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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Wandleranordnung zur Messung von Laständerungen. Diese Erfindung betrifft insbesondere eine Wandleranordnung, die in einer Schuhsohle oder einer Schuheinlage für die Auswertung von darauf aufgebrachten Laständerungen anzuordnen ist.
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Technischer Hintergrund
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Es ist in der Technik bekannt, dass eine Laständerung, die auf eine Oberfläche oder einen Körper aufgebracht wird, mit Hilfe eines Wandlers gemessen werden kann. Ein Wandler wandelt eine Änderung einer physikalischen Größe wie z. B. des Drucks quantitativ in eine Änderung einer anderen physikalischen Größe wie z. B. der elektrischen Spannung um. Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Wandleranordnung mit Wandlern zur Umwandlung von Laständerungen in Spannungsänderungen.
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Eine bestimmte Ausgestaltung solcher Wandler sind die so genannten „kraftempfindlichen Widerstände“ (FSRs; force-sensing resistors). FSRs sind in der Technik weithin bekannt und können bei zahlreichen Anwendungen benutzt werden. Solche kraftempfindlichen Widerstände umfassen gewöhnlich mindestens zwei Elektroden mit einem dazwischen angeordneten kraftempfindlichen Material. In dem Fall, in dem eine Last auf einen FSR aufgebracht wird, ändert sich der Widerstandswert zwischen den Elektroden durch das kraftempfindliche Material hindurch. Eine an die Elektroden gekoppelte elektrische Schaltung überwacht die Änderung des Widerstandswerts.
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FSRs können gemäß einer bevorzugten Anwendung in einer Schuhsohle angeordnet werden, um die Kraft zu messen, die eine Person beim Gehen, Springen und insbesondere Laufen darauf ausübt. Die US 2010/ 0063778 offenbart ein solches Schuhsensorsystem mit verschiedenen kraftempfindlichen Widerständen, die mit einem elektrischen Modul wirkverbunden sind. Das elektrische Modul ist in der Lage, Messungen von den verschiedenen kraftempfindlichen Widerständen zu erfassen und die Daten über einen Kommunikationsport zur weiteren Verwendung an eine externe Vorrichtung zu übertragen.
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Kraftempfindliche Widerstände sprechen jedoch langsam an und können demnach nur zur Messung statischer Lasten oder quasi-statischer Laständerungen benutzt werden. Sie sind nicht genau genug, um Informationen über die Fußanatomie oder Gangdynamik des Benutzers zur Verfügung zu stellen. Diese Informationen können aber bei der Beobachtung von Athleten oder für Anwendungen im Gesundheitswesen wie z. B. die Fußdiagnose und Gesundheitsprophylaxe sehr nützlich sein.
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Weitere Kontaktkraftmesseinrichtungen sind aus anderen technischen Gebieten bekannt. So beschreibt die
DE 10 2007 015 180 A1 beispielsweise eine Kraftmesszelle zur Messung einer Kontaktkraft zwischen einem Stromabnehmer und einer Stromleitung.
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Technisches Problem
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wandleranordnung bereitzustellen, die Laständerungen genauer messen kann. Eine solche Wandleranordnung wird durch die in Anspruch 1 beanspruchte Wandleranordnung beschrieben.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Wandleranordnung zum Umwandeln einer Laständerung in ein oder mehrere elektrische Ausgangssignale. Die Wandleranordnung umfasst mindestens ein Wandlerelement und eine mit dem Wandlerelement wirkverbundene Auswerteeinheit. Die Wandleranordnung kann unter anderem für Anwendungen im Gesundheitswesen, sportliche Freizeitaktivitäten, die Aufprallerkennung bei Sicherheitsanwendungen in der Automobilindustrie sowie für Sicherheitsüberwachungssysteme in der Industrie verwendet werden.
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Das Wandlerelement umfasst eine Kombination aus einem ersten Wandler und einem zweiten Wandler, wobei der erste Wandler oder/und der zweite Wandler folienbasiert ist/sind. Die Auswerteeinheit umfasst:
- - eine erste Auswerteschaltung, die dem ersten Wandler zugeordnet ist, um statische Lasten oder quasi-statische Laständerungen, welche typische Zeitrahmen von > 0,1 sec umfassen, in ein erstes Ausgangssignal umzuwandeln,
- - eine zweite Auswerteschaltung, die dem zweiten Wandler zugeordnet ist, um hochdynamische Laständerungen, welche typisch um einen Faktor 10-100 schneller als quasi-statische Signaländerungen sind, in ein zweites Ausgangssignal umzuwandeln, und
- - eine Ausgangsschaltung, die mit der ersten Auswerteschaltung und der zweiten Auswerteschaltung wirkverbunden ist, um das erste elektrische Ausgangssignal und/oder das zweite elektrische Ausgangssignal auszugeben.
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Dank dieser Wandleranordnung werden Laständerungen mit höherer Genauigkeit gemessen.
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Diese Erfindung betrifft insbesondere ein Wandlerelement, bei dem der erste Wandler oder/und der zweite Wandler folienbasiert ist/sind. Der erste Wandler und der zweite Wandler können als mehrschichtige Anordnung mehrerer Folien ausgebildet sein, die beispielsweise zumindest an verschiedenen Stellen davon zusammenlaminiert sind. Dank der Flexibilität, Leichtheit und Dünne von Folien können diese auf oder in einer großen Vielzahl unterschiedlicher Materialien angeordnet werden.
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Der erste Wandler ist gemäß einer bestimmten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein Foliendrucksensor. Der Foliendrucksensor umfasst:
- - eine erste Trägerfolie,
- - eine zweite Trägerfolie, die durch ein oder mehrere zwischen der ersten Trägerfolie und der zweiten Trägerfolie angeordnete Abstandsstücke von der ersten Trägerfolie beabstandet gehalten wird, und
- - mindestens zwei Elektroden und eine Schicht druckempfindlichen Materials, die in einem aktiven Bereich des ersten Wandlers angeordnet sind; das druckempfindliche Material verbindet die erste Elektrode und die zweite Elektrode.
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Als Reaktion auf eine Laständerung, die auf den aktiven Bereich einwirkt, nähert sich die erste Trägerfolie der zweiten Trägerfolie und entsteht ein elektrischer Kontakt durch die Schicht druckempfindlichen Materials hindurch zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode derart, dass sich der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gemessene Widerstandswert ändert. Die Abstandsstücke können aus Schaumstoff oder einem beliebigen anderen Material bestehen, das unter Druck zusammengedrückt werden kann und das nach dem Zusammendrücken seine ursprüngliche Größe wiedererlangt.
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Die erste Elektrode ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung auf der ersten Trägerfolie angeordnet, die der auf der zweiten Trägerfolie angeordneten zweiten Elektrode gegenüberliegt. Eine Schicht druckempfindlichen Materials erstreckt sich über die erste und/oder zweite Elektrode im aktiven Bereich des Foliendrucksensors und verbindet die erste Elektrode mit der zweiten Elektrode. Als Reaktion auf einen auf den aktiven Bereich des Foliendrucksensors wirkenden Drucks nähert sich die erste Elektrode der zweiten Elektrode und ändert sich der Widerstandswert zwischen den Elektroden durch das dazwischen angeordnete druckempfindliche Material hindurch. Die Änderung des Widerstandswerts wird durch eine Auswerteschaltung gemessen, die mit der ersten und zweiten Elektrode wirkverbunden ist.
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Alternativ dazu sind die erste und die zweite Elektrode voneinander getrennt auf der ersten Trägerfolie angeordnet, während die Schicht druckempfindlichen Materials auf der zweiten Trägerfolie angeordnet ist, die der ersten Trägerfolie gegenüberliegt. Das Abstandsstück ist zwischen der ersten Trägerfolie und der zweiten Trägerfolie angeordnet und hält die erste Trägerfolie und die zweite Trägerfolie voneinander beabstandet, wenn kein Druck auf den aktiven Bereich aufgebracht wird.
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Wenn eine Kraft auf den aktiven Bereich aufgebracht wird, werden die erste und die zweite Trägerfolie zusammengebracht und verbindet die Schicht druckempfindlichen Materials die erste und zweite Elektrode im aktiven Bereich. Als Reaktion auf die Bildung eines elektrischen Kontakts verändert sich der Widerstandswert zwischen den Elektroden, die durch das druckempfindliche Material verbunden sind. Die erste Trägerfolie und die zweite Trägerfolie können aus einem sehr dünnen elektrisch isolierenden Material bestehen. Der erste Wandler kann als FSR (druckempfindlicher Widerstand) oder als ein beliebiger anderer Wandler, der zur Messung niedriger dynamischer Laständerungen in der Lage ist, ausgebildet sein.
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Jedes Wandlerelement kann als eine getrennte Einheit ausgebildet sein, die eine Laständerung an einem vordefinierten Bereich misst und ein oder mehrere elektrische Ausgangssignale an eine Ausgangsschaltung überträgt. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann eine Vielzahl von Wandlerelementen räumlich voneinander getrennt angeordnet werden. Dies ist von Vorteil, weil die Elemente in einem spezifischen Abschnitt angeordnet werden können, wo Lastmessungen erforderlich sind. In einigen Fällen müssen hochdynamische Laständerungen nur in spezifischen Abschnitten des ersten Wandlers gemessen werden. Somit können mehrere Wandlerelemente einen gemeinsamen ersten Wandler oder/und zweiten Wandler nutzen.
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Der zweite Wandler kann vorteilhafterweise ein elektretbasierter Drucksensor oder alternativ dazu - mit weniger dynamischem Bereich - ein eine Messfolie umfassender piezoelektrischer Drucksensor sein. Die Messfolie kann eine Anode und eine Katode mit einem elektretbasierten Material oder piezoelektrischen Material sein, das zwischen der Anode und der Katode angeordnet ist. Die Anode und die Katode sind vorzugsweise an die zweite Auswerteschaltung angeschlossen. Solche elektretbasierten oder - weniger empfindlichen - piezoelektrischen Sensoren sind in der Lage, hochdynamische Laständerungen zu messen.
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Der erste und der zweite Wandler sind gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung übereinander angeordnet. Der erste und der zweite Wandler können sehr dünn sein, so dass eine auf einen der Wandler aufgebrachte Last automatisch auf beide Wandler aufgebracht wird.
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Darüber hinaus umfasst/umfassen die erste Trägerfolie oder/und die zweite Trägerfolie die Messfolie. Die erste Trägerfolie oder/und die zweite Trägerfolie des ersten Wandlers kann/können ganz durch die Messfolie ersetzt werden.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfassen das eine oder die mehreren Abstandsstücke die Messfolie. Die Messfolie kann den einen oder die mehreren Abstandsstücke teilweise oder ganz ersetzen.
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Vorzugsweise umfassen die erste Auswerteschaltung eine R-Schaltung und die zweite Auswerteschaltung eine RC-Schaltung. Die niedrige dynamische Laständerung wird von der R-Schaltung ausgewertet und als erste Änderung der Spannung des ersten Ausgangssignals über den Zeitraum Δt ausgegeben und die hohe dynamische Laständerung wird von der RC-Schaltung ausgewertet und als zweite Änderung der Spannung des zweiten Ausgangssignals über den Zeitraum Δt ausgegeben. Dank der Trennung zwischen der ersten Auswerteschaltung und der zweiten Auswerteschaltung arbeiten der erste Wandler und der zweite Wandler unter ihren optimalen Bedingungen. Die niedrige dynamische Laständerung und die hohe dynamische Laständerung können gleichzeitig oder nacheinander gemessen werden.
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Die Auswerteeinheit umfasst gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung einen Hauptprozessor. Die Ausgangsschaltung ist im Betriebszustand direkt oder drahtlos an den Hauptprozessor gekoppelt. Die Ausgangsschaltung kann über eine drahtlose Kommunikation wie z. B. Bluetooth, WLAN (Wireless Local Area Network) oder Infrarot mit einem Smartphone, einem Personalcomputer oder einer beliebigen anderen elektronischen Vorrichtung verbunden werden und die verarbeiteten ersten und zweiten elektrischen Ausgangssignale übertragen. Dies ist insbesondere bei der Beobachtung von Athleten zur Angabe einer richtigen (gesunden) Fußbelastung von Vorteil, während eine Person läuft, geht oder springt.
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Figurenliste
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Es werden nun bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1: eine schematische Ansicht einer Schuheinlagenbaugruppe einer Sensoranordnung gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
- 2: eine Querschnittsansicht eines Sensorelements gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
- 3: eine schematische Ansicht einer Schuheinlagenbaugruppe einer Sensoranordnung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
- 4: eine Querschnittsansicht eines Sensorelements gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
- 5: eine schematische Ansicht einer Schuheinlagenbaugruppe einer Sensoranordnung gemäß einer dritten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
- 6: eine Querschnittsansicht eines dritten Sensorelements gemäß einer dritten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
- 7: eine Aufzeichnung einer gleichzeitig über einen Zeitraum von 1 Sekunde aufgenommenen hohen und niedrigen dynamischen Laständerung, die auf die Sensoranordnung bei einer Person aufgebracht wurden, während sie ging.
- 8: eine Aufzeichnung einer gleichzeitig über einen Zeitraum von 1 Sekunde aufgenommenen hohen und niedrigen dynamischen Laständerung, die auf die Sensoranordnung bei einer Person aufgebracht wurden, während sie lief.
- 9: eine Aufzeichnung einer gleichzeitig über einen Zeitraum von 1 Sekunde aufgenommenen hohen und niedrigen dynamischen Laständerung, die auf die Sensoranordnung bei einer Person aufgebracht wurden, während sie nach einem Sprung landete.
- 10: eine Aufzeichnung einer gleichzeitig über einen Zeitraum von 1 Sekunde aufgenommenen hohen und niedrigen dynamischen Laständerung, die auf die Sensoranordnung bei einer Person aufgebracht wurden, während sie aufstampfte.
- 11: eine schematische Anordnung der verschiedenen Komponenten einer Sensoranordnung.
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Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen
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Die besonders vorteilhaften, aber nicht einschränkenden Ausgestaltungen der Erfindung, die anhand der Figuren beschrieben werden, betreffen eine Wandleranordnung, die als Schuheinlage zur Messung einer darauf aufgebrachten Last ausgebildet ist. Die Schuheinlage kann zur Beobachtung von Athleten in einen Sportschuh eingebracht werden, um die richtigen Fußbelastungsbedingungen im Vergleich zu der athletischen Leistung wie beispielsweise der Geschwindigkeit, Strecke oder/und Beschleunigung der Person zu messen, die ihn trägt. Alternativ dazu kann die Wandleranordnung direkt auf oder in der Schuhsohle angeordnet werden. Die Wandleranordnung wandelt die Laständerung, die über mehrere Stufen auf die Wandlerelemente einwirkt, in elektrische Ausgangssignale um. Bei jedem Wandlerelement wird die darauf aufgebrachte Last in zwei elektrische Ausgangssignale umgewandelt.
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Bei der Ausgestaltung von 1 sind mehrere Wandlerelemente 4, 10, 20, 30 derart auf einer gemeinsamen Trägerfolie 2 angeordnet, dass sie sich über die Fußbereiche maximaler Laständerungen erstrecken. Die Trägerfolie 2 hat eine der Kontaktfläche des Fußes ähnliche Form und besteht aus einer Folie aus flexiblem, elektrisch isolierendem Material. Ein Wandlerelement 4 ist im Zehenbereich des Fußes angeordnet, zwei Wandlerelemente 10, 20 sind nahe dem mittleren Abschnitt des Fußes angeordnet, wo die Mittelfußknochen mit den Zehengliedern verbunden sind, und ein Wandlerelement 30 ist nahe dem Fersenbereich des Fußes angeordnet. Man kann zusätzlich zu den Wandlerelementen 4, 10, 20, 30 andere Wandlerelemente in anderen Bereichen des Schuhs benutzen, wo eine genaue Messung von Laständerungen erforderlich ist. Um mit den anthropometrischen Änderungen der Fußanatomie zurechtzukommen, ist jedes Wandlerelement 4, 10, 20, 30 vorzugsweise oval mit abgerundeten Kanten mit einem Radius von 6 mm und hat jedes Wandlerelement 4, 10, 20, 30 eine Breite von 20 mm und eine Länge von 30 mm. Die Wandlerelemente 4, 10, 20, 30 sind sehr dünn und können somit in einem Schuh angeordnet werden, ohne die Person zu behindern, die ihn trägt.
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Die Definitionen von „unten“ und „oben“ dienen nachfolgend zur Beschreibung der Schichtanordnung der in 1 bis 6 dargestellten Wandlerelemente. Die „obere Schicht“ bezieht sich auf die Schicht, die der Oberfläche am nächsten ist, die der Fuß einer Person berührt, und die „untere Schicht“ bezieht sich auf die Schicht, die der Schuhsohle am nächsten ist. Die Definition von oben und unten wird zum Zwecke der Verständlichkeit hinzugefügt und kann nicht als den Schutzbereich der Erfindung einschränkend betrachtet werden. Da die Wandlerelemente eine Laständerung messen, sollte als offensichtlich angenommen werden, dass sie ähnliche Ergebnisse liefern, wenn sie umgedreht werden.
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Die Wandleranordnung, die in den beigefügten Figuren dargestellt ist, ist besonders vorteilhaft, weil sie hohe und niedrige dynamische Laständerungen getrennt voneinander erfassen kann. Jedes der Wandlerelemente umfasst demzufolge einen ersten Wandler zur Messung von niedrigen dynamischen Laständerungen und einen zweiten Wandler zur Messung von hohen dynamischen Laständerungen. Die hohen dynamischen Laständerungen und die niedrigen dynamischen Laständerungen werden mittels zweier getrennter Auswerteschaltungen ausgewertet. Eine Auswerteschaltung ist dem ersten Wandler zugeordnet und eine Auswerteschaltung ist dem zweiten Wandler zugeordnet.
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Gemäß drei vorteilhaften Ausgestaltungen der Wandleranordnung, die nachfolgend angeführt werden, ist der erste Wandler mit einem zweiten Wandler kombiniert. Gemäß einer ersten Wandleranordnung in 1 und 2 ist der zweite Wandler oben auf dem ersten Wandler angeordnet. Bei einer zweiten Ausgestaltung, die in 3 und 4 dargestellt ist, ist das Abstandsstück des ersten Wandlers teilweise durch einen zweiten Wandler ersetzt. Bei einer dritten Ausgestaltung in 5 und 6 ist die untere Trägerfolie des ersten Wandlers durch den zweiten Wandler ersetzt.
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Der erste Wandler 6, 12, 22, 32 ist ein Foliendrucksensor mit einer ersten Trägerfolie 42 unten, die der ersten Trägerfolie 2 von 1 entspricht. Eine erste Elektrode 44 ist auf die erste Trägerfolie 42 aufgebracht. Ein druckempfindliches Material 46, beispielsweise ein druckempfindliches Widerstandsmaterial, ist auf der oberen Oberfläche der ersten Trägerfolie 42 angeordnet. Das druckempfindliche Material 46 trennt die erste Elektrode 44 von der zweiten Elektrode 48. Die zweite Elektrode 48 ist auf die zweite Trägerfolie 50 aufgebracht, die der ersten Elektrode 44 gegenüberliegt. Abstandsstücke 66, 68 bestehen beispielsweise aus einem Schaumstoffmaterial oder Polymerfilmmaterial, das in Umfangsrichtung rings um den aktiven Bereich des ersten Wandlers angeordnet ist, um die erste Trägerfolie 42 in einem bestimmten Abstand von der zweiten Trägerfolie 50 zu halten. Als Reaktion auf eine niedrige dynamische Laständerung, die auf den aktiven Bereich des ersten Wandlers wirkt, nähert sich die erste Trägerfolie 42 der zweiten Trägerfolie 50 und ändert sich der Widerstandswert zwischen der ersten Elektrode 44 und der zweiten Elektrode 48. Dieser Widerstandswert wird vorzugsweise von einer ersten Auswerteschaltung gemessen, die über die Leiter 52, 54 mit der ersten Elektrode 44 und der zweiten Elektrode 48 wirkverbunden ist.
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Entsprechend der ersten Wandleranordnung sind die zweiten Wandler 8, 14, 24, 34 oben auf dem ersten Wandler 6, 12, 22, 32 angeordnet. Der zweite Wandler in 2 umfasst ein Elektretmaterial 60 mit quasi-permanenten elektrostatischen Dipolen. Das Elektretmaterial 60 ist im aktiven Bereich zwischen der Anode 56 und der Katode 58 angeordnet. Die Anode 56 und die Katode 58 sind über die Leiter 64 bzw. 62 mit der zweiten Auswerteschaltung wirkverbunden. Die Kapazität des Elektretmaterials und der Widerstandswert zwischen den Elektroden durch das druckempfindliche Material hindurch ändern sich, wenn eine Last auf das Wandlerelement 4 in 1 aufgebracht wird. Die erste Auswerteschaltung misst die Änderung des Widerstandswerts zwischen den Elektroden. Die Änderung der Kapazität des elektrischen Materials wird von der zweiten Auswerteschaltung gemessen.
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Ähnlich wie die erste Ausgestaltung der Wandleranordnung umfasst die in 3 dargestellte zweite Ausgestaltung der Wandleranordnung vier Wandlerelemente 104, 110, 120, 130, die auf der unteren Trägerfolie 102 der ersten Wandler in den Bereichen maximaler Laständerung angeordnet sind. Jedes Wandlerelement umfasst den ersten Wandler der ersten Ausgestaltung mit einem zweiten Wandler, der die Abstandsstücke teilweise ersetzt. 4 ist eine Querschnittsansicht eines der Wandlerelemente 104, 110, 120, 130. Der zweite Wandler umfasst ein Elektret 160, das zwischen einer Anode 156 und einer Katode 158 angeordnet ist. Die Leiter 154 und 152 wirkverbinden die Folienelektroden 144, 148 mit der ersten Auswerteschaltung. Das Abstandsstück des ersten Wandlers ist teilweise durch ein umlaufendes Elektret 160 ersetzt, das zwischen den Elektrodenfolien 144, 148 und der Anode 156 und der Katode 158 angeordnet ist. Der zweite Wandler hat ungefähr die gleiche Dicke wie die Abstandsstücke 151, 153 des ersten Wandlers. Die Leiter 162, 164 wirkverbinden die Katode 158 und die Anode 156 mit einer zweiten Auswerteschaltung.
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Die in 5 dargestellte dritte Ausgestaltung einer Wandleranordnung umfasst ein Wandlerelement mit vier ersten Wandlern 206, 212, 224, 232 und einem gemeinsamen zweiten Wandler 208. Der zweite Wandler hat eine Form, die der Kontaktfläche des Fußes ähnlich ist, und trägt die vier ersten Wandler. Der zweite Wandler ersetzt die erste Trägerfolie des ersten Wandlers. Leiter 262, 264 verbinden die Anode 256 und die Katode 258 mit der zweiten Auswerteschaltung. Jede der Elektroden 244, 248 ist über einen Leiter 252, 254 mit einer zweiten Auswerteschaltung wirkverbunden. Die Abmessungen der ersten Wandler 206, 212, 224, 232 sind den Abmessungen der Wandlerelemente 4, 10, 20, 30, 104, 110, 120, 130 der ersten und zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung gleich.
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Die erste und die zweite Auswerteschaltung jeder dieser drei Ausgestaltungen der Erfindung sind dazu notwendig, zwischen den verschiedenen Formen der Fortbewegung einer Person auf dem Land, also z. B. dem Springen, Gehen, Laufen und Aufstampfen, zu unterscheiden. Der erste Wandler ist bei einer möglichen Ausgestaltung als Widerstand in eine R-Schaltung integriert. Die Spannung der R-Schaltung wird von einer ersten Auswerteschaltung gemessen und als erstes Ausgangssignal an eine Ausgangsschaltung ausgegeben. Durch die Aufbringung einer Last auf den ersten Wandler werden die erste und zweite Trägerfolie zusammengedrückt und ändert sich der Widerstandswert durch das kraftempfindliche Widerstandsmaterial hindurch. Da kraftempfindliche Widerstände auf Folienbasis lediglich in der Lage sind, statische Lasten oder quasi-statische Laständerungen zuverlässig zu messen, ist eine erste Spannungsänderung demnach proportional zu der quasi-statischen Last, die auf den aktiven Bereich des ersten Wandlers aufgebracht wird.
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Die zweite Auswerteschaltung erfasst nur die hohen dynamischen Laständerungen, indem sie die Änderung der Kapazität des Elektretmaterials misst. Das zweite Wandlerelement ist somit als Kondensator in eine RC-Schaltung integriert. Die Spannung der RC-Schaltung wird von der zweiten Auswerteschaltung gemessen und als zweites Ausgangssignal an eine Ausgangsschaltung ausgegeben. Das Elektretmaterial hat eine quasi-permanente elektrische Ladung bzw. Dipolpolarisation. Während sich die auf das Elektret aufgebrachte Last ändert, ändert sich der Abstand zwischen der Anode und der Katode. Diese Abstandsänderung führt zu einer Kapazitätsänderung, die durch Messen der Spannung der zweiten Ausgangsschaltung überwacht wird.
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In 7 bis 10 überwacht die Ausgangsschaltung die ersten Ausgangssignale 302, 402, 502, 602 und die zweiten Ausgangssignale 304, 404, 504, 604 gleichzeitig über einen Zeitraum Δt von 1 sec. Jede Figur entspricht einer Laständerung, die eine Person auf ein Wandlerelement der Wandleranordnung aufbringt, während sie eine spezifische Bewegung ausführt.
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Das erste Ausgangssignal 302 und das zweite Ausgangssignal 304 in 7 entsprechen einer Laständerung, die durch eine Person beim Gehen auf ein Wandlerelement aufgebracht wird.
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Das erste Ausgangssignal 402 und das zweite Ausgangssignal 404 in 8 entsprechen einer Laständerung, die durch eine Person beim Laufen auf ein Wandlerelement aufgebracht wird.
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Das erste Ausgangssignal 502 und das zweite Ausgangssignal 504 in 9 entsprechen einer Laständerung, die durch eine Person beim Landen nach einem Sprung auf ein Wandlerelement aufgebracht wird.
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Das erste Ausgangssignal 602 und das zweite Ausgangssignal 604 in 10 entsprechen einer Laständerung, die durch eine Person beim Aufstampfen auf ein Wandlerelement aufgebracht wird.
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Bei jeder Laständerung unterscheidet sich die Spannung der ersten Ausgangssignale 302, 402, 502, 602 von der Spannung der zweiten Ausgangssignale 304, 404, 504, 604. Der zweite Wandler (mit den entsprechenden zweiten Ausgangssignalen 304, 404, 504, 604) hat eine kürzere Reaktionszeit als der erste Wandler (mit den entsprechenden ersten Ausgangssignalen 302, 402, 502, 602). Die Kombination des ersten Ausgangssignals und des zweiten Ausgangssignals verbessert das Erfassungsvermögen, indem sie komplementäre dynamische und statische Informationen über die Fußsohlenbelastung für die weitere Analyse zur Verfügung stellt. Wie in 11 veranschaulicht, können ein erstes Ausgangssignal 702 und ein zweites Ausgangssignal 704 durch einen Hauptprozessor verarbeitet werden. Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung werden die ersten und zweiten Ausgangssignale der Ausgangsschaltung über Bluetooth 706 an einen Hauptprozessor übertragen.
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Die zeitliche Spannungsänderung der ersten Ausgangssignale 402, 502, 602 ist bei drei verschiedenen Laständerungen ziemlich ähnlich. Es ist daher schwierig, jedes der Ausgangssignale einer der Laständerungen zuzuordnen, ohne dabei die niedrigen dynamischen Laständerungen zu berücksichtigen. Die zweiten Ausgangssignale 504, 604 umfassen ferner größtenteils Peaks mit kurzer Dauer und sind daher schwierig einer spezifischen Laständerung zuzuordnen. Da eine hohe dynamische Laständerung zusätzlich zu einer niedrigen dynamischen Laständerung gemessen wird, ist die Erfindung insbesondere von Vorteil. Jede Laständerung ist eine Kombination aus dem ersten Ausgangssignal und einem zweiten Ausgangssignal. Die Laständerung kann durch Kombinieren des ersten Ausgangssignals mit dem zweiten Ausgangssignal genauer gemessen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 2, 102, 42
- erste Trägerfolie
- 50, 150, 250
- zweite Trägerfolie
- 4, 10, 20, 30, 104, 110, 120, 130, 204
- Wandlerelement
- 6, 12, 22, 32, 206, 212, 224, 232
- erster Wandler
- 8, 14, 24, 34, 208
- zweiter Wandler
- 44, 144, 244
- erste Elektrode
- 48, 148, 248
- zweite Elektrode
- 46, 146, 246
- druckempfindliches Material
- 66, 68
- Abstandsstück
- 56, 156, 256
- Anode
- 58, 158, 258
- Katode
- 60, 160, 260
- elektretbasiertes Material oder auf dem piezoelektrischen Effekt basierendes Material
- 52, 54, 62, 64, 152, 154, 162, 164, 252, 254, 262, 264
- elektrischer Leiter
- 302, 402, 502, 602, 702
- erstes Ausgangssignal
- 304, 404, 504, 604, 704
- zweites Ausgangssignal
- 706
- drahtlose Verbindung
