DE112012004179T5

DE112012004179T5 - Elektrisch leitfähige Textilien für Insassenerfassungs-und/oder Heizanwendungen

Info

Publication number: DE112012004179T5
Application number: DE112012004179.8T
Authority: DE
Inventors: Thomas Wittkowski
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2011-10-06
Filing date: 2012-10-08
Publication date: 2014-09-11
Also published as: WO2013050621A2; US20140246415A1; CN103917704A; WO2013050621A3

Abstract

Eine flexible Heizung und/oder Elektrode umfasst ein gewebtes Textilmaterial mit einer Kettrichtung und einer Schussrichtung, wobei das Textilmaterial mindestens einen Bereich mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit und mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit umfasst. Die mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit grenzen an den mindestens einen Bereich mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit an. Mindestens einer der mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ist mit einem Verbindungsanschluss der Heizung und/oder Elektrode wirkverbunden, wobei der Verbindungsanschluss zum Verbinden der Heizung und/oder Elektrode mit einer elektronischen Steuerschaltung vorgesehen ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrisch leitfähige Textilien, welche beispielsweise für die Insassenerfassung und/oder Heizung in Fahrzeugen verwendet werden können. Die Erfindung betrifft insbesondere Elektrodenelemente auf Textilbasis für Insassenerkennungssysteme (ODS; occupant detection systems), Insassenklassifizierungssysteme (OCS; occupant classification systems) und/oder die für Insassen vorgesehene Heizung, die in spezielle Oberflächen des Fahrzeuginnenraums einzubauen sind.
Technischer Hintergrund
Es ist heutzutage weithin bekannt, dass Kraftfahrzeuge mit dem Komfort dienenden Funktionsbauteilen wie beispielsweise Heizungen (zur Aufheizung von Sitzfläche, Rückenlehne, Armlehne, Lenkrad, Schalthebel oder zur Aufheizung anderer Oberflächenbereiche des Innenraums) oder mit die Sicherheit betreffenden Bauteilen wie beispielsweise Insassenerkennungs- oder -klassifizierungssystemen zur Verwendung bei der Steuerung von sekundären Rückhaltesystemen wie beispielsweise Airbags oder Gurtstraffern oder von anderen Sicherheitssystemen (wie Fahrerüberwachung und Lebenszeichenüberwachung) ausgestattet werden. Bei den Sitzheizungen und den Insassenerkennungs- oder -klassifizierungssystemen werden Elektrodenelemente benutzt, die im Fahrzeug in unmittelbarer Nähe des Insassen innerhalb des Fahrzeuginnenraums angeordnet sind. Normalerweise müssen diese Elektrodenelemente, beispielsweise Sitzheizmatten oder Sensorelektroden, in der Sitzfläche des Insassensitzes und/oder in anderen Oberflächen des Fahrzeuginnenraums angeordnet werden, welche unter normalen Bedingungen mit dem Insassen in Kontakt sind oder sich in dessen Nähe befinden, also beispielsweise in der Sitzfläche, der Rückenlehne des Sitzes, einer Armlehne, dem Lenkrad, dem Schalthebel, Türen oder anderen Oberflächenbereichen. Schalthebel, Türen oder anderen Oberflächenbereichen. Damit die Elektrodenelemente für den Insassen verborgen bleiben, werden sie normalerweise unter einem Sitzbezug oder unter einer Abdeckung anderer Oberflächen, die den Fahrzeuginnenraum abgrenzen, angeordnet.
Da die Elektrodenbauteile bzw. -elemente nicht den Komfort des Fahrgasts beeinträchtigen sollten, ist es von Bedeutung, dass der Insasse die Elektrodenelemente unter dem Sitzbezug oder der Abdeckung nicht spüren kann. Aus diesem Grund sollte das Elektrodenelement sehr flexibel und – insbesondere, wenn es in die Sitzfläche eines Fahrzeugsitzes eingebaut ist – sehr durchlässig für Luft und Feuchtigkeit sein. Demgemäß stellen neuere Entwicklungen diese Elektrodenelemente meist als leitfähige Textilkomponenten zur Verfügung, die ohne Weiteres die oben genannten Anforderungen erfüllen.
Insassenerkennungssysteme oder Insassenklassifizierungssysteme auf Textilbasis werden derart konstruiert, dass sie über die Lebensdauer eines Fahrzeugs, die mindestens 15 Jahre beträgt, voll funktionsfähig sind. Allerdings fallen Sitzheizungen häufig nach nur wenigen Betriebsjahren aus. Das heutige Konzept der Konstruktion und Herstellung von Sitzheizungen einschließlich ihrer Materialkonzepte schränkt ihre Robustheit stark ein. Daher kann die heutige Art der Herstellung von Sitzheizungen nicht auf die Herstellung von textilen Sensorelektroden für sicherheitsrelevante Anwendungen wie Insassenerkennungssysteme oder Insassenklassifizierungssysteme übertragen werden.
Gegenwärtig wird die elektrische Leitfähigkeit für den Zweck der Aufheizung von Sitzen mit Textilmaterialien in Fahrzeugen meist durch eine Kupferverdrahtung oder Kohlefasern erzielt, die in das Textilmaterial integriert ist bzw. sind. Diese Materialien sind von sich aus spröde und Drähte/Fasern sind bruchanfällig. Sie stellen eine potentielle Beeinträchtigung des Komforts oder sogar eine Verletzungsgefahr für Fahrgäste dar, wenn leitfähige Drähte brechen sollten. Daher haben solche Systeme gravierende Einschränkungen für die Herstellung einer kombinierten Belegungserfassung und Heizung von Sitzen oder sogar für die Heizung allein, wenn die Anforderungen für die Lebensdauer des Fahrzeugs 15 Jahre und mehr betragen.
Eine Kupferverdrahtung für die serielle Aufheizung wird häufig durch Sticken auf ein Trägertextil aufgebracht. Kohlefasern erfordern oft komplexe Verfahren für ihre Befestigung an einem Trägertextil. Derartigen Verfahren fehlt die Konstruktionsfreiheit, weil die geometrischen Ausdehnungen (z. B. die Größe der Heizung) in zu hohem Maße mit den elektrischen Eigenschaften des Systems zusammenhängen. Es wird nach Systemen gesucht, bei denen die geometrischen und elektrischen Sollwerte größtenteils unabhängig voneinander und ohne Weiteres erzielbar sind.
Der Einbau eines Sensors oder einer Heizung in den Fahrzeuginnenraum muss so leicht wie möglich sein. Die meisten Sensoren oder Heizungen können gegenwärtig nicht in einen Träger eingenäht werden, weil dieses Verfahren ihre elektrischen Eigenschaften zu stark beeinträchtigen würde. Es werden textile Erfassungs- und Heizungslösungen gesucht, die leicht einbaubar sind und die beispielsweise in den Bezug eines Fahrzeugsitzes eingenäht werden können. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die zu lösenden Probleme fehlende Stabilität, fehlender Komfort, Konstruktionsmängel und Schwierigkeiten beim Einbau von textilen KFZ-Sensoren und -Heizungen sind.
Gegenwärtig werden die Insassenerfassung und die Heizung mit verschiedenen Produkten versehen: mit Belegungssensoren, die häufig nach einem kapazitiven Messprinzip arbeiten, und mit separaten Heizungen. Insassenerfassungssysteme verfügen über Lebensdauern von über 15 Jahren, wohingegen die Lebensdauer einer Heizung oft kürzer ist und typisch nur einige Jahre beträgt. Sensoren und Heizungen können beide erfolgreich in Fahrzeugsitze eingebaut werden, allerdings als separate Systeme.
Textilien haben vorteilhafte Eigenschaften für die Anwendung in Kraftfahrzeugen, beispielsweise Luftdurchlässigkeit, Elastizität, Biegsamkeit und einen niedrigen Preis. Bei der textilen Insassenerfassung und textilen Heizung steigt gerade ihr Marktanteil. Es stehen hingegen keine Systeme zur Verfügung, die für eine Lebensdauer von über 15 Jahren eine Insassenerfassung und Heizung bereitstellen könnten, die in ein Textil integriert sind.
Die derzeit auf dem Markt erhältlichen textilen Heizsysteme zeigen charakteristische Mängel, die sich auf die Materialien und Verfahren beziehen, die bei der Konstruktion und Herstellung solcher Heizungen zum Einsatz kommen. Sensoren oder Heizungen, die in einen flexiblen Träger wie beispielsweise einen Bezug eines Fahrzeugsitzes eingenäht sind, sind auf dem Markt nicht vorhanden.
Eine auf Kupfer basierende Verdrahtung für die serielle Aufheizung wird oft durch Sticken auf ein Trägertextil aufgebracht. Kohlefasern erfordern häufig komplexe Verfahren für ihre Befestigung/Einbindung an einem Textil. Diese leitfähigen Materialien sind meist bruchanfällig und bergen somit signifikante Risiken in Bezug auf Komfort und Sicherheit. Derartigen Verfahren fehlt die Konstruktionsfreiheit, weil die geometrischen Abmessungen (z. B. die Größe der Heizung) in zu hohem Maße mit den thermoelektrischen Eigenschaften des Systems zusammenhängen.
Technisches Problem
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes elektrisch leitfähiges Textilmaterial für Insassenerfassungs- und/oder Heizanwendungen bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein elektrisch leitfähiges Textilmaterial nach Anspruch 1 gelöst.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart ein textiles Sensor- und/oder Heizungsmaterial, das für die Bereitstellung einer Insassenerfassung (Klassifizierung oder Erkennung) in einem Fahrzeug, einer Heizung oder einer Heizung und Insassenerfassung geeignet ist. Die textilen Sensoren und/oder Heizungen sind durch eine Lebensdauer von mindestens 15 Jahren in einem Fahrzeug gekennzeichnet. Um dieses Ziel zu erreichen, schlägt die vorliegende Erfindung die Verwendung von elektrisch leitfähigen Materialien wie beispielsweise Garnen und Tinten vor, die von sich aus flexibel und langzeitstabil sind. Es werden Textilien gewebt, die leitfähige Garne umfassen und die gegebenenfalls derart überdruckt werden, dass das daraus resultierende Sensor- und/oder Heiztextil elastisch, biegsam, luftdurchlässig und preiswert ist.
Dies wird durch die Implementierung von Bereichen mit unterschiedlicher Leitfähigkeit in dem Textil ermöglicht. Solche Bereiche werden technisch entweder durch das Webverfahren oder durch eine Kombination aus einem Web- und Druckverfahren erhalten. Die Verfahren des Webens und/oder Druckens ermöglichen für die Aufheizung die Erfüllung von drei Bedingungen, die sich auf elektrische und geometrische Parameter eines Heizelements beziehen. Das daraus resultierende Sensor- und/oder Heiztextil ergibt ein Höchstmaß an Fahrgastkomfort und Betriebssicherheit. Es kann wegen seiner ihm eigenen Robustheit und seiner Variabilität bei der Konstruktion ohne Weiteres an einer beliebigen Stelle in einem Fahrzeuginnenraum eingebaut werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine flexible Heizung und/oder Elektrode ein gewebtes Textilmaterial mit einer Kettrichtung und einer Schussrichtung, wobei das Textilmaterial mindestens einen Bereich mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit und mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit umfasst. Die mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit sind angrenzend an den mindestens einen Bereich mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit angeordnet und erstrecken sich vorzugsweise angrenzend daran. Mindestens einer der mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ist mit einem Verbindungsanschluss der Heizung und/oder Elektrode wirkverbunden, wobei der Verbindungsanschluss zum Verbinden der Heizung und/oder Elektrode mit einer elektronischen Steuerschaltung vorgesehen ist.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Bereich mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit durch die Verwendung von elektrisch leitfähigen Schuss- und/oder Kettgarnen mit geeigneter Fadendichte vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich dazu wird der mindestens eine Bereich mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit durch Aufbringen, vorzugsweise Aufdrucken, eines Materials mit niedriger Leitfähigkeit auf ein gewebtes Textil bereitgestellt, das aus nichtleitfähigen Garnen oder aus Garnen mit niedriger Leitfähigkeit besteht.
Bei einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung wird mindestens einer der mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit durch die Verwendung von Schuss- oder Kettgarnen mit hoher Leitfähigkeit bereitgestellt. Alternativ oder zusätzlich dazu wird mindestens einer der mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit durch Aufbringen, vorzugsweise Aufdrucken, eines Materials mit hoher Leitfähigkeit – angrenzend an den mindestens einen Bereich mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit – auf ein gewebtes Textil bereitgestellt, das aus nichtleitfähigen Garnen oder aus Garnen mit niedriger Leitfähigkeit besteht.
Gemäß einer Ausgestaltung erstreckt sich ein erster der mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit in Kettrichtung angrenzend an mindestens einen Bereich mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit und erstreckt sich ein zweiter der mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit in Kettrichtung angrenzend an mindestens einen Bereich mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit, wobei sich der erste und der zweite der mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit zumindest in einem Bindungspunkt kreuzen. Zur Verbesserung des elektrischen Kontakts zwischen den Bereichen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit wird vorzugsweise ein Material mit hoher Leitfähigkeit auf den ersten und den zweiten der mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit in dem Bereich des Bindungspunkts aufgebracht, beispielsweise aufgedruckt.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung erstrecken sich ein erster und ein zweiter der mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit beide in Kettrichtung oder in Schussrichtung angrenzend an gegenüberliegende Seiten des mindestens einen Bereichs mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit und sind sowohl der erste als auch der zweite der mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit mit Verbindungsanschlüssen der Heizung und/oder Elektrode wirkverbunden, wobei die Verbindungsanschlüsse zum Verbinden der Heizung und/oder Elektrode mit einer elektronischen Steuerschaltung vorgesehen sind.
Man kann den mindestens einen Bereich mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Konfiguration der Heizung oder Elektrode derart konfigurieren, dass er anisotrope Leitfähigkeitseigenschaften, vorzugsweise unterschiedliche elektronische Eigenschaften in Schuss- und Kettrichtung aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Heizungsanlage, die eine wie oben offenbarte flexible Heizung und/oder Elektrode sowie eine elektronische Steuereinheit zur Speisung der flexiblen Heizung mit einem Heizstrom umfasst. Die Heizungsanlage umfasst bei einer möglichen Ausgestaltung eine Anzahl von Heizelementen und eine elektronische Steuereinheit zur Speisung der Heizelemente mit einem Heizstrom, wobei jedes der Heizelemente eine wie oben beschriebene flexible Heizung und/oder Elektrode umfasst.
Die Bereiche mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit der einzelnen Heizelemente haben bei einer möglichen Variante dieser Ausgestaltung unterschiedliche elektrische Eigenschaften wie beispielsweise einen unterschiedlichen Schichtwiderstand Rsq_j. Die einzelnen Heizelemente werden vorzugsweise derart in einer Reihenfolge angeordnet, dass die einzelnen Schichtwiderstände Rsq_j der Bereiche mit niedriger Leitfähigkeit mit zunehmendem Abstand von dem Verbindungsanschluss abnehmen.
Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung sind die jeweiligen der mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit der einzelnen Heizelemente in gegenseitiger Ausrichtung angeordnet und derart miteinander verbunden, dass sie eine gemeinsame Zuleitung für die einzelnen Bereiche mit niedriger Leitfähigkeit bilden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Erfassungsanlage, die eine wie vorstehend beschriebene flexible Heizung und/oder Elektrode sowie eine elektronische Steuereinheit zur Speisung der flexiblen Heizung und/oder Elektrode mit einer Erfassungsspannung oder einem Erfassungsstrom umfasst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung mehrerer nicht einschränkender Ausgestaltungen anhand der beigefügten Zeichnungen hervor.
Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen
Eine textile Elektrode und/oder ein Heiztextil werden in den Innenraum des Fahrzeugs eingebaut, und vorzugsweise werden der Sensor und/oder die Heizung von der Rückseite aus an einer Oberfläche wie beispielsweise einem Fahrersitz, Beifahrersitz, Rücksitz, Lenkrad, einer Türseite des Innenraums, einem Schalthebel usw. befestigt.
Die vorliegende Erfindung offenbart, wie eine textile Elektrode für ein Insassenerkennungs- oder -klassifizierungssystem oder ein Heiztextil oder ein Textil, das Hybridfunktionalität aufweist – d. h., welches für die Erfassung und Heizung verwendet werden kann – konstruiert und hergestellt wird.
Alle Materialien, die für die Herstellung eines solchen Textils und die Bereitstellung von elektrischer leitfähigkeit verwendet werden, sind durch eine nur geringfügige Änderung ihrer relevanten Eigenschaften gekennzeichnet, wenn sie umgebungsbedingten und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, die sich während der Lebensdauer eines Fahrzeugs ereignen. Somit müssen die Materialien selbst elastisch, flexibel und in gewissem Maße chemisch träge sein. Insbesondere ihre elektromechanischen Eigenschaften dürfen sich bei der Anwendung von mechanischen Belastungen, nach zyklischer Biegebelastung oder nach Einwirkung von hoher Feuchtigkeit, hoher Temperatur oder bestimmten chemischen Substanzen nur in einem kleinen Bereich ändern.
Das leitfähige Textil, das aus diesen Materialien hergestellt wird, hat charakteristische Eigenschaften, die es für die Erfassung und Heizung im Kraftfahrzeug sehr gut geeignet machen. Das Textil ist elastisch, biegsam, luftdurchlässig, bedruckbar, mechanisch robust und robust gegen Umgebungsbedingungen. Es hat außerdem einen vergleichsweise niedrigen Preis, weil die Garne, Webverfahren, Tinten, Druckverfahren usw. auf Massenprodukten bzw. vollautomatischen technischen Verfahren mit hoher Stückzahl beruhen.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung betrifft die Art und Weise, wie eine strukturierte elektrische leitfähigkeit in ein Textil integriert wird und wie sie mit einem strukturierten Aufbringungsverfahren, nämlich dem Aufdrucken von leitfähiger Tinte, kombiniert wird. Wenn beide Verfahren richtig kombiniert werden, d. h., wenn die richtigen Materialien und Verfahren ausgewählt werden, und wenn strenge Konstruktionskriterien angewandt werden, arbeiten die daraus resultierende Sensorelektrode und/oder Heizung in einer Weise, die sie für in Fahrzeugen eingesetzte Erfassungs- und/oder Heizanwendungen mit einer Lebensdauer von über 15 Jahren qualifizieren.
Definitionen:

• Garn: Normalerweise werden unterschiedliche Garntypen zum Weben eines Textils verwendet: (nichtleitfähiges) reines Polymergarn, reines Metallgarn (Spinnfasergarn oder Endlosfilamentgarn), Spinnfaser-Mischgarn (PET mit Stahl z. B.) und Endlos-Mischgarn (PET mit Stahl z. B.). Leitfähige Filamente eines Garns können aus Vollmetall, z. B. Stahl, oder aus beschichteten Polymerfilamenten, die beispielsweise mit Silber oder Stahl überzogen sind, oder aus Metallfilamenten (z. B. Kupfer oder Stahl), die mit einem anderen Metall (z. B. Stahl oder Kupfer) überzogen oder beschichtet sind, bestehen. Dreherfäden können aus leitfähigem oder nicht-leitfähigem Mono- oder Multifilamentgarn jedweden Typs bestehen.
• Garn mit hoher Leitfähigkeit: Der Widerstand je Längeneinheit, R/a, beträgt typisch zwischen 0,1 und 100 Ohm/m.
• Garn mit niedriger Leitfähigkeit: Der Widerstand je Längeneinheit, R/a, beträgt typisch zwischen 10² und 10⁵ Ohm/m.
• Nichtleitfähiges Garn: Der Widerstand je Längeneinheit, R/a, ist > 10⁶ Ohm/m. Das Garn ist typisch ein reines Polymergarn.
• Rohtextil: Das Rohtextil ist vorzugsweise ein Gewebe, bei dem unterschiedliche Grade der Leitfähigkeit (Leitungsleitwert, Flächenleitwert) durch den Einsatz leitfähiger Garne implementiert werden. Das Rohtextil kann Bereiche mit unterschiedlicher Leitfähigkeit aufweisen. Die Leitfähigkeit eines Rohtextilbereichs wird durch die benutzten Garne, die Anzahl von Fäden je Längeneinheit und die Webkonstruktion bestimmt. Um das Rohtextil luftdurchlässig zu machen, ist es von Vorteil, wenn ein bestimmter Abstand zwischen benachbarten Fäden eingestellt wird. Um ein Verschieben von Fäden zu verhindern, ist ein Dreherwebverfahren von Vorteil, bei welchem Drehfäden zusammengedrückt und somit vor Verschieben oder Verrutschen geschützt werden. Dieses Verfahren ist auch hilfreich, aber nicht notwendig, um den Kontaktwiderstand zwischen Drehfäden zu minimieren.
• Drucken: Verfahren zum Aufbringen von funktionellen Materialien (Tinten) in flüssiger Form auf ein Textilsubstrat. Die flüssige Tinte verfestigt sich anschließend im Wesentlichen auf dem Textilsubstrat. Die Druckverfahren sind Flachbettsiebdruck, Rotationssiebdruck, Flexodruck, Tiefdruck, Offsetdruck und Tintenstrahldruck. Bei der vorliegenden Erfindung ist der Rotationssiebdruck am vorteilhaftesten.
• Tinte mit hoher Leitfähigkeit: Tinte, deren leitfähigkeit in verfestigter Form typisch zwischen 5·10⁵ und 5·10⁷ S/m beträgt.
• Tinte mit niedriger Leitfähigkeit: Tinte, deren leitfähigkeit in verfestigter Form typisch zwischen 10^–1 und 10⁴ S/m liegt. Solche Tinten enthalten normalerweise Ruß, Graphit oder Kohlenstoffnanoröhren als leitfähige Partikel und ein weiches Polymer als Bindemittel. Es sind alternative leitfähige Füllstoffe wie beispielsweise leitfähige Polymere oder Mischungen aus Ruß, Graphit und Silberpartikeln möglich. Die Tinte mit niedriger leitfähigkeit kann im verfestigten Zustand eine charakteristische Abhängigkeit ihres spezifischen Widerstands von der Temperatur aufweisen. Es werden insbesondere Tinten mit einem spezifischen Widerstand bevorzugt, die einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC; positive temperature coefficient) aufweisen, damit die Heizleistung bei erhöhter Temperatur begrenzt wird. Es wird ein Widerstandsverhältnis R(T = 358 K)/R(T = 293 K) ≈ 10 bevorzugt.
• Bedrucktes Textil: Rohtextil, das in definierten Bereichen mit einer Tinte mit hoher leitfähigkeit oder einer Tinte mit niedriger Leitfähigkeit überdruckt ist.
• Bereich mit hoher Leitfähigkeit: Länge in einer Flächenrichtung >> Länge in senkrechter Flächenrichtung. Der in Längsrichtung gemessene Widerstand je Längeneinheit, R_i/a, liegt typisch zwischen 0,01 und 10 Ohm/m. Der Index i bedeutet den i-ten Bereich mit hoher leitfähigkeit.

Bereich mit niedriger Leitfähigkeit: leitfähiges flächiges Textilmaterial mit einem Schichtwiderstand Rsq_j, der typisch zwischen 10 Ohm und 10 kOhm liegt. Der Index j bedeutet den j-ten Bereich mit niedriger Leitfähigkeit.
A. Textile Elektrode für die Insassenerkennung oder -klassifizierung
Zuerst wird eine textile Elektrode für ein kapazitives Insassenklassifizierungssystem (bzw. Insassenerkennungssystem) beschrieben, dessen Funktion darin besteht, ein definiertes elektrisches Potential über dem Elektrodenbereich in einem typischen Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 1 MHz zu gewährleisten. Die Elektrode muss zu diesem Zweck über eine niedrige Impedanz verfügen, wobei ihre Strombelastbarkeit jedoch ziemlich klein sein darf. Die Sensorelektrode wird zur Minimierung des Verbrauchs des teuren Textils mit hoher Leitfähigkeit und zur Maximierung von dessen mechanischer Robustheit aus Bereichen mit zwei unterschiedlichen Leitfähigkeiten hergestellt. Bereiche mit hoher Leitfähigkeit in Schussrichtung (Kettrichtung) kreuzen die Bereiche mit hoher Leitfähigkeit in Kettrichtung (Schussrichtung) derart, dass sie ein rechteckiges Muster von Bereichen mit hoher Leitfähigkeit sowie Bereiche, wo sich die Bereiche mit hoher Leitfähigkeit in Kett- und Schussfaden überlappen, bilden. Bereiche mit hoher Leitfähigkeit und Bereiche mit niedriger Leitfähigkeit werden so angepasst, dass sie das elektrische Potential über der gesamten textilen Elektrode definieren und somit die Erkennung von Insassen durch ein kapazitives Verfahren ermöglichen (zur Veranschaulichung siehe 1).
Im Folgenden werden vier verschiedene Implementierungen beschrieben.

Aa.) Bereiche mit hoher Leitfähigkeit werden durch Garne mit hoher Leitfähigkeit und gegebenenfalls durch eine hohe Dichte von Fäden implementiert. Eine Anzahl von direkt benachbarten Fäden kann aus Garnen mit hoher Leitfähigkeit bestehen. Für die Bereiche mit hoher Leitfähigkeit können das gleiche Garn oder unterschiedliche Garne im Schussfaden und im Kettfaden verwendet werden. Bereiche mit niedriger Leitfähigkeit werden durch den Einsatz von Garn mit hoher oder niedriger Leitfähigkeit im Schussfaden und im Kettfaden implementiert. Die Garnzusammensetzung und die Fadendichte werden derart eingestellt, dass sie typisch einen Schichtwiderstand Rsq_j des Bereichs mit niedriger Leitfähigkeit zwischen 10 Ohm und 10 kOhm ergeben. Die Erfassung wird mit einem solchen Rohtextil implementiert.
Ab.) Das Rohtextil ist ein unstrukturiertes flächiges Textilmaterial mit niedriger Leitfähigkeit. Der Aufbau des Bereichs mit niedriger Leitfähigkeit ist so, wie er bei der Implementierung Aa.) beschrieben ist. Bereiche mit hoher Leitfähigkeit werden durch Siebdruck mit einer hochleitfähigen Tinte in einem Muster wie in 1 aufgebracht.
Ac.) Bereiche mit hoher Leitfähigkeit werden gemäß der Implementierung Aa.) implementiert. Die anderen Bereiche des Rohtextils werden aus nichtleitfähigen Garnen hergestellt, die einen Rsq > 10⁶ Ohm ergeben. Das Rohtextil wird anschließend mit einer Tinte mit niedriger Leitfähigkeit überdruckt, und zwar entweder mit einem vollen (unstrukturierten) Druck oder in einem (strukturierten) Druckmuster, um einen Bereich mit niedriger Leitfähigkeit mit einem Schichtwiderstand Rsq_j zwischen 10 Ohm und 10 kOhm zu erzielen.
Ad.) i) Das Rohtextil gemäß den Implementierungen Aa.) und Ac.) wird mit einer Tinte mit hoher Leitfähigkeit in dem Bereich überdruckt, wo sich die Bereiche mit hoher Leitfähigkeit im Kettfaden und Schussfaden überlappen. Dies verringert den Kontaktwiderstand zwischen Drehfäden und ermöglicht demzufolge eine schnelle Einstellung des elektrostatischen Potentials über dem Sensortextil. ii.) Zusätzlich wird der Bereich, wo das Sensortextil in Kontakt gebracht wird, mit einer Tinte mit hoher Leitfähigkeit überdruckt. Dies ermöglicht einen niedrigeren Kontaktwiderstand im Bereich der Inkontaktbringung. Das Inkontaktbringen wird vorzugsweise durch Crimpen, Vernieten, Löten oder Kleben implementiert. iii.) Bei einer anderen Implementierung wird das Rohtextil gemäß den Implementierungen Aa.) und Ac.) zusätzlich mit einer Tinte mit hoher Leitfähigkeit in den vollständigen Bereichen mit hoher Leitfähigkeit überdruckt (siehe 1).

Bevorzugte Herstellung eines Sensortextils
Das Rohtextil wird in einem Webverfahren auf Rolle hergestellt. Das Rohtextil wird vorzugsweise in einem Flachbett- oder einem Rotationssiebdruck-Verfahren überdruckt [Implementierungen Ab.), Ac.) und Ad.)]. Die typischen Größen s₁, s₂ eines Sensortextils liegen für die Länge jeder Seite zwischen 200 und 400 mm. Die entsprechenden Seitenlängen des Sensortextils werden als „s₁” und „s₂” bezeichnet. Zur Maximierung des Rollenverbrauchs sollte die Rollenbreite r gerade ganze Zahlen der Länge s₁ des Sensortextils ausmachen, wenn s₁ in Schussrichtung gemessen wird, und ganzzahlige Vielfache der Länge s₂ des Sensortextils ausmachen, wenn s₁ in Kettrichtung gemessen wird (siehe 2).
Der Abstand zwischen benachbarten Bereichen mit hoher Leitfähigkeit ist entweder gleich oder wechselt regelmäßig zwischen einem kleineren und größeren Abstand in Kett- und in Schussrichtung ab. Der Abstand oder die wechselnde Reihenfolge kann in Kett- und in Schussrichtung unterschiedlich sein und hängt von der genauen Konstruktion der textilen Elektrode ab.
Das Rohtextil [Implementierung Aa.)] oder das bedruckte Textil [Implementierungen Ab.), Ac.) und Ad.)] wird derart aus der Rolle ausgeschnitten, dass man eine textile Elektrode erhält, die in Kontakt gebracht und in einen Sensor eingebaut werden kann. In 2 ist eine schematische Abbildung einer solchen textilen Elektrode dargestellt.
B. Textil für die Heizung oder für die Heizung und Insassenklassifizierung oder -erkennung
Die Aufheizung (Joulesche Wärme) macht einen elektrischen Stromfluss erforderlich. Die Spannung ist normalerweise die bordeigene Spannung eines Fahrzeugs. Der Heizstrom ist durch die an einem Heizelement anliegende Spannung und den elektrischen Widerstand des Heizelements nach dem ohmschen Gesetz definiert. Die Heizleistung (= elektrische Leistung) des Heizelements ist das Produkt aus der angelegten Spannung und dem durch das Heizelement fließenden elektrischen Strom.
Die Spannung bleibt während des Betriebs nicht unbedingt gleich. Die Spannung kann für die Heizung eine Funktion der Zeit sein; sie kann beispielsweise pulsweitenmoduliert sein. Die Heizung und die Insassenerfassung basieren auf demselben Textilmaterial (diese Erfindung), nutzen jedoch unterschiedliche elektronische Steuer- und Leistungsschaltungen. Somit werden dieselben Bereiche mit hoher Leitfähigkeit und Bereiche mit niedriger Leitfähigkeit für die Heizung und für die Insassenerfassung verwendet, doch ihre Funktionsweise ist unterschiedlich. Wie oben beschrieben wurde, benötigt die Heizung einen beträchtlichen Heizstrom zur Erzeugung der erforderlichen Heizleistung, wohingegen die Insassenerfassung eine schnelle Definition des elektrischen Potentials auf der textilen Elektrode und sehr geringe Ströme benötigt. Dies lässt sich nur mit unterschiedlichen elektronischen Schaltungen implementieren, die in einer abwechselnden – und normalerweise regelmäßigen – Reihenfolge arbeiten. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Textilstruktur, die für Implementierung der Heizung oder der Heizung und Insassenerfassung geeignet ist. Die Erfindung bezieht sich nicht auf elektronische Steuerschaltungen oder Leistungsschaltungen, die kein integraler Bestandteil des Textils sind. Eine Heizung kann eine Vielzahl unterschiedlicher Heizelemente umfassen.
Definitionen:

• Leistungsdichte: Heizleistung je Flächeneinheit. Die Leistungsdichte einer Heizung reicht von 100 bis 1000 W/m².
• Heizelement: Funktionselement in einem Textil. Es besteht aus zwei einander gegenüberliegenden Bereichen mit hoher Leitfähigkeit und einem Bereich mit niedriger Leitfähigkeit zwischen den einander gegenüberliegenden Bereichen mit hoher Leitfähigkeit (zur Veranschaulichung siehe 3). Beim Anlegen einer Spannung (= Potentialdifferenz) zwischen den Bereichen mit hoher Leitfähigkeit fließt ein Heizstrom durch den Bereich mit niedriger Leitfähigkeit. Dieses Heizprinzip ist allgemein als Parallelheizung bekannt.
• Zuleitung(en): Einander gegenüberliegende Bereiche mit hoher Leitfähigkeit mit einem Bereich mit niedriger Leitfähigkeit dazwischen. Zuleitungen „versorgen” den Bereich mit niedriger Leitfähigkeit mit einem Strom, um ihn aufzuheizen.

In der Praxis führt der elektrische Widerstand der Zuleitungen des Heizelements zu einem Spannungsabfall in den Zuleitungen und demgemäß zu einem Heizstrom in den Zuleitungen. Als direkte Folge davon bleibt die Heizleistungsdichte im Heizelement nicht gleich, sondern hängt von dem Abstand von der Spannungsversorgung ab. Bei gleichem Abstand von der Spannungsversorgung ist außerdem die Leistungsdichte zwischen den Zuleitungen und dem Bereich mit niedriger Leitfähigkeit unterschiedlich.
Die Breite der Zuleitungen, w_fli, wobei i = 1, 2, ... die i-te Zuleitung indexiert, ist im Allgemeinen weitaus kleiner als die Breite des Bereichs mit niedriger Leitfähigkeit, w_lc (z. B. w_lc/w_fli = 10). Dies ist dem Konzept der Parallelheizung inhärent. Allerdings ist dies keine Notwendigkeit, sondern vielmehr eine Anmerkung für den Leser.
Es müssen mehrere Bedingungen erfüllt werden, um eine textiles Heizelement für Anwendungen in Kraftfahrzeugen geeignet zu machen. In 3 ist die Bedeutung von Variablen dargestellt. Die zwei Zuleitungen besitzen einen Index i (i = 1, 2); für den einzigen Bereich mit niedriger Leitfähigkeit (j = 1) gelten die Breite w_lc sowie Rsq_i = Rsq.
Bedingung 1: Es muss eine bestimmte Leitstungsdichte in einem bestimmten Toleranzintervall erzielt werden. Die stationäre Temperaturdifferenz ist proportional zur Leistungsdichte. Die Soll-Leistungsdichte eines Heizelements muss hoch genug sein, 1.) um eine schnelle Aufheizung bei niedriger Umgebungstemperatur zu erzielen und 2.) weil die Leistungsdichte über die gesamte Heizung im Allgemeinen gleich wie oder niedriger als die Leistungsdichte eines einzigen Heizelements ist. Die Soll-Leistungsdichte P_target/A eines Heizelements wird wie folgt ausgedrückt:
Ein typisches Toleranzintervall bei P_target/A ist ±5%. Die Gleichung 1 stellt eine Anleitung zur Verfügung, wie die leitfähigen Materialien und wie die geometrischen Abmessungen auszuwählen sind, um eine definierte Leistungsdichte des Heizelements zu erzielen. Die Versorgungsspannung des Heizelements, U₀, ist normalerweise von vornherein gegeben und ist entweder die bordeigene Gleichspannung oder eine niedrigere Spannung.
Bedingung 2: Die Leistung eines Heizelements der Länge l₀ darf von einem zum anderen Ende des Heizelements um nicht mehr als einen vorgegebenen Bruchteil fallen. Die Leistung ist eine monoton fallende Funktion des Abstands von der Spannungsversorgung. Die Bedingung, dass die Leistungsdichte in dem Bereich mit niedriger Leitfähigkeit bei der Länge x = l₀ nicht kleiner als f₁ mal (bei f₁ ≤ 1) der Leistungsdichte bei x = 0 (wo die Spannung U₀ anliegt) ist, wird wie folgt ausgedrückt:
Ein typischer gewählter Wert ist f₁ = 0,95.
Bedingung 3: Die Leistungsdichte der Zuleitungen, P_fli, darf die Leistungsdichte des Bereichs mit niedriger Leitfähigkeit, P_lc, nicht um einen Faktor f₃ überschreiten, damit eine zu hohe Temperatur der Zuleitungen verhindert wird. Andererseits wird bevorzugt, dass die Zuleitungen sich auch in gewissem Maße aufheizen (um einen Faktor f₂), damit die Leistungsdichte der Heizung homogenisiert wird. Um die Darstellung zu vereinfachen, werden für alle i R_i = R und w_fli = w_fl gesetzt. Es wird somit vorausgesetzt, dass f₂ < P_fli/P_lc < f₃, wobei P_fli die maximale Leistungsdichte der Zuleitung ist und P_lc die maximale Leistungsdichte des Bereichs mit niedriger Leitfähigkeit ist. Die maximalen Leistungsdichten werden offensichtlich bei x = 0 erzielt (wo die Spannung U₀ anliegt). Die Bedingung für die Leistungsdichte der Zuleitungen, die zwischen f₂ bis f₃ liegt, mal der Leistungsdichte des Bereichs mit niedriger Leitfähigkeit wird wie folgt ausgedrückt:
Typische Werte für f₂ und f₃ sind 0,1 bzw. 0,5.
Es ist im Allgemeinen von Nutzen, wenn die Gesamtleistung eines Heizelements bekannt ist, das den Bereich mit niedriger Leitfähigkeit sowie zwei identische Zuleitungen umfasst. Die Gesamtleistung P eines Heizelements wird wie folgt ausgedrückt:
Im Folgenden werden die oben formulierten Bedingungen als Bedingungen 1 bis 3 bezeichnet.
Ein Heizelement (das die Funktion der Insassenerfassung übernehmen kann) wird derart konstruiert und gebaut, dass es die Bedingungen 1 bis 3 erfüllt. Es ist anzumerken, dass die Bedingungen 1 bis 3 genaue Kriterien für die Auswahl von Materialien (R_i/a, Rsq), die Geometrie eines Heizelements (w_fli, w_lc, l₀) und thermoelektrische Bedingungen (U₀, P_target/A) zur Verfügung stellen. In der Praxis können einige der oben genannten Variablen invariant sein und somit nicht verändert werden, um die Bedingungen 1 bis 3 am besten zu erfüllen.
Im Folgenden werden mehrere Implementierungen eines Heizelements beschrieben. Alle Implementierungen erfüllen die oben aufgeführten Bedingungen 1 bis 3. Eine Heizung besteht aus einem oder mehreren Heizelementen. Heizelemente können in Material oder Geometrie unterschiedlich sein, doch alle Heizelemente erfüllen die Bedingungen 1 bis 3. Heizungen und/oder Sensoren werden entweder mit einem Rohtextil oder mit einem bedruckten Textil implementiert. Die Anwesenheit von Bereichen mit hoher Leitfähigkeit und Bereichen mit niedriger Leitfähigkeit macht es möglich, dass das elektrische Potential der textilen Elektrode schnell genug eingestellt wird, um eine kapazitive Inal der textilen Elektrode schnell genug eingestellt wird, um eine kapazitive Insassenerfassung zu gestatten.
Implementierungen

Ba.) Bereiche mit hoher Leitfähigkeit werden durch Garne mit hoher Leitfähigkeit und gegebenenfalls durch eine hohe Dichte von Fäden entweder im Schussfaden oder im Kettfaden implementiert. Eine Anzahl von direkt benachbarten Fäden kann aus Garnen mit hoher Leitfähigkeit bestehen. Bereiche mit niedriger Leitfähigkeit werden durch den Einsatz von Garn mit hoher oder niedriger Leitfähigkeit im Schussfaden und im Kettfaden implementiert. Die Garnzusammensetzung und die Fadendichte werden derart eingestellt, dass sie typisch einen Schichtwiderstand des Bereichs mit niedriger Leitfähigkeit zwischen 10 Ohm und 10 kOhm ergeben. Die Erfassung und/oder die Heizung werden mit einem solchen Rohtextil implementiert.
Bb.) Das Rohtextil ist ein unstrukturiertes flächiges Textilmaterial mit niedriger Leitfähigkeit, wie es bei der Implementierung Ba.) beschrieben ist. Bereiche mit hoher Leitfähigkeit werden durch Aufdrucken mit einer hochleitfähigen Tinte in der Weise eines Musters aufgebracht. Da das Aufdrucken die Freiheit für die Strukturierung der Bereiche mit hoher Leitfähigkeit bereitstellt, um die Bedingungen 1 bis 3 am besten zu erfüllen, kann eine Implementierung einer aus mehreren identischen Heizelementen bestehenden Heizung wie die in 4 dargestellte aussehen.
Bc.) Bereiche mit hoher Leitfähigkeit werden so gewebt, wie es bei Ba.) beschrieben ist. Die anderen Bereiche des Rohtextils werden aus nichtleitfähigem Garn hergestellt und besitzen einen Schichtwiderstand Rsq > 10⁶ Ohm. Dieses Rohtextil wird anschließend mit einer Tinte mit niedriger Leitfähigkeit überdruckt, und zwar entweder mit einem vollen (unstrukturierten) Druck oder in einem (strukturierten) Druckmuster, um einen Bereich mit niedriger Leitfähigkeit mit einem Schichtwiderstand Rsq zwischen 10 Ohm und 10 kOhm zu erzielen.

Bei einer bestimmten Implementierung bestehen die Zuleitungen aus einzelnen Fäden und wird die Spannung über den benachbarten Zuleitungen angelegt. Zwischen benachbarten Zuleitungen kann eine Anzahl von nichtleitfähigen Fäden aus reinem Polymergarn vorhanden sein. 5 veranschaulicht eine solche Implementierung, wo eine Heizung aus mehreren Heizelementen besteht.

Bd.) Ein Bereich mit hoher leitfähigkeit wird gemäß der Implementierung Ba.) gewebt und derart mit hochleitfähiger Tinte überdruckt, dass i.) die Konstruktion Bb.), ii) in dem Bereich der elektrischen Kontakte (wie in der Darstellung von 2), iii) in den vollständigen Bereichen mit hoher leitfähigkeit implementiert wird, um R_i/a zu minimieren.

Weitere Merkmale und Implementierungen für A (Erfassung) und B (Erfassung und/oder Heizung):

i.) Ein Bereich mit niedriger leitfähigkeit, der durch einen Schichtwiderstand Rsq gekennzeichnet ist, besitzt anisotrope Leitfähigkeitseigenschaften. Dies bedeutet, dass der Schichtwiderstand Rsq in Abhängigkeit von der Flächenrichtung unterschiedliche Werte aufweisen kann. Es reicht insbesondere aus, wenn Rsq die Werte aufweist, die in der Definition und gemäß den Bedingungen 1 bis 3 nur in der Richtung des Gradienten des elektrischen Feldes vorgegeben sind. In der senkrechten Richtung ist es annehmbar, dass Rsq > 10⁶ Ohm ist. Dies bedeutet, dass Fäden und Garne in der senkrecht zu dem elektrischen Feldgradienten verlaufenden Richtung nichtleitfähig und beispielsweise rein polymer sein können.
ii.) Ein Heizelement besteht aus mehreren Bereichen mit niedriger Leitfähigkeit mit unterschiedlichem Rsq_j. Der Rsq_j eines Bereichs mit niedriger Leitfähigkeit ist vorzugsweise umso niedriger, je größer der Abstand zur Spannungsversorgung ist. Im Falle von j Bereichen mit niedriger leitfähigkeit ist der jeweilige Schichtwiderstand des j-ten Bereichs gleich Rsq_j. Auf diese Weise werden die Bedingungen 1 bis 3 leichter erfüllt, insbesondere dann, wenn das Heizelement geometrischen Einschränkungen unterworfen ist. Als Beispiel zeigt 6 ein Heizelement mit drei (j = 1, 2, 3) Bereichen der Breite w_lc mit niedriger leitfähigkeit mit unterschiedlichem Rsq_j. Insbesondere kann Rsq₁ durch das Rohtextil implementiert werden, wohingegen die niedrigeren Rsq₂ und Rsq₃ implementiert werden, indem die jeweiligen Bereiche mit Tinte mit niedriger Leitfähigkeit auf das Rohtextil aufgedruckt werden. Rsq₃ kann erzielt werden, indem beispielsweise eine größere flächenbezogene Masse leitfähiger Tinte aufgedruckt wird oder indem eine Tinte mit höherer Leitfähigkeit aufgedruckt wird.
iii.) Druckbereiche mit hoher Leitfähigkeit, wo R_i/a nicht gleich bleibt, sondern in Abhängigkeit vom Abstand von der Spannungsversorgung variiert. Das Ziel besteht darin, die Erfüllung der Bedingungen 1 bis 3 zu ermöglichen. Dies wird vorzugsweise implementiert, indem Teile der Bereiche mit hoher Leitfähigkeit in dem Rohtextil mit hochleitfähiger Tinte selektiv überdruckt werden.
iv.) Das Heiztextil und/oder das Sensortextil, die in ein Fahrzeug eingebaut sind, können eine Vielzahl von Heizelementen umfassen. Die 4 und 5 stellen Beispiele dar, wo eine Heizung aus mehreren Heizelementen besteht. Es versteht sich von selbst, dass eine Zuleitung, die mehr als ein Heizelement speist, einen entsprechend höheren elektrischen Strom führt. Dies ist bei der Auswertung der Bedingungen 1 bis 3 zu berücksichtigen.
v.) In dem Fall, in dem die Heizung aus mehr als einem Heizelement besteht, können die Materialeigenschaften (R_i/a, Rsq_j) und die geometrischen Parameter der Heizelemente für die mehreren Heizelemente unterschiedlich ausgewählt werden.
vi.) In dem Fall, in dem eine Heizung aus einer Vielzahl von (potentiell unterschiedlichen) Heizelementen besteht, wird die Erfüllung der Bedingungen 1 bis 3 vorzugsweise durch den Einsatz von geeigneten Computersimulationsverfahren unterstützt.

1a.) und 1b.) zeigen eine Ausgestaltung des Rohtextils in Draufsicht. Die schematische Darstellung von 1a.) oder 1b.) zeigt einen Textilabschnitt, der sich über die gesamte Breite der Rolle (Schussrichtung) erstreckt, und einen beliebigen Abschnitt in Kettrichtung. Die hellgrauen Bereiche kennzeichnen Bereiche mit niedriger Leitfähigkeit mit dem Schichtwiderstand Rsq, wohingegen die dunkelgrauen Bereiche im Schuss- und Kettfaden Bereiche mit hoher Leitfähigkeit mit einem Widerstand je Längeneinheit, R₁/a bzw. R₂/a, kennzeichnen. Die Reihenfolge der Abstände zwischen benachbarten Bereichen mit hoher Leitfähigkeit ist sowohl im Schussfaden als auch im Kettfaden regelmäßig. Die schwarzen Quadrate kennzeichnen diejenigen Bereiche, wo sich Schuss- und Kettfadenbereiche mit hoher Leitfähigkeit überlappen. Die Figuren beziehen sich auf die Implementierungen Aa.), Ab.) und Ac.).
1a.) dient als Beispiel für drei textile Elektroden, die durch gestrichelte umrandete Rechtecke gekennzeichnet sind. Ihre Ausdehnung in Schussrichtung ist s₁, ihre Ausdehnung in Kettrichtung ist s₂. Die Rollenbreite beträgt ganzzahlige Vielfache von s₁. In dem vorliegenden Beispiel ist die Rollenbreite r gleich zweimal s₁. Diese textilen Elektroden werden derart aus der Textilrolle ausgeschnitten, dass die U-förmigen Bereiche mit hoher Leitfähigkeit in Kettrichtung (der Öffnung des U) liegen.
1b.) dient als Beispiel für eine alternative Implementierung, wo die Reihenfolge von Bereichen mit hoher Leitfähigkeit umgekehrt ist, d. h., dass Schuss- und Kettfaden gegenüber 1a.) vertauscht sind. Die vier textilen Elektroden sind durch die gestrichelten Rechtecke gekennzeichnet. Deren Ausdehnung in Kettrichtung wird mit s₁ und in Schussrichtung mit s₂ bezeichnet. Die Rollenbreite beträgt ganzzahlige Vielfache von s₂. In dem vorliegenden Beispiel ist die Rollenbreite r gleich dreimal s₂. Diese textilen Elektroden werden derart aus der Textilrolle ausgeschnitten, dass die U-förmigen Bereiche mit hoher Leitfähigkeit in Schussrichtung (der Öffnung des U) liegen.
2 ist eine schematische Draufsicht der textilen Elektrode, die aus einem bedruckten Textil besteht. Die abgebildete textile Elektrode entspricht dem gestrichelten Rechteck in 1a.) mit den Ausdehnungen s₁ (horizontal) und s₂ (vertikal). Die hellgrauen Bereiche kennzeichnen Bereiche mit niedriger Leitfähigkeit mit dem Schichtwiderstand Rsq, wohingegen die dunkelgrauen Streifen im Schuss- und Kettfaden Bereiche mit hoher Leitfähigkeit mit einem Widerstand je Längeneinheit, R₁/a bzw. R₂/a, kennzeichnen. Die gestrichelten Kreise und Halbkreise kennzeichnen Überdrucke mit hochleitfähiger Tinte in den Bereichen, wo sich die Bereiche mit hoher Leitfähigkeit überlappen [wie es bei der Implementierung Ad.) i.) beschieben ist], und in dem Bereich, wo die Spannungsversorgung gemäß der Implementierung Ad.) ii.) in Kontakt gebracht ist. Die Bereiche mit hoher Leitfähigkeit bilden eine U-Form. Die textile Elektrode ist mit einer vereinfacht dargestellten elektrischen Schaltung in Kontakt gebracht.
3 zeigt ein schematisches Heizelement in Draufsicht, wo der Bereich mit niedriger Leitfähigkeit hellgrau und die Bereiche mit hoher Leitfähigkeit – die so genannten Zuleitungen – in dunkelgrauer Farbe dargestellt sind. Die Länge des Heizelements ist l₀, der Bereich mit niedriger Leitfähigkeit (Schichtwiderstand Rsq) hat die Breite w_lc, und die Breiten der zwei Bereiche mit hoher Leitfähigkeit sind w_fl1 und w_fl2 und haben einen Widerstand je Längeneinheit von R₁/a bzw. R₂/a. Die Spannung wird zwischen den unteren Enden der zwei Bereiche mit hoher Leitfähigkeit angelegt, die die Position der Spannungsversorgung definieren. Ein Strom fließt durch die Spannungsquelle von einem Bereich mit hoher Leitfähigkeit durch den Bereich mit niedriger Leitfähigkeit zu dem anderen Bereich mit hoher Leitfähigkeit.
4 ist eine schematische Draufsicht mehrerer Heizelemente. Der graue Bereich kennzeichnet den Bereich mit niedriger Leitfähigkeit, der durch das Rohtextil bereitgestellt ist. Der schraffierte Bereich ist der Bereich mit hoher Leitfähigkeit. Der Bereich mit hoher Leitfähigkeit ist auf das Rohtextil aufgedruckt. Der abgebildete Abschnitt einer Heizung umfasst mehrere Heizelemente, von denen drei willkürlich ausgewählt wurden und durch Rechtecke mit gestrichelter Umrandung hervorgehoben sind. Bei dieser Darstellung sind die Geometrie und die beteiligten Materialien bei den drei Heizelementen identisch. Im Allgemeinen kann man die Geometrie und die Materialien für verschiedene Heizelemente unterschiedlich auswählen. In jedwedem Fall erfüllt jedes Heizelement die Bedingungen 1 bis 3. Die kreuzweise schraffierten Bereiche sind ebenfalls Bereiche mit hoher Leitfähigkeit; die Leitfähigkeit der kreuzweise schraffierten Bereiche ist normalerweise größer als die der schraffierten Bereiche. Sie können implementiert werden, indem Bereiche mit hoher Leitfähigkeit, die bereits in dem Rohtextil implementiert sind, mit hochleitfähiger Tinte überdruckt werden. In der technischen Praxis wird unter Umständen bevorzugt, die Heizungsgeometrie mit Hilfe der Finite-Elemente-Simulation zu konstruieren. Die Spannungsversorgung kann an einer beliebigen gewünschten Stelle in Kontakt gebracht werden. In der Praxis wird die Heizung an geeigneten Positineten Positionen in den zwei kreuzweise schraffierten Bereichen mit hoher Leitfähigkeit in Kontakt gebracht.
5 zeigt einen Abschnitt eines Gewebes in Draufsicht, wobei hochleitfähige Fäden, die durch hochleitfähiges Garn (dunkelgraue Linien) implementiert sind, und nichtleitfähige Fäden, die durch nichtleitfähiges, reines Polymergarn (schraffierte Linien) implementiert sind, dargestellt sind. In dieser Figur liegen die dargestellten Fäden entweder in Kett- oder in Schussrichtung. Der Klarheit halber sind Fäden, die in senkrechter Richtung (Schuss- bzw. Kettfaden) liegen, nicht dargestellt. Derartige Fäden bestehen ebenfalls aus nichtleitfähigem Garn. Bei der vorher definierten Terminologie stehen die dunkelgrauen Linien für die Bereiche mit hoher Leitfähigkeit. Bereiche mit niedriger Leitfähigkeit werden implementiert, indem das Rohtextil mit Tinte mit niedriger Leitfähigkeit überdruckt wird. Ein solcher Bereich mit niedriger Leitfähigkeit ist in der Figur hellgrau dargestellt. Die Rechtecke mit gestrichelter Umrandung stehen für Heizelemente, die die Bedingungen 1 bis 3 erfüllen. Eine Heizung kann aus einer großen Anzahl solcher Heizelemente bestehen. Es ist anzumerken, dass die Querausdehnung der Heizung im Wesentlichen durch den aufgedruckten Bereich mit niedriger Leitfähigkeit definiert ist. Die Spannungsversorgung wird derart mit den Bereichen mit hoher Leitfähigkeit in Kontakt gebracht, dass das elektrische Potential zwischen benachbarten Bereichen mit hoher Leitfähigkeit abwechselt. Es wird ein Bussystem für die Inkontaktbringung verwendet, damit die über jedem Heizelement angelegte Spannung gut definiert ist.
6 zeigt ein Heizelement, das zwei Bereiche mit hoher Leitfähigkeit (Zuleitungen) umfasst, die dunkelgrau gefärbt sind. Drei Bereiche mit niedriger Leitfähigkeit (j = 1, 2, 3) mit der Breite w_lc und dem Schichtwiderstand Rsq_j sind hellgrau, schraffiert bzw. kreuzweise schraffiert gefärbt.

Claims

Flexible Heizung und/oder Elektrode umfassend ein gewebtes Textilmaterial mit einer Kettrichtung und einer Schussrichtung, wobei das Textilmaterial mindestens einen Bereich mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit und mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit umfasst, wobei die mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit an den mindestens einen Bereich mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit angrenzen und wobei mindestens einer der mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit mit einem Verbindungsanschluss der Heizung und/oder Elektrode wirkverbunden ist, wobei der Verbindungsanschluss zum Verbinden der Heizung und/oder Elektrode mit einer elektronischen Steuerschaltung vorgesehen ist.
Flexible Heizung und/oder Elektrode nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Bereich mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit durch die Verwendung von elektrisch leitfähigen Schuss- und/oder Kettgarnen in einer geeigneten Fadendichte vorgesehen ist.
Flexible Heizung und/oder Elektrode nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Bereich mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit durch Aufbringen, vorzugsweise Aufdrucken, eines Materials mit niedriger Leitfähigkeit auf ein gewebtes Textil, das aus nichtleitfähigen Garnen oder aus Garnen mit niedriger Leitfähigkeit besteht, vorgesehen ist.
Flexible Heizung und/oder Elektrode nach irgendeinem der Ansprüche 1 oder 3, wobei mindestens einer der mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit durch die Verwendung von Schuss- oder Kettgarnen mit hoher Leitfähigkeit vorgesehen ist.
Flexible Heizung und/oder Elektrode nach irgendeinem der Ansprüche 1 oder 3, wobei mindestens einer der mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer leitfähigkeit durch Aufbringen, vorzugsweise Aufdrucken, eines Materials mit hoher leitfähigkeit angrenzend an den mindestens einen Bereich mit niedriger elektrischer leitfähigkeit auf ein gewebtes Textil, das aus nichtleitfähigen Garnen oder aus Garnen mit niedriger Leitfähigkeit besteht, vorgesehen ist.
Flexible Heizung und/oder Elektrode nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein erster der mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit sich in Kettrichtung angrenzend an mindestens einen Bereich mit niedriger elektrischer leitfähigkeit erstreckt und wobei ein zweiter der mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer leitfähigkeit sich in Kettrichtung angrenzend an mindestens einen Bereich mit niedriger elektrischer leitfähigkeit erstreckt, wobei der erste und der zweite der mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit sich zumindest in einem Bindungspunkt kreuzen.
Flexible Heizung und/oder Elektrode nach Anspruch 6, wobei Material mit hoher leitfähigkeit auf den ersten und den zweiten der mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer leitfähigkeit in dem Bereich des Bindungspunkts aufgebracht, vorzugsweise aufgedruckt, ist.
Flexible Heizung und/oder Elektrode nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein erster und ein zweiter der mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer leitfähigkeit sich beide in Kettrichtung oder in Schussrichtung angrenzend an gegenüberliegende Seiten des mindestens einen Bereichs mit niedriger elektrischer Leitfähgkeit erstrecken und wobei sowohl der erste als auch der zweite der mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit mit Verbindungsanschlüssen der Heizung und/oder Elektrode wirkverbunden sind, wobei die Verbindungsanschlüsse zum Verbinden der Heizung und/oder Elektrode mit einer elektronischen Steuerschaltung vorgesehen sind.
Flexible Heizung und/oder Elektrode nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der mindestens eine Bereich mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit derart konfiguriert ist, dass er anisotrope Leitfähigkeitseigenschaften, vorzugsweise unterschiedliche elektronische Eigenschaften in Schuss- und Kettrichtung aufweist.
Heizungsanlage umfassend eine flexible Heizung und/oder Elektrode nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9 und eine elektronische Steuerschaltung zur Speisung der flexiblen Heizung mit einem Heizstrom.
Heizungsanlage umfassend eine Anzahl von Heizelementen und eine elektronische Steuerschaltung zur Speisung der Heizelemente mit einem Heizstrom, wobei jedes der Heizelemente eine flexible Heizung und/oder Elektrode nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.
Heizungsanlage nach Anspruch 11, wobei die Bereiche mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit der einzelnen Heizelemente unterschiedliche elektrische Eigenschaften wie beispielsweise einen unterschiedlichen Schichtwiderstand Rsq_j aufweisen.
Heizungsanlage nach Anspruch 12, wobei die einzelnen Heizelemente derart in einer Reihenfolge angeordnet sind, dass die einzelnen Schichtwiderstände Rsq_j der Bereiche mit niedriger Leitfähigkeit mit zunehmendem Abstand von dem Verbindungsanschluss abnehmen.
Heizungsanlage nach Anspruch 11 oder 12, wobei die jeweiligen der mindestens zwei Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit der einzelnen Heizelemente in gegenseitiger Ausrichtung angeordnet sind und derart miteinander verbunden sind, dass sie eine gemeinsame Zuleitung für die einzelnen Bereiche mit niedriger Leitfähigkeit bilden.
Erfassungsanlage umfassend eine flexible Heizung und/oder Elektrode nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9 und eine elektronische Steuerschaltung zur Speisung der flexiblen Heizung und/oder Elektrode mit einer Erfassungsspannung oder einem Erfassungsstrom.