テキスタイルデュアル | 重慶のボールブリッジテクノロジーズグループ

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5613 (2023) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

オリジナルの完全繊維コンバイナーは、たとえばスマートフォンのような 1 つの集中エネルギー源のみを使用して、身体に近いセンサーに電力を供給するために提案されています。刺繍プロセス中の針の動きを最小限に抑える必要がある工業生産プロセスの要件を考慮するためのソリューションが提供されます。さらに、この論文では、すでに存在するいくつかの無線電力伝送規格、つまり NFC や A4WP をサポートする方法、または IoT ドメインの分散システムの膨大なエネルギー需要を満たすために存在するであろう規格をサポートする方法についても示しています。この論文では、通信とエネルギーハーベスティングを可能にする新しい繊維ベースの柔軟な無線システムを提案します。この構造が 6.8 MHz と 13.6 MHz の 2 つの共振周波数を持ち、NFC および A4WP 規格に適していることを実証するために、分析、数値、および実験研究が実施されました。さらに、システムによって生じる損失は、A4WP と NFC でそれぞれ 2.76 dB と 1.91 dB です。結果は、そのような繊維マルチコイル結合器の特異性を強調するために連続的に提示される。固体電子部品を使用せずに共振構造を得る方法を説明します。

最近開発されたコネクテッドテキスタイルにより、衣服内でのデータとエネルギーの伝送が可能になります。実際、布地に埋め込まれたセンサーが動作してデータを送信するには電源が必要です。近距離無線通信 (NFC) テクノロジーは、特にバッテリーとメモリ容量の向上を伴う、集中エネルギー源とデータストレージのソリューションです。エレクトロニクスの進歩により、ウェアラブル小型デバイスと NFC テクノロジーを搭載したスマートフォンの間で無線電力伝送 (WPT) を使用することがすでに可能になっています 1,2。生理学的センサーなどの一部の小型 IoT デバイスは、最終的には、Qi テクノロジーが代替手段であることを認識して、最近 Airfuel (Air Fuel Alliance) と改名された A4WP (無線電力同盟) によって標準化されたテクノロジーによって、電力供給のみを必要とする場合があります。標準、すでに市場で入手可能です3、4、5。後者の技術は、300 kHz 付近の非常に弱い周波数で動作するため、結合器の近くに配置された送信機と受信機の完全に位置合わせされた同一のアンテナにその使用が制限されるため、現在の研究には保持されていません。さらに、A4WP 標準の周波数は NFC 周波数のちょうど半分であることに注意してください。

e-テキスタイルへの電力供給には多くのエネルギー源が使用できますが、今日のスマートフォンには NFC アンテナが装備されており、大量のデータを保存、処理、送信できます。その結果、これらは特に電源に適合し、スマートテキスタイルを別のネットワークに接続します。たとえば、自転車の機械エネルギーからスマートテキスタイルに電力を供給するエネルギー伝送システムが開発されました6。ジャンら。また、屈曲下でもデータを送信できる銀メッキ糸を使用したテキスタイル NFC アンテナも開発しました7。より最近では、Rongzhou Lin ら。また、衣類に刺繍された一体型テキスタイル NFC 伝送システムを紹介する研究も発表しました8。ランニング中など、遊牧的な方法でリアルタイムの生理学的パラメーターを監視することを目的としています。ただし、デバイスが動作するにはいくつかの堅固な電気コンポーネントが必要であり、その動作周波数は 13.56 MHz に調整されていません。テキスタイル NFC アンテナに関する別の研究では、共振周波数の側面に焦点を当てています9。これは、刺繍アンテナが繊維材料とプロセスのみで実現可能であり、その共振周波数を NFC テクノロジーに合わせて調整できることを示しています。最後に、いくつかの繊維アンテナを組み合わせることで、「コンバイナ」と呼ばれる新しいデバイスを作成し、繊維表面を介して 13.56 MHz の磁場の伝達を可能にすることができます10。残念ながら、この種の構造には回路を閉じるためのはんだ付けポイントが含まれており、デバイスに弱点が生じます。また、離散的な異方性磁気誘導素子のアレイから構築されたメタマテリアルによって開発された、人体通信に使用されるテキスタイル近接場マルチボディエリアネットワーク構造もあります11。このテーマに関する最近の記事で発表された結果とは異なり、私たちの研究は、従来の電子コンポーネントを使用せずに、2 つの異なる無線規格 (NFC と A4WP) に従ってエネルギーを通信および転送できる可能性を証明しています。アンテナとコンバイナーの設計と製造には、繊維素材と加工技術のみが使用されます。

以前の構造10と比較して、はんだ付けポイントがテキスタイルコンデンサに置き換えられました。まず、構造の理論的研究により、アンテナの固有共振と新しい繊維容量の値にそれぞれ依存する 2 つの共振周波数の存在が明らかになります。次に、構造の電気的応答を評価するためにシミュレーションが実施されました。第三に、実験的な共振周波数を特定するために透過係数 S21 が測定されました。ついに、概念実証として実用化が実現しました。

テキスタイルデュアルバンド (NFC-A4WP) コンバイナーは、連続した磁気誘導結合を使用することにより、13.56 MHz と 6.78 MHz の 2 つの異なる周波数で衣服全体にエネルギーとデータを転送できます。このデバイスは、送信機または受信機として使用できる複数のアンテナで構成されています。図 1a、b に示すように、すべてのアンテナは同一であり、130 mm の伝送線に接続された 40 mm、10 巻きのコイルで構成されています。これらは対称的に関連付けられ、刺繍プロセスを伴う単一の電流ラインで構成される回路を形成します。可変長の 2 つの現在の行が刺繍の開始点と終了点に追加されます。装置の写真と図を図 1c、d に示します。電流ラインは、Tibtech Company の 3 本の重なった織物導電性糸 Datatrans を使用して形成されます。

(a) アンテナの写真と (b) その図。 (c) 2 つのアンテナのテキスタイルデュアルバンド (NFC-A4WP) コンバイナーの写真と (d) その図。図 1(b) および (d) は、Inkscape ソフトウェア v1.2.2 (https://inkscape.org/) を使用して実行されました。

アンテナの電気的特性は以前の研究からすでに知られています9,10。これらの種類のアンテナを 2 つ備えたテキスタイルデュアルバンド (NFC-A4WP) 結合器が、その伝送係数を評価するために試作されました。また、刺繍の始点と終点で並列伝送線路の一部を形成する電流線の長さは、共振周波数と伝送係数への影響を研究するために可変です。

テキスタイルデュアルバンド (NFC-A4WP) 結合器とその電気回路図を図 2a、b に示します。L はインダクタンス、C は 1 つのアンテナの容量、R はコイル抵抗、r は伝送線抵抗です。。コペンは、この紙の残りの部分では AOETL と呼ばれる、伝送ラインの追加の開放端セクションの容量であり、刺繍の開始と終了を形成する可変長を持ちます。コイルアンテナの 1 つが誘導結合によって励起されると仮定すると、誘導電圧源 (図 2 には示されていない) から見た回路インピーダンスは式 2 で表すことができます。 (1) ここで、ω は正弦波信号の脈動、j は − 1 の平方根です。

(a) 2 つのアンテナを備えたテキスタイルデュアルバンド (NFC-A4WP) コンバイナー、(b) 電気回路図、および (c) コペンの開口部容量のズーム。 (d) N コイル結合器 (セル) が誘導励起される (誘導電圧源) 場合。

図 2b は 2 コイル結合器を示していますが、次の分析研究では、図 2d に示すように、N コイル結合器 (1 入力、(N-1) 出力) に適応したより一般化された方程式が得られます。各アンテナは、2 コイル結合器の場合にすでに定義されている r、R、L、および C パラメータを持つセルによってモデル化されます。左側のアンテナは図示しない送信機に誘導結合されており、その結果、電圧源Ｖｉが存在する。したがって、ソースから見たインピーダンス Zi は次の式で与えられます。

共振条件は、インピーダンスの虚数部が消えるときに得られます。並列共振回路 (コイル) の合計と直列に接続されているコペン容量は、解析的に研究された 2 つの単純化されたシナリオを除き、アンテナからの初期共振に加えて新しい共振周波数をもたらす可能性があります 12。まず、回路が各アンテナの適切な周波数でのみ共振する場合です。次に、コペンの容量が特定のアンテナの容量に比べて非常に小さい場合。それぞれの場合において、この開口部の影響を無視できる条件が強調されます。それらは、回路に供給されるインピーダンスが、回路に直列に接続された N-1 個のアンテナの Z' で示されるインピーダンスの係数と比較して無視できる場合に得られます。

コペンと直列接続された (N-1) 個のアンテナによって提供されるインピーダンスは、それぞれ次の式で与えられます。

回路の適切な共振 (N 個のアンテナが同一の場合) では、 \(LC\omega^{2} = 1\) が存在します。

その共振周波数では、 \(\frac{1}{{C}_{open}\omega }=\frac{1}{{C}_{open}\frac{1}{\sqrt{ LC}}}=\frac{\sqrt{LC}}{{C}_{open}}\)

コペンに関連するインピーダンスが (N-1) 個のアンテナ全体のインピーダンスの値よりはるかに小さい場合、コペンは共振周波数の値に影響を与えません。あれは：

この条件により、次の要件が生じます。

Copen がアンテナ容量に加えて非常に低い他の特定のケース (\({C}_{open} << C\)) では、回路の合計インピーダンスは次の式で与えられます。ε は次の式で与えられます。 (N-1) 個のアンテナの等価インピーダンス。

ε と Nr が両方とも無視できると仮定すると、インピーダンス Z は次の式で与えられます。

\(Z\about jL\omega +R+\frac{1}{jC\omega +j{C}_{open}\omega }=R+j\left[L\omega -\frac{1}{\left (C+{C}_{open}\right)\omega }\right]\) \(Z\about R+j\left(L\omega -\frac{1}{C\omega }\right)\)なぜなら \({C}_{open} \ll C\)

共鳴は次の場所に表示されます: \({f}_{0}=\frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}\)

すべてのテキスタイルデュアルバンド NFC-A4WP コンバイナーは GiSBac ソフトウェアで設計され、ZSK Company の工業用刺繍機 JF-0215-495 で製造されました。この構造は、ティブテック社のデータトランス導電糸を下糸として、ベーシックな靴下用綿糸を上糸として綿生地上に実現しました。回路を構成する電流線は、Datatrans 導電性糸が重なり合うことで形成されます。

すべての特性評価は、標準化された実験室の温度 21 °C、相対湿度 65% の条件下で実施されました。使用したベクトルネットワークアナライザは Agilent 8753S でした。散乱パラメータの測定は、1 m の同軸ケーブルに接続されたプローブ PCB アンテナのおかげで実現されました。使用したプリントプローブコイルアンテナは、平均半径 22 mm、導電トラック幅 0.6 mm、巻き数 8 です。これらは 1.6 mm 厚の FR4 基板に印刷されています。 VNAキャリブレーションは同軸ケーブルを使用して実行され、結果への影響を抑えています。コンバイナの S21 パラメータ測定実験セットアップの写真と、直接送信およびコンバイナ送信測定の図を図 3 に示します。電磁場地図作成は、Luxondes Company の ScanPhone で実現されました。

(a) コンバイナー S21 パラメーター測定実験装置の写真。 (b) 2 つのプローブ間の直接送信の図。 (c) デュアルバンドコンバイナーの S21 パラメーター測定実験セットアップの図。図 3(b) および (c) は、Microsoft PowerPoint 2016 16.0.4266.1001 (https://www.microsoft.com/en-ca/microsoft-365/powerpoint) を使用して実行されました。

シミュレーションはLTspiceソフトウェアで実現しました。これらのシミュレーションのすべての一定データは、以前に発表された研究から得られています9。理論的結果を確認するために、2 つのアンテナの電気特性を備えたテキスタイルデュアルバンド (NFC-A4WP) コンバイナーもシミュレーションされました。シミュレーションで使用されるパラメーター値は \(R=14.1 \Omega\)、\(L=7.99 \mu H\)、\(C=17.45 pF\) です。これらの値は以前の論文9 に関して選択されており、40 mm、10 ターン、および 130 mm の伝送線テキスタイル NFC アンテナに適応されています。可変容量 \({C}_{open}\) は、2 次共振周波数への影響を確認するために \(1 pF、10 pF、100 pF、および 1000 pF\) に固定されています。 5 番目の値 \({C}_{open}=26 pF\) も追跡され、NFC と A4WP 規格の両方に適合したデュアルバンド構造が強調されています。図 4 は、アンテナのインダクタンスに流れる電流のシミュレーション結果を示しています。

C open = [1pF、10pF、26pF、100pF、1000pF] のデュアルバンドコンバイナの S21 パラメータのシミュレーション (1 ～ 18 MHz) (LTspice によるシミュレーション値)。

これらのシミュレーションは、構造内の 2 次共振周波数の出現に対する開口容量の影響を示しています。実際、最高周波数 \({f}_{\mathrm{0,2}}=13.5 MHz\) での共振は固定されており、結合器を構成するアンテナの共振周波数と等しくなります。対照的に、2 番目の共振周波数 \({f}_{\mathrm{0,1}}\) (低い値) は、開口容量の値に依存します。値が大きいほど、共振周波数は \(13.5 MHz\) から遠くなります。最後に、前の解析開発で示されたように、\({C}_{open}\) がアンテナの容量 (\(C\)) に比べて非常に小さい場合、共振最大値はマージされます。このケースは図 3 に現れる傾向があり、Copen = 1pF の場合、C = 17.45pF の値と比較して小さくなり始めます。

2 コイルテキスタイルデュアルバンド (NFC-A4WP) コンバイナーの透過係数 (S21 パラメーター) が測定され、開口容量 \({C}_{open}\) の値に従ってその共振周波数が決定されました。この値を変更するために、AOETL の長さが 50 mm 間隔で 550 mm から 250 mm に短縮されました。図 5a は、コンバイナの各コイルに誘導結合された 2 つのアンテナ間の構造の S21 パラメータの結果を示しています。\({L}_{co}\) は AOETL 長として定義されています。特定の条件下で両方の周波数を送信する結合器単独の能力を特徴付けるために、後に「プローブ」と呼ばれる非共振送信機および受信機アンテナを使用することが選択されました。透過係数のピークは共振周波数を表します。これらの結果は、2 つの共振周波数の存在を強調しています。最初の \({f}_{\mathrm{0,1}}\) は開口容量から得られ、その値に応じて変化します。 \({L}_{co}\) の長さ 250 mm により、5.8 MHz の共振周波数に達することができます。 2 番目の共振周波数 \({f}_{\mathrm{0,2}}\) は安定しており、その値はアンテナの特性 (L と C) によって決まります。この場合、\({f}_{\mathrm {0,2}}=13.58 MHz\)。理論的解析とシミュレーションによると、\({L}_{co}\) の値（つまり、開口容量の値）が減少すると、最初の共振周波数は 2 番目の共振周波数に近づきます。

(a) 開口部の長さ \({L}_{co}\)(mm) が 250 ～ 550 mm の範囲で変化するテキスタイルデュアルバンドコンバイナーの測定された S21 パラメータ。 (b) NFC-A4WP は、0 ～ 20 MHz のテキスタイルデュアルバンドコンバイナの測定およびシミュレートされた S21 パラメータに適合しました。測定された S11 および S22 パラメータ。 A4WP および NFC 標準周波数が強調表示されます。

これらの測定により、NFC および A4WP 周波数、つまり 13.56 MHz および 6.78 MHz で共振構造を作成するために適応した AOETL の長さを決定することができました。実現したプロトタイプは開口長360mmで構成されています。図5bに示す、測定およびシミュレーションされたS21パラメータ、および測定されたS11およびS22パラメータは、A4WPおよびNFC範囲の2つの共振周波数を引き出します: \({f}_{\mathrm{0,1}}=6.77 \mathrm{ MHz}\) および \({f}_{\mathrm{0,2}}=13.58 MHz\)。

電力伝送効率に関しては、繊維製デュアルバンド NFC-A4WP コンバイナが電力伝送に及ぼす影響を評価するために、コンバイナ構造なしで重ね合わせた場合の 2 つのプローブ間の直接伝送 S21 も測定されました。直接送信 S21 は基準措置とみなされます。したがって、共振周波数で構造によって生成される相対損失 \(L (dB)\) は、図 3b に示す直接送信 S21、直接 (dB) と繊維コンバイナー S21、コンバイナー ( dB）を図3cに示します。 6.9 MHz および 13.58 MHz での伝送係数 S21 (直接および結合器経由) と相対損失 L (dB) の値を表 1 に示します。結果は、最初と 1 番目で 2.76 dB と 1.91 dB の相対損失を示しています。それぞれ二次共振周波数。その結果、テキスタイルデュアルバンド (NFC-A4WP) コンバイナーは、2 つのプローブアンテナ間の連続的な磁気誘導結合にもかかわらず、最小限の損失でエネルギーの転送を可能にします。

テキスタイルデュアルバンド (NFC-A4WP) コンバイナーは、テキスタイル表面を介して完全に非接触で NFC および A4WP プロトコルの動作範囲を拡大することを目的としています。ただし、電磁界の放射は繊維材料とともに特定の領域に限定される必要があります。

高放射領域を特定し、特にコイルといわゆる AOETL の間の伝送線路セクションに沿った構造の放射損失を評価するために、プロトタイプに対して電磁界放射カートグラフィーが実行されました。測定は、Luxondes13 の ScanPhone のおかげで実行されました。繊維製デュアルバンドコンバイナーには、HF 発生器からの 13.56 MHz および 2 Vpp 信号による磁気誘導によって電力が供給されています。磁場強度の測定は、プロトタイプの上方 20 mm で実行されました。図6に示す結果は、予想通り、両方のコイル上に位置する2つの高放射領域を強調しています。地図作成では、構造物の送電線セクションに沿った放射損失はほとんどありませんが、依然として限定的であることが示されています。

繊維デュアルバンド (NFC-A4WP) コンバイナー電磁界放射地図作成。

テキスタイルデュアルバンドニアフィールドマルチコンバイナは、身体中心の通信を改善することを目的としています。これは、スマートフォン (NXP TagInfo Android アプリケーションを搭載した Samsung A6) と身体センサー (Abott Diabetes の継続監視センサーである FreeStyle Libre との間で電力とデータ転送を生み出すことを意味します)。お手入れ）。デバイスの実現可能性を実証するために、概念実証が実現されました。テキスタイルのデュアルバンドニアフィールドマルチコンバイナはズボンに組み込まれており、ポケットに入れられたスマートフォンと足首に置かれた生理学的パラメータセンサーとの間の電磁接続 (電力とデータ) を確立します。図 7 は、完全なデバイス、センサー、および送信されるデータを示しています。

(a) テキスタイルデュアルバンドニアフィールドマルチコンバイナの概念実証、(b) 送信されるデータ、および (c) センサー。

この論文では、誘導共鳴結合を使用して身体の周りにエネルギーを分配することを目的とした完全な繊維構造の使用法について説明します。そのエネルギーは、NFC または A4WP テクノロジーのいずれかをサポートできるデバイス (スマートフォンやワイヤレスパワーバンクなど) から供給される可能性があります。開発された構造はすでに A4WP および NFC の標準周波数 (6.78 MHz および 13.56 MHz) で共振しますが、刺繍プロセスにより動作周波数の大きな柔軟性が可能になります。実際、前の式に示されているように、構造の幾何学的形状に依存します。つまり、巻き数、半径、伝送線路の長さを調整することで、MHz 範囲の任意の共振周波数を持つテキスタイルコンバイナーを開発できるということです。使用する工業用機械の針を上げる必要がなく、構造全体を刺繍することができ、このプロセスは再現可能で高速です (プロトタイプの生産に 5 分)。したがって、提案された方法はすでに産業用途に適用されています。コンバイナには複数の出力結合アンテナが含まれる場合がありますが、示されているプロトタイプは、解析的に予測される動作を示す数値モデリングと測定結果を得るのに役立つ 2 コイルアンテナコンバイナに限定されています。最後に、テキスタイルのデュアルバンド近接場マルチコンバイナによって生じる損失は、たとえ削減できたとしても、RFID アプリケーションでは許容可能です。たとえば、インピーダンスの適応に取り組むことによってです。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された論文とその補足情報ファイルに含まれています。

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この研究は、プロジェクト CONTEXT ANR-17-CE24-0013-02 内の ANR (フランス国立研究機関) プログラムに基づいて資金提供されています。著者らは、ENSAIT の技術者である François Dassonville に感謝します。この研究作業は、IEMN 特性評価 (PCMP) 施設の支援を受けて部分的に実施されました。

国立繊維芸術産業学校、ルーベ、フランス

バティスト・ガルニエ、フランソワ・ロー、セドリック・コクラン、ヴラダン・コンカール

CNRS、リール中央大学、大学オー・ド・フランス工科大学、UMR 8520 - IEMN、大学リール, 59000, リール, フランス

フィリップ・ウェディング

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BG、PM、FR、CC、VK が構造を考案、設計しました。 BG がプロトタイプを制作しました。 PM と BG が実験と測定を行いました。 BGはシミュレーションを実現しました。 BG、PM、FR、CC、VK がこの論文を執筆しました。

バティスト・ガルニエへの往復書簡。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Garnier、B.、Mariage、P.、Rault、F. 他。繊維製デュアルバンド NFC-A4WP (13.56 ～ 6.78 MHz) コンバイナーで、接続された衣類のワイヤレスエネルギーとデータ伝送を実現します。 Sci Rep 13、5613 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31832-0

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受信日: 2022 年 9 月 20 日

受理日: 2023 年 3 月 17 日

公開日: 2023 年 4 月 6 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31832-0

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