CN101246067A - 具有压电击发弹簧组件的车辆 - Google Patents

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CN101246067A CNA2008100082330A CN200810008233A CN101246067A CN 101246067 A CN101246067 A CN 101246067A CN A2008100082330 A CNA2008100082330 A CN A2008100082330A CN 200810008233 A CN200810008233 A CN 200810008233A CN 101246067 A CN101246067 A CN 101246067A
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Abstract

一种冲击探测器包括压电元件和弹性元件。弹性元件具有对在撞击期间的变形的预定抵抗力。压电元件与弹性元件相关联，以使预定大小的冲击引起压电元件的变形，从而产生相应的电信号。冲击响应性车辆座椅组件结合冲击探测器以探测车辆碰撞。

Description

具有压电击发弹簧组件的车辆
技术领域
本发明涉及一种对传感器车辆撞击有效的压电冲击探测器(impulsedetector)。尤其是，本发明涉及一种合并到冲击响应性车辆座椅组件内的压电冲击探测器。
背景技术
现代的车辆设计需要符合许多政府规定。尤其是，关于车辆安全要求的规定是完整的。关于车辆对撞击的反应的规定在减少对车辆乘客有害的影响方面特别成功。趋势是较新的车辆符合更严格的安全要求。
最近，规定FMVSS 202A被采纳来用于头部保护装置(head restraint)的设计。FMVSS 202A被调整以最小化在低速(10-15公里/小时)尾端碰撞期间的鞭抽式损伤(whiplash injury)。在这样的碰撞中，乘客头部向后移动接着向前移动，因此会伤害颈部内的组织。前座必须在2008年9月1日之前符合这个规定，而后座必须在2010年9月1日之前符合这个规定。
尽管FMVSS 202A对车辆制造商提出了相当大的设计挑战，但头部保护装置设计也必须应对其它标准，而这些标准有可能表现为对抗FMVSS202A的要求。例如，高速公路安全保险协会(IIHS)提出了关于头部保护装置的几何学、定位和碰撞反应的进一步标准。尽管现有的头部保护装置设计工作得相当出色，但需要改进。
因此，为了符合针对车辆设计的所有政府安全规定，需要对头部保护装置设计进行改进。
发明内容
本发明通过在至少一个实施方案中提供包含于车辆内的冲击探测器，解决了现有技术中的一个或更多问题。这个实施方案的冲击探测器包括压电元件和弹性元件。弹性元件具有对在撞击期间的变形的预定抵抗力。压电元件与弹性元件相关联，以便预定大小的冲击引起压电元件的变形，从而产生相应的电信号。然后这个电信号用于执行一些有用的功能。
在本发明的另一个实施方案中，提供了结合上面所述的冲击探测器的车辆座椅组件。本实施方案的车辆座椅组件，响应于充分撞击的车辆碰撞，允许头部保护装置被调节到前面的位置。有利地，这个系统的头部保护装置可同时符合FMVSS 202A的要求以及目前针对头部保护装置设计的所有其它要求。
附图说明
图1是结合本发明实施方案的冲击探测器的车辆系统的示意图；
图2是使用具有实质上一致的弹簧常数的弹簧的本发明的一种变化形式的纵向横截面示意图；
图3是图2的变化形式的横向横截面示意图；
图4是使用具有变化的弹簧常数的截面的弹簧的本发明的一种变化形式的纵向横截面示意图；
图5是在冲击探测器内使用弹簧的本发明的一种变化形式的纵向横截面示意图；
图6是在冲击探测器内使用弹簧的本发明另一变化形式的纵向横截面示意图；
图7是将冲击探测器合并到车辆座椅组件内的本发明的实施方案的横截面示意图；
图8是可在权利要求7的车辆座椅组件内使用的骨盆状制动装置(pelvic catch)的横截面示意图；
图9是可在权利要求7的车辆座椅组件内使用的可选头部保护装置的示意图。
具体实施方式
现在详细参考对本发明的目前优选的组成、实施方式和方法，这些形成了发明者目前所知道的实践本发明的最佳方式。附图不必按比例绘制。然而应该理解，所公开的实施方案只是本发明的示范，本发明可以不同和可选择的其他形式实施。所以，此处所公开的具体细节不能解释为限制性的，而只是作为本发明任何方面的代表性基础和/或教导本领域技术人员不同地使用本发明的代表性基础。
除了在实施例中或在另外特别指出的地方以外，本说明书中说明材料或反应条件和/或使用的数量的所有用数字表示的量应理解为在描述本发明的最广泛的范围时用词汇“大约”修饰。
还应当理解，本发明不局限于下面描述的特定的实施方案和方法，因为特定的部件和/或条件当然可以变化。此外，此处所使用的术语只是为了描述本发明的特定实施方式的目的，并不是意指以任何方式限制。
必须注意的是，除非在上下文中另外清楚地指出，否则如在说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“a”、“an”和“the”包括复数指示物。例如，以单数形式提到一个元件是意指包括多个元件。
在整个申请中，在引用出版物的场合，这些出版物的公开内容由此通过引用被全部并入本申请中，以更充分地描述本发明相关的技术领域的状态。
此处所使用的术语“冲击(impulse)”意指被传递以产生突然运动的力。
在本发明的一个实施方案中，提供了一种包含于车辆内的冲击探测器。参考图1，提供了结合本实施方案的冲击探测器的车辆系统的示意图。车辆系统10包括冲击探测器12。冲击探测器12包括压电元件14和弹性元件16。共同地，压电元件14和弹性元件16具有对在撞击期间的变形的预定抵抗力。弹性元件16有利地用来调节对变形的抵抗力。压电元件14和弹性元件16相关联，以使冲击20引起压电元件14的变形，产生相应的电信号22。电信号22被发送到信号处理子系统24用于进一步的处理。本实施方案中的冲击探测器系统在对冲击的探测是有用的任何应用中都是有用的。实例包括但不局限于用于探测车辆碰撞的系统、驾驶盘的移动、换档装置的移动以及类似应用。在一些应用中，冲击探测器12可放置在车辆座椅、车辆缓冲器、车门或其组合中。如在下面更详细地陈述的，在一个特别有用的应用中，冲击探测器12与头部保护装置致动器连接。
弹性元件16有利地用于设定冲击探测器12的冲击特性。这种特性包括产生足以引起信号处理子系统24的触发事件(一些行为的起始因子)的信号所必需的冲击力的大小。在一种有用的变化形式中，弹性元件16是弹簧。典型地，这种弹簧具有一个或更多弹簧线圈。有用的弹簧可实质上以单一的弹簧常数或变化的弹簧常数的区域为特征。弹簧常数在表现弹簧对变形的抵抗力的特征方面是有用的。
参考图2和图3，提供了利用弹性元件16的弹簧的冲击探测器的一种变化形式。图2是具有实质上一致的弹簧常数的弹簧的一种变化形式的纵向横截面示意图。图3是这种变化形式的横向横截面。冲击探测器12a包括具有弹簧线圈32的弹簧30。压电元件14的部分36插入相邻的弹簧线圈32n、32n+1之间。弹簧30也接到(attach to)基板40上。基板40相对于车辆支架保持相对固定。在这种方式中，弹簧30在冲击期间沿方向d1相对于基板40移动。在图2和图3所示的特定变化形式中，压电元件接到支持结构44上，支持结构44相对于车辆支架也是相对静止的。在图2和图3的实例中，支持结构44是圆柱体。当沿d1的冲击引起弹簧30的移动，因而产生压电元件14的偏斜(deflection)时，产生冲击信号22。信号22在产生后沿电缆46、48传播。产生具有足够幅度和/或持续时间的信号22所必需的力至少部分地通过弹簧30的弹簧常数设定。
参考图4，提供了冲击探测器的一种变化形式，其中弹簧具有变化的弹簧常数各部分。图4提供了这种变化形式的纵向横截面图。冲击探测器12b包括具有弹簧线圈62的弹簧60。在这种变化形式中，冲击探测器12b包括压电元件64。压电元件64的部分68插入相邻的弹簧线圈62m、62m+1之间。弹簧60也在位置82接到基板80。在这种变化形式中，随考虑的弹簧60上的区域离基板80更远，弹簧常数降低。基板80相对于车辆支架保持相对固定。在这种方式中，弹簧60在冲击期间沿方向d1相对于基板80移动。在图4所示的特定变化形式中，压电元件64接到支持结构84上，支持结构84相对于车辆支架也是相对静止的。此外，在这种变化形式中，支持结构84是圆柱体。应该注意的是，冲击可引起弹簧60的压缩或拉长，这两者都可产生信号。当沿d1的冲击引起弹簧60的移动，因而产生压电元件64的偏斜时，产生冲击信号92。信号92在产生后沿电缆96、98传播。应认识到，由于在空间上变化的弹簧常数，相对低的弹簧常数的区域的移动可能不会引起足够特性的信号的产生以用在以后的处理中。这种现象在一些应用中是有用的，如用于允许为舒适而调节同时不引起触发事件的座椅衬垫。
参考图5，提供了本发明的一种变化形式，其中弹簧具有变化的弹簧常数的部分。图5提供了这种变化形式的纵向横截面图。冲击探测器12c包括具有弹簧线圈62的弹簧60。在这种变化形式中，冲击探测器12c包括压电元件64、66。压电元件64的部分68插入相邻的弹簧线圈62m、62m+1之间，而压电元件66的部分72插入相邻的弹簧线圈62n、62n+1之间。弹簧60也在位置82接到基板80。在这种变化形式中，随考虑的弹簧60的区域离基板80更远，弹簧常数降低。基板80相对于车辆支架保持相对固定。在这种方式中，弹簧60在冲击期间沿方向d1相对于基板80移动。在图5所示的特定变化形式中，压电元件接到支持结构84上，支持结构84相对于车辆支架也是相对静止的。此外，支持结构84是圆柱体。当沿d1的冲击引起弹簧60的移动，因而产生压电元件64、66的偏斜时，产生了冲击信号92、102。应该注意的是，冲击可引起弹簧60的压缩或拉长，这两者都可产生信号。信号92在产生后沿电缆96、98传播。类似地，信号102在产生后沿电缆106、108传播。还应认识到，由于弹簧60的在空间上变化的弹簧常数，冲击可能只够使压电元件64、66中的一个产生充分的信号用于以后的处理。
参考图6，提供了使用弹簧的冲击探测器的另一种变化形式。图6提供了这种变化形式的纵向横截面。冲击探测器12d包括具有弹簧线圈112的弹簧110。在这种变化形式中，冲击探测器12d包括压电元件114。压电元件114的部分118与基板120连接(in communication with)，基板120相对于车辆支架保持相对固定。压电元件114的末端122与弹簧110的末端124连接。弹簧末端124可沿d1方向移动。当沿d1的冲击引起弹簧110的移动，因而产生压电元件114的偏离(deflection)时，产生冲击信号128。应该注意的是，冲击可引起弹簧110的压缩或拉长，这两者都可产生信号。信号128在产生后沿电缆130、132传播。
参考图7，提供了本发明的实施方案的横截面示意图，其中冲击探测器合并到车辆座椅中。车辆座椅组件140包括接近于座椅底部144的座椅靠背142。典型地，座椅靠背142接到座位底部144上。车辆座椅140还包括接到座椅靠背142上的头部保护装置150。头部保护装置150具有前表面152。头部保护装置150可从第一配置154调节到第二配置156。第一配置154在第一位置具有前表面152，而第二配置156在第二位置具有前表面152。第二位置在特征上比第一位置更靠前。车辆座椅140包括通过致动器控制模块162与头部保护装置150连接的致动器160。致动器160可将头部保护装置150从第一配置154调节到第二配置156。座椅靠背142包括躯干制动装置(torso catch)166，在撞击时当车辆乘客168沿方向d3被猛推进座椅靠背142时，躯干制动装置166移动。这个移动由包括压电元件和弹性元件的冲击探测器12d探测到。上面陈述了其它有用的冲击探测器的例子。需要产生头部保护装置150从第一配置154到第二配置156的调节的冲击的特性至少部分地由弹性元件确定。一般，涉及车辆内正常活动的冲击不会产生这种调节。而是，在碰撞期间车辆乘客被猛推进座椅的典型冲击将产生这种调节。在一种变化形式中，这种冲击会是这样的：在鞭抽事故(whiplash accident)的典型尾端碰撞(10～15公里/小时)期间，平均车辆乘客的重量会产生这种调节。在其他变化形式中，这样调节也会发生在较高速度的碰撞时。由足够的撞击产生的电信号至少部分地由致动器控制模块162处理。如果信号具有足够的幅度和持续时间，则致动器控制模块162可使致动器160从第一配置154调节到第二配置156。图7描述了一种包括图6的一般设计的冲击探测器的车辆座椅组件。
参考图6、7和8，提供了用于图7中躯干制动装置166的骨盆状制动装置(pelvic catch)的一种变化形式的示意图。骨盆状制动装置170包括安装在车辆靠背142内的衬垫部分172。盆状制动装置还包括一个或多个冲击探测器12d。支持杆176用于安装冲击探测器12d。在图8中描绘了由图6描述的一般设计的冲击探测器。使用这种探测器，冲击探测器12d通过块120安装在支持杆176上。沿d3方向投到盆状制动装置170上的冲击经由座椅部分180传递到冲击探测器12d。这引起冲击探测器12d内的弹簧110沿d4方向的移动，因而引起压电元件114的偏斜。如上面所陈述的，弹性元件110具有对在撞击期间的变形的预定抵抗力，以便压电元件114允许压电元件114的变形产生电信号。
参考图7和图9，提供了在图7中使用的头部保护装置组件的一可选的实施方案。图9提供了此实施方案的头部保护装置的示意图。在这种变化形式中，如上面结合图7的描述所陈述的，当足够的冲击接触冲击探测器12d时，头部保护装置150’从第一配置154’枢轴旋转至第二配置156’。在这种变化形式中，结合到座椅靠背142′中的致动器160’用于完成此枢轴旋转。
在本发明的另一个实施方案中，提供了一种如上所述的车辆座椅系统执行的对车辆撞击反应的方法。本实施方案的方法包括头部保护装置器150被定位在第一配置154中的步骤。响应于初始力，而产生响应信号。在一些变化形式中，这个初始力由车辆撞击引起。响应信号被引导到致动器控制模块162，而致动器控制模块162又引起致动器160的启动，使得头部保护装置150被定位在第二配置156中。
本发明的每个实施方案和变化形式都包括压电元件。在本发明的一个改进中，压电元件包括压电陶瓷纤维(piezoelectric ceramic fibers)。这种纤维的例子包括但不局限于浸渍有、编织有、纺织有或一般包括有压电材料的纤维。典型地，这些纤维是压电陶瓷或其它压电材料的复合物。这种材料的例子包括但不局限于BaTiO3、SrTiO3、Pb(ZrTi)O3、KNbO3、LiNbO3、LiTaO3、BiFeO3、Ba2NaNb5O5、Pb2KNb5O15及其组合。锆酸钛酸铅(lead zirconate titanate)-Pb(ZrTi)O3-发现是特别有用的。式Pb(ZrTi)O3一般指Pb[ZrxTi1-x]O3，其中，0＜x＜1。在本发明的各种实施方案的实践中使用的压电纤维可在商业上从位于新泽西的兰博维尔市(Lambertville)的Advanced Cerametrics公司得到。在本发明的一种变化形式中，陶瓷纤维通过粘胶悬式纺织工艺工艺(Viscose Suspension Spinning Process)形成为连续的纤维。在一个改进中，该压电元件本身是非易碎的并且具有一些弹性。这是有用的，所以压电元件在撞击时不会破裂。在另一种变化形式中，该纤维具有从大约10微米到大约15微米的平均直径。在另一种变化形式中，该纤维具有小于大约15×1010N/m2的平均杨氏模量。在另一种变化形式中，该纤维具有小于大约10×1010N/m2的平均杨氏模量。在又一种变化形式中，该纤维具有大于大约3×1010N/m2的平均杨氏模量。在又一种变化形式中，该纤维具有大于大约5×1010N/m2的平均杨氏模量。
尽管已经阐明和描述了本发明的实施方案，但并不是意指这些实施方案阐明和描述了本发明所有可能的形式。更确切地说，本说明书中使用的词是描述性而不是限制性的词，并且应该理解，可进行各种变化，且不偏离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种包含于车辆内的冲击探测器，所述冲击探测器包括：
柔性压电元件；以及
弹性元件，其具有对在撞击期间的变形的预定抵抗力，所述柔性压电元件与所述弹性元件相关联，以使预定大小的冲击引起所述柔性压电元件的变形，从而产生相应的电信号。
2.如权利要求1中所述的冲击探测器，其中，所述弹性元件是弹簧。
3.如权利要求2中所述的冲击探测器，其中，所述弹簧具有一个或多个弹簧线圈。
4.如权利要求1中所述的冲击探测器，其中，所述柔性压电元件的至少一部分插入相邻的弹簧线圈之间。
5.如权利要求1中所述的冲击探测器，其中，所述柔性压电元件接到所述弹性元件上，以使所述弹性元件至少部分地传递抵抗力到所述柔性压电元件。
6.如权利要求1中所述的冲击探测器，其进一步包括基板元件，在冲击期间与所述弹性元件相比，所述基板元件保持相对静止。
7.如权利要求1中所述的冲击探测器，其适于被放置在车辆座椅、车辆缓冲器、车门或其组合中。
8.如权利要求1中所述的冲击探测器，其与头部保护装置致动器连接。
9.如权利要求1中所述的冲击探测器，其中，所述柔性压电元件包括压电陶瓷纤维。
10.如权利要求9中所述的冲击探测器，其中，所述柔性压电元件包括从BaTiO3、SrTiO3、Pb(ZrTi)O3、KNbO3、LiNbO3、LiTaO3、BiFeO3、Ba2NaNb5O5、Pb2KNb5O15和其组合的组中选择的材料。
11.一种冲击响应性车辆座椅组件，其包括：
座椅底部；
座椅靠背，其接近于所述座椅底部；
头部保护装置，其接到所述座椅靠背上，所述头部保护装置具有前表面，所述头部保护装置可在第一配置和第二配置中调节，所述第一配置将所述前表面定位在第一位置，而所述第二配置将所述前表面定位在第二位置，所述第二位置比所述第一位置更靠前；
致动器，其与所述头部保护装置连接，所述致动器能将所述头部保护装置从第一配置调节到第二配置；以及
冲击探测器，其包括：
柔性压电元件；以及
弹性元件，其具有对在撞击期间的变形的预定抵抗力，所述柔性压电元件与所述弹性元件相关联，以使预定大小的冲击引起所述柔性压电元件的变形，从而产生相应的电信号，所述电信号在车辆撞击中当所述柔性压电元件的至少一部分偏斜时使所述致动器调节所述头部保护装置。
12.如权利要求11中所述的车辆座椅组件，其中，所述头部保护装置包括前部元件和后部元件，所述前部元件包括所述前表面，所述前部元件可移动地与所述后部元件相连。
13.如权利要求12中所述的车辆座椅组件，其中，所述前部元件设置成在车辆撞击期间向前移动。
14.如权利要求11中所述的车辆座椅组件，其中，所述头部保护装置可枢轴旋转地连接到所述座椅靠背上。
15.如权利要求11中所述的车辆座椅组件，其中，所述头部保护装置在车辆撞击期间向前枢轴旋转。
16.如权利要求11中所述的车辆座椅组件，其中，所述弹性元件包括弹簧。
17.如权利要求11中所述的车辆座椅组件，其进一步包括骨盆状制动装置组件，所述骨盆状制动装置组件结合所述压电元件。
18.如权利要求11中所述的车辆座椅组件，其中，所述柔性压电元件包括压电陶瓷纤维。
19.如权利要求11中所述的车辆座椅组件，其中，所述柔性压电元件包括从BaTiO3、SrTiO3、Pb(ZrTi)O3、KNbO3、LiNbO3、LiTaO3、BiFeO3、Ba2NaNb5O5、Pb2KNb5O15和其组合的组中选择的材料。
20.一种冲击响应性车辆座椅组件，其包括：
座椅底部；
座椅靠背，其接近于所述座椅底部；
头部保护装置，其接到所述座椅靠背上，所述头部保护装置具有前表面，所述头部保护装置可在第一配置和第二配置中调节，所述第一配置将所述前表面定位在第一位置，而所述第二配置将所述前表面定位在第二位置，所述第二位置比所述第一位置更靠前；
致动器，其与所述头部保护装置连接，所述致动器能将所述头部保护装置从第一配置调节到第二配置；
骨盆状制动装置组件，其包括压电陶瓷纤维元件，所述压电陶瓷纤维元件与所述致动器连接，当在车辆撞击中所述压电陶瓷纤维元件的至少一部分偏斜时，所述压电陶瓷纤维元件产生使所述致动器调节所述头部保护装置的信号。
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