活性密封架构的制作方法

专利名称：活性密封架构的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及诸如在门和门框中间的一类可压缩密封件；并且尤其涉及采用 活性材料致动以有选择地减小/增大密封力的密封架构。
背景技术：
当前用于密封诸如门和行李箱盖的相对表面的方法和组件例如包括使用在部件 彼此相互挤压接触时进行压缩的柔性弹性膜和结构。因此，为了提供有效的密封接合，封闭 力必须足以克服与密封组件相关的所有压缩力。典型的用于密封组件的材料是无源材料 (passive materials)，并且通常包括例如泡沫之类的各种形式的弹性体和形成为具有实 心和/或空心截面结构的固体。截面的几何形状是变化的，并且可从圆形形式到具有多个 腔、沟槽、狭缝和/或延伸叶片的不规则形式而变动。密封组件通常用于声音、气流、和/或流体管理。密封件通常暴露于各种条件。例 如，对于车辆应用，门密封件通常暴露于诸如雨、雪、阳光、湿度和温度条件等的各种各样的 环境条件。如上所述，当前用于机动车辆密封件的材料通常是无源的。也就是说，除由老化 和环境刺激引起的密封材料的模量特性的固有变化外，不能根据需要来远程改变或控制密 封组件的刚度和截面几何形状。所关心的是，常规的无源密封件表现出在密封效果与封闭力量之间的折衷。也就 是说，增大密封件的接触面压力和/或接触面积通常能增强密封效果；然而，在诸如车门之 类的密封应用中，通过无源密封组件的增大的接触面压力和/或接触面积通常导致增大的 门打开和关闭的力量。因此，需要具有能被控制和远程改变的基于活性材料的密封组件，从而改变密封 效果，其中活性密封组件根据需要例如通过改变材料的弹性模量改变刚度、或通过主动改 变密封结构的截面形状来改变几何形状。如此，在诸如上述车门应用之类的密封应用中，通 过主动调整密封特性能使门打开和关闭的力量最小化，但仍能使密封效果最佳化。

发明内容
响应于该问题，本发明涉及适于有选择地改变(即减小或增大)密封力的活性材 料密封架构。同样地，本发明可用于防止或减轻噪音、水等等的迁移，并且可用于便于封闭 面板的打开和/或关闭。更具体地，本发明可用于提供可定制的密封几何形状和/或刚度 特征，这在工作循环的全部范围上改善了密封性能。本发明可用于在正常的车辆操作期间 以最低限度至无功率消耗的方式保持密封压力/力，并可用于当操纵面板时减小由于气缚 降低所引起的密封干涉和封闭力量。关于后者，本发明可用于有选择地降低密封高度，这允 许更多的空气逃离封闭空间(例如车辆舱室)，从而一旦面板接合了密封件则减小为达到 闭锁所需的力。由提出的架构所提供的各种益处还包括减轻对第二 /第三密封件的需求、未达到 所需性能的低风险、失效时的高密封力、和低的保持功率。最后，本发明可用于提供相对于诸如电机之类的常规机电致动器具有例如较低的成本、降低的操作噪音、增强的封装灵活 性等优点的活性材料致动，并且在一个实施例中提供用于增强密封力和使密封件闭锁的单 个致动器。因此，本发明总体上描述了一种活性密封件，其适于产生可变密封力，并且被提供 以便用于与限定周界的开口和构造成接合该周界的封闭面板一起使用。密封件包括安装 夹、固定地连接至该夹并限定内部空间和沿周界纵向延伸的柔性外层、以及内部结构。新颖 的结构包括至少一个活性材料元件，其具有纵向和侧向轮廓，并构造成当该元件失活时向 层施加第一力或产生第一刚度，而当该元件激活时向层施加第二力或产生第二硬度。本发明通过参考对本发明以下各种实施例的详细说明和所附的附录从而得到进 一步地理解。


以下参考示例性比例的附形来详细描述本发明的(一个或多个)优选实施 例，其中图1是根据本发明的优选实施例的车辆的局部正视图，尤其示出半开的前客舱 门、对准门口的周界的活性密封件、以及与密封件以操作的方式连通的控制器和传感器；图2是根据本发明的优选实施例的活性密封段的透视图，其包括柔性外层、刚性 夹、和设置在该层内的EAP叠层；图加是图2所示的密封件的正视图，其中相关的面板(例如门)打开，并且叠层 已激活，以便使该层塌陷；图2b是图2所示的密封件的正视图，其中所述面板关闭，并且叠层已失活，以便允 许该层推压抵靠面板，从而增大密封力；图3是根据本发明的优选实施例的活性密封段的透视图，其包括柔性外层、刚性 夹、反弯曲的叠层、和使叠层与层相连的内膜；图3a是图3所示的密封件的正视图，其中相关的面板打开，并且叠层已激活，以便 使该层塌陷；图北是图3所示的密封件的正视图，其中所述面板关闭，并且叠层已失活，以便允 许该层推压抵靠面板；图4是根据本发明的优选实施例的活性密封段的透视图，其包括柔性外层、刚性 夹、限定双腔架构的内部结构、和设置在层内的活性材料阀和元件；图如是图4所示的密封件的正视图，其中相关的面板打开，并且元件已激活，以便 使下腔室塌陷并使上腔室变宽；图4b是图4所示的密封件的正视图，其中所述面板关闭，并且元件已失活而阀已 激活，以便使层推压抵靠面板；图如是图4所示的密封件的正视图，其中面板打开，并且密封件已恢复到初始状 态；图5是根据本发明的优选实施例的活性密封段的透视图，其包括柔性外层、刚性 夹、和设置在层内的包括侧向取向的活性弯曲拱的内部结构；图如是图5所示的密封件的正视图，其中相关的面板打开，并且弯曲拱已激活，以便使层塌陷；图恥是图5所示的密封件的正视图，其中所述面板关闭，并且弯曲拱已失活，以便 使层推压抵靠面板；图6是根据本发明的优选实施例的活性密封段的透视图，其包括柔性外层、刚性 夹、和设置在层内的包括轴向取向的活性弯曲拱的内部结构；图6a是图6所示的密封件的正视图，其中相关的面板打开，并且弯曲部的拱已激 活，以便使层塌陷；图6b是图6所示的密封件的正视图，其中所述面板关闭，并且弯曲部的拱已失活， 以便使层推压抵靠面板；图7是根据本发明的优选实施例的活性密封段的透视图，其包括柔性外层、刚性 夹、包括侧向悬臂凸缘拱的内部结构、阻碍搁板、和具有织带并从动地联接至凸缘的自由端 部的活性材料元件；图7a是根据本发明的优选实施例的图7所示的密封件的正视图，其中元件具有附 连至凸缘的上覆弧形层；图7b是根据本发明的优选实施例的图7所示的密封件的正视图，其中元件从动地 联接至与凸缘的自由端部连通的滑动板；图7c是图7所示的密封件的正视图，其中相关的面板打开，并且元件失活，使得凸 缘具有松弛的弓形状态；图7d是图7所示的密封件的正视图，其中所述面板关闭并接合密封件，并且由于 所述面板接合层的缘故，使得凸缘变平且元件展开；图7e是图7所示的密封件的正视图，其中所述面板关闭，并且元件激活，以便将凸 缘的自由端部向内拉动并越过阻碍搁板；图7f是图7所示的密封的正视图，其中面板打开，并且密封已恢复初始状态；图8是根据本发明的优选实施例的活性密封段的内部运作的透视图，所述活性密 封段包括刚性夹、限定闭锁机构并包括具有远侧搭扣的侧向悬臂凸缘拱的内部结构、限定 凹部并可平移地联接至夹的滑动板、和从动地联接至凸缘的活性材料元件、以及限定有构 造成当关闭时有选择地接合板的唇缘的面板；图8a是图8所示的密封件的正视图，其中面板打开，元件失活，凸缘具有松弛的弓 形状态，并且滑动板处于未闭锁的位置；图8b是图8所示的密封件的正视图，其中面板关闭并接合密封件，并且由于面板 接合层，所以使凸缘变平、使元件展开、并且使板向外平移，以便达到闭锁位置；图8c是图8所示的密封件的正视图，其中面板关闭，并且元件已部分激活以向内 拉凸缘的自由端部，以便促使搭扣和凹部接合；图8d是图8所示的密封件的正视图，其中面板打开，并且元件已完全激活，以便向 内进一步拉凸缘的自由端部，从而促使板朝未闭锁的位置向内平移；图9是根据本发明的优选实施例的活性密封段的透视图，其包括柔性外层、刚性 夹、包括限定自由端部和第一曲率的双稳态拱构件的内部结构、和从动地联接拱的端部并 可操作以改变曲率的活性材料元件；图9a是图9所示的密封件的正视图，其中相关的面板打开，并且元件失活，使得拱具有松弛的弓形状态；图9b是图9所示的密封件的正视图，其中面板关闭并接合密封件，使得由于面板 接合层，所以使拱变平、并且元件机械地展开；图9c是图9所示的密封件的正视图，其中面板关闭，并且元件已激活，以便向内拉 自由端部，并使得拱向上推压抵靠面板；图9d是图9所示的密封件的正视图，其中面板打开，并且密封件已恢复到初始状 态；图10是根据本发明的优选实施例的活性密封段的透视图，其包括柔性外层、刚性 夹、具有包括上、下、和侧向拱的双稳态双拱架构的内部结构、和从动地联接相对的拱的水 平和竖直的活性材料元件；图IOa是图10所示的密封件的正视图，其中相关的面板打开，并且竖直元件激活，使得层变平；图IOb是图10所示的密封件的正视图，其中面板关闭并接合密封件，并且竖直元 件失活但保持在双稳态构造；图IOc是图10所示的密封件的正视图，其中面板关闭，并且水平元件已激活，以便 向内拉侧向拱，并促使层向上推压抵靠面板；图11是根据本发明的优选实施例的活性密封段的透视图，其包括柔性外层、刚性 夹、具有电极的内部结构、活性弯曲部致动器、和从动地联接至电极的活性材料元件；图Ila是图11所示的密封件的正视图，其中相关的面板打开，并且弯曲部和元件 激活，使得层变平；图lib是图11所示的密封件的正视图，其中面板关闭并接合密封件，并且弯曲部 和元件失活，使得弯曲部卡住电极，并且层保持展平；图Ilc是图11所示的密封件的正视图，其中面板关闭，并且弯曲部激活，以便允许 层向上推压抵靠面板；图12是根据本发明的优选实施例的活性密封段的透视图，其包括柔性外层、刚性 夹、包括“S”形的凸轮、卷轴的内部结构、和从动地联接至卷轴的至少一个元件；图1 是根据本发明的优选实施例的图12所示的密封件的正视图，尤其示出卷轴 以及多个凸轮与元件；图12b是图12所示的密封件的正视图，其中相关的面板打开，并且元件的至少一 部分已激活，以便使凸轮旋转到水平取向并使层变平；图12c是图12所示的密封件的正视图，其中面板关闭，并且已使凸轮返回竖直取 向，以便向上推压抵靠面板；图13是根据本发明的优选实施例的活性密封段的透视图，其包括柔性外层、刚性 夹、包括扭转膜的内部结构、和从动地联接至膜的活性芯致动器；图13a是图13所示的密封件的正视图，其中相关的面板打开，并且致动器已激活， 以便使膜向较短的高度旋转并使层变平；以及图1 是图13所示的密封件的正视图，其中面板关闭，并且致动器失活，使得膜试 图返回初始构造，并且在这种情况下向上推压抵靠面板。
具体实施例方式本发明涉及一种适于与限定周界14的开口 12、和有选择地接合周界14的封闭面 板16 —起使用的活性密封件10，以便覆盖开口 12(图1)。当开口 12关闭时，密封件10在 周界14与面板16之间形成可压缩的并且优选连续且不可渗透的屏障。在机动车辆设置中， 面板16可包括车辆18的门、行李箱盖、滑动遮阳顶、或车篷；然而，一定应意识到的是，可在 需要不断改善的密封效果和密封力的有选择的变化的情况下利用本发明的益处。例如，如 图1所示，密封件10可固定地固定在限制并限定车辆门口 12的凹部中；门16构造成当处 于关闭状况时覆盖开口 12并接合密封件10。在该状况下，密封件10对门16和车辆18产 生相反并且相等的密封力。替代性地，应意识到的是，发明的密封件10可以是门安装式的。在本发明中，密封件10可操作，以有选择地改变密封力(例如当门16关闭和/或 打开时)。通常，创新性的密封件10包括活性材料元件20、限定内部空间M的柔性外层22、 和从动地联接至层22并采用活性材料装置的内部结构26。也就是说，内部结构沈包括和 /或通讯地联接至活性材料元件20，并连接至或以另外的方式构造成接合外层22。结构沈 可操作，以当元件20失活时向层22施加第一力，而当元件22激活时向层22施加与第一力 明显不同(例如10%，更优选地25%，并且最优选地50%)的第二力。替代性地，结构沈 分别在激活和失活时可具有第一刚度和第二刚度。在图2-1 中，为便于例示，描绘了单个 层22 ；然而，应意识到的是，层22可包括额外的突起、层、凸缘等或其他非平面的构造。I .活性材料说明和功能性如在本发明中所使用的，术语“活性材料”如该术语由本领域的技术人员所理解和 限定地，应指的是当受外部刺激或信号激活时经历可逆的基本(例如强烈的物理、化学等) 特性变化的任何材料或复合物。连同其他方式一道，在特性方面的变化可表现为施加激活 信号时的尺寸、形状、取向、剪切力、或挠曲模量中的一个。合适的活性材料包括但不限于 形状记忆合金(SMA)、铁磁形状记忆合金、电活性聚合物(ΕΑΡ)、压电材料、磁流变弹性体、 电流变弹性体、在聚(偏二氟乙烯)(PVDF)与锆钛酸铅(PZT)之间形成的复合物薄膜，等寸。取决于特定的活性材料，激活信号可无限制地采取电流、电场(电压)、温度变化、 磁场、机械加载或应力等的形式。例如，可施加磁场，以改变由磁致伸缩材料制成的活性材 料的特性。可施加热信号，以改变诸如马氏体SMA之类的热激活活性材料的特性。可施加 电信号，以改变由电活性材料、压电体、和/或离子聚合物金属复合物材料制成的活性材料 的特性。理想地，活性材料特性方面的变化保持所施加激活信号的持续时间。在一个实施 例中，在激活信号中断时，活性材料的特性通常回复到无动力的形式，并大致恢复其初始特 性。如在此所使用的，术语“恢复机构”通常指的是能够提供与由活性材料提供的力相反的 力的任何部件，并且包括但不限于弹簧、弹性体、附加的活性材料，等等。如此，能有利地出 现流程的可逆性和多次展开。活性材料的细分部分和/或组合能提供附加的合乎需要的益处，诸如改善的封装 尺寸、减小的重量、增强的设计可扩展性、较大的角位移或扭矩、数字或阶梯式致动、以改善 可控分辨率的叠置或交错的致动、活性复位弹簧、或经由对抗线构造的差分致动。为了活性 材料定制的力和移位性能，可通过机械锚直接锚固细分部分。于是从该机械参考，活性材料细分部分可电地或机械地串联或并联构造，并且能够以伸缩的、叠置的、或交错的构造而机 械地连接。在操作期间可通过软件定时、电路定时、和外部或致动诱发的电接触来改变电构造。SMA存在于几种不同的与温度相关的相中。这些相中被最普遍使用的是所谓的马 氏体相和奥氏体相。在以下的讨论中，马氏体相通常指较易变形的低温相，而奥氏体相通常 指较刚硬的高温相。当形状记忆合金处于马氏体相并受热时，其开始变成奥氏体相。该现 象开始时所处的温度常常被称为奥氏体开始温度(As)。该现象完成时所处的温度常常被称 为奥氏体结束温度(Af)。当形状记忆合金处于奥氏体相并冷却时，其开始变成马氏体相，并 且该现象开始时所处的温度被称为马氏体开始温度(Ms)。奥氏体完成转变成马氏体所处的 温度被称为马氏体结束温度(Mf)。通常，SMA元件在它们的马氏体相中较软并且更容易变 形，而在奥氏体相中较坚硬、较刚性、和/或较刚硬。考虑到前述特性，形状记忆合金的膨胀 优选地处于或低于奥氏体转变温度(等于或低于As)。随后加热至高于奥氏体转变温度使 膨胀的形状记忆合金回复到其永久形状。因此，供SMA使用的合适的激活信号是具有导致 在马氏体与奥氏体相之间的转变的量级的热激活信号。能通过合金成分稍微的变化和通过热处理来调节当受热时SMA记得其高温形 态时所处的温度。例如，在镍钛形状记忆合金中，所述温度能从大约100°c以上变化至大 约-100°c以下。形状恢复过程仅在几度的范围上发生，并且取决于期望的应用和合金成分， 能将转变的开始或结束控制在一度或两度的范围内。形状记忆合金的机械特性在跨越它们 转变的温度范围上改变很大，通常提供了具有形状记忆效应、超弹性效应、和强阻尼性能。合适的形状记忆合金材料包括但不限于镍钛基合金、铟钛基合金、镍铝基合金、镍 镓基合金、铜基合金(诸如铜锌合金、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、铁钼基合金、铁钯基合金，等等。合金可以是二元的、三元 的、或任何高阶的，只要合金成分具有形状记忆效应(例如具有形状取向的改变、在屈服强 度、和/或挠曲模量特性、阻尼性能、超弹性等的改变)即可。合适的形状记忆合金成分的 选择取决于部件操作所处的温度范围。铁磁形状记忆合金(FSMA)是SMA的子类。FSMA可以表现得与常规SMA材料类似， 其具有马氏体与奥氏体之间的应力或热诱发相变。另外，FSMA是铁磁的并具有强磁晶各向 异性，这允许外部磁场影响场对准的马氏体变体的取向/部分(或百分率，fraction) 0当 去除磁场时，材料可具有完全双向、部分双向、或单向的形状记忆。对于部分或单向的形状 记忆，外部刺激、温度、磁场、或应力可允许材料恢复其起始状态。完美的双向形状记忆可用 于采用了连续供应的动力的比例控制。单向形状记忆对延迟恢复刺激来允许闭锁功能的闭 锁型应用非常有用。在汽车应用中通常经由软磁芯电磁体产生外部磁场，但还可将一对亥 姆霍兹线圈(Helmholtz coils)用于快速响应。示例性铁磁形状记忆合金是镍锰镓基合金、铁钼基合金、铁钯基合金、钴镍铝基合 金、钴镍镓基合金。和SMA—样，这些合金可以是二元的、三元的、或任何高阶的，只要合金 成分具有形状记忆效应(例如具有形状、取向、屈服强度、挠曲模量、阻尼性能、超弹性、和/ 或类似特性的改变)即可。合适的形状记忆合金成分的选择部分地取决于预期应用的温度 范围和响应类型。电活性聚合物包括那些响应于电场或机械场而具有压电、热电、或电致伸缩特性的聚合材料。一个示例为具有压电聚(偏二氟乙烯-三氟醚-乙烯)共聚物的电致伸缩接 枝弹性体。该组合具有产生变化量的铁电电致伸缩分子复合系统的能力。这些可作为压电 传感器乃至电致伸缩致动器而操作。适于用作电活性聚合物的材料可包括任何基本绝缘的聚合物或橡胶(或它们的 组合)，其响应于静电力变形或者其变形导致电场内的改变。适于用作预应变聚合物的示例 性材料包括硅树脂弹性体、丙烯酸弹性体、聚氨酯、热塑性弹性体、包括PVDF、压敏粘合剂、 氟橡胶的共聚物、包括硅树脂和丙烯酸部分(acrylic moieties)的聚合物，等等。例如，包 括硅树脂和丙烯酸部分的聚合物可包括包含硅树脂和丙烯酸部分的共聚物、包含硅树脂弹 性体和丙烯酸弹性体的聚合物混合物。用作电活性聚合物的材料可基于如下的一种或多种材料特性选择高的电击穿强 度、低的弹性模量(用于大的或小的变形)、高的介电常数，等等。在一个实施例中，聚合物 选择成使得其具有大约IOOMPa的最大弹性模量。在另一实施例中，聚合物选择成使得其具 有在大约0. 05MPa与大约IOMPa之间、优选地在0. 3MPa与大约3MPa之间的最大致动压力。 在另一实施例中，聚合物选择成使得其具有大约2与大约20之间、优选地大约2. 5与大约 12之间的介电常数。本发明不意在局限于这些范围。理想地，如果材料具有高的介电常数 和高的介电强度，则具有比以上给定范围高的介电常数的材料是合乎需要的。在许多情况 下，可将电活性聚合物制作并实现为薄膜。适于这些薄膜的厚度可低于50微米。当电活性聚合物可以高的应变偏转时，附连于聚合物的电极也应在不损害机械或 电气性能的情况下偏转。通常，适于使用的电极可以为任何形状和材料，只要它们能够向电 活性聚合物提供合适的电压或从电活性聚合物接收合适的电压即可。电压可是常数或随时 间改变。在一个实施例中，电极附连于聚合物的表面。附连于聚合物的电极优选地适应并 顺应聚合物改变的形状。对应地，本发明可包括适应的电极，其顺应它们所附连至的电活性 聚合物的形状。电极可仅应用于电活性聚合物的一部分，并根据它们的几何形状限定有效 面积。适于与本发明一起使用的各种电极包括包含金属迹线和电荷分布层的结构电极、包 含在平面维度外的变化的织构电极、诸如碳油脂或银油脂之类的导电润滑脂、胶状悬浮体、 诸如碳纤维和碳纳米管之类的高纵横比导电材料、以及离子导电材料。用于本发明电极的材料可改变。在电极中使用的合适的材料可包括石墨、炭黑、胶 状悬浮体、包含银和金的薄金属、银填充和碳填充凝胶和聚合物、和离子或电子的导电聚合 物。应理解的是，某些电极材料可适用特定的聚合物，但不适用其它的聚合物。举例来说， 碳纤维适用丙烯酸弹性体聚合物但不适用硅树脂聚合物。合适的压电材料包括但不意在局限于无机化合物、有机化合物、和金属。关于有机 材料，可将在分子内的主链或侧链上、或者在两条链上具有非中心对称结构和(一个或多 个)大基团偶极矩的所有聚合材料用作用于压电膜合适的备选物。例如，示例性聚合物包 括但不局限于聚(钠4-苯乙烯磺酸)、聚(聚(乙烯胺)主链偶氮色基)、和它们的衍生物； 聚氟烃，包括聚偏氟乙烯、其偏二氟乙烯共聚物(“VDF”)、三氟乙烯共聚物、和它们的衍生 物；聚氯烃，包括聚(氯乙烯)、聚偏氯乙烯、和它们的衍生物；聚丙烯腈、和它们的衍生物； 多聚羧酸、包括聚(甲基丙烯酸)、和它们的衍生物；聚脲、和它们的衍生物；聚氨酯、和它 们的衍生物；诸如聚L乳酸之类的生物分子和它们的衍生物、细胞膜蛋白质、以及诸如磷酸 二酯的磷酸脂生物分子；聚苯胺和它们的衍生物、以及四胺的所有衍生物；包括芳族聚酰胺和聚酰亚胺的聚酰胺、包括Kapton和聚醚酰亚胺、以及它们的衍生物；所有的膜聚合物； 聚(N-乙烯基吡咯烷酮)(PVP)均聚物、和其衍生物、以及随机的PVP-共-醋酸乙烯酯共聚 物；和在主链或侧链、或者在主链和侧链两者上具有偶极矩基团的所有芳族聚合物、和它们 的混合物。压电材料可包括选自如下组的金属铅、锑、锰、钽、锆、铌、镧、钼、钯、镍、钨、铝、 锶、钛、钡、钙、铬、银、铁、硅、铜、包括至少一种前述金属的合金、和包括至少一种前述金属 的氧化物。合适的金属氧化物包括 SiO2, A1203、ZrO2, TiO2, SrTiO3> PbTi03、BaTiP3、Fe03、 Fe3O4, ZnO,以及它们的混合物，以及与族VIA和IIB的化合物、诸如CdSe, CdS、GaAs, AgCaSe2, ZnSe,GaP, hP、SiS、和它们的混合物。优选地，压电材料选自如下组聚偏二氟乙 烯、锆钛酸铅、和钛酸钡、以及它们的混合物。应意识到的是，还可采用压电陶瓷，以在施加电荷时产生力和变形。PZT陶瓷由 切割、磨碎、研磨、及以其他方式成形为预期的构造和公差的铁电和石英材料构成。铁电 材料包括钛酸钡、钛酸铋、铌镁酸铅、偏铌酸铅、铌镍酸铅、铅锌钛酸盐(PZT)、锆钛酸铅镧 (PLZT)和锆钛酸铅铌(PNZT)。通过溅射或丝网印刷过程应用电极，所述块被经过极化处 理，使其显示出宏观的压电特性。多层压电致动器通常需要允许层厚降至20 μ m的箔材铸 造过程。在此，电极被丝网印刷并且为层压的片；压实过程提高了生坯陶瓷的密度并去除困 在层之间的空气。最后的步骤包括粘合剂燃尽、以低于1100°C的温度烧结(共烧)、引线接 线终端、和极化。钛酸钡和钛酸铋是普通类型的压电陶瓷。改变的钛酸钡成分将高电压灵敏度与 在-10°C至60°C的范围内的温度相结合。钛酸钡压电陶瓷对水听器及其他接收装置有用。 这些压电陶瓷还用于小功率的投影仪。钛酸铋用于高温应用、诸如压力传感器和加速度计。 钛酸铋属于软铋矿结构基的陶瓷组(Bi12MO2O，其中M = Si、Ge、Ti)。在有些压电陶瓷中使用铌镁酸铅、偏铌酸铅、和铌镍酸铅材料。铌镁酸铅具有应变 非线性改变的电致伸缩或张弛振荡器性能。这些压电陶瓷用于水听器、致动器、接收器、投 影仪、声纳换能器中，并且由于它们具有通常在其他类型的压电陶瓷中不存在的特性，所以 它们用于微型定位装置。铌镁酸铅还具有可以忽略的老化、宽的工作温度范围和低的介电 常数。同铌镁酸铅一样，铌镍酸铅可具有应变非线性改变的电致伸缩或张弛振荡器性能。压电陶瓷包括PZN、PLZTJP PNZT。PZN陶瓷材料具有锌改性的铌酸铅成分，其在 出现非线性应变时具有电致伸缩或张弛振荡器性能。张弛振荡器压电陶瓷材料在从铁电相 到顺电相的转变期间在一定的温度范围内具有高的介电常数。PLZT压电陶瓷被开发用于中 等功率应用，但还可用于超声波应用。通过向PZT成分中添加镧离子形成PLZT材料。通过 向PZT成分中添加铌离子形成PNZT陶瓷材料。PNZT陶瓷材料应用于高灵敏度应用，诸如水 听器、发声器和扬声器。压电陶瓷包括可以天然矿物质形式或人造熔凝石英形式获得的石英。熔凝石英是 用于诸如半导体晶片舟、炉管、钟罩或石英器皿、硅熔体坩埚、高性能材料、和高温产品之类 的专门应用的高纯度晶体形式的硅。还可得到诸如单晶石英之类的压电陶瓷。最后，合适的MR弹性体材料包括但不局限于包括铁磁或顺磁颗粒的弹性聚合物 母体，其中颗粒如上所述。合适的聚合物母体包括但不局限于聚α烯烃、天然橡胶、硅树 脂、聚丁二烯、聚乙烯、聚异戊二烯，等等。磁致伸缩的通常称为活性材料，然而磁致伸缩效应的相对值随混入该类的不同的材料而变化很大，例如“Terfinol” (SP)具有巨大的磁致 伸缩效应，而feilfenol (Sp)则具有“大的”磁致伸缩效应。II .示例性活性密封架构和使用方法如图示的实施例(图2_13b)所示和以下进一步描述的，创新性的活性密封架构 可尤其包括层状叠层、双腔室和止回阀、侧向成拱元件、纵向成拱元件、橡胶凸缘和织带、橡 胶凸缘和弯曲平面物体、橡胶凸缘和滑动板、双稳态拱、双稳态双拱、直接闭锁、橡胶凸轮和 卷轴致动器、反弯曲叠层、扭转芯、轴向取向的弯曲物体、其他相似的几何构造、或以上的组I=I O尤其地，在图2_2b中，密封件10包括柔性外层22、刚性安装夹观、和例如由单独 地EAP平面构件32构成的三作用介电(DE)叠层30。示出了多个四EAP构件32 ；然而，利 用较大或较小的多数个当然也在本发明的范围内。在此，层22限定以拱的形式的水平顺应 (例如橡胶)接合部34和由构件32接合并在高度上与构件32 —致的竖直侧壁36。层22 的柔性在拱34和壁36的连接点处限定顺应接头。如图加所示，当面板(例如门)打开时，可激活EAP叠层30，使得泊松效应促使构 件32向外推压抵靠壁36。这使接合部34变平和变宽，从而产生不太刚性的构造，并且密 封件10从最大的未接合高度(Du)压缩至压缩高度(D。)。结果，由于与高度的减小向联系 的降低的刚度允许舱室内较多的空气在关闭操作期间散逸，以及在舱室16中看到的诱发 压力增大中的减少，所以仅需要较小的闭合力便可以关闭门。一旦关闭，并如图2b所示，则 EAP叠层30失活(或释放)，使得向内拉拽壁36，并使部分34和叠层30推压抵靠门16，从 而产生较大的密封力。替代性地，应意识到的是，密封件10可包括反弯曲叠层30a，其由与EAP叠层30相 似地起作用的PZT、PVDF(或其他相似的活性材料)构件3 构成。如图3- 所示，反弯曲 构件3 设置在空间M内并叠置在夹观的顶上。内膜2 使反弯曲叠层30a和外层22的 接合部34互连。当门16打开时，叠层30a被激活，以使构件32a收缩，从而将内膜2 和 外层22的接合部34向下拉。同样，这促使密封件10从最大的未接合高度(Du)压缩至压 缩高度(D。)。当门16关闭时，释放叠层30a，以便由于叠层30a试图恢复其初始(或失活) 构造，从而使接合部34向上推压抵靠门16。同样，应意识到的是，这增大了密封力。此外， 还应意识到的是，使密封件10恢复到初始构造可通过恢复机构(例如结构沈的弹性、气动 泵等)来实现，该恢复机构提供了与由活性材料元件20所提供的力相反的力，或者使密封 件10恢复到初始构造可通过可操作以便经由在特性方面的反向变化来恢复结构的双向活 性材料元件20来实现。在图4- 中示出了另一示例，其中密封件10具有三作用双腔架构38。在此，顺应 层22再次限定了最上面的拱或接合部34，部分34连接至横跨密封件10侧向延伸的上柔顺 底板40。下柔顺底板42在下方与上底板40间隔开，并且两底板40、42通过水平顺应的侧 垂部44互连。底板40、42和垂部44在空间M内合作地限定第一(或上)腔室46。一对 竖直顺应腔室壁48在下底板42下方扩张至夹28，并与下底板42、壁48和夹28 一起限定 第二(或下)腔室50。在下底板42内限定有基于活性材料的止回阀52 ；例如，在底板42限定流体地联 接第一和第二腔室46、50的通孔42a的情况下，阀52通常可由诸如PVDF弯曲面板之类的活性翼片(flap)构成。在此，翼片52构造成当处于平直或失活状态时覆盖并关闭通孔 42a (图如)，而当激活时允许空气流入第二腔室(图4-4b)。最后，活性材料元件20包括从 动地互连下底板42和夹观的至少一根SMA线或织带M，使得当使线M收缩时，压缩下腔 室50，从而使空气流入上腔室46。这将向外推垂部44，以使上腔室46和部分34变宽和变 平。结果，密封力减小。在操作中，当打开门16时可激活元件54，以便将空气推入上腔室46并使密封件 10变软(图如)。一旦完全激活，则翼片52关闭，保持压缩位置。在门关闭之后(图4b)， 激活活性翼片52并且使SMA线M失活，以便允许空气回流到下腔室50中。由于垂部的刚 性迫使空气从上腔室46出来，所以这增大了密封力；并且将接合部34压缩成抵靠门16。当 再打开门16时，密封件10能够达到图4所示的初始构造。在图5中，提出一种密封架构，其中结构沈包括第一和第二侧向取向并且弹性的 弯曲拱56。拱56从动地联接至活性材料、并且更优选地由活性材料一体形成，以便由此产 生构造方面的改变。在所例示的实施例中，拱56源自夹28，并被镜像，以便相对地接合层 22的竖直壁36。拱56在活性材料激活时限定第一曲率，而在失活时限定第二曲率。如图 5- 所示，第一和第二曲率合作地促使层22获得其中密封力改变了的不同的侧向构造。尤 其地，并如图fe所示，当门16打开时，可激活SMA弯曲拱56，以压缩层壁36并使由外层22 限定的接合部34变平。一旦门16关闭(图恥)，则使弯曲拱56失活或松弛，使得密封件 10推压抵靠门16，从而增大密封力。替代性地，并如图6_6b所示，弯曲拱56可以是轴向(即“纵向”)取向的，并具有 重复的构造。在此，拱56可包括向外层22传递压缩的竖直连接织带56a(图6)。各弯曲部 56同样由活性材料组成，并构造成当激活时具有向层22的接合部34施加向上力的第一曲 率(图6a)，和当失活时具有施加第二向上力的第二曲率(图6b)。更优选地，可沿部分34 的顶点具有加强件34a，以便沿接合区域相等地传递力(图6)。在操作中，当门16打开时， 弯曲部56可构造和激活成具有使部分34变平的较小的曲率半径；而当门16关闭时，成分 材料失活，以允许弯曲部56的弹性模量在部分34上施加向上力，从而产生增大的密封力。在图7中，结构沈包括侧向延伸的柔性凸缘58。凸缘58从夹观悬伸并弯曲，以 便限定拱以及自由端部和固定端部。凸缘58从动地联接至活性材料元件M或与活性材料 元件M —体地形成，以便当激活和/或失活时可操作地改变凸缘58的弯曲度。例如，如图 7-7b所示，致动器可以是SMA线或织带M、活性材料的上覆层、或从动地联接至滑动板60 的至少一根SMA线M。在优选实施例中，密封件10还包括用于自锁能力的障碍搁板62。如图7c所示，当门16打开时，线M保持失活。门16的关闭使外层22和凸缘58 变平，并且如所示在由SMA线构成的情况下，元件M机械地展开(图7d)。在门16关闭之 后，可激活线54，以便朝固定端部拉凸缘58的自由端部。该动作使自由端部滑动地接合搁 板62，直到消除该搁板62的跨距以达到闭锁位置为止(图7e)。门16和搁板62合作，以 便即使SMA线M失活，也将凸缘58保持在闭锁位置中。然而，在线M失活并且门16打开 的情况下，凸缘58能够将自由端部提升至高于搁板高度，并获得图7f所示的初始未闭锁的 构造。在图8-8d中，示出了以滑动板60和闭锁机构(即“闭锁”)64为特征的替代性实 施例。在此，凸缘58在其远端部或自由端部限定圆柱形搭扣66，并且滑动板60限定凹部68，该凹部68构造成当使凸缘58达到增大的密封力的位置时牢固可靠地接纳搭扣66。滑 动板60能延伸超过夹28，以便有选择地卡住由门16限定的唇缘16a。尤其地，并如图8a 所示，当门16打开时，活性材料元件20 (例如SMA线或织带54)失活，以使凸缘58能够获 得其静止时的弓形构造，并且滑动板60相对于夹观处于未闭锁的位置。在门关闭期间，使凸缘58变平，线M机械地展开，并由凸缘58相对于夹观和唇 缘16a朝闭锁位置向外推板60。一旦门16完全关闭，则部分地激活线M，以便使搭扣66 沿板60平移并插入凹部68内。凸缘58和板60合作地构造成当凸缘58的远端部大致垂直地接合板60时，上述 情形出现。在该构造中，凸缘58向门16施加最大的密封力。一旦将搭扣66接纳在凹部68 内。则尽管使SMA线M失活，但将维持增大的密封力。为了解锁门16，完全致动线M，以 便向内拉凸缘58的远端部，并因此朝固定端部拉动板60，直到板60脱离唇缘16a为止。当 从密封件10提升门16时，凸缘58的弹性使得从凹部68移开搭扣66，并使凸缘58恢复其 初始构造。在图9中，结构沈通常由设置在空间M内并在密封件10内纵长地延伸的柔性构 件70构成。构件70的侧向截面限定双稳态拱，其中拱的远端部沿夹观自由平移。端部由 诸如多根SMA线或织带M的活性材料元件联接，以便当元件激活时使端部平移。为便于平 移，端部优选地在端部处具有旋转轴承72或顺应接头。尤其地，朝彼此拉动端部，从而使拱 的顶点向由层22限定的接合部34越来越向上挤。这产生较大的密封力。因此，在该构造中，并如图9a_d所示，关闭门16将使层22和构件70变平、并使端 部分开，从而机械地展开SMA织带M。一旦关闭，则可激活SMA材料，以使顺应接头平移并 使拱的截面试图具有更弓形的状态。这推压抵靠门16并实现增大的密封力。当门16打开 时，织带M失活，使得顺应接头72能够回弹至默认构造(图9d)。在图10中，密封件10通常具有双稳态双拱架构。在此，结构沈包括分别具有弧 形截面的互连的上、下构件以及镜像的侧向构件74、76、78。尤其地，在默认构造中，上构件 74具有向上拱起的弓形拱；下构件76具有向下拱的弓形拱；而侧向构件78具有向内拱的 弓形拱。如图IO-IOc所示，侧向构件78在径向内表面上优选地具有拓扑结构78a，以便在 激活期间控制刚度。最后，诸如示出的SMA线Ma、b的至少一组活性材料元件使相对的上、 下构件74、76以及相对的侧向构件78互连。在操作中，当门打开时(图IOa)，可激活竖直元件Ma，以便使上、下构件74、76收 缩和向内拉上、下构件74、76。这使层壁36塌陷，侧向构件78变成向外拱的弓形，从而机械 地拉伸水平线Mb，而下拱形构件76变成向内拱的弓形，从而达到第二稳定位置。在门16 关闭的同时，密封件10维持其压缩构造，从而由此产生减小的密封力和易化的作业。一旦 门关闭，则使竖直的SMA线5 失活，并激活水平线Mb，以便向内拉侧向构件78 (图IOb)。 这向外驱动上、下构件74、76 (即离开空间M的中心线)，以便推压抵靠门16和夹28，从而 产生较大的密封力。在此，应意识到的是，侧向构件78达到第二稳定位置，并且即使当水平 线54b失活时同样地保持向内的弓形。在图Il-Ilc中，结构沈可包括固定电极80、和源自夹观的有选择地接合的弯曲 部致动器(即“弯曲部”)82。固定电极80优选地连接至外层22的接合部34并从该接合部 34竖直地扩张。电极80限定“L”形构造，其包括大致竖直部80a、和从该竖直部80a大致正交延伸的横向部80b。弯曲部82具有倒置的“L”形纵向截面，其同样由大致竖直部82a、 以及从该竖直部8 大致正交延伸的横向部82b构成。弯曲部82的竖直部8 优选地包 括活性材料，以便使该竖直部8 获得(例如直的(图lib)和弯的(图Ila))第一和第二 纵向构造。电极80和弯曲部82合作地定位，使得当弯曲部82失活时，对应的横向部80b、82b 重叠。当弯曲部82激活时，横向部80b、82b彼此脱离，以便允许相对运动。为此，结构沈 还包括从动地联接至电极80的诸如SMA线或织带M的至少一个活性材料元件20。如图lla-c所示，SMA线M竖直地互连电极80和夹观，使得当使线M激活并收 缩(并且弯曲部82处于弯曲构造)时，使电极80和接合部M向下平移。这在层22获得 变平构造时产生减小的密封力。使电极80平移，使得其横向部80b脱离弯曲部82的横向 部82b。在该构造中，可使弯曲部82失活，使得竖直部8 变直，并且横向部82b卡住电极 80的横向部80a，以便即使当线M失活时也防止电极80和层22恢复初始状态。一旦门16 关闭(图恥)，则通过激活弯曲部82来释放闭锁64，使得层22的弹性模量能够推压抵靠门 16，从而增大密封力。在图12-1 所示的其他实施例中，活性材料元件20可操作，以使结构沈的至少 一部分旋转，并且结构26的旋转改变密封力。例如，在图12-12C中，结构沈包括优选地由 高刚度橡胶形成的“S”形凸轮84。凸轮84与卷轴86同心地对准，并且至少一根SMA线M 缠绕卷轴86。应意识到的是，密封件10包括串联地接合卷轴86的多个凸轮84和线54 (图 12a)。更优选地，线M沿交替的方向缠绕，以便当激活时实现相反的旋转方向。凸轮84间 隔开，使得维持外层22与门16之间充分的接触。更优选地，可沿接合部34的顶点具有加 强件34，以便沿接合面积相等地传递力(图12b)。如图12和图12b所示，凸轮84可通过线M在大致竖直取向与大致水平取向之间 旋转，其中该竖直取向向上推层22的接合部34，而该水平取向使层22变平。当门16打开 时，使凸轮84获得水平状态，以便于关闭。一旦门16关闭(图12b)，则使第一组线5 失 活，并激活第二组线Md，以使凸轮84向竖直状态旋转。这压缩并使凸轮84向外推压接合 部34和夹28，从而增大密封力。在另一旋转实施例中，凸轮84被限定了上、下翼瓣(wing)88a和芯88b的扭转膜 88替代(图13-1 )，其使层22的接合部34和夹观互连。膜88可沿密封件10的纵向轮 廓分段或连续。在图示的实施例中，致动器90设置在芯88b内，并包括活性材料元件20。 致动器90构造成实现旋转移位，并且同样地可具有SMA扭矩管等。如图13a所示，当激活 活性材料时，(取决于翼瓣88a的取向)使膜88沿第一方向旋转，这使膜88降低高度，并使 层22变平，从而便于门封闭。一旦门16关闭，可终止致动，使得膜88的构造和弹性能用于 使膜88恢复初始(或失活)状态。同样地，使膜88推压抵靠门16，以产生较大的密封力。最后，在通常的操作中，应意识到的是，活性材料元件20优选地能在状态(或事 件)出现时自激活。同样地，优选的密封件10通讯地联接至控制器92和可操作以确定状 态的至少一个传感器94 (图1)。当状态停止时(例如门打开、解锁等)，能使活性材料元件 20失活和/或在可应用的情况下使闭锁64脱离，使得密封件10能够恢复默认状态。该过 程可在密封件10的整个寿命中重复。例如，状态可以是门关闭或打开事件。在此，当传感器94检测到门16关闭时，自主地增大密封力，而当门16打开时，自主地减小密封力。可维持减小的密封力的构造，只要 门16保持打开即可，或者在门16打开的同时在暂停时间段到期之后，使该减小的密封力的 构造松弛回增大的力的构造。在后一种情况下，应意识到的是，控制器92包括计时器92a， 传感器94可操作以确定门16在关闭事件期间的运动，而密封架构能够快速地实现减小的 密封力的构造(在门到达关闭状态之前)。在第二示例中，状态可以是门锁定或解锁事件， 其中当确定门16锁定(和推测关闭)时增大密封力。最后，在第三示例中，拉动或释放门 把手96可触发激活。在此，当拉动把手96 (并且门16关闭和解锁)时可减小密封力；而当 释放把手96或当锁定门时，可增大密封力。应意识到的是，可能出现在拉动把手96与门打 开之间相对短的时间段，同样地，到减小的密封力的构造的过渡优选地为快速响应。
该书面的说明使用了示例以公开包括最佳模式的本发明，并且还使得本领域的技 术人员能够实现并使用本发明。本发明可获得的专利范围由权利要求限定，并且可包括本 领域的技术人员能想到的其他示例。如果其他的示例具有与权利要求的文字语言相同的结 构元件、或者它们包括与权利要求的文字语言无实质差异的等同结构元件，则这样的实施 例应当落入权利要求的范围。
权利要求
1.一种活性密封件，其产生可变密封力和/或闭合力，并适于与限定周界的开口和构 造成接合所述周界的封闭面板一起使用，以便关闭所述开口，所述密封件包括安装夹；柔性外层，其固定地连接至所述夹，限定内部空间并沿所述周界纵向延伸；以及内部结构，其包括活性材料元件，具有纵向和侧向轮廓，并构造成当所述元件失活时向 所述层施加第一力或产生第一刚度，而当所述元件激活时向所述层施加第二力或产生第二 刚度。
2.根据权利要求1所述的密封件，其中，所述结构包括层状的叠层，并且所述材料选自 基本由ΕΑΡ、PZTJP PVDF构成的组。
3.根据权利要求1所述的密封件，其中，所述层和结构合作地限定双腔室，所述结构包 括流体联接所述腔室的止回阀，并且所述元件可操作以有选择地打开和关闭所述阀。
4.根据权利要求3所述的密封件，其中，所述元件包括可操作以使所述腔室中的一个 塌陷的至少一根SMA线或织带，以便使空气从所述腔室中的所述一个流向另一个。
5.根据权利要求1所述的密封件，其中，所述结构包括至少一个拱，其在所述元件激活 时具有第一曲率，而在所述元件失活时具有第二曲率，并且所述第一和第二曲率合作地产 生所述可变力。
6.根据权利要求5所述的密封件，其中，所述层限定第一和第二相对的壁，所述结构包 括包含所述活性材料的第一和第二侧向延伸并镜像的拱，并且所述各拱从所述夹延伸至相 应的壁。
7.根据权利要求5所述的密封件，其中，所述结构包括多个轴向取向的拱。
8.根据权利要求5所述的密封件，其中，所述至少一个悬臂拱由从所述层延伸并限定 自由远端部的橡胶凸缘提供，并且所述元件从动地联接至所述端部。
9.根据权利要求8所述的密封件，其中，所述结构还包括限定凹部的滑动板，并且所述 凹部构造成卡住所述端部，以便当所述元件激活时将所述凸缘保持在第一状态中。
10.根据权利要求1所述的密封件，其中，所述结构在所述元件激活时使所述层获得第 一构造，并在所述元件失活时使所述层获得第二构造，并包括可操作以将所述层维持在所 述第一和第二构造中的一个中的闭锁。
11.根据权利要求10所述的密封件，其中，所述闭锁具有弯曲部致动器，其包括可操作 以在激活时使所述闭锁释放的第二活性材料元件。
12.根据权利要求1所述的密封件，其中，所述元件在激活时使所述结构的至少一部分 旋转。
13.根据权利要求12所述的密封件，其中，所述结构包括至少一个橡胶凸轮和与所述 凸轮同心对准的卷轴，并且所述元件可操作以使所述凸轮在大致竖直与水平位置之间旋 转，其中分别施加所述第一和第二力。
14.根据权利要求1所述的密封件，其中，所述结构具有双稳态构造。
15.根据权利要求1所述的密封件，还包括控制器，其通讯地联接至所述活性材料元件；以及传感器，其通讯地联接至所述控制器并且可操作以检测第一状态；所述控制器和传感器合作地构造成在检测到所述状态时激活所述元件。
16.根据权利要求15所述的密封件，其中，所述状态是门打开或关闭事件。
17.根据权利要求15所述的密封件，其中，所述状态是门锁定或解锁事件。
18.根据权利要求15所述的密封件，其中，所述状态是把手拉动或释放事件。
19.根据权利要求15所述的密封件，其中，所述控制器还包括计时器，并且在检测到所 述状态之后当经过一时间段时激活所述活性材料。
20.一种活性密封件，其产生可变密封力和/或闭合力，并适于与限定周界的开口和构 造成接合所述周界的封闭面板一起使用，以便关闭所述开口，所述密封件包括安装夹；柔性外层，其固定地连接至所述夹，限定内部空间并沿所述周界纵向延伸；以及内部结构，其包括活性材料，具有纵向和侧向轮廓，并构造成当所述元件失活时向所 述层施加第一力或产生第一刚度，而当所述元件激活时向所述层施加第二力或产生第二刚 度；其中，所述结构包括至少一个拱，其在所述元件激活时具有第一曲率，而在所述元件失 活时具有第二曲率，并且所述第一和第二曲率合作地提供所述可变力；其中，所述结构在所述元件激活时使所述层获得第一构造，并在所述元件失活时使所 述层获得第二构造，并包括闭锁或具有双稳态构造，其可操作以将所述层维持在所述第一 和第二构造中的一个中。
全文摘要
适于在封闭面板与周界之间产生可变密封力和/或闭合力的活性密封架构，包括安装夹；柔性外层，其固定地连接至夹，限定内部空间并沿周界纵向延伸；以及内部结构，其包括设置在空间内的活性材料并可由设置在空间内的活性材料重新构造，并且可操作以分别在材料激活和失活时向层和面板施加不同的第一力和第二力。
文档编号B60J10/08GK102056759SQ200980121849
公开日2011年5月11日 申请日期2009年4月8日 优先权日2008年4月10日
发明者A·L·布朗, D·布雷, J·E·伦茨, M·C·托马, N·L·约翰逊, P·W·亚历山大 申请人:密执安大学评议会, 通用汽车环球科技运作公司