DE112007000947T5

DE112007000947T5 - Durch aktives Material betätigte Kopfstützenanordnungen

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Publication number: DE112007000947T5
Application number: DE112007000947T
Authority: DE
Inventors: Alan L. Grosse Pointe Browne; Adrian B. Boulder Chernoff; Rainer A. Washington Glaser; Nancy L. Northville Johnson; James Y. Macomb Khoury; Ukpai I. West Bloomfield Ukpai; Pablo D. Ann Arbor Zavattieri
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-04-17
Filing date: 2007-04-17
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2027-04-18
Also published as: US7448678B2; US20070246979A1; US20090008973A1; DE112007000947B4; WO2007121422A2; CN101472761A; US7594697B2; WO2007121422A3; DE112007003767B4; CN101472761B

Abstract

Kopfstütze, die zur Ausrichtung mit dem Kopf eines sitzenden Insassen positioniert ist, wobei die Kopfstütze umfasst:
eine Säule, die sich von einer Rückenlehne erstreckt;
eine gepolsterte Abdeckung, die eine Oberfläche aufweist, die zum Kontakt mit dem Kopf des Insassen ausgestaltet ist;
einen Rahmen, der innerhalb der gepolsterten Abdeckung angeordnet ist; und
ein aktives Material, das innerhalb der gepolsterten Abdeckung in Wirkverbindung mit einem Abschnitt der Kopfstützenoberfläche angeordnet ist, wobei das aktive Material ausgestaltet ist, bei Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung zumindest einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung zumindest einer Eigenschaft bewirkt, dass eine Position der Kopfstützenoberfläche relativ zu dem Kopf des Insassen oder eine Moduleigenschaft geändert wird.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Kopfstützenanordnung, und im Besonderen durch aktives Material betätigte verwandelbare, positionierbare und/oder änderbare/abstimmbare, nachgiebige Kopfstützenanordnungen.
Fahrzeugsitze umfassen typischerweise einen unteren Sitzabschnitt und einen Rückenlehnenabschnitt. Kopfstützenanordnungen werden gewöhnlich in Fahrzeugen angewandt und sind typischerweise einstellbar an dem Rücklehnenabschnitt angebracht. Kopfstützen können selektiv in Bezug auf den Rückenlehnenabschnitt von einem Benutzer bewegt werden; beispielsweise ist häufig die Höhe einer Kopfstütze wahlweise einstellbar.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Hierin sind Kopfstützenanordnungen offenbart, die auf aktivem Material beruhende Aktoren anwenden oder aktive Materialien anwenden, um eine änderbare, abstimmbare Nachgiebigkeit der Kopfstützenanordnung bereitzustellen. In einer Ausführungsform umfasst die Kopfstütze ein aktives Material, das in ein Rahmenelement, eine Tasche oder eine Zahnradeinrichtung eingearbeitet ist, wobei das aktive Material eine Stellbewegung ausführt, wenn ein Aktivierungssignal an das aktive Material angelegt wird.
Eine Kopfstützenanordnung, die zur Ausrichtung mit dem Kopf eines sitzenden Insassen positioniert ist, wobei die Kopfstütze umfasst ein oder mehrere Säulen, die sich von einer Rückenlehne erstrecken; eine gepolsterte Abdeckung, die eine Oberfläche aufweist, die ausgestaltet ist, um mit dem Kopf des Insassen in Kontakt zu stehen; einen Rahmen, der innerhalb der gepolsterten Abdeckung angeordnet ist; und ein aktives Material, das innerhalb der gepolsterten Abdeckung in Wirkverbindung mit einem Abschnitt der Kopfstützenoberfläche angeordnet ist, wobei das aktive Material ausgestaltet ist, um eine Änderung zumindest einer Eigenschaft bei Empfang eines Aktivierungssignals zu erfahren, wobei die Änderung zumindest einer Eigenschaft bewirkt, dass eine Position der Kopfstützenoberfläche relativ zu der Rückenlehne oder eine Moduleigenschaft geändert wird.
In einer anderen Ausführungsform umfasst eine Kopfstützenanordnung einen zentralen Abschnitt; einen ersten Flügelabschnitt, der mit einer Seite des zentralen Abschnitts gekoppelt ist; und einen zweiten Flügelabschnitt, der mit einer anderen Seite des zentralen Abschnitts gekoppelt ist. Ein Rahmen trägt und definiert die Flügel und zentralen Abschnitte und weist Verbindungselemente auf, die aus einem aktiven Material gebildet sind. Das aktive Material ist ausgestaltet, um selektiv eine Position oder Moduleigenschaft der Flügel- und/oder zentralen Abschnitte der Kopfstütze zu ändern.
Ein Verfahren zum selektiven Umkonfigurieren einer Form oder Moduleigenschaft einer Kopfstütze, die sich von einer Rückenlehne erstreckt, umfasst, dass ein aktives Material mit einem Aktivierungssignal aktiviert wird, wobei das aktive Material in Wirkverbindung mit einer Kopfstützenoberfläche steht und ausgestaltet ist, um bei Empfang des Aktivierungssignals eine Änderung zumindest einer Eigenschaft zu erfahren; und die Kopfstütze umkonfiguriert wird, indem eine Position oder eine Moduleigenschaft der Kopfstützenoberfläche in Ansprechen auf die Änderung der zumindest einen Eigenschaft geändert wird.
Die oben beschriebenen und weitere Merkmale werden beispielhaft durch die folgenden Figuren und die ausführliche Beschreibung ausgeführt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nun unter Bezugnahme auf die Figuren, die beispielhafte Ausführungsformen sind und in denen gleiche Elemente gleich nummeriert sind, veranschaulicht:
1 einen Seitenaufriss einer Rückenlehne mit einer Kopfstütze;
2 eine Frontansicht der Kopfstütze gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
3 eine Schnittansicht von oben nach unten einer Kopfstütze gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
4 eine Schnittansicht von oben nach unten einer Kopfstütze gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
5 eine Schnittansicht von der Seite einer Kopfstütze und eines Rahmens, der aus einem aktiven Material gebildet ist, gemäß einer Ausführungsform;
6 eine Schnittansicht von der Seite einer Kopfstütze und eines Rahmens, der aus einem aktiven Material gebildet ist, gemäß einer anderen Ausführungsform;
7 eine Schnittansicht von oben nach unten einer Kopfstütze gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
8 eine Schnittansicht von der Seite einer Kopfstütze gemäß einer anderen Ausführungsform; und
9 eine Schnittansicht von der Seite einer Kopfstütze gemäß einer anderen Ausführungsform.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hierin sind Kopfstützenanordnungen offenbart, die durch aktives Material betätigte Mechanismen umfassen. Die Kopfstützenanordnungen können während der Verwendung selektiv und aktiv positioniert werden, wie es für unterschiedliche Auslöseereignisse und Bedingungen erwünscht sein kann. Die hierin offenbarten Kopfstützenanordnungen sind als Kopfstützenrückhaltungen in jedem Sitz (einschließlich Kindersitze) anpassbar. Beispielsweise können die Kopfstützenanordnungen in Transportfahrzeugen (z. B. Pkw, Lkw, Flugzeuge, Züge und dergleichen), Möbeln (z. B. Entertainment-/Unterhaltungssitze und Wohnungssitze (einschließlich Zusätze), Tragen, Betten, Positionierungs- und Halterungs-/Rückhaltevorrichtungen für Kopf/Nacken und dergleichen angewandt werden. Darüber hinaus können die hierin offenbarten Kopfstützenanordnungen einstückig mit einer Rückenlehne sein (d. h. eine einteilige Struktur) oder alternativ ein separates Bauteil, das der Sitzrückenlehne hinzugefügt werden kann.
Das aktive Material stellt ein selektives Verwandeln, Manipulieren, Positionieren und/oder Ändern der Nachgiebigkeit der Kopfstütze in Ansprechen auf ein angelegtes Aktivierungssignal bereit, wobei das Anlegen des Aktivierungssignals entweder bei Bedarf oder nach Detektion einer Bedingung ausgelöst werden kann. Der Ausdruck "aktives Material", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich allgemein auf ein Material, das bei Anlegen eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft, wie einer Abmessung, einer Form, einer Phase, einer Orientierung, einer Steifigkeit, einer Scherfestigkeit und dergleichen zeigt. Geeignete aktive Materialien umfassen, ohne Einschränkung, Formgedächtnislegierungen (SMA), ferromagnetische Formgedächtnislegierungen (MSMA), Formgedächtnispolymere (SMP), piezoelektrische Materialien, elektroaktive Polymere (EAP), magnetorheologische (MR) Elastomere, elektrorheologische (ER) Elastomere, ER-Fluide, MR-Fluide und dergleichen. Zusätzlich zu diesen oben angeführten Materialien soll der Ausdruck aktive Materialien auch dilatante, d. h. scherverdickende/strukturviskose, d. h. scherverdünnende Fluide (STF) umfassen. Abhängig von dem besonderen aktiven Material kann das Aktivierungssignal die Form, ohne Einschränkung, eines elektrischen Stroms, eines elektrischen Feldes (Spannung), einer Temperaturänderung, eines Magnetfeldes, einer mechanischen Belastung oder Spannung und dergleichen annehmen. Von den oben angeführten Materialien umfassen auf SMA und SMP basierende Anordnungen vorzugsweise einen Rückstellmechanismus, um die ursprüngliche Geometrie der Anordnung wiederherzustellen. Der Rückstellmechanismus kann mechanisch, pneumatisch, hydraulisch, pyrotechnisch oder auf der Basis von einem der vorstehend erwähnten aktiven Materialien sein.
Vorteilhaft können die hierin beschriebenen Kopfstützenanordnungen angepasst sein, um auf eine dynamische Last eines Insassen durch die Trägheit zu antworten, die in einem Auslöseereignis bereitgestellt wird, um die Kopfstütze zu verwandeln und somit den Raum zwischen dem Insassen und der Kopfstütze zu verringern. Wie es in der gesamten Offenbarung besprochen wird, können die verschiedenen, auf aktivem Material beruhenden Aktoren verwendet werden, um viele der Nachteile von herkömmlichen, in Kopfstützen verwendeten Aktoren zu überwinden. Die meisten auf aktivem Material beruhenden Vorrichtungen, die für diese Verwendung in Betracht gezogen werden, sind robuster als rein elektromechanische Ansätze, da sie keine mechanischen Teile aufweisen, wobei es das Material selbst ist, dessen Steifigkeit und/oder Abmessung sich ändert. Sie emittieren auch in den meisten Fällen weder akustische noch elektromagnetische Geräusche/Störungen.
Wegen ihres kleinen Volumens, ihres niedrigen Leistungsbedarfs und ihrer verteilten Betätigungsfähigkeit neben anderen Eigenschaften können die Aktoren mit aktivem Material darüber hinaus in die Kopfstütze an verschiedenen Stellen eingebettet sein, wie etwa an den als Flügel ausgebildeten Abschnitten, um ein kundenangepasstes Zuschneiden für die Bedürfnisse des Insassen, das Fahrszenario und/oder die Natur einer identifizierten Bedingung zuzulassen (z. B. ein anderes Fahrzeug in einem so genannten "toten Winkel"). Die Aktoren mit aktivem Material können auch in einer bestimmten Folge oder nur an ausgewählten Stellen betätigt werden, um sich an den Insassen und Situationsnotwendigkeiten anzupassen. Beispielsweise könnten unterschiedliche Regionen aktiviert werden, um unterschiedliche Bedürfnisse eines Insassen zu erfüllen (z. B. ein Insasse, der zu ruhen/zu schlafen wünscht, im Vergleich mit einem, der gewarnt werden und aufmerksam sein will). Es ist anzumerken, dass andere potentielle Funktionen für Merkmale von durch aktives Material betätigten Kopfstützen ebenso in Betracht gezogen werden. Beispiele umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, das Warnen eines Fahrers vor verschiedenen Bedingungen, wie etwa dem Vorhandensein eines Fahrzeugs in seinem toten Winkel, beispielsweise wenn man den Fahrtrichtungsanzeiger aktiviert oder beginnt, das Lenkrad für einen Spurwechsel zu drehen, und dergleichen. Es ist zu verstehen, dass in anderen Ausführungsformen Unterschiede der Frequenz und/oder der Amplitude einer Schwingung sowie des Steifigkeits-/Materialmoduls ebenfalls als Nachrichtenmechanismen verwendet werden können.
Um die verschiedenen Möglichkeiten besser zu verstehen, in denen aktive Materialien angewandt werden können, um die Kopfstütze für den Kopf eines besonderen Insassen oder für eine besondere Verwendung/ein besonderes Ereignis reversibel umzukonfigurieren und anzupassen, ist es notwendig, die Natur und die Mechaniken der erwünschten aktiven Materialien zu verstehen. Wie es zuvor erwähnt wurde, umfassen geeignete aktive Materialien für die auf aktivem Material beruhenden Kopfstützen, ohne Einschränkung, Formgedächtnislegierungen ("SMA"), z. B. thermische und über Spannung aktivierte Formgedächtnislegierungen und magnetische Formgedächtnislegierungen (MSMA), elektroaktive Polymere (EAP), wie etwa dielektrische Elastomere, ionische Polymer-Metall-Verbundstoffe (IPMC), piezoelektrische Materialien (z. B. Polymere, Keramiken) und Formgedächtnispolymere (SMP), Formgedächtniskeramiken (SMC), Baroplaste, magnetorheologische (MR) Materialien (z. B. Fluide und Elastomere), elektrorheologische (ER) Materialien (z. B. Fluide und Elastomere), Verbundstoffe aus den vorstehenden aktiven Materialien mit nichtaktiven Materialien, Systeme mit zumindest einem der vorstehenden aktiven Materialien und Kombinationen mit zumindest einem der vorstehenden aktiven Materialien. Der Zweckmäßigkeit halber und beispielhaft wird hierin Bezug auf Formgedächtnislegierungen und Formgedächtnispo lymere genommen. Die Formgedächtniskeramiken, Baroplaste und dergleichen können auf ähnliche Weise angewandt werden. Beispielsweise bewirkt bei baroplastischen Materialien ein druckinduziertes Mischen von Nanophasendomänen von Bestandteilen mit hoher und niedriger Glasübergangstemperatur (Tg) die Formänderung. Baroplaste können bei relativ niedrigen Temperaturen wiederholt ohne Verschlechterung verarbeitet werden. SMC sind ähnlich wie SMA, können aber viel höhere Betriebstemperaturen als andere Formgedächtnismaterialien tolerieren. Ein Beispiel einer SMC ist ein piezoelektrisches Material.
Die Fähigkeit von Formgedächtnismaterialien, bei Anlage oder Wegnahme externer Stimuli zu ihrer ursprünglichen Form zurückzukehren, hat zu deren Verwendung in Aktoren geführt, um eine Kraft zu erzeugen/eine Kraft aufzubringen, was zu der gewünschten Bewegung führt. Aktoren mit aktivem Material bieten das Potential für eine Verringerung der Aktorgröße, des Aktorgewichts, des Aktorvolumens, der Aktorkosten, des Aktorgeräuschs und einer Zunahme der Aktorrobustheit im Vergleich mit traditionellen elektromechanischen und hydraulischen Betätigungsmitteln. Ferromagnetische SMA zeigen beispielsweise schnelle Abmessungsänderungen von bis zu mehreren Prozent in Ansprechen auf ein (und proportional zur Verstärkung von einem) angelegten Magnetfeld. Diese Änderungen sind jedoch Einwegänderungen und benutzen das Anlegen von entweder einer Vorspannkraft oder einer Feldumkehr, um die ferromagnetische SMA in ihre Ausgangskonfiguration zurückzuführen.
Formgedächtnislegierungen sind Legierungszusammensetzungen mit zumindest zwei unterschiedlichen temperaturabhängigen Phasen oder unterschiedlicher Polarität. Die am üblichsten benutzten dieser Phasen sind die so genannten Martensit- und Austenitphasen. In der folgenden Diskussion bezieht sich die Martensitphase allgemein auf die verformbare re Phase bei niedriger Temperatur, wohingegen sich die Austenitphase allgemein auf die steifere Phase bei höherer Temperatur bezieht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase befindet und erwärmt wird, beginnt sie, sich in die Austenitphase zu ändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird häufig als Austenitstarttemperatur (As) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen abgeschlossen ist, wird häufig die Austenitendtemperatur (Af) genannt. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie sich, in die Martensitphase zu ändern, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird häufig als die Martensitstarttemperatur (Ms) bezeichnet. Die Temperatur, bei der der Austenit aufhört, sich in Martensit zu verformen, wird häufig die Martensitendtemperatur (Mf) genannt. Der Bereich zwischen As und Af wird häufig als der Temperaturbereich der Transformation von Martensit in Austenit bezeichnet, während der zwischen Ms und Mf häufig als der Temperaturbereich der Transformation von Austenit in Martensit bezeichnet wird. Es ist anzumerken, dass die oben erwähnten Übergangstemperaturen Funktionen der Spannung sind, die von der SMA-Probe erfahren wird. Im Allgemeinen nehmen diese Temperaturen mit zunehmender Spannung zu. Im Hinblick auf die vorstehenden Eigenschaften erfolgt die Verformung der Formgedächtnislegierung vorzugsweise bei oder unter der Austenitstarttemperatur (bei oder unter As). Ein anschließendes Erwärmen über die Austenitstarttemperatur bewirkt, dass die verformte Probe aus Formgedächtnismaterial beginnt, bis zum Abschluss bei der Austenitendtemperatur in ihre ursprüngliche (nicht verspannte) permanente Form zurückzukehren. Somit ist ein geeigneter Aktivierungseingang oder ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal, das eine Größe aufweist, die ausreicht, um Transformationen zwischen den Martensit- und Austenitphasen zu bewirken.
Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Hochtemperaturform erinnert (d. h. ihre ursprüngliche, nicht verspannte Form), wenn sie erwärmt wird, kann durch geringfügige Änderungen der Zusammensetzung der Legierung und durch thermomechanische Verarbeitung eingestellt werden. Bei Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann sie beispielsweise von über etwa 100°C auf etwa unter –100°C ändert werden. Der Formgedächtnisprozess kann über einen Bereich von nur einigen wenigen Graden auftreten oder eine allmählichere Wiederherstellung über einen breiteren Temperaturbereich zeigen. Der Start oder das Ende der Transformation kann auf innerhalb mehrerer Grade abhängig von der gewünschten Anwendung und Legierungszusammensetzung gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierungen schwanken über den Temperaturbereich, der ihre Transformation überspannt, stark, wobei typischerweise ein Formgedächtniseffekt und ein superelastischer Effekt bereitgestellt werden. Beispielsweise wird in der Martensitphase ein niedrigerer Elastizitätsmodul als in der Austenitphase beobachtet. Formgedächtnislegierungen können in der Martensitphase große Verformungen erfahren, indem die Kristallstrukturanordnung mit der angelegten Spannung wieder ausgerichtet wird. Das Material wird diese Form beibehalten, nachdem die Spannung weggenommen wird. Mit anderen Worten haben die spannungsinduzierten Phasenänderungen in SMA eine Zweiwege-Natur; das Anlegen einer ausreichenden Spannung, wenn sich die SMA in ihrer Austenitphase befindet, wird bewirken, dass sie sich in ihrer Martensitphase mit niedrigerem Modul ändert. Das Wegnehmen der angelegten Spannung wird bewirken, dass die SMA zurück in ihre Austenitphase schaltet, und wenn sie dies vornimmt, ihre Ausgangsform und ihren höheren Modul wieder erlangt. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung schwanken über dem ihre Transformation überspannenden Temperaturbereich stark, wobei die Kopfstütze typischerweise mit Formgedächtniseffekten, superelastischen Effekten und hoher Dämpfungskapazität versehen wird.
Beispielhafte Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupfer-Basis (z. B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinn-Legierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis usw. Die Legierungen können binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, solange die Legierungszusammensetzung einen Formgedächtniseffekt zeigt, z. B. eine Änderung der Form, der Orientierung, der Streckfestigkeit, des Biegemoduls, der Dämpfungsfähigkeit, der Superelastizität und/oder ähnlicher Eigenschaften. Die Auswahl einer geeigneten Formgedächtnislegierungszusammensetzung hängt zum Teil von dem Temperaturbereich der vorgesehenen Anwendung ab.
Die Wiederherstellung in die Austenitphase bei einer höheren Temperatur wird durch eine sehr große (im Vergleich mit jener, die notwendig ist, um das Material zu verformen) begleitet, die so hoch sein kann wie die inhärente Streckfestigkeit des Austenitmaterials, manchmal bis zum drei- oder mehrfachen derjenigen der verformten Martensitphase. Bei Anwendungen, die eine große Anzahl von Betriebszyklen erfordern, kann eine Dehnung von weniger als oder gleich etwa 4% der verformten Länge an verwendetem Draht erhalten werden. Bei Experimenten, die mit Formgedächtnislegierungsdrähten von 0,5 Millimetern (mm) Durchmesser durchgeführt wurden, wurde eine maximale Dehnung in der Größenordnung von 4% erhalten. Dieser Prozentsatz kann bis zu 8% für dünnere Drähte oder für Anwendungen mit einer geringeren Anzahl von Zyklen zunehmen.
MSMA sind Legierungen, die häufig aus Ni-Mn-Ga zusammengesetzt sind, die die Form aufgrund einer durch ein Magnetfeld induzierten Dehnung ändern. MSMA haben interne Varianten mit unterschiedlichen magnetischen und kristallografischen Orientierungen. In einem Magnetfeld ändern sich diese Varianten, was zu einer Gesamtformänderung des Materials führt. Ein MSMA-Aktor erfordert im Allgemeinen, dass das MSMA-Material zwischen Spulen eines Elektromagneten platziert ist. Elektrischer Strom, der durch die Spulen fließt, induziert ein Magnetfeld durch das MSMA-Material hindurch, was eine Änderung der Form bewirkt.
Wie es zuvor erwähnt wurde, sind weitere beispielhafte Formgedächtnismaterialien Formgedächtnispolymere (SMP). "Formgedächtnispolymer" bezieht sich allgemein auf ein Polymermaterial, das bei Anlegen eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft, wie eines Moduls, einer Abmessung, eines Wärmeausdehnungskoeffizienten, der Durchlässigkeit gegenüber Feuchtigkeit, einer optischen Eigenschaft (z. B. Transmissionsvermögen) oder einer Kombination mit zumindest einer der vorstehenden Eigenschaften, in Kombination mit einer Änderung seiner Mikrostruktur und/oder Morphologie zeigt. Formgedächtnispolymere können ansprechend sein auf Wärme (d. h. die Änderung der Eigenschaft wird durch ein thermisches Aktivierungssignal hervorgerufen, das entweder direkt über Wärmezufuhr oder -wegnahme oder indirekt über eine Schwingung mit einer Frequenz geliefert wird, die geeignet ist, Schwingung mit hoher Amplitude auf dem molekularen Niveau zu erregen, die zu interner Erzeugung von Wärme führen), auf Licht (d. h. die Änderung der Eigenschaft wird durch ein Aktivierungssignal auf der Basis elektromagnetischer Strahlung hervorgerufen), auf Feuchtigkeit (d. h. die Änderung der Eigenschaft wird durch ein Flüssigkeitsaktivierungssignal wie etwa Feuchtigkeit, Wasserdampf oder Wasser hervorgerufen), auf Chemikalien (d. h. ansprechend auf eine Änderung der Konzentration von einer oder mehreren von chemischen Spezies in seiner Umgebung; z. B. die Konzentration von H+-Ionen – der pH der Umgebung) oder auf eine Kombination mit zumindest einem der Vorstehenden.
Im Allgemeinen sind SMP phasengetrennte Copolymere mit zumindest zwei unterschiedliche Einheiten, die so beschrieben werden können, dass unterschiedliche Segmente innerhalb des SMP definiert sind, wobei jedes Segment unterschiedlich zu den Gesamteigenschaften des SMP beiträgt. So wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck "Segment" auf einen Block, einen Pfropf oder eine Folge der gleichen oder ähnlichen Monomer- oder Oligomereinheiten, die copolymerisiert sind, um das SMP zu bilden. Jedes Segment kann (halb-)kristallin oder amorph sein, und wird einen entsprechenden Schmelzpunkt bzw. eine entsprechende Glasübergangstemperatur (Tg) aufweisen. Der Ausdruck "thermische Übergangstemperatur" wird hier der Zweckmäßigkeit halber verwendet, um sich gattungsgemäß auf entweder eine Tg oder einen Schmelzpunkt abhängig davon zu beziehen, ob das Segment ein amorphes Segment oder ein kristallines Segment ist. Für SMP, die (n) Segmente umfassen, sagt man, dass das SMP ein hartes Segment und (n – 1) weiche Segmente aufweist, wobei das harte Segment eine höhere thermische Übergangstemperatur als irgendein weiches Segment aufweist. Somit weist das SMP (n) thermische Übergangstemperaturen auf. Die thermische Übergangstemperatur des harten Segments wird die "letzte Übergangstemperatur" genannt, und die niedrigste thermische Übergangstemperatur des sogenannten" weichsten" Segments wird die "erste Übergangstemperatur "genannt. Es ist wichtig anzumerken, dass, wenn das SMP mehrere Segmente aufweist, die sich durch die gleiche thermische Übergangstempera tur auszeichnen, die auch die letzte Übergangstemperatur ist, dann gesagt wird, dass das SMP mehrere harte Segmente aufweist.
Wenn das SMP über die letzte Übergangstemperatur erwärmt wird, kann dem SMP-Material eine permanente Form verliehen werden. Eine permanente Form für das SMP kann festgelegt oder gespeichert werden, indem das SMP anschließend unter diese Temperatur abgekühlt wird. So wie sie hierin verwendet werden, sind die Ausdrücke "ursprüngliche Form", "zuvor definierte Form", "vorbestimmte Form" und "permanente Form" Synonyme und sollen austauschbar verwendet werden. Eine temporäre Form kann festgelegt werden, indem das Material auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher ist als eine thermische Übergangstemperatur irgendeines weichen Segments, jedoch unter die letzte Übergangstemperatur, eine äußere Spannung oder Last aufgebracht wird, um das SMP zu verformen, und dann unter die besondere thermische Übergangstemperatur des weichen Segments abgekühlt wird, während die verformende äußere Spannung oder Last aufrechterhalten wird.
Die permanente Form kann wiederhergestellt werden, indem das Material bei weggenommener Spannung oder Last über die besondere thermische Übergangstemperatur des weichen Segments jedoch unter die letzte Übergangstemperatur erwärmt wird. Somit sollte klar sein, dass es durch Kombinieren mehrerer weicher Segmente möglich ist, mehrere temporäre Formen darzustellen und es mit mehreren harten Segmenten möglich sein kann, mehrere permanente Formen darzustellen. Ähnlich wird unter Verwendung eines geschichteten oder Verbundansatzes eine Kombination mehrerer SMP Übergänge zwischen mehreren temporären und permanenten Formen zeigen. Obgleich SMP verschiedentlich in Bahn-, Platten-, Faser- oder Schaumformen verwendet werden können, um die Kopfstützensteifigkeit einzustellen/zu steuern, haben sie den Nachteil, dass sie kontinuierlich Leistung benötigen, um ihre Form bei niedrigerem Modul aufrechtzuerhalten. Sie sind daher besser für eine Einstellung der Kopfstütze auf der Basis von Insassenvorlieben mit reversibler Form, Position und Orientierung geeignet (durch Erwärmungs-/Abkühl-/Wiedererwärmungszyklen.
Das Formgedächtnismaterial kann auch ein piezoelektrisches Material umfassen. In bestimmten Ausführungsformen kann das piezoelektrische Material als ein Aktor zum Bereitstellen einer schnellen Entfaltung konfiguriert sein. So wie er hierin verwendet wird, wird der Ausdruck "Piezoelektrikum" dazu verwendet, ein Material zu beschreiben, das sich mechanisch verformt (die Form ändert), wenn ein Spannungspotential angelegt wird, oder umgekehrt eine elektrische Ladung erzeugt, wenn es mechanisch verformt wird. Piezoelektrika zeigen eine kleine Änderung der Abmessungen, wenn sie der angelegten Spannung ausgesetzt sind, wobei das Ansprechen proportional zur Stärke des angelegten Feldes und recht schnell ist (sie sind in der Lage, leicht den tausend Herzbereich zu erreichen). Da ihre Abmessungsänderung gering ist (z. B. weniger als 0,1%), werden sie, um die Größe der Abmessungsänderung drastisch zu erhöhen, im Allgemeinen in der Form von als flaches Plattenelement ausgebildeten, piezokeramischen Unimorph- und Bimorphaktoren verwendet, die derart aufgebaut sind, dass sie sich bei Anlegen einer relativ kleinen Spannung zu einer konkaven oder konvexen Form wölben. Das Verwandeln/Wölben derartiger Flächenelemente innerhalb der Auskleidung des Halters ist dafür geeignet, das gehaltene Objekt zu ergreifen/freizugeben.
Ein Typ von Unimorph ist eine Struktur, die aus einem einzigen piezoelektrischen Element besteht, das außen mit einer flexiblen Metallfolie oder einem flexiblen Metallstreifen verbunden ist, der durch das piezoelektrische Element stimuliert wird, wenn es mit einer sich ändernden Spannung aktiviert wird, und zu einem axialen Wölben oder zu einer axialen Auslenkung führt, wenn sie der Bewegung des piezoelektrischen Elements entgegenwirkt. Die Aktorbewegung für einen Unimorph kann durch Zusammenziehung oder Ausdehnung erfolgen. Unimorphe können eine Dehnung so hoch wie etwa 10% zeigen, aber im Allgemeinen nur niedrigen Belastungen in Bezug auf die Gesamtabmessungen der Unimorphstruktur standhalten.
Im Gegensatz zu der piezoelektrischen Unimorphvorrichtung umfasst eine Bimorphvorrichtung eine dazwischen liegende flexible Metallfolie, die zwischen zwei piezoelektrischen Elementen angeordnet ist. Bimorphe zeigen eine stärkere Verschiebung als Unimorphe, da sich ein Keramikelement unter der angelegten Spannung zusammenziehen wird, während sich das andere ausdehnt. Bimorphe können Dehnungen bis zu 20% zeigen, können aber im Allgemeinen ähnlich wie Unimorphe nicht hohen Belastungen in Bezug auf die Gesamtabmessungen der Unimorphstruktur standhalten.
Beispielhafte piezoelektrische Materialien umfassen anorganische Verbindungen, organische Verbindungen und Metalle. Was organische Materialien betrifft, so können alle Polymermaterialien mit einer nicht zentralsymmetrischen Struktur und (einer) Gruppe (n) mit einem starken Dipolmoment an der Hauptkette oder an der Seitenkette oder an beiden Ketten innerhalb der Moleküle als Kandidaten für den piezoelektrischen Film verwendet werden. Beispiele für Polymere umfassen Polynatrium-4-styrolsulfonat ("PSS"), Poly(Polyvinylamin-Hauptketten-Azochromophor) und ihre Derivate; Polyfluorkohlenstoffe, umfassend Polyvinylidenfluorid ("PVDF"), sein Copolymer Vinylidenfluorid ("VDF"), Trifluorethylen (TrFE) und ihre Derivate; Polychlorkohlenstoffe, umfassend Polyvinylchlorid ("PVC"), Polyvinylidenchlorid ("PVC2") und ihre Derivate; Polyacrylnitrile ("PAN") und ihre Derivate; Polycarbonsäuren, umfassend Polymethacrylsäure ("PMA") und ihre Derivate; Polyharnstoffe und ihre Derivate; Polyurethane ("PUE") und ihre Derivate; Biopolymermoleküle wie z. B. Poly-L-Milchsäuren und ihre Derivate und Membranproteine wie auch Phosphat-Biomoleküle; Polyaniline und ihre Derivate und alle Derivate der Tetramine; Polyimide, umfassend Kapton^®-Moleküle und Polyetherimid ("PEI") und ihre Derivate; alle Membranpolymere; Poly-(N-vinylpyrrolidon) ("PVP")-Homopolymer und seine Derivate und Zufalls-PVP-Co-Vinylacetat ("PVAc")-Copolymere; und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder den Seitenketten oder sowohl in der Hauptkette als auch den Seitenketten; sowie Kombinationen mit zumindest einem der Vorhergehenden.
Des Weiteren können piezoelektrische Materialien Pt, Pd, Ni, T, Cr, Fe, Ag, Au, Cu und Metall-Legierungen mit zumindest einem der Vorhergehenden, wie auch Kombinationen mit zumindest einem der Vorhergehenden umfassen. Diese piezoelektrischen Materialien können z. B. auch ein Metalloxid wie z. B. SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, SrTiO₃, PbTiO₃, BaTiO₃, FeO₃, Fe₃O₄, ZnO und Kombinationen mit zumindest einem der Vorhergehenden umfassen; sowie Verbindungen der Gruppen VIA und IIB wie z. B. CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe₂, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Kombinationen mit zumindest einem der Vorhergehenden umfassen.
MR-Fluide sind eine Klasse von intelligenten Materialien, deren rheologische Eigenschaften sich beim Anlegen eines Magnetfeldes schnell ändern können (es können z. B. Eigenschaftsänderungen von mehreren hundert Prozent innerhalb weniger Millisekunden bewirkt werden), was sie sehr geeignet zum Verriegeln (Einschränken) oder Zulassen der Entspannung von Formen/Verformungen durch eine deutliche Änderung ihrer Scherfestigkeit macht, wobei solche Änderungen nutzbringend zum Ergreifen und Freigeben von Gegenständen in hierin beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt werden. Beispielhafte Formgedächtnismaterialien umfassen auch magnetorheologische (MR) und ER-Polymere. MR-Polymere sind Suspensionen von magnetisch polarisierbaren Partikeln mit Mikrometergröße (z. B. ferromagnetische oder paramagnetische Partikel wie unten beschrieben) in einem Polymer (z. B. ein duroplastisches/er elastisches/r Polymer oder Kautschuk). Beispielhafte Polymermatrizen umfassen Polyalphaolefine, Naturkautschuk, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren und Kombinationen mit zumindest einem der Vorhergehenden.
Die Steifigkeit und unter Umständen die Form der Polymerstruktur werden bewirkt, indem die Scher- und Kompressions-/Zugmoduln dadurch verändert werden, dass die Stärke des angelegten Magnetfeldes variiert wird. Die MR-Polymere entwickeln ihre Struktur typischerweise, wenn sie einem Magnetfeld so kurz wie einige wenige Millisekunden ausgesetzt werden, wobei die Steifigkeits- und Formänderungen proportional zu der Stärke des angelegten Feldes sind. Werden die MR-Polymere nicht länger dem Magnetfeld ausgesetzt, kehrt sich der Vorgang um und das Elastomer kehrt in seinen Zustand mit niedrigerem Modul zurück.
MR-Fluide zeigen eine Scherfestigkeit, die proportional zu der Größe eines angelegten Magnetfeldes ist, wobei die Eigenschaftsänderungen von mehreren hundert Prozent innerhalb weniger Millisekunden bewirkt werden können. Wenngleich auch bei diesen Materialien die Probleme beim kompakten Unterbringen der zum Erzeugen des angelegten Feldes erforderlichen Spulen bestehen, können sie als Sperr- oder Freigabemechanismus für z. B. ein federbasiertes Ergreifen/Freigeben verwendet werden.
Geeignete MR-Fluidmaterialien umfassen ferromagnetische oder paramagnetische Partikel, die in einem Träger z. B. in einer Menge von etwa 5,0 Volumenprozent (Vol.-%) bis etwa 50 Vol.-% auf der Basis eines Gesamtvolumens der MR-Zusammensetzung dispergiert sind. Geeignete Partikel umfassen Eisen; Eisenoxide (einschließlich Fe₂O₃ und Fe₃O₄); Eisennitrid; Eisencarbid; Carbonyleisen; Nickel; Kobalt; Chromdioxid; und Kombinationen mit zumindest einem der Vorhergehenden, wie z. B. Nickellegierungen; Cobaltlegierungen; Eisenlegierungen, z. B. Edelstahl, Siliziumstahl, wie auch andere, einschließlich Aluminium, Silizium, Cobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer.
Die Partikelgröße sollte so gewählt sein, dass die Partikel Eigenschaften mehrfacher magnetischer Domänen zeigen, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt sind. Die Partikeldurchmesser (z. B. wie entlang einer Hauptachse des Partikels gemessen) können kleiner als oder gleich etwa 1000 Mikrometer (μm) sein (z. B. etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 1000 Mikrometer) oder im Spezielleren etwa 0,5 bis etwa 500 Mikrometer und im Spezielleren etwa 10 bis etwa 100 Mikrometer.
Die Viskosität des Trägers kann weniger als oder gleich etwa 100000 Centipoise (cPs) betragen (z. B. etwa 1 cPs bis etwa 100000 cPs) oder im Spezielleren etwa 1 cPs bis etwa 10000 cPs oder noch spezieller etwa 1 cPs bis etwa 1000 Centipoise. Mögliche Träger (z. B. Trägerfluide) umfassen organische Flüssigkeiten, insbesondere nicht polare organische Flüssigkeiten. Beispiele umfassen Öle (z. B. Silikonöle, Mineralöle, Paraffinöle, Weißöle, Hydrauliköle, Transformatoröle und synthetische Kohlenwasserstofföle (z. B. ungesättigte und/oder gesättigte); halogenierte organische Flüssigkeiten (wie etwa chlorierte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Paraffine, perfluorierte Polyether und fluorierte Kohlenwasserstoffe); Diester; Polyoxyalkylene; Silikone (z. B. fluorierte Silikone); Cyanoalkylsiloxane; Glykole; und Kombinationen mit zumindest einem der vorstehenden Träger.
Es können auch wässrige Träger verwendet werden, insbesondere solche, die hydrophile mineralische Tone wie z. B. Bentonit oder Hektorit umfassen. Der wässrige Träger kann Wasser oder Wasser, das ein polares, wassermischbares organisches Lösungsmittel (z. B. Methanol, Ethanol, Propanol, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Azeton, Tetrahydrofuran, Diethylether, Ethylenglykol, Propylenglykol und dergleichen) umfasst, wie auch Kombinationen mit zumindest einem der vorhergehenden Träger umfassen. Die Menge an polarem organischem Lösungsmittel in dem Träger kann weniger als oder gleich etwa 5,0 Vol.-% (z. B. etwa 0,1 Vol.-% bis etwa 5,0 Vol.-%) auf der Basis eines Gesamtvolumens des MR-Fluids oder im Spezielleren etwa 1,0 Vol.-% bis etwa 3,0 Vol.-% betragen. Der pH des wässrigen Trägers kann weniger als oder gleich etwa 13 (z. B. etwa 5,0 bis etwa 13) oder im Spezielleren etwa 8,0 bis etwa 9,0 betragen.
Wenn die wässrigen Träger natürlichen und/oder synthetischen Bentonit und/oder Hektorit umfassen, kann die Menge an Ton (Bentonit und/oder Hektorit) in dem MR-Fluid weniger als oder gleich etwa 10 Gewichtsprozent (Gew.-%) auf der Basis eines Gesamtgewichts des MR-Fluids oder im Spezielleren etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 8,0 Gew.-% oder im Spezielleren etwa 1,0 Gew.-% bis etwa 6,0 Gew.-% oder noch spezieller etwa 2,0 Gew.-% bis etwa 6,0 Gew.-% betragen.
Optionale Komponenten in dem MR-Fluid umfassen Tone (z. B. organophile Tone), Carboxylatseifen, Dispergiermittel, Korrosionshemmer, Schmiermittel, Antiverschleißadditive, Antioxidantien, thixotrope Mittel und/oder Suspensionsmittel. Carboxylatseifen umfassen Eisenoleat, Eisennaphthe nat, Eisenstearat, Aliuminiumdi- und -tristearat, Lithiumstearat, Calciumstearat, Zinkstearat und/oder Natriumstearat; oberflächenaktive Substanzen (wie etwa Sulfonate, Phosphatester, Stearinsäure, Glycerolmonooleat, Sorbitansesquioleat, Laurate, Fettsäuren, Fettalkohole, fluoraliphatische Polymerester); und Haftvermittler (z. B. Titanat, Aluminat und Zirkonat); wie auch Kombinationen mit zumindest einem der Vorhergehenden. Auch Polyalkylendiole wie z. B. Polyethylenglykol und teilweise veresterte Polyole können inkludiert sein.
Elektrorheologische Fluide (ER)-Fluide sind MR-Fluiden insofern ähnlich, als sie eine Änderung der Scherfestigkeit zeigen, wenn sie einem angelegten Feld, in diesem Fall eher einer Spannung als einem Magnetfeld, ausgesetzt sind. Das Ansprechen erfolgt schnell und proportional zu der Stärke des angelegten Feldes. Es ist jedoch um eine Größenordnung kleiner als das von MR-Fluiden und typischerweise sind mehrere tausend Volt erforderlich.
Elektronische elektroaktive Polymere (EAP) sind ein Laminat aus einem Paar Elektroden mit einer Zwischenschicht aus einem dielektrischen Material mit einem niedrigen Elastizitätsmodul. Ein Anlegen eines Potentials zwischen den Elektroden drückt die Zwischenschicht zusammen und bewirkt, dass sie sich in der Ebene ausdehnt. Sie zeigen ein Ansprechen, das proportional zu dem angelegten Feld ist, und können mit hohen Frequenzen betätigt werden. Sich verwandelnde EAP-Laminatfolien wurden demonstriert. Ihr Hauptnachteil besteht darin, dass sie angelegte Spannungen benötigen, die um ungefähr drei Größenordnungen größer sind als jene, die von Piezoelektrika benötigt werden.
Elektroaktive Polymere umfassen jene Polymermaterialien, die in Ansprechen auf elektrische oder mechanische Felder piezoelektrische, pyro elektrische oder elektrostriktive Eigenschaften zeigen. Ein Beispiel für ein elektrostriktives Pfropfelastomer mit einem piezoelektrischen Polyvinylidenfluorid-trifluorethylen-Copolymer. Diese Kombination besitzt die Fähigkeit, eine variable Menge von ferroelektrischen elektrostriktiven molekularen Verbundsystemen zu erzeugen.
Materialien, die zur Verwendung als ein elektroaktives Polymer geeignet sind, können jedes/n im Wesentlichen isolierende/n Polymer oder Gummi umfassen, das/der sich in Ansprechen auf eine elektrostatische Kraft verformt oder dessen Verformung zu einer Änderung eines elektrischen Feldes führt. Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als ein vorgedehntes Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere, die PVDF umfassen, Haftklebstoffe, Fluorelastomere und Polymere, die Silikon- und Akrylkomponenten (z. B. Copolymere, die Silikon- und Akrylkomponenten umfassen, Polymermischungen, die ein Silikonelastomer und ein Akrylelastomer umfassen, usw.) umfassen.
Materialien, die als ein elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf der Basis einer oder mehrerer Materialeigenschaften wie z. B. einer hohen elektrischen Durchschlagfestigkeit, eines niedrigen Elastizitätsmoduls (z. B. für große oder kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante usw. gewählt sein. In einer Ausführungsform kann das Polymer derart gewählt sein, dass es einen Elastizitätsmodul von weniger als oder gleich etwa 100 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform kann das Polymer derart gewählt sein, dass es einen maximalen Betätigungsdruck zwischen etwa 0,05 Megapascal (MPa) und etwa 10 MPa oder im Spezielleren zwischen etwa 0,3 MPa und etwa 3 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform kann das Polymer derart gewählt sein, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen etwa 2 und etwa 20 oder im Spe zielleren zwischen etwa 2,5 und etwa 12 aufweist. Die vorliegende Offenbarung soll nicht auf diese Bereiche beschränkt sein. Idealerweise wären Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als die oben angegebenen Bereiche wünschenswert, wenn die Materialien sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine hohe Durchschlagfestigkeit hätten. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere als dünne Filme hergestellt und implementiert sein, die z. B. eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 50 Mikrometer aufweisen.
Da sich elektroaktive Polymere bei starken Dehnungen durchbiegen können, sollten sich an den Polymeren befestigte Elektroden ebenso durchbiegen, ohne die mechanische oder elektrische Leistung zu beeinträchtigen. Im Allgemeinen können zur Verwendung geeignete Elektroden jede Form aufweisen und aus jedem Material sein, vorausgesetzt, sie sind in der Lage, eine geeignete Spannung an ein elektroaktives Polymer zu liefern oder von diesem eine geeignete Spannung zu empfangen. Die Spannung kann entweder konstant sein oder über die Zeit variieren. In einer Ausführungsform kleben die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers. Elektroden, die an dem Polymer kleben, können nachgiebig sein und passen sich der sich ändernden Form des Polymers an. Die Elektroden können nur an einem Abschnitt eines elektroaktiven Polymers angelegt sein und eine aktive Fläche gemäß ihrer Geometrie definieren. Verschiedene Arten von Elektroden umfassen strukturierte Elektroden mit Metallbahnen und Ladungsverteilungsschichten, texturierte Elektroden mit aus der Ebene heraus variierende Abmessungen, leitfähige Fette (z. B. Kohlenstofffette und Silberfette), kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien mit einem hohen Aspektverhältnis (z. B. Kohlenstofffilamente und Kohlenstoff-Nanoröhren und Mischungen aus ionenleitfähigen Materialien), wie auch Kombinationen mit zumindest einem der Vorhergehenden.
Beispielhafte Elektrodenmaterialien können Graphit, Ruß, kolloidale Suspensionen, Metalle (einschließlich Silber und Gold), gefüllte Gele und Polymere (z. B. silbergefüllte und kohlenstoffgefüllte Gele und Polymere) und ionen- oder elektronisch leitfähige Polymere wie auch Kombinationen umfassen, die zumindest eines der Vorhergehenden umfassen. Es ist einzusehen, dass bestimmte Elektrodenmaterialien mit gewissen Polymeren gut funktionieren können und mit anderen nicht so gut funktionieren können. Zum Beispiel funktionieren Kohlenstofffilamente gut mit Acrylelastomerpolymeren und nicht so gut mit Silikonpolymeren.
Magnetostriktiva sind Festkörper, die eine starke mechanische Verformung entwickeln, wenn sie einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt sind. Dieses Phänomen der Magnetostriktion wird den Drehungen von kleinen magnetischen Domänen in den Materialien zugeschrieben, die zufällig orientiert sind, wenn das Material keinem Magnetfeld ausgesetzt ist. Die Formänderung ist bei Ferromagnetika oder ferromagnetischen Festkörpern (z. B. Terfenol-D) am größten. Diese Materialien besitzen ein sehr schnelles Ansprechvermögen, wobei die Dehnung proportional zu der Stärke des angelegten Magnetfeldes ist, und sie kehren nach dem Entfernen des Feldes in ihre Ausgangsabmessung zurück. Diese Materialien besitzen jedoch maximale Dehnungen von etwa 0,1 bis etwa 0,2 Prozent.
Dilatation ist die Bezeichnung für das Phänomen, bei dem die Viskosität eines Fluids mit zunehmender Scherrate (oder äquivalent Spannung) zunimmt. Dilatation kann mit relativ großen Größen bis zu dem auftreten, dass das Fluid sich wie ein Festkörper verhalten und brechen kann. Dilatation ist ein nicht-newtonsches Strömungsverhalten. Andererseits sind strukturviskose Fluide ebenso nicht-newtonscher Natur, da ihre Viskositäten abnehmen, wenn die angelegte Scherspannung zunimmt. Der Vorteil dieser Fluide (im Vergleich mit den MR- und ER-Fluiden) ist, dass sie kein externes Feld erfordern.
1 veranschaulicht eine beispielhafte Kopfstütze 10 für eine Rückenlehne 12. Die Kopfstütze 10 umfasst eine vordere Kontaktoberfläche 14 und einen hinteren Abschnitt 16. Die vordere Kontaktoberfläche 14 ist der Abschnitt der Kopfstütze 10 in der Nähe eines Kopfes eines Insassen, wohingegen der hintere Abschnitt 16 der Abschnitt der Kopfstütze ist, der distal bezüglich des Kopfes des Insassen gelegen ist. Die Kopfstütze 10 selbst ist an zumindest einer konstruktiven Trägersäule 18 getragen, die in der Rückenlehne 12 verschiebbar angeordnet ist. Die Kopfstütze umfasst im Allgemeinen ein Polstermaterial 20, das durch eine äußere Abdeckung 22 eingeschlossen ist, die hilft, die Gesamtform der Kopfstütze zu definieren, und kann in schwenkbarer Verbindung mit der konstruktiven Trägersäule 18 stehen. Die Abdeckung 22 definiert die Oberfläche 14.
Es ist anzumerken, dass die konstruktiven Trägersäulen 18 eine beliebige Form oder Ausgestaltung in einer beliebigen der hierin offenbarten Kopfstützenanordnungen annehmen können und nicht auf die gezeigte beschränkt sein sollen. Beispielsweise kann eine Struktur vom Schlüsselbein- oder Torpfostentyp verwendet werden. In manchen Ausführungsformen können darüber hinaus mehr als zwei Säulen angewandt werden. Zusätzlich zu Säulen werden Fachleute eine Vielzahl von weiteren Techniken und Elementen erkennen, die innerhalb der beanspruchten Erfindung angewandt werden können, um eine Kopfstütze funktional mit einer Rückenlehne zu verbinden, wie etwa verriegelbare Gelenke, Bügel usw. Darüber hinaus und innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung kann eine Kopfstütze, die funktional mit einer Rückenlehne verbunden ist, ein integraler Teil eines Rückenlehnenabschnitts sein, wie es Fachleute verstehen werden. Beispielsweise kann eine Kopfstütze der obere Abschnitt einer Rückenlehne sein.
In noch weiteren Ausführungsformen kann die Kopfstütze 10 als Flügel ausgebildete Abschnitte umfassen, die ausgestaltet sind, um bei einer seitlichen Bewegung mit einem Abschnitt eines Kopfes eines Insassen in Kontakt zu gelangen. Wie es hierin beschrieben wird, sind Aktoren mit aktivem Material derart positioniert und stehen in Wirkverbindung mit verschiedenen Abschnitten der Kopfstütze, um die Kopfstütze kundenspezifisch an den Kopf des Insassen anzupassen sowie eine vorbestimmte Kopfstützenkonfiguration in Ansprechen auf unterschiedliche detektierte Bedingungen bereitzustellen.
Nun unter Bezugnahme auf 2 ist eine Kopfstütze, die allgemein mit 100 bezeichnet ist, veranschaulicht. In einer Ausführungsform umfasst die Kopfstütze 100 einen zentralen Abschnitt 102 in Wirkverbindung mit einstellbaren Flügelabschnitten 104 und 106. Der zentrale Abschnitt 102 kann abstützend mit einem hinteren Teil eines Kopfes eines Insassen in Eingriff stehen, während die einstellbaren Flügelabschnitte 104 und 106 abstützend mit seitlichen Teilen eines Kopfes eines Insassen in Eingriff stehen können. In einer Ausführungsform ist der zentrale Abschnitt 102 mit den Flügelabschnitten 104 und 106 über Scharniere (siehe 3) gekoppelt, die ein Drehen/Kippen der Flügelabschnitte 104 und 106 relativ zu dem zentralen Abschnitt 102 zulassen, wie es durch die Pfeile 108, 110, 112 angedeutet ist (d. h. eine Bewegung in den X-, Y-, Z-Ebenen). Auf diese Weise können der zentrale Abschnitt und/oder die Flügelabschnitte vorwärts, rückwärts, aufwärts, abwärts positioniert, gefaltet, gebogen, verdreht, aufgebläht oder konturiert und/oder unter verschiedenen Winkeln geneigt werden, wie es für unterschiedliche Bedingungen erwünscht sein kann. Die Fähigkeit des zentralen Abschnitts 102 und der Flügelabschnitte 104, 106 leicht bewegbar zu sein, lässt einen breiten Bereich von Kopfstützenpositionen in Bezug auf die Rückenlehne zu, die je nach Bedarf festgelegt werden können. Eine Einstellung der Kopfstützenposition kann auf einer Last beruhen, die auf die Sitzanordnung ausgeübt wird (z. B. die Last, die auf die Kopfstützenanordnung 100 ausgeübt wird), auf einer manuellen Positionierung, einer aktiven Positionierung durch Aktivierung des aktiven Materials, wie es nachstehend ausführlicher besprochen wird, und dergleichen.
3 veranschaulicht eine Ansicht von oben nach unten der Kopfstütze von 2, die eine Ausführungsform eines Aktors 120 mit aktivem Material zum Bewirken einer Bewegung der Flügelabschnitte 104, 106 relativ zu dem zentralen Abschnitt 102 veranschaulicht. Der Aktor 120 umfasst starre Elemente 122 von Flügelabschnitten, die in Verbindung mit einem starren Element 124 des zentralen Abschnitts 102 angelenkt sind. Ein aktives Material 126, beispielsweise ein Draht, Streifen, eine Feder oder ein Torsionsrohr, die aus einer Formgedächtnislegierung gebildet sind, ist ausgestaltet, um bei Empfang eines Aktivierungssignals eine Bewegung des starren Elements 122 relativ zu dem starren Element 124 zu bewirken. Auf diese Weise kann ein Kopf eines Insassen mit den Flügeln eingewickelt werden, um eine stärkere Abstützung und einen besseren Komfort ungeachtet der Größe des Kopfes des Insassen bereitzustellen. Eine Aktivierung der Formgedächtnislegierung mit einer Aktivierungsvorrichtung 128 führt zu einer Abnahme der Längenabmessungen des Drahts/des Streifens/der Feder, was bewirkt, dass sich die starren Elemente 122 der Flügelabschnitte nach innen in Richtung des Insassen biegen. Optional kann das aktive Material derart gewählt und/oder ausgestaltet sein, dass eine Aktivierung ein Biegen der Flügelabschnitte relativ zu einem Insassen nach außen hervorruft. Eine Vorspannfeder kann verwendet werden, um eine Rückstellkraft für die Flügelabschnitte bei Deaktivierung des aktiven Materials bereitzustellen.
In dieser Ausführungsform können die Flügelabschnitte 104 und 106 ausgestaltet sein, um zu rotieren, was durch Betätigung durch SMA-Drähte 126 bewirkt werden kann. Die Rahmungselemente 124 des zentralen Abschnitts 102 stehen mit Rahmungselementen 122 der jeweiligen Flügelabschnitte 104 und 106 über Drehzapfen in Wirkverbindung. Ein SMA-Draht 126 verbindet die Rahmungselemente 124 des zentralen Abschnitts 102 und die Rahmungselemente 122 des Flügelabschnitts 104 funktional; ein weiterer SMA-Draht 126 verbindet die Rahmungselemente 124 des zentralen Abschnitts 102 und die Rahmungselemente 122 des Flügelabschnitts 106 funktional. Die SMA-Drähte können direkt von irgendeinem Punkt des Rahmens 124 an irgendeinem Punkt der jeweiligen Rahmen 122 der Flügelabschnitte angebracht sein. Die SMA-Drähte 126 können auch mit Rahmenelementen 124, 122 indirekt innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung verbunden sein.
Wenn den SMA-Drähten 126 elektrischer Strom (oder irgendein anderes thermisches Aktivierungsverfahren) zugeführt wird, wärmt sich die SMA auf, bis die Übergangstemperatur von Martensit zu Austenit erreicht ist. Wenn die Transformation stattfindet, ziehen sich die vorgedehnten Drähte zusammen, wobei die Flügel dazu gezwungen werden, sich in Richtung des Insassen zu drehen. In einer Ausführungsform können Vorspannfedern 127, die mit einer niedrigen Steifigkeit konstruiert sind und inaktives Material umfassen, funktional verbunden sein, um der Rückstellkraft der SMA-Drähte 126 Widerstand entgegenzubringen und somit das Ausmaß an Kraft zu begrenzen, das durch die Flügelabschnitte 104 und 106 ausgeübt wird. Die Federn 127 sind parallel zu den SMA-Drähten 126 gezeigt. In einer alternativen Ausführungsform liegen die Federn 127 in Reihe mit den SMA-Drähten 126. Beispielsweise kann jeder der SMA-Drähte 126 mit Rahmenelementen 124 durch jeweils eine Feder verbunden sein.
In manchen Ausführungsformen kann ein Sensor 130 in Kombination mit einer Aktivierungsvorrichtung verwendet werden, um das angelegte Feld bei einem Auslöseereignis oder einer Auslösebedingung bereitzustellen. Beispielsweise können verschiedene Sensoren, wie etwa Drucksensoren, Positionssensoren (kapazitiv, Ultraschall, Radar, Kamera und dergleichen), Verschiebungssensoren, Geschwindigkeitssensoren, Beschleunigungsmesser und dergleichen, in und außerhalb des Fahrzeugsitzes und der Kopfstütze in Wirkverbindung mit einem Controller zum Regeln und Aktivieren des Aktors 120 mit aktivem Material angeordnet sein, um das gewünschte Ausmaß an Kopfstützenverwandlung zu bewirken. Es könnte eine Einrichtung zur Voreinstellungs-Insassenidentifikation auf eine Weise programmiert sein, die einem Sitzgedächtnisauswahlschalter äquivalent ist.
In manchen Ausführungsformen kann ein Verriegelungsmechanismus verwendet werden, um die aktivierte Position zu halten, so dass die Kopfstütze in dieser Position bleiben wird, wenn das Aktivierungssignal ausgeschaltet ist, wodurch geholfen wird, den Energiebedarf für den Vorrichtungsbetrieb drastisch zu verringern. Nach Deaktivierung des Signals und/oder dem Lösen des Verriegelungsmechanismus werden die als Flügel ausgebildeten Abschnitte 104, 106 nach außen geschoben, wobei die Vorspannfedern die Formgedächtnislegierungsmaterialien zurück in den Martensitzustand verformen oder helfen zu verformen. Der Kopfstützenverriegelungs-/-rastmechanismus kann mechanisch, elektrisch unter Verwendung eines Motors, hydraulisch und/oder pneumatisch betätigt sein. Mechanismen zum Steuern der Kräfte, die von den Flügelabschnitten 104, 106 ausgeübt werden, können Federn oder hydraulische Systeme umfassen, um eine starke Kraft von den Flügelabschnitten 104, 106 aufrechtzuerhalten, sobald die Kopfstütze die gewünschte Position erreicht.
In einer anderen Ausführungsform können die verschiedenen Konfigurationen der Kopfstütze bereitgestellt werden, indem mehrere Drähte (Leitungen oder Bänder) in Formgedächtnislegierungsform entlang des zu bewegenden Abschnitts verteilt werden (z. B. der zentrale und/oder die Flügelabschnitte). Beispielsweise kann eine elastische Platte mit SMA, die entlang der Platte eingebettet ist, angewandt werden.
4 veranschaulicht eine Ansicht von einem Ende aus einer Kopfstützenanordnung auf der Basis aktiven Materials gemäß einer anderen Ausführungsform. Die Kopfstützenanordnung 150 umfasst einen Rahmen, der aus Verbindungselementen 152 gebildet ist, die das aktive Material umfassen. Beispielsweise kann eines oder können mehrere der Verbindungselemente insgesamt aus Formgedächtnislegierung, Formgedächtnispolymer, Piezoelektrika und dergleichen gebildet sein oder können in einer elastischen Hülse angeordnet sein, die aktives Material enthält, wie etwa ein elektrorheologisches Fluid, magnetorheologisches Fluid, dilatantes oder strukturviskoses Fluid und dergleichen. Die Elemente 152 können von irgendeiner geeigneten Form sein, die einschließt, aber nicht darauf begrenzt ist, Stäbe, Bänder, flache Elemente und dergleichen. Im Hinblick auf die flachen Elemente können diese die Form von Einzel- oder Mehrfachplatten annehmen. Die Verbindungselemente 152 sind ausgestaltet, um bei Aktivierung die Form und/oder ihre Moduleigenschaften zu ändern. In manchen Ausführungsformen kann der Rahmen auch mit Rahmungselementen verstärkt sein, die keine aktiven Materialien umfassen.
Die Verbindungselemente 152 können einzeln aktiviert sein, durch Gruppen aktiviert sein oder gemeinsam aktiviert sein, abhängig von der für die besondere Bedingung gewünschte Ausgestaltung. Es ist festzustellen, dass die Flügelabschnitte 104, 106 den Rahmen 152 umfassen könnten, der aus dem aktiven Material besteht, und unabhängig gesteuert sein können oder mit dem zentralen Abschnitt 102 integriert sein können.
Wie es oben angemerkt wurde, können verschiedene Mechanismen angewandt werden, um die gewünschte Orientierung/Ausgestaltung der Kopfstützenanordnung zu verriegeln. Diese Mechanismen können variiert werden, aber die Hauptidee ist, dass der Fahrgast steuert, wann die Verriegelung" zu öffnen" oder zu lösen ist, beispielsweise eine Knopfsteuereinrichtung, und durch Lösen des Knopfs ist man in der Lage, die Kopfstütze in ihrer Position zu verriegeln, außer wenn Bedingungen ein Übersteuern bewirken, und die Kopfstütze in einen definierten Zustand umkonfiguriert ist.
Im Betrieb einer Kopfstütze 150, die aus Formgedächtnislegierungen gebildete Elemente 152 umfasst, bewirkt die Spannung, die durch die Kraft hervorgerufen wird, die auf das gewünschte Teil der Kopfstütze ausgeübt wird, die Verformung des SMA-Materialrahmens an dem gewünschten Teil, wenn die spannungsinduzierte Transformation von Austenit in Martensit auftritt. Die Stabilität der Martensitphase wird aufrechterhalten, wenn der Fahrgast die Eingriffsvorrichtung (z. B. einen Knopf) löst, wodurch das Teil an seiner Stelle über den Rast-/Verriegelungsmechanismus verriegelt. Der Verriegelungs-/Rastmechanismus kann mechanisch, elektrisch unter Verwendung eines Motors, beispielsweise hydraulisch oder pneumatisch, betätigt werden. Das Lösen und Verriegeln des Rast-/Haltemechanismus kann wie durch den Insassen erwünscht erfolgen, oder er kann automatisch durch ein Steuerungssystem auf der Basis von Sensoreingängen von manchen Aspekten des Fahrzeugzustands erfolgen.
5 veranschaulicht einen Verriegelungsmechanismus gemäß einer Ausführungsform. Der Verriegelungsmechanismus umfasst einen Aktor 200, z. B. hydraulisch, pneumatisch oder motorgesteuert, der funktional mit einem oder mehreren der Rahmen 152 verbunden ist. Der Aktor 200 umfasst einen verschiebbaren Arm 202, der gleitend in einem Gehäuse 204 angeordnet ist. Eine Vorspannfeder 206 kann an dem Ende des Arms angeordnet sein, welches in dem Gehäuse angeordnet ist. Das andere Ende des Arms ist mit dem Einrahmungselement verbunden.
Während eines Änderns der Ausgestaltung der Kopfstütze würde sich der Aktorarm 202 als Funktion einer Bewegung des Verbindungselements/der Verbindungselemente 152 verschieben. Der Verriegelungsmechanismus kann derart integriert sein, dass, sobald das aktive Material nicht länger aktiviert ist, die Position aufrechterhalten bleibt. Es könnte eine Anpassung dergestalt vorgenommen werden, dass der Verbindungspunkt des Aktorstabs 202 verändert werden kann, indem zugelassen wird, dass er sich in einer Führung (nicht gezeigt) an der Verbindung von Rahmen flachen Elementen bewegt. In solch einem Fall kann die Basis des Aktors 200 mit dem Sitzboden durch ein Verbindungsstück verbunden sein, das diese Bewegung zulassen kann, wie etwa ein Kugelgelenk, statt einer festen Verbindung. Diese Abwandlung erhöht die Flexibilität der Kopfstütze für Fahrgäste mit unterschiedlichen Größen. Es ist anzumerken, dass in dieser Ausführungsform die Verbindungen des Aktors mit dem Rahmenelement 152 als Stab gezeigt worden sind. Andere Verbindungsglieder (um beispielsweise die Aktorgröße zu vermindern) könnten verwendet werden, um diese Verbindung zu bewirken. Die Vorspannfeder 206 könnte in den Aktor eingearbeitet sein, um das Rückstellen des Rahmenelements in seine Nennposition zu unterstützen, sobald die Last von dem Insassen weggenommen ist (das Rahmenelement würde in seine Nennposition zurückkehren, sobald die Last weggenommen ist und der Aktor entriegelt ist).
6 veranschaulicht noch eine andere Ausführungsform eines Verriegelungsmechanismus 220. Der Aktor umfasst einen verschiebbaren Arm 222, der mehrere einrückbare Abschnitte 224 z. B. Zähne aufweist. Ein Zahnrad 226 mit einem Ratschenmechanismus und eine Sperrklinke stehen in Wirkverbindung mit den Zähnen, um ein Mittel zum Verriegeln des verschiebbaren Arms in einer festen Position bereitzustellen. Die Sperrklinke 228 ist wiederum von dem Insassen über einen Knopf lösbar, der an dieser über 231 gegen seine Rückstellfeder 230 zieht. Wenn der Knopf gelöst ist, verriegelt die Rückstellfeder die Sperrklinke, wodurch die Position des Zahnrads 226 und der Kopfstütze gehalten wird.
Es ist zu verstehen, dass der gleiche oder ein unterschiedlicher Verriegelungs-/Haltemechanismus, der in Verbindung mit dem zentralen Abschnitt 102 besprochen wurde, in Verbindung mit den Flügelabschnitten 104, 106 angewandt werden kann. Beispielsweise können diese Mechanismen in Ausführungsformen besonders zweckmäßig sein, bei denen die Flügelabschnitte 104, 106 in eine Richtung nach oben und nach unten bewegt/gekippt werden. Wieder kann das Lösen und Verriegeln des Verriegelungs-/Haltemechanismus erfolgen, wie es von dem Insassen erwünscht ist, oder es kann alternativ automatisch für verschiedene Erwägungen durch ein Steuerungssystem auf der Basis von Sensoreingängen von manchen Aspekten des Fahrzeugzustands erfolgen.
Nun unter Bezug auf 7 ist eine andere Ausführungsform einer Kopfstütze, die allgemein mit 250 bezeichnet ist, veranschaulicht. Die Kopf stütze 250 umfasst eine "intelligente" Verbundplatte. Es können zahlreiche aktive Materialien angewandt werden. Beispielsweise umfasst die intelligente Verbundplatte einen SMA-Draht/ein SMA-Band 252, das in eine flexible elastische Matrix 254 eingebettet ist. Die intelligente Verbundplatte bildet einen Rahmen der Kopfstütze 250. Wenn der SMA-Draht 252 von der neutralen Ebene weg angeordnet ist, führt eine Zusammenziehung (durch Erwärmen der Drähte mit elektrischem Strom) zu einem Biegen der intelligenten Verbundplatte. In einer Ausführungsform ist die intelligente Verbundplatte eine einheitliche Struktur, die innerhalb der Kopfstütze 250 derart angeordnet ist, dass die intelligente Verbundplatte in einem zentralen Abschnitt 102 und Flügelabschnitten 104 und 106 vorhanden ist. Genauer ist die intelligente Verbundplatte derart in einer Position angeordnet, dass das Biegen der intelligenten Verbundplatte die Flügel dreht. Die Verbundplatte könnte aus irgendeiner homogenen oder heterogenen elastischen Matrix hergestellt sein, wobei die SMA-Drähte/SMA-Bänder in einer Vorzugsrichtung eingebettet sind, um ein gesteuertes Biegen (mit einer gewünschten Krümmung) einzuleiten. Die Matrix kann ein homogenes Material oder heterogen sein und kann ein Verbundmaterial (mit Verstärkungen), ein geschichtetes Material (einschließlich Metall- und Kunststoffteile beispielsweise) usw. umfassen.
Nun unter Bezugnahme auf 8 ist eine Kopfstütze, die allgemein mit 300 bezeichnet ist, veranschaulicht. Die Kopfstütze 300 umfasst einen Balg 302, der in der Nähe einer durch eine Abdeckung definierten Kontaktoberfläche 304 oder an dieser angeordnet ist. Ein Fluid 306 ist in dem Balg 302 angeordnet. Der Balg ist in Fluidverbindung mit einem teilweise gefüllten Reservoir 308 angeordnet. Der Balg 302 ist derart positioniert, dass eine auf die Oberfläche 304 der Kopfstütze 300 aufgebrachte Kraft auf den Balg 302 und das dann enthaltene Fluid 306 übertragen wird. In einer ersten Ausführungsform ist das Fluid 306 ein strukturviskoses Fluid. Bei kleineren Scherraten kann das Fluid aus dem Reservoir ohne viel Aufwand hin- und hergehen. Diese strukturviskosen Fluide werden zulassen, dass sich die Kopfstütze 300 wie jeder andere Festkörper verhält, während den Insassen Komfort geboten wird. Jedoch wird unter einer hohen Verformungsrate (die durch eine Kraft auf die Oberfläche 304 verursacht wird), die Viskosität der strukturviskosen Fluide wesentlich verringert. In verschiedenen Ausführungsformen können Fluide mit unterschiedlichen Viskositätseigenschaften in unterschiedlichen Positionen, Formen und Größen an den Kontaktbereich der Kopfstütze 300 verteilt sein. In einer zweiten Ausführungsform ist das Fluid 306 ein dilatantes Fluid, bei dem die Anfangsviskosität des Fluids die Kopfstütze weich machen wird, aber deren Ansprechen auf hohe Verformungsraten wird es bis zu dem Punkt härter machen, an dem das Fluid mechanische Eigenschaften eines Festkörpers zeigen wird. In anderen Ausführungsformen ist das Fluid 306 ein MR- oder ER-Fluid. Es ist zu verstehen, dass in verschiedenen anderen Ausführungsformen Pumpen auf piezoelektrischer Basis dazu verwendet werden können, traditionelle Fluide (z. B. Luft, Wasser und dergleichen) in Bälge, die an der Oberfläche der Kopfstütze verteilt sind, zu pumpen.
Nun unter Bezugnahme auf 9 ist eine andere Ausführungsform einer Kopfstütze, die allgemein mit 350 bezeichnet ist, veranschaulicht. In dieser Ausführungsform definiert eine Abdeckung 352 eine äußere Oberfläche 354 der Kopfstütze 350. Ein bewegliches Element 356 ist in der Kopfstütze 350 angeordnet und starr mit zwei Zahnstangen 358, 360 verbunden. Die Zahnstange 358 umfasst Zähne, die in kämmendem Eingriff mit einem Zahnrad 362 stehen. Die Zahnstange 360 umfasst Zähne, die in kämmendem Eingriff mit einem Zahnrad 364 stehen. Die Zahnräder 362 und 364 stehen kämmend miteinander in Eingriff. Das Element 356 ist derart positioniert, dass eine auf zumindest einen Teil der äußeren Oberfläche 354 der Kopfstütze 350 ausgeübte Kraft auf das Element 356 übertragen wird; dementsprechend wird eine Kraft auf zumindest einen Teil der Oberfläche 354 die Bewegung des Elements 356 und der Zahnstangen 358, 360 und dementsprechend die Drehung der Zahnräder 362, 364 erzwingen.
Das Zahnrad 362 kann selektiv um ein erstes Mittelelement 370 drehbar sein. Das Zahnrad 364 kann selektiv um ein zweites Mittelelement 374 drehbar sein. Das erste und zweite Mittelelement sind zylindrisch und starr in Bezug auf die Konstruktion der Kopfstütze befestigt. Fluid 378 ist in einem ringförmigen Hohlraum 382 angeordnet, der zwischen dem Zahnrad 362 und dem ersten Mittelelement 370 definiert ist. Fluid 378 ist auch in einem ringförmigen Hohlraum 386 angeordnet, der zwischen dem Zahnrad 364 und dem zweiten Mittelelement 374 angeordnet ist. Dementsprechend beeinflusst die Viskosität des Fluids 378 die Fähigkeit der Zahnräder 362, 364, in Bezug auf das erste und zweite Mittelelement 370, 374 zu rotieren, und beeinflusst dementsprechend den Widerstand des Elements 356 gegen eine Verschiebung der Oberfläche 354. In einer ersten beispielhaften Ausführungsform ist das Fluid 378 ein strukturviskoses Fluid. In einer zweiten beispielhaften Ausführungsform ist das Fluid 378 ein dilatantes Fluid. In einer dritten beispielhaften Ausführungsform ist das Fluid 378 ein MR-Fluid. In einer vierten beispielhaften Ausführungsform ist das Fluid 378 ein ER-Fluid.
In jeder der oben besprochenen Ausführungsformen kann aktives Material in einem Abdeckungs- oder Formteil der Abdeckung der Kopfstütze angeordnet sein. Ein optionales Polstermaterial kann im Inneren der Abdeckung in Wirkverbindung mit der Abdeckung und dem in der Kopfstütze angewandten aktiven Material angeordnet sein. Die optionale Polsterung kann ein aktives Material oder ein inaktives Material umfassen.
Es ist zu verstehen, dass in verschiedenen anderen Ausführungsformen Kombinationen aus unterschiedlichen Materialien verwendet werden können, um aktive Materialien herzustellen (z. B. Verbund-/Sandwichplatten, Scharniere, Rahmen, Gelenke und dergleichen). Beispielsweise kann eine Formgedächtnislegierung in beliebiger Form (Draht, Band und dergleichen) in einer elastischen Matrix (Polymer oder irgendein weiches Material) eingebettet sein, um den Schutz der Drähte und/oder eine Schwingungssteuerung und Energieabsorption zu verbessern. Darüber hinaus stellen Kombinationen aus Formgedächtnislegierungen und Formgedächtnispolymeren einen breiten Bereich von Bewegungen und Möglichkeiten, diese zu steuern, bereit. Superelastische Formgedächtnislegierungen sind nicht nur zur Energieabsorption oder an Stellen, an denen große Verformungen benötigt werden, zweckmäßig. Strukturen, die eine hohe Anfangssteifigkeit, aber niedrige Kraftanforderungen zu ihrer Verformung benötigen, können ebenfalls aus diesen Materialien hergestellt werden (z. B. superelastische, mehrfachstabile Scharniere für hochstabile Positionen, die keine übermäßige Kraft/kein übermäßiges Drehmoment zur Änderung von Positionen erfordern.
Während bestimmte Anwendungen der Kopfstütze oben besprochen wurden, hat darüber hinaus die Verwendung aktiver Materialien zum Umformen und/oder zum Ändern des Moduls der Kopfstütze potentiell breite Anwendung. Tatsächlich können sie verwendet werden, um den Fahrer in Verbindung mit verschiedenen auf Sensoren beruhenden Komfort-, Bequemlichkeits- und Schutzsystemen zu helfen. Ein anderer Vorteil der Verwendung aktiver Materialien ist, dass sie eine Personalisierung der Größe und/oder Natur der Änderungen, die in der Kopfstütze bewirkt werden, zulassen würden.
Die hierin offenbarten aktiven Kopfstützen können in Vordersitzen, Rücksitzen, Kindersitzen, jedem Sitz in einem Pkw oder Transportfahrzeug, einschließlich weitere Industriezweige, wie Fluggesellschaften, Unterhaltungssitze, im häuslichen Bereich und dergleichen, Kopf-/Halspositionierungs- und Halterungsvorrichtungen, inklusive dem Verkauf von Gegenständen im Zubehörhandel, als Zusatz, der über oder an einem Gegenstand platziert werden kann und als abwandelbare Kopfstütze der Bequemlichkeit wegen fungiert, angewandt werden. Weitere Funktionen können Vibration (beispielsweise mit einem EAP oder piezoelektrischem Flächenelement) umfassen, die zur Massage verwendet werden kann. Eine weitere Anwendung sind Schlummerkopfstützen für Kindersitze.
Vorteilhaft sind die hierin beschriebenen Kopfstützen leicht bewegbar, was einen breiten Bereich von Kopfstützenpositionen zulässt, die bei Bedarf festgelegt werden können.
Auch bezeichnen die Ausdrücke "erster", "zweiter" und dergleichen, so wie sie hierin verwendet werden, keine Reihenfolge oder Bedeutung, sondern werden vielmehr dazu verwendet, ein Element von dem anderen zu unterscheiden, und die Ausdrücke "der", "die", "das", "ein", "eine", "einer" und "einen" bezeichnen keine Beschränkung der Menge, sondern bezeichnen vielmehr das Vorhandensein von zumindest einem genannten Gegenstand. Der Modifikator "etwa", der in Verbindung mit einer Menge verwendet wird, ist einschließlich des angeführten Wertes und hat die durch den Kontext vorgegeben Bedeutung (z. B. einschließlich des zur Messung der besonderen Größe gehörenden Grades eines Fehlers). Darüber hinaus schließen alle hierin offenbarten Bereiche die Endpunkte mit ein und sind unabhängig kombinierbar.
Wie es in den Ansprüchen ausgeführt ist, können verschiedene, gemäß den unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung gezeigte und beschriebene Merkmale kombiniert werden.
Obgleich die Offenbarung anhand einer beispielhaften Ausführungsform beschrieben worden ist, werden Fachleute auf dem Gebiet verstehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne vorn Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine besondere Situation oder ein besonderes Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Schutzumfang abzuweichen. Daher ist beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf eine besondere Ausführungsform beschränkt ist, die als die beste Ausführungsart offenbart ist, die zur Ausführung dieser Offenbarung in Betracht gezogen wird, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Zusammenfassung
Hierin sind durch aktives Material betätigte Kopfstützenanordnungen und deren Betriebsverfahren beschrieben. Die Kopfstützen umfassen ein aktives Material, das in ein Rahmenelement, eine Tasche, eine Zahnradeinrichtung oder dergleichen eingearbeitet ist, wobei das aktive Material bei Empfang eines Aktivierungssignals eine Betätigung vornimmt.

Claims

Kopfstütze, die zur Ausrichtung mit dem Kopf eines sitzenden Insassen positioniert ist, wobei die Kopfstütze umfasst: eine Säule, die sich von einer Rückenlehne erstreckt; eine gepolsterte Abdeckung, die eine Oberfläche aufweist, die zum Kontakt mit dem Kopf des Insassen ausgestaltet ist; einen Rahmen, der innerhalb der gepolsterten Abdeckung angeordnet ist; und ein aktives Material, das innerhalb der gepolsterten Abdeckung in Wirkverbindung mit einem Abschnitt der Kopfstützenoberfläche angeordnet ist, wobei das aktive Material ausgestaltet ist, bei Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung zumindest einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung zumindest einer Eigenschaft bewirkt, dass eine Position der Kopfstützenoberfläche relativ zu dem Kopf des Insassen oder eine Moduleigenschaft geändert wird.
Kopfstütze nach Anspruch 1, wobei das aktive Material eine Formgedächtnislegierung, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung, ein Formgedächtnispolymer, ein magnetorheologisches Elastomer, ein elektrorheologisches Elastomer, ein elektroaktives Polymer, ein piezoelektrisches Material, ein magnetorheologisches Fluid, ein elektrorheologisches Fluid, ein dilatantes Fluid, ein strukturviskoses Fluid oder Kombinationen mit zumindest einem der vorstehenden aktiven Materialien umfasst.
Kopfstütze nach Anspruch 1, wobei die gepolsterte Abdeckung zumindest zum Teil aus einem oder mehreren aktiven Materialien gebildet ist.
Kopfstütze nach Anspruch 1, wobei die Änderung der zumindest einen Eigenschaft eine Änderung einer Form, einer Abmessung, einer Phase, einer Formorientierung, einer Steifigkeit, einer Scherfestigkeit und/oder Viskosität oder Kombinationen mit zumindest einer der vorstehenden Eigenschaften umfasst.
Kopfstütze nach Anspruch 1, wobei das Aktivierungssignal ein thermisches Aktivierungssignal, ein elektrisches Aktivierungssignal, ein magnetisches Aktivierungssignal, ein chemisches Aktivierungssignal, eine mechanische Last oder eine Kombination mit zumindest einem der vorstehenden Aktivierungssignale umfasst.
Kopfstütze nach Anspruch 1, die ferner eine Aktivierungsvorrichtung umfasst, die ausgestaltet ist, um das Aktivierungssignal an das aktive Material zu liefern.
Kopfstütze nach Anspruch 1, wobei das aktive Material ein oder mehrere Rahmungselemente des Rahmens definiert.
Kopfstütze nach Anspruch 1, wobei die Kopfstütze ferner Flügelabschnitte umfasst, die sich von einem zentralen Abschnitt erstrecken, wobei die Änderung der zumindest einen Eigenschaft des aktiven Materials bewirkt, dass die Flügelabschnitte selektiv relativ zu dem zentralen Abschnitt orientiert werden.
Kopfstütze nach Anspruch 1, die ferner einen Balg in Wirkverbindung mit der Kopfstützenoberfläche umfasst, wobei das aktive Material ein Fluid umfasst, das innerhalb des Balgs angeordnet ist, und wobei die Änderung zumindest einer Eigenschaft bewirkt, dass der Widerstand der Kopfstützenoberfläche gegenüber Verformung geändert wird, indem die effektive Viskosität und/oder Scherfestigkeit des Fluids und/oder das Volumen des Balgs erhöht oder verringert wird/werden.
Verfahren zum selektiven Umkonfigurieren einer Form oder einer Moduleigenschaft einer Kopfstütze, die sich von einer Rückenlehne erstreckt, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein aktives Material mit einem Aktivierungssignal aktiviert wird, wobei das aktive Material mit einer Kopfstützenoberfläche in Wirkverbindung steht und ausgestaltet ist, um bei Empfang des Aktivierungssignals eine Änderung zumindest einer Eigenschaft zu erfahren, und die Kopfstütze umkonfiguriert wird, indem eine Position oder Moduleigenschaft der Kopfstützenoberfläche in Ansprechen auf die Änderung der zumindest einen Eigenschaft geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, das ferner umfasst, dass das aktive Material deaktiviert wird, um die Änderung zumindest einer Eigenschaft umzukehren.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Aktivieren des aktiven Materials mit dem Aktivierungssignal umfasst, dass das Aktivierungssignal ständig an das aktive Material angelegt wird und die Änderung zumindest eines Merkmals der Kopfstützenoberfläche aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Ändern der Position oder der Moduleigenschaft umfasst, dass eine Form, eine Abmessung, eine Phase, eine Formorientierung, eine Steifigkeit, eine Viskosität und/oder eine Scherfestigkeit oder Kombinationen davon an dem aktiven Material geändert wird/werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Aktivieren des aktiven Materials mit dem Aktivierungssignal umfasst, dass ein ausgewähltes von einem thermischen Aktivierungssignal, einem elektrischen Aktivierungssignal, einem magnetischen Aktivierungssignal, einem chemischen Aktivierungssignal und einer mechanischen Last angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, das ferner umfasst, dass die Kopfstütze in der ihrer Position, Lage, Form usw. verriegelt wird, die aus der Änderung zumindest einer Eigenschaft des aktiven Materials resultiert, um die Änderung der Kopfstütze zu halten, nachdem das aktive Material deaktiviert worden ist.
Verfahren nach Anspruch 10, das ferner umfasst, dass das Aktivierungssignal zum Ändern der zumindest einen Eigenschaft in dem aktiven Material in Ansprechen auf einen Sensoreingang angelegt wird, wobei der Sensoreingang eine detektierte Bedingung ist.
Kopfstützenanordnung, umfassend: einen zentralen Abschnitt; einen ersten Flügelabschnitt, der mit einer Seite des zentralen Abschnitts gekoppelt ist; einen zweiten Flügelabschnitt, der mit einer anderen Seite des zentralen Abschnitts gekoppelt ist; einen Rahmen zum Abstützen und Definieren der Flügel- und zentralen Abschnitte, wobei der Rahmen aus aktivem Material gebildete Verbindungselemente aufweist, wobei das aktive Material ausgestaltet ist, um eine Position der Flügel- und/oder zentralen Abschnitte selektiv zu ändern oder eine Moduleigenschaft der Flügelabschnitte relativ zu dem zentralen Abschnitt zu ändern.
Kopfstütze nach Anspruch 17, wobei die Verbindungselemente Platten sind.
Kopfstütze nach Anspruch 17, wobei das aktive Material eine Formgedächtnislegierung, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung, ein Formgedächtnispolymer, ein magnetorheologisches Elastomer, ein elektrorheologisches Elastomer, ein elektroaktives Polymer, ein piezoelektrisches Material, ein magnetorheologisches Fluid, ein elektrorheologisches Fluid, ein dilatantes Fluid, ein strukturviskoses Fluid oder Kombinationen mit zumindest einem der vorstehenden aktiven Materialien umfasst.
Kopfstütze nach Anspruch 17, die ferner einen Sensor umfasst, der ausgestaltet ist, um eine Bedingung zu detektieren und das aktive Material zu aktivieren.