專利名稱：織物結(jié)構(gòu)接觸傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種織物結(jié)構(gòu)接觸傳感器，以及一種制造該織物結(jié)構(gòu)接觸傳感器的方法。
已經(jīng)知道具有一種由多層織物結(jié)構(gòu)制造的接觸傳感器，例如在柔性鍵盤上的按鈕。例如，公開號為US2002/0180578的美國專利申請出版物披露了一種位置傳感器，其設(shè)置成探測例如人工施壓的機械作用的位置。一個第一織物層具有機械加工于其中的導(dǎo)電纖維，以提供一第一導(dǎo)電外層，允許在沿著該層的所有方向上導(dǎo)電。一個第二織物層具有機械加工于其中的導(dǎo)電纖維，以提供一第二導(dǎo)電外層，允許在沿著該層的所有方向上導(dǎo)電。一個中間層設(shè)置在第一外層和第二外層之間。中間層包括導(dǎo)電組件。一個第一絕緣分隔部件設(shè)置在第一導(dǎo)電外層和導(dǎo)電組件之間。一個第二絕緣分隔部件設(shè)置在第二導(dǎo)電外層和導(dǎo)電組件之間。導(dǎo)電組件在機械作用的位置處在第一導(dǎo)電外層和第二導(dǎo)電外層之間提供導(dǎo)電通路。在傳感器上的五個分層結(jié)構(gòu)測量按壓的位置和表面區(qū)域。不直接測量壓力的程度是可能的。手指施加的壓力能夠從測量的表面區(qū)域內(nèi)扣除，僅僅對于小的壓力值。
在同一個專利申請出版中，

圖10中示出了一個替代的位置傳感器的橫截面。中間層將外層隔開，外層如上所述的類型。中間層是一種縮絨(felted)(無紡布)織物，包括導(dǎo)電和絕緣纖維的混合物。將導(dǎo)電纖維制造得比中間層的厚度短，并且因此沒有導(dǎo)電纖維完全伸展穿過中間層。此外，導(dǎo)電與非導(dǎo)電纖維的比率是這樣的，以至于當(dāng)沒有加壓時沒有導(dǎo)電通路穿過中間層的厚度，或沒有導(dǎo)電通路沿著中間層。因此，在沒有外力施加到傳感器和沒有對中間層加壓的位置處，在中間層內(nèi)的一些導(dǎo)電纖維可以與外層接觸，但在外層之間沒有導(dǎo)電通路存在。當(dāng)外部施加的力壓縮傳感器時，該力使三層直接接觸，并且中間層中的導(dǎo)電纖維與外導(dǎo)電層電連接。此外，中間層內(nèi)的導(dǎo)電纖維與其它這種纖維接觸，從而在兩外層之間形成一個穿過中間層的導(dǎo)電通路。此外，如果該力增大，那么層被進一步壓縮，導(dǎo)電纖維進一步與其它的這種纖維連接，并且兩個外層之間的電阻降低了。如果傳感器褶曲了并且在中間層靠近其內(nèi)表面內(nèi)產(chǎn)生了一個局部導(dǎo)電區(qū)域，該導(dǎo)電區(qū)域不貫穿該層，并且不會形成導(dǎo)電通路。這種構(gòu)造提供了一種位置傳感器，用于檢測所施加的機械作用的位置，在那里該機械作用具有一個范圍和一個力。該三層結(jié)構(gòu)測量所施加的壓力的位置和程度。然而，中間層完全是相同的，并不能夠調(diào)整中間層以在其結(jié)構(gòu)的不同部分上提供不同的電特性。
圖13中示出了另一個替代實施例的橫截面。該圖的傳感器包括如上所述類型的外層，由中間層隔開外層。導(dǎo)電外層通過非導(dǎo)電粘接點的陣列連接到中間層。通過將可導(dǎo)電印刷材料例如導(dǎo)電油墨印到稀松組織結(jié)構(gòu)的絕緣織物上，制造中間層，以產(chǎn)生點的排列(可選擇的，針織物或無紡布織物可以用于替代稀松構(gòu)造的織物)。油墨滲入織物的厚度以產(chǎn)生一種導(dǎo)電柱的陣列，從而穿過織物層的厚度提供導(dǎo)電通路。將點的圖案和間隔選擇成不同于非導(dǎo)電柱的圖案和間隔，因此避免了具有莫阿效應(yīng)干擾和同步疊加的潛在的問題。典型的，絕緣點具有3mm的間隔，而導(dǎo)電柱具有1.3mm的間隔。因此，同前面描述的傳感器一樣，該傳感器具有一種結(jié)構(gòu)，允許將其折彎而不在彎折處的外導(dǎo)電層之間產(chǎn)生導(dǎo)電通路，與此同時，允許適當(dāng)小的外部施壓將外層與中間層接觸，于是在外層之間產(chǎn)生了導(dǎo)電通路。具有三層的傳感器測量施加其上按壓位置和表面區(qū)域，不直接測量壓力的程度是可能的。根據(jù)將中間層與兩外層隔開的需要，通過提供非導(dǎo)電粘接點實現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)的制造也是復(fù)雜的。這增加了裝置及其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種對已知裝置進行改進的三層接觸傳感器。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種織物結(jié)構(gòu)接觸傳感器，具有第一和第二外導(dǎo)電層，以及第一和第二導(dǎo)電層中間的一個第三層，其中第三層包括一涂有壓敏電阻材料的非導(dǎo)電織物。該壓敏電阻材料的電導(dǎo)取決于對其施加的壓力。
由于本發(fā)明的這一方面，能夠提供一種三層織物結(jié)構(gòu)接觸傳感器，該傳感器能夠測量施加到該接觸傳感器的壓力的位置以及程度，同時具有簡單的結(jié)構(gòu)。所得到的傳感器比已知的傳感器容易構(gòu)造。
有利的是，壓敏電阻材料在非導(dǎo)電第三層上是非連續(xù)的，并且涂在非導(dǎo)電的第三層上，從而形成一種多個壓敏電阻材料的限定塊的設(shè)置。在第三層上存在的多個壓敏電阻材料限定塊具有多種顯而易見的優(yōu)點。每個塊能夠看作是一個(在傳感器的最終結(jié)構(gòu)內(nèi))彼此隔離的單獨按鈕。這允許這些按鈕具有不同的電作用輪廓，并且允許將這些層(例如通過縫合)連接在一起，而不在層的連接處建立電氣連接。
第一、第二和第三層優(yōu)選的在不具有壓敏電阻材料的點上連接在一起。第一、第二和第三層以一系列的直線連接在一起，所述線作用在多個壓敏電阻材料的限定塊之間。這使得接觸傳感器比現(xiàn)有傳感器更為穩(wěn)固。這些層連接在一起，從而幫助防止這些層彼此相對的橫向移動。當(dāng)用戶按壓觸摸襯墊時，如果發(fā)生這些層彼此相對的橫向移動(并且這是已知的問題)，那么可能給出錯誤讀數(shù)。
接觸傳感器可以進一步包括一個第四層，第四層設(shè)置有可見指示。第四層在傳感器外表面上的任意特定點處為用戶提供傳感器的邏輯功能的可見指示。
優(yōu)選的，接觸傳感器進一步包括兩對電極，連接到第一外層的一對第一對電極和連接到第二外層的一對第二對電極，這兩對電極相互垂直，并且接觸傳感器還進一步包括連接到這兩對電極的電子電路。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種制造織物結(jié)構(gòu)接觸傳感器的方法，包括步驟接收第一和第二導(dǎo)電層，接收一個第三層，所述第三層包括一個涂有壓敏電阻材料的非導(dǎo)電織物，以及構(gòu)成這些層，使得第三層在第一和第二層之間。
由于這一方面，能夠以直接且簡單的方式制造一種三層織物結(jié)構(gòu)接觸傳感器。
有利的是，該方法進一步包括，在接收所述非導(dǎo)電第三層之前，將壓敏電阻材料涂覆在第三層上。使用壓敏電阻材料對第三層的涂覆能夠用于在非導(dǎo)電第三層上建立一個非連續(xù)的壓敏電阻材料涂層。優(yōu)選的，使用壓敏電阻材料對第三層的涂覆在非導(dǎo)電第三層上建立的壓敏電阻材料涂層，形成一種多個壓敏電阻材料的限定塊的設(shè)置。
優(yōu)選的，該方法進一步包括，在構(gòu)成這些層之前，接收一個第四層，所述第四層設(shè)置有可見指示。這些層的構(gòu)成進一步包括在不具有壓敏電阻材料的點上將這些層連接在一起。有利的是，這些層的構(gòu)成包括以一系列直線的方式將這些層連接在一起，所述線作用在多個壓敏電阻材料的限定塊之間。
該方法可以進一步包括在這些層上附加(affix)兩對電極，連接到第一外層的一對第一對電極和連接到第二外層的一對第二對電極，這兩對電極相互垂直，并且該方法還可以進一步包括連接電子電路到這兩對電極。
現(xiàn)在將參照附圖，僅通過例子來描述本發(fā)明的實施例，其中圖1是一個三層織物結(jié)構(gòu)接觸傳感器的示意圖；圖2是圖1的三層織物結(jié)構(gòu)接觸傳感器的示意圖，并且示出了每個單獨的層；圖3是一個電子電路圖；圖4是一個與圖2相似的三層織物結(jié)構(gòu)接觸傳感器的第二實施例的示意圖；圖5是具有附加第四層的圖4的織物結(jié)構(gòu)傳感器的示意圖；圖6是制造該織物結(jié)構(gòu)傳感器的方法流程圖；圖7是在一件外衣上的兩個織物結(jié)構(gòu)接觸傳感器的示意圖。
圖1和圖2示出了三層織物結(jié)構(gòu)接觸傳感器的第一實施例?？椢锝Y(jié)構(gòu)接觸傳感器10分別包括第一和第二外導(dǎo)電層12、14，以及一個第三層16，第三層16在第一和第二導(dǎo)電層12、14的中間。第三層16包括一涂有壓敏電阻材料18的非導(dǎo)電織物。外層12和14由一種導(dǎo)電織物構(gòu)成，例如涂有聚吡咯的編織聚酯，商業(yè)上獲得如來自Marktek公司的Contex織物。由涂在非導(dǎo)電織物16上的壓敏電阻油墨18形成第三中間層16。任何常用的非導(dǎo)電織物，例如編織聚酯，只要油墨能夠滲透該織物的整體厚度，就能夠用作層16的基底。在這個優(yōu)選實施例中，壓敏型油墨18是在WO97/25379中描述的物質(zhì)，并且可從Tekscan公司商業(yè)獲得(見網(wǎng)站www.tekscan.com)?？梢允褂闷渌哂幸蟮碾姟⒒瘜W(xué)和機械特性的壓敏電阻材料。在空載時印刷織物層16的電導(dǎo)為零，但是當(dāng)施加高于閾值負載的負荷時快速增長。
圖1和圖2中所示的結(jié)構(gòu)是接觸傳感器10，在正常狀態(tài)下，由于第三層16在二個外層12、14之間建立了一個絕緣層，接觸傳感器10不導(dǎo)電。然而，如果用戶按壓在外層14上(例如，當(dāng)在例如一件夾克的外衣內(nèi)將傳感器安裝為一個音量控制器時)，這個施加的力就改變了壓敏電阻材料18的電阻特性。材料18變?yōu)閷?dǎo)電到一個與用戶施加的力成正比的程度，并且因此電流能夠在層14和12之間流動。
傳感器10進一步包括兩對電極，連接到第一外層12的第一對電極20和連接到第二外層14的第二對電極22，這兩對電極20和22相互垂直。接觸傳感器還包括連接到這兩對電極20和22的電子電路30。
圖3中詳細示出了電子電路30，電子電路30包括一個可變電阻器Rp、兩個電阻Rx和Ry、一個參考電阻Rref、一個電源電壓Vs、一個高阻抗讀出緩沖器32、和五個轉(zhuǎn)換開關(guān)S1到S5，可變電阻器Rp是涂在中間層16上的壓敏電阻材料18，兩個電阻Rx和Ry分別是外層12和14的電阻。電路30測量三種不同的事情，在接觸傳感器上的用戶壓力、以及按壓的x和y位置。這三種事情中任一個的測量依賴于五個轉(zhuǎn)換開關(guān)S1到S5的位置?？刂七@些開關(guān)以循環(huán)快速地通過這些位置，從而以短的時間間隔獲取所測量的三種事情的讀數(shù)。下表根據(jù)所測量的信息限定了每個轉(zhuǎn)換開關(guān)的位置
Rx和Ry是頂部和底部導(dǎo)電層12和14的電阻。Rp是印有Tekscan18的第三層16的可變電阻。Rref是用于檢測接觸動作的出現(xiàn)以及施加的接觸壓力。實際上，當(dāng)測量了按壓的可變電阻時，層12和14(電阻Rx和Ry)在它們的整個表面區(qū)域上處于恒定電勢，并且所建立的電路是由Rp和Rref分擔(dān)電壓的，同時緩沖器32讀出在Rp和Rref之間一點上的電壓，從而測量Rp的電阻(因為Rref是已知的)。Rp的電阻是用戶在接觸傳感器10上的按壓程度的量度。
在x位置檢測期間，在導(dǎo)電層Rx施加一個線性電壓降。一個電位探針由部分Ry和Rp的電串行結(jié)構(gòu)組成。然而，由于使用一個高阻抗讀出緩沖器，所以探針的電阻在讀出x坐標(biāo)期間變得不相關(guān)。當(dāng)探測y坐標(biāo)時保持同樣的狀態(tài)。實際上，由于Rp接觸電阻Rx(當(dāng)測量x坐標(biāo)時)，所以Rp在那個點上測量電壓，在x方向上有效的測量接觸傳感器上的按壓位置。這在測量y坐標(biāo)時是相反的。
圖4示出了接觸傳感器的第二實施例40。該織物結(jié)構(gòu)接觸傳感器40(如在第一實施例中)分別包括第一和第二外導(dǎo)電層12、14，以及一個第三層16，第三層16在第一和第二導(dǎo)電層12、14的中間。第三層16包括一涂有壓敏電阻材料48的非導(dǎo)電織物。壓敏電阻材料48在非導(dǎo)電第三層16上是非連續(xù)的。這層壓敏電阻材料48涂在非導(dǎo)電第三層16上，從而形成一種多個壓敏電阻材料48的限定塊的設(shè)置。
當(dāng)壓敏電阻材料48以一系列塊的形式設(shè)置在第三層16上時，這允許第一、第二和第三層12、14和16在不具有壓敏電阻材料48的點上連接在一起。第一、第二和第三層12、14和16以一系列的直線連接在一起，所述線作用在多個壓敏電阻材料48的限定塊之間。通過將這些層連接起來，具有更為穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，并且還大大減小了由使用時傳感器的褶曲而引起的錯誤讀數(shù)的可能性。
在圖5中，觸摸襯墊40進一步包括一個第四覆蓋層42；第四層42設(shè)置有可見指示44。在這個例子中，可見指示44為數(shù)字1到9，并且對于用戶它們表示9個不同的按壓按鈕，它們對應(yīng)于在第三層16上的多個壓敏電阻材料48的塊。注意，一個第五覆蓋層也可以施加到該襯墊的背面。
圖6是該織物結(jié)構(gòu)接觸傳感器10的制造方法流程圖。制造該織物結(jié)構(gòu)接觸傳感器10的方法在其最簡單的形式中包括步驟接收600第一和第二導(dǎo)電層12、14，接收604第三層16，第三層16包括一個涂有壓敏電阻材料18的非導(dǎo)電織物，以及構(gòu)成606這些層，使得第三層16在第一和第二層12、14中間。
在這個構(gòu)造接觸傳感器10的方法的基本方案中，已經(jīng)為第三層16涂有壓敏電阻材料18。然而，在非導(dǎo)電第三層16的接收604之前，該方法能夠進一步包括將壓敏電阻材料18涂覆在第三層16上的步驟602。通過將涂覆第三層16的步驟602包括在構(gòu)造接觸傳感器的方法中，在選擇壓敏電阻材料18涂覆的合理設(shè)置上獲得了更大的靈活性。
例如，使用壓敏電阻材料對第三層16的涂覆602可以用于在非導(dǎo)電第三層16上建立一個非連續(xù)的壓敏電阻材料涂層。這樣的設(shè)置已經(jīng)在圖4中示出并且在前面已經(jīng)詳細描述了。所述非連續(xù)設(shè)置是這樣的，使用壓敏電阻材料48對第三層16的涂覆602在非導(dǎo)電第三層16上建立一個壓敏電阻材料48涂層，從而形成一種多個壓敏電阻材料48的限定塊的設(shè)置。
該方法還包括可選步驟612，這意味著該制造方法進一步包括，在這些層的構(gòu)成606之前，接收612一個第四層42，第四層42設(shè)置有可見指示44。步驟606是這些層整體的構(gòu)成，從而制造出接觸傳感器10的本體，步驟606可以還包括在不具有壓敏電阻材料18的點上將這些層12、14和16連接在一起。在一個優(yōu)選實施例中，如圖5所示，這些層的構(gòu)成606包括以一系列直線的方式將這些層連接在一起，所述線作用在多個壓敏電阻材料18的限定塊之間。
在這些層的構(gòu)成606之后，該方法進一步包括在層12和14上分別附加兩對電極20和22，第一對電極20連接到第一外層12以及第二對電極22連接到第二外層14，這兩對電極相互垂直。該方法還進一步包括連接電子電路30到這兩對電極20和22。
一旦構(gòu)成了接觸襯墊傳感器10，就能夠?qū)⑵浣Y(jié)合到大范圍的織物上，例如用于衣服或家具。下述應(yīng)用是該傳感器最適合的用途，壁紙內(nèi)的照明調(diào)光器/開關(guān)，座椅、沙發(fā)、床墊或浴室防滑墊內(nèi)的指重表傳感器，交互式博弈游戲墊或墻帷，探測人行走其上位置的引導(dǎo)或安全地毯，具有力感測的織物鋼琴，在沙發(fā)或毯子(家用、車用)內(nèi)控制周圍電子設(shè)備和/或座椅位置的接觸面板，分析行走/奔跑模式的鞋墊，以及織物顯示器的觸摸屏(織物顯示器放置在織物觸摸襯墊的頂上)。
圖7中描述了一種這樣的應(yīng)用，其中示出了在一件夾克700上使用的兩個接觸傳感器的例子。覆蓋一支袖子的第一傳感器702能夠典型的用作位置感測音量控制條，位置感測音量控制條連接到MP3播放器。第二傳感器襯墊704能夠用作接觸襯墊，來寫入文本信息。后面一個應(yīng)用必須要求附加的反饋機構(gòu)(音頻或視頻)，沒有示出所述反饋機構(gòu)。
總之，與已知的現(xiàn)有技術(shù)相比，解決了如下問題。負荷感測材料不使用為一片負荷感測無紡布或一片負荷感測彈性體，而是能夠以任何期望的形狀和結(jié)構(gòu)局部印刷。通過出現(xiàn)在油墨中的導(dǎo)電粒子所占的分數(shù)(fraction)，能夠確定獲得大于零的電導(dǎo)所需要的閾值負荷。電導(dǎo)與負載的斜率，即襯墊的負荷敏感度也依賴于在油墨中導(dǎo)電粒子的填充分數(shù)。由于通過印刷自由的展開，織物能夠相互縫合在一起，避免了這些層的滑動(滑動導(dǎo)致需要重新校準)。不需要間隔物，并且這種材料能夠褶曲而不會產(chǎn)生錯誤信號。這種復(fù)合材料全部是具有敞開結(jié)構(gòu)的紡織品，從而保持了紡織品固有的通氣特性。
權(quán)利要求
1.一種織物結(jié)構(gòu)接觸傳感器，包括第一和第二外部導(dǎo)電層(12，14)，以及第一和第二導(dǎo)電層(12，14)中間的一個第三層(16)，其中第三層(16)包括一涂有壓敏電阻材料(18，48)的非導(dǎo)電織物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其中壓敏電阻材料(48)在非導(dǎo)電第三層上是非連續(xù)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的接觸傳感器，其中壓敏電阻材料(48)涂覆在非導(dǎo)電第三層(16)上，從而形成一種多個壓敏電阻材料(48)的限定塊的設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的接觸傳感器，其中第一、第二和第三層(12，14，16)在不具有壓敏電阻材料(48)的點上連接在一起。
5.根據(jù)從屬于權(quán)利要求3的權(quán)利要求4所述的接觸傳感器，其中第一、第二和第三層(12，14，16)以一系列的直線連接在一起，所述線作用在多個壓敏電阻材料(48)的限定塊之間。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的接觸傳感器，進一步包括一個第四層(42)，第四層(42)設(shè)置有可見指示(44)。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的接觸傳感器，進一步包括兩對電極(20，22)，連接到第一外層(12)的第一對電極(20)和連接到第二外層(14)的第二對電極(22)，這兩對電極(20，22)相互垂直。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的接觸傳感器，進一步包括連接到這兩對電極(20，22)的電子電路(30)。
9.一種制造織物結(jié)構(gòu)接觸傳感器的方法，包括步驟接收(600)第一和第二導(dǎo)電層(12，14)，接收(604)一個第三層(16)，所述第三層(16)包括一個涂有壓敏電阻材料(18，48)的非導(dǎo)電織物，以及構(gòu)成(606)這些層，使得第三層(16)在第一和第二層(12，14)中間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進一步包括，在接收(604)所述非導(dǎo)電第三層(16)之前，將壓敏電阻材料(18，48)涂覆在第三層(16)上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中使用壓敏電阻材料(48)對第三層(16)的涂覆(602)在非導(dǎo)電第三層(16)上建立了一個非連續(xù)的壓敏電阻材料(48)涂層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中使用壓敏電阻材料(48)對第三層(16)的涂覆(602)在非導(dǎo)電第三層(16)上建立了一個壓敏電阻材料(48)涂層，形成一種多個壓敏電阻材料(48)的限定塊的設(shè)置。
13.根據(jù)權(quán)利要求9～12任一所述的方法，進一步包括，在構(gòu)成(606)這些層之前，接收(612)一個第四層(42)，所述第四層(42)設(shè)置有可見指示(44)。
14.根據(jù)權(quán)利要求9～13任一所述的方法，構(gòu)成這些層(606)進一步包括在不具有壓敏電阻材料(48)的點上將這些層連接在一起。
15.根據(jù)從屬于權(quán)利要求12的權(quán)利要求14所述的方法，其中構(gòu)成這些層(606)包括以一系列直線的方式將這些層連接在一起，所述線作用在多個壓敏電阻材料(48)的限定塊之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求9～15任一所述的方法，進一步包括在這些層上固定(608)兩對電極(20，22)，連接到第一外層(12)的第一對電極(20)和連接到第二外層(14)的第二對電極(22)，這兩對電極(20，22)相互垂直。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進一步包括連接(610)電子電路(30)到這兩對電極(20，22)。
全文摘要
織物結(jié)構(gòu)接觸傳感器包括第一和第二外導(dǎo)電層，以及第一和第二導(dǎo)電層中間的一個第三層。第三層包括一涂有壓敏電阻材料的非導(dǎo)電織物。在一個優(yōu)選實施例中，將壓敏電阻材料涂覆在非導(dǎo)電第三層上，從而形成一種多個壓敏電阻材料的限定塊的設(shè)置，以及第一、第二和第三層以一系列直線的方式連接在一起，所述線作用在多個壓敏電阻材料的限定塊之間。
文檔編號G01L1/18GK1938677SQ200580010693
公開日2007年3月28日 申請日期2005年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月31日
發(fā)明者J·M·克蘭斯, M·P·B·范布魯根, G·J·A·德斯圖拉, J·M·J·登圖恩德, J·T·A·維爾德比克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司