CN1938677A - 织物结构接触传感器 - Google Patents

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M·P·B·范布鲁根
G·J·A·德斯图拉
J·M·J·登图恩德
J·T·A·维尔德比克
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Abstract

织物结构接触传感器包括第一和第二外导电层，以及第一和第二导电层中间的一个第三层。第三层包括一涂有压敏电阻材料的非导电织物。在一个优选实施例中，将压敏电阻材料涂覆在非导电第三层上，从而形成一种多个压敏电阻材料的限定块的设置，以及第一、第二和第三层以一系列直线的方式连接在一起，所述线作用在多个压敏电阻材料的限定块之间。

Description

织物结构接触传感器
本发明涉及一种织物结构接触传感器，以及一种制造该织物结构接触传感器的方法。
已经知道具有一种由多层织物结构制造的接触传感器，例如在柔性键盘上的按钮。例如，公开号为US2002/0180578的美国专利申请出版物披露了一种位置传感器，其设置成探测例如人工施压的机械作用的位置。一个第一织物层具有机械加工于其中的导电纤维，以提供一第一导电外层，允许在沿着该层的所有方向上导电。一个第二织物层具有机械加工于其中的导电纤维，以提供一第二导电外层，允许在沿着该层的所有方向上导电。一个中间层设置在第一外层和第二外层之间。中间层包括导电组件。一个第一绝缘分隔部件设置在第一导电外层和导电组件之间。一个第二绝缘分隔部件设置在第二导电外层和导电组件之间。导电组件在机械作用的位置处在第一导电外层和第二导电外层之间提供导电通路。在传感器上的五个分层结构测量按压的位置和表面区域。不直接测量压力的程度是可能的。手指施加的压力能够从测量的表面区域内扣除，仅仅对于小的压力值。
在同一个专利申请出版中，图10中示出了一个替代的位置传感器的横截面。中间层将外层隔开，外层如上所述的类型。中间层是一种缩绒(felted)(无纺布)织物，包括导电和绝缘纤维的混合物。将导电纤维制造得比中间层的厚度短，并且因此没有导电纤维完全伸展穿过中间层。此外，导电与非导电纤维的比率是这样的，以至于当没有加压时没有导电通路穿过中间层的厚度，或没有导电通路沿着中间层。因此，在没有外力施加到传感器和没有对中间层加压的位置处，在中间层内的一些导电纤维可以与外层接触，但在外层之间没有导电通路存在。当外部施加的力压缩传感器时，该力使三层直接接触，并且中间层中的导电纤维与外导电层电连接。此外，中间层内的导电纤维与其它这种纤维接触，从而在两外层之间形成一个穿过中间层的导电通路。此外，如果该力增大，那么层被进一步压缩，导电纤维进一步与其它的这种纤维连接，并且两个外层之间的电阻降低了。如果传感器褶曲了并且在中间层靠近其内表面内产生了一个局部导电区域，该导电区域不贯穿该层，并且不会形成导电通路。这种构造提供了一种位置传感器，用于检测所施加的机械作用的位置，在那里该机械作用具有一个范围和一个力。该三层结构测量所施加的压力的位置和程度。然而，中间层完全是相同的，并不能够调整中间层以在其结构的不同部分上提供不同的电特性。
图13中示出了另一个替代实施例的横截面。该图的传感器包括如上所述类型的外层，由中间层隔开外层。导电外层通过非导电粘接点的阵列连接到中间层。通过将可导电印刷材料例如导电油墨印到稀松组织结构的绝缘织物上，制造中间层，以产生点的排列(可选择的，针织物或无纺布织物可以用于替代稀松构造的织物)。油墨渗入织物的厚度以产生一种导电柱的阵列，从而穿过织物层的厚度提供导电通路。将点的图案和间隔选择成不同于非导电柱的图案和间隔，因此避免了具有莫阿效应干扰和同步叠加的潜在的问题。典型的，绝缘点具有3mm的间隔，而导电柱具有1.3mm的间隔。因此，同前面描述的传感器一样，该传感器具有一种结构，允许将其折弯而不在弯折处的外导电层之间产生导电通路，与此同时，允许适当小的外部施压将外层与中间层接触，于是在外层之间产生了导电通路。具有三层的传感器测量施加其上按压位置和表面区域，不直接测量压力的程度是可能的。根据将中间层与两外层隔开的需要，通过提供非导电粘接点实现，这种结构的制造也是复杂的。这增加了装置及其结构的复杂程度。
因此，本发明的一个目的是提供一种对已知装置进行改进的三层接触传感器。
根据本发明的第一方面，提供一种织物结构接触传感器，具有第一和第二外导电层，以及第一和第二导电层中间的一个第三层，其中第三层包括一涂有压敏电阻材料的非导电织物。该压敏电阻材料的电导取决于对其施加的压力。
由于本发明的这一方面，能够提供一种三层织物结构接触传感器，该传感器能够测量施加到该接触传感器的压力的位置以及程度，同时具有简单的结构。所得到的传感器比已知的传感器容易构造。
有利的是，压敏电阻材料在非导电第三层上是非连续的，并且涂在非导电的第三层上，从而形成一种多个压敏电阻材料的限定块的设置。在第三层上存在的多个压敏电阻材料限定块具有多种显而易见的优点。每个块能够看作是一个(在传感器的最终结构内)彼此隔离的单独按钮。这允许这些按钮具有不同的电作用轮廓，并且允许将这些层(例如通过缝合)连接在一起，而不在层的连接处建立电气连接。
第一、第二和第三层优选的在不具有压敏电阻材料的点上连接在一起。第一、第二和第三层以一系列的直线连接在一起，所述线作用在多个压敏电阻材料的限定块之间。这使得接触传感器比现有传感器更为稳固。这些层连接在一起，从而帮助防止这些层彼此相对的横向移动。当用户按压触摸衬垫时，如果发生这些层彼此相对的横向移动(并且这是已知的问题)，那么可能给出错误读数。
接触传感器可以进一步包括一个第四层，第四层设置有可见指示。第四层在传感器外表面上的任意特定点处为用户提供传感器的逻辑功能的可见指示。
优选的，接触传感器进一步包括两对电极，连接到第一外层的一对第一对电极和连接到第二外层的一对第二对电极，这两对电极相互垂直，并且接触传感器还进一步包括连接到这两对电极的电子电路。
根据本发明的第二方面，提供一种制造织物结构接触传感器的方法，包括步骤：接收第一和第二导电层，接收一个第三层，所述第三层包括一个涂有压敏电阻材料的非导电织物，以及构成这些层，使得第三层在第一和第二层之间。
由于这一方面，能够以直接且简单的方式制造一种三层织物结构接触传感器。
有利的是，该方法进一步包括，在接收所述非导电第三层之前，将压敏电阻材料涂覆在第三层上。使用压敏电阻材料对第三层的涂覆能够用于在非导电第三层上建立一个非连续的压敏电阻材料涂层。优选的，使用压敏电阻材料对第三层的涂覆在非导电第三层上建立的压敏电阻材料涂层，形成一种多个压敏电阻材料的限定块的设置。
优选的，该方法进一步包括，在构成这些层之前，接收一个第四层，所述第四层设置有可见指示。这些层的构成进一步包括在不具有压敏电阻材料的点上将这些层连接在一起。有利的是，这些层的构成包括以一系列直线的方式将这些层连接在一起，所述线作用在多个压敏电阻材料的限定块之间。
该方法可以进一步包括在这些层上附加(affix)两对电极，连接到第一外层的一对第一对电极和连接到第二外层的一对第二对电极，这两对电极相互垂直，并且该方法还可以进一步包括连接电子电路到这两对电极。
现在将参照附图，仅通过例子来描述本发明的实施例，其中：
图1是一个三层织物结构接触传感器的示意图；
图2是图1的三层织物结构接触传感器的示意图，并且示出了每个单独的层；
图3是一个电子电路图；
图4是一个与图2相似的三层织物结构接触传感器的第二实施例的示意图；
图5是具有附加第四层的图4的织物结构传感器的示意图；
图6是制造该织物结构传感器的方法流程图；
图7是在一件外衣上的两个织物结构接触传感器的示意图。
图1和图2示出了三层织物结构接触传感器的第一实施例。织物结构接触传感器10分别包括第一和第二外导电层12、14，以及一个第三层16，第三层16在第一和第二导电层12、14的中间。第三层16包括一涂有压敏电阻材料18的非导电织物。外层12和14由一种导电织物构成，例如涂有聚吡咯的编织聚酯，商业上获得如来自Marktek公司的Contex织物。由涂在非导电织物16上的压敏电阻油墨18形成第三中间层16。任何常用的非导电织物，例如编织聚酯，只要油墨能够渗透该织物的整体厚度，就能够用作层16的基底。在这个优选实施例中，压敏型油墨18是在WO97/25379中描述的物质，并且可从Tekscan公司商业获得(见网站www.tekscan.com)。可以使用其他具有要求的电、化学和机械特性的压敏电阻材料。在空载时印刷织物层16的电导为零，但是当施加高于阈值负载的负荷时快速增长。
图1和图2中所示的结构是接触传感器10，在正常状态下，由于第三层16在二个外层12、14之间建立了一个绝缘层，接触传感器10不导电。然而，如果用户按压在外层14上(例如，当在例如一件夹克的外衣内将传感器安装为一个音量控制器时)，这个施加的力就改变了压敏电阻材料18的电阻特性。材料18变为导电到一个与用户施加的力成正比的程度，并且因此电流能够在层14和12之间流动。
传感器10进一步包括两对电极，连接到第一外层12的第一对电极20和连接到第二外层14的第二对电极22，这两对电极20和22相互垂直。接触传感器还包括连接到这两对电极20和22的电子电路30。
图3中详细示出了电子电路30，电子电路30包括一个可变电阻器Rp、两个电阻Rx和Ry、一个参考电阻Rref、一个电源电压Vs、一个高阻抗读出缓冲器32、和五个转换开关S1到S5，可变电阻器Rp是涂在中间层16上的压敏电阻材料18，两个电阻Rx和Ry分别是外层12和14的电阻。电路30测量三种不同的事情，在接触传感器上的用户压力、以及按压的x和y位置。这三种事情中任一个的测量依赖于五个转换开关S1到S5的位置。控制这些开关以循环快速地通过这些位置，从而以短的时间间隔获取所测量的三种事情的读数。下表根据所测量的信息限定了每个转换开关的位置：
模式 S1  S2  S3  S4  S5
触摸/压力 1  0  0  0  0
X坐标 0  2  0  0  0
Y坐标 0  1  1  1  1
Rx和Ry是顶部和底部导电层12和14的电阻。Rp是印有Tekscan18的第三层16的可变电阻。Rref是用于检测接触动作的出现以及施加的接触压力。实际上，当测量了按压的可变电阻时，层12和14(电阻Rx和Ry)在它们的整个表面区域上处于恒定电势，并且所建立的电路是由Rp和Rref分担电压的，同时缓冲器32读出在Rp和Rref之间一点上的电压，从而测量Rp的电阻(因为Rref是已知的)。Rp的电阻是用户在接触传感器10上的按压程度的量度。
在x位置检测期间，在导电层Rx施加一个线性电压降。一个电位探针由部分Ry和Rp的电串行结构组成。然而，由于使用一个高阻抗读出缓冲器，所以探针的电阻在读出x坐标期间变得不相关。当探测y坐标时保持同样的状态。实际上，由于Rp接触电阻Rx(当测量x坐标时)，所以Rp在那个点上测量电压，在x方向上有效的测量接触传感器上的按压位置。这在测量y坐标时是相反的。
图4示出了接触传感器的第二实施例40。该织物结构接触传感器40(如在第一实施例中)分别包括第一和第二外导电层12、14，以及一个第三层16，第三层16在第一和第二导电层12、14的中间。第三层16包括一涂有压敏电阻材料48的非导电织物。压敏电阻材料48在非导电第三层16上是非连续的。这层压敏电阻材料48涂在非导电第三层16上，从而形成一种多个压敏电阻材料48的限定块的设置。
当压敏电阻材料48以一系列块的形式设置在第三层16上时，这允许第一、第二和第三层12、14和16在不具有压敏电阻材料48的点上连接在一起。第一、第二和第三层12、14和16以一系列的直线连接在一起，所述线作用在多个压敏电阻材料48的限定块之间。通过将这些层连接起来，具有更为稳固的结构，并且还大大减小了由使用时传感器的褶曲而引起的错误读数的可能性。
在图5中，触摸衬垫40进一步包括一个第四覆盖层42；第四层42设置有可见指示44。在这个例子中，可见指示44为数字1到9，并且对于用户它们表示9个不同的按压按钮，它们对应于在第三层16上的多个压敏电阻材料48的块。注意，一个第五覆盖层也可以施加到该衬垫的背面。
图6是该织物结构接触传感器10的制造方法流程图。制造该织物结构接触传感器10的方法在其最简单的形式中包括步骤：接收600第一和第二导电层12、14，接收604第三层16，第三层16包括一个涂有压敏电阻材料18的非导电织物，以及构成606这些层，使得第三层16在第一和第二层12、14中间。
在这个构造接触传感器10的方法的基本方案中，已经为第三层16涂有压敏电阻材料18。然而，在非导电第三层16的接收604之前，该方法能够进一步包括将压敏电阻材料18涂覆在第三层16上的步骤602。通过将涂覆第三层16的步骤602包括在构造接触传感器的方法中，在选择压敏电阻材料18涂覆的合理设置上获得了更大的灵活性。
例如，使用压敏电阻材料对第三层16的涂覆602可以用于在非导电第三层16上建立一个非连续的压敏电阻材料涂层。这样的设置已经在图4中示出并且在前面已经详细描述了。所述非连续设置是这样的，使用压敏电阻材料48对第三层16的涂覆602在非导电第三层16上建立一个压敏电阻材料48涂层，从而形成一种多个压敏电阻材料48的限定块的设置。
该方法还包括可选步骤612，这意味着该制造方法进一步包括，在这些层的构成606之前，接收612一个第四层42，第四层42设置有可见指示44。步骤606是这些层整体的构成，从而制造出接触传感器10的本体，步骤606可以还包括在不具有压敏电阻材料18的点上将这些层12、14和16连接在一起。在一个优选实施例中，如图5所示，这些层的构成606包括以一系列直线的方式将这些层连接在一起，所述线作用在多个压敏电阻材料18的限定块之间。
在这些层的构成606之后，该方法进一步包括在层12和14上分别附加两对电极20和22，第一对电极20连接到第一外层12以及第二对电极22连接到第二外层14，这两对电极相互垂直。该方法还进一步包括连接电子电路30到这两对电极20和22。
一旦构成了接触衬垫传感器10，就能够将其结合到大范围的织物上，例如用于衣服或家具。下述应用是该传感器最适合的用途，壁纸内的照明调光器/开关，座椅、沙发、床垫或浴室防滑垫内的指重表传感器，交互式博弈游戏垫或墙帷，探测人行走其上位置的引导或安全地毯，具有力感测的织物钢琴，在沙发或毯子(家用、车用)内控制周围电子设备和/或座椅位置的接触面板，分析行走/奔跑模式的鞋垫，以及织物显示器的触摸屏(织物显示器放置在织物触摸衬垫的顶上)。
图7中描述了一种这样的应用，其中示出了在一件夹克700上使用的两个接触传感器的例子。覆盖一支袖子的第一传感器702能够典型的用作位置感测音量控制条，位置感测音量控制条连接到MP3播放器。第二传感器衬垫704能够用作接触衬垫，来写入文本信息。后面一个应用必须要求附加的反馈机构(音频或视频)，没有示出所述反馈机构。
总之，与已知的现有技术相比，解决了如下问题。负荷感测材料不使用为一片负荷感测无纺布或一片负荷感测弹性体，而是能够以任何期望的形状和结构局部印刷。通过出现在油墨中的导电粒子所占的分数(fraction)，能够确定获得大于零的电导所需要的阈值负荷。电导与负载的斜率，即衬垫的负荷敏感度也依赖于在油墨中导电粒子的填充分数。由于通过印刷自由的展开，织物能够相互缝合在一起，避免了这些层的滑动(滑动导致需要重新校准)。不需要间隔物，并且这种材料能够褶曲而不会产生错误信号。这种复合材料全部是具有敞开结构的纺织品，从而保持了纺织品固有的通气特性。

Claims (17)

1、一种织物结构接触传感器，包括第一和第二外部导电层(12，14)，以及第一和第二导电层(12，14)中间的一个第三层(16)，其中第三层(16)包括一涂有压敏电阻材料(18，48)的非导电织物。
2、根据权利要求1所述的接触传感器，其中压敏电阻材料(48)在非导电第三层上是非连续的。
3、根据权利要求2所述的接触传感器，其中压敏电阻材料(48)涂覆在非导电第三层(16)上，从而形成一种多个压敏电阻材料(48)的限定块的设置。
4、根据权利要求2或3所述的接触传感器，其中第一、第二和第三层(12，14，16)在不具有压敏电阻材料(48)的点上连接在一起。
5、根据从属于权利要求3的权利要求4所述的接触传感器，其中第一、第二和第三层(12，14，16)以一系列的直线连接在一起，所述线作用在多个压敏电阻材料(48)的限定块之间。
6、根据前述任一权利要求所述的接触传感器，进一步包括一个第四层(42)，第四层(42)设置有可见指示(44)。
7、根据前述任一权利要求所述的接触传感器，进一步包括两对电极(20，22)，连接到第一外层(12)的第一对电极(20)和连接到第二外层(14)的第二对电极(22)，这两对电极(20，22)相互垂直。
8、根据权利要求7所述的接触传感器，进一步包括连接到这两对电极(20，22)的电子电路(30)。
9、一种制造织物结构接触传感器的方法，包括步骤：接收(600)第一和第二导电层(12，14)，接收(604)一个第三层(16)，所述第三层(16)包括一个涂有压敏电阻材料(18，48)的非导电织物，以及构成(606)这些层，使得第三层(16)在第一和第二层(12，14)中间。
10、根据权利要求9所述的方法，进一步包括，在接收(604)所述非导电第三层(16)之前，将压敏电阻材料(18，48)涂覆在第三层(16)上。
11、根据权利要求10所述的方法，其中使用压敏电阻材料(48)对第三层(16)的涂覆(602)在非导电第三层(16)上建立了一个非连续的压敏电阻材料(48)涂层。
12、根据权利要求11所述的方法，其中使用压敏电阻材料(48)对第三层(16)的涂覆(602)在非导电第三层(16)上建立了一个压敏电阻材料(48)涂层，形成一种多个压敏电阻材料(48)的限定块的设置。
13、根据权利要求9～12任一所述的方法，进一步包括，在构成(606)这些层之前，接收(612)一个第四层(42)，所述第四层(42)设置有可见指示(44)。
14、根据权利要求9～13任一所述的方法，构成这些层(606)进一步包括在不具有压敏电阻材料(48)的点上将这些层连接在一起。
15、根据从属于权利要求12的权利要求14所述的方法，其中构成这些层(606)包括以一系列直线的方式将这些层连接在一起，所述线作用在多个压敏电阻材料(48)的限定块之间。
16、根据权利要求9～15任一所述的方法，进一步包括在这些层上固定(608)两对电极(20，22)，连接到第一外层(12)的第一对电极(20)和连接到第二外层(14)的第二对电极(22)，这两对电极(20，22)相互垂直。
17、根据权利要求16所述的方法，进一步包括连接(610)电子电路(30)到这两对电极(20，22)。
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