用于检测脚与支撑表面之间的力的传感器构造的制作方法

本发明涉及运动医学和/或步态分析的领域，特别是涉及用于检测脚与支撑表面之间的力的传感器构造。此外，本发明涉及用于鞋的鞋底构造、用于检测脚与支撑表面之间的力的检测系统以及用于提供传感器构造的方法。

背景技术：

1、例如，在运动医学、步态分析等中，存在应尽可能精确地测量在步态、步行期间产生的力(例如，地面反作用力)以根据它来确定步态的应用。为此目的，可以将传感器构造应用于鞋以测量所产生的力。根据期望的测量精度，传感器构造可以包括多个传感器元件。

2、在鞋内，传感器元件可以例如嵌入聚合物泡沫中。嵌入泡沫可能对传感器构造导致机械应力，因为泡沫会引起例如剪切应力、拉伸应力等，其使多个传感器元件的传感器膜层和/或与多个传感器元件连接的导线受到机械应力。此外，泡沫引起传感器构造的稍微非线性的传感器特性，这需要在传感器信号处理期间被考虑到，使得可能需要计算密集、功能复杂的校准和/或补偿。

技术实现思路

1、因此，可能需要提供将传感器构造集成在鞋中的改进装置。本发明的目的是提供一种适用于鞋的传感器构造，其提供耐用性和/或精确的力测量。

2、本发明由独立权利要求的主题来解决，其中在从属权利要求中限定其他实施方式。

3、在第一方面，提供了一种用于检测脚与支撑表面之间的至少一个力的传感器构造。该传感器构造可以被配置为用于移动步态分析等。该传感器构造包括多个基于箔的传感器元件，这些传感器元件作为单独的元件布置在由载体形成的至少基本上共同的平面中。此外，该传感器构造包括多个垫元件，这些垫元件的数量与传感器元件的数量相对应，并且这些垫元件作为单独的元件布置成使得多个垫元件中的相应一个垫元件的区域延伸部与多个传感器元件中的对应一个传感器元件的区域延伸部至少部分地重叠。

4、这样，与将传感器元件嵌入泡沫中不同，垫元件仅覆盖多个传感器元件中的相应一个传感器元件的一侧，而不是完全围绕它。这可以减小传感器元件上的机械应力，因为拉伸力和/或剪切力的影响至少被减小，从而增加耐用性。此外，由于导线可以围绕垫元件布线，可以减小与传感器元件连接的导线上的机械应力。此外，与嵌入泡沫中时、特别是泡沫同时嵌入多个传感器元件时可能的情况相比，单独布置的垫元件允许检测更高比例的力，因为力耗散和/或反作用比嵌入在泡沫中时更直接。因此，第一方面的传感器构造提供了精确的力测量。虽然泡沫由于其布置和/或材料特性而非线性地表现，但是多个垫元件的布置和/或材料特性允许减少关于非线性信号特性的校准和/或补偿的工作量。

5、如本文所使用的，基于箔的传感器元件可以利用力感测电阻器(fsr)技术，或箔和导电和/或半导电材料的任何其他种类的层布置，并且可以被配置为产生指示当脚撞击地板表面时产生的力的传感器信号。

6、例如，传感器元件可以包括：第一层，该第一层包括非导电载体箔和第一半导电层，该第一半导电层至少部分地沿着第一层的纵向方向延伸并且与导电区域接触；包括多个导电区段的层；至少一个电连接区域；以及第二层，该第二层包括非导电载体箔和第二半导电层，该第二半导电层至少部分地沿着第二层的纵向方向延伸，其中至少一个电连接区域与第一层和第二层的一个半导电层接触，并且适于与电能源连接，并且其中第一半导电层和第二半导电层布置成彼此相距一定距离并且适于根据施加到传感器元件上的力而选择性地彼此接触，从而改变传感器元件的电阻值。

7、此外，传感器构造的每个传感器元件可以被配置为输出分配信号，该分配信号可以根据由所施加的力引起的负载状况而变化。第一层和/或第二层的载体箔可以由诸如聚酯等合适的塑料形成，并且可以具有约50-150微米(μm)、优选约80-120μm、优选约100μm的厚度。第一半导电层和/或第二半导电层可以形成为油墨，特别是碳油墨。导电区域可以由导电油墨形成，例如含银油墨或银油墨等。导电区域可以用作与电路的连接部，并且还可以用作可以布置在第一层和第二层之间的碳中间层的导体和连接器。该碳层可以具有限定的电阻，该电阻可以由表面以及混合物确定。该表面的电阻可以根据应用来选择。例如，银具有比石墨高的电导率，这显著地降低了电阻，尤其是输入阻抗。对于传感器元件的进一步细节和/或实施方式，参照wo2020/224937a1，其内容整体并入本文。垫元件还可以被理解为一种印模(stamp)，其被配置为将力引入到鞋的相邻部分中，该部分可以是鞋内底(insole)。优选地，垫元件仅与相关联的传感器元件的平坦侧接触，其中平坦侧可以由箔表面形成。垫元件可以例如是板状、长方体形状等，其平面侧基本上具有所分配的传感器元件的对应平面侧的尺寸或面积。单独布置可以被理解为这些元件根本不彼此连接，或者至少只是很弱地彼此连接，使得几乎没有任何力能在单独的垫元件之间传递。

8、如本文所使用的，多个垫元件中的相应一个垫元件与多个传感器元件中的对应一个传感器元件(即，被分配的一个传感器元件)的重叠可以是相对于力施加方向的。优选地，垫元件和传感器元件的彼此面对的表面可以(基本上)相同和/或具有(基本上)相同的表面积。

9、优选地，传感器元件和/或传感器元件的数量可以是n，其中n是大于1(一)的整数。换句话说，传感器构造可以包括多个传感器元件。这些传感器元件可以被布置成分布在假想的脚表面上，载体在几何上适于该假想的脚表面以实现要测量的力的精确测量。传感器构造也可以被称为传感器阵列。

10、此外，单个垫元件可以附接到单个传感器元件。

11、根据一个实施方式，可以将多个垫元件中的正好一个垫元件分配给多个传感器元件中的正好一个传感器元件。换句话说，单个传感器元件与单个垫元件附接。这样，垫元件根本不彼此连接，并且仅与单个传感器元件相互作用，使得可以进行特别精确的力测量。此外，单个垫元件几乎不会在单个传感器元件和/或连接传感器元件的导线或布线上施加任何机械应力。

12、在一个实施方式中，多个传感器元件中的每个传感器元件与多个垫元件中的被分配的一个垫元件一起可以布置为相对于多个传感器元件中的其他传感器元件和它们分配的垫元件是独立式的。这样，垫元件根本不彼此连接，并且仅与单个传感器元件相互作用。此外，这样，垫元件不会对连接传感器元件的导线或布线施加任何机械应力。

13、根据一个实施方式，多个垫元件和多个传感器元件可以至少部分地和/或部分地彼此附接。这可以是适于将多个垫元件中的相应一个垫元件和多个传感器元件中的对应一个传感器元件彼此固定的任何类型的锁定。例如，附接可以是例如通过使用粘合剂等的材料锁定，或者是通过例如突出部和凹部的相互作用等的形状配合，等等。这防止了垫元件相对于传感器元件的移位或移动，反之亦然。

14、在一个实施方式中，多个垫元件中的相应一个垫元件可以被施加在载体的面对支撑表面的一侧上。例如，如果传感器构造或传感器元件的面对脚的一侧是顶侧，则可以将垫元件布置在其底侧上。替代地，如果传感器构造或传感器元件的面对脚的一侧是底侧，则可以将垫元件布置在其顶侧上。这允许力被有效地施加到传感器元件上。

15、根据一个实施方式，多个垫元件的材料可以具有至少弹性或橡胶弹性的特性。例如，材料可以是橡胶、硅等。这提供了高耐用性。此外，可以估计垫元件对力测量信号的影响。

16、在一个实施方式中，多个垫元件的材料的肖氏a硬度可以在10至60的范围内，优选地在20至50的范围内，进一步优选地在25至45的范围内，进一步优选地在30至40的范围内，并且最优选地为35。这使得材料是柔性的、致密的和坚固的。这提供了高耐用性。此外，可以估计垫元件对力测量信号的影响。

17、根据一个实施方式，传感器元件的数量和/或垫元件的数量可以在2与30之间或在3与30之间，优选地在13与18之间，并且最优选地为15或16。这些元件可以被布置为分布在假想的脚表面上，载体在几何上适于该假想的脚表面以实现要测量的力的精确测量。由此，传感器构造可以通过计算通过传感器构造的多个传感器元件检测到的总力来提供实现人体秤的信息。此外，多个传感器元件和/或多个垫元件可以在脚趾的方向上布置在沿脚的纵向方向延伸的多个单独的轨道上，这些轨道可以类似于在脚中部区域和脚跟区域中的指状物。

18、在一个实施方式中，垫元件的材料厚度在约1mm和10mm之间，优选在约1和8mm之间，更优选在约2mm和5mm之间，最优选在3mm和4mm之间。

19、在一个实施方式中，载体可以由至少一个箔形成。导线可以嵌入、模制或印刷到箔中。此外，箔可以是多层的。

20、根据一个实施方式，多个传感器元件可以被边界围绕，该边界具有相对于传感器元件上的力施加方向的厚度，该厚度小于或等于多个垫元件的厚度。边界的材料可以与多个垫元件相同。这样，可以至少最大程度地减小可以例如在鞋内底的方向上布置在传感器构造上的表层鞋底(cover sole)的屈曲。

21、根据第二方面，提供了一种用于鞋的鞋底构造。鞋底构造包括根据第一方面的传感器构造和至少一个鞋底元件。由此，传感器构造和至少一个鞋底元件被布置成相对于彼此浮动。

22、通过浮动布置，传感器构造和/或传感器元件的一个或多个箔具有在负载下偏转的最大可能性，即高滑动动力。换句话说，表层鞋底和/或脚“浮动”在传感器构造上。结果，脚/鞋的移动不会在传感器构造和/或传感器元件的一个或多个箔中和/或连接传感器元件的导线或布线中引起显著的张力。这提供了高耐用性。

23、鞋可以是运动鞋、跑鞋、步行鞋、西服鞋等。

24、在一个实施方式中，传感器构造的载体和至少一个鞋底元件可以基本上由每个垫元件形成的层间隔开，其中，优选地，载体和至少一个鞋底元件之间的空间可以在约1mm和10mm之间，优选地在约1和8mm之间，更优选地在约2mm和5mm之间，最优选在3mm和4mm之间。

25、根据一个实施方式，至少一个鞋底元件可以包括或可以形成表层鞋底(也被称为上鞋底)，其被布置为在传感器构造上浮动，并且由具有比传感器构造的多个垫元件的材料高的肖氏a硬度的材料制成。该肖氏a硬度可以为至少60，优选在90和100之间，最优选为95。因此，脚放置在表层鞋底上，并且体重(即，每个传感器元件要测量的力的总和)专门经由多个传感器元件和多个垫元件来传递。

26、在一个实施方式中，至少一个鞋底元件可以包括或可以形成鞋内底(也称为下鞋底)，其由具有比传感器构造的多个垫元件的材料高的肖氏a硬度的材料制成。该肖氏a硬度可以为至少60，优选在90和100之间，最优选为95。

27、优选地，表层鞋底和/或鞋内底可具有与传感器构造相对应的表面延伸部。(一个或多个)表面可以稍微更大，但是应当避免力分量通过太宽或太长的鞋底被传递到鞋的侧壁中。

28、在一个实施方式中，表层鞋底以及下鞋底的表面延伸部可以略大于传感器构造的表面延伸部，优选地，表层鞋底的表面延伸部略大于下鞋底的表面延伸部。

29、根据一个实施方式，多个垫元件中的至少一部分可以通过材料锁定而与鞋内底连接。替代地或附加地，多个垫元件中的至少一部分可模制到鞋内底中。这样，多个垫元件和/或传感器构造可以固定在一侧，而相对侧与表层鞋底一起浮动。这提供了高耐用性。

30、根据第三方面，提供了一种用于检测脚与支撑表面之间的力的检测系统。该系统包括鞋、包括根据第一方面的传感器构造的根据第二方面的鞋底构造。此外，该系统包括与传感器构造连接的电源和与传感器构造连接的评估电路。由此，电源和/或评估电路容纳在鞋和/或鞋底构造的至少一个鞋底元件的材料凹部中。

31、这样，提供了一种应用于鞋的系统，其提供耐用性和/或精确的力测量。此外，在材料凹部中容纳电源和/或评估电路有助于将鞋底构造固定到鞋上。

32、在一个实施方式中，评估电路被配置为通过计算通过传感器构造的多个传感器元件检测到的总力而作为人体秤来操作。如上所述的传感器构造可以经由多个传感器元件中的每个传感器元件提供精确的力测量。将各个传感器信号或值相加给出或转化为总体重力。为此目的，评估电路可以被配置为处理多个传感器元件的传感器信号。计算体重可以由评估电路和/或外部评估软件等执行。

33、根据第四方面，提供了一种用于提供传感器构造的方法。传感器构造被配置为检测脚与支撑表面之间的力。该方法包括以下步骤：

34、将多个基于箔的传感器元件作为单独的元件布置在由载体形成的至少基本上共同的平面中；

35、将数量与传感器元件的数量相对应的多个垫元件作为单独的元件布置成使得多个垫元件中的相应一个垫元件的区域延伸部与多个传感器元件中的对应一个传感器元件的区域延伸部至少部分地重叠。

36、注意，上述实施方式可以彼此组合，而与所涉及的方面无关。因此，该方法可以与其他方面的构造的结构特征组合，同样地，第一、第二和第三方面的构造可以与彼此的特征组合，并且还可以与上面关于根据第四方面的方法描述的特征组合。

37、本发明的这些和其他方面将从下文所述的实施方式变得清楚并参照下文所述的实施方式进行阐明。