專利名稱：織物和電子部件的結(jié)構(gòu)的制作方法
織物和電子部件的結(jié)構(gòu)
此發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)，其包括多個纖維的織物和若干安裝于該織物上的電 子部件。該結(jié)構(gòu)的織物可以通過編織生產(chǎn)。本發(fā)明還涉及將該結(jié)構(gòu)作為電 子部件和連接導(dǎo)體的網(wǎng)絡(luò)操作的方法。
紡織品用于日常生活中。當(dāng)將紡織品和電子器件集成時，出現(xiàn)了新的 應(yīng)用領(lǐng)域。將電子部件集成到衣服中在稱作隨身計算的領(lǐng)域中正在成為曰 益重要的區(qū)域。涂覆和編織技術(shù)中的進(jìn)展已經(jīng)使得工業(yè)和研究能夠產(chǎn)生耐 用的絲線和紡織品，該絲線和紡織品是高度傳導(dǎo)的并且與常規(guī)織物一樣柔 韌。在服裝被穿著時，該服裝能夠測量諸如用戶的溫度的生物統(tǒng)計的特性 是可能的。該數(shù)據(jù)能夠用于例如醫(yī)學(xué)和運(yùn)動應(yīng)用中，其中，監(jiān)控人的重要 統(tǒng)計資料。
例如，國際專利申請公開WO03/094719公開了編織的電子紡織品、紗 線及物品。編織的物品包括經(jīng)線中的多個電絕緣的和/或電傳導(dǎo)的紗線及與 經(jīng)線中的紗線交織的緯線中的多個電絕緣的和/或電傳導(dǎo)的紗線。經(jīng)線和/ 或緯線中的功能紗線包括細(xì)長的基底，基底上包含至少一個電導(dǎo)體和至少 一個電子器件，其中電導(dǎo)體直接和/或間接地設(shè)置用于連接到電子器件的電 接觸。
此文獻(xiàn)中描述的技術(shù)中使用的方法具有若干缺點(diǎn)。例如，必須在物品 制成之前將電子器件安裝到編織到織物中的基底上。這嚴(yán)重地限制了用于 織物中的器件的選擇，因?yàn)檫x擇的器件將必須相對小和非常魯棒以經(jīng)受得 住剩下的編織工藝。必須針對要使用織物的每個應(yīng)用重新設(shè)計織物，或者 必須為所有應(yīng)用產(chǎn)生通用的織物，其在許多情形下可能具有多余的部件。 這些解決方案都昂貴。還有，得到的織物不具有好的故障容差，因?yàn)樵诩?工到完成的物品中后支撐器件的基底中的失靈會導(dǎo)致該物品不能執(zhí)行其功 能。
美國專利6080690中公開了不同的系統(tǒng)，其示出了具有集成的感測器
件的紡織品織物和由該織物制造的衣服。紡織品織物包括多個電傳導(dǎo)的纖 維和至少一個電子傳感器或多個感測纖維。紡織品織物意在用于制造到衣 服或由編織的紡織品織物制成的其它產(chǎn)品的功能物品中。
此文獻(xiàn)中討論的織物意在有助于穿戴者監(jiān)控存在于該穿戴者上的生物 醫(yī)學(xué)信息和/或環(huán)境條件。多個電傳導(dǎo)纖維和感測器件的特征是產(chǎn)生到便攜 式電子監(jiān)控器件或諸如加熱和冷卻帶、電子器件等的集成的部件的互聯(lián)， 或用作用于集成的電子部件和遙控器件之間接收的和發(fā)送的信號的天線。
此現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中公開的織物中存在若干弱點(diǎn)?？椢镉?絕緣的)傳 導(dǎo)纖維和具有諸如安裝于纖維上的顯示器的電子部件的(非絕緣的)感測 纖維的編織品制成。雖然這是加工簡單的織物，但是安裝的任何部件必須 穿透到傳導(dǎo)纖維的絕緣層中以連接到該纖維，這是不必要地復(fù)雜的和較小 容差的加工過程。雖然安裝的部件直接連接到監(jiān)控諸如體溫的數(shù)據(jù)的感測 纖維，但是沒有方法用于安裝的部件與另外的部件通信。如前所述，最后 的服裝不是故障容錯的。例如，如果安裝有部件的傳導(dǎo)纖維上發(fā)生故障， 則此部件將不起作用。
Lancaster University的i十算系的Kristof Van Laerhoven， Nicolas Villar 禾口 Hans-Werner Gellersen寫的"A Layered Approach To Wearable Textile Networks"中公開了用于安裝電子部件到服裝上的另一方法。此論文介紹了 容許在可穿戴部件之間通信、而且還能夠給這些部件供電的柔韌網(wǎng)絡(luò)的功 能原型。使用分層的紡織品布置，這與更傳統(tǒng)的已選擇路徑的(routed)電 路布局相反，其導(dǎo)致朝向柔韌衣服網(wǎng)絡(luò)概念的創(chuàng)新途徑。
此論文中公開的服裝具有三個疊層的層外部和內(nèi)部傳導(dǎo)層，期間具 有絕緣層。部件設(shè)置有插入疊層的兩個不同長度的插腳。較短的插腳與外 層相通，而較長的插腳穿透到內(nèi)層中。該疊層服裝在許多情形下對于用戶 來說是不實(shí)用的，并且不支持簡單的制造過程，因?yàn)樗荒苡删幙梺砑庸ぁ?在一個或多個部件不工作時，該服裝不提供故障容差。
紡織品在日常基礎(chǔ)上容易遭受磨損和撕裂的影響。這意味著集成到紡 織品中的任何電子器件也易遭受此退化過程。為使集成到紡織品中的電子 系統(tǒng)是故障容錯的，系統(tǒng)必需具有特別的功能性。現(xiàn)代紡織品的一些性質(zhì) 是它們是以低成本生產(chǎn)的并且它們的生產(chǎn)是以高速率運(yùn)行的連續(xù)過程。
印刷電路板和使用光刻技術(shù)的用于電子部件的其它傳統(tǒng)承載物能夠處 理平坦的金屬層上的任意圖案。編織的紡織品不容許設(shè)計中如此大的自由 度。它們經(jīng)常在經(jīng)線和緯線方向中需要連續(xù)的線。
用于紡織品的已知技術(shù)是在經(jīng)緯線方向上使用傳導(dǎo)的紗線，以生產(chǎn)包
括行和列的編織的矩陣。如果使用n行和m列，則能夠訪問(address) nm 個元件。然而，使用該編織的矩陣時，存在若干缺點(diǎn)。
對于n行和m列的矩陣，在矩陣和矩陣的控制器/驅(qū)動器之間需要n+ m個連接。這需要織物上的表面面積，其否則能夠用于更多元件，或以減 小整個設(shè)計的表面面積。用于編織的矩陣的應(yīng)用受到尺寸和布局在織物的 設(shè)計時被限定的事實(shí)的限制。要在矩陣中使用的元件必需在行和列的交叉 點(diǎn)處。矩陣和驅(qū)動器之間的連接是固定的，并且從而將在腦子中就某種應(yīng) 用和維度設(shè)計編織的矩陣。
為了示例編織的矩陣的不方便，諸如襯衫的服裝能夠具有集成到其中 的傳感器，以測量數(shù)個身體的功能，諸如心率和呼吸。為制成該襯衫，首 先需要知道將傳感器放置在襯衫上什么地方，然后設(shè)計該襯衫的矩陣。對 于不同尺寸的人，此襯衫可能太小或太大。從而，需要另一襯衫，需要另 一矩陣設(shè)計。換句話說，編織的矩陣不能能夠定做(cut to measure)。另外， 該設(shè)計具有許多冗余并且加工復(fù)雜。
因此本發(fā)明的目的是提高現(xiàn)有技術(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種包括織物和安裝于織物上的電子 部件的結(jié)構(gòu)，所述織物包括纖維的經(jīng)緯線，每根所述經(jīng)緯線包括導(dǎo)電纖維 和不導(dǎo)電纖維的組合，每個電子部件連接到至少一根導(dǎo)電纖維。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種操作結(jié)構(gòu)的方法，所述結(jié)構(gòu)包括 織物和安裝于織物上的電子部件，所述織物包括纖維的經(jīng)緯線，每根所述 經(jīng)緯線包括導(dǎo)電纖維和不導(dǎo)電纖維的組合，每個電子部件連接到至少一根 導(dǎo)電纖維，所述方法包括經(jīng)由所述導(dǎo)電纖維給所述電子部件供電和經(jīng)由所 述導(dǎo)電纖維在所述電子部件之間通信。
歸功于本發(fā)明，通過特別在系統(tǒng)中的部件和給這些部件的電力供應(yīng)之 間疊加通信，提供一種系統(tǒng)的總的布線大大減少的結(jié)構(gòu)是可能的。這導(dǎo)致可能減小整個設(shè)計的表面面積。
上述結(jié)構(gòu)的設(shè)計容許織物能夠處理定做，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)能夠在織物剪裁后 完成。結(jié)構(gòu)部件之間的小的布線量容許簡單通用的紡織品設(shè)計布局，其適 合編織機(jī)器的經(jīng)緯線方向。
本發(fā)明還支持在運(yùn)行時能夠探測系統(tǒng)的哪些元件在操作、同時保持系 統(tǒng)的布線簡單的系統(tǒng)。因?yàn)榇撕唵蔚牟季€方案，所以能夠制成與編織機(jī)器 兼容的通用布局。
優(yōu)選地，該結(jié)構(gòu)還包括至少一個連接一對導(dǎo)電纖維的電傳導(dǎo)的橋部件。 通過使用一個或多個橋，能夠獲得部件的相對復(fù)雜的連接布局。通過使用 橋部件，大大增加了能夠用作用于電子部件的基底的織物的形狀的可能性。
有益地，電子部件包括多個線元件的末端和對應(yīng)的多組線元件，每組 線元件連接到線元件的末端，并且每個線元件的末端連接到相鄰的線元件 的末端。將部件分組成包括連接到線元件的末端的一組線元件的邏輯單元 支持簡單和有效地產(chǎn)生獨(dú)立但互聯(lián)的功能塊。
理想地， 一組線元件并聯(lián)連接到相應(yīng)的線元件的末端，并且每個線元 件的末端布置為詢問與它直接連接的每個線元件。能夠在運(yùn)行時探測局部 電力失靈，并且從而探測通信失靈。這給予嵌入織物和部件的結(jié)構(gòu)中的電 子系統(tǒng)尋找實(shí)現(xiàn)其功能的可選途徑的可能。
優(yōu)選地，該結(jié)構(gòu)還包括連接到一對導(dǎo)電纖維的電源，并且所述電源連 接到多個獨(dú)立對導(dǎo)電纖維。使用多重連接用于經(jīng)由導(dǎo)電纖維給電子部件網(wǎng) 絡(luò)供電還提高了結(jié)構(gòu)的失效保護(hù)性質(zhì)。
現(xiàn)在將參照附圖通過僅示例的方式描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中


圖1是包括線元件的末端和關(guān)聯(lián)組線元件的若干電子部件的示意圖2是圖1的線元件的內(nèi)部部件的示意圖3是類似于圖1的視圖，示出了多個線元件的末端和它們的關(guān)聯(lián)組 線元件；
圖4是包括纖維的經(jīng)緯線的織物的示意圖5是圖4的其上安裝有線元件的末端的織物的一部分的示意性頂視 圖和兩個橫截面；
圖6是包括織物的結(jié)構(gòu)的示意圖，織物上安裝有電子部件；以及 圖7是示出圖6的電子部件的邏輯布置的示意圖。
圖示出了本發(fā)明結(jié)構(gòu)的多個方面，該結(jié)構(gòu)包括其上安裝有電子部件的 織物。圖l示出了電子部件的邏輯布置，電子部件包括線元件的末端10和 對應(yīng)組線元件12，該組線元件的所有線元件12通過線14連接到線元件的 末端10。
該結(jié)構(gòu)容許以多于一根線連接元件。線具有通信和探測裝置以確定有 多少元件連接到某根線，并且仍然能夠單獨(dú)訪問線中的每個元件。能夠?qū)?多根線連接到一起，使得布局不限于單根線。
圖1示出了連接兩種類型的元件10和12的線14。在線14的一端是線 元件的末端10。在線14自身上，示出了數(shù)個線元件12。線元件的末端10 提供電力給線14，與線元件12的通信能夠疊加到線14上。線元件的末端 IO還能夠確定線14上有多少線元件12。如果標(biāo)識了每個線元件12，則能 夠單獨(dú)地訪問它們，類似于矩陣中的元件。
圖2中示出了線元件12的更詳細(xì)的視圖，其是線元件12的框圖。當(dāng) 電力供應(yīng)到線元件12時，功率探測器16會將電阻18和通信單元20連接 到線14。通過這樣做，提供了一種手段，其用于線元件的末端10 了解有多 少線元件12在線14上，并且從而提供系統(tǒng)中的電力失靈的局部探測。
功能單元22確定具體的線元件12的功能性。例如，功能單元22可以 用于測量心率或呼吸。單元22可以具有單個專用的功能或者它可以通過線 元件的末端10重新配置。通過給每個線元件12獨(dú)特的標(biāo)識24，能夠單獨(dú) 地訪問每個線元件12。
以與線元件的末端10與和其相連的線元件12通信的相同方式，在設(shè) 置多于一根線14的情形中，線元件的末端10也能夠與其它的線元件的末 端10通信。線元件的末端10也具有獨(dú)特的標(biāo)識，其容許區(qū)別不同的線。
圖3示出了包括通過線元件的末端10彼此連接的多根線14的系統(tǒng)。 此設(shè)計中的電子部件包括多個線元件的末端10和對應(yīng)的多組線元件12，每 組線元件12連接到線元件的末端10。每個線元件的末端10連接到相鄰的 線元件的末端10。多組線元件12并聯(lián)連接到它們相應(yīng)的線元件的末端10。
圖3中，兩根故障線26指示系統(tǒng)中的故障。能夠探測這些故障，因?yàn)?在所有的線中，線上的阻抗發(fā)生變化，并且一個線元件的末端10不再響應(yīng) 于由其它的線元件的末端10發(fā)起的通信。每個線元件的末端10布置為詢 問與它直接連接的每個線元件12。能夠周期地執(zhí)行此詢問，以確定哪個線 元件12仍然起作用，并且能夠相應(yīng)地調(diào)整線元件12的控制。
以此方式探測故障給系統(tǒng)提供了嘗試和了解以剩余的元件10和12能 否實(shí)現(xiàn)相同的功能性的機(jī)會。例如，在某些情形中，在身體的非最佳位置 測量心率也可能是足夠的。給線元件的末端10的上部的電力供應(yīng)中的故障 對系統(tǒng)是致命的，除非增加用于電力的多余的連接。
圖4示出了適合于紡織品的通用布局。此圖中，織物28包括纖維30 的經(jīng)緯線，每根經(jīng)緯線包括導(dǎo)電纖維和不導(dǎo)電纖維的組合。在此圖中，為 清楚目的，僅示出了導(dǎo)電纖維30。能夠保持如上所述的電子部件10和12 的布線非常簡單。由于此，能夠?qū)Ψ浅拸V范圍的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)編織兼容的和 通用的布局。此布局的所有傳導(dǎo)紗線在經(jīng)緯線方向上。能夠通過傳統(tǒng)的編 織生產(chǎn)織物28，或者能夠通過諸如剌繡、鉤織、針織的技術(shù)，及甚至通過 沉積傳導(dǎo)聚合物或金屬到織物基底上由印刷技術(shù)生產(chǎn)織物28。
為闡明此，圖5示出了安裝于織物28上的線元件的末端IO的頂視圖， 和具有線元件的末端10的織物28的兩個橫截面。每個電子元件10或12 連接到至少一根導(dǎo)電纖維30。圖5中，線元件的末端10是十字形的并且在 兩個經(jīng)緯線方向上連接到導(dǎo)電纖維30。
圖5中的橫截面視圖示出了織物28的兩個可選布置。根據(jù)在經(jīng)線中使 用的不導(dǎo)電纖維32的數(shù)量，兩個布置不同。不導(dǎo)電纖維32用于將未絕緣 的導(dǎo)電纖維30隔開。這避免結(jié)構(gòu)中的短路。每根纖維32包括諸如例如聚 酯的簡單塑料或諸如棉花的天然材料的一致材料。不具有絕緣涂層的導(dǎo)電 纖維30可以包括合適的金屬纖維或金屬合金纖維，諸如具有銀涂層的鋼纖 維。
織物28中使用的不導(dǎo)電纖維32的實(shí)際數(shù)量是設(shè)計選擇的問題并且依 賴于用于纖維30和32的材料、及最終使用該織物28的服裝或物品。當(dāng)在 編織結(jié)構(gòu)中僅使用兩層時，會出現(xiàn)浮紗(floatation)。對于具有三或更多層 的編織的結(jié)構(gòu)，能夠避免浮紗。圖4的結(jié)構(gòu)不限于兩或三層，能夠使用更
多的層。通常，不期望織物有浮紗。它們具有高的被尖銳物體絆住的風(fēng)險。 通常優(yōu)選地避免浮紗，尤其在電子紡織品的傳導(dǎo)的線中，因?yàn)榫哂懈〖喸?加電連接隨時間被毀壞的可能。
除線元件的末端10和多組線元件12夕卜，結(jié)構(gòu)中使用的部件還能夠包 括至少一個導(dǎo)電的橋部件，其用于連接一對導(dǎo)電纖維30。這些連接的纖維 可以靠在一起或可以由織物28的顯著部分隔開。橋部件用于增加能夠使用 的織物28的形狀的可能性。這支持剪裁以適合織物28的性質(zhì)，能夠按照 最終應(yīng)用所期望的將織物28整形，在剪裁織物28后增加電子部件。
使用圖4的織物的布局和線元件的末端10、線元件12及橋的三部件類 型的，能夠以任意形狀制成非常寬廣的變化的系統(tǒng)。圖6示出了能夠生成 的形狀的該范例。圖6的織物與圖4中所示的相同。圖中，從織物28剪裁 某一形狀。這由黑點(diǎn)線34指示。
在從織物28剪裁出的形狀上，能夠通過以具體方式連接線元件的末端 10、線元件12及橋36到織物28來構(gòu)成某一電子系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)的加工方法 是使得能夠在剪裁織物28之前或之后(依賴于針對特定應(yīng)用哪一個更方便) 將線元件的末端10、線元件12及橋36增加到織物。
以上討論了線元件的末端10和線元件12，在圖6中所示的設(shè)計中新元 件橋36用于三個不同地方。橋36是將數(shù)個列或行連接到一起的部件。在 其最簡單的形式中，橋部件會將一對傳導(dǎo)纖維30結(jié)合到一起，但是實(shí)際上， 在大多數(shù)應(yīng)用中，會將多根纖維30結(jié)合到一起。
例如，圖6中的橋(標(biāo)注q)連接"列"纖維CO到纖維C2和纖維Cl 到纖維C3。類似的橋r連接"行"纖維R5到纖維R3和纖維R4到纖維R2。 如果列和行纖維之間的間距相同，則不管行或列是否被結(jié)合，僅需要一種 類型的橋。
剪裁時，圖6中所示的結(jié)構(gòu)還會包括連接到一對導(dǎo)電纖維30的電源， 用于給電子部件供應(yīng)電力。電源將連接到導(dǎo)電纖維30的多個獨(dú)立的對，以 提高設(shè)計的魯棒性。
圖7示出了圖6中所示的系統(tǒng)的電等同系統(tǒng)。在剪裁織物后，存在將 電源38連接到系統(tǒng)的數(shù)種不同的可能性。這些可能性在圖6和7中在織物 的邊緣處由字母A、 B及C示出。理論上，要使系統(tǒng)操作，僅需將點(diǎn)A、 B
或C中的一個連接到電源38。不管紡織品如何能夠經(jīng)受磨損和撕裂，建議 可能時使用所有連接以提高系統(tǒng)的故障容差。
上述結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域是隨身的和紡織品電子器件。所述結(jié)構(gòu)在定做是 重要的情形中尤其有用。利用對電力和部件失靈的局部探測及利用通用紡 織品設(shè)計布局，該結(jié)構(gòu)支持電子紡織品的定做。
權(quán)利要求
1、一種包括織物(28)和安裝于織物上的電子部件(10、12)的結(jié)構(gòu)，所述織物(28)包括纖維(30、32)的經(jīng)緯線，每根所述經(jīng)緯線包括導(dǎo)電纖維(30)和不導(dǎo)電纖維(32)的組合，每個電子部件(10、12)連接到至少一根導(dǎo)電纖維(30)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的結(jié)構(gòu)，并且還包括至少一個連接一對導(dǎo)電纖 維(30)的電傳導(dǎo)的橋部件(36)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述電子部件(10、 12) 包括多個線元件的末端(10)和對應(yīng)的多組線元件(12)，每組線元件(12) 連接到線元件的末端(10)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的結(jié)構(gòu)，其中，每個線元件的末端(10)連接 到相鄰的線元件的末端(10)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的結(jié)構(gòu)，其中， 一組線元件(12)并聯(lián)連 接到相應(yīng)的線元件的末端(10)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3、4或5所述的結(jié)構(gòu)，其中，每個線元件的末端(IO) 布置為詢問與它直接連接的每個線元件(12)。
7、 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的結(jié)構(gòu)，并且還包括連接到一對導(dǎo)電纖 維(30)的電源(38)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述電源(38)連接到多對獨(dú) 立的導(dǎo)電纖維(30)。
9、 一種操作結(jié)構(gòu)的方法，所述結(jié)構(gòu)包括織物(28)和安裝于織物上的 電子部件(10、 12)，所述織物(28)包括纖維(30、 32)的經(jīng)緯線，每根 所述經(jīng)緯線包括導(dǎo)電纖維(30)和不導(dǎo)電纖維(32)的組合，每個電子部 件(10、 12)連接到至少一根導(dǎo)電纖維(30)，所述方法包括經(jīng)由所述導(dǎo)電 纖維(30)給所述電子部件(10、 12)供電和經(jīng)由所述導(dǎo)電纖維(30)在 所述電子部件(10、 12)之間通信。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述結(jié)構(gòu)還包括至少一個連 接一對導(dǎo)電纖維(30)的電傳導(dǎo)的橋部件(36)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其中，所述電子部件(10、 12) 包括多個線元件的末端(10)和對應(yīng)的多組線元件(12)，每組線元件(12) 連接到線元件的末端(10)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其中，每個線元件的末端(10)連 接到相鄰的線元件的末端(12)。
13、 根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其中， 一組線元件(12)并 聯(lián)連接到相應(yīng)的線元件的末端(10)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求11、 12或13所述的方法，并且還包括從與每個線 元件(12)直接連接的每個線元件的末端(10)詢問每個線元件(12)。
全文摘要
一種包括其上安裝有電子部件(10、12)的織物(28)的結(jié)構(gòu)。所述織物(28)包括纖維(30、32)的經(jīng)緯線，每根所述經(jīng)緯線包括導(dǎo)電纖維(30)和不導(dǎo)電纖維(32)的組合。所述電子部件(10、12)連接到至少一根導(dǎo)電纖維(30)。在優(yōu)選實(shí)施例中，電子部件包括多個線元件的末端(10)和對應(yīng)的多組線元件(12)，每組線元件(12)連接到線元件的末端(10)。
文檔編號D03D15/00GK101384186SQ200780005545
公開日2009年3月11日 申請日期2007年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月15日
發(fā)明者A·U·道格拉斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司