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QUERVERWEIS
AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die
vorliegende Anmeldung betrifft die vorläufige U.S. Anmeldung Nr. 60/792,482,
die am 17. April 2006 eingereicht wurde und deren Offenbarungsgehalt
hierin durch Bezugnahme vollständig miteingeschlossen
ist, und beansprucht deren Priorität.
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HINTERGRUND
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Diese
Offenbarung betrifft im Allgemeinen Sitze auf der Basis aktiver
Materialien zum Umformen und/oder Umkonfigurieren des Sitzes.
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Verstellbare
Lendenstützen
sind bekannt. Diese umfassen im Allgemeinen eine mechanische Vorrichtung,
um die Lendenstütze
zu beeinflussen. Es ist auch bekannt, Sitze mit schwingungstaktilen Vorrichtungen
und Verschiebungsvorrichtungen zu versehen, um einen Fahrer wegen
eines potenziellen Aufprallereignisses zu alarmieren oder einen
Fahrer zu warnen, wenn das Fahrzeug von seiner vorgegebenen Spur
abweicht. All diese Systeme benutzen mechanische Aktoren, wie etwa
Solenoide, Kolben und dergleichen, die gemeinsam zusammenwirken, um
die gewünschte
Konfiguration bereitzustellen. Andere verstellbare Stützen umfassen
die Verwendung einer Luftblase. Herkömmliche mechanische Aktoren
sind teuer, ihr Formfaktor (Verhältnisse
von Volumen zu geschaffener Verschiebung und/oder Eingangsenergie
zu Arbeitsausgang) ist groß,
sie haben einen höheren
Leistungsverbrauch und es gibt kein einfaches Verfahren, um ihren
Ausgang dazu zu verwenden, herkömmliche
Sitze derart zu gestalten, dass sie unterschiedlichen Bedürfnissen
von Insassen gerecht werden, wenn die breite Vielfalt von Insassengrößen, die
bei der Konstruktion berücksichtigt
werden müssen,
in Betracht gezogen wird.
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Obgleich
die gegenwärtigen
Systeme für
ihren beabsichtigten Zweck geeignet sein können, ist es erwünscht, andere
Systeme bereitzustellen, die einige der der Verwendung mechanischer
Aktoren eigenen Probleme lösen.
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KURZZUSAMMENFASSUNG
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Hierin
sind Sitze auf der Basis aktiver Materialien offenbart. In einer
Ausführungsform
umfasst eine Sitzanordnung ein aktives Material in Wirkverbindung
mit einer Sitzfläche,
das konfiguriert ist, um bei Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung
zumindest einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung
zumindest einer Eigenschaft dazu dient, zumindest ein Merkmal der
Sitzfläche
zu ändern.
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Ein
Verfahren zum Anpassen eines Sitzes an einen Insassen umfasst, dass
ein aktives Material mit einem Aktivierungssignal aktiviert wird,
wobei das aktive Material mit einer Sitzfläche in Wirkverbindung steht
und konfiguriert ist, um bei Empfang des Aktivierungssignals eine Änderung
zumindest einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung
einer Eigenschaft dazu dient, zumindest ein Merkmal der Sitzfläche zu ändern.
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In
einer anderen Ausführungsform
umfasst eine Sitzanordnung eine Sitzfläche mit einer reversiblen Einfassung
und ein aktives Material in Wirkverbindung mit der Sitzfläche, das
konfiguriert ist, um bei Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung zumindest
einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung zumindest einer Eigenschaft
dazu dient, die re versible Einfassung von einer verstauten Position
in eine entfaltete Position zu überführen, wobei die
Sitzfläche
in der verstauten Position zum Sitzen eines Insassen geeignet ist
und in der entfalteten Position die reversible Einfassung konfiguriert
ist, einen Gegenstand auf der Sitzfläche an seinem Platz zu halten.
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Die
oben beschriebenen und weitere Merkmale sind durch die folgenden
Figuren und die ausführliche
Beschreibung beispielhaft ausgeführt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen, die beispielhafte Ausführungsformen sind und in denen
gleiche Bauteile gleich nummeriert sind, ist:
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1 eine
Perspektivansicht eines Sitzes auf der Basis aktiver Materialien
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung;
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2 eine
Perspektivansicht eines Sitzes auf der Basis aktiver Materialien
gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung;
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3 eine
Schnittansicht von oben nach unten des Sitzes auf der Basis aktiver
Materialien von 2;
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4 eine Schnittansicht von oben nach unten
des Mechanismus, der in 3 angewandt wird, in (a) einer
ersten Position und (b) einer zweiten Position, wobei die Positionen
mit einem aktiven Material aktiv verändert werden;
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5 eine
Schnittansicht von oben nach unten des Sitzes auf der Basis aktiver
Materialien gemäß einer
anderen Ausführungsform;
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6 eine
Schnittansicht von oben nach unten des Sitzes auf der Basis aktiver
Materialien gemäß noch einer
anderen Ausführungsform;
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7 eine
Schnittansicht von oben nach unten des Sitzes auf der Basis aktiver
Materialien gemäß einer
nochmals anderen Ausführungsform;
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8 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform
eines Sitzes auf der Basis aktiver Materialien mit einer reversiblen
Einfassung in (a) einer verstauten Position und (b) einer entfalteten
Position;
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9 eine Perspektivansicht einer anderen Ausführungsform
eines Sitzes auf der Basis aktiver Materialien mit einer reversiblen
Einfassung in (a) einer verstauten Position und (b) einer entfalteten
Position;
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10 eine Perspektivansicht einer noch anderen
Ausführungsform
eines Sitzes auf der Basis aktiver Materialien mit einer reversiblen
Einfassung in (a) einer verstauten Position und (b) einer entfalteten
Position;
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11 eine Perspektivsansicht einer Ausführungsform
eines Sitzes auf der Basis aktiver Materialien mit einer re versiblen
Einfassung, die in einer vorderen Position des Sitzes angeordnet
ist, in (a) einer verstauten Position und (b) einer entfalteten
Position, und einer reversiblen Einfassung, die unterhalb des Sitzpolsters
angeordnet ist, in (c) einer verstauten Position und (d) einer entfalteten
Position;
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12 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform
eines Sitzes auf der Basis aktiver Materialien mit einer reversiblen
Einfassung, die in einem vorderen Abschnitt des Sitzes angeordnet
ist, in (a) einer verstauten Position und (b) einer entfalteten
Position; und
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13 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform
eines Sitzes auf der Basis aktiver Materialien mit einer reversiblen
Einfassung in (a) einer verstauten Position, (b) einer entfalteten
Position und (c) einer verschwenkten entfalteten Position.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Hierin
werden anpassbare und umkonfigurierbare Sitze und Verfahren zu deren
Verwendung beschrieben. Im Gegensatz zu existierenden anpassbaren
Sitzen wenden die hierin offenbarten Sitze vorteilhaft aktive Materialien
an. Der gesamte Sitz sowie die Polster, Auflagen und andere zusätzliche Sitzgegensätze, die über einer
Stützstruktur
angeordnet sein können,
können
mit einem aktiven Material in Wirkverbindung stehen, um als modifizierbarer Sitz
für den
Komfort und zur Sicherheit zu fungieren. Das aktive Material lässt zu,
dass der Sitz in Ansprechen auf eine Änderung einer Eigenschaft des
aktiven Materials bei Empfang eines Aktivierungs signals reversibel
verstellt werden kann, angepasst werden kann, eine Massage vornehmen
kann, umkonfiguriert werden kann und dergleichen. Die Sitze auf
der Basis aktiver Materialien umfassen, ohne Einschränkung darauf,
Personensitze, Kindersitze, Fußstützen, Armlehnen,
Kopfstützen
und dergleichen, die in Pkw, Lkw, Flugzeugen, Zügen oder irgendeinem anderen Transportfahrzeug
verwendet werden können.
Zusätzlich
können
die Sitze auf der Basis aktiver Materialien zur medizinischen und
therapeutischen Verwendung konfiguriert werden und können in
Unterhaltungs- und Haushaltssitzen für den Komfort und zur Massage
verwendet werden.
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Der
Ausdruck "aktives
Material", wie er
hierin verwendet wird, bezieht sich im Allgemeinen auf ein Material,
das bei Anlegen eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft,
wie etwa Abmessung, Form, Phase, Orientierung, Steifigkeit und dergleichen
zeigt. Geeignete aktive Materialien umfassen, ohne Einschränkung darauf,
Formgedächtnislegierungen
(SMA), ferromagnetische Formgedächtnislegierungen
(MSMA), Formgedächtnispolymere (SMP),
piezoelektrische Materialien, elektroaktive Polymere (EAP), magnetorheologische
(MR) Elastomere, elektrorheologische (ER) Elastomere, ER-Fluide,
MR-Fluide und dergleichen. Abhängig
von dem besonderen aktiven Material kann das Aktivierungssignal,
ohne Einschränkung
darauf, die Form eines elektrischen Stromes, eines elektrischen
Feldes (Spannung), einer Temperaturänderung, eines Magnetfeldes,
einer mechanischen Belastung oder Beanspruchung und dergleichen
annehmen.
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So
wie sie hierin verwendet werden, bezeichnen die Ausdrücke "erster", "zweiter" und dergleichen keinerlei
Rangordnung oder Bedeutung, sondern werden vielmehr dazu verwendet,
ein Element von einem anderen zu unterscheiden, die Ausdrücke "der", "die", "das", "ein", "eine" und "einer" be zeichnen keine
Beschränkung
der Quantität,
sondern bezeichnen vielmehr das Vorhandensein von zumindest einem
von dem genannten Gegenstand. Der Modifikator "etwa",
der in Verbindung mit einer Quantität verwendet wird, ist einschließlich des
genannten Wertes und hat die Bedeutung, die durch den Kontext vorgegeben
wird (z.B. umfasst den Fehlergrad, der zur Messung der besonderen
Größe gehört). Darüber hinaus
sind alle hierin offenbarten Bereiche einschließlich der Endpunkte und unabhängig kombinierbar.
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In
einer Ausführungsform
ist der Sitz auf der Basis aktiver Materialien zum Umformen und/oder zum
Verändern
des Moduls des Sitzes in Verbindung mit verschiedenen Komfort-,
Zweckmäßigkeits-
und Sicherheitssystemen auf Sensorbasis konfiguriert. Bei Empfang
eines Aktivierungssignals erfährt
das aktive Material eine Änderung
zumindest einer Eigenschaft (z.B. des Elastizitätsmoduls), die bewirken kann,
dass sich zumindest ein Merkmal des Sitzes ändert, wie etwa, ohne Einschränkung darauf,
die Form, Steifigkeit, Konfiguration, Geometrie, Nachgiebigkeit
und dergleichen des Sitzes auf der Basis aktiver Materialien. Das
Aktivierungssignal kann auf das aktive Material entweder aktiv in
Ansprechen auf ein Signal von einer Aktivierungsvorrichtung auf
der Basis der Verarbeitung von Sensoreingängen und/oder Insassenanforderungen,
wie etwa durch eine manuelle oder eine Sprachaktivierung von Steuervorrichtungen
oder programmierte Einstellungen, aufgebracht werden, oder es kann
passiv in Ansprechen auf Änderungen
der Umgebung, wie etwa Temperatur- oder Lichtniveau, aufgebracht
werden. Darüber hinaus
ist die Größe der Änderung
der Eigenschaft bei bestimmten aktiven Materialien proportional
zu der Größe des angelegten
Aktivierungssignals. Durch Unterschiede der Größe und/oder der Rate der Aufbringung
des Aktivierungssignals können
daher die Größe und die
Geschwindigkeit der Änderungen der
Eigenschaft des aktiven Materials gesteuert werden. Dies hat den
Effekt, dass die Änderungen
des Sitzes auf der Basis aktiver Materialien auf die persönlichen
Vorlieben eines Insassen des Sitzes hin gesteuert und auch zugeschnitten
werden können. Beispielsweise
können
derartige durch Größe und Geschwindigkeit
variable Eigenschaftsänderungen für Massagefunktionen
oder zum Anzeigen einer zunehmenden Wahrscheinlichkeit einer Fahrbedrohung,
wie etwa die Notwendigkeit, für
eine sich nähernde
Kurve zu verlangsamen, erwünscht
sein. Änderungen
der Häufigkeit
der Aktivierung und der Menge an aktiviertem Material könnten diese
Funktion ähnlich
bereitstellen. Darüber
hinaus können Änderungen
der Lage des aktiven Materials, das aktiviert wird, dazu verwendet
werden, wellenartige Bewegungen und/oder Steifigkeitsänderungen
für verbesserte
Massagefunktionen, zum Anzeigen der Anwesenheit und Lage von benachbarten
Fahrzeugen oder zum Alarmieren des Benutzers wegen der Nähe eines
gewünschten
Zieles geschaffen werden. Als ein nochmals anderes Beispiel könnten unterschiedliche
Bereiche aktiviert werden, um den unterschiedlichen Bedürfnissen
von Aufprallereignissen von unterschiedlichen Winkeln oder auch
den unterschiedlichen Bedürfnissen
eines Insassen, der schlafen will, im Vergleich mit einem, der alarmiert
werden und aufmerksam sein muss, gerecht zu werden.
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Um
die verschiedenen Möglichkeiten
besser zu verstehen, mit denen ein Sitz aktive Materialien anwenden
kann, um den Sitz für
einen besonderen Insassen oder für
eine besondere Verwendung/ein besonderes Ereignis reversibel umzukonfigurieren und
anzupassen, ist es notwendig, die Natur und Mechanik der gewünschten
aktiven Materialien zu verstehen. Wie es zuvor erwähnt wurde,
umfassen geeignete aktive Materialien für die Sitze auf der Basis aktiver
Materialien, ohne Einschränkung
darauf, Formgedächtnislegierungen
("SMA"; d.h. thermisch und
spannungsaktivierte Formgedächtnislegierungen
und magnetische Formgedächtnislegierungen (MSMA)),
elektroaktive Polymere (EAP), wie etwa dielektrische Elastomere, Verbundstoffe
aus ionischem Polymer und Metall (IPMC), piezoelektrische Materialien
(z.B. Polymere, Keramiken) und Formgedächtnispolymere (SMP), Formgedächtniskeramiken (SMC),
Baroplastik, magnetorheologische (MR) Materialien (z.B. Fluide und
Elastomere), elektrorheologische (ER) Materialen (z.B. Fluide und
Elastomere), Verbundstoffe aus den vorstehenden aktiven Materialien
mit nicht aktiven 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 Formgedächtnispolymere genommen.
Die Formgedächtniskeramiken,
Baroplastik und dergleichen können
auf ähnliche
Weise angewandt werden. Beispielsweise kann mit Baroplastikmaterialen
eine druckinduzierte Mischung von Nanophasen-Bereichen von Komponenten
mit hoher und niedriger Glasübergangstemperatur
(Tg) die Formänderung
bewirken. Baroplastik kann bei relativ niedrigen Temperaturen ohne
Verschlechterung verarbeitet werden. SMC sind ähnlich wie SMA, können aber
viel höhere
Betriebstemperaturen als andere Formgedächtnismaterialien tolerieren.
Ein Beispiel eines SMC ist ein piezoelektrisches Material.
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Die
Fähigkeit
von Formgedächtnismaterialien,
bei Anlegen oder Wegnehmen von äußeren Stimuli
in ihre ursprüngliche
Form zurückzukehren,
hat zu deren Verwendung in Aktoren geführt, um eine Kraft zu erzeugen/eine
Kraft aufzubringen, die zu einer gewünschten Bewegung führt. Aktoren
aus aktiven Materialien bieten das Potenzial für eine Verringerung von Größe, Gewicht,
Volumen, Kosten, Geräusch/Rauschen
und einer Zunahme der Robustheit eines Aktors im Vergleich mit traditionellen
elektromechanischen und hydraulischen Betätigungsmitteln. Ferromagnetische
SMA zeigen beispielsweise schnelle Abmessungsänderungen von bis zu einigen Prozent
in Ansprechen auf (und proportional zur Stärke von) einem angelegten Magnetfeld.
Diese Änderungen
sind jedoch Einweg-Änderungen,
und benutzen das Anlegen von entweder einer Vorspannkraft oder einer
Feldumkehr zur Rückführung der
ferromagnetischen SMA in ihre Ausführungskonfiguration.
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Formgedächtnislegierungen
sind Legierungszusammensetzungen mit zumindest zwei unterschiedlichen
temperaturabhängigen
Phasen oder temperaturabhängiger
Polarität.
Diejenigen dieser Phasen, die am häufigsten benutzt werden, sind
die sogenannten Martensit- und Austenit-Phasen. In der folgenden
Diskussion bezieht sich die Martensit-Phase im Allgemeinen auf die
stärker
verformbare Phase bei niedrigerer Temperatur, wohingegen sich die
Austenit-Phase im Allgemeinen auf die steifere Phase bei höherer Temperatur
bezieht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung
in der Martensit-Phase befindet und erwärmt wird, beginnt sie sich
in die Austenit-Phase
zu ändern.
Die Temperatur, bei der dieses Phänomen startet, wird auch 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 Austenit-Phase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie sich,
in die Martensit-Phase zu ändern,
und die Temperatur, bei der dieses Phänomen startet, wird häufig als
die Martensitstarttemperatur (Ms) bezeichnet. Die Temperatur, bei
der der Austenit die Transformation in den Martensit beendet, wird
häufig
die Martensitendtemperatur (Mf) genannt. Der Bereich zwischen As
und Af wird häufig
als der Martensit-in-Austenit-Transformationstemperaturbereich bezeichnet,
während
der zwischen Ms und Mf häufig
der Austenit-in-Martensit-Transformationstemperaturbereich genannt
wird. Es ist anzumerken, dass die oben erwähnten Übergangstemperaturen Funktionen
der Spannung sind, die die SMA-Probe erfährt. Im Allgemeinen nehmen diese
Temperaturen mit zunehmender Spannung zu. Im Hinblick auf die vorstehenden
Eigenschaften erfolgt die Verformung der Formgedächtnislegierung bevorzugt bei
oder unterhalb der Austenitstarttemperatur (bei oder unterhalb As).
Ein anschließendes
Erwärmen über die
Austenitstarttemperatur hinaus bewirkt, dass die Probe aus dem verformten
Formgedächtnismaterial
beginnt, in ihre ursprüngliche
(nicht verspannte) permanente Form bis zum Abschluss bei der Austenitendtemperatur
zurückzukehren.
Somit ist ein geeigneter Aktivierungseingang oder ein geeignetes
Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches
Aktivierungssignal mit einer Größe, die
ausreicht, um Transformationen zwischen den Martensit- und Austenit-Phasen hervorzurufen.
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Die
Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Hochtemperaturform
erinnert (d.h. die ursprüngliche
nicht verspannte Form), wenn sie erwärmt wird, kann durch geringfügige Änderungen
der Zusammensetzung der Legierung und durch thermomechanische Verarbeitung
eingestellt werden. In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen beispielsweise
kann sie von über
etwa 100°C
auf unter etwa –100°C geändert werden.
Dieser Formgedächtnisprozess
kann über
einen Bereich von nur einigen wenigen Graden auftreten oder eine
stärker
allmähliche
Wiederherstellung über
einen weiteren Temperaturbereich zeigen. Der Start oder das Ende der
Transformation kann abhängig
von der gewünschten
Anwendung und der Legierungszusammensetzung auf innerhalb einige
Grade gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung
variieren stark über
den ihre Transformation überspannenden
Temperaturbereich, wobei typischerweise ein Formgedächtniseffekt
und ein superelastischer Effekt bereitgestellt werden. Beispielsweise
wird in der Martensit-Phase ein niedrigerer Elastizitätsmodul
als in der Austenit-Phase
beobachtet. Formgedächtnislegierungen
in der Martensit-Phase können
größere Verformungen
erfahren, indem die Kristallstrukturausrichtung mit der aufgebrachten
Spannung wieder ausgerichtet wird. Das Material wird diese Form
beibehalten, nachdem die Spannung weggenommen worden ist. Mit anderen Worten
sind spannungsinduzierte Phasenänderungen
in SMA von einer Zweiwege-Natur; wobei das Anlegen einer ausreichenden
Spannung, wenn sich eine SMA in ihrer austenitischen Phase befindet,
bewirken wird, dass sie sich in ihre martensitische Phasen mit niedrigerem
Modul ändert.
Das Wegnehmen der angelegten Spannung wird bewirken, dass die SMA
zurück
in ihre austenitische Phase schaltet und dabei ihre Ausgangsform
und den höheren
Modul wiedererlangt.
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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 und
so weiter. Die Legierungen können
binärer,
ternärer
oder von irgendeiner höheren
Ordnung sein, solange die Legierungszusammensetzung einen Formgedächtniseffekt,
z.B. eine Änderung
der Form, Orientierung, Streckgrenze, Biegemodul, Dämpfungsfähigkeit,
Superelastizität
und/oder ähnlichen Eigenschaften,
zeigt. Die Auswahl der geeigneten Formgedächtnislegierungszusammensetzung
hängt zum
Teil von dem Temperaturbereich der vorgesehenen Anwendung ab.
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Die
Wiedererlangung der Austenit-Phase bei einer höheren Temperatur wird von einer
sehr großen (im
Vergleich mit derjenigen, die benötigt wird, um das Material
zu verformen) begleitet, die so hoch wie die inhärente Streckgrenze des Austenit-Materials ist,
manchmal bis zum Drei- oder Mehrfachen von der der verformten Martensit-Phase.
Für Anwendungen, die
eine große
Anzahl von Betriebszyklen erfordern, kann eine Dehnung von weniger
oder gleich 4 % oder so ähnlich
der verformten Länge
des verwendeten Drahtes erhalten werden. In Experimenten, die mit Drähten aus
Flexinol® mit
0,5 Millimeter (mm) Durchmesser durchgeführt wurden, wurde die maximale Dehnung
in der Größenordnung
von 4 % erhalten. Dieser Prozentsatz kann bis zu 8 % für dünnere Drähte oder
für Anwendungen
mit einer geringen Anzahl von Zyklen zunehmen. Die Grenze der erhältlichen
Dehnung legt gewisse Randbedingungen bei der Anwendung von SMA-Aktoren
fest, wenn der Raum begrenzt ist.
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MSMA
sind Legierungen, die häufig
aus Ni-Mn-Ga hergestellt sind, die die Form aufgrund einer durch
ein Magnetfeld induzierten Dehnung ändern. MSMA haben interne Varianten
mit unterschiedlichen magnetischen und kristallographischen Orientierungen.
In einem Magnetfeld ändern
sich die Anteile dieser Varianten, was zu einer Änderung der Gesamtform des
Materials führt.
Ein MSMA-Aktor erfordert im Allgemeinen, dass das MSMA-Material zwischen
den Spulen eines Elektromagneten angeordnet ist. Ein elektrischer
Strom, der durch die Spule fließt,
induziert ein Magnetfeld durch das MSMA-Material hindurch, was eine
Formänderung
bewirkt.
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Wie
es zuvor erwähnt
wurde, sind andere beispielhafte Formgedächtnismaterialien Formgedächtnispolymere
(SMP). "Formgedächtnispolymer" bezieht sich im
Allgemeinen auf ein Polymermaterial, das eine Änderung einer Eigenschaft,
wie etwa eines Moduls, einer Abmessung, eines Wärmeausdehnungskoeffizienten,
die Durchlässigkeit
für Feuchtigkeit,
einer optischen Eigenschaft (z.B. Durchlassvermögen) oder einer Kombination
mit zumindest einer der vorstehenden Eigenschaften in Kombination
mit einer Änderung
in seiner Mikrostruktur und/oder Morphologie bei Anlegen eines Aktivierungssignals
zeigt. Formgedächtnispolymere
können
thermisch ansprechend sein (d.h. die Änderung der Eigenschaft wird durch
ein thermisches Aktivierungssignal hervorgerufen, das entweder direkt über Wärmezufuhr
oder Wärmewegnahme
oder indirekt über
eine Vibration mit einer Frequenz, die geeignet ist, um Schwingungen
mit hoher Amplitude auf dem molekularen Niveau zu erregen, die zur
internen Erzeugung von Wärme
führen,
geliefert wird), auf Licht ansprechend (d.h. die Änderung
der Eigenschaft wird durch ein Aktivierungssignal auf der Basis
elektromagnetischer Strahlung hervorgerufen), auf Feuchtigkeit ansprechend
(d.h. die Änderung
der Eigenschaft wird durch ein Flüssigkeitsaktivierungssignal,
wie etwa Feuchte, Wasserdampf oder Wasser, hervorgerufen), chemisch
ansprechend (d.h. ansprechend auf eine Änderung der Konzentration von
einer oder mehreren chemischen Spezien in seiner Umgebung; z.B.
die Konzentration von H+ Ionen – dem
pH der Umgebung) oder einer Kombination mit zumindest einem der
vorstehenden sein.
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Im
Allgemeinen sind SMP phasengetrennte Copolymere mit zumindest zwei
unterschiedlichen Einheiten, die so beschrieben werden können, dass sie
unterschiedliche Segmente innerhalb des SMP definieren, wobei jedes
Segment unterschiedlich zu den Gesamteigenschaften des SMP beiträgt. So wie er
hierin verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck "Segment" auf einen Block,
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 hierin der Zweckmäßigkeit
halber verwendet, um sich auf entweder eine Tg oder einen Schmelzpunkt
zu beziehen, abhängig
davon, ob das Segment ein amorphes Segment oder ein kristallines
Segment ist. Für
SMP mit (n) Segmenten 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 Seg ment 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 "weichesten" Segments wird die "erste Übergangstemperatur" genannt. Es ist
wichtig anzumerken, dass, wenn das SMP mehrere Segmente aufweist, die
sich durch die gleiche thermische Übergangstemperatur auszeichnen,
die auch die letzte Übergangstemperatur
ist, dann gesagt wird, dass das SMP mehrere harte Segmente aufweist.
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Wenn
das SMP über
die letzte Übergangstemperatur
hinaus 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
dieser 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 die thermische Übergangstemperatur
von irgendeinem weichen Segment, 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 aufrecht erhalten wird.
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Die
permanente Form kann wiederhergestellt werden, indem das Material
bei weggenommener Spannung oder Last über die besondere thermische Übergangstemperatur
des weichen Segments hinaus jedoch unter die letzte Übergangstemperatur erwärmt wird.
Somit sollte deutlich sein, dass es durch Kombinieren mehrerer weicher
Segmente möglich
ist, mehrere tem poräre
Formen darzustellen und dass es mit mehreren harten Segmenten möglich sein
kann, mehrere permanente Formen darzustellen. Ähnlich wird eine Kombination
aus mehreren SMP unter Verwendung eines beschichteten oder Verbundansatzes Übergänge zwischen
mehreren temporären
und permanenten Formen darstellen.
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Das
Formgedächtnismaterial
kann auch ein piezoelektrisches Material umfassen. In bestimmten Ausführungsformen
kann das piezoelektrische Material auch als ein Aktor zum Bereitstellen
einer schnellen Entfaltung konfiguriert sein. So wie er hierin verwendet
wird, wird der Ausdruck "piezoelektrisch" dazu benutzt, ein
Material zu beschreiben, das sich mechanisch verformt (die Form ändert),
wenn ein Spannungspotenzial angelegt wird, oder umgekehrt eine elektrische
Ladung erzeugt, wenn es mechanisch verformt wird. Piezoelektrika
zeigen eine kleine Abmessungsänderung
wenn sie der angelegten Spannung ausgesetzt werden, wobei das Ansprechen
proportional zur Stärke
des angelegten Feldes ist und recht schnell erfolgt (es ist in der
Lage, den Bereich von tausend Hertz leichter zu erreichen). Da ihre
Abmessungsänderung
gering ist (z.B. kleiner als 0,1 %), werden diese, um die Größe der Abmessungsänderung
drastisch zu erhöhen,
gewöhnlich
in der Form von piezokeramischen unimorphen und bimorphen Aktoren
in der Form eines flachen Stücks verwendet,
die derart aufgebaut sind, dass sie sich bei Anlegen einer relativ
kleinen Spannung zu einer konkaven oder konvexen Form wölben. Das
Morphen/Wölben
derartiger Stücke
innerhalb der Auskleidung des Halters ist zum Greifen/Lösen des
gehaltenen Objektes geeignet.
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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 dieses mit einer sich ändernden Spannung aktiviert
wird, und zu einer axialen Wölbung
oder Auslenkung führt,
wenn es der Bewegung des piezoelektrischen Elements entgegenwirkt.
Die Aktorbewegung für
einen Unimorph kann durch Kontraktion oder Expansion erfolgen. Unimorphe
können
eine Dehnung von bis zu etwa 10 % zeigen, sie können jedoch im Allgemeinen
nur niedrigen Lasten in Bezug auf die Gesamtabmessungen der Unimorphstruktur standhalten.
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Im
Gegensatz zu der unimorphen piezoelektrischen Vorrichtung umfasst
eine Bimorph-Vorrichtung eine dazwischenliegende 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 etwa 20 % zeigen, aber können im Allgemeinen, ähnlich wie
Unimorphe, nicht hohen Lasten in Bezug auf die Gesamtabmessungen der
Unimorph-Struktur standhalten.
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Beispielhafte
piezoelektrische Materialien umfassen anorganische Verbindungen,
organische Verbindungen und Metalle. Im Hinblick auf organische
Materialien können
alle Polymermaterialien mit nichtzentrosymmetrischer Struktur und
einer großen Dipolmomentgruppe/großen Dipolmomentgruppen an
der Hauptkette oder an den Seitenketten oder an beiden Ketten innerhalb
der Moleküle
als Kandidaten für
den piezoelektrischen Film verwendet werden. Beispiele für Polymere
umfassen Poly(natrium-4-styrolsulfonat) ("PSS"),
Poly-S-119 (Poly(vinylamin)rückgrat-Azochromophor)
und deren Derivate; Polyfluorcarbine, einschließlich Polyvinylidenfluorid ("PVDF"), sein Copolymer
Vinylidenfluorid ("VDF"), Trifluorethylen
(TrFE) und deren Derivate; Polychlorkohlenstoffe, einschließlich Polyvinylchlorid
("PVC"), Polyvinylidenchlorid
("PVC2") und deren Derivate; Polyacrylnitrile
("PAN") und deren Derivate;
Polycarbonsäuren,
einschließ lich
Polymethacrylsäure ("PMA"), und deren Derivate;
Polyharnstoffe und deren Derivate; Polyurethane ("PUE") und deren Derivate;
Biopolymermoleküle,
wie Poly-L-Milchsäuren und
deren Derivate, und Membranproteine sowie Phosphatbiomoleküle, Polyaniline
und deren Derivate und alle Derivate von Tetraaminen; Polyimiden, einschließlich Kapton®-Molekülen und
Polyetherimid ("PEI") und deren Derivate;
alle Membranpolymere; Poly(N-Vinylpyrrolidon)-("PVP")-Homopolymer und deren
Derivate und zufällige
PVP-Covinylacetat-("PVAc")-Copolymere; und
alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder
den Seitenketten oder in sowohl der Hauptkette als auch den Seitenketten;
sowie Kombinationen mit zumindest einem der vorstehenden.
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Darüber hinaus
können
piezoelektrische Materialien Pt, Pd, Ni, T, Cr, Fe, Ag, Au, Cu und
Metalllegierungen mit zumindest einem der vorstehenden sowie Kombinationen
mit zumindest einem der vorstehenden umfassen. Diese piezoelektrischen
Materialien können
auch beispielsweise Metalloxid, wie etwa SiO2,
Al2O3, ZrO2, TiO2, SrTiO3, PbTiO3, BaTiO3, FeO3, Fe3O4, ZnO und Kombinationen
mit zumindest einem der vorstehenden; und Verbindungen der Gruppe
VIA und IIB, wie etwa CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe2,
ZnSe, GaP, InP, ZnS und Kombinationen mit zumindest einem der vorstehenden,
umfassen.
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MR-Fluide
sind eine Klasse von intelligenten Materialien, deren rheologische
Eigenschaften sich bei Anlegen eines Magnetfeldes schnell ändern (z.B. Eigenschaftsänderungen
von mehreren hundert Prozent können
innerhalb von Millisekunden bewirkt werden), was sie zur Verriegelung
(Begrenzung) geeignet macht, oder wodurch sie die Entspannung von Formen/Verformungen
durch eine signifikante Änderung
ihrer Scherfestigkeit zulassen, wobei derartige Änderungen zweckmäßig beim
Greifen und Lösen von
Objekten in hierin beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden.
Beispielhafte Formgedächtnismaterialien
können
auch magnetorheologische (MR) und ER-Polymere umfassen. MR-Polymere
sind Suspensionen von magnetisch polarisierbaren Partikeln mit Mikrometergröße (z.B.
ferromagnetische oder paramagnetische Partikel, wie es nachstehend
beschrieben wird) in einem Polymer (z.B. einen warm härtenden
elastischen Polymer oder Kautschuk). Beispielhafte Polymermatrizen
umfassen Poly-alphaolefine, Naturkautschuk, Silikon, Polybutadien,
Polyethylen, Polyisopren und Kombinationen mit zumindest einem der
vorstehenden.
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Die
Steifigkeit und potenziell die Form der Polymerstruktur kann erzielt
werden, indem die Scher- und Kompressions/Zug-Modul durch Verändern der
Stärke
des angelegten Magnetfelds geändert
werden. Die MR-Polymere
entwickeln typischerweise ihre Struktur, wenn sie einem Magnetfeld
so kurz wie einige wenige Sekunden ausgesetzt werden, wobei die
Steifigkeits- und Formänderungen proportional
zur Stärke
des angelegten Feldes sind. Werden die MR-Polymere nicht länger dem
Magnetfeld ausgesetzt, kehrt sich der Prozess um und das Elastomer
kehrt in seinen Zustand mit niedrigerem Modul zurück.
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MR-Fluide
zeigen eine Scherfestigkeit, die proportional zur Größe des angelegten
Magnetfeldes ist, wobei Eigenschaftsänderungen von mehreren hundert
Prozent innerhalb von Millisekunden bewirkt werden können. Obwohl
diese Materialien auch Problemen der Packung der Spulen gegenüberstehen, die
notwendig sind, um das angelegte Feld zu erzeugen, können sie
als ein Verriegelungs- oder Lösemechanismus,
beispielsweise für
ein Greifen/Lösen
auf Federbasis, verwendet werden.
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Geeignete
MR-Fluidmaterialien umfassen ferromagnetische oder paramagnetische
Partikel, die in einem Träger
verteilt sind, z.B. in einer Menge von etwa 5,0 Volumenprozent (Vol.-%)
bis etwa 50 Vol.-% bezogen auf das Ge samtvolumen der MR-Zusammensetzung.
Geeignete Partikel umfassen Eisen; Eisenoxide (einschließlich Fe2O3 und Fe3O4); Eisennitrid;
Eisencarbid; Carbonyleisen; Nickel; Kobalt; Chromdioxid und Kombinationen
mit zumindest einem der vorstehenden; z.B. Nickellegierungen; Kobaltlegierungen;
Eisenlegierungen, wie etwa rostfreier Stahl, Siliziumstahl, sowie
andere einschließlich Aluminium,
Silizium, Kobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder
Kupfer.
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Die
Partikelgröße sollte
derart gewählt
sein, dass die Partikel magnetische Mehrbereichseigenschaften zeigen,
wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt sind. Partikeldurchmesser (z.B.
wie entlang der Hauptachse des Partikels gemessen) können kleiner als
oder gleich etwa 1.000 Mikrometer (μm) sein (z.B. etwa 0,1 Mikrometer
bis etwa 1.000 Mikrometer) oder spezieller etwa 0,5 bis etwa 500
Mikrometer, und noch spezieller etwa 10 bis etwa 100 Mikrometer.
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Die
Viskosität
des Trägers
kann kleiner als oder gleich etwa 100.000 Centipoise (cPs) (z.B.
etwa 1 cPs bis etwa 100.000 cPs) oder spezieller etwa 1 cPs bis
etwa 10.000 cPs oder noch spezieller etwa 1 cPs bis etwa 1.000 Centipoise
sein. Mögliche
Träger (z.B.
Trägerfluide)
umfassen organische Flüssigkeiten,
insbesondere nichtpolare 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
(z.B. 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.
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Wässrige Träger können ebenfalls
verwendet werden, insbesondere diejenigen, die hydrophile Mineraltone,
wie etwa Bentonit oder Hectorit, umfassen. Der wässrige Träger kann Wasser oder Wasser mit
einem polaren, wassermischbaren organischen Lösungsmittel (z.B. Methanol,
Ethanol, Propanol, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Ethylencarbonat, Propylencarbonat,
Aceton, Tetrahydrofuran, Diethylether, Ethylenglykol, Propylenglykol
und dergleichen) sowie Kombinationen mit zumindest einem der vorstehenden
Träger
umfassen. Die Menge von polarem organischem Lösungsmittel in dem Träger kann
kleiner als oder gleich etwa 5,0 Vol.-% (z.B. ungefähr 0,1 Vol.-%
bis etwa 5,0 Vol.-%) bezogen auf das Gesamtvolumen des MR-Fluids
oder spezieller etwa 1,0 Vol.-% bis etwa 3,0 Vol.-% sein. Der pH
des wässrigen
Trägers
kann kleiner als oder gleich etwa 13 (z.B. etwa 5,0 bis etwa 13)
oder spezieller etwa 8,0 bis etwa 9,0 sein.
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Wenn
die wässrigen
Träger
natürliches und/oder
synthetisches Bentonit und/oder Hectorit umfassen, kann die Menge
an Ton (Bentonit und/oder Hectorit) in dem MR-Fluid kleiner als
oder gleich etwa 10 Gewichtsprozent (Gew.-%) bezogen auf das Gesamtgewicht
des MR-Fluids oder spezieller etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 8,0 Gew.-%
oder spezieller etwa 1,0 Gew.-% bis etwa 6,0 Gew.-% oder noch spezieller
etwa 2,0 Gew.-% bis etwa 6,0 Gew.-% sein.
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Optionale
Komponenten in dem MR-Fluid umfassen Tone (z.B. Organotone), Carboxylatseifen, Dispergiermittel,
Korrosionsinhibitoren, Schmiermittel, Verschleißschutzadditive, Antioxidationsmittel, thixotrope
Mittel und/oder Suspensionsmittel. Carboxylatseifen umfassen Eisenoleat,
Eisennaphthenat, Eisenstearat, Aluminiumdi- und -tristearat, Lithiumstearat,
Calciumstearat, Zinkstearat und/oder Natriumstearat; Tenside (wie
etwa Sulfonate, Phosphatester, Stearinsäure, Glycerinmonooleat, Sorbitansesquioleat,
Laurate, Fettsäuren,
Fettalkohole, fluoraliphatische Polymerester) und Kupplungsmittel,
wie etwa Titanat, Aluminat und Zirkonat) sowie Kombinationen mit
zumindest einem der vorstehenden. Polyalkylendiole, wie etwa Polyethylenglykol,
und teilweise veresterte Polyole können ebenfalls enthalten sein.
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Elektrorheologische
Fluide (ER) Fluide sind MR-Fluiden darin ähnlich, dass sie eine Änderung der
Scherfestigkeit zeigen, wenn sie einem angelegten Feld ausgesetzt
sind, in diesem Fall vielmehr eine Spannung statt einem Magnetfeld.
Das Ansprechen ist schnell und proportional zur Stärke des
angelegten Feldes. Es ist jedoch eine Größenordnung kleiner als das
von MR-Fluiden, und es sind typischerweise mehrere tausend Volt
erforderlich.
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Elektronische
elektroaktive Polymere (EAP) sind ein Laminat aus einem Paar Elektroden
mit einer dazwischenliegenden Schicht aus dielektrischem Material
mit niedrigem Elastizitätsmodul.
Das Anlegen eines Potenzials zwischen den Elektroden quetscht die
dazwischenliegende Schicht, was 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. Es sind morphende Laminatbahnen aus EAP demonstriert worden.
Ihr Hauptnachteil ist, dass sie angelegte Spannungen erfordern,
die annähernd
drei Größenordnungen
größer sind
als diejenigen, die von Piezoelektrika verlangt werden.
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Elektroaktive
Polymere umfassen diejenigen Polymermaterialien, die als Reaktion
auf elektrische oder mechanische Felder piezoelektrische, pyroelektrische
oder elektrostriktive Eigenschaften zeigen. Ein Beispiel ist ein
elektrostriktiv gepfropftes Elastomer mit einem piezoelektrischen
Poly(vinylidenfluoridtrifluorethylen)copolymer. Diese Kombination
hat die Fähig keit,
ein variierendes Ausmaß an
ferroelektrischen-elektrostriktiven Molekularverbundsystemen zu
erzeugen.
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Materialien,
die zur Verwendung als ein elektroaktives Polymer geeignet sind,
können
irgendein im Wesentlichen isolierendes Polymer und/oder Kautschuk
umfassen, das sich als Reaktion auf eine elektrostatische Kraft
verformt oder dessen Verformung zu einer Änderung eines elektrischen
Feldes führt. Beispielhafte
Materialien, die zur Verwendung als vorgedehntes Polymer geeignet
sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane,
thermoplastische Elastomere, Copolymere, die PVDF umfassen, Haftklebstoffe,
Fluorelastomere, Polymere, die Silikon- und Acrylreste umfassen
(z.B. Copolymere, die Silikon- und Acrylreste umfassen, Polymermischungen,
die ein Silikonelastomer und ein Acrylelastomer umfassen und so
weiter).
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Materialien,
die als ein elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf
der Basis der Materialeigenschaft(en), wie etwa einer hohen elektrischen
Durchbruchfestigkeit, einem niedrigen Elastizitätsmodul (z.B. für große oder
kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante und so weiter,
ausgewählt
werden. In einer Ausführungsform kann
das Polymer derart gewählt
sein, dass es einen Elastizitätsmodul
von kleiner oder gleich etwa 100 MPa aufweist. In einer anderen
Ausführungsform kann
das Polymer derart ausgewählt
sein, dass es einen maximalen Betätigungsdruck von etwa 0,05
Megapascal (MPa) und etwa 10 MPa oder spezieller etwa 0,3 MPa bis
etwa 3 MPa aufweist. In einer anderen Ausführungsform kann das Polymer
derart ausgewählt
sein, dass es eine Dielektrizitätskonstante
von etwa 2 und etwa 20 oder spezieller 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 wünschens wert, wenn die Materialien
sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante
als auch eine hohe dielektrische Festigkeit aufwiesen. In vielen
Fällen
können
elektroaktive Polymere als Dünnfilme
gefertigt und eingesetzt werden, z.B. mit einer Dicke von weniger
oder gleich etwa 50 Mikrometer.
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Da
sich elektroaktive Polymere mit hohen Dehnungen auslenken, sollten
sich auch Elektroden, die an den Polymeren angebracht sind, ebenfalls auslenken,
ohne das mechanische oder elektrische Leistungsvermögen preiszugeben.
Im Allgemeinen können
zur Verwendung geeignete Elektroden von irgendeiner Form und irgendeinem
Material sein, vorausgesetzt, dass sie in der Lage sind, einem elektroaktiven
Polymer eine geeignete Spannung zuzuführen oder von diesem eine geeignete
Spannung zu empfangen. Die Spannung kann über die Zeit entweder konstant
oder variierend sein. In einer Ausführungsform haften die Elektroden
an einer Oberfläche des
Polymers. Elektroden, die an dem Polymer haften, können nachgiebig
sein und sich an die verändernde
Form des Polymers anpassen. Die Elektroden können nur an einem Abschnitt
des elektroaktiven Polymers angebracht sein und gemäß ihrer
Geometrie einen aktiven Bereich definieren. Verschiedene Typen von
Elektroden umfassen strukturierte Elektroden, die Metallbahnen und
Ladungsverteilungsschichten umfassen, texturierte Elektroden, die eine
sich aus der Ebene heraus verändernde
Abmessung umfassen, leitfähige
Fette (wie etwa Kohlenstofffette und Silberfette), kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien
mit hohem Querschnittsverhältnis
(wie etwa Kohlenstofffibrillen und Kohlenstoffnanoröhren und
Mischungen von ionisch leitfähigen Materialien)
sowie Kombinationen mit zumindest einem der vorstehenden.
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Beispielhafte
Elektrodenmaterialien können Graphit,
Ruß, kolloidale
Suspensionen, Metalle (einschließlich Silber und Gold), gefüllte Gele
und Polymere (z.B. mit Silber und mit Kohlenstoff gefüllte Gele und
Polymere) und ionisch oder elektronisch leitfähige Polymere sowie Kombinationen
mit zumindest einem der vorstehenden umfassen. Es ist zu verstehen,
dass bestimmte Elektrodenmaterialien mit besonderen Polymeren gut
funktionieren können
und ebenso mit anderen nicht gut funktionieren können. Beispielsweise funktionieren
Kohlenstofffibrillen mit Acrylelastomerpolymeren gut, wohingegen
sie mit Silikonpolymeren nicht so gut funktionieren.
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Magnetostriktiva
sind Feststoffe, die große mechanische
Verformung entwickeln, wenn sie einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt
werden. Dieses Magnetostriktionsphänomen ist auf die Rotationen von
kleinen magnetischen Bereichen in den Materialien zurückzuführen, die
zufällig
orientiert sind, wenn das Material keinem Magnetfeld ausgesetzt
ist. Die Formänderung
ist in Ferromagnetika oder ferromagnetischen Feststoffen am größten. Diese
Materialien besitzen ein sehr schnelles Ansprechvermögen, wobei
die Dehnung proportional zur Stärke
des angelegten Magnetfeldes ist, und sie kehren bei Wegnahme des
Feldes zu ihrer Ausgangsabmessung zurück. Diese Materialien haben
jedoch maximale Dehnungen von etwa 0,1 bis etwa 0,2 Prozent.
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Sich
unter Scherung verdickende Fluide (STF von shear-thickening fluids)
ist der Name, der dem Phänomen
gegeben wird, bei dem die Viskosität eines Fluids mit zunehmender
Scherrate (oder äquivalent
Spannung) zunimmt. Scherverdickung kann über relativ große Größen bis
zu dem Punkt auftreten, an dem sich das Fluid wie ein Feststoff
verhält und
bricht. Scherverdickung ist ein nicht Newtonsches Strömungsverhalten.
Andererseits sind auch sich unter Scherung verdünnende Fluide ebenso nicht
Newtonsche Fluide, da deren Viskositäten abnehmen, wenn die angelegte
Scherspannung zunimmt. Als ein Beispiel ist Ketchup scherverdünnend. Der
Vorteil dieser Fluide (im Vergleich mit den MR- oder ER- Fluiden) ist, dass
sie kein äußeres Feld
erfordern. Sie werden durch schnelle Bewegungen, wie sie etwa bei
Fahrzeugunfällen
auftreten können,
passiv aktiviert.
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In 1 ist
ein Sitz auf der Basis aktiver Materialien dargestellt, der allgemein
mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Der Sitz 10 umfasst
mehrere SMA-Filamente 12 in Wirkverbindung mit einem Rahmen 14.
In dieser Ausführungsform
erstrecken sich die SMA-Filamente 12 senkrecht zu den Seiten 16 des
Rahmens 14, um eine Sitzfläche 18 zu bilden. In
einer anderen Ausführungsform
können
die SMA-Filamente 12 auf eine andere Weise relativ zu den
Seiten 16 des Rahmens 14 konfiguriert sein, wie beispielsweise
in einer parallelen Konfiguration. Die SMA-Filamente 12 sind
konfiguriert, um bei Empfang eines Aktivierungssignals, z.B. eines
thermischen Signals, von einer Aktivierungsvorrichtung 20,
eine Änderung
zumindest einer Eigenschaft, z.B. Steifigkeit, oder Längenabmessung,
zu erfahren. Die Änderung der
Steifigkeit aufgrund einer Temperaturänderung wird von einer Änderung
einer Längenabmessung begleitet.
Indem das Aktivierungssignal selektiv an einen ausgewählten oder
mehrere ausgewählte SMA-Filamente
angelegt wird, ist ein Bereich von anpassbarer Verstellung für den Sitz
auf der Basis aktiver Materialien 10 verfügbar. Darüber hinaus
kann der Transformationstemperaturbereich der einzelnen SMA-Filamente 12 geeignet
gewählt
werden, um die Sicherheit sowie den Komfort für den Insassen sicherzustellen.
In dem Fall der Erwärmung
mit elektrischem Strom können
die Filamente der Sicherheit wegen gut isoliert/abgeschirmt sein.
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Die
Sitze auf der Basis aktiver Materialien können mehrere Teilstücke aufweisen,
die in der Lage sind, sich über
die oben erwähnten
beispielhaften Ausführungsformen
hinaus anzupassen und umzukonfigurieren. Das aktive Material ermöglicht es, dass
Sitze derart konfiguriert sein können, dass
sie sich in mehreren Ebenen falten, biegen, verdrehen, aufblähen, Konturen
folgen und dergleichen. Eine derartige Bewegung kann beispielsweise,
ohne Einschränkung
darauf, durch Verteilung von einem oder mehreren SMA-Elementen (z.B.
Draht, Bänder,
Filamente, Streifen und dergleichen) längs eines Bauteils, das nicht
bewegt werden muss, wie etwa Sitzflügel, Rückenlehne und dergleichen,
erreicht werden. Wie es nachstehend ausführlicher besprochen wird, können SMA-Drähte in einer
elastischen Platte eingebettet sein, um eine solche Bewegung in
verschiedenen Sitzabschnitten zu erzeugen. Ein Biegen der elastischen
Platte, und somit Teilstücken
des Sitzes, kann erzielt werden, indem die SMA-Drähte aus der
neutralen Ebene der elastischen Platte weg bewegt werden und alle
Drähte
in der gleichen Richtung aktiviert werden (d.h. kontrahieren). Ein
Verdrehen kann bewerkstelligt werden, indem nur einige der SMA-Drähte aktiviert
werden oder indem jeder SMA-Draht in einer definierten Folge aktiviert
wird, um die Verdrehung zu erzeugen.
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Darüber hinaus
kann das Anpassen und Umkonfigurieren der Sitze, die mit aktivem
Material ermöglicht
sind, mit Sitzfasern aus aktivem Material, wie etwa SMA-Fasern,
bewerkstelligt werden. Die Sitzfläche kann SMA-Drähte umfassen
und deren Konfiguration kann die Anpassbarkeit des Sitzes auf der
Basis aktiver Materialien beeinflussen. Beispielsweise können die
SMA-Drähte
mit gegenwärtigen Sitzgeweben
in einer parallelen Konfiguration, einer Konfiguration eines rechtwinkligen
Kreuzes gewebt sein, oder die SMA-Fasern können unter einem Winkel zueinander
konfiguriert sein. Die verschiedenen Konfigurationen dienen dazu,
unterschiedliche "Wellen" der Konfiguration
zu schaffen. Die Fasern können
dann mit unterschiedlichen Aktivierungsstrategien kombiniert werden,
die verschiedene umkonfigurierbare Sitzmerkmale bereitstellen werden.
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Die 2 und 3 veranschaulichen
einen Sitz auf der Basis aktiver Materialien gemäß einer anderen beispielhaften
Ausführungsform.
Der Sitz, der allgemein mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet
ist, umfasst Flügelabschnitte 32,
die sich von einem Querunterstützungsteilstück 34 erstrecken.
Ein aktives Material, beispielsweise ein SMA-Draht 40,
kann dazu verwendet werden, die Flügelabschnitte 32 bei
Empfang eines Aktivierungssignals relativ zu der Querunterstützung 34 selektiv zu
orientieren. Auf diese Weise können
die sitzenden Insassen in den Flügeln
eingewickelt werden, um eine stärkere
Unterstützung
und einen besseren Komfort ungeachtet der Rahmengröße des Insassen bereitzustellen.
Wenn die SMA aktiviert wird, zieht sie die Arme 38 um den
Drehpunkt 44 herein. Während der
Aktivierung wird eine Vorspannfeder 46 gespannt (da sie
in Reihe mit dem SMA-Draht 40 angeordnet ist). Dies kann
durch irgendeinen anderen Spannungsentlastungsmechanismus dargestellt
werden. Die Vorspannfeder 46 dient dazu, zu verhindern, dass
zu viel Druck gegen einen Sitzinsassen ausgeübt wird. Die Vorspannfeder 46 kann
auch eine superelastische SMA selbst sein, um eine hohe Anfangssteifigkeit
und anschließend
eine weiche Steifigkeit beim Einsetzen der spannungsinduzierten Transformation
von austenitisch nach martensitisch bereitzustellen, die während der
Aktivierung auftritt. Dies würde
eine Verformung der Feder 46 zulassen, wenn der SMA-Draht 40 die
Kontraktion beibehält.
Es kann auch ein Verriegelungsmechanismus (der nicht gezeigt ist)
verwendet werden, um die Position zu halten, während das Aktivierungssignal
ausgeschaltet ist. Nach der Deaktivierung des Signals und/oder dem
Lösen des
Verriegelungsmechanismus werden die Arme nach außen um den Drehpunkt 44 herum gedreht,
wobei die Vorspannfedern 46 die SMA-Materialien zurück zu dem
Martensit-Zustand verformen oder zu verformen helfen. 3 ist
eine Querschnittsansicht des Sitzes 30 aus aktivem Material,
die den Rahmen veranschaulicht, der ein Hauptelement 36 und
die Arme 38 in schwenkbarer Verbindung miteinander über Drehpunkte 44 umfasst.
Das Hauptelement 36 bildet das Querunterstützungsteilstück 34 und
die beiden Arme 38 bilden die Flügel 32 des Sitzes 30.
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Wie
es in 4 deutlicher gezeigt ist, sind die
SMA-Drähte,
die mit Bezugszeichen 40 bezeichnet sind, von irgendeinem
Punkt des Hauptelements 36 aus wirksam an dem Ende der
Flügelelemente 38 angebracht.
Wenn den SMA-Drähten 40 ein
elektrisches Signal zugeführt
wird, heizt sich die Legierung auf die Martensit-in-Austenit-Übergangstemperatur auf.
Wenn die Transformation stattfindet, kontrahieren die SMA-Drähte 40,
wobei sie die Flügel
dazu zwingen, sich um die Drehpunkte 44 in Richtung des Insassen
zu drehen. Die Kontraktion in einer Längenabmessung der SMA-Drähte 40 wird
von einer starken Wiederherstellungskraft begleitet und dient dazu,
die Arme 38 aus einer ersten Position (wie sie in 4(a) gezeigt ist) in eine zweite Position
(wie sie in 4(b) gezeigt ist) zu drehen.
Zurückgekehrt
zu 3 kann ein Rückführmechanismus,
in diesem Fall die Vorspannfedern 46, die wirksam an dem SMA-Draht 40 angebracht
sind, derart konfiguriert sein, dass er eine niedrige Steifigkeit
aufweist und verhindert, dass durch die Flügel 32 übermäßige Kräfte auf
den Rücken
des Insassen ausgeübt
werden. Andere mögliche
Vorspannmechanismen umfassen, ohne Einschränkung darauf, Motoren, Mikrohydrauliksysteme
und dergleichen.
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5 veranschaulicht
eine andere Ausführungsform
eines Sitzes auf der Basis aktiver Materialien 50. In dieser
Ausführungsform
umfasst der Sitz 50 eine Verbundplatte 52 aus
aktivem Material, die konfiguriert ist, um eine Lendenunterstützung für einen
sitzenden Insassen bereitzustellen. Die Verbundplatte aus aktivem
Material kann einen oder mehrere SMA-Drähte 54 umfassen,
die in eine flexible elastische Matrix 56 eingebettet sind.
In dieser Ausführungsform
sind die SMA-Drähte
nicht in der neutralen Ebene der Verbundplatte 52 angeordnet. Stattdessen
befinden sich die SMA-Drähte 54 in
einem gegebenen Abstand (der eingestellbar ist), um die Verbundplatte 52 dazu
zu zwingen, sich zu biegen. Der Verbund 52 aus aktivem
Material erstreckt sich durch den Querunterstützungsabschnitt 34 des Sitzes 50 in
die Flügelabschnitte 32 hinein.
Der aktive Verbund ist derart konfiguriert, dass die SMA-Drähte 54 bei
Empfang eines Wärmesignals
eine Kontraktion in einer Längenabmessung
erfahren, die dazu dient, die flexible elastische Matrix 56 zu
biegen. Das Biegen der flexiblen elastischen Matrix 56 erzwingt, dass
Verbindungsabschnitte der Querunterstützung 34 und die Flügelabschnitte 32 mit
dem Rücken und/oder
den Seiten des sitzenden Insassen in Eingriff gelangen, wodurch
eine umkonfigurierbare Unterstützung
bereitgestellt wird. Zusätzlich
können
die Restspannungen, die durch die SMA-Drähte 54 in die elastische
Matrix 56 eingeleitet werden, derart fungieren, dass eine Änderung
der Gesamtsteifigkeit des Sitzes 50 für eine zusätzliche Steuerung des Komforts
bereitgestellt wird. In einer anderen Ausführungsform könnte die
Platte aus aktivem Verbund eine Kombination aus SMA- und SMP-Materialien sein.
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Die
Sitze auf der Basis aktiver Materialien, wie sie oben offenbart
sind, können
derart fungieren, dass sie sich reversibel an einen sitzenden Insassen anpassen
und sich nach dem Gebrauch durch einen nachfolgenden Insassen umkonfigurieren
können. Die
Sitze auf der Basis aktiver Materialien sind in der Lage, sich durch
Aufblähen
und/oder Entleeren einer Blase; durch Biegen, um sich um einen schlafenden Insassen
herum anzuschmiegen; durch Anpassen in spezifischen Teilstücken oder
Abschnitten; und durch Änderungen
der Weichheit/Steifigkeit anzupassen und umzukonfigurieren. Beispielsweise
können
die Sitze auf der Basis aktiver Materialien abhängig von der Konfiguration
und dem Winkel nach innen und nach außen gebogen werden, wodurch
eine Blase positiv und eine Blase negativ geschaffen wird, um sich
an einem besonderen Insassen anzupassen. Darüber hinaus können sich
die aktiven Materialien biegen, Falten, Verdrehen und dergleichen,
sodass sich die Sitzseitenränder
nach innen falten oder nach unten verdrehen können, wodurch die Oberfläche für einen
größeren Insassen
erhöht
wird.
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In
einer anderen Ausführungsform
eines Sitzes auf der Basis aktiver Materialien kann/können ein oder
mehrere Blasen auf der Oberfläche
von einem ausgewählten
oder beiden von der Sitzrückenlehne und
dem Sitzpolster verteilt sein. Die Blasen können aktives Material in der
Form von Fluiden enthalten. Die Fluide aus aktivem Material sind
konfiguriert, um im normalen Betrieb einen weichen, komfortablen Sitz
bereitzustellen, sich aber während
eines Aufprallereignisses mit einer hohen Lastrate zu versteifen.
In einem Beispiel können
Fluide aus aktivem Material sich unter Scherung verdickende Fluide
umfassen, wobei das sich unter Scherung verdickende Fluid eine erste
Viskosität
aufweist und die Blase ein weiches Sitzpolster bereitstellt. Die
Verformungsraten, mit denen die Viskositätsänderung auftritt, können auf
der Basis des besonderen Aufpralls oder der besonderen Anwendungssituation
zugeschnitten werden. In Ansprechen auf hohe Verformungsraten versteifen
sich jedoch die sich unter Scherung verdickenden Fluide zu einer
zweiten, höheren
Viskosität, wobei
das Sitzpolster eine größere lokale
Dissipation von Energie bereitstellt, was eine Relativbewegung von
Körperteilen
reduziert und Lasten auf die Sitzstruktur überträgt. Die Scherverdickung kann
auch Eigenschaften eines Festkörpers
zeigen, wenn sie mit moderaten Dehnungsraten stimuliert wird. In
einem anderen Beispiel sind die Fluide aus aktivem Material MR- oder ER-Fluide,
deren Dehnungsspannungen zugeschnitten werden können, wobei die Dehnungsspannung
proportional zur Größe des Aktivierungssignals,
d.h. des angelegten Feldes, ist. Ein Magnetfeld wird im Fall von
MR-Fluiden angelegt, und ein elektrisches (Spannungs-)Feld wird
für ER-Fluide
angelegt.
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In 6 ist
ein beispielhafter Sitz 60 auf der Basis aktiver Materialien
gezeigt. Der Sitz 60 umfasst eine Blase 62, die
ein sich unter Scherung verdickendes Fluid 64 enthält. Ein
kleiner Kanal 66 verbindet die Blase 62 mit einem
Reservoir 68. Bei kleinen Scherraten, wie etwa diejenigen,
die unter normalen Fahren und/oder stationären Bedingungen erfahren werden,
kann das sich unter Scherung verdickende Fluid 64 zwischen
dem Reservoir 68 und der Blase 62 hin und her
strömen.
In dem Fall eines Aufpralls auf den Sitz 60 zeigt das sich
unter Scherung verdickende Fluid 64 eine hohe Scherrate,
sodass das Fluid in der Blase 62 bleibt und nicht in das
Reservoir 68 zurückströmen kann.
Das Fluid 64 ist daher konfiguriert, um einen Widerstand
gegenüber
Verformung zu bieten, wenn es infolge des Aufpralls eine hohe Scherrate
zeigt. In einer anderen Ausführungsform dieses
Beispiels kann der kleine Kanal Strömungssteuereinrichtungen umfassen,
die sich auf der Basis der Rate und/oder des Moments des durch diesen strömenden Fluids öffnen oder
schließen.
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7 veranschaulicht
eine andere Ausführungsform
eines Sitzes 70 auf der Basis aktiver Materialien, der
ein sich unter Scherung verdickendes Fluid 72 umfasst.
In dieser Ausführungsform
ist das sich unter Scherung verdickende Fluid 72 in einer Zahnradanordnung 74 angeordnet.
Das sich unter Scherung verdickende Fluid 72 ist zwischen
einem festen inneren Zahnrad 76 und einem rotierenden äußeren Zahnrad 78 der
Zahnradanordnung 74 angeordnet. Das rotierende äußere Zahnrad 78 steht
mit einem Sitzrahmen 80 in Wirkverbindung, der konfiguriert
ist, um den Insassen zu unterstützen.
Eine Änderung
der Scherrate des Fluids dient dazu, das rotierende äußere Zahnrad 78 zu
drehen und den Sitzrahmen 80 zu bewegen, wodurch der Widerstand
des Sitzes 70 gegenüber
Verformung erhöht
oder verringert wird.
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In
einer anderen Ausführungsform
kann die reversible Umkonfiguration eines Sitzes auf der Basis aktiver
Materialien dazu verwendet werden, zu verhindern, dass ein Gegenstand
von einem Sitz während
der Fahrt heruntergleitet, anstatt dass er einfach eingestellt wird,
um sich an einen sitzenden Insassen anzupassen. 8 veranschaulicht
eine Ausführungsform
eines Sitzes 100 mit einem Einfassungsmerkmal 102.
So wie er hierin verwendet wird, soll der Ausdruck "Einfassung" allgemein irgendeine Form
eines Sitzpolsters bedeuten, die dazu dient, zu verhindern, dass
ein in dem Sitz angeordneter Gegenstand während der Fahrt, etwa während der
Kurvenfahrt oder eines scharfen Bremsens, von dem Sitz gleitet/fällt. Die
Einfassung 102 des Sitzes 100 weist eine gespeicherte
Form auf (wie sie in 8(a) gezeigt
ist), die konfiguriert ist, um eine normale Sitzfläche für einen
Insassen bereitzustellen. Wie es in 8(b) gezeigt
ist, ist jedoch das Sitzpolster 104 in der Lage, entfaltet
zu werden, um eine Wannenform 106 zu bilden, wobei das
Sitzpolster 104 in der ungefalteten (d.h. entfalteten)
Position die Einfassung 102 bildet. Die Wannenform 106 dient
dazu, einen Gegenstand während
der Fahrt an seinem Platz zu halten. In dieser besonderen Ausführungsform
kann der Sitz 100 aktive Materialien umfassen, oder der
Sitz kann alternativ aus einem nicht aktiven Material bestehen.
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In
einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist ein Sitz 120 auf
der Basis aktiver Materialien gezeigt, der eine reversible Einfassung 122 umfasst.
Bei einem Beispiel umfasst die reversible Einfassung 122 ein
aktives Material; wie etwa eine SMA-Feder 124 in Wirkverbindung
mit einem Element 126, das konfiguriert ist, um mit der
Sitzpolsterfläche 128 in
Eingriff zu gelangen. Wie es in 9 gezeigt
ist, ist die SMA-Feder 124 konfiguriert, um bei Empfang
eines Aktivierungssignals eine Änderung einer
Längenabmessung
zu erfahren. Die Änderung einer
Längenabmessung
dient dazu, das Element 126 mit der Sitzpolsterfläche 128 zu
ziehen. Es könnte eine
Verriegelungsvorrichtung enthalten sein, um bei abgeschalteter Leistung
ein Halten zu ermöglichen.
Deshalb kann die Sitzpolsterfläche 128,
durch eine Aktivierung (die auch als eine Deaktivierung konfiguriert
sein kann) der SMA-Feder 124 eine im Wesentlichen flache
Fläche
aufweisen, die für
einen sitzenden Insassen geeignet ist (wie es in 9(b) gezeigt
ist), oder kann eine Einfassung 122 aufweisen, die zum
Halten eines Gegenstandes auf der Sitzpolsterfläche geeignet ist (wie es in 9(a) gezeigt ist), wenn das Aktivierungssignal
ausgeschaltet ist und/oder die Verriegelungsvorrichtung gelöst ist. Alternativ
kann man auch den gleichen Mechanismus, der in 5 angegeben
ist, mit der in eine Verbundplatte eingebetteten SMA in Betracht
ziehen. Wenn in diesem Fall die SMA aktiviert wird, wird eine Biegung
eingeleitet, und wenn der Verbund an beiden Seiten befestigt bzw.
verstiftet ist, wird dies den Sitz dazu zwingen, sich anzuheben
(indem die Platte gebogen wird). Wieder könnte die Verbundplatte eine Kombination
aus SMA und SMP sein.
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In 10 ist eine ähnliche Ausführungsform eines
Sitzes 140 auf der Basis aktiver Materialien gezeigt, der
eine reversible Einfassung 142 umfasst. In diesem Beispiel
umfasst die reversible Einfassung 142 eine Blase 144 und
ein SMA-betätigtes
Ventil (das nicht gezeigt ist). Das SMA-betätigte Ventil ist konfiguriert,
um ein Aufblähen
oder Entleeren der Blase 144 in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zu
ermöglichen.
Wenn die Blase 144 entleert ist, weist die Sitzpolsterfläche 146 eine
im Wesentlichen glatte Fläche
auf (wie es in 10(a) gezeigt ist),
die für
einen sitzenden Insassen geeignet ist. Wenn die Blase 144 aufgebläht ist,
umfasst die Sitzpolsterfläche 146 eine
Einfassung 142 (wie es in 10(b) gezeigt
ist), die zum Halten eines Gegenstandes auf der Sitzoberfläche an seinem
Platz geeignet ist. In einer anderen Ausführungsform könnten Pumpen
aus aktivem Material, wie etwa jene, die Piezokeramiken, EAP oder
Dünnfilm-SMA verwenden, dazu
benutzt werden, Fluide zum Aufblähen
in die Blase 144 zu bewegen. Das Fluid könnte Luft,
oder in einer anderen Ausführungsform,
ein aktives Fluid sein, wie etwa jene, die oben erwähnt wurden.
Darüber
hinaus können
auch sich durch Scherung verdickende und verdünnende Fluide dazu verwendet
werden, die Energieabsorption der Blasen und dadurch der Sitze zu verbessern.
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11 veranschaulicht eine nochmals andere
Ausführungsform
eines Sitzes 160 auf der Basis aktiver Materialien, der
eine Einfassung 162 umfasst. Die Einfassung 162 umfasst
einen vorderen Abschnitt des Sitzpolsters 164 und ist konfiguriert,
um sich von einer gelagerten Position, die koplanar zu dem Sitzpolster
ist, nach oben zu drehen. Die Einfassung 162 kann ein aktives
Material umfassen, das konfiguriert ist, um bei Empfang eines Aktivierungssignals
eine Änderung
zumindest einer Eigenschaft zu erfahren. Die Änderung zumindest einer Eigenschaft dient
dazu, die Einfassung 162 aus einer verstauten Position
(wie sie in 11(a) gezeigt ist), in
eine entfaltete Position (wie sie in 11(b) gezeigt
ist) zu überführen. Die
verstaute Position stellt eine Sitzpolsterfläche bereit, die für einen
Sitzinsassen geeignet ist, wohingegen die entfaltete Position zum
Halten eines Gegenstandes auf dem Sitzpolster 164 an seinem
Platz geeignet ist. Beispielsweise umfasst ein Gelenkabschnitt 166 ein
SMP. Bei Empfang eines Wärmesignals
wird das SMP weich und die Einfassung 162 kann in die entfaltete
Position entweder von Hand oder durch mechanische Mittel, wie etwa
eine Vorspannfeder, in die entfaltete Position gedreht werden. Das
Wärmesignal
kann dann von dem SMP weggenommen werden, was zulässt, dass
das Material abkühlt
(d.h. versteift), wodurch die Einfassung 162 in der entfalteten
Position verriegelt wird. Wenn es erwünscht ist, die Einfassung 162 zu
verstauen, kann das Wärmesignal
das SMP wieder erweichen, was zulässt, dass die Einfassung 162 zurück in die verstaute
Position gedreht werden kann. In einer anderen Ausführungsform
kann eine SMA-Feder konfiguriert sein, um die Einfassung anstatt
eines SMP- Gelenks
zu entfalten. In einer nochmals anderen Ausführungsform können SMA-Drähte und/oder Bänder zwischen
der Einfassung 162 des Sitzes 160 und dem Sitzpolster 164 selbst
angeordnet sein. Ein Erwärmen
der SMA-Bänder
kann dazu dienen, die Einfassung 162 zu entfalten. Die 11(c) und 11(d) veranschaulichen
eine alternative Lage für
die Einfassung 162. In diesem Beispiel ist die Einfassung 162 unterhalb
des Sitzpolsters 164 verstaut, anstelle an dem vorderen
Abschnitt angelenkt angebracht. Von dieser Position aus kann die
Einfassung 162 ähnlich
mit aktiven Materialien entfaltet werden, wie es oben beschrieben
wurde. Aktive Verbundstoffe, wie etwa jene, die für 5 besprochen
wurden, könnten
ebenfalls als das Gelenk verwendet werden. Alternativ könnte auch
ein bistabiles Gelenk verwendet werden, z.B. ein superelastisches,
bistabiles Gelenk.
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12 veranschaulicht eine andere Ausführungsform
eines Sitzes 180 auf der Basis aktiver Materialien, der
eine Einfassung 182 umfasst. Die Einfassung 182 umfasst
einen vorderen Abschnitt des Sitzpolsters 184 und ist konfiguriert,
um sich von einer gelagerten Position, die koplanar zu dem Sitzpolster
ist, nach oben zu gleiten. Die Einfassung 182 kann ein
relatives flaches Element und ein aktives Material in Wirkverbindung
mit dem Element umfassen, das konfiguriert ist, um eine Änderung
zumindest einer Eigenschaft bei Empfang eines Aktivierungssignals
zu erfahren. Die Änderung
zumindest einer Eigenschaft dient dazu, das Element der Einfassung 182 zwischen
einer verstauten Position (wie sie in 12(a) gezeigt
ist), in einer entfalteten Position (wie sie in 12(b) gezeigt
ist) zu bewirken. Die verstaute Position stellt eine Sitzpolsterfläche bereit, die
für einen
Sitzinsassen geeignet ist, während
die entfaltete Position zum Halten eines Gegenstandes auf dem Sitzpolster 184 an
seinem Platz geeignet ist. Beispielsweise könnte eine Vorspannfeder die
Einfassung 182 in die entfaltete Position überführen, und ein
SMA-Draht könnte
die Einfassung 182 bei Empfang eines Wärmesignals, das bewirkt, dass
sich der SMA-Draht
in einer Längenabmessung
zusammenzieht, in die verstaute Position zurückführen. Dann könnte ein
Verriegelungsmechanismus angewandt werden, um die Einfassung 182 nach
Beendigung des Wärmesignals
in der verstauten Position zu halten. 13 veranschaulicht
eine Abwandlung dieser Ausführungsform
für einen
Sitz 200 auf der Basis aktiver Materialien. Der Sitz 200 umfasst
eine Einfassung 202, die in einer alternativen Lage an
der Seite des Sitzes 200 angeordnet ist. In diesem Beispiel umfasst
die Einfassung 202 einen Drehpunkt 204. Die Einfassung 202 kann
von Hand oder automatisch aus der verstauten Position an der Seite
des Sitzes (13(a) gezeigt ist), in
eine entfaltete Position (wie sie in 13(b) gezeigt
ist) gleiten. Der Drehpunkt 204 dient dazu, die Einfassung 202 in
eine verschwenkte entfaltete Position zu verschwenken, wobei die
Einfassung in der Lage ist, derart zu fungieren, dass sie einen
Gegenstand auf dem Sitzpolster 206 an seinem Platz hält.
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In
den hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen kann der Insasse
(d.h. Benutzer) die Oberfläche
oder Kontur der Sitze auf der Basis aktiver Materialien von Hand
oder mit einer Aktivierungsvorrichtung ändern. Eine derartige Vorrichtung kann
in der Form eines Schalters, Kipphebels, Taste, Knopfes, berührungsempfindlichen
Bildschirms und dergleichen vorliegen. Alternativ können die
Sitze nach irgendeinem Geschehnis einer Bedingung, einem Signal
von einem Sensor, einem Schalten eines Sensors oder dergleichen
aktiviert werden, anstatt direkt durch einen Benutzer aktiviert
zu werden. Beispielsweise können
die Sitze auf der Basis aktiver Materialien Sensoren enthalten,
um zu helfen, die Fahrzeugbedingungen, wie etwa Aufprallereignisse von
der Seite, von vorne, von hinten oder Kombinationen davon, aktiv
einzustellen. Der Sitz kann aktiv auf die Vorbedingung vor einem
Ereignis antworten, beispielsweise indem er einen Energieabsorptionsmechanismus
aufweist. Das aktive Ma terial kann aktiviert werden, um nach der
Detektion des Ereignisses den Sitz steifer oder weicher zu machen,
abhängig
von dem Typ und der Lage des Ereignisses (z.B. vorne gegenüber hinten).
Darüber
hinaus können
die aktiven Materialien dazu verwendet werden, Sitzeinstellungen
auf der Basis von Sensordaten, wie etwa Gewicht, Höhe, Größe, Gewichtsverteilung
und dergleichen des Insassen zu schaffen. Ferner könnten die
Sitzeinstellungen mit einem adaptiven Merkmal verknüpft sein,
beispielsweise könnten
die Sitzeinstellungen an ein Benutzeridentifikationssystem, wie etwa
ein Schlüsselbund
eines Fahrers, eine Tür
oder einen Sitzspeicherauswahlschalter und dergleichen angebunden
sein. In einem anderen Beispiel können Körperwärme oder das Fehlen von Körperwärme eines
Insassen oder Druck, der durch den Körper eines Insassen geschaffen
wird, dazu dienen, das aktive Material innerhalb des Sitzes auf
der Basis aktiver Materialien zu aktivieren.
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So
wie es hierin offenbart ist, sind die Sitze auf der Basis aktiver
Materialien konfiguriert, um sich bei Empfang eines Aktivierungssignals
reversibel anzupassen und umzukonfigurieren. Die Sitze auf der Basis
aktiver Materialien können
mehrere Teilstücke aufweisen,
die in der Lage sind, sich über
die oben erwähnten
beispielhaften Ausführungsformen
hinaus anzupassen und umzukonfigurieren. Die Sitze, die mit aktivem
Material freigegeben werden, können konfiguriert
sein, um sich in mehreren Ebenen zu falten, zu biegen, zu verdrehen,
aufzublähen,
Konturen zu folgen und dergleichen. Eine derartige Bewegung kann
beispielsweise, ohne Einschränkung
darauf, erreicht werden, indem ein oder mehrere SMA-Elemente (z.B.
Draht oder Bänder)
entlang eines Elements, das bewegt werden muss, wie etwa eines Sitzflügels, einer
Rückenlehne
und dergleichen verteilt werden, oder indem die aktiven Elemente
fern als Aktoren vorgesehen und wirksam mit den Sitzen verbunden
sind.
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In
anderen Ausführungsformen
können
Seiten im Inneren der Sitze auf der Basis aktiver Materialien hinzugefügt werden,
die gleiten und sich umkonfigurieren können, um Kindersitze (Booster Seats)
zu schaffen, wobei ein aktives Material, wie etwa eine SMA, Piezoelektrika,
EAP, magnetorestriktive Festkörper
und dergleichen die Umkonfiguration erreichen können. Ein Sitz auf der Basis
aktiver Materialien kann ferner eine Fußstütze auf der Basis aktiver Materialien
umfassen. Beispielsweise könnte die
Fußstütze unter
dem Sitz gelagert sein. Wenn der Gebrauch der Fußstütze erwünscht ist, kann sie auf eine ähnliche
Weise wie sie oben für
die mit einer Einfassung versehenen Sitze beschrieben wurde, ausgedehnt
werden, wie etwa durch Aufblähen
einer eingebetteten Blase oder Aktivierung eines piezokeramischen
Stücks.
Wenn es erwünscht
ist, die Fußstütze zu verstauen,
können
die SMA-Elemente derart konfiguriert werden, dass sie die Fußstütze unter den
Sitz zurückführen. In
einer anderen Ausführungsform
kann die Fußstütze aus
SMP bestehen. Bei Erwärmung
des SMP kann die Fußstütze erweicht
werden und von Hand zurück
unter den Sitz geschoben werden. In einem noch anderen Beispiel können die
Sitze auf der Basis aktiver Materialien wahlweise einen ausfahrbaren-zurückfahrbaren
Abschnitt des Sitzpolsters umfassen. Dieser ausfahrbare Abschnitt
kann ähnlich
wie die oben beschriebene anlenkbare Einfassung arbeiten, aber anstatt
eine Einfassung zu bilden, erstreckt sich der Abschnitt aus dem
Sitzpolster heraus, wodurch eine längere Sitzfläche geschaffen
wird, um den Komfort für
große
Insassen mit Größen im 95.
Perzentil zu erhöhen.
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Die
Sitze auf der Basis aktiver Materialien können ferner Verriegelungsmechanismen
umfassen, die mechanisch, elektrisch (z.B. mit einem Motor, mit
bistabilen Mechanismen, hydraulisch, pneumatisch und der gleichen
betätigt
werden können. Die
Verriegelungsmechanismen können
konfiguriert sein, um die auf den Körper eines Insassen ausgeübten Kräfte zu steuern,
und können,
ohne Einschränkung
darauf, Federn, Hydrauliksysteme und dergleichen umfassen. Die Verriegelungsmechanismen können dazu
dienen, einen weichen Druck gegen den Insassen zu halten, sobald
sich der Insasse in der sitzenden Position befindet, selbst wenn
das aktive Material noch aktiviert ist. Darüber hinaus könnten die
Verriegelungsmechanismen als Freigabeeinrichtungen für Haltesituationen
bei ausgeschalteter Leistung dienen.
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Wie
es oben festgestellt wurde, benutzen die hierin beschriebenen Sitze
vorteilhafterweise aktive Materialien, um reversible anpassende
und umkonfigurierbare Änderungen
bereitzustellen. Die Verwendung von aktiven Materialien überwindet
viele der Nachteile, die zu den herkömmlichen Aktoren auf mechanischer
Basis gehören,
die oben erwähnt
wurden. Beispielsweise sind die hierin offenbarten Sitze auf der
Basis aktiver Materialien robuster als streng elektromechanische
Ansätze,
da sie keine mechanischen Teile aufweisen, wobei es das Material
selbst ist, das die Steifigkeit und/oder Abmessung ändert. Darüber hinaus
emittieren sie auch nicht akustisches oder elektromagnetisches Geräusch/Rauschen/Störung. Aufgrund
ihres geringen Volumens, geringen Leistungsbedarfs und verteilter
Betätigungsfähigkeit können aktive
Materialien in den Sitz an verschiedenen Orten eingebettet sein,
um ein Zuschneiden auf die Wünsche
des Insassen, die Bedürfnisse
des Fahrszenarios und die Natur und die Schwere einer identifizierten
Bedrohung zuzulassen. Sie können auch
an spezifischen Orten in dem Sitz angeordnet und in einer bestimmten
Reihenfolge oder nur an ausgewählten
Orten betätigt
werden, um sich an den Insassen und den situationsbedingten Notwendigkeiten
anzupassen. Darüber
hinaus können
sie über
die Oberfläche
für eine
größere Sitzsteifigkeit
verteilt sein. Sie können
fern verwendet werden und funktional mit den Sitzen verbunden sein.
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Obgleich
die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen beschrieben worden
ist, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen
vorgenommen werden können
und Äquivalente
für Elemente
davon ersetzt werden können, ohne
vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können viele Abwandlungen vorgenommen
werden, um eine besondere Situation oder ein besonderes Material
an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichen
Umfang abzuweichen. Daher soll die Erfindung nicht auf die besonderen
Ausführungsformen
begrenzt sein, die als die beste Ausführungsart, die zum Ausführen der Erfindung
in Betracht gezogen wird, offenbart sind, sondern die Erfindung
soll alle Ausführungsformen einschließen, die
in den Schutzumfang der beigefügten
Ansprüche
fallen.