EP3122923B1 - Textilmaterialteil mit mehreren sensorgarnen - Google Patents

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EP3122923B1
EP3122923B1 EP15712110.4A EP15712110A EP3122923B1 EP 3122923 B1 EP3122923 B1 EP 3122923B1 EP 15712110 A EP15712110 A EP 15712110A EP 3122923 B1 EP3122923 B1 EP 3122923B1
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EP
European Patent Office
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yarn
sensor
conductor
yarns
textile material
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EP15712110.4A
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Christoph RIETHMÜLLER
Bastian BAESCH
Simon HOINKIS
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Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Stuttgart
Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Denkendorf DITF
Original Assignee
Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Stuttgart
Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Denkendorf DITF
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Definitions

  • the present invention relates to a textile material part with a plurality of sensor yarns.
  • the sensor yarn has a thread core whose longitudinal central axis extends in an extension direction.
  • the thread core may be monofilament or formed of several fibers or filaments.
  • the thread core is preferably elastically extensible in the direction of extension.
  • the extensibility of the sensor yarn can be adapted to the material in which the sensor yarn is integrated and can therefore vary within a wide range.
  • a first conductor and a second conductor are each helically or helically wound with respect to the direction of extent.
  • the sensor yarn can be designed as a thread or as Umwindegarn.
  • the two conductors can therefore be wound in and / or around the thread core.
  • the two conductors are electrically isolated from each other.
  • at least one of the two conductors can be insulated by a lacquer or a coating around the electrically conductive core.
  • a sensor yarn is for example in DE 10 2008 003 122 A1 described.
  • the yarn is there to determine tensile stresses in a medical knit or knitted fabric.
  • the yarn has a core thread about which a binding thread may be wound in one embodiment. If the yarn is bent or stretched in its direction of extent, the electrical property of the yarn, for example the electrical conductivity and / or the capacitance, changes.
  • a bimetallic thread can be used as the binding thread.
  • Another electrically conductive yarn is in DE 10 2006 017 340 A1 disclosed.
  • a non-conductive multifilament yarn is wrapped, which should preferably lay flat on the core thread, so that when touching two electrically conductive yarns in a textile material no accidental electrically conductive contact.
  • US 2005/0231207 A1 describes a yarn having a core and an electrically conductive indicator thread wound around the core, the inductance of which changes as the length of the thread changes in its direction of extension.
  • a thread has a carrier that is wound with a filament and dividing the support into marking zones and mark-free zones.
  • sensory textile materials are used in a wide variety of applications. For example, such sensory textile materials can detect compressive forces, tensile forces or the like. In many applications, a localization of the applied force is advantageous or necessary.
  • sensory yarns are then incorporated into the fabric in a dense matrix pattern to form a two-dimensional pattern of intersecting sensory yarns. If a force acts on this surface at a certain point or approaches an object to this surface, depending on the density of the sensory yarns, a localization of the force or the approach of an object by the sensory matrix can take place.
  • the first solution according to the invention provides for a textile material part with a plurality of sensor yarns, wherein the sensor yarns can be designed as wrapping yarns with a thread core or as a thread.
  • Each sensor yarn has at least a first and at least one second conductor, wherein at least one of the two conductors is helically wound with respect to the extension direction of the sensor yarn.
  • the two conductors can be crossing and / or each with the same Windungsste Trent next to each other without crossing wound on the thread core or the thread core can have or form one of the two conductors (Umwindegarn). In a twisted yarn, one or both conductors may be helically wound.
  • the two conductors are electrically insulated from each other, whereby the conductor pair of at least one first conductor and at least one second conductor together forms further yarn components, for example with the thread core, a capacitive component.
  • the further yarn components or the thread core represents the dielectric of the capacitive component.
  • This capacitive component is characterized in that its capacitance per unit length changes in the extension direction of the thread core and thus in the extension direction of the sensor yarn.
  • the change in the capacitance per unit length of the capacitive component can be provided continuously and / or in stages or sections.
  • the capacitive component in the extension direction may have successive yarn sections which have different capacities.
  • the capacity per unit length in a yarn section can be constant. It is also possible, at least in sections, to continuously change the capacitance per unit length of the capacitive component, for example, first to increase continuously from a minimum value to a maximum value of the capacitance per unit length and / or to reduce it from the maximum value to the minimum value of the capacitance per unit length.
  • the pattern of the continuously or sectionally changing capacity per unit length can vary from a certain Repeat yarn length of sensor yarn.
  • Any two sections of the sensor yarn have a different capacity per unit length, if they have different total capacities for the same length.
  • a force acting on the sensor yarn force such as compressive force and / or tensile force, a force change, media exposure to a liquid or vapor medium or an approach of an object, a temperature change (due to the change in length of the sensor yarn) or the like can be determined.
  • the sensor yarn of the first inventive solution By specifically changing in the direction of extension capacity per unit length, a spatial resolution in the direction of extension of the sensor yarns can be achieved in the textile material part.
  • a sensory impact on the sensor yarn now depends not only on the type and amount of impact, but also on the place where the sensor yarn is acted upon.
  • the total capacity of the sensor yarn of a certain length varies depending on what capacity per unit length the capacitive component has at the location of the impact.
  • the sensor yarn of the first inventive solution it is possible by the sensor yarn of the first inventive solution to provide a sensory textile material part, in which the sensor yarns can no longer be crossed in a matrix, but only parallel to each other in one direction can be arranged. In the case of an action to be sensed, the total capacity of a sensor yarn incorporated in the textile material part changes.
  • the total capacity of several sensor yarns impaired.
  • the fact that the capacitance of each capacitive sensor of a sensor yarn changes in the direction of extent allows a position determination to be carried out therefrom.
  • the production of a sensory textile material part is significantly simplified by the sensor yarn according to the invention.
  • the electrical contacting of a sensory textile material part on a single side is sufficient since the sensor yarns no longer need to be laid over one another in two directions as previously crossed.
  • the production of a sensory textile material is significantly simplified.
  • the capacitance per unit length of the capacitive element in a first yarn section is different from the capacitance per unit length in another second yarn section of the sensor yarn.
  • at least two yarn sections may be present, to each of which a substantially constant capacitance per unit length is assigned.
  • the first yarn section may have a first capacity per unit length
  • the second yarn section may have a second capacity per unit length
  • a third yarn section may have a third capacity per unit length, and so on.
  • a transition section may be present in each case in which the capacitance changes continuously.
  • the change in capacitance per unit length in the direction of extent is in one embodiment at least 0.03 pF and / or at most 250 pF.
  • the difference between a minimum capacity yarn section per unit length and a maximum capacity yarn section per unit length may be up to 250 pF or more.
  • the change in capacitance per unit length may be effected by providing a change in the number of turns per unit length of the thread core.
  • a change in the pitch of the helical winding of the at least one first conductor and / or the at least one second conductor may be provided.
  • the slopes of the helical winding of the two conductors can have the same amount and / or the same value in a common yarn section.
  • the pitch of the two conductors in a common yarn section is different in size in terms of magnitude and / or value.
  • An additional or alternative measure for changing the capacitance per unit length of the capacitive component can be achieved in that the dielectric constant of the thread core changes in the direction of extent. This can be done, for example, by using different materials or combinations of materials with a different dielectric constant for the thread core. For example, a for the production of the Fadenkerns used plastic sections combined with at least one other material or doped to change the dielectric constant. By the material and / or the proportion of doping relative to the base material of the thread core, a change in the dielectric constant can be achieved.
  • the thread core may contain or be made of a polymeric material.
  • the thread core may comprise polyurethane and be made in one embodiment of spandex.
  • the at least one first conductor and / or the at least one second conductor may contain metal and be made, for example, from wires, in particular copper wires.
  • the wires can be provided with a paint or a coating for electrical insulation.
  • the conductors preferably have a diameter of not more than 0.1 mm.
  • the at least one first conductor and / or the at least one second conductor can each run around the thread core in a multi-start helix.
  • copper-doped zinc sulfide or a doped semiconductor material can be used for the effect described under b).
  • the limited mobile free charges in the material form dipoles in the electric field depending on the intensity of the light irradiation, whereby the dielectric constant and thus the measurable total capacitance changes.
  • the photostrictive material may be a polymer material and / or a semiconductor material and / or a ferroelectric material and / or a magnetic material Material and / or a magnetoelectric material act.
  • the thread core may be made of a polymer material doped with a semiconductor material.
  • the polymer material may additionally or alternatively be doped with a semiconductor material also doped with another suitable material, for example with bismuth ferrite.
  • the textile material part can be designed as a knit fabric or as a fabric.
  • the sensor yarns can be introduced into a fabric, for example, as a weft thread or as a warp thread.
  • the sensor yarns can also be placed in a fabric or knitwear and held by non-sensory yarns or threads in the fabric.
  • the sensor yarns are arranged without crossing in a direction of the textile material, preferably in the direction of the weft threads.
  • the at least one sensor yarn can be incorporated, for example, as standing thread.
  • the sensor yarn 10 has a thread core 11 extending in an extension direction E.
  • the thread core 11 may be monofilament or formed by a plurality of fibers or filaments. It can consist of one single material or a combination of several materials.
  • the thread core 11 comprises a polymeric material.
  • the thread core 11 is preferably elastically stretchable in the extension direction E and can be elastically stretched in the direction of extension E.
  • the thread core 11 in the extension direction E different materials and / or different material combinations and / or different proportions of the materials have a combination of materials, which will be discussed later in more detail.
  • At least one first conductor 12 and at least one second conductor 13 are wound around the thread core 11.
  • first conductor 12 and a single second conductor 13 are illustrated in each case.
  • a plurality of first conductor 12 and second conductor 13 may be present.
  • the conductors 12, 13 comprise an electrically conductive material, in particular metal, or are produced from such a material.
  • the conductors 12, 13 are made of a metallic wire, preferably a copper wire.
  • the conductors 12, 13 have on their outer surface an electrically insulating coating or an electrically insulating Paint on.
  • the conductors have a diameter of up to 0.1 mm or 0.2 mm.
  • the first conductor 12 and the second conductor 13 form a conductor pair 14.
  • the conductor pair 14 is part of a capacitive component 15.
  • the capacitive component 15 of a sensor yarn of a specific length has a total capacitance CG.
  • FIG. 1b the electrical circuit diagram for the sensor yarn 10 with the capacitive component 15 is illustrated.
  • FIGS. 2 and 3 1 illustrates a first embodiment of the sensor yarn 10, which is referred to as the first sensor yarn 10a.
  • the capacitive component 15 has a capacitance C1 changing in the extension direction E per unit length l of the sensor yarn.
  • the capacitance C1 per unit length l indicates the capacitance of the capacitive component 15 at the viewing point of the sensor yarn 10, wherein this capacitance C1 per unit length l changes in the extension direction E.
  • the total capacity CG is therefore not only dependent on the length of a sensor yarn 10 in the direction of extent E, but additionally varies spatially in the direction of extent E. Two equal-length sections of a sensor yarn 10 can thus have a different total capacity CG.
  • the capacitance C1 per unit length l changes in sections.
  • a first yarn section 21, a second yarn section 22 and a third yarn section 23 are illustrated.
  • the sensor yarn 10 or its capacitive component 15 has a different capacitance C 1 per unit length l.
  • the capacitance C1 per unit length l in a respective yarn section 21, 22, 23 is substantially constant.
  • the sensor yarn 10 in the first yarn section 21 has a first capacity Cl 1 te capacity Cl 2 per unit length l and in the third yarn section 23, a third capacity Cl 3 per unit length l.
  • the capacity Cl per unit length l can be at least partially continuously increased or decreased.
  • the capacitance C L per unit length L may be steadily increased from a minimum value of, for example, 10 pF to a maximum value of 250 pF or more, and / or conversely continuously reduced from the maximum value to the minimum value.
  • Such continuously changing sections may also be provided sequentially in the sensor yarn 10.
  • the value of the capacitance Cl per unit length l, which changes in the extension direction E, is determined at the in FIG. 2 illustrated embodiment of the first sensor yarn 10a achieved in that the slope S of a helix of the helically wound first conductor 12 and / or the second conductor 13 with respect to the extension direction E, ie the longitudinal central axis of the sensor yarn 10 varies.
  • the pitch S of a helical turn of the two conductors 12, 13 has a first slope amount S 1 .
  • the pitch S of the helical turns of the first and second conductors 12, 13 in the second yarn section 22 has a second pitch amount S 2 and in the third yarn section 23 a third pitch amount S 3 .
  • the pitch of the first conductor 12 and / or the second conductor 13 is continuously increased or decreased to provide a transition between the respective slope amounts S 1 and S 2 or S 2 and S 3 .
  • These transitional sections 24 could optionally also be dispensed with if a transition point with an abruptly changing pitch between two yarn sections 21, 22 with different pitch amounts can be produced by the manufacturing process of the sensor yarn 10.
  • the slope amounts for the two conductors 12, 13 are the same size, but have different signs. As a result, intersection points in the windings of the two conductors 12, 13 are formed. It is not absolutely necessary that the pitch amounts for the two conductors 12, 13 in a yarn section 21 are equal, but the pitch amounts of the two conductors 12, 13 may also be different from each other. In addition, only the pitch of the first conductor 12 or the second conductor 13 can be changed between two adjacent yarn sections with different capacitance Cl per unit length l.
  • FIG. 3 Another possibility for changing the capacitance C1 per unit length l for the capacitive component 15 is illustrated.
  • the pitch of the winding of the two conductors 12, 13 in the different yarn sections 21, 22, 23 can remain essentially unchanged.
  • the dielectric constant or permittivity ⁇ is changed according to the example.
  • the thread core 11 has, for example, in the first yarn section 21 a first dielectric constant ⁇ 1 , in the second yarn section 22 a second dielectric constant ⁇ 2 and in the third yarn section 23 a third dielectric constant ⁇ 3 .
  • the different dielectric constants are achieved by different materials or material compositions in the yarn sections 21, 22, 23.
  • the thread core 11 may have an at least partially doped base material. It is expedient here if the dielectric constant of the base material differs sufficiently from the added doping material, for example by at least 10 to 30%. To change the dielectric constant ⁇ , for example, the proportion of the doping material relative to the base material can be increased. Additionally or alternatively, different doping materials or different combinations of doping materials in the different yarn sections 21, 22, 23 may be used.
  • the material that changes the dielectric constant is introduced into the base material of the thread core 11 as a doping material. Furthermore, it would also be possible to provide a coating enveloping the thread core 11 and the conductors 12, 13, which coating contains or consists of the material varying the dielectric constant.
  • a sensory textile material part 16 can be produced, as shown schematically in FIGS FIGS. 5 and 6 is illustrated.
  • effects such as a force, for example, a compressive force and / or a tensile force, influences by liquid media, such as water, approaches by objects, etc. can be detected.
  • location information is already provided by the sensor yarn 10 via which it is possible to determine the position of the action.
  • the effect when several of the sensor yarns 10 in a textile material part 16 are arranged parallel to one another, the effect usually has an effect not only on the total capacity CG of a single sensor yarn 10 but on the total capacity CG of several sensor yarns 10.
  • a very precise location determination of the action on the textile material part 16 can take place without a matrix-like arrangement of sensor yarns 10 with intersection points being necessary.
  • This has the advantage that the textile material part 16 only has to be electrically contacted on one side for connection to the evaluation unit 17. This considerably simplifies the construction of a sensory textile material part 16.
  • the textile material part 16 may be in the textile material part 16 to knitwear, such as a knitted fabric or a knitted fabric ( FIG. 5 ) or a tissue ( FIG. 6 ) act.
  • knitwear such as a knitted fabric or a knitted fabric ( FIG. 5 ) or a tissue ( FIG. 6 ) act.
  • the sensor yarns 10 are inserted as Steherfäden in the fabric and take on the Meshing itself does not participate.
  • the sensor yarns 10 are incorporated as weft threads in a fabric.
  • one or more conventional, non-sensory textile threads 25 can be woven in between two sensor yarns 10 in each case.
  • the number and density of the sensor yarns in a textile material part 16 depend on the specific application.
  • the textile material 16 has, in addition to the sensor yarns 10 arranged in parallel, one or more conventional textile threads 25.
  • the non-sensory textile thread 25 can be used for stitch formation ( FIG. 5 ) or as a weft thread and warp thread ( FIG. 6 ) be used.
  • the representations in the FIGS. 5 and 6 are not to scale and only schematic.
  • the sensor yarns 10 may have the same or a different thickness (titre) than the other textile threads 25 used.
  • FIGS. 4a and 4b 2 illustrates a second embodiment of the sensor yarn 10, referred to as the second sensor yarn 10b.
  • the capacitance C1 per unit length l which has the capacitive component 15 of the sensor yarn 10
  • the capacitance C1 changing in the extension direction E per unit length l can be substantially constant.
  • the second sensor yarn 10b contains a photosensitive material 30.
  • This photosensitive material 30 can be attached anywhere on the sensor yarn 10 or introduced into the sensor yarn 10.
  • the photosensitive Material 30 introduced as a doping material in the base material of the thread core 11.
  • the thread core 11 could also consist of photosensitive material.
  • FIGS. 4a and 4b Based on FIGS. 4a and 4b is schematically seen that takes place by the irradiation of the second sensor yarn 10b with light L, a change in length of the thread core 11 by photostriction.
  • the length of a longitudinal section A changes by a difference d when the second sensor yarn 10b is irradiated with the light L.
  • This causes a change in the total capacity CG of the sensor yarn 10 irradiated with light L.
  • the intensity of the incident light L changes, so does the total capacity CG.
  • the photorefractive material 30 for example, a polymer material, a semiconductor material, a feroelectric material, a magnetic material, or a magnetoelectric material may be used.
  • a polymer material for example, a polymer material, a semiconductor material, a feroelectric material, a magnetic material, or a magnetoelectric material may be used.
  • bismuth ferrite can be used as a photostrictive material.
  • a photosensitive second sensor yarn 10b takes place no change in length (photostriction). Rather, the photosensitive material is selected there in such a way that the intensity of the light causes a change in the dielectric constant.
  • a doped semiconductor material such as copper-doped zinc sulfide (ZnS: Cu) may be used.
  • ZnS copper-doped zinc sulfide
  • dipoles and electrons are formed in the electric field the dielectric constant, which in turn changes the detectable total capacity of the second sensor path 10b.
  • the photosensitive second sensor yarn 10b can thus be used to detect the presence of incident light L or a change in intensity.
  • a lighting sensor or even a brightness sensor could thereby be realized.
  • Such a sensor could be integrated by means of the sensor yarn 10b into a shading textile, for example a roller blind or the like, which is moved into its extended or retracted position as a function of the solar radiation.
  • the sensors could therefore be an integral part of a sun blinds and could be dispensed with a separate sensor.
  • one of the two conductors for example the second conductor 13 can also be formed by the thread core 11 ( FIG. 7 ).
  • the sensor yarn 10a, 10b can also be embodied as a thread without thread core 11 (not according to the invention) ( FIG. 8 ). If no thread core 11 is present, the two conductors 12, 13 with other filaments (hatching in FIG. 8 ) combined to form the twine.
  • At least one of the two conductors is helically wound to the direction of extent E.
  • the first sensor yarn 10a and the second sensor yarn 10b can also be used together in a textile material part 16 if both the action of light L, and an approach of an article to the textile material part 16 and / or a force on the textile material part 16 and / or a Action by a liquid or vaporous medium and / or another influence influencing the total capacity CG of a sensor yarn 10 should be detected.
  • the invention relates to a sensor yarn 10 with a thread core 11, around which a first conductor 12 and a second conductor 13 are helically wound.
  • the two conductors 12, 13 are electrically isolated from each other and from the filament core 11.
  • the two conductors 12, 13 form a capacitive component 15 with the thread core 11.
  • the capacitance C1 per unit length changes in the extension direction E of the sensor yarn. This can be done by a change in the winding geometry of the first conductor 12 or of the second conductor 13 or by a change in the relative permittivity ⁇ of the sensor yarn 10.
  • a second sensor yarn 10b has photosensitive material 30, so that a change in length can be effected by incident light L.
  • a change in length or a different deformation of the sensor yarn 10a, 10b causes the total capacity CG of the respective sensor yarn 10a, 10b to change, which can be determined by an evaluation unit 17.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Textilmaterialteil mit mehreren Sensorgarnen. Das Sensorgarn weist einen Fadenkern auf, dessen Längsmittelachse sich in einer Erstreckungsrichtung erstreckt. Der Fadenkern kann monofil oder aus mehreren Fasern bzw. Filamenten gebildet sein. Der Fadenkern ist vorzugsweise in Erstreckungsrichtung elastisch dehnbar. Die Dehnbarkeit des Sensorgarns kann an das Material angepasst werden, in das das Sensorgarn integriert wird und kann daher in einem weiten Bereich variieren.
  • Zur Ausbildung eines kapazitiven Bauteils sind ein erster Leiter und ein zweiter Leiter jeweils schraubenförmig bzw. helixförmig gegenüber der Erstreckungsrichtung gewickelt. Das Sensorgarn kann als Zwirn oder als Umwindegarn ausgeführt sein. Die beiden Leiter können daher in dem und/oder um den Fadenkern gewickelt sein. Die beiden Leiter sind einander gegenüber elektrisch isoliert. Beispielsweise kann zumindest einer der beiden Leiter durch einen Lack oder eine Beschichtung um den elektrisch leitfähigen Kern isoliert sein.
  • Ein Sensorgarn ist beispielsweise in DE 10 2008 003 122 A1 beschrieben. Das Garn dient dort zur Ermittlung von Zugspannungen in einem medizinischen Gestrick oder Gewirk. Das Garn hat einen Kernfaden, um den bei einem Ausführungsbeispiel ein Umbindungsfaden gewickelt sein kann. Wird das Garn in seiner Erstreckungsrichtung gekrümmt bzw. gedehnt, ändert sich die elektrische Eigenschaft des Garns, beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit und/oder die Kapazität. Beispielsweise kann als Umbindungsfaden ein Bimetallfaden verwendet werden.
  • DE 103 42 787 A1 beschreibt ein elektrisch leitfähiges Garn, bei dem um einen Kernfaden mindestens ein elektrisch leitfähiger Faden gewunden ist.
  • Ein weiteres elektrisch leitfähiges Garn ist in DE 10 2006 017 340 A1 offenbart. Um den elektrisch leitfähigen Faden, der um einen Kernfaden gewunden ist, ist außerdem ein nicht leitfähiges Multifilamentgarn umwickelt, das sich vorzugsweise flächig auf den Kernfaden legen soll, so dass bei Berührung zweier elektrisch leitfähiger Garne in einem Textilmaterial kein versehentlicher elektrisch leitender Kontakt entsteht.
  • Zur Herstellung von mehradrigen Telekommunikationskabeln ist aus US 2 114 496 A ein Verfahren bekannt, bei dem die Adern abschnittsweise mit einem kleinen Gangwinkel gegenüber der Radialebene durch das Kabel sehr eng gewickelt und zwischen zwei solcher Abschnitte parallel zueinander oder mit sehr großem Gangwinkel verlaufen. In den eng gewickelten Abschnitten wird die Kapazität zwischen den Adern reduziert, allerdings nimmt die Adernlänge gegenüber der Kabellänge zu. In den Abschnitten mit gestreckten Adern erhöht sich mit zunehmender Länge die Kapazität zwischen zwei Adern, jedoch sind die Adernlängen nicht oder nur wenig größer als die Kabellänge.
  • US 2005/0231207 A1 beschreibt ein Garn mit einem Kern und einem um den Kern gewickelten elektrisch leitfähigen Indikatorfaden, dessen Induktivität sich bei einer Längenänderung des Fadens in seiner Erstreckungsrichtung ändert.
  • Aus WO 02/02855 A1 ist ein Verfahren zum Erzeugen von Markierungen auf einem textilen Flächengebilde bekannt. Ein Faden hat einen Träger, der mit einem Filament umwunden ist und den Träger in Markierungszonen und markierungsfreie Zonen unterteilt.
  • Heutzutage werden in verschiedensten Anwendungsbereichen sensorische Textilmaterialien eingesetzt. Beispielsweise können derartige sensorische Textilmaterialen Druckkräfte, Zugkräfte oder dergleichen erfassen. Bei vielen Anwendungen ist auch eine Lokalisierung der einwirkenden Kraft vorteilhaft oder erforderlich. Häufig werden dann sensorische Garne in einem dichten matrixförmigen Muster in das Textilmaterial eingearbeitet, so dass ein zweidimensionales Muster von sich kreuzenden sensorischen Garnen entsteht. Wirkt an einer bestimmten Stelle eine Kraft auf diese Fläche ein oder nähert sich ein Gegenstand an diese Fläche an, so kann abhängig von der Dichte der sensorischen Garne eine Ortsbestimmung der Kraft bzw. der Annäherung eines Gegenstands durch die sensorische Matrix erfolgen.
  • Der Aufwand für derartige sensorische Textilmaterialien ist groß, wodurch das Textilmaterial entsprechend teuer wird. Als Folge hiervon ist die Verbreitung von sensorischen Textilmaterialien nach wie vor gering.
  • Es kann daher als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, ein Textilmaterialteil mit mehreren Sensorgarnen zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Textilmaterialteil mit den Merkmalen des Patentansprüche 1 gelöst.
  • Die erste erfindungsgemäße Lösung sieht ein Textilmaterialteil mit mehreren Sensorgarnen vor, wobei die Sensorgarne als Umwindegarne mit einem Fadenkern oder als Zwirn ausgeführt sein können. Jedes Sensorgarn hat wenigstens einen ersten und wenigstens einen zweiten Leiter, wobei zumindest einer der beiden Leiter gegenüber der Erstreckungsrichtung des Sensorgarns schraubenförmig gewickelt ist. Die beiden Leiter können dabei kreuzend und/oder mit jeweils derselben Windungssteigung nebeneinander kreuzungsfrei auf den Fadenkern gewickelt sein oder der Fadenkern kann einen der beiden Leiter aufweisen oder bilden (Umwindegarn). Bei einem Zwirn kann einer oder beide Leiter schraubenförmig gewickelt sein.
  • Die beiden Leiter sind einander gegenüber elektrisch isoliert, wodurch das Leiterpaar aus wenigstens einem ersten Leiter und wenigstens einem zweiten Leiter gemeinsam weiteren Garnbestandteilen, beispielsweise mit dem Fadenkern, ein kapazitives Bauteil bildet. Die weiteren Garnbestandteile bzw. der Fadenkern stellt das Dielektrikum des kapazitiven Bauteils dar.
  • Dieses kapazitive Bauteil ist dadurch gekennzeichnet, dass sich seine Kapazität pro Längeneinheit in Erstreckungsrichtung des Fadenkerns und somit in Erstreckungsrichtung des Sensorgarns ändert. Die Änderung der Kapazität pro Längeneinheit des kapazitiven Bauteils kann kontinuierlich und/oder stufen- oder abschnittsweise vorgesehen sein. Beispielsweise kann das kapazitive Bauteil in Erstreckungsrichtung aufeinanderfolgende Garnabschnitte aufweisen, die unterschiedliche Kapazitäten aufweisen. Dabei kann die Kapazität pro Längeneinheit in einem Garnabschnitt konstant sein. Es ist auch möglich, zumindest abschnittsweise die Kapazität pro Längeneinheit des kapazitiven Bauteils kontinuierlich zu ändern, beispielsweise zunächst stetig von einem Minimalwert bis zu einem Maximalwert der Kapazität pro Längeneinheit zu erhöhen und/oder vom Maximalwert bis zum Minimalwert der Kapazität pro Längeneinheit zu verringern. Das Muster der sich kontinuierlich oder abschnittsweise ändernden Kapazität pro Längeneinheit kann sich ab einer bestimmten Garnlänge des Sensorgarns wiederholen.
  • Zwei beliebige Abschnitte eines der Sensorgarn haben eine voneinander verschiedene Kapazität pro Längeneinheit, wenn sie bei gleicher Länge voneinander verschiedene Gesamtkapazitäten aufweisen.
  • Mit dem Sensorgarn kann eine auf das Sensorgarn einwirkende Kraft, beispielsweise Druckkraft und/oder Zugkraft, eine Kraftänderung, eine Medienbeaufschlagung mit einem flüssigen oder dampfförmigen Medium oder eine Annäherung eines Objekt, eine Temperaturänderung (aufgrund der Längenänderung des Sensorgarns) oder dergleichen ermittelt werden.
  • Durch die sich in Erstreckungsrichtung gezielt ändernde Kapazität pro Längeneinheit kann im Textilmaterialteil eine Ortsauflösung in Erstreckungsrichtung der Sensorgarne erreicht werden. Denn eine zu sensierende Einwirkung auf das Sensorgarn hängt nunmehr nicht nur von der Art und dem Betrag der Einwirkung, sondern auch von der Stelle ab, an der auf das Sensorgarn eingewirkt wird. Beispielsweise ändert sich die Gesamtkapazität des Sensorgarns einer bestimmten Länge abhängig davon, welche Kapazität pro Längeneinheit das kapazitive Bauteil an der Stelle der Einwirkung aufweist. Somit ist es durch das Sensorgarn der ersten erfindungsgemäßen Lösung möglich, ein sensorisches Textilmaterialteil zu schaffen, bei dem die Sensorgarne nicht mehr gekreuzt in einer Matrix, sondern lediglich parallel zueinander in einer Richtung angeordnet werden können. Bei einer zu sensierenden Einwirkung ändert sich die Gesamtkapazität eines in das Textilmaterialteil eingearbeiteten Sensorgarns. In der Regel werden beispielsweise bei einer Berührung des Textilmaterialteils oder einer Annäherung an das Textilmaterialteil die Gesamtkapazitäten mehrerer Sensorgarne beeinträchtigt. Dadurch, dass sich die Kapazität jedes kapazitiven Sensors eines Sensorgarns in Erstreckungsrichtung ändert, lässt sich daraus eine Positionsbestimmung durchführen. Die Herstellung eines sensorischen Textilmaterialteils wird durch das erfindungsgemäße Sensorgarn deutlich vereinfacht. Insbesondere genügt die elektrische Kontaktierung eines sensorischen Textilmaterialteils an einer einzigen Seite, da die Sensorgarne nicht mehr wie bisher gekreuzt in zwei Richtungen übereinander gelegt werden müssen. Dadurch wird das Herstellen eines sensorischen Textilmaterials deutlich vereinfacht.
  • Bevorzugt ist die Kapazität pro Längeneinheit des kapazitiven Bauteils in einem ersten Garnabschnitt verschieden von der Kapazität pro Längeneinheit in einem anderen zweiten Garnabschnitt des Sensorgarns. Insbesondere können zumindest zwei Garnabschnitte vorhanden sein, denen jeweils eine im Wesentlichen konstante Kapazität pro Längeneinheit zugeordnet ist. Beispielsweise kann der erste Garnabschnitt eine erste Kapazität pro Längeneinheit, der zweite Garnabschnitt eine zweite Kapazität pro Längeneinheit, ein dritter Garnabschnitt eine dritte Kapazität pro Längeneinheit, usw. aufweisen. Zwischen solchen Garnabschnitten mit unterschiedlicher Kapazität pro Längeneinheit kann jeweils ein Übergangsabschnitt vorhanden sein, in dem sich die Kapazität stetig ändert. Abhängig davon, durch welche Maßnahme die Kapazität pro Längeneinheit geändert wird, kann es aus herstellungstechnischen Gründen notwendig sein, einen solchen Übergangsabschnitt vorzusehen. Denn es ist nicht immer möglich, die Kapazität pro Längeneinheit an einer Stelle des Sensorgarns sozusagen sprungähnlich zu vergrößern oder verringern.
  • Die Änderung der Kapazität pro Längeneinheit in Erstreckungsrichtung beträgt bei einem Ausführungsbeispiel mindestens 0,03 pF und/oder maximal 250 pF. Zum Beispiel können zwei oder mehr Garnabschnitte vorhanden sein, wobei sich die Kapazität zwischen aufeinanderfolgenden Garnabschnitten - mit gegebenenfalls dazwischen liegendem Übergangsabschnitt - um jeweils mindestens 0,03 pF ändert. Die Differenz zwischen einem Garnabschnitt mit minimaler Kapazität pro Längeneinheit und einem Garnabschnitt mit maximaler Kapazität pro Längeneinheit kann bis zu 250 pF oder mehr betragen.
  • Zur Änderung der Kapazität pro Längeneinheit des kapazitiven Bauteils in Erstreckungsrichtung können eine oder mehrere Maßnahmen vorgesehen werden. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Änderung der Kapazität pro Längeneinheit dadurch bewirkt werden, dass eine Änderung der Anzahl von Windungen pro Längeneinheit des Fadenkerns vorgesehen ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Änderung der Steigung der schraubenförmigen Wicklung des wenigstens einen ersten Leiters und/oder des wenigstens einen zweiten Leiters vorgesehen sein. Die Steigungen der schraubenförmigen Wicklung der beiden Leiter können in einem gemeinsamen Garnabschnitt denselben Betrag und/oder denselben Wert aufweisen. Es ist allerdings auch möglich, dass die Steigung der beiden Leiter in einem gemeinsamen Garnabschnitt im Hinblick auf den Betrag und/oder den Wert verschieden groß ist.
  • Eine zusätzliche oder alternative Maßnahme zur Änderung der Kapazität pro Längeneinheit des kapazitiven Bauteils kann dadurch erreicht werden, dass sich die Dielektrizitätszahl des Fadenkerns in Erstreckungsrichtung ändert. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass unterschiedliche Materialien bzw. Materialkombination mit einer jeweils anderen Dielektrizitätszahl für den Fadenkern verwendet werden. Beispielsweise kann ein zur Herstellung des Fadenkerns verwendeter Kunststoff abschnittsweise mit wenigstens einem weiteren Material kombiniert bzw. dotiert werden, um die Dielektrizitätszahl zu ändern. Durch das Material und/oder den Anteil der Dotierung gegenüber dem Grundwerkstoff des Fadenkerns lässt sich eine Veränderung der Dielektrizitätszahl erreichen.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Fadenkern ein Polymermaterial enthalten bzw. aus einem Polymermaterial herstellt sein. Beispielsweise kann der Fadenkern Polyurethan aufweisen und bei einem Ausführungsbeispiel aus Elasthan hergestellt sein. Der wenigstens eine erste Leiter und/oder der wenigstens eine zweite Leiter können Metall enthalten und beispielsweise aus Drähten, insbesondere Kupferdrähten hergestellt sein. Die Drähte können zur elektrischen Isolation mit einem Lack oder einer Beschichtung versehen werden. Die Leiter haben vorzugsweise einen Durchmesser von maximal 0,1 mm.
  • Der wenigstens eine erste Leiter und/oder der wenigstens eine zweite Leiter können bei einem Ausführungsbeispiel jeweils in einer mehrgängigen Schraubenlinie um den Fadenkern herum verlaufen.
  • Bei einer anderen Ausgestaltung eines oder mehrerer der Sensorgarne des Textilmaterialteils kann die Kapazität des Sensorgarns in Erstreckungsrichtung wie oben beschrieben variieren oder alternativ auch konstant sein. Bei dieser Ausführung weist das Sensorgarn ein photosensitives Material auf. Das photosensitive Material kann beispielsweise Bestandteil eines Fadenkerns sein oder am Fadenkern angeordnet sein. Das photosensitive Material kann durch einen oder beide nachfolgend beschriebene Effekte die Gesamtkapazität des kapazitiven Bauteils des Sensorgarns ändern:
    1. a) Das photosensitive Material ist photostriktiv und bewirkt eine Längenänderung des Sensorgarns in Erstreckungsrichtung und/oder schräg oder quer hierzu, wenn sich die Intenstität des auf das sensorgarn einfallenden Lichts ändert.
    2. b) Das photosensitive Material ändert seine Dielektrizitätszahl, wenn sich die Intenstität des auf das sensorgarn einfallenden Lichts ändert.
  • Dadurch verändert sich die Gesamtkapazität des kapazitiven Bauteils des Sensorgarns. Somit lässt sich auf das Sensorgarn einfallendes Licht detektieren.
  • Für den unter b) beschriebenen Effekt kann beispielsweise mit Kupfer dotiertes Zinksulfid oder ein dotiertes Halbleitermaterial verwendet werden. Die eingeschränkt beweglichen freien Ladungen in dem Material bilden abhängig von der Intensität der Lichteinstrahlung Dipole im elektrischen Feld, wodurch sich die Dielektrizitätszahl und somit die messbare Gesamtkapazität ändert.
  • Bei dem photostriktiven Material kann es sich um ein Polymermaterial und/oder ein Halbleitermaterial und/oder ein ferroelektrisches Material und/oder ein magnetisches Material und/oder ein magnetoelektrisches Material handeln. Beispielsweise kann der Fadenkern aus einem Polymermaterial hergestellt sein, das mit einem Halbleitermaterial dotiert ist. Das Polymermaterial kann zusätzlich oder alternativ zur Dotierung mit einem Halbleitermaterial auch mit einem anderen geeigneten Material dotiert sein, beispielsweise mit Bismutferrit.
  • Das Textilmaterialteil kann als Maschenware oder als Gewebe ausgeführt sein. Die Sensorgarne können beispielsweise als Schussfaden oder als Kettfaden in ein Gewebe eingebracht werden. Die Sensorgarne können auch in ein Gewebe oder eine Maschenware eingelegt werden und durch nicht-sensorische Garne oder Fäden im Textilmaterial gehalten werden. Bevorzugt sind die Sensorgarne dabei kreuzungsfrei in einer Richtung des Textilmaterials angeordnet, vorzugsweise in Richtung der Schussfäden. Bei einer Maschenware kann das wenigstens eine Sensorgarn beispielsweise als Steherfaden eingearbeitet werden.
  • Bevorzugte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Die Beschreibung erläutert wesentliche Merkmale der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen. Die Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1a eine schematische Teildarstellung eines Sensorgarns mit einem kapazitiven Bauteil,
    • Figur 1b ein elektrisches Ersatzschaltbild des kapazitiven Bauteils,
    • Figur 2 eine schematische Teildarstellung eines Sensorgarns gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
    • Figur 3 eine schematische Teildarstellung eines Sensorgarns gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
    • Figuren 4a und 4b eine schematische Teildarstellung eines Sensorgarns, das ein photostriktives Material aufweist,
    • Figur 4c eine schematische Teildarstellung eines weiteren Sensorgarns, das ein photosensitives Material aufweist,
    • Figur 5 eine schematische Darstellung eines Textilmaterialteils als Maschenware mit mehreren Sensorgarnen,
    • Figur 6 eine schematische Darstellung eines Textilmaterialteils in Form eines Gewebes mit mehreren Sensorgarnen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
    • Figuren 7 und 8 jeweils ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines Sensorgarns in schematischer Darstellung.
  • In den Figuren 1 bis 4 sind Ausführungsbeispiele eines Sensorgarns 10 in schematischer Teildarstellung veranschaulicht. Das Sensorgarn 10 weist einen sich in einer Erstreckungsrichtung E erstreckenden Fadenkern 11 auf. Der Fadenkern 11 kann Monofil oder durch eine Mehrzahl von Fasern bzw. Filamenten gebildet sein. Er kann aus einem einzigen einheitlichen Material bestehen oder aus einer Kombination mehrerer Materialien. Beim Ausführungsbeispiel weist der Fadenkern 11 ein polymeres Material auf. Der Fadenkern 11 ist vorzugsweise in Erstreckungsrichtung E elastisch dehnbar und kann in Erstreckungsrichtung E elastisch gedehnt werden. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen des Sensorgarns 10 kann der Fadenkern 11 in Erstreckungsrichtung E unterschiedliche Werkstoffen und/oder unterschiedliche Werkstoffkombinationen und/oder unterschiedliche Anteile der Werkstoffe einer Werkstoffkombination aufweisen, worauf später noch näher eingegangen wird.
  • Um den Fadenkern 11 ist wenigstens ein erster Leiter 12 und wenigstens ein zweiter Leiter 13 gewickelt. Bei den hier veranschaulichten Ausführungsbeispielen ist jeweils lediglich ein einziger erster Leiter 12 und ein einziger zweiter Leiter 13 veranschaulicht. In Abwandlung hierzu könnten jeweils auch mehrere erste Leiter 12 bzw. zweite Leiter 13 vorhanden sein.
  • Die Leiter 12, 13 weisen ein elektrisch leitfähiges Material, insbesondere Metall, auf bzw. sind aus einem solchen Material hergestellt. Beim Ausführungsbeispiel werden die Leiter 12, 13 aus einem metallischen Draht, vorzugsweise einem Kupferdraht, hergestellt. Um eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Leitern 12, 13 und zwischen den Leitern 12, 13 und dem Fadenkern 11 zu vermeiden, weisen die Leiter 12, 13 an ihrer Außenfläche eine elektrisch isolierende Beschichtung oder einen elektrisch isolierenden Lack auf. Die Leiter haben beispielsgemäß einen Durchmesser von bis zu 0,1 mm oder 0,2 mm.
  • Der erste Leiter 12 und der zweite Leiter 13 bilden beispielsgemäß ein Leiterpaar 14. Das Leiterpaar 14 ist Bestandteil eines kapazitiven Bauteils 15. Das kapazitive Bauteil 15 eines Sensorgarns einer bestimmten Länge hat eine Gesamtkapazität CG. In Figur 1b ist das elektrische Schaltbild für das Sensorgarn 10 mit dem kapazitiven Bauteil 15 veranschaulicht.
  • Die Kapazität des kapazitiven Bauteils 15 hängt von dem konstruktiven Aufbau des Sensorgarns 10 ab. Das Sensorgarn 10 kann in nahezu beliebiger Länge hergestellt und auf eine Spule aufgewickelt werden. Bei der Einarbeitung des Sensorgarns 10 in ein Textilmaterialteil 16 hat ein Sensorgarn 10 einer bestimmten Länge die Gesamtkapazität CG. Diese Gesamtkapazität CG ändert sich, wenn das Sensorgarn 10 beaufschlagt wird, beispielsweise durch eine Kraft, wie etwa eine Druckkraft oder eine Zugkraft. Durch eine Längenänderung des Fadenkerns 11, der als Dielektrikum für das kapazitive Bauelement 15 dient und/oder eine Relativverschiebung des wenigstens einen ersten Leiters 12 relativ zum wenigstens einen zweiten Leiter 13, kann sich die Gesamtkapazität CG ändern. Dadurch stellt das Sensorgarn somit einen kapazitiven Sensor dar. Über eine Auswerteeinheit 17, die von einem Ende des Sensorgarns 10 an die beiden Leiter 12, 13 elektrisch angeschlossen ist, kann die aktuelle Gesamtkapazität CG ermittelt werden. Daraus lässt sich eine Einwirkung auf das Sensorgarn 10 ermitteln. Als sensierbare Einwirkung auf das Sensorgarn 10 lassen sich eine oder mehrere der folgenden Einwirkungen ermitteln:
    • eine Kraft, wie beispielsweise Druckkraft oder/oder Zugkraft, oder eine Kraftänderung,
    • eine Medienbeaufschlagung mit einem flüssigen oder dampfförmigen Medium,
    • eine Annäherung eines Objekt,
    • eine Temperaturänderung,
    • und bei einer Ausführung des Sensorgarns auch eine Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen, insbesondere mit Licht.
  • In den Figuren 2 und 3 ist eine erste Ausführungsform des Sensorgarns 10 veranschaulicht, die als erstes Sensorgarn 10a bezeichnet wird. Bei dem ersten Sensorgarn 10a hat das kapazitive Bauteil 15 eine sich in Erstreckungsrichtung E ändernde Kapazität Cl pro Längeneinheit l des Sensorgarns. Die Kapazität Cl pro Längeneinheit l gibt die Kapazität des kapazitiven Bauteils 15 an der Betrachtungsstelle des Sensorgarns 10 an, wobei sich diese Kapazität Cl pro Längeneinheit l in Erstreckungsrichtung E ändert. Die Gesamtkapazität CG ist somit nicht nur abhängig von der Länge eines Sensorgarns 10 in Erstreckungsrichtung E, sondern variiert zusätzlich räumlich in Erstreckungsrichtung E. Zwei gleich lange Abschnitte eines Sensorgarns 10 können somit eine unterschiedlich große Gesamtkapazität CG aufweisen.
  • Bei den in den Figuren 2 und 3 veranschaulichten Ausführungsbeispielen ändert sich die Kapazität Cl pro Längeneinheit l abschnittsweise. Lediglich beispielhaft sind jeweils ein erster Garnabschnitt 21, ein zweiter Garnabschnitt 22 sowie ein dritter Garnabschnitt 23 veranschaulicht. In jedem der Garnabschnitte 21, 22, 23 hat das Sensorgarn 10 bzw. dessen kapazitives Bauelement 15 eine andere Kapazität Cl pro Längeneinheit l. Bei den hier veranschaulichten Ausführungsbeispielen ist die Kapazität Cl pro Längeneinheit l in einem jeweiligen Garnabschnitt 21, 22, 23 im Wesentlichen konstant. Beispielsgemäß hat das Sensorgarn 10 im ersten Garnabschnitt 21 eine erste Kapazität Cl1 te Kapazität Cl2 pro Längeneinheit l und im dritten Garnabschnitt 23 eine dritte Kapazität Cl3 pro Längeneinheit l.
  • In Abwandlung zu abschnittsweise konstanten Kapazitäten Cl pro Längeneinheit l kann die Kapazität Cl pro Längeneinheit l auch zumindest abschnittsweise kontinuierlich vergrößert oder verringert werden. Beispielsweise kann die Kapazität Cl pro Längeneinheit L von einem Minimalwert von beispielsweise 10 pF bis zu einem Maximalwert von 250 pF oder mehr stetig vergrößert und/oder umgekehrt vom Maximalwert bis zu dem Minimalwert stetig verringert werden. Solche sich kontinuierlich ändernden Abschnitte können auch aufeinanderfolgend im Sensorgarn 10 vorgesehen sein.
  • Der sich in Erstreckungsrichtung E ändernde Wert der Kapazität Cl pro Längeneinheit l wird bei der in Figur 2 veranschaulichten Ausführungsform des ersten Sensorgarns 10a dadurch erreicht, dass die Steigung S einer Schraubenwindung des schraubenförmig gewickelten ersten Leiters 12 und/oder des zweiten Leiters 13 gegenüber der Erstreckungsrichtung E, also der Längsmittelachse des Sensorgarns 10 variiert. In dem ersten Garnabschnitt 21 hat die Steigung S einer Schraubenwindung der beiden Leiter 12, 13 einen ersten Steigungsbetrag S1. Entsprechend hat die Steigung S der Schraubenwindungen des ersten und zweiten Leiters 12, 13 im zweiten Garnabschnitt 22 einen zweiten Steigungsbetrag S2 und im dritten Garnabschnitt 23 einen dritten Steigungsbetrag S3. Mit abnehmendem Steigungsbetrag reduziert sich die Anzahl der Windungen pro Längeneinheit und mithin auch die Kapazität Cl pro Längeneinheit. Die Steigungsbeträge sind im jeweiligen Garnabschnitt 21, 22, 23 im Wesentlichen konstant. Da die Steigung zwischen zwei in Erstreckungsrichtung benachbarten Garnabschnitten 21 und 22 bzw. 22 und 23 aus herstellungstechnischen Gründen oft nicht sprungartig verändert werden kann, ist zwischen zwei benachbarten Garnabschnitten 21 und 22 bzw. 22 und 23 jeweils ein Übergangsabschnitt 24 vorhanden. In diesem Übergangsabschnitt 24 wird die Steigung des ersten Leiters 12 und/oder des zweiten Leiters 13 kontinuierlich erhöht oder verringert, um einen Übergang zwischen den jeweiligen Steigungsbeträgen S1 und S2 bzw. S2 und S3 zu schaffen. Diese Übergangsabschnitte 24 könne optional auch entfallen, wenn durch den Herstellungsprozess des Sensorgarns 10 eine Übergangsstelle mit sich sprunghaft ändernder Steigung zwischen zwei Garnabschnitten 21, 22 mit unterschiedlichen Steigungsbeträgen hergestellt werden kann.
  • Bei dem in Figur 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel des ersten Sensorgarns 10a sind die Steigungsbeträge für die beiden Leiter 12, 13 gleich groß, haben jedoch unterschiedliche Vorzeichen. Dadurch sind jeweils Kreuzungsstellen in den Wicklungen der beiden Leiter 12, 13 gebildet. Es ist nicht zwingend erforderlich, dass die Steigungsbeträge für die beiden Leiter 12, 13 in einem Garnabschnitt 21 gleich groß sind, vielmehr können die Steigungsbeträge der beiden Leiter 12, 13 auch voneinander verschieden sein. Außerdem kann zwischen zwei benachbarten Garnabschnitten mit unterschiedlicher Kapazität Cl pro Längeneinheit l auch lediglich die Steigung von dem ersten Leiter 12 oder dem zweiten Leiter 13 verändert werden.
  • In Figur 3 ist eine weitere Möglichkeit zur Veränderung der Kapazität Cl pro Längeneinheit l für das kapazitive Bauelement 15 veranschaulicht. Bei dieser Ausführungsform kann die Steigung der Wicklung der beiden Leiter 12, 13 in den verschiedenen Garnabschnitten 21, 22, 23 im Wesentlichen unverändert bleiben. Zur Veränderung der Kapazität Cl pro Längeneinheit wird beispielsgemäß die Dielektrizitätszahl oder Permittivität ε verändert. Hierzu wird das Dielektrikum, das beispielsgemäß durch den Fadenkern 11 gebildet ist, abschnittsweise verändert. Der Fadenkern 11 hat beispielsgemäß im ersten Garnabschnitt 21 eine erste Dielektrizitätszahl ε1, im zweiten Garnabschnitt 22 eine zweite Dielektrizitätszahl ε2 und im dritten Garnabschnitt 23 eine dritte Dielektrizitätszahl ε3. Die verschiedenen Dielektrizitätszahlen werden durch unterschiedliche Werkstoffe bzw. Werkstoffzusammensetzungen in den Garnabschnitten 21, 22, 23 erreicht. Beispielsweise kann der Fadenkern 11 einen zumindest abschnittsweise dotierten Grundwerkstoff aufweisen. Es ist dabei zweckmäßig, wenn sich die Dielektrizitätszahl des Grundwerkstoffs von dem hinzugefügten Dotierungswerkstoff ausreichend unterscheidet, beispielsweise um mindestens 10 bis 30%. Zur Veränderung der Dielektrizitätszahl ε kann beispielsweise der Anteil des Dotierungswerkstoffs gegenüber dem Grundwerkstoff vergrößert werden. Zusätzlich oder alternativ hierzu können auch verschiedene Dotierungswerkstoffe bzw. verschiedene Kombinationen von Dotierungswerkstoffen in den verschiedenen Garnabschnitten 21, 22, 23 verwendet werden.
  • Bei dem hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der die Dielektrizitätszahl verändernde Werkstoff als Dotierungsmaterial in den Grundwerkstoff des Fadenkerns 11 eingebracht. Weiterhin könnte auch eine den Fadenkern 11 und die Leiter 12, 13 umhüllende Beschichtung vorgesehen sein, die den die Dielektrizitätszahl verändernden Werkstoff enthält oder aus solchem besteht.
  • Bei einem nicht explizit verschaulichten Ausführungsbeispiel ist es ferner möglich, sowohl die Dielektrizitätszahl ε, als auch die Steigung der Windungen zur Veränderung der Kapazität Cl pro Längenabschnitt l zu variieren und mithin die in den Figuren 2 und 3 veranschaulichten und oben beschriebenen Ausführungsbeispiele des ersten Sensorgarns 10a miteinander zu kombinieren.
  • Mit Hilfe des ersten Sensorsgarns 10 lässt sich ein sensorisches Textilmaterialteil 16 herstellen, wie es schematisch in den Figuren 5 und 6 veranschaulicht ist. Mit Hilfe des Sensorgarns 10 lassen sich Einwirkungen wie etwa eine Krafteinwirkung, beispielsweise eine Druckkraft und/oder eine Zugkraft, Einwirkungen durch flüssige Medien, beispielsweise Wasser, Annäherungen durch Objekte, usw. erfassen. Dadurch, dass sich die Kapazität Cl pro Längeneinheit L des Sensorgarns 10 in Erstreckungsrichtung E ändert, wird durch das Sensorgarn 10 bereits eine Ortsinformation bereitgestellt, über die es möglich ist, die Position der Einwirkung zu ermitteln. Insbesondere dann, wenn mehrere der Sensorgarne 10 in einem Textilmaterialteil 16 parallel zueinander angeordnet sind, wirkt sich die Einwirkung in der Regel nicht nur auf die Gesamtkapazität CG eines einzigen Sensorgarns 10, sondern auf die Gesamtkapazität CG mehrerer Sensorgarne 10 aus. Durch die Auswertung der Kombination von sich ändernden Gesamtkapazitäten CG kann eine sehr genaue Ortsbestimmung der Einwirkung auf das Textilmaterialteil 16 erfolgen, ohne dass eine matrixartige Anordnung von Sensorgarnen 10 mit Kreuzungsstellen notwendig ist. Dies hat den Vorteil, dass das Textilmaterialteil 16 lediglich auf einer Seite zur Verbindung mit der Auswerteeinheit 17 elektrisch kontaktiert werden muss. Dies vereinfacht den Aufbau eines sensorischen Textilmaterialteils 16 erheblich.
  • Wie in den Figuren 5 und 6 stark schematisiert veranschaulicht, kann es sich bei dem Textilmaterialteil 16 um Maschenware, beispielsweise ein Gewirk oder ein Gestrick (Figur 5) oder um ein Gewebe (Figur 6) handeln. Bei dem in Figur 5 veranschaulichten Gestrick sind die Sensorgarne 10 als Steherfäden in das Gestrick eingelegt und nehmen an der Maschenbildung selbst nicht teil. Bei dem in Figur 6 veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind die Sensorgarne 10 als Schussfäden in ein Gewebe eingearbeitet. Dabei kann anwendungsabhängig zwischen zwei Sensorgarne 10 jeweils ein oder mehrere herkömmliche, nicht-sensorische Textilfäden 25 eingewebt sein. Die Anzahl und die Dichte der Sensorgarne in einem Textilmaterialteil 16 hängen vom konkreten Anwendungsfall ab.
  • Das Textilmaterial 16 weist neben den parallel angeordneten Sensorgarnen 10 einen oder mehrere herkömmliche Textilfäden 25 auf. Der nicht-sensorische Textilfaden 25 kann zur Maschenbildung (Figur 5) oder als Schussfaden und Kettfaden (Figur 6) verwendet werden.
  • Die Darstellungen in den Figuren 5 und 6 sind nicht maßstäblich und lediglich schematisch. Die Sensorgarne 10 können dieselbe oder eine andere Stärke (Titer) aufweisen, als die anderen verwendeten Textilfäden 25.
  • In den Figuren 4a und 4b ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Sensorgarns 10 veranschaulicht, das als zweites Sensorgarn 10b bezeichnet wird. Bei dem zweiten Sensorgarn 10b kann im Unterschied zum ersten Sensorgarn 10a die Kapazität Cl pro Längeneinheit l, die das kapazitive Bauelement 15 des Sensorgarns 10 aufweist, im Wesentlichen konstant sein. Es ist jedoch auch möglich, die sich in Erstreckungsrichtung E ändernde Kapazität Cl pro Längeneinheit l wie beim ersten Sensorgarn 10a vorzusehen.
  • Das zweite Sensorgarn 10b enthält ein photosensitives Material 30. Dieses photosensitive Material 30 kann an einer beliebigen Stelle an dem Sensorgarn 10 angebracht bzw. in das Sensorgarn 10 eingebracht werden. Bei dem hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das photosensitive Material 30 als Dotierungsmaterial in den Grundwerkstoff des Fadenkerns 11 eingebracht. Alternativ hierzu könnte der Fadenkern 11 auch aus photosensitivem Material bestehen. Weiterhin könnte auch eine den Fadenkern 11 und die Leiter 12, 13 umhüllende Beschichtung vorgesehen sein, die photosensitives Material 30 enthält oder aus solchem besteht.
  • Anhand der Figuren 4a und 4b ist schematisch zu erkennen, dass durch die Bestrahlung des zweiten Sensorgarns 10b mit Licht L eine Längenänderung des Fadenkerns 11 durch Photostriktion stattfindet. Beispielhaft ändert sich die Länge eines Längenabschnitts A um eine Differenz d, wenn das zweite Sensorgarn 10b mit dem Licht L bestrahlt wird. Das wiederum verursacht eine Änderung der Gesamtkapazität CG des mit Licht L bestrahlten Sensorgarns 10. Ändert sich die Intensität des einfallenden Lichts L, so ändert sich auch die Gesamtkapazität CG.
  • Als photostriktives Material 30 kann beispielsweise ein Polymermaterial, ein Halbleitermaterial, ein feroelektrisches Material, ein magnetisches Material oder ein magnetoelektrisches Material verwendet werden. Beispielsweise kann Bismutferrit als photostriktives Material verwendet werden.
  • Bei dem in Figur 4c veranschaulichten Ausführungsbeispiel eines photosensitiven zweiten Sensorgarns 10b findet keine Längenänderung (Photostriktion) statt. Vielmehr ist dort das photosensitive Material derart ausgewählt, dass durch die Intensität des Lichts eine Änderung der Dielektrizitätszahl erfolgt. Beispielsweise kann ein dotiertes Halbleitermaterial, wie etwa mit Kupfer dotiertes Zinksulfid (ZnS:Cu) verwendet werden. Abhängig von der Lichtintensität bilden sich im elektrischen Feld Dipole und verändern die Dielektrizitätszahl, was wiederum die erfassbare Gesamtkapazität des zweiten Sensorgangs 10b verändert.
  • Das photosensitive zweite Sensorgarn 10b kann somit dazu verwendet werden, das Vorhandensein von einfallendem Licht L bzw. eine Intensitätsänderung zu detektieren. Beispielsweise könnte dadurch ein Beleuchtungssensor oder auch ein Helligkeitssensor realisiert werden. Ein solcher Sensor ließe sich mit Hilfe des Sensorgarns 10b in ein Beschattungstextil, beispielsweise ein Sonnenrollo oder dergleichen integrieren, das abhängig von der Sonneinstrahlung in seine ausgefahrene oder eingefahrene Position bewegt wird. Die Sensorik könnte daher integraler Bestandteil eines Sonnenschutzrollos sein und auf einen separaten Sensor könnte verzichtet werden.
  • Bei beiden Sensorgarnen 10a, 10b kann auch einer der beiden Leiter, beispielsweise der zweite Leiter 13 durch den Fadenkern 11 gebildet sein (Figur 7). Das Sensorgarn 10a, 10b kann auch ohne Fadenkern 11 (nicht erfindungsgemäß) als Zwirn ausgeführt sein (Figur 8). Wenn kein Fadenkern 11 vorhanden ist, sind die beiden Leiter 12, 13 mit anderen Filamenten (Schraffur in Figur 8) zusammen zur Bildung des Zwirns kombiniert.
  • Bei allen Ausführungsformen des ersten Sensorgarns 10a und vorzugsweise auch beim zweiten Sensorgarn 10b ist zumindest einer der beiden Leiter schraubenförmig zur Erstreckungsrichtung E gewickelt.
  • Das erste Sensorgarn 10a und das zweite Sensorgarn 10b können auch gemeinsam in einem Textilmaterialteil 16 eingesetzt werden, wenn sowohl die Einwirkung von Licht L, als auch eine Annäherung eines Gegenstands an das Textilmaterialteil 16 und/oder eine Krafteinwirkung auf das Textilmaterialteil 16 und/oder eine Einwirkung durch ein flüssiges oder dampfförmiges Medium und/oder eine andere die Gesamtkapazität CG eines Sensorgarns 10 beeinflussende Einwirkung erfasst werden soll.
  • Die Erfindung betrifft ein Sensorgarn 10 mit einem Fadenkern 11, um das schraubenförmig ein erster Leiter 12 sowie ein zweiter Leiter 13 gewickelt sind. Die beiden Leiter 12, 13 sind gegeneinander und gegenüber dem Fadenkern 11 elektrisch isoliert. Die beiden Leiter 12, 13 bilden mit dem Fadenkern 11 ein kapazitives Bauelement 15. Bei einem ersten Sensorgarn 10a ändert sich die Kapazität Cl pro Längeneinheit in Erstreckungsrichtung E des Sensorgarns. Dies kann durch eine Veränderung in der Wicklungsgeometrie des ersten Leiters 12 bzw. des zweiten Leiters 13 oder durch eine Veränderung der Dielektrizitätszahl ε des Sensorgarns 10 erfolgen. Ein zweites Sensorgarn 10b weist photosensitives Material 30 auf, so dass durch einfallendes Licht L eine Längenänderung bewirkt werden kann. Eine Längenänderung bzw. eine andere Verformung des Sensorgarns 10a, 10b führt dazu, dass sich die Gesamtkapazität CG des betreffenden Sensorgarns 10a, 10b ändert, was durch eine Auswerteeinheit 17 ermittelt werden kann.
    • Bezugszeichenliste:
    • 10
    Sensorgarn
    10a
    erstes Sensorgarn
    10b
    zweites Sensorgarn
    11
    Fadenkern
    12
    erster Leiter
    13
    zweiter Leiter
    14
    Leiterpaar
    15
    kapazitives Bauteil
    16
    Textilmaterialteil
    17
    Auswerteeinheit
    21
    erster Garnabschnitt
    22
    zweiter Garnabschnitt
    23
    dritter Garnabschnitt
    24
    Übergangsabschnitt
    25
    Textilfaden
    30
    photosensitives Material
    A
    Längenabschnitt
    Cl
    Kapazität pro Längeneinheit
    Cl1
    erste Kapazität pro Längeneinheit
    Cl2
    zweite Kapazität pro Längeneinheit
    Cl3
    dritte Kapazität pro Längeneinheit
    CG
    Gesamtkapazität
    d
    Differenz
    E
    Erstreckungsrichtung
    ε
    Dielektrizitätszahl
    ε1
    erste Dielektrizitätszahl
    ε2
    zweite Dielektrizitätszahl
    ε3
    dritte Dielektrizitätszahl
    l
    Längeneinheit
    L
    Licht
    S1
    erster Steigungsbetrag
    S2
    zweiter Steigungsbetrag
    S3
    dritter Steigungsbetrag

Claims (15)

  1. Textilmaterialteil (16),
    mit mehreren Sensorgarnen (10), wobei wenigstens ein Sensorgarn (10a) der mehreren Sensorgarne (10) aufweist:
    einen sich in einer Erstreckungsrichtung (E) erstreckenden Fadenkern (11),
    wenigstens einen ersten Leiter (12) und einen zweiten Leiter (13), wobei wenigstens einer der beiden Leiter (12, 13) schraubenförmig gegenüber der Erstreckungsrichtung (E) gewickelt ist,
    wobei der wenigstens eine erste Leiter (12) und der wenigstens eine zweite Leiter (13) einander gegenüber elektrisch isoliert und Bestandteil eines kapazitiven Bauteils (15) sind,
    und wobei das kapazitive Bauteil (15) eine sich in Erstreckungsrichtung (E) ändernde Kapazität (Cl) pro Längeneinheit (l) des Sensorgarns (10a) aufweist.
  2. Textilmaterialteil nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Leiter (12) des wenigstens einen Sensorgarns (10a) der mehreren Sensorgarne (10) durch den Fadenkern (11) gebildet und der andere Leiter (13) des Sensorgarns (10a) um den Fadenkern (11) gewickelt ist oder dass beide Leiter (12, 13) des wenigstens einen Sensorgarns (10a) der mehreren Sensorgarne (10) um den Fadenkern (11) gewickelt sind oder dass einer der beiden Leiter (13) des wenigstens einen Sensorgarns (10a) der mehreren Sensorgarne (10) Bestandteil des Fadenkerns (11) ist und der andere Leiter (13) um den Fadenkern (11) gewickelt ist.
  3. Textilmaterialteil nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität (Cl) pro Längeneinheit (l) in einem ersten Garnabschnitt (21) des wenigstens einen Sensorgarns (10a) der mehreren Sensorgarne (10) verschieden ist von der Kapazität (Cl) pro Längeneinheit (l) in einem anderen Garnabschnitt (22, 23) des Sensorgarns (10a).
  4. Textilmaterialteil nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Sensorgarn (10a) der mehreren Sensorgarne (10) zumindest zwei Garnabschnitte (21, 22, 23) aufweist, denen das kapazitive Bauteil (15) jeweils eine im Wesentlichen konstante Kapazität (Cl1, Cl2, Cl3) pro Längeneinheit (l) aufweist.
  5. Textilmaterialteil nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Garnabschnitten (21, 22 bzw. 22, 23) des wenigstens einen Sensorgarns (10a) mit unterschiedlicher Kapazität (Cl1, Cl2, Cl3) pro Längeneinheit (l) ein Übergangsabschnitt (24) vorhanden ist, in dem sich die Kapazität (Cl) pro Längeneinheit (l) stetig ändert.
  6. Textilmaterialteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich der Betrag der Kapazität (Cl) pro Längeneinheit (l) des wenigstens einen Sensorgarns (10a) der mehreren Sensorgarne (10) in Erstreckungsrichtung (E) um mindestens 0,03 pF und/oder um bis zu maximal 250 pF ändert.
  7. Textilmaterialteil nach Anspruch 6 und nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Sensorgarn (10a) der mehreren Sensorgarne (10) zumindest drei Garnabschnitte (21, 22, 23) mit unterschiedlich großen Kapazitäten (Cl1, Cl2, Cl3) pro Längeneinheit (l) aufweist, wobei sich die Kapazität (Cl) pro Längeneinheit (l) zwischen in Erstreckungsrichtung (E) benachbarten Garnabschnitten (21, 22 bzw. 22, 23) um mindestens 10pF ändert.
  8. Textilmaterialteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Kapazität (Cl) pro Längeneinheit (l) des wenigstens einen Sensorgarns (10a) der mehreren Sensorgarne (10) durch eine sich in Erstreckungsrichtung (E) ändernde Anzahl von Windungen pro Längeneinheit des Fadenkerns (11) und/oder durch eine sich in Erstreckungsrichtung (E) ändernde Steigung (S) der schraubenförmigen Wicklung des wenigstens einen ersten Leiters (12) und/oder des wenigstens einen zweiten Leiters (13) bewirkt ist.
  9. Textilmaterialteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Kapazität (Cl) pro Längeneinheit (l) des wenigstens einen Sensorgarns (10a) der mehreren Sensorgarne (10) durch eine sich in Erstreckungsrichtung (E) ändernde Dielektrizitätszahl (ε) des Sensorgarns (10a) bewirkt ist.
  10. Textilmaterialteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Fadenkern (11) ein Polymermaterial enthält.
  11. Textilmaterialteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine erste Leiter (12) und/oder der wenigstens eine zweite Leiter (13) des wenigstens einen Sensorgarns (10a) der mehreren Sensorgarne (10) Metall enthält bzw. enthalten.
  12. Textilmaterialteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zweites Sensorgarn (10b) der mehreren Sensorgarne (10, 10a) aufweist:
    einen sich in einer Erstreckungsrichtung (E) erstreckenden Fadenkern (11),
    wenigstens einen ersten Leiter (12) und einen zweiten Leiter (13), wobei zumindest einer der beiden Leiter (12, 13) schraubenförmig gegenüber der Erstreckungsrichtung (E) gewickelt ist,
    wobei der wenigstens eine erste Leiter (12) und der wenigstens eine zweite Leiter (13) einander gegenüber elektrisch isoliert und Bestandteil eines kapazitiven Bauteils (15) sind,
    und wobei das zweite Sensorgarn (10b) ein photosensitives Material (30) aufweist, so dass bei einer Bestrahlung des zweiten Sensorgarns (10b) mit Licht (L) eine Änderung der Gesamtkapazität (CG) des kapazitiven Bauteils (15) ergibt.
  13. Textilmaterialteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem photosensitiven Material (30) um mit Kupfer dotiertes Zinksulfid, ein Polymermaterial, ein Halbleitermaterial, ein ferroelektrisches Material, ein magnetisches Material oder magnetoelektrisches Material handelt.
  14. Textilmaterialteil nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das photosensitive Material (30) im oder am Fadenkern (11) vorhanden ist.
  15. Textilmaterialteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorgarne (10, 10a, 10b) kreuzungsfrei angeordnet sind.
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