专利名称：导电的压力敏感纺织品的制作方法
技术领域：
本发明涉及用纺织物制作一个或多个压力起动的电气开关或传感器的方法，这些开关或传感器在优选的实施例中作为单层织物的集成元件来使用。
背景技术：
导电织件在业内是为人所知并有所著述的，例如，本申请人在其早些时候的英国专利申请书2,339,495中即予以描述。已知的电织件典型地包括两个导电层，由一个隔离层隔开，一旦有压力施于导电层上两个导电层即被接通。虽然该织物组件能良好地发挥功能，但是存在着不可避免的缺陷，必须有三个或更多的织物层，还包括额外成本，织物的厚度，需要维持各层间的定位，使用期间层张的运动，等等。
根据本发明的一个方面，提供了一种如在权利要求1中说明的织物。
该优选的实施例提供了一个纺织成的、针织成的、无纺的或者是编织成的织物，在其纺织成的、针织成的、无纺的或者是编织成的结构中包括第一根细长导电体，被第二根细长导电体跨越，这两根导体在交叉点处被垂直地压离，在它们之间形成一个气隙，这样，施加一个与该织物的平面垂直的压力就会使这两根导体接触。
更好的是，该织物包括多根相互分开的第一导体与多根相互分开的第二导体以致形成多个所谓交叉点。这些导体可以包括导电细线或纤维。
有利的是，该织物是纺织品；其经线可包括至少一根所述第一导电体而其纬线包括至少一根所述第二导电体。
可以分别或组合地采用一些手段，在交叉点处将这些导体压离，在一个优选实施例中，这是通过在织物中置入绝缘纤维或细线而实现的。例如，对于至少一根导电体而言，可以通过采用上面缠绕绝缘细线或纤维的导电体以便离开暴露于交叉点处的导体的表现的方式来实现这种压离。在另一个例子中，这种压离是通过把至少一根导体与绝缘细线或纤维线扭绞起来实现的。此外，对于至少一根导体而言，这种压离可以采用在一条绝缘细线或纤维线的可变形的突起之上与之间支撑的一根导电体来实现。在另一个实施例中，这种压离可以通过包括在纺织经线和/或纬线中的跨在多于一条股纱上的浮起部分来实现。
理想的是，这些导电体有一个电气性能，即与该导体的长度成正比，或该长度而再现。通过对这一性能参数的计量即可确定一根导体或多根连接的导体的长度。方便的是，该电气性是电阻。
对于某些应用，该织物有至少一组相互分开的导电体，该组中的一些导电体电气连结在一起以形成一条汇流总线，将是有益的。这里，相互分开的导体的所谓组在纺织成的结构的经线和纬线中含有导电的细线或纤维，该组的导体间的电气连接可分别由纬线与经线中的一条或多条导电细线或纤维来提供。此外，所谓的电气连接可以通过纺织工艺来实现。
在一个优选实施例中，提供了包括多条纬线纤维和多条经线纤维，在纬线与经线纤维中的第一与第二导电纤维以及在纬线与/或经线纤维中的至少一条绝缘纤维的织物，该绝缘纤维起隔开所谓第一与第二导电纤维的作用以便在它们之间提供一个空间。
该织物可以在一组经纬纤维中包括多条绝缘纤维，这些绝缘纤维为在另一组经纬纤维中的导电纤维提供一座桥梁，这样，所述的导电纤维就跨浮在一组经纬纤维中的一条或多条导电纤维之上。
在另一个实施例中，为至少一条导电纤维提供一条或几条绝缘纤维，比如说围绕其上进行螺旋状缠绕。另外，可围绕着至少一条绝缘纤维提供一条或几条导电纤维，而该绝缘纤维有一些局部，比如说是凸起，沿着一条或几条导电纤维的圆周方向向外伸出。这样，绝缘纤维就能够为把一条导线与纺织层内的其他导线隔开而提供隔离手段。
显然，本发明将能够为单层织物的压力传感器或开关或其他的导电部件提供导电的纺织品。这就能够排除上面讨论的问题。
另外，还能够降低为三层结构所固有的并且为提供精确的计量又必须加以解决的边缘效应(与位置相关的非线性阻抗)。再者，还能获得显然更高的辨别能力，与三层的部件相比，可能高达10倍以上，这种辨别能力取决于纺织技术与纤维规格。
利用这些优选实施例，一旦向该织物施一个或几个特定的压力，就能实现导电纤维的接触，而且这是可以通过气隙的大小，织品的紧张度，导体的变形度以及绝缘体的压缩度来判定的。再者，还可以提供单织品结构的压力敏感性的范围。例如，通过(下面参照图3进行描述的)浮起的导体的实施例，就可以通过在桥下具有不同数量的导体的多个桥梁以及/或者不同的，比如说粗细或压缩性不同的绝缘纤维来提供不同的压力敏感性。根据在此公开的其他的有关纤维的实施例还可以见到类似的效果。
作为一个可供选择的方法，可以提供两层或更多层的所描述的织物，具有着相同的或者不同的结构。
根据本发明的另一个方面，提供了一种织物，包括上面缠有至少一根导电纱股的一根绝缘纱股，该绝缘纱股包括超出该一根或几根纱股的突起物。更可取的是，提供两根或更多根的围绕该根绝缘纱股缠绕的导电纱股。突起部分可以是纤维的线股，突起物等。
通过本发明能够提供一种导电的纺织品，具有英国专利申请书2,339,495中所描述的特点，但只是单层的织物。
与在英国专利申请书2,339,495中描述的结果相比，该优选实施例的织物的生产显然能更为便宜。
下面仅借助范例，参照附图，对本发明的各种实施例进行描述。附图中图1是细长导体的网格布局的透视图；图2是绘出了两根导线间交叉点处所施压力的效果；
图3是具有上浮导体的织物的实施例的一个透视图；图4是示出了图3的织物的操作状况；图5是给出了一个纱股实施例的各种图示；图6是给出了另一个纱股实施例的各种图示。
图7a至图7c示出了导电纱股与绝缘纱股的各种实施例；图8示出了组合纱股的另一个实施例；图9示出了具有上浮导体的纱股的实施例的几个变形；图10是纺织成的汇流总线的实施例的简图；图11是示出了一个纺织结构的技术说明的例子；图12是示出了一个织物结构中的可独立寻址的多路开关的一个范例。
具体实施例方式
参阅附图，在图1的实施例中，可取之处在于该织件至少包括两组细长导电体。典型的是，每组中的导体是按相互平行的方式安排的，而一组导体与另一组导体垂直安排，以形成人为隔开的网格，如图1中所示。细长的导电体一般为单线或多线的导电纤维，而积物的余下部分由绝缘纤维组成。
如在图2(a)中的两根导体的剖面图中所示，在两根导体相互交叉点处，织物和/或导电纤维的结构保持其物理分离。当沿着与织物的平面垂直的方向施加压力时，如图(b)中所示，致使导电纤维偏析并产生电接触。这样，每个交叉点就形成一个瞬间接触的开关，当所施压力超过一个阈值时，将保持接触。该阈值可在生产中预先确定并可加以控制。
这一开关还给出一个作用两根导体共享的根据所施压力而变化的面积的连续转变区，直到达到最大的接触面积，如在图2(c)中所示。这种易变织物的生产可以控制，因此，在使用中，这种开关主要在图2(d)中由短划线划定的该连续变化区内运行。如果通过某项电气性能，比如说电阻，来对该接触面积进行计量，则这种交叉就能形成压力传感器。
虽然该织物可以有针织的或粘结的结构，但是，可以想象，该项技术的基本应用将采用纺织的纤维结构。在后一种情况下，两组导电纤维可分别形成经纬线股，绝缘线股组成织物的余下部分并起分开每组的分立的导线的作用。在图3中示出了具有两个交叉点的纺织成的织物一个典型的例子。
分隔技术维持两根导电纤维间在交叉点处的物理隔离的程度，可以使用几项技术。这些技术包括具有浮起的纱股的纺织结构以及组合的导电/绝缘纱股的使用。不同的技术可以一起使用，例如，允许既有含导电芯的组合线股又有带浮起部位的纺织结构的纺织品的使用。分隔技术——在一根或多根线股上有浮起部位的纺织法首先描述的隔离技术是带有浮离部位的纺织结构的使用，浮离部位是用于从上面跨越或从下面钻过多于一根的经线的纬线的一个部位的术语，反之亦然。为实现两根导电纱股在交叉点处的隔离，一般说来，导电的纬线浮跨在导电的经线与经线两侧的一根或几根绝缘经线的上方，如图3所示。这样，两根导电线股共享的物理接触面积实际上可以说为零，如在图4(a)的沿纬线方向的对经线的剖面图所示。
如果导电经线的直径小于周围环绕的绝缘经线的直径，就能够实现它们的物理隔离，如图4(b)中所示。垂直于织物的平面施加压力时，纱股及周围的织物产生偏折，两根导体产生电接触，如图4(c)中所示，增大所施的压力就会增大接触面积，如在图2(c)中所示。纱股必须有足够的弹力，以便一旦撤掉所加的压力时能够从偏折状态恢复原状，并因而返回其隔离的位置，断开电接触。隔离技术——用可移动的绝缘体环绕的导电芯股另一项隔离技术涉及到使用专门为导电线股而设的组合结构。在该组合线股中，用绝缘材料对导电的单线或多线的芯股进行局部的绞合，编网，旋拧，叠褶，共同模压，涂覆，上套网或者其他的局部环绕，如图5(a)中所示。
当至少其中之一为这种类型的两根导电体之间的交叉点未受压力时，该绝缘材料介于这两个导体之间，如图5(b)所示，保证了物理隔离。但是，当受到垂直于织物一平面的压力时，环绕的绝缘材料就会扭曲，压缩，向一边运动，或者编折，导致导电芯股间的电接触，如图5(c)所示。一经移去所施压力，绝缘材料就会弹回位于导体间的位置和/或形状，断开(放开)电接触。
组合线股的几何形状以及其所含线股的可压性，刚性与表面特征有助于确定交叉点处的压力阈值并能够通过实验而迅速测定。这种类型的组合线股可用于构成平纺交叉，而没有如上所述的带上浮部位的结构。隔离技术——用导体环绕可压缩的绝缘芯股另一项隔离技术涉及另一种类型的导电线股组合结构。在该组合线股中，与上面例举的线股的情况相反，用导电线股或材料对绝缘的单线或多线的芯股进行局部的绞合，编网，旋拧，叠褶，共同模压，上网套或者其他的局部环绕。
另外，或者作为一种替代的方法，可对导电芯线和外层材料一道进行模压然后通过后道工序有选择地暴露导电芯线的表面。导电线股局部嵌入绝缘线股中，这样，芯股的易凹曲的表面即处于高于导电线股的状态，如图6(a)中所示，还有一种方法可以达到同一目的，可以把细的导电线股与较大经度的绝缘线股绞合或旋拧，这样，绝缘线股(表面)即处于高出导电线股表面的状态。
当至少其中之一为这种类型的两根导电体之间的交叉点未受压力时，处于高于导电线股状态的绝缘材料保证了这两根导体的物理隔离，如图6(b)所示。然而，当垂直于织物的平面施加压力时，绝缘材料就会压紧，使嵌入的导体线股产生电接触，如图6(c)中所示。一旦撤掉所施压力，绝缘材料就会弹回拉开这两根导体的位置，断开电接触。
该组合线股的几何形状以及其所含线股的可压性，刚性与表面特征有助于确定交叉点处的压力阀值并能够通过实验而迅速测定。这种类型的组合线股可用于构成平纺绞叉点，而没有如上所述的带上浮部位的结构。隔离技术——用可移动的绝缘体环绕的导电芯股参见图7(a)至7(c)，这里展示了既具有导体又具有绝缘体的线股的各种实施例。在图7(a)中的芯股的横截面基本上是圆形的，而且是导电的还是绝缘的可以随意。环绕该芯股旋拧，编网或绞合着直径较大的绝缘线股以及直径较小的导电线股。如在图中所能见到的，当没有压力施于该芯股时，导电纤维保持与其他导体的隔离。但是，一经施加一个超过阈值的压力，绝缘股即被压紧并且/或者被移动，使导电股与导电的基材(可以是这种类型的另一根组合股)接触。
在图7(b)中只有一根导电芯，上面有涂层或者从上面挤压出来的一根或多根绝缘棱条，涂层或棱条最好按螺旋线布局。如所能见到的，当未施压力时，该导电芯保持与其上置有组合材料的任何导电基材(该基材可能是诸如此种类型的另一组合结构)的隔离。但是，一经施加压力，绝缘棱即被压紧，导致电接触。
在图7(c)中，可变形的导电芯被套上绝缘的套管，然后被切削掉一部分以留下带导电沟的长槽。该结构受压将导致长槽变形，这样，一个导电基片，例如可以是一个板状的或纤维状的导体，将与该导电芯接触。导电芯的任何部分不必为建立长槽而被切削掉，只要切掉足够的绝缘体以使能够接触导电芯即可。
隔离技术——自隔离的敏感组合线股图8中示出了一个组合线股的实施例，具有一个芯股，环绕其上编织了具有导体浮起部位的导电/绝缘线股，这就能对在沿着该结构的长度方向的点上所施的压力进行检测。
对启动压力进行控制的参数几个可控的生产参数可确定一个纺织物中的两根导体间的交叉点的起动压力。
a)、导电线股与绝缘线股的相对应的直径如上面的讨论，如果织物的导电线股的直径或横截面积比绝缘线股的小，则交叉点处的导电线股被隔开更大的距离。导电线股必须被进一步压折以便进行接触，这样就要求更大的起动压力。
b)、导电线股电接触的倾向性几个参数能够促进导电线股作了机械性电接触的倾向。当在同样的压力之下接触到一起时，表面平滑并且/或者坚硬的导电线股与纤维性的并且/或者可压的线股相比接触面积倾向于更小。相类似，模截面为圆形的单线导体比棱柱形或多线的导体接触面积要小。上面描述的是组合线股的具体情况。
c)、织物的刚性对交叉点处的导体进行折压并产生电接触所要求的起动压力直接取决于导电线股的以及所围裹的绝缘线股的刚性，以及织物的总体的刚性，而这总体刚性本身又取决于所使用的纺织结构，线股的分隔以及纬线的紧密程度，或者所使用的波动密度。对于一个给定的折压而言，刚性较大的织物需要更大的压力并将因此而导致起动压力更大的交叉点。
d)、相临导电线股的数量如果使用的是多根相临的导电线股，而不是单根的经向或纬向导电线股，如图9(a)中所示，则起动压力降低。如图9(b)中所示，具有多根相邻线股的导体越宽，在交叉点处所提供的接触面积越大，并且所需要的对线股的斜折越小，因而产生接触所要求的压力就越小。
e)、凸浮的线股的数量如果一根导电纬线跨浮数量最少的经线以确保交叉点处的隔离，如图9(a)中所示，则起动压力小于如图9(c)中所示该导电纬线跨浮在数量较大的相邻的经线上时相对应的起动压力。关注起动压力意义对前面所述的生产参数进行控制就能够把具有预定的起动压力的交叉点织入到织物中。对于将要产生的电接触以及将要达到的最大接触的阈值压力均能独立确定。阈值压力不同的交叉点可被纳入一个单片织物中。这就能够实现一个结构，例如，通过增大压力使一组相邻的交叉点连续地接触并共同构成一个量化的压力传感器。
对交叉点处的这些参数进行控制的另一项意义在于，两个导电线股可被编成处于永久性电接触的状态，而无论所施压力如何。大体上，这可以通过在交叉点处采用平纺结构来实现，在这里，导电纬线并不浮跨任何附加的经线，而是与导电经线共享一个大的，永久的接触面积。这就能够提供，比如说，这里所讨论的汇流总线的编织结构。
与此相反，如果交叉点的起动压力的阈值做得很大，可以把两个导电线股织成在一般的操作情况下它们永不接触的状态。这就允许两根导体相互跨越并保持电独立。在导体网格内设计能够产生或不能产生接触的交叉点的这种方便就能为电流提供通过织物的路径，这就与印刷电路板的线路类似。
交叉点矩阵的选址两个导体间的每个交叉点可以看作一个独立的开关，交叉点阵列构成横行选址的矩阵，这与现有的大多数键盘相似。为此，每个导电线股必须单独与一个适合的电路连接以便对矩阵进行扫描。确定与织物所作的连接的数量可以证明是不方便的。
此外，如图10中所示的方案要求与织物件的连接很少，通过电气汇流总线对交叉点矩阵进行选址。这些汇流总线每个均用于对一个组中的导体进行互连。而与织件的连接的数量并不通过交叉点的数量来计算。
这些总线可以缝合，刺绣，印刷，粘结，机械固定或压制在织物件上，以便实现与导体矩阵的电接触。更令人感兴趣的是，这些总线也可以是纺织结构的，以与矩阵类似的方法集成到织物件上。
可以对一些可再现的电气性能，如阻抗，进行测量，以确定导体和/或汇流总线的长度。通过这些测量，就能导出矩阵内一个交叉点上的一个“闭合开关”的位置。
例如，首先假定矩阵的导电线股呈线性阻抗，并且如图10中所示，并且连接了三根全导电的汇流总线。如果交叉点D处的的开关是闭合的，则所测的从总线A到总线B的电阻RAB由下式给出
RAB＝K(X十Y)其中K是由导电线股的实际长度、横截面积以及阻抗所决定的一个常数，而X和Y是点D的正交分矢量，这里0≤(X，Y)≤1相类似，所测的从总线B至总线C的电阻由下式给出RBC＝K(Y+1-X)代入后得到X＝[((RAB)/K)一((RBC)/K)+1]/2与Y＝[((RAB)/K)+((RBC)/K)-1]/2一个典型范例这一节详述一个用于构成典型的织物件的纺织结构的范例。虽然250mm宽的重复部分已包括在内，但是任意大小的织物件可根据这些规格来重现。网格中的交叉点按照约8.5mm的间隔被均匀分开。利用给定的线股与纺织结构，交叉点的压力阈值约为80千帕斯卡(Kilo Pascals)，等于在一般大小为50平方毫米的指尖面积上施加4牛顿的力。该规格还在经线中包括两个汇流总线，位于织物的每一侧上。
经线方向上带有两个幅边，用型号为BASF F901 G004(此组代码是否为线的型号不详，无把握)的绞合多股线织成。在经向的每个边的轴1-4上，共有8根经线，如在图10(a)中以图解方式所示。
经纱仍采用2/18’的100％棉纱，定为每英寸24根。该经纱与BASFF901 A013型号的导线的单根细线间置，每8根经线中在经轴8，16和24处为导电的单根细线。
挑线工序/梭心进程图样决定着移动轴线以挑起或放下经线的顺序。
如在图10(b)的梭心进程图样中所示，同样棉花的纬线穿过由于挑起经线所形成的棚架，并且每逢第6次引纬投梭即用F901 A013型导电细长单线代替。这就决定了纬线浮起在导电的经线上。织物结构中的可单独导址的多路开关图12示出了可单独寻址的多路开关的一个实施例，可根据上述的任一个实施例制成。正如所见，利用上述的任何一种方法，制出了一个导体交叉点网格和如图中所示的两个带有永久性电气连结的汇流总线。如在该范例矩阵的配置中所示，这些开关在闭合时可提供闭合的电路。具体讲，当每条输入线D*依次地与一个正电位连接时，在输出端Q1，Q2，Q3生成的三个作为结果的用三位二进制表示的模式唯一地标识交叉点矩阵内的一个闭合开关。根据一个二进制代码把该矩阵与输入端D1，D2和D3以及输出端Q1，Q2和Q3连接起来，就能够更合适地对其中的多个闭合开关作出响应。
权利要求
1.一个织物，在其结构中第一细长导电体与第二细长导电体交叉，在所述纤维的交叉点处所述导体在垂直方向上被压开，在它们之间形成一个气隙，这样，在与织物的平面基本垂直的方向上施加压力就会使导体产生接触。
2.根据权利要求1的一个织物，包括多根隔开的第一导体和/或多根隔开的第二导体，形成多个所述的交叉点。
3.根据权利要求1或2的一个织物，其中的导体包括导电的细线或纤维。
4.根据权利要求1至3中的任一权利要求的一个织物，该织物是纺织、针织、无纺或编织成的。
5.根据权利要求4的一个织物，包括经纬细线，其中经线包括所述一根或几根第一导体而纬线包括所述一根或几根第二导电体。
6.根据前面的任何一个权利要求的一个织物，包括把在交叉点处的第一与第二导电体压开的绝缘纤维或细线。
7.根据权利要求6的一个织物，其中所述的隔开是通过在横截面较大的绝缘细线或纤维之间设置一个横截面较小的导电体来实现的。
8.根据权利要求6的一个织物，其中的纺织方法包括使经线和/或纬线浮突在一根以上的线股上以实现在交叉点处第一与第二导电体的隔开。
9.根据权利要求6的一个织物，其中实现所述隔开的方法是，比如说，采用至少一根导电体，和一根上面经有绝缘细线或纤维以便离开该导电体在交叉点处暴露的表面的一根导电体。
10.根据权利要求6的一个织物，其中实现所述隔开通过把至少一根导电体与绝缘细线或纤维绞合在一起的方式来实现的。
11.根据权利要求6的一个织物，其中实现所述隔开的方法是，比如说，采用至少一根导电体，和一根受到一根绝缘细线或纤维上的突起物的支撑并位于这些可变形的突起物之间的导电体。
12.根据前述的任一权利要求的一个织物，其中的导电体有一项与该导电体的长度成正比的电气特性，因而，一根导体或多根连接导体的长度可通过对该项特性的测量来确定。
13.根据权利要求12的一个织物，其中所述的电气特性是电阻。
14.根据前述的任一权利要求的一个织物，包括至少一组隔开的导电体，所述组中至少有一些导体被电气连接在一起以形成至少一个汇流总线。
15.根据权利要求14的一个织物，其中所述相互隔开的导电体的组在所织成的结构的经线或纬线中包括导电的细线或纤维，而该组的导体间的电气连接是分别由纬线或经线中的一根或多根导电细线或纤维提供的。
16.根据权利要求14的一个织物，其中相互隔开的导电体的组在所织成的结构的经线或纬线中包括导电的细线或纤维，而所述的电气连接是通过纺织工序实现的。
17.一根纤维，包括一根绝缘线股与一根导电线股，绝缘线股包括伸出导电线股之外的部分。
18.根据权利要求17的一根纤维，其中提供了两根或更多根导电线股，螺彷状地缠绕在该绝缘线股上。
全文摘要
一个织物，在其结构中包括被一根第二细长导电体跨越的一根第一细长导电体，这两根导体在所述细线的其间具有气隙的交叉点上被垂直压移，这样，在与织物的平面基本垂直的方向上所施加的压力就使导体产生接触。该织物可以是纺织的，针织的，无纺的或编织的。该织物能用作压力传感器，开关或其他传感器。
文档编号D03D15/00GK1430765SQ0181008
公开日2003年7月16日 申请日期2001年4月2日 优先权日2000年4月3日
发明者斯坦利·施格存·斯沃洛, 阿莎·佩塔－汤姆森 申请人:布鲁内尔大学