragen, die Randabschnitte der zweiten Elektroden kontaktieren, die sich entlang der Lücken erstrecken.
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Die dritte und vierte Gruppe von Elektroden kann durch eine hohe Impedanz voneinander getrennt sein, wenn die ersten und zweiten Elektroden nicht miteinander in Kontakt sind, und über die ersten Elektroden parallelgeschaltet werden, wenn die ersten und zweiten Elektroden in Kontakt miteinander sind. Zusätzlich oder alternativ können die erste und die zweite Gruppe von Elektroden durch eine hohe Impedanz voneinander getrennt sein, wenn die ersten und zweiten Elektroden nicht miteinander in Kontakt sind, und über die zweiten Elektroden parallelgeschaltet werden, wenn die ersten und zweiten Elektroden miteinander in Kontakt sind.
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Vorzugsweise befinden sich die eine oder die mehreren Sensorzellen eines in einer Sohlenstruktur eines Fußbekleidungsstücks anzuordnenden Drucksensors in Bereichen, in denen das Auftreten von Druckspitzen erwartet wird, wenn der Träger der Fußbekleidung still steht, läuft oder rennt. Vorteilhafterweise befindet sich jede der einen oder mehreren Sensorzellen vorzugsweise in einem Bereich entsprechend einem Knochen oder einem Knochenteil eines Fußes des Trägers, ausgewählt aus dem Fersenbein, dem ersten Metatarsalköpfchen, dem vierten oder fünften Metatarsalköpfchen, dem zweiten oder dritten Metatarsalköpfchen und dem ersten Trochlea phalangis. Die Fachleute werden erkennen, dass sich Druckhöchstwerte typischerweise unter dem Fersenbein, unter dem vierten und/oder fünften Metatarsalköpfchen und unter dem ersten Trochlea phalangis befinden, wenn der Träger still steht; wenn der Träger läuft, befinden sich die Druckhöchstwerte normalerweise unter dem Fersenbein, unter dem zweiten und/oder dritten Metatarsalköpfchen und unter dem ersten Trochlea phalangis.
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Die Druckmesszellen können verschiedene Formen annehmen. Zum Beispiel kann jede der Druckmesszellen oval, elliptisch oder rechteckig mit abgerundeten Winkeln sein.
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Zum Ausgleichen von Gasdruck in der Öffnung umfasst jede der Druckmesszellen vorteilhafterweise ein Lüftungsloch. Das Lüftungsloch kann in fluider Verbindung nach Außen des Drucksensors (z. B. mit der Atmosphäre) oder mit einem Gas- (z. B. Luft-) Reservoir innerhalb des Drucksensors stehen. Ein derartiges Gasreservoir könnte z. B. ein Hohlraum zwischen der ersten und der zweiten Trägerfolie sein.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Drucksensor einen Schaumgummiträger, z. B. aus Ethylenvinylacetat (EVA), der vorzugsweise durch einen Klebstoff an der ersten oder der zweiten Trägerfolie befestigt ist.
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Wie Fachleute erkennen werden, könnte der Drucksensor in verschiedenen Teilen einer Sohlenstruktur einer Fußbekleidung angeordnet sein. Zum Beispiel könnte der Drucksensor auf oder in der Brandsohle angeordnet sein. Alternativ könnte der Drucksensor auf, in oder unter der Zwischensohle angeordnet sein.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Drucksensor für ein Fußbekleidungsstück, der eine flexible Mehrschichtfolienstruktur aufweist, wobei der Drucksensor des Weiteren eine trogförmige Aufnahme für ein elektronisches Steuermodul aufweist, wobei die Aufnahme in ihrem Inneren eine Vielzahl von Anschlussstiften zum Verbinden des Drucksensors mit dem elektronischen Steuermodul aufweist. Vorzugsweise ist die trogförmige Aufnahme aus Kunststoffmaterial, z. B. PET oder Epoxidharz, gefertigt.
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Die Aufnahme ist vorzugsweise in einer Öffnung angeordnet, die in der flexiblen Mehrschichtfolienstruktur angeordnet ist. Die Aufnahme kann ein Unterteil und ein Oberteil aufweisen, wobei das Unterteil und das Oberteil derart miteinander aufgebaut werden, dass sie zwischen sich einen Rand der Öffnung in der Mehrschichtfolienstruktur einklemmen und somit die Mehrschichtfolienstruktur an der Aufnahme befestigen.
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Figurenliste
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Es werden nun beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen bevorzugte, nicht einschränkende Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Querschnittsansicht in Längsrichtung der Sohlenstruktur eines Sportschuhs, der mit einem Drucksensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgerüstet ist;
- 2 eine Draufsicht auf den Drucksensor des Sportschuhs aus 1;
- 3 eine Explosionsansicht einer der Druckmesszellen des Drucksensors aus 2;
- 4 eine schematische Querschnittsansicht der Ebene B-B aus 3;
- 5 ein Diagramm, das den Unterschied zwischen dem elektrischen Verhalten einer Druckmesszelle ohne elektrisch isolierende Aufdrucke und einer mit solchen Aufdrucken veranschaulicht;
- 6 ein Blockdiagramm des Stromkreises des in 2 veranschaulichten Drucksensors;
- 7 ein schematisches Blockdiagramm eines alternativen Stromkreises für den Drucksensor aus 2;
- 8 ein schematisches Blockdiagramm eines alternativen Stromkreises für den Drucksensor aus 2;
- 9 eine Explosionsansicht einer Variante der Druckmesszelle aus 3;
- 10 eine Veranschaulichung der druckabhängigen Zunahme der Kontaktbereiche zwischen den Elektroden einer Druckmesszelle, wie in 3 oder 9 gezeigt ist.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
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In 1 ist ein Fußbekleidungsartikel in Form eines Sportschuhs 10 gezeigt und umfasst ein Obermaterial 12 und eine Sohlenstruktur 14. Das Obermaterial 12 ist an der Sohlenstruktur 14 befestigt und definiert eine Kammer zur Aufnahme eines Fußes. Die Sohlenstruktur 14 umfasst eine Laufsohle 14.1, eine Zwischensohle 14.2 und eine Brandsohle 14.3, die die Unterseite der den Fuß aufnehmenden Kammer des Sportschuhs 10 bildet.
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Der Folientyp-Drucksensor ist auf der oberen Oberfläche eines EVA-Substrats 17 angeordnet. In der veranschaulichten Ausführungsform ist bei der Zwischensohle 14.2, die vorzugsweise aus einem stoßdämpfenden Material gebildet ist, der Folientyp-Drucksensor 16 auf seinem Substrat 17 an deren oberer Oberfläche angebracht. Wenn sich die Brandsohle an ihrem Platz befindet, ist der Drucksensor 10 somit zwischen der Brandsohle 14.3 und der Zwischensohle 14.2 sandwichartig eingelegt.
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Wie es am besten in 2 gezeigt ist, weist der Drucksensor 16 eine Vielzahl von Druckmesszellen 18 auf, die sich in verschiedenen Bereichen der Sohlenstruktur 14 befinden, um einen von dem Fuß des Trägers auf die Sohlenstruktur 14 ausgeübten Druck zu messen.
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Die Konfiguration der Druckmesszellen 18 wird nun anhand der 3 und 4 beschrieben. 3 zeigt die verschiedenen Schichten einer Druckmesszelle 18. 4 zeigt die Druckmesszelle aus 3 im Querschnitt. Der Drucksensor 16 weist eine Mehrschichtstruktur auf, die eine erste Trägerfolie 20, eine zweite Trägerfolie 22 und einen Abstandhalter 24 umfasst. Der Abstandhalter 24 ist typischerweise ein doppelseitiger Klebstoff, mit dem die erste und die zweite Trägerfolie 20, 22 aneinander gefügt sind. Die erste und die zweite Trägerfolie 20, 22 bestehen vorzugsweise aus PET, aber andere Materialien, wie PEN, PI, PEEK usw. sind ebenfalls möglich. Jede der Trägerfolien kann aus einer einzigen Folienschicht bestehen oder eine Vielzahl von Folienschichten aus den gleichen oder unterschiedlichen Materialien aufweisen. Der Abstandhalter 24 weist vorzugsweise eine Folienschicht aus PET, PEN, PI, PEEK usw. auf, wobei auf jeder Seite von dieser eine Klebstoffbeschichtung aufgebracht ist. An jeder Druckmesszelle 18 weist der Abstandhalter eine längliche Öffnung 26 auf, innerhalb welcher die erste und die zweite Trägerfolie 20, 22 zusammengepresst werden können. In jeder Druckmesszelle 18 ist eine Vielzahl von ersten, widerstandsbehafteten Elektroden 28 auf die erste Trägerfolie 20 gedruckt und eine Vielzahl von zweiten Elektroden 30 auf die zweite Trägerfolie 22 gedruckt, und zwar einer der Vielzahl von ersten Elektroden 28 gegenüberliegend. Jede Vielzahl von Elektroden 28, 30 wird von einer jeweiligen Leiterbahn 34, 36 kontaktiert. Die Vielzahl von ersten Elektroden 28 ist teilweise mit elektrisch isolierenden Aufdrucken 32 bedeckt (die z. B. aus dielektrischer Tinte gefertigt sind), und zwar derart, dass lokal ein direkter Kontakt zwischen den Elektroden auf der ersten Trägerfolie 20 und denjenigen auf der zweiten Trägerfolie 22 verhindert wird.
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Wie es am besten in 3 zu sehen ist, umfasst die Vielzahl von ersten Elektroden 28 eine erste Gruppe von Elektroden und eine zweite Gruppe von Elektroden, die derart angeordnet sind, dass sie ineinander greifen und dabei Lücken 42 zwischen sich abgrenzen. Die Elektroden jeder Gruppe kontaktieren die Leiterbahn 34 nur auf einer Längsseite der druckempfindlichen Zelle 18. Die Leiterbahn 34 umfasst Ansätze 35, die in Kontakt mit Randabschnitten der ersten Elektroden 28 angeordnet sind, die sich entlang der Lücken 42 erstrecken. Ebenso umfasst die Vielzahl von zweiten Elektroden 30 eine dritte Gruppe von Elektroden und eine zweite Gruppe von Elektroden, die derart angeordnet sind, dass sie ineinander greifen und dabei Lücken 42' zwischen sich abgrenzen. Die Elektroden jeder Gruppe kontaktieren die Leiterbahn 36 nur auf einer Längsseite der druckempfindlichen Zelle 18. Die Leiterbahn 36 umfasst Ansätze 35', die in Kontakt mit Randabschnitten der zweiten Elektroden 30 angeordnet sind, die sich entlang der Lücken 42' erstrecken.
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In Abhängigkeit von Druck, der auf die Druckmesszelle 18 einwirkt, wird mindestens eine der ersten und zweiten Trägerfolie 20, 22 in Richtung zur anderen Trägerfolie abgelenkt, bis die Trägerfolien 20, 22 oder die Elemente auf ihrer jeweiligen Oberfläche in Kontakt treten. 10 veranschaulicht die Entwicklung der mechanischen Kontaktbereiche auf der zweiten Trägerfolie 22. Die Konturen 64, 64' und 64" stellen die Kontaktbereiche dar, wenn sich der Druck auf die Druckmesszelle erhöht. Sobald ein Kontakt hergestellt ist (innere Konturen 64), vergrößert sich der Radius der mechanischen Kontaktbereiche (siehe Pfeile 66) mit zunehmendem Druck.
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Wenn ein direkter Kontakt zwischen den Elektroden 28 und 30 hergestellt ist, wird der elektrische Widerstand zwischen den Leitern 34 und 36 endlich, und folglich kann Strom fließen. Wenn sich der Kontaktbereich zwischen der ersten und zweiten Elektrode 28, 30 vergrößert, nimmt der zwischen den Leitern 34 und 36 messbare Widerstand ab. Die Positionen der Kontakte zwischen den Widerstandselektroden 28, 30 und der jeweiligen Leiterbahn 34, 36, der spezifische Widerstand der Widerstandselektroden, die Form der ersten und zweiten Elektroden 28, 30, die Form der elektrisch isolierenden Aufdrucke 32 und die mechanischen Eigenschaften der Trägerfolien 20, 22 bestimmen den druckabhängigen Zellwiderstand. Mit Bezug auf die Zellkonfiguration der 3, 9 und 10 haben die erste und die zweite Elektrode 28, 30 grob die Form eines gleichseitigen Dreiecks. Die Grundfläche der Dreiecke erstreckt sich im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Druckmesszelle. Jede Elektrode 28, 30 wird an der Spitze gegenüber der Grundfläche mit den leitfähigen Ansätzen 35, 35' kontaktiert. Der anfängliche Kontakt (Konturen 64) zwischen den ersten und zweiten Elektroden 28, 30 erfolgt in etwa in der Mitte eines jeden Dreiecks. Die dielektrischen Aufdrucke 32 auf den ersten Elektroden 28 (als gestrichelte Linie in 10 gezeigt) verhindern, dass ein einzelner, kontinuierlicher Kontaktbereich gebildet wird. Jeder Kontaktbereich nimmt zu, wie grob durch die Pfeile 66 gezeigt ist, wenn der Druck zunimmt. Wenn der Kontaktbereich eine gewisse Größe erreicht hat, ergibt sich der Restwiderstand zwischen den Leitern 34 und 36 hauptsächlich aus dem Widerstandspfad zwischen den Kontaktbereichen und den leitfähigen Ansätzen 35, 35'. (Der Widerstand der Leiterbahnen und der Ansätze ist vernachlässigbar.) Bei höheren Drücken wächst jeder Kontaktbereich in den Bereich zwischen den Ansätzen 35, 35' hinein, welcher sich in Richtung zur Spitze des Dreiecks verjüngt. Da die dielektrischen Aufdrucke 32 die Trägerfolien 20, 22 lokal auf einem bestimmten Mindestabstand voneinander halten, nimmt die Zuwachsrate des Kontaktbereichs ab, wenn der Kontaktbereich in den Bereich zwischen den Ansätzen 35, 35' eintritt.
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Die elektrische Wirkungsfunktion der Druckmesszellen, d. h. der Widerstand gegenüber Druck, kann auf vorbestimmte Weise eingestellt werden, indem die Aufdrucke 32 geeignet geformt werden, da die elektrischen Aufdrucke 32 lokal einen direkten Kontakt zwischen den ersten und zweiten Elektroden 28, 30 verhindern, während der direkte Kontakt in solchen Bereichen möglich ist, in denen die elektrisch isolierenden Aufdrucke 32 fehlen.
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5 zeigt schematisch den Unterschied zwischen dem elektrischen Verhalten einer Druckmesszelle ohne die Aufdrucke (gepunktete Kurve 38) und einer mit Aufdrucken, die wie in 3 geformt sind (durchgehende Kurve 40), wobei alle anderen Zellenparameter die gleichen sind. Es fällt auf, dass für die Druckmesszelle ohne die isolierenden Aufdrucke die Widerstandsänderung in einem relativ geringen Druckbereich auftritt, beginnend mit dem Aktivierungsdruck pact (der Druck, bei dem die Elektroden in Kontakt treten). Oberhalb von pact pendelt sich der Widerstand schnell auf einen geringen Wert ein. Bei der mit den isolierenden Aufdrucken ausgerüsteten Zelle breitet sich die Widerstandsänderung über einen erheblich längeren Druckintervall aus. Folglich ermöglicht die Zelle mit den isolierenden Aufdrucken eine Druckmessung mit wesentlich höheren Drücken als bei der Zelle ohne die isolierenden Aufdrucke. Es sei angemerkt, dass die leitfähigen Ansätze 35, 35' und die isolierenden Aufdrucke 32 die Trägerfolien 20, 22 auch lokal verstärken. Die Elastizität der Trägerfolien 20, 22 wird somit lokal verringert, was bedeutet, dass in der Nähe der leitfähigen Ansätze und der isolierenden Aufdrucke mehr Druck erforderlich ist, um die ersten und zweiten Elektroden in Kontakt zu bringen, was den dynamischen Bereich des Sensors vergrößert.
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Wie am besten in 2 veranschaulicht ist, sind die Druckmesszellen 18 in Bereichen des Schuhs 10 angeordnet, in denen das Auftreten der Druckspitzen erwartet wird, wenn der Träger steht, läuft oder rennt. Insbesondere wird eine erste der Druckmesszellen im Bereich des ersten Trochlea phalangis (großer Zeh), eine zweite im Bereich des ersten Metatarsalköpfchens, eine dritte im Bereich des fünften Metatarsalköpfchens und eine vierte im Bereich des Calcaneus (Fersenbein) positioniert.
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Zur Befestigung des Drucksensors 16 an der Sohlenstruktur 14 (in diesem Fall der Zwischensohle) weist der Drucksensor 16 ein oder mehrere Befestigungspolster 44 auf (siehe 2). Die Befestigungspolster 44 weisen vorzugsweise eine Schicht eines selbstklebenden oder durch Wärme aktivierten Klebstoffes auf, die zunächst durch eine Releaselage geschützt ist, welche entfernt wird, kurz bevor der Drucksensor 16 an seinem Trägerelement der Sohlenstruktur 14 angebracht wird. An Stelle der Verwendung von lokalen Befestigungspolstern 44 kann die gesamte Oberfläche der ersten 20 oder zweiten 22 Trägerfolie mit einem Klebstoff beschichtet (und zunächst von einer Releaselage geschützt) sein.
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Der Drucksensor 16 umfasst ferner ein elektronisches Steuermodul 46, das innerhalb einer trogförmigen Aufnahme 62 angeordnet und mechanisch an der Mehrschichtfolienstruktur des Drucksensors 10 angebracht ist. Verbindungsstreifen 48 verbinden die Druckmesszellen 18 und das elektronische Steuermodul 46. Die Verbindungsstreifen 48 sind fester Bestandteil der Mehrschichtfolienstruktur des Drucksensors 16 und tragen Leiterbahnen, die die ersten und zweiten Elektroden jeder Druckmesszelle 18 elektrisch mit dem elektronischen Steuermodul 46 verbinden. Die Verbindungsstreifen 48 können eine serpentinenartige Form haben, um als Federn zu wirken und dadurch die Elastizität des Drucksensors in der Sensorebene zu erhöhen.
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Das elektronische Steuermodul 46 weist vorzugsweise eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), eine frei programmierbare logische Anordnung (Field-Programmable Gate Array, FPGA), einen Mikroprozessor oder dergleichen auf. Vorteilhafterweise ist das elektronische Steuermodul dafür konfiguriert, die erfassten Druckdaten oder irgendwelche davon abgeleitete Daten drahtlos an eine Empfängereinrichtung mit einer Benutzerschnittstelle zu übertragen. Eine solche Empfängereinrichtung könnte eine (Armband-) Uhr, den Armbandempfänger eines Herzfrequenzmonitors, einen Handcomputer, ein Mobiltelefon, einen tragbaren Mediaplayer oder dergleichen umfassen. In der veranschaulichten Ausführungsform ist das elektronische Steuermodul 46 in einem Hohlraum oder einer Vertiefung der Zwischensohle 14.2 angeordnet. Der Hohlraum oder die Vertiefung können sich in anderen Ausführungsformen an anderer Stelle in der Sohlenstruktur 14 befinden.
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Zum Ausgleichen von Gasdruck innerhalb der Öffnung 26 des Abstandhalters 24 umfasst jede Druckmesszelle 18 ein Lüftungsloch 58 (welches am besten in den 2 und 3 gezeigt ist). Die Lüftungslöcher 58 verbinden das Innere der Druckmesszellen auf fluide Weise mit dem Äußeren, so dass eine Komprimierung des Gases innerhalb der Druckmesszellen im Wesentlichen vermieden wird und somit keine wesentliche Auswirkung auf die Frequenzkurve jeder Zelle 18 hat. Zusätzlich oder alternativ könnten die Lüftungslöcher 58 mit einem Gasreservoir innerhalb des Folientyp-Drucksensors verbunden sein.
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6 ist ein schematisches Blockdiagramm des flexiblen Stromkreises des Drucksensors 16. Die Druckmesszellen 18 sind als Stellwiderstände 18.1-18.4 eingezeichnet. Die Zellen sind elektrisch parallel zwischen einem jeweiligen Anschluss 50.1, 50.2, 50.3 oder 50.4 des elektronischen Steuermoduls (in 6 nicht gezeigt) und Anschlussmasse angeordnet. Das elektronische Steuermodul bestimmt die Druckwerte basierend auf dem Widerstand (oder dem Strom oder der Spannung, falls eine dieser Mengen konstant gehalten wird), der zwischen jedem Anschluss 50.1, 50.2, 50.3 oder 50.4 und Anschlussmasse gemessen wird. Es sei angemerkt, dass die Zellfrequenzkurve durch Änderungen der Widerstandsfähigkeit des Elektrodenmaterials beeinflusst wird, die je nach Alterung, Temperatur, Feuchtigkeit oder anderen Umgebungseinflüssen schwanken kann. Um in der Lage zu sein, einen solchen Einfluss auf die Druckwerte zu korrigieren oder auszugleichen, ist ein Referenzwiderstand 54 vorgesehen. Der Referenzwiderstand 54 ist aus dem gleichen Material gefertigt wie die Elektroden 28, 30. Er ist irgendwo auf dem Drucksensor 16 angeordnet, so dass er im Wesentlichen die gleichen Umgebungseinflüsse erfährt wie die Elektroden 28, 30. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Referenzwiderstand 54 elektrisch zwischen einem Referenzanschluss 56 und Anschlussmasse 52 parallel zu den Druckmesszellen angeschlossen. Das elektronische Steuermodul misst den Widerstand des Referenzwiderstands 54. Jede Abweichung von einem Nominalwert wird verwendet, um die Ablesungen der Druckmesszellen 18 zu korrigieren. Der Referenzwiderstand 54 kann auf einer der Trägerfolien 20, 22 angeordnet sein. Es könnte auch eine Vielzahl von Widerständen verwendet werden, die auf einer oder beiden der Trägerfolien angeordnet sind. Eine weitere Möglichkeit wäre, eine vorbelastete Druckmesszelle vorzusehen (d. h. eine Druckmesszelle, bei der die Elektroden ständig in Kontakt gehalten werden).
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Der Referenzwiderstand 54 und die Widerstandselektroden 28, 30 der Druckmesszellen werden vorzugsweise durch Drucken von Kohlenstofftinte auf die jeweilige Trägerfolie erhalten. Die Leiterbahnen 34, 36 (einschließlich der Ansätze 35 und 35') sind vorzugsweise aus Silbertinte gefertigt.
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7 ist ein schematisches Blockdiagramm eines alternativen flexiblen Stromkreises für den Drucksensor 16. Anders als beim flexiblen Stromkreis aus 6 ist der Referenzwiderstand 54 elektrisch zwischen der Anschlussmasse 52 und den Druckmesszellen 18 angeordnet, die wieder als Stellwiderstände 18.1-18.4 nach Art eines Spannungsteilers eingezeichnet sind. Während der Messung kann jeweils eine Druckmesszelle über ihren Anschluss 50.1, 50.2, 50.3 oder 50.4 an eine Spannungsquelle (z. B. eine Batterie) angeschlossen sein. Das elektronische Steuermodul bestimmt die Druckwerte basierend auf den an dem Messanschluss 60 gemessenen Spannungen. Der Widerstand Rx einer der Druckmesszellen 18.1-18.4 kann erhalten werden durch Rx= Rref(U0/Umeas - 1), wobei Rref der Widerstand des Referenzwiderstands, Uo die an den Anschluss 50.1, 50.2, 50.3 oder 50.4 angelegte Spannung und Umeas die am Anschluss 60 gemessene Spannung ist. Da angenommen wird, dass die Widerstände der Druckmesszellen und die Referenzwiderstände auf Grund von Umgebungseinflüssen (Temperatur, Alterung usw.) den gleichen Änderungen unterworfen sind, ist der normierte Widerstand Rx/Rref im Wesentlichen unabhängig von diesen Wirkungen. In jeder anderen Hinsicht ist der Stromkreis für den Drucksensor 16 aus 7 auf die gleiche Weise wie derjenige von 6 konfiguriert und betrieben.
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8 ist ein schematisches Blockdiagramm eines anderen alternativen flexiblen Stromkreises für den Drucksensor 16. Gemäß dieser Alternative ist der Referenzwiderstand 54 parallel zu einer der Druckmesszellen 18.1-18.4 angeordnet. Bei dieser Anordnung ist der Referenzwiderstand wesentlich höher als die Widerstände der Druckmesszellen 18.1-18.4 im betätigten Zustand (d. h. über dem Aktivierungsdruck).
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9 zeigt eine Variante der druckempfindlichen Zelle 18 aus 3. Der einzige Unterschied in Bezug auf 3 besteht darin, dass die dritte und vierte Gruppe von zweiten Elektroden 30 durch separate Leiterbahnen 36, 36' kontaktiert werden. Die dritte und vierte Gruppe von Elektroden sind somit durch eine hohe Impedanz voneinander getrennt, wenn die ersten und zweiten Elektroden nicht miteinander in Kontakt sind. Sie werden über die ersten Elektroden parallel geschaltet, wenn die ersten und zweiten Elektroden miteinander in Kontakt sind. Der elektrische Widerstand der Zelle wird zwischen den Leiterbahnen 36 und 36' gemessen. Die druckempfindliche Zelle ist daher vom sogenannten „Nebenschluss-Modus“-Typ. (Im Gegensatz dazu wird die Zelle von 3 als vom „Durchgangsmodus“-Typ bezeichnet, der elektrische Widerstand wird zwischen den Leiterbahnen 34 und 36 gemessen.)
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Während spezifische Ausführungsformen im Detail beschrieben wurden, wird der durchschnittliche Fachmann erkennen, dass angesichts der Gesamtlehre der Offenbarung verschiedene Modifikationen und Alternativen zu diesen Details entwickelt werden könnten. Demnach sollen die besonderen offenbarten Anordnungen nur der Veranschaulichung dienen und nicht den Rahmen der Erfindung begrenzen, für die der gesamte Umfang der beigefügten Ansprüche und aller Äquivalente von diesen gilt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sportschuh
- 12
- Obermaterial
- 14
- Sohlenstruktur
- 14.1
- Laufsohle
- 14.2
- Zwischensohle
- 14.3
- Brandsohle
- 16
- Drucksensor
- 17
- EVA-Substrat
- 18
- Druckmesszelle
- 18.1-18.4
- Stellwiderstände, die Druckmesszellen darstellen
- 20
- erste Trägerfolie
- 22
- zweite Trägerfolie
- 24
- Abstandhalter
- 26
- Öffnung
- 28
- Vielzahl von ersten Elektroden
- 30
- Vielzahl von zweiten Elektroden
- 32
- elektrisch isolierender Aufdruck
- 34
- Leiterbahn
- 35, 35'
- leitfähige Ansätze
- 36, 36'
- Leiterbahn
- 38
- elektrisches Verhalten einer Druckmesszelle ohne isolierende Aufdrucke
- 40
- elektrisches Verhalten einer Druckmesszelle mit isolierenden Aufdrucken
- 42, 42'
- Lücken zwischen ineinander greifenden Elektroden
- 44
- Befestigungspolster
- 46
- elektronisches Steuermodul
- 48
- Verbindungsstreifen
- 50.1-50.4
- Anschlüsse
- 52
- Anschlussmasse
- 54
- Referenzwiderstand
- 56
- Referenzanschluss
- 58
- Lüftungsloch
- 60
- Messanschluss
- 62
- trogförmige Aufnahme
- 64, 64', 64"
- Kontaktbereiche zwischen den ersten und zweiten Elektroden
- 66
- Pfeile, die die Zunahme des Kontaktbereichs mit zunehmendem Druck veranschaulichen
