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)