Textile détecteur de pression.
Définitions : dans tout le document nous faisons la distinction entre fibres et filaments.
FILAMENTS : structures cylindriques de très faible diamètre et dont la longueur est plusieurs ordres de grandeur au-dessus du diamètre; ce sont des structures quasi-continues.
FIBRES : courts segments de filaments dont la longueur s'exprime généralement en centimètres. Les fibres le plus souvent sont obtenues par coupage ou craquage de câbles.
Les textiles détecteurs de pression sont demandés dans des applications où l'on souhaite la flexibilité, la perméabilité à l'air, la minceur ainsi que de faibles coûts de fabrication ou quand la fonction doit être intégrée à un produit textile. Les textiles détecteurs de pression peuvent être fabriqués de façon à être robustes, durables, sans composants fragiles. Citons comme exemples d'application une couche détectrice sous les couvre-sols, tapis et autres objets pour la détection d'intrusion, dans les sièges de voitures, les musées et la domotique pour la détection de personnes ou d'objets.
Les interrupteurs et détecteurs de pression textiles existants sont basés sur quelques structures générales:
1. Deux ou plusieurs couches conductrices (US2001744155A) séparées par une couche d'air (GB20046828A), (armure textile 3D US2001980298 A, fils faits d'assemblages organisés comprenant des conducteurs et des isolants de différentes épaisseurs US 2003/01 19391 Al , WO2005GB358A).
2. Un tissu comprenant deux couches tricotées contenant des fils conducteurs bouclés avec des correspondances de structures entre les deux couches permettant un contact uniquement sous pression (EP20055718076A). 3. Deux conducteurs séparés par un tissu conducteur déformé (JP2304824A).
4. Deux conducteurs enduits en contact (US4,795,998) ou des élastomères conducteurs dont la résistance de contact change avec la pression (US6,216,546B 1, US6,543,299B2). 5. Deux conducteurs séparés par des libres non conductrices (US2006487783A)
6. Des fils avec un poil conducteur qui interagit sous pression (US2006/0258247A1 ).
7. Une structure textile 3D comprenant deux couches conductrices séparées par des éléments de liaison non conducteurs (WO2004GB4073A). 8. La déformation d'un tissu contenant des fils conducteurs (DE I O 2004 025 237 Al ).
9. Deux couches conductrices séparées dont l'une est soumise à un gradient de potentiel qui permet d'évaluer la position de contact avec l'autre couche (US2005541765A, US2001907810A).
L'originalité de notre méthode réside dans l'utilisation d'un fil mélangé comprenant des fibres conductrices et non conductrices, dont la conductivité longitudinale change sous pression et est exploitée comme tel. Ce fil n'est donc pas un assemblage organisé et les éléments qui le composent ne sont pas des structures continues de type filament mais des structures discontinues de type fibres. La structure utilisant ce fil peut être réalisée en une seule opération textile, qui peut être le tricot, le crochet ou le tissage. Contrairement à de nombreux systèmes un certain nombre de contacts préexistent sans pression appliquée.
Un avantage important de notre structure textile est qu'elle est mince, très simple à produire et économique.
Notre méthode est originale parce qu'elle fait usage de ce fil spécial (Figure 4) qui est un mélange d'éléments conducteurs et non conducteurs et que la conduction électrique de ce fil est mesurée longitudinalement et non transversalement. Cela permet d'accroître la surface de détection tout en réduisant la conductivité existant sans pression appliquée, au lieu d'accroître cette conductivité, comme ce serait le cas si des électrodes de surface plus grande étaient placées de part et d'autre du dit fil spécial sur toute la longueur de fil utilisée.
De tels fils spéciaux sont habituellement utilisés pour améliorer les propriétés antistatiques des textiles. Ils sont conducteurs sur des longueurs discrètes relativement courtes. Un exemple possible est donné dans le brevet américain US 4,771 ,596. Nous utilisons cette propriété pour les transformer en interrupteurs électriques ou détecteurs de pression suivant le système électronique de détection utilisé. Notre invention, dont la Fig. 3B est un exemple, est une structure textile particulière mettant en oeuvre des fils conducteurs servant d'électrodes (1 ) et un fil ayant un comportement conducteur spécial (2) qui peut être mis en contact avec les électrodes et agir comme un interrupteur progressif . Nous appelons électrodes les fils conducteurs ( 1 ) qui amènent le courant électrique jusqu'au fil spécial (2) qui constitue l'organe de détection proprement dit.
Quand la structure est comprimée, la conductivité globale est augmentée. Le changement peut être détecté par un circuit électronique approprié.
Un fil à conductivité spéciale (Fig. 4) est composé d'un mélange de fibres textiles non conductrices (4) et de libres conductrices de l'électricité (5): celles-ci peuvent être des fibres métalliques composées de tout métal disponible, des fibres textiles métallisées, telles que du polyamide argenté ou des fibres avec un coating conducteur, des fibres de métal métallisées ou des fibres anti-statiques de conductivité élevée.
La proportion de fibres conductrices dans le mélange peut être comprise entre 5 et 100%, typiquement 20%. Quand la teneur en libres conductrices est de 100% c'est un cas particulier où il ne s'agit plus d'un mélange; dans ce cas les fibres doivent avoir un résistance de contact élevée.
Les fils conducteurs des électrodes peuvent être des fils de fibres, de filaments ou même des monofilaments ou de fins fils non textiles.
Les changements de conduction pendant la compression peuvent être de différents types:
Davantage de fibres conductrices (5) du fil spécial (2) sont mises en contact avec les électrodes ( 1 )
La pression à l'interface fil (2) - électrode (1) réduit la résistivité de surface
Les fibres conductrices (5) à l'intérieur du fil spécial (2) sont mises en contact les unes avec les autres, créant des trajets de conduction longitudinale
La pression entre les fibres conductrices (5) à l'intérieur du fil spécial (2) réduit leur résistivité de surface. La figure 1 est un exemple de structure crochetée dans laquelle deux électrodes en fins monofilaments d'acier inoxydable (boucle formée par 1 et son symétrique sur la gauche de la figure) sont en contact lâche avec deux gros fils spéciaux (2) faits de fibres de polyester et de libres d'acier inoxydable. Les autres fils sont des chaînes (7) et des filaments de liaison de trame (6) qui constituent la structure textile porteuse. En crochet nous appelons chaînes les fils qui forment la chaînette tandis que nous appelons trames les fils de liaison contrôlés par les barres à dessin.
Toute structure tricotée ou crochetée est utilisable pour l'invention si au moyen de boucles de certains des fils conducteurs ( 1), un contact avec un ou plusieurs fils spéciaux (2) est établi, le trajet incluant la succession "fil conducteur - fil spécial - fil conducteur".
Les structures crochetées peuvent également être réalisées en tricot chaîne où on a en plus le choix de chaîne à mailles ouvertes ou fermées.
La Fig. 2 est un exemple de structure crochetée sensible à la pression. Les cercles représentent les fils de chaîne (7). Les fils de liaison de trame (6 à la Fig. 1) reliant les chaînes (7) entre elles ne sont pas dessinés pour plus de clarté. Les traits sinueux (1 ) représentent les deux fils d'électrodes, ici sous forme de monofilaments d'acier inoxydable pinces dans une chaîne d'acier inoxydable (petits cercles avec le numéro 3). La ligne verticale (2) représente le fil détecteur spécial: il passe en ligne droite sans être pincé dans les chaînes (7). Au repos ce fil (2) est sans pression. Sous charge les segments du fil spécial (2) entre deux boucles successives des fils d'électrodes ( 1 ) voient leur conductivité s'accroître et l'impédance du circuit "électrode - fil spécial - électrode" décroît.
Les éléments constituant les électrodes et le dispositif de commutation peuvent être simples (Fig. 3B) ou multiples (Fig. 3C).
De cette façon, par exemple, une ou plusieurs chaînes conductrices peuvent être utilisées en combinaison avec les électrodes pour réduire l'impédance du système d'électrodes et simplifier la connexion électrique avec le circuit de mesure, en offrant de plus grandes surfaces et une meilleure visibilité des points de connexion. Par exemple dans la Fig. 3C trois chaînes conductrices (3) ont été utilisées sur chaque électrode ( 1). Dans cette figure également les boucles ont été doublées pour accroître le nombre de points de contact entre les chaînes conductrices et les fils d'électrode (1 ) ou entre les fils spéciaux (2) et les électrodes ( 1 ). La surface dans laquelle les boucles des électrodes (1) couvrent les chaînes conductrices (3) est idéale pour connecter le circuit électrique textile au système de détection.
Le sertissage, l'agrafage et le collage constituent des moyens de connexion simples.
Le textile senseur de pression peut prendre la forme de bandes (Fig. 3B) ou de tissus complets (Fig. 3A). La géométrie des électrodes peut permettre de les rendre communes aux détecteurs adjacents (Fig. 3A) ou de les isoler de ceux-ci (Fig. 3B). Il est préférable d'effectuer la connexion des paires d'électrodes aux extrémités opposées d'une bande détectrice; si on connecte le circuit du même côté de la bande, la sensibilité de celle-ci décroît au fur et à mesure qu'on s'éloigne du point de connexion.
Dans une structure telle que celle de la Fig. 3A, les détecteurs peuvent être testés individuellement par paires d'électrodes pour obtenir une localisation suivant un axe ou connectés en série pour accroître la surface de la zone testée; par exemple un point de connexion peut se trouver sur l'électrode la plus à gauche et l'autre sur l'électrode la plus à droite. Pour commuter cet interrupteur, la pression doit être appliquée sur toute la distance séparant la connexion des électrodes. Cela constitue un moyen de détecter des objets d'une taille particulière.
Les zones de détection peuvent couvrir le textile entier ou être espacées ou disposées à des endroits particuliers, soit en sélectionnant quels fils doivent être conducteurs et lesquels ne doivent pas l'être ou en utilisant des designs avec des circuits plus complexes. La confection permet aussi de réaliser des designs plus compliqués.
Il est avantageux d'utiliser des fils détecteurs (2) épais maintenus par un tissu mince pour faire en sorte que le fil détecteur supporte toute la pression et de ce fait voie sa déformation accrue.
La déformation du fil détecteur (2) et la relation déformation/pression sont aussi contrôlés par le comportement de compression des autres fils textiles. L'épaisseur du textile et/ou du fil spécial (2) et le changement réversible d'épaisseur à la compression permet d'utiliser le dispositif comme détecteur dans une gamme de pression donnée. L'utilisation de fibres élastiques (élasthane) dans les fils qui supportent la charge constitue un moyen d'augmenter la réversibilité et la stabilité du détecteur. Ce sont aussi les structures avec de longs flottés de fil spécial (2) et une bonne connexion avec les fils d'électrodes ( 1) qui sont les plus appropriés à la détection de pression. La longueur d'une bande détectrice doit être limitée.
Si le détecteur devient trop long, sa sensibilité décroît, en raison de la conductivité excessive produite par les nombreux détecteurs interconnectés et dont la conductivité au repos n'est pas nulle.
L'espacement des boucles d'électrodes (1) détermine la résolution aussi bien que la longueur maximale de détection.
L'invention est basée sur l'utilisation du fil spécial (2); ce fil a une conductivité dépendante de la pression mais pas dans le sens habituel.
Ce fil est un mélange de fibres non conductrices (4) et de fibres conductrices (5). Voir Fig. 4. Dans cette figure l'épaisseur du trait représentant les fibres est différente de façon à pouvoir les distinguer mais en pratique les fibres conductrices ne sont pas nécessairement plus grosses que les fibres textiles. La longueur des fibres conductrices (5), leur configuration spatiale à l'intérieur du fil spécial (2) et leur proportion dans le fil contrôlent la modification de conductivité longitudinale (pas seulement la modification de conductivité transversale) en fonction de la pression appliquée. Cela peut par exemple être un mélange de fibres d'acier inoxydable et de fibres de polyester, comme ceux qu'on utilise dans les textiles anti-statiques.
Si le lil est pincé par deux électrodes dans deux régions séparées par une certaine distance et compressé quelque part sur le segment entre les deux électrodes, la résistivité détectée entre les deux électrodes va changer.
Pour chaque combinaison de valeurs des paramètres précités une certaine réponse sera observée. Par exemple avec un fil commercial contenant 20 % de fibres d'acier inoxydable nous avons observé un maximum de réponse pour une séparation d'électrodes de 20 cm. Voir Fig. 8, qui représente le rapport de résistance électrique du fil à 20% de fibres en acier inoxydable avec un (C2) et deux (C3) points d'appui à la résistance avec zéro (Cl ) point d'appui entre les électrodes, pour différentes distances d'électrodes en cm. Cela est relié à la probabilité de réaliser un nombre effectif de trajets de conduction à l'état compressé et non compressé.
Des électrodes en multifilaments fins améliorent la flexibilité de ces fils. Des électrodes avec des filaments de plus gros diamètre améliorent la pression qu'elles exercent sur le fil spécial; c'est intéressant quand l'électrode est en contact lâche avec le fil spécial. Quand la distance entre les points de contact des électrodes avec le fil spécial n'est pas très grande, il est avantageux que les électrodes soient en contact lâche avec le fil spécial, de façon à avoir le moins possible de trajets de conduction sans pression extérieure appliquée;
au contraire si les électrodes contactent le fil spécial à des points écartés il est avantageux d'avoir un bon contact entre le fil spécial et les électrodes, parce que la perte de pouvoir de commutation due à la compression du fil spécial par les électrodes est négligeable par rapport à celle de la partie non compressée du fil spécial plus éloignée des électrodes. Cette dernière façon d'exploiter l'invention est la plus favorable pour une réponse proportionnelle à la pression. Elle est permise par le fait que la détection de pression n'est pas seulement une conduction transversale entre fils adjacents mais une conduction longitudinale à l'intérieur d'un fil mélangé.
Le comportement du fil est relié à la théorie de la percolation: si la concentration de particules (ici des fibres conductrices) augmente par réduction de volume, la probabilité de créer des trajets de conduction par agrégation de particules augmente. Cela permet de créer des textiles tissés, tricotés, crochetés ou d'autres structures fibreuses, en constituant des zones où le fil spécial (2) est à l'état non contraint et des régions où il est en contact intime avec des filaments, fils ou fils électriques conducteurs ( 1). Une situation idéale est fournie par des flottés de fil spécial entre les régions des électrodes constituées de conducteurs.
L'invention fonctionne aussi avec des fils qui ne forment pas des flottés libres, à savoir par exemples des fils spéciaux tissés ou tricotés de façon lâche, mais la sensibilité est moindre parce que l'espace pour les fibres conductrices est restreint par les forces que les fils exercent les uns sur les autres; cela a pour conséquence que davantage de fibres conductrices dans le fil spécial se touchent sans pression externe appliquée. Dans les deux régions de connexion de nombreux contacts des électrodes (1) avec l'extérieur du fil spécial (2) augmentent la probabilité de contact avec les fibres conductrices (5) contenues dans le fil spécial (2) qui atteignent l'extérieur du fil et peuvent contribuer à créer des trajets de conduction d'une électrode à l'autre.
La Fig. 4 montre des fibres conductrices (gros traits 5) dispersées entre des fibres non conductrices (traits lins 4); elles ne se touchent pas souvent et elles ont une résistance de contact plus élevée sans pression appliquée; cependant la compression du fil peut amener les fibres en contact intime ou améliorer leur conductivité interfaciale, créant ainsi des trajets de conduction longitudinaux. Cela est très différent des brevets existants où la conduction est transversale et/ou le fil n'est pas un mélange de fibres conductrices et non conductrices (US patent 2006/0258247 Al ).
La probabilité d'établir un trajet de conduction entre les électrodes dépend de la séparation des électrodes (Fig. 5), de la longueur des fibres, de leur distribution, extension et géométrie dans le fil; de la déformabilité et de l'élasticité à l'intérieur du fil et également du gonflant du fil et de son aptitude à retrouver sa forme. Le dispositif est transformé en détecteur de pression si les éléments conducteurs et non conducteurs du fil ont des propriétés de recouvrement de forme, par exemple par l'utilisation de matériaux élastiques tels que les fibres de polyuréthane ou des fibres conductrices élastomères.
La Fig. 6 montre un exemple d'application au tissage basé sur une armure de drap. Deux fils de chaîne conducteurs ( 1 ) sur la gauche et la droite de l'armure sont utilisés comme électrodes et un fil spécial (2) fait un long flotté entre les points de contact avec les électrodes. L'armure de base, le nombre d'électrodes, la longueur et l'espacement vertical des flottés de trame sont des paramètres qui peuvent être adaptés. On peut évidemment permuter chaîne et trame dans le design.
La Fig. 7 montre un exemple d'application au tricot trame. Le schéma global se trouve en bas à droite.
A gauche et au-dessus sont représentées respectivement une représentation imagée de la partie contenant les électrodes ( 1 ) et une coupe d'une gaine tricotée contenant le fil spécial (2). Il s'agit d'un tricot trame dans lequel deux rangées sont tricotées avec des fils conducteurs ( 1 ). Les deux rangées peuvent être réalisées soit sur une seule fonture (jersey) soit sur les deux fontures (jacquard ou intarsia). Un certain nombre de rangées non conductrices doivent se trouver entre les deux rangées conductrices. Dans une partie du tricot, un 'tube' ou 'canal' est réalisé par tricotage d'un jersey sur chaque fonture. La largeur de ce 'tube' peut varier selon la grosseur (finesse, diamètre) du fil spécial (2) qui est placé dans ce tube. Le lil spécial peut être incotporé dans le tube soit pendant le tricotage soit lors d'une opération ultérieure.
Une variante consiste à tricoter deux lignes verticales conductrices (1) en technique intarsia et de tramer un fil spécial (2) à l'intérieur d'un tricot double jersey. Le système de mesure pour l'exploitation du détecteur de pression textile peut être tout système reflétant le changement d'impédance du textile.
Cependant certaines précautions sont nécessaires. La puissance électrique dissipée au travers du textile doit être limitée pour éviter des décharges corona et réchauffement des fines fibres conductrices. Différents types de libres sont différemment sensibles. Cela peut conduire au collage irréversible de certains contacts ou à leur oxydation. L'emploi d'un bas voltage, d'un système de limitation de courant et l'emploi de mesures impulsionnelles évite la destruction des contacts tout en limitant en même temps la consommation d'énergie.
Pour une sensibilité accrue et la compensation de la dérive et d'éventuels changements irréversibles dans le textile, la mesure peut être faite de façon différentielle, en comparant un canal de mesure à un temps donné avec son état antérieur.
Si on fixe un seuil le dispositif peut aussi être utilisé comme un simple interrupteur détectant la compression.