JP2009527119A - 布地及び電子部品の構造体 - Google Patents

Abstract

ある構造体は、電子部品１０，１２を上に取り付けられた布地２８を有する。該布地２８は、経糸及び緯糸のファイバ３０，３２を有し、該経糸及び緯糸の各々が、導電性のファイバ３０と非導電性のファイバ３２との組合せを有する。前記電子部品１０，１２は、少なくとも１つの導電性のファイバ３０に接続される。好ましい実施例において、電子部品は、複数の線要素の端部１０と、対応する複数の線要素のグループ１２とを有し、線要素１２の各グループが、線要素の端部１０に接続される。

Description

本発明は、複数のファイバの布地と、該布地に取り付けられる複数の電子部品とを有する構造体に関する。該構造体の布地は、製織により製造され得る。本発明は、電子部品及び接続導電体のネットワークとしての前記構造体を動作させる方法にも関する。

織物は、日常生活に使用される。織物と電子部品とが一体化される場合、新たな応用分野が生じる。電子部品を衣服に統合させることは、ウェアラブルコンピューティングとして知られる分野でますます重要な領域となっている。被覆及び製織技術の進歩は、高い導電性を持ち、且つ従来の布地と同等に柔軟である丈夫な糸及び織物を、産業及び研究で製造することを可能にした。衣服が着られるとき、ユーザの温度のような生体特性を測定することが可能である衣服があり得る。このようなデータは、例えば人の生体統計値が監視される医療及び運動競技用途に使用され得る。

例えば国際特許出願公開ＷＯ０３／０９４７１９は、織られた電子織物、糸、及び物品を開示する。織られた物品は、経糸の複数の絶縁性及び／又は導電性の糸と、経糸の糸と織り合わされる、緯糸の複数の絶縁性及び／又は導電性の糸とを有する。経糸及び／又は緯糸の機能的な糸は、少なくとも１つの導電体及び少なくとも１つの電子装置を上に含む細長い基板を有し、前記導電体は、直接的及び／又は間接的に前記電子装置と接続するための電気的接触を提供する。

この文献に記載される技術に使用される方法論は、多くの不利な点を有する。例えば、電子装置は、物が作られる前に、布地に織り込まれる基板上にマウントされなければならない。これは、製織プロセスを乗り切るため、選択される装置が比較的小さく、且つ極めて強固でなければならないので、布地に使用する装置の選択を大幅に制限する。布地は、使用されるべき用途ごとに再設計されなければならないか、又は全ての用途のために多くの状況において冗長な部品を有しがちであろう汎用的な布地が作られなければならないであろう。これらの解決策のどれも高価である。結果となる布地は、最終的な物品への製造後に、装置を支持する基板における故障が、自身の機能を実行する物品の故障となるため、良好な耐故障性を持たないことも問題である。

米国特許ＵＳ６０８０６９０において、布地から作製される一体化されたセンシング装置及び衣服を備える織物の布地を示す、異なるシステムが開示されている。織物の布地は、複数の導電性ファイバ及び少なくとも１つの電子センサか、又は複数のセンシングファイバを含む。織物の布地は、衣類の機能性を向上させるように、機能的な衣類又は織られた織物の布地からなる他のアイテムに作製することを意図されている。

この文献において議論される布地は、着用者の環境状態及び／又は生体情報の監視において、着用者を支援することを意図される。複数の導電性ファイバ及びセンシング装置は、ポータブル電子監視装置、若しくは温熱及び冷却バンドのような一体化された部品、電子装置等に相互接続を形成すること、又は一体化された電子部品とリモート監視装置との間で受信及び送信される信号のためのアンテナとして役立つことを特徴とする。

この従来技術文献において開示される布地には、多くの弱点が存在する。布地は、ファイバ上に取り付けられたディスプレイのような電子部品を備える、（絶縁された）導電性ファイバ及び（絶縁されていない）センシングファイバの織り合わせからなる。これは製造するのに容易な布地である一方、取り付けられるいかなる部品も、このようなファイバに接続されるため、導電性ファイバの絶縁層を貫通しなければならず、このことは不必要に複雑化され、耐性の低い製造プロセスである。取り付けられる部品が、体温のようなデータを監視するセンシングファイバに直接接続するので、取り付けられた部品が他の部品と通信する方法がない。従来通り、最終的な衣服は耐故障性ではない。例えば、上に部品が取り付けられた導電性ファイバ上で故障が生じる場合、この部品は機能しないであろう。

衣類上に電子部品を取り付ける更なる方法は、Kristof Van Laerhoven，Nicolas Villar and Hans-Werner Gellersen of the Department of Computing of Lancaster Universityによる"A Layered Approach To Wearable Textile Networks"において開示される。この論文は、ウェアラブル部品間の通信を可能にするだけでなく、該部品に電力を供給することができる柔軟なネットワークの機能的なプロトタイプを紹介する。従来の経路の回路レイアウトとは対照的に、層状の織物の構成が使用され、その結果、柔軟な衣服ネットワークの概念への新たなアプローチとなる。

この論文に開示される衣類は、３つのラミネート層、外側導電層、及び内側導電層を、間に絶縁層を挟んで有する。部品は、ラミネートに対して留められる、異なる長さの２つのピンを備える。短いピンは、外側層と通信し、長いピンは内側層へと貫通する。このようなラミネート衣服は、多くの状況においてユーザにとって実用的ではなく、製織により製造することができないので、単純な製造プロセスをサポートしない。１又はそれより多くの部品が機能しない状況において、衣服による耐故障性を備えていない。

織物は、日常の消耗を被る。これは、織物に組み込まれたいかなる電子部品も、この劣化プロセスを被るであろうということを意味する。織物に組み込まれた電子システムを耐故障性にするため、システムは、追加の機能を持たなければならない。現代の織物のいくつかの特性は、低いコストで製造され、これらの製造が高いレートで稼動する連続的なプロセスであることである。

プリント基板、及びフォトリソグラフィ技術を使用した、他の従来の電子部品の担体は、平面金属層における任意のパターンに対処することができる。織られた布地は、設計においてこのような大きな自由度を許容しない。これらは、経糸及び緯糸の両方の方向における連続的な線をしばしば必要とする。

織物の既知の技術は、行及び列からなる織られたマトリクスを作製するため、経糸及び緯糸方向に導電性の糸を使用することである。ｎ行及びｍ列が使用される場合、ｎｍ要素がアドレス付けされ得る。しかしながら、このような織られたマトリクスを使用する場合、多くの欠点がある。

ｎ行及びｍ列のマトリクスに対して、マトリクスと、マトリクスの制御部／駆動部との間にｎ＋ｍの接続が必要とされる。これは、布地における表面積を必要とし、そうでなければより多くの要素に使用され得るか、全体の設計の表面積を低減することができたであろう。織物のマトリクスの用途は、サイズ及びレイアウトが、布地の設計時間で既定されるという事実により制限される。マトリクスにおいて使用される素子は、行及び列の交差点になければならない。マトリクス及び駆動部の間の接続は固定され、したがって織られたマトリクスは、ある用途及び次元を考慮して設計されるであろう。

この織られたマトリクスの不便さを例示すると、心拍数及び呼吸のようないくつかの身体機能を測定するため、シャツのような衣服が、該衣服に組み込まれるセンサを有し得る。このようなシャツを作るため、シャツのどこにセンサを置くべきかを知り、該シャツのためにマトリクスを設計しなければならない。異なるサイズの人にとって、このシャツは小さすぎるか、又は大きすぎることになり得る。したがって、他のマトリクス設計を必要とする他のシャツが必要とされる。言い換えると、織られたマトリクスは、測定するためにカットすることができない。更に、このような設計は、多くの冗長性を有し、製造するのに複雑である。

それゆえ、本発明の目的は、従来技術を改善することである。

本発明の第１の態様によると、布地と、該布地に取り付けられる電子部品とを有する構造体が設けられ、該布地は、経糸及び緯糸のファイバを有し、該経糸及び緯糸の各々は、導電性のファイバと非導電性のファイバとの組合せを有し、各電子部品が、少なくとも１つの導電性ファイバに接続される。

本発明の第２の態様によると、構造体が、布地と、該布地に取り付けられた電子部品とを有し、該布地が、経糸及び緯糸のファイバを有し、該経糸及び緯糸の各々は、導電性ファイバと非導電性ファイバとの組合せを有し、各電子部品が少なくとも１つの導電性ファイバに接続されている構造体を動作させる方法において、導電性ファイバを介して電子部品に給電するステップと、導電性ファイバを介して電子部品間で通信するステップとを有する方法が提供される。

本発明によると、システムにおける部品間の通信と、これらの部品への給電とを重ねることにより、システムの全配線を大きく低減する構造体を提供することが可能である。この結果、全体の設計の表面積を低減させることがあり得る。

上述の構造体の設計は、布地が切断された後で前記構造体が完成され得るので、前記布地が、測定するための切断に対処することを可能にする。構造的な部品の間の配線の量が少ないことは、織機の経糸及び緯糸の方向と合う、簡素な汎用の織物設計レイアウトを可能にする。

本発明は、システムの配線を簡素にしたまま、システムの素子が動作的である動作時間において検出することができるシステムのサポートもする。この簡素な配線方式のため、織機と互換性のある汎用的なレイアウトが作られ得る。

好ましくは、前記構造体は、導電性ファイバの対をつなぐ少なくとも１つの導電性ブリッジコンポーネントを更に有する。１又はそれより多くのブリッジを使用することにより、部品の比較的複雑な接続レイアウトが達成され得る。電子部品に対する基板として使用され得る布地の形状の可能性は、ブリッジコンポーネントの使用により大きく向上される。

有利なことに、電子部品は、複数の線要素の端部及び対応する線要素の複数のグループを有し、線要素の各グループは、線要素の端部に接続され、線要素の端部の各々が、隣接した線要素の端部に接続される。線要素の端部に接続される線要素のグループからなる論理セルへの部品のグループ化は、互いに独立しているが相互接続された機能ブロックの簡素且つ効率的な作製をサポートする。

理想的には、線要素のグループが、それぞれの線要素の端部と並列に接続され、線要素の端部の各々は、各線要素を問合せするように、直接接続されて構成される。部分的な電力の故障、したがって通信の故障が、ランタイムに検出され得る。このことは、布地及び部品の構造体で具現される電子システムに、機能を達成する代替の態様を探す可能性を与える。

好ましくは、前記構造体は、導電性ファイバの対に接続される電源を更に有し、該電源は、導電性ファイバの複数の独立した対に接続される。導電性ファイバを介して、電子部品のネットワークに電力を供給する複数の接続部の使用は、該構造体のフェイルセーフ性を更に改善する。

本発明の実施例は、単に例として、添付の図面を参照して記載されるであろう。

図は、電子部品を上に取り付けられて備える布地を有する、本発明の構造体の様々な態様を示す。図１は、電子部品の論理構成を示し、該部品は、線要素の端部１０及び対応するグループの線要素１２を有し、該線要素のグループの線要素１２の全てが、線１４により線要素の端部１０に接続される。

前記構造体は、要素が１よりも多くの線で接続されることを可能にする。線は、ある線にいくつの素子が接続されているかを決定するための検出及び通信の手段を有し、線の各要素は、依然として個々にアドレス付けされ得る。複数の線は、レイアウトが単一の線に制限されないようにともに接続され得る。

図１は、２つのタイプの要素１０及び１２をつなぐこのような線１４を示す。線１４の一端に線要素の端部１０がある。線１４自身において、いくつかの線要素１２が示される。線要素の端部１０は、線要素１２との通信が重ねられる線１４に電力を供給する。線要素の端部１０は、いくつの線要素１２が線１４上にあるかを決定することもできる。各線要素１２が識別される場合、マトリクスにおける要素に類似して、これらは、個々にアドレス付けされ得る。

線要素１２のより詳細な図は図２に示され、これは線要素１２のブロック図である。電力が線要素１２に供給される場合、電力検出器１６は、抵抗１８及び通信ユニット２０を線１４に接続するであろう。こうすることにより、線要素の端部１０にとって、いくつの線要素１２が線１４上にあるかわかる手段が設けられ、したがって、システムにおける電力の故障の部分的な検出を提供する。

機能ユニット２２は、特定の線要素１２の機能を決定する。例えば機能ユニット２２は、心拍数又は呼吸を測定するために使用され得る。ユニット２２は、単一の専用の機能を有するか、又は線要素の端部１０により再構成可能であり得る。各線要素１２にユニークな識別部２４を付与することにより、線要素１２の各々は、個々にアドレス付けされ得る。

１よりも多くの線１４が設けられる状況において、線要素の端部１０は、接続される線要素１２と通信することができるのと同様に、線要素の端部１０は、他の線要素の端部１０とも通信することができる。線要素の端部１０は、異なる線が区別されることを可能にするユニークなidも有するであろう。

図３は、線要素の端部１０を通じて互いに接続される複数の線１４を有するシステムを示す。この設計における電子部品は、複数の線要素の端部１０及び対応する線要素１２の複数のグループを有し、線要素１２の各グループは、線要素の端部１０に接続される。各線要素の端部１０は、隣接する線要素の端部１０に接続される。線要素１２のグループは、これらのそれぞれの線要素の端部１０と並列に接続される。

図３において、２つの断層線２６は、システムにおける障害を示す。全ての線において線におけるインピーダンスが変化するので、これらの障害は、検出され得、ある線要素の端部１０は、他の線要素の端部１０により開始される通信にはこれ以上応答しないであろう。各線要素の端部１０は、直接接続される各線要素１２を問合せるように構成される。この問合せは、どの線要素１２が依然として機能するかを確かめるため、周期的に実行され得、線要素１２の制御は、したがって適合され得る。

このように、故障の検出は、同じ機能が残りの要素１０及び１２で実現され得るかどうかを、システムが試す機会を提供する。例えば身体における最適ではない位置で心拍数を測定することも、いくつかの状況では十分であり得る。線要素１０の上端への電力供給における故障は、電力の冗長な接続が付加されていなければ、システムにとって致命的であろう。

図４は、布地に適した一般的なレイアウトを示す。この図において、布地２８は、経糸及び緯糸のファイバ３０を有し、経糸及び緯糸の各々は、導電性ファイバと非導電性ファイバとの組合せを有する。この図において、明確にするため、導電性ファイバ３０のみが示されている。上述の電子部品１０及び１２の配線は、非常に簡素に維持され得る。このため、織物の互換性及び汎用的なレイアウトは、システムの非常に広い範囲に対してなされ得る。このレイアウトは、経糸及び緯糸の方向における全ての導電性の糸を有する。布地２８は、従来の製織により製造されるか、刺繍、かぎ針編み、編み物、及び印刷技術のような技術により、布地の基板上に導電性ポリマ又は金属を被着させることにより製造され得る。

これを明確にするため、図５は、布地２８に取り付けられる線要素１０の一端の上面図と、該線要素の端部１０を有する布地２８の２つの断面図とを示す。各電子部品１０又は１２は、少なくとも１つの導電性ファイバ３０に接続される。図５において、線要素の端部１０は、十字形からなり、経糸及び緯糸の両方の方向に導電性ファイバ３０に接続される。

図５の断面図は、布地２８の２つの代替の構成を示す。２つの構成は、経糸に使用される非導電性ファイバ３２の数により異なる。非導電性ファイバ３２は、絶縁されていない導電性ファイバ３０を分離したままにするために使用される。こうすることは、構造体における短絡を回避する。ファイバ３２の各々は、簡素なプラスチック、例えばポリエステルのような一様な材料か、又はコットンのような天然の材料からなる。導電性材料３０は、絶縁性の被覆を有しておらず、適切な金属ファイバか、又は金属合金ファイバ、例えば銀被覆を有するスチールファイバを有し得る。

ファイバ２８に使用される非導電性ファイバ３２の実際の数は、設計選択の問題であり、ファイバ３０及び３２に使用される材料に依存するとともに、布地２８が最終的に使用されるであろう衣服又は衣類に依存する。織られた構造体において２つの層のみを使用する場合、浮遊が現れるであろう。３又はそれより多くの層を有する、織られた構造体にとって、浮遊は避けられ得る。図４のレイアウトは、２又は３層に制限されず、より多くが使用され得る。概して浮遊は、布地にとって望ましくない。これらは、鋭い物体に引っ掛けられる高いリスクを有する。浮遊を有することは、電子接続が時間に渡って損傷を受ける機会を増加させるので、特に電子織物の導電性の線では、浮遊を避けることが一般に好ましい。

線要素の端部１０、及び線要素１２のグループに加えて、構造体に使用される部品は、導電性ファイバ３０の対をつなぐために使用される、少なくとも１つの導電性ブリッジコンポーネントも含み得る。接続されるこれらのファイバは、すぐそばにあり得るか、又は布地２８の大部分で隔てられ得る。ブリッジコンポーネントは、使用され得る布地２８の形状の可能性を向上させるために使用される。こうすることは、最終的な用途により所望されるように成形され得る布地２８の性質に合う切断をサポートし、電子部品は布地２８の切断にしたがって加えられる。

図４の布地のレイアウト、並びに３つの部品タイプ、線要素の端部１０、線要素１２、及びブリッジを使用すると、非常に様々なシステムが任意の形状で作られ得る。図６は、生成され得るこのような形状の例を示す。図６の布地は、図４に示されるものと同じである。図において、ある形状が、布地２８から切り出される。これは、黒い点線３４により示される。

布地２８から切り出される形状において、ある電子システムは、線要素の端部１０、線要素１２、及びブリッジ３６を特定の態様で布地２８に接続することにより構成される。構造体を製造する方法は、特定の用途にとってどれがより便利であるかに依存して、線要素の端部１０、線要素１２、及びブリッジ３６が、布地２８の切断の前又は後に、布地に加えられる。

上述のように、線要素の端部１０及び線要素１２は、図６において示される設計における３つの異なる位置において使用されるブリッジ３６の新たな要素とともにある。ブリッジ３６は、いくつかの行又は列を一緒につなぐ部品である。この最も単純な形態において、ブリッジコンポーネントは、導電性ファイバ３０の対と結合するが、実際には、大抵の用途において、複数のファイバ３０が結合されるであろう。

例えば図６における（ｑとラベル付けされた）ブリッジは、「列」ファイバＣ０をファイバＣ２につなぐとともに、ファイバＣ１をファイバＣ３につなぐ。類似したブリッジｒは「行」ファイバＲ５をファイバＲ３につなぐとともに、ファイバＲ４をＲ２につなぐ。行及び列のファイバ間のピッチが同じである場合、１つのブリッジタイプのみが必要とされ、行又は列のどちらかが結合される。

切断される場合、図６に示される構造体は、電子部品に電力を供給するための導電性ファイバ３０の対に接続される電源を更に有するであろう。電源は、設計のロバストネスを向上させるため、導電性ファイバ３０の複数の独立した対に接続されるであろう。

図７は、図６に示されるシステムと電気的に等価のものを示す。布地が切断された後、電源３８をシステムに接続するためにいくつかの異なる可能性がある。これらの可能性は、図６及び７において、文字Ａ，Ｂ及びＣにより布地の縁に示される。理論上、点Ａ，Ｂ，又はＣの１つのみが、システムを動作させるために電源３８に接続されることを必要とする。しかしながら、織物が損傷の影響を受けやすい場合、可能であれば、システムの耐故障性を改善するため、全ての接続部を使用することが望ましい。

上述の構造体の応用分野は、ウェアラブル及び織物電子部品である。記載される構造体は、布地を測定するために切ることが重要である状況において特に役立つ。構造体は、電力及び部品の故障を部分的に検出し、汎用の織物設計レイアウトを有する、電子織物の測定のために切断することをサポートする。

図１は、線要素の端部と、関連付けられたグループの線要素とを有する複数の電子部品の概略図である。 図２は、図１の線要素の内部部品の概略図である。 図３は、複数の線要素の端部及びこれらの関連付けられたグループの線要素を示す、図１に類似した図である。 図４は、経糸及び緯糸のファイバを有する布地の概略図である。 図５は、線要素の端を上に取り付けられて備える図４の布地の一部の概略的な上面図及び２つの断面図である。 図６は、電子部品を上に取り付けられて備える布地を有する構造体の概略図である。 図７は、図６の電子部品の論理構成を示す概略図である。

Claims (14)

1. 布地と該布地に取り付けられた電子部品とを有する構造体であって、前記布地は、経糸及び緯糸のファイバを有し、前記経糸及び緯糸の各々は、導電性ファイバと非導電性ファイバとの組合せを有し、前記電子部品の各々が、少なくとも１つの前記導電性ファイバに接続される、構造体。
2. 対の導電性ファイバをつなぐ少なくとも１つの導電性ブリッジコンポーネントを更に有する、請求項１に記載の構造体。
3. 前記電子部品が、複数の線要素の端部と、対応する線要素の複数のグループとを有し、前記線要素のグループの各々が前記線要素の端部に接続される、請求項１又は２に記載の構造体。
4. 前記線要素の端部の各々が、隣接した線要素の端部に接続される、請求項３に記載の構造体。
5. 前記線要素のグループが、それぞれの前記線要素の端部とに並列に接続される、請求項３又は４に記載の構造体。
6. 前記線要素の端部の各々が、直接接続される線要素に問合せるように構成される、請求項３，４、又は５に記載の構造体。
7. １対の導電性ファイバに接続される電源を更に有する、請求項１乃至６の何れか一項に記載の構造体。
8. 前記電源が、複数の互いに独立した対の導電性ファイバに接続される、請求項７に記載の構造体。
9. 構造体が、布地と該布地に取り付けられた電子部品とを有し、該布地が経糸及び緯糸のファイバを有し、該経糸及び緯糸の各々は、導電性ファイバと非導電性ファイバとの組合せを有し、各電子部品が少なくとも１つの導電性ファイバに接続されている構造体を動作させる方法において、前記導電性ファイバを介して前記電子部品に給電するステップと、前記導電性ファイバを介して前記電子部品間の通信をするステップとを有する方法。
10. 前記構造体が、１対の導電性ファイバをつなぐ少なくとも１つの導電性ブリッジコンポーネントを更に有する、請求項９に記載の方法。
11. 前記電子部品が、複数の線要素の端部と、対応する線要素の複数のグループとを有し、前記線要素の各グループは、前記線要素の端部に接続されている、請求項９又は１０に記載の方法。
12. 前記線要素の端部の各々は、隣接した線要素の端部に接続されている、請求項１１に記載の方法。
13. 前記線要素のグループが、それぞれの前記線要素の端部とに並列に接続されている、請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 直接接続される前記線要素の端部の各々から、各線要素に問合せるステップを更に有する、請求項１１，１２、又は１３に記載の方法。

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