ES2294934B1 - Sensor textil de esfuerzos de presion y/o tension y/o torsion. - Google Patents
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Abstract
Sensor textil de tipo resistivo, que comprende: al menos una capa base de tejido (1) de cualquier técnica y de cualquier composición y/o mezcla; opcionalmente, un tratamiento superficial (2) para hacer más uniforme la superficie del tejido (1); una única capa conductora (3) de pistas distribuidas geométricamente para definir zonas sensibles a esfuerzos (31) a partir de fluidos conductores y una capa de encapsulado y protección (4) sobre la capa conductora (3); opcionalmente, puede unirse una capa de tejido superior (5); y al menos un conversor de señal (7) conectado con las pistas, de forma que al presionar, tensionar o torcer una de las zonas (31) de las pistas se produce una variación de la resistencia de dicha pista de elevada entidad, detectable por dicho conversor (7). Opcionalmente el sensor presenta una impresión (6) identificando las zonas (31) en la cara exterior de cualquiera de las dos capas de tejido (1, 5).
Description
Sensor textil de esfuerzos de presión y/o
tensión y/o torsión.
La presente invención se refiere a un sensor
textil de esfuerzos de presión y/o tensión y/o torsión sobre una o
más zonas de su superficie textil.
En la actualidad los sensores textiles de
esfuerzos se basan principalmente en el uso de hilos de naturaleza
metálica.
En el caso de los sensores de esfuerzos de
presión, los hilos conductores forman dos capas conductoras y éstas
se separan por una capa intermedia no conductora o parcialmente
conductora, ya sea continua o discontinua.
Con esta construcción, la propiedad sensora
puede ser una variación de resistencia, porque las dos capas
conductoras se ponen en contacto por la presión y la capa
intermedia no lo impide y proporciona la recuperación de la posición
de las capas cuando el esfuerzo cede. Estos sensores se denominan
de tipo resistivo. En otros sensores, la propiedad sensora es una
variación de capacidad del condensador resultante de interponer una
capa dieléctrica entre las dos conductoras. La capacidad entre las
capas o hilos varía porque varía la distancia entre los electrodos o
capas conductoras del diseño. Estos sensores se denominan de tipo
capacitivo.
En el caso de los sensores de esfuerzos de
tensión, los hilos conductores tienen propiedades piezoresistivas,
y es una propiedad intrínseca del material según la cual un
esfuerzo de tensión provoque una variación de resistencia.
No existen referencias de sensores de torsión
textil.
Ha habido diversos tipos de dispositivos que
buscan alcanzar que un tejido o lámina textil presente un
comportamiento de sensor de esfuerzos, (principalmente de presión
por contacto), para la integración de dispositivos electrónicos en
prendas de ropa, láminas flexibles o similar.
Es conocida la solicitud PCT WO2005121729 de ETH
ZÜRICH ETH TRANSFER. En esta patente se describe un sensor de
presión por contacto de tipo capacitivo. El principio actuador de
un sensor con sistema capacitivo se compone de un mínimo de tres
capas, con dos capas conductoras y una intermedia no conductora para
formar el condensador, siendo una capa conductora continua y la otra
capa conductora conformada por vanos electrodos separados de forma
que puede mesurar diferentes distribuciones de presión por su
superficie.
También es conocida la solicitud de PCT
WO2005096133 del KONINK PHILIPS ELECTRONICS NV. En esta patente se
describe un sensor de presión por contacto conformado por tres
capas: dos conductoras y una intermedia no conductora compuesta de
material piezoresistivo distribuido de forma no continua en la capa
intermedia.
Es conocido el registro alemán DE102001025237 de
TEXTILFORSCHUNGINSTITUT THÜRINGEN VOGT. En este documento se
describe un sensor de presión y de esfuerzos basado en hilos
conductores que forman una red. La deformación de los hilos como
consecuencia de la deformación de la red provoca una variación de
resistencia, El objeto obtenido es un sensor de tracción que se
aprovecha para determinar la presión y por lo tanto solo puede medir
un único evento.
Es conocida la patente FR2834788 de LAB
ELECTRONIQUE ANGELIDIS & SARRAULT. En esta patente se describe
un sensor de presión por contacto en el que un tejido a la plana
aislante que se impregna con partículas conductoras en ambas caras
por impregnación o por disolución de partículas metálicas. El
sensor funciona mediante un módulo que compara la capacidad
eléctrica del tejido que varan cuando es presionado. Este sensor es
un sistema activo de tres capas de tipo capacitivo para detectar
presencia.
Es conocida la solicitud PCT WO2005073685 de
ELEKSEN LTD. En este registro se desarrolla un sensor lineal basado
en hilos conductores colocados en dos capas de tejido, una capa en
el sentido longitudinal y la otra en la transversal, se produce
conducción cuando se presiona la superficie y los hilos de ambas
capas entran en contacto.
Es conocida la solicitud de PCT WO0161298 de
BREED AUTOMOTIVE TECHNOLOGY INC. En este registro se describe un
aparato para detectar el voltaje de salida y por lo tanto el
momento de la interrupción en botones y sensores descritos en las
siguientes patentes: US 5398962, US 5563354 y US 5541570 basados en
tintas conductoras depositadas sobre películas de plástico para el
desarrollo de sensores de presencia en la automoción.
Es conocida la patente americana US5371326 de
DREAGER TN. En este registro se describe el desarrollo de un
conductor eléctrico para juguetes en el que se deposita un material
conductor sobre una tela no tejida que puede hacerse servir como
interruptor cuando las trazas de material conductor se ponen en
contacto entre ella.
El sensor textil de esfuerzos de presión y/o
tensión y/o torsión de esta invención presenta una serie de
particularidades técnicas destinadas a obtener lo que se denomina
un "tejido inteligente" que permite su integración entre otras
aplicaciones como dispositivo de entrada e interfaz a un
dispositivo electrónico por parte de una persona como aplicación
fundamental, la técnica permite además depositar pistas conductoras
con gran regularidad aptas para alimentación y transmisión de datos
entre dispositivos electrónicos y por lo tanto todas las
aplicaciones que se derivan en el tejido inteligente como por
ejemplo: LEDs integrados en el tejido y alimentados por las pistas,
cables textiles de conexión e incluso placas flexibles de
circuitos.
La invención es un sensor textil de esfuerzos de
presión y/o tensión y/o torsión, de tipo resistivo, con una sola
capa conductora, de gran área y alta resolución fabricado 100% con
materiales y procesos textiles.
Este sensor textil presenta una serie de capas
superpuestas, incluyendo al menos las siguientes capas:
(a) Una capa de tejido de base, de cualquier
composición y/o mezcla de materias y elaborada con cualquier
técnica de tejidos: tejidos de punto, plana y/o telas no tejidas,
con uniformidad o no en la superficie. Si el tejido no es uniforme,
puede incoporar tratamiento superficial para proporcionarle dicha
uniformidad. Dicho tratamiento puede consistir por ejemplo en un
recubrimiento polimérico aplicado sobre la base de la capa de
tejido. Es conocido que el recubrimiento polimérico se aplica a
tejidos para incrementar la resistencia a la abrasión y durabilidad,
proporcionar resistencia hidrostática con o sin transpirabilidad
dependiendo de la porosidad seleccionada y/o retardo a la llama
entre otras propiedades. El recubrimiento consigue mejorar la
uniformidad superficial del tejido y ofrecer buena adherencia a los
fluidos conductores.
(b) Una capa conductora sobre la capa de tejido,
obtenida por deposición de fluidos conductores sobre la capa de
tejido base, la capa conductora esta definida por pistas que
definen zonas de esfuerzos. Estos fluidos pueden estar compuestos
de partículas metálicas, de carbono o de polímeros conductores, por
ejemplo. Los fluidos que se elaboran principalmente con partículas
metálicas como la plata o el cobre o con partículas de carbono
depositadas en un material matriz de soporte, actualmente también
existen tintas basadas en polímeros conductores. Esta matriz de
soporte se compone de resinas poliméricas que se denominan PTF (PTF
Polymer Thick Film o Polímero de película gruesa). Estos PTF pueden
ser termoplásticos o termoestables. Ambos tipos pueden utilizarse
para el desarrollo de estos sensores de esfuerzos. Estos fluidos
pueden depositarse, por ejemplo, mediante procesos de impresión
textil convencional como la serigrafía, para este mismo objetivo
pueden utilizarse fluidos conductores digitales para su aplicación
mediante impresión digital. La impresión digital textil es un
sistema de fabricación más versátil. En ambos sistemas de
fabricación el diseño de las pistas conductoras se realiza con un
sistema de diseño asistido por ordenador preferentemente.
(c) Una capa de encapsulado y protección de la
capa conductora. Como ejemplo, esta capa puede estar constituida
por polímeros. Estos polímeros son resistentes a altas
temperaturas, tienen una buena viscosidad y se adaptan fácilmente
al moldeo. Los polímeros son adecuados para su adhesión al
poliéster, algodón y otras combinaciones de tejidos.
(d) Opcionalmente una capa superior de tejido de
cualquier composición y/o mezcla y construida con cualquier técnica
de tejidos: tejidos de punto, calada y/o telas no tejidas, con
uniformidad o no en la superficie.
(e) Un conversor de señal conectado con las
pistas conductoras para realizar la detección del esfuerzo mediante
la medida de las variaciones de resistencia de las pistas,
produciendo una señal digital.
(f) Opcionalmente una impresión sobre cualquiera
de las dos caras exteriores de la estructura de capas de tejido,
identificando dicha impresión el icono de zona de accionamiento.
Esta impresión puede realizarse mediante cualquier técnica de
impresión convencional y/o digital textil.
El principio de funcionamiento del sensor textil
de esfuerzos se basa en una presentación de pistas en conformación
filiforme que en un punto de su longitud pueden definir al menos
una zona de esfuerzos con una configuración en forma de zigzag,
espiral o cualquier otra de gran longitud en una pequeña
superficie.
Esta zona de esfuerzos denominada de
accionamiento puede ocupar una superficie deseada, por ejemplo para
la aplicación de un sensor textil de presión por contacto para su
aplicación a pulsadores, la superficie puede ser igual o superior a
la superficie media de un dedo durante el contacto de presión. La
zona de accionamiento tiene el objetivo de que el esfuerzo sobre la
zona produzca el máximo de variación de resistencia de la pista al
deformarse por la presión. La resistencia de una línea impresa con
el fluido conductor varía drásticamente cuando se ejerce un esfuerzo
sobre ella. Esta variación de resistencia esta provocada por la
deformación de las pistas al ser sometidas a un esfuerzo de presión
en el sentido Z por ejemplo, en este caso la deformación se
manifiesta en todas las direcciones X, Y, Z de las pistas, y ésta
provoca un aumento de su resistencia. Por ejemplo una estructura de
capas puede experimentar deformaciones máximas en el eje Z del 12%
con presiones de 1,5 kgf/cm^{2} (Presión media máxima ejercida
por el dedo índice con una superficie media de contacto de 1,5
cm^{2}) en función de los materiales seleccionados.
Este fenómeno puede ser utilizado para conseguir
la funcionalidad deseada aún cuando el valor de dicha resistencia
en ausencia de esfuerzos tenga una gran diversidad de valores
debido a las variaciones en el proceso de fabricación. En cualquier
caso, esa resistencia en reposo se encuentra en un margen de unos
pocos cientos de ohmio y su variación cuando la zona de
accionamiento sometida a esfuerzos puede ser del orden de la sexta
magnitud (pasa de unos pocos cientos de ohmios a varios
megaohmios).
Sometiendo cada pista a tensión eléctrica
controlada se puede obtener a la salida de las mismas una señal que
varía siguiendo el patrón del esfuerzo (o ausencia de esfuerzo)
ejercida sobre las zonas de zigzag o sus prolongaciones en el caso
de un esfuerzo de tensión. El valor del voltaje de referencia no es
importante en sí mismo, pero proporciona la posibilidad de ajustar
la sensibilidad del circuito dependiendo del valor de resistencia
equivalente de la pista conductora textil, esto es, en la zona de
esfuerzo definida.
Este conversor es el responsable de poder
obtener una señal digital como respuesta de los esfuerzos sobre el
tejido en las zonas correspondientes a los zigzag u otros diseños
filiformes en una superficie reducida. Una vez obtenida esta señal
digital estándar se puede enviar a un dispositivo electrónico para
su interpretación o regulación de funcionamiento.
El conversor de señal puede incorporar un
potenciómetro o similar que regula la sensibilidad al esfuerzo y la
respuesta de la zona del zig zag o diseño filiforme y un divisor de
tensión, tal como una resistencia, que permite definir el umbral de
disparo.
Un accionamiento sobre el sensor textil provoca
en la entrada del conversor variaciones de la resistencia en rampas
de subida y, sobre todo, de bajada de la señal que no es
instantánea, ni constante, ni monótona, apareciendo un periodo
transitorio en el que la pista conductora va ajustando su
resistencia. El comparador utilizado en el conversor presenta una
histéresis lo suficientemente alta para absorber dichas variaciones
y producir una señal digital estable. También es posible que se
realice un postproceso de la señal digital.
Es posible que, por necesidad de diseño, una
pista presente más de una zona de esfuerzo, estando estas zonas
dispuestas en serie.
Con varias pistas superpuestas en direcciones
cruzadas se puede realizar un diseño matricial que permite la
multiplexación de una pluralidad de zonas de accionamiento.
En efecto, el sensor puede comprender una
estructura ampliada en la que entre la capa de encapsulado y
protección y la capa de tejido superior se encuentra una segunda
capa conductora sensible de pistas. Cada una de las pistas de una
capa presenta múltiples zonas de accionamiento, las cuales
coinciden con zonas de accionamiento de las pistas de la capa
añadida. Dichas pistas añadidas están dispuestas de forma
transversal a las alineaciones de las pistas de la primera capa, de
forma que un esfuerzo sobre una cualquiera de las zonas de zigzag o
diseño filiforme de pistas del sensor textil provoca la activación
de una sola pista en cada capa y por lo tanto se puede determinar
con solo dos señales, de que zona de accionamiento se trata. Para
ello el sensor se completa con un conversor multiplexado para el
tratamiento matricial de las varias pistas dispuestas en las dos
capas de una manera más rápida que un comparador pista por pista.
Se ha previsto que dicho conversor multiplexado también sea apto
para el control de varias pistas en una sola capa.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de facilitar la comprensión de las
características de la invención, se acompaña a la presente memoria
descriptiva un juego de dibujos en los que, con carácter ilustrativo
y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
- La figura 1 muestra una sección transversal de
un sensor mostrando las diversas capas de constitución.
- La figura 2 muestra una vista en planta de un
sensor con dos zonas sensibles de esfuerzos correspondientes a dos
pulsadores coma ejemplo.
- La figura 3 muestra una representación
esquematizada de una pista con múltiples zonas de
accionamiento.
- La figura 4 muestra una sección transversal de
un sensor de tipo matricial, mostrando las distintas capas entre
las que destacan las dos capas de pistas que configuran la
estructura matricial.
- La figura 5 muestra una vista en planta de las
dos capas de pistas desplazadas.
- La figura 6 muestra un esquema de un ejemplo
de circuito eléctrico del conversor de señal de una pista.
Como se puede observar en las figuras
referenciadas el sensor textil está configurado según una
estructura laminada que comprende:
- una capa de tejido base (1) constitutivo de
una de las superficies exteriores,
- opcionalmente un tratamiento superficial (2)
para uniformizar el tejido (1),
- una única capa conductora (3) de pistas
realizadas con fluidos conductores, conformando cada pista una zona
de esfuerzos o accionamiento (31) por deformación sobre la capa de
tejido (1) y opcionalmente del tratamiento superficial (2),
configurándose así una capa sensible eléctrica a los esfuerzos y
encontrándose estas pistas (3) depositadas sobre la capa de tejido
(1) y opcionalmente sobre el tratamiento superficial (2) como por
ejemplo mediante impresión digital,
- una capa de encapsulado y protección (4) sobre
la capa conductora (3), como por ejemplo polímeros del tipo
reactivable termoplástico aplicado en forma de lámina mediante
temperatura y presión porque presentan propiedades adhesivas,
- un conversor de señal (7) que convierte la
variación de resistencia de la pista configurada en la capa (3) por
la deformación y finalmente rotura obtenida con los esfuerzos
aplicados sobre la estructura laminada a una señal digital que se
puede enviar a un dispositivo o mecanismo (no representado) o
similar para su interpretación y disposición para el manejo de
algún otro dispositivo
- Opcionalmente una capa de tejido superior (5)
de cualquier técnica y composición y/o mezcla constitutiva del
segundo lado exterior,
- Opcionalmente una impresión (6) en una de las
caras exteriores de las láminas de tejido (1, 5), definiéndose en
dicha impresión (6) los iconos y grafías correspondientes con las
zonas sensibles (31) a esfuerzos, tal como se representa en la
figura 2.
La capa conductora (3) de pistas representadas
en la figura 2 presentan la zona de presión (31) conformada según
un zigzag denso o un diseño filiforme en un área reducida, siendo
utilizado en dicha pista un fluido conductor con partículas de
plata.
En la figura 3 se puede observar una pista de la
capa (3) la cual presenta varias zonas de esfuerzos (31) dispuestas
en serie para definir varios puntos de esfuerzos, preferentemente
de presión como botones o puntos de presión en el sensor
táctil.
En una alternativa de realización es posible la
realización del sensor según una estructura de sensor matricial con
varias zonas de zigzag, comprendiendo el sensor entre la capa de
encapsulado y protección (4) y la capa de tejido superior (5) una
segunda capa (3a) sensible de pistas conductoras y un tratamiento
superficial (2a), lo que habilita la configuración de dos capas
sensibles (3, 3a) de pistas superpuestas. Dichas pistas de las
capas (3, 3a) están representadas en la figura 5, en las que se
observan que una primera capa que está conformada por pistas (3) con
varias zonas de esfuerzo (31) dispuestas paralelas y una segunda
capa que está conformada por pistas transversales (3a), las cuales
también están constituidas de forma análoga, pero en dirección
transversal, estando las zonas de esfuerzo (31) de una capa
superpuestas a al menos una zona de presión (31a) de la otra capa
para configurar una coordenada.
En esta configuración las pistas de ambas capas
(3, 3a) están conectadas a un conversor de señal (no representado,
pero del tipo del representado en la figura 6) en este caso
multiplexado para la detección de la coordenada o pareja de zonas
de esfuerzo superpuestas en todas las pistas definidas.
El conversor (7) comprende principalmente un
comparador de tensión (71) que circula por la pista (3) y una
resistencia divisora de tensión (72) limitadora del umbral de
disparo, estando ambos sometidos a una tensión eléctrica
determinada, tomando como referencia la tensión de un potenciómetro
(73) o resistencia variable que establece la sensibilidad.
Una vez descrita suficientemente la naturaleza
de la invención, así como un ejemplo de realización preferente, se
hace constar a los efectos oportunos que los materiales, forma,
tamaño y disposición de los elementos descritos podrán ser
modificados, siempre y cuando ello no suponga una alteración de las
características esenciales de la invención que se reivindican a
continuación.
Claims (9)
1. Sensor textil de esfuerzos de presión y/o
tensión y/o torsión caracterizado por comprender:
- al menos una capa base de tejido (1) de
cualquier composición y/o mezcla de materias realizada por
cualquier técnica,
- una capa conductora (3) compuesta por unas
pistas de fluidos conductores impresas por cualquier técnica de
impresión, incluso por impresión digital, sobre la capa base de
tejido (1), siendo dichas pistas sensibles a esfuerzos por la
deformación y/o rotura que produce el esfuerzo en toda su entidad
y/o en zonas de esfuerzos (31) y por la recuperación elástica de
las mismas producida por los materiales de las capas
adyacentes,
- al menos una capa de encapsulado y protección
(4) dispuesta sobre las pistas conductoras y compuesta por
polímeros reactivables, con propiedades de aislamiento, protección
y adhesivas,
- una capa de tejido superior (5) de cualquier
técnica, composición y/o mezcla, dispuesta sobre la capa de
encapsulado y protección (4) y,
- al menos un conversor de señal (7) conectado
con las pistas de la capa conductora (3), directamente o mediante
conductores.
2. Sensor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque la capa base de tejido (1) comprende,
en la superficie que actúa como soporte de la capa conductora, un
tratamiento superficial (2), compuesto por un recubrimiento
polimérico con propiedades de aislamiento eléctrico y térmico, para
hacer más uniforme su superficie.
3. Sensor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende, en la cara exterior de
cualquiera de las dos capas de tejido (1, 5), una capa o impresión
(6) identificando las zonas de esfuerzos (31).
4. Sensor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque las pistas de la capa conductora (3)
presentan, en las zonas de esfuerzo (31), una configuración en
forma de zigzag, espiral o cualquier otra de gran longitud en una
superficie reducida.
5. Sensor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque el fluido conductor de las pistas de la
capa conductora (3) es un compuesto de partículas conductoras
metálicas, de carbono o de polímeros conductores.
6. Sensor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque las pistas de la capa conductora (3)
presentan varias zonas de esfuerzo (31) dispuestas en serie.
7. Sensor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque el conversor de señal (7) comprende al
menos un comparador (71) de resistencia y/o voltaje para provocar
una salida digital y/o biestable.
8. Sensor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende entre la capa de encapsulado
y protección (4) y la capa de tejido superior (5) una segunda capa
conductora sensible (3a) de pistas y una capa de tratamiento
superficial (2a) para la conformación de un sensor matricial con el
objetivo de integrar un conversor de señal más sencillo.
9. Sensor, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 o 7; caracterizado porque el conversor de
señal (7) es multiplexado para el tratamiento matricial de varias
capas conductoras de pistas (3, 3a) dispuestas en una o dos
capas.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20080401 Kind code of ref document: A1 |
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2294934B1 Country of ref document: ES |
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| FD2A | Announcement of lapse in spain |
Effective date: 20211122 |