EP4476506A1 - Elektrische komponente - Google Patents

Elektrische komponente

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Publication number
EP4476506A1
EP4476506A1 EP22708445.6A EP22708445A EP4476506A1 EP 4476506 A1 EP4476506 A1 EP 4476506A1 EP 22708445 A EP22708445 A EP 22708445A EP 4476506 A1 EP4476506 A1 EP 4476506A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrical component
sensor cell
energy
electrical
component according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22708445.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Haala
Peter Spies
Henrik Zessin
Vesa-Pekka Torvinen
Sabine Hartl
Konstantin Luft
Ulrich von Großmann
Ulf Jensen
Burkhard DÜMLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nowofol Kunststoffprodukte & Co KG GmbH
Adidas AG
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Nowofol Kunststoffprodukte & Co KG GmbH
Adidas AG
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nowofol Kunststoffprodukte & Co KG GmbH, Adidas AG, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Nowofol Kunststoffprodukte & Co KG GmbH
Publication of EP4476506A1 publication Critical patent/EP4476506A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G01L1/162—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices using piezoelectric resonators

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to an electrical component, in particular an electrical component with a sensor cell. Further exemplary embodiments relate to corresponding applications, such as running shoes, mechanical systems, a floor covering, tires or tire components, such as a valve, a piece of sports equipment, e.g. a ball or racket, a prosthesis, an implant, a seat, a tube pipe, a tarpaulin, a sail and/or a switch.
  • applications such as running shoes, mechanical systems, a floor covering, tires or tire components, such as a valve, a piece of sports equipment, e.g. a ball or racket, a prosthesis, an implant, a seat, a tube pipe, a tarpaulin, a sail and/or a switch.
  • Sensors for detecting physical quantities typically use electrical energy to amplify the measurement signals and transmit the measurement data, e.g. B. to external.
  • This requires batteries, for example, which provide the energy required to supply the sensor signal amplification and the radio transceiver.
  • these batteries have to be replaced and recharged regularly. This increases the maintenance effort and thus incurs costs.
  • this creates further problems and even makes certain applications impossible.
  • An alternative to this variant is the use of energy harvester technologies that use ambient energy, such as differences in light and temperature or mechanical energy, to generate electrical energy at the location of the sensor. This means that the battery can be recharged during operation, making battery replacement unnecessary.
  • the object of the present invention is to improve the concept of sensors, in particular wireless sensors or individual sensors.
  • Embodiments of the present invention provide an electrical component having a sensor cell.
  • the sensor cell is designed to, firstly, detect a physical variable, such as a force or a pressure, and based on the detected physical variable, generate an electrical measurement signal, e.g. B. to output an analog voltage with at least three differentiable or differentiated states, and, secondly, to provide or harvest electrical energy under the influence of the physical variable.
  • Exemplary embodiments of the present invention are based on the finding that a sensor cell can be provided with a dual function, namely to record a measured variable (continuously or at least across multiple states) and to use the same physical variable to harvest energy.
  • energy converters which can often be used alone in energy harvesting systems, can also be used as sensors or even actuators. It is therefore no longer necessary to provide an energy harvester separately from the sensor system on the common electronic circuit board (on which, for example, a radio transmitter or another component can also be arranged).
  • both the sensor and the energy harvester can be optimally positioned at one point in the sensor housing, so that it can now be arranged directly at the location of the physical variable of interest. Overall, this improves the acquisition of the physical measured variable and the energy harvesting, and also saves installation space and thus costs.
  • the voltage of a solar cell can be used both as a measure of the lighting in a room and as a voltage for drawing electrical energy.
  • a piezoelectric material can be used both for energy conversion and for mechanical sensors.
  • the piezo material is used as an energy converter, which, based on the mechanical deformation of the material itself or of a housing part, provides electrical power in the form of an electrical voltage.
  • this electrical voltage is a measure of the acting mechanical force.
  • the deformation of a housing part can also be an indication of mechanical stress, which should be counteracted when certain maximum values are exceeded.
  • Piezo material / sensor element or the associated housing part can be integrated into the corresponding application, such as a shoe or a piece of clothing or a floor covering.
  • Embodiments of the present invention therefore propose the use of an energy converter whose output signal can be used at the same time as information about a physical variable, such as an existing deformation or mechanical load.
  • a physical variable such as an existing deformation or mechanical load.
  • Three cases can be distinguished here according to exemplary embodiments: a) One and the same piece of material is also used as an energy converter and sensor.
  • the sensor cell is designed to detect the physical variable and at the same time provide electrical energy based on the physical variable.
  • the output voltage which charges the electrical power, for example in a capacitor, is monitored at the same time in order to obtain the relevant information (regarding the prevailing mechanical force/tension/vibration) from it.
  • the sensor cell is designed in such a way that it detects the physical variable, namely independently of or subsequent to the provision of the electrical energy.
  • Two separate pieces of the same material are used, one acting as a sensor and the other as an energy converter. It would be conceivable here, for example, for a sensor material to be segmented into different areas, with one being used for sensing and the other for energy harvesting. According to exemplary embodiments, the sensor cell therefore has at least two units (areas) or even two identical units (areas). With this variant, it is also possible for different areas of the same material to be used differently.
  • the first of the at least two (identical) areas can be designed to detect the physical variable, where the other of the at least two (identical) areas is designed to provide the electrical energy.
  • the physical variable can have a force, such as a tensile force, compressive force or transverse force, but also an acceleration or vibration.
  • a force such as a tensile force, compressive force or transverse force, but also an acceleration or vibration.
  • Other physical variables, such as light energy or temperature, are possible according to other exemplary embodiments.
  • the electrical component has an energy supply, which is coupled to the sensor cell in order to receive the energy provided and prepare it accordingly (rectify, smooth, store, etc.).
  • the power supply can have a capacitor, a battery or another (electrical) energy store (for storing electrical energy).
  • the electrical component has measuring electronics which are connected to the sensor cell and are designed to receive the electrical signal with the at least three states to be differentiated, to process it further, for example to digitize it (with at least three corresponding states) and to post it to be transmitted externally or externally by radio.
  • a transceiver can also be provided in the electronic component.
  • another consumer e.g. actuator, display, Certainly can be connected to the electrical component, which uses the measured values to carry out appropriate actions (e.g. alarm, change properties, open a valve, ).
  • the electrical component has a housing in which the sensor cell is integrated or embedded.
  • the sensor cell can be coupled to the housing, for example, in order to obtain a deformation of the housing and thus the physical quantity acting on the housing.
  • Embodiments of the present invention provide a corresponding application, e.g. B. an application from the following:
  • Sports equipment such as a ball or racket
  • FIG. 1a shows a schematic representation of an electrical component according to a basic exemplary embodiment
  • FIG. 1b shows a schematic representation of an electrical component according to a further exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a shoe with an integrated electrical component according to further exemplary embodiments.
  • the sensor cell 10 has an electrical output, such as a voltage tap or a measurement signal output 12 .
  • an electrical output such as a voltage tap or a measurement signal output 12 .
  • the signal M represents a measurement signal
  • the signal E is an energy signal. Both signals can be identical.
  • the sensor cell 10 is a piezo element.
  • an electrical voltage is induced at the output 12 .
  • This electrical voltage depends, e.g. B. proportional to the acting force P, so that this electrical voltage can be used as a measurement signal M.
  • the electrical voltage at the output 12 causes a current to flow, so that electrical energy E can be taken from this voltage signal.
  • the sensor cell 10 outputs the measurement signal M, e.g. B. a measurement voltage from. This measuring voltage depends, e.g. B. proportionally or directly proportionally dependent on the acting force P.
  • the measurement signal M is such that at least three states can be differentiated (e.g. 0 volts with no external load, such as 0 Newton/0.2 volts with a light external load, e.g. 0.2 Newtons/0.4 volts with a large external load, e.g. 0.8 Newtons).
  • the measurement signal M can also be a continuous measurement signal and/or have a plurality/multiple of states.
  • the measurement signal can also be a negative measurement signal, e.g. B. if the physical measured variable P ⁇ 0, that is, in the opposite direction (opposite to the arrow direction shown) acts.
  • the measured variable P does not have to be a tensile force either; a vibration or a pressure/compressive force or a shearing force or a speed or movement, for example in the form of a rotation, would also be conceivable.
  • 1b shows a sensor cell 10' with two areas 10a' and 10b'.
  • the two areas 10a' and 10b' can be identical, for example, and together form the sensor cell 10'.
  • both are piezo elements which, based on an externally acting physical measured variable P, provide a corresponding voltage at the respective output 12a′ or 12b′.
  • the area 10a' is responsible for determining the measured variable P and thus emits its measurement signal M at the output 12a'.
  • the area 10b' is used to harvest energy and thus emits an energy signal at the output 12b'.
  • these areas 10a' and 10b' can be identical in terms of their electrical properties, but also identical in terms of their size. According to further exemplary embodiments, the sizes can also differ. For example, it would be conceivable for the area 10b' to take up more area so that a sufficient amount of energy can be harvested.
  • the sensor cell 10' that is to say with the areas 10a' and 10b', can be implemented by a large-area, segmented energy converter, such as PVDF films. These enable sensory monitoring of larger areas without using dedicated sensors.
  • a large-area, segmented energy converter such as PVDF films.
  • the sensor cell 10 or 10′′ can be expanded to include additional components, such as energy processing at the output 12 or 12b′′ or measurement electronics at the output 12 or 12a′.
  • the energy conditioner (not shown) is designed to condition the energy, e.g. B. in the voltage to smooth, rectify and / or store.
  • the energy processing device can have a capacitor, generally a buffer capacity, a chargeable battery or a similar energy store.
  • the measurement electronics can have an analog-to-digital converter, which converts the measurement signal M into a digital measurement signal with at least three differentiable states and then transmits it externally, for example.
  • the transmission to the outside can take place by means of an additional radio module in corresponding exemplary embodiments.
  • the radio module and the measuring electronics are operated by the energy E or by the energy processed by the energy supply.
  • An advantage of energy buffering is that energy can be harvested and temporarily stored over a long period of time in order to carry out the measurement and transmit the measured values at the appropriate times.
  • the simultaneous use of a material as an energy converter and sensor and possibly also as an actuator makes it possible for the sensor or actuator to be mounted or arranged directly at the location of the relevant measured variable or controlled variable of interest. This is explained below using a specific application, namely a running shoe.
  • FIG. 2 shows a shoe sole 20 with a midsole 20b and an outsole 20a.
  • the measuring element 10 is embedded in this sole 20 using a housing 14 .
  • the housing is designed in such a way that the force P (or physical measured variable P) acting on the housing is passed on to the sensor cell 10 .
  • the piezoelectric foil can be used to record kinetic and kinematic variables (ground reaction force, foot strike angle, pronation behavior, running intensity, step frequency, running symmetry, etc.) and to supply energy to the sensor system in the running shoe.
  • kinetic and kinematic variables ground reaction force, foot strike angle, pronation behavior, running intensity, step frequency, running symmetry, etc.
  • the housing can be formed by a film, for example.
  • this film also carries the other components, such as the measurement electronics or the radio transceiver.
  • the sensor element can also have an actuator function or can control a separate actuator.
  • Piezo elements for example, enable a movement to be stimulated when controlled with an electrical signal and can therefore assume the function of an actuator.
  • Connected screens e.g. LED
  • Other mechanical systems can be used to change the properties of the device they are integrated into, e.g. heating, mechanical amplification or triggering dedicated actions, e.g. opening a valve, closing a circuit.
  • the actuator is designed to exert a force when activated, for example as acoustic or haptic feedback. Further applications are explained below.
  • An embodiment provides a mechanical system, such as a pump, bearing, clutch, or motor.
  • piezoelectric foils can be used to record the vibration as well as to supply the sensor system and, if necessary, for wireless data transmission. Vibration and deformation are always a measure of mechanical stability (condition monitoring).
  • a further exemplary embodiment relates to a floor covering with a corresponding sensor cell.
  • piezoelectric transducers can be used to detect people (e.g. presence detection). At the same time, the piezo transducer can harvest the energy required for signal amplification and data transmission itself.
  • the sensor element can be integrated into a tire.
  • the tire pressure can be derived.
  • a possible integration is, for example, in the tire valve.
  • the sensor cell can be integrated into a piece of sports equipment, for example into a ball in ball sports or into a racket.
  • the sensor signal is used as feedback for the subject about the condition of the device or the quality of the movement.
  • the sensor cell can be integrated into a prosthesis in order to enable a gait analysis, for example.
  • a further exemplary embodiment relates to a seat or seating furniture.
  • the sensor cell can be used to monitor the seat position, the duration of the seat, and seat occupancy (airplane, cinema, bus, car, etc.).
  • the flexible switch can, for example, emit a switching signal by means of a radio signal.

Landscapes

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Abstract

Elektrische Komponente, mit folgenden Merkmalen: einer Sensorzelle (10, 10'); wobei die Sensorzelle (10, 10') ausgebildet ist, um, erstens, eine physikalische Größe (P) zu erfassen und ausgehend von der erfassten physikalischen Größe (P) ein elektrisches Messsignal (M) mit mindestens drei differenzierbaren Zuständen auszugeben, und um, zweitens, bei Einwirkung der physikalischen Größe (P) eine elektrische Energie (E) bereitzustellen.

Description

Elektrische Komponente
Beschreibung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine elektrische Komponente, insbesondere eine elektrische Komponente mit einer Sensorzelle. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf entsprechende Anwendungen, wie zum Beispiel Laufschuhe, mechanische Systeme, einen Bodenbelag, Reifen bzw. Reifenkomponenten, wie ein Ventil, ein Sportgerät, z.B. einen Ball oder Schläger, eine Prothese, ein Implantat, einen Sitz, einen Schlauch, ein Rohr, eine Plane, ein Segel und/oder einen Schalter.
Sensoren zur Erfassung von physikalischen Größen, wie zum Beispiel einer Kraft, Vibration, eines Drucks, verwenden typischerweise elektrische Energie zur Verstärkung der Messsignale und Übertragung der Messdaten, z. B. nach extern. Hierfür sind beispielsweise Batterien notwendig, die die nötige Energie zur Versorgung von der Sensorsignalverstärkung und des Funksendeempfängers zur Verfügung stellen. Diese Batterien müssen aber regelmäßig ausgewechselt und nachgeladen werden. Das erhöht den Wartungsaufwand und verursacht dadurch Kosten. Besonders bei unzugänglichen Installationsorten, gekapselten Systemen und Implantaten erzeugt dies weitere Probleme und macht bestimmte Anwendungen sogar unmöglich.
Weitere Probleme bei den bisher eingesetzten Batterien, die regelmäßig nachgeladen und ausgewechselt werden müssen, bestehen darin, dass immer ein direkter Zugang zum Sensor notwendig war und das Gehäuse geöffnet und verschlossen werden musste.
Eine Alternative zu dieser Variante ist der Einsatz von Energie-Harvester-Technologien, die die Umgebungsenergie, wie zum Beispiel Licht- und Temperaturunterschiede oder mechanische Energie, nutzen, um elektrische Energie am Ort des Sensors zu erzeugen. Damit kann die Batterie während des Betriebes nachgeladen werden und so wird das Auswechseln von Batterien überflüssig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Konzept von Sensoren, insbesondere drahtlosen Sensoren oder Einzelsensoren, zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine elektrische Komponente mit einer Sensorzelle. Die Sensorzelle ist ausgebildet, um, erstens, eine physikalische Größe, wie zum Beispiel eine Kraft oder einen Druck, zu erfassen und ausgehend von der erfassten physikalischen Größe ein elektrisches Messsignal, z. B. eine analoge Spannung, mit mindestens drei differenzierbaren oder differenzierten Zuständen auszugeben, und um, zweitens, bei Einwirkung der physikalischen Größe eine elektrische Energie bereitzustellen beziehungsweise zu harvesten.
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Sensorzelle mit einer Doppelfunktion versehen werden kann, nämlich eine Messgröße (kontinuierlich oder zumindest über mehrere Zustände hinweg) zu erfassen und dieselbe physikalische Größe dazu zu verwenden, um eine Energie zu harvesten. Hintergrund ist, dass Energiewandler, die oft allein in Energie-Harvesting-Systeme eingesetzt werden können, auch als Sensoren oder sogar Aktoren verwendet werden können. Somit muss also nicht mehr ein Energie-Harvester separat von der Sensorik auf der gemeinsamen Elektronikplatine (auf welcher beispielsweise auch ein Funksender oder eine andere Komponente angeordnet sein können) vorgesehen werden. Das ermöglicht für den Aufbau der elektrischen Komponente (bzw. Sensorkomponente) wesentlich mehr Freiheitsgrade dahingehend, dass sowohl Sensor als auch Energie-Harvester optimal an einer Stelle im Sensorgehäuse positioniert werden können, so dass dieser nun direkt am Ort der interessierenden physikalischen Größe anordenbar ist. Das verbessert insgesamt die Erfassung der physikalischen Messgröße und des Energie-Harvestings, spart ferner Bauraum und damit Kosten.
Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann die Spannung einer Solarzelle sowohl als Maß für die Beleuchtung in einem Raum genutzt werden als auch als Spannung zum Entnehmen elektrischer Energie.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann ein piezoelektrisches Material verwendet werden sowohl zur Energiewandlung als auch zur mechanischen Sensorik. Hierbei wird beispielsweise das Piezomaterial als Energiewandler genutzt, das ausgehend von der mechanischen Verformung des Materials selbst oder eines Gehäuseteils eine elektrische Leistung in Form einer elektrischen Spannung bereitstellt. Diese elektrische Spannung ist aber gleichzeitig ein Maß für die einwirkende mechanische Kraft. Beispielsweise kann die Verformung eines Gehäuseteils auch ein Hinweis von mechanischer Belastung sein, der bei Überschreiten bestimmter Maximalwerte entgegengewirkt werden soll. Hierzu kann das Piezomaterial/Sensorelement beziehungsweise das zugehörige Gehäuseteil in die entsprechende Anwendung, wie zum Beispiel einen Schuh oder ein Kleidungsstück oder einen Bodenbelag, integriert sein.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schlagen also die Nutzung eines Energiewandlers vor, dessen Ausgangssignal gleichzeitig als Information über eine physikalische Größe, wie zum Beispiel eine vorliegende Verformung oder mechanische Belastung, benutzt werden kann. Hierbei können entsprechend Ausführungsbeispielen drei Fälle unterschieden werden: a) Ein und dasselbe Stück Material wird zusätzlich als Energiewandler und Sensor eingesetzt. Das heißt also, dass entsprechend Ausführungsbeispielen die Sensorzelle ausgebildet ist, um die physikalische Größe zu erfassen und gleichzeitig ausgehend von der physikalischen Größe eine elektrische Energie bereitzustellen. Dazu wird beispielsweise die Ausgangsspannung, welche die elektrische Leistung, zum Beispiel in einem Kondensator lädt, gleichzeitig überwacht, um die relevante Information (bezüglich der vorherrschenden mechanischen Kraft/Spannung/Vibration) daraus zu gewinnen. b) Ein und dasselbe Stück Material wird abwechselnd entweder als Energiewandler oder als Sensor eingesetzt. Somit wird also entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen die Sensorzelle derart ausgebildet, um die physikalische Größe zu erfassen, nämlich unabhängig beziehungsweise nachfolgend zu dem Bereitstellen der elektrischen Energie. c) Zwei separate Stücke des gleichen Materials werden genutzt, wobei eines als Sensor und das andere als Energiewandler eingesetzt wird. Hierbei wäre es beispielsweise denkbar, dass ein Sensormaterial in unterschiedliche Bereiche segmentiert ist, wobei das eine eben zum Sensieren und das andere zum Energie-Harvesten verwendet wird. Entsprechend Ausführungsbeispielen weist die Sensorzelle also zumindest zwei Einheiten (Bereiche) oder sogar zwei identische Einheiten (Bereiche) auf. Bei dieser Variante ist es auch möglich, dass unterschiedliche Bereiche des gleichen Materials unterschiedlich genutzt werden. Hier kann dann auch eine separate Verkabelung des Energiewandlerbereichs und des Sensorbereichs erfolgen. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann der erste der zumindest zwei (identischen) Bereiche ausgebildet sein, um die physikalische Größe zu erfassen, wobei der andere der zumindest zwei (identischen) Bereiche ausgebildet ist, um die elektrische Energie bereitzustellen.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die physikalische Größe eine Kraft, wie zum Beispiel eine Zugkraft, Druckkraft oder Querkraft, aber auch eine Beschleunigung oder Vibration aufweisen. Weitere physikalische Größen, wie zum Beispiel eine Lichtenergie oder Temperatur, sind entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen möglich.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen weist die elektrische Komponenten eine Energieversorgung auf, welche mit der Sensorzelle gekoppelt ist, um die bereitgestellte Energie zu empfangen und entsprechend aufzubereiten (gleichrichten, glätten, speichern, etc.). Die Stromversorgung kann entsprechend Ausführungsbeispielen einen Kondensator, eine Batterie oder einen anderen (elektrischen) Energiespeicher (zur Speicherung von el. Energie) aufweisen.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen weist die elektrische Komponente eine Messelektronik auf, die mit der Sensorzelle verbunden ist und ausgebildet ist, das elektrische Signal mit den zumindest drei zu differenzierenden Zuständen zu erhalten, weiterzuverarbeiten, wie zum Beispiel zu digitalisieren (mit zumindest drei entsprechenden Zuständen) und nach extern oder nach extern per Funk zu übertragen. Das heißt also, dass neben der Messelektronik auch noch ein Transceiver in der elektronischen Komponente vorgesehen sein kann. Zudem kann ein weiterer Verbrauchen (z.B. Aktor, Display, ...) an die elektrische Komponente angeschlossen sein, der anhand der Messwerte entsprechende Aktionen (z.B. Alarm, Änderung der Eigenschaften, Öffnen eines Ventils, ...) ausführt.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen weist die elektrische Komponente ein Gehäuse auf, in welches die Sensorzelle integriert oder eingebettet ist. Die Sensorzelle kann beispielsweise mit dem Gehäuse gekoppelt sein, um so eine Verformung des Gehäuses und damit die auf das Gehäuse einwirkende physikalische Größe zu erhalten.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine entsprechende Anwendung, z. B. eine Anwendung aus den folgenden:
- Laufschuh,
- mechanisches System,
- Bodenbelag, - Reifen oder Reifenkomponente, wie zum Beispiel Ventil,
- Sportgerät, wie zum Beispiel Ball oder Schläger,
- Prothese oder Implantat,
- Sitz oder Sitzmöbel,
- Schlauch oder Rohr
- Segel oder Plane
- Seil oder Tau
- Schalter, wobei die entsprechende Anwendung die elektrische Komponente, wie sie oben erläutert wurde, umfasst.
Weitere Bildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a eine schematische Darstellung einer elektrischen Komponente gemäß einem Basisausführungsbeispiel;
Fig. 1b eine schematische Darstellung einer elektrischen Komponente gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Schuhs mit einer integrierten elektrischen Komponente gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar beziehungsweise austauschbar ist.
Fig. 1 zeigt eine Sensorzelle 10 einer elektrischen Komponente. Die Sensorzelle 10 weist einen elektrischen Ausgang, wie zum Beispiel einen Spannungsabgriff oder einen Messsignalausgang 12, auf. Bei Einwirken einer physikalischen Größe P auf die Sensorzelle 10 wird an dem Sensorausgang 12 sowohl das Signal M als auch das Signal E ausgegeben. Das Signal M stellt ein Messsignal dar, während das Signal E ein Energiesignal ist. Beide Signale können identisch sein. Beispielsweise handelt es sich bei der Sensorzelle 10 um ein Piezoelement. Bei Einwirken einer mechanischen Kraft P wird an dem Ausgang 12 eine elektrische Spannung induziert. Diese elektrische Spannung ist abhängig, z. B. proportional von der einwirkenden Kraft P, so dass diese elektrische Spannung als Messsignal M verwendet werden kann. Gleichzeitig bewirkt die elektrische Spannung am Ausgang 12 einen Stromfluss, so dass elektrische Energie E diesem Spannungssignal entnommen werden kann. Somit wird es ermöglicht, elektrische Energie E zu harvesten, z. B. durch sowieso auf die Sensorzelle einwirkende Kraft/Kräfte, ausgehend von Vibrationen oder Betätigung. Diese elektrische Energie E kann entsprechend Ausführungsbeispielen direkt verwendet oder auch zwischengespeichert werden. Durch das Zwischenspeichern ist es vorteilhafterweise möglich, dass so mehrere kleinere Energiebeträge E über die Zeit aufsummiert werden, so dass dann beim kurzzeitigen Bedarf eine ausreichende Energiemenge vorgehalten ist. Gleichzeitig oder auch unabhängig von der geharvesteten Energie kann die physikalische Größe auch bestimmt werden. Hierzu gibt die Sensorzelle 10 das Messsignal M, z. B. eine Messspannung, aus. Diese Messspannung ist abhängig, z. B. proportional oder direkt proportional abhängig, von der einwirkenden Kraft P. Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das Messsignal M derart, dass zumindest drei Zustände differenzierbar sind (z. B. 0 Volt bei keiner externen Belastung, wie zum Beispiel 0 Newton/0,2 Volt bei leichter externer Belastung, z. B. 0,2 Newton/0,4 Volt bei großer externer Belastung, z. B. 0,8 Newton). Entsprechend Ausführungsbeispielen kann das Messsignal M auch ein kontinuierliches Messsignal sein und/oder eine Mehrzahl/Vielzahl von Zuständen aufweisen. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann das Messsignal auch ein negatives Messsignal sein, z. B. wenn die physikalische Messgröße P < 0 ist, das heißt also in entgegengesetzte Richtung (entgegengesetzt zu der dargestellten Pfeilrichtung) einwirkt. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen muss es sich bei der Messgröße P auch nicht um eine Zugkraft handeln, auch wäre eine Vibration oder ein Druck/eine Druckkraft oder eine Scherkraft oder auch eine Geschwindigkeit oder Bewegung, z.B. in Form einer Drehung denkbar.
Bezug nehmend auf Fig. 1b wird nun eine weitere Variante erläutert. Fig. 1b zeigt eine Sensorzelle 10‘ mit zwei Bereichen 10a‘ und 10b‘. Die beiden Bereiche 10a‘ und 10b‘ können beispielsweise identisch sein und formen zusammen die Sensorzelle 10‘. In diesem Ausführungsbeispiel wird beispielsweise davon ausgegangen, dass es sich bei beiden um Piezoelemente handelt, die ausgehend von einer extern einwirkenden physikalischen Messgröße P eine entsprechende Spannung an dem jeweiligen Ausgang 12a‘ beziehungsweise 12b‘ vorhalten. Der Bereich 10a‘ ist für das Ermitteln der Messgröße P verantwortlich und gibt also am Ausgang 12a‘ sein Messsignal M aus. Der Bereich 10b‘ wird dazu verwendet, um Energie zu harvesten und gibt also am Ausgang 12b‘ ein Energiesignal ab.
Entsprechend Ausführungsbeispielen können diese Bereiche 10a‘ und 10b‘ identisch in Bezug auf ihre elektrische Eigenschaft sein, aber auch identisch in Bezug auf ihre Größe. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen können die Größen sich auch unterscheiden. So wäre es beispielsweise denkbar, dass der Bereich 10b‘ mehr Fläche einnimmt, so dass eine ausreichende Energiemenge geharvestet werden kann.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die Sensorzelle 10‘, das heißt also mit den Bereichen 10a‘ und 10b‘, durch einen großflächigen, segmentierten Energiewandler, wie zum Beispiel PVDF-Folien, realisiert sein. Diese ermöglichen eine sensorische Überwachung von größeren Bereichen ohne dedizierte Sensoren einzusetzen.
Der Einsatz eines Energiewandlers als sensorisches Element vereinfacht den Aufbau von autarken Sensorsystemen. Es sind keine zusätzlichen, oft extern per Kabel angebundenen Sensoren mehr notwendig. Dies ermöglicht eine Reduktion des Bauraums und der Kosten. Weiterhin führt die Reduktion der Anzahl der Komponenten zu einer geringeren Ausfallwahrscheinlichkeit. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die Sensorzelle 10 beziehungsweise 10“ um weitere Komponenten, wie zum Beispiel eine Energieaufbereitung am Ausgang 12 beziehungsweise 12b“ oder eine Messelektronik am Ausgang 12 beziehungsweise 12a‘, erweitert werden. Die Energieaufbereitung (nicht dargestellt) ist dazu ausgebildet, um die Energie aufzubereiten, z. B. in der Spannung zu glätten, gleichzurichten und/oder zu speichern. Hierfür kann die Energieaufbereitungsvorrichtung einen Kondensator, allgemein eine Pufferkapazität, eine aufladbare Batterie oder einen ähnlichen Energiespeicher aufweisen. Die Messelektronik kann einen Analog-Digital-Wandler aufweisen, der das Messsignal M in ein digitales Messsignal umwandelt, mit mindestens drei differenzierbaren Zuständen und dann zum Beispiel nach extern übermittelt. Die Übermittlung nach extern kann entsprechenden Ausführungsbeispielen mittels eines zusätzlichen Funkmoduls erfolgen. Das Funkmodul sowie die Messelektronik werden entsprechend Ausführungsbeispielen durch die Energie E beziehungsweise die mittels der Energieversorgung aufbereitete Energie betrieben. Vorteilhaft ist bei einer Energiepufferung, dass so über eine lange Zeit Energie geharvestet und zwischengespeichert werden kann, um zu den entsprechenden Zeitpunkten die Messung durchzuführen und die Messwerte zu übertragen. Der gleichzeitige Einsatz eines Materials als Energiewandler und Sensor und gegebenenfalls auch als Aktor ermöglicht es, dass der Sensor beziehungsweise Aktor direkt am Ort der relevanten, interessierenden Messgröße beziehungsweise Regelgröße montiert beziehungsweise angeordnet wird. Dies wird nachfolgend anhand einer konkreten Anwendung, nämlich eines Laufschuhs, erläutert.
Fig. 2 zeigt eine Schuhsohle 20 mit einer Mittelsohle 20b und einer Außensohle 20a. In diese Sohle 20 ist das Messelement 10 unter Verwendung eines Gehäuses 14 eingebettet. Das Gehäuse ist so ausgebildet, dass die auf das Gehäuse einwirkende Kraft P (beziehungsweise physikalische Messgröße P) an die Sensorzelle 10 weitergeleitet wird. Durch die Einbettung der Sensorzelle 10 samt Gehäuse 14 in die Schuhsohle 20, ist es möglich, dass die Komponente 10 sowohl elektrische Energie generiert werden kann, so dass die Sensoreinheit 10 betreibbar ist und gleichzeitig auch die physikalische, zu messende Größe P gemessen werden kann. In Laufschuhen beispielsweise kann die piezoelektrische Folie zur Erfassung kinetischer und kinematischer Messgrößen (Bodenreaktionskraft, Fussaufsatzwinkel, Pronationsverhalten, Laufintensität, Schrittfrequenz, Laufsymmetrie, etc.) als auch zur Energieversorgung des Sensorsystems im Laufschuh verwendet werden.
Gerade bei flexiblen Anwendungen, wie zum Beispiel Schuhen, Kleidung oder Aufklebern, erschweren starre Sensoren den Aufbau. In diesem Ausführungsbeispiel kann das Gehäuse beispielsweise durch eine Folie gebildet sein. Diese Folie trägt entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen auch die weiteren Komponenten, wie zum Beispiel die Messelektronik oder den Funktransceiver.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann das Sensorelement auch eine Aktorfunktion aufweisen oder einen separaten Aktor ansteuern. Piezoelemente ermöglichen beispielsweise bei Ansteuerung mit einem elektrischen Signal das Anregen einer Bewegung und können daher die Funktion eines Aktors übernehmen. Angeschlossene Bildschirme (z.B. LED) ermöglichen die direkte Anzeige der erfassten Messgröße oder auch eines Alarms. Weitere mechanische Systeme können dafür genutzt werden die Eigenschaften des Gerätes in das sie integriert sind zu verändern, z.B. Beheizen, mechanisch verstärken oder dedizierte Aktionen auslösen, z.B. ein Ventil öffnen, einen Stromkreis schließen. Der Aktor ist ausgebildet, um bei Ansteuerung eine Kraft auszuüben, z.B. als akkustisches oder haptisches Feedback. Nachfolgend werden weiteren Anwendungen erläutert.
Ein Ausführungsbeispiel schafft ein mechanisches System, wie zum Beispiel eine Pumpe, ein Lager, eine Kupplung oder einen Motor. Hier können piezoelektrische Folien zur Erfassung der Vibration als auch zur Versorgung des Sensorsystems und gegebenenfalls zur drahtlosten Datenübertragung genutzt werden. Vibrationen und Verformung sind immer ein Maß für die mechanische Stabilität (Condition Monitoring).
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Bodenbelag mit entsprechender Sensorzelle. Hier können piezoelektrische Wandler zur Erfassung von Personen (z. B. Anwesenheitsdetektion) genutzt werden. Gleichzeitig kann der Piezowandler die nötige Energie zur Signalverstärkung und zur Datenübertragung selbst harvesten.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Sensorelement in einen Reifen integriert sein. Hier lässt sich beispielsweise der Reifendruck ableiten. Eine mögliche Integration ist zum Beispiel in das Reifenventil.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Sensorzelle in ein Sportgerät, wie zum Beispiel in einen Ball bei Ballsportarten oder in einen Schläger, integrierbar. Hierbei wird das Sensorsignal als Feedback für den Probanden über den Zustand des Gerätes oder die Qualität der Bewegung genutzt.
Eine weitere Anwendung ist eine Prothese oder ein Implantat. Insofern kann entsprechend Ausführungsbeispielen die Sensorzelle in eine Prothese integriert sein, um beispielsweise eine Ganganalyse zu ermöglichen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Sitz beziehungsweise Sitzmöbel. Mittels der Sensorzelle kann eine Überwachung der Sitzposition, eine Überwachung der Sitzdauer, Sitzbelegung (Flugzeug, Kino, Bus, Auto, etc.) erfolgen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Schalter. Der flexible Schalter kann beispielsweise mittels eines Funksignals ein Schaltsignal ausgeben. Bezugszeichen
Sensorzelle (10, 10‘) Bereich (10a‘, 10b‘) Erster Bereich (10a‘) Zweiter Bereich (10b‘) Physikalische Größe (P) Messsignal (M) Elektrische Energie (E)

Claims

Patentansprüche Elektrische Komponente, mit folgenden Merkmalen: einer Sensorzelle (10, 10‘); wobei die Sensorzelle (10, 10‘) ausgebildet ist, um, erstens, eine physikalische Größe (P) zu erfassen und ausgehend von der erfassten physikalischen Größe (P) ein elektrisches Messsignal (M) mit mindestens drei differenzierbaren Zuständen auszugeben, und um, zweitens, bei Einwirkung der physikalischen Größe (P) eine elektrische Energie (E) bereitzustellen. Elektrische Komponente gemäß Anspruch 1 , wobei die Sensorzelle (10, 10‘) ausgebildet ist, um die physikalische Größe (P) zu erfassen und gleichzeitig ausgehend von der physikalischen Größe (P) eine elektrische Energie (E) bereitzustellen. Elektrische Komponente gemäß Anspruch 1 , wobei die Sensorzelle (10, 10‘) ausgebildet ist, um die physikalische Größe (P) zu erfassen, unabhängig bzw. nachfolgend zu dem Bereitstellen der elektrischen Energie (E). Elektrische Komponente, die ferner eine Energieversorgung aufweist, welche mit der Sensorzelle (10, 10‘) gekoppelt ist, um die bereitgestellte elektrische Energie (E) zu empfangen. Elektrische Komponente gemäß Anspruch 4, wobei die Energieversorgung einen Kondensator, eine Batterie oder einen andersartigen Energiespeicher aufweist. Elektrische Komponente gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Komponente eine Messelektronik aufweist, die mit der Sensorzelle (10, 10‘) verbunden ist und ausgebildet ist, das elektrische Signal mit zumindest drei differenzierenden Zuständen zu erhalten, weiterzuverarbeiten, und/oder zu erhalten und zu digitalisieren und/oder zu erhalten und nach extern oder nach extern per Funk zu übermitteln.
7. Elektrische Komponente gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die physikalische Größe (P) eine Kraft, Zugkraft, Druckkraft, Querkraft, Beschleunigung, Drehung, Druck, Geschwindigkeit und/oder Vibration umfasst.
8. Elektrische Komponente gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorzelle (10, 10‘) zumindest zwei oder zwei identische Bereiche (10a‘, 10b‘) aufweist.
9. Elektrische Komponente gemäß Anspruch 8, wobei die erste der zumindest zwei oder zumindest zwei identischen Bereiche (10a‘, 10b‘) ausgebildet ist, um die physikalische Größe (P) zu erfassen, wobei die andere der zumindest zwei oder zumindest zwei identischen Bereiche (10a‘, 10b‘) ausgebildet ist, um die elektrische Energie (E) bereitzustellen.
10. Elektrische Komponente gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die zusätzlich ein Gehäuse umfasst, in welches die Sensorzelle (10, 10‘) integriert und/oder eingebettet ist.
11. Elektrische Komponente gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorzelle (10, 10‘) einen großflächigen Energiewandler, großflächigen segmentierten Energiewandler, segmentierten Energiewandler, ein Piezoelement und/oder eine PVDF-Folie aufweist.
12. Elektrische Komponente gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Komponente einen Aktor aufweist oder die Sensorzelle (10, 10‘) einen Aktor umfasst, wobei der Aktor ausgebildet ist, um bei Ansteuerung eine Kraft auszuüben.
13. Elektrische Komponente gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorzelle (10, 10‘) eine Piezofolie oder flexible Folie umfasst; und/oder wobei die Sensorzelle (10, 10‘) einen thermoelektrischen Generator und/oder Solarzelle, insbesondere flexible Solarzelle aufweist. Laufschuh, mechanisches System, Bodenbelag, Reifen, Ventil, Sportgerät, Ball, Prothese, Sitz und/oder Schalter mit einer elektrischen Komponente gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
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