负载支撑表面的制作方法

专利名称：负载支撑表面的制作方法
负载支撑表面
背景技术：
本申请是2005年4月22提交的11/112,345号美国专利申请(即现在—号 美国专利)的部分继续申请，要求2005年4月22提交的60/580,648号美国临 时专利申请的优先权。
本发明涉及一种负载支撑表面，尤其涉及一种弹性的负载支撑表面，例如 椅子或长凳的坐椅或者靠背，或者床、摇篮或其他类似产品的支撑表面。
人们仍在继续努力开发新的改进的负载支撑表面。对于一般的负载支撑表 面而言，这些努力的主要目的是获得一种耐用且便宜的负载支撑表面。对于靠 背和其它支撑身体的应用而言，解决舒适的问题也很重要。例如，对于座位而 言，提供一种这样的表面非常重要舒适、且在长时间的使用之后不使身体感 觉疲劳。尽管特定的表面所要求的承载特性(例如硬度、弹性、力量/偏斜 轮廓)由于应用的不同而不同，但人们还是希望有这样一种负载支撑表面，其 在设计和制造过程中都易于调节，以适用于不同的应用。
已知的是，提供一种广泛的适用于各种应用的模制负载支撑表面。例如， 可从很多公知的供应商获得模制的塑料椅(例如草碎椅)。尽管这些模制的椅 子提供了一种便宜的座椅选择，但它们不能提供较贵的负载支撑表面(例如传 统的软垫套)所具有的支撑和舒适的程度。相反，这些模制的椅子提供了基本 线性的力/偏斜轮廓，这使得通常的模制座椅表面有鼓形或蹦床的感觉。在座 椅和其它的支撑身体的应用中，这可能会导致不舒服以及人体功率学不可接受 的负载支撑表面。并且，调节传统模制座椅的特性的能力是较有限的。不同材 料和不同材料的厚度可用于提供对于座椅特性的有限控制，但在许多应用中， 这种控制是不够的。
在座椅行业中，越来越多地使用弹性织物。弹性织物可提供舒适的、通风 的座椅结构。弹性织物通常由高科技的弹性单纤维和多纤维的纱线构成的复杂 的织物制成。这一加工过程导致其表面较贵。尽管在许多应用中，弹性织物的表面相当舒适，但当施加负载时，它们通常会像吊索一样偏斜。 一些人类环境 改造学的专家将这种偏斜称为"吊床效应"，并认为它是人们所不希望的，因 为这会使得督部向上转动。为使"吊床效应"最小，许多悬挂座椅崩得非常紧， 以减小在负载作用下发生的偏斜量。这能减小座椅的像软垫一样的感觉，使得 其更像一个紧紧地崩紧的鼓。因此，弹性织物可能不是在所有的应用中都理想。
因此，仍然需要这样一种弹性的负载支撑表面其能够提供适应于不同负 载的非线性的力/偏斜轮廓。

发明内容
一方面，本发明提供一种在不同方向具有不同的负载支撑特性的弹性负载 支撑表面。在一种实施例中，相互垂直的方向上的支撑特性不同(或分隔)。
在该方面的一种实施例中，所述负载支撑表面包括模制的弹性膜，通过改 变所述膜的结构在分子级的定向，而使所述弹性膜被分隔。在该实施例中，可 通过以下方式使所述模制的弹性膜定向将所述膜朝一个方向挤压或拉伸至必 要的范围，以增加所述弹性体的晶体结构的排列。该定向过程改变了膜的支撑
程使得膜在垂直于该定向方向的方向上具有最小的弹性。减小的蠕动使得能够 采用更薄、因此更软的模制材料作为负载支撑表面，从而降低了材料成本并提 高了舒适度。
在另 一种实施例中，模制的弹性膜包括改变膜的支撑和负载承受特性的机 械结构。在该实施例中，膜可包括但不限于槽、通道、波浪形或其它的在一个 方向上提供"松驰"的一体的元件。如果需要，膜可被定向并包括机械的分隔 结构。
还在一种实施例中，膜被分隔为多个节点，所述多个节点使得膜上的一个 位置在一定程度上独立于另一个位置。在一个实施例中，膜限定了多个相互连 接的几何形状。例如，膜可包括由完整连接段相互连接的多个方形或三角形节 点。连接段的特性可以改变，以控制膜的支撑特性。例如，膜可包括可弯曲或 者在负载作用下可变形的非平面的连接段，以给膜提供"松驰"。
第二方面，本发明提供一种多层负载支撑表面。在本发明的该方面的一种 实施例中，负载支撑表面包括相互作用的上层和下层。上层可包括多个松驰地连接的节点。在一种实施例中，上层是具有多个由一体的连4妄段相互连接的节 点的模制片。上层可包括从各节点朝下层延伸的一体的突起。该突起可与下层 对应的结构配合。多层负栽支撑表面也可包括位于上层和下层之间的弹性元 件。所述弹性元件可与上层或下层一体成形。例如，下层可包括多个适于容纳 所述上层的突起的一体成形的挠性臂。在一种实施例中，下层可为分隔的模制 弹性膜。
本发明还提供一种由弹性材料制成负载支撑表面的方法，该方法大体包括
如下步骤(a)模制弹性膜以及(b)通过以下方式将所述弹性膜朝一个方向 定向将弹性膜沿该方向拉伸，或者将弹性膜以使其沿该方向塑变(flow)的 方式挤压。将所述弹性膜拉伸或挤压至所述弹性膜的晶体结构在定向方向上的 排列有所增加的程度。在一种实施例中，该方法还进一步包括用这样的结构模 制该弹性膜的步骤所述结构沿不同于膜被定向方向的方向机械地分隔膜。该 分隔方向可垂直于所述定向方向。
在一种实施例中，所述膜按照如下步骤被挤压(a)在除了对应于期望的 定向方向的侧边外的所有侧边上限制所述膜；以及(b )向所述膜施加挤压力， 使得所述膜的材料朝所述未限制方向塑变，以增加所述膜在所述塑变方向上的 晶体结构的排列。
本发明还提供一种制造多层负载支撑表面的方法。该方法大体包括如下步 骤(a)制造具有多个由连接段相互连接的节点的上表面；(b)制造适于与在 所述节点处所述上层接合的下层；以及(c)将所述上层和所述下层通过设置 在接合位置的弹性元件结合在一起。在一种实施例中，上层包括由各节点延伸 出的一体的轴(axel)，而下层包括容纳所述轴的一体的弹性臂。
本发明还提供一种坚固而又柔韧的负载支撑表面。弹性负载支撑表面制造 较便宜，并提供了一种可以通风以防止热量滞留的重量轻的表面。分隔的弹性 材料显示了尤其非常适用于座椅应用的支撑特性，因为它在不同方向提供了不 同程度的弹性和支撑。例如，分隔的弹性材料可提供在左右方向具有弹性、而 在前后方向不具有弹性的座椅结构。此外，通过增加弹性材料的晶体结构的直 线排列，可大大减小在膜内的蠕动。在两层的实施例中，第二层提供了对负载 支撑表面的上/下(或者z轴)位移的额外控制，这允许更多地控制座椅的支撑和舒适特性。
通过参考优选实施例和附图的详细描述，将更容易地理解本发明的这些和
其它目的、优点和特;f正。


图1是按照本发明的一种实施例的负载支撑表面的透视图2A是另一种具有多个节点的负载支撑表面的透^L图2B是图2A所示的负载支撑表面的一部分的放大透视图3A是模制的弹性膜在定向前的俯视图3B是模制的弹性膜在定向过程中的俯视图3C是模制的弹性膜在定向后的俯视图4是模制的弹性膜的沿图3C中IV-IV线的剖^L图5A是第一种替换的负载支撑表面的透视图5B是第一种替换的负载支撑表面的沿VB-VB线的剖视图6A是第二种替换的负载支撑表面的透视图6B是第二种替换的负载支撑表面的沿VIB-VIB线的剖视图7A是第三种替换的负载支撑表面的透视图7B是第三种替换的负载支撑表面的沿VIIB-VIIB线的剖视图8A是弹性膜具有完整边界的部分的放大剖视图8B是弹性膜具有第一替换的完整边界的部分的放大剖视图8C是弹性膜具有第二替换的完整边界的部分的放大剖视图9是按照本发明的一种实施例的两层负载支撑表面的透视图IO是图9所示的负载支撑表面的局部放大图11是负载支撑表面的分解图，示出了单个弹簧、单个节点以及下层的 一部分；
图12是一种替换的下层的俯视图13是第二种替换的下层的俯视图14是具有 一体的弹性元件的下层的 一种替换的透视图15是具有一体的弹性元件的下层的第二种替换的透视图16是另一种具有三角形节点的顶层的透视图；图17是图16的替换顶层的单个节点的透视图18是具有多个节点和支撑框架的负载支撑表面的分解透3见图19是图18中的负载支撑表面附接于支撑框架上的透视图20是用于将图18中的负载支撑表面附接于支撑框架上的摁扣的放大
图21是各种应力-应变曲线的曲线图。
具体实施例方式
图1中示出了按照本发明的一种实施例的负载支撑表面10。图1中示出 的负载支撑表面IO是可悬挂于支撑结构如椅子座位框架100 (图18和19所 示)上的模制膜。负载支撑表面IO在不同的方向具有不同的支撑特性。例如， 负载支撑表面在X方向可提供显著的弹性支撑，而在y方向提供较小的支撑。 负载支撑表面的这种"分隔"的支撑特性提供了很高的舒适度。通过公开，结 合主要用于座椅应用的各种替代的实施例描述本发明。然而，本发明并不限于 使用于座椅的应用中，其也可结合至其它的负载支撑的应用。模制膜的支撑特 性是高度可调节的，从而使得负载支撑表面IO适用于支撑各种不同应用中的 各种负载。
在图1的实施例中，负载支撑表面10包括模制弹性膜12。在示出的实施 例中，膜12是由热塑性聚醚酯弹性体嵌段共聚物模制而成。这种类型的合适
标为Amitel的材料。各种替代的弹性体也适合于应用于本发明。模制膜12的 厚度根据应用的不同而不同，其主要取决于预期的负载和期望的表面硬度，但 在标准的座位应用中，膜的支撑部分在期望的定向之前可具有大约20-40密耳 (mil)的平均厚度。
在一种实施例中，模制膜12被朝一个方向(例如X方向)定向，以在定 向的方向提供蠕变阻力和弹性。膜12的定向是这样实现的增加弹性膜的晶 体结构在分子级的排列(alignment),从而改变其支撑和其它负载支撑特性。更 具体地说，模制的、未定向的模制膜通常包含多个球粒，这些球粒是在聚合体 的生长过程中，通过从晶核点以螺旋线辐射地形成晶体薄片而产生的。在定向 的膜中，至少一些球粒被破坏了，而这些晶体片层(lamellae)朝一个方向排列。通常，该膜将^t定向为这种程度定向的膜12在定向方向和其它方向具 有实质上不同的负载支撑特性。
将膜12定向的一种方法是拉伸。获得期望的排列所需要的拉伸的量由于 应用的不同而不同，但在大多数应用中，当膜被拉伸至其原始尺寸的大约2 倍时，就达到期望的排列程度。在一种实施例中，采用大约1830 lbs的力将膜 拉伸至超出它的弹性限度，达到大约其原始尺寸的3-8倍。由于膜被拉伸至超
出其弹性限度，因此其恢复至由原始尺寸变形而来的中间尺寸。该变形是不可 恢复的永久变形。这种定向和不可恢复的变形的结果是， 一定程度的永久变形 从定向膜中消除，因此当随后在期望的正常操作负载内向定向膜施加压力时
(例如，对于座椅而言，为100-300 lbs的范围内)，该膜能抵抗随着时间的推 移而产生的永久变形(例如蠕动)。
尽管通过采用各种方法和在各种条件下拉伸可使膜被定向，但可控制多个 参数，以给膜提供期望程度的定向。例如，在一种实施例中，模制的膜在其被 从模具取出之后，在较短的时间内(例如10-15分钟)被拉伸，因此，膜在被 拉伸时仍然是暖的。这减小了拉伸时需要的力，从而使薄膜定向。在另一种实 施例中，膜以每秒1英寸的速率被拉伸，直到其达到期望的变形。 一种緩慢、 被控制的拉伸帮助在膜的横向保持统一的定向。在还一种实施例中，可执行循 环定向，其中膜被这样定向将膜拉伸至第一距离，然后放松至第二、中间距 离；然后拉伸至比第一距离大的第二距离。该工序可根据需要重复多次，直到 达到期望的定向。在一个具体的实施例中，膜被拉伸至其原长的两倍，松驰至 原长的1.5倍，然后再拉伸至原长的3倍。循环定向过程有助于补偿膜的材料 内的不规则，以提供统一的拉伸，因为在多次循环之后，较大或较小的拉伸区 域会变得平坦。
除了减小蠕动外，模制模的拉伸可用于控制负载支撑表面的硬度，并且， 最终控制表面的舒适度。首先，如上所述，将膜朝一个方向的定向增加了材料 在该方向上的弹性。增加的弹性减小了该材料在定向方向上的硬度，从而影响 了材料在定向位置的舒适度。第二，如上所述，在使用时，模制模可能悬挂于 椅子的座位框架上。典型地，膜被以一定程度的预负载张紧地支撑于框架上。 各种预负载改变了膜的硬度，因而影响了负载支撑表面的舒适度。在一种实施例中，该框架的尺寸和原膜尺寸保持恒定，通过改变膜附接于框架之前的永久 变形量，可改变该材料的硬度特性。在定向过程中拉伸的量越大，则当膜被安 装于支撑框架上时，负载支撑表面越松、越软。
尽管可通过拉伸弹性膜12而使其定向，然而在某些应用中也可采用其它 方法实现弹性膜12的定向。例如，可以通过锤击或其他形式的挤压(而不是 拉伸膜12)使某些材料定向。应当指出，许多弹性材料，包括模制的Hytrel, 基本上没有弹性，当为模制形式时，易于有很高程度的蠕动。如上所述，本发 明的定向过程可以使弹性材料的性质发生显著变化。例如，膜12的定向增加 了材津十的弹性，并减小了其固有的易于蠕动的性质。图1的弹性膜12还包括 多个波紋14，这些波紋14在垂直于定向方向的方向(即y方向)提供了 "松 驰"。当向膜12施加负载时，波紋14可逐渐"变平"，该变平允许膜12在y 方向膨胀。下面更详细描述波紋14和其它机械地分隔的结构。
图1中的膜12还包括一体的边界16,该边界16可被直接安装于所需的 支撑结构(未示)上，例如椅子座位框架。在示出的实施例中，边界16延伸 至环绕膜12的周边，并且其厚度显著大于膜12的其余部分的厚度。边界16 可包括一体的摁扣或者其它有助于将膜12附接于支撑结构上的附接结构(未 示)。作为一种替换，边界16也可借助紧固件(未示)附接，所述紧固件例如 为螺钉或螺栓。边界16不必延伸至完全地环绕整个膜12,而是可以包括分别 位于周边不同位置的一个或多个段(segment)。作为一种替换，边界段可定位 于矩形膜的各个角(未示)。边界16也不一定定位于膜12的周边。在某些应 用中，可能期望有一个或多个边界段定位于膜12的内部。例如，在细长的表 面中，膜的中央内部可包括边界段，以提供中部的安装位置(未示)。图8A-C 示出了三种可替换的边界结构。图8A示出了具有孔17'的边界16'，孔17' 有助于将边界16'附接于支撑结构(未示)上。例如，紧固件(未示)可穿 过孔17'。作为一种替换，孔17'也可与支撑结构上的附接结构(未示)配合， 所述附接结构例如为柱子。图8B示出了横截面大体为圆形的边界16〃。图 8C示出了横截面基本为正方形的边界16" \
图18-20示出了图8A所示实施例的一种变形。在该实施例中，膜320的 边界160包括一系列的容纳孔170。如图所示，容纳孔170沿一体的周围边界160成排地均匀间隔开。容纳孔170的形状和间距使得其适于与从座位框架100 延伸出的对应的摁扣104对准。在该实施例中，通过将各摁扣104插入对应的 容纳孔102中，可易于将膜附接于框架100上。如图20所示，摁扣104包括 锥形的外边界106。锥形形状有助于膜在框架上的定位，消除了在膜附接于框 架上时在x方向和y方向上的松驰。侧边界108和114可比其余边界更呈锥形， 以将膜在y方向拉紧。在一种实施例中，边界160不被定向，并且厚度至少是 定向部分的三倍，以防止在整个边界上蠕动。在加工过程中，整个边界160 可用于多个目的。例如，边界160 (或之前的实施例中示出的16)可用于作为 一组用于通过拉伸使膜定向的夹具(未示)的夹持表面。边界160的附加厚度 使得这成为可能，因为它提供了用于与夹具接触的刚性表面，夹具不会拉伸膜 的其余部分。当膜被定向后，可利用上述多种技术中的一种，该边界可用于将
膜安装至支架上。
如上所述，弹性膜12是采用传统技术或装置模制的。例如，弹性膜12 可借助传统的注模装置(未示)注塑成形，这种注塑模装置包括模具，模具被 配置为提供具有期望的形状和特征的膜。在这种实施例中，弹性膜12是通过 将期望的材料注入模腔中制造成形的。这种模具被设计为提供模制的毛坯(参 见图3A)，这种毛坯一旦发生任何期望的定向，就会呈现为期望的形状。例如， 模具被配置为在定向步骤完成之后形成具有期望的形状和尺寸的零件。在^t制 之后，模制膜可被拉伸，或者朝一个方向定向(参见图3B)。如果是通过拉伸 实现定向的，则施加至膜上的拉伸量的精确值将取决于膜的结构和期望的支撑 特性。在许多应用中，必须将膜拉伸至其原长的至少两倍，优选地为三倍，以 达到期待的排列。该膜可采用传统的技术和设备拉伸。在一种实施例中，在拉 伸过程中， 一组夹具(未示)可被配置为夹持于膜的整个边界上。由于塑料变 形，以及晶体结构的排列的增加，膜12在从拉伸设备上释放之后，将不能完 全回到其原始长度。相反，定向膜12将延长拉伸距离的一部分，而精确的伸 长量很大程度上取决于膜的材料特性(参见图3C )。 一旦发生任何期望的定向， 基本上可借助任何安装技术将膜12直接安装于支撑结构上。
图21示出了显示具体模制膜的材料特性变化示例的曲线图，其中包括三 条不同的应力一应变曲线。这些曲线显示了工程上的应力一应变(即变形过程中在表面区域上的变化没有调节)。线A示出了原始的、未定向的膜的拉伸，
其在以每秒.05英寸的速率拉伸时失效。该失效发生在大约22501bs，在该点 时材料被拉伸至大约原长的825%。线B示出了将相同类型的材料拉伸至其原 长的650°/。时的定向。该定向包括一个循环，其中在将膜拉伸到其原长的100% 之后，继续定向之前，该材料被松驰。在这种情况下，该材料恢复后的最后长 度是原长的3.5倍多。这显示了该材料在定向之后产生的塑性变形。线C示出 了达到定向材料失效的拉伸。该材料大约在2400 lbs的力时失效。正如通过比 较线A和线C的弹性区域可以看出的，线C示出的定向膜具有较低的弹性系 数，因此它比原始材料更具有弹性，并且在接受正常的操作负载(例如大约 1801bs)之后，能完全恢复至其定向长度。
在一种实施例中，已通过拉伸被定向的膜可在拉伸的材料完全恢复至其最 后尺寸之前被手动地(无需使用拉伸设备)地附接至支撑框架上。必须在膜被 拉伸之后的较短的时间内进行附接，这样需要很少或不需要附接膜的负载，例 如，将摁扣104插入容纳孔102中。在附接于框架之后，膜继续恢复，因此在 膜达到最后尺寸之后，其张紧地拉伸于框架上。在一种实施例中，膜在定向后 最后恢复的尺寸可能是预定的，例如通过实验或计算得到的，因此膜可被零负 载地设置于框架上，然后以预负载的期望值恢复至最后尺寸。在一种实施例中， 预负载的期望值是75至250 lbs之间。如果膜完全恢复之前被附接，理想的是， 在最后使用之前，允许其有一段时间恢复。
作为对拉伸的一种替换，膜12也可通过挤压而被定向。在通过挤压而定 向的实施例中，膜12被放置于模具或其它在所有侧而不是至少在与定向所期 望的方向对应的一侧限制膜12的结构(未示)中。相对侧可以不被限制，以 允许膜12的材料从两侧沿着定向方向塑变。作为一种替换，也可以只有一侧 不被限制，从而限定材料向单方向塑变。然后向膜12施加挤压力。例如，可 采用压榨机挤压模具内的膜12。施加足够的挤压力，从而使得材料向未被限 制的方向塑变。该实质上使得膜12伸展，且其晶体结构变得越来越朝定向方 向排列。施加至膜12的力的大小由于应用的不同而不同，其取决于期望的定 向或排列的程度。尽管结合整个弹性膜12的定向进行描述，但在某些应用中， 不必使整个膜12定向。相反，在某些应用中，期望仅将膜的选定的部分定向。例如，在某些应用中，期望仅仅将膜的选定的边缘部分定向。当期望这样时， 可以对膜施加局部的拉伸或挤压。在其它应用中，膜的选定部分可能具有减小 的厚度，这样在定向过程中，主要是这些选定的部分被拉伸并变得被定向。
在本发明中，模制的膜的使用能够易于在膜上产生特定结构(texture), 能够使得膜具有基本上任何期望的轮廓以及在不同位置膜的厚度不同。尽管未 示出，膜的上表面可以是平滑的或者形成提供皮革、织物或其他期望的结构的 外表的特定结构。类似地，膜的上表面可具有任何基本上可能的设计元素(未 示)，如小突起、皱紋、孔或蜘蛛网图案。轮廓的使用和沿整个膜12的厚度的 变化允许局部地控制膜12的支撑特性。例如，膜12可以在期望增强支撑的区 域更厚一些。
在下面的段落中描述本发明的各种替换实施例。在每一个替换的实施例 中，弹性膜被朝一个方向定向，以减小蠕动，并给膜在定位方向提供所期望的 弹性。然而，不必在所有应用中都将膜定向。相反，在那些由定向提供的弹性 和蠕动阻力不是必须(或者不期望)的应用中，在不同方向的膜的支撑特性的 变化可仅通过膜的结构的变化来实现。
图5A-B示出了 一种替换的实施例。在该实施例中，膜12'限定了多个槽 或孔，这些槽或孔减弱了膜在x方向和y方向的硬度。具体而言，膜12'限 定了多个孔26:孑L26'允许膜在期望的方向(即y方向)产生一具体量的伸 展，而无需显著地拉伸膜12'。孔26'可如图5A所示地伸长。如图中所示， 孔26'可在膜12'的整个表面上交错排列，孔26'准确的形状、数量、位置 和尺寸主要由期望的支撑特性确定。如图5B所示，膜12'可被模制为具有环 绕各孔26'的巻边27'，以减小撕裂的可能性。如上所述，膜12'也可定向 为朝x方向，如结合膜12进行的描述。
图6A-B示出了第二个可替换的实施例。在该实施例中，膜12〃包括波 浪形的变形26''，波浪形的变形26''通过在一个方向(例如y方向)提供"松 驰"减小了膜12"的硬度。如图6B所示，当观察横截面时，波浪形的变形 26"可为正弦曲线。作为一种替换，当观察横截面时，波浪形的变形26〃 也可类似于手风琴或者褶皱的结构。该波浪形可基本符合在z方向变化的任何 轮廓。在该实施例中，波浪形的变形26〃可被设置成相互平行。因此，波浪形的变形26"协同提供基本上在一个方向上的松驰。然而，在适合于提供期 望的支撑特性的情况下，波浪形的变形26〃也可非平行地排列。波浪形的变 形26"的数量、尺寸、形状和位置可被调节，以提供对膜12〃的整个支撑 特性的控制。
图7A-B示出了第三种可替换的实施例。在该实施例中，膜10〃'包括多 个至少部分地横跨膜12'''延伸的肋26' 〃 。在该实施例中，膜12' 〃包括 多个平行的肋26〃'。肋26〃'给膜12〃'提供了额外的材料，这些材料减 少了朝垂直于肋26〃'(即y方向)的方向拉伸膜12〃'所需要的力，而对朝 平行于肋(即x方向)的方向拉伸膜12"'所需要的力影响很小。肋26〃' 的数量、尺寸、形状和位置可被调节，以提供对膜12〃'的支撑特性的控制。
负载支撑表面可任选地被分为多个节点。图2A-B示出的模制弹性膜112 包括多个节点118,这些节点118由多个连接段120、 122相互连接。正如可 能是在图2B最清楚示出的，节点118和连接段120、 122 —体形成单个模制 零件。在图2A-B的实施例中，膜112包括多个基本正方形、尺寸相等、有规 律地间隔的节点118。然而，节点118不必尺寸相等或者有规律地间隔。相反， 节点118在膜112的不同区域的尺寸、形状、间距或其它特征都可以变化，以 提供对膜112的不同区域的支撑特性的局部控制。尽管本实施例中的节点118 是大体正方形的，但它们的形状可根据应用的不同而变化。例如，在某些应用 中，可能需要圓形、三角形、矩形或不规则形状。示出的节点118具有大体平 坦的上表面124,但上表面124可具有各种轮廓。例如，节点118可具有突起 的上表面(未示)。还应当认识到，节点118之间的间隔126和连接段120、 122提供了通风的膜112。间隔的126尺寸、形状和结构可被制成适于提供通 风和支撑特性之间的所需的平衡。
如上所述，节点118由多个连接段120、 122 (参见图2B)相互连接。膜 112的支撑特性受连接段120、 122的数量、尺寸、形状和其他特征的影响。 在该实施例中，膜110被配置为提供沿一个方向的弹性支撑。因此，在定向的 x方向连接节点118的连接段120大体是平的。因此，当施加负载时，弹性膜 112在定向方向经历一个拉伸动作。在该实施例中，膜112被配置为在y方向 具有最小的弹性响应(即垂直于定向方向的方向)。因此，在y方向连接节点118的连接段122基本不是平的，而是有些呈U形的弧。因此，连接段122在 垂直于定向方向的方向给膜提供"松驰"。在承受负载的情况下，非平面的连 接段122承受弯曲作用，该弯曲作用基本上使连接段变平，使"松驰"从膜 112上去除。这使得在无需要拉伸膜112的情况下，使膜112在松驰方向发生 一定程度的伸展。通过调节连接段120、 122的设计和结构，获得这种延伸所 需要的负载量可施加在膜112上。尽管实现弯曲作用的所需要的精确的力是变 化的，但弯曲作用产生的对膜112的膨胀阻力和弹性回复远远小于拉伸作用正 常所会产生的对膜112膨胀阻力和弹性回复。因此，膜112主要在定向方向提 供弹性支撑。
此外，在膜在两个方向都定向且膜包括机械的分隔(decoupling)结构的 实施例中，可采用机械的分隔结构(如节点118)改变和控制膜的定向位置。 例如，在图2A和2B所示的膜中，沿定向方向延伸的连接段120具有比节点 118和膜的其余部分更小的厚度。因此，当通过在x方拉伸膜而使膜IIO被定 向时，拉伸和定向主要发生在连接段120内。在示出的实施例中，这些具有减 小的横截面的部分在y方向上均匀成排地延伸，因此它们在X方向被拉时， 它们能均匀地拉伸。节点118基本保持不定向。这使得可基本控制定向的位置 以及负载支撑表面的硬度。
另一方面，本发明提供了多层负载支撑表面200。在图9-ll的实施例中， 负载支撑表面200包括上层204、下层206和设置于上层204和下层206之间 的多个弹性元件230。上层204具有多个^^驰地连接的节点208，下层206与 上层204连接，并支撑上层204。在一种实施例中，上层204包括多个相互连 接的节点208。上层204可为与连接段212—体成形的单块的模制片，连接段 212和相邻节点208相互连接。在图9-ll的实施例中，节点208是正方形的。 但是节点208也可为任何其它的形状。例如，在图16-17示出替换实施例中， 节点208'是三角形的。选择连接段212的特性，以给相邻节点208之间提供 理想程度的相互依赖。例如，当希望节点208之间高度地相互依赖时，可包括 较短的、厚的连接段212;当希望节点208之间高度地独立时，可包括较长的 且较薄的连接段212。如果需要，连接段212可弯曲为在节点208之间提供"松 驰"，类似于上述结合膜IO描述的连接段122。在示出的实施例中，上层204还包括从各节点208朝下层206延伸的轴216 (或其他突起)。正如下面将详 细描述的，轴216与下层206的对应孔218相互配合。这种相互配合的关系使 得下层206引导上层204的运动。轴216可具有各种形状。但在图9-ll的实 施例中，各轴216包括伸长的圆柱形轴。在图16和17示出的替换的实施例中， 各轴216'大体包括终止于头部222'的杆22(T。头部222'为倒锥形，其具 有锥形的下端224'和大体平坦的上端226、锥形的下端224'有助于轴216' 插入下层对应的开口内，而大体平坦的上端226'防止轴216'从下层的开口 中移除。轴的头部222'使得上层204'和下层易于快速安装至相互锁定的关 系。作为一种替换，头部222'可包括其它相互锁定的形状。
下层206给上层204提供支撑结构。下层206任选地具有弹性，并任选地 分隔为与上层节点208对应的节点240。在图9-11的实施例中，下层206是与 上面描述的膜112类似的分隔(decoupled )的模制弹性膜。下层206包括多个 由连接段242、 244连接的方形节点240。关于膜112，下层206被沿X方向 定向，并包括非平面的连接段224，连接段224在y方向提供松驰。然而，与 膜112不同，各节点240限定了适于容纳对应的上层节点208的轴216的开口 218。
节点240和连接段242、 244的结构可根据应用的不同而不同。图12示出 第一种替换的下层206'。在该实施例中，下层206'沿x方向定向。下层206' 包括由连接段242'、 244'连接的正方形节点240'。连接段242'在x方向连 接节点24(T,并且基本是平面的，以使得在定向方向没有松驰。连接段244' 在y方向连接节点240'，并且是弓形，以在y方向形成+仝驰。图13示出了第 二种替换的下层206〃。该实施例除了节点240〃是大体圓形的外，基本与下 层206'相同。对于下层206'而言，如果需要，下层206"的连接段242〃、 244〃可在y方向提供松驰。尽管结合各种定向的结构描述了下层，但下层不 需要定向或者其他的分隔。类似地，下层206不需要分隔成显著的节点。
如上所述，可在上层204和下层206之间设置弹性元件。优选地(但不必 须地)，在各上层节点208和对应的下层节点240之间设置弹性元件250。如 图9-11所示，可在上层204和下层206之间的各个轴216上设置弹性元件， 如巻簧。分立的弹簧的特性可因位置的不同而不同，以在负载支撑表面的不同部分提供不同的支撑特性。
作为一种替换，弹性元件可与下层结合为一体。如图14所示，下层306 可包括与下层306 —体;f莫制而成的多个一体的弹性臂350。弹性臂350净皮设置 成使得单个弹性臂350唯一地与各上层节点208对准。弹性臂350是悬臂，并 为从下层306向上层204延伸的大体弓形。各弹性臂350的上端352被配置为 与对应的上层节点208的下表面配合。各弹性臂350限定了轴孔318，轴孔318 ^J己置为容纳对应的上层节点208的轴216。在本实施例中，轴孔318小于轴 的头部，因而轴可与弹性臂350扣合。弓形弹簧350可由其它悬臂的或者弹性 的结构(例如弓形结构或官隆结构)替代。
图15中示出了 一种替代的一体弹性结构。在该实施例中，各弹性元件450 包括一体的平衡环460，平衡环460有助于轴216基本上在各个方向的运动， 从而使得上层204更灵活。弹性元件450包括从下层406向上层204延伸的悬 臂452。弹性臂450终止于一体的平衡环460。平衡环460大体包括枢轴环462 和安装环464,枢轴环462与弹性臂450的其余部分借助一对挠性桥466连接。 桥466位于枢轴环462的相对侧，且在直径上彼此相对。而枢轴环462则借助 一对挠性桥468与安装环464连接。安装头桥468在直径上彼此相对，并位于 安装环464的相对侧，同时也与枢轴环桥466大约间隔90度。使用时，枢轴 环桥466和安装环桥468足够地柔韧，以使得安装环464基本在任何方向都枢 转，这可由轴216传送的负载所控制。平衡环460的特性可调节，以提供期望 的支撑特性。
在其它替换的实施例中，弹性元件可被结合至上层而不是下层。在该实施 例中，弹性元件可基本与上述弹性元件相同。
下层可容易地配置为对负载支撑表面地支撑特性提供局部的控制。如果需 要，下层的不同区域的弹性构件的特性可不同，以提供对应于上层不同区域的 支撑特性的变化。例如，根据需要，选取的弹性元件的硬度可提高或降低，以 提供更大或更小的支撑。弹性元件的形状、厚度、长度或其他特性可变化，以 提供需要的局部控制。
上述描述是关于本发明的各种实施例的描述。还可做出各种改变或变形而 不偏离在附后的权利要求中限定的本发明的精神和更宽的方面，因此这些实施例应当按照专利法的原理(包括等同原则)去解释。提及的任何元件的单数， 例如，使用冠词"一"、"一个"、"该"或"所述"不应当被解释为将这些元件 限定为单数。
权利要求
在本发明的实施例中要求了如下排他所有权或特权1. 一种负载支撑表面，包括模制的弹性膜，所述膜被沿第一方向定向，从而所述膜在第一方向提供了与第二方向相比不同的负载支撑特性。
1. 一种负载支撑表面，包括模制的弹性膜，所述膜被沿第一方向定 向，从而所述膜在第一方向提供了与第二方向相比不同的负载支撑特性。
2. 根据权利要求1所述的表面，其中，所述膜包括一体的边界，所 述一体的边界适于使得将所述膜安装于支撑结构上。
3. 根据权利要求2所述的表面，其中，所述一体的边界限定至少一 个容纳孔，所述容纳孔适于容纳从所述支撑结构延伸出的突起。
4. 根据权利要求3所述的表面，其中，所述一体的边界沿所述膜的 第一侧和所述膜的第二侧延伸，所述第二侧与所述第一侧相对，所述第 一侧和第二侧垂直于所述第 一 方向延伸。
5. 根据权利要求4所述的表面，其中，所述膜包括具有第一厚度的 第一部分和具有第二厚度的第二部分，所述第 一部分基本上沿所述第二 方向延伸。
6. 根据权利要求5所述的表面，其中，所述一体的边界具有第三厚 度，所述第三厚度比所述第一厚度厚，是所述第一厚度的至少3倍。
7. 根据权利要求3所述的表面，其中，所述机械结构包括多个与所 述膜一体成形的通道，所述通道基本上沿所述第一方向延伸。
8. 根据权利要求1所述的表面，其中，所述膜限定了由多个连接部 分相互连接的多个节点，沿所述第 一 方向延伸的所述连接部分与沿所述 第二方向延伸的所述连接部分相比具有不同的物理特性，因而所述膜至 少部分地由所述多个连接部分的物理特性的不同而被分隔。
9. 根据权利要求1所述的表面，其中，所述膜的至少一部分包括晶 体结构，所述晶体结构在所述第一方向具有比其它方向更大程度的排列。
10. —种制造负载支撑表面的方法，包括如下步骤 模制弹性膜；将所述弹性膜的至少一部分仅沿一个方向定向，直到所述膜的晶体结构变得充分地沿该一个方向排列，以使得所述弹性膜的所述部分在该 一个方向上具有的负载支撑特性不同于其它方向。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中，所述定向步骤进一步限定为将所述弹性膜的至少一部分沿该一个方向拉伸至所述膜的该部分的原 长的至少大约三倍。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述模制膜在其被从模具 中取出后15分钟内被拉伸，此时所述膜仍然是处于被加热的状态。
13. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述模制膜被拉伸至足以 发生塑性变形的距离。
14. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述膜被从原始距离拉伸 至第一距离，然后+>驰至所述原始距离和所述第二距离之间的第二距离， 然后再拉伸至比所述第二距离更长的第三距离。
15. 根据权利要求11所述的方法，还包括如下步骤 使所述弹性膜模制为具有一体的边界；以及 借助所述边界将所述弹性膜附接于支撑结构上。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中，拉伸所述膜的步骤包括在 所述一体的边界处拉伸所述膜。
17. 根据权利要求15所述的方法，其中，将所述膜附接于所述支撑 结构上的步骤包括将所述支撑结构上的多个突起插入形成于所述膜的所 述一体的边界中的多个对应的接收器中的步骤。
18. 根据权利要求15所述的方法，其中，被拉伸的膜在恢复至最终 长度之前被附接于所述支撑结构上。
19. 根据权利要求10所述的方法，其中，所述定向步骤进一步限定为在除了对应于所述一个方向的至少一个未限制侧以外的所有侧上限 制所述弹性膜的至少 一部分；挤压所述弹性膜的该部分，直到所述弹性膜的该部分的材料沿所述' 一个方向在未限制侧向外塑变。
20. —种制造负载支撑表面的方法，包括模制弹性膜，使得所述膜包括由多个连接部分相互连接的多个节点， 所述连接部分沿第一方向延伸，所述连接部分具有小于所述节点厚度的 厚度；通过这种方式使所述弹性膜定向沿所述第一方向拉伸所述膜至足 够的距离，以^使得所述膜发生塑性变形且所述膜的晶体结构沿第一方向 具有更大程度的排列；以及在所述膜恢复至最后长度之前，将其安装到支撑结构上，在所述膜 被安装至支撑结构上之后，所述膜继续恢复，完全恢复的膜在所述支撑 结构与所述膜之间提供所需的张紧。
21. —种负载支撑表面，包括 支撑结构；模制的弹性膜，所述膜的至少 一部分被定向为具有沿第 一方向比沿 第二方向有较大程度的排列的晶体结构；所述膜被模制为包括机械结构，所述机械结构在所述第一方向和所述第二方向之间分隔所述膜；以及附接装置，位于所述支撑结构与所述膜之间，以在所述支撑结构上张紧地支撑所述膜。
22. 根据权利要求21所述的负载支撑表面，其中，所述附接装置包 括模制于所述膜内的一体的边界和位于所述支撑结构上的多个突起，所 述一体的边界限定了多个接收器，所述多个突起中的每一个插入一个对 应的所述接收器内。
23. 根据权利要求22所述的负载支撑表面，其中，所述每个突起包 括外边界，所述外边界的至少一部分呈锥形。
24. 根据权利要求23所述的负载支撑表面，其中，所述外边界包括 朝向所述第二方向的第一侧壁和第二侧壁，以及朝向所述第一方向的第 三侧壁和第四侧壁；所述第一侧壁和第二侧壁比所述第三侧壁和第四侧 壁具有更大的锥度。
25. 根据权利要求21所述的负载支撑表面，其中，所述膜的一些部分比所述膜的其他部分具有更大程度的定向，所述定向更大的部分比其 它部分具有更大的弹性。
26. 根据权利要求25所述的负载支撑表面，其中，所述膜包括由连 接段相互连接的多个节点，所述连接段比所述节点具有更大程度的定向。
27. 根据权利要求26所述的负载支撑表面，其中，所述节点按矩阵 排列。
全文摘要
一种弹性负载支撑表面，其在不同方向具有不同的负载支撑特性。在一种实施例中，该表面包括例如通过挤压或拉伸仅沿一个方向被定向的弹性膜。在另一种实施例中，该表面包括机械结构，例如连接部分和厚度变形，这些结构改变了不同方向上的承载特性。在还一种实施例中，表面既被定向，也包括机械结构。
文档编号A47C7/72GK101437425SQ200680054523
公开日2009年5月20日 申请日期2006年8月25日 优先权日2004年6月17日
发明者丹尼尔·S.·佐默费尔德, 安德鲁·B.·哈特曼, 蒂莫西·P.·科菲尔德 申请人:伊利诺斯工具制品有限公司