CN101872669B - 磁致驱动单元以及采用该单元的驱动执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁致驱动变形装置，尤其涉及一种将平面信息通过磁致驱动变形装置进行立体化的动态或静态展示的机构。本发明的磁致驱动单元，其特征在于包括电磁线圈、外框架、内框架，电磁线圈置于外框架内并缠绕在内框架外侧，内框架上下两侧设有弹性膜体，弹性膜体上粘接刚性模块，内框架与弹性膜体形成的腔室中设置方向异形的永磁体。内框架也可以在上下的其中一侧设有弹性膜体，另一侧固定刚性挡板。本发明的机构及其阵列可用于有对计算机数字化图形信息、符号等的立体化展示、运动控制和驱动执行、动作和触觉远程传递、信息传媒等领域。

Description

磁致驱动单元以及采用该单元的驱动执行机构

技术领域

本发明涉及一种磁致驱动变形装置，尤其涉及一种将平面信息通过磁致驱动变形装置进行立体化的动态或静态展示的机构。

背景技术

近些年来，计算机图形显示技术已经具有了非常完善的发展。通过计算机图形显示技术，人们可以在计算机显示器看到各种平面或立体图形、动静态视频图像等，为我们提供了一个丰富多彩的数字化信息世界。但是，这种计算机数字化图形信息本质上是一种虚拟的信息，只能观赏，而不能触及。如果能有一种技术，能将这种计算机数字化图形、符号等呈现在真实的物理世界，实现平面的虚拟数字信息的物理化、立体化呈现，那么这种技术对突破计算机信息技术的发展瓶颈，拓展信息技术在真实物理世界的应用性，最终实现信息的触觉化传递将起到巨大效用。

对于实现这种技术，其关键是一种能够将计算机信息的电子化信号对应转化成一种物理驱动动作的平面信息的立体化呈现机构或装置系统。该机构的关键是可以被计算机数字化图形的单元化数字信号对应控制而被高效率驱动对外做功，对展示真实立体化图形的对应机构(单元体)输出力和位移，而且该机构产生的输出力和输出位移可以根据计算机图形的单元化数字信号的强弱，显示时序和频率进行相应控制。

目前，人们所研制的可对外做功产生输出力和输出位移的驱动执行机构采用气压、液压驱动和机械驱动的方式为主。但是，对于气压和液压驱动执行机构往往需要专门的气压和液压驱动泵系统，对于机械式驱动执行机构虽然不需要驱动泵设备，但是它们的机构部件往往比较多，整体结构比较复杂。如2003年9月10日公告的中国专利，公告号为CN2572139，其提出的一种机械驱动执行器，包括：电机、齿轮传动机构、支承轴承、电磁离合器、连接被驱动对象的快速接手、作推拉力输出的丝杠螺母滑套以及将滑套的位移量传递给行程开关和位置反馈器的另一齿轮传动机构。这样的一套机构，由于组成部件太多，整个机构驱动效率不高，并且由于该机构必须配备电机作为动力源，以及需要齿轮、轴承、离合器等传动机构，所以此类机构难以做成微小型的结构，驱动执行效率、响应灵敏性都会较差，更不适用于集群式、阵列式的驱动执行应用场合。

发明内容

本发明的技术效果能够在于克服上述缺陷，提供一种磁致驱动单元，其控制简单、方便，收放响应灵敏。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括电磁线圈、外框架、内框架，电磁线圈置于外框架内并缠绕在内框架外侧，内框架上下两侧设有弹性膜体，弹性膜体上粘接刚性模块，内框架与弹性膜体形成的腔室中设置方向异形的永磁体。

磁致驱动单元也可以采用另一种形式：包括电磁线圈、外框架、内框架，电磁线圈置于外框架内并缠绕在内框架外侧，内框架上下的其中一侧设有弹性膜体，另一侧固定刚性挡板，弹性膜体上粘接刚性模块，内框架与弹性膜体、刚性挡板形成的腔室中设置方向异形的永磁体。

本发明的另一个目的是提供采用该单元的驱动执行机构，驱动执行机构由任意多个大小不同的磁致驱动单元组成的阵列而形成点或线或面或体。

本机构简单、驱动执行部件少，体积大小可变，不需要电机和齿轮传动等部件的高效驱动执行机构。特别是，这种机构由于机构简单、体积微小、驱动方式直接，特别适用于被大量并行或串行连接而组成驱动执行集群或阵列。如果这种组成驱动执行阵列的每一个单体驱动执行机构，简称磁致驱动单元，都对应一个计算机显示图形的“图形点单元”，并且该点单元的出现或不出现，出现后色泽的深和浅都可以被一个电子信号相应的产生或不产生，以及该电子信号的强弱对应表示，那么该电子信号则可以与磁致驱动单元直接联系，从而将“图形点单元”的点图形表示信号对应于磁致驱动单元的驱动行为信号，呈现“图形点单元”所表征的相应的驱动输出位移和输出力。如此，将“图形点单元”阵列所形成的计算机图形或符号或文字等平面信息，对应到一个磁致驱动单元阵列，那么计算机图形或符号或文字等平面信息可以被磁致驱动单元阵列对应反应，最终将计算机平面信息立体化展示。

其中，所述方向异形永磁体为一个在其磁极轴线方向长度为最长的永磁体。所述刚性模块体为一种有一定刚性的几何形状体，可以是多边形(如方形块体，圆形块体、三角形块体)、半球形/球形块体等几何形状，具体块体形状以可获得最佳外现效果而确定。

根据电磁、永磁相互作用原理，当永磁体磁极方向与其外部电磁场不同时，足够电磁场作用将使永磁体偏转至电磁场方向一致的方向上。对于所述在其磁极轴线方向长度为最长的方向异形永磁体，其磁极轴线方向即最大长度方向将随外部磁场的激励而变化，最终排列在外部电磁场方向，那么从电磁场激励前永磁体的一个任意位置，到电磁场激励后永磁体长度方向排列到电磁场方向的位置，这种永磁体在电磁场作用前后其自身在电磁场方向上具有了尺寸差异，这种尺寸变化，可视为在电磁场方向上永磁体“伸长”了。本发明正是基于这中利用电磁激励而产生永磁体的“伸长”效果而提出磁致驱动单元，并实现电磁激励的伸长驱动。

对于所提方向异性永磁体，如果在电磁激励前其最短尺度方向与电磁场方向一致，那么该永磁体激励后所产生的伸长量为该永磁体最长尺寸与偏转角度正弦的乘积，最大伸长量为该永磁体最长部位与最短部位尺寸的差值；伸长尺寸因此与磁性体偏转角度以及外加激励的强度直接相关。伸长过程中所能产生的力主要与外加磁场和方向异性永磁体的磁场矢量和成比例。

本发明单体驱动执行机构-磁致驱动单元工作是可以通过如下方式实现：针对前述磁致驱动单元，初始时将方向异性永磁体以其长度方向与电磁线圈将产生电磁场方向垂直位置放置，电磁线圈通电产生电磁场，致使永磁体向电磁场方向发生偏转，随电磁强度即偏转程度增加，永磁体与模块体接触，进而挤压，永磁体磁极轴线方向的长度大于内框架的高度，而最终迫使弹性膜体被拉伸，直至永磁体长度方向位于电磁场方向，表现为驱动单元体最大程度的膨胀，外扩。当电磁线圈产生磁场减弱直至消除，由于弹性膜体恢复力作用，永磁体将被挤压回初始位置。为使永磁体更好地复位，可以在永磁体与内框架之间添加润滑材料，也可以加相反的电信号。至此，驱动单元体的膨胀伸缩过程得以实现。

进一步而言，如果将大量这种磁致驱动单元，排列在一起组成阵列，并且阵列中每一个磁致驱动单元对应到计算机数字化图像点阵列的每一个数字信号“点单元”。那么经过专门的数模及功放电路系统作用，数字信号“点单元”的“现”或“隐”状态，以及“现”或“隐”的程度，都可以对应表现为磁致驱动单元的“伸长膨胀”或“收缩恢复”状态，以及磁致驱动单元的“伸长膨胀”或“收缩恢复”程度一一对应。因此，理论上对于任意点阵化数字化图形，都可对应阵列化磁致驱动单元的膨胀或收缩而对应立体化呈现。并且，如果将这种磁致驱动单元制成体积大小不同的单元体，不仅可以在数量上进行阵列式排列，而且可以根据所要展现的数字化图形的几何特征实现大小不同(膨胀变形的细化程度或变形分辨率的不同)的磁致驱动单元组合及排列，那么理论上，任意计算机数字化图形都可被磁致驱动单元组合立体化展示。

另外，由于本发明所提的磁致驱动单元体结构简单，驱动方便，可以将磁致驱动单元(或依照其支撑基体结构)制成点、线、面、体(如平面阵列、圆柱阵列、六面体阵列、球面整列等)的阵列形式。

与现有技术相比，本发明单体驱动执行机构-磁致驱动单元及其阵列具有以下优点：

1.实现了一种部件少、结构简单的膨胀伸缩机构；

2.膨胀力、膨胀大小甚至精确程度可以通过施加电磁信号直接控制；控制简单、方便，收放响应灵敏；

3.电磁永磁复合磁场作用驱动效率高，机构的驱动力较大，驱动响应快，降低驱动能耗；

4.磁致驱动单元容易实现与计算机数字化“点单元”通过电信号建立的一一对应和关联关系；并且由于结构简单，根据数字化图形“点单元”显示效果的需要容易将磁致驱动单元制成微小尺寸(如厘米、毫米级)或大尺寸(米级以上等)结构；

5.磁致驱动单元驱动两个典型动作-“膨胀”和“收缩”与计算机数字化图形“点单元”的两个典型状态-“显示”和“不显示”进而与数字开关编码“1”和“0”两种编码状态呈现一定对应关系；潜在具有使磁致驱动单元的膨胀时“伸”的状态，恢复时“缩”的动作状态能够对应数字信号的“开”和“关”的状态；

6.根据以上磁致驱动单元结构的优点，磁致驱动单元容易制成阵列；计算机显示的平面化的数字化图形和符号等由数字化“点单元”阵列形成，“点单元”阵列容易对应制成磁致驱动单元阵列，通过信号控制环节和相应电路系统而能最终实现计算机图形、符号等信息的立体化显示。

本发明的机构及其阵列可用于有对计算机数字化图形信息、符号等的立体化展示、运动控制和驱动执行、动作和触觉远程传递、信息传媒等领域。

附图说明

图1为实施例1磁致驱动单元初始/收缩恢复状态示意图；

图2为实施例1磁致驱动单元经电磁线圈的电磁激励后状态示意图；

图3实施例2磁致驱动单元初始/收缩恢复状态示意图；

图4为实施例2磁致驱动单元经电磁线圈的电磁激励后状态示意图；

图5为磁致驱动单元内部俯视结构示意图；

图6为实施例3磁致驱动单元初始/收缩恢复状态示意图；

图7为实施例3磁致驱动单元经电磁线圈的电磁激励后状态示意图；

图8为实施例4磁致驱动单元初始/收缩恢复状态示意图；

图9为实施例4磁致驱动单元经电磁线圈的电磁激励后状态示意图；

图10为磁致驱动单元内部俯视结构示意图；

图11为磁致驱动单元阵列的点表现形式示意图；

图12为磁致驱动单元阵列的线表现形式示意图；

图13为磁致驱动单元阵列的面表现形式示意图；

图14为磁致驱动单元阵列的体表现形式示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1、图2所示，磁致驱动单元包括方向异形永磁体1、外框架2、电磁线圈3、内框架4、上弹性膜体5、上刚性模块6、下弹性膜体7和下刚性模块8；其中内框架2、外框架4固定不动，为圆柱形；电磁线圈3置于外框架2内侧并缠绕在内框架4外侧，永磁体1被自由放置于内框架4与上、下端面所覆盖的上弹性膜体5、下弹性膜体7所形成的腔室中；另外，上弹性膜体5、下弹性膜体7上分别粘接有上刚性模块6和下刚性模块8。

其中，所述永磁体1为一个在其磁极轴线方向N-S方向长度为最长的永磁椭球颗粒体。所述上刚性模块6、下刚性模块8为一种有一定刚性的方形片体。

初始时，将永磁体1自由放置在磁致驱动单元腔体中，此时永磁体1处于以其N-S极轴方向与电磁线圈3将产生电磁场方向垂直位置。电磁线圈3通电产生电磁场，致使永磁体1向电磁场方向发生偏转，随电磁强度即偏转程度增加，永磁体1与上刚性模块6、下刚性模块8接触，进而挤压，忧郁永磁体1磁极轴线方向的长度大于内框架2的高度，而最终迫使上弹性膜体5、下弹性膜体7被拉伸，直至永磁体1的N-S极轴长度方向位于电磁场方向，表现为磁致驱动单元最大程度的外扩膨胀。当电磁线圈3产生磁场减弱直至消除，由于上弹性膜体5、下弹性膜体7恢复弹性力作用，永磁体1将被挤压回初始位置。至此，磁致驱动单元上下双向或双面的膨胀伸缩驱动过程得以实现。

实施例2

如图3、图4所示，内框架4上侧设有上弹性膜体5，下侧固定刚性挡板9，其它同实施例1。在电磁激励工作过程中，由于刚性挡板9的支撑作用，永磁体1在旋转的同时，还有一个整体向上抬升的动作过程，将永磁体1在电磁场方向上的所有变形量全部传递到上弹性膜5和上刚性模块6，而使磁致驱动单元只呈现单向或单面的膨胀伸缩动作。

实施例3

如图6、图7所示，包括方向异形永磁体1、外框架2、电磁线圈3、内框架4、上弹性膜体5、上刚性模块6、下弹性膜体7和下刚性模块8；其中内外框架2、4固定不动，电磁线圈3置于外框架2内侧并缠绕在内框架4外侧，永磁体1中心打孔装配一轴承11，轴承11中间穿入一个旋转支撑棒10，旋转支撑棒棒10两端置于一个固定在内框架4上的滑槽12中。此种情况下，永磁体1和旋转支撑棒10置于内框架4与上、下端面所覆盖的上弹性膜体5、下弹性膜体7所形成的腔室中；另外，上弹性膜体5、下弹性膜体7上也分别粘接有上模块体片6和下模块体片8。

初始时，将永磁椭球体1自由放置在磁致驱动单元腔体中，此时永磁体1处于以其N-S极轴方向与电磁线圈3将产生电磁场方向不一致的位置，电磁线圈3通电产生电磁场，致使永磁体1在轴承11的支撑下向电磁场方向发生偏转，随电磁强度即偏转程度增加，永磁体1与上刚性模块6、上刚性模块8接触，进而挤压，而最终迫使上弹性膜体5、下弹性膜体7被拉伸，直至永磁体1的N-S极轴长度方向位于电磁场方向，表现为磁致驱动单元最大程度的外扩膨胀。当电磁线圈3产生磁场减弱直至消除，由于上弹性膜体5、下弹性膜体7恢复弹性力作用，永磁体1将被挤压回初始位置。至此，磁致驱动单元的膨胀伸缩驱动过程得以实现。

实施例4

如图8、图9所示，内框架4上侧设有上弹性膜体5，下侧固定刚性挡板9，其它同实施例3。

在电磁激励工作过程中，由于刚性挡板9的支撑作用，永磁体1在旋转的同时，还有一个将永磁体1连同轴承11、旋转支撑轴10整体向上抬升的动作过程，在该抬升过程中旋转支撑轴10沿滑槽12相对滑动；此时永磁体1在电磁场方向上的所有变形量将全部传递到上弹性膜体5和上刚性模块6，而使磁致驱动单元只呈现单向或单面的膨胀伸缩动作。

实施例5

如图11，将磁致驱动单元制成点的阵列形式。

实施例6

如图12，将磁致驱动单元制成线的阵列形式。

实施例7

如图13，将磁致驱动单元制成面(单、双面)的阵列形式。

实施例8

如图14，将磁致驱动单元制成体(如平面阵列、圆柱阵列、六面体阵列、球面整列等)的阵列形式。

Claims (16)

1.一种磁致驱动单元，其特征在于包括电磁线圈、外框架、内框架，电磁线圈置于外框架内并缠绕在内框架外侧，内框架上下两侧设有弹性膜体，弹性膜体上粘接刚性模块，内框架与弹性膜体形成的腔室中设置方向异形的永磁体，永磁体磁极轴线方向的长度大于内框架的高度。

2.根据权利要求1所述的磁致驱动单元，其特征在于方向异形的永磁体在其磁极轴线方向上长度最长。

3.根据权利要求2所述的磁致驱动单元，其特征在于永磁体为椭球形。

4.根据权利要求2所述的磁致驱动单元，其特征在于永磁体在垂直于磁极轴线方向上开有轴孔，轴孔上装配轴承，轴承中间穿入旋转支撑棒，旋转支撑棒的两端置于固定在内框架上的滑槽中。

5.根据权利要求3或4所述的磁致驱动单元，其特征在于外框架、内框架为圆柱体或者长方体。

6.根据权利要求2所述的磁致驱动单元，其特征在于刚性模块采用多边形或球形或半球形几何形状。

7.根据权利要求2或3所述的磁致驱动单元，其特征在于永磁体与内框架之间添加润滑材料。

8.一种磁致驱动单元，其特征在于包括电磁线圈、外框架、内框架，电磁线圈置于外框架内并缠绕在内框架外侧，内框架上下的其中一侧设有弹性膜体，另一侧固定刚性挡板，弹性膜体上粘接刚性模块，内框架与弹性膜体、刚性挡板形成的腔室中设置方向异形的永磁体，永磁体磁极轴线方向的长度大于内框架的高度。

9.根据权利要求8所述的磁致驱动单元，其特征在于方向异形的永磁体在其磁极轴线方向上长度最长。

10.根据权利要求9所述的磁致驱动单元，其特征在于永磁体为椭球形。 

11.根据权利要求9所述的磁致驱动单元，其特征在于永磁体在垂直于磁极轴线方向上开有轴孔，轴孔上装配轴承，轴承中间穿入旋转支撑棒，旋转支撑棒的两端置于固定在内框架上的滑槽中。

12.根据权利要求10或11所述的磁致驱动单元，其特征在于外框架、内框架为圆柱体或者长方体。

13.根据权利要求9所述的磁致驱动单元，其特征在于刚性模块采用多边形或球形或半球形几何形状。

14.根据权利要求9或10所述的磁致驱动单元，其特征在于永磁体与内框架之间添加润滑材料。

15.一种采用权利要求1或8所述的磁致驱动单元的驱动执行机构，其特征在于驱动执行机构由多个磁致驱动单元组成的阵列而形成点或线或面或体。

16.根据权利要求15所述的驱动执行机构，其特征在于磁致驱动单元体积大小不同。 

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