DE102011115562A1

DE102011115562A1 - Haltevorrichtungen auf der Basis eines aktiven Materials

Info

Publication number: DE102011115562A1
Application number: DE102011115562A
Authority: DE
Inventors: Geoffrey P. Mc Knight; Christopher P. Henry; Paul W. Alexander; Alan L. Browne; Nancy L. Johnson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2011-10-11
Publication date: 2012-04-19
Anticipated expiration: 2031-10-12
Also published as: CN102529831A; DE102011115562B4; US8485581B2; US20120091744A1; CN102529831B

Abstract

Eine Haltevorrichtung, die betreibbar ist, um verschiedene Vielzahlen von positionierten Gegenständen mit verschiedenen geometrischen Formen, Größen und/oder Abmessungen festzuhalten, umfasst ein Element aus einem aktiven Material, welches ausgebildet ist, um den Festhalteeingriff selektiv zu ermöglichen, zu bewirken oder zurückzuhalten und/oder die Vorrichtung in einen Bereitschaftszustand zurückzubringen, wenn sie nicht in Verwendung ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Haltevorrichtungen und Verfahren zum Festhalten einer Vielzahl von Gegenständen mit verschiedenen geometrischen Formen und Größen und im Spezielleren Haltevorrichtungen, die eine Aktivierung mit einem aktiven Material verwenden, um ferner einen Festhalteeingriff zwischen der Vorrichtung und dem/den Gegenstand/Gegenständen zu ermöglichen, zu bewirken oder zurückzuhalten und/oder die Vorrichtung in einen Bereitschaftszustand zurückzubringen, wenn sie nicht in Verwendung ist.
2. Erläuterung des Standes der Technik
Die Fähigkeit, Gegenstände mit verschiedenen geometrischen Formen und Abmessungen an einer erwünschten Stelle festzuhalten entspricht einem lang und weit verbreitet gehegten Wunsch. In einer Kraftfahrzeugumgebung ist z. B. oft eine Vielzahl von zurückziehbaren Mechanismen, Unterbringungsplätzen etc. an Stellen innerhalb der Reichweite des Fahrers vorgesehen, um verschiedene Gegenstände wie z. B. Schlüssel, Mobiltelefone, elektronische Assistenten, elektronische Vorrichtungen, Schreibstifte und Becher festzuhalten. Diese Maßnahmen bieten jedoch fixe Konfigurationen oder minimale Freiheitsgrade, welche die individuelle Kompatibilität mit verschiedenen Gegenständen reduzieren. Es wurden umgestaltbare Mechanismen wie z. B. verstellbare Bänder entwickelt, welche es ermöglichen, eine Vielzahl von Gegenständen mit verschiedener Abmessung und/oder Form festzuhalten; diese Maßnahmen sind typischerweise mit Gegenständen mit begrenzter geometrischer Verschiedenheit kompatibel; und erfordern in vielen Fällen eine händische Verstellung vor dem Festhalten eines verschiedenen Gegenstandes.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung überwindet die Probleme und Einschränkungen des Standes der Technik und spricht die oben erwähnten Bedürfnisse an, indem sie eine funktionellere und vielseitigere Haltevorrichtung vorsieht, welche ein aktives Material verwendet, um sich an eine Vielzahl von Gegenständen, welche eine Vielfalt von Formen und Abmessungen aufweisen, anzupassen oder diese sonst wie festzuhalten. Die Erfindung als solche erhöht den Nutzraum eines begrenzten Bereiches, indem sie die Zahl der Haltevorrichtungen oder Stauräume verringert, die erforderlich sind, um eine Vielfalt an Gegenständen unterzubringen. Die Erfindung sieht eine Vorrichtung vor, welche in vielen Ausführungsformen die Gegenstände sicherer zurückhält, indem sie eine Haltekraft auf diese anwendet; überdies kann durch die Verwendung einer Aktivierung durch ein aktives Material die Haltekraft und/oder nutzbare Umgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Bedarf oder unabhängig gesteuert sein. Durch Ermöglichen des Festhaltens an verschiedenen Positionen innerhalb der Vorrichtung erleichtert die Erfindung die Aufbewahrung und Wiederauffindung von Gegenständen und gestattet dadurch dem Benutzer, sich besser auf eine Hauptaufgabe zu konzentrieren. Schließlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung verglichen mit herkömmlichen offenen Behältern, Unterbringungsplätzen etc. auch dazu geeignet, dass sie einen besser verborgenen und/oder ästhetisch ansprechenden Bereitschaftszustand präsentiert, wenn sie nicht in Gebrauch ist.
Die Erfindung als solche betrifft eine allgemein verstellbare Haltevorrichtung, die geeignet ist, alternativ eine Vielzahl von Gegenständen mit verschiedenen geometrischen Formen, Größen und/oder Abmessungen festzuhalten. Die Vorrichtung umfasst eine Basis und einen Haltemechanismus, der in Bezug auf die Basis fest angebracht ist und eine Eingriffsfläche definiert und ein Element aus einem aktiven Material umfasst. Das Element aus einem aktiven Material ist kommunikativ mit der Fläche gekoppelt und ausgebildet, um zu ermöglichen oder zu bewirken, dass sich die Fläche umgestaltet, wenn es aktiviert oder deaktiviert wird. Die Fläche und das Element sind zusammenwirkend ausgebildet, um einen der in Eingriff gebrachten Gegenstände infolge des Ermöglichens oder Bewirkens, dass sich die Fläche umgestaltet, festzuhalten, und können mehr als einen Gegenstand gleichzeitig festhalten.
Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung, welche die Verwendung von zugänglichen, Volumen reduzierenden oder vergrößernden Mechanismen umfasst, welche fügsame Massen, Strukturen, Fließschichten, Konfigurationen mit mehreren Vorsprüngen und aktive und/oder elastische Abdeckungen beinhalten, werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und den beiliegenden Zeichnungsfig. offensichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend sind mehrere Ausführungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfig. beschrieben, in welchen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Volumen vergrößernden Haltevorrichtung, die eine Mittelkonsole eines Fahrzeuges bildet und eine Vielzahl von Gegenständen mit verschiedener Größe, Form und/oder Abmessung hält, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
1a ein Aufriss der in 1 gezeigten Vorrichtung ist und insbesondere eine fügsame Masse und Basis veranschaulicht;
1b ein Aufriss der in den 1 und 1a gezeigten Vorrichtung ist, wobei ein Gegenstand dazu gebracht wurde, mit der Vorrichtung in Eingriff zu gelangen;
1c ein Aufriss einer Haltevorrichtung mit einer flexiblen Basis gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
2 eine perspektivische Darstellung einer Volumen reduzierenden Haltevorrichtung, die einen inneren Raum definiert, und einer Vielzahl von Gegenständen, die innerhalb des Raumes positioniert sind, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
2a eine Draufsicht einer Volumen reduzierenden Vorrichtung, wie in 2 gezeigt, die insbesondere eine Vielzahl von Spreizmechanismen in einem zusammengeklappten Zustand, einen Sensor, eine Signalquelle und einen Controller veranschaulicht, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
2b eine Draufsicht der in den 2a und 2 gezeigten Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, wobei die Spreizmechanismen dazu gebracht worden sind, sich auszudehnen, und ferner in vergrößerter eingeblendeter Ansicht Energie speichernde Druckfedern und Rückstellfedern, welche die Spreizmechanismen bilden, veranschaulicht.
3a eine Draufsicht einer Volumen reduzierenden Vorrichtung, mit gegenüberliegenden Kämmen mit einer Vielzahl von verschwenkbaren Fingern und einem Formgedächtnisaktuator und antriebstechnisch damit gekoppelten Rückstellfedern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
3b eine Draufsicht der in 3a gezeigten Vorrichtung ist, wobei die Federn etwas von ihrer Energie freigesetzt haben, sodass sich die Kämme in einem weniger eingreifenden Zustand befinden;
4a eine Draufsicht einer Haltevorrichtung mit einer Vielzahl von Bälgen, welche fluidtechnisch mit einem Reservoir und einer Pumpe gekoppelt sind, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
4b eine Draufsicht der in 4a gezeigten Vorrichtung ist, wobei sich die Bälge in einem weniger aufgeblasenen Zustand befinden und die Vorrichtung ferner eine Abdeckung umfasst;
5 eine perspektivische Darstellung einer Haltevorrichtung mit einer Vielzahl von rohrförmigen Vorsprüngen, die von einer rechteckigen Basis ausgehen, und in vergrößerter eingeblendeter Ansicht ein Schnitt eines Vorsprunges, der ferner einen Kern und eine Ummantelung veranschaulicht, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
6 eine perspektivische Darstellung einer Haltevorrichtung mit einer Vielzahl von Schlaufenvorsprüngen, die von einer rechteckigen Basis ausgehen, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
7 eine perspektivische Darstellung einer Haltevorrichtung mit einer Vielzahl von Schlaufenvorsprüngen, die auf einer Basis angeordnet sind, einer Elektromagnetanordnung, die kommunikativ mit den Vorsprüngen gekoppelt ist, und einem durch die Vorrichtung festgehaltenen Mobiltelefon gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
8 ein Längsschnitt eines gebogenen Vorsprunges mit einem fluidischen Kern und einem ersten und einem zweiten Element gegenüberliegend benachbart zu dem Kern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
8a ein seitlicher Querschnitt eines Vorsprunges mit einem massiven Kern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
8b ein seitlicher Querschnitt eines Vorsprunges mit einer Mehrrohrkonfiguration gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
9a eine perspektivische Darstellung eines Schwanenhalsvorsprunges mit einer Vielzahl von rohrförmigen Elementen und Kugelgelenken gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
9b eine schematische Entwicklung eines Schwanenhalsvorsprunges von einem anfänglichen nicht gebogenen Zustand in einen gebogenen Zustand und einen stärker gebogenen Zustand ist;
9c eine perspektivische Darstellung einer dreidimensionalen Raumstruktur mit mehreren, an ihren Gelenken miteinander verbundenen Schwanenhalsvorsprüngen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
9d eine perspektivische Darstellung einer Haltevorrichtung mit einer Vielzahl von Schwanenhalsvorsprüngen, die von einer rechteckigen Basis ausgehen, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
10 eine perspektivische Darstellung einer Vielzahl von zusammendrückbaren Vorsprüngen mit innen angeordneten Druckfedern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
11a ein schematischer Aufriss eines/r Vorsprunges oder Passfeder und eines externen Aktuators mit einem antriebstechnisch damit gekoppelten bistabilen Mechanismus gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
11b ein schematischer Aufriss eines/r Vorsprunges oder Passfeder und eines externen Aktuators mit einem kommunikativ damit gekoppelten ER/MR-Dämpfer gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
11c ein schematischer Aufriss eines/r Vorsprunges oder Passfeder und eines externen Aktuators mit antriebstechnisch damit gekoppelten zusammenklappbaren konzentrischen Zylindern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
11d ein schematischer Aufriss eines/r Vorsprunges oder Passfeder und eines externen Aktuators mit einem antriebstechnisch damit gekoppelten Poisson-Schaum gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
11e ein schematischer Aufriss eines/r Vorsprunges oder Passfeder und eines externen Aktuators mit einer eindrückbaren SMP-Stütze und einer SMA-Rückzugfeder, die antriebstechnisch damit gekoppelt sind, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
11f ein schematischer Aufriss eines/r Vorsprunges oder Passfeder und eines externen Aktuators mit einem antriebstechnisch damit gekoppelten SMA-getriebenen Zahnrad gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
12 eine perspektivische Darstellung einer Vielzahl von Passfedern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, wobei eine Höhlung dadurch gebildet wurde, dass ein Abschnitt der Passfedern zum Zurückweichen gebracht wurde;
12a eine schematische Entwicklung einer Passfeder gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, die verschiedene Passfederhöhen auf Grund einer Aktivierung veranschaulicht;
13a ein schematischer Aufriss einer elastischen Abdeckung, die über einer Vielzahl von Passfedern liegt, welche jeweils einen antriebstechnisch damit gekoppelten bistabilen Mechanismus aufweisen, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist; und
13b ein schematischer Aufriss einer aktiven Abdeckung, die über einer Vielzahl von die Höhe verändernden Passfedern liegt, mit Formgedächtnisaktuatoren, die mit der Abdeckung antriebstechnisch gekoppelt sind, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Bezug nehmend auf die 1–13b betrifft die vorliegende Erfindung eine Haltevorrichtung 10, die ausgebildet ist, um verschiedene Vielzahlen von Gegenständen 12 mit verschiedenen geometrischen Formen, Größen oder Abmessungen festzuhalten, wobei die Ausdrücke „festhalten” und „festzuhalten”, wie hierin verwendet, die Bedeutung haben sollen, dass ein ruhender Gegenstand 12 in einer allgemein festen dreidimensionalen Position durch allgemein einschränkende Querbewegung zurückgehalten wird, wobei der Ausdruck „Querbewegung” nicht auf die horizontale Ebene beschränkt ist. Die Vorrichtung 10 kann in einer Vielfalt von Umgebungen einschließlich z. B. im Innenraum eines Fahrzeuges 100 für den Komfort und die Bequemlichkeit des Fahrers und/oder eines oder mehrerer Fahrgäste verwendet werden; und kann als solche in der Funktionalität eine Vielzahl von herkömmlichen Aufbewahrungsbehältern und/oder Haltevorrichtung ersetzen und damit den verfügbaren Nutzraum im Fahrzeuginneren erhöhen. In dieser Umgebung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 z. B. die Oberseite der Mittelkonsole 102, des Armaturenbretts 104 oder der Armlehne 106 des Fahrzeuges 100 (1) bilden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 umfasst allgemein eine Basis 14, einen Haltemechanismus 16, der ein Element 18 aus einem aktiven Material verwendet, wie hierin weiter beschrieben, und eine Signalquelle 20 (2a), die betreibbar ist, um ein Aktivierungssignal an das Element 18 weiterzuleiten. Die vorliegende Erfindung verwendet das natürliche fundamentale Ansprechen von aktiven Materialien, um die vorgesehen Funktion der Vorrichtung 10 zu bewirken.
I. Aktives Material, Erläuterung und Funktion
Wie hierin verwendet, soll der Ausdruck „aktives Material” das bedeuten, was ein Fachmann darunter versteht, und umfasst jedes/n Material oder Verbundstoff, das/der eine reversible Änderung in einer fundamentalen (z. B. chemischen oder intrinsischen physikalischen) Eigenschaft zeigt, wenn es/er einer äußeren Signalquelle ausgesetzt wird. Somit sollen aktive Materialien jene Zusammensetzungen umfassen, die in Ansprechen auf das Aktivierungssignal, welches vom Typ für verschiedene aktive Materialien, von elektrischen, magnetischen, thermischen und dergleichen Feldern sein kann, eine Änderung von Steifigkeitseigenschaften, der Form und/oder Abmessungen zeigen.
Geeignete aktive Materialien zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Formgedächtnismaterialien, die die Fähigkeit besitzen, sich an ihre ursprüngliche zumindest eine Eigenschaft wie z. B. die Form zu erinnern, die später abgerufen werden kann, indem ein äußerer Stimulus angewendet wird. Als solches ist die Verformung gegenüber der ursprünglichen Form ein temporärer Zustand. Auf diese Weise können sich Formgedächtnismaterialien in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal in die eingelernte Form ändern. Beispielhafte Formgedächtnismaterialien umfassen die zuvor erwähnten Formgedächtnislegierungen (SMA) und Formgedächtnispolymere (SMP), wie auch Formgedächtniskeramiken, elektroaktive Polymere (EAP) und ferromagnetische SMAs, elektrorheologische (ER)-Zusammensetzungen, magnetorheologische (MR)-Zusammensetzungen, dielektrische Elastomere, Ionenpolymer-Metallverbundstoffe (IPMC), piezoelektrische Polymere, piezoelektrische Keramiken und verschiedene Kombinationen aus den oben stehenden Materialien. Es können auch andere aktive Materialien, die verschiedene Grade an Verarbeitbarkeit zeigen, einschließlich MR/ER-Fluide, Scherverdünnungsfluide und elektroaktive Gele verwendet werden.
Formgedächtnislegierungen (SMAs) beziehen sich allgemein auf eine Gruppe von metallischen Materialien, die die Fähigkeit besitzen, zu einer zuvor definierten Form oder Größe zurückzukehren, wenn sie einem entsprechenden thermischen Stimulus unterworfen werden. Formgedächtnislegierungen sind in der Lage, Phasenumwandlungen zu erfahren, in denen ihre Fließgrenze, Steifigkeit, Abmessung und/oder Form als eine Funktion der Temperatur verändert werden. Im Allgemeinen können Formgedächtnislegierungen in der Niedrigtemperatur- oder Martensitphase plastisch verformt werden und werden sich, wenn sie einer höheren Temperatur ausgesetzt sind, in eine Austenitphase oder Mutterphase umwandeln und in ihre Form vor der Verformung zurückkehren.
Formgedächtnislegierungen liegen in mehreren verschiedenen temperaturabhängigen Phasen vor. Die am häufigsten verwendeten dieser Phasen sind die sogenannte Martensit- und die Austenitphase. In der nachfolgenden Erläuterung bezieht sich die Martensitphase allgemein auf die stärker verformbare Phase niedrigerer Temperatur, wohingegen sich die Austenitphase allgemein auf die starrere Phase 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 oft als Austenit-Anfangstemperatur (A_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen endet, wird oft als Austenit-Endtemperatur (A_f) bezeichnet.
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 als Martensit-Anfangstemperatur (M_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der der Austenit aufhört, sich in Martensit umzuwandeln, wird oft als Martensit-Endtemperatur (M_f) bezeichnet. Im Allgemeinen sind die Formgedächtnislegierungen in ihrer martensitischen Phase weicher und leichter verformbar und in der austenitischen Phase härter, steifer und/oder starrer. Im Hinblick auf das zuvor Gesagte ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal in einer Größenordnung, um Umwandlungen zwischen der Martensit- und der Austenitphase zu bewirken.
Formgedächtnislegierungen können abhängig von der Legierungszusammensetzung und der bisherigen Verarbeitung einen Formgedächtniseffekt in eine Richtung, einen intrinsischen Effekt in zwei Richtungen oder einen extrinsischen Formgedachtniseffekt in zwei Richtungen zeigen. Geglühte Formgedächtnislegierungen zeigen typischerweise nur den Formgedächtniseffekt in eine Richtung. Ein ausreichendes Erwärmen anschließend an eine Verformung des Formgedächtnismaterials bei niedriger Temperatur wird die Martensit/Austenit-Umwandlung induzieren und das Material wird seine ursprüngliche, geglühte Form wiedererlangen. Somit werden Formgedächtniseffekte in eine Richtung nur beim Erwärmen beobachtet. Aktive Materialien, die Formgedächtnislegierungszusammensetzungen umfassen, welche Gedächtniseffekte in eine Richtung zeigen, bilden sich nicht automatisch zurück und es ist wahrscheinlich, dass sie eine äußere mechanische Kraft benötigen, um die Form in ihre vorherige Konfiguration zurückzubilden.
Intrinsische und extrinsische Zweirichtungs-Formgedächtnismaterialien zeichnen sich durch eine Formänderung sowohl beim Erwärmen von der Martensitphase in die Austenitphase als auch eine zusätzliche Formänderung beim Abkühlen von der Austenitphase zurück in die Martensitphase aus. Aktive Materialien, die einen intrinsischen Formgedächtniseffekt zeigen, sind aus einer Formgedächtnislegierungszusammensetzung hergestellt, die bewirken wird, dass sich die aktiven Materialien infolge der oben angeführten Phasenumwandlungen automatisch selbst zurückbilden. Ein intrinsisches Formgedächtnisverhalten in zwei Richtungen muss in dem Formgedächtnismaterial durch die Bearbeitung induziert werden. Solche Prozeduren umfassen eine extreme Verformung des Materials während es sich in der Martensitphase befindet, ein Erwärmen/Abkühlen unter Zwang oder Belastung, oder eine Oberflächenmodifizierung durch z. B. Laserglühen, Polieren oder Kugelstrahlen. Sobald dem Material beigebracht wurde, einen Formgedächtniseffekt in zwei Richtungen zu zeigen, ist die Formänderung zwischen den Niedrig- und Hochtemperaturzuständen allgemein reversibel und bleibt über viele thermische Zyklen hinweg erhalten. Im Gegensatz dazu sind aktive Materialien, die die extrinsischen Formgedächtniseffekte in zwei Richtungen zeigen, Verbund- oder Mehrkomponentenmaterialien, die eine Formgedächtnislegierungszusammensetzung kombinieren, welche einen Effekt in eine Richtung mit einem weiteren Element zeigt, das eine Rückstellkraft bereitstellt, um die ursprüngliche Form rückzubilden.
Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Hochtemperaturform erinnert, wenn sie erwärmt wird, kann durch geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch Wärmebehandlung angepasst werden. In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann sie z. B. von über etwa 100°C auf unter etwa –100°C geändert werden. Der Formwiedererlangungsprozess findet über einen Bereich von nur wenigen Graden statt und der Anfang oder das Ende der Umwandlung kann, abhängig von der gewünschten Anwendung und Legierungszusammensetzung, innerhalb von einem oder zwei Graden gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich, der ihre Umwandlung überspannt, und verleihen dem System typischerweise Formgedächtniseffekte, superelastische Effekte und ein hohes Dämpfungsvermögen.
Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen ohne Einschränkung Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zinklegierungen, Kupfer-Aluminiumlegierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinnlegierungen), 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 dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, vorausgesetzt, die Legierungszusammensetzung zeigt einen Formgedächtniseffekt wie z. B. eine Änderung der Formorientierung, des Dämpfungsvermögens und dergleichen.
Es ist daher einzusehen, dass SMAs für diese Erfindung einen Modulanstieg des 2,5-fachen und eine Abmessungsänderung von bis zu 8% (je nach Vorverformung) aufweisen, wenn sie über ihre Martensit/Austenit-Phasenänderungstemperatur erwärmt werden. Es ist einzusehen, dass thermisch induzierte SMA-Phasenänderungen in eine Richtung verlaufen, sodass ein Vorspannkraft-Rückstellmechanismus (z. B. eine Feder) erforderlich sein würde, um die SMA in ihre Ausgangskonfiguration zurückzubringen, sobald das angelegte Feld weggenommen wird. Eine Ohm'sche Heizung kann verwendet werden, um das gesamte System elektronisch steuerbar zu machen. Spannungsinduzierte Phasenänderungen in SMAs verlaufen jedoch von Natur aus in zwei Richtungen. Die Anwendung einer ausreichenden Spannung, wenn sich die SMA in ihrer austenitischen Phase befindet, wird bewirken, dass sie sich in ihre martensitische Phase mit niedrigerem Modul umwandelt, in der sie eine „superelastische” Verformung von bis zu 8% zeigen kann. Die Wegnahme der angewendeten Spannung wird bewirken, dass sich die SMA in ihre austenitische Phase zurückstellt und dabei ihre Ausgangsform und den höheren Modul wiedererlangt.
Ferromagnetische SMAs (FSMAs), die eine Unterklasse der SMAs sind, können in der vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendet werden. Diese Materialien verhalten sich wie herkömmliche SMA-Materialien, die eine spannungs- oder thermisch induzierte Phasenumwandlung zwischen Martensit und Austenit zeigen. Außerdem sind FSMAs ferromagnetisch und besitzen eine starke magnetokristalline Anisotropie, was zulässt, dass ein äußeres magnetisches Feld die Orientierung/den Anteil von feldausgerichteten martensitischen Varianten beeinflusst. Wenn das magnetische Feld entfernt wird, kann das Material ein vollständiges Formgedächtnis in zwei Richtungen, ein partielles in zwei Richtungen oder eines in eine Richtung aufweisen. Für ein partielles oder Formgedächtnis in eine Richtung kann ein äußerer Stimulus, eine Temperatur, ein magnetisches Feld oder eine Spannung zulassen, dass das Material in seinen Ausgangszustand zurückkehrt. Ein perfektes Formgedächtnis in zwei Richtungen kann für eine proportionale Steuerung, bei der eine kontinuierliche Energie zugeführt wird, verwendet werden. Äußere magnetische Felder werden in Kraftfahrzeuganwendungen im Allgemeinen über Elektromagneten mit einem weichmagnetischen Kern erzeugt, wenngleich für ein schnelles Ansprechen auch ein Paar Helmholtz-Spulen verwendet werden kann.
Formgedächtnispolymere (SMPs) beziehen sich allgemein auf eine Gruppe von Polymermaterialien, die die Fähigkeit zeigen, in eine zuvor definierte Form zurückzukehren, wenn sie einem geeigneten thermischen Reiz unterworfen sind. Formgedächtnispolymere sind in der Lage, Phasenübergänge zu erfahren, in denen ihre Form als eine Funktion der Temperatur geändert wird. Im Allgemeinen besitzen SMPs zwei Hauptsegmente, ein hartes Segment und ein weiches Segment. Die zuvor definierte oder permanente Form kann festgelegt werden, indem das Polymer bei einer Temperatur geschmolzen oder verarbeitet wird, die höher ist, als der höchste thermische Übergang, gefolgt von einem Abkühlen unter diese thermische Übergangstemperatur. Der höchste thermische Übergang ist üblicherweise die Glasübergangstemperatur (T_g) oder der Schmelzpunkt des harten Segments. Eine temporäre Form kann festgelegt werden, indem das Material auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher ist als die T_g oder die Übergangstemperatur des weichen Segments, aber niedriger als die T_g oder der Schmelzpunkt des harten Segments. Die temporäre Form wird festgelegt, während das Material oberhalb der Übergangstemperatur des weichen Segments bearbeitet wird, gefolgt von einem Abkühlen, um die Form zu fixieren. Das Material kann in die permanente Form zurückgebracht werden, indem das Material über die Übergangstemperatur des weichen Segments erwärmt wird.
Zum Beispiel kann die permanente Form des Polymermaterials ein Draht sein, der eine im Wesentlichen gerade Form aufweist und eine erste Länge definiert, während die temporäre Form ein ähnlicher Draht sein kann, der eine zweite Länge definiert, die kürzer ist als die erste. In einer weiteren Ausführungsform kann das Material eine Feder bilden, die einen ersten Elastizitätsmodul aufweist, wenn sie aktiviert ist, und einen zweiten Elastizitätsmodul aufweist, wenn sie deaktiviert ist.
Die für die Wiederherstellung der Permanentform erforderliche Temperatur kann bei einer beliebigen Temperatur zwischen etwa –63°C und etwa 120°C oder darüber festgelegt sein. Die technische Planung der Zusammensetzung und Struktur des Polymers selbst kann die Wahl einer bestimmten Temperatur für eine gewünschte Anwendung zulassen. Eine bevorzugte Temperatur für die Formwiedererlangung ist höher oder gleich etwa –30°C, stärker bevorzugt höher oder gleich etwa 0°C und am stärksten bevorzugt eine Temperatur höher oder gleich etwa 50°C. Auch ist eine bevorzugte Temperatur für die Formwiedererlangung niedriger oder gleich etwa 120°C und am stärksten bevorzugt niedriger oder gleich etwa 120°C und höher oder gleich etwa 80°C.
Geeignete Formgedächtnispolymere umfassen Thermoplaste, Duroplaste, Durchdringungsnetzwerke, halbdurchdringende Netzwerke oder gemischte Netzwerke. Die Polymere können ein einzelnes Polymer oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können lineare oder verzweigte thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder dendritischen Strukturelementen sein. Geeignete Polymerkomponenten zum Bilden eines Formgedächtnispolymers umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Polyphosphazane, Polyvinylalkohole, Polyamide, Polyesteramide, Polyaminosäuren, Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglykole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterphthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylaktide, Polyglykolide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere davon. Beispiele für geeignete Polyacrylate umfassen Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat und Polyoctadecylacrylat. Beispiele für weitere geeignete Polymere umfassen Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidin, chloriertes Polybutylen, Polyoctadecylvinylether, Ethylenvinylacetat, Polyethylen, Polyethylenoxid-Polyethylen-Terephthalat, Polyethylen/Nylon (Pfropf-Copolymer), Polycaprolaktonpolyamid (Blockcopolymer), Polycaprolaktondimethacrylat-n-Butylacrylat, polyhedrales oligomeres Polynorbornylsilsequioxan, Polyvinylchlorid, Urethan/Butadien-Copolymere, polyurethanhaltige Blockcopolymere, Styrol-Butadienstyrol-Blockcopolymere und dergleichen.
Es ist somit einzusehen, dass für die Zwecke dieser Erfindung SMPs einen dramatischen Abfall des Moduls zeigen, wenn sie über die Glasübergangstemperatur ihres Bestandteiles erwärmt werden, das eine niedrigere Glasübergangstemperatur aufweist. Wenn eine Belastung/Verformung aufrechterhalten wird, während die Temperatur abfällt, wird die verformte Form in dem SMP eingestellt, bis es ohne Belastung wieder erwärmt wird, wobei es unter dieser Bedingung wieder in seine Gussform zurückkehren wird. Während SMPs verschiedentlich in Block-, Tafel-, Platten-, Gitter-, Gebinde-, Faser- oder Schaumformen verwendet werden können, erfordern sie, dass ihre Temperatur über der Glasübergangstemperatur ihres Bestandteiles mit einer niedrigeren Glasübergangstemperatur liegt, d. h. einen kontinuierlichen Leistungseingang in einer Niedertemperaturumgebung, um in ihrem Zustand mit niedrigerem Modul zu bleiben.
Geeignete magnetorheologische Fluidmaterialien umfassen, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf ferromagnetische oder paramagnetische Partikel, die in einem Trägerfluid dispergiert sind. Geeignete Partikel umfassen Eisen, Eisenlegierungen wie z. B. solche, die Aluminium, Silizium, Cobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer umfassen; Eisenoxide einschließlich Fe₂O₃ and Fe₃O₄; Eisennitrid; Eisencarbid; Carbonyleisen; Nickel und Nickellegierungen; Cobalt und Cobaltlegierungen; Chromdioxid; Edelstahl, Siliziumstahl und dergleichen. Beispiele für geeignete Partikel umfassen reine Eisenpulver, reduzierte Eisenpulver, Mischungen aus Eisenoxidpulver und reinem Eisenpulver und Mischungen aus Eisenoxidpulver und reduziertem Eisenpulver. Ein bevorzugtes auf Magnetismus ansprechendes Partikel ist Carbonyleisen, vorzugsweise reduziertes Carbonyleisen.
Die Partikelgröße ist bevorzugt so gewählt, dass die Partikel Mehrdomäneneigenschaften zeigen, wenn sie einem magnetischen Feld ausgesetzt sind. Die Durchmessergrößen für die Partikel können weniger als oder gleich etwa 1000 Mikrometer betragen, wobei weniger als oder gleich etwa 500 Mikrometer bevorzugt sind und weniger als oder gleich etwa 100 Mikrometer bevorzugter sind. Ebenfalls bevorzugt ist ein Partikeldurchmesser von mehr als oder gleich etwa 0,1 Mikrometer, wobei mehr als oder gleich etwa 0,5 bevorzugter sind und mehr als oder gleich etwa 10 Mikrometer besonders bevorzugt sind. Die Partikel sind vorzugsweise in einer Menge von etwa 5,0 bis etwa 50 Vol-% der gesamten MR-Fluidzusammensetzung vorhanden.
Geeignete Trägerfluide umfassen organische Flüssigkeiten, insbesondere unpolare organische Flüssigkeiten. Beispiele umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Silikonöle; Mineralöle; Paraffinöle; Silikon-Copolymere; Weißöle; Hydrauliköle; Transformatoröle; halogenierte organische Flüssigkeiten wie z. B. Chlorkohlenwasserstoffe, halogenierte Paraffine, perfluorierte Polyether und fluorierte Kohlenwasserstoffe; Diester; Polyoxyalkylene, fluorierte Silikone; Cyanoalkylsiloxane; Glykole; synthetische Kohlenwasserstofföle, sowohl ungesättigt als auch gesättigt; und Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden Fluide umfassen.
Die Viskosität der Trägerkomponente kann weniger als oder gleich etwa 100 000 Centipoise betragen, wobei weniger als oder gleich etwa 10 000 Centipoise bevorzugt sind und weniger als oder gleich etwa 1 000 Centipoise bevorzugter sind. Ebenfalls bevorzugt ist eine Viskosität von mehr als oder gleich etwa 1 Centipoise, wobei mehr als oder gleich etwa 250 Centipoise bevorzugt sind und mehr als oder gleich etwa 500 Centipoise speziell bevorzugt sind.
Es können auch wässrige Trägerfluide verwendet werden, insbesondere solche, die hydrophile Mineraltone wie z. B. Bentonit oder Hektorit umfassen. Das wässrige Trägerfluid kann Wasser oder Wasser mit einer geringen Menge von polaren, wassermischbaren organischen Lösungsmitteln wie z. B. Methanol, Ethanol, Propanol, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Aceton, Tetrahydrofuran; Diethylether, Ethylenglykol, Propylenglykol und dergleichen umfassen, wobei die Menge an polaren organischen Lösungsmitteln ist kleiner als oder gleich etwa 5,0 Vol.-% des gesamten MR-Fluids und vorzugsweise kleiner oder gleich etwa 3,0%. Die Menge an polaren organischen Lösungsmitteln ist vorzugsweise größer als oder gleich etwa 0,1% und bevorzugter größer als oder gleich etwa 1,0 Vol.-% des gesamten MR-Fluids. Der pH des wässrigen Trägerfluids ist vorzugsweise kleiner als oder gleich etwa 13 und vorzugsweise kleiner als oder gleich etwa 9,0. Der pH des wässrigen Trägerfluids ist auch größer als oder gleich etwa 5,0 und vorzugsweise größer als oder gleich etwa 8,0.
Es können natürlicher oder synthetischer Bentonit oder Hektorit verwendet werden, wobei die Menge von Bentonit oder Hektorit in dem MR-Fluid kleiner als oder gleich etwa 10 Gew.-% des gesamten MR-Fluids, vorzugsweise kleiner als oder gleich etwa 8,0 Gew.-% und bevorzugter kleiner als oder gleich etwa 6,0 Gew.-% ist. Vorzugsweise ist der Bentonit oder Hektorit in mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-%, bevorzugter in mehr als oder gleich etwa 1,0 Gew.-% und besonders bevorzugt in mehr als oder gleich etwa 2,0 Gew.-% des gesamten MR-Fluids vorhanden.
Optionale Komponenten in den MR-Fluiden umfassen Tone, organophile Tone, Carboxylatseifen, Dispergiermittel, Korrosionshemmer, Schmiermittel, Hochdruckverschleißinhibitoren, Antioxidantien, thixotrope Stoffe und herkömmliche Antiabsetzmittel. Carboxylatseifen umfassen Eisenoleat, Eisennaphtenat, Eisenstearat, Aluminiumdi- und -tristearat, Lithiumstearat, Calciumstearat, Zinkstearat und Natriumstearat und oberflächenaktive Verbindungen wie z. B. Sulfonate, Phosphatester, Stearinsäure, Glycerolmonooleat, Sorbitansesquioleat, Laurate, Fettsäuren, Fettalkohole, fluoraliphatische Polymerester und Titanat-, Aluminat- und Zirkonat-Haftmittel und dergleichen. Polyalkylendiole wie z. B. Polyethylenglykol und teilweise veresterte Polyole können ebenfalls umfasst sein.
Geeignete MR-Elastomermaterialien umfassen, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf eine Elastopolymermatrix mit einer Suspension von ferromagnetischen oder paramagnetischen Partikeln, wobei die Partikel oben beschrieben sind. Geeignete Polymermatrizen umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Polyalphaolefine, Naturkautschuk, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren und dergleichen.
Elektroaktive Polymere umfassen jene Polymermaterialien, die piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften in Ansprechen auf elektrische oder mechanische Felder besitzen. Ein Beispiel eines elektrostriktiven Pfropfelastomers mit einem piezoelektrischen Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymer. Diese Kombination besitzt die Fähigkeit, eine variable Menge von ferroelektrischen elektrostriktiven molekularen Verbundsystemen zu erzeugen. Diese können als ein piezoelektrischer Sensor oder sogar als ein elektrostriktiver Aktuator betrieben werden.
Materialien, die zur Verwendung als ein elektrostriktives Polymer geeignet sind, können jedes/n im Wesentlichen isolierende/n Polymer oder Gummi (oder eine Kombination davon) 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 vorverformtes Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere mit PVDF, Haftkleber, Fluorelastomere, Polymere, die Silikon- und Acrylkomponenten umfassen, und dergleichen. Polymere, die Silikon- und Acrylkomponenten umfassen, können z. B. Copolymere mit Silikon- und Acrylkomponenten, Polymermischungen mit einem Silikonelastomer und einem Acrylelastomer umfassen.
Materialien, die als ein elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf der Basis einer oder mehrerer Materialeigenschaften wie z. B. einer hohen elektrischen Durchbruchsfeldstärke, eines niedrigen Elastizitätsmoduls (für große oder kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante und dergleichen ausgewählt sein. In einer Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es einen Elastizitätsmodul von höchstens etwa 100 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es seinen maximalen Betätigungsdruck zwischen etwa 0,05 MPa und etwa 10 MPa und vorzugsweise zwischen etwa 0,3 MPa und etwa 3 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen etwa 2 und etwa 20 und vorzugsweise zwischen etwa 2,5 und etwa 12 aufweist. Die vorliegende Offenlegung ist nicht auf diese Bereiche beschränkt. 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. Geeignete Dicken für diese dünnen Filme können unterhalb von 50 Mikrometer liegen.
Da elektroaktive Polymere sich bei hohen Belastungen 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 geeignet, eine geeignete Spannung an ein elektroaktives Polymer zu liefern oder von diesem eine geeignete Spannung zu empfangen. Die Spannung kann entweder konstant sein oder sich mit der Zeit ändern. In einer Ausführungsform haften die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers. Elektroden, die an dem Polymer haften, sind vorzugsweise fügsam und passen sich der sich verändernden Form des Polymers an. Dementsprechend kann die vorliegende Offenlegung fügsame Elektroden umfassen, die sich der Form eines elektroaktiven Polymers, an dem sie befestigt sind, anpassen. Die Elektroden können nur an einem Abschnitt eines elektroaktiven Polymers angelegt sein und eine aktive Fläche gemäß ihrer Geometrie definieren. Verschiedene zur Verwendung mit der vorliegenden Offenlegung geeignete Arten von Elektroden umfassen strukturierte Elektroden mit Metallspuren und Ladungsverteilungsschichten, texturierte Elektroden mit verschiedenen Maßen außerhalb der Ebene, leitfähige Pasten wie z. B. Kohlepasten oder Silberpasten, kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien mit einem hohen Aspektverhältnis wie z. B. Kohlenstofffilamente und Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Mischungen aus ionenleitfähigen Materialien.
Materialien, die für Elektroden der vorliegenden Offenlegung verwendet werden, können variieren. Geeignete Materialien, die in einer Elektrode verwendet werden, können Grafit, Ruß, kolloidale Suspensionen, dünne Metalle, umfassend Silber und Gold, silbergefüllte und kohlenstoffgefüllte Gele und Polymere und ionisch oder elektronisch leitfähige Polymere 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.
II. Beispielhafte Konfigurationen, Verfahren und Anwendungen
Wendet man sich der strukturellen Ausgestaltung der Erfindung zu, so stellt die Basis 14 die Stütz- und Befestigungsgrenzfläche zum Festhalten der Vorrichtung 10 an einer umliegenden Umgebung (z. B. einer Fahrzeugmittelkonsole 102, einem Armaturenbrett 104 oder einer Armlehne 106 etc.) bereit und weist in einigen Ausführungsformen ferner eine Beinhaltungsstruktur 14 auf, die einen teilweise eingeschlossenen Raum 14a (2–2b) definiert. Der Haltemechanismus 16 ist mit der Basis 14 (z. B. fest, rotierbar, verschiebbar) gekoppelt und definiert eine Eingriffsfläche 16a, die mit zumindest einem Gegenstand 12 in Kontakt steht, dieses abstützt oder stützt und/oder eine Haltekraft darauf anwendet, um den/die Gegenstand/Gegenstände 12 festzuhalten. Im Rahmen seiner Grenzen ist der Mechanismus 16 ausgebildet, um Gegenstände 12 mit verschiedener Größe, Formen und/oder Abmessung, wie in 1 gezeigt, festzuhalten. Der bevorzugte Mechanismus 16 ist ferner ausgebildet, um selbstständig in einen Bereitschaftszustand zurückzukehren, wenn er nicht in Gebrauch ist (d. h. die Gegenstände 12 daraus entfernt wurden), um bereit zu sein, einen oder mehrere weitere/n Gegenstand/Gegenstände 12 aufzunehmen. Es sind hierin verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und veranschaulicht, die allgemein Volumen vergrößernde (z. B. 1) und Volumen reduzierende (z. B. 2) Klassen repräsentieren.
A. Zugängliche Volumen vergrößernde Ausführungsformen
In 1 ist eine Volumen vergrößernde Konfiguration gezeigt, in der die Vorrichtung 10 eine äußere obere Eingriffsfläche 16a aufweist, die durch eine Abdeckung 22 oder eine/n einzelne/n fügsame/n Masse/Körper 24 (z. B. 1a–c) gebildet ist. In dieser Ausführungsform fungiert die Vorrichtung 10, um das zugängliche Volumen des begrenzten Raumes 14a zu vergrößern. Im Spezielleren ermöglicht die Vorrichtung 10 selektiv, dass der Gegenstand 12, wenn er mit der Hand auf die Fläche 16a gedrückt wird, eine Höhlung darin bildet, sodass der Gegenstand 12 zumindest teilweise umhüllt ist (1). Die Höhlung passt sich allgemein den Konturen eines ruhenden Gegenstandes 12 an, was somit einen quer gerichteten sicheren Eingriff zur Folge hat. Die bevorzugte Volumen vergrößernde Vorrichtung 10 ist sodann ausgebildet, um die in Eingriff stehende Konfiguration der Fläche 16a zu sperren, um einen Nullleistungshalt zu bewirken. Zu diesem Zweck umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform die Masse 24 ein SMP. Wie in 1 gezeigt, kann eine einzige Vorrichtung 10 viele Höhlungen bilden, um eine Vielfalt an Gegenständen 12 wie z. B. ein Mobiltelefon, eine Schreibfeder und einen Becher, der eine Flüssigkeit enthält, festzuhalten. Schließlich, wenn eine Abdeckung 22 verwendet wird, ist diese bevorzugt ausgebildet, um eine Verformung an dem/den betreffenden Bereich/en über die Breite hinweg in der Art eines Nadelbettes zu isolieren; und ist bevorzugt in der Lage, ihre Verformung (d. h. ihre „Formfixierung”) durch z. B. den weiteren Einbau eines SMP beizubehalten.
Die 1a–c zeigen die Entwicklung einer fügsamen Masse oder Fließschicht 24, welche das Element 18 aus einem aktiven Material umfasst. Das Material 12 wird vor einem Eingriff mit dem Gegenstand 12 aktiviert (oder deaktiviert), um einen funktionsfähigeren Zustand (1a) zu erreichen; der Gegenstand 12 wird mit der Hand oder selbstständig dazu gebracht, mit der Vorrichtung 10 in Eingriff zu treten, um so eine Höhlung in der Masse 24 und der Fläche 16a (1b) zu bilden, während sich die Masse 24 in dem funktionsfähigeren Zustand befindet; die Aktivierung (oder Deaktivierung) wird dann umgedreht, sodass die Masse 24 in ihren ursprünglichen, dauerhafteren Zustand zurückkehrt und so die Höhlung einschließt., Es ist einzusehen, dass, wie in 1b gezeigt, wenn die Basis 14 starr ist, die Bildung der Höhlung eine Anhebung zumindest eines Abschnitts des nicht in Eingriff stehenden Teilstücks der Fläche 16a zur Folge hat, weshalb es erforderlich ist, dass die Fläche 16a flexibel, ausdehnbar und/oder streckbar ist. Die in 1c gezeigte bevorzugte Ausführungsform umfasst jedoch eine flexible Basis 14, die dem in Eingriff stehenden Abschnitt der Masse 24 einen Ausgang bietet und dadurch die auf die Fläche 16a wirkende Spannung, die aus der Bildung der Höhlung resultiert, abschwächt. Die bevorzugte Masse 24 ist ferner ausgebildet, um zu ermöglichen (z. B. auf Grund der Schwerkraft) oder zu bewirken, dass die Vorrichtung 10 selbstständig in einen Bereitschaftszustand (1a) zurückkehrt, wenn der/die Gegenstand/Gegenstände 12 außer Eingriff gebracht ist/sind.
Geeignete aktive Materialien zur Verwendung in der Konfiguration mit der fügsamen Masse umfassen auch elektroaktive Gele, elektrorheologische (ER) und magnetorheologische (MR) Fluide und Scheruerdünnungsfluide (z. B. vom Xanthangummi-Typ), die betreibbar sind, um ihre Viskosität durch Anregung zu ändern. Demzufolge kann das Aktivierungssignal magnetisch, elektrisch oder elektrochemisch basiert sein oder in der Form von Ultraschallerregung vorhanden sein. Es ist einzusehen, dass zu anderen Parametern für die Auswahl eines geeigneten aktiven Materials hinreichend schnelle Betätigungs- und/oder Rückkehrzeiten gehören, um die vorgesehene Verwendung zu erwirken. In einem Beispiel ist die Fließschicht 24 aus einem MR-Fluid gebildet und die Basis 14 bildet einen offenen Behälter (2) mit Seitenwänden 26, die eine elektromagnetische Spule (nicht gezeigt) umfassen. In weiteren Beispielen kann die Masse 24 aus einem technischer Schaum, der das aktive Material 18 umfasst; einem elektroaktiven Gel; einer Stützstruktur mit veränderbarem Widerstand, welche das Element 18 aus einem aktiven Material mit einem elastischen Grundkörper umfasst; oder einem nicht aktiven Grundkörper, wobei die Abdeckung 22 formfixierend ist, gebildet sein.
B. Zugängliches Volumen reduzierende/Raum füllende Ausführungsformen
In den 2–2b ist eine Volumen reduzierende Konfiguration gezeigt, in der die Vorrichtung 10 einen teilweise begrenzten offenen Raum 14a definiert, der ähnlich einem herkömmlichen Laderaum fungieren kann, wenn sich die Vorrichtung 10 in einem Aus-Zustand befindet. Hier ist der zugängliche Raum 14a in dem normalen oder eingriffslosen Zustand maximiert; und die Vorrichtung 10 fungiert, um den Raum 14a zu reduzieren oder zu füllen, um so eine Haltekraft auf einen/mehrere darin angeordneten Gegenstand/Gegenstände 12 anzuwenden. Das heißt, ein Aktivieren (oder Deaktivieren) des Elements 18 gestattet es oder bewirkt, dass sich der Mechanismus 16 ausdehnt oder sonst wie umgestaltet, um so zumindest teilweise in den Raum 14α einzudringen.
Beispielsweise und wie in den 2–2b gezeigt kann der Mechanismus 16 mehrere Spreizmechanismen 28 umfassen, die jeweils eine umgestaltbare Struktur 18 aus einem Formgedächtnispolymer umfassen und kommunikativ mit zumindest einer frei schwebenden Druckfeder 30 mit gespeicherter Energie gekoppelt sind, wenn sich die Struktur 18 in dem eingriffslosen oder zusammengeklappten Zustand (2a) befindet. Das heißt, die SMP-Struktur 18 und die Federn 30 sind zusammenwirkend derart ausgebildet, dass in dem Zustand mit höherem Modul die Struktur 18 verhindert, dass die Federn 30 Energie freisetzen, während in dem Zustand mit niedrigerem Modul die Federn 30 in der sind ist, das SMP-Material zu überwinden und zu bewirken, dass sich die Struktur 18 ausdehnt (2b). In der veranschaulichten Ausführungsform präsentiert die Struktur 18 einen längs und radial ausdehnbaren Zylinder. Es ist einzusehen, dass, um ein hohes Ausdehnungsverhältnis vorzusehen, Faltmuster innerhalb der Struktur 18 verwendet werden können (2b). In dieser Konfiguration kann die Struktur 18 selbst Energie innerhalb der gefalteten Bereiche speichern und die Energie bei einem Wechsel in den Zustand mit niedrigerem Modus freisetzen.
Die bevorzugten Spreizmechanismen 28 sind zusammenwirkend ausgebildet, um vollständig in den Raum 14a einzudringen (2b) um so mit den Gegenständen 12 mit einer im Wesentlichen dünnen oder länglichen Form in Eingriff zu gelangen und eine Haltekraft auf diese anzuwenden. Sobald sie sich ausgedehnt haben, können die Strukturen 18 abkühlen und dadurch den Eingriffszustand zu sperren. Jeder Spreizmechanismus 28 umfasst ferner einen Rückstellmechanismus 32 wie z. B. spiegelbildliche, normal martensitische SMA-Zugfedern, die an einem Ende antriebstechnisch mit den distalen Enden der Struktur 18 und an dem anderen Ende an der dadurch definierten Mittelachse gekoppelt sind (2b). In dieser Konfiguration sind die Rückstellfedern 32 nur dann in der Lage, die Druckfeder/n 30 und den Widerstand gegenüber dem Falten oder anderweitigen Zusammenklappen, wie durch die Struktur 18 geboten, zu überwinden, wenn die Federn 32 aktiviert sind, sodass der Spreizmechanismus 28 dazu gebracht wird, in Richtung des Bereitschaftszustandes (2a) zusammenzuklappen, wenn sowohl die SMP-Struktur 18 als auch die SMA-Feder 32 aktiviert werden.
Was die vielen Ausführungsformen der Erfindung betrifft, ist einzusehen, dass eine Aktivierung der gefalteten SMP-Strukturen 18 und/oder SMA-Federn 32 bei Bedarf durch Empfang einer Eingabe von einem Benutzer oder selbstständig gesteuert ausgelöst werden kann, wobei ferner zumindest ein Sensor 34 (2a) vorgesehen ist, um das Vorhandensein eines Gegenstandes 12 in dem Raum 14α zu detektieren. Der Sensor 34 kann z. B. einen Bewegungssensor oder einen Näherungsschalter in der Seitenwand 26 oder einen piezoelektrischen Lastsensor in dem Boden 36 der führenden Basis 14 umfassen. Daher ist der Sensor 34 kommunikativ mit der Struktur 18 und/oder dem Rückstellmechanismus 32 gekoppelt und programmierbar ausgebildet, um einen Eingriff oder ein Ausrücken zu bewirken, wenn das Vorhandensein oder das Entfernen des Gegenstandes 12 detektiert wird. Der Controller 38 als solcher kann dazwischen liegend mit dem Sensor 34 und dem Element 18 und in Steuerkommunikation mit der Quelle 20 gekoppelt sein, um so betreibbar zu sein, um das Element 18 und den Rückstellmechanismus 32 bei Feststellen einer/s Auslösebedingung oder -ereignisses (z. B. Aufsperren/Öffnen oder Absperren/Schließen einer Tür, Starten/Anstellen des Motors, Schalten eines Ganghebels in Park/Drive etc.) zu aktivieren.
Wie in den 3a–b gezeigt, umfasst ein weiteres Beispiel einer Volumen reduzierenden Konfiguration zumindest einen Kamm 40, der geradlinig bewegbar mit den Seitenwänden 26 der führenden Basis 14 gekoppelt ist. Der Kamm 40 umfasst eine Vielzahl von verschwenkbaren Fingern 42, die antriebstechnisch mit einem Aktuator aus einem aktiven Material (z. B. einem SMA- oder EAP-Draht etc.) 18 gekoppelt ist, der betreibbar ist, um ein Streichen über bevorzugt 90 Grad zu bewirken. Die Finger 42 können miteinander verbunden und kollektiv durch einen einzigen Aktuator 18 in der Form einer Zahnstange mit Ritzel angetrieben sein, wie veranschaulicht; oder separate Drahtaktuatoren 18 aufweisen. In dieser Konfiguration definieren die Finger 42 die Eingriffsfläche 16a und sind ausgebildet, um eine Haltekraft auf einen innerhalb des Raumes 14a positionierten Gegenstand 12 anzuwenden. Die Finger 42 sind bevorzugt fügsam, um eine passive Aufnahme des Gegenstandes 12 zuzulassen, und stärker bevorzugt aus einer normal martensitischen SMA gebildet, um sich unter einer Last zu verformen und eine rückführbare Verformung beizubehalten. Ein Rückstellmechanismus 32 wie z. B. eine Zugfeder (3a, b) kann antriebstechnisch mit dem Kamm 40 antagonistisch zu dem Aktuator 18 gekoppelt und ausgebildet sein, um den Aktuator 18 zu überwinden, wenn er deaktiviert ist. Stärker bevorzugt und wie veranschaulicht sind zwei Kämme 40 entlang von gegenüberliegenden Seitenwänden positioniert und ausgebildet, um zusammenwirkend in den Raum 14a einzudringen, wobei die Kämme 40 mit den gleichen oder separaten Aktuatoren 18 gekoppelt sein können.
Wie in den 4a, b gezeigt, beinhalten weitere Ausführungsformen einer Raum füllenden Vorrichtung 10, dass ein Fluid (Luft, Wasser, Öl etc.) innerhalb zumindest eines undurchlässigen Balgs 44 gepumpt wird, um eine Haltekraft auf einen innerhalb des Raumes 14a angeordneten Gegenstand 12 anzuwenden. In dem veranschaulichten Beispiel ist eine Vielzahl von Bälgen 44 (oder anderweitigen ausdehnbaren Gefäßen) entlang der Seitenwände 26 oder des Bodens 36 der Basis 14 angeordnet und ausdehnbar, um in den Raum 14a einzudringen. Die Bälge 44 können elastisch oder zusammenklappend in der Art eines Faltenbalges sein und sind fluidtechnisch mit einem Fluidreservoir 48 gekoppelt. Es kann zumindest eine Pumpe 46 fluidtechnisch mit dem/den Balg/Bälgen 44 gekoppelt und betreibbar sein, um den notwendigen Fluiddruck bereitzustellen. Es ist ein entsprechendes Ventilsystem (nicht gezeigt) vorgesehen, um die Fluidströmung zu steuern, und dieses ist bevorzugt SMA-betätigt. In einem weiteren Beispiel können die Bälge 44 aus einem SMP hergestellt und derart ausgebildet sein, dass der Fluiddruck nicht über die Zeit aufrechterhalten werden muss. In dieser Konfiguration wird das SMP in seinen Zustand mit niedrigerem Modul erwärmt; das Fluid wird darin selektiv mit Druck beaufschlagt, um die Ausdehnung der Bälge 44 zu bewirken; dann wird das SMP abgekühlt, um die ausgedehnte Konfiguration zu sperren und zuzulassen, dass das Fluid drucklos gemacht wird. Das Lösen der Haltefunktion wird dann durch Erwärmen des SMP herbeigeführt.
C. Volumen vergrößernde und/oder reduzierende Vorsprünge
In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine Vielzahl von Vorsprüngen 50, die ein/en aktives Material/Aktuator 18 umfassen oder antriebstechnisch damit gekoppelt sind, entweder einen Volumen vergrößernden oder reduzierenden Mechanismus 16 umfassen. In 5 erstreckt sich eine Vielzahl von länglichen und vollständig ausgedehnten Vorsprüngen 50, die freie distale Enden 50a und Seitenwände 50b aufweisen, orthogonal von einer ebenen rechteckigen Basis 14 weg. In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Vorsprünge 50 einen Kern 52 aus einem aktiven Material (z. B. ein SMP, ein ER- oder ein MR-Fluid) und eine widerstehend biegbare äußere Ummantelung 54, wobei der Biegemodul der Ummantelung 54 in der Lage ist, die Steifigkeit des Kerns 52 in seinem Zustand mit niedrigem Modul, aber nicht dem Zustand mit hohem Modul, zu überwinden. Alternativ kann die Seitenwand 50b einen Widerstand gegenüber dem Biegen oder Zusammendrücken definieren und aus dem Element 18 gebildet sein, sodass eine Aktivierung den Widerstand verändert; überdies ist einzusehen, dass anstelle einer Kern/Ummantelung-Konfiguration der Vorsprung 50 intermittierende Teilstücke voller Breite aus aktivem bzw. nicht aktivem Material aufweisen kann. Es ist einzusehen, dass, wie in den 6 und 7 gezeigt, die Vorsprünge 50 Schlaufen, wobei beide distalen Enden mit der Basis 14 verbunden sind, oder Konfigurationen mit kontinuierlichen Reifen aufweisen können, insbesondere wenn ein MR-, ein ER- oder ein Scherverdünnungsfluid darin transportiert wird, die ähnlich wie ihre rohrförmigen Gegenstücke fungieren. In jeder Konfiguration können die Vorsprünge 50 in vielfältiger Weise fungieren.
Die Vorsprünge 50 können beispielsweise eine Abdeckung 22 stützen, welche die Eingriffsfläche 16a definiert, wobei die Eingriffsfläche 16a dazu gebracht wird, sich umzugestalten und eine Höhlung zu bilden, indem zumindest ein Abschnitt der Vorsprünge 50 verschoben wird. Im Spezielleren werden die in Eingriff stehenden Vorsprünge 50 in dem Zustand mit niedrigem Modul infolgedessen verschoben, dass der Gegenstand 12 mit der Hand gegen die Fläche 16a gedrückt wird, sodass sie sich in die Zwischenräume der nicht in Eingriff stehenden Vorsprünge 50 hinein biegen. Wenn der Gegenstand 12 eine hinreichende Belastung anwendet, kann das Element 18 sofort nach dem Anordnen des Gegenstandes 12 deaktiviert werden; wenn jedoch eine unzureichende Masse vorhanden ist, um der Rückfederung der in Eingriff stehenden Vorsprünge 50 zu widerstehen, wird das Element 18 deaktiviert, um die Höhlung zu sperren, bevor die Umgestaltungskraft aufhört.
In einem weiteren Betriebsmodus, in dem eine Abdeckung 22 nicht vorgesehen ist, kann der Mechanismus 16 verwendet werden, um Gegenstände 12 festzuhalten, indem sie direkt zwischen die Vorsprünge 50 in ihrem Zustand mit niedrigem Modul positioniert werden. Hier definieren die Vorsprungseitenwände 50b zusammenwirkend die Eingriffsfläche 16a und der Gegenstand 12 wird durch Eingriff mit zumindest zwei benachbarten Vorsprüngen 50 festgehalten, die zusammenwirkend eine Klammerkraft darauf anwenden. Es ist einzusehen, dass die Querschnittsabmessungen des Gegenstandes 12 im Vergleich zu der zwischenräumlichen Beabstandung der Vorsprünge 50 hinreichend groß sein müssen, um mit den benachbarten Vorsprüngen 50 in Eingriff zu gelangen. Sobald der/die Gegenstand/Gegenstände 12 positioniert ist/sind, wird der Kern 52 (oder die Ummantelung) deaktiviert, um die veränderte Konfiguration zu sperren. 7 zeigt eine Gruppe von MR-Reifen 50, die ein Mobiltelefon 12 in dieser Weise halten.
Wenn der Kern 52 ein Gel oder Fluid mit veränderbarer Viskosität (z. B. ein ER-, MR- oder Scherverdünnungsfluid) umfasst, ist ferner zumindest ein Versteifungselement 56 umfasst, um dem Vorsprung 50 (8) strukturelle Steifigkeit zu verleihen. In dieser Konfiguration kann/können das/die Versteifungselement/e 56 auch als eine Aktivierungselektroden- oder Elektromagnetanordnung dienen, die kommunikativ mit der Quelle 20 verbunden ist. Um das Ausrücken zu unterstützen, kann das Element 56 als ein Rückstellmechanismus dienen, wenn es z. B. aus einem Federstahl gebildet ist. Es ist einzusehen, dass die ER/MR-Fluid-Vorsprünge 50 ein Aufrechterhaltungssignal benötigen, um ihre höhere Viskosität beizubehalten. Der Kern 52 kann eine massive (8a) oder eine Mehrfach (8b)-Rohrkonfiguration aufweisen, wobei einzusehen ist, dass die Mehrfachrohrkonfiguration weniger aktives Material benötigen würde und eine größere Steifigkeit bereitstellen würde, wenn sie aktiviert ist. Im Fall von MR-Fluiden kann es, um das Entfernen des Gegenstandes 12 zu erleichtern, abhängig vom Ausmaß des Eingriffes erforderlich sein, zuerst den Strom zu unterbrechen, um den Mechanismus 16 zu deaktivieren und den Vorsprung 50 zu erweichen, um dadurch zuzulassen, dass der Gegenstand 12 leichter entfernt wird.
Die 9a–d veranschaulichen ein weiteres Beispiel eines widerstehend biegbaren Vorsprunges 50. In dieser Konfiguration weist jeder Vorsprung 50 eine Mehrsegment-Schwanenhalskonfiguration auf, die durch rohrförmige Elemente (oder „Rohre”) 58 und zumindest ein dazwischen liegendes Kugelgelenk 60 gebildet ist, wobei die Anzahl von Gelenken 60 den Grad des Umgestaltungsvermögens bereitstellt (siehe 9a und 9b). Die Rohre 58 und Gelenke 60 sind reibungstechnisch durch ein Zugkabel 62 zusammengehalten, das im Inneren innerhalb der Rohre 58 und der Gelenke 60 angeordnet ist (9b). Es ist auch eine Rückholfeder 64 im Inneren entlang einer Länge des Vorsprunges 50 angeordnet, die in 9b als verdeckte Linie gezeigt ist. In einem ersten Betriebsmodus ist das Kabel 62 aus einer normal martensitischen SMA oder FSMA gebildet und wird verwendet, um die Zugkraft zu verändern. In einem zweiten Modus wird eine magnetische Kraft verwendet, um die erforderliche Reibung zu liefern, während die Rückholfeder zumindest teilweise aus der SMA oder FSMA gebildet ist und einen veränderbaren Biegewiderstand bereitstellt. In jedem Modus können die Vorsprünge 50 linear, wie in 9d von der Basis 14 ausgehend gezeigt und zuvor erläutert, oder als eine dreidimensionale Struktur 66 (9c) verwendet werden.
Im Spezielleren können eine Vielzahl von segmentierten Vorsprüngen 50 an ihren Gelenken 60 miteinander verbunden sein, um eine dreidimensionale Raumstruktur 66 (9c) zu bilden, die einen veränderbaren Widerstand gegen ein Eindrücken aufweist. Das heißt, die Strukturen 66 weisen erste und zweite Tragkräfte entsprechen dem Aktivieren bzw. Deaktivieren der zugrunde liegenden Elemente 18 aus einem aktiven Material auf. Die Strukturen 66 in der ersten Festigkeit klappen leicht zusammen und federn zurück und sind in der zweiten Festigkeit steifer und nicht in der Lage zurückzufedern, um so ihre Konfiguration zu sperren. Es ist einzusehen, dass eine große Vielzahl von Strukturen 66 in der ersten Festigkeit als solche verwendet werden kann, um einen inneren Raum 14a zu füllen, der durch eine führende Basis 14 und eine Abdeckung 22 definiert ist.
Wenn ein Halten erwünscht ist, wird ein Gegenstand 12 dazu gebracht, einen Druck auf die Eingriffsfläche 16a anzuwenden, bis die dadurch in Eingriff gebrachten, leicht zusammenklappbaren Strukturen 66 eingedrückt werden, um eine Höhlung zu bilden. Die Strukturen 66 können dann aktiviert werden, um ihren Zustand mit höherem Modul zu erreichen und die Höhlung zu sperren. Es kann z. B. ein Strom dazu gebracht werden, durch eine Spule (nicht gezeigt) zu fließen, die innerhalb der Seitenwände 26 der führenden Basis 14 angeordnet ist, und ein magnetischer Feldfluss dazu, mit dem Raum 14a in Wechselwirkung zu treten. Wenn der Gegenstand 12 entfernt wird, wird der Strom unterbrochen, um den Mechanismus 16 zu deaktivieren und die Strukturen 66 in ihre erste wiedererlangbare Festigkeit zurückzubringen. Auf diese Weise dehnen sich die Strukturen 66 aus und füllen dadurch die Höhlung. Es ist einzusehen, dass, wenn eine formfixierende Abdeckung 22 verwendet wird, die Abdeckung 22 zuerst in ihren Zustand mit niedrigem Modul aktiviert werden muss.
In einem weiteren Beispiel kann eine Gruppe von vollständig ausgedehnten und axial zusammendrückbaren Vorsprüngen 50 jeweils eine Druckfeder 68 umfassen, die bevorzugt im Inneren angeordnet ist, wie in 10 gezeigt. Die Federn 68 können in verschiedenen Modi fungieren. In einer ersten Konfiguration können die Federn 68 aus einem aktiven Material (z. B. SMP, SMA etc.) gebildet sein, das betreibbar ist, um eine Änderung der axialen Druckfestigkeit des Vorsprunges 50 zu bewirken, wenn es aktiviert wird. Wenn sie z. B. aus einer austenitischen SMA bestehen, können die Federn 68 dazu gebracht werden, dass sie eine Phasenumwandlung zu Martensit erfahren, indem eine Druckkraft darauf angewendet wird (z. B., wenn der Gegenstand 12 auf die Fläche 16a aufgebracht wird). Der Wechsel der Feder 50 in die weichere martensitische Phase lässt zu, dass die in Eingriff stehenden Vorsprünge 50 leichter zusammengedrückt werden und dadurch eine Höhlung bilden. Ein Lösen der Druckkraft danach dreht den Wechsel zurück in die austenitische Phase um, sodass die veränderte Konfiguration gesperrt wird. Anders ausgedrückt ist einzusehen, dass es die Verwendung einer SMA in der austenitischen Form gestattet, die superelastische Eigenschaft der SMA als Greif/Halte/Festhaltemechanismus zu nutzen.
Alternativ können die Federn 68 aus einer normal martensitischen SMA gebildet sein und thermisch aktiviert werden, um einen steiferen und seitlich festhaltenden Zustand zu erreichen. Es ist einzusehen, dass in dieser Konfiguration ein Aufrechterhaltungssignal für die Dauer des Haltens erforderlich ist. In einer weiteren Alternative können die Federn 68 aus eifern SMP gebildet sein, das bevorzugt mit den Vorsprungenden 50a verbunden ist und aktiviert wird, um ein Zusammendrücken zu ermöglichen, und zusammengedrückt durch den Gegenstand 12 zu bewirken, dass es eine Höhlung um diesen herum bildet, und dann deaktiviert (d. h. abkühlen gelassen wird) wird, um so die Höhlung zu sperren. Die Federn 68 und Ummantelungen 54 sind zusammenwirkend derart ausgebildet, dass, wenn sie wieder aktiviert werden, die Federn 68 durch die in den Ummantelungen 54 gespeicherte Energie dazu gebracht werden, sich zurück in den Bereitschaftszustand zu strecken. Alternativ kann ein axialer Rückstellmechanismus (nicht gezeigt) wie z. B. ein pneumatischer oder hydraulischer Druck, der fluidtechnisch mit dem Inneren der Vorsprünge 50 gekoppelt ist, verwendet werden, um die zusammengeklappten Vorsprünge 50 und Federn 68 wieder nach oben zu treiben. Ebenso ist einzusehen, dass die Federn 68 aus einem nicht aktiven Material gebildet sein können, um so einen festen Widerstand gegenüber einer Druck- und Rückstellkraft bereitzustellen, wobei die Seitenwände 50b aus dem aktiven Material 18 gebildet sind und eine veränderbar widerstehende Komponente präsentieren. Schließlich ist einzusehen, dass die Federn 68 äußerlich auf den Vorsprung 50 wirken können.
Zusätzlich zu den Federn 68 können die Vorsprünge 50 andere externe Aktuatoren verwenden, die selektiv fungieren, um ihre Positionen zu heben oder zu senken, wie z. B. jene, die einen bistabilen Mechanismus 70 aus einem aktiven Material, der zwischen einer ersten, tieferen Position, durch den aufgebrachten Gegenstand 12, und einer normal angehobenen Position (11a) umschaltbar ist; einen ER/MR-Dämpfer 72 (11b); selektiv zusammenklappbare konzentrische Zylinder 74 (11c); einen Schaum 76 mit einer Poisson-Zahl von Null (11d); eine eindrückbare SMP-Stütze mit einer Rückstellfeder 78 (11e); oder ein durch einen SMA-Draht angetriebenes Zahnrad 80, welches antriebstechnisch gekoppelt ist, um ein spiralförmiges Ausfahren einer Passfeder 50 zu bewirken (11f), umfassen. Mit Bezug auf jeden Aktuator können die Vorsprünge 50 ausgebildet sein, um selektiv als bistabile oder multistabile Passfedern 82 (12 und 12a) zu wirken, wobei eine inkrementelle Anpassung vorgesehen ist. Die Passfedern 22 weisen eine feste Geometrie auf, können aber auch aus einem Formgedächtnismaterial/z. B EAP, SMA, SMP etc.) gebildet sein, welches betreibbar ist, um z. B. die Passfederhöhe zu verändern (12a).
Schließlich und wie zuvor beschrieben, ist eine aktive oder nicht aktive Abdeckung 22 bevorzugt oben auf den Passfedern 82 vorgesehen, um das Eindringen von Schmutz zu verhindern und das Reinigen zu erleichtern. Die 13a, b zeigen Beispiele einer Abdeckung 22, die über einer Vielzahl von Passfedern 82 liegt, wobei die Abdeckung 22 elastisch ist und während eines Betriebes gestreckt bleibt (13a) oder zumindest teilweise aus einem SMP gebildet ist, um so selektiv verformbar oder formfixierend zu sein und/oder durch die Aktivierung von antriebstechnisch damit gekoppelten SMA-Elementen 18 aktiv verformt zu werden (13b).
Die hierin offenbarten Bereiche sind inklusive und kombinierbar (z. B. Bereiche von „bis zu etwa 25 Gewichts-% oder im Spezielleren etwa 5 Gewichts-% bis etwa 20 Gewichts-%” sind inklusive der Endpunkte und aller Zwischenwerte der Bereiche von „etwa 5 Gewichts-% bis etwa 25 Gewichts-%” usw.). „Kombination” ist inklusive Mischungen, Gemischen, Legierungen, Reaktionsprodukten und dergleichen. Ferner bezeichnen die Ausdrücke „erste/r/s”, „zweite/r/s” und dergleichen hierin keinerlei Reihenfolge, Menge oder Wichtigkeit, sondern dienen dazu, ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Begriffe „ein/e/s” bezeichnen hierin keine Beschränkung einer Menge, sondern bezeichnen das Vorhandensein von zumindest einem der Elemente, auf die Bezug genommen wird. Die Angabe „etwa”, die in Verbindung mit einer Größe verwendet wird, versteht sich einschließlich des angegebenen Werts und besitzt die durch den Kontext bestimmte Bedeutung (umfasst z. B. den der Messung der speziellen Größe zugehörigen Fehlergrad). Das Suffix „(s)”, wie hierin verwendet, soll sowohl den Singular als auch den Plural des Begriffes umfassen, den es modifiziert, und umfasst daher einen oder mehrere von diesem Begriff (z. B. umfasst/en der/die Farbstoff/e einen oder mehrere Farbstoffe). Die Bezugnahme über die gesamte Beschreibung auf „eine bestimmte Ausführungsform”, „eine weitere Ausführungsform”, „eine Ausführungsform” und dergleichen bedeutet, dass ein bestimmtes Element (z. B. ein Merkmal, eine Struktur und/oder eine Eigenschaft), das in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben ist, in zumindest einer hierin beschriebenen Ausführungsform enthalten ist und in anderen Ausführungsformen vorhanden sein kann oder nicht. Darüber hinaus sollte einzusehen sein, dass die beschriebenen Elemente auf jede beliebige geeignete Weise in den verschiedenen Ausführungsformen kombiniert sein können.
(Ein) geeignete(s) Algorithmen, Verarbeitungsvermögen und Sensoreingänge im Hinblick auf diese Offenlegung sind dem Fachmann überlassen. Diese Erfindung wurde unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben; für den Fachmann wird einzusehen sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt sein können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Überdies können zahlreiche Abwandlungen vorgenommen werden, um ein/e bestimmte/s Situation oder Material an die Lehre der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Schutzumfang abzuweichen. Die Erfindung soll daher nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt sein, die als beste Art, die Erfindung auszuführen, in Erwägung gezogen wird. Vielmehr wird die Erfindung alle Ausführungsformen einschließen, die in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen.

Claims

Haltevorrichtung, die zum Festhalten verschiedener Vielzahlen von Gegenständen mit verschiedenen geometrischen Formen, Größen und/oder Abmessungen geeignet ist, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Basis; einen Haltemechanismus, der fest mit der Basis gekoppelt ist und eine Eingriffsfläche definiert und ein Element aus einem aktiven Material umfasst, das betreibbar ist, um eine reversible Änderung in einer fundamentalen Eigenschaft zu erfahren, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt oder vor diesem abgeschottet ist, um so aktiviert bzw. deaktiviert zu werden; wobei das Element aus einem aktiven Material antriebstechnisch mit der Fläche gekoppelt und ausgebildet ist, um, wenn es aktiviert oder deaktiviert wird, weiter zu ermöglichen oder zu bewirken, dass sich die Fläche umgestaltet; wobei die Fläche und das Element zusammenwirkend ausgebildet sind, um einen in Eingriff gebrachten zumindest einen der Gegenstände infolge des Ermöglichens oder Bewirkens, dass sich die Fläche umgestaltet, festzuhalten, und in einen Bereitschaftszustand zurückkehren, wenn der in Eingriff gebrachte zumindest eine der Gegenstände entfernt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Element aus einem aktiven Material aus der Gruppe gewählt ist, die im Wesentlichen aus Formgedächtnispolymeren; Formgedächtnislegierungen, elektroaktiven Polymeren und Gelen, piezoelektrischen Materialien, elektrorheologischen und magnetorheologischen Fluiden besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Mechanismus einen einzelnen steuerbaren Körper umfasst, der kommunikativ mit der Fläche gekoppelt ist und eine ausgerückte Konfiguration präsentiert, und die Änderung es ferner dem Körper ermöglicht, sich im Volumen durch den in Eingriff gebrachten einen der Gegenstände zu reduzieren, um eine Festhaltekonfiguration zu erreichen, ferner den Körper in der Festhaltekonfiguration fixiert und/oder ferner ermöglicht oder bewirkt, dass der Körper in die ausgerückte Konfiguration zurückkehrt, wenn der in Eingriff gebrachte eine der Gegenstände außer Eingriff gebracht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Mechanismus einen inneren Raum definiert und eine ausgerückte Konfiguration präsentiert und die Änderung es dem Mechanismus ferner ermöglicht, im Volumen größer zu werden, um so zumindest teilweise den Raum zu umschließen und eine Festhaltekonfiguration zu erreichen, wenn einer der Gegenstände innerhalb des Raumes positioniert ist, ferner den Mechanismus in der Festhaltekonfiguration fixiert und/oder ferner ermöglicht oder bewirkt, dass der Mechanismus in die ausgerückte Konfiguration zurückkehrt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Mechanismus eine Vielzahl von umgestaltbaren Vorsprüngen umfasst, die zumindest teilweise durch das Element definiert oder antriebstechnisch damit gekoppelt sind und zusammenwirkend die Fläche definieren, und der Gegenstand durch Eingriff mit zumindest zwei der Vielzahl von Vorsprüngen festgehalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei jeder Vorsprung eine Seitenwand definiert und eine flexible Steifigkeit in einer Querrichtung aufweist, die Änderung die Steifigkeit erhöht, und die Fläche durch die Seitenwand definiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Mechanismus eine fügsame Abdeckung umfasst, welche die Fläche definiert.