主動(dòng)式頭枕專利技術(shù)發(fā)展綜述

陳瑩瑩

摘 要：該文介紹了汽車頭枕領(lǐng)域，重點(diǎn)介紹了主動(dòng)式頭枕。主動(dòng)式頭枕是汽車碰撞安全系統(tǒng)中的重要組成部分，在車輛受到來(lái)自后部沖擊的情況下，汽車主動(dòng)式頭枕在機(jī)構(gòu)的作用下同時(shí)向上向前快速移動(dòng)，最大限度地防止頭部猛烈后仰，達(dá)到保護(hù)駕駛員和乘客的頭部和頸部安全。該文分析了主動(dòng)式頭枕專利技術(shù)的國(guó)內(nèi)和國(guó)外專利的申請(qǐng)情況和技術(shù)路線。

關(guān)鍵詞：主動(dòng)式頭枕 碰撞傳感器 專利 技術(shù)路線

中圖分類號(hào)：U461 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）08（a）-0094-02

在汽車設(shè)計(jì)中，碰撞安全技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)非常重要的領(lǐng)域，其中追尾碰撞保護(hù)技術(shù)是為了減少由于“揮鞭效應(yīng)”帶來(lái)的乘員頸脊骨傷害和腦震蕩[1]。1998年，薩博公司提出了“主動(dòng)式頭枕”的概念并申請(qǐng)了專利申請(qǐng)?zhí)枮镾E9603238A（優(yōu)先權(quán)日：19960906）的專利。主動(dòng)式頭枕是在車輛受到來(lái)自后部沖擊的情況下，頭枕在機(jī)構(gòu)的作用下同時(shí)向上向前快速移動(dòng)，最大限度地防止頭部猛烈后仰，達(dá)到保護(hù)駕駛員和乘客的頭部和頸部安全。

在主動(dòng)式頭枕的發(fā)展中，從最初的利用靠背與頭枕之間的杠桿原理進(jìn)行碰撞后調(diào)節(jié)，到后來(lái)的利用傳感器檢測(cè)碰撞進(jìn)行機(jī)械或者電調(diào)節(jié)，再到現(xiàn)在的利用傳感器檢測(cè)預(yù)碰撞，在碰撞可能性大的情況下提前控制頭枕的動(dòng)作，大大提高了車輛的安全系數(shù)[1-3]。

1 主動(dòng)式頭枕專利技術(shù)的整體情況

1.1 主動(dòng)式頭枕技術(shù)專利申請(qǐng)量趨勢(shì)分析

主動(dòng)式頭枕作為汽車安全裝置的主要設(shè)備之一，國(guó)外在1989年出現(xiàn)第一篇關(guān)于主動(dòng)式頭枕的申請(qǐng)，國(guó)外申請(qǐng)總量在在2007年達(dá)到高峰，發(fā)展成熟，之后申請(qǐng)量呈下降趨勢(shì)并在近年來(lái)平穩(wěn)發(fā)展，由此可知國(guó)際上在這一領(lǐng)域的研究熱度已經(jīng)過(guò)去；國(guó)外來(lái)華申請(qǐng)也是隨之從2003年開(kāi)始上升，并在2007年達(dá)到高峰，與國(guó)外申請(qǐng)總量保持一致；而國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人的專利申請(qǐng)量從2000年才開(kāi)有第一件專利申請(qǐng)，并在2001—2006年間沒(méi)有相關(guān)的專利申請(qǐng)，從2007年開(kāi)始逐漸增長(zhǎng)，由此可知比國(guó)外晚發(fā)展了10年左右，目前國(guó)內(nèi)申請(qǐng)?jiān)谠擃I(lǐng)域的申請(qǐng)量一直呈上升趨勢(shì)。出現(xiàn)上述國(guó)內(nèi)的主動(dòng)式頭枕研究落后與國(guó)外主動(dòng)式頭枕研究的原因包括國(guó)內(nèi)對(duì)座椅的防揮鞭傷性能標(biāo)準(zhǔn)的制定時(shí)間較晚、國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)對(duì)研發(fā)的投入不足、國(guó)內(nèi)對(duì)專利申請(qǐng)的重視程度不夠等。

1.2 主要申請(qǐng)國(guó)家和申請(qǐng)人分析

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，可知從總量上看，以德國(guó)、日本和美國(guó)申請(qǐng)量居多，其次是中國(guó)。其中1989年開(kāi)始出現(xiàn)關(guān)于主動(dòng)式頭枕技術(shù)的專利申請(qǐng)；在1989—2003年內(nèi)，專利申請(qǐng)量基本集中在美國(guó)、德國(guó)；2003年后中國(guó)和日本的申請(qǐng)量急劇增加，說(shuō)明日本已經(jīng)開(kāi)始重視該領(lǐng)域的發(fā)展，中國(guó)的汽車產(chǎn)業(yè)剛進(jìn)入快速發(fā)展階段；而到2008年以后，美國(guó)、日本、德國(guó)在申請(qǐng)量急劇下降，而中國(guó)的申請(qǐng)量還在持續(xù)增長(zhǎng)，說(shuō)明中國(guó)在該領(lǐng)域的起步晚于國(guó)際整體水平，成熟期的到來(lái)也晚于國(guó)際整體水平。同時(shí)，美國(guó)申請(qǐng)量在2003年達(dá)到頂峰，日本申請(qǐng)量在2006年達(dá)到頂峰，德國(guó)申請(qǐng)量在2007年達(dá)到頂峰，中國(guó)申請(qǐng)量在2009年達(dá)到頂峰，時(shí)間上基本上間隔了2～6年，這是中國(guó)的汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展落后于國(guó)際汽車產(chǎn)業(yè)造成的。

排在前10名的申請(qǐng)人集中在德國(guó)、美國(guó)、日本，都是汽車生產(chǎn)廠商和零部件供應(yīng)商，即各大車企和汽車零部件供應(yīng)商都對(duì)中國(guó)市場(chǎng)都是比較重視的。其中，戴姆勒包括了戴姆勒克萊斯勒、戴姆勒奔馳，江森自控在2010年先后并購(gòu)了排名前20名中的C. ROB. HAMMERSTEIN（CRH）和KEIPER（愷博），這兩家均是全球領(lǐng)先的德國(guó)汽車座椅零部件供應(yīng)商，李爾公司、東京座椅、愛(ài)信精機(jī)、江森自控在中國(guó)的申請(qǐng)量均在TOP10內(nèi)。可見(jiàn)，實(shí)力越是強(qiáng)大的企業(yè)越注重專利戰(zhàn)略，專利成為擴(kuò)充其產(chǎn)業(yè)與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手抗衡的重要工具。

2 技術(shù)發(fā)展路線分析

2.1 主要技術(shù)分支

汽車主動(dòng)式頭枕領(lǐng)域從其一般組成結(jié)構(gòu)上可分為三大塊：碰撞感應(yīng)部、頭枕控制部和頭枕運(yùn)動(dòng)部。其中，碰撞感應(yīng)部可以為機(jī)械式的解鎖機(jī)構(gòu)，也可以為傳感器。從頭枕的控制形式上可分為：純機(jī)械控制和機(jī)電一體式。其中，純機(jī)械式包括利用靠背杠桿控制和利用拉索控制；機(jī)電一體式又可以從傳感器類型、碰撞響應(yīng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等方面進(jìn)行細(xì)分。本文從主動(dòng)式頭枕的控制形式上對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分[1-3]。

（1）純機(jī)械式的機(jī)構(gòu)，主要依靠人體軀干向后運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量作為驅(qū)動(dòng)能量，通過(guò)連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或解鎖機(jī)構(gòu)使頭枕前移，給乘員頭部足夠的支撐，防止揮鞭傷的產(chǎn)生，這種主動(dòng)頭枕機(jī)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，不需要額外提供能量。

①杠桿式純機(jī)械主動(dòng)式頭枕利用杠桿原理，借助乘員在追尾碰撞中軀干撞擊座椅靠背的力量，推動(dòng)與杠桿一端相連的機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)圍繞支點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，支點(diǎn)位于座椅靠背和頭枕的連接處或者座椅靠背上端，與杠桿另一端相連的頭枕則向前運(yùn)動(dòng)，使得頭枕在后碰撞事故中自動(dòng)靠近乘員頭部，提高了乘員頭頸部的安全性。

②拉索式純機(jī)械主動(dòng)式頭枕利用鮑登鋼絲索等拉索式驅(qū)動(dòng)裝置將人體推動(dòng)靠背的負(fù)荷傳遞到擺動(dòng)構(gòu)件，擺動(dòng)構(gòu)件產(chǎn)生樞轉(zhuǎn)，以解除鎖定機(jī)構(gòu)的頭枕鎖定，使頭枕由碰撞前的位置瞬時(shí)移動(dòng)到碰后的安全位置。

（2）機(jī)電一體式的機(jī)構(gòu)，與主動(dòng)安全系統(tǒng)相結(jié)合，利用傳感器檢測(cè)碰撞或者預(yù)測(cè)追尾碰撞的危險(xiǎn)，之后靠電能驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)或者活性物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，完成頭枕的移動(dòng)，這種主動(dòng)頭枕機(jī)構(gòu)較為先進(jìn)，而且相對(duì)比較穩(wěn)定。

2.2 機(jī)電一體式頭枕技術(shù)發(fā)展路線

本小節(jié)重點(diǎn)分析機(jī)電一體式頭枕技術(shù)全球發(fā)展趨勢(shì)。1989年德國(guó)的BAYERISCHE MOTOREN WERKE（拜仁州機(jī)械制造廠股份公司，BMW）申請(qǐng)了全球第一份關(guān)于主動(dòng)式安全頭枕的專利DE3900495，該專利要求保護(hù)一種機(jī)電一體式頭枕，頭枕包括固定部分B和活動(dòng)部分A，當(dāng)碰撞傳感器檢測(cè)到車輛遭受了碰撞或者檢測(cè)到車輛即將被碰撞，便控制活動(dòng)部分A向前運(yùn)動(dòng)，以支撐住乘員的頭部和頸部，避免揮鞭傷。該專利重點(diǎn)是對(duì)碰后進(jìn)行的反應(yīng)，對(duì)預(yù)測(cè)碰撞只是簡(jiǎn)單地提出，并沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明如何進(jìn)行預(yù)測(cè)判斷，同時(shí)發(fā)生碰撞后頭枕只能向前運(yùn)動(dòng)且位置是唯一確定的，不能適應(yīng)不同高度的乘客頭部。endprint

1995年美國(guó)的AUTOMOTIVE TECHNOLOGIES公司申請(qǐng)專利US19950476882，該專利詳細(xì)描述了預(yù)測(cè)碰撞式主動(dòng)安全頭枕的工作過(guò)程和頭枕位置調(diào)節(jié)方法，具體地為了使頭枕能夠運(yùn)動(dòng)到與乘客頭部距離合適的位置，該專利利用頭部位置傳感器和頭部接觸傳感器檢測(cè)頭部與頭枕之間的相對(duì)距離，由于乘客的頭在不斷的動(dòng)作，需要對(duì)上述相對(duì)距離進(jìn)行合理地總結(jié)與判斷，該專利采用的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測(cè)法，同時(shí)在預(yù)測(cè)到碰撞將會(huì)發(fā)生時(shí)，同時(shí)對(duì)頭枕和坐墊進(jìn)行調(diào)整，以便更好地保護(hù)乘員。該專利對(duì)預(yù)測(cè)碰撞式主動(dòng)安全頭枕的工作工程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，在碰撞前就使頭枕向前、向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)使坐墊進(jìn)行調(diào)節(jié)，以做好保護(hù)頭部和脊椎的準(zhǔn)備并引入了人工智能算法，使得頭枕的控制更加合理。

1998年TRW（湯姆森拉莫伍爾德里奇）公司申請(qǐng)專利US19980159654，該專利除了包括常規(guī)的檢測(cè)相對(duì)距離的傳感器外，還在乘客頭頂對(duì)應(yīng)的車頂上安裝了檢測(cè)乘客頭部相對(duì)于車頂高度的傳感器，依此確定乘客頭部與頭枕的相對(duì)高度，與之前的專利相比，該專利對(duì)乘客頭部位置的檢測(cè)更加立體、準(zhǔn)確，可以根據(jù)不同的頭部高度進(jìn)行頭枕的上下和前后移動(dòng)。

2000年德國(guó)BAYERISCHE MOTOREN WERKE（拜仁州機(jī)械制造廠股份公司，BMW）申請(qǐng)的專利DE10005196A，該專利中頭枕的活動(dòng)部從頭枕的左右兩端向前、向中間靠攏，形成了一個(gè)弓型，在防止揮鞭動(dòng)作的的同時(shí)在左右方向上約束乘客頭部。

1993年挪威騰保數(shù)據(jù)申請(qǐng)了專利EP93106249，該專利將一個(gè)可膨脹的氣囊安裝在頭枕內(nèi)，當(dāng)碰撞傳感器檢測(cè)到車輛的突然加速或者突然變速的信號(hào)后，該信號(hào)就會(huì)觸發(fā)氣囊點(diǎn)火設(shè)備，氣囊向前膨脹，阻止了乘客頭部向后的移動(dòng)。自此利用膨脹氣囊防止揮鞭傷的專利開(kāi)始興起。

機(jī)電一體式頭枕的技術(shù)路線從最初的頭枕只能運(yùn)動(dòng)到一個(gè)位置，到后來(lái)的頭枕可以運(yùn)動(dòng)到多個(gè)位置，從最初的僅向前運(yùn)動(dòng)，到后來(lái)的能夠向前向上運(yùn)動(dòng)，再到后來(lái)的左右向前運(yùn)動(dòng)；頭枕的控制方式從碰撞后運(yùn)動(dòng)，到后來(lái)的預(yù)測(cè)碰撞、智能控制，同時(shí)傳感器從最初的位于車尾的碰撞傳感器，到后來(lái)的安裝在頭枕、車頂?shù)榷鄠€(gè)位置的頭部位置檢測(cè)傳感器。通過(guò)上述分析可知，研發(fā)人員的研發(fā)重點(diǎn)由最初的碰撞后頭枕必須動(dòng)作，到后來(lái)的頭枕如何動(dòng)作才能更好地保護(hù)頭部和頸部，越來(lái)越注重頭枕運(yùn)動(dòng)路線的合理設(shè)計(jì)。

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