專利名稱：磁致驅(qū)動單元以及采用該單元的驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁致驅(qū)動變形裝置，尤其涉及一種將平面信息通過磁致驅(qū)動變形 裝置進行立體化的動態(tài)或靜態(tài)展示的機構(gòu)。
背景技術(shù)：
近些年來，計算機圖形顯示技術(shù)已經(jīng)具有了非常完善的發(fā)展。通過計算機圖形顯 示技術(shù)，人們可以在計算機顯示器看到各種平面或立體圖形、動靜態(tài)視頻圖像等，為我們提 供了一個豐富多彩的數(shù)字化信息世界。但是，這種計算機數(shù)字化圖形信息本質(zhì)上是一種虛 擬的信息，只能觀賞，而不能觸及。如果能有一種技術(shù)，能將這種計算機數(shù)字化圖形、符號等 呈現(xiàn)在真實的物理世界，實現(xiàn)平面的虛擬數(shù)字信息的物理化、立體化呈現(xiàn)，那么這種技術(shù)對 突破計算機信息技術(shù)的發(fā)展瓶頸，拓展信息技術(shù)在真實物理世界的應(yīng)用性，最終實現(xiàn)信息 的觸覺化傳遞將起到巨大效用。對于實現(xiàn)這種技術(shù)，其關(guān)鍵是一種能夠?qū)⒂嬎銠C信息的電子化信號對應(yīng)轉(zhuǎn)化成一 種物理驅(qū)動動作的平面信息的立體化呈現(xiàn)機構(gòu)或裝置系統(tǒng)。該機構(gòu)的關(guān)鍵是可以被計算機 數(shù)字化圖形的單元化數(shù)字信號對應(yīng)控制而被高效率驅(qū)動對外做功，對展示真實立體化圖形 的對應(yīng)機構(gòu)(單元體)輸出力和位移，而且該機構(gòu)產(chǎn)生的輸出力和輸出位移可以根據(jù)計算 機圖形的單元化數(shù)字信號的強弱，顯示時序和頻率進行相應(yīng)控制。目前，人們所研制的可對外做功產(chǎn)生輸出力和輸出位移的驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)采用氣 壓、液壓驅(qū)動和機械驅(qū)動的方式為主。但是，對于氣壓和液壓驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)往往需要專門的 氣壓和液壓驅(qū)動泵系統(tǒng)，對于機械式驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)雖然不需要驅(qū)動泵設(shè)備，但是它們的機 構(gòu)部件往往比較多，整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。如2003年9月10日公告的中國專利，公告號為 CN2572139，其提出的一種機械驅(qū)動執(zhí)行器，包括電機、齒輪傳動機構(gòu)、支承軸承、電磁離合 器、連接被驅(qū)動對象的快速接手、作推拉力輸出的絲杠螺母滑套以及將滑套的位移量傳遞 給行程開關(guān)和位置反饋器的另一齒輪傳動機構(gòu)。這樣的一套機構(gòu)，由于組成部件太多，整 個機構(gòu)驅(qū)動效率不高，并且由于該機構(gòu)必須配備電機作為動力源，以及需要齒輪、軸承、離 合器等傳動機構(gòu)，所以此類機構(gòu)難以做成微小型的結(jié)構(gòu)，驅(qū)動執(zhí)行效率、響應(yīng)靈敏性都會較 差，更不適用于集群式、陣列式的驅(qū)動執(zhí)行應(yīng)用場合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)效果能夠在于克服上述缺陷，提供一種磁致驅(qū)動單元，其控制簡單、 方便，收放響應(yīng)靈敏。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案其包括電磁線圈、外框架、內(nèi)框架，電 磁線圈置于外框架內(nèi)并纏繞在內(nèi)框架外側(cè)，內(nèi)框架上下兩側(cè)設(shè)有彈性膜體，彈性膜體上粘 接剛性模塊，內(nèi)框架與彈性膜體形成的腔室中設(shè)置方向異形的永磁體。磁致驅(qū)動單元也可以采用另一種形式包括電磁線圈、外框架、內(nèi)框架，電磁線圈 置于外框架內(nèi)并纏繞在內(nèi)框架外側(cè)，內(nèi)框架上下的其中一側(cè)設(shè)有彈性膜體，另一側(cè)固定剛性擋板，彈性膜體上粘接剛性模塊，內(nèi)框架與彈性膜體、剛性擋板形成的腔室中設(shè)置方向異 形的永磁體。本發(fā)明的另一個目的是提供采用該單元的驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)由任意多 個大小不同的磁致驅(qū)動單元組成的陣列而形成點或線或面或體。本機構(gòu)簡單、驅(qū)動執(zhí)行部件少，體積大小可變，不需要電機和齒輪傳動等部件的高 效驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。特別是，這種機構(gòu)由于機構(gòu)簡單、體積微小、驅(qū)動方式直接，特別適用于被 大量并行或串行連接而組成驅(qū)動執(zhí)行集群或陣列。如果這種組成驅(qū)動執(zhí)行陣列的每一個 單體驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，簡稱磁致驅(qū)動單元，都對應(yīng)一個計算機顯示圖形的“圖形點單元”，并且 該點單元的出現(xiàn)或不出現(xiàn)，出現(xiàn)后色澤的深和淺都可以被一個電子信號相應(yīng)的產(chǎn)生或不產(chǎn) 生，以及該電子信號的強弱對應(yīng)表示，那么該電子信號則可以與磁致驅(qū)動單元直接聯(lián)系，從 而將“圖形點單元”的點圖形表示信號對應(yīng)于磁致驅(qū)動單元的驅(qū)動行為信號，呈現(xiàn)“圖形點 單元”所表征的相應(yīng)的驅(qū)動輸出位移和輸出力。如此，將“圖形點單元”陣列所形成的計算機 圖形或符號或文字等平面信息，對應(yīng)到一個磁致驅(qū)動單元陣列，那么計算機圖形或符號或 文字等平面信息可以被磁致驅(qū)動單元陣列對應(yīng)反應(yīng)，最終將計算機平面信息立體化展示。其中，所述方向異形永磁體為一個在其磁極軸線方向長度為最長的永磁體。所述 剛性模塊體為一種有一定剛性的幾何形狀體，可以是多邊形(如方形塊體，圓形塊體、三角 形塊體)、半球形/球形塊體等幾何形狀，具體塊體形狀以可獲得最佳外現(xiàn)效果而確定。根據(jù)電磁、永磁相互作用原理，當(dāng)永磁體磁極方向與其外部電磁場不同時，足夠電 磁場作用將使永磁體偏轉(zhuǎn)至電磁場方向一致的方向上。對于所述在其磁極軸線方向長度為 最長的方向異形永磁體，其磁極軸線方向即最大長度方向?qū)㈦S外部磁場的激勵而變化，最 終排列在外部電磁場方向，那么從電磁場激勵前永磁體的一個任意位置，到電磁場激勵后 永磁體長度方向排列到電磁場方向的位置，這種永磁體在電磁場作用前后其自身在電磁場 方向上具有了尺寸差異，這種尺寸變化，可視為在電磁場方向上永磁體“伸長”了。本發(fā)明 正是基于這中利用電磁激勵而產(chǎn)生永磁體的“伸長”效果而提出磁致驅(qū)動單元，并實現(xiàn)電磁 激勵的伸長驅(qū)動。對于所提方向異性永磁體，如果在電磁激勵前其最短尺度方向與電磁場方向一 致，那么該永磁體激勵后所產(chǎn)生的伸長量為該永磁體最長尺寸與偏轉(zhuǎn)角度正弦的乘積，最 大伸長量為該永磁體最長部位與最短部位尺寸的差值；伸長尺寸因此與磁性體偏轉(zhuǎn)角度以 及外加激勵的強度直接相關(guān)。伸長過程中所能產(chǎn)生的力主要與外加磁場和方向異性永磁體 的磁場矢量和成比例。本發(fā)明單體驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)一磁致驅(qū)動單元工作是可以通過如下方式實現(xiàn)針對前 述磁致驅(qū)動單元，初始時將方向異性永磁體以其長度方向與電磁線圈將產(chǎn)生電磁場方向垂 直位置放置，電磁線圈通電產(chǎn)生電磁場，致使永磁體向電磁場方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，隨電磁強度即 偏轉(zhuǎn)程度增加，永磁體與模塊體接觸，進而擠壓，永磁體磁極軸線方向的長度大于內(nèi)框架的 高度，而最終迫使彈性膜體被拉伸，直至永磁體長度方向位于電磁場方向，表現(xiàn)為驅(qū)動單元 體最大程度的膨脹，外擴。當(dāng)電磁線圈產(chǎn)生磁場減弱直至消除，由于彈性膜體恢復(fù)力作用， 永磁體將被擠壓回初始位置。為使永磁體更好地復(fù)位，可以在永磁體與內(nèi)框架之間添加潤 滑材料，也可以加相反的電信號。至此，驅(qū)動單元體的膨脹伸縮過程得以實現(xiàn)。進一步而言，如果將大量這種磁致驅(qū)動單元，排列在一起組成陣列，并且陣列中每一個磁致驅(qū)動單元對應(yīng)到計算機數(shù)字化圖像點陣列的每一個數(shù)字信號“點單元”。那么經(jīng) 過專門的數(shù)模及功放電路系統(tǒng)作用，數(shù)字信號“點單元”的“現(xiàn)”或“隱”狀態(tài)，以及“現(xiàn)”或 “隱”的程度，都可以對應(yīng)表現(xiàn)為磁致驅(qū)動單元的“伸長膨脹”或“收縮恢復(fù)”狀態(tài)，以及磁致 驅(qū)動單元的“伸長膨脹”或“收縮恢復(fù)”程度一一對應(yīng)。因此，理論上對于任意點陣化數(shù)字 化圖形，都可對應(yīng)陣列化磁致驅(qū)動單元的膨脹或收縮而對應(yīng)立體化呈現(xiàn)。并且，如果將這種 磁致驅(qū)動單元制成體積大小不同的單元體，不僅可以在數(shù)量上進行陣列式排列，而且可以 根據(jù)所要展現(xiàn)的數(shù)字化圖形的幾何特征實現(xiàn)大小不同(膨脹變形的細(xì)化程度或變形分辨 率的不同)的磁致驅(qū)動單元組合及排列，那么理論上，任意計算機數(shù)字化圖形都可被磁致 驅(qū)動單元組合立體化展示。另外，由于本發(fā)明所提的磁致驅(qū)動單元體結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動方便，可以將磁致驅(qū)動單 元(或依照其支撐基體結(jié)構(gòu))制成點、線、面、體(如平面陣列、圓柱陣列、六面體陣列、球面 整列等)的陣列形式。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明單體驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)-磁致驅(qū)動單元及其陣列具有以下優(yōu)占.1.實現(xiàn)了一種部件少、結(jié)構(gòu)簡單的膨脹伸縮機構(gòu)；2.膨脹力、膨脹大小甚至精確程度可以通過施加電磁信號直接控制；控制簡單、 方便，收放響應(yīng)靈敏；3.電磁永磁復(fù)合磁場作用驅(qū)動效率高，機構(gòu)的驅(qū)動力較大，驅(qū)動響應(yīng)快，降低驅(qū)動 能耗；4.磁致驅(qū)動單元容易實現(xiàn)與計算機數(shù)字化“點單元”通過電信號建立的一一對應(yīng) 和關(guān)聯(lián)關(guān)系；并且由于結(jié)構(gòu)簡單，根據(jù)數(shù)字化圖形“點單元”顯示效果的需要容易將磁致驅(qū) 動單元制成微小尺寸(如厘米、毫米級)或大尺寸(米級以上等)結(jié)構(gòu)；5.磁致驅(qū)動單元驅(qū)動兩個典型動作_ “膨脹”和“收縮”與計算機數(shù)字化圖形“點 單元”的兩個典型狀態(tài)-“顯示”和“不顯示”進而與數(shù)字開關(guān)編碼“ 1”和“0”兩種編碼狀 態(tài)呈現(xiàn)一定對應(yīng)關(guān)系；潛在具有使磁致驅(qū)動單元的膨脹時“伸”的狀態(tài)，恢復(fù)時“縮”的動作 狀態(tài)能夠?qū)?yīng)數(shù)字信號的“開”和“關(guān)”的狀態(tài)；6.根據(jù)以上磁致驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，磁致驅(qū)動單元容易制成陣列；計算機顯示 的平面化的數(shù)字化圖形和符號等由數(shù)字化“點單元”陣列形成，“點單元”陣列容易對應(yīng)制成 磁致驅(qū)動單元陣列，通過信號控制環(huán)節(jié)和相應(yīng)電路系統(tǒng)而能最終實現(xiàn)計算機圖形、符號等 信息的立體化顯示。本發(fā)明的機構(gòu)及其陣列可用于有對計算機數(shù)字化圖形信息、符號等的立體化展 示、運動控制和驅(qū)動執(zhí)行、動作和觸覺遠(yuǎn)程傳遞、信息傳媒等領(lǐng)域。


圖1為實施例1磁致驅(qū)動單元初始/收縮恢復(fù)狀態(tài)示意圖；圖2為實施例1磁致驅(qū)動單元經(jīng)電磁線圈的電磁激勵后狀態(tài)示意圖；圖3實施例2磁致驅(qū)動單元初始/收縮恢復(fù)狀態(tài)示意圖；圖4為實施例2磁致驅(qū)動單元經(jīng)電磁線圈的電磁激勵后狀態(tài)示意圖；圖5為磁致驅(qū)動單元內(nèi)部俯視結(jié)構(gòu)示意圖6為實施例3磁致驅(qū)動單元初始/收縮恢復(fù)狀態(tài)示意圖；圖7為實施例3磁致驅(qū)動單元經(jīng)電磁線圈的電磁激勵后狀態(tài)示意圖；圖8為實施例4磁致驅(qū)動單元初始/收縮恢復(fù)狀態(tài)示意圖；圖9為實施例4磁致驅(qū)動單元經(jīng)電磁線圈的電磁激勵后狀態(tài)示意圖；圖10為磁致驅(qū)動單元內(nèi)部俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖11為磁致驅(qū)動單元陣列的點表現(xiàn)形式示意圖；圖12為磁致驅(qū)動單元陣列的線表現(xiàn)形式示意圖；圖13為磁致驅(qū)動單元陣列的面表現(xiàn)形式示意圖；圖14為磁致驅(qū)動單元陣列的體表現(xiàn)形式示意圖。
具體實施例方式實施例1如圖1、圖2所示，磁致驅(qū)動單元包括方向異形永磁體1、外框架2、電磁線圈3、內(nèi) 框架4、上彈性膜體5、上剛性模塊6、下彈性膜體7和下剛性模塊8 ；其中內(nèi)框架2、外框架4 固定不動，為圓柱形；電磁線圈3置于外框架2內(nèi)側(cè)并纏繞在內(nèi)框架4外側(cè)，永磁體1被自 由放置于內(nèi)框架4與上、下端面所覆蓋的上彈性膜體5、下彈性膜體7所形成的腔室中 ’另 外，上彈性膜體5、下彈性膜體7上分別粘接有上剛性模塊6和下剛性模塊8。其中，所述永磁體1為一個在其磁極軸線方向N-S方向長度為最長的永磁橢球顆 粒體。所述上剛性模塊6、下剛性模塊8為一種有一定剛性的方形片體。 初始時，將永磁體1自由放置在磁致驅(qū)動單元腔體中，此時永磁體1處于以其N-S 極軸方向與電磁線圈3將產(chǎn)生電磁場方向垂直位置。電磁線圈3通電產(chǎn)生電磁場，致使永 磁體1向電磁場方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，隨電磁強度即偏轉(zhuǎn)程度增加，永磁體1與上剛性模塊6、下剛 性模塊8接觸，進而擠壓，憂郁永磁體1磁極軸線方向的長度大于內(nèi)框架2的高度，而最終 迫使上彈性膜體5、下彈性膜體7被拉伸，直至永磁體1的N-S極軸長度方向位于電磁場方 向，表現(xiàn)為磁致驅(qū)動單元最大程度的外擴膨脹。當(dāng)電磁線圈3產(chǎn)生磁場減弱直至消除，由于 上彈性膜體5、下彈性膜體7恢復(fù)彈性力作用，永磁體1將被擠壓回初始位置。至此，磁致驅(qū) 動單元上下雙向或雙面的膨脹伸縮驅(qū)動過程得以實現(xiàn)。實施例2如圖3、圖4所示，內(nèi)框架4上側(cè)設(shè)有上彈性膜體5，下側(cè)固定剛性擋板9，其它同實 施例1。在電磁激勵工作過程中，由于剛性擋板9的支撐作用，永磁體1在旋轉(zhuǎn)的同時，還有 一個整體向上抬升的動作過程，將永磁體1在電磁場方向上的所有變形量全部傳遞到上彈 性膜5和上剛性模塊6，而使磁致驅(qū)動單元只呈現(xiàn)單向或單面的膨脹伸縮動作。實施例3如圖6、圖7所示，包括方向異形永磁體1、外框架2、電磁線圈3、內(nèi)框架4、上彈性 膜體5、上剛性模塊6、下彈性膜體7和下剛性模塊8 ；其中內(nèi)外框架2、4固定不動，電磁線 圈3置于外框架2內(nèi)側(cè)并纏繞在內(nèi)框架4外側(cè)，永磁體1中心打孔裝配一軸承11，軸承11 中間穿入一個旋轉(zhuǎn)支撐棒10，旋轉(zhuǎn)支撐棒棒10兩端置于一個固定在內(nèi)框架4上的滑槽12 中。此種情況下，永磁體1和旋轉(zhuǎn)支撐棒10置于內(nèi)框架4與上、下端面所覆蓋的上彈性膜 體5、下彈性膜體7所形成的腔室中；另外，上彈性膜體5、下彈性膜體7上也分別粘接有上模塊體片6和下模塊體片8。初始時，將永磁橢球體1自由放置在磁致驅(qū)動單元腔體中，此時永磁體1處于以其 N-S極軸方向與電磁線圈3將產(chǎn)生電磁場方向不一致的位置，電磁線圈3通電產(chǎn)生電磁場， 致使永磁體1在軸承11的支撐下向電磁場方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，隨電磁強度即偏轉(zhuǎn)程度增加，永 磁體1與上剛性模塊6、上剛性模塊8接觸，進而擠壓，而最終迫使上彈性膜體5、下彈性膜 體7被拉伸，直至永磁體1的N-S極軸長度方向位于電磁場方向，表現(xiàn)為磁致驅(qū)動單元最大 程度的外擴膨脹。當(dāng)電磁線圈3產(chǎn)生磁場減弱直至消除，由于上彈性膜體5、下彈性膜體7 恢復(fù)彈性力作用，永磁體1將被擠壓回初始位置。至此，磁致驅(qū)動單元的膨脹伸縮驅(qū)動過程 得以實現(xiàn)。實施例4如圖8、圖9所示，內(nèi)框架4上側(cè)設(shè)有上彈性膜體5，下側(cè)固定剛性擋板9，其它同實 施例3。在電磁激勵工作過程中，由于剛性擋板9的支撐作用，永磁體1在旋轉(zhuǎn)的同時，還 有一個將永磁體1連同軸承11、旋轉(zhuǎn)支撐軸10整體向上抬升的動作過程，在該抬升過程中 旋轉(zhuǎn)支撐軸10沿滑槽12相對滑動；此時永磁體1在電磁場方向上的所有變形量將全部傳 遞到上彈性膜體5和上剛性模塊6，而使磁致驅(qū)動單元只呈現(xiàn)單向或單面的膨脹伸縮動作。實施例5如圖11，將磁致驅(qū)動單元制成點的陣列形式。實施例6如圖12，將磁致驅(qū)動單元制成線的陣列形式。實施例7如圖13，將磁致驅(qū)動單元制成面(單、雙面)的陣列形式。實施例8如圖14，將磁致驅(qū)動單元制成體(如平面陣列、圓柱陣列、六面體陣列、球面整列 等)的陣列形式。
權(quán)利要求
一種磁致驅(qū)動單元，其特征在于包括電磁線圈、外框架、內(nèi)框架，電磁線圈置于外框架內(nèi)并纏繞在內(nèi)框架外側(cè)，內(nèi)框架上下兩側(cè)設(shè)有彈性膜體，彈性膜體上粘接剛性模塊，內(nèi)框架與彈性膜體形成的腔室中設(shè)置方向異形的永磁體。
2.一種磁致驅(qū)動單元，其特征在于包括電磁線圈、外框架、內(nèi)框架，電磁線圈置于外框 架內(nèi)并纏繞在內(nèi)框架外側(cè)，內(nèi)框架上下的其中一側(cè)設(shè)有彈性膜體，另一側(cè)固定剛性擋板，彈 性膜體上粘接剛性模塊，內(nèi)框架與彈性膜體、剛性擋板形成的腔室中設(shè)置方向異形的永磁 體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的磁致驅(qū)動單元，其特征在于方向異形的永磁體在其磁極 軸線方向上長度最長。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁致驅(qū)動單元，其特征在于永磁體為橢球形。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁致驅(qū)動單元，其特征在于永磁體在垂直于磁極軸線方向上 開有軸孔，軸孔上裝配軸承，軸承中間穿入旋轉(zhuǎn)支撐棒，旋轉(zhuǎn)支撐棒的兩端置于固定在內(nèi)框 架上的滑槽中。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的磁致驅(qū)動單元，其特征在于外框架、內(nèi)框架為圓柱體或者 長方體，永磁體磁極軸線方向的長度大于內(nèi)框架的高度。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁致驅(qū)動單元，其特征在于剛性模塊采用多邊形或球形或半 球形幾何形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的磁致驅(qū)動單元，其特征在于永磁體與內(nèi)框架之間添加潤 滑材料。
9.一種采用權(quán)利要求1或2所述的磁致驅(qū)動單元的驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，其特征在于驅(qū)動執(zhí) 行機構(gòu)由多個磁致驅(qū)動單元組成的陣列而形成點或線或面或體。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，其特征在于磁致驅(qū)動單元體積大小可不同。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁致驅(qū)動變形裝置，尤其涉及一種將平面信息通過磁致驅(qū)動變形裝置進行立體化的動態(tài)或靜態(tài)展示的機構(gòu)。本發(fā)明的磁致驅(qū)動單元，其特征在于包括電磁線圈、外框架、內(nèi)框架，電磁線圈置于外框架內(nèi)并纏繞在內(nèi)框架外側(cè)，內(nèi)框架上下兩側(cè)設(shè)有彈性膜體，彈性膜體上粘接剛性模塊，內(nèi)框架與彈性膜體形成的腔室中設(shè)置方向異形的永磁體。內(nèi)框架也可以在上下的其中一側(cè)設(shè)有彈性膜體，另一側(cè)固定剛性擋板。本發(fā)明的機構(gòu)及其陣列可用于有對計算機數(shù)字化圖形信息、符號等的立體化展示、運動控制和驅(qū)動執(zhí)行、動作和觸覺遠(yuǎn)程傳遞、信息傳媒等領(lǐng)域。
文檔編號H01F7/06GK101872669SQ20091001482
公開日2010年10月27日 申請日期2009年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月23日
發(fā)明者李健, 楊錦堂 申請人:楊錦堂