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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Offenlegung betrifft allgemein Sitzflächen und im Spezielleren ein Sitzflächenerweiterungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie aus der
DE 10 2007 017 809 A1 bekannt, oder gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 19, wie aus der
US 2007/0 090 673 A1 bekannt.
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2. Erläuterung des Standes der Technik
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Herkömmliche Sitzflächen oder -kissen sind ausgebildet, um das Gesäß eines Insassen zu stützen. Allerdings weisen diese Flächen üblicherweise leider eine von der Größe oder Präferenz eines Insassen unabhängige konstante Länge auf. Das bedeutet, dass, obwohl der Sitz insgesamt typischerweise verstellbar ist, die Stützlänge üblicherweise statisch ist, wie dies bei den in den Druckschriften
WO 2007/065646 A1 und
DE 102 11 383 A1 beschriebenen Sitzen der Fall ist, obwohl sich deren Kontur modifizieren lässt. Ferner ist bei einer Kraftfahrzeugumgebung von Belang, dass rückwärtige Fahrgastsitzflächen typischerweise eine fixe Positionierung aufweisen, die das Vermögen des Insassen, in das Fahrzeug einzusteigen und aus diesem auszusteigen, behindert. Infolgedessen wurden auf dem technischen Gebiet angetriebene und nicht angetriebene Kissenerweiterungen entwickelt; allerdings haben die Ausführungsformen auf Grund der komplexen elektromechanischen Betätigung oder Sperre nur begrenzte Anwendung gefunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Sitzflächenerweiterungssystem anzugeben, mit dem sich der Sitzkomfort für unterschiedlich große Fahrzeugpassagiere steigern lässt.
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Kurzzusammenfassung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird mit einem Sitzflächenerweiterungssystem gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 19 aufweist.
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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit diesen Belangen, indem sie ein Sitzflächenerweiterungssystem vorsieht, das eine Betätigung durch ein aktives Material verwendet, um das Erweitern/Zurückziehen der Stützlänge zu bewirken, oder einen Sperrmechanismus löst, um dasselbe zu gestatten. Die Erfindung ist daher geeignet, um eine energieeffiziente Sitzerweiterungs-/-zurückziehlösung zu präsentieren, welche eine Vielzahl von unterschiedlichen (z. B. in der Größe und/oder Präferenz) Insassen zu berücksichtigen. Das bedeutet, dass die Sitzfläche dadurch, dass sie erweiterbar ist, besser in der Lage ist, die Oberschenkel von größeren Insassen zu stützen; wohingegen herkömmliche Sitzflächen typischerweise auf einen erwachsenen Insassen durchschnittlicher Größe zugeschnitten sind. Der Nutzen der Erfindung wird ferner dadurch bereitgestellt, dass kleinere Fahrzeuge in der Lage sind, den Einstieg und Ausstieg zu erleichtern, indem bei Bedarf die Länge der Sitzflächen verkürzt wird. Schließlich ist einzusehen, dass die Verwendung einer Betätigung durch ein aktives Material (anstelle von elektromechanischen Motoren, Solenoiden etc.) reduzierte/s Gewicht, Bauraumanforderungen und Rauschen (sowohl akustisch als auch in Bezug auf EMF) zur Folge hat.
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Das erfindungsgemäße System umfasst allgemein eine umgestaltbare Sitzfläche, die eine erste Stützlänge aufweist, einen Aktuator, der antriebstechnisch mit der Fläche gekoppelt ist und ein Element aus einem aktiven Material umfasst, und eine Signalquelle, die betreibbar ist, um das Signal zu erzeugen und an das Element zu liefern, um so das Signal zu aktivieren. Der Aktuator ist ausgebildet, um zu bewirken oder zu ermöglichen, dass die Fläche umgestaltet wird, sodass sie bei einer Aktivierung eine zweite Stützlänge aufweist, die von der ersten verschieden ist.
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Kurzbeschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnung
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(Eine) bevorzugte Ausführungsform(en) der Erfindung ist/sind unten stehend im Detail unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungsfig. mit beispielhaftem Maßstab beschrieben, in denen:
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1 eine perspektivische Darstellung eines Kraftfahrzeugsitzes mit einer Fläche und einer vertikalen Stütze ist, die insbesondere ein Flächenerweiterungssystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, das eine verschwenkbare Struktur umfasst, die nachrichtentechnisch mit einem Controller, einer Signalquelle, einer Eingabevorrichtung und einem Sensor gekoppelt ist;
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2 ein Seitenriss einer Kraftfahrzeugsitzfläche ist, der intern ein Flächenerweiterungssystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt, das einen Formgedächtnisdrahtaktuator, eine verschwenkbare Struktur, und, in vergrößerter Einblendungsansicht, einen Sperrmechanismus mit einem Zahnrad umfasst;
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3 ein partieller Aufriss eines Flächenerweiterungssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, das ein feststehendes Teilstück, ein manuell verstellbares freies Teilstück, ein Element für gespeicherte Energie und, in vergrößerter Einblendungsansicht, einen Sperrmechanismus mit einer Zahnleiste umfasst;
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4 eine Draufsicht des in 3 gezeigten Systems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, das ferner einen Bogensehnenform-Formgedachtnisdrahtaktuator und, in vergrößerter Einblendungsansicht, einen Überlastungsschutz, umfasst;
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5 ein partieller Seitenriss eines Flächenerweiterungssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, das ein manuell verstellbares, freies Teilstück, in das ein Zahnleisten- und Stiftsperrmechanismus selektiv eingreift, und ein Element für gespeicherte Energie umfasst;
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6 eine Draufsicht des in 5 gezeigten Systems ist, die ferner einen Formgedächtnisdrahtaktuator, der die Stifte miteinander koppelt, und eine Knopfeingabevorrichtung, die nachrichtentechnisch mit dem Aktuator gekoppelt ist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
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7 ein Seitenriss einer Zahnstange und eines Ritzels gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, die zur Verwendung mit dem in den 5 und 6 gezeigten System geeignet sind;
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8 eine partielle perspektivische Darstellung einer gekerbten Leiste und eines quadratischen Stifts gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, die geeignet sind, um ein Flächenerweiterungssystem zu sperren, um so eine bidirektionale Bewegung zu verhindern;
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9a eine perspektivische Darstellung einer Lage mit einem facettierten distalen Segment, das aus mehreren Gliedern besteht, und einem ersten und einem zweiten Formgedächtnisdraht, die antriebstechnisch mit dem Segment gekoppelt sind, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
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9b eine perspektivische Darstellung der in 9a gezeigten Lage gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, wobei die Drähte aktiviert wurden, um das Segment zu begradigen und es zu erweitern;
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10a ein Seitenriss einer Lage mit einem flexiblen distalen Segment, das einen inneren Raum definiert, einer distalen Kopplung, die innerhalb des Raumes angeordnet ist, und einem Schiebemechanismus, der durch zumindest einen Formgedächtnisdraht ebenfalls innerhalb des Raumes mit der Kopplung verbunden ist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
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10b ein Seitenriss der in 10a gezeigten Lage ist, wobei der Draht aktiviert wurde, sodass bewirkt wird, dass sich der Schieber translatorisch nach außen bewegt und sich die Fläche demgemäß erweitert;
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11 ein Seitenriss eines Flächenerweiterungssystems, das eine Gestängeanordnung aus vier Stangen, einen Formgedächtnisdrahtaktuator, der von einer Riemenscheibe mitgenommen wird und antriebstechnisch mit der Anordnung gekoppelt ist, und einen inneren Rückstellmechanismus umfasst, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
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12 ein Seitenriss eines flexiblen Strukturteils, das verschwenkbar mit dem Flächenrahmen verbunden ist und einen erste, angehobene Position (in Volllinie) und eine erweiterte Position präsentiert, die zusammenwirkend durch die Aktivierung eines Formgedächtnisaktuators und das Gewicht des Insassen verursacht wird (in Strichlinie), gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist; und
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13 ein Seitenriss des in 12 gezeigten Teils gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, wobei die vertikale Komponente ein Scharnier definiert und der Draht bewegt wird, um das Scharnier zu spreizen.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf einen Kraftfahrzeugsitz 12 mit einer Fläche oder einem Kissen 12a, die/das ausgebildet ist, um das Gesäß eines Insassen (nicht veranschaulicht) zu stützen, beschrieben und veranschaulicht; es wird jedoch einzusehen sein, dass die Vorteile der vorliegenden Erfindung in vielfältiger Weise mit anderen Arten von Sitzen (oder Möbeln) einschließlich z. B. Liegesofas, Flugzeugsitzen und Kindersitzen genutzt werden können. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Sitz 12 von der Art die außerdem eine vertikale Stütze (oder Sitzlehne) 12b aufweist.
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1 zeigt eine Sitzfläche 12a in einem normalen Zustand, wobei eine erste Stützlänge L1 definiert ist. In einem ersten Aspekt der Erfindung ist zumindest ein Abschnitt der Fläche 12a antriebstechnisch mit zumindest einem Element 14 aus einem aktiven Material gekoppelt oder diesem sonst wie zugeordnet, um dadurch umgestaltet zu werden. Hier bewirkt die Umgestaltung, dass sich die Stützlänge zu einer zweiten Länge L2 erweitert oder zurückzieht. In einem zweiten Aspekt ermöglicht die Aktivierung des Elements 14, dass die Umgestaltung anders (z. B. manuell) betätigt wird. Das bedeutet, das Element 14 aus einem aktiven Material wird verwendet, um die Verschiebung oder Umgestaltung zumindest eines Abschnitts der Fläche 12a anzutreiben oder zu ermöglichen, um so die Stützlänge zu modifizieren.
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I. Aktives Material, Erläuterung und Funktion
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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 ein Aktivierungssignal eine Änderung von Steifigkeitseigenschaften, der Form und/oder Abmessungen zeigen können.
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Aktive Materialien umfassen ohne Einschränkung Formgedächtnislegierungen (SMA), ferromagnetische Formgedächtnislegierungen, elektroaktive Polymere (EAP), piezoelektrische Materialien, magnetorheologische Elastomere, elektrorheologische Elastomere, Hochleistungsparaffin(HOP von High Output Paraffin)-Wachs-Aktuatoren und dergleichen. Abhängig von dem speziellen aktiven Material kann das Aktivierungssignal ohne Einschränkung die Form einer Wärmeenergie, eines elektrischen Stromes, eines elektrischen Feldes (Spannung), einer Temperaturänderung, eines magnetischen Feldes, einer mechanischen Belastung oder Spannung und dergleichen besitzen, wobei das spezielle Aktivierungssignal von den Materialien und/oder der Konfiguration des aktiven Materials abhängig ist. Es kann z. B. ein magnetisches Feld angewendet werden, um die Eigenschaft des aus magnetostriktiven Materialen hergestellten aktiven Materials zu ändern. Es kann ein Wärmesignal angewendet werden, um die Eigenschaft von thermisch aktivierten aktiven Materialien wie z. B. SMAs zu ändern. Es kann ein elektrisches Signal angewendet werden, um die Eigenschaft des aus elektroaktiven Materialien und piezoelektrischen Materialien (PZT) hergestellten aktiven Materials zu ändern.
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Geeignete aktive Materialien zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Formgedächtnislegierungen, ferromagnetische Formgedächtnislegierungen, elektroaktive Polymere (EAP), piezoelektrische Keramiken und andere aktive Materialien, die als Aktuatoren fungieren. Diese Arten von aktiven Materialien besitzen die Fähigkeit, sich an ihre/n ursprüngliche/n Form und/oder Elastizitätsmodul zu erinnern, die/der später abgerufen werden kann, indem ein äußerer Reiz angewendet wird. Als solches ist die Verformung gegenüber der ursprünglichen Form ein temporärer Zustand. Auf diese Weise können sich Elemente, die aus diesen Materialien bestehen, in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal in die eingelernte Form ändern.
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Im Spezielleren beziehen sich Formgedächtnislegierungen (SMAs) allgemein auf eine Gruppe von metallischen Materialien, die die Fähigkeit besitzen, zu einer zuvor definierten Form oder Größe zurückzukehren, wenn sie einem entsprechenden thermischen Reiz 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. Der Ausdruck „Fließgrenze” bezieht sich auf eine Spannung, bei der ein Material eine genau angegebene Abweichung von der Proportionalität zwischen Spannung und Dehnung zeigt. Im Allgemeinen können Formgedächtnislegierungen in der Niedrigtemperatur- oder Martensitphase pseudoplastisch 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.
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Formgedächtnislegierungen liegen somit in mehreren verschiedenen temperaturabhängigen Phasen vor. Die am häufigsten verwendeten dieser Phasen sind die sogenannte Martensit- und die Austenitphase, die oben erläutert sind. 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 (As) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen endet, wird als Austenit-Endtemperatur (Af) bezeichnet.
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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 (Ms) bezeichnet. Die Temperatur, bei der der Austenit aufhört, sich in Martensit umzuwandeln, wird oft als Martensit-Endtemperatur (Mf) 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.
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Formgedächtnislegierungen können abhängig von der Legierungszusammensetzung und der bisherigen Verarbeitung einen Formgedächtniseffekt in eine Richtung, einen intrinsischen Effekt in zwei Richtungen oder einen extrinsischen Formgedächtniseffekt 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 zurückzubilden, die sie davor besaßen.
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Intrinsische und extrinsische Zweirichtungs-Formgedächtnismaterialien sind 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 gekennzeichnet. 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.
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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, welche einen Effekt in eine Richtung zeigt, mit einem weiteren Element kombinieren, das eine Rückstellkraft bereitstellt, um die ursprüngliche Form rückzubilden.
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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.
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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.
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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.
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Es ist einzusehen, dass SMAs einen Modulanstieg des 2,5-fachen und eine Abmessungsänderung von bis zu 8% (je nach Ausmaß der Vorverformung) aufweisen, wenn sie über ihre Martensit/Austenit-Phasenumwandlungstemperatur erwärmt werden. Es ist einzusehen, dass thermisch induzierte SMA-Phasenumwandlungen 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. Es kann eine Ohm'sche Heizung verwendet werden, um das gesamte System elektronisch steuerbar zu machen.
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Spannungsinduzierte Phasenänderungen in SMAs, die durch Belastung und Entlastung verursacht sind, verlaufen jedoch von Natur aus in zwei Richtungen. Das bedeutet, 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.
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Ferromagnetische Formgedächtnislegierungen (FSMAs) sind eine Unterklasse der SMAs. Diese FSMAs können sich wie herkömmliche SMA-Materialien verhalten, 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 partielles in zwei Richtungen oder eines in eine Richtung aufweisen. Für ein partielles oder Formgedächtnis in eine Richtung kann ein äußerer Reiz, 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. Ein Formgedächtnis ist am besten geeignet für verriegelungsartige Anwendungen, bei denen ein verzögerter Rückstellreiz eine Verriegelungsfunktion zulässt. Äußere magnetische Felder werden in Kraftfahrzeuganwendungen im Allgemeinen über Elektromagneten mit einem weichmagnetischen Kern erzeugt. Elektrischer Strom, der durch die Spule fließt, induziert ein magnetisches Feld durch das FSMA-Material hindurch, was zu einer Formänderung führt. Alternativ kann für ein schnelles Ansprechen auch ein Paar Helmholtz-Spulen verwendet werden.
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Beispielhafte ferromagnetische Formgedächtnislegierungen sind Legierungen auf Nickel-Mangan-Gallium-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis, Legierungen auf Cobalt-Nickel-Aluminium-Basis und Legierungen auf Cobalt-Nickel-Gallium-Basis. Wie SMAs können diese Legierungen binär, ternär oder von irgend einer höheren Ordnung sein, vorausgesetzt die Legierungszusammensetzung weist einen Formgedächtniseffekt auf wie z. B. eine Änderung der Form, der Orientierung, der Fließgrenze, des Biegemoduls, des Dämpfungsvermögens, der Superelastizität und/oder ähnlicher Eigenschaften. Die Wahl einer geeigneten Formgedächtnislegierungszusammensetzung ist zum Teil von dem Temperaturbereich und der Art des Ansprechens in der beabsichtigten Anwendung abhängig.
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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.
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Materialien, die zur Verwendung als ein elektroaktives 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.
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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 bevorzugt 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 bevorzugt 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.
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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 bevorzugt 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.
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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.
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Geeignete piezoelektrische Materialien umfassen, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf anorganische Verbindungen, organische Verbindungen und Metalle. Was organische Materialien betrifft, so können alle Polymermaterialien mit einer nicht zentralsymmetrischen Struktur und (einer) Gruppe(n) mit einem starken Dipolmoment an der Hauptkette oder an der Seitenkette oder an beiden Ketten innerhalb der Moleküle als geeignete Kandidaten für den piezoelektrischen Film verwendet werden. Beispielhafte Polymere umfassen z. B., sind jedoch nicht beschränkt auf Poly(natrium-4-Styrolsulfonat), Poly(Poly(vinylamin)-Hauptketten-Azochromophor) und ihre Derivate; Polyfluorkohlenstoffe, umfassend Polyvinylidenfluorid, sein Copolymer Vinylidenfluorid („VDF”), Co-Trifluorethylen und seine Derivate; Polychlorkohlenstoffe, umfassend Poly(vinylchlorid), Polyvinylidenchlorid und ihre Derivate; Polyacrylnitrile und ihre Derivate; Polycarbonsäuren, umfassend Poly(methacrylsäure) und ihre Derivate; Polyharnstoffe und ihre Derivate; Polyurethane und ihre Derivate; Biomoleküle wie z. B. Poly-L-Milchsäuren und ihre Derivate und Zellmembranproteine wie auch Phosphat-Biomoleküle wie z. B. Phosphodilipide; Polyaniline und ihre Derivate und alle Derivate der Tetramine; Polyamide umfassend aromatische Polyamide und Polyimide, umfassend Kapton und Polyetherimid und ihre Derivate; alle Membranpolymere; Poly-(N-Vinylpyrrolidon) (PVP)-Homopolymer und seine Derivate und Zufalls-PVP-Co-Vinylacetat-Copolymere; und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder Seitenketten oder sowohl in der Hauptkette als auch den Seitenketten, und Mischungen davon.
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Piezoelektrische Materialien können auch Metalle umfassen, die aus der Gruppe gewählt sind, welche aus Blei, Antimon, Mangan, Tantal, Zirconium, Niobium, Lanthan, Platin, Palladium, Nickel, Wolfram, Aluminium, Strontium, Titan, Barium, Calcium, Chrom, Silber, Eisen, Silizium, Kupfer, Legierungen, die mindestens eines der vorhergehenden Metalle umfassen, und Oxiden, die mindestens eines der vorhergehenden Metalle umfassen, besteht. Geeignete Metalloxide umfassen SiO2, Al2O3, ZrO2, TiO2, SrTiO3, PbTiO3, BaTiO3, FeO3, Fe3O4, ZnO und Mischungen davon und Verbindungen der Gruppen VIA und IIB wie z. B. CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe2, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Mischungen davon. Bevorzugt ist das piezoelektrische Material aus der Gruppe gewählt, die aus Polyvinylidenfluorid, Bleizirconattitanat und Bariumtitanat und Mischungen daraus besteht.
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Schließlich ist einzusehen, dass auch piezoelektrische Keramiken verwendet werden können, um eine Kraft oder Verformung zu produzieren, wenn eine elektrische Ladung angewendet wird. PZT-Keramiken bestehen aus ferroelektrischem und Quarzmaterial, das geschnitten, gemahlen, poliert und sonst wie auf die gewünschte Konfiguration und Toleranz geformt wird. Ferromagnetische Materialien umfassen Bariumtitanat, Bismuttitanat, Blei-Magnesiumniobat, Bleimetaniobat, Blei-Nickelniobat, Blei-Zinktitanate (PZT), Blei-Lanthan-Zirkonat-Titanat (PLZT) und Niob-Blei-Zirkonat-Titanat (PNZT). Die Elektroden werden durch Sputtern oder Siebdruckverfahren aufgebracht und danach wird der Block durch einen Polungsprozess geführt, wo er makroskopische piezoelektrische Eigenschaften annimmt. Mehrschichtige Piezoaktuatoren erfordern typischerweise ein Foliengießverfahren, das eine Schichtdicke von bis zu 20 μm hinunter zulässt. Hier werden die Elektroden siebgedruckt und die Platten laminiert; ein Verdichtungsprozess erhöht die Dichte der Rohkeramiken und entfernt die zwischen den Schichten eingeschlossene Luft. Die Endschritte umfassen das Ausbrennen von Bindemittel, das Sintern (Mitverbrennen) bei Temperaturen unter 1100°C, die Kabelanschlussbildung und das Polen.
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Bariumtitanate und Bismuttitanate sind übliche Arten von piezoelektrischen Keramiken. Modifizierte Bariumtitanat-Zusammensetzungen kombinieren Hochspannungsempfindlichkeit mit Temperaturen im Bereich von –10°C bis 60°C. Piezoelektrische Bariumtitanat-Keramiken sind nützlich für Unterwasserschallempfänger und andere Empfangsvorrichtungen. Diese piezoelektrischen Keramiken werden auch in leistungsarmen Projektoren verwendet. Bismuttitanate werden in Hochtemperaturanwendungen wie z. B. Drucksensoren und Beschleunigungsmessern verwendet. Bismuttitanat gehört zur Gruppe von Keramiken auf Sillenitstrukturbasis (Bi12MO2O, wobei M = Si, Ge, Ti).
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Blei-Magnesiumniobate, Bleimetaniobat und Blei-Nickelniobat-Materialien werden in einigen piezoelektrischen Keramiken verwendet. Blei-Magnesiumniobat zeigt ein elektrostriktives oder Relaxor-Verhalten, wobei die Dehnung nicht linear variiert. Diese piezoelektrischen Keramiken werden in Unterwasserschallempfängern, Aktuatoren, Empfängern, Projektoren, Echolot-Messwandlern und in Mikropositionierungsvorrichtungen verwendet, da sie Eigenschaften zeigen, die typischerweise in anderen Arten von piezoelektrischen Keramiken nicht vorhanden sind. Blei-Magnesiumniobat zeigt auch eine vernachlässigbare Alterung, einen weiten Bereich von Betriebstemperaturen und eine niedrige Dielektrizitätskonstante. Wie Blei-Magnesiumniobat kann Blei-Nickelniobat elektrostriktive oder Relaxor-Verhaltenseigenschaften zeigen, wobei die Dehnung nicht linear variiert.
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Piezoelektrische Keramiken umfassen PZN, PLZT und PNZT. PZN-Keramikmaterialien sind zinkmodifizierte Bleiniobat-Zusammesetzungen, die ein elektrostriktives oder Relaxor-Verhalten zeigen, wenn eine nicht lineare Dehnung auftritt. Die piezoelektrischen Relaxor-Keramikmaterialien zeigen eine hohe Dielektrizitätskonstante über einen Bereich von Temperaturen während des Überganges von der ferroelektrischen Phase in die paraelektrische Phase. Piezoelektrische PLZT-Keramiken wurden für Anwendungen mit mittlerer Leistung entwickelt, können aber auch in Ultraschallanwendungen eingesetzt werden. PLZT-Materialien werden gebildet, indem Lanthanionen einer PZT-Zusammensetzung zugesetzt werden. Keramische PNZT-Materialien werden gebildet, indem Niobionen einer PZT-Zusammensetzung zugesetzt werden. Keramische PNZT-Materialien werden in hoch empfindlichen Anwendungen wie z. B. Unterwasserschallempfängern, akustischen Signalgebern und Lautsprechern verwendet.
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Piezoelektrische Keramiken umfassen Quarz, der in abgebauter Mineralform und künstlichen Quarzglasformen verfügbar ist. Quarzglas ist eine hochreine kristalline Form von Siliziumoxid, die in spezialisierten Anwendungen wie z. B. Halbleiterwaferhaltern, Ofenrohren, Glasglocken oder Quarzteilen, Siliziumschmelztiegeln, Hochleistungsmaterialien und Hochtemperaturprodukten verwendet wird. Es sind auch piezoelektrische Keramiken wie z. B. Einkristallquarz erhältlich.
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II. Beispielhafte Flächenerweiterungskonfigurationen, Anwendungen und Verwendung
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Zurückkommend auf die 1–13 sind verschiedene Ausführungsformen eines Flächenerweiterungssystems 10 mit einem aktiven Material gezeigt. In jeder Ausführungsform wird durch einen Bewegungsaktuator 16 mit einem aktiven Material bewirkt oder ermöglicht, dass sich die Fläche 12a erweitert (verlängert) und/oder zurückzieht (verkürzt), um variierende Stützlängen zu erhalten.
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Wie zuvor erwähnt, sieht der erste Aspekt der Erfindung eine direkte Betätigung vor. In den 1 und 2 umfasst die Fläche 12a z. B. eine bewegliche Struktur 18, die verschwenkbar mit dem Flächenrahmen 20 verbunden ist, um so eine Schwenkachse zu definieren. Der Aktuator 16 besteht im Wesentlichen aus einem SMA-Draht 14, der die Struktur 18 und den Rahmen 20 miteinander verbindet. Die Struktur 18 weist eine abgewinkelte Klappe auf, die sich mit der Fläche 12a gemeinsam erstreckt und ein kurzes und ein erweiterndes Glied 18a, b definiert (2). Wie veranschaulicht, ist der Aktuator 16 ausgebildet, um das kurze Glied 18a nach unten zu ziehen, sodass bewirkt wird, dass die erweiternde Seite 18b nach außen schwingt und die zweite Länge L2 herstellt. Alternativ kann bewirkt werden, dass die Struktur 18 aus der angehobenen Position in die abgesenkte Position verschwenkt oder umgekehrt.
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Es ist einzusehen, dass der Draht 14 von geeigneter Stärke und Zusammensetzung ist, um die vorgesehene Funktion auszuführen. Der Draht 14 ist bevorzugt mit dem Rahmen 20 an seinen Enden verbunden und mittig mit der Struktur 18 gekoppelt, um so damit einen Scheitel und eine Bogensehnenkonfiguration zu bilden (4). Es ist einzusehen, dass in dieser Konfiguration eine Drahtaktivierung eine verstärkte Verschiebung am Scheitel infolge der präsentierten trigonometrischen Beziehung zur Folge hat.
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Wie hierin verwendet, ist der Ausdruck „Draht” nicht einschränkend und beinhaltet andere gleichwertige geometrische Konfigurationen wie Bündel, Schlingen, Litzen, Kabel, Schnüre, Ketten, Streifen etc. Zum Beispiel kann der Draht 14 eine schlingenförmige Konfiguration aufweisen, in der die Betätigungskraft verdoppelt ist, die Verschiebung jedoch halbiert ist. Der Draht 14 kann wie veranschaulicht orientiert oder umgelenkt sein, indem er um eine oder mehrere Riemenscheiben, gebogene Strukturen etc. gewickelt ist, um das Packaging zu erleichtern. Der Draht 14 ist bevorzugt mit der Struktur 18 und dem Rahmen 20 über verstärkende strukturelle Befestigungselemente (z. B. Crimpverbindungen etc.) verbunden, welche die mechanische und elektrische Verbindung erleichtern und isolieren. Schließlich kann der Aktuator 16 für eine maßgeschneiderte Kraft- und Verschiebungsleistung eine Vielzahl von Elementen 14 aus einem aktiven Material (z. B. SMA-Drähte) umfassen, die elektrisch oder mechanisch in Reihe oder parallel konfiguriert sind und in teleskopartigen, gestapelten oder versetzten Konfigurationen mechanisch verbunden sind. Die elektrische Konfiguration kann im Betrieb über Software-Zeitsteuerung, Schaltungszeitsteuerung und äußeren oder betätigungsinduzierten elektrischen Kontakt modifiziert werden.
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Wie in den 3, 5 und 6 gezeigt, kann der Bewegungsaktuator 16 fungieren, um die Stützlänge zurückzuziehen, und umfasst ein Element 22 für gespeicherte Energie, das dazwischenliegend mit der Struktur 18 und dem Flächenrahmen 20 gekoppelt ist. Hier wird bewirkt, wenn der Insasse manuell eine Erweiterung bewirkt, dass das Element 22 für gespeicherte Energie Energie speichert. In der veranschaulichten Ausführungsform ist das Element 22 z. B. eine Zugfeder. Das aktive Element 14 fungiert in dieser Konfiguration, um die gespeicherte Energie freizusetzen, sodass das Element 22 bewirkt, dass sich die Struktur 18 zurückzieht oder, mit Bezug auf die 1 und 2, in Richtung der abgesenkten Position zurück schwingt.
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Als solches umfasst das bevorzugte System 10, ob als eine Freigabe für gespeicherte Energie oder einen Nullleistungshalt in betätigten Erweiterungskonfigurationen, ferner einen Sperrmechanismus (oder eine „Verriegelung”) 24 (3), der in die Struktur 18 eingreift, um eine Umgestaltung zu verhindern.
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In 2 umfasst der Sperrmechanismus 24 ein „gezahntes” Zahnrad 26, das fest mit der Struktur 18 gekoppelt ist, sodass es konzentrisch mit der Achse ausgerichtet ist. Ein Sperrhebel 28, der verschwenkbar mit dem Rahmen 20 verbunden ist, dient dazu, selektiv in das Zahnrad 26 einzugreifen, um so eine relative Bewegung zwischen der Struktur 18 und dem Rahmen 20 in einer Richtung zu verhindern. Ein zweites Element 30 aus einem aktiven Material (z. B. ein SMA-Draht) ist mit dem Sperrhebel 28 verbunden und ausgebildet, um zu bewirken, dass der Sperrhebel 28 selektiv aus der Struktur 18 ausrückt, um seine Rückkehr zu ermöglichen (2). Schließlich fungiert ein Rückstellmechanismus 32 (z. B. eine Zug-, Druck-, Torsionsfeder oder ein drittes Element aus einem aktiven Material etc.) antagonistisch zu dem Ausrückelement 30, um den Mechanismus 24 in Richtung der eingerückten Position vorzuspannen. Es wird bevorzugt, dass der Sperrmechanismus 24 derart aufgebaut ist, dass eine passive Überlastungsschutzeinrichtung vorgesehen wird; zum Beispiel, indem der Sperrhebel 28 und/oder der Rahmen 20 (einen) Abbrechverbindungspunkt(e) oder -gestänge aufweist.
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Wie in 3 gezeigt, kann die Verriegelung 24 verwendet werden, um eine Zahnleiste 34 anstelle des Zahnrades 26 zu verblocken. Alternativ, wie in den 5, 6 und 8 gezeigt, kann die Zahnleiste 34 in Verbindung mit zumindest einem beweglichen Stift 36 verwendet werden, um die Fläche 12a bei der Wunschlänge zu sperren. In einem Beispiel kann/können die Leisten 34 fest mit der beweglichen Struktur 18 verbunden sein und eine Vielzahl von Zähnen oder Kerben 34a aufweisen, die jeweils ausgebildet sind, um den Stift 36 im eingerückten Zustand festzuhalten. In 6 sind ein erster und ein zweiter gegenüberliegender Stift 36 über einen SMA-Draht miteinander verbunden, sodass eine Aktivierung des Drahtes bewirkt, dass die Stifte 36 nach innen gezogen werden, bis sie die Zähne oder Kerben 34a frei machen. Die Stifte 36 sind bevorzugt mit einer Feder in Richtung des eingerückten Zustands vorgespannt. Wobei geneigte Zähne 34a definiert sind und der Stift 36 weiter normal in Richtung der Leiste 34 vorgespannt ist, sodass eine Bewegung in nur einer Richtung durch Gleiten entlang der geneigten Seiten ermöglicht ist (5). Es ist einzusehen, dass die Bewegung bidirektional verhindert sein kann, wenn die Leistenkerben 34a und der Querschnitt des Stifts 36 rechteckig geformt sind (8). Im ausgerückten Zustand ist der Insasse in der Lage, die Fläche 12a manuell zu einer gewünschten Länge umzugestalten.
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Die Fläche 12a kann ein erstes und ein zweites Teilstück 38, 40 aufweisen, die in Längsrichtung getrennt sind und zusammenwirkend die erste Länge L1 präsentieren, wenn sie nebeneinander angeordnet sind (3–7). Hier ist der Insasse in der Lage, das zweite Teilstück 40 nach außen zu ziehen, wenn sich die Verriegelung 24 im ausgerückten Zustand befindet (oder immer, wenn geneigte Zähne 34a präsentiert werden). In den veranschaulichten Ausführungsformen ist das erste Teilstück 38 durch den Rest der Fläche 12a definiert und ist feststehend, während das zweite Teilstück 40 seitlich deckungsgleich mit dem ersten Teilstück 38 ist und sich translatorisch frei bewegen kann. Es sind bevorzugt parallele Schienen 42 vorgesehen, um die Translation zu führen, und das erste und zweite Teilstück 38, 40 bilden zusammengepasste Paare.
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In dieser Konfiguration ist der Aktuator 16 derart ausgebildet, dass er das freie Teilstück 40 horizontal translatorisch in eine zweite Position bewegt, die die Stützlänge erweitert. Wiederum kann der Aktuator 16 aus einem SMA-Draht 14 bestehen, der das Teilstück 40 und den Flächenrahmen 20 linear miteinander verbindet. Stärker bevorzugt besitzt der Draht 14 eine Bogensehnenkonfiguration, wie zuvor beschrieben (4). Eine äußere Kissenlage liegt bevorzugt über den Teilstücken 38, 40 sowohl in der ersten als auch der zweiten Länge L1, L2, um so eine kontinuierliche Insasseneingriffsfläche zu präsentieren.
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Alternativ und wie in 7 gezeigt, können die Teilstücke 38, 40 über eine Zahnstange 44 und ein Ritzel 46 gekoppelt sein. Der Aktuator 16 ist antriebstechnisch mit entweder der Zahnstange 44 oder dem Ritzel 46 gekoppelt, sodass eine Aktivierung des Elements 14 eine relative Verschiebung dazwischen bewirkt. Zum Beispiel kann der Aktuator 16 aus einem aufgespulten SMA-Draht 14 oder einem Schubrohr (nicht gezeigt) bestehen, der in die Ritzelachse eingreift, sodass eine Aktivierung des Aktuators 16 bewirkt, dass sich das Ritzel 46 dreht und sich daher die Zahnstange 44 und das freie Teilstück 40 translatorisch bewegen. Es ist einzusehen, dass ein alternatives Getriebe wie z. B. ein mechanisches Gestänge, ein Mutter- und Spindelantrieb, ein Zahnradantrieb oder eine hydraulische oder pneumatische Kopplung anstelle der Zahnstange 44 und des Ritzels 46 verwendet werden kann.
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In einem weiteren Beispiel umfasst die Fläche 12a ein facettiertes distales Segment 48. Das Segment 48 ist biegsam (9a, b), sodass es eine normal ausgedehnte Konfiguration aufweist, die über dem Flächenrahmen 20 und der Kissenlage liegt und die erste Länge L1 definiert. Im Spezielleren besteht das Segment 48 aus einer Vielzahl von Gliedern 48a, die benachbart an ihren unteren Ecken miteinander verbunden sind. Dies lässt zu, dass sich das Segment 48 nur nach unten (im Uhrzeigersinn) biegt. In dieser Konfiguration kann der Aktuator 16 aus einem ersten und einem zweiten SMA-Draht 14 bestehen, die die Glieder 48a bevorzugt entlang ihrer seitlichen Extremitäten miteinander verbinden, wie gezeigt. Die Drähte 14 sind derart ausgebildet, dass sie bewirken, dass das Segment 48 die zweite Stützlänge L2 erreicht, wenn sie aktiviert werden. Es ist einzusehen, dass das Formgedächtnis der Drähte 14 bewirkt, dass sich das Segment 48 bei einer Aktivierung streckt, anstatt sich weiter zu kräuseln.
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In einer noch weiteren Ausführungsform, die in den 10a, b gezeigt ist, umfasst die Fläche 12a ein flexibles distales Segment 50, das einen inneren Raum definiert. Das flexible Segment 50 kann z. B. vorkragende äußere Schutz- und Kissenlagen, die keine strukturelle Stütze aufweisen, umfassen. Der Aktuator 16 umfasst eine Schiebestruktur (oder einen „Schieber”) 52 und eine Kopplung 54, die distal innerhalb des Raumes befestigt sind. Der Schieber 52 und die Kopplung 54 sind über zumindest ein Element 14 aus einem aktiven Material und stärker bevorzugt eine Vielzahl von SMA-Drähten 14 miteinander verbunden. In 10a ist der Schieber 52 innerhalb der Fläche 12a vertieft, sodass bewirkt wird, dass die Kopplung 54 hängt und die Fläche 12a die erste Länge L1 definiert. Wenn zumindest ein Abschnitt der Drähte 14 aktiviert wird, wird bewirkt, dass sich der Schieber 52 translatorisch in Richtung der feststehenden Kopplung 54 bewegt. Wie in 10b gezeigt, bewirkt dies, dass der Schieber 52 zumindest einen Abschnitt des flexiblen Segments 50 stützt und sich das Segment 50 demzufolge streckt und die zweite Länge L2 präsentiert.
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Wie im Fall jeder der Ausführungsformen ist bevorzugt ein Rückstellmechanismus 56 vorgesehen, um eine Vorspannkraft zu produzieren, die antagonistisch zu dem Aktuator 16 arbeitet. In dieser Konfiguration kann eine beispielhafte Rückstellung 56 eine Zugfeder sein, die mit dem Schieber 52 verbunden ist (10a, b). Die Feder 56 besitzt einen ausreichenden Modul, um zu bewirken, dass sich bei einer Deaktivierung des Drahtes 14 der Schieber 52 innerhalb der Fläche 12a zurückzieht. Das bedeutet, die Rückstellung 56 produziert eine Vorspannkraft, die kleiner ist als die Betätigungskraft, um zu bewirken, dass die Fläche 12a selektiv die erste Länge L1 erreicht. In den vielen Ausführungsformen kann der Rückstellmechanismus 56 verschiedentlich eine Feder, ein Totgewicht, eine pneumatische oder eine Gasfeder oder ein zusätzliches Element aus einem aktiven Material wie z. B. einen zweiten SMA-Draht aufweisen. In der Schwenkausführungsform der 1 und 2 kann z. B. ein zweiter SMA-Draht für beide Bewegungsrichtungen vorgesehen sein; außerdem kann, unter Bezugnahme auf das Ritzel 46 eine Torsions-, Schrauben- oder Drehfeder, die auch konzentrisch mit der Achse ausgerichtet ist, verwendet werden, um das freie Teilstück 40 zurückzubringen.
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Erfindungsgemäß umfasst der Aktuator 16 einen Überlastungsschutz 58, der ausgebildet ist, um einen sekundären Arbeitsleistungspfad zu präsentieren, wenn das Aktuatorelement 14 dem Signal ausgesetzt ist und die Fläche 12a nicht umgestaltet werden kann. In 4 ist der Überlastungsschutz 58 z. B. durch eine Zugfeder 60 präsentiert, die in Reihe mit dem Element 14 und fest mit einer der Schienen 42 verbunden ist. Die Feder 60 wird bis zu einem Punkt gestreckt, an dem ihre angewendete Vorbelastung dem Belastungsniveau entspricht, wobei einzusehen ist, dass das Element 14 beginnen würde, einer übermäßigen Kraft ausgesetzt zu sein, wenn es blockiert ist. Infolgedessen wird die Aktivierung des Elements 14 zuerst eine Kraft anwenden, die versucht, die Struktur 18 zu beeinflussen, wenn das Kraftniveau jedoch die Vorbelastung in der Feder 60 überschreitet (z. B. die Erweiterung der Fläche blockiert ist), wird der Draht 14 stattdessen die Feder 60 weiter strecken und dadurch die Ganzheit des Aktuators 16 erhalten. Es können auch alternative Schutzeinrichtungen 58 verwendet werden; es ist z. B. einzusehen, dass die distale Kopplung 54 von dem Segment 50 abnehmbar sein kann, wenn eine Abbrechkraft, die dem bevorzugten Überlastungslimit entspricht, darauf erzeugt wird.
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In einer noch weiteren Ausführungsform wird bewirkt, dass sich das bewegliche oder freie Teilstück 40 translatorisch bewegt und in die erweiterte Position dreht. Wie in 11 gezeigt, kann die Struktur 18 z. B. durch eine Gestängeanordnung 62 mit vier Leisten ersetzt sein. Ähnlich jenen, die von selbst verstauenden Liegesitzflächenerweiterungen verwendet werden, verbindet die Anordnung 62 das feststehenden und das freie Flächenteilstück 38, 40 an doppelten Schwenkpunkten. Der Aktuator 16 besteht aus einem SMA-Draht 14, der eine obere Fläche der Anordnung 62 und den Flächenrahmen 20 miteinander verbindet. Der Draht 14 wird über der Anordnung 62 von einer Riemenscheibe 64 mitgenommen, die den Draht 14 in Längsrichtung entlang der Fläche 12a umlenkt. Die Riemenscheibe 64 befindet sich vor dem Draht-Anordnung-Verbindungspunkt, sodass, wenn der Draht 14 aktiviert und dazu gebracht wird, sich zusammenzuziehen, bewirkt wird, dass das freie Teilstück 40 nach außen und oben schwingt, wie in 11 in Strichlinien gezeigt. Es kann ein bistabiler Mechanismus (nicht gezeigt) verwendet werden, um das Teilstück 40 entweder in der zurückgezogenen oder der erweiterten Position zu sperren; oder stärker bevorzugt kann auch ein Sperrmechanismus 24 (ebenfalls nicht gezeigt), wie zuvor beschrieben, verwendet werden, um mehrere Stopppositionen herbeizuführen. Schließlich ist eine Erweiterungsrückstellfeder 56 ausgebildet, um Energie zu speichern, indem sie sich streckt, wenn sich das Teilstück 40 in dem erweiterten Zustand befindet. Bei einer Deaktivierung setzt die Feder 56 ihre Energie frei, indem sie die Anordnung 62 und das Teilstück 40 zurück in Richtung des vertieften Zustands treibt.
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In einer letzten Ausführungsform wird die durch den Aktuator 16 verrichtete Arbeit durch die ruhende Last (Gewicht) des Insassen vergrößert. Zum Beispiel, und wie in den 12 und 13 gezeigt, kann die Fläche 12a ein widerstandstechnisch flexibles Teil 66 (z. B. eine Kunststoffplatte, einen Drahtrahmen, eine Korb oder ein Gitter etc.) umfassen, das die Fläche 12a seitlich überspannt. Das Teil 66 weist eine erste angehobene Konfiguration auf, die die erste Länge L1 definiert, wenn kein Insasse oder Objekt auf dem Sitz 12 ruht. Hier ist der Aktuator 16 antriebstechnisch mit dem Teil 66 gekoppelt und wird betrieben, um zu bewirken, dass das Teil 66 eine zweite Position erreicht, in der ein Abschnitt des Teils 66 nach außen gebogen ist und derart positioniert ist, dass es durch das Gewicht des Insassen weiter in eine dritte Position gebogen wird, welche die zweite Länge L2 definiert. Es ist bevorzugt ein harter Anschlag (nicht gezeigt) vorgesehen, sodass in der dritten Position die Fläche 12a eine horizontale Eingriffsfläche präsentiert, wie gezeigt.
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Im Spezielleren ist das Teil 66 in dieser Konfiguration vertikal und horizontal mit dem Flächenrahmen 20 verbunden, um so eine „L”-förmige Struktur und ein Schwenkgelenk 66a zu definieren. Wie in 12 gezeigt, kann ein vertikal orientierter SMA-Draht 14 die starre horizontale Komponente 66b des Teils 66 mit dem Flächenrahmen 20 verbinden. In der angehobenen Position ist das Gelenk 66a angehoben, um so eine vertikale Komponente 66c des Teils 66 zu präsentieren. Wenn der Aktuator 16 aktiviert wird, wird das Gelenk 66a nach unten gezogen, was die Biegung der vertikalen Komponente 66c zur Folge hat. Es ist einzusehen, dass das Gewicht des Insassen, wenn er anwesend ist, bewirkt, dass sich das Gelenk 66a weiter absenkt und sich die vertikale Komponente 66c weiter biegt, was zu der zweiten Stützlänge L2 führt.
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Stärker bevorzugt kann ein zweiter Hilfsdraht 14a vorgesehen sein, der bevorzugt von dem Gelenk 66a mit einem Zwischenpunkt entlang der Höhe der vertikalen Komponente 66c verbunden ist, um so eine diagonale Sehne zu bilden, wenn die vertikale Komponente 66c gebogen ist (12).
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Wenn der Hilfsdraht 14a aktiviert wird, wird bewirkt, dass sich die vertikale Komponente 66c weiter zu der zweiten Stützlänge L2 erweitert. Schließlich kann ein Rückstellmechanismus 56 wie z. B. eine vertikal orientierte Druckfeder (auch in 12 gezeigt) vorgesehen sein, um das Teil 66 in Richtung der angehobenen Konfiguration vorzuspannen; außerdem ist einzusehen, dass die gebogene Komponente 66c eine gewisse Federwirkung bereitstellt.
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Alternativ und wie in 13 gezeigt, kann die vertikale Komponente 66c ein zweites Gelenk 66d definieren, das ein oberes und ein unteres Komponententeilstück verschwenkbar miteinander verbindet, um so ein Scharnier zu bilden. Hier besteht der Aktuator 16 aus einem SMA-Draht 14, der die Teilstücke miteinander verbindet und das Scharnier spreizt. Bei einer Aktivierung zieht sich der Draht 14 zusammen, was bewirkt, dass das Gelenk 66d nach außen gedrückt wird und das obere Gelenk 66a nach unten schwingt. Das Moment des zweiten Gelenks 66d schiebt es an der vertikalen Ebene des oberen Gelenks 66a vorbei und bewirkt, dass die vertikale Komponente 66c in Richtung der erweiterten Position schwingt, die in 13 in Strichlinien gezeigt ist.
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Im Betrieb ist eine Signalquelle 68 nachrichtentechnisch mit dem Element 14 gekoppelt und wird betrieben, um das Aktivierungssignal zu erzeugen, um so das Element 14 zu aktivieren. Zum Beispiel kann in einer Kraftfahrzeugeinstellung die Quelle 68 aus einem Ladesystem eines Fahrzeuges einschließlich der Batterie bestehen (1), und das Element 14 kann damit über einen Bus, Leitungen 70 oder eine geeignete drahtlose Nahbereichskommunikation (z. B. RF, Bluetooth, Infrarot etc.) verbunden sein. Ein Knopf oder eine andere Eingabevorrichtung 72 mit einer elektrischen Schnittstelle zu dem Formgedächtnislegierungselement 14 wird bevorzugt verwendet, um den Kreis zwischen der Quelle 68 und dem Element 14 zu schließen, um so eine Steuerung des Systems 10 bei Bedarf vorzusehen. Es ist einzusehen, dass die Eingabevorrichtung 72 nur eine Anfrage zur Betätigung erzeugen kann, die ansonsten durch ein Gate in dem System 10 verarbeitet wird, das bestimmt, ob der Anfrage Folge geleistet wird. In 6 ist die Eingabevorrichtung 72 mit der Vorderseite der Fläche 12a verbunden; wohingegen in 1 die Eingabevorrichtung 72 an der Seite der Fläche 12a angeordnet ist, um eine feststehende Position zu präsentieren, die weniger anfällig für eine unbeabsichtigte Betätigung ist.
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Alternativ kann die Eingabevorrichtung 72 durch einen Controller 74 und zumindest einen Sensor 76, der nachrichtentechnisch mit dem Controller 74 gekoppelt ist, ersetzt oder ergänzt sein. Der Controller 74 und der/die Sensor/en 76 sind zusammenwirkend ausgebildet, um nur dann eine Betätigung zu bewirken, wenn ein vorbestimmter Zustand detektiert wird (1). In einer Kraftfahrzeugeinstellung kann z. B. ein Sensor 76 verwendet werden, der anzeigt, wenn die Fahrzeugtür neben der Sitzposition offen ist; und der Controller 74 kann bewirken, dass sich das System nur dann zurückzieht, wenn solch ein Einstieg- oder Ausstiegereignis angezeigt wird. Als ein zweites Beispiel kann zumindest ein Kraftmesszellensensor 76 zusammen mit der Sitzfläche 12a verwendet werden. In dieser Konfiguration ist die Kraftmesszelle 76 funktionell derart positioniert, dass sie in der Lage ist, eine minimale darauf ausgeübte Kraft (z. B. das Gewicht eines durchschnittlichen erwachsenen Insassen etc.) zu detektieren. Die Fläche 12a kann sich bei Anwendung der Kraft selbständig erweitern. In einem dritten Beispiel wird der Sensor 76 betrieben, um das Nichtvorhandensein eines Objekts vor der Fläche 12a vor dem Erweitern zu detektieren. Das erste und das zweite Beispiel können kombiniert sein, wobei die Fläche 12a bei einem Einstieg und Ausstieg zurückgezogen und im zurückgezogenen Zustand festgehalten wird, bis ein Insasse oder Objekt mit ausreichendem Gewicht detektiert wird. Schließlich ist einzusehen, dass, wenn die Eingabevorrichtung 72 nachrichtentechnisch mit dem Controller 74 gekoppelt ist, und der Controller 74 eine Vielzahl von darin gespeicherten Speicherabruflängen aufweist, die Vorrichtung 72 und der Controller 74 zusammenwirkend ausgebildet sein können, um zu bewirken, dass das System 10 eine zweite Länge L2 erreicht, wobei die zweite Länge eine ausgewählte von den Abruflängen ist.
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Es ist einzusehen, dass (ein) geeignete(s) Algorithmen, Verarbeitungsvermögen und Sensoreingänge im Hinblick auf diese Offenlegung dem Fachmann überlassen sind. Es ist wiederum auch einzusehen, dass alternative Konfigurationen und Auswahlen des aktiven Materials von dieser Offenlegung umfasst sind. Es kann z. B. ein SMP verwendet werden, um die gespeicherte Energie freizusetzen, wenn sie dazu gebracht wird, ihren Zustand mit niedrigerem Modul zu erreichen.
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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.
