專(zhuān)利名稱：電動(dòng)機(jī)和用于電動(dòng)機(jī)的軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的一個(gè)方面涉及電動(dòng)機(jī)，尤其涉及種種新的線性電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)線性電動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)。本發(fā)明的第二方面涉及軸承(即當(dāng)本發(fā)明的一個(gè)物體相對(duì)于另一支承它的或和它接觸的物體的表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，為它們提供相對(duì)無(wú)摩擦支承的裝置)，該軸承用在本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)中。在本發(fā)明的第二方面中尤其涉及線性軸承，而且還可將這種功能與一可選擇的力/距離定律彈簧效應(yīng)相組合。
電動(dòng)機(jī)術(shù)語(yǔ)“線性電動(dòng)機(jī)”通常指種種電氣原動(dòng)機(jī)。在普通類(lèi)型的傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)中，用一組設(shè)置成圓形或圓筒形的固定線圈(稱為定子)產(chǎn)生一可旋轉(zhuǎn)的電磁場(chǎng)，這種電磁場(chǎng)與一可旋轉(zhuǎn)地安裝在圓形或圓筒形定子內(nèi)的磁體或電磁體(稱為轉(zhuǎn)子)相互作用，以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。但在線性電動(dòng)機(jī)中，定子線圈設(shè)置成一直線，它們產(chǎn)生的電磁場(chǎng)沿此直線前進(jìn)來(lái)驅(qū)動(dòng)“轉(zhuǎn)子”(在這種情況下，最好稱為“平移器”)。這樣一種線性電動(dòng)機(jī)可以看作其定子被展開(kāi)并鋪平的傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)。
有許多在直線上而不是圓中產(chǎn)生推進(jìn)力的其它裝置，因而從技術(shù)上可以把它們認(rèn)為是“線性”電動(dòng)機(jī)。這樣，蒸氣、氣體驅(qū)動(dòng)、內(nèi)燃機(jī)、液壓和氣動(dòng)往復(fù)活塞/氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)都是歸入該類(lèi)的非電氣裝置，而其它電子、電氣、電磁裝置還有是音圈電動(dòng)機(jī)、壓電驅(qū)動(dòng)器和一些磁致伸縮裝置(后兩種只有以微米計(jì)的很短的平移器行程)。某些類(lèi)型的線性電動(dòng)機(jī)-所謂的“英寸蝸桿”(inch worm)電動(dòng)機(jī)-它們使用定子中的物理-機(jī)械壓縮和膨脹的區(qū)域以那些區(qū)域的傳播速度來(lái)推進(jìn)平移器。
在有些場(chǎng)合，需要高速、小力、長(zhǎng)行程、高線性度和很小的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，但已知的線性電動(dòng)機(jī)中沒(méi)有一個(gè)具有所有這些能力。這正是本發(fā)明要解決的問(wèn)題，本發(fā)明旨在提供一種能夠沿直線或曲線、高速、長(zhǎng)行程、高線性度運(yùn)動(dòng)的、平移器質(zhì)量極小的線性電動(dòng)機(jī)，而且這種電動(dòng)機(jī)原理相當(dāng)簡(jiǎn)單，用極少幾個(gè)構(gòu)件就能制造。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，本發(fā)明提出使用一施加原動(dòng)的位移力的機(jī)構(gòu)，施加的方向不是所需的平移器運(yùn)動(dòng)的方向，而是幾乎與該方向成直角的方向，該機(jī)構(gòu)的構(gòu)造導(dǎo)致產(chǎn)生這樣的結(jié)果即產(chǎn)生一沿所需平移器線運(yùn)動(dòng)的合力(它是所施加的原動(dòng)力的分力)，因此，平移器是被“擠出”到所要求的方向，有點(diǎn)像櫻桃核或李子核在手指與拇指之間被擠壓射出的方式?；蛴昧硪环N比喻，即設(shè)法用一濕手的手掌去拾起一塊濕的(因而很光滑)曲線輪廓的肥皂(肥皂被握得越緊，就越快地相對(duì)于抓握方向約呈直角地射出)。在后者情況下，“握住”的手是固定的(它是定子)，它提供動(dòng)力，而肥皂?yè)?dān)任了運(yùn)動(dòng)部件或“平移器”的角色。
因此，本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一線性電動(dòng)機(jī)，它包括一支承平移器的線性延伸的定子，平移器能夠容易地沿定子的線或軸線運(yùn)動(dòng)，其中定子在工作中幾乎在與定子線垂直的方向提供對(duì)平移器的橫向擠出力；以及平移器或者沿其運(yùn)動(dòng)方向有一略呈錐形輪廓(可以是固有的，也可以在被定子如此擠壓時(shí)形成的)，或者平移器通過(guò)力傳遞軸承安裝在定子上，當(dāng)軸承被定子如此擠壓時(shí)，沿定子線變形而形成略微錐形，使得在每一種情況下，擠壓的結(jié)果是在平移器上產(chǎn)生一幾乎與擠壓力垂直的、并因而是沿定子線的合力。
本發(fā)明的線性電動(dòng)機(jī)包括一支承平移器的線性延伸的定子。該定子的線性在于它沿一線延伸，而不是做成象大多數(shù)傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)那樣的圓形。但是，定子的線不一定是直的。(盡管很有可能是直的)，而是在若干位置可以是彎曲的，并可以是一維或兩維的。
定子幾乎可以是任何類(lèi)型、形狀和尺寸，可以以認(rèn)為適當(dāng)?shù)娜魏畏椒ㄊ┘訑D壓力。但是基本上，定子構(gòu)造成允許其內(nèi)的軸承孔從一標(biāo)稱圓筒內(nèi)輪廓變形到標(biāo)稱平頭圓錐形，也可以使孔的具有較小內(nèi)徑的一端部反過(guò)來(lái)變成具有較大內(nèi)徑的一端。這可以用多種方法獲得，它包括定子采用壓電材料，采用合適的電極分布，用電源來(lái)驅(qū)動(dòng)那些電極；用磁致伸縮材料制造定子，并施加適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)，例如通過(guò)合適定位的相鄰導(dǎo)體供應(yīng)電流；將定子構(gòu)造成一由彈性材料制成的、空心外殼狀物體，這種定子被一個(gè)或多個(gè)的隔離物分隔成兩個(gè)(或多個(gè))內(nèi)腔，其中用不同的液壓或氣壓流體壓力源驅(qū)動(dòng)各個(gè)分開(kāi)的腔；用具有顯著熱膨脹系數(shù)(至少在軸承孔周?chē)膱A周方向)的材料制造定子，用熱量驅(qū)動(dòng)它(例如用熱流體。電阻加熱或用一種或多種熱源的直接傳導(dǎo))，使孔的一端膨脹超過(guò)另一端(這種結(jié)構(gòu)可以例如用來(lái)控制恒溫控制閥，其中熱源包括一種或多種熱流體供應(yīng)源、冷流體供應(yīng)源和排出的流體)；制出上述熱激勵(lì)定子的變型，通過(guò)應(yīng)用各種熱控制源，用形狀記憶合金來(lái)產(chǎn)生不同的孔直徑；構(gòu)造定子，采用一能夠收縮或膨脹(例如肌肉組織)的生物結(jié)構(gòu)材料，這種材料被設(shè)置在孔內(nèi)部的周?chē)?，并用外界控制信?hào)激勵(lì)，以產(chǎn)生所需的圓錐形變形。
但是，目前認(rèn)為最方便和有用的定子是通過(guò)施加適當(dāng)電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)的用壓電材料制成的定子。
在本發(fā)明的線性電動(dòng)機(jī)中，定子支承一平移器。在這里，“平移器”只是一個(gè)能沿定子、被所施加的力驅(qū)動(dòng)的構(gòu)件，從而完成某些所需的工作。根據(jù)需要它們做的工作來(lái)定義的定子的例子包括連接于一外部機(jī)構(gòu)、以在其中提供有用的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的桿；一對(duì)于定子內(nèi)的流體流動(dòng)能有效密封(也許是通過(guò)軸承結(jié)構(gòu))的輕的獨(dú)立的、徑向剛性的活塞，該活塞直接作用于它周?chē)目諝?，起到一聲換能器的作用；對(duì)定子內(nèi)的流體流動(dòng)能有效密封的獨(dú)立的徑向剛性的活塞(或許通過(guò)軸承結(jié)構(gòu))流體地耦合于一個(gè)或多個(gè)外腔，以便與流體流動(dòng)控制閥一起起到泵的作用；一裝有一個(gè)或多個(gè)鏡子或鏡面的獨(dú)立的徑向剛性的活塞，以在光學(xué)系統(tǒng)中起到一聚焦或偏轉(zhuǎn)構(gòu)件的作用；一獨(dú)立的重的徑向剛性的活塞，通過(guò)軸承構(gòu)件機(jī)械地耦合于定子，由此耦合于其支撐結(jié)構(gòu)，其慣性用來(lái)施加或衰減對(duì)該結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。
不管平移器的具體形式是怎樣的，它通常(但不總是)沿所需的運(yùn)動(dòng)的路線方向都具有長(zhǎng)度，即有一定的大小，所以必然有一個(gè)前端和一個(gè)后端。如后面要說(shuō)明的，這和定子擠壓力的能被施加的方式有關(guān)。
平移器可制成質(zhì)量很小的產(chǎn)品，對(duì)電動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)充分有效工作的唯一要求是要它能對(duì)定子的擠壓力提供徑向反應(yīng)(不需要全部保持剛性，某種程度的變形度如以下所述可能還是較佳的)。實(shí)際上，其標(biāo)稱形狀(未變形的形狀)可以有點(diǎn)象桶形，或者可以是它的側(cè)面基本上是平行的(與電動(dòng)機(jī)軸線平行)，但只有在定子施加的擠壓力的影響下變形時(shí)才會(huì)呈現(xiàn)圓錐形。當(dāng)平移器用作聲頻換能器時(shí)，該平移器只要耦合于周?chē)目諝?，因此其結(jié)構(gòu)上的限制可以進(jìn)一步減少；為了提供所需的高加速度，主要的關(guān)鍵是質(zhì)量要小(連同不透氣性)。為此，可用膨脹的發(fā)泡塑料、膨脹泡沫塑料的薄壁外殼(也可另外加上金屬或其它材料的很薄的高張力表皮)或者硅石(或其它的)氣凝膠來(lái)制造質(zhì)量很小的平移器。另一種用于聲頻換能器的平移器是用增壓氣體對(duì)塑料或金屬的壁很薄的高張力圓筒充氣，以用很小的質(zhì)量達(dá)到所需徑向剛度(類(lèi)似于密封的薄壁可樂(lè)罐頭或碳酸汽礦泉水塑料瓶，這兩種情況下所產(chǎn)生的剛度基本上是由內(nèi)部氣體壓力而導(dǎo)致的容器壁內(nèi)的張力所形成的)。
如上所述，定子是線性延伸的，而平移器剛沿著線運(yùn)動(dòng)。但如所指出的，定子/平移器組合的幾何形狀可以采用多種不同的形式。因此，有的定子可以部分地或全部包圍平移器(當(dāng)然，除了沿運(yùn)動(dòng)的軸線之外)，例如可以是在略呈錐形的矩形塊平移器的兩側(cè)上的一對(duì)相對(duì)的幾乎平行的板(定子)的形式，或者是圍繞圓筒形(或者也許是略微呈圓筒狀的)平移器并與之同軸的一管狀定子的形式。對(duì)在另一種幾乎是相反的構(gòu)造中，幾何形狀類(lèi)似、但里外倒了過(guò)來(lái)，定子在管狀平移器(可能略微收腰)內(nèi)部的圓筒。圓筒形的和管狀形的構(gòu)件不必是圓筒對(duì)稱，它們的橫截面不一定是要圓形的；在某些情況下，正方形截面(或其它截面)的定子和轉(zhuǎn)子很可能是非常有用的。
本發(fā)明的定子以平移器能夠容易地沿其運(yùn)動(dòng)的形式支承著平移器。這種支承可采用許多不同的形式。在一個(gè)極端的例子中，它可以只是一個(gè)在另一個(gè)上滑動(dòng)的兩個(gè)平的表面，也許還有有助于減少摩擦的潤(rùn)滑劑諸如空氣、油脂、石油蠟或PTFE等。在另一個(gè)極端的例子中，它可能是空氣隙和一種磁力懸浮(meglev)場(chǎng)，即至少一個(gè)可能是通過(guò)電產(chǎn)生的兩個(gè)相對(duì)的磁場(chǎng)，這兩個(gè)磁場(chǎng)抵抗試圖將定子和平移器放到一起的力而使定子和平移器保持分開(kāi)。支撐件的一個(gè)較佳形式是一個(gè)或多個(gè)軸承構(gòu)件，即滾珠軸承(尤其是循環(huán)滾珠軸承)、滾柱軸承、滾針軸承等等，它們?cè)O(shè)置成能使平移器以極小的摩擦沿定子運(yùn)動(dòng)。但是，對(duì)于需要很高加速度并因此需要最小運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的各種應(yīng)用(例如聲頻換能器)，特別有用的軸承構(gòu)件的形式是下面將要描述的線性軸承裝置。這種軸承構(gòu)件基本上是撓性和可變形膨脹的環(huán)狀軸承構(gòu)件，它非常象橡皮輪胎的內(nèi)胎，用很小的質(zhì)量提供了接近零的摩擦(所有表面都滾動(dòng))，能很好地傳遞徑向力，它另外具有軸承噪音幾乎為零(對(duì)于聲頻換能器而言)、在運(yùn)動(dòng)部件之間(即定子與平移器之間)形成接近完美的氣密密封的優(yōu)點(diǎn)。
在本發(fā)明的線性電動(dòng)機(jī)中，定子在運(yùn)行中提供一沿大約與定子線垂直的方向的對(duì)平移器的橫向擠壓力。因此，該擠壓力的方向大約是與所需平移器運(yùn)動(dòng)的路線成垂直方向。總的來(lái)說(shuō)，或許值得重復(fù)上面提到過(guò)的概念，即很像沿著一捏在手指與拇指之間的櫻桃核通過(guò)擠壓而使(或許是“爆發(fā)地”)核射出的方式推平移器，主擠壓力不在核射出的方向，而是與其接近成直角即垂直的方向，但是手指的變形和核的圓錐形/圓形相組合而產(chǎn)生一沿所需飛行路線的較大的合力。
擠壓力以某種方式沿定子路線形成一分力，使平移器沿其運(yùn)動(dòng)。與定子對(duì)齊的分力的形成是由于平移器沿其運(yùn)動(dòng)方向有一略微呈錐形的外形(固有的，或是由于被定子擠壓而形成的)，或是由于平移器通過(guò)力傳遞軸承安裝在定子上，當(dāng)被定子如此擠壓時(shí)，軸承本身變形呈略微錐形。下面將對(duì)此進(jìn)一步說(shuō)明。
可以任何方便的方法產(chǎn)生擠壓力，這包括定子本身的的物理-機(jī)械變形。現(xiàn)在來(lái)說(shuō)明定子在平移器外面的概念和裝置(對(duì)于在平移器內(nèi)側(cè)的定子，效果將適當(dāng)顛倒)。如果定子對(duì)著平移器的一端和在該一端后面機(jī)械壓縮(可能相對(duì)應(yīng)地膨脹離開(kāi)和超過(guò)另一端)，象在櫻桃核上的手指和拇指，尤其是平移器故意做成該端比另一端窄(也許是錐形)，那么其結(jié)果是施加的擠壓力將有一沿定子線的分量，使平移器的壓縮端變成后端，膨脹端變成前端，使平移器朝前運(yùn)動(dòng)。使用形狀預(yù)定的平移器的另一簡(jiǎn)單形式是平移器本身在施加的擠壓力作用下不均勻地變形，結(jié)果是沿著從變形顯著的(后)端部到變形不顯著的(前)端部的定子線的一個(gè)驅(qū)動(dòng)平移器運(yùn)動(dòng)的分力。在一較佳的可能性是利用這兩種情況，即定子機(jī)械地壓縮，而平移器則變形。另一可能性是當(dāng)用一個(gè)此后將要描述的那些線性軸承裝置之一作為軸承構(gòu)件，即在平移器即使被擠壓時(shí)也可保留平行側(cè)面的形式的情況下，軸承構(gòu)件本身變形，以產(chǎn)生沿電動(dòng)機(jī)線的所需的分力。
當(dāng)本發(fā)明線性電動(dòng)機(jī)在應(yīng)用中在平移器上產(chǎn)生軸向負(fù)荷力，而該力以一可預(yù)計(jì)的方式隨平移器位置而改變時(shí)，它可以使電動(dòng)機(jī)的軸向力輸出成為平移器軸向位置的函數(shù)，以平衡這種可變化的負(fù)荷。這可以通過(guò)適當(dāng)?shù)匦薷亩ㄗ拥膸缀涡螤詈推湎鄬?duì)于某些激勵(lì)電動(dòng)機(jī)的輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)的變形特征來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而維持運(yùn)行的線性度。
定子的擠壓在平移器上產(chǎn)生一沿所需平移器運(yùn)動(dòng)線的合力。定子和平移器的幾何形狀決定了此處所能獲得的機(jī)械優(yōu)點(diǎn)或利益，如果需要低平移器力高位移性能，機(jī)械優(yōu)點(diǎn)或利益可容易地增大到所需要的程度(例如在平移器上使用一很淺的錐度)。在這種高機(jī)械優(yōu)點(diǎn)或利益的形式中，平移器的最大被驅(qū)動(dòng)位移決定于定子長(zhǎng)度、而不決定于平移器長(zhǎng)度、也不決定于定子的最大垂直位移。
所述機(jī)械利益或優(yōu)點(diǎn)允許使用具有固有小位移的原動(dòng)力機(jī)構(gòu)，尤其對(duì)于甚至從由壓電和磁致伸縮材料制成(以及利用這些材料的性能)的定子中獲得的很小的定子運(yùn)動(dòng)，平移器也可獲得顯著的運(yùn)動(dòng)。例如，如果定子是由壓電材料薄圓筒制成而以其內(nèi)外噴涂金屬作為電輸入接觸點(diǎn)，那么施加一電壓，就將使該材料收縮或膨脹，這樣，將使整個(gè)圓筒的半徑略微收縮或擴(kuò)大。此外，如果內(nèi)外表面上的噴涂金屬沿圓筒軸的一半處的內(nèi)外圓周線被分成兩個(gè)相等的面積，而且一端的內(nèi)側(cè)連接于另一端的外側(cè)，或者反過(guò)來(lái)，那么施加輸入電壓將會(huì)使圓筒一端的半徑增大，而另一端的縮小。反之，顛倒輸入電壓極性將使圓筒擴(kuò)大和收縮的端部也倒過(guò)來(lái)。零輸入電壓則使圓筒沿長(zhǎng)度保持平行的側(cè)面。這就提供了將可控制的驅(qū)動(dòng)力以任一方向施加到平移器上所必須的定子的圓筒變形。
如果在薄圓筒定子的內(nèi)外側(cè)上不使用導(dǎo)電的金屬層電極，而是使用電阻性層電極，也能獲得類(lèi)似的效果，從定子的一端到另一端對(duì)每一層施加的電壓將沿該層逐漸下降，如此就將具有如同在一半處切割開(kāi)的導(dǎo)電層所獲得的同類(lèi)的收縮/擴(kuò)大效果。選擇電極材料的電阻系數(shù)，使每一電極的端部到端部的電阻(即從定子的一端到另一端)足夠高，當(dāng)高的全驅(qū)動(dòng)電壓橫向施加于這些位置上時(shí)，消耗在電阻中的電源也是可接受的，但選擇的電阻系數(shù)又要足夠低，低到通過(guò)電阻電極對(duì)壓電彎曲件的固有電容充電所需要的時(shí)間足夠短，以滿足定子的帶寬使用要求。在這樣一種電阻層電極形式中，施加的電源通過(guò)合適的導(dǎo)電電極供應(yīng)到每一(內(nèi)外)表面的每一端部，每一合適的導(dǎo)電電極為其軸向軸向長(zhǎng)度可忽略的圍繞表面的圈或環(huán)，連接到電阻電極涂層的軸向端部；一端的內(nèi)圈或環(huán)電極連接到另一端的外圈或環(huán)電極，而在該一端的外圈或環(huán)電極連接到另一端的內(nèi)圈或環(huán)電極，然后在定子的一端或另一端的兩電極圈或環(huán)上連接電壓。結(jié)果是驅(qū)動(dòng)電壓勢(shì)差沿內(nèi)外電阻電極的長(zhǎng)度、但以相反的方向均勻分布，使得接近定子中心的、橫過(guò)定子材料厚度的電場(chǎng)可忽略不計(jì)，而在兩端的電場(chǎng)上升到最大，但每端的電場(chǎng)的極性相反。壓電材料中產(chǎn)生的合應(yīng)力使定子變形成一端為最大半徑、另一端為最小半徑的錐形，各點(diǎn)的半徑在這些狀態(tài)之間都在平滑變化與接近線性之間。顛倒驅(qū)動(dòng)電壓將使具有最大半徑的端部具有最小半徑，最小半徑端部具有最大半徑，定子中心段的電場(chǎng)仍然可忽略不計(jì)，因而其未被驅(qū)動(dòng)的形狀的變形也忽略不計(jì)。
在剛描述的例子中，壓電定子的膨脹和收縮量受到直接壓電效應(yīng)的限制。但是，對(duì)于金屬涂層和電阻涂層的兩種形式，如果定子做成標(biāo)準(zhǔn)的單態(tài)或雙態(tài)的‘壓電彎曲件’構(gòu)造器件，就可使膨脹/收縮量有顯著增加。因而，使用同樣的幾何形狀和電極布局，但此外，對(duì)于(例如)金屬涂層的形式，首先將一剛性的金屬內(nèi)襯設(shè)置在壓電圓筒的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，其次在整個(gè)圓筒上進(jìn)行螺旋形切割(使得所留下的是壓電/金屬迭層材料的螺旋形‘帶’，圈與圈之間有小的空隙)。用這一簡(jiǎn)單的方法，器件就已轉(zhuǎn)變成一單態(tài)‘壓電-彎曲件’(piezo-bender)結(jié)構(gòu)(雖然被纏繞成螺旋形式)，因此，對(duì)于所施加的給定輸入電壓，圓筒徑向位移量將增加很多，那是因?yàn)閴弘?金屬迭層因兩結(jié)合材料的膨脹差而引起彎曲。這樣一種螺旋形分裂彎曲件能為所施加的低輸入電壓提供數(shù)十或甚至數(shù)百微米的端部至端部的半徑位移量的差別。甚至通過(guò)用極性與原來(lái)的壓電圓筒相反的壓電材料替代金屬內(nèi)襯墊還可以進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)，即提供一典型的雙態(tài)“彎曲件”構(gòu)造，對(duì)于一給定的輸入電壓可以有一很大的位移輸出。
電阻結(jié)構(gòu)形式除了它當(dāng)然不用在定子中間處電氣割斷成兩半之外，在很大程度上是用同樣的方法制造的。
對(duì)圓筒的壓電基本材料的有關(guān)表面進(jìn)行化學(xué)表面處理(通常是化學(xué)還原)，而不是施加另外的金屬或極性相反的壓電層，也可以制成雙態(tài)彎曲件的第二層。
由此可見(jiàn)，本發(fā)明的線性電動(dòng)機(jī)有三個(gè)基本構(gòu)件，即一提供‘?dāng)D壓’力的定子、一被定子擠壓并因此運(yùn)動(dòng)的平移器和一分布在定子與平移器之間的軸承構(gòu)件。此機(jī)構(gòu)具有如下的潛在優(yōu)點(diǎn)a)動(dòng)力源，即施加到平移器上的力源，可以完全在定子中，無(wú)論使用什么樣的產(chǎn)生‘?dāng)D壓’力的機(jī)構(gòu)，都能有效地做到對(duì)于電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件不增加重量(因此能用較重的電動(dòng)機(jī)部件作為力的發(fā)生器，而不會(huì)在平移器上造成動(dòng)態(tài)負(fù)擔(dān))。
b)只要平移器能承受定子的擠壓，它就能做到任何合適的材料所允許的那樣輕。
c)在定子與平移器之間不需要永久的電氣的或磁的連接，所以沒(méi)有電線或電極(pole)等來(lái)增加重量、阻尼、彎曲力等等。
d)平移器可以對(duì)應(yīng)定子的很小的運(yùn)動(dòng)(垂直)而運(yùn)動(dòng)很長(zhǎng)的距離，這可以從諸如壓電或磁致伸縮器件的固有小運(yùn)動(dòng)原動(dòng)力(prime-force)機(jī)構(gòu)獲得大的輸出運(yùn)動(dòng)。
e)電動(dòng)機(jī)中所有造成損失的機(jī)構(gòu)主要是由于定子與平移器之間存在的很低的摩擦，和在產(chǎn)生力的機(jī)構(gòu)本身的內(nèi)在因素。
f)如果需要低平移器力、大位移性能，則機(jī)械利益或優(yōu)點(diǎn)可容易地達(dá)到需要的那么大。
g)在高機(jī)械利益或優(yōu)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式(平移器錐度很小)中，平移器的最大驅(qū)動(dòng)位移簡(jiǎn)單地取決于定子的長(zhǎng)度。
對(duì)于本發(fā)明的一個(gè)特別有吸引力的應(yīng)用是在聲頻換能器(如在擴(kuò)音器)的生產(chǎn)方面。當(dāng)一螺旋導(dǎo)電分離或電阻非分離彎曲件定子器件(如上所述)與一此后要描述的那種類(lèi)型的小質(zhì)量低摩擦線性軸承和一質(zhì)量很小的平移器一起使用時(shí)，可以構(gòu)造出一聲頻換能器，其中主要的力是由于空氣在平移器上的空氣阻力(平移器的重量已接近于由平移器的運(yùn)動(dòng)所直接移動(dòng)的那部分空氣的質(zhì)量)，在這種情況下，效率可以相當(dāng)高。用在這種情況下的螺旋彎曲件定子可以襯有一層薄的彈性材料(例如橡膠)，彈性材料還注入諸螺旋圈之間，為軸承構(gòu)件提供了一平滑連續(xù)的表面，使軸承構(gòu)件可在其上滾動(dòng)，并只為定子的彎曲力提供很少的阻力。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膸缀涡螤詈筒牧?，定子的諧振頻率可以高于最高的聲頻頻率，而懸浮中的平移器的諧振頻率由于選擇最小的軸向恢復(fù)力(對(duì)于線性電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行這些力完全不需要，只要在電動(dòng)機(jī)開(kāi)始使用時(shí)能使平移器回到一已知的位置就可以)可以做成很低。
本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)從最廣義上來(lái)說(shuō)包括一固定的但可變形的定子構(gòu)件，它有兩個(gè)或多個(gè)圍繞一管狀通道的相對(duì)的驅(qū)動(dòng)表面，諸驅(qū)動(dòng)表面能夠朝向通道軸線傾斜，以及大約與通道軸線垂直地彼此分開(kāi)，使它們的間隔沿通道軸線而變化；以及一位于通道內(nèi)的并可沿通道運(yùn)動(dòng)的狹長(zhǎng)的可移動(dòng)的平移器構(gòu)件，它有與定子驅(qū)動(dòng)表面相對(duì)應(yīng)的、與之匹配的并可運(yùn)動(dòng)地作近接觸的從動(dòng)表面；其中平移器是可變形，其從動(dòng)表面在其未變形狀態(tài)下大約彼此平行；或者，平移器基本上是剛性的，其從動(dòng)表面略微呈桶形；使得當(dāng)定子變形，使驅(qū)動(dòng)表面的一端能彼此相向運(yùn)動(dòng)(另一端能彼此分離運(yùn)動(dòng))時(shí)，有一力施加于平移器的從動(dòng)表面，從而產(chǎn)生一使平移器朝驅(qū)動(dòng)表面的分開(kāi)得較寬的端部運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。
本發(fā)明線性電動(dòng)機(jī)的較佳實(shí)施例的特征可歸納如下
i)有一附加的線性軸承構(gòu)件介于定子驅(qū)動(dòng)表面與平移器從動(dòng)表面之間，并與它們接觸，該軸承構(gòu)件最好是此后將要描述的那種類(lèi)型。
ii)當(dāng)軸承構(gòu)件被定子的驅(qū)動(dòng)表面徑向擠壓時(shí)，它在壓力作用下可徑向變形，并能夠?qū)⑤S向力傳遞到平移器的從動(dòng)表面。
iii)定子和平移器的幾何形狀可以設(shè)計(jì)成能為在定子內(nèi)的平移器提供穩(wěn)定的或不穩(wěn)定的位置。
iV)定子是一種壓電材料和金屬的螺旋式單態(tài)件，或相對(duì)于螺旋幾何形狀徑向極化的兩種極化相反的壓電材料的雙態(tài)件，在螺旋件的內(nèi)側(cè)和外側(cè)上都有一個(gè)激勵(lì)電極，螺旋圈的軸向?qū)挾扰c諸圈的圈間隔和徑向厚度相比是大的；以及每一個(gè)電極或者是由電阻材料、但仍舊是導(dǎo)電的材料制成的，在一側(cè)上的一端的各電阻電極連接于在另一側(cè)上的另一端的電阻電極，形成驅(qū)動(dòng)換能器的輸入驅(qū)動(dòng)電極，或者，每一電極在沿著螺旋定子的內(nèi)軸線長(zhǎng)度的中間的圓周線處被分成相等的兩半，在螺旋定子的每一端上各有一半，它們彼此電絕緣，在一側(cè)一端部上的一個(gè)半電極連接于在另一側(cè)另一端部上的一個(gè)半電極，以形成驅(qū)動(dòng)換能器的輸入電極；這樣，當(dāng)直流驅(qū)動(dòng)電壓施加在兩電極之間時(shí)，螺旋定子一端的半徑增大，而同時(shí)，另一端的半徑縮短。
軸承本發(fā)明上述的電動(dòng)機(jī)最好使用下面要描述的那種類(lèi)型的線性軸承。
軸承可采用許多不同的形式，但無(wú)論是哪種情況，軸承的目的是允許一個(gè)構(gòu)件體支承在另一個(gè)構(gòu)件體之上，以使它們能相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并在兩者之間沒(méi)有過(guò)多的浪費(fèi)能量的摩擦。也許最通常的軸承是用于使一個(gè)構(gòu)件體相對(duì)于另一個(gè)構(gòu)件體轉(zhuǎn)動(dòng)的那種，但還有許多其它形式的軸承，它們中有一些允許第一個(gè)構(gòu)件體沿第二個(gè)構(gòu)件體的表面平移，即作線性運(yùn)動(dòng)。
這樣一種“平移”或“線性”軸承的一眾所周知的品種是輥?zhàn)?。?dāng)它沿下面(例如地面)被推動(dòng)時(shí)，輥?zhàn)又С幸环胖迷谄漤敳康奈矬w。本發(fā)明涉及一新穎品種的輥?zhàn)訝畹钠揭?線性)軸承系統(tǒng)，它被專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)成能使兩個(gè)同軸安裝成一個(gè)在另一個(gè)之內(nèi)的長(zhǎng)形物體(類(lèi)似于望遠(yuǎn)鏡，或氣缸內(nèi)的活塞)被支承成可以作摩擦較小的軸向運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明的第二主要方面是提供一種線性軸承，它結(jié)合了氣胎的某些特征與履帶的特征。更具體地說(shuō)，本發(fā)明建議利用彈性超環(huán)面(toroidal)(以下稱環(huán)形)軸承構(gòu)件，它與輪胎的內(nèi)胎相似，它被裝在軸承體之一(外構(gòu)件，起套管作用；它通常是固定體)的管狀孔或通道內(nèi)側(cè)并與之同軸，另一軸承體(內(nèi)構(gòu)件，一般為桿或管子，它通常是運(yùn)動(dòng)體)穿過(guò)該軸承體的孔自由滑動(dòng)。然后內(nèi)構(gòu)件穿進(jìn)超環(huán)面體(以下稱環(huán)形體)，這樣，所有的三個(gè)構(gòu)件同軸對(duì)齊。
環(huán)形軸承構(gòu)件的結(jié)構(gòu)是這樣的，在使用中，它的外側(cè)(較長(zhǎng)的)周界與外構(gòu)件的管狀孔/通道的內(nèi)側(cè)表面滾動(dòng)接觸，它的內(nèi)側(cè)(較短的)周界與內(nèi)構(gòu)件的外側(cè)表面滾動(dòng)接觸。此外，兩構(gòu)件(內(nèi)外構(gòu)件)的結(jié)構(gòu)是這樣的，在三構(gòu)件裝配起來(lái)之后，環(huán)形構(gòu)件的管子截面相當(dāng)扁平，與其徑向范圍相比較，軸向范圍可相當(dāng)長(zhǎng)(徑向范圍受到兩構(gòu)件之間的間隙的限制)。于是，環(huán)形軸承構(gòu)件的回彈力在內(nèi)構(gòu)件體上施加一基本是徑向的定心力，而對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)的唯一的限制歸因于環(huán)形體材料中的變形力(這些力可以很小，而且大部分相抵消)。
最終的軸承質(zhì)量極小，成本很低，徑向?qū)R(定心)力較強(qiáng)大，對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)的阻力很小，軸向運(yùn)動(dòng)幾乎無(wú)限制。
因此，在第二方面，本發(fā)明提供了一線性軸承，該軸承包括一第一或外軸承體，在該軸承體內(nèi)有一線性延伸的管狀通道；一第二或內(nèi)軸承體，可滑動(dòng)地安裝通道內(nèi)，以沿通道線運(yùn)動(dòng)；以及一可彈性變形、拓?fù)洵h(huán)形軸承構(gòu)件，位于兩軸承體構(gòu)件之間并與它們變形接觸，它位于外軸承體的內(nèi)側(cè)并圍繞通道，并在內(nèi)軸承體外側(cè)圍繞內(nèi)軸承體，其特點(diǎn)是a)管狀通道內(nèi)部是平滑的(以便當(dāng)軸承構(gòu)件在其上滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲很低)；b)內(nèi)軸承體其質(zhì)量很小，外面平滑(當(dāng)軸承構(gòu)件在其上滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲也很低)；c)軸承構(gòu)件是空心的，其壁很薄，其內(nèi)充注氣體，它是由小質(zhì)量的、低滯后作用的材料制成的，對(duì)填充氣體的滲透性很低；以及d)軸承構(gòu)件與內(nèi)外軸承體滾動(dòng)密封接觸。
本發(fā)明提供了一由外軸承體所形成的線性軸承，一內(nèi)軸承體可滑動(dòng)地安裝在該外軸承體中的通道中，以便沿其運(yùn)動(dòng)。每一軸承體實(shí)際上是軸承所支承的任何裝置或設(shè)備的一個(gè)部分，但也可以每一軸承體僅僅是軸承的一部分，軸承所支承的對(duì)象是分開(kāi)地連接于及裝在一個(gè)或另一個(gè)軸承體上的。例如一推桿致動(dòng)器能直接形成內(nèi)軸承體，一鏡子可安裝在其上，其位置因此而改變，一滑動(dòng)管狀件直接形成外軸承體，一印刷頭安裝在其上，其位置因此而改變。通常是，一軸承體與固定的被支承設(shè)備的某一部分是一體的或帶有該某一部分，而另一軸承體類(lèi)似地與需要在使用中運(yùn)動(dòng)的某個(gè)設(shè)備部分相關(guān)聯(lián)。在大多數(shù)情況下，都是使外體部分固定，而內(nèi)體部分活動(dòng)(在上述的第一例子就是如此)，因?yàn)檫@比較方便。
本發(fā)明的軸承是線性軸承，換句話說(shuō)，它的用途是支承某個(gè)在使用時(shí)需要沿線運(yùn)動(dòng)的物體。例如，一個(gè)這樣的物體可以是擴(kuò)音器的運(yùn)動(dòng)部分，它驅(qū)動(dòng)錐體或其它移動(dòng)空氣的部分，而其它的可能性是一印刷機(jī)的印刷頭、照相機(jī)鏡頭和門(mén)開(kāi)啟裝置的致動(dòng)器。
本發(fā)明的軸承采用一外軸承體，在該外軸承體內(nèi)安裝有一可滑動(dòng)的內(nèi)軸承體。這些軸承體的材料和大小可以是任何一種材料和大小，但必需適合軸承所要完成的任務(wù)。例如，對(duì)于用作一門(mén)開(kāi)啟裝置，這些體的直徑約為2厘米，由輕質(zhì)金屬管制成，而對(duì)于用作印刷頭支架，1厘米直徑的由合適的塑料制成的桿是較好的。對(duì)于需要質(zhì)量極小的活動(dòng)部分的軸承，諸如擴(kuò)音器錐體的驅(qū)動(dòng)器(或其它形式的聲頻換能器)，使內(nèi)軸承體作為活動(dòng)體并使它空心，由具有很高的強(qiáng)度與質(zhì)量之比的包皮的發(fā)泡材料制成是有利的。
在本發(fā)明軸承的外體內(nèi)，有一管狀通道，其內(nèi)安裝著可沿其運(yùn)動(dòng)的內(nèi)體。通道是管狀的，這是說(shuō)它具有深度并因此構(gòu)成一三維空間(或通道)，該三維空間或通道延伸入(通常是穿過(guò))外體，從一側(cè)到另一側(cè)。但其橫截面可以有任何形狀和尺寸，它們沿通道既可以是均勻的，也可以是不均勻的。但是對(duì)于大多數(shù)用途而言，通道橫截面的合適形狀是圓形，橫截面的尺寸恒定不變也是較恰當(dāng)?shù)?，在有些?yīng)用場(chǎng)合中，如果需要自定位作用，它可以由一不均勻的部分提供，例如，筒形使軸承構(gòu)件支承的內(nèi)體位于通道中心，一收腰的形狀可以使內(nèi)體定位在任一寬端，而錐形可使定位在較寬的一端。一均勻平行側(cè)面的管狀不提供沿通道的位置恢復(fù)力，所以處在中性。顯然，通過(guò)使通道有種種合適的形狀，就可獲得種種效果；一正弦波形可提供多個(gè)“穩(wěn)定”位置，就象一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，而“狗骨”形狀提供兩個(gè)穩(wěn)定位置，各在有效行程的端部。這將在下面進(jìn)一步描述。
本發(fā)明的軸承外體內(nèi)的管狀通道是線性延伸的那種。在本文中，術(shù)語(yǔ)“線性延伸”指沿一線延伸，而且內(nèi)體是要沿這條線運(yùn)動(dòng)的。此線通常是直線但可以想象得到，有時(shí)需要內(nèi)體沿曲線運(yùn)動(dòng)，因此此時(shí)管狀通道是彎曲的為合適。該線在許多場(chǎng)合中與通道的橫截面尺寸相比是相當(dāng)長(zhǎng)的，所以通道是深的，但在某些場(chǎng)合中(在某些類(lèi)型的擴(kuò)音器中)可有利地采用一其線是相當(dāng)短的、通道因此是比較淺的軸承。在上述任一情況中，通道都延伸穿過(guò)外體，其兩端是敞開(kāi)的。
在本發(fā)明軸承外體的通道中，有一內(nèi)體可滑動(dòng)地安裝在其中，以沿其運(yùn)動(dòng)。這種內(nèi)體的尺寸和形狀做得與通道“配合”，即不管以什么樣的方式，要求內(nèi)體既能配合通道的空間，又能與通道的形狀相匹配。
內(nèi)體的配合必須是松配合，因?yàn)樵趦审w之間必須為軸承構(gòu)件留有空間，即一環(huán)狀間隙，盡管軸承構(gòu)件這樣放置時(shí)，其形狀由于兩體壓迫它而會(huì)變形。該間隙所需要的或可接受的尺寸(或相對(duì)尺寸)取決于許多因素，其中最重要的是軸承構(gòu)件的性質(zhì)，尤其是它的大小和制造它的材料。如下面將要進(jìn)一步描述的，當(dāng)軸承構(gòu)件是一空心環(huán)形物體時(shí)，間隙尺寸與軸承構(gòu)件壁的厚度和它們實(shí)際彎曲半徑有關(guān)。對(duì)于接近無(wú)摩擦的運(yùn)動(dòng)，間隙極限(clearance limit)是厚度的兩倍，但僅僅在材料也幾乎有較佳的撓性才是這樣。否則，必須采用比兩倍的厚度較大的間隙。
內(nèi)體的尺寸和形狀與通道的尺寸和形狀的匹配主要取決于內(nèi)體是否打算在通道內(nèi)呈中性的，還是具有運(yùn)動(dòng)到一預(yù)定的位置的趨勢(shì)。如果通道是一個(gè)其本身具有均勻平行側(cè)面的管子形狀的通道，而軸承構(gòu)件支承的內(nèi)體有對(duì)應(yīng)的均勻平行側(cè)面形狀，則這種形狀不會(huì)提供沿通道的位置恢復(fù)力，所以是中性的，一筒形內(nèi)體則被偏置在通道的端部(當(dāng)在使用時(shí)，軸承構(gòu)件朝某一端部運(yùn)動(dòng)，因此在運(yùn)動(dòng)方向提供一沿線的力)，一收腰形內(nèi)體位于通道中心(運(yùn)動(dòng)的軸承構(gòu)件逆著運(yùn)動(dòng)方向提供一沿線的力)，一錐形內(nèi)體促使它位于遠(yuǎn)離錐形指向的端部。
應(yīng)予以理解的是，通過(guò)為外體中的管狀孔選擇特定的形狀，為內(nèi)體選擇合適的匹配形狀，就可以以相當(dāng)?shù)某潭瓤刂苾?nèi)體相對(duì)于外體運(yùn)動(dòng)的方式。
本發(fā)明的內(nèi)軸承體通過(guò)一位于兩軸承體之間的并與它們變形接觸的可彈性變形的拓?fù)涑h(huán)面(或稱環(huán)形)軸承構(gòu)件而可滑動(dòng)地安裝在外軸承體內(nèi)。構(gòu)件是拓?fù)涑h(huán)面的，即它有超環(huán)面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(the topology of a toroid)(繞一外軸旋轉(zhuǎn)的圓錐截面)，盡管實(shí)際上不一定要超環(huán)面。當(dāng)然，實(shí)際上它可以是一種超環(huán)面結(jié)構(gòu)(類(lèi)似環(huán)形圈、O形密封圈或汽車(chē)輪胎的內(nèi)胎)，但其它的拓?fù)涑h(huán)面結(jié)構(gòu)(即不是圓形的，橫截面也不是圓形的/圓錐形的)也是可以想到和可能的。確實(shí)，對(duì)應(yīng)某些用途，最合適的形狀不是道地的超環(huán)面，而是通過(guò)采用一管子并彎成圓形，使它的兩端連接在一起，或采用一管子，沿其本身內(nèi)側(cè)朝外地往后卷，然后將其兩端連接在一起(這將在下文中結(jié)合附圖進(jìn)一步描述)的類(lèi)似拓?fù)湫螤?。要求如此形成的超環(huán)面的大直徑(在這種情況下，是管子彎曲成圓形時(shí)圓的直徑)要比小直徑(即管子橫截面直徑)大的情況下，前面一種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)是較佳的，當(dāng)大直徑不一定要比小直徑大時(shí)，就以后者為較佳。但在任何一種情況下，制造成形的“超環(huán)面”軸承構(gòu)件的材料都沒(méi)有相對(duì)于超環(huán)面的任何優(yōu)先取向，所以軸承構(gòu)件能自由滾動(dòng)，對(duì)于后者，成形的“超環(huán)面”的橫截面是一個(gè)相當(dāng)扁平的環(huán)，各端部的曲率很小，橫截面實(shí)際上可以說(shuō)是“內(nèi)側(cè)朝外”卷的原管子(管子的橫截面對(duì)應(yīng)于“超環(huán)面”的大直徑)。
軸承構(gòu)件是可彈性變形的，也就是說(shuō)，它是可以通過(guò)所施加的力(諸如把它擠壓在內(nèi)體和外體之間的那些力)而變形的，但當(dāng)那些力去掉時(shí)，它又彈性回到其未變形時(shí)的形狀。為了實(shí)現(xiàn)這種變形，軸承構(gòu)件可由本身就能變形的天然或合成橡膠的材料或類(lèi)似橡膠的材料制成，或制造成由撓性材料制成的空心封套，并充注其本身也可彈性變形的另一種材料。后者形式的構(gòu)造是較好的，最方便的，軸承構(gòu)件很象輪胎內(nèi)胎，一空心體由一撓性的天然或合成橡膠或橡膠狀的物體制成，并充注諸如高壓氣體(一般是空氣)的流體或液體(一般是輕油，例如硅(氧)油)或泡沫(其本身基本上是捕獲在“氣泡”或氣囊中、在某些連續(xù)相的其它材料內(nèi)的分散相氣體)或(切碎)泡沫的小顆粒。
使用空心軸承構(gòu)件對(duì)盡量減少內(nèi)體與物體之間的被軸承構(gòu)件穿過(guò)的區(qū)域中的間隙是很起作用的，因?yàn)樵撻g隙與制造構(gòu)件空心封套的材料的厚度和材料的實(shí)際彎曲半徑有關(guān)。對(duì)于幾乎無(wú)摩擦的運(yùn)動(dòng)，間隙應(yīng)該約是厚度的兩倍，但僅僅對(duì)于材料也幾乎有較佳撓性的才這樣。否則，實(shí)際上必須使用比兩倍的厚度略大的余隙。
在剛剛描述的這種種類(lèi)的空心超環(huán)面軸承構(gòu)件中，注入構(gòu)件封套內(nèi)部容積中的材料可以是空氣，使用空氣能使軸承的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量達(dá)到最小。可以用空氣直接供應(yīng)到內(nèi)部容積中，也可以以固體的形式供應(yīng)，隨后經(jīng)過(guò)一些物理或化學(xué)變化轉(zhuǎn)化為或產(chǎn)生所需的氣體。氣體壓力可調(diào)節(jié)以提供所需的徑向支撐力，一般而言，這種壓力越低，對(duì)運(yùn)動(dòng)的軸向阻力越小，而壓力越大，徑向支承負(fù)荷的能力越大。可壓縮的氣體能夠?yàn)檩S承提供程度相當(dāng)高的徑向柔量和對(duì)軸向傾斜或安裝誤差提供有用的公差。盡管氣體容易由于擴(kuò)散或通過(guò)小孔而從封套中滲漏出來(lái)，但這可以通過(guò)在封套的內(nèi)側(cè)涂覆堵塞氣孔的液體、諸如硅(氧)油來(lái)處理，或至少使這種滲漏降到最低程度。
但是，充注內(nèi)體容積的材料可以是液體，液體通過(guò)小的壓縮可以支承大的壓力，液體的這樣使用提供了一徑向負(fù)荷能力大的軸承。當(dāng)然，采用充注液體的超環(huán)面體的軸承的運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量超過(guò)使用類(lèi)似的充注氣體的超環(huán)面體，對(duì)運(yùn)動(dòng)的軸向阻力也增加(因?yàn)橐后w的黏性較大)。構(gòu)件封套材料的彈性決定了軸承的主要的徑向柔量。但液體容易通過(guò)氣孔從封套中滲漏出來(lái)。
如剛剛描述的充注流體的封套形式的軸承構(gòu)件可以設(shè)置有流體輸入和輸出裝置，以控制封套內(nèi)的流體量。這樣，在軸承組裝之后，可改變由軸承構(gòu)件產(chǎn)生并在兩軸承體上和之間的徑向力，或者在使用中加以改變(例如，作為軸承上的瞬間載荷或本體相對(duì)位置的函數(shù))。提供這種充注流體的裝置可把軸承的軸向行程限制在大約在超環(huán)面軸承構(gòu)件的小圓周的長(zhǎng)度的范圍內(nèi)。
充注構(gòu)件封套內(nèi)容積的材料的另一種可能性是一種彈性的和可壓縮的固體或發(fā)泡的固體材料。例如，發(fā)泡的橡膠或塑料顆粒。如果充注采用接近的固體(而不是顆粒)，這將大大增加軸承的軸向運(yùn)動(dòng)阻力。這種固體不會(huì)通過(guò)擴(kuò)散或滲漏使軸承中的充注材料損失。
當(dāng)然，空心軸承構(gòu)件可充注混合材料，象一些氣體，一些液體，和一些彈性的可壓縮的固體或發(fā)泡的固體材料。尤其是，由于氣體的滲漏是一大問(wèn)題，構(gòu)件封套內(nèi)的液體/蒸汽態(tài)混合物即使氣體/蒸汽向外泄漏也可用于在一定溫度下在其內(nèi)維持很穩(wěn)定的蒸汽壓力。因?yàn)榱粝聛?lái)的液體能在一給定溫度下繼續(xù)提供一相對(duì)較恒定的蒸氣壓力。這種液體/蒸汽態(tài)軸承設(shè)計(jì)成通過(guò)提供一作為溫度函數(shù)的可變軸向負(fù)荷支撐力，能對(duì)采用該軸承的組件中的其它溫度效應(yīng)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。
本發(fā)明的軸承構(gòu)件位于兩內(nèi)外體構(gòu)件之間，關(guān)于這方面，幾乎沒(méi)有什么再要說(shuō)明的了。軸承構(gòu)件圍繞內(nèi)體設(shè)置，并被擠壓在內(nèi)體與外體內(nèi)的管狀孔的壁之間。因此，它把內(nèi)體支撐在外體上(或把外體支撐在內(nèi)體上)，兩體之間的、從一個(gè)接觸表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)接觸表面的負(fù)荷被變形(以及在被填滿的空心軸承構(gòu)造內(nèi)的內(nèi)壓中)的力所“吸收”。
在前面所描述的本發(fā)明的軸承采用的好象都是單個(gè)的軸承構(gòu)件，但事實(shí)上，在一個(gè)線性軸承組件內(nèi)可以有一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)軸承構(gòu)件，每一個(gè)這樣的構(gòu)件與另一個(gè)或其它的構(gòu)件軸向分開(kāi)并同軸，但都類(lèi)似地位于外體與內(nèi)體之間。這樣一種結(jié)構(gòu)為內(nèi)體相對(duì)于外體的軸向傾斜提供的阻力比等同接觸面積的單個(gè)軸承構(gòu)件大得多，尤其是，如果幾個(gè)軸承構(gòu)件的軸向間隔比它們的軸向體接觸長(zhǎng)度大的情況下更是如此。這樣一種結(jié)構(gòu)還更具有通用性，因?yàn)樵谝粋€(gè)軸承中每一個(gè)軸承構(gòu)件都可以設(shè)計(jì)成具有不同的特征，包括尺寸、變形性和內(nèi)壓(如果是空心的話)，以適合軸承承受的負(fù)荷的性質(zhì)。
在本發(fā)明的單個(gè)軸承內(nèi)使用數(shù)個(gè)不同的軸承構(gòu)件特別適合如下的情況，即要求內(nèi)體和外體的一段應(yīng)彼此軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，然而同時(shí)還很接近且可能彼此接觸，諸如螺線管內(nèi)需要一短磁路的情況。這種多個(gè)軸承構(gòu)件可與內(nèi)體或外體或兩者的相對(duì)橫截面輪廓的增厚一起使用，增厚沿兩體的面對(duì)面表面的那些部分，這些部分不會(huì)在線性軸承行程的正常范圍之間與軸承構(gòu)件滾動(dòng)接觸。這樣，可達(dá)到內(nèi)對(duì)外的體間隙比本來(lái)能容易地提供的要小。
在本發(fā)明的軸承中，內(nèi)體在外軸承體的通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)一軸承構(gòu)件可滑動(dòng)地安裝成能進(jìn)行這種運(yùn)動(dòng)。值得強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)內(nèi)外體一個(gè)相對(duì)于另一個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)，軸承構(gòu)件在兩者之間滾動(dòng)，頗象在拇指與食指之間滾動(dòng)的鉛筆。就是這種滾動(dòng)效應(yīng)為軸承提供了摩擦極小的性質(zhì)，當(dāng)軸承材料在其線性范圍的兩端部從與一個(gè)表面接觸環(huán)繞滾動(dòng)到與另一表面接觸時(shí)，這種阻礙運(yùn)動(dòng)的能量損失幾乎完全下降到軸承材料變形所需的量。這種損失越小，例如空心軸承構(gòu)件的封套就越薄和更能變形，以及其滯后作用越低，則軸承的表觀摩擦越小。
本發(fā)明的軸承所提供的運(yùn)動(dòng)范圍只受到兩體的長(zhǎng)度的限制，因此，只要內(nèi)體能保持安裝在外體內(nèi)即可(軸承構(gòu)件以內(nèi)體/外體相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的一半運(yùn)動(dòng)，因而運(yùn)動(dòng)的距離也是一半)。但是，除非另被控制或確定，最好對(duì)相對(duì)的體運(yùn)動(dòng)提供一些機(jī)械限制，以防止一體相對(duì)于另一體運(yùn)動(dòng)得太遠(yuǎn)，以致它脫離或離開(kāi)另一體。
本發(fā)明的線性軸承也許可稱為包括
一外軸承體(外)，一空心的拓?fù)涑h(huán)面撓性軸承構(gòu)件(超環(huán)面體)，一內(nèi)軸承體(內(nèi))，外軸承體有一與一中空拓?fù)洵h(huán)形撓性軸承構(gòu)件同軸并與之自由流動(dòng)表面接觸的管狀通道，而拓?fù)洵h(huán)形撓性軸承本身與內(nèi)軸承體共軸并與之自由滾動(dòng)表面接觸。
可以看到，本發(fā)明提供了一質(zhì)量極小的成本很低的線性軸承，這種軸承的徑向?qū)R(定心)力較強(qiáng)大，對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)的阻力很小，軸向運(yùn)動(dòng)無(wú)限制，這種軸承具有零或精確限定的軸向力/距離特性。軸承包括一具有超環(huán)面構(gòu)造的軸承構(gòu)件，使用時(shí)，超環(huán)面體繞其小圓周在支承表面上滾動(dòng)，這種滾動(dòng)內(nèi)在地使超環(huán)面體的材料變形。在其最簡(jiǎn)單的形式中，一空心的彈性(例如橡膠)超環(huán)面體設(shè)置成具有遠(yuǎn)比其大直徑小的小直徑。超環(huán)面體的大小是這樣的，充氣時(shí)，它的外側(cè)(較長(zhǎng)的)邊界與管狀通道的內(nèi)側(cè)表面滾動(dòng)接觸，它內(nèi)側(cè)(較短的)邊界與桿狀運(yùn)動(dòng)體接觸，還使超環(huán)面體的管子截面相當(dāng)扁平，其軸向尺度(沿通道軸線方向)比徑向尺度(受到內(nèi)體與外管狀套管之間的間隙限制)大得多。充氣超環(huán)面體的內(nèi)壓在內(nèi)體上提供徑向的對(duì)中力，而對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)的唯一的限制歸因于超環(huán)面體材料中的塑性變形力，如果是由薄橡膠(例如)制成的話，這些力很小。在這種形式中，滑動(dòng)伴隨著基本為零的軸向彈簧類(lèi)(例如返回)的力，因?yàn)樗羞@些力都被平衡。但是，如果內(nèi)體(或外套管的內(nèi)側(cè))的側(cè)面是不平行而是錐形，或收腰的，那么就可設(shè)置成超環(huán)面體的內(nèi)壓除了提供徑向支承力之外還提供軸向力。通過(guò)仔細(xì)地設(shè)計(jì)這些錐度或腰部，可以對(duì)力進(jìn)行很精細(xì)的調(diào)節(jié)，也可以得到很小的力/距離的關(guān)系(模仿在一小空間中的很長(zhǎng)彈簧的效果)。
下面結(jié)合附圖描述本發(fā)明兩個(gè)方面的實(shí)施例，但實(shí)施例僅僅是作為舉例說(shuō)明之用，附圖中

圖1A，B示出了較佳圓筒形式的線性電動(dòng)機(jī)的縱向(軸向)橫截面，其中定子起初處在未驅(qū)動(dòng)變形的狀態(tài)，后來(lái)處在驅(qū)動(dòng)變形狀態(tài)，使平移器的底部被擠壓；圖2A，B是兩類(lèi)似的剖視圖，它們示出了一種聲頻換能器，兩不同的壓電定子各有一個(gè)平移器和一個(gè)超環(huán)面線性軸承構(gòu)件；圖3A，B是兩類(lèi)似的剖視圖，它們示出了一種具有圓頂端蓋的、通過(guò)一線性軸承構(gòu)件安裝在螺旋壓電彎曲件定子內(nèi)的小質(zhì)量平移器；圖4是一縱向(軸向)剖視圖，它示出了本發(fā)明一側(cè)面平行的線性軸承組件；圖5A，B分別是縱向(軸向)剖視圖和端視圖，它們示出了本發(fā)明另一線性軸承組件，它包含了一種充注流體的連接部分；圖6A，B示出了圖4所示組件的變體，其中內(nèi)活動(dòng)體具有收腰的橫截面輪廓；
圖7示出了圖4所示組件的一種演化形式，其中使用了兩個(gè)充分分開(kāi)的超環(huán)面體；圖8示出了圖7的一個(gè)變體，在兩個(gè)移動(dòng)體之間的間隙；圖9A，B是另一種形式的線性軸承組件的兩個(gè)視圖，其中半徑相當(dāng)大的內(nèi)體在其外體內(nèi)僅僅運(yùn)動(dòng)一小段距離，適合用作換能器元件；以及圖10A-D示出了軸向截面的“卡通”順序，描繪用于本發(fā)明軸承中的“超環(huán)面”軸承構(gòu)件的結(jié)構(gòu)(圖10D是與圖10C相配的橫截面)。
圖1所示的線性電動(dòng)機(jī)包括一定子(1)，它具有一使同軸對(duì)齊的平移器(2)在其中軸向運(yùn)動(dòng)的管狀通道(4)，并可在一支承裝置(3圖中僅示意性地示出)上滑動(dòng)。在圖1A中，所示的定子l處在未驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)，所以，它的內(nèi)驅(qū)動(dòng)表面(5)與其軸線平行，沒(méi)有凈軸向力施加到平移器2上。在圖1B中，所示定子1的一極被驅(qū)動(dòng)，通道(4)的上端徑向擴(kuò)大，下端徑向收縮。在這個(gè)例子中，軸承3傳遞了徑向力，軸承未朝向平移器2壓縮，而平移器2由于徑向力而受到一些壓縮。現(xiàn)在有一個(gè)相對(duì)于定子1朝上(如圖所示)作用在平移器2上的凈徑向力，該力的作用是使平移器沿朝上的方向運(yùn)動(dòng)。如果給定子的驅(qū)動(dòng)信號(hào)極性反過(guò)來(lái)，則定子的頂部徑向地收縮，而底部徑向擴(kuò)張，傳遞到平移器的力將使它朝下運(yùn)動(dòng)。
圖2A沿中心軸線橫截面示出了線性電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造。電動(dòng)機(jī)包括一由一(可能充氣)滾動(dòng)圓環(huán)(rolling toroid)7形式的線性軸承構(gòu)件支承的圓筒形平移器(13)，該滾動(dòng)圓環(huán)7在一圓筒形定子(12)內(nèi)滾動(dòng)。定子12由壓電材料制成，使它能響應(yīng)在其內(nèi)外表面上的導(dǎo)電電極14，28和29，18所施加的電場(chǎng)而改變形狀。這些電極14，28，29和18的連接是通過(guò)圓筒12每一端的導(dǎo)電電極環(huán)端子10，16，11，17進(jìn)行的，這些端子是一內(nèi)左端子圈(環(huán))16和外左端子圈(環(huán))17，內(nèi)右端子圈(環(huán))10和一外右端子圈(環(huán))11(“左”和“右”如圖所示)。使用時(shí)，外左端子圈(環(huán))17與內(nèi)右端子圈(環(huán))10平行連接，內(nèi)左端子圈(環(huán))16與外右端子圈(環(huán))1 1平行連接。然后這些成對(duì)的輸入端子17，10和16，11各連接到電氣驅(qū)動(dòng)源(未示出)的兩輸出端子的一個(gè)上。由于電極14，28，29，18是導(dǎo)電的，所以當(dāng)電壓施加在上述的端子之間時(shí)，在圓筒的外側(cè)與內(nèi)側(cè)表面之間建立起電壓梯度，圓筒的一半梯度的方向與另一半的相反。有了上述的連接，這就會(huì)在圓筒12一端的內(nèi)外側(cè)之間形成一個(gè)極性的偏轉(zhuǎn)電壓(等于源電壓)，以及在圓筒12的另一端的內(nèi)外側(cè)之間的形成另一極性的相等偏轉(zhuǎn)電壓。其作用是在圓筒的兩端部引起最大壓電變形(但極性相反)，而在圓筒的中心這種變形最小，由此，圓筒變形成一大致的、一端比另一端寬的平頭圓錐形。源電壓的極性反過(guò)來(lái)就使較寬端和較窄端相互交換。這樣，圓筒12被驅(qū)動(dòng)使平移器13依靠環(huán)形軸承構(gòu)件7的壓縮和變形而沿圓筒上下移動(dòng)。
圖2B沿中心軸線橫截面示出了一類(lèi)似于圖2A所示的線性電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造，但它有不同的電極構(gòu)造。定子12也是由壓電材料制成的，使它能響應(yīng)其內(nèi)外表面上的均勻電阻電極30和31所施加的電場(chǎng)而改變形狀。這些電阻電極30，31的連接是通過(guò)圓筒12每一端的導(dǎo)電電極環(huán)狀端子、即內(nèi)外左端子圈(環(huán))16，17和內(nèi)外右端子圈(環(huán))10，11進(jìn)行的。使用時(shí)，外左端子17與內(nèi)右端子10平行連接，內(nèi)左端子16與外右端子11平行連接。然后這些成對(duì)的輸入端子17，10和16，11各連接到電氣驅(qū)動(dòng)源(未示出)的兩輸出端子的一個(gè)上。由于電極30和31是均勻電阻性的，所以當(dāng)電壓施加在上述的電極兩端之間時(shí)，沿圓筒的外側(cè)與內(nèi)側(cè)表面就建立起均勻的電壓梯度，內(nèi)側(cè)的梯度方向與外側(cè)的梯度方向相反。有了上述的連接，這就會(huì)在圓筒12一端的內(nèi)外側(cè)之間形成最大的一個(gè)極性的偏轉(zhuǎn)電壓(等于源電壓)，沿圓筒中間的圓周線的圓筒內(nèi)外側(cè)之間的電壓均勻地下降為零，然后在圓筒12另一端的內(nèi)外側(cè)之間又上升到最大電壓。其作用是在圓筒的兩端引起最大壓電變形(但極性相反)，而在圓筒的中心的這種變形是最小的，由此，圓筒變形成一端比另一端寬的平頭圓錐形。源電壓的極性反過(guò)來(lái)使較寬端和較窄端相互交換。這樣，圓筒12被驅(qū)動(dòng)使平移器13依靠環(huán)形軸承構(gòu)件7的壓縮和變形而沿圓筒移動(dòng)。
另一種電極結(jié)構(gòu)也可用于圖2B所示的系統(tǒng)電極30，31的一個(gè)或另一個(gè)(但不是兩個(gè))由導(dǎo)電的而不是電阻性材料制成，在這種情況下需要一推挽驅(qū)動(dòng)電壓，其中共用的驅(qū)動(dòng)源連接于導(dǎo)電電極的端部端子(例如如果30是導(dǎo)電的，則連接于10和16，或者，如果31是導(dǎo)電的，則連接于11和17)，驅(qū)動(dòng)源的兩個(gè)反相輸出連接于其余的電阻性電極的端子(分別是11和17或10和16)。這種結(jié)構(gòu)仍然從內(nèi)電極到外電極形成一電壓梯度，該電壓梯度從圓筒一端的最大值平穩(wěn)均勻地變化到圓筒中間的零值，再變到圓筒另一端的極性相反的最大值，導(dǎo)致圓筒產(chǎn)生一類(lèi)似的平頭圓錐形的變形。
圖3A中示出了具有一圓頂端蓋的、圓筒截面的小質(zhì)量平移器6，并用虛線示出其輪廓。該平移器同軸地位于一螺旋狀壓電彎曲件(它可以是一單態(tài)(unimorph)或雙態(tài)(bimorph)器件)的定子8內(nèi)，并通過(guò)一在此描述的滾動(dòng)形線性軸承7而與定子分開(kāi)，線性軸承7通過(guò)良好的軸向?qū)R提供極小的摩擦，并借助其壓力下的變形傳遞螺旋形定子的徑向力并將它們轉(zhuǎn)換成軸向力。實(shí)際上，平移器6可以有略微收腰的外形，以替代軸向絕對(duì)平行的外形，以向平移器提供輕微的靜態(tài)對(duì)中力。定子8內(nèi)側(cè)上的導(dǎo)電電極24，25和外側(cè)上的導(dǎo)電電極22，23在機(jī)械和電氣結(jié)構(gòu)上都是不連續(xù)的式中斷的(在26)，中斷沿定子的中心圓周，從而允許頂部和底部彼此反相連接。運(yùn)行時(shí)，上外側(cè)電極22連接于下內(nèi)側(cè)電極25，上內(nèi)側(cè)電極24連接于下外側(cè)電極23。施加在螺旋形的定子的成對(duì)的電極22，25與24，23之間的直流電信號(hào)將使一端徑向擴(kuò)大，而另一端徑向收縮。直流電信號(hào)反過(guò)來(lái)將使原先擴(kuò)大的那端收縮，原先收縮的那端擴(kuò)大。
圖3B示出了一類(lèi)似于上述圖3A所示的螺旋形彎曲件電動(dòng)機(jī)，但用一對(duì)電阻電極20，21來(lái)替代兩對(duì)分離的電極22，23和24，25(與圖2B的圓筒電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)是圖2A圓筒電動(dòng)機(jī)的變化一樣)。在螺旋狀圓筒輪廓的每一端部，即在底部的內(nèi)側(cè)28和頂部的內(nèi)側(cè)29，在底部的外側(cè)27和在頂部的外側(cè)30，加上一對(duì)導(dǎo)電的圈(環(huán))電極。它們28對(duì)30、29對(duì)27成對(duì)地電氣連接在一起。最后，這些對(duì)子用作輸入端子連接到驅(qū)動(dòng)電源，即28和30連接到一個(gè)電源輸出端子，29和27連接到另一電源端子(未示出)。這樣就沿螺旋形的內(nèi)外側(cè)的長(zhǎng)度、在相反的方向形成電壓梯度，在螺旋形一端形成最大的正偏轉(zhuǎn)電勢(shì)，然后平穩(wěn)改變至螺旋件中心的零值，再上升到在螺旋形另一端的最大負(fù)電勢(shì)。這又導(dǎo)致圓筒螺旋形輪廓幾乎完美地變形到平頭圓錐形。
圖4示出本發(fā)明平行側(cè)線性軸承組件。軸承包括一外本體101，該外本體101有一使一個(gè)同軸對(duì)齊的內(nèi)本體102可在其中軸向移動(dòng)的管狀通道108，內(nèi)本體102通過(guò)一柔性空心的超環(huán)面軸承構(gòu)件103而與本體101分開(kāi)，從該圖中看，軸承構(gòu)件103是相當(dāng)扁平的。超環(huán)面體103與內(nèi)外本體101和103同軸，它包圍內(nèi)本體102，但又被外本體101所包圍。超環(huán)面體103的內(nèi)部容積104中充有流體。
內(nèi)外本體101和102和超環(huán)面體103的尺寸定為能使超環(huán)面體103與本體101和102保持緊密接觸，從而當(dāng)內(nèi)本體102沿雙箭頭A<-->B指示的方向軸向移動(dòng)時(shí)，超環(huán)面體103的表面能在外本體101的內(nèi)表面上和內(nèi)本體102的外表面上滾動(dòng)，由于是滾動(dòng)動(dòng)作因而沒(méi)有滑動(dòng)摩擦。靜態(tài)摩擦能阻止外本體101與超環(huán)面體103的配合面之間和超環(huán)面體103與內(nèi)本體102的配合面之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但在本體101和102的軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)這種機(jī)構(gòu)沒(méi)有摩擦損失。超環(huán)面體103的內(nèi)壓可以在組裝時(shí)在對(duì)軸承的運(yùn)動(dòng)摩擦沒(méi)有任何顯著影響的情況下調(diào)節(jié)以在本體101，102之間提供所需的徑向支承力。運(yùn)動(dòng)的主要阻力是由制造超環(huán)面體103的材料的撓性阻力所引起的，這可通過(guò)對(duì)超環(huán)面體103使用適當(dāng)薄的材料和對(duì)材料的選擇來(lái)使之降低。
如果超環(huán)面體103沒(méi)有結(jié)合到本體101，102中的任何一個(gè)，那么原則上兩本體101，102之間的軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)的范圍除本體101和102在A<-->B方向的大小之外不受其它限制。
在圖5實(shí)施例中，超環(huán)面體103設(shè)置有一穿過(guò)外本體101壁的充注流體的連接部105，這樣在軸承組裝之后也可對(duì)超環(huán)面體103內(nèi)的容積104內(nèi)壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣就可以動(dòng)態(tài)地改變軸承的特征，以及如果出現(xiàn)滲漏可以用加壓流體加滿超環(huán)形體103。
由于圖4中外本體101的內(nèi)橫截面(即垂直于軸線)輪廓和內(nèi)本體102的外輪廓與A<-->B方向上位置無(wú)關(guān)，所以當(dāng)本體101和102彼此軸向相對(duì)移動(dòng)時(shí)，超環(huán)面體103的容積不改變。因此，任何由內(nèi)壓引起的力被平衡，沒(méi)有與這樣一種線性軸承相關(guān)聯(lián)的彈性力，即沒(méi)有由于本體101和102的特定的軸向相對(duì)位置引起的靜態(tài)力。但是，如果外本體101的輪廓，或內(nèi)本體102(或兩個(gè))的輪廓隨位置改變，那么，線性軸承具有內(nèi)置軸向力特征就變得可能了。圖6A，B示出了內(nèi)本體102具有朝向中心的錐形輪廓的線性軸承，作為提出一產(chǎn)生軸向力/距離關(guān)系的這種技術(shù)的一個(gè)例子。
在這些實(shí)施例中，當(dāng)內(nèi)本體102在所示的軸向位置是在超環(huán)面體103的軸向中心時(shí)，超環(huán)面體103具有最大容積。如果內(nèi)本體102在超環(huán)面體103上滾動(dòng)軸向地離開(kāi)該位置，內(nèi)本體102的輪廓將進(jìn)一步壓縮超環(huán)面體103，其結(jié)果是將在內(nèi)本體102上產(chǎn)生一欲把它恢復(fù)到原來(lái)的軸向中心位置的軸向推力。該例子中的橫截面輪廓的軸向改變是半徑大于內(nèi)本體102長(zhǎng)度的圓形。縮小改變輪廓的半徑即使內(nèi)本體102收腰收得更進(jìn)些，將對(duì)于內(nèi)本體從中心位置的給定位移產(chǎn)生一較強(qiáng)的恢復(fù)力。增大改變輪廓的半徑使這種恢復(fù)力下降，在極限情況下，當(dāng)輪廓半徑無(wú)限大時(shí)，即內(nèi)本體102具有平行的側(cè)面時(shí)，那么恢復(fù)力是零，并與內(nèi)本體102的相對(duì)軸向位置無(wú)關(guān)。
圖6B示出了利用這種線性軸承的獨(dú)特特性的一種應(yīng)用。圖中，內(nèi)本體102對(duì)給質(zhì)量是一非常輕巧的薄殼體。內(nèi)本體102的收腰錐形的外輪廓提供了一將使本體在沒(méi)有其它力的情況下回到固定位置的小對(duì)中力。內(nèi)本體102的一端用一半球形殼體封閉。
如果外本體101做成一電磁電動(dòng)機(jī)單元的一部分，一磁極零件安裝在內(nèi)本體102的內(nèi)(空心)腔內(nèi)，那么組件形成一行程很長(zhǎng)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的活塞，其中內(nèi)本體102作為活塞。由于運(yùn)動(dòng)質(zhì)量基本上是殼體、內(nèi)本體102加上任何電磁元件(例如一線圈)，如果超環(huán)面體103是由薄的彈性體制成并充注氣體，則懸浮系統(tǒng)只加上很小的質(zhì)量，由于恢復(fù)力可以做得盡可能的小，而這種線性支承懸浮系統(tǒng)可能有很長(zhǎng)的行程，因此可以用這樣一種軸承結(jié)構(gòu)構(gòu)造具有低頻大動(dòng)力輸出的聲波換能器(由于其相對(duì)于活塞直徑的很長(zhǎng)的行程)，但它還可輕到足可以以很高的頻率運(yùn)行。
當(dāng)需要一固定長(zhǎng)度的超環(huán)面軸承具有對(duì)軸向傾斜的抵抗力比它在給定內(nèi)壓時(shí)所能承受的要大時(shí)，可在同一個(gè)軸承中使用一個(gè)以上的超環(huán)面體。圖7示出了在一個(gè)線性軸承中使用兩個(gè)超環(huán)面體的一個(gè)例子。圖中示出使用兩個(gè)分開(kāi)的超環(huán)面體103，106。超環(huán)面體103與106之間的間隔越大，在所有其它的參數(shù)相等的情況下，軸承的軸向傾斜抵抗力也越大。這樣一種設(shè)備的通用性比只包括一個(gè)其長(zhǎng)度可與兩個(gè)(或更多)分開(kāi)的超環(huán)面體的間隔相比的超環(huán)面體的軸承要強(qiáng)，因?yàn)槔纾梢詫?duì)分開(kāi)的超環(huán)面體給以不同的特性(例如一個(gè)可比另一個(gè)硬，具有不同的外徑，或具有不同的內(nèi)壓)。這種機(jī)動(dòng)性使線性軸承對(duì)于任何給定的應(yīng)用都能做得很接近于最適宜的形式。
圖8示出了一在使用已經(jīng)描述過(guò)的雙超環(huán)面體懸浮系統(tǒng)、和加厚外本體101(如107所示)的運(yùn)動(dòng)本體101，102之間提供很小的間隙的裝置，此處，本體101與102之間的間隙可以做到需要的那么小，那是因?yàn)閷?duì)超環(huán)面體103和106的運(yùn)行，107周?chē)妮S向區(qū)域不再需要，超環(huán)面體103和106在本體101與102之間在所需的正常行程范圍內(nèi)只在107任一側(cè)的軸向區(qū)域中滾動(dòng)。通過(guò)在107所示的區(qū)域周?chē)雍駜?nèi)本體來(lái)替代加厚外本體101，或甚至本體101和102都加厚，可以獲得類(lèi)似的效果。
圖9所示的組件的其一半徑相當(dāng)大的、由很輕的材料制成的內(nèi)本體102只在其外本體101內(nèi)運(yùn)動(dòng)一小段距離。內(nèi)本體略微收腰，以提供一輕微的恢復(fù)力。這樣一種組件適合用作聲頻換能器，內(nèi)本體本身是換能器元件，當(dāng)它通過(guò)合適的電信號(hào)被(未示出的裝置)激勵(lì)時(shí)，它的最終沿外本體的運(yùn)動(dòng)前后推動(dòng)周?chē)目諝?，以形成聲波?br> 圖10A-C示出一代表用在本發(fā)明軸承中的一超環(huán)面軸承構(gòu)件構(gòu)造的“卡通”順序。一管子111(如圖10A中所示，它位于用于支承的桿112上)沿其本身、內(nèi)側(cè)向外往后卷(圖10B)，然后其兩端部113連接在一起，結(jié)果形成一封閉的容積114，這可以從圖10C(和圖10D)中看出。這類(lèi)構(gòu)造內(nèi)容易地制造外徑不是顯著大于內(nèi)徑的那種“超環(huán)面體”。制造呈超環(huán)面軸承構(gòu)件的材料相對(duì)于“超環(huán)面體”沒(méi)有優(yōu)先取向，所以軸承構(gòu)件能自由滾動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種線性軸承，該軸承包括一第一或外軸承體，在該軸承體內(nèi)有一線性延伸的管狀通道；一第二或內(nèi)軸承體，可滑動(dòng)地安裝在該通道內(nèi)，以沿其線運(yùn)動(dòng)；以及一可彈性變形、拓?fù)涑h(huán)面軸承構(gòu)件，位于兩軸承體構(gòu)件之間并與它們變形接觸，它位于外軸承體的內(nèi)側(cè)并圍繞通道，并在內(nèi)軸承體外側(cè)并圍繞內(nèi)軸承體。
2.如權(quán)利要求1所述的線性軸承，其特征在于，管狀通道的橫截面形狀是圓形的。
3.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的線性軸承，其特征在于，管狀通道的橫截面尺寸可以是恒定的，或是筒形的，或是收腰形的。
4.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的線性軸承，其特征在于，管狀通道沿直線延伸。
5.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的線性軸承，其特征在于，內(nèi)體的橫截面是圓形的。
6.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的線性軸承，其特征在于，內(nèi)體的橫截面尺寸可以是恒定的，或是筒形的，或是收腰形的。
7.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的線性軸承，其特征在于，軸承構(gòu)件所具有的形狀和形式是這樣實(shí)現(xiàn)的，采用一根管子，將該管子彎成一圓形，并將其兩端連接在一起，或采用一根管子，將管子沿其本身內(nèi)朝外地往后卷，然后將其兩端連接在一起。
8.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的線性軸承，其特征在于，軸承構(gòu)件可由本身就能彈性變形材料制成，或制造成由撓性材料制成的空心封套，并充注其本身也可彈性變形的另一種材料。
9.如權(quán)利要求8所述的線性軸承，其特征在于，軸承構(gòu)件是一由撓性天然或合成橡膠制成的、內(nèi)充注加壓氣體、輕油或泡沫或許多泡沫小顆粒的空心體。
10.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的線性軸承，其特征在于，軸承構(gòu)件為充注流體的封套，它設(shè)置有流體輸入和輸出裝置，這樣就能控制內(nèi)部流體的量。
11.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的線性軸承，其特征在于，軸承采用一個(gè)以上的軸承構(gòu)件，每一這樣的軸承構(gòu)件彼此軸向分開(kāi)并與其他軸承構(gòu)件同軸。
12.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的線性軸承，其特征在于，對(duì)體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)提供機(jī)械約束或端部止動(dòng)件。
13.一種線性軸承，如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述以及基本上如后面所述。
14.一線性電動(dòng)機(jī)，它包括一支承一平移器的線性延伸的定子，使平移器能夠容易地沿定子的線或軸線運(yùn)動(dòng)，其中定子在運(yùn)行中提供一幾乎在與定子線垂直的方向上對(duì)平移器的橫向擠出力；以及或者，平移器沿其運(yùn)動(dòng)方向有一略呈錐形的側(cè)面輪廓(可以是固有的，也可以在被定子如此擠壓時(shí)形成的)，或者，平移器通過(guò)力傳遞軸承安裝在定子上，當(dāng)它被定子如此擠壓時(shí)，力傳遞軸承沿定子線變形成略微錐形，在以上每一種情況下，擠壓的結(jié)果是在平移器上產(chǎn)生一幾乎與擠壓力垂直的、并因而是沿定子線的合力。
15.如權(quán)利要求14所述的線性電動(dòng)機(jī)，其特征在于，平移器有一象筒形或直圓筒形的、未變形的形狀。
16.如權(quán)利要求15所述的線性電動(dòng)機(jī)，其特征在于，定子是一圍繞平移器的并與之同軸的管子。
17.如權(quán)利要求14至16的任何一項(xiàng)所述的線性電動(dòng)機(jī)，其特征在于，定子和平移器與一個(gè)或多個(gè)設(shè)置成平移器能沿定子以極小的摩擦運(yùn)動(dòng)的軸承構(gòu)件相配合。
18.如權(quán)利要求17所述的線性電動(dòng)機(jī)，其特征在于，軸承構(gòu)件是權(quán)利要求1至13中的任何一項(xiàng)所闡述的線性軸承裝置。
19.如權(quán)利要求14至18的任何一項(xiàng)所述的線性電動(dòng)機(jī)，其特征在于，定子由一種被適當(dāng)施加的電壓所驅(qū)動(dòng)的壓電材料制成。
20.如權(quán)利要求19所述的線性電動(dòng)機(jī)，其特征在于，定子是由一內(nèi)外涂敷金屬、用作電輸入接觸點(diǎn)的薄圓筒壓電材料制成，當(dāng)施加一電壓時(shí)，該材料收縮或膨脹，從而使整個(gè)圓筒的半徑收縮或擴(kuò)大。
21.如權(quán)利要求20所述的線性電動(dòng)機(jī)，其特征在于，內(nèi)外表面上的金屬涂層沿圓筒軸向一半處的內(nèi)外圓周線被分成兩個(gè)相等的面積，而且一端的內(nèi)側(cè)連接于另一端的外側(cè)，或相反，即一端的外側(cè)連接于另一端的內(nèi)側(cè)，當(dāng)施加輸入電壓時(shí)將會(huì)使圓筒一端的半徑增大，而另一端縮小。
22.如權(quán)利要求19所述的線性電動(dòng)機(jī)，其特征在于，定子是由具有內(nèi)外側(cè)電阻層電極的壓電材料的薄圓筒制成，使從定子的一端到另一端橫過(guò)每一層施加的一電壓將沿層的方向逐漸下降。
23.如權(quán)利要求22所述的線性電動(dòng)機(jī)，其特征在于，在每一(內(nèi)外)表面的每一端部具有用于施加電源的導(dǎo)電電極，每一導(dǎo)電電極為其軸向長(zhǎng)度可忽略的、圍繞表面的并連接到電阻性電極涂層的軸向端部的環(huán)或圈，其中，一端的內(nèi)環(huán)或圈電極連接到另一端的外環(huán)或圈電極，而在該一端的外環(huán)或圈電極連接到另一端的內(nèi)環(huán)或圈電極，然后驅(qū)動(dòng)電壓可連接地橫過(guò)在定子的一端或另一端的兩電極環(huán)或圈。
24.如權(quán)利要求19至23中的任一項(xiàng)所述的線性電動(dòng)機(jī)，其特征在于，定子做成標(biāo)準(zhǔn)的單態(tài)或雙態(tài)‘壓電彎曲件’構(gòu)造器件。
25.如權(quán)利要求24所述的線性電動(dòng)機(jī)，其特征在于，定子的壓電圓筒的內(nèi)側(cè)或外側(cè)上形成有硬金屬內(nèi)襯，在圓筒上進(jìn)行螺旋形切割，使得所留下的是壓電/金屬迭層材料的螺紋‘帶’，圈與圈之間有小的空隙。
26.如權(quán)利要求25所述的線性電動(dòng)機(jī)，其特征在于，用極性與原來(lái)的壓電圓筒相反的壓電材料替代金屬內(nèi)襯，這樣提供一典型的雙態(tài)“彎曲件”構(gòu)造。
27.一種如權(quán)利要求14至26中的任一項(xiàng)所述以及基本上如前面所述的線性電動(dòng)機(jī)。
28.一種如權(quán)利要求14至27中的任何一項(xiàng)所述的線性電動(dòng)機(jī)構(gòu)造而成的聲頻換能器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種線性電動(dòng)機(jī),它包括一支承平移器的線性延伸的定子,定子在運(yùn)行中提供一幾乎在與定子線垂直的方向?qū)ζ揭破鞯臋M向擠出力,平移器或沿其運(yùn)動(dòng)方向有一略呈鏈形的輪廓,或通過(guò)力傳遞軸承安裝在定子上,當(dāng)它被如此擠壓成略呈錐形,其結(jié)果是在平移器上產(chǎn)生一沿定子線的合力。本發(fā)明還采用彈性超環(huán)面軸承構(gòu)件,它裝在一套管狀的外軸承體中的管狀通道內(nèi)側(cè)并與之同軸,一內(nèi)軸承體穿過(guò)該外軸承體的通道自由滑動(dòng)。所有的三個(gè)構(gòu)件同軸對(duì)齊。
文檔編號(hào)H02K7/08GK1246914SQ9880238
公開(kāi)日2000年3月8日 申請(qǐng)日期1998年2月9日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月11日
發(fā)明者安東尼·胡利 申請(qǐng)人:1...Ipr有限公司