DE112006002942B4

DE112006002942B4 - Durch ein aktives Material betätigte Kopfstützenanordnungen

Info

Publication number: DE112006002942B4
Application number: DE112006002942.8T
Authority: DE
Inventors: Alan L. Browne; Nancy L. Johnson; James Y. Khoury; Paul W. Alexander; Michael G. Carpenter
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-11-04
Filing date: 2006-11-01
Publication date: 2014-03-13
Anticipated expiration: 2026-11-02
Also published as: CN101378932B; WO2007056640A3; DE112006002942T5; WO2007056640A2; CN101378932A

Abstract

Kopfstützenanordnung (30, 50, 60) für einen Sitz, umfassend: einen Körperabschnitt (20) mit mindestens einer gepolsterten Oberfläche, die mit dem Kopf eines sitzenden Insassen im Wesentlichen fluchtet; und ein Draht (32, 52, 63) aus aktivem Material in Wirkverbindung mit der mindestens einen gepolsterten Oberfläche des Körperabschnitts (20), wobei der Draht (32, 52, 63) in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal seine Länge ändert, und wobei mit der Längenänderung ein Zwischenraum zwischen dem Insassenkopf und der mindestens einen gepolsterten Oberfläche abnimmt und/oder sich eine Nachgiebigkeitseigenschaft der Kopfstütze (30, 50, 60) verändert.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Kopfstützenanordnung und insbesondere durch ein aktives Material aktivierte verformbare, positionierbare Kopfstützenanordnungen und/oder durch ein aktives Material aktivierte Kopfstützenanordnungen mit veränderlicher/einstellbarer Nachgiebigkeit.
Kopfstützenanordnungen werden üblicherweise in Fahrzeugen eingesetzt und typischerweise einstellbar an der Sitzlehne befestigt. Die Kopfstütze ist mit der Rückseite des Kopfes eines sitzenden Insassens ausgerichtet, um Komfort, Unterstützung und Schutz während des Betriebs des Fahrzeugs zu bieten. Der gepolsterte Abschnitt der Kopfstütze, der angepasst ist, um die Unterstützung und den Schutz zu bieten, ist durch den Endnutzer im Allgemeinen fest positioniert.
Aus Komfortgründen tendieren Insassen eines Fahrzeugs dazu, ihre Sitzlehnen in verschiedenen Winkeln zu positionieren. Beispielsweise tendieren Fahrzeuginsassen dazu, in Fahrzeugen mit höheren Sitzhöhen, wie beispielsweise Kleinbussen (Vans) und sogenannten Sportgeländewägen (SUVs), aufrechter zu sitzen, während die Insassen in Autos tendenziell eine bequemere Position einnehmen. Die Veränderungen der Sitzlehnenposition kann die angebrachte Kopfstütze weiter weg von oder näher an den Kopf des sitzenden Insassen bewegen. Das heißt, der Raum zwischen dem Kopf eines Insassen und der Kopfstütze kann durch die Sitzposition beeinflusst und verändert werden. Der Betrag des Raums zwischen der Kopfstütze und dem Kopf des Insassen kann variieren, was abhängig von der Größe des Raums in bestimmten Situationen oder Zuständen, die das Fahrzeug erlebt, unerwünscht sein kann. Beispielsweise kann es in einigen Situationen erwünscht sein, dass die Kopfstütze sich nahe der Rückseite des Kopfs des Insassen befindet oder diese berührt.
Jegliche Einstellung der Kopfstütze wird typischerweise durch eine mechanische Betätigung bereitgestellt, welche im Allgemeinen als eine Funktion der Endnutzereinstellung der Kopfstütze und der Anthropmetrie des sitzenden Insassen fixiert ist. Herkömmliche Aktuatoren sind kostspielig, besitzen einen großen Formfaktor und, für solche Aktuatoren, die elektrisch betätigt werden, weisen einen hohen Energieverbrauch auf. Des Weiteren ist die Kopplung des Ausgangs des Aktuators an die Bedürfnisse des Insassen kein unkomplizierter Prozess, da eine große Vielfalt von Insassengrößen in dem Design umfasst sein muss.
Aus der US 6,213,548 B1 ist beispielsweise eine Kopfstütze mit zwei Polsterabschnitten bekannt geworden, zwischen denen eine vorgespannte Feder angeordnet ist. Die Feder wird dabei von einem Formgedächtnisdraht in ihrem vorgespannten Zustand gesichert. Durch Bestromung des Formgedächtnisdrahts verliert dieser seine Festigkeit und bricht, sodass die Feder sich ausdehnen und dadurch die beiden Polsterabschnitte voneinander beabstanden kann.
Dementsprechend ist es wünschenswert, eine verformbare Kopfstütze zu haben, die während der Verwendung und wie es für verschiedene Bedingungen als wünschenswert erachtet werden kann, selektiv und aktiv positioniert, verformt, manipuliert und/oder deren Nachgiebigkeit verändert werden kann.
KURZZUSAMMENFASSUNG
Hierin offenbart sind Kopfstützenanordnungen, die Aktuatoren auf der Basis eines aktiven Materials verwenden, und Verfahren zum Verringern eines Zwischenraums zwischen einer Kopfstütze und dem Kopf eines Insassen und/oder zum Verändern der Nachgiebigkeit der Kopfstütze.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Kopfstützenanordnung die Merkmale des Anspruchs 1.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst die Kopfstützenanordnung die Merkmale des Anspruchs 9.
Ein Verfahren zum Verringern eines Zwischenraums zwischen einer Kopfstütze und dem Kopf eines Insassen umfasst die Merkmale des Anspruchs 19.
Die voranstehend beschriebenen und andere Merkmale werden durch die folgenden Figuren und durch die folgende detaillierte Beschreibung exemplarisch dargestellt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nun Bezug nehmend auf die Figuren, welche beispielhafte Ausführungsformen sind und wobei gleiche Elemente gleich nummeriert sind:
1 stellt eine Seitenansicht einer Sitzlehne mit einer Kopfstütze dar;
2 stellt eine Frontansicht der Kopfstütze gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
3 stellt eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 von 2 dar;
4 stellt eine Frontansicht einer Kopfstütze gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
5 stellt eine Schnittansicht von oben einer nicht aktivierten Kopfstütze gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar; und
6 stellt die Kopfstütze von 5 nach Aktivierung dar.
7 stellt eine Draufsicht einer auf einem aktiven Material basierenden Kopfstützenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform dar;
8 stellt eine Seitenansicht der auf einem aktiven Material basierenden Kopfstützenanordnung von 7 dar;
9 stellt eine Draufsicht eines auf einem aktiven Material basierenden Betätigungs- und Rückstellmechanismus für eine auf einem aktiven Material basierende Kopfstützenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform dar;
10 stellt eine Draufsicht eines auf einem aktivem Material basierenden Rückstellmechanismus für eine auf einem aktiven Material basierende Kopfstützenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform dar;
11 stellt eine Draufsicht eines auf einem aktiven Material basierenden Betätigungs- und Rückstellmechanismus für eine auf einem aktiven Material basierende Kopfstützenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform dar;
12 stellt eine Seitenquerschnittsansicht der auf einem aktiven Material basierenden Kopfstützenanordnung von 11 dar;
13 stellt eine Schnittansicht von oben nach unten einer auf einem aktiven Material basierenden Kopfstützenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform dar;
14 stellt eine Draufsicht der auf dem aktiven Material basierenden Kopfstützenanordnung von 13 dar, welche den Rückstellmechanismus zeigt;
15 stellt eine Schnittansicht von oben nach unten einer auf einem aktiven Material basierenden Kopfstützenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform dar; und
16 und 17 stellen eine Seitenquerschnittsansicht einer auf einem aktiven Material basierenden Kopfstützenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform dar.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin offenbart sind Kopfstützenanordnungen, die durch ein aktives Material aktivierte Mechanismen zum Verformen, Manipulieren, Positionieren und/oder Verändern der Nachgiebigkeit aufweisen, welche bei Empfang einer Auslösebedingung selektiv ausgelöst werden können, um einen Spalt zwischen einer Kopfstütze und dem Kopf eines Insassen zu verringern und/oder die Nachgiebigkeit der Kopfstütze zu verändern. Wie in dieser Offenbarung diskutiert werden wird, können die aktiven Materialien dazu verwendet werden, viele der Nachteile von herkömmlichen Aktuatoren, die in Kopfstützen verwendet werden, zu überwinden. Die meisten auf einem aktiven Material basierenden Einrichtungen, die für diese Verwendung in Betracht gezogen werden, sind robuster als streng elektromechanische Ansätze, da sie keine mechanischen Teile aufweisen, da es das Material selbst ist, welches sich in Steifigkeit und/oder Dimension ändert. Des Weiteren emittieren auf einem aktiven Material basierende Kopfstützenanordnungen weder akustische noch elektromagnetische Geräusche/Interferenzen.
Aufgrund, unter anderen Eigenschaften, ihres kleinen Volumens, ihrer geringen Energieanforderungen und ihrer verteilten Betätigungsfähigkeit, existiert ferner das Potenzial, dass aktive Materialien möglicherweise an verschiedenen Orten in die Kopfstütze eingebettet werden können, um eine maßgeschneiderte Anpassung an die Bedürfnisse des Insassen und/oder des Fahrszenarios zu ermöglichen. Es wird außerdem angedacht, dass sie auch in einer bestimmten Reihenfolge oder nur an ausgewählten Orten aktiviert werden können, um mit Insassen- und Situationsbedürfnissen überein zu stimmen. Beispielsweise können verschiedene Bereiche aktiviert werden, um die verschiedenen Bedürfnisse eines Insassen zu befriedigen (zum Beispiel eines Insassen, der ausruhen/schlafen möchte, im Vergleich zu einem, der wachsam und aufmerksam zu sein wünscht).
1 stellt eine Kopfstütze 10 für eine Sitzlehne 12 dar. Die Kopfstütze 10 weist einen vorderen Kontaktabschnitt 14 und einen hinteren Abschnitt 16 auf. Der vordere Kontaktabschnitt 14 ist der Abschnitt der Kopfstütze, der dem Kopf eines Insassen nahe ist, während der hintere Abschnitt 16 der Abschnitt der Kopfstütze ist, der sich relativ zu dem Kopf des Insassen entfernt befindet. Die Kopfstütze 10 selbst ist auf mindestens einem strukturellen Stützpfosten 18 gestützt, der verschiebbar in der Sitzlehne 12 angeordnet ist. Die Kopfstütze weist im Allgemeinen ein Polstermaterial 20 auf, das von einem äußeren Bezug 22 eingefasst ist, welcher dazu beiträgt, die Gesamtgestalt der Kopfstütze zu definieren, und sie kann in einer verschwenkbaren Verbindung mit dem strukturellen Stützpfosten 18 stehen. Es ist zu bemerken, dass die strukturellen Stützpfosten 18 bei jeder der hierin offenbarten Kopfstützenanordnungen eine beliebige Form oder Konfiguration annehmen können und sie nicht auf die gezeigten beschränkt sein sollen. Beispielsweise kann eine gabelbein- oder torpfostenartige Struktur verwendet werden. Darüber hinaus können bei einigen Ausführungsformen mehr als zwei Pfosten eingesetzt werden.
Die vorliegende Offenbarung ist auf die Verwendung eines aktiven Materials zum Verformen, Manipulieren, Positionieren und/oder Verändern der Nachgiebigkeit der Kopfstütze in Ansprechen auf ein angewandtes Aktivierungssignal gerichtet, wobei die Anwendung des Aktivierungssignals bei Detektion einer Bedingung ausgelöst werden kann. Aktive Materialien sind hierin als solche definiert, die selektiv eine Veränderung in einer grundlegenden Materialeigenschaft zeigen, wie beispielsweise Steifigkeit und/oder Dimension, wenn sie einem angewandten Feld ausgesetzt werden. Geeignete aktive Materialien umfassen ohne Beschränkung Formgedächtnislegierungen (SMA), ferromagnetische SMAs (FSMA) und Formgedächtnispolymere (SMP). Eine zweite Klasse von aktiven Materialien können als solche betrachtet werden, die eine Veränderung in mindestens einer Eigenschaft zeigen, wenn sie einem angewandten Feld ausgesetzt werden, die aber bei einer Entfernung des angewandten Feldes wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren. Aktive Materialien in dieser Kategorie umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, piezoelektrische Materialien, elektroaktive Polymere (EAP), in zwei Richtungen trainierte Formgedächtnislegierungen, magnetorheologische Fluide und Elastomere (MR), elektrorheologische Fluide (ER), Zusammensetzungen eines oder mehrerer der voranstehenden Materialien mit nicht aktiven Materialien, Kombinationen, die mindestens eines der voranstehenden Materialien umfassen, und dergleichen. Abhängig von dem jeweiligen aktiven Material kann das Aktivierungssignal, ohne Beschränkung, die Form eines elektrischen Stroms, einer Temperaturänderung, eines magnetischen Feldes, einer mechanischen Last oder Spannung oder dergleichen annehmen. Von den voranstehend genannten Materialien umfassen Anordnungen auf der Basis von SMA und SMP vorzugsweise einen Rückstellmechanismus, um die ursprüngliche Geometrie der Anordnung wiederherzustellen. Der Rückstellmechanismus kann mechanisch, pneumatisch, hydraulisch, pyrotechnisch sein oder auf einem der voranstehend genannten intelligenten Materialien basieren.
Vorteilhafterweise können die hierin beschriebenen Kopfstützenanordnungen geeignet sein, um auf eine dynamische Last eines Insassen anzusprechen, die bei einem Auslöseereignis durch die Trägheit geschaffen wird, um die Kopfstütze zu verformen, um den Zwischenraum zwischen dem Insassen und der Kopfstütze zu verringern.
Bezug wird nun auf eine Ausführungsform genommen, die ein Formgedächtnislegierungsmaterial (SMA-Material) einsetzt. Formgedächtnislegierungen existieren in mehreren verschiedenen temperaturabhängigen Phasen. Die am häufigsten verwendeten dieser Phasen sind die sogenannten Martensit- und Austenitphasen. In der folgenden Diskussion bezieht sich die Martensitphase allgemein auf die verformbarere Phase bei niedrigerer Temperatur, während sich die Austenitphase allgemein auf die festere Phase bei höherer Temperatur bezieht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase befindet und erwärmt wird, beginnt sie, sich in die Austenitphase zu ändern. Die Temperatur, bei welcher dieses Phänomen beginnt, wird oft als Austenitstarttemperatur (As) bezeichnet. Die Temperatur, bei welcher dieses Phänomen vollendet ist, wird die Austenitendtemperatur (Af) genannt. Wenn die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase vorliegt und abgekühlt wird, beginnt sie, sich in die Martensitphase zu ändern, und die Temperatur, bei welcher dieses Phänomen beginnt, wird als die Martensitstarttemperatur (Ms) bezeichnet. Die Temperatur, bei welcher Austenit aufhört, sich in Martensit umzuwandeln, wird die Martensitendtemperatur (Mf) genannt. Im Allgemeinen sind die Formgedächtnislegierungen in ihrer Martensitphase weicher und leichter verformbar und in der Austenitphase härter, steifer und/oder fester. Angesichts des Voranstehenden ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal, welches eine Stärke besitzt, die Umwandlungen zwischen der Martensit- und der Austenitphase bewirkt.
Formgedächtnislegierungen können abhängig von der Legierungszusammensetzung und der Verfahrenshistorie einen Einweg-Formgedächtniseffekt, einen intrinsischen Zweiwege-Effekt oder einen extrinsischen Zweiwege-Formgedächtniseffekt zeigen. Ausgeheilte Formgedächtnislegierungen zeigen typischerweise nur den Zweiwege-Formgedächtniseffekt. Ausreichendes Erhitzen im Anschluss an eine Deformation des Formgedächtnismaterials bei niedriger Temperatur leitet den Übergang der Art von Martensit zu Austenit ein, und das Material wird die ursprüngliche ausgeheilte Form wieder annehmen. Einweg-Formgedächtniseffekte werden daher nur bei Erwärmung beobachtet. Aktive Materialien, die Formgedächtnis-Legierungszusammensetzungen umfassen, die Einweg-Gedächtniseffekte zeigen, formen sich nicht automatisch zurück und erfordern wahrscheinlich eine äußere mechanische Kraft, um die Form zurückzuformen, die zuvor für eine Steuerung der Luftströmung geeignet war.
Die Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung sich an ihre Hochtemperaturform erinnert, wenn sie erwärmt wird, kann durch leichte Veränderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch Wärmebehandlung eingestellt werden. Bei Nickeltitan-Formgedächtnislegierungen beispielsweise kann sie von über etwa 130°C bis unter etwa –100°C geändert werden. Der Prozess des Wiederherstellens der Form tritt über einen Bereich von nur wenigen bis einigen Grad auf, und der Start oder das Ende der Transformation kann abhängig von der gewünschten Anwendung und der Legierungszusammensetzung bis auf einen Grad oder zwei genau gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren erheblich über den Temperaturbereich, der ihre Transformation überspannt, und verschaffen den Luftströmungs-Steuerungseinrichtungen typischerweise Formgedächtniseffekte, superelastische Effekte und eine hohe Dämpfungsfähigkeit.
SMA-Materialien zeigen einen 2,5-fachen Modulzuwachs und eine Dimensionsänderung von bis zu 8% (abhängig von der Stärke einer Vorspannung), wenn sie über ihre sogenannte Martensit-zu-Austenit-Phasenübergangstemperatur erwärmt werden. Die SMA kann in Draht- und/oder Lagenform in die Kopfstütze eingebettet sein, um sowohl für den gewünschten Betrag an Verformung zu sorgen, als auch für eine Veränderung in deren Steifigkeitseigenschaften zu sorgen. SMA-Veränderungen erfolgen ebenfalls in einer Richtung, sodass ein Rückstellmechanismus mit einer Vorspannkraft (beispielsweise eine Feder) in der Kopfstütze umfasst sein kann, um die SMA (und die Kopfstütze) in ihre Ausgangskonfiguration zurückzustellen, wenn das angelegte Feld/die angelegte Wärme entfernt wird; wenn die SMA nicht aktiviert wird.
Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen, sollen aber nicht beschränkt sein auf, Nickeltitan basierte Legierungen, Indiumtitan basierte Legierungen, Nickelaluminium basierte Legierungen, Nickelgallium basierte Legierungen, Kupfer basierte Legierungen (z. B. Kupferzinklegierungen, Kupferaluminiumlegierungen, Kupfergold und Kupferzinnlegierungen), Goldkadmium basierte Legierungen, Silberkadmium basierte Legierungen, Indiumkadmium basierte Legierungen, Mangankupfer basierte Legierungen, Eisenplatin basierte Legierungen, Eisenpalladium basierte Legierungen, und dergleichen. Die Legierungen können eine binäre, ternäre oder eine beliebige höhere Ordnung aufweisen, solange die Legierungszusammensetzung einen Formgedächtniseffekt zeigt, z. B. eine Veränderung in der Formausrichtung, Veränderungen in der Formfestigkeit und/oder Flexibilitätsmoduleigenschaften, Dämpfungsfähigkeit, Superelastizität und dergleichen. Die Auswahl einer geeigneten Formgedächtnislegierungszusammensetzung hängt von dem Temperaturbereich ab, in dem die Komponente arbeiten wird.
In 2 umfasst eine Kopfstütze 30 mehrere vorgespannte Formgedächtnislegierungsdrähte 32, die zwischen zwei Strukturpfosten 34 gespannt sind, welche die Kopfstütze 30 mit einer Sitzlehne verbinden. Die Formgedächtnisdrähte 32 sind in der Kopfstütze umschlossen. Im installierten Zustand sind die Formgedächtnislegierungsdrähte 32 auf der Grundlage von kommerziell erhältlichen Formgedächtnislegierungen um bis zu 8% vorgespannt und in einer krummlinigen Beziehung zwischen den Pfosten 34 angeordnet, was in der Ansicht von oben nach unten von 3 klarer gezeigt ist. Vorzugsweise nehmen die Formgedächtnisdrähte 32 eine konkave Formorientierung an, wenn man von der Vorderseite zur Rückseite eines Fahrzeugs sieht, in welcher der Sitz angeordnet ist. Die Länge der Formgedächtnislegierungsdrähte 32 ist so gewählt, dass, wenn sie aktiviert werden (z. B. thermisches Widerstandsheizen, Wärme von einem pyrotechnischen Ereignis und dergleichen), sich die Länge der Formgedächtnislegierungsdrähte 32 zusammenzieht und sie relativ straff (bevorzugt, aber nicht erforderlich) zwischen dem Pfosten 34 werden. Die Änderung in der Längenabmessung der Formgedächtnislegierungsdrähte bewirkt, dass sich das Polstermaterial 22 und der Bezug 20 in eine andere Position bewegen, wie es durch die gestrichelte Linienstruktur in 3 dargestellt ist. Diese Bewegung und Änderung in der Form der Kopfstütze 30 wird hier als Verformung (morphing) definiert. Durch das Verformen der Kopfstütze 30 mit der Formgedächtnislegierung kann der Abstand zwischen dem Kopf eines Insassen und der Kontaktoberfläche 14 (siehe 1) der Kopfstütze 30 selektiv verringert werden.
Wenn die Ausgangsgeometrie von oben nach unten (d. h. die nicht aktivierte Geometrie) der Kopfstütze 30 konkav ist, würde die Aktivierung der Formgedächtnislegierungsdrähte 32 bewirken, dass sich die Geometrie der Kopfstütze 10 von oben nach unten in eine relativ abgeflachte Konfiguration oder eine konvexe Geometrie von oben nach unten verändert, abhängig von der Menge des zwischen dem Bezug und den Formgedächtnislegierungsdrähten angeordneten Polstermaterials und der ursprünglichen Geometrie von oben nach unten. Auf ähnliche Weise, falls die nicht aktivierte Geometrie der Kopfstütze flach ist, würde die Betätigung die Kopfstütze so verformen, dass sie eine konvexe Formgeometrie annimmt. Der Betrag der Translation hängt allgemein mit dem Prozentsatz der Vorspannung der Formgedächtnislegierungsdrähte und dem Abstand zwischen dem Pfosten 34 zusammen.
Man beachte, dass bei Kopfstützen mit einer konkaven Oberfläche die vorgespannten Drähte nahe der vorderen Oberfläche eingebettet sein könnten. Bei Kopfstützen mit flacher Oberfläche wären die vorgespannten Drähte deutlich im Inneren der Polsterung eingebettet. Man beachte auch, dass die Drähte nicht unbedingt parallel verlaufen müssen, sondern sich auch in einem X oder auf andere Weise kreuzen könnten und dass, wenn sie parallel verlaufen, sie sich nicht horizontal erstrecken müssen.
Bei einer anderen Ausführungsform, die in 4 gezeigt ist, umfasst eine Kopfstütze 50 Formgedächtnislegierungsdrähte 52, die alternativ einfach in das Polstermaterial 22 eingebettet sein könnten oder durch ein Kissen 56 und Pfosten 54 durchgeschlungen/an diesem bzw. dieser befestigt sein könnten, sodass eine Aktivierung des Formgedächtnislegierungsdrahts 52 bewirkt, dass sich das Kissen 56 (und das Polstermaterial zwischen dem Bezug und dem Kissen) relativ zu dem Kopf des Insassen vorwärts bewegt. Ein weiterer Aspekt der Verwendung von Formgedächtnislegierungsdrähten 52 besteht darin, dass die Aktivierung der Drähte den Modul erhöht, um in Abhängigkeit von der jeweiligen Zusammensetzung um einen Faktor von etwa 2,5 anzusteigen. Die Aktivierung des Formgedächtnislegierungsmaterials bewirkt eine Phasentransformation von einer Martensitphase zu einer Austenitphase. Folglich kann die Steifigkeit/Nachgiebigkeit der Kopfstütze vom normalen Betrieb auf ein bis zu 2,5-fach höheres Niveau erhöht werden, was unter einigen Bedingungen günstig sein kann. Man beachte auch, dass bei einer Aktivierung lediglich einzelner ausgewählter Drähte die Steifigkeit des Kopfstützenkissens basierend auf der Insassenanthropometrie und auf Sitzgeometrien/Bedingungen sowie auf der Art und Stärke des Auslöseereignisses für verschiedene Bedingungen eingestellt/angepasst werden könnte.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Kissen 56 aus piezoelektrischen unimorphen oder bimorphen Flecken gebildet. Im Allgemeinen zeigen piezoelektrische Materialien kleine Dimensionsänderungen, wenn sie einer angelegten Spannung ausgesetzt werden. Ihre Reaktion ist proportional zu der Stärke des angelegten Feldes und ziemlich schnell, wobei sie in der Lage ist, leicht den Bereich von tausend Hertz zu erreichen. Da ihre Dimensionsänderung klein ist (< 0,1%), werden sie zur deutlichen Vergrößerung der Stärke der Dimensionsänderung üblicherweise in der Form von Aktuatoren mit piezoelektrischen unimorphen und bimorphen flachen Flecken verwendet, die so konstruiert sind, dass sie sich bei Anlegen einer relativ kleinen Spannung in eine konkave oder konvexe Form umbiegen. Das schnelle Verformen/Umbiegen solcher Flecken in der Kopfstütze eignet sich für eine Verformung der Kopfstütze durch gelieferte Verlagerungskräfte, die deutlich geringer sind als diejenigen, die mit derzeitigen SMAs erreichbar sind. Des Weiteren kehren piezoelektrische Flecken automatisch in ihre ursprüngliche Geometrie zurück, wenn das Feld entfernt wird, was eine automatische Rückstellung der Kopfstützengeometrie erlauben würde. Ein weiterer Vorteil der piezoelektischen Materialen liegt in ihren schnellen Aktivierungszeiten, typischerweise in der Größenordnung von Millisekunden.
Geeignete piezoelektrische Materialien umfassen, sollen aber nicht beschränkt sein auf, anorganische Verbindungen, organische Verbindungen und Metalle. Bezüglich organischen Materialien können alle Polymermaterialien mit nicht zentrosymmetrischer Struktur und Gruppe(n) mit großen Dipolmoment an der Hauptkette oder an der Seitenkette oder an beiden Ketten in den Molekülen als geeignete Kandidaten für den piezoelektrischen Film verwendet werden. Beispielhafte Polymere umfassen beispielsweise, sind aber nicht beschränkt auf, Poly(natrium-4-styrolsulfonat), Poly(poly(vinylamin)-Rückgrat-azochomophor) und ihre Derivate; Polyfluorkohlenwasserstoffe, einschließlich Polyvinylidenfluorid, sein Copolymer Vinylidenfluorid (”VDF”), Cotrifluorethylen und ihre Derivate; Polychlorkohlenwasserstoffe, einschließlich Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid und ihre Derivate; Polyacrylnitrile und ihre Derivate; Polycarbonsäuren, einschließlich Polymethacrylsäure, und ihre Derivate; Polyharnstoffe und ihre Derivate; Polyurethane und ihre Derivate; Biomoleküle, wie beispielsweise Poly-L-Milchsäuren und ihre Derivate, und Zellmembranproteine sowie Phosphatbiomoleküle, wie beispielsweise Phosphodilipide, Polyaniline und ihre Derivate und alle Derivate von Tetraminen; Polyamide einschließlich aromatische Polyamide und Polyimide, einschließlich Kapton und Polyetherimide und ihre Derivate; alle Membranpolymere; Poly(Nvinylpyrrolidon)(PVP)-Homopolymer und seine Derivate, und zufällige PVP-Covinylacetatcopolymere; und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder in den Seitenketten oder in sowohl der Hauptkette als auch in den Seitenketten und Mischungen davon.
Das piezoelektrische Material kann auch Metalle umfassen, die aus der Gruppe gewählt sind, die aus Blei, Antimon, Mangan, Tantal, Zirkonium, Niob, Lanthan, Platin, Palladium, Nickel, Wolfram, Aluminium, Strontium, Titan, Barium, Calcium, Chrom, Silber, Eisen, Silizium, Kupfer, Legierungen, die mindestens eines der vorstehend genannten Metalle umfassen, und Oxiden, die mindestens eines der vorstehenden Metalle umfassen, besteht. Geeignete Metalloxide umfassen SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, SrTiO₃, PbTiO₃, BaTiO₃, FeO₃, Fe₃O₄, ZnO und Mischungen davon und Gruppe VIA- und IIB-Verbindungen, wie beispielsweise CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe₂, ZnSe, GaP, InP, Zns und Mischungen davon. Vorzugsweise wird das piezoelektrische Material aus der Gruppe gewählt, die aus Polyvinylidenfluorid, Blei-Zirkonat-Titanat und Bariumtitanat und Mischungen davon besteht.
5 und 6 stellen eine zusätzliche Ausführungsform dar, bei der die Kopfstütze 60 eine Blase 62 aufweist, die mit dem aktiven Material 64 in zusammenwirkender Verbindung steht. Die Blase kann zwischen zwei Stützpfosten 64 gestützt sein und einen Abschnitt aufweisen, der an das aktive Material 64 angebunden ist. Eine Vorwärtsbewegung des Kontaktabschnitts der Kopfstütze 60 aufgrund einer Aktivierung des aktiven Materials könnte dazu führen, dass Luft durch ein Einwegeventil 66 in einen expandierenden Hohlraum der Blase 62 in der Kopfstütze eingesogen wird, was einen unter Druck gesetzten Widerstand beim Belasten schafft. Alternativ kann ein sperrklinkenbasierter Mechanismus verwendet werden, der durch die Expansion der Kopfstütze ausgedehnt würde und beim Belasten der vorderen Oberfläche der Kopfstütze durch den Kopf des Insassen einen zusätzlichen Widerstand/eine zusätzliche Energieabsorptionsfähigkeit schaffen würde.
7 und 8 stellen eine alternative Ausführungsform einer Kopfstützenanordnung 70 dar, die durch Stützpfosten 72 gestützt ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Kopfstützenanordnung dazu geeignet, einen gepolsterten Plattenabschnitt 74 (vgl. 8) vorwärts und/oder nach oben relativ zu den Stützpfosten 72 selektiv auszulösen. Die Kopfstützenanordnung umfasst eine Vierstangenverbindungsanordnung 76, welche den gepolsterten Plattenabschnitt 74 verschwenkend bewegt, wenn ein Aktivmaterialaktuator 78 selektiv aktiviert wird. Jede Stangenverbindung 76 umfasst einen oberen Klammerabschnitt 77 und einen unteren Klammerabschnitt 79. Der obere Klammerabschnitt 77 umfasst eine Achse 80 und ist an einem Kopfstützenkörperabschnitt 86 verdrehbar befestigt. Der untere Abschnitt 79 umfasst ebenfalls eine Achse, entweder 81 oder 90, abhängig von dem Einbauort der Stangenverbindung 76, und ist an der gepolsterten Platte 74 verdrehbar befestigt. Jeder Klammerabschnitt 77, 79 umfasst ferner ein Lagermittel, welches die Klammer 84 zur Verdrehung relativ zu der jeweiligen Achse trägt.
Ähnlich wie die Stangenverbindungen 76 umfasst der Aktuator 78 eine Klammer 92, die durch Achsen 90, 91 an jedem Ende verdrehbar gelagert und ausgebildet ist, um den gepolsterten Abschnitt 74 nach vorne und nach oben zu bewegen, um einen Zwischenraum zwischen dem Kopf eines Insassen und dem gepolsterten Abschnitt zu verringern. Der Aktuator 78 umfasst ferner ein (nicht gezeigtes) Lagermittel zum Lagern der Klammer 92 für eine Verdrehung relativ zu den Achsen 90, 91. Die Achse 90 ist wie gezeigt dem unteren Abschnitt 79 der oberen Klammern 84 gemein und steht in verdrehbarer Beziehung mit diesem. Die Achse 91 ist verdrehbar an dem Kopfstützenkörper 96 befestigt. Als solches ist der Aktuator 78 mit Hilfe der Achsen 90, 91 an dem Kopfstützenkörperabschnitt 86 und dem gepolsterten Abschnitt 74 verschwenkbar befestigt, sodass eine Bewegung des gepolsterten Abschnitts relativ zu dem Kopfstützenkörperabschnitt jede Stangenverbindung 76 verschwenkbar bewegt. Ein aktives Material steht in wirksamer Verbindung mit der Klammer 92, um eine selektive Verdrehung und Bewegung des Aktuators zu bewirken. Unter Verwendung von Formgedächtnislegierungsdrähten als ein Beispiel, umfasst der Aktuator 78 einen SMA-Draht 94 zum Anheben der Klammer 92 (und Bewegen des gepolsterten Abschnitts) und einen zweiten SMA-Draht 96 (oder eine andere Art von aktivem Material oder einen Vorspannungsfedermechanismus), der in einer vorgespannten Verbindung mit der Klammer 92 steht, um den gepolsterten Abschnitt in seine ursprüngliche Position zurückzustellen. Der Rückstellmechanismus kann ferner einen Sperrklinkenmechanismus aufweisen, um den gepolsterten Abschnitt zu verriegeln, wenn sich dieser in einer angehobenen Position befindet. Der Sperrklinkenmechanismus kann mit aktiven Materialien gesteuert werden, wie es in 7 gezeigt ist. Beispielsweise kann ein aktives Material 98 mit einer Sperrklinkenentriegelung 100 in Wirkverbindung stehen, um eine Rückstellung des gepolsterten Abschnitts zuzulassen. Bei Aktivierung des Drahts 98 würde sich die Sperrklinkenentriegelung aus einem Eingriff mit darunterliegenden Sperrklinkenzähnen zurückziehen. Obwohl es nicht gezeigt ist, würden die Sperrklinkenzähne während der Verwendung und wenn das aktive Material nicht aktiviert ist, mit der Sperrklinkenentriegelung in Eingriff stehen. Das aktive Material 98 kann um Drehpunkte 102 herum angeordnet sein, um einen Hebel zur Entriegelung des Sperrklinkenmechanismus bereitzustellen. Der tatsächliche Sperrklinkenmechanismus soll nicht auf eine spezielle Art beschränkt sein und umfasst im Allgemeinen einen oder mehrere undirektionale Eingriffsabschnitte, die konfiguriert sind, um mit komplementären Abschnitten in Eingriff zu gelangen, die an der Klammer angeordnet sind oder mit dieser in Wirkverbindung stehen.
9 stellt einen Aktuator 120 auf der Basis eines aktiven Materials dar, der sich anstelle des Aktuators 78 für eine Verwendung in der Kopfstützenanordnung 70 eignet. Der auf dem aktiven Material basierende Aktuator 120 gemäß dieser Ausführungsform umfasst einen Nockenmechanismus zur Betätigung und Rückstellung des Aktuators 120. Das Rückstellen erfolgt in Übereinstimmung mit dem Sperrklinkenmechanismus, wie voranstehend beschrieben wurde. Wieder SMA-Drähte als ein beispielhaftes aktives Material verwendend ist mindestens ein SMA-Draht 126 ausgebildet, um eine Klammer 122 um eine Achse 124 zu verdrehen, um eine Bewegung des gepolsterten Abschnitts zu bewirken (wie in 8 allgemein gezeigt ist). Ein Ende des SMA-Drahts 126 ist an der Achse 124 befestigt, und ein anderes Ende ist an der Nocke 128 befestigt. Ein zweiter SMA-Draht 130 ist ausgebildet, um für eine Gegenverdrehung der Klammer 122 zu sorgen, um den Aktuator zurückzustellen. Als solches bewirkt eine Aktivierung des SMA-Drahts 126 eine Verdrehung der Klammer um die Achse 124, was eine Verdrehung des unteren Abschnitts um die Achse 126 bewirkt, wodurch der gepolsterte Abschnitt 174 nach oben und von dem Kopfstützenkörper 86 weg bewegt wird (vgl. 8). Beispielsweise ist ein Ende des SMA-Drahts 126 in einer Richtung im Uhrzeigersinn um die Achse 124 befestigt, während ein Ende des SMA-Drahts 130 in eine Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn befestigt ist, sodass eine Aktivierung und nachfolgende Kontraktion des jeweiligen aktivierten SMA-Drahts eine Verdrehung in einer Richtung um die Achse verursacht, die allgemein von dem SMA-Draht abhängt, der aktiviert wird.
Vorteilhafterweise schafft der zweite SMA-Draht 130 auch eine Möglichkeit zur Zugentlastung des aktivierten Drahts, z. B. 126. Wenn die Klammer 122 an einer Bewegung gehindert wird, veranlasst der aktivierte Draht 126 die Nocke 128, sich zu drehen, was den Draht 130 spannt. Auf diese Weise kann, wenn der Kopf mit der Kopfstütze in Kontakt gerät, bevor der Aktuator vollständig ausgelöst ist, die zusätzliche Drahtspannung woanders hingelenkt werden, sodass die Kopfstütze den Kopf des Insassen nicht vorwärts drückt.
10 veranschaulicht eine beispielhafte unidirektionale Verriegelungsanordnung 140, die verwendet werden kann, um einen Eingriff und eine Freigabe von Eingriffsabschnitten eines Reibungsverriegelungsmechanismus zu bewirken. Während des Betriebs würde die Verriegelungsanordnung 140 in einer Schiene gleiten und die linke und rechte Seite des Mechanismus beschränken. Eine Verriegelungsplatte 142 ist in Wirkverbindung mit einem auf einem aktiven Material basierenden Aktuator angeordnet, der in Wirkverbindung mit einer Nocke 144 steht (von denen zwei gezeigt sind), die auf einer Rückplatte 141 angeordnet ist. Die Verriegelungsplatte 142 würde an den Rest des Mechanismus ankoppeln und würde durch Ausüben einer Kraft in die Aufwärtsrichtung in Eingriff gebracht. Die Bewegung der Platte würde den SMA-Draht 164 pseudoplastisch spannen, da das keilförmige obere Ende der Verriegelungsplatte 142 die Nocken auswärts drehen würde, um in Kontakt mit den Schienen zu geraten und somit den gesamten Mechanismus (die Verriegelungs- und die Rückplatte) in der Position in der Schiene zu verriegeln. Das aktive Material 146 ist ausgebildet, um die Nocken 144 zu bewegen, was eine Bewegung der Verriegelungsplatte 142 relativ zu der Rückplatte 141 bewirkt. Wie gezeigt ist, würde eine Bewegung der Nocken 144 und der Verriegelungsplatte 142 bei einer Aktivierung des aktiven Materials die Verriegelungsplatte veranlassen, einen in Eingriff bringbaren Fingerabschnitt (d. h. eine Blattfeder) 148 zunächst zu kontaktieren und dann zu komprimieren. Sobald dies passiert, wären die Nocken nicht länger in Kontakt mit den Schienen, was eine freie Bewegung der Verriegelungsanordnung 140 ermöglicht. Der Formgedächtnislegierungsdraht kann um eine oder mehrere Rollen 150 angeordnet sein, sodass eine Aktivierung einer einzelnen Komponente aktiven Materials eine Verdrehung der Nocken 144 verursacht, welche gegen die Gleitplatte 142 vorgespannt sind, was in einer Kompression des in Eingriff bringbaren Fingerabschnitts 148 resultiert. Eine Deaktivierung des aktiven Materials veranlasst den in Eingriff bringbaren Fingerabschnitt dazu, die Verriegelungsplatte zurück in ihre ursprüngliche Position zu bewegen, sodass er ein freies Gleiten ermöglicht, aber bereit ist, den Verriegelungsprozess zu wiederholen, falls die Verriegelungsplatte durch den Rest des Mechanismus erneut nach oben gezwungen wird.
11 und 12 veranschaulichen eine alternative Ausführungsform eines auf einem aktiven Material basierenden Aktuators 160, der für eine Verwendung mit der Kopfstützenanordnung geeignet ist, welche für eine Bewegung eines gepolsterten Abschnitts nach vorne und/oder nach oben relativ zu dem Kopf eines Insassen sorgt. Die Verriegelungsanordnung umfasst zwei Sätze 162, 164 von gegenüberliegenden gezahnten Leisten 166, 168. Die einzelnen Zähne jedes Satzes von Leisten sind ausgebildet um, wenn in Eingriff, für eine Gleitbewegung in einer Richtung zu sorgen und eine Bewegung in die andere Richtung zu verhindern. Ein aktives Material 170 steht in Wirkverbindung mit einer der Leisten, um die Eingriffsbeziehung mit der gegenüberliegenden Leiste selektiv zu lösen und dadurch zu ermöglichen, dass die außer Eingriff stehenden Leisten in beide Richtungen gleiten. Als ein Ergebnis können die Leisten in ihre ursprüngliche Position zurückgestellt werden. Wie gezeigt ist, ist das aktive Material 170 an der Leiste 168 jedes Satzes 162, 164 befestigt. Unter Verwendung von Formgedächtnislegierungen als ein exemplarisches aktives Material, kann die Aktivierung der Formgedächtnislegierung 170 eine Dimensionsänderung (Kontraktion) verursachen, was bewirkt, dass sich die Leisten 168 nach innen biegen und ihre gezahnten Zähne aus einem Eingriff mit der gegenüberliegenden Leiste, z. B. 166, getrennt werden. Ein zweites aktives Material 172, z. B. eine Formgedächtnislegierung, kann ausgebildet sein, um für eine unidirektionale Bewegung zu sorgen, welche verwendet werden kann, um für eine Bewegung eines gepolsterten Abschnitts nach vorne und/oder nach oben zu sorgen. Wie gezeigt, ist das zweite aktive Material um einen Drehpunkt 174 herum angeordnet und an jedem Ende an dem Kopfstützenkörper 176 befestigt. Auf diese Weise kann die gepolsterte Oberfläche 74 dazu gebracht werden, sich relativ zu dem Kopfstützenkörper 86 vorwärts zu bewegen.
13 und 14 veranschaulichen eine Kopfstützenanordnung 180, die einen auf einem aktiven Material basierenden mechanischen balgenartigen Mechanismus verwendet. Mehrere Scharniere 182 werden verwendet, um für eine Vorwärtsbewegung des gepolsterten Abschnitts 184 relativ zu einem stationären Abschnitt 186 zu sorgen. Die Scharniere stehen in Wirkverbindung mit einer Anordnung 188 mit einem verschiebbaren Element, welche eine Gabel 190 und ein verschiebbares Element 192 umfasst, das in Verschiebeeingriff mit dem Abschnitt des verschiebbaren Elements steht. Ein erstes aktives Material 194, z. B. ein Formgedächtnislegierungsdraht, ist an der Gabel und dem Abschnitt des verschiebbaren Elements befestigt, um den Abschnitt des verschiebbaren Elements in Richtung einer überbrückenden Oberfläche zu verschieben, welche die einzelnen Zinken der Gabel verbindet. Auf diese Weise drücken die Scharniere den gepolsterten Abschnitt 74 relativ zu dem stationären Abschnitt 86 vorwärts, wie es in 8 gezeigt ist. Ein zweites aktives Material 196, z. B. ein zweiter Formgedächtnislegierungsdraht, kann ausgebildet sein, um für eine Rückstellkraft zu sorgen, die eine lineare Bewegung verwendet, wie es in 14 klarer gezeigt ist. Optional sollte es offensichtlich sein, dass die Gabel 190 und das verschiebbare Element 192 horizontal anstelle von vertikal, wie es gezeigt ist, orientiert sein können.
Wie es in 14 klarer gezeigt ist, umfasst der Rückstellmechanismus einen SMA-Draht 194, der ausgebildet ist, um die Anordnung 180 mit dem verschiebbaren Element gegen die unidirektional orientierten Sperrklinkenzähne zu verschieben, welche ausgebildet sind, um, wenn sie in Eingriff stehen, eine Bewegung nach beispielsweise rechts zu verhindern. Ein zweiter SMA-Draht 196 ist ausgebildet, um für eine selektive Freigabe der Sperrklinkenzähne zu sorgen und dadurch eine Bewegung nach rechts zu ermöglichen, sodass die Anordnung zurückgestellt werden kann. Ein dritter SMA-Draht 198 ist ausgebildet, um für die Freigabe der Sperrklinken-Blattfeder-Anordnung (A) zu sorgen. Es ist zu bemerken, dass die Sperrklinken-Blattfeder-Anordnung an einer gegenüberliegenden Seite der Gabel 190 wiedergespiegelt werden könnte. In 14 ist ferner ein Bewegungsbegrenzer B gezeigt. Der Bewegungsbegrenzer umfasst eine Nocke, an der Enden von Drähten 194 und 196 befestigt sind. Dadurch wird, beispielsweise bei einem Kontakt des gepolsterten Abschnitts 74 mit dem Kopf eines Insassen, eine fortgesetzte Vorwärtsbewegung begrenzt, und die überschüssige Spannung des aktiven Materials 194 würde den Begrenzer B verdrehen, wodurch das andere aktive Material 196 pseudoplastisch gespannt wird.
15 veranschaulicht eine Kopfstützenanordnung 200, die einen Versteifungsmechanismus mit einem aktiven Material verwendet. Die Anordnung umfasst ein flexibles Element 202, das sich relativ zu einem stationären Abschnitt 204 nach außen biegt. Ein aktives Material 206, z. B. ein Formgedächtnislegierungsdraht, ist an jedem Ende des flexiblen Elements gehalten. Das flexible Element umfasst mehrere Einkerbungen 208 entlang einer inneren Oberfläche, um der Biegung nach außen entgegen zu kommen. Das flexible Element kann ferner einen in Eingriff bringbaren Abschnitt 210 umfassen, der verwendet werden kann, um mit einer gegenüberliegenden Oberfläche 212 in Eingriff zu gelangen, die eine gezahnte Oberfläche nach Art einer Sperrklinke aufweist. Der Einbauort des Sperrklinkenabschnitts soll nicht auf die gezeigten Einbauorte beschränkt sein. Beispielsweise kann eine Sperrklinke vor dem flexiblen Element oder hinter dessen Drehpunkt geformt sein. Es sollte für den Fachmann einzusehen sein, dass die Orientierung der Sperrklinkenzähne unidirektional ist. Das heißt, eine Verdrehung des in Eingriff bringbaren Abschnitts 210 gegen die Sperrklinkenzähne kann beispielsweise im Uhrzeigersinn auftreten, wird aber entgegen dem Uhrzeigersinn verhindert.
Obwohl Bezug auf eine Bewegung eines gepolsterten Abschnitts relativ zu einer stationären Oberfläche genommen wurde, können andere Ausführungsformen, die ähnliche Konzepte nutzen, verwendet werden. Beispielsweise kann der auf dem aktiven Material basierende Akutator in einem Kasten ausgebildet sein, der für eine Bewegung der Kopfstütze nach vorne und oben sorgt. 16 und 17 veranschaulichen eine derartige Ausführungsform einer Kopfstütze 240. Ein Kopfstützenabschnitt 246 ist ausgebildet, um sich relativ zu den Stützelementen 242 nach vorne und nach oben zu bewegen. Scharnierelemente 244 sind an einem Ende an den Stützpfosten und an dem anderen Ende an dem Kopfstützenabschnitt 246 verschwenkbar befestigt. Ein Aktuator- und Sperrklinkensystem wie diejenigen, die voranstehend offenbart wurden, kann verwendet werden, um eine Bewegung des Scharnierelements zu bewirken.
Obwohl spezieller Bezug auf die Verwendung von Formgedächtnislegierungen und piezoelektrischen Materialien genommen wurde, ist zu verstehen, dass andere aktive Materialien verwendet werden können. Beispielsweise könnten elektroaktive Polymere, magnetorheologische (MR) Fluide, elektrorheologische Fluide, MR-Polymere, ferromagnetische Magnetostriktive und Formgedächtnispolymere verwendet werden, die meisten individuell, aber einige, wie beispielsweise MR, in Kombination mit anderen, um die Dimensions- und Steifigkeitsveränderungen in der Kopfstütze, wie voranstehend beschrieben, zu bewirken.
EAPs sind im Wesentlichen ein Laminat, das aus einem Paar von Elektroden mit einer Zwischenschicht aus einem dielektrischen Material mit einem niedrigen elastischen Modul besteht. Das Anlegen eines Potenzials zwischen den Elektroden drückt die Zwischenschicht zusammen und bewirkt, dass sich diese in der Ebene ausdehnt. Sie zeigen eine zu dem angelegten Feld proportionale Reaktion und können mit hohen Frequenzen betätigt werden. EAP-Fleckenvibratoren wurden demonstriert (in 2005 auf der SPIE-Konferenz von dem Unternehmen Artificial Muscle Inc.). Ihr großer Nachteil ist, dass sie angelegte Spannungen erfordern, die ungefähr drei Größenordnungen größer als diejenigen sind, die von Piezoelektrika erfordert werden.
Elektroaktive Polymere umfassen solche Polymermaterialien, die in Ansprechen auf elektrische oder mechanische Felder piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften zeigen. Ein Beispiel eines elektrostriktiv gepfropften Elastomers ist ein piezoelektrisches Poly(vinylidenfluorid-trifluorethylen)-Copolymer. Diese Kombination besitzt die Fähigkeit, eine mannigfaltige Menge von ferroelektrischelektrostriktiven Molekularkompositsystemen zu erzeugen. Diese können als ein piezoelektrischer Sensor oder sogar als ein elektrostriktiver Aktuator betrieben werden.
Materialien, die zur Verwendung als elektroaktives Polymer geeignet sind, umfassen jedes im Wesentlichen isolierende Polymer oder Kautschuk (oder eine Mischung davon), welches sich in Ansprechen auf eine elektrostatische Kraft deformiert oder dessen Deformation zu einer Änderung eines elektrischen Feldes führt. Beispielhafte Materialien, die für eine Verwendung als ein vorgespanntes Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere, die PVDF umfassen, Haftklebstoffe, Fluorelastomere, Polymere, die Silikon- und Acrylreste umfassen, und dergleichen. Polymere, die Silikon- und Acrylreste aufweisen, können beispielsweise Copolymere, die Silikon- und Acrylreste aufweisen, Polymermischungen, die ein Silikonelastomer und ein Acrylelastomer aufweisen, umfassen.
Materialien, die als ein elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf der Grundlage einer oder mehrerer Materialeigenschaften ausgewählt werden, wie beispielsweise einer hohen elektrischen Durchbruchsstärke, eines geringen Elastizitätsmoduls (für große und kleine Deformationen), einer hohen dielektrischen Konstante und dergleichen. Bei einer Ausführungsform wird das Polymer so ausgewählt, dass es ein elastisches Modul von höchstens etwa 100 MPa besitzt. Bei einer anderen Ausführungsform wird das Polymer so ausgewählt, dass es einen maximalen Betätigungsdruck zwischen etwa 0,05 MPa und etwa 10 MPa und vorzugsweise zwischen etwa 0,3 MPa und etwa 3 MPa besitzt. Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Polymer so gewählt, dass es eine dielektrische Konstante zwischen etwa 2 und etwa 20 und vorzugsweise zwischen etwa 2,5 und etwa 12 besitzt. Die vorliegende Offenbarung soll nicht auf diese Bereiche beschränkt sein. Idealerweise wären Materialien wünschenswert, die eine höhere dielektrische Konstante als die voranstehend angegebenen Bereiche besitzt, wenn die Materialien sowohl eine hohe dielektrische Konstante als auch eine hohe dielektrische Stärke besäßen. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere als Dünnschichten hergestellt und verbaut werden. Für diese Dünnschichten geeignete Dicken können unter 50 Mikrometern liegen.
Da elektroaktive Polymere bei hohen Spannungen verbiegen können, sollten an den Polymeren befestigte Elektroden ebenfalls verbiegen, ohne die mechanische oder elektrische Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen. Generell können zur Verwendung geeignete Elektroden jede beliebige Form und jedes beliebige Material aufweisen, vorausgesetzt dass sie in der Lage sind, eine geeignete Spannung an ein elektroaktives Polymer zu liefern oder eine geeignete Spannung von diesem zu empfangen. Die Spannung kann entweder konstant sein oder über die Zeit variieren. Bei einer Ausführungsform haften die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers an. An das Polymer anhaftende Elektroden sind vorzugsweise nachgiebig und passen sich an die sich ändernde Form des Polymers an. Dementsprechend kann die vorliegende Offenbarung nachgiebige Elektroden umfassen, die sich an die Form eines elektroaktiven Polymers, an dem sie befestigt sind, anpassen. Die Elektroden können nur an einem Abschnitt eines elektroaktiven Polymers angebracht sein und entsprechend ihrer Geometrie einen aktiven Bereich definieren. Verschiedene Arten von Elektroden, die zur Verwendung mit der vorliegenden Offenbarung geeignet sind, umfassen strukturierte Elektroden, die Spuren von Metall und Ladungsverteilungsschichten aufweisen, texturierte Elektroden, die variierende sich aus der Ebene erstreckende Dimensionen aufweisen, leitfähige Schmiermittel, wie beispielsweise Kohlenstoffschmiermittel oder Silberschmiermittel, kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien mit einem hohen Aspektverhältnis, wie beispielsweise Kohlenstofffibrillen und Kohlenstoffnanoröhren, und Mischungen von ionisch leitfähigen Materialien.
Die für Elektroden der vorliegenden Offenbarung verwandten Materialien können variieren. Geeignete Materialien, die in einer Elektrode verwendet werden, können Graphit, Carbon Black, kolloidale Suspensionen, dünne Metalle einschließlich Silber und Gold, silbergefüllte und kohlenstoffgefüllte Gele und Polymere, sowie ionisch oder elektronisch leitfähige Polymere umfassen. Es ist zu verstehen, dass bestimmte Elektrodenmaterialien mit speziellen Polymeren gut funktionieren und für andere nicht so gut funktionieren können. Beispielsweise funktionieren Kohlenstofffibrillen gut mit Acrylelastomerpolymern aber nicht so gut mit Silikonpolymeren.
MR-Fluide und -Elastomere zeigen eine Scherfestigkeit, die zu der Stärke eines angelegten magnetischen Feldes proportional ist. Eigenschaftsveränderungen von mehreren hundert Prozent können innerhalb einiger Millisekunden bewirkt werden, was sie für eine Vibrations-Eigenschaftsänderungseingabe zusätzlich zu einer Stufenfunktion-Eigenschaftsänderungseingabe besonders geeignet macht, in diesem Fall im Sinne der Steifigkeit/Geometrie der Kopfstütze.
Geeignete magnetorheologische Fluidmaterialien umfassen, sollen aber nicht beschränkt sein auf, ferromagnetische oder paramagnetische Teilchen, die in einem Trägerfluid verteilt sind. Geeignete Teilchen umfassen Eisen; Eisenlegierungen, wie beispielsweise solche, die Aluminium, Silizium, Kobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer aufweisen; Eisenoxide, einschließlich Fe₂O₃ und Fe₃O₄; Eisennitride; Eisencarbide; Carbonyleisen; Nickel und Legierungen von Nickel; Kobalt und Legierungen von Kobalt; Chromdioxid; Edelstahl; Siliziumstahl; und dergleichen.
Die Teilchengröße sollte so gewählt sein, dass die Teilchen mehrfache magnetische Domäneneigenschaften zeigen, wenn sie einem magnetischen Feld ausgesetzt werden. Durchmessergrößen für die Partikel können kleiner als oder gleich etwa 1.000 Mikrometer sein, wobei kleiner als oder gleich etwa 500 Mikrometer bevorzugt ist und kleiner als oder gleich etwa 100 Mikrometer noch bevorzugter ist. Ebenfalls bevorzugt ist ein Teilchendurchmesser von größer als oder gleich etwa 0,1 Mikrometer, wobei größer als oder gleich etwa 0,5 bevorzugter ist und größer als oder gleich etwa 10 Mikrometer besonders bevorzugt ist. Die Teilchen liegen vorzugsweise in einer Menge zwischen etwa 5,0 bis etwa 50 Prozent nach Volumen der gesamten MR-Fluidzusammensetzung vor.
Geeignete Trägerfluide umfassen organische Flüssigkeiten, insbesondere nichtpolare organische Flüssigkeiten. Beispiele umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Silikonöle; Mineralöle; Paraffinöle; Silikoncopolymere; Weißöle; hydraulische Öle; Transformatoröle; halogenierte organische Flüssigkeiten, wie beispielsweise chlorierte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Paraffine, perfluorierte Polyether und fluorierte Kohlenwasserstoffe; Diester; Polyoxyalkylene; fluoriere Silikone; Cyanoalkylsiloxane; Glykole; synthetische Kohlenwasserstofföle einschließlich sowohl ungesättigte als auch gesättigte; und Mischungen, die mindestens eine der vorstehenden Fluide aufweisen.
Die Viskosität der Trägerkomponente kann geringer 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 nach bevorzugter sind. Ebenfalls bevorzugt ist eine Viskosität von größer als oder gleich etwa 1 Centipoise, wobei größer als oder gleich etwa 250 Centipoise bevorzugt ist und größer als oder gleich etwa 500 Centipoise besonders bevorzugt ist.
Wasserhaltige Trägerfluide können ebenfalls verwendet werden, insbesondere solche, die hydrophile Mineraltone aufweisen, wie beispielsweise Bentonit oder Hectorit. Das wasserhaltige Trägerfluid kann Wasser aufweisen oder Wasser, das eine geringe Menge von polaren wassermischbaren organischen Lösungsmitteln aufweist, wie beispielsweise Methanol, Ethanol, Propanol, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Aceton, Tetrahydrofuran, Diethylether, Ethylenglykol, Propylenglykol und dergleichen. Die Menge von polaren organischen Lösungsmitteln ist geringer als oder gleich etwa 5,0 Vol.-% des gesamten MR-Fluids, und vorzugsweise geringer als oder gleich etwa 3,0%. Ferner ist die Menge der polaren organischen Lösungsmittel vorzugsweise größer als oder gleich etwa 0,1% und noch bevorzugter größer als oder gleich etwa 1,0 Vol.-% des gesamten MR-Fluids. Der pH-Wert des wässrigen Trägerfluids ist vorzugsweise geringer als oder gleich etwa 13 und vorzugsweise geringer als oder gleich etwa 9,0. Des Weiteren ist der pH-Wert des wässrigen Trägerfluids größer als oder gleich etwa 5,0 und vorzugsweise größer als oder gleich etwa 8,0.
Natürliches oder synthetisches Bentonit oder Hectorit kann verwendet werden. Die Menge von Bentonit oder Hectorit in dem MR-Fluid ist geringer als oder gleich etwa 10% nach Gewicht des gesamten MR-Fluids, vorzugsweise geringer als oder gleich etwa 8,0% nach Gewicht und noch bevorzugter geringer als oder gleich etwa 6,0% nach Gewicht. Vorzugsweise liegt das Bentonit oder Hectorit in mehr als oder gleich etwa 0,1% nach Gewicht, bevorzugter mehr als oder gleich etwa 1,0% nach Gewicht und besonders bevorzugt mehr als oder gleich etwa 2,0% nach Gewicht des gesamten MR-Fluids vor.
Optionale Komponenten in dem MR-Fluid umfassen Tone, Organotone, Carboxylatseifen, Dispergiermittel, Korrosionsinhibitoren, Schmiermittel, Extremdruck-Verschleißschutzadditive, Antioxidationsmittel, thixotrope Mittel und herkömmliche Suspensionsmittel. Carboxylatseifen umfassen Eisen(II)oleat, Eisen(II)-naphthenat, Eisen(II)-stearat, Aluminiumdi- und -tristearat, Lithiumstearat, Calciumstearat, Zinkstearat und Natriumstearat, und Tenside, wie beispielsweise Sulfonate, Phosphatester, Stearinsäure, Glycerinmonooleat, Sorbitansesquioleat, Laurate, Fettsäuren, Fettalkohole, fluoroaliphatische Polymerester und Titanat-, Aluminat- und Zirkonat-Kupplungen und dergleichen. Polyalkylendiole, wie beispielsweise Polyethylenglykol, und teilweise veresterte Polyole können ebenfalls umfasst sein.
Geeignete MR-Elastomermaterialien umfassen, sollen aber nicht beschränkt sein auf eine elastische Polymermatrix, die eine Suspension aus ferromagnetischen oder paramagnetischen Partikeln aufweist, wobei die Partikel vorstehend beschrieben sind. Geeignete Polymermatrizes umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Poly-alpha-Olefine, Naturkautschuk, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopropen und dergleichen.
ER-Fluide sind MR-Fluiden insofern ähnlich, als sie eine Änderung in der Scherfestigkeit zeigen, wenn sie einem angelegten Feld ausgesetzt werden, in diesem Fall einer Spannung anstelle eines magnetischen Feldes. Die Reaktion ist schnell und proportional zu der Stärke des angelegten Feldes.
MR-Polymere bestehen typischerweise aus Eisenpartikeln, die in eine hochflexible Polymermatrix eingebettet sind. Das Anlegen eines magnetischen Feldes bewirkt eine Änderung in der Steifigkeit und möglicherweise der Form des MR-Polymers. Steifigkeits- und Formänderungen sind proportional zu der Stärke des angelegten Feldes und können ziemlich schnell sein. Das größte Problem hierbei besteht in dem Verpacken der felderzeugenden Spulen.
Ferromagnetische SMAs zeigen schnelle Dimensionsänderungen von bis zu einigen Prozent in Ansprechen auf ein angelegtes magnetisches Feld (und proportional zu der Stärke desselben). Nachteile bestehen in der Tatsache, dass die Veränderungen Einwegeveränderungen sind und die Anwendung entweder einer vorspannenden Kraft oder einer Feldumkehr erfordern, um die ferromagnetische SMA in ihre Ausgangskonfiguration zurückzubringen.
Magnetostriktive sind Festkörper, die eine große mechanische Deformation entwickeln, wenn sie einem äußeren magnetischen Feld ausgesetzt werden. Dieses Magnetostriktionsphänomen wird den Rotationen kleiner magnetischer Domänen in den Materialien zugesprochen, welche zufällig orientiert sind, wenn das Material keinem magnetischen Felds ausgesetzt ist. Die Formveränderung ist in ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Festkörpern am größten. Terfinol D ist die am genauesten untersuchte Form eines Magnetostriktivs. Magnetostriktive zeigen eine relativ hohe Frequenzfähigkeit, die Spannung ist proportional zu der Stärke des angelegten magnetischen Feldes, und diese Arten von Materialien kehren bei einer Entfernung des angelegten Feldes in ihre Ausgangsdimension zurück.
Formgedächtnispolymere (SMP) zeigen einen drastischen Abfall im Modul, wenn sie über die Glasübergangstemperatur desjenigen ihrer Bestandteile hinaus erwärmt werden, der eine niedrigere Glasübergangstemperatur besitzt. Wenn die Belastung/Deformation aufrecht erhalten wird, während die Temperatur gefallen ist, bleibt die deformierte Form in dem SMP eingestellt, bis es wieder erwärmt wird, während es unbelastet ist, unter welcher Bedingung es zu seiner Form zurückkehrt, in der es hergestellt wurde. Wenn sie erhitzt werden, fällt ihr Modul um einen Faktor von 30 oder mehr, und in diesem flexiblen Zustand könnte die gespeicherte Energie durch das SMP nicht länger blockiert werden und würde somit auf diese Weise freigesetzt werden, was es der vorderen Oberfläche der Kopfstütze ermöglicht, in Richtung des Kopfes des sitzenden Insassen verschoben zu werden.
Die meisten SMPs zeigen einen ”Einwege”-Effekt, wobei das SMP eine dauerhafte Form zeigt. Im Allgemeinen sind SMPs phasengetrennte Copolymere, die wenigstens zwei verschiedene Einheiten aufweisen, die so beschrieben werden können, dass sie verschiedene Segmente in dem SMP definieren, wobei jedes Segment unterschiedlich zu den Gesamteigenschaften des SMP beiträgt. Wie hierin benutzt, bezieht sich der Ausdruck ”Segment” auf einen Block, einen Pfropfen oder eine Sequenz der gleichen oder ähnlicher Monomer- oder Oligomereinheiten, die zur Bildung des SMP copolymerisiert sind. Jedes Segment kann kristallin oder amorph sein und wird jeweils einen entsprechenden Schmelzpunkt oder eine entsprechende Glasübergangstemperatur (Tg) aufweisen. Der Einfachheit halber wird der Ausdruck ”thermische Übergangstemperatur” hierin verwendet, um generisch entweder eine Tg oder einen Schmelzpunkt zu bezeichnen, abhängig davon, ob das Segment ein amorphes Segment oder ein kristallines Segment ist. Für SMPs, die (n) Segmente aufweisen, sagt man, dass das SMP ein hartes Segment und (n – 1) weiche Segmente besitzt, wobei das harte Segment eine höhere thermische Übergangstemperatur als jedes weiche Segment aufweist. Somit weist das SMP (n) thermische Übergangstemperaturen auf. Die thermische Übergangstemperatur des harten Segments wird die ”letzte Übergangstemperatur” genannt, und die niedrigste thermische Übergangstemperatur des sogenannten ”weichsten” Segments wird die ”erste Übergangstemperatur” genannt. Es ist wichtig zu bemerken, dass man sagt, dass das SMP mehrere harte Segmente aufweist, wenn das SMP mehrere Segmente aufweist, die durch die gleiche thermische Übergangstemperatur charakterisiert sind, welche auch die letzte Übergangstemperatur ist.
Wenn das SMP über die letzte Übergangstemperatur hinaus erwärmt wird, kann das SMP-Material geformt werden. Eine dauerhafte Form des SMP kann eingestellt oder gespeichert werden, indem man das SMP anschließend unter diese Temperatur abkühlt. Wie hier verwendet, sind die Ausdrücke ”ursprüngliche” Form, ”zuvor definierte Form” und ”dauerhafte Form” gleichbedeutend und dazu gedacht, austauschbar verwendet zu werden. Eine vorübergehende Form kann eingestellt werden, indem das Material auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher als eine thermische Übergangstemperatur jedes der weichen Segmente ist und trotzdem unterhalb der letzten Übergangstemperatur liegt, eine äußere Spannung oder Belastung zur Verformung des SMP angelegt wird und dann unter die spezielle thermische Übergangstemperatur des weichen Segments abgekühlt wird.
Die dauerhafte Form kann wiedererlangt werden, indem das Material, während die Spannung oder Belastung entfernt ist, über die spezielle thermische Übergangstemperatur des weichen Segments und trotzdem unterhalb der letzten Übergangstemperatur erwärmt wird. Somit sollte klar sein, dass es durch Kombinieren von mehreren weichen Segmenten möglich ist, mehrere vorübergehende Formen zu zeigen, und mit mehreren harten Segmenten kann es möglich sein, mehrere dauerhafte Formen zu zeigen. Unter Verwendung eines geschichteten oder Verbundansatzes wird auf ähnliche Weise eine Kombination von mehreren SMPs Übergänge zwischen mehreren vorübergehenden und dauerhaften Formen zeigen.
Für SMPs mit nur zwei Segmenten wird die vorübergehende Form des Formgedächtnispolymers bei der ersten Übergangstemperatur eingestellt, worauf ein Abkühlen des SMP erfolgt, während es belastet ist, um die vorübergehende Form zu fixieren. Die vorübergehende Form wird solange beibehalten, wie das SMP unterhalb der ersten Übergangstemperatur bleibt. Die dauerhafte Form wird wiedergewonnen, wenn das SMP erneut über die erste Übergangstemperatur gebracht wird. Eine Wiederholung der Erwännungs-, Verformungs- und Abkühlschritte kann die vorübergehende Form wiederholt zurücksetzen.
Die meisten SMPs zeigen einen ”Einwege”-Effekt, wobei das SMP eine dauerhafte Form zeigt. Beim Erwärmen des Formgedächtnispolymers ohne Spannung oder Last über die thermische Übergangstemperatur eines weichen Segments wird die dauerhafte Form erreicht, und die Form wird nicht ohne die Verwendung von äußeren Kräften zu der vorübergehenden Form zurückkehren.
Als eine Alternative können einige Formgedächtnispolymerzusammensetzungen so vorbereitet werden, dass sie einen ”Zweiwege”-Effekt zeigen, bei dem das SMP zwei dauerhafte Formen zeigt. Diese Systeme umfassen mindestens zwei Polymerkomponenten. Beispielsweise könnte eine Komponente ein erstes quervernetztes Polymer sein, während die andere Komponente ein anderes quervernetztes Polymer ist. Die Komponenten sind durch Schichttechniken kombiniert oder sind sich gegenseitig durchdringende Netzwerke, wobei die zwei Polymerkomponenten quervernetzt sind, aber nicht miteinander. Durch Ändern der Temperatur verändert das Formgedächtnispolymer seine Form in Richtung einer ersten dauerhaften Form oder einer zweiten dauerhaften Form. Jede der dauerhaften Formen gehört zu einer Komponente des SMP. Die Temperaturabhängigkeit der Gesamtform wird durch die Tatsache verursacht, dass die mechanischen Eigenschaften der einen Komponente (”Komponente A”) nahezu unabhängig von der Temperatur in dem interessierenden Temperaturintervall sind. Die mechanischen Eigenschaften der anderen Komponente (”Komponente B”) sind in dem interessierenden Temperaturintervall temperaturabhängig. Bei einer Ausführungsform wird die Komponente B im Vergleich zur Komponente A bei niedrigen Temperaturen stärker, während die Komponente A bei hohen Temperaturen stärker ist und die tatsächliche Form bestimmt. Eine Zweiwege-Gedächtniseinrichtung kann angefertigt werden, indem die dauerhafte Form der Komponente A (”erste dauerhafte Form”) eingestellt wird, die Einrichtung in die dauerhafte Form der Komponente B (”zweite dauerhafte Form”) deformiert wird und die dauerhafte Form der Komponente B fixiert wird, während eine Spannung ausgeübt wird.
Der Fachmann sollte erkennen, dass es möglich ist, die SMPs in vielen verschiedenen Formen und Gestalten zu konfigurieren. Die Entwicklung der Zusammensetzung und der Struktur des Polymers selbst kann die Auswahl einer speziellen Temperatur für eine gewünschte Anwendung ermöglichen. Beispielsweise kann, abhängig von der speziellen Anwendung, die letzte Übergangstemperatur von etwa 0°C bis etwa 300°C oder darüber betragen. Eine Temperatur zur Wiederherstellung der Form (d. h. eine thermische Übergangstemperatur eines weichen Segments) kann größer als oder gleich etwa –30°C sein. Eine weitere Temperatur zur Wiederherstellung der Form kann größer als oder gleich etwa 20°C sein. Eine weitere Temperatur zur Wiederherstellung der Form kann größer als oder gleich etwa 70°C sein. Eine weitere Temperatur zur Wiederherstellung der Form kann kleiner als oder gleich etwa 250°C sein. Noch eine weitere Temperatur zur Wiederherstellung der Form kann kleiner als oder gleich etwa 200°C sein. Schließlich kann eine weitere Temperatur zur Wiederherstellung der Form kleiner als oder gleich etwa 180°C sein.
Geeignete Polymere zur Verwendung in den SMP's umfassen Thermoplasten, Duroplasten, sich gegenseitig durchdringende Netzwerke, sich halb durchdringende Netzwerke oder gemischte Netzwerke von Polymeren. Die Polymere können ein einzelnes Polymer oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können lineare oder verzweigte thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder mit dendritischen Strukturelementen sein. Geeignete Polymerkomponenten zur Bildung eines Formgedächtnispolymers umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Polyphosphazene, Polyvinylalkohole, Polyamide, Polyesteramide, Polyaminosäuren, Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglykole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylactide, Polyglykolide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester, Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidon, chloriertes Polybutylen, Poly(octadecylvinylether-ethylenvinylacetat), Polyethylen, Polyethylenoxid-Polyethylenterephthalat, Polyethylen/Nylon (Pfropfcopolymer), Polycaprolactone-Polyamid (Blockcopolmer), Poly(caprolacton)dimethacrylat-n-butylacrylat, Poly(norbornyl-polyhedrisches Oligomersilsesquioxan), Polyvinylchlorid, Urethan/Butadien-Copolymere, Polyurethan-Blockcopolymere, Styrol-Butadien-Styrol-Blockcopolymere und dergleichen und Mischungen, die mindestens eine der vorstehenden Polymerkomponenten aufweist. Beispiele für geeignete Polyacrylate umfassen Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat und Polyoctadecylacrylat. Das Polymer (die Polymere), das (die) zur Bildung der verschiedenen Segmente in dem voranstehend beschriebenen SMP's verwendet wird (werden), sind entweder kommerziell erhältlich oder können unter Verwendung üblicher Chemie synthetisiert werden. Fachleute können die Polymere unter Verwendung bekannter Chemie und Verfahrenstechniken ohne ungebührliches Experimentieren leicht herstellen.
Optional kann ein Positionsbestimmungssystem zur Bestimmung der Position des Kopfes und/oder des Nackens des Insassen an dem Fahrzeug vorgesehen sein, z. B. in dem Sitz. Als solches kann das Positioniersystem so gestaltet sein, dass es die Position der Stützstruktur auf der Grundlage der bestimmten Position des Insassenkopfes und/oder -nackens einstellt. Bei anderen Ausführungsformen kann ein Sensor in Kombination mit der Aktivierungseinrichtung verwendet werden, um bei einem Auslöseereignis für das angelegte Feld zu sorgen. Auf diese Weise bewirkt die Betätigung des aktiven Materials, dass sich die Kontaktoberfläche der Kopfstütze vorwärts bewegt und einen Zwischenraum zwischen der Kontaktoberfläche der Kopfstütze und eines Insassenkopfes, sofern vorhanden, verringert. Die durch das aktive Material bereitgestellte Änderung in der räumlichen Distanz kann vorteilhafterweise auch für Veränderungen in den Steifigkeitseigenschaften der Kopfstütze sorgen, kann dazu genutzt werden, die Energieabsorptionseigenschaften der Kopfstütze zu ändern und kann des Weiteren ermöglichen, dass die Kopfstütze auf der Grundlage der Sensoreingabe selektiv abgestimmt wird. Beispielsweise können die Anthropometrieeigenschaften des Insassen, z. B. Gewicht, Höhe, Größe, Gewichtsverteilung und dergleichen, sowie die Sitzgeometrie, z. B. Zurücklehnen, nach vorne lehnen, die Kopfposition bezüglich der Kopfstütze und dergleichen, Eingabevariablen zur Verformung der Kopfstütze zu einem geeigneten Zeitpunkt und um ein geeignetes Maß sein. Beispielsweise können verschiedene Sensoren, wie beispielsweise Drucksensoren, Positionssensoren (Kapazität, Ultraschall, Radar, Kamera und dergleichen), Wegsensoren, Geschwindigkeitssensoren, Beschleunigungssensoren und dergleichen in und um den Fahrzeugsitz und die Kopfstütze herum angeordnet sein und zur Regulierung und Aktivierung des aktiven Materials in Wirkverbindung mit einem Controller stehen, um das gewünschte Maß an Kopfstützenverformung zu bewirken. Auf diese Weise kann die Kopfstütze beispielsweise zur Präkonditionierung vor einem diskreten Ereignis aktiv reagieren. Ein voreinstellendes Insassenidentifikationsmerkmal könnte gleichwirkend mit dem Sitzgedächtnisauswahlschalter verwendet werden.
Es sollte verstanden sein, dass bei verschiedenen anderen Ausführungsformen Kombinationen von verschiedenen Materialien zur Bildung aktiver Strukturen verwendet werden können (z. B. Komposit/Sandwich-Platten, Scharniere, Rahmen, Drehzapfen und dergleichen). Wie voranstehend diskutiert wurde, kann beispielsweise eine Formgedächtnislegierung in jeglicher Form (Draht, Bänder und dergleichen) in eine elastische Matrix (Polymer oder ein beliebiges weiches Material) eingebettet sein, um den Schutz der Drähte und/oder die Vibrationskontrolle und Energieabsorption zu verbessern. Darüber hinaus sorgen Kombinationen von Formgedächtnislegierungen und Formgedächtnispolymeren für eine große Auswahl von Bewegungen und Wegen zur Steuerung derselben. Superelastische Formgedächtnislegierungen sind nicht nur zur Energieabsorption oder an Orten nützlich, wo große Deformationen benötigt werden. Strukturen, die eine hohe Ausgangssteifigkeit, aber geringe Kraftanforderungen für ihre Verformung erfordern, können ebenfalls aus diesen Materialien hergestellt werden (z. B. superelastische mehrfach stabile Scharniere für hochstabile Positionen), die kein(e) übermäßige(s) Kraft/Drehmoment zur Positionsänderung erfordern.
Während einige Anwendungen der Kopfstütze voranstehend diskutiert wurden, hat die Verwendung aktiver Materialien zur Umformung und/oder Veränderung des Moduls der Kopfstütze eine potenziell breite Anwendung. Tatsächlich können sie verwendet werden, um den Fahrer in Verbindung mit verschiedenen sensorbasierten Komfort-, Bequemlichkeits- und Schutzsystemen zu unterstützen, wie beispielsweise einem Parkassistenten zur Sicht nach hinten (ein Beispiel ist die Verringerung der Größe, die Bewegung oder Verdrehung der Kopfstütze aus dem Blickfeld während des Rückwärtsfahrens und deren langsame Repositionierung, wenn das Fahrzeug in einen anderen Gang geschaltet wird). Ein weiterer Vorteil der Verwendung aktiver Materialien besteht darin, dass sie die Personalisierung der Stärke und/oder Natur der Veränderungen erlauben würden, die in der Kopfstütze bewirkt werden.
Die hierin offenbarten aktiven Kopfstützen können in Vordersitzen, Rücksitzen, Kindersitzen, einem beliebigen Sitz in einem Auto oder Transportfahrzeug, einschließlich anderer Industriefelder, wie Fluglinien, Unterhaltungssitzen, zu Hause, und dergleichen, eingesetzt werden, einschließlich des Verkaufens von etwas in dem Ersatzteilmarkt, als eine Zugabe, die über etwas oder auf etwas angeordnet werden kann und als eine modifizierbare Kopfstütze für Komfort funktioniert. Andere Funktionen können Vibration umfassen (zum Beispiel mit einem EAP oder piezoelektrischen Flecken), welche zum Massieren verwendet werden kann. Eine weitere Anwendung sind Schlummerkopfstützen für Kindersitze, wenn das Kind schläft.
Vorteilhafterweise sind die hierin beschriebenen Kopfstützen leicht beweglich, was eine große Auswahl von Kopfstützenpositionen für den Komfort und den Schutz des Insassen ermöglicht, die auf Anforderung eingestellt werden können.

Claims

Kopfstützenanordnung (30, 50, 60) für einen Sitz, umfassend: einen Körperabschnitt (20) mit mindestens einer gepolsterten Oberfläche, die mit dem Kopf eines sitzenden Insassen im Wesentlichen fluchtet; und ein Draht (32, 52, 63) aus aktivem Material in Wirkverbindung mit der mindestens einen gepolsterten Oberfläche des Körperabschnitts (20), wobei der Draht (32, 52, 63) in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal seine Länge ändert, und wobei mit der Längenänderung ein Zwischenraum zwischen dem Insassenkopf und der mindestens einen gepolsterten Oberfläche abnimmt und/oder sich eine Nachgiebigkeitseigenschaft der Kopfstütze (30, 50, 60) verändert.
Kopfstützenanordnung nach Anspruch 1, wobei das aktive Material ein Formgedächtnispolymer, eine Formgedächtnislegierung, ein elektroaktives Polymer, ein magnetorheologisches Elastomer, ein piezoelektrisches Material, ein magnetostriktives Material, ein elektrorheologisches Elastomer, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung oder eine Kombination aufweist, die mindestens eines der voranstehenden aktiven Materialien aufweist.
Kopfstützenanordnung nach Anspruch 1, wobei der Körperabschnitt (20) an mindestens einem Stützpfosten (34, 54, 64) fest befestigt ist.
Kopfstützenanordnung nach Anspruch 1, wobei das Aktivierungssignal ein thermisches Aktivierungssignal, ein magnetisches Aktivierungssignal, ein elektrisches Aktivierungssignal, ein chemisches Aktivierungssignal oder eine Kombination umfasst, die mindestens eines der voranstehenden Signale umfasst.
Kopfstützenanordnung nach Anspruch 1, ferner mindestens einen Sensor und einen Controller umfassend, der mit dem aktiven Material in Wirkverbindung steht.
Kopfstützenanordnung nach Anspruch 1, wobei der Körperabschnitt (20) und die gepolsterte Oberfläche so ausgebildet sind, dass sie in Ansprechen auf das Aktivierungssignal an das aktive Material den Zwischenraum verringern.
Kopfstützenanordnung nach Anspruch 1, ferner einen unidirektionalen lösbaren Sperrklinkenmechanismus umfassend, der mit der mindestens einen gepolsterten Oberfläche in Wirkverbindung steht und ausgebildet ist, um eine Vergrößerung des Zwischenraums zwischen dem Insassenkopf und der mindestens einen gepolsterten Oberfläche zu verhindern, sobald das aktive Material bei einem Kontakt der mindestens einen gepolsterten Oberfläche mit einem Objekt aktiviert wird.
Kopfstützenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Änderung der mindestens einen Eigenschaft eine Blase (62) aufbläst, die mit dem aktiven Material in Wirkverbindung steht.
Kopfstützenanordnung (70, 180, 200) für einen Sitz, umfassend: mindestens einen Stützpfosten (72), der sich von dem Sitz nach oben erstreckt; einen Kopfstützenkörper (86, 186, 204), der an dem mindestens einen Stützpfosten befestigt ist; einem gepolsterten Abschnitt (74, 184, 202), der mit dem Kopfstützenkörper (86, 186, 204) in Schwenkverbindung steht und mit dem Kopf eines sitzenden Insassen im Wesentlichen ausgerichtet ist; und einen auf einem Draht aus aktivem Material basierenden Aktuator, der mit dem gepolsterten Abschnitt in einer zusammenwirkenden Beziehung steht, wobei der Aktuator infolge einer Längenänderung des Drahts aus aktivem Material in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal den gepolsterten Abschnitt (74, 184, 202) relativ zu dem Kopfstützenkörper (86, 186, 204) nach vorne und/oder nach oben bewegt.
Kopfstützenanordnung nach Anspruch 9, wobei das aktive Material aus einer Gruppe gewählt ist, die aus einem Formgedächtnispolymer, einer Formgedächtnislegierung, einem elektroaktiven Polymer, einem magnetorheologischen Elastomer, einem piezoelektrischen Material, einem magnetostriktiven Material, einem elektrorheologischen Elastomer, einer ferromagnetischen Formgedächtnislegierung und Kombinationen von mindestens einem der voranstehenden aktiven Materialien besteht.
Kopfstützenanordnung nach Anspruch 9, ferner einen Sperrklinkenmechanismus umfassend, der mit dem gepolsterten Abschnitt (74, 184, 202) in zusammenwirkender Beziehung steht und ausgebildet ist, um eine Vorwärtsbewegung des gepolsterten Abschnitts (74, 184, 202) zu ermöglichen, während eine Rückwärtsbewegung verhindert wird.
Kopfstützenanordnung nach Anspruch 9, wobei der Sperrklinkenmechanismus ein zusätzliches aktives Material umfasst, das ausgebildet ist, um den Sperrklinkenmechanismus selektiv zu lösen und zu ermöglichen, dass der gepolsterte Abschnitt (74, 184, 202) in eine ursprüngliche Position zurückversetzt wird.
Kopfstützenanordnung nach Anspruch 9, wobei der gepolsterte Abschnitt (74, 184, 202) an dem Kopfstützenkörper (86, 186, 204) verschwenkbar befestigt ist.
Kopfstützenanordnung nach Anspruch 9, ferner einen Sensor umfassend, der mit einer Aktivierungseinrichtung zur Auslösung des Aktivierungssignals in Wirkverbindung steht.
Kopfstützenanordnung nach Anspruch 9, wobei der gepolsterte Abschnitt (74), der mit dem Kopfstützenkörper (86) in Schwenkverbindung steht, eine Vierstreben-Verbindungsanordnung und einen auf einem aktiven Material basierenden Aktuator (78) umfasst, der ausgebildet ist, um den gepolsterten Abschnitt (74) vorzuverstellen.
Kopfstützenanordnung nach Anspruch 15, wobei der auf dem aktiven Material basierende Aktuator (78) eine Klammer (92), eine Achse (90, 91) zur drehbaren Lagerung der Klammer (92) an jedem Ende und einen ersten Formgedächtnislegierungsdraht (94) umfasst, der dazu geeignet ist, die Klammer (92) bei einer Aktivierung des ersten Formgedächtnislegierungsdrahts (94) zu verdrehen.
Kopfstützenanordnung nach Anspruch 16, ferner einen zweiten Formgedächtnislegierungsdraht (96) umfassend, der ausgebildet ist, um bei einer Deaktivierung des ersten Formgedächtnislegierungsdrahts (94) für eine Gegenrotation der Klammer (92) zu sorgen.
Kopfstützenanordnung nach Anspruch 9, wobei das aktive Material ausgebildet ist, um während des Kontakts mit dem Kopf eines sitzenden Insassen eine Vorwärtsbewegung zu beschränken.
Verfahren zur Verringerung eines Zwischenraums zwischen einer Kopfstütze (70, 180, 200) und einem Insassenkopf und/oder zur Veränderung der Nachgiebigkeit der Kopfstütze (70, 180, 200), wobei das Verfahren umfasst, dass: ein auf einem Draht (94, 194, 206) aus aktivem Material basierender Aktuator aktiviert wird, der in einer Kopfstütze (70, 180, 200) angeordnet ist, die durch mindestens einen Stützpfosten (72) gestützt ist, der aus einem Sitz hervorsteht; und eine gepolsterte Oberfläche (74, 184, 202) infolge einer Längenänderung des Drahts (94, 194, 206) aus aktivem Material in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal von dem Aktuator relativ zu dem mindestens einen Stützpfosten (72) nach vorne bewegt wird, so dass der Zwischenraum zwischen der Kopfstütze (70, 180, 200) und dem Insassenkopf verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das aktive Material ein Formgedächtnispolymer, eine Formgedächtnislegierung, ein elektroaktives Polymer, ein magnetorheologisches Elastomer, ein piezoelektrisches Material, ein magnetostriktives Material, ein elektrorheologisches Elastomer, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung oder eine Kombination umfasst, die mindestens eines der voranstehenden aktiven Materialien umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Kopfstütze (70, 180, 200) einen gepolsterten Abschnitt (74, 184, 202) umfasst, der mit dem auf einem Draht (94, 194, 206) aus aktivem Material basierenden Aktuator in Wirkverbindung steht, wobei der gepolsterte Abschnitt (74, 184, 202) die gepolsterte Oberfläche (74, 184, 202) bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Bewegung der gepolsterten Oberfläche (74, 184, 202) bei einer Aktivierung des auf dem aktiven Material basierenden Aktuators relativ zu dem mindestens einen Stützpfosten (72) nach vorne und die Verringerung des Zwischenraums zwischen der Kopfstütze (70, 180, 200) und dem Insassenkopf bei einem Kontakt der gepolsterten Oberfläche (74, 184, 202) und dem Insassenkopf bewegungslimitiert wird.