DE102018127320A1 - Flat sensor arrangement for temporally and / or spatially resolved force or pressure measurement - Google Patents
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Abstract
Es wird eine flächige Sensoranordnung (1) für die zeitlich und/oder räumlich aufgelöste Kraft- oder Druckmessung offenbart. Diese Sensoranordnung (1) enthält, eine über eine Erfassungsfläche verteilt, einzelne Sensoren. Sie enthält ferner eine Steuerung, mit der die Sensoren verschaltet sind. Die Sensoren sind jeweils mit einem ersten Sensorteil (5) und einem zweiten Sensorteil (8) gebildet. Das erste Sensorteil umfasst eine Leiterplatte (4), auf der im Bereich einer Erfassungsfläche eine zu einer Kontaktoberfläche hin exponiert liegende Leiterbahnstruktur aufgebracht ist. Die Leiterbahnstruktur weist einen elektrischen Widerstand auf und kann mit zwei elektrischen Polen einer Messstromquelle verbunden werden. Das zweite Sensorteil (8) enthält ein aus einem flexibel verformbaren Material gebildetes Kontaktelement. Das Kontaktelement weist eine Kontaktfläche auf, mit der es der Erfassungsfläche des ersten Sensorteils gegenüberliegt und die sich in einem Querschnittsumfang ausgehend von einer Basis in Richtung der Erfassungsfläche gesehen verjüngt. Das Kontaktelement ist ferner wenigstens entlang der Kontaktfläche elektrisch leitend gebildet.Eine solche Sensoranordnung (1) ist besonders zuverlässig und erlaubt über eine lange Nutzungsdauer stabil bleibend die Möglichkeit von akkuraten Messungen. Sie ist dabei zugleich kostengünstig herzustellen, wartungsarm und für den Anwender einfach zu bedienen. Eine besondere Anwendung der Sensoranordnung (1) besteht darin, diese in einer Innen- oder Einlegesohle für einen Schuh zu integrieren.A flat sensor arrangement (1) for temporally and / or spatially resolved force or pressure measurement is disclosed. This sensor arrangement (1), distributed over a detection area, contains individual sensors. It also contains a controller with which the sensors are connected. The sensors are each formed with a first sensor part (5) and a second sensor part (8). The first sensor part comprises a printed circuit board (4) on which, in the area of a detection area, a printed conductor structure is applied, which is exposed to a contact surface. The conductor track structure has an electrical resistance and can be connected to two electrical poles of a measuring current source. The second sensor part (8) contains a contact element formed from a flexibly deformable material. The contact element has a contact surface with which it lies opposite the detection surface of the first sensor part and which tapers in a cross-sectional extent starting from a base in the direction of the detection surface. The contact element is also at least electrically conductive along the contact surface. Such a sensor arrangement (1) is particularly reliable and allows the possibility of accurate measurements while remaining stable over a long period of use. It is also inexpensive to manufacture, requires little maintenance and is easy to use for the user. A special application of the sensor arrangement (1) is to integrate it in an insole or insole for a shoe.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine flächige Sensoranordnung für die zeitlich und/oder räumlich aufgelöste Kraft- oder Druckmessung. Eine solche Sensoranordnung weist eine über eine Erfassungsfläche verteilte Anordnung einzelner Sensoren und eine Steuerung auf, mit der die Sensoren verschaltet sind.The present invention relates to a flat sensor arrangement for the temporally and / or spatially resolved force or pressure measurement. Such a sensor arrangement has an arrangement of individual sensors distributed over a detection area and a control with which the sensors are connected.
In verschiedenen Anwendungsfeldern sind Aufgabenstellungen bekannt, bei denen auf einer Fläche lastende Kräfte bzw. ein dort anliegender Druck nicht nur pauschal erfasst werden soll, sondern räumlich und/oder zeitlich aufgelöst gemessen, um hieraus weitere Informationen zu gewinnen. Ein Beispiel für eine solche Anwendung liegt in der Erfassung von beim Gehen oder Laufen dynamisch auf einem Fuß einer Person lastenden Kräften, aufgelöst insbesondere auch nach verschiedenen Abschnitten der Fußanatomie. Die Erfassung solcher Kräfte beziehungsweise solcher Drucklasten erlaubt zum Beispiel Aufschlüsse über Fehlstellungen des Bewegungsapparates, kann darüber hinaus auch hilfreich sein im Training eines Sportlers, z.B. für die Verbesserung seines Laufstils.In various fields of application, tasks are known in which loads on a surface or a pressure applied there should not only be recorded as a blanket, but also measured spatially and / or temporally in order to obtain further information therefrom. An example of such an application is the detection of forces which are dynamic on a person's foot when walking or running, in particular also resolved according to different sections of the foot anatomy. The detection of such forces or such pressure loads allows, for example, information about malpositions of the musculoskeletal system, can also be helpful in training an athlete, e.g. for improving his running style.
Entsprechend sind bereits flächige Sensoranordnungen vorgeschlagen mit Kraft- bzw. Drucksensoren, die eine zeitlich und/oder räumlich aufgelöste Erfassung von auf der Fläche lastenden Kräften bzw. anliegenden Drücken ermöglichen.Correspondingly, flat sensor arrangements with force or pressure sensors have already been proposed, which enable temporally and / or spatially resolved detection of forces or pressures applied to the surface.
In der
Weiterhin gibt es auf Basis von in Folienform gebildeten, kraft- bzw. druckabhängigen elektrischen Widerständen arbeitende Sensoren, sogenannte Force Sensing Resistors, aufgebaute flächige Sensoranordnungen, die z.B. auch für eine Verwendung für eine Messung von Auflasten in Schuhen (in Innensohlen integriert) vorgeschlagen worden sind. Die grundlegende Funktion der vorstehend benannten Sensoren ist z.B. Beschrieben in der
Beispiele für mit einer solchen oder vergleichbaren Sensortechnik ausgestattete Schuhinnensohlen (bzw. Schuheinlegesohlen) sind beschrieben in den
Die in Folienform gebildeten Sensoren nach dem Prinzip der Force Sensing Resistors haben eine entscheidende Schwäche, die bisher einen Masseneinsatz insbesondere für den Privatanwender verhindert hat: Die nach diesem Prinzip gebildeten Sensorzellen sind unbeständig und verändern ihren elektrischen Widerstand teils vorübergehend, teils dauerhaft nach starken mechanischen Belastungen. Eine Reproduzierbarkeit von Messungen ist dadurch nicht gegeben. Wenn eine Sensoranordnung, z.B. in einer Einlegesohle, bspw. fünfzehn einzelne nach dem Prinzip der Force Sensing Resistors arbeitende Sensoren enthält, ist es normal, dass von diesen Sensorzellen vier oder fünf nach Belastung eine dauerhaft veränderte Kennkurve aufweisen, während die weniger belasteten Sensoren unbeschädigt bleiben. Die auf diese Weise verzerrten Messungen sind nicht vertrauenswürdig und die Werte mehrerer der individuellen Sensoren sind nicht miteinander vergleichbar. Nutzer helfen sich damit, dass sie die Sensorfolien der Sensoranordnung nach wenigen Einsatzstunden ersetzen, was das Problem abmildert, aber nicht löst.The sensors formed in foil form according to the principle of force sensing resistors have a decisive weakness, which up to now has prevented mass use especially for private users: The sensor cells formed according to this principle are inconsistent and change their electrical resistance partly temporarily, partly permanently after strong mechanical loads . This means that measurements cannot be reproduced. If a sensor arrangement, e.g. in an insole, for example containing fifteen individual sensors operating according to the principle of force sensing resistors, it is normal for four or five of these sensor cells to have a permanently changed characteristic curve after loading, while the less loaded sensors remain undamaged. The measurements distorted in this way are not trustworthy and the values of several of the individual sensors cannot be compared with each other. Users help themselves by replacing the sensor films of the sensor arrangement after a few hours of use, which alleviates the problem but does not solve it.
Alle derzeitig angebotenen Systeme haben drei entscheidende Schwächen: Sie sind teuer, nur stationär einsetzbar und benötigen intensive Wartung. Damit sind diese Systeme weit entfernt von einem an den Endverbraucher gerichteten Produkt für den Massenmarkt. Weil sie keine hohen Stückzahlen erreichen, sind die sonst bei Elektronikprodukten erwarteten Kostensenkungen unmöglich. Dabei ergibt sich der hohe Preis nicht nur aus der komplizierten Technik und dem relativ hohen Stromverbrauch, sondern auch aus den ständig notwendigen Kalibrierungen sowie dem Ersatz verschlissener Sensorsohlen bei der zuletzt beschriebenen Technik mit Sensoren auf Basis von Force Sensing Resistors. Für die Kalibration werden speziell geschulte Fachleute gebraucht, was einen Masseneinsatz weiter behindert. So sind z.B. im Ergebnis in Kaufhäusern, Sportvereinen und Arztpraxen weltweit kaum mit einer flächigen Sensoranordnung zur raum- und/oder zeitaufgelösten Kraft- bzw. Druckmessung eingerichteten Einlegesohlen zu finden bzw. im Einsatz, sondern für die Zwecke der Erfassung von beim Gehen oder Laufen auftretenden Lasten und Belastungen stattdessen Laufbänder mit Videokameras und Kistler-Kraftmessplatten im Einsatz, die zwar teuer sind, aber wenigstens wartungsarm.All of the systems currently on offer have three decisive weaknesses: They are expensive, can only be used in a stationary manner and require intensive maintenance. This means that these systems are far from being a consumer-oriented product for the mass market. Because they do not reach large quantities, the cost reductions that would otherwise be expected for electronic products are impossible. The high price results not only from the complicated technology and the relatively high power consumption, but also from the constantly necessary calibrations and the replacement of worn sensor soles in the technique described last with sensors based on Force Sensing Resistors. Specially trained specialists are required for the calibration, which further hinders mass use. For example, As a result, you can hardly find or use insoles in a department store, sports club or medical practice worldwide with a flat sensor arrangement for space and / or time-resolved force or pressure measurement, but rather for the purpose of recording loads and strains that occur during walking or running instead, treadmills with video cameras and Kistler force plates are used, which are expensive, but at least require little maintenance.
Weiterhin befasst sich die
Kerngedanke des in der
Die Anwendung von wie eingangs erwähnten Sensoranordnungen ist dabei allerdings nicht beschränkt auf eine Anordnung in einer Einlegesohle oder Innensohle eines Schuhs und die Erfassung von dynamischen Messwerten dort. Entsprechende Sensoranordnungen lassen sich auch für einen Einsatz in anderen Anwendungen vorstellen, zum Beispiel im Bereich einer Sitzfläche eines Sitzmöbels, um das Sitzverhalten eines Nutzers dynamisch zu erfassen und zu überwachen. In einer solchen Anwendung könnten beispielsweise Warnungen ausgegeben werden, wenn ein Nutzer einer solchen Technologie an einem Arbeitsplatz insgesamt zu lange, zu lange in einer bestimmten Haltung oder aber in einer ungesunden Haltung sitzt, um den Anwender damit zu motivieren, seine Sitzposition zu verlassen oder zu verändern, um somit zum Beispiel Rückenschädigungen durch zu langes und falsches Sitzen vorzubeugen.However, the use of sensor arrangements as mentioned at the outset is not limited to an arrangement in an insole or insole of a shoe and the detection of dynamic measured values there. Corresponding sensor arrangements can also be presented for use in other applications, for example in the area of a seat of a piece of seating furniture, in order to dynamically record and monitor the seating behavior of a user. In such an application, warnings could be issued, for example, if a user of such a technology sits in a workplace for too long, too long in a certain posture or in an unhealthy posture to motivate the user to leave or close his or her sitting position change, for example to prevent back injuries caused by sitting for too long and incorrectly.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine wie eingangs bezeichnete Sensoranordnung anzugeben, die verglichen mit den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen insbesondere eine zuverlässigere und über eine lange Nutzungsdauer stabile Messmöglichkeit ergibt, die zugleich kostengünstig herzustellen ist und für den Anwender einfach zu bedienen und wartungsarm ist. In einem besonderen Aspekt Erfindung soll dann eine verbesserte Innen- oder Einlegesohle für einen Schuh angegeben werden, die mit einer Möglichkeit für die zeitliche und/oder räumlich aufgelöste Kraft- oder Druckmessung ausgestattet ist.It is an object of the present invention to provide a sensor arrangement as described at the outset which, in comparison with the solutions known from the prior art, in particular provides a more reliable and stable measurement option which is stable over a long service life, which is at the same time inexpensive to manufacture and easy to use for the user and is low maintenance. In a special aspect of the invention, an improved insole or insole for a shoe is then to be specified, which is equipped with a possibility for temporally and / or spatially resolved force or pressure measurement.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst zunächst durch eine Sensoranordnung für die zeitlich und/oder räumlich aufgelöste Kraft- oder Druckmessung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen einer solchen Sensoranordnung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 13 angegeben und ergeben sich weiterhin aus der nachfolgenden allgemeinen Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösung. Hinsichtlich des weiteren Aspekts der Aufgabe, nämlich der Angabe einer verbesserten Innen- oder Einlegesohle für einen Schuh, ist eine erfindungsgemäße Lösung im Anspruch 14 bezeichnet. Anspruch 15 gibt eine vorteilhafte Weiterbildung an. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden allgemeinen Beschreibung der Erfindung auch im Hinblick auf diesen Aspekt.This object is achieved according to the invention first of all by a sensor arrangement for the temporally and / or spatially resolved force or pressure measurement with the features of
Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung für die zeitlich und/oder räumlich aufgelöste Kraft- oder Druckmessung hat, wie dies auch schon im Stand der Technik für vergleichbare Anordnungen bekannt ist, eine über eine Erfassungsfläche verteilte Anordnung einzelner Sensoren. Diese Anordnung kann prinzipiell willkürlich sein, kann mit Vorteil aber auch matrixartig oder nach Art einer Teilmatrix in insbesondere rechtwinklig zueinander angeordneten Zeilen und Spalten erfolgen. Die Anordnung der Sensoren kann insbesondere in einer ebenen Fläche liegen, sie kann aber auch entlang einer kontinuierlich verlaufenden, zumindest abschnittsweise gekrümmten Fläche ausgerichtet sein. Die einzelnen Sensoren liegen dabei in der Fläche separiert. Sie können unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sein, aber auch unter Belastung eines Abstandes zwischen den einzelnen Sensoren. Ein solcher Abstand kann jeweils individuell verschieden sein; es können aber auch rasterartig gleiche Abstände eingehalten sein, zumindest für einen Teilabschnitt der Sensoranordnung.A sensor arrangement according to the invention for the temporally and / or spatially resolved force or pressure measurement has, as is also known in the prior art for comparable arrangements, an arrangement of individual sensors distributed over a detection area. This arrangement can in principle be arbitrary, but can advantageously also be matrix-like or in the manner of a partial matrix in rows and columns which are arranged at right angles to one another. The arrangement of the sensors can in particular lie in a flat surface, but it can also be aligned along a continuously running, at least sectionally curved surface. The surface of the individual sensors is separated. They can be arranged directly adjacent to one another, but also under the load of a distance between the individual sensors. Such a distance can differ individually; However, the same distances can also be maintained in a grid-like manner, at least for a partial section of the sensor arrangement.
Die Sensoranordnung weist weiterhin eine Steuerung auf, mit der die Sensoren verschaltet sind. Diese Steuerung kann in vergleichsweise unmittelbarer Nähe zu den Sensoren der Sensoranordnung platziert sein, sie kann aber auch einen signifikanten Abstand zu den Sensoren aufweisen. Die Steuerung kann mit den Sensoren der Sensoranordnung, insbesondere zur Übertragung von Messwertsignalen der Sensoren zu der Steuerung, verschaltet sein. Sie kann zudem eine Energieversorgung für die Sensoren der Sensoranordnung bereitstellen und den jeweiligen Sensoren zuführen. Die Steuerung kann dabei insbesondere eingerichtet sein, die Sensoren in der Sensoranordnung in einem vorgegebenen zeitlichen Muster anzusprechen und hinsichtlich einer Messwertsignalausgabe abzufragen. Dies kann gleichzeitig für mehrere oder sogar alle Sensoren der Sensoranordnung erfolgen, aber auch sequenziell für die einzelnen Sensoren der Sensoranordnung oder für einzelne Gruppen von Sensoren der Sensoranordnung. Die Steuerung kann dazu eingerichtet sein, eine Messwertabfrage der Sensoren der Sensoranordnung lediglich dann vorzunehmen, wenn sie ein entsprechendes Triggersignal empfängt, zum Beispiel über eine entsprechende Schnittstelle an der Steuerung. Sie kann ferner auch dazu eingerichtet sein, über zumindest einen vorgegebenen Zeitraum eine kontinuierliche bzw. eine getaktete oder getaktet kontinuierliche Abfrage von Messwertsignalen der Sensoren der Sensoranordnung, zum Beispiel mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz, durchzuführen. In der Steuerung kann eine Auswertung, zumindest eine erste Teilauswertung der Messsignale der Sensoren der Sensoranordnung durchgeführt werden, zum Beispiel eine Interpretation der Sensorsignale und Übertragung derselben in diesen entsprechende Werte für eine anliegende Kraft bzw. einen auflastenden Druck und/oder eine Umwandlung von analogen Signaldaten in digitale Daten. Die Steuerung kann insbesondere eine Schnittstelle, insbesondere eine drahtlose Schnittstelle, wie etwa eine Schnittstelle nach dem WLAN- oder Bluetooth®-Standard, aufweisen und über diese zu einer Kommunikation mit einem externen Datenverwaltungsgerät, zum Beispiel einem Smartphone oder einem Tablet PC, eingerichtet sein.The sensor arrangement also has a controller with which the sensors are connected. This control can be placed in comparatively close proximity to the sensors of the sensor arrangement, but it can also be at a significant distance from the sensors. The controller can be connected to the sensors of the sensor arrangement, in particular for the transmission of measured value signals from the sensors to the controller. It can also provide an energy supply for the sensors of the sensor arrangement and supply them to the respective sensors. The controller can in particular be set up to address the sensors in the sensor arrangement in a predetermined time pattern and to query them for a measured value signal output. This can be done simultaneously for several or even all sensors of the sensor arrangement, but also sequentially for the individual sensors of the sensor arrangement or for individual groups of sensors of the sensor arrangement. The controller can be set up to query the sensors of the sensor arrangement only when it receives a corresponding trigger signal, for example via a corresponding interface on the controller. It can also be set up for at least a predetermined period of time to carry out a continuous or a clocked or clocked continuous query of measured value signals of the sensors of the sensor arrangement, for example with a predetermined sampling frequency. An evaluation, at least a first partial evaluation of the measurement signals of the sensors of the sensor arrangement can be carried out in the controller, for example an interpretation of the sensor signals and transmission of the corresponding values for an applied force or an exerting pressure and / or a conversion of analog signal data into digital data. The control may, in particular an interface, particularly a wireless interface such as an interface to the WLAN or Bluetooth ® standard, comprise and be capable of communication with an external data management apparatus, for example a smartphone or a tablet PC, set up on this.
Die Sensoranordnung kann insbesondere auch eine Energiequelle mit umfassen, zum Beispiel eine elektrische Batterie oder einen Akkumulator, um die Sensoren der Sensoranordnung und/oder die Steuerung mit der für den Betrieb benötigten Energie zu versorgen.The sensor arrangement can in particular also include an energy source, for example an electric battery or an accumulator, in order to supply the sensors of the sensor arrangement and / or the control with the energy required for operation.
Die Sensoren der Sensoranordnung sind jeweils mit einem ersten Sensorteil und einem zweiten Sensorteil gebildet. Das erste Sensorteil eines jeden Sensors umfasst eine Leiterplatte auf der im Bereich einer Erfassungsfläche eine einen elektrischen Widerstand aufweisende Leiterbahnstruktur aufgebracht ist. Diese Leiterbahnenstruktur liegt zu einer Kontaktoberfläche hin jedenfalls teilweise exponiert, d. h. elektrische Leiter der Leiterbahnenstruktur sind dort mit dem elektrisch leitenden Material freiliegend und können dort direkt kontaktiert werden. Die Leiterbahnenstruktur ist mit zwei elektrischen Polen einer Messstromquelle verbindbar. Die Messstromquelle kann insbesondere von der Steuerung kontrolliert sein. Sie kann insbesondere in der Steuerung integriert ausgebildet sein. Die Leiterbahnenstruktur kann insbesondere auch einen idealisiert gesehen unendlich hohen elektrischen Widerstand aufweisen, d. h. sie kann in einem Ausgangszustand für einen Messstrom bei einer gegebenen Messspannung isolierend sein. Entscheidend ist, hierauf wird nachfolgend noch näher eingegangen, dass die Leiterbahnstruktur durch Kontaktieren von elektrischen Leitern an der exponierten Oberfläche mit einem variablen elektrischen Widerstand bei einer angelegten Messspannung einen Messstrom leiten kann.The sensors of the sensor arrangement are each formed with a first sensor part and a second sensor part. The first sensor part of each sensor comprises a printed circuit board on which a conductor track structure having an electrical resistance is applied in the region of a detection surface. This conductor track structure is in any case partially exposed to a contact surface, i. H. Electrical conductors of the conductor track structure are exposed there with the electrically conductive material and can be contacted directly there. The conductor track structure can be connected to two electrical poles of a measuring current source. The measuring current source can in particular be controlled by the control. In particular, it can be designed to be integrated in the control. The conductor track structure can, in particular, also have an infinitely high electrical resistance, idealized, ie H. in an initial state it can be insulating for a measuring current at a given measuring voltage. It is crucial that this will be discussed in more detail below that the conductor track structure can conduct a measuring current by contacting electrical conductors on the exposed surface with a variable electrical resistance when a measuring voltage is applied.
Die Leiterbahnstruktur kann zum Beispiel und insbesondere durch auf der Leiterplatte aufgebrachte, gegeneinander isolierte Leiterbahnen oder Leiterbahnenabschnitte gebildet sein, von denen eine erste Leiterbahn oder ein erster Leiterbahnenabschnitt mit einem ersten Pol einer Messstromquelle verbindbar und eine zweite Leiterbahn oder ein zweiter Leiterbahnabschnitt mit einem zweiten, von dem ersten Pol verschiedenen Pol der Messstromquelle verbindbar ist. In einer solchen Ausgestaltung ist, wie vorstehend bereits als Möglichkeit erläutert, der elektrische Widerstand in einem Ausgangszustand der Leiterbahnenstruktur idealisiert unendlich hoch, d. h. diese Struktur ist bei Normalbedingungen elektrisch isolierend. Durch Kontaktieren der ersten Leiterbahn (des ersten Leiterbahnenabschnitts) und zugleich der zweiten Leiterbahn (des zweiten Leiterbahnabschnitts) mit einem elektrisch leitenden Element wird der Widerstand gesenkt, kann bei anliegender Messspannung ein Messstrom fließen. In einer solchen Ausgestaltung kann insbesondere vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Leiterbahn jeweils die Form von Fingerstrukturen mit parallel zueinander angeordneten Fingern und einer die Finger verbindenden Verbindungsleitung sind, wobei die beiden Fingerstrukturen mit ihren Fingern versetzt zueinander ineinander verschachtelt angeordnet sind, sodass die Finger der beiden Leiterbahnen benachbart zueinander liegen, ohne sich jedoch zu berühren. In einer solchen Struktur kann, abhängig von einer Art der Kontaktierung einzelner der Finger an deren exponierter Oberfläche durch ein elektrisch leitendes Element und eine dadurch erhaltene Überbrückung der Finger, ein unterschiedlicher Leitungswiderstand erhalten werden.The conductor track structure can be formed, for example, and in particular by printed conductors or conductor track sections which are insulated from one another and on the printed circuit board, of which a first conductor track or a first conductor track section can be connected to a first pole of a measurement current source and a second conductor track or a second conductor track section can be connected to a second one of the first pole different pole of the measuring current source is connectable. In such an embodiment, as already explained above as a possibility, the electrical resistance in an initial state of the conductor track structure is ideally infinitely high, i. H. this structure is electrically insulating under normal conditions. By contacting the first conductor track (the first conductor track section) and at the same time the second conductor track (the second conductor track section) with an electrically conductive element, the resistance is reduced, and a measuring current can flow when the measuring voltage is present. In such an embodiment it can in particular be provided that the first and the second conductor track are each in the form of finger structures with fingers arranged parallel to one another and a connecting line connecting the fingers, the two finger structures being arranged with their fingers offset from one another so that the Fingers of the two conductor tracks lie adjacent to one another without touching one another. In such a structure, depending on a type of contacting of individual fingers on their exposed surface by an electrically conductive element and a bridging of the fingers obtained thereby, a different line resistance can be obtained.
Auch kann auf die miteinander in einem Ausgangszustand nicht zum Kontakt verbundenen Leiterbahnen oder Leiterbahnenabschnitte auf deren exponiert liegenden Oberflächen eine Maske aus einem isolierenden Material aufgebracht sein, wobei die Maske einer Formanpassung einer Geometrie der exponiert liegenden Oberfläche der Leiterbahnen oder Leiterbahnenabschnitte bewirkt.A mask made of an insulating material can also be applied to the interconnects or interconnect sections which are not connected to one another in a starting state on their exposed surfaces, the mask adapting the shape of a geometry of the exposed surface of the interconnects or interconnect sections.
Das zweite Sensorteil der jeweiligen Sensoren der Sensoranordnung weist erfindungsgemäß ein aus einem flexibel verformbaren Material gebildetes Kontaktelement auf. Dieses Kontaktelement weist eine Kontaktfläche auf, mit der es der ersten Erfassungsfläche mit der Leiterbahnenstruktur des jeweiligen Sensors gegenüberliegend angeordnet ist. Die Kontaktfläche verjüngt sich ausgehend von einer Basis in Richtung der Erfassungsfläche. Das Kontaktelement ist wenigstens entlang der Kontaktfläche elektrisch leitend gebildet.According to the invention, the second sensor part of the respective sensors of the sensor arrangement has a contact element formed from a flexibly deformable material. This contact element has a contact surface with which it is arranged opposite the first detection surface with the conductor track structure of the respective sensor. The contact surface tapers from a base in the direction of the detection surface. The contact element is at least electrically conductive along the contact surface.
In einem unbelasteten Zustand kann der jeweilige Sensor insbesondere so gebildet sein, dass das Kontaktelement der Erfassungsfläche gegenüberliegt, ohne diese, insbesondere ohne die dort mit der Kontaktoberfläche exponiert liegende Leiterbahnenstruktur, zu berühren. Um dies sicherzustellen, können elastische Abstandshalter vorgesehen sein, die in einem unbelasteten Zustand das Kontaktelement in eine solche Position zurückzwingen, in der es die Erfassungsfläche nicht berührt. Solche Abstandshalter können insbesondere mit dem Kontaktelement verbunden sein, mit besonderem Vorteil einstückig. Die Abstandshalter können zum Beispiel als ein das Kontaktelement umgebender Wulst ausgebildet sein. Denkbar sind aber auch einzelne, säulenartige Stützen oder dergleichen. Mit Vorteil können die Abstandshalter das Kontaktelement nicht vollständig umgeben, sondern weisen Unterbrechungen auf, um auf diese Weise für eine Belüftung Sorge zu tragen und zu verhindern, dass sich in einem zwischen den Abstandshaltern und dem Kontaktelement gebildeten Raum, zum Beispiel einem Ringraum, ein Unterdruck ausbildet, der ein Rückstellen des Kontaktelements verhindert.In an unloaded state, the respective sensor can in particular be formed such that the contact element lies opposite the detection surface without touching it, in particular without touching the conductor track structure exposed there with the contact surface. In order to ensure this, elastic spacers can be provided which, in an unloaded state, force the contact element back into such a position in which it does not touch the detection area. Such spacers can in particular be connected to the contact element, in one piece with particular advantage. The spacers can be designed, for example, as a bead surrounding the contact element. However, individual, column-like supports or the like are also conceivable. Advantageously, the spacers cannot completely surround the contact element, but instead have interruptions in order to ensure ventilation and to prevent a vacuum, for example an annular space, from being formed in a space formed between the spacers and the contact element trains, which prevents resetting of the contact element.
Lastet nun auf dem Sensor eine quer zu der Orientierung der Erfassungsfläche gerichtete Kraft oder liegt dort ein ansprechend gerichteter Druck an, so wird das Kontaktelement in Richtung der Erfassungsfläche gezwungen und berührt dabei die exponiert liegende Leiterbahnenstruktur. Hierdurch wird aufgrund der elektrisch leitend ausgebildeten Kontaktfläche ein elektrischer Kontakt zwischen einzelnen Punkten der Leiterbahnenstruktur geschaffen, was bei einer entsprechenden Ausgestaltung der Leiterbahnenstruktur zu einer Veränderung, insbesondere einer Verringerung des elektrischen Widerstandes und damit einer Veränderung, insbesondere einer Erhöhung des bei einer vorgegebenen Messspannung fließenden Messstroms führt. Erhöht sich die auflastende Kraft bzw. der auflastenden Druck, so führt eine höhere Anpressung des Kontaktelements an die Erfassungsfläche zu einer elastischen Verformung des Kontaktelements, insbesondere der Kontaktfläche, sodass ein Kontaktbereich, mit dem die Kontaktfläche auf der Erfassungsfläche aufliegt, größer wird. Bei einer entsprechenden Gestaltung der Leiterbahnenstruktur führt dies zu einer weiteren Veränderung, insbesondere Verringerung des elektrischen Widerstands dieser Anordnung, sodass bei gleicher Messspannung, die an die Leiterbahnenstruktur angelegt ist, ein anderer, insbesondere ein höherer Messstrom fließt. In einer entsprechenden geometrischen Ausgestaltung des Kontaktelements und anhand einer für den Sensor aufgenommenen Kennlinie kann so einer auflastenden Kraft bzw. einem anliegenden Druck ein spezifischer Widerstand des Sensors zugeordnet werden, kann im Rahmen einer Messung aus einem ermittelten Widerstandswert der Wert der anliegenden Kraft bzw. des anliegenden Drucks bestimmt werden.If a force is applied to the sensor transversely to the orientation of the detection surface or if there is an appropriately directed pressure there, the contact element is forced in the direction of the detection surface and thereby touches the exposed conductor track structure. This creates an electrical contact between individual points of the conductor track structure due to the electrically conductive contact surface, which, with a corresponding configuration of the conductor track structure, leads to a change, in particular a reduction in the electrical resistance and thus a change, in particular an increase, in the measurement current flowing at a predetermined measurement voltage leads. If the load-bearing force or the load-bearing pressure increases, a higher pressure of the contact element on the detection surface leads to an elastic deformation of the contact element, in particular the contact surface, so that a contact area with which the contact surface rests on the detection surface becomes larger. With a corresponding design of the conductor track structure, this leads to a further change, in particular a reduction in the electrical resistance of this arrangement, so that a different, in particular a higher, measuring current flows at the same measuring voltage that is applied to the conductor track structure. In a corresponding geometric configuration of the contact element and on the basis of a characteristic curve recorded for the sensor, a specific resistance of the sensor can thus be assigned to a load-bearing force or an applied pressure. The value of the applied force or the applied pressure can be determined.
Das Kontaktelement kann dabei mit Vorteil aus einem Elastomermaterial gebildet sein, zum Beispiel aus einem Silikonkautschuk. Grundsätzlich kann das Kontaktelement durch entsprechende Maßnahmen insgesamt aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet sein, zum Beispiel durch Einbringen entsprechend elektrisch leitfähiger Partikel oder dergleichen in ein Elastomermaterial. Bevorzugt wird allerdings, da dies auch im Hinblick auf die Kosten günstiger zu realisieren ist, dass lediglich die Kontaktfläche eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweist. Dies kann zum Beispiel eine aufgedruckte oder aufgesprühte elektrisch leitende Tinte, zum Beispiel ein Material mit einem hohen Graphitanteil oder mit Metallpulverpartikeln, sein. Aber auch andere Arten der Realisierung sind möglich, wobei darauf zu achten ist, dass die elektrisch leitfähige Beschichtung ebenso wie das Kontaktelement eine elastische Verformbarkeit aufweisen muss, damit nicht etwa die elektrisch leitfähige Beschichtung bei einer Verformung des Kontaktelements zu reißen oder zu brechen droht und damit die Funktionalität des Sensors verloren geht.The contact element can advantageously be formed from an elastomer material, for example from a silicone rubber. In principle, the contact element can be formed entirely from an electrically conductive material by appropriate measures, for example by introducing corresponding electrically conductive particles or the like into an elastomer material. However, it is preferred, since this is also more economical to implement in terms of costs, that only the contact surface has an electrically conductive coating. This can be, for example, a printed or sprayed-on electrically conductive ink, for example a material with a high graphite content or with metal powder particles. However, other types of implementation are also possible, it being important to ensure that the electrically conductive coating, like the contact element, must have an elastic deformability, so that the electrically conductive coating does not risk tearing or breaking when the contact element is deformed, and thus the functionality of the sensor is lost.
Die Kontaktfläche des Kontaktelements kann sich insbesondere ausgehend von der Basis in Richtung der Erfassungsfläche jedenfalls in einem Abschnitt konisch verjüngend ausgebildet sein. Das Kontaktelement kann insbesondere insgesamt kegelstumpfförmig gebildet sein mit zum Beispiel einer sphärisch geformten Spitze. Es kann aber auch insgesamt eine Kegelform aufweisen. Auch andere Formgebung sind denkbar, zum Beispiel teilsphärisch geformt oder in Form eines Pyramidenstumpfes oder einer Pyramide mit unterschiedlich geformter Grundfläche, zum Beispiel quadratischer Grundfläche.The contact surface of the contact element can, in particular, be conically tapered in one section, starting in particular from the base in the direction of the detection surface. The contact element can in particular be formed in the shape of a truncated cone, for example with a spherically shaped tip. However, it can also have a conical shape overall. Other shapes are also conceivable, for example partially spherical or in the form of a truncated pyramid or a pyramid with a differently shaped base, for example a square base.
Zwar ist es grundsätzlich möglich eine erfindungsgemäße Sensoranordnung mit individuell gestalteten Sensoren zu bilden, die zum Bilden der Sensoranordnung relativ zueinander positioniert werden, zum Beispiel auf einer Unterlage. Bevorzugt wird jedoch eine Lösung, bei der die Sensoranordnung, jedenfalls in einem Teilabschnitt, bereits als zusammenhängende Anordnung produziert wird bzw. produziert werden kann. Entsprechend können wenigstens die mit den Leiterbahnenstrukturen versehenen Kontaktflächen mehrerer Sensoren der Sensoranordnung auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sein. Des Weiteren können insbesondere auch wenigstens die Kontaktelemente mehrerer Sensoren der Sensoranordnung untereinander in einer Kontaktelementauflage verbunden sein. Eine solche Verbindung kann zum Beispiel durch die Kontaktelement untereinander verbindende Stege oder dergleichen realisiert sein. Besonders bevorzugt wird hier allerdings die Ausbildung einer insgesamt zusammenhängenden flächigen Struktur nach Art einer Matte. In dieser sind dann an den jeweils vorgesehenen Positionen Kontaktelemente realisiert, und können auch wie eingangs erwähnte Abstandhalter ausgebildet sein. Eine solche Gestaltung ermöglicht eine einfache Herstellung mehrerer der zweiten Sensorteile in einem Arbeitsschritt, zum Beispiel einem Spritzgussverfahren, ggf. mit einem anschließenden Bedrucken oder Beschichten der Kontaktflächen der Kontaktelemente mit einer elektrisch leitenden Schicht. Werden auch die ersten Sensorteile mehrere Sensoren der Sensoranordnung gemeinsam auf einer Leiterplatte realisiert, so kann zum Bilden der gesamten Sensoranordnung dann die zusammenhängenden flächige Struktur (die Matte) mit den darin ausgebildeten Kontaktelementen positionsgetreu auf die Leiterplatte mit den darauf ausgebildeten Erfassungsflächen gelegt und mit der Leiterfläche verbunden werden, zum Beispiel an vorgegebenen Verbindungspunkten verklebt.It is fundamentally possible to form a sensor arrangement according to the invention with individually designed sensors that are positioned relative to one another to form the sensor arrangement, for example on a base. However, a solution is preferred in which the sensor arrangement, at least in one section, is already produced or can be produced as a coherent arrangement. Correspondingly, at least the contact surfaces of a plurality of sensors of the sensor arrangement provided with the conductor track structures can be arranged on a common printed circuit board. Furthermore, in particular at least the contact elements of a plurality of sensors of the sensor arrangement can also be connected to one another in a contact element support. Such a connection can be realized, for example, by webs or the like connecting the contact element to one another. However, the formation of an overall coherent flat structure in the manner of a mat is particularly preferred here. In this case, contact elements are then implemented at the respectively provided positions and can also be designed as spacers mentioned at the beginning. Such a design enables a simple manufacture of several of the second sensor parts in one work step, for example an injection molding process, possibly with a subsequent printing or coating of the contact surfaces Contact elements with an electrically conductive layer. If the first sensor parts of a plurality of sensors of the sensor arrangement are also implemented jointly on a circuit board, then to form the entire sensor arrangement, the coherent planar structure (the mat) with the contact elements formed therein can be placed in the correct position on the circuit board with the detection areas formed thereon and with the conductor area be connected, for example glued to predetermined connection points.
Die Leiterplatte kann, insbesondere wenn sie die Erfassungsfläche für mehrere Sensoren der Sensoranordnung trägt, zugleich auch Leiterbahnen für die Kontaktierung der Leiterbahnenstrukturen in den Erfassungsfläche und für die Verschaltung derselben mit der Steuerung aufweisen.The circuit board, in particular if it carries the detection surface for several sensors of the sensor arrangement, can also have conductor tracks for the contacting of the conductor track structures in the detection surface and for the interconnection thereof with the controller.
Mit besonderem Vorteil ist die Leiterplatte, die für jeweils einen Sensor der Sensoranordnung oder aber für eine Gruppe solcher Sensoren oder sogar für alle Sensoren der Sensoranordnung eingesetzt wird, eine flexible Leiterplatte. Hier kann zum Beispiel eine PET- oder PEN-Folie Verwendung finden, aber auch eine flexible Leiterplattenfolie aus Polyimid. Der Einsatz einer solchen flexiblen Leiterplatte bzw. von solch flexiblen Leiterplatten hat den Vorteil, dass eine damit gebildete Sensoranordnung sich an Flächenformen anpassen lässt, auf denen sie zum Einsatz kommen soll. Des Weiteren kann sich eine solche Sensoranordnung auch im Einsatz selbst, zumindest leicht, verformen, was zum Beispiel bei einem Einsatz einer solchen Sensoranordnung in einem Bereich, in dem empfindliche Gegenstände oder empfindliche Körperteile auf der Sensoranordnung auflastenden von Vorteil ist, da empfindliche Gegenstände nicht beschädigt werden können, ein Nutzer mit seinen empfindlich Körperteilen keine Druckstellen oder ähnliches verspürt. Zum Beispiel bei dem Einsatz einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit flexibler Leiterplatte in einer Innensohle oder einer Einlegesohle für einen Schuh bleibt der Tragekomfort des Schuhs erhalten, wenn die Leiterplatte (wie auch die Anordnung der Kontaktelemente) eine Flexibilität aufweist, dem Nutzer des Schuhs keinen starken Widerstand gibt und damit kein Druckgefühl auslöst.The circuit board, which is used for one sensor of the sensor arrangement or for a group of such sensors or even for all sensors of the sensor arrangement, is particularly advantageous as a flexible circuit board. Here, for example, a PET or PEN film can be used, but also a flexible circuit board film made of polyimide. The use of such a flexible printed circuit board or flexible printed circuit boards has the advantage that a sensor arrangement formed with it can be adapted to surface shapes on which it is to be used. Furthermore, such a sensor arrangement can also deform itself, at least slightly, during use, which is advantageous, for example, when using such a sensor arrangement in an area in which sensitive objects or sensitive body parts stressing the sensor arrangement are advantageous, since sensitive objects are not damaged a user with his sensitive body parts feels no pressure marks or the like. For example, when using a sensor arrangement according to the invention with a flexible printed circuit board in an insole or an insole for a shoe, the wearing comfort of the shoe is maintained if the printed circuit board (as well as the arrangement of the contact elements) has flexibility that does not give the user of the shoe a strong resistance and thus does not trigger a feeling of pressure.
Wie bereits vorstehend erwähnt, besteht eine bevorzugte und im besonderen Fokus der Erfinder stehende Anwendung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung darin, diese in einer Innen- oder Einlegesohle für einen Schuh anzuordnen. Die Anordnung erfolgt dabei insbesondere so, dass eine Auflagefläche eines Fu-ßes des Benutzers des mit der Innen- bzw. Einlegesohle versehenen Schuhs auf der Sensoranordnung aufliegt und dabei jedenfalls eine Mehrzahl von Sensoren der Sensoranordnung überdeckt. Mit Vorteil können dabei zumindest in einem Bereich der Innen- oder Einlegesohle für die Aufnahme des Fußballens und in einem Bereich der Innen- oder Einlegesohle für die Aufnahme der Fußferse Sensoren der Sensoranordnung vorgesehen sein.As already mentioned above, a preferred application of a sensor arrangement according to the invention, which is in the particular focus of the inventors, is to arrange it in an insole or insole for a shoe. The arrangement is in particular such that a contact surface of a foot of the user of the shoe provided with the insole or insole rests on the sensor arrangement and in any case covers a plurality of sensors of the sensor arrangement. Advantageously, sensors of the sensor arrangement can be provided in at least one area of the inner or insole for receiving the ball of the foot and in one area of the inner or insole for receiving the heel of the foot.
In einer solchen Anwendung, die jedoch nicht die einzige mögliche und denkbare Anwendung ist - erfindungsgemäße Sensoranordnungen können auch in anderen Anwendungen, zum Beispiel in wie eingangs bereits erwähnten Anwendungen für die Erfassung von Kräften beziehungsweise Drücken, die auf einer Sitzfläche eines Sitzmöbeln lasten, eingesetzt werden - können dann mit der Sensoranordnung zeitlich und auch räumlich aufgelöst von dem Nutzer des Schuhs mit seinem Fuß ausgeübte Kräfte beziehungsweise ausgeübte Drücke erfasst und einer weiteren Auswertung zugeführt werden.In such an application, which is however not the only possible and conceivable application - sensor arrangements according to the invention can also be used in other applications, for example in applications as mentioned at the beginning for the detection of forces or pressures which bear on a seat of a piece of seating furniture - With the sensor arrangement, the forces or pressures exerted by the user of the shoe can then be recorded in a temporally and spatially resolved manner and fed to a further evaluation.
Eine weitere Auswertung kann zum Beispiel darin bestehen, dass die Sensorwerte verglichen werden mit einem Abbild entsprechender Messwerte, die sich für einen optimalen Bewegungsablauf ergeben haben, um darüber für professionelle Athleten oder Freizeitsportler Bewegungsabläufe zu optimieren und zu trainieren. Ein Einsatz ist aber auch für eine oder im Rahmen einer therapeutischen Behandlung denkbar, zum Beispiel für das Erlernen eines schonenden Ganges bei Menschen mit Hüft- oder Knieproblemen oder auch nach Operationen, zum Beispiel dem Setzen von Hüftimplantaten oder Knieimplantaten oder dergleichen.A further evaluation can consist, for example, in that the sensor values are compared with an image of corresponding measured values which have resulted for an optimal movement sequence, in order to optimize and train movement sequences for professional athletes or recreational athletes. However, use is also conceivable for or as part of a therapeutic treatment, for example for learning to walk gently in people with hip or knee problems or also after operations, for example for placing hip implants or knee implants or the like.
Eine entsprechende Auswertung von mit der Sensoranordnung erfassten Daten kann zum Beispiel in einer auf einem separaten Datenverarbeitungsgerät betriebenen Software, typischerweise einer App, erfolgen. Dabei können bei einer kontinuierlichen Messung mit der Sensoranordnung entsprechend aufbereitete Daten und Ergebnisse auch in Echtzeit angezeigt werden, zum Beispiel einem Freizeitjogger, der einen mit einer solchen Innensohle bzw. Einlegesohle ausgestatteten Laufschuhe verwendet und dem entsprechende Ergebnisse beispielsweise auf einem von ihm mitgeführten Smartphone oder einem anderen Endgerät angezeigt werden. Im Rahmen einer solchen Auswertung können zum Beispiel auch Sprachausgaben vorgesehen sein, die zum Beispiel einem Sportler während des Gebrauchs einer solchen Einrichtung Anweisungen für eine Verbesserung seines Bewegungsablaufs, zum Beispiel eines Laufstils, als Rückmeldung zu erfassten Messwerten und Daten geben können.A corresponding evaluation of data recorded with the sensor arrangement can take place, for example, in software operated on a separate data processing device, typically an app. In the case of a continuous measurement with the sensor arrangement, correspondingly prepared data and results can also be displayed in real time, for example a leisure jogger who uses a running shoe equipped with such an insole or an insole and the corresponding results, for example, on a smartphone or one he has carried other terminal are displayed. In the context of such an evaluation, for example, speech outputs can also be provided, which, for example, can give instructions to an athlete during the use of such a device for improving his movement sequence, for example a running style, as feedback on the measured values and data recorded.
Die erfindungsgemäße Innen- oder Einlegesohle kann dabei insbesondere so gebildet sein, dass die Steuerung und auch eine Energieversorgung in diese mit integriert sind. Dies kann zum Beispiel durch ein kompakt gestaltetes über eine Steckverbindung mit der weiteren Sensoranordnung verbindbares Teil geschehen, welches insbesondere aus der Innensohle bzw. der Einlegesohle des Schuhs entnommen werden kann zum Anschließen an ein externes Gerät, zum Beispiel für ein Aufladen von in dem kompakten Teil angeordneten Akkumulatoren und/oder für einen Datenaustausch, zum Beispiel für das Aufspielen von Software oder Softwareupdates oder -upgrades auf die Steuerung oder aber auch für ein Auslesen von Daten aus einem mit der Steuerung verbundenen Datenspeicher.The insole or insole according to the invention can in particular be formed in such a way that the control and also an energy supply are integrated into it. This can be done, for example, by means of a compactly designed part which can be connected to the further sensor arrangement via a plug-in connection and which, in particular, consists of the insole or the insole of the shoe can be removed for connection to an external device, for example for charging accumulators arranged in the compact part and / or for data exchange, for example for loading software or software updates or upgrades onto the controller or for reading out of data from a data memory connected to the controller.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
-
1 eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäß gestaltete Sensoranordnung (ohne die Steuerung) -
2 eine Explosionsdarstellung der Sensoranordnung aus1 ; -
3 in zwei Ansichten, einer Aufsicht (3a ), und einer isometrischen Ansicht (3b ) ein erstes Sensorteil eines Sensors der Sensoranordnung; -
4 in drei Ansichten, einer Aufsicht (4a ), einer isometrischen und explodierenden Ansicht (4b ) und einem Längsschnitt (4c ) ein zweites Sensorteil eines Sensors der Sensoranordnung; -
5 in drei Ansichten, einer Aufsicht von der Rückseite her (5a ), einer Aufsicht von der Vorderseite her (5b ) und einer Seitenansicht (5c ) zwei über Leitungsabschnitte zusammenhängende Leiterplatten mit darauf ausgebildeten ersten Sensorteilen der Sensoranordnung nach1 ; -
6 in drei Ansichten, einer Aufsicht von der Rückseite her (6a ), einer Aufsicht von der Vorderseite her (6b ) und einer Seitenansicht (6c ) zwei mattenartig zusammenhängend gebildete Anordnungen mit zweiten Sensorteilen der Sensoranordnung nach1 ; -
7 eine Kennlinie eines Sensorsder Sensoranordnung nach 1 .
-
1 a supervision of a sensor arrangement designed according to the invention (without the control) -
2nd an exploded view of thesensor arrangement 1 ; -
3rd in two views, one supervision (3a ), and an isometric view (3b ) a first sensor part of a sensor of the sensor arrangement; -
4th in three views, one supervision (4a ), an isometric and exploding view (4b ) and a longitudinal section (4c ) a second sensor part of a sensor of the sensor arrangement; -
5 in three views, a top view from the back (5a ), a front view (5b ) and a side view (5c ) two circuit boards connected via line sections with first sensor parts formed thereon following thesensor arrangement 1 ; -
6 in three views, a top view from the back (6a ), a front view (6b ) and a side view (6c ) two mat-like coherent arrangements with second sensor parts after thesensor arrangement 1 ; -
7 a characteristic curve of a sensor according to thesensor arrangement 1 .
In den Figuren ist ein mögliches Ausführungsbeispiel, bzw. sind mögliche Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung gezeigt. Diese stellen lediglich ein Beispiel für eine mögliche Realisierung der Erfindung dar. Die Erfindung ist nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann, wie dem Fachmann deutlich werden wird, auch in abweichenden Gestaltungsformen umgesetzt werden. Gleichwohl werden anhand der Figuren und zu dem dort gezeigten Ausführungsbeispiel noch einmal erfindungswesentliche Merkmale aufgezeigt und erläutert, wobei solche Merkmale auch allgemein in abgewandelten Ausgestaltungsformen umgesetzt und einbezogen werden können.A possible exemplary embodiment or possible embodiments of a sensor arrangement according to the invention are shown in the figures. These merely represent an example of a possible implementation of the invention. The invention is not restricted to this exemplary embodiment, but, as will become clear to the person skilled in the art, can also be implemented in different design forms. Nevertheless, features essential to the invention are again shown and explained on the basis of the figures and the exemplary embodiment shown there, such features also being able to be implemented and incorporated in general in modified embodiments.
In
An den Anschlussstecker ist im Gebrauch der Sensoranordnung
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Sensoranordnung
In der gezeigten Anordnung sind bei der Sensoranordnung
In
Die Leiterbahnstruktur
Um die Leiterbahnstruktur
In
Das zweite Sensorteil
Das Kontaktelement
Das Kontaktelement
Im montierten Zustand des Sensors
Die Leiterbahnen der Leiterbahnstruktur
Wenn das Kontaktelement
Die Abstandshalter
Wie erwähnt sind die Matten
In einer Anwendung für die Bildung einer mit der Sensoranordnung
Je nach Anwendung kann die Sensoranordnung
In
Im Ausführungsbeispiel ist jedem Sensor
In
Diese Kennlinie steht in direktem Verhältnis zur mechanischen Konstruktion des Kontaktelements
Die halblineare Kennlinie in
Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung, z.B. eine wie in den Figuren gezeigte und vorstehend beschriebene Sensoranordnung
- Sohlensensoren auf kapazitiver Basis liefern nur schwache elektrische Signale mit hohem Rauschanteil, die leicht durch Feuchtigkeit in der Messumgebung, z.B. in einem Schuh, oder durch andere Störeinflüsse, wie z.B. bei einer Integration in einer Sohle durch Fußbewegungen, gestört werden können. Im Unterschied dazu liefert die erfindungsgemäße Lösung bei einer Beschaltung der resistiven Sensoren, z.B.
der Sensoren 2 , mit einem üblichen Spannungsteiler vergleichsweise starke Signale im 100mV-Bereich. Dadurch ist es nicht eforderlich, die Zuleitungen abzuschirmen.
- Capacitive-based sole sensors only provide weak electrical signals with a high noise component, which can easily be disturbed by moisture in the measurement environment, e.g. in a shoe, or by other interfering influences, such as foot movements when integrated in a sole. In contrast to this, the solution according to the invention provides when the resistive sensors, for example the sensors, are connected
2nd , with a common voltage divider comparatively strong signals in the 100mV range. It is therefore not necessary to shield the supply lines.
Übliche Sensoranordnungen Basis von Folien mit sog. Force Sensing Resistors liefern bei einer Anwendung als Sohlensensoren Signale mit Zitter-Störungen im Frequenzbereich von über 20 Hz, die extra herausgefiltert werden müssen. Die Ursache sind die starken Vibrationen beim Laufen, die zu wechselhaften Kontakten der Folie führen. Insbesondere während des Laufens mit einem Sportschuh wird die eingelegte Sensorfolie entsprechend der Fußbewegungen erheblich gekrümmt und verformt. Der Auslöseweg eines Kraftsensors auf Basis eines Force Sensing Resistors beträgt rund 0,01 bis 0,05 mm, d.h. 10-50µm. Entsprechend führt eine Vibration oder ein Stoß mit einer auf den Sensor wirkenden Bewegung von 0,01 bis 0,05mm zu einem Vollausschlag der Sensorik. Der kurze Auslöseweg des Sensors nach Art des vorbekannten Force Sensing Resistors bewirkt eine hohe Resonanzfrequenz von deutlich über 100 Hz, wodurch das Signal/Rauschverhältnis der Messungen verschlechtert wird.Usual sensor arrangements The basis of foils with so-called force sensing resistors, when used as sole sensors, provide signals with jitter in the frequency range of over 20 Hz, which have to be filtered out separately. The cause is the strong vibrations when running, which lead to changeable contacts of the film. In particular, while running with a sports shoe, the inserted sensor film is considerably curved and deformed in accordance with the foot movements. The trigger path of a force sensor based on a force sensing resistor is around 0.01 to 0.05 mm, i.e. 10-50µm. Accordingly, a vibration or impact with a movement of 0.01 to 0.05 mm acting on the sensor leads to a full deflection of the sensor system. The short triggering path of the sensor in the manner of the known force sensing resistor results in a high resonance frequency of well over 100 Hz, which worsens the signal / noise ratio of the measurements.
Im Gegensatz dazu liegt der Federweg, also Auslöseweg bei der erfindungsgemäßen Lösung im Bereich von 0,5mm, das ist 10 bis 50 Mal so viel wie bei den bisher üblichen Sensoren nach Art eines Force Sensing Resistors. Entsprechend führt eine Verformung mit einer auf den erfindungsgemäßen Sensor wirkenden Bewegung von 0,01 bis 0,05 mm nur zu einem Ausschlag von 2-10%, bringt die Messung also nicht durcheinander. Die Resonanzfrequenz liegt deutlich unter 100 Hz und damit außerhalb der für die Messung wichtigen Frequenzbereiche.In contrast to this, the spring travel, that is to say the trigger path in the solution according to the invention, is in the range of 0.5 mm, which is 10 to 50 times as much as in the case of the sensors of the type of a force sensing resistor which have been customary to date. Correspondingly, a deformation with a movement of 0.01 to 0.05 mm acting on the sensor according to the invention only leads to a deflection of 2-10%, and therefore does not confuse the measurement. The resonance frequency is clearly below 100 Hz and thus outside the frequency ranges important for the measurement.
Die erfindungsgemäße Konstruktion der Sensoren stellt sicher, dass sich jedes elektrisch messbare Signal direkt proportional zur Verformung des Kontaktelements, z.B. des Kontaktelements
Außerdem ist bei der erfindungsgemäßen Konstruktion sichergestellt, dass sich die gemessenen elektrischen Widerstände immer relativ zum Gesamtwiderstand der leitfähigen Kontaktoberfläche eines Kontaktelements, z.B. der leitfähigen Beschichtung
Zwar kann es Abweichungen zwischen den zweiten Sensorteilen, z.B. den zweiten Sensorteilen
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- SensoranordnungSensor arrangement
- 22nd
- Sensorsensor
- 33rd
- AnschlusssteckerConnector
- 44th
- flexible Leiterplatteflexible circuit board
- 55
- erstes Sensorteilfirst sensor part
- 6 6
- Stegweb
- 77
- flexible Matteflexible mat
- 88th
- zweites Sensorteilsecond sensor part
- 99
- KlebeschichtAdhesive layer
- 1010th
- LeiterbahnstrukturTrace structure
- 1111
- KontaktelementContact element
- 1212th
- elektrisch leitfähige Beschichtungelectrically conductive coating
- 1313
- AbstandshalterSpacers
- 1414
- AussparungRecess
- 1515
- Maskemask
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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