TW202030388A - 機能性編織複合紗 - Google Patents

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小詹姆斯 Ｂ 歐文斯
贊恩 Ａ 路易斯
派翠克 Ｍ 韋恩
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美商諾提勒斯防衛有限責任公司
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Abstract

包括一個或多個機能組件如導體及一個或多個結構組件如對位芳族聚醯胺纖維之編織複合紗及其製造方法。至少一個機能組件及至少一個結構組件之束在編織之前在張力下同時平行捲繞至單個線軸上，由此減小最終紗中機能組件上之機械負載力。該等紗可以經工程化成具有應用特定的電氣、電子、電磁或物理性質，使其能夠用作電子組件或感測器，且該等紗附接至或結合至活性紡織品及複合材料基板中。可以直接焊接該等紗，而無需事先移除絕緣體或其他紗組件。一些紗，諸如用作電感器之彼等紗，可以包括具有所期望的電氣性質之芯。

Description

機能性編織複合紗
相關申請案之交叉引用
本申請案主張2018年12月17日申請之美國臨時專利申請案第62/780,687之優先權及權益，該申請案以全文引用的方式併入。 發明領域
本發明大體上關於編織複合紗或線，包括導電紗或線，其例如可用於建構紡織品積體電子系統(textile-integrated electronic system，TIES)。本發明之編織複合紗及線能夠將傳統的電氣及電子元件積體至紡織品中。其與縫紉、刺繡、定製的纖維放置及機織相容，並且符合或超出傳統及技術紡織品以及紡織品系統之操作要求。
發明背景
注意，以下論述可能提及許多出版物及參考文獻。本文中對此類出版物之論述係為了更全面地瞭解科學原理，並且不應解釋為承認此類出版物係可專利性確定目的之先前技術。
發明概要
本發明之一實施例係一種編織複合紗，其包含一根或多根多組件纖維束，一根或多根多組件纖維束各自包含一個或多個機能組件及至少一個結構組件。該一個或多個機能組件中之至少一個較佳地包含導體，並且該導體較佳地經絕緣。該導體較佳地包含經層狀聚胺基甲酸酯及/或聚醯胺絕緣體絕緣之44AWG銅線。該導體任擇地包含具有足夠高的電阻率及足夠低的電阻溫度係數之材料，以適合於電阻式焦耳加熱。該一個或多個機能組件中之至少一個較佳包含選自由以下組成之群的材料：塑膠、玻璃、光纖材料、鎳鈦合金、鎳鉻合金、擠出型導電聚合物、導電紗及壓電紗。該材料任擇地包含添加劑、塗層或鍍層，以改變其電氣、機械、光學、表面、視覺或其他性質。該至少一個結構組件較佳包含選自由以下組成之群的材料：合成、天然、黏合的對位芳族聚醯胺、間位芳族聚醯胺、二氧化矽、石英、耐綸(nylon)、聚酯、棉及羊毛。該至少一個結構組件之直徑較佳地係該一個或多個機能組件之直徑的至少約二倍。該至少一個結構組件之最大斷裂伸長率較佳地比該一個或多個機能組件之彈性極限小，較佳約小於10%。當該編織複合紗在張力下時，該至少一個結構組件較佳地變平。該一根或多根多組件纖維束任擇地與另外的結構組件編織在一起。該一個或多個機能組件較佳在該編織複合紗之表面處可接近。該編織複合紗任擇地經組配以形成一個或多個電子或電磁裝置之至少一部分，並且每個裝置較佳地選自由以下組成之群：電感器、電容器、天線、可摺疊天線結構、傳輸線、互連積體電路(inter-integrated circuit，I2 C)網路、資料網路，串列資料匯流排、乙太網網路、電力網路、主動加熱元件、電力線、電磁體、抗流器、變壓器、感測器、電容式觸摸感測器、應變感測器、分佈式感測器網路、感測器陣列及濾波器。該一根或多根多組件纖維束中之一者的該一個或多個機能組件任擇地包含二根導體，該二根導體形成雙絞傳輸線。該編織複合紗任擇地包含芯，該芯較佳地具有一種或多種選自由以下組成之群的性質：固態、中空、導電、介電、絕緣、鐵磁、超彈性、形狀記憶及對位芳族聚醯胺。該芯較佳地限制該編織複合紗在張力下之變形。
本發明之另一實施例係一種使用如請求項1之編織複合紗之方法，該方法包含將該編織複合紗結合至活性紡織品中。該方法任擇地包含將該編織複合紗縫紉至該活性紡織品上。該縫紉步驟較佳地包含使用面線(top thread)之直縫線跡(straight sewn stitch)將該紗附接至該活性紡織品上，該面線較佳地包含紡絲或多絲線，較佳地係間位芳族聚醯胺線。線跡較佳係週期性的，從而形成紗之機械隔離的子域。相鄰的線跡較佳地間隔約1 mm至2 mm。編織複合紗較佳地裝載在縫紉或刺繡機之線軸中。該方法可替代地包含將紗機織至活性紡織品之經紗或緯紗中。該方法任擇地包含將該編織複合紗直接焊接至附接於活性紡織品上之電子組件或印刷電路板通孔，在此情況下，較佳地利用來自焊接裝置之熱量，自一個或多個機能組件中之至少一者中移除絕緣體，而不需要在焊接之前剝離絕緣體。該至少一個結構組件較佳地具有比焊接溫度高之分解溫度。該方法較佳地包含使用環氧灌封化合物將電子組件直接封裝至活性紡織品上，並且較佳地包含使用電腦輔助設計(computer aided design，CAD)來對編織複合紗進行佈線，由此，結合步驟包含CNC刺繡、定製的纖維放置或使用CNC機。
本發明申請專利範圍之另一實施例係一種製造編織複合紗之方法，該方法包含將一個或多個機能組件及至少一個結構組件平行地捲繞以形成第一多組件纖維束；以及將該第一多組件纖維束與第二多組件纖維束及/或結構組件編織在一起。捲繞步驟較佳地包含將該多組件纖維束捲繞至單個編織機線軸上。捲繞步驟較佳在張力下進行。編織步驟任擇地包含以平衡的半承架組配形式將包含該第一多組件纖維束之第一編織機線軸及包含第二多組件纖維束或結構組件之第二編織機線軸裝載至編織機中。編織步驟較佳地包含使用選自由以下組成之群的編織機：旋轉、花邊、方形、徑向、雙軸、三軸、二維及三維。編織步驟任擇地包含將芯結合至編織複合紗中。編織步驟較佳地包含相對於編織機線軸承架之旋轉速率選擇編織機之捲取速率，並使用一個或多個引導環。
本發明之目的、優點及新穎特徵以及適用性之進一步範圍將部分地在下面的詳細描述中結合附圖進行闡述，並且部分地將在熟習此項技術者對下文的考察後變得顯而易見，或者可以藉由實施本發明而習得。本發明之目的及優點可以藉助於在所附申請專利範圍中具體指出的手段及組合來實現及獲得。
較佳實施例之詳細說明
本發明之一個或多個實施例較佳地係編織複合紗及線以及其製造方法，包括將一根或多根導體及一根或多根結構性紗同時平行地捲繞至一個或多個線軸上，並將線軸裝載至編織機中，從而產生帶有機械緊固導體之無芯線結構。本發明之一些實施例之優點係：由於紗或線中導體之體積含量高，故不需要直接操縱個別導體，此使得能夠直接焊接並形成機械及電氣上完好的焊接點；可以藉由在焊接過程中施加熱量來實現導體之絕緣體的局部移除，從而可以建構具有完全封裝之佈線的紡織品積體電子系統；與帶有通孔附件的可撓性及剛性PCB均相容；在高速製造操作期間及在使用期間的機械及電氣可靠性高；以及與包括雙絞傳輸線、空氣及鐵磁芯電感器、電容器及天線在內的積體電磁結構相容。
如整個說明書及申請專利範圍中所使用，術語「紗」意謂紗或線。如整個說明書及申請專利範圍中所使用，提及紗之組件纖維之術語「結構」意謂承重並提供機械結構及穩定性。如整個說明書及申請專利範圍中所使用，提及紗之組件纖維之術語「機能性」意謂提供電氣、電子、光學、電磁、感測、加熱、致動、化學或物理機能及其類似機能。如整個說明書及申請專利範圍中所使用，術語「複合」意謂包含結構組件及機能組件兩者。如整個說明書及申請專利範圍中所使用，術語「多組件纖維束」意謂在編織之前在線軸上平行地共捲繞在一起的一個或多個機能組件及至少一個結構組件。如整個說明書及申請專利範圍中所使用，術語「活性紡織品」意謂電活性紡織品、電機能紡織品、電子紡織品、智能紡織品、紡織品積體電子系統(TIES)、軟系統、機能化軟系統、複合系統、結構-積體系統、智能紡織品、服裝及其類似物。
本發明之編織複合紗允許在紡織品之表面區域上選擇性地定位及互連電子裝置，從而能夠開發機能化的軟複合系統，例如智能紡織品、具有積體結構健康監測之複合材料、或其他將傳統的電氣，電子及電磁能力直接積體至傳統上僅用於機械目的之材料之結構中的裝置，適用於關鍵任務操作(mission-critical operation)。藉由將增加電子能力所引起之紡織品積體成本及相關的能力降低因素減至最少，編織複合紗可以允許探索及開發各種分佈式軟結構積體系統。由此等編織複合紗實現的有前途的能力包括分佈式感測器網路、可摺疊天線結構、結構積體的資料及電力網路，結構積體的主動加熱以及大面積保形感測器陣列。
本發明之編織複合紗較佳地經工程化以在紡織品及電子系統的不同需求之間取得平衡，而不會不利地影響該系統之紡織品或電氣效能特徵。其較佳與傳統的紡織品及電子製造方法及機械相容，從而使其能夠大規模應用。
如圖1A所示，如下製造本發明之多組件纖維束之實施例。將機能組件，例如絕緣銅線(較佳為44AWG)捲繞在線軸120 、160 上。中心線軸140 捲繞有結構組件，例如黏合Tex 21對位芳族聚醯胺(Kevlar®)紗。較佳將來自線軸120 、160 之機能組件及來自線軸140 之結構組件同時平行地共捲繞在單個編織機線軸180 上，較佳地使用平行捲繞機進行捲繞，以形成連續多組件纖維束130 ，如圖1B中編織機線軸180 之特寫所示。平行共捲繞較佳地在張力下進行，並且多組件纖維束130 在編織機線軸180 上保持張緊，使得多組件纖維束中之機能組件在後續製造步驟中不與結構組件分離。在圖1A-1B中所示之實施例中，多組件纖維束130 包含二個機能組件170 及一個結構組件150 。然而，多組件纖維束可以包含任何數目之機能組件及任何數目之結構組件。多根分立導體可提供冗餘，以提高系統可靠性並增加載流能力。在編織過程之前，將導體及對位芳族聚醯胺紗同時平行捲繞以形成多組件纖維束，可減少在製造期間及在製造之後導體所承受的絞接及所產生的應力。
如圖2所示，在一個實施例中，以類似的方式製備四個編織機線軸210 、220 、230 、240 ，之後，較佳將其以平衡的半承架組配形式裝載至五月柱型(maypole)編織機中，使得線軸210 、220 順時針行進，而線軸230 、240 逆時針行進，呈蛇形運動形式。編織機接著形成螺旋纏結的紗結構，該結構具有機械緊固的機能組件並且具有最小撚度及較小編織角，較佳地不使用芯或心軸。可以使用任何數目之此類編織機線軸，並且編織機線軸可以包含相同或不同的多組件纖維束。可以根據需要任擇地將僅包含結構材料之一個或多個其他任擇的線軸額外裝載在編織機上，以編織具有所期望的線徑及結構之紗。儘管此組配產生雙軸或二維(2D)編織品，但是本發明之實施例可以在三軸或三維(3D)編織機上製造。
所得到的編織複合紗藉由限制其在紗結構中之運動範圍，從而為嵌入的機能組件提供了固有應力釋放。此等紗之編織運動學使得其在處於張力下時直徑減小，從而施加垂直於多組件纖維束之縱軸之壓縮力。此有助於將結構組件用作主要的承重組件，從而保護機能組件免受非所期望的負載及損壞。機能材料較佳地保持緊固在結構構件上，從而實現穩定的結構，該結構在紡織品製造過程及使用中在機械上係一致的。可以改變結構組件與機能組件之比率，以根據預期應用之需要調整紗之機械或電氣特徵。
結構組件之選擇亦有助於本發明之編織複合紗中所含的機能材料之機械保護，該等結構組件較佳為所結合的機能組件之直徑的至少二倍。此有助於保護機能組件免受可能導致斷裂之磨損及彎曲半徑的影響。破損之前結構組件之最大伸長率較佳小於機能組件之彈性極限，由此確保編織複合紗不會由於機能組件之變形或疲勞以及隨後的劣化而破損。因此，結構組件用作紗之主要承重組件，可保護導體或其他機能組件免受非所期望的壓力及損壞。此特徵與編織結構之運動學相結合，可確保在編織複合紗處於張力下時機能材料不會發生塑性變形或破損。此等特徵較佳地實現了穩定的結構，該穩定的結構在包括縫紉、刺繡及機織之紡織品製造過程中以及在操作使用期間在機械上係一致的。
在可能的情況下，黏合紗或由多根連續長絲建構之紗較佳用作本發明之複合編織紗的結構組件。然而，結構組件可以包含獲得用於感興趣的應用之所期望的機械性質所需的任何材料。此等材料中之許多材料，諸如對位芳族聚醯胺，由於其分子結晶度及結構連續性而具有小於10%之斷裂伸長率。施加至結構組件內之絞接連續長絲表面上之黏合劑可確保結構組件在製造期間保持均勻的幾何形狀。此在編織複合紗處於張力下時不會顯著限制材料變平或以其他方式變形之能力，此有助於結構組件限制機能組件移動而不給機能組件施加應力之能力。機能材料沿著結構材料之長度平行積體在每根多組件纖維束中，亦有助於獲得此效果。
本發明之編織複合紗較佳地係無芯的以減小其直徑，從而實現了現有導電紗無法解決的應用。另外，與其中導體位於芯處之現有紗不同，本發明之編織複合紗能夠直接接近機能材料，例如導體，以在紗之外部相互連接。
經由選擇本發明之編織複合紗之機能及結構材料並改變材料之含量比，可以將本發明之編織複合紗工程化以用於各種應用。例如，本發明之一些實施例經工程化以用於資料及電力之傳輸及接收，從而能夠建構紡織品積體電氣系統。對於此應用，紗較佳包含具有層狀聚胺基甲酸酯及聚醯胺絕緣體之分立的44AWG銅、銅合金或鍍銅導體，以及黏合Tex 21對位芳族聚醯胺紗。除了紡織品積體資料及電力網路之外，藉由利用其他機能材料及結構，諸如經工程化以表現出低電阻溫度係數(諸如鎳鉻合金(Nichrome))或超彈性(諸如鎳鈦諾(Nitinol))之合金，紗亦可用於諸如加熱、致動及感測之應用。可以選擇不同的結構材料以獲得欲製造之紗的所期望的機械特徵。
本發明之編織複合紗較佳地用作連續紗，並且可以在建構期間選擇性地直接積體至機織紡織品之經紗或緯紗中。此等機能化的機織紡織品可用於服裝、硬質複合材料、可撓性複合材料或任何其他結合機織紡織品且其中附加電氣、電子或電磁能力可帶來價值之系統。類似地，可以將編織複合紗作為較大的編織結構之成員併入，以用於可撓性及剛性複合材料的結構。
藉由在編織品中選擇性地結合機能材料纖維加工路徑，可以將編織複合紗設計成具有積體電磁及電子結構。經由改變所結合的芯材(若使用的話)之直徑，結構組件之直徑及數量，相對於承架之旋轉速率的編織機之捲取速率，導環之使用、數量、直徑及位置，以及編織多組件纖維束交織之角度，可以改變此等纖維路徑之幾何形狀。接著可以選擇機能材料之數量及類型，以創建具有工程化之電磁及電子結構的編織複合紗，包括電感器、電容器、天線及傳輸線。本發明之編織複合紗亦可以並聯電連接，從而利用紡織品之表面區域進一步分佈並增加積體紡織品電路之載流能力。
可以使用電腦輔助設計(CAD)來設計編織複合紗在紡織品上形成例如積體紡織品資料及電力網路所採用的佈線以及其上的互連位置。接著，較佳將此等設計輸入至數位化軟體中，在該軟體中為每個佈線組配適當的線跡及順序，並將其轉換為CNC刺繡、定製的纖維放置或CNC機器所使用的文件格式。較佳地，僅採用傳統的直線線跡來形成此等佈線，從而使市售的大幅面CNC縫紉及絎縫機能夠用於其建構。另外，本發明之編織複合紗較佳僅使用傳統的直縫線跡來固定，而無需形成任何三維線跡。所採用的縫紉線跡結構亦較佳地藉由沿著積體編織複合紗之長度形成機械子域來輔助機械線跡之間的隔離。當將編織複合紗結合至機織紡織品中時，亦觀察到此類益處。
焊接係形成可靠的永久性機電互連之較佳方法。可以使用傳統的及應用特定的互連方法將本發明之編織複合紗直接焊接至電子組件上。較佳地，此係由於紗之導體含量、諸如對位芳族聚醯胺之結構材料的高分解溫度以及可藉由施加熱量來移除的導體之聚合絕緣體來實現的，從而消除了對進行二次機械或化學剝離製程來接近導體之需求。編織複合紗之結構亦使得能夠在其外部接近導體以實現可靠的互連，且使導體與欲焊接至之電子組件之間的間隙距離較小，此與在其芯或需要移除的層下方處結合導體之典型的可焊接導電紗不同。典型焊料之高潤濕能力及低表面張力使其能夠流動並與編織複合紗中所結合之導體共形。
編織複合紗可直接焊接至傳統的PCB通孔上，以形成具有積體機械應力消除之焊接點。儘管可以使用許多不同的方法來進行此類焊接，但是在一個實施例中，經由縫合或其他機械手段在所期望的連接位置處形成編織複合紗之環。此環經由欲連接紗之孔插入PCB中。將一塊可焊接的材料，諸如鍍錫銅線或銅編織線穿過環，且較佳綁在環上，以幫助熱傳遞至編織複合紗中所含之所有導體上。較佳自環中移除任何剩餘的鬆弛以限制其運動。接著將欲互連之材料加熱至焊料熔點，典型地為376℃。焊料在接點處流動，以形成局部焊料浴，較佳與互連位置處存在之所有導體接觸。最終，移除熱源，且使接點在受到移動之前冷卻並固化。
用於設計及生產使用本發明之編織複合紗的系統之方法允許在TIES紡織品的表面區域上選擇性地定位及互連電子裝置，從而能夠開發適用於任務操作之機能化軟系統。藉由將增加電子能力所引起之紡織品積體成本及相關的能力降低因素減至最少，此等方法可以允許探索及開發各種分佈式軟系統，諸如服裝及結構積體分佈式感測器網路、生理監測系統、致動器網路、可摺疊天線結構、資料及電力網路、主動加熱以及廣域共形感測器陣列。較佳地，所有紗及線均係使用國內製造的材料建構的，並且較佳地完全符合貝瑞合規(Berry compliant)。
本發明之編織複合紗能夠使用最小程度地影響紡織品基板之操作效能及可維護性之方法及材料將傳統的電氣、電子及電磁元件積體至紡織品中；可用於紡織品積體配電網路中；可形成直接焊接至傳統電子組件的互連，而無需機械劣化或二次加工；可用作紡織品積體互連積體電路(I2 C)、SPI及USB2.0(或更高版本)串列資料匯流排及乙太網網路，用於裝置至裝置的通訊(已使用單線在長達50'的情況下進行了演示)；可以用於基於紡織品之電容式觸摸輸入；可以形成用於無線電力及資料傳送之紡織品積體天線結構；可以提供基於線程的電容及應變感測；可以形成紡織品積體加熱網路；能夠使用接縫、膠帶及層壓技術實現紗之屏蔽及隱藏；與剛性組件之紡織品黏著的局部封裝相容；能夠將傳統電子組件分佈式、可擴展地積體至可撓性紡織品系統中；並且較佳經工程化以用於傳統紡織品及電子產品製造及積體方法。
本發明之系統較佳具有以下優點中之一個或多個：由於導體之體積含量允許直接焊接，因此無需直接操縱個別導體(請注意，若使用單線作為傳輸線，則導體較佳成對分組並端接)；由於結構組件提供之應力消除及紗之高導體含量，焊接點在機械及電氣方面均完好；經由在焊接過程中施加熱量可以局部移除導體之絕緣體，從而實現完全密封的佈線；與帶有通孔附件之可撓性及剛性PCB相容；經由編織結構、結構材料之低伸長率以及機能材料與結構材料之直徑之間的關係，可將導體機械負載降至最低；以及能夠製造包括雙絞傳輸線、空氣及鐵磁芯電感器、電容器(可能結合細PTFE絕緣線之雙絞芯，類似於「絞合(gimmick)」電容器)及天線在內之工程化電磁結構。
TIES可用於構建可快速部署的機能結構、分佈式共形感測器網路以及機能化複合材料。使用定製的卷輪式CNC縫紉機，此等系統可以連續長度建構以用於各種應用。除了傳統上使用紡織品之地方以外，TIES亦可為需要機械強度、耐用性及持久可撓性的系統增加新穎的能力，亦即包裝成小體積之能力以及快速且反覆改變幾何形狀及體積之能力。 實例 實例1
如圖3A及3B所示，本發明之編織複合紗300 係由三根多組件纖維束310 、340 、370 編織而成的，每根束分別包含經層狀聚胺基甲酸酯及聚醯胺絕緣體絕緣之二根44AWG銅導體330 、360 、390 作為機能組件，並且分別包含一根Tex 21黏合Kevlar®紗320 、350 、380 作為結構組件。 實例2
如圖4A及4B所示，本發明之編織複合紗400 係由四根多組件纖維束410 、430 、450 、470 編織而成的，每根束分別包含經層狀聚胺基甲酸酯及聚醯胺絕緣體絕緣之二根44AWG銅導體420 、440 、460 、480 作為機能組件，並且分別包含一根Tex 21黏合Kevlar®紗415 、435 、455 、475 作為結構組件。此組配形成二對多導體雙絞線，其可用於差動發訊應用(諸如RS422及乙太網)，或者可替代地在單根編織複合紗中形成電力及信號對。此組配能夠使用單根紗在50呎上傳輸10 mbps以及在6呎上傳輸100 mpbs。 實例3
圖5示出了使用CNC刺繡機施加至TIES原型的1000丹尼爾(denier)耐綸Cordura®機織紡織品上之實例2之直線跡編織複合紗的佈線。Tex 27紡絲Nomex®間位芳族聚醯胺線由於其機械結構及效能而被用作面線。紡絲結構使得線能夠在緊固複合編織品時變平，從而在比黏合或單絲線更廣的表面區域上分佈張力，由此避免了複合編織品中導體上的過度應力。編織複合紗僅裝載在刺繡機之線軸機構中，該線軸機構形成一系列與面線交織的環，以確保紗在製造過程中受到的應變最小。儘管面線典型地在針反轉方向時經歷壓縮期，但線軸上之編織複合紗始終處於張力下，由此確保形成可靠的線跡，而不會對編織複合紗之機能組件造成任何非所期望的變形。編織複合紗用於在二個PCB630 、640 之間形成DC電力線610 及互連積體電路資料網路620 。紗亦用作電容式觸摸感測器650 ，並驅動振動馬達660 、揚聲器670 及LED680 。當PCB640 連接至外部5VDC電源時，電池690 亦使用電力線610 充電。在左側二個電容式觸摸感測器650 的觸摸持續時間內，每個電容式觸摸感測器之啟動分別操作該感測器上方的輸出設備及振動馬達660 及揚聲器670 。LED680 下面最右邊的電容式觸摸感測器650 的啟動經由依次啟動一個、二個、三個及零個LED680 來循環。將所有電子組件直接焊接至編織複合紗上。圖6示出了使用Tex 27紡絲Nomex®線縫紉至TIES原型之紡織品基板上之編織複合紗的細節。 實例4
裸露的電子組件及導體之環境及物理保護對於系統的可靠部署至關重要。此可以使用諸如環氧灌封化合物之保形密封劑來達成。亦可以開發環境硬化的外殼，在此類情況下，接近底層電子裝置對於任務操作至關重要。圖7繪示出使用環氧灌封化合物直接封裝至紡織品基板上之PCB。 實例5
如圖8所示，建構機織紡織品，其包含在織物之緯紗中機織之實例1的三根編織複合紗。三根編織複合紗端接在系統之電子裝置外殼800 的左側，其形成資料線、電力線及接地線，以便與分立的可定址紅綠藍(RGB)發光二極體(LED)810 互連。端接在電子裝置外殼800 之右側的編織複合紗用作電容式觸摸感測器，每次觸摸使LED810 步進經過程式化顏色序列。切割並移除原本存在於電子裝置外殼800 之右側的編織至緯線中的上部及下部編織複合紗。 實例6
圖9示出了組配成形成電感器的本發明之編織複合紗。編織複合紗900 係由二根Tex 21黏合Kevlar®紗950 、960 及二根多組件纖維束915 、935 編織而成的，每根多組件纖維束分別包含經層狀聚胺基甲酸酯及聚醯胺絕緣體絕緣之二根44AWG銅導體920 、940 作為機能組件，並且分別包含一根Tex 21黏合Kevlar®紗910 、930 作為結構組件，該等組件均編織在芯(未顯示)上方。一些紗包含Tex 21黏合Kevlar®紗作為芯，而另一些則包含坡莫合金(Permalloy)(鐵磁)芯。選擇芯之尺寸及材料以產生電感器之所期望的電磁性質並獲得編織品之所期望的直徑。在建構期間，含有多組件纖維束915 、935 之二個編織機線軸順時針行進，而含有Kevlar®紗950 、960 之二個編織機線軸逆時針行進。為了形成更緊密的線圈，此實例中之編織角大於實例1及2中之編織角，此增加了導體之每單位長度的匝數，從而增大了電感。芯有助於穩定高編織角紗，否則高編織角紗將在張力下顯著改變形狀。 實例7
圖10示出了具有三根水平編織複合紗之機織織物，該三根水平編織複合紗被選擇性地機織為緯紗，以用作形成紡織品積體電路之資料線、電力線及接地線。 實例8
多機能多材料編織複合紗已被建構成用於既需要電阻焦耳加熱又需要電容接近感測之應用。編織複合紗使用三根多組件束建構，其中二根束各自包含一根Tex 21黏合Kevlar®紗及一根絕緣44AWG Cu55Ni45合金線。其餘的多組件束包含一根Tex 21黏合Kevlar®紗及一根絕緣44AWG銅導體。44AWG Cu55Ni45合金線使用助焊劑及Sn96.5 Ag3.5 焊料在編織複合紗之一個終端焊接在一起，由此能夠連接至適當的電路，以在其餘終端電阻焦耳加熱，形成完整的電路。其餘的44AWG銅導體端接至編織複合紗同一端的適當電路中，用作開關或其他應用之電容式感測器。 實例9
已建構具有0.003''直徑超彈性鎳鈦諾芯之編織複合紗，從而形成應變感測器。紗包含三根Tex 21 Kevlar®紗及一根多組件束，該多組件束包含圍繞鎳鈦諾芯編織在一起的一根Tex 21黏合Kevlar®紗及一根44AWG絕緣導體。使用助焊劑及Sn96.5 Ag3.5 焊料將鎳鈦諾芯焊接至編織複合紗之一個終端處的44AWG導體上。藉由適當的電路量測鎳鈦諾芯之其餘終端與44AWG絕緣導體之間的電阻。選擇Tex 21 Kevlar®結構組件及編織角，使得編織複合紗之最大伸長率不超過8%，從而確保鎳鈦諾芯在其使用壽命中始終如一的抗應變感測響應。當編織複合紗伸長至其機械極限8%時，其顯示出可預測的電阻變化，由此顯示出適合用作應變感測器。
應注意，在說明書及申請專利範圍中，「約」或「大約」意指在所引用的數量之百分之二十(20%)之內。如本文所使用，單數形式的「一(a/an)」及「該」包括複數指示物，除非上下文另外明確指出。因此，例如，對「一官能基」之提及係指一個或多個官能基，而對「該方法」之提及包括熟習此項技術者將理解及認同的等同步驟及方法，等等。
儘管已經具體參考所揭露之實施例詳細描述了本發明，但是其他實施例可以達成相同的結果。本發明之變化及修改對熟習此項技術者將係顯而易見的，並且意圖涵蓋所有此類修改及等同物。以上引用之所有專利及出版物之全部揭露內容以引用的方式併入本文中。
120,160:線軸 140:中心線軸 150:結構組件 170:機能組件 180,210,220,230,240:編織機線軸 300,400,900:編織複合紗 130,310,340,370,410,430,450,470,915,935:多組件纖維束 320,350,380,415,435,455,475,910,930,950,960:Tex 21黏合Kevlar®紗 330,360,390,420,440,460,480,920,940:44AWG銅導體 610:DC電力線 620:互連積體電路資料網路 630,640:PCB 650:電容式觸摸感測器 660:振動馬達 670:揚聲器 680:LED 690:電池 800:電子裝置外殼 810:可定址紅綠藍(RGB)發光二極體
結合在說明書中並構成說明書一部分之附圖繪示出本發明實施例之實施，並且與說明書一起用於解釋本發明之原理。附圖僅出於繪示本發明之某些實施例之目的，並且不應被解釋為限制本發明。在該等附圖中：
圖1A繪示出本發明之多組件纖維束之同時平行捲繞之方法。
圖1B繪示出捲繞在編織機線軸上之圖1A之多組件纖維束之特寫。
圖2繪示出編織本發明之編織複合紗之方法。
圖3A係本發明之編織複合紗之端視圖。
圖3B係圖3A之編織複合紗之俯視圖。
圖4A係本發明之編織複合紗之端視圖。
圖4B係圖4A之編織複合紗之俯視圖。
圖5係將本發明之編織複合紗布線並縫紉至TIES紡織品上之照片。
圖6係圖5之特寫，詳述了編織複合紗與TIES紡織品之附接。
圖7係示出使用環氧灌封化合物直接封裝至紡織品基板上之印刷電路板(PCB)之照片。
圖8係示出包含三根本發明之編織複合紗之機織紡織品之照片，該三根編織複合紗機織在織物之緯紗中以形成資料線、電力線及接地線以便與分立的可定址發光二極體(LED)互連。
圖9示出經組配以形成電感器之本發明之編織複合紗。
圖10係示出機織至織物中之本發明之編織複合紗之照片。
300:編織複合紗
310,340,370:多組件纖維束
320,350,380:Tex 21黏合Kevlar®紗
330,360,390:44AWG銅導體

Claims (43)

  1. 一種編織複合紗，其包含一根或多根多組件纖維束，該一根或多根多組件纖維束各自包含一個或多個機能組件及至少一個結構組件。
  2. 如請求項1之編織複合紗，其中該一個或多個機能組件中之至少一個包含一導體。
  3. 如請求項2之編織複合紗，其中該導體經絕緣。
  4. 如請求項3之編織複合紗，其中該導體包含經層狀聚胺基甲酸酯及/或聚醯胺絕緣體絕緣之44AWG銅線。
  5. 如請求項2之編織複合紗，其中該導體包含具有一足夠高的電阻率及足夠低的電阻溫度係數之一材料，以適合於電阻式焦耳加熱。
  6. 如請求項1之編織複合紗，其中該一個或多個機能組件中之至少一個包含選自由以下組成之群的一材料：塑膠、玻璃、光纖材料、鎳鈦合金、鎳鉻合金、擠出型導電聚合物、導電紗及壓電紗。
  7. 如請求項6之編織複合紗，其中該材料包含一添加劑、塗層或鍍層，以改變其電氣、機械、光學、表面、視覺或其他性質。
  8. 如請求項1之編織複合紗，其中該至少一個結構組件包含選自由以下組成之群的材料：合成、天然、黏合的對位芳族聚醯胺、間位芳族聚醯胺、二氧化矽、石英、耐綸、聚酯、棉及羊毛。
  9. 如請求項1之編織複合紗，其中該至少一個結構組件之一直徑係該一個或多個機能組件之一直徑的至少約二倍。
  10. 如請求項1之編織複合紗，其中該至少一個結構組件之一最大斷裂伸長率比該一個或多個機能組件之一彈性極限小。
  11. 如請求項1之編織複合紗，其中該最大斷裂伸長率係約小於10%。
  12. 如請求項1之編織複合紗，其中當該編織複合紗在張力下時，該至少一個結構組件係變平。
  13. 如請求項1之編織複合紗，其中該一根或多根多組件纖維束與另外的結構組件編織在一起。
  14. 如請求項1之編織複合紗，其中該一個或多個機能組件在該編織複合紗之表面處可接近(accessible)。
  15. 如請求項1之編織複合紗，其經組配以形成一個或多個電子或電磁裝置之至少一部分。
  16. 如請求項15之編織複合紗，其中每個該裝置選自由以下組成之群：電感器、電容器、天線、可摺疊天線結構、傳輸線、互連積體電路(I2 C)網路、資料網路，串列資料匯流排、乙太網網路、電力網路、主動加熱元件、電力線、電磁體、抗流器、變壓器、感測器、電容式觸摸感測器、應變感測器、分佈式感測器網路、感測器陣列及濾波器。
  17. 如請求項1之編織複合紗，其中該一根或多根多組件纖維束中之一者的該一個或多個機能組件包含二根導體，該二根導體形成雙絞傳輸線。
  18. 如請求項1之編織複合紗，其包含一芯。
  19. 如請求項18之編織複合紗，其中該芯具有一種或多種選自由以下組成之群的性質：固態、中空、導電、介電、絕緣、鐵磁、超彈性、形狀記憶及對位芳族聚醯胺。
  20. 如請求項18之編織複合紗，其中該芯限制該編織複合紗在張力下之變形。
  21. 一種使用如請求項1之編織複合紗之方法，該方法包含將該編織複合紗結合至一活性紡織品中。
  22. 如請求項21之方法，其包含將該編織複合紗縫紉至該活性紡織品上。
  23. 如請求項22之方法，其中該縫紉步驟包含使用一面線之直縫線跡將該紗附接至該活性紡織品上。
  24. 如請求項23之方法，其中該面線包含一紡絲或多絲線。
  25. 如請求項24之方法，其中該線係一間位芳族聚醯胺線。
  26. 如請求項23之方法，其中該等線跡係週期性的，從而形成該紗之機械隔離的子域。
  27. 如請求項26之方法，其中相鄰的線跡間隔約1 mm至2 mm。
  28. 如請求項22之方法，其中該編織複合紗裝載在一縫紉或刺繡機之線軸中。
  29. 如請求項21之方法，其包括將該紗機織至該活性紡織品之經紗或緯紗中。
  30. 如請求項21之方法，其包含將該編織複合紗直接焊接至附接於該活性紡織品上之一電子組件或印刷電路板(PCB)通孔。
  31. 如請求項30之方法，其包含利用來自一焊接裝置之熱量，自該一個或多個機能組件中之至少一者中移除絕緣體。
  32. 如請求項30之方法，其中不需要在焊接之前自該至少一個機能組件中剝離該絕緣體。
  33. 如請求項30之方法，其中該至少一個結構組件具有比一焊接溫度高之一分解溫度。
  34. 如請求項30之方法，其包含使用環氧灌封化合物將該電子組件直接封裝至該活性紡織品上。
  35. 如請求項21之方法，其包含使用電腦輔助設計(CAD)來對該編織複合紗進行佈線，且該結合步驟包含CNC刺繡、定製的纖維放置或使用一CNC機。
  36. 一種製造一編織複合紗之方法，該方法包含： 將一個或多個機能組件及至少一個結構組件平行地捲繞以形成一第一多組件纖維束；以及 將該第一多組件纖維束與一第二多組件纖維束及/或一結構組件編織在一起。
  37. 如請求項36之方法，其中該捲繞步驟包含將該多組件纖維束捲繞至一單個編織機線軸上。
  38. 如請求項36之方法，其中該捲繞步驟在張力下進行。
  39. 如請求項36之方法，其中該編織步驟包含以一平衡的半承架組配形式將包含該第一多組件纖維束之一第一編織機線軸及包含一第二多組件纖維束或一結構組件之一第二編織機線軸裝載至一編織機中。
  40. 如請求項36之方法，其中該編織步驟包含使用選自由以下組成之群的一編織機：旋轉、花邊、方形、徑向、雙軸、三軸、二維及三維。
  41. 如請求項36之方法，其中該編織步驟包含將一芯結合至該編織複合紗中。
  42. 如請求項36之方法，其中該編織步驟包含相對於編織機線軸承架之一旋轉速率選擇一編織機之一捲取速率。
  43. 如請求項36之方法，其中該編織步驟包含使用一個或多個引導環。
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