CZ308614B6 - Vodivá pružná tkaná stuha - Google Patents

Abstract

Vodivá pružná tkaná stuha (1) obsahuje základní vlákna (4), kterými jsou přírodní a/nebo chemická vlákna, pružná vlákna (3), která tvoří alespoň část osnovních nití této pružné tkané stuhy pro dosažení její natahovatelnosti ve směru osnovních nití, a alespoň jednu vodivou niť (2), která obsahuje alespoň jeden kovový mikrodrátek (2a) a která v alespoň některých oblastech prochází po povrchu této pružné tkané stuhy.

Description

Vodivá pružná tkaná stuha

Oblasti techniky

Vynález se týká vodivé pružné tkané stuhy, která obsahuje polyesterová vlákna a pružná vlákna, z nichž alespoň část tvoří osnovní nitě této pružné tkané textilie pro dosažení její natahovatelnosti ve směru osnovních nití. Zejména se vynález týká pružných elektricky vodivých textilních propojovacích stuh, zejména vhodných pro integraci elektronických prvků do smart textilií a smart oděvů.

Dosavadní stav techniky

Elektricky vodivé propojovací prvky jako jsou vodiče, lanka, či kabely jsou nezbytné pro vytvoření elektrického spojení elektronických bloků do větších celků. Tato elektricky vodivá propojení jsou nezbytná i ve všech smart textilních produktech, které kombinují konvenční textilní výrobky s jakýmikoliv elektronickými prvky.

V případě smart textilií a smart textilních oděvů však není možné použít konvenční vodivé propojovací prvky, jako jsou běžné vodiče, lanka, či kabely z důvodů jejich omezené flexibility, nedostatečného komfortu při nošení a neslučitelnosti těchto vodivých propojovacích prvků se standardními metodami údržby textilních výrobků jako je automatické praní či sušení.

Z dosavadního stavu techniky jsou známé vodivé textilní propojovací pásky či stuhy, které obsahují svazky zatkaných kovových drátků. Tyto stuhy zpravidla obsahují kromě kovových drátků textilní, zpravidla polyesterová vlákna, a to v útku i osnově. Kovové drátky jsou zpravidla opatřeny izolační vrstvou z polyurethanu a jsou ve stuze zatkány takovým způsobem, aby na povrchu nebyly viditelné a byly tedy skryté uvnitř stuhy. Tento fakt výrazným způsobem komplikuje realizaci elektrického kontaktu s kovovými drátky na konci nebo dokonce podél vodivé stuhy. Vytvoření kontaktu je například možné pouze mechanickým odstraněním polyesterových vláken na konci stuhy a ponořením izolovaných kovových drátků do roztavené pájky, čímž dojde k jejich odhalení a odstranění izolační vrstvy. Tento proces však způsobí zkřehnutí drátků v místě spoje, což vyžaduje následné zapouzdření pájené oblasti. Jiné metody kontaktování těchto stuh, jako je např. ultrazvukové svařování, odporové svařování, termokompresní bondování, prošívání vodivými nitěmi či lepení vodivými lepidly, nejsou dostatečně účinné a spolehlivé.

Další podstatnou vlastností omezující použití známých vodivých stuh je skutečnost, že stuhy ze své podstaty nejsou pružné. To omezuje jejich použití pouze na tzv. vícevrstvé oděvy a tkané textilní produkty. Tyto stuhy není možné použít pro strečové, jednovrstvé či pružné oděvy a jim podobné výrobky, ani pro textilní produkty realizované technologií pletení.

Z dosavadního stavu techniky jsou dále známé, tzv. hybridní vodivé šicí nitě a příze sestávající z kovových mikrodrátků nebo pokovených polymemích vláken seskaných s dalšími polymemími vlákny zajišťujícími nezbytnou pevnost a další textilní vlastnosti nitě či příze. Tyto lineární textilní produkty je možné integrovat do libovolných smart textilních oděvů a produktů konvenčními textilními technologiemi. V případě technologie vyšívání vodivých drah ve tvaru meandru nebo technologie pletení je možné docílit i pružných propojovacích struktur. Pomocí obou zmíněných technologií je však nemožné, nebo velice obtížné překonávat švy, které se přirozeně vyskytují na textilních výrobcích. Realizace komplexních propojovacích prvků na smart textilních oděvech a výrobcích je tedy velice obtížně představitelná.

Úkolem vynálezu je proto vytvoření lineárního textilního prvku, který bude plnit fúnkci elektrického vodiče, nebo skupinu vzájemně odizolovaných vodičů. Tento prvek bude dostatečně pružný, aby byl integrovatelný známými textilními technologiemi nejen do vícevrstvých smart textilních oděvů a dalších textilních výrobků, ale i do jednovrstvých oděvů, pletenin, či strečových a pružných textilií, byl odolný standardním procesům údržby textilu, jako je praní či sušení. Je žádoucí, aby lineární elektricky vodivý textilní prvek byl snadno a spolehlivě elektricky kontaktovatelný nejen na svých koncích, ale i v jeho libovolné části po jeho délce, nejlépe technikami ultrazvukového či odporového svařování, přešívání vodivou nití, či technikou krimpování.

Z WO 2006131810 je známa textilie jejíž osnovní nitě jsou tvořeny elastanovým vláknem a v útku je veden mikrodrátek. Nevýhodou takového řešení je relativně krátká funkčnost, protože opakovaným natahováním / uvolňováním pružné textilie a opakovaným praním dochází k brzkému poškození mikrodrátku a tím k přerušení vodivé dráhy.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky dosavadního stavu techniky jsou vyřešeny pomocí vodivé pružné tkané stuhy, která obsahuje základní vlákna, kterými jsou přírodní a/nebo chemická vlákna, a pružná vlákna, přičemž alespoň část pružných vláken tvoří nebo je součástí alespoň některých osnovních nití této pružné tkané textilie pro dosažení její natahovatelnosti ve směru osnovních nití, a tato textilie dále obsahuje alespoň jednu vodivou niť, která obsahuje alespoň jeden kovový mikrodrátek a která v alespoň některých oblastech prochází po povrchu této pružné tkané textilie.

Kovové mikrodrátky jsou nekonečné / kontinuální mikrodrátky, z materiálu vybraného ze skupiny, kterou tvoří měď, postříbřená měď, mosaz, bronz, slitina mědi a niklu, slitina chrómu a niklu, nerezová ocel, a přednostně mají průměr 10 až 50 mikrometrů. Vodivá pružná tkaná textilie je utkaná za působení tahu na pružné nitě nebo pružná vlákna, která jsou součástí osnovních nití. To, ale není nutné v případě, že jsou všechny osnovní nitě tvořené pružnými vlákny nebo pružnými nitěmi a vodivá niť / vodivé nitě jsou vedeny v útku.

Vodivá niť obsahuje soustavu kovových mikrodrátků, přednostně 2 až 12 kovových mikrodrátků, a soustavu přírodních nebo chemických vláken, jejichž materiál je vybrán ze skupiny, kterou tvoří polyester, polypropylen, polyamid, jejich modifikace, viskóza, bavlna a jejich směsi.

Ve výhodném provedení vodivá pružná tkaná textilie obsahuje alespoň jednu soustavu vodivých nití, které jsou zatkané do této pružné tkané textilie vedle sebe navzájem pro vytvoření alespoň jedné společné vodivé dráhy.

S výhodou vodivá dráha nebo vodivé dráhy prochází ve směru osnovních nití a/nebo vodivé nitě tvoří část osnovních nití.

Ve zvlášť výhodném provedení je alespoň jedna vodivá dráha uspořádaná tak, že

- prochází po lícovém i rubovém povrchu této pružné tkané textilie, nebo

- prochází jen po lícovém, nebo jen po rubovém povrchu této pružné tkané textilie, nebo

- prochází vnitřkem této pružné tkané textilie a vystupuje na její lícový nebo rubový povrch jen ve vymezených oblastech.

Rovněž je výhodné, když alespoň jedna vodivá dráha je uzpůsobená pro

- propojení s vodivou dráhou další obdobné pružné tkané textilie metodou vybranou ze skupiny tvořené odporovým svařováním, termokompresním bondováním, pájením a krimpováním, a/nebo

- propojení s alespoň jednou elektronickou součástkou desky plošných spojů metodou vybranou ze skupiny, kterou tvoří pájení, vodivé lepení, nevodivé lepení či odporové svařování.

S výhodou alespoň jedna vodivá niť vykazuje závislost elektrického odporu na teplotě. Pro některé aplikace je výhodné, když alespoň některé kovové mikrodrátky jsou opatřené izolačním povlakem.

V dalším výhodném provedení vodivá niť prochází ve směru útku.

Vodivá stuha podle tohoto vynálezu přednostně obsahuje kovové elektricky izolované či neizolované mikrodrátky s průměrem 10 až 50 pm, typicky od 20 pm do 35 pm realizované z mědi, postříbřené mědi, mosazi, bronzu, slitiny mědi a niklu nebo z nerezavějící oceli, které jsou seskány s textilními délkovými lineárními útvary - přízemi, nitěmi nebo nekonečnými vlákny (hedvábí) do podoby výsledné nitě, kterou je možné po jedné nebo ve skupině více těchto nití přímo zatkávat do pružné textilní stuhy. Pružnost stuhy je zajištěna tak, že ve struktuře stuhy jsou kromě klasických textilních nití nebo přízí zatkány rovněž latexové pryžové nekonečné délkové útvary (latexová vlákna) nebo pružné nitě obsahující např. elastomemí vlákna na bázi segmentovaného polyuretHanu (např. elastan). Pružná vodivá stuha je utkávána v napjatém stavu, přičemž po jejím dokončení a uvolnění napětí dojde díky latexovým či elastanovým vláknům k jejímu smrštění do výchozí pozice. Toto smrštění vytvoří ve struktuře stuhy meandrové uspořádání kovových mikrodrátků, které posléze zajišťuje vysokou pružnost vodivé stuhy. Základní vlastností tohoto uspořádání kovových mikrodrátků ve stuze je zejména skutečnost, že při natahování vodivé stuhy nedochází ke změnám hodnoty jejího elektrického odporu, což je výhodné nejen pro realizaci napájecích a komunikačních propojovacích prvků, ale zejména pro elektrické propojování analogových obvodů a pro připojování senzorových prvků, které jsou na změny elektrického odporu vedení mimořádně citlivé.

Jednotlivé kovové mikrodrátky mohou být opatřeny vrstvou termoplastického či termosetového izolačního materiálu, který je na povrchu mikrodrátků vytvořen ještě před seskáním nitě a zatkáním do pružné stuhy, nebo mohou být opatřeny vrstvou izolačního materiálu až při konečné úpravě stuhy po tkaní, tzv. apretačním procesem. Pružná vodivá stuha může obsahovat jednu či více vodivých drah realizovaných pomocí jedné či více vodivých nití sestávající zpravidla z více kovových mikrodrátků. Kombinací počtu vodivých mikrodrátků v niti a počtu vodivých nití vytvářejících společně jednu vodivou dráhu je možné měnit výslednou hodnotu elektrického odporu v rozsahu desetin ohmů až po jednotky ohmů na metr. V případě vícevodičových propojovacích pružných stuh je výhodné, aby rozteč mezi jednotlivými vodivými stuhami byla jednotná a odpovídala roztečím standardně používaným v elektronickém průmyslu. Jedná se, např. o rozteč 2,54 mm, odpovídající 100 mil (mil = tisícina palce). V případě použití vodivých stuh, jako tzv. sběrných elektrod (např. u vyhřívacích pletených struktur) je výhodné, aby vodivá dráha ve stuze byla přítomna pouze jedna a měla vhodnou (tedy relativně velkou) šířku, např. 4 mm.

Vodivá pružná stuha určená pro průběžné kontaktování (tedy umožňující vytvoření elektrického kontaktu nejen na svém počátku a konci) je s výhodou realizována takovým způsobem, aby kovové mikrodrátky byly přítomné na povrchu pružné vodivé stuhy a bylo je možno spolehlivě nakontaktovat metodami prošívání vodivou či nevodivou nití, aplikací vodivého lepidla či nevodivého lepidla, metodou odporového či ultrazvukového svařování nebo metodou mechanického krimpování. Pro elektrické propojení složitějších struktur, jako například elektrické propojení pouze lichých či sudých vodivých drah na textilu (umožňující realizaci tzv. interdigitálních struktur) je výhodné provedení stuhy tak, že jsou kovové mikrodrátky přítomné na povrchu pouze v místech, kde dochází k vytvoření elektrického spoje. V ostatních místech pružné vodivé stuhy jsou kovové mikrodrátky umístěné uvnitř stuhy a nejsou viditelné na jejím povrchu. Tkaná část stuhy zakrývající kovové mikrodrátky pak fúnguje jako elektricky nevodivá vrstva, bránící vytvoření elektrického kontaktu v místech, kde to není žádoucí. Toto uspořádání je vhodné i pro realizaci pružných elektrodových pásků, určených například pro snímání tepové frekvence, pro snímání EKG signálů, monitorování svalové činnosti (sEMG) nebo jako elektrodové struktury pro elektrochemická měření. V tomto případě je z vnější strany pružné vodivé stuhy přítomná pouze plocha elektrody, která přichází do styku s pokožkou, zatímco zbytek vodivé dráhy umožňující odvedení měřeného signálu k vyhodnocovacím elektronickým obvodům je ukryt uvnitř stuhy a elektricky odizolován od okolního prostředí, aby nedocházelo k nežádoucímu ovlivnění přenášeného signálu. Tato struktura pružné vodivé stuhy umožňuje i přímou integraci elektronických součástek nebo desek plošných spojů se součástkami na povrch pružné vodivé stuhy, přičemž propojení jednotlivých vývodů je realizováno pomocí vodivých drah ve stuze, které jsou přítomné na jejím povrchu. Elektrické odizolování sousedních vývodů součástek či desek plošných spojů je možné docílit vhodnou roztečí vodivých drah ve stuze, případně kombinací rozteče vodivých drah a ukrytí vodivých drah pod povrchem stuhy. Metodami pájení, vodivého lepení, nevodivého lepení, nebo odporového či ultrazvukového svařování je tak možné na vodivou pružnou stuhu osazovat disktrétní součástky nebo skupiny součástek umístěných na plošných spojích (tzv. interposerech). Mechanickou odolnost spojení součástek nebo desek plošných spojů s pružnou vodivou stuhou je možné zvýšit pomocí polymemího pouzdřícího materiálu umístěný na realizovaný spoj. S výhodou je možné použít polymemí materiál s UV vytvrzováním.

Podobným způsobem, jako je výše popsáno, je možné realizovat i jednostranně kontaktovatelné vodivé pružné stuhy, které je možné použít například pro realizaci spolehlivých a vysoce mechanicky odolných sběrných elektrod určených, např. pro velkoplošné vyhřívací pleteniny. Z rubové strany vodivé pružné stuhy jsou kovové mikrodrátky přítomné na povrchu a tím umožňují spolehlivé propojení vyhřívací pleteniny, zatímco z lícové strany vodivé pružné stuhy jsou kovové mikrodrátky ukryty pod povrchem, což je výhodné z hlediska odolnosti proti jejich mechanickému poškození.

Pro realizaci pružných propojovacích prvků je možné vytvořit uspořádání stuhy i s oboustranným krytím kovových mikrodrátků, tato varianta však umožňuje kontaktování pouze na počátku a na konci stuhy. Výhodou je vysoká mechanická odolnost tohoto typu vodivé stuhy a spolehlivé elektrické odizolování vodivých drah vůči okolí.

Hlavní předností vodivých stuh podle tohoto vynálezu je jejich vysoká míra pružnosti. Pružné vodivé stuhy je možné opakovaně natahovat (tisíce cyklů natažení) až o 100 % své délky, přičemž nedochází ke změně nominální hodnoty elektrického odporu. Stuhy jsou vysoce odolné proti údržbě praním a mají vysokou odolnost proti oděru.

V pružné vodivé stuze mohou být kromě vodivých drah integrovány i barevné informační pruhy, které slouží, např. pro jednoznačnou identifikaci jednotlivých vodivých drah ve vodivé stuze. Tímto způsobem je např. možné pomocí červeného pruhu označit kladný pól, zatímco, např. pomocí modrého pruhuje označen záporný pól pružné vodivé stuhy.

Objasnění výkresů

Uvedený vynález bude blíže objasněn na následujících vyobrazeních, kde:

Obr. 1 znázorňuje pružnou jednovodičovou vodivou tkanou stuhu pro textilní sběrné elektrody.

Obr. 2 znázorňuje pružnou čtyřvodičovou vodivou tkanou stuhu určenou pro napájení a datovou komunikaci mezi elektronickými jednotkami.

Obr. 3 znázorňuje pružnou třívodičovou vodivou tkanou stuhu s integrovaným lineárním senzorem teploty.

Obr. 4 znázorňuje pružnou dvouvodičovou vodivou tkanou stuhu s částečně skrytými vodivými drahami určenou pro interdigitální elektrody.

Obr. 5 znázorňuje pružnou dvouelektrodovou vodivou tkanou stuhu vodivými drahami určenou pro senzorové aplikace.

Obr. 6 znázorňuje pružnou dvouelektrodovou vodivou tkanou stuhu vodivými drahami určenou pro monitorování tělesných funkcí.

s částečně skrytými s částečně skrytými

Obr. 7 znázorňuje pružnou dvouelektrodovou vodivou tkanou vodivými drahami osazenou led diodami.

stuhu s částečně skrytými

Obr. 8 znázorňuje spojení dvou pružných čtyřvodičových vodivých tkaných stuh s jednostranně přístupnými vodivými drahami.

Obr. 9 znázorňuje pružnou jednovodičovou vodivou tkanou stuhu s vodivými nitěmi umístěnými v útku.

Obr. 10 znázorňuje pružnou elektricky izolovanou jednovodičovou vodivou tkanou stuhu s vodivými nitěmi umístěnými v útku.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Pružná vodivá tkaná stuha 1 podle obr. 1 obsahující v podélném směru vodivou dráhu 20, kterou tvoří bezprostředně u sebe zatkané vodivé nitě 2 v počtu 20 ks, přičemž každá vodivá niť 2 obsahuje osm nekonečných kovových mikrodrátků 2a z postříbřené mědi o průměru 30 pm a 80 polyesterových nekonečných pomocných vláken 2b o průměru 10 pm. Ve vodivé stuze jsou kromě vodivých nití 2 v podélném směru umístěna i pružná vlákna 3 (v tomto případě latexová) zajišťující pružnost stuhy a základní vlákna 4 zabezpečující její pevnost, v tomto případě polyesterového vlákna tvořící polyesterové nitě. Vodivé nitě 2, pružná vlákna 3 a základní vlákna 4 tvoří osnovní nitě stuhy přičemž pružná vlákna 3 jsou při tkaní napínána, takže po ukončení tkaní a uvolnění tahu se stuha stáhne v délkovém směru a vodivé nitě 2 se v důsledku toho ve stuze 1 zvlní. Při následném napínání stuhy 1 při používání se pak až do dosažení kritické délky mikrodrátky 2a v podstatě nenamáhají tahem a nedochází tak ke změně jejich elektrických vlastností. Útkové nitě jsou tvořeny polyesterovými vlákny.

Šířka vodivé dráhy 20 tvořené vodivými nitěmi 2 je 5 mm, zatímco šířka celé stuhy 1 je 10 mm, jsou ale samozřejmě možné i jiné rozměry. Stuha 1 má takové uspořádání vodivých nití 2, aby byly přístupné z rubové i z lícové strany stuhy. Stuha 1 v tomto uspořádání je určena jako textilní náhrada jednoho samostatného vodiče a může být rovněž použita jako sběrná elektroda, například pro tkané či pletené velkoplošné vyhřívací elementy.

V alternativním provedení lze jako pomocná vlákna 2b a/nebo v útkových a/nebo osnovních nitích použít místo polyesterových vláken vlákna polyamidová, polypropylenová, viskózová nebo i bavlněná.

Příklad 2

Pružná vodivá tkaná stuha 1 podle obr. 2 obsahující v podélném směru ve čtyřech vzájemně oddělených skupinách zatkané vodivé nitě 2 v počtu 4 ks, přičemž každá vodivá niť 2 obsahuje 6 kovových mikrodrátků 2a z postříbřené mědi o průměru 20 pm a čtyřicet polyesterových nekonečných pomocných vláken 2b o průměru 12 pm. Každý mikrodrátek 2a je samostatně elektricky izolován pomocí PUR laku. Tímto uspořádáním je vytvořena čtyřvodičová stuha, která umožňuje vedení elektrických signálů ve čtyřech nezávislých a vzájemně elektricky izolovaných vodivých drahách 20. Rozteč jednotlivých vodivých drah 20 je 2,54 mm, tak aby pro jejich kontaktování bylo možné použít standardní konektory, které tuto rozteč běžně používají. Ve stuze 1 jsou kromě vodivých nití 2 v podélném směru umístěna i pružná vlákna 3 (v tomto případě latexová) zajišťující pružnost stuhy ]_ a základní vlákna 4 (v tomto případě polyesterová) zabezpečující její pevnost. Útkové nitě jsou tvořeny polyesterovými vlákny.

Na pravé a levé straně stuhy jsou navíc zatkána první barevně odlišující vlákna 7 (např. červená polyesterová vlákna) a druhá barevně odlišující vlákna 8 (např. modrá polyesterová vlákna), přičemž v ostatních místech stuhy jsou použita bílá vlákna (útkové nitě a v osnově polyesterová základní vlákna 4 a pružná vlákna 3). Tato barevně odlišující vlákna 7, 8 slouží pro jednoznačné označení první a poslední vodivé dráhy 20 ve stuze 1. Stuha 1 má takové uspořádání vodivých nití 2, aby byly přístupné z rubové i z lícové strany stuhy L Stuha 1 v tomto uspořádání je určena jako textilní náhrada čtyřvodičových kabelů a slouží například současně pro napájení a datovou komunikaci mezi elektronickými jednotkami integrovanými na textilu.

V alternativním provedení lze jako pomocná vlákna 2b a/nebo v útkových a/nebo osnovních nitích použít místo polyesterových vláken vlákna polyamidová, polypropylenová, viskózová nebo i bavlněná.

Příklad 3

Pružná vodivá tkaná stuha 1 podle obr. 3 obsahující v podélném směru ve třech vzájemně oddělených skupinách zatkané vodivé nitě 2 v počtu 3 ks tvořících vodivou dráhu 20, přičemž každá vodivá niť 2 obsahuje čtyři kovové mikrodrátky 2a z postříbřené mědi o průměru 30 pm a dvacet polyesterových nekonečných pomocných vláken 2b o průměru 10 pm. Vodivá stuha 1 navíc obsahuje ještě další vodivou dráhu 20a tvořenou jednou vodivou nití 2 obsahující jeden kovový mikrodrátek 2a z nerezové chromniklové oceli o průměru 20 pm a polyesterová nekonečná pomocná vlákna 2b. Tato niť 2 vykazuje senzorové vlastnosti, přičemž její elektrický odpor je závislý na teplotě. Tímto uspořádáním je vytvořena čtyřvodičová stuha 1, která umožňuje vedení elektrických signálů ve třech nezávislých a vzájemně elektricky izolovaných vodivých drahách 20, zatímco čtvrtá vodivá dráha 20a je určena pro snímání povrchové teploty stuhy. Rozteč jednotlivých vodivých drah 20, 20a je 2,54 mm, tak aby pro jejich kontaktování bylo možné použít standardní konektory, které tuto rozteč běžně používají. Ve stuze jsou kromě vodivých nití 2 v podélném směru umístěna i pružná vlákna 3 (v tomto případě elastanová, která jsou součástí pružných osnovních nití) zajišťující pružnost stuhy 1 a polyesterová základní vlákna 4 zabezpečující její pevnost. Útkové nitě jsou tvořeny polyesterovými vlákny.

Na pravé a levé straně stuhy 1 jsou navíc zatkána první barevně odlišující vlákna 7 (např. červená polyesterová vlákna) a druhá barevně odlišující vlákna 8 (např. modrá polyesterová vlákna), přičemž v ostatních místech stuhy 1 jsou použita bílá vlákna (útkové nitě a v osnově polyesterová základní vlákna 4 a pružná vlákna 3). Tato barevně odlišující vlákna 7, 8 slouží pro jednoznačné označení první a poslední vodivé dráhy 20 ve stuze L Stuha 1 má takové uspořádání vodivých nití 2, aby byly přístupné z rubové i z lícové strany stuhy L Stuha 1 v tomto uspořádání je určena jako textilní náhrada třívodičových kabelů s integrovaným měřením teploty.

V alternativním provedení lze jako pomocná vlákna 2b a/nebo v útkových a/nebo osnovních nitích použít místo polyesterových vláken vlákna polyamidová, polypropylenová, viskózová nebo i bavlněná.

Příklad 4

Pružná vodivá tkaná stuha 1 podle obr. 4 obsahující v podélném směru ve dvou vzájemně oddělených skupinách zatkané vodivé nitě 2 v počtu 4 ks, přičemž každá vodivá niť 2 obsahuje osm kovových mikrodrátků 2a z nerezové oceli o průměru 35 pm a polyamidová vlákna o průměru 10 pm. Tímto uspořádáním je vytvořena vodivá stuha 1 s dvojicí elektrod 13. 14. které jsou z části zatkány uvnitř stuhy 1 a z části vystupují na povrch stuhy 1 z lícové strany, přičemž v jednom konkrétním místě je na lícové straně stuhy 1 přítomna vždy jen jedna z dvojice elektrod 13. 14 a při jejich střídání je na povrchu vždy vytvořena izolační mezera o šířce 5 mm. Vzájemná rozteč elektrod 13, 14 je 5 mm a jejich šířka je 1 mm. Z rubové strany není přístupná ani jedna z elektrod 13, 14. Ve stuze 1 jsou kromě vodivých nití 2 v podélném směru umístěna i latexová vlákna 3 zajišťující pružnost stuhy 1 a polyamidová základní vlákna 4 zabezpečující její pevnost. Útkové nitě jsou tvořeny polyamidovými vlákny.

Na pravé a levé straně stuhy jsou navíc zatkána první barevně odlišující vlákna 7 (např. červená polyesterová vlákna) a druhá barevně odlišující vlákna 8 (např. modrá polyesterová vlákna), přičemž v ostatních místech stuhy 1 jsou použita bílá vlákna (útkové nitě a v osnově polyamidová základní vlákna 4 a pružná vlákna 3, v tomto případě latexová). Tato barevně odlišující vlákna 7, 8 slouží pro jednoznačné označení první a druhé vodivé sběrné elektrody 13. 14 ve stuze L Barevné pruhy jsou zatkány takovým způsobem, aby byl červený pruh z rubové strany podél stuhy 1 viditelný jen v místech, kde první elektroda 13 vystupuje na povrch stuhy 1, zatímco modrý pruh je na rubové straně stuhy 1 přítomný podél stuhy 1 pouze v místech, kde na povrch vystupuje druhá elektroda 14. Červený a modrý pruh viditelný na rubové straně tedy slouží jako řada sesazovacích značek umožňujících přesně zapojit vodivé elektrody 13, 14 na lícové straně stuhy 1 s dalšími obvody. Stuha 1 v tomto uspořádání je určena jako textilní sběrná dvoj-elektroda umožňující vytvořit tzv. textilní interdigitální struktury, přičemž díky vzájemnému oddělení obou elektrod 13, 14 ve stuze 1 je možné pomocí první elektrody 13 propojit všechny liché vodivé dráhy interdigitální struktury, zatímco pomocí druhé elektrody 14 ve stuze 1 dojde k propojení všech sudých vodivých drah interdigitální elektrody.

V alternativním provedení lze jako pomocná vlákna 2b a/nebo v útkových a/nebo osnovních nitích použít místo polyamidových vláken vlákna polyesterová, polypropylenová, viskózová nebo i bavlněná.

Příklad 5

Pružná vodivá tkaná stuha 1 podle obr. 5 obsahující v podélném směru ve dvou vzájemně oddělených skupinách zatkané vodivé nitě 2 v počtu 12 ks tvořící elektrody 13, 14, přičemž každá vodivá niť 2 obsahuje osm kovových mikrodrátků 2a z mosazi o průměru 25 pm a polyesterová pomocná vlákna 2b. Tímto uspořádáním je vytvořena vodivá stuha 1 s dvojicí elektrod 13,14, které jsou z části zatkány uvnitř stuhy 1 a z části vystupují na povrch stuhy 1 z lícové strany, přičemž uprostřed stuhy 1 jsou na lícové straně stuhy 1 v jednom místě přítomny obě elektrody 13. 14. Na ostatních místech stuhy 1 kromě konců stuhy 1 jsou obě elektrody 13. 14 zatkány do vnitřní vrstvy stuhy 1 tak, aby nemohlo dojít k elektrickému kontaktu elektrody 13, 14 s okolím. Vzájemná rozteč elektrod je 3 mm a jejich šířka je 3 mm. Z rubové strany není přístupná ani jedna z elektrod 13. 14.

Osnovní nitě tvoří jednak vodivé nitě 2, jednak polyesterové nitě obsahující základní vlákna 4 a jednak elastanové nitě. Útkové nitě jsou tvořeny polyesterovými vlákny. Stuha 1 v tomto uspořádání je určena jako textilní sběrná dvoj-elektroda určená pro umístění například na tělo monitorované osoby a zajišťující kontaktní snímání vlhkosti, pH, bioimperance, monitorování svalové činnosti (sEMG) nebo jako elektrodová struktura pro elektrochemická měření.

V alternativním provedení lze jako pomocná vlákna 2b a/nebo v útkových a/nebo osnovních nitích použít místo polyesterových vláken vlákna polyamidová, polypropylenová, viskózová nebo i bavlněná.

Příklad 6

Pružná vodivá tkaná stuha 1 podle obr. 6 obsahující v podélném směru ve dvou vzájemně oddělených skupinách zatkané vodivé nitě 2 v počtu 16 ks (20, 21), přičemž každá vodivá niť 2 obsahuje šest kovových mikrodrátků 2 z postříbřené mědi o průměru 40 pm a polyesterová pomocná vlákna 2b o průměru 12 pm. Osnovní nitě tvoří jednak vodivé nitě 2, jednak polyesterové nitě a jednak latexová vlákna. Útkové nitě jsou tvořeny polyesterovými vlákny.

Tímto uspořádáním je vytvořena vodivá stuha 1 s dvojicí elektrod 13, 14, které jsou z části zatkány uvnitř stuhy 1 a z části vystupují na povrch stuhy 1 z lícové strany. Uprostřed stuhy 1 v jejím podélném směru je na lícové straně stuhy na jejím povrchu vyvedena nejprve první elektroda 13, poté následuje izolační mezera, ve které jsou obě elektrody 13, 14 vedeny uvnitř stuhy 1 a následně je na povrch stuhy 1 přivedena druhá elektroda 14. Tímto způsobem je na povrch stuhy 1 v jejím prostředku střídavě vyvedena první elektroda 13 a druhá elektrody 14. Obě elektrody 13. 14 jsou od sebe odděleny izolační mezerou s šířkou 2 mm a délkou 50 mm. Na ostatních místech stuhy 1 kromě konců stuhy ]. jsou obě elektrody 13, 14 zatkány do vnitřní vrstvy stuhy 1 tak, aby nemohlo dojít k elektrickému kontaktu elektrody 13. 14 s okolím. Z rubové strany není přístupná ani jedna z elektrod 13. 14. Stuha 1 v tomto uspořádání je určena jako textilní sběrná dvoj-elektroda určená pro umístění na tělo monitorované osoby a zajišťující kontaktní snímání tepové frekvence, snímání EKG signálů, monitorování svalové činnosti (sEMG) nebo jako elektrodová struktura pro elektrochemická měření. V alternativním provedení jsou polyesterová vlákna v osnovních nitích a/nebo útkových nitích a/nebo ve vodivých nitích profilovaná vlákna (tedy s tvarovaným, nekruhovým průřezem) pro zvýšení transportu vlhkosti k EKG elektrodám.

A v ještě dalším provedení lze jako pomocná vlákna 2b a/nebo v útkových a/nebo osnovních nitích použít místo polyesterových vláken vlákna polyamidová, polypropylenová, viskózová nebo i bavlněná.

Příklad 7

Pružná vodivá tkaná stuha 1 podle obr. 7 obsahující v podélném směru ve dvou vzájemně oddělených skupinách zatkané vodivé nitě 2 v počtu 4 ks, přičemž každá vodivá niť 2 obsahuje osm kovových mikrodrátků 2a z postříbřené mědi o průměru 30 pm. a polyesterová pomocná vlákna 2b o průměru 15 pm v počtu 30 ks. Tímto uspořádáním je vytvořena dvouvodičová stuha, která umožňuje vedení elektrických signálů ve dvou vzájemně elektricky izolovaných drahách. Rozteč jednotlivých vodivých drah je 2,54 mm, tak aby pro jejich kontaktování bylo možné použít standardní konektory a elektronické součástky, které tuto rozteč běžně používají. Ve stuze jsou kromě vodivých nití 2 v podélném směru umístěna i pružná vlákna 3 (v tomto případě latexová) zajišťující pružnost stuhy 1 a polyesterová vlákna 4 zabezpečující její pevnost.

Osnovní nitě tvoří jednak vodivé nitě 2, jednak polyesterová vlákna 4 a jednak pružná vlákna 3. Útkové nitě jsou tvořeny polyesterovými vlákny.

Na pravé a levé straně stuhy j. jsou navíc zatkána první barevně odlišující vlákna 7 (např. červená polyesterová vlákna) a druhá barevně odlišující vlákna 8 (např. modrá polyesterová vlákna), přičemž v ostatních místech stuhy jsou použita například bílá vlákna (útkové nitě a v osnově polyesterová vlákna 4 a pružná vlákna 3). Uvedená barevně odlišující vlákna 7, 8 slouží pro jednoznačné označení první a druhé vodivé dráhy 20 ve stuze 1. Vodivé dráhy 20 ve stuze 1 jsou zatkány takovým způsobem, že v daných místech stuhy 1 vzdálených od sebe 50 mm jsou vodivé dráhy 20 přítomny obě současně na lícové straně stuhy j_, zatímco v ostatních místech jsou obě vodivé dráhy 20 přítomné na rubové straně stuhy L Na lícové straně jsou tímto způsobem vytvořeny kontaktní plošky 24, které umožňují umístění a nakontaktování LED diod 25 v pouzdru o velikosti 2 mm x 1,25 mm (8 mil x 5 mil) technologií pájení, vodivého lepení, nevodivého lepení či odporového při varování. Stuha 1 v tomto uspořádání slouží k přímé montáži a propojení SMD LED diod 25 a vytváří tak pružný svíticí textilní pásek.

V alternativním provedení lze jako pomocná vlákna 2b a/nebo v útkových a/nebo osnovních nitích použít místo polyesterových vláken vlákna polyamidová, polypropylenová, viskózová nebo i bavlněná.

Příklad 8

Vzájemné elektricky vodivé spojení první, horizontálně umístěné pružné vodivé stuhy 1 a druhé, vertikálně umístěné pružné vodivé stuhy 1 podle obr. 8. Obě vodivé pružné stuhy la. 1b obsahují v podélném směru ve čtyřech vzájemně oddělených skupinách zatkané vodivé nitě 2 v počtu 4 ks, přičemž každá vodivá niť 2 obsahuje osm kovových mikrodrátků 2a ze slitiny mědi a niklu o průměru 30 pm a polypropylenová pomocná vlákna 2b o poloměru 10 pm v počtu 60 ks. Každý mikrodrátek 2a je samostatně elektricky izolován pomocí PUR laku.

V obou stuhách 1 jsou kromě vodivých nití 2 v podélném směru, tedy jakožto osnovní nitě, umístěna i pružná vlákna 3 (v tomto případě latexová) zajišťující pružnost stuh 1 a polypropylenová vlákna 4 zabezpečující jejich pevnost. Útkové nitě jsou tvořeny polypropylenovými vlákny.

Tímto uspořádáním jsou vytvořeny obě čtyřvodičové stuhy j_, které umožňují vedení elektrických signálů ve čtyřech nezávislých a vzájemně elektricky izolovaných vodivých drahách 20. Rozteč jednotlivých vodivých drah 20 je u obou stuh 1 identická a je 2,54 mm, tak aby pro jejich kontaktování bylo možné použít standardní konektory, které tuto rozteč běžně používají.

Na pravé a levé straně stuhy jsou navíc zatkána první barevně odlišující vlákna 7 (např. červená polyesterová vlákna) a druhá barevně odlišující vlákna 8 (např. modrá polyesterová vlákna), přičemž v ostatních místech stuhy jsou použita bílá vlákna (útkové nitě a v osnově polypropylenová základní vlákna 4 a pružná vlákna 3). Tato barevně odlišující vlákna 7, 8 slouží pro jednoznačné označení prvních a posledních vodivých drah 20 ve stuhách 1. Stuhy ]_ mají takové uspořádání vodivých nití 2, aby byly přístupné pouze ze svých lícových stran. Na rubových stranách stuh ]_ nejsou na povrhu přítomné žádné vodivé dráhy 20. Spojení horizontálně umístěné pružné stuhy ]_ a vertikálně umístěné pružné stuhy 1 je realizováno tak, že jsou nejprve obě stuhy 1 orientovány k sobě lícovými stranami tak, aby v místě spojení byly na povrchu obou stuh 1 přítomny vodivé dráhy 20. Následně se technikou termo-kompresního odporového svařování vytvoří bodové svary 28 svařením obou stuh ]_ v místech, kde dochází ke křížení vodivých drah 20 stuh 1. V případě čtyřvodičových stuh 1 tak dojde k bodovému svaření na čtyřech místech stuhy L Spojení pružných vodivých stuh 1 podle příkladu 8 je určeno pro vytváření složitějších sběmicových struktur, které jsou určeny například pro rozvod napájení a pro zajištění datové komunikace mezi více než dvěma elektronickými moduly integrovanými ve smart textilních oděvních výrobcích. Slouží jako textilní náhrada kabelových svazků a eliminuje potřebu vedení více paralelních sběmicových struktur.

V alternativním provedení lze jako pomocná vlákna 2b a/nebo v útkových a/nebo osnovních nitích použít místo polypropylenových vláken vlákna polyesterová, polyamidová, polypropylenová, viskózová nebo i bavlněná.

Příklad 9

Pružná vodivá tkaná stuha 1 podle obr. 9 obsahující vodivou niť 2, skládající se z osmi neizolovaných nekonečných kovových mikrodrátků 2a z postříbřené mědi o průměru 30 pm a třicet polyesterových pomocných vláken 2b o průměru 20 pm, umístěnou ve stuze 1 na rozdíl od příkladů 1 až 8 v příčném směru, tzn. v útku stuhy L

Ve stuze jsou v podélném směru, tedy jakožto osnovní nitě, pružná vlákna 3 (v tomto případě latexová) zajišťující pružnost stuhy 1 a polyesterová vlákna 4 zabezpečující její pevnost. Na jedné straně stuhy 1 mohou být navíc zatkána první barevně odlišující vlákna 7 (např. červená polyesterová vlákna), přičemž v ostatních místech stuhy 1 jsou použita bílá vlákna. Vodivá niť 2 v útku vytváří při zatkání do stuhy 2 dlouhý meandr, přičemž jednotlivé části vodivé nitě 2 jsou umístěné bezprostředně vedle sebe po celé délce vodivé stuhy L Pokud není vodivá stuha 1 natažena, jsou jednotlivé řádky vodivého meandru ve stuze 1 ve vzájemném elektrickém kontaktu a stuha 1 vykazuje nízký elektrický odpor. Při natažení stuhy 1 dojde k prostorovému oddálení jednotlivých vodivých řádků, čímž dojde ke zvýšení elektrického odporu. Vodivá stuha 1 v tomto uspořádání vykazuje tenzometrické chování a její elektrický odpor je závislý na natažení stuhy 1. Tuto stuhu 1 je pak možné využít jako senzor natažení. Vodivá dráha 20 v podobě meandru může být podle příkladu 9 umístěna celoplošně, nebo může být umístěna pouze v některých úsecích vodivé stuhy přičemž v ostatních úsecích je v útku stuhy 1 použita polyesterová nevodivá niť.

Příklad 10

Pružná vodivá tkaná stuha 1 podle obr. 10 obsahující vodivou niť 2, skládající se z šesti kovových vzájemně elektricky izolovaných mikrodrátků 2a z postříbřené mědi o průměru 40 pm a 80 polyesterových pomocných vláken 2b o průměru 10 pm, umístěnou na rozdíl od příkladů 1 až 8 ve stuze 1 v příčném směru, tzn. v útku stuhy L

Ve stuze 1 jsou v podélném směru, tedy jakožto osnovní nitě, umístěna pružná vlákna 3 (v tomto případě elastanová) zajišťující pružnost stuhy 7 a polyesterová vlákna 4 zabezpečující její pevnost. Na jedné straně stuhy 7 mohou být navíc zatkána první barevně odlišující vlákna 7 (např. červená polyesterová vlákna), přičemž v ostatních místech stuhy 1 jsou použita bílá vlákna. Vodivá niť 2 v útku vytváří při zatkání do stuhy 1 dlouhý meandr, přičemž jednotlivé části vodivé nitě 2 jsou umístěné bezprostředně vedle sebe po celé délce vodivé stuhy. Pokud není vodivá stuha 1 natažena, tvoří jednotlivé řádky elektricky izolované vodivé nitě 2 těsný meandr, který vykazuje danou hodnotu indukčnosti. Při natahování stuhy 1 dochází ke geometrické změně rozměrů meandru tvořeného vodivou nití 2 a k prostorovému oddálení jednotlivých řádků tvořených elektricky izolovanou vodivou nití 2, čímž dochází ke změně velikosti indukčnosti. Při natahování stuhy 1 dochází ke zmenšování hodnoty indukčnosti. Vodivá stuha 1 v tomto uspořádání vykazuje tenzometrické chování a její indukčnost je závislá na natažení stuhy 1, proto je tuto stuhu 1 možné využít jako senzor natažení. Vodivá (elektricky izolovaná) dráha 20 v podobě meandru může být podle příkladu 10 umístěna celoplošně, nebo může být umístěna pouze v některých úsecích vodivé stuhy 1, přičemž v ostatních úsecích je v útku stuhy 1 použita polyesterová nevodivá niť.

V alternativním provedení lze jako pomocná vlákna 2b a/nebo v útkových a/nebo osnovních nitích použít místo polyesterových vláken vlákna polyamidová, polypropylenová, viskózová nebo i bavlněná.

Ačkoli byla popsána zvlášť výhodná příkladná provedení, je zřejmé, že odborník z dané oblasti snadno nalezne další možné alternativy k těmto provedením. Zejména je zřejmé, že vynález lze realizovat i v jiné formě než ve formě stuhy, ale obecně ve formě textilie. Proto rozsah ochrany není omezen na tato příkladná provedení, ale spíše je dán definicí přiložených patentových nároků.

Claims (5)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Vodivá pružná tkaná stuha (1), která obsahuje základní vlákna (4), kterými jsou přírodní a/nebo chemická vlákna, a pružná vlákna (3), která tvoří část osnovních nití této pružné tkané stuhy a pro dosažení její natahovatelnosti ve směru osnovních nití je utkaná za působení tahu na pružná vlákna (3) tvořící část osnovních nití, a dále obsahuje alespoň jednu vodivou niť (2), která v alespoň jedné oblasti prochází po povrchu této pružné tkané stuhy (1), vyznačující se tím, že vodivá niť (2) je skaná a obsahuje

- množinu přírodních nebo chemických vláken, jejichž materiál je vybrán ze skupiny, kterou tvoří polyester, polypropylen, polyamid, jejich modifikace, viskóza, bavlna a jejich směsi, a

- množinu kovových mikrodrátků (2a) průměru 10 až 50 mikrometrů z materiálu vybraného ze skupiny, kterou tvoří měď, postříbřená měď, mosaz, bronz, slitina mědi a niklu, slitina chrómu a niklu, nerezová ocel.

2. Vodivá pružná tkaná stuha (1) podle nároku 1, vyznačující se tím, že vodivá niť (2) obsahuje 2 až 12 kovových mikrodrátků (2a).

3. Vodivá pružná tkaná stuha (1) podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že obsahuje skupinu vodivých nití (2), které jsou zatkané do této pružné tkané stuhy (1) vedle sebe navzájem pro vytvoření alespoň jedné společné vodivé dráhy (20).

4. Vodivá pružná tkaná stuha (1) podle nároku 3, vyznačující se tím, že alespoň jedna vodivá dráha (20) prochází ve směru osnovních nití a/nebo vodivé nitě (2) tvoří část osnovních nití.

5. Vodivá pružná tkaná stuha (1) podle nároku 3 nebo 4, vyznačující se tím, že alespoň jedna vodivá dráha (20) je uspořádaná tak, že

- prochází po lícovém i rubovém povrchu pružné tkané stuhy (1).

6. Vodivá pružná tkaná stuha (1) podle nároku 3 nebo 4, vyznačující se tím, že alespoň jedna vodivá dráha (20) je uspořádaná tak, že

- prochází jen po lícovém, nebo jen po rubovém povrchu pružné tkané stuhy (1).

7. Vodivá pružná tkaná stuha (1) podle nároku 3 nebo 4, vyznačující se tím, že alespoň jedna vodivá dráha (20) je uspořádaná tak, že

- prochází vnitřkem pružné tkané stuhy (1) a vystupuje na její lícový nebo rubový povrch jen ve vymezených oblastech.

8. Vodivá pružná tkaná stuha (1) podle kteréhokoli z nároků 3 až 5, vyznačující se tím, že alespoň jedna vodivá dráha (20) je uzpůsobená pro

- propojení s vodivou dráhou (20) další pružné tkané stuhy metodou vybranou ze skupiny tvořené odporovým svařováním, termokompresním bondováním, ultrazvukovým svařováním, pájením a krimpováním, a/nebo

- propojení s alespoň jednou elektronickou součástkou či deskou plošných spojů metodou vybranou ze skupiny, kterou tvoří pájení, vodivé lepení, nevodivé lepení, ultrazvukové svařování či odporové svařování.

9. Vodivá pružná tkaná stuha (1) podle kteréhokoli z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že alespoň jedna vodivá niť (2) vykazuje závislost elektrického odporu na teplotě, a/nebo alespoň některé kovové mikrodrátky (2a) jsou opatřené izolačním povlakem.

5 10. Vodivá pružná tkaná stuha (1) podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že vodivá niť (2) prochází ve směru útku.