DE202013005116U1 - Textile piezoelectric sensor / actuator element - Google Patents
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Abstract
Textiles piezoelektrisches Sensor- bzw. Aktuatorelement, dadurch gekennzeichnet, dass in ein Gestrick bzw. textile Matrix (1), gebildet aus dem Garn (10) quer zur Strickrichtung (2) ein Schlauch (3) eingestrickt wird, in den das piezoelektrische Element (4) mit elektrischen Kontaktflächen (5) eingelegt wird (1). Zu diesem Zweck wird der Strickvorgang gestoppt, nach dem ein Anfangsstück des Schlauches (3) gestrickt wurde. Das Element (4) wird in das Nadelbett (6) eingelegt (2). Anschließend wird der Strickvorgang fortgesetzt und der Schlauch geschlossen. Die Enden des piezoelektrischen Elements liegen frei, um eine Kontaktierung mittels eines elektrisch leitfähigen Drahtes (7) zu ermöglichen. Das Garn wird über einen Fadenführer (16) nachgeführt. Die 2 zeigt nur ein Nadelbett, das die Unterseite des Schlauches strickt. Gleichzeitig wird vom gegenüber liegenden Nadelbett die Oberseite des Schlauches gestrickt. Im Falle einer Sensoranwendung kann an die Drähte ein Ladungsverstärker (8) angeschlossen werden, der das piezoelektrische Signal so verstärkt, dass es registriert werden kann oder einen Alarm (9) auslöst (1).Textile piezoelectric sensor or actuator element, characterized in that a tube (3) is knitted into a knitted fabric or textile matrix (1) formed from the yarn (10) transversely to the knitting direction (2), into which the piezoelectric element ( 4) with electrical contact surfaces (5) is inserted (1). For this purpose, the knitting process is stopped after an initial piece of the tube (3) has been knitted. The element (4) is placed in the needle bed (6) (2). Then the knitting process is continued and the tube is closed. The ends of the piezoelectric element are exposed to allow contacting by means of an electrically conductive wire (7). The yarn is fed over a thread guide (16). Figure 2 shows only a needle bed knitting the bottom of the tube. At the same time, the top of the tube is knitted from the opposite needle bed. In the case of a sensor application, a charge amplifier (8) can be connected to the wires, which amplifies the piezoelectric signal so that it can be registered or triggers an alarm (9) (1).
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Integration eines länglichen piezo-elektrischen Elements in eine textile, vorzugsweise gestrickte Matrix. Unter dem piezo-elektrischem Effekt versteht man die Erscheinung, dass Materialien unter Formveränderung (Dehnung, Zug oder Stauchung) ihre elektrischen Eigenschaften ändern. Beim klassischen piezo-elektrischen Effekt werden dabei elektrische Ladungen getrennt. Es entsteht eine elektrische Spannung, die im Hochvolt-Bereich liegen kann (z. B. piezo-elektrisches Feuerzeug). Piezo-elektrische Sensoren gibt es in zwei physikalisch unterschiedlichen Ausführungen – als im klassischen Sinne piezo-elektrische Sensoren, bei denen die mechanische Veränderung einen Spannungspuls erzeugt und piezo-resistive Sensoren, bei denen sich die elektrische Leitfähigkeit des Sensormaterials ändert. Stand der Technik ist es, aus piezo-resistiven Garne als Sensorelemente in ein Textil einzustricken /1/.The present invention relates to the integration of an elongated piezoelectric element into a textile, preferably knitted matrix. The piezoelectric effect is the phenomenon that materials change shape (elongation, tension or compression) and change their electrical properties. In the classical piezoelectric effect while electric charges are separated. The result is an electrical voltage that can be in the high-voltage range (eg piezo-electric lighter). Piezoelectric sensors are available in two physically different versions - as in the classical sense piezoelectric sensors in which the mechanical change generates a voltage pulse and piezo-resistive sensors, in which the electrical conductivity of the sensor material changes. The prior art is to throw from piezo-resistive yarns as sensor elements in a textile / 1 /.
Diese Sensoren weisen aber im Vergleich zu piezoelektrischen Sensoren ein deutlich schlechteres Signal/Rausch-Verhältnis auf.However, these sensors have a significantly poorer signal-to-noise ratio compared to piezoelectric sensors.
Als Beispiel für ein piezoelektrisches Material sei Polyvinylidenfluorid (PVDF) erwähnt – ein opaker, teilkristalliner, thermoplastischer Fluorkunststoff. Aus PVDF-Folien lassen sich sehr dünne (ab 9 μm) elektromechanische Wandler herstellen, die ca. 12% einer mechanischen Energie in elektrische Energie, und umgekehrt, umwandeln können. Damit sind sie sowohl als Sensor als auch als Aktuator verwendbar. Die hohe Festigkeit und Empfindlichkeit des Materials erlauben den Einsatz in einem enormen Dynamik- und Frequenzbereich, in Dickenrichtung z. B. von 10–8 – 105 N/cm2, bei Frequenzen von 0,001 Hz bis mehrere GHz. Diese können, je nach Auslegung der Elektronik, bereichsweise genutzt werden. Mit entsprechend der Messaufgabe angepassten Miniaturverstärkern lassen sich so auch Multi-Sensorsysteme erstellen, die vielfach Messprobleme lösen können, für die andere Sensoren ungeeignet sind. Aus den PVDF-Folien lassen sich streifenförmige Sensorelemente (Folienbändchen) schneiden, die dann kontaktiert werden können. Die Kontaktierung des piezoelektrischen Elements erfolgt durch Metallisierung der beiden Enden, z. B. durch Aufdampfen einer Metallschicht. An die beiden metallisierten Enden können Drähte angelötet werden. Eine stricktechnische textile Kontaktierung ist in Anspruch 5 beschrieben.As an example of a piezoelectric material may be mentioned polyvinylidene fluoride (PVDF) - an opaque, partially crystalline, thermoplastic fluoroplastic. PVDF films can be used to produce very thin electromechanical transducers (from 9 μm upwards), which can convert approx. 12% of a mechanical energy into electrical energy, and vice versa. Thus they can be used both as a sensor and as an actuator. The high strength and sensitivity of the material allow the use in an enormous dynamic and frequency range, in the thickness direction z. From 10 -8 - 10 5 N / cm 2 , at frequencies of 0.001 Hz to several GHz. These can, depending on the design of the electronics, be used in certain areas. With miniature amplifiers adapted to the measuring task, it is also possible to create multi-sensor systems that can in many cases solve measurement problems for which other sensors are unsuitable. From the PVDF films, strip-shaped sensor elements (film strips) can be cut, which can then be contacted. The contacting of the piezoelectric element is effected by metallization of the two ends, for. B. by vapor deposition of a metal layer. Wires can be soldered to the two metallised ends. A knitting technical textile contacting is described in
Die Integration von piezoelektrischen Sensoren in Bekleidung ermöglicht zahlreiche Anwendungen in Medizin, Sport und Ergometrie. Es lassen sich z. B. Bewegungen der Atemmuskulatur aus der Ferne überwachen. Bei allein lebenden Senioren kann z. B. ein Notrufsignal ausgelöst werden, wenn sie stürzen und dabei bewusstlos werden.The integration of piezoelectric sensors into clothing allows numerous applications in medicine, sports and ergometry. It can be z. B. Monitor movements of the respiratory muscles remotely. For seniors living alone, z. B. an emergency signal are triggered when they fall and thereby become unconscious.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem aktiven piezoelektrischen Element herzustellen und zugleich das Element unter Beibehaltung des Tragekomforts in die Kleidung zu integrieren.Object of the present invention is therefore to produce a positive connection between the active piezoelectric element and at the same time to integrate the element while maintaining the wearing comfort in the clothing.
Beim Einsatz als Aktuator-Element wird ausgenützt, dass sich das piezo-elektrische Element durch Anlegen einer elektrischen Hochspannung mechanisch verformen lässt.When used as an actuator element is exploited that the piezoelectric element can be mechanically deformed by applying a high electrical voltage.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es gelungen, mittels einer besonderen Anwendung von Stricktechniken, das aktive piezoelektrische Element in ein Kleidungsstück kraftschlüssig mit einem Minimum an Nähten zu integrieren. Entscheidend ist dabei die Zuführung des piezoelektrischen Elementes während des Strickvorgangs. Wir unterscheiden zwei Varianten: 1) die Zuführung quer zur Strickrichtung und damit längs zum Nadelbett und 2) die Zuführung in Strickrichtung und damit quer zum Nadelbett. In beiden Fällen wird ein Schlauch gestrickt, der das piezoelektrische Element umschließt. Im Falle der Variante 1 wird der Strickvorgang unterbrochen, bevor der Schlauch geschlossen wird. Das Element wird in das Nadelbett eingelegt, der Strickvorgang wird fortgesetzt und der Schlauch geschlossen. Bei der Variante 2 wird das piezoelektrische Element über einen Intarsienfadenführer in Strickrichtung quer zum Nadelbett zugeführt. In Variante 2 kann das piezoelektrische Element ein endloser Streifen oder Faden sein, der in regelmäßigen Abständen Kontaktflächen zum Abgreifen der elektrischen Spannung enthält.By means of the measures according to the invention, it has been possible by means of a special application of knitting techniques to integrate the active piezoelectric element into a garment in a force-fitting manner with a minimum of seams. Decisive is the supply of the piezoelectric element during the knitting process. We distinguish two variants: 1) the feed transverse to the knitting direction and thus along the needle bed and 2) the feed in the knitting direction and thus transversely to the needle bed. In both cases, a tube is knitted enclosing the piezoelectric element. In the case of
Die Rechts-Rechts-Bindung mit Polyamid oder Elasthan als Garn für die textile Matrix ergibt vorteilhaft eine textile Matrix mit hoher Querelastizität.The right-right bond with polyamide or spandex as yarn for the textile matrix advantageously results in a textile matrix with high transverse elasticity.
Wird ein piezoelektrisches Element als Sensor verwendet, führt man die Signale vorteilhafterweise einem Ladungsverstärker zu. Die Signale werden so verstärkt, dass ein Alarm oder ein auswertbares Messergebnis erzeugt wird.If a piezoelectric element is used as a sensor, the signals are advantageously supplied to a charge amplifier. The signals are amplified so that an alarm or an evaluable measurement result is generated.
Stricktechnisch kann das piezoelektrisches Sensor- bzw. Aktuator-element als Intarsie in eine wesentlich größere textile Matrix eingestrickt werden.
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E. P. Scilingo, A. Gemignani, R. Paradiso, N. Taccini, B. Ghelarducci and D. De Rossi, ”Sensing Fabrics for Monitoring Physiological and Biomedical Variables”, IEEE Transaction On Information Technology In Biomedicine, Special Section On New Generation Of Smart Wearable Health Systems And Applications, vol. 9, no. 3. (pp 345–352), SEPTEMBER 2005
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EP Scilingo, A. Gemignani, R. Paradiso, N. Taccini, B. Ghelarducci and D. De Rossi, "Sensing Fabrics for Monitoring Physiological and Biomedical Variables", IEEE Transaction On Information Technology In Biomedicine, Special Section On New Generation Of Smart Wearable Health Systems and Applications, vol. 9, no. 3. (pp 345-352), SEPTEMBER 2005
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- E. P. Scilingo, A. Gemignani, R. Paradiso, N. Taccini, B. Ghelarducci and D. De Rossi, ”Sensing Fabrics for Monitoring Physiological and Biomedical Variables”, IEEE Transaction On Information Technology In Biomedicine, Special Section On New Generation Of Smart Wearable Health Systems And Applications, vol. 9, no. 3. (pp 345–352), SEPTEMBER 2005 [0010] EP Scilingo, A. Gemignani, R. Paradiso, N. Taccini, B. Ghelarducci and D. De Rossi, "Sensing Fabrics for Monitoring Physiological and Biomedical Variables", IEEE Transaction On Information Technology In Biomedicine, Special Section On New Generation Of Smart Wearable Health Systems and Applications, vol. 9, no. 3. (pp 345-352), SEPTEMBER 2005 [0010]
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