发明内容
本发明的实施例的一个目的是提供一种服装,其能够感测移动和/或致动移动。特别地,该实施例的目的是提供具有完全地整体形成的高应变传感器的服装。
根据第一方面,该目的通过这样的服装满足,该服装具有层叠结构,所述层叠结构包括:
-外层,该外层是能弹性变形的,外层具有相对的第一表面和第二表面,第一表面形成服装的外表面;
-第一导电层,该第一导电层是能拉伸的,并且具有相对的第一表面和第二表面,该第一表面附接至外层的第二表面;
-膜(film,薄膜)结构,包括至少一层的能弹性地变形的聚合物膜,膜结构具有相对的第一表面和第二表面,该第一表面附接至第一导电层的第二表面;
-第二导电层,该第二导电层是能拉伸的,并且具有相对的第一表面和第二表面,该第一表面附接至能弹性地变形的聚合物膜的第二表面。
通过该结构,传感器和/或致动器本身形成服装,并且服装变得能够在服装的整个区域上检测移动或致动移动。
此外,通过能变形的聚合物膜的变形来实现所述感测和致动,并且可以实现相对较高的应变感测和/或范围大(large scale)的致动。
在将服装用作传感器时,聚合物膜的变形改变位于膜结构的相对表面上的两个导电层之间的距离。这改变了电容,并且因此,变形可由适当的电子装置检测到。
在将服装用作致动器时,施加在定位于膜结构的相对表面上的两个导电层之间的电势差产生电场,该电场导致吸引力。结果,导电层之间的距离改变,并且该改变导致了弹性材料的压缩,所述弹性材料因此变形、并且服装可被移动。
在本文中,我们指出了将服装既作为传感器又作为致动器的使用方法,并且简单地使用术语“具有变换器能力的服装”,由此,变换器覆盖作为传感器以及作为致动器的功能。
“服装”在本文中是指任何种类的衣服制品,或总体上是指能够穿戴在生物的身体上的任何物品,包括潜水套装(suits)、防护套装和工作服、用于模拟和游戏目的的套装(例如用于识别人类的手势)、诸如泳衣的运动套装,以及一般而言用于乳罩和内衣的套装。
此外,服装应该通常包括任何布料,例如用作用于各种目的的篷布(sailcloth)、帆布(canvas),所述目的包括工业目的,诸如用于驱动带、用于翼片上的表皮材料,或用于制造飞机、航天飞机、卫星等的面板,或用于气球(包括用于计量观测结果或其它相关项目的气球)。
“外层”是指形成服装的外边界的层,并且由此该层可布置成面向穿着服装的生物的皮肤表面。因此,其被指定为是皮肤友好的(skin-friendly)。这个术语在本文中是指这样的材料,即,该传料传统地以与生物的皮肤紧密接触的方式被穿戴,并且该材料被知晓为通常不会引起皮肤发炎、皮疹或皮肤问题的材料。特别地,这种材料可以是选自由任一种织物、硅橡胶材料(silicone material)以及通常被认为是皮肤友好的任何材料组成的组。
“第一导电层”和“第二导电层”可特别地由这样的材料制成,即,该材料的电阻率小于10-2Ωcm,诸如小于10-4Ωcm。通过提供具有非常低的电阻率的导电层,即使使用非常长的导电层,导电层的总电阻也不会变得过大。因此,用于机械能与电能之间的转换的响应时间可被保持在可接受的水平,同时允许复合部的大表面面积,从而获得用于服装的较大的致动力或粗确的感测能力。
导电层可优选地由金属或导电合金制成,例如由选自由银、金和镍组成的组的金属制成。可替换地,也可选择其它合适的金属或导电合金。因为金属和导电合金通常具有很低的电阻率,所以可通过由金属或任何种类的导电材料制成导电层来获得上述的优点,例如,导电材料的弹性模量高于聚合物膜的弹性模量,即,导电层可具有在弹性范围内比聚合物膜材料更大的刚度(stiffness,硬挺度,硬度)。介电材料的电阻率可大于1010Ωcm。
优选地,介电材料的电阻率大大高于导电层的电阻率,优选地至少高1014-1018倍。
在绝对意义上讲,导电层的厚度可在0.01μm至0.1μm的范围内,例如在0.02μm至0.09μm的范围内,例如在0.05μm至0.07μm的范围内。
第一导电层和第二导电层被指定为是能拉伸的。在实践中,这可以通过以下来获得:通过由具有凸起和凹入的表面部分的表面图案的聚合物膜来制成膜结构,以及通过以薄层的形式将导电层中的相应一个施加于表面图案上以使得其沿循其所附接的聚合物膜的形状。当膜弹性地变形时,导电层可跟随膜的弹性移动,同时图案被拉伸开,直到导电层被完全拉伸。
“膜结构”包括任何数量层的能弹性地变形的聚合物膜,例如一层、两层、三层、四层或五层的能弹性地变形的膜,所述层粘合地接合或简单地相互堆叠以形成层叠结构。具体地,能弹性地变形的膜可由介电材料制成,所述介电材料在本文中被认为涵盖能够承受电场而不传导电流的任何材料,诸如具有大于或等于2的相对介电常数ε的材料。该介电材料可以是聚合物,例如弹性体,如硅橡胶弹性体,诸如弱粘合性硅树脂,或者具有相对弹性变形而言,类似弹性体特征的一般材料。例如,Elastosil RT 625、Elastosil RT 622、Elastosil RT 601(这三个均来自于Wacker-Chemie)可用作介电材料。
在本文中,术语“介电材料”应该解释为特别地但并不唯一地指这样的材料,即,该材料的相对介电常数εr大于或等于2。
在使用不是弹性体的介电材料的情况中,应该注意的是,介电材料应该具有类似于弹性体的特性,例如,具有在弹性方面类似于弹性体的特征。因此,介电材料应该能变形到这样的程度,即,由于介电材料的变形,复合物能够偏转并由此推动和/或拉动。
膜的厚度可在10μm与200μm之间,诸如在20μm与150μm之间,诸如在30μm与100μm之间,诸如在40μm与80μm之间。
膜和导电层可以具有相对均匀的厚度,例如具有一最大厚度和一最小厚度,该最大厚度小于膜的平均厚度的110%,最小厚度为膜的平均厚度的至少90%。
相应地,第一和第二导电层可以具有一最大厚度和一最小厚度,该最大厚度小于第一导电层的平均厚度的110%,最小厚度为第一导电层的平均厚度的至少90%。导电层可例如通过涂覆技术以非常薄的层厚度施加于聚合物膜层中的一个。
“第一导体”可在第一连接点中附接于第一导电层,并且“第二导体”可在第二连接点中附接于第二导电层。导体可形成为像传统的电线或线缆的细长主体。在另一实施例中,导体可以形成为袋状物(pouches),所述袋状物是圆形的、椭圆形的或适合于与电极中的一个建立电连通的其他形状。
导体可例如是能程度大地弹性变形的,从而使得导体的长度可改变,或者导体可至少是柔性地可弯曲的。
“覆盖层”被布置成使得它覆盖并保护第二连接点。覆盖层可由皮肤友好的材料形成,或者它可由适用于特殊目的的材料形成。特别地,覆盖部可比外层更耐用,它可比外层更防水,它可具有比外层低或高的摩擦,或者它可具有不同的颜色或纹理等。
覆盖部可形成“突片(tab)”,所述突片与第二导电层的第二表面隔开,或者可与第二导电层的第二表面隔开,使得所述突片可从服装向外延伸,并可被用于例如将服装附接于产品。具体地,这种突片可使得服装能够附接于产品,而无需进行缝合或以任何其它方式穿透服装的层状结构。
为了能够实现将服装附接于产品的可替换方法,或者能够通过缝合而由服装制成可穿戴的套装,所述服装可包括“空隙(void)部分”,所述空隙部分具有至多一个导电层,并且优选地不具有导电层。这将使得能够穿过服装缝合,而不会破坏导电层,并且特别地不具有使一个导电层接触另一导电层的风险(这会导致由那些层传送的电信号短路)。服装上的“可视指示部”可示出可进行缝合的空隙部分。
如已经提到的,膜结构可包括任何数量层的能弹性地变形的聚合物膜。特别地,服装可包括两层能弹性地变形的膜,这些膜由中间导电层结构隔开。该结构的主要优点是,可在第一导电层和第二导电层的公共电势与中间导电层结构之间施加电势差。特别地,公共电势可为零,即,第一导电层和第二导电层可连接于零点或接地部,而高电势差施加于中间导电层结构。服装的用户由此可通过直接抵靠外层和覆盖层的(即,直接抵靠服装的外表面的)第一和第二导电层而被有效地保护免受高电势。
中间导电层结构可包括至少一个(优选地两个)中间导电层,所述中间导电层能在聚合物膜的弹性变形过程中拉伸。
两个中间导电层可通过使用导电粘合部而被粘合地结合,并且在这种情况中,在中间连接点中连接于中间导电层结构的“附加导体”可被固定在中间导电层之间的导电粘合部中。
第一、第二、和附加导体中的至少一个可包括可弯曲的导电元件,所述可弯曲的导电元件被布置成在与导体所附接的导电层或导电层结构接触时未被拉伸。由于导体未被拉伸,所以它们可在聚合物膜的变形过程中被拉伸,并且导体可因此在接触点中跟随服装的移动。
至少一层基本上非弹性的材料可被布置成降低第一、第二、和中间连接点中的至少一个的拉伸性。该层可是直接粘合地附接于接触点中的一个的表面,或者它可被包括在施加于中间导电层之间的导电粘合部中。因为非弹性材料降低了拉伸性,所以可通过减少疲劳和应变而提高服装的耐用性。“非弹性材料”在本文中是指这样的材料,即,该材料的弹性模量比聚合物膜的弹性模量高。非弹性材料的弹性模量与膜的弹性模量之间的比率可大于50,或甚至大于100或甚至大于200。
服装还可包括由能弹性地变形且密封的材料形成的层,该材料覆盖膜结构、导电层中的至少一些以及连接点。特别地,服装可被完全密封在能弹性变形的密封材料中,从而防止水和/或蒸汽、灰尘和其它污染物侵入。
服装可特别地便于在一个特定方向上或在多个特定的方向上拉伸,例如在相互垂直的两个方向上拉伸。在本文中,在一个方向上拉伸服装而不在其他方向上拉伸该服装的能力,被称为各向异性的拉伸特征。聚合物膜已经被指定为能弹性地变形,并且提供各向异性的拉伸特征,至少一个导电层、并且优选地所有导电层可因此具有各向异性的拉伸特征。
这可通过使凸起或凹入表面部分的上述表面图案具有特定形状来提供。
外层可具有补充各向异性的拉伸特征的弹性。即,它可例如通过在导电层可拉伸的那个方向中的弹性变形而比其它方向更容易变形。
表面图案可例如包括波纹(corrugation),所述波纹使得导电层在长度方向上的长度长于复合部在长度方向上的长度。因此,导电层的波纹形状方便了服装可沿纵向方向拉伸,而不会在那个方向上拉伸导电层,而是仅通过使导电层的波纹形状变平即可。
波纹图案可包括波,该波在一个公共方向上延伸而形成波峰和波谷,所述波限定各向异性特征,该各向异性特征促进在垂直于公共方向的方向上的移动。根据本实施例,波峰和波谷类似于具有基本上平行的波前(wavefront,波阵面)的驻波。但是,波不一定是正弦曲线,而是可具有任何合适的形状,只要限定有波峰和波谷即可。根据该实施例,波峰(或波谷)将限定基本上线性的轮廓线(即,一般而言沿波纹的相对于复合部具有相同高度的部分的线)。该至少基本上线性的线将至少基本上平行于由其它波峰和波谷形成的相似的轮廓线,并且所述至少基本上线性的线的所述方向限定了公共方向。以这种方式限定的公共方向的结果是产生各向异性,并且促进了复合部在垂直于公共方向的方向上的移动,即,复合部,或者至少被布置在波纹表面上的导电层在垂直于公共方向的方向上是顺性的(compliant,顺应的)。
凸起和凹入的表面部分的变化可能是相对宏观的且容易被人的肉眼检测到,并且它们可以是制造商的有意行为的结果。周期性的变化可包括由形成在用于制造膜的辊上的一个或多个接合部所导致的痕迹或印迹。可替换地或附加地,周期性变化可以发生在基本上微观的规模上。在这种情况下,周期性变化可以为在膜的制造期间使用的工具(例如辊)的制造公差的数量级。
波纹表面中的每个波纹可限定一高度,该高度是波峰与相邻波谷之间的最短距离。在这种情况下,每个波可限定的最大波的高度为平均波纹高度的至多110%,并且/或者每个波可限定的最小波的高度为平均波高度的至少90%。根据该实施例,波高度的变化非常小,并且获得了非常均匀的图案。
根据一个实施例,波的平均波高度可在1/3μm与20μm之间,诸如在1μm与15μm之间,诸如在2μm与10μm之间,诸如在4μm与8μm之间。
可替换地或附加地,波的波长可限定为两个波峰之间的最短距离,并且波的平均高度与平均波长之间的比率可在1/30与2之间,诸如在1/20与1.5之间,诸如在1/10和1之间。
波的平均波长可在1μm至20μm的范围中,诸如在2μm至15μm的范围中,诸如在μm至10μm的范围中。
波的平均高度与膜的平均厚度之间的比率可在1/50与1/2之间,诸如在1/40与1/3之间,诸如在1/30与1/4之间,诸如在1/20与1/5之间。
服装中的所有导电层可具有相同的表面图案,并且它们可布置成在相同的方向上提供拉伸性。
服装可进一步包括控制装置,该控制装置适于在中间导电层结构中的至少一个与第一和第二导电层的公共电势之间施加电势差。如已经提到的,将施加零电势作为公共电势将具有的效果是,保护使用者免受存在于中间导电层结构上的电势。
具体实施方式
应当理解的是,虽然详细描述和具体实例表明了本发明的实施例,但所述详细描述和具体实例仅以示例的方式给出,因此,通过所述详细描述,对于本领域技术人员来说,落入本发明的精神和范围内的各种改变和变型是显而易见的。
图1a和1b示出了一种服装,其包括外层1、介电聚合物材料的膜2,所述膜布置在第一和第二导电层3、4之间。第一和第二导电层因此在能变形聚合物膜的相对侧上形成电极。在图1a中,服装被施加零电势差,而图1b中,服装被施加高电势差。如图1b中所示,当被施加一电势差时,膜2扩展,而导电层3、4变平。
图2示出了用于形成膜结构2的一个层的部分的片材5。该片材具有上表面6和下表面7。上表面设置有具有凸起的和凹入的表面部分的图案,从而形成表面的波纹轮廓设计。导电层已经被施加于上表面,例如通过沉积技术施加,以有利于形成当与片材的层厚度相比时非常小的层厚度。这样,导电层中形成有与片材的上表面相同的凸起和凹入的表面部分的图案。
就日常实际物体而言,片材5具有一厚度,并且该片材就像家用膜(household film)一样柔韧和柔软。但是,它比这种家用膜更能弹性地变形,并且一旦导电层被施加于上表面,它就具有显著的机械性能各向异性(mechanical anisotropy,力学各向异性)。
再次参照图1a和1b中的服装,膜结构2包括单个层的能弹性地变形聚合物膜。该单个层可由两个片材5组成,所述两个片材中的每一个均具有沉积在上表面上的导电层。片材5设置有抵靠彼此的下表面7。这由虚线8示出。
由于凸起和凹入的表面部分的图案,电极3、4可在膜2沿由箭头9限定的方向扩展时变平、并且可在膜结构2沿该方向收缩时恢复其原始形状,而不会损坏电极3、4,所述方向从而限定顺性(compliance)的方向。因此,层叠部1适于形成能够承受变形和较大应力的顺性结构的一部分。
如上所述,在沉积导电层之前,波纹表面轮廓被直接压制或模制于介电膜结构2的每个片材5中。波纹允许使用用于导电层的具有高弹性模量的材料(例如金属)制造顺性复合部。这能在当施加导电层(即电极3、4)时不向介电膜结构2施加预拉伸或预应变的情况下获得,并且所完成的复合部的波纹轮廓既不依赖于介电膜2中的应变、也不依赖于电极3、4的弹性或其他特征。因此,波纹轮廓被以一致的方式复制在膜结构2的基本上整个上表面和下表面上,并且可控制该复制。此外,该方法提供了使用标准复制和卷轴到卷轴的涂覆的可能性,从而使得该方法适合于大规模生产。例如,电极3、4可使用标准商业物理气相沉积(PVD)技术施加于介电膜结构2的上表面和下表面。这种方法的优点在于,各向异性由设计确定,并且由于设置在膜结构2的表面上的波纹轮廓以及沿循该波纹轮廓的电极3、4的特征而获得实际的各向异性。
图1a和图1b中所示的服装被设计成在由箭头9限定的方向上具有顺性,并且在由箭头10限定的方向上具有在导电层3、4的刚度范围内的刚度。
该服装包括覆盖层11,该覆盖层附接于第二导电层的第二表面,从而使得该覆盖层覆盖第二连接点。覆盖层是皮肤友好型材料,该覆盖层基本上是非弹性的,并且它完全覆盖第二导电层的第二表面。
图3示出了具有两层能弹性地变形的聚合物膜12、13的服装。膜结构的两个层由两个中间导电层14、15隔开,所述两个中间导电层通过导电粘合部16而处于粘合接触。接合的导电层14、15在下文中被称作一个中间导电层结构14、15、16。
图4示出了导体可如何附接于服装以便与导电层电连通。第一导体17、第二导体18和附加导体19与导电层3、4以及与中间导电层结构14、15、16处于导电连通。接触提供了与控制装置的连接性,通过所述控制装置可建立导电层之间的电势差,并由此可建立膜2的使动偏转(enabledeflection)。导体可以是柔软柔韧的和/或可弯曲的导体。导体17、18、19中的每一个均可例如包括多个导电的且容易弯曲的纤维。
导体17、18、19连接于导电层或层结构的区域在本文中被称为连接点。第一和第二连接点20、21(在所述第一和第二连接点处,第一和第二导电层3、4被接合于第一和第二导体17、18)由外层1和覆盖层11覆盖。
外层1和覆盖层11可例如由能弹性地变形的材料形成,例如由皮肤友好型的非织物(non-woven,无纺布)或织物材料形成。
为了加强连接点并减小发生疲劳和应变的风险,该服装可包括至少一个(优选地两个)附加层,所述附加层在本文中被称为支撑层。支撑层22、23可粘性地附接于连接点。支撑层由基本上非弹性的材料(例如非织物材料)制成。支撑层因而降低了服装在连接点处(在所述连接点处,与导体的连接可能是脆弱的)的可拉伸性。如图4中所示,支撑层可位于外层与第一导电层之间以及覆盖层与第二导电层之间。可替换地,支撑层形成服装的至少一个外表面,例如皮肤友好的外表面。
第一和第二导体以及因此第一和第二导电层3、4连接于电源的零点(zero,零地,零电压部)或接地部,并且中间导体和导电层结构13、14、15连接于不同的电势,以引起聚合物膜的变形。外层与零点或接地部的连接保护使用者免受电击。
导体形成柔软柔韧的或可弯曲的线缆24的部分,该线缆例如由织物或非织物纤维材料制成。
图5示出了根据本发明的实施例。在该实施例中,覆盖层形成了突片25,该突片与第二导电层的第二表面26隔开,或者能与第二导电层的第二表面隔开。突片不包括导电层,并且因而适于缝合或通常适于将元件附接于服装。
图6示出了连接点27中的一个,在该连接点处,导体中的一个包括可弯曲的导电元件或纤维28,该导电元件或纤维布置成在与导体所附接的导电层或导电层结构接触时未被拉伸。该元件的未被拉伸的布置允许接触点的弹性变形,因为元件可移动直至达到完全拉伸的构造。
图7示出了具有多个导体29的服装,所述多个导体中的每一个均具有相应的触点,所述触点由外层或覆盖层(例如与支撑层相结合的外层或覆盖层)覆盖。这种服装可在突片之间被切割成期望的形状或尺寸。
例如,服装可沿所示的切割线30切割。这提供了多个分开的服装片31、32、33,所述服装片可各自经由相应的导体分别地连接于控制装置。在一可替换实施例中,本发明涉及一种具有变换器能力的装置,并且该装置包括:
-外层(1),该外层由能弹性地变形的材料形成,该外层具有相对的第一表面和第二表面,该第一表面形成服装的外表面;
-第一导电层(3),该第一导电层是能拉伸的并且具有相对的第一表面和第二表面,该第一表面附接于外层的第二表面;
-膜结构(2),该膜结构包括能弹性地变形的至少一层聚合物膜,膜结构具有相对的第一表面和第二表面,该第一表面附接于第一导电层的第二表面;
-第二导电层(4),该第二导电层是能拉伸的,并且具有相对的第一和第二表面,该第一表面附接于能弹性地变形的聚合物膜的第二表面。
该装置可以是具有皮肤友好型的外层(1)的服装,但是也可适于应用在其它对象中或应用到其它对象。外层(1)可适于形成用于将所述装置连接到一对象的平台,例如通过向表面施加粘结剂以使得其可粘附于对象的平台,或者仅通过将其作为例如通过缝合、通过螺栓、螺钉等而可机械地连接于物体的平台。
适于该实施例和/或服装实施例的外层(1)的另一或可替换的用途是,基于降低变换器装置的拉伸性和/或能弯曲性,以便匹配对象(所述变换器装置待附接到该对象或待附接至该对象中)的拉伸性和/或能弯曲性。