活性材料促动的头枕组件的制作方法

专利名称：活性材料促动的头枕组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及头枕组件，并更特别是涉及活性材料促动的可形变、 可定位和/或可变化/调节的柔顺头枕组件。
背景技术：
车辆座椅通常包括下部座椅部分和靠背部分，头枕组件通常用于 车辆中，并且通常可调节地连接在靠背部分上.头枕可相对于靠背部
分通过使用者有选择地运动；例如头枕的高度通常可以有选摔地调节，

发明内容
这里披露的是采用基于活性材料的促动器的头枕组件，或者采用 活性材料以便提供头枕组件的可变化、可调节柔顺性.在一个实施例 中，头枕包括结合在框架构件、袋或齿轮装置内的活性材料，其中在 促动信号施加在活性材料上时活性材料促动.
定位成与乘坐者的头部对准的头枕，头枕包括从靠背延伸的一个
或多个立柱；具有构造成接触乘坐者头部的表面的衬垫覆盖物；布置
在村垫覆盖物内的框架；以及布置在衬垫覆盖物内与头枕表面的一部 分可操作连通的活性材料，其中活性材料构造成在接收促动信号时进
行至少一种性能的变化，其中至少 一种性能的变化有效地改变头枕表
面相对于靠背的位置或模量特性。
在另一实施例种，头枕组件包括中央部分；连接到中央部分一側
上的第一翼部分；以及连接到中央部分另一侧上的第二翼部分。框架 支承并限定翼部分和中央部分，并且互连由活性材料形成的构件.活 性材料构造成有选择地改变头枕的翼部分和/或中央部分的位置或模 量特性。
一种有选择地重新构造从靠背延伸的头枕的形状或模量特性的方 法包括通过促动信号促动活性材料，其中活性材料与头枕表面可操作 地连通，并且构造成在接收促动信号时进行至少一种性能的变化；并 且通过改变头枕表面的位置和模量特性来重新构造头枕以响应至少一 种性能的变化，
以上描述和其它特征通过下面附图和详细说明来说明.


现在参考作为示例性实施例的附图，并且其中类似的元件以类似
方式编号
图l表示具有头枕的座椅靠背的侧立视图； 图2表示按照本发明一个实施例的头枕的前视图； 图3表示按照本发明一个实施例的头枕的自顶向下的截面图； 图4表示按照本发明一个实施例的头枕的自顶向下的截面图； 图5表示由按照实施例的活性材料形成的头枕和框架的側截面图； 图6表示由按照另一实施例的活性材料形成的头枕和框架的侧截 面图7表示按照本发明一个实施例的头枕的自顶向下的截面图； 图8表示按照另一实施例的头枕的侧截面图；以及 图9表示按照另一实施例的头枕的侧截面图.
具体实施例方式
这里披露的是头枕组件，头枕組件包括活性材料促动机构，头枕 组件可在使用过程中按照不同触发事件和条件的需要有选摔和有效地 定位，这里披露的头枕组件适用于任何座椅(包括儿童座椅)中的头 部约束器.例如，头枕组件可用于运输车辆(例如轿车、卡车、飞机、 火车和类似物)、家具(例如娱乐和家庭座椅(包括附件))、担架、床、 头部/颈部定位和限制/局限器材和类似物.另外，这里披露的头枕组 件可与座椅靠背集成(即整体结构)，或者作为选择可以是添加到座椅 靠背上的分开部件。
活性材料为头枕的柔顺性提供有选择的形变、操纵、定位和/或变 化，以响应施加的促动信号，其中可按照需要或者在检测到一个情况 时触发促动信号的施加。这里使用的术语"活性材料"通常指的是在 施加促动信号时例如尺寸、形状、相位、定向、刚性、剪切强度和类 似物的性能变化。适当的活性材料包括(没有限制)形状记忆合金 (SMA)、铁磁形状记忆合金(MSMA)、形状记忆聚合物(SMP)、压电材 料、电活性聚合物(EAP)、磁流变(MR)弹性体、电流变(ER)弹性 体、ER流体、MR流体和类似物.除了所述的材料之外，术语活性材料 同样用来包括剪切稠化/稀化流体(STF)。根据特定活性材料，促动信 号可采取如下形式(限制)电流、电场(电压)、温度变化、磁场、机械栽荷或施加应力和类似物.在所述材料中，基于SMA和SMP的组 件最好包括返回机构，以便恢复组件的原始几何形状。返回机构可以 是机械、气动、液压、烟火或基于所迷活性材料之一.
有利的是，这里描述的头枕組件可以适用于通过触发事件提供的 惯性来响应乘坐者的动态载荷，使得头枕形变，从而减小乘坐者和头 枕之间的空间。如说明书中将描述那样，多种基于活性材料的促动器 可用来克服许多用于头枕的传统促动器的缺陷.为此设想的大多数基 于活性材料的装置比严格的机电方法更加稳固，这是由于它们没有机 械部件，只是材料本身改变刚性和/或尺寸.它们在大多数所有情况下 还不产生声音，也没有电磁噪音/干扰，
另外，在其它属性中，由于它们容积小、功率要求低以及分布式 促动的能力，活性材料促动器可在例如翼部分的多个位置上嵌入头枕， 可以按照乘坐者的需要、驾驶情况和/或确定情况的性质(例如所谓"盲 点，，上的另一车辆)定制.活性材料促动器还可按照一定顺序或者只 在所选位置上促动，以便符合乘坐者和情况的要求.例如，不同区域 可以被促动，以满足乘坐者的不同需要(例如乘坐者希望休息/睡觉， 而另一乘坐者希望警觉和专心).应该注意到还可设想到活性材料促动 的头枕结构的其它可能的功能。实例包括(但不局限于)提醒驾驶员 各自情况，例如在盲点上存在车辆，例如在人们启动转向信号或者开 始转向车轮以便变道和类似情况。在其它实施例中，理解到振动的频 率和/或幅度以及刚性/材料模量的差别也可用作按摩机构.
为了更好地理解活性材料可用来可逆地构造以及将头枕与特定乘 坐者的头部相符或用于特定使用/事件的多种方式，需要理解到所需活 性材料的性能和机械特性。如上所述，用于基于活性材料的头枕的适 当的活性材料包括(没有局限性)形状记忆合金(SMA，例如热和压力 促动形状记忆合金和磁性形状记忆合金(MSMA))、例如介电弹性体的 电活性聚合物UAP)、离子聚合物金属合成物(IPMC)、压电材料(例 如聚合物、陶瓷)以及形状记忆聚合物(SMP)、形状记忆陶瓷(SMC)、 压塑塑料、磁流变(MR)材料(例如流体和弹性体)、电流变(ER)弹 性体(例如流体和弹性体)、所述活性材料与非活性材料的合成物、包 括至少一种所述活性材料的系统以及包括至少一种所述活性材料的组 合，为了方便和通过实例，这里参考形状记忆合金和形状记忆聚合物，形状记忆陶瓷、压塑塑料和类似物可以类似方式使用.例如，对于压
塑材料来说，高和低玻璃转变温度(Tg)部件的纳米相畴的产生压力 的混合实现了形状变化.压塑塑料可在相对低的温度下反复处理，而 不退化。SMC类似于SMA，但是可以忍受比其它形状记忆材料更高的操 作温度。SMC的实例是压电材料.
在外部激励施加或去除时形状记忆材料返回其原始形状的能力造 成其用于促动器，以便产生力/施加力，造成所需运动.与传统的机电 和液压促动装置相比，活性材料促动提供减小促动器尺寸、重量、容 积、成本、噪音并增加强度的可能性，铁磁SMA例如具有高达几个百 分比的快速尺寸变化，以响应(并与强度成正比)施加的磁场.但是， 这些变化是单向变化，并且需要施加偏压力或反向的场，来将铁磁SMA 返回到其初始构造。
形状记忆合金是具有至少两种不同的取决于温度的相或极性的合 金合成物.最为常用的这些相是所谓的马氏体相和奥氏体相.在下面 描述中，马氏体相通常指的是更加可以变形、较低温度的相，而奥氏 体相通常指的是更加刚性、较高温度的相.在形状记忆合金是马氏体 相并被加热时，它开始变化成奥氏体相.这种现象开始的温度指的是 奥氏体起始温度(As).这种现象结束时的温度通常称为奥氏体结束温 度(Af )。在形状记忆合金是奥氏体相并被冷却时，它开始变化成马氏 体相，并且这种现象开始的温度称为马氏体其上温度(Ms).奥氏体完 成转换成马氏体的温度通常称为马氏体技术温度(Mf ). As和Af之间 的范围通常称为马氏体-奥氏体转换温度范围，而Ms和Mf通常称为奥 氏体-马氏体转换温度范围。应该注意到所述的转变温度是SMA样品经
历的应力的函数.通常，这些温度随着应力增加而增加.考虑到所述 性能，形状记忆合金的变形最好处于或低于奥氏体起始温度(处于或 低于As )。随后高于奥氏体起始温度的加热造成变形的形状记忆材料样 品开始返回到其原始(非应力)永久形状，直到在奥氏体结束温度处 结束。因此，用于形状记忆合金的适当的促动输入或信号是具有足以 在马氏体和奥氏体相之间造成转换的大小的热促动信号。
形状记忆合金在加热时回忆其高温形状(即其原始、非应力形状) 的温度可以通过合金组分的略微变化以及经由热机械处理来调节。在 镍-钛形状记忆合金中，例如它可以从大约1001C以上变化到-1()01C以
8下.形状恢复过程可在几度的范围内出现，或者在较宽温度范围上显 示出较为逐渐的恢复.转换的开始和结束可以根据所需应用和合金的 组分控制在几度的范闺内.形状记忆合金的机械性能在横跨其转换的 温度范围上很大地变化，通常提供形状记忆效果和超级弹性效果.例 如，在马氏体相中，观察到比奥氏体相低的弹性模量.通过将晶体结 构配置与施加应力重新对准，马氏体相的形状记忆合金可经历大的变
形。材料将在应力去除之后保持此形状.换言之，SMA中应力产生的相 变本身是双向的；在SMA处于其奥氏体相时施加足够的应力将使其变 化到其较低的模量的马氏体相.去除施加的应力将造成SMA转换返回 到其奥氏体相，并且由此，恢复其初始形状和较高模量.形状记忆合 金的机械性能在橫跨其变形的温度范围上很大地变化，通常为头枕提 供形状记忆效果、超级弹性效果和高緩冲能力.
示例性形状记忆合金材料包括镍-钛基的合金、铟-钛基的合金、 镍-铝基的合金、镍-镓基的合金、铜基合金(例如铜-锌合金、铜-铝 合金、铜-金合金和铜-锡合金)、金-镉基合金、银-镉基合金、铟-镉 基合金、锰-铜基合金、铁-铂基合金、铁-钯基合金等等.合金可以是 二元、三元或任何较高阶，只要合金组分基于形状记忆效果即可，例 如形状、定向、屈服强度、柔性模量、緩冲能力、超级弹性和/或类似 性能的变化.适当形状记忆合金组分的选择部分取决于所需应用的温 度范围.
在较高温度下非常显著地恢复到奥氏体相(与变形材料所需的相 比)，这可以高达奥氏体材料的固有屈服强度，有时高达变形马氏体相 的三倍或多倍，对于需要大量操作循环的应用来说，可以获得小于或 等于所使用线材的变形长度的大约4%的应变.在通过0.5毫米(ffl迈) 的形状记忆金属线材进行的试验中，获得4o/。级别的最大应变.对于较 薄线材或者对于循环次数少的应用来说，这种百分比可增加到8%.
MSMA是通常包括Ni-Mn-Ga的合金，该合金由于磁场产生的应变 改变形状。MSMA具有不同的磁性和晶向的内部变量。在磁场中，这些 变量的性能变化，造成材料的总体形状变化。MSMA促动器通常需要MSMA
材料放置在电磁线闺之间.流过线闺的电流产生经过MSMA材料的磁场， 造成形状变化.
如上所述，其它示例性的形状记忆材料是形状记忆聚合物(SMP )。
9"形状记忆聚合物"通常指的是具有在施加促动信号时性能变化的聚 合材料，该性能例如是模量、磁场、热膨胀系数、透湿性、光学性能
(例如透射性)或者包括至少一个所述性能的组合与其微观结构和/或 形态变化相结合.形状记忆聚合物可以是热响应(例如通过经由热量 供应或去除而直接传递的热促动信号造成的性能变化，或者间接经由 适用于在分子级激励高幅振动的频率振动以形成内部热量造成的性能 变化)、光响应(即性能变化通过电磁辐射促动信号造成)、潮湿响应
(即性能变化通过液体(即潮湿、水蒸气或水)的促动信号造成)、化
学响应(即响应其环境种的一种或多种化学物质的浓度变化；例如H+ 离子的浓度-环境的pH值)，或者包括至少一种所述响应的组合.
通常，SMP是相分离共聚物，包括至少两种不同的单元，可以描述 为在SMP内限定不同的分段，每个分段不同地作用于SMP的总体性能， 如这里使用那样，术语"分段"指的是团块、移植物、或者相同或类 似单体或低聚体的顺序，它们共聚形成SMP。每个分段可以是(半)结 晶或非结晶的，并且分别具有相应的熔点或玻璃转换温度(Tg).术语 "热转换温度"这里用来总体指的是Tg或熔点，根据分段释放是否是 结晶分段或结晶分段。对于包括(n)个分段的SMP来说，SMP据说具 有一个硬分段和(n-l)个软分段，其中硬分段具有比任何软分段高的 热转换温度。因此，SMP具有(n)个热转换温度.硬分段的热转换温 度称为"最后转换温度"，并且所谓"最软"分段的最低热转换温度称 为"第一转换温度".重要的是注意到如果SMP具有其特征是相同热转 换温度(也就是最后转换温度)的多个分段，那么SMP据说具有多个 硬分段.
在SMP被加热到最后转换温度之上时，SMP材料可被赋予永久形 状。用于SMP的永久形状可以通过随后将SMP冷却到该温度以下来设 置或记忆。如这是使用那样，术语"原始形状"、"前面限定形状"、"预 定形状"以及"永久形状"是同义的，并且可以互换地使用。临时形 状可以通过将材料加热到高于任何软分段的热转换温度但还是低于最 后转换温度的温度、通过施加外部应力或栽荷以便变形SMP并接着冷设置。
永久形状可以通过在去除应力或栽荷的情况下将材料加热到软分段的特定热转换温度以上但低于最后转换温度来恢复，因此，应该清 楚的是通过组合多个软分段，可以具有多种临时形状，并通过与多个 硬分段组合，可以具有多种永久形状.类似地使用分层或合成的方法，
多种SMP的组合将可以在多种临时和永久形状之间转换.虽然SMP可 广泛地用于片材、板材、纤维或泡沫体形式来调节/控制头枕硬度，它 们确实具有需要连续功率来保持其较低模量形状的缺陷。根据乘坐者 的喜好，它们因此更加适用于头枕的可逆形状、位置和定向设置(经 由加热/冷却/重新加热的循环).
形状记忆材料还可包括压电材料，同样在某些实施例中，压电材 料可以构造成用于提供快速展开的促动器。如这里使用那样，术语"压 电"用来描述在施加电压时机械变形(改变形状)或者在机械变形时 可逆地产生电荷的材料.压电体在受到施加电压时具有小的尺寸变化， 其响应与施加场的强度成正比，并且非常快速(能够容易达到几千赫 兹的范围)。由于其尺寸变化小(例如小于0. 1%),为了显著增加尺寸 变化的幅值，它们通常用于压电陶瓷单形态和双形态平贴片促动器的 形式，该促动器构造成在施加相对小电压时弯曲成凹入或突出形状， 这种贴片在保持件内的形变/弯曲适用于抓住/松开所保持的物体。
单形态的一种类型是包括外部粘接到柔性金属箔片或带上的单个 压电元件的结构，在通过变化电压促动时通过压电元件激励，并在它 抵抗压电元件的运动时造成轴向褶皱或偏移.用于单形态的促动器运 动可以通过收缩或膨胀来实现。单形态可以具有高达10%的应变，但
是通常可相对于单形态结构的总体尺寸经受低栽荷，
示例性压电材料包括无机合成物、有机合成物和金属。对于有机 材料来说，具有非中心对称结构和分子主链或侧链上或两者上的大偶 极动能组的所有的聚合物材料可用作压电薄膜的候选。聚合物实例包 括聚(钠4-苯乙烯磺酸盐)("PSS")、聚(聚(乙烯胺)主链偶氮发色 团)及其衍生物；聚碳氟化合物，包括聚偏氯乙烯氟化物("PVDF")、 其共聚物二氟乙烯("VDF，)、三氟乙烯(TrFE)及其衍生物；多氯烃， 包括聚(氯乙烯)("PVC")、聚氯乙烯氯化物("PVC2")及其衍生物； 聚丙烯腈("PAN")及其衍生物；多羧酸，包括聚(甲基丙烯酸)("PMA") 及其衍生物；聚脲及其衍生物；聚氨脂("PUE")及其衍生物；生物聚 合物分子，例如聚-L-乳酸及其衍生，和薄膜蛋白质以及磷酸盐生物分子；聚苯胺及其衍生物以及所有的四胺的衍生物；聚酰亚胺，包括 Kapton⑧分子以及聚醚酰亚胺("PEI")及其衍生物；所有的薄膜聚合 物；聚(N-乙烯基吡咯烷酮)("PVP")均聚物及其衍生物和随机PVP-共-醋酸乙烯("PVAc ")共聚物；以及所有的芳族聚合物，其中偶极矩 主在主链或侧链或者主链和侧链两者上；以及包括至少一种所述物质 的组合.
另外，压电材料可包括Pt、 Pd、 Ni、 T、 Cr、 Fe、 Ag、 Au、 Cu以 及包括至少一种所述物质的金属合金，以及包括至少一种所述物质的 组合。这些压电材料还可包括例如金属氣化物，例如SiO" A1203、 Zr02、 Ti02、 SrTiO" PbTi03、 BaTiO" Fe03、 Fe304、 ZnO以及包括至少一种所 述物质的组合以及组VIA和1IB合成物，例如CdSe、CdS、GaAs、AgCaSe2、 ZnSe、 GaP、 InP、 ZnS以及包括至少一种所述物质的组合。
MR流体是智能材料族，在施加磁场时其流变性能可快速变化(可 在几毫秒内实现例如几百个百分比的性能变化)，经由其剪切强度的显 著变化使其非常适用于锁定(限制)和允许形状松私/变形，在这里描 述的实施例中这些变化有利地用于物体的抓握和松开，示例性形状基 于材料还包括磁流变(MR)和ER聚合物，MR聚合物是微米尺寸的悬浮 物、聚合物(例如热固弹性聚合物或橡胶)中的磁性极化的颗粒(例 如下面描述的铁磁和永磁颗粒)。示例性聚合物材料包括聚烯烃、天然 橡胶、硅嗣、聚丁二晞、聚乙烯、聚异戊二烯以及包括至少一种所述 物质的组合。
聚合物结构的刚性和可能的形状通过改变施加磁场的强度而改变 剪切和压缩/张力模量来保持。MR聚合物通常几个毫秒内在暴露于磁场 时形成其结构，其中刚性和形状变化与施加的场强成正比.中断MR聚 合物暴露于磁场将过程颠倒，并且弹性体返回到其较低模量状态.
MR流体具有与所施加磁场大小成正比的剪切强度，其中几百百分 比的性能变化可在几毫秒内实现。虽然这些材料也面对产生施加场所 需的线團包装的问题，它们可以用于例如弹性抓握/松开的锁定或松开 机构。
适当的MR流体材料包括分布在栽体内的铁磁或永磁颗粒，根据MR 组分的总容积，例如含量大约是5. O容积百分比(voiy。)到大约50vol % 适当的颗粒包括铁；氧化铁(包括Fe力3和Fe304 );氮化铁；碳化铁；羰基铁、镍；钴；二氧化铬；以及包括至少一种所述物质的组合； 例如镍合金；钴合金；例如不锈钢的铁合金；硅铁；以及其它包括铝、 硅、钴、镍、钒、钼、铬、钨、锰和/或铜的物质.
颗粒尺寸应该选择成使得颗粒在受到磁场时具有多种磁畴性能. 颗粒直径(例如沿着颗粒的主轴测量)可以小于或等于大约1000微米 (陶)(例如大约O.l微米-大约1000微米)，或者更特别是大约0. 5-大约500微米，并且更特别是大约10-大约IOO微米.
载体的粘度可小于或等于大约100000厘泊(cPs)(例如大约 lcPs-大约100000cPs)或者更特别是大约lcPs-大约10000cPs，或者 甚至更加特别是大约lcPs-大约1000厘泊.可能的栽体(例如栽体流 体)包括有机流体，特别是非极化有机流体.实例包括油(例如硅油、 矿物油、石蜡油、白油、液压油、转换油以及合成烃油(例如未饱和 和/或饱和)；面化有机液体(例如氯化烃、由化石蜡、全氟化聚瞇以 及氟化烃)；二酯；聚氧化烯；硅酮(例如氟化硅嗣)；氰基烃硅氣烷； 乙二醇以及包括至少一种所述载体的组合.
也可使用水性栽体，特别是包括亲水矿物粘土，例如膨润土或锂 惠石.水性栽体可包括水或包括极性的水、易溶于水的有机溶刑(例 如甲醇、乙醇、丙醇、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、乙烯碳酸盐、丙 烯碳酸盐、丙酮、四氢呋喃、二乙醚、乙二醇、丙二醇和类似物)以 及包括至少一种所述栽体的组合.根据MR流体的总容积，栽体中的极 性有机溶剂的数量可小于或等于大约5. Ovol% (例如大约1. Ovol%-大约5. Ovol % )，或者更特别是大约1. Ovoiy。-大约3. 0vol%.水性栽 体的pH值可小于或等于大约13 (例如大约5. 0-大约l3)，或者更特 别是大约8. 0-大约9. 0,
在水性栽体包括天然和/或合成膨润土和/或锂皂石时，根据MR流 体的总重量，MR流体中的粘土的数量(膨润土和/或锂皂石)可小于或 等于大约10重量百分比(wt% )，或者更特別是大约0.1 wty。-大约 8.0 wt%，或者更特别是大约1.0 wt%-6. 0 wt%，或者更特别是大 约2. 0 wt。/o-大约6. 0 wt%。
MR流体中的任选组分包括粘土(例如有机粘土)、羧化物皂、分散 剂、腐蚀抑制刑、耐磨添加剂、抗氧化刑、触变剂和/或悬浮剂.羧化 物皂包括含铁油酸盐、含铁环烷酸盐、含铁硬脂酸盐、铝二和三硬脂酸盐、锂硬脂酸盐、钙硬脂酸盐、锌硬脂酸盐和/或钠硬脂酸盐；表面 活性剂(例如磺化物、磷酸脂、硬脂酸、甘油单体、山梨聚糖半油酸 酯、月桂酸、脂肪酸、脂肪醇和锆酸盐)以及包括至少一种所述物质 的组合。还可以包括聚烷撑二醇，例如聚乙二醇以及局部酯化的多元 醇。
电流变(ER)流体类似于MR流体，其中它们在受到施加场(在这 种情况下电压而不是磁场)时具有变化的剪切强度.响应是快速的， 并与施加的场强成正比。但是，其幅值级别小于MR流体，并且通常需 要几千瓦。
电子电活性聚合物(EAP)是一对电极的层压件，具有低弹性模量 介电材料的中间层。在电极之间施加电压挤压中间层，使其在平面内 膨胀。它们具有与施加场成正比的响应，并且可在高频下促动.已经 表示了 EAP形变层压片材。其主要缺陷在于它们需要的施加电压大于 压电所需的幅值的大约三倍。
电活性聚合物包括具有压电、热电和电致伸缩的性能的聚合材料， 以响应电场或磁场，电致伸缩移植聚合物的实例具有压电聚(亚乙烯 基氟化-三氟-乙烯)共聚物.此组合具有产生变化数量的铁电-电致伸 缩分子合成物系统的能力。
适用于电活性聚合物的实例可包括任何基本上绝缘的聚合物和/ 或橡胶，它们可以变形以响应静电力，或者其变形造成电磁变化.适 用于预应力聚合物的示例性材料包括硅稱弹性体、丙烯酸弹性体、聚 氨脂、热塑弹性体、包括PVDF的共聚物、压敏粘合剂、氟橡胶、包括 硅嗣和丙烯酸半族的聚合物(例如包括硅鲷和丙烯酸半族的共聚物、 包括硅酮弹性体和丙烯酸弹性体的聚合物混合物等).
用于电活性聚合物的材料可根据例如高电击穿强度、低弹性模量 (例如对于大或小变形来说)、高介电常数等材料性能来选择.在一个 实施例中，聚合物可选择成使其具有小于或等于大约100MPa的弹性模 量。在另一实施例中，聚合物可选择成使其具有大约0.05兆帕(MPa) 和大约lOMPa或者更特别是大约0. 3MPa-大约3MPa的最大促动压力， 在另一实施例中，聚合物可选择成使其具有大约2和大约20或者更特 别是大约2.5和大约12的介电常数。本发明不打算局限于这些范围. 理想的是，如果材料具有高介电尝试和高介电强度，具有高于以上给出范围的介电常数的材料也是可以的.在许多情况下，电活性聚合物
可作为薄膜制造和应用，例如具有小于或等于大约50微米的厚度.
在电活性聚合物在高应变下偏移时，附接在聚合物上的电极也应 该偏移，而不损害机械或电性能。通常，适用的电极可以具有任何形 状和材料，只要它们能够将适当电压供应到电活性聚合物或从中接收 适当电压即可。电压可以随着时间恒定和变化，在一个实施例中，电 极粘接在聚合物表面上.粘接在聚合物上的电极可以是柔顺的，并且 与聚合物的变化形状相符。电极可以只施加在电活性聚合物一部分上， 并且按照其几何形状限定活性区域.多种类型的电极包括结构化电极， 其包括金属迹线和电荷分配层；织构化电极，其包括可变离面磁场、 传导油脂(例如碳油脂和银油脂)、胶状悬浮物、高纵横比的传导材料 (例如碳小纤维和破纳米管和离子传导材料的混合物)，以及包括至少 一种所述物质的组合.
示例性电极材料可包括石墨、碳黑、胶状悬浮物、金属(包括银 和金)以及离子或电子传导聚合物以及包括至少一种所述物质的组合. 理解到某些电极材料可与特定聚合物良好协作，并且与其它聚合物不 能良好协作，通过实例，碳小纤维与丙烯酸弹性体聚合物良好协作， 并且不能与硅酮聚合物良好协作。
磁致伸缩物是在受到外部磁场时形成机械变形的回体.这种磁致 伸缩的现象有助于材料中小磁畴的转动，这些磁畴在材料不暴露于磁 场时随机定向。形状变化在铁磁或铁磁固体(例如Terfenol-D)中最 大。这些材料具有非常快速的响应能力，其应变与施加磁场的强度成 正比，并且它们在场去除时返回其初始尺寸.但是，这些材料具有大 约0. 1-大约0. 2百分比的最大应变。
剪切稠化是对于流体的粘度随着增加剪切率(或者等同的应力) 增加的现象给出的名称.剪切稠化可以相对大的幅值出现，达到流体 可类似于固体动作并断裂的程度.剪切稠化是非牛顿学说的流动性能. 另一方面，剪切稀化也是非牛顿学说的，这是由于它们的粘度随着施 加的剪切应力增加而减小。这些流体的优点(与MR或ER流体相比) 在于它们不需要外部场.
图1表示用于座椅靠背2的示例性头枕10.头枕10包括前部接触 表面14和后部16.前部接触表面14是头枕10靠近乘坐者头部的部分，而后部16是头枕相对于乘坐者头部远离定位的部分，头枕10本身支 承在滑动布置在座椅靠背12内的至少一个结构化支承柱18上。头枕 通常包括通过外部覆盖物22包围的衬垫材料20，有助于限定头枕的总 体形状，并且可与结构化支承柱18枢转连通。覆盖物22限定表面14.
注意到结构化支承柱18可在这里披露的任何头枕组件内采用任何 形式和构造，并且不局限于所示内容.例如，可以使用叉骨或门柱结 构。此外，在某些实施例中，可以采用两个以上的柱.除了柱之外， 本领域普通技术人员将理解到可在本发明的范围内采用将头枕可操作 地连接到座椅靠背上的多种其它的技术和构件，例如可锁定铰链、支 架等。另外，并且在本发明的范围内，可操作地连接到座椅靠背上的 头枕可以是座椅靠背部分的整体部分，如本领域普通技术人员理解那 样。例如，头枕可以是座椅靠背的上部。
同样，在其它实施例中，头枕10还可包括构造成在其橫向运动时 接触乘坐者头部一部分的翼部分。如这里描述那样，活性材料促动器 定位并与头枕的多个部分可操作连通，以便将头枕与乘坐者头部定制， 以及提供预定头枕构造，以响应不同检测到的条件。
现在参考图2,表示总体标示为IOO的头枕.在一个实施例中，头 枕100包括与可调节翼部分104和106可搮作连通的中央部分102.中 央部分102可支承地接合乘坐者头部的后部，同时可调节的翼部分104 和106可支承地接合乘坐者头部的侧部。在一个实施例中，中央部分 102经由铰链连接到翼部分104和106上(见图3 )，使得翼部分104、 106相对于中央部分102如箭头108、 110、 112所示转动/倾斜(即x、 y、 z平面内运动).以此方式，中央部分和/或翼部分可向前、向后、 向上、向下、折叠、柔曲、扭曲、膨胀或成形和/或以不同条件所需的 不同角度倾斜地定位.中央部分102和翼部分104、 106容易运动的能 力使得头枕位置相对于座椅靠背的范围可以根据需要设置成很宽.头 枕位置的调节可以取决于施加在座椅组件上的栽荷(例如施加在头枕 组件100上的栽荷)、手动定位、通过活性材料的促动而主动定位(如 下面更加详细描述那样)和类似情况。
图3表示图2的头枕的自顶向下视图，表示活性材料促动器120 实现翼部分104、 106相对于中央部分102运动的一个实施例。促动器 120包括翼部分的刚性构件122，与中央部分102的刚性构件124铰接连通。活性材料126 (例如是由形状记忆合金形成的线材、条带、弹簧 或扭转管)构造成在接收促动信号时实现刚性构件122相对于刚性构 件1"的运动。以此方式，乘坐者头部可通过翼部包围，以便提供更 大的支承和舒适性，而不考虑乘坐者头部的尺寸。形状记忆合金通过 促动装置128的促动造成线材/条带/弹簧的长度尺寸减小，造成翼部 分的刚性构件122朝着乘坐者向内柔曲。任选的，活性材料可被选择 和/或构造成使得促动造成翼部分相对于乘坐者向外柔曲.偏压弹簧可 用来在活性材料停止促动时将恢复力提供给翼部分.
在此实施例中，翼部分104和106可构造成转动，这可通过SMA 线材126促动来实现。中央部分102的框架构件124经由枢转点与各 自翼部分102和106的框架构件122可操作连通， 一个SMA线材126 将中央部分102的框架构件124和翼部分104的框架构件122可操作 互连；另一 SMA线材126将中央部分102的框架构件124和翼部分106 的框架构件122可操作互连.SMA线材可从框架124上的任何点直接连 接到翼部分的各自框架122上。SMA线材126还可间接连接在框架构件 124、 122上，也在本发明的范围内，
电流(或者其它热促动方法)供应到SMA线材126上，SMA加热直 到达到马氏体-奥氏体转变温度.在出现转换时，与应变线材收缩，迫 使翼部分朝着乘坐者转动。在一个实施例中，设计成刚性小并包括非 活性材料的偏压弹簧127可操作地连接，抵抗SMA线材126的恢复力， 以便限制通过翼部分104、 106施加的力的大小。弹簧1"描述成平行 于SMA线材126。在可选择实施例中，弹簧127与SMA线材126串联。 例如，每个SMA线材126可通过各自弹簧连接到框架构件l24上.
在某些实施例中，传感器130与促动装置结合使用，以便在触发 事件或条件下提供施加的场。例如，例如压力传感器、位置传感器(电 容器、超声波、雷达、照相机和类似物)、位移传感器、速度传感器、 加速计和类似物的多种传感器定位在车辆座椅和头枕内部和周围，与 控制器可操作连通，以便调节和促动活性材料促动器120，从而实现所
需数量的头枕形变。预设定乘坐者的识别特征可翼等同于座椅记忆选 择开关的方式预先编程。
在某些实施例中，锁定机构可用来保持促动位置，使得在促动信 号关闭时头枕将保持在所述位置上，因此有助于大幅减小用于装置操作的功率要求.在信号停止促动和/或锁定机构松开时，翼部分104、 106被向外推动，其中偏压弹簧变形或有助于将形状记忆合金材料变形 返回到马氏体状态.头枕锁定/拴锁机构可机械促动、使用马达电气促 动、液压促动和/或气动促动，控制翼部分104、 106施加的力的机构 可包括弹簧或液压系统，以便在头枕达到所需位置时保持来自于翼部 分104、 106的正性力.
在另一实施例中，头枕的多种构造可通过沿着需要运动的部分(例 如中央部分和/或翼部分)分布多个形状记忆合金形式的线材(导管或 条带)来提供。例如，可以采用弹性板，其具有沿着板嵌入的SMA.
图4表示按照另一实施例的基于活性材料的头枕组件的端视图。 头枕组件150包括由含有活性材料的互连构件152形成的框架。例如， 一个或多个互连构件可整体由形状记忆合金、形状记忆聚合物、压电 和类似物形成，或者可布置在弹性套筒内，以便包含例如电流变流体、 磁流变流体、剪切稠化或稀化流体和类似物的活性材料。构件152可 以是任何适当的形式，包括(但不局限于)杆、带、平构件和类似物。 对于平构件来说，它们可采取单个或多个板的形式，互连构件l52构 造成在促动时改变形状和/或其模量.同样，在某些实施例中，框架可 通过不包括活性材料的框架构件增强，
互连构件152可根据特定情况所需的构造单独促动、成组促动或 总体促动。应该清楚的是翼部分104、 106可包括具有活性材料的框架 152，并且单独控制，或者与中央部分102形成整体。
如上所述，多个机构可用来锁定头枕组件的所需定向/构造.这些 机构可变化，但是主要思想在于在经由例如按钮控制器并且通过松开 按钮"开启"或松开锁定时乘客进行控制，能够将头枕锁定在其位置 上，除非在条件造成过栽以及头枕重新按照限定状态构造.
在包括由形状记忆合金的构件152的头枕150的操作中，在出现 应力造成的奥氏体-马氏体转换时，通过施加在头枕的所需部分上的力 造成的应力造成所需部分上的SMA材料框架的变形.马氏体相的稳定 性在乘客松开接合装置(例如按钮)时保持，由此经由锁拴/锁定机构 将该部分锁定就位。锁定/锁拴机构可手动促动、使用马达电气促动、 液压促动或气动促动。锁拴/锁定机构的松开和锁定可根据乘坐者的需 要进行，或者可以根据车辆状态的某些情况的传感器输入经由控制系
18统自动进行。
图5表示按照一个实施例的锁定机构.锁定机构包括促动器200， 例如液压、气动或马达控制，促动器可操作地连接到一个或多个框架 152上 促动器200包括滑动布置在壳体204内的平移臂202.偏压弹 簧206可连接到布置在壳体内的臂端部上.臂的另一端连接到框架构 件上，
在头枕构造变化时，促动器臂202将随着互连构件152的运动平 移。可以结合锁定机构，使得一旦活性材料不再促动，保持该位置. 可以进行调整，使得促动器杆202的连接点可通过使其在引导件(未 示出)内在框架/平构件的互连部上运动。在这种情况下，促动器200 的底部可连接到通过放置在结合部上的座椅上，结合部允许这种运动， 并例如是球结合部，而不是固定连接.这种变化增加了头枕对于不同 乘客高度的灵活性.注意到在此实施例中，促动器与框架构件152的 连接表示成軒.其它连接装置(例如减小促动器尺寸)可以用来实现 这种连接，偏压弹簧206可与促动器结合，以有助于一旦来自于乘坐 者的栽荷去除时框架构件返回到其正常位置(一旦栽荷去除并且促动 器解锁，框架构件返回到其正常位置).
图6表示锁定机构220的另一实施例。促动器包括具有例如齿的 多个接合部分224的平移臂222.具有棘轮机构和爪的齿轮"6与该齿 可搮作连通，提供提供将平移臂锁定在固定位置上的装置.爪228继 而通过乘坐者经由按钮松开，贴靠其返回弹簧230经由231在其上推 动。在按钮松开时，返回弹簧锁定棘轮，由此将保持齿轮2"和头枕 的位置。
应该理解到相对于翼部分104、 106可以采用相对于中央部分102 描述的相同或不同的锁定/保持机构。例如，这些机构可特别用于翼部 分104、 106在上下方向上运动/倾斜的实施例.再者，锁定/保持机构 的松开和锁定可通过乘坐者根据需要进行，或者根据车辆状态的某些 情况的传感器输入针对不同考虑经由控制系统自动进行.
现在参考图7，表示总体标示为250的头枕的另一实施例，头枕 250包括"智能"合成物板。可采用多种活性材料.通过实例，智能合 成物板包括嵌入柔性弹性母体254内的SMA线材/条带252。智能合成 物板形成头枕250的框架。如果SMA线材252远离中央平面定位，收缩(通过电流加热线材)造成智能合成物板弯曲，在一个实施例中，
智能合成物板是布置在头枕250内的整体结构，使得智能合成物板位 于中央部分102和翼部分104和106中。更特别是，智能合成物板位 于使得智能合成物板的弯曲转动翼部分的位置上。合成物板可由任何 相同或不同的的弹性母体制成，其中SMA线材/条带嵌入优选方向，以 便产生受控的弯曲(具有所需曲率)。母体可以是相同材料或不同材料， 它可以包括合成材料(具有加强物)、分层材料(例如包括金属和塑料 部分)等。
现在参考图8，表示总体标示为300的头枕。头枕300包括靠近覆 盖物限定的接触表面304或在其上定位的囊体302。流体306布置在囊 体302内，囊体布置成与局部填充储槽308流体连通.嚢体302定位 成使得施加在头枕300的表面304上的力传递到囊体302以及其上所 含的流体306上。在第一实施例中，流体306是剪切稀化流体。在小 剪切速度下，流体可从储槽前后流动，而没有许多努力.这些剪切稀 化流体将使得头枕300类似于任何其它固体操作，同时为乘坐者提供 舒适性。但是，在高变形速度下(通过表面304上的力造成)，剪切稀 化流体的粘度显著减小。在多种实施例中，具有不同粘度性能的流体 可通过不同位置、形状和尺寸分布在头枕300的接触区域上。在第二 实施例中，流体306是剪切稠化流体，其中流体的初始粘度将使得头 枕柔软，但是它对于高变形速度的响应将使其变硬大流体将具有固体 机械性能的程度，在其它实施例中，流体306是MR和ER流体.应该 理解到在多种其它实施例中基于压电的泵可用来将传统流体(例如空 气、水和类似物)泵送到分布在头枕表面上的囊体上，
现在参考图9，表示通常标示为350的头枕的另一实施例。在此实 施例中，覆盖物352限定头枕350的外表面354.可动构件3"布置在 头枕350内，并且刚性连接到两个齿条358、 360上.齿条358包括与 齿轮362啮合的齿。齿条360包括与齿轮364啮合的齿.齿轮362、 364 相互啮合接合。构件356定位成使得施加在头枕350的外表面354的 至少一部分上的力传递到构件356;因此，至少部分表面354上的力将 迫使构件356和齿条358、 360运动以及齿轮362、 364转动。
齿轮362可有选择地围绕第一中心构件370转动。齿轮364可有 选择地围绕第二中心构件374转动。第一和第二中心构件是圆柱形的，
20并且相对于头枕的结构刚性固定。流体378布置在限定在齿轮362和 第一中心构件370之间的环形空腔382内。流体378同样布置在限定 在齿轮364和第二中心构件374之间的环形空腔386内.因此，流体 378的粘度影响齿轮362、 364相对于第一和第二中心构件370、 374 转动的能力，并相应地影响构件356相对于表面354移动的阻力.在 第一示例性实施例中，流体378是剪切稀化流体，在第二示例性实施 例中。流体378是剪切稠化流体，在第三示例性实施例中，流体378 是MR流体。在第四示例性实施例中，流体378是ER流体。
在所述的每个实施例中，活性材料可以布置在覆盖物内和形成头 枕覆盖物的翼部分。任选的衬垫材料可与覆盖物以及用于头枕的活性 材料可操作连通地布置在覆盖物一部分内。任选的衬垫可包括活性材 料或非活性材料。
应该理解到在多种其它的实施例中，不同材料的组合可用来形成 活性结构(例如合成/夹层板、铰链、框架、枢轴和类似物)。例如， 如上所述，任何形状的形状记忆合金(线材、条带和类似物)可嵌入 弹性母体(聚合物和任何柔软材料)内，以便改善线材的保护和/或振 动控制和能量吸收。此外，形状记忆合金和形状记忆聚合物的组合提 供广泛的运动和控制它们的方式。超级弹性形状记忆合金不仅用于能 量吸收和需要大变形的场合。需要高初始刚度、但力要求小以使其变 形的结构也可由这些材料制成(例如用于稳定位置的超级弹性的多重 稳定铰链，不需要过大的力/扭矩来改变位置.
另外，虽然上面描述了头枕的某些应用，用于重新成形和/或改变 头枕模量的活性材料的使用具有潜在的广泛用途.实际上，它们可用 来有助于结合多种基于传感器的舒适性、便利性和保护系统来帮助驾 驶员。使用活性材料的另一优点在于它们使得头枕中实现的变化的幅 值和/或性质个性化。
这里披露的活性头枕可用于前座椅、后座椅、儿童座椅以及轿车 或车辆输送装置内的任何座椅，包括其它领域，例如航空、娱乐座椅、 家庭和类似物、头部/颈部定位和限制器材，包括售后服务中销售的物 品，以作为放置在某些物品之上或上面的附加物，并用作舒适的可调 节头枕。其它功能包括用于按摩的振动(例如通过EAP或压电贴片)， 另一应用是儿童座椅的瞌睡头枕，有利的是，这里描述的头枕容易运动，头枕位置的范围可以根据 需要设置成很广。
如这里使用那样，术语"第一"、"第二"和类似物不表示任何顺 序或重要性，而是用来将一个元件与另一元件区分，并且术语"该"、
— "或"一个"不表示数量的限制，而是表示具有至少一个所述物 品。结合数量使用的修饰词"大约"包括所述的数值，并且具有通过 文字专用的含义(例如包括与特定数量的测量相关的误差程度)。另外， 这里披露的所有范围包括端点，并且单独组合.
如权利要求提出那样，按照所述本发明的不同实施例表示和描迷 的多种特征可以进行组合。
虽然参考示例性实施例描述本发明，本领域普通技术人员将理 解到可以进行多种变化，并且对于其元件进行等同替代，而不偏离 本发明的范围，另外，可以按照本发明的教导进行多种调整以适用 于特定情况或材料，而不偏离其基本范围.因此，所打算的是本发 明不局限于作为实施本发明的最佳模式披露的特定实施例，但是本 发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例.
权利要求
1. 一种定位成与乘坐的乘坐者头部对准的头枕，头枕包括柱，从座椅靠背延伸；衬垫覆盖物，具有构造成接触乘坐者头部的表面；框架，布置在衬垫覆盖物内；以及活性材料，与头枕表面一部分可操作连通地布置在衬垫覆盖物内，其中活性材料构造成在接收促动信号时进行至少一种性能的变化，其中至少一种性能的变化用来改变头枕表面相对于乘坐者头部的位置或模量性能。
2. 如权利要求l所述的头枕，其特征在于，活性材料包括形状记 忆金属、铁磁形状记忆合金、形状记忆聚合物、磁流变弹性体、电流 变弹性体、电活性聚合物、压电材料、磁流变流体、电流变流体、剪切稠化流体、剪切稀化流体或包括至少一种所述活性材料的组合.
3. 如权利要求l所述的头枕，其特征在于，衬垫覆盖物至少部分 由一个或多个活性材料形成。
4. 如权利要求l所述的头枕，其特征在于，至少一种性能的变化 包括形状、尺寸、相、形状定向、刚性、剪切强度和/或包括至少一种 所述性能的組合的变化。
5. 如权利要求l所述的头枕，其特征在于，促动信号包括热促动 信号、电促动信号、磁促动信号、化学促动信号、机械栽荷或者包括 至少一种所述促动信号的组合。
6. 如权利要求l所述的头枕，其特征在于，还包括构造成将促动 信号提供给活性材料的促动装置。
7. 如权利要求l所述的头枕，其特征在于，活性材料限定框架的 一个或多个框架构件。
8. 如权利要求l所述的头枕，其特征在于，头枕还包括从中央部 分延伸的翼部分，其中活性材料的至少一种性能的变化用来相对于中 央部分有选择地定向翼部分。
9. 如权利要求l所述的头枕，其特征在于，还包括与头枕表面可 操作连通的囊体，其中活性材料包括布置在囊体内的流体，其中至少 一种性能的变化用来通过增加或减小流体的有效粘度和/或剪切强度 和/或囊体容积来改变头枕表面相对于变形的阻力。
10. —种重新构造从座椅靠背延伸的头枕的形状或模量性能的方 法，该方法包括通过促动信号促动活性材料，其中活性材料与头枕表面可操作连 通，并且构造成在接收促动信号时进行至少一种性能的变化；通过改变头枕表面的位置或模量重新构造头枕，以响应至少一种 性能的变化.
11. 如权利要求IO所述的方法，其特征在于，还包括停止促动活 性材料，以便颠倒至少一种性能的变化.
12. 如权利要求IO所述的方法，其特征在于，通过促动信号促动 活性材料包括将促动信号连续施加到活性材料上，并且保持头枕表面 的至少一种性能的变化，
13. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，改变位置或模量性 能包括改变活性材料的形状、尺寸、相、形状定向、刚性、粘度和/或 剪切强度或其組合.
14. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，通过促动信号促动 活性材料包括施加热促动信号、电促动信号、磁促动信号、化学促动 信号和机械栽荷种的所选一个。
15. 如权利要求IO所述的方法，其特征在于，还包括锁定由于活 性材料的至少一种性能变化造成的头枕的位置、部位、形状等，以便 在停止促动活性材料之后在头枕中保持该变化。
16. 如权利要求IO所述的方法，其特征在于，还包括施加促动信 号来改变活性材料中的至少一种性能，以响应传感器输入，其中传感 器输入是被检测的条件.
17. —种头枕组件，包括 中央部分；第一翼部分，连接到中央部分一侧上； 第二翼部分，连接到中央部分的另一側上；框架，用于支承和限定翼部分和中央部分，其中框架具有由活性 材料形成的互连构件，其中活性材料构造成有选择地改变翼部分和/或 中央部分的位置，或者改变翼部分相对于中央部分的模量性能.
18. 如权利要求17所述的头枕，其特征在于，互连构件是板.
19. 如权利要求17所述的头枕，其特征在于，活性材料包括形状记忆金属、铁磁形状记忆合金、形状记忆聚合物、磁流变弹性体、电 流变弹性体、电活性聚合物、压电材料、磁流变流体、电流变流体、 剪切稠化流体、剪切稀化流体或包括至少一种所述活性材料的组合.
20.如权利要求17所述的头枕，其特征在于，还包括构造成检测 情况并促动活性材料的传感器。
全文摘要
这里描述活性材料促动头枕组件及其操作方法。头枕包括结合在框架构件、袋、齿轮装置或类似物中的活性材料，其中活性材料在接收促动信号时促动。
文档编号B60N2/427GK101472761SQ200780022626
公开日2009年7月1日 申请日期2007年4月17日 优先权日2006年4月17日
发明者A·B·切尔诺夫, A·L·布劳恩, J·Y·库里, N·L·约翰逊, P·D·扎瓦蒂里, R·A·格拉泽, U·I·乌克佩 申请人:通用汽车环球科技运作公司