專利名稱：多級相關磁系統以及使用多級相關磁系統的方法
技術領域：
本發明總體涉及多級相關磁系統以及使用該多級相關磁系統的方法。本文中描述了可集成一個或多個多級相關磁系統的各式各樣的裝置，包括瞬時快動開關、緩沖裝置、以及爆炸玩具等。
發明內容
—方面，本發明提供一種多級相關磁系統，其包括(a)第一相關磁結構,其包括具有多個經編碼磁源的第一部分以及具有一個或多個磁源的第二部分；(b)第二相關磁結構，其包括具有多個互補的經編碼磁源的第一部分以及具有一個或多個磁源的第二部分；(C)其中，第一相關磁結構與第二相關磁結構對準，從而所述第一部分位于彼此對面，且所述第二部分位于彼此對面；以及(d)其中，第一部分中的每一個相比第二部分產生更高的峰值力，而第一部分中的每一個相比第二部分具有更快的場消失速率(field extinctionrate)，使得(1)當第一與第二相關磁結構分開的距離等于過渡距離時，第一部分所產生的磁力與第二部分所產生的磁力抵消；(2)當第一與第二相關磁結構所具有的彼此間隔的間距小于過渡距離時，第一部分所產生的磁力強于第二部分所產生的磁力；并且(3)當第一與第二相關磁結構之間的間距大于過渡距離時，第一部分所具有的磁力弱于第二部分所產生的磁力。在另一個方面中，本發明提供了一種瞬時快動開關，其包括(a)快動多級相關磁系統，所述快動多級相關磁系統具有(i)第一相關磁結構，其包括具有多個經編碼磁源的第一部分以及具有一個或多個磁源的第二部分；(ii)第二相關磁結構，其包括具有多個互補的經編碼磁源的第一部分以及具有一個或多個磁源的第二部分；和(iii)第一相關磁結構與第二相關磁結構對準，從而所述第一部分位于彼此對面，且所述第二部分位于彼此對面；以及(b)排斥裝置，所述排斥裝置被連接到第一相關磁結構；(c)第一觸頭，所述第一觸頭被連接到第一相關磁結構；(d)第二觸頭，當第一相關磁結構與第二相關磁結構相距預定距離時，所述第二觸頭與第一觸頭接觸；以及(e)間隔件，所述間隔件阻止第一相關磁結構完全接觸第二相關磁結構。在又一個方面中，本發明提供了一種緩沖裝置，其包括(a)母組件，所述母組件包括第一相關磁結構，該第一相關磁結構包括具有多個經編碼磁源的第一部分以及具有一個或多個磁源的第二部分；以及(b)公組件，所述公組件包括第二相關磁結構，該第二相關磁結構包括具有多個互補的經編碼磁源的第一部分以及具有一個或多個磁源的第二部分；(C)第一相關磁結構與第二相關磁結構對準，從而所述第一部分與所述第二部分分別位于彼此對面；(d)母組件可移動地位于公組件上方；以及(e)間隔件，所述間隔件用于阻止第ー相關磁結構完全接觸第二相關磁結構。在又ー個方面中，本發明提供了ー種裝置(例如，爆炸玩具、觸發器等等)，包括
(a)第一相關磁結構，其包括具有多個經編碼磁源的第一部分以及具有一個或多個磁源的第二部分；(b)第二相關磁結構，其包括具有多個互補的經編碼磁源的第一部分以及具有 一個或多個磁源的第二部分；(c)第一相關磁結構與第二相關磁結構對準，從而所述第一部分與所述第二部分分別位于彼此對面；(d)間隔件，所述間隔件用于阻止第一相關磁結構完全接觸第二相關磁結構；以及(e)將所述間隔件的大小使得如果第一與第二相關磁結構彼此連接，則如果力施加給第一相關磁結構或第二相關磁結構，則這使得第一與第二相關磁結構相互排斥。在又ー個方面，本發明提供了一種多級磁系統，其包括(a)相關磁結構，該相關磁結構包括具有多個經編碼磁源的第一部分以及具有一個或多個磁源的第二部分；以及
(b)磁結構，其具有具有第一極性的第一部分以及具有第二極性的第二部分。在又ー個方面，本發明提供了ー種使用多級相關磁系統的方法。所述方法包括下述步驟(a)提供多級相關磁系統，所述多級相關磁系統具有(I)第一相關磁結構，其包括具有多個經編碼磁源的第一部分以及具有一個或多個磁源的第二部分；(2)第二相關磁結構，其包括具有多個互補的經編碼磁源的第一部分以及具有一個或多個磁源的第二部分；(b)將第一相關磁結構與第二相關磁結構進行對準，從而所述第一部分與所述第二部分分別位于彼此對面；以及(C)其中，所述第一部分中的每ー個相比第二部分產生更高的峰值壓力，而所述第一部分中的每ー個相比第二部分具有更快的場消失速率，使得(I)當第一與第二相關磁結構分開的距離等于過渡距離時，第一部分所產生的磁力與第二部分所產生的磁力抵消；(2)當第一與第二相關磁結構所具有的彼此相距的間距小于過渡距離時，第一部分所產生的磁力強于第二部分所產生的磁力；并且(3)當第一與第二相關磁結構的間距大于過渡距離時，第一部分所具有的磁力弱于第二部分所產生的磁力。本發明其它方面將會在具體說明書、附圖以及任何權利要求中部分地予以闡述，并且部分地從具體說明書中得到，或者可以通過對發明的實施習得。應當理解的是，前述總體描述以及下面的具體說明只是示例性的和說明性的，而并非限制所公開的發明。
在結合附圖時，參照以下具體描述可以獲得對本發明更加完全的理解，在附圖中圖I至9是用于幫助解釋關于可以用于本發明不同實施例中的相關磁技術的不同概念的各個圖示；圖10描繪了根據本發明實施例的多級相關磁系統；圖11描繪了多級過渡距離確定曲線；圖12描繪了根據本發明實施例的多級相關磁系統；
圖13A描繪了根據本發明實施例的多級相關磁系統；圖13B和13C描繪了根據本發明實施例的可替選的相關磁系統結構；圖14A和14B描繪了根據本發明的實施例使用多個多級結構來實現兩個物體的無接觸連接；圖15A描繪了根據本發明實施例的瞬時快動開關；圖15B描繪了圖15A的快動開關的過渡距離確定曲線；圖15C描繪了圖15A的快動開關的力規律曲線；圖I 描繪了根據本發明實施例的圖15A所示瞬時快動開關的磁力的滯后；
圖16的圖示描繪了在彈簧與構成圖15A所示瞬時快動開關的快動相關磁結構的兩個磁體之間的力與位置的關系；圖17A描繪了當外力施加于圖15A的快動開關然后釋放時外力位置與快動開關的磁體位置的關系。圖17B描繪了當外力施加于圖15A的快動開關然后釋放時磁體的力；圖17C描繪了當外力施加于圖15A的快動開關然后釋放時磁體位置與外力位置的關系;圖18A-18F描繪了根據本發明實施例的多級系統的可替選的布置；圖19A描繪了根據本發明實施例的可替選的瞬時開關，其中，以用于產生排斥力的磁體來替代圖15A的彈簧；圖19B描繪了根據本發明實施例的可替選的瞬時開關，其中，以構造成為無接觸連接多級系統的一半的磁體來替代圖15A的彈簧；圖19C描繪了根據本發明實施例的兩個磁體以及能夠代替圖19A和19B中所示中間磁體使用的可選間隔件；圖20A描繪了在外磁體與圖19A所示瞬時快動開關中的快動多級系統的兩個磁體之間的力與位置的關系；圖20B描繪了在外磁體與圖19B所示瞬時快動開關中的快動多級系統的兩個磁體之間的力與位置的關系；圖21A描繪了根據本發明實施例的示例性瞬時開關的第一磁體和按鈕；圖21B描繪了根據本發明實施例的示例性瞬時開關的、具有相關聯的電觸頭的第二磁體；圖21C描繪了根據本發明實施例的示例性瞬時開關的基座和第三磁體；圖21D描繪了根據本發明實施例的具有上唇緣、頂部開口以及底部開口的示例性圓筒，其用于接收圖21A所示第一磁體和按鈕、圖21B所示第二磁體和電觸頭、以及圖21C所示第三磁體和基座；圖21E描繪了根據本發明實施例處于其正常斷開狀態下的已裝配的示例性瞬時開關，其中，間隔件和觸頭置于槽中且在第三磁體頂部；圖21F描繪了根據本發明實施例處于其閉合狀態下的圖21E的已裝配的示例性瞬時開關；圖22A描繪了根據本發明實施例的第一示例性磁緩沖裝置的母組件；圖22B描繪了根據本發明實施例的第一示例性磁緩沖裝置的公組件；
圖22C描繪了根據本發明實施例的已裝配的第一示例性磁緩沖裝置；圖23A描繪了根據本發明實施例的第二示例性磁緩沖裝置的母組件；圖23B描繪了根據本發明實施例的第二示例性磁緩沖裝置的公組件；圖23C描繪了根據本發明實施例的已裝配的第二示例性磁緩沖裝置；圖24描繪了根據本發明實施例的多個第一示例性磁緩沖裝置的第一示例性陣列；圖25示出根據本發明實施例的多個第一示例性磁緩沖裝置的第二示例性陣列；圖26描繪了根據本發明實施例的使用第一示例性磁緩沖裝置的另ー示例性陣列的示例性緩沖器； 圖27描繪了根據本發明實施例的使用多級磁性來在吸收震動時產生電流的減震器；圖28描繪了根據本發明實施例的多個級別的多級磁機構；圖29A-29D描繪了根據本發明實施例的、經編碼以產生三級磁性的兩個磁結構；圖30A-30C描繪了根據本發明實施例的使用與關于圖29A-29D所述類似的兩個磁結構的膝上型電腦；圖30D描繪了根據本發明實施例的用于轉動一個磁體以使其與第二磁體解相關的示例性機構；圖31A-31K描繪了根據本發明實施例的兒童防護(proof) /動物防護裝置；圖32描繪了處于排斥取向的兩個傳統磁體的力曲線；圖33描繪了根據本發明實施例的五個不同代碼密度的カ曲線；圖34描繪了根據本發明實施例的與多級排斥和快動行為對應的力曲線；圖35描繪了傳統排斥行為與根據本發明實施例的兩個不同多級排斥和快動カ曲線的比較；圖36A-36D示出根據本發明實施例的演示裝置以及它們相關聯的カ曲線；圖37A-37C描繪了根據本發明實施例使用多級無接觸連接裝置來產生能夠關閉但并不觸碰的柜子；圖38A-38B描繪了根據本發明實施例的能夠用于產生爆炸玩具等并存儲能量的
裝置；圖39描繪了根據本發明實施例的使用磁力組件的復雜機器。
具體實施例方式本發明包括多級相關磁系統以及使用該多級相關磁系統的方法。本發明的多級相關磁系統在某種程度上歸功于使用被稱作“相關磁”的新興的革命性技木。在2008年5月20日提交的題為“A Field Emission System and Method”的共同轉讓的美國專利申請No. 12/123，718中首次完整描述和實現了本文稱之為“相關磁”的這個革命性技木。這篇文獻的內容以引用方式并入本文中。在2009年I月23日提交的題為“A Field EmissionSystem and Method”的共同轉讓的美國專利申請No. 12/358，423中描述并實現了第二代相關磁技木。這篇文獻的內容以引用方式并入本文中。在2009年6月2日提交的題為“AField Emission System and Method”的共同轉讓的美國專利申請No. 12/476，952中描述和實現了第三代相關磁技術。這篇文獻的內容以引用方式并入本文中。在2009年2月4日提交的題為“A System and Method for Producing an Electric Pulse”的共同轉讓的美國專利申請No. 12/322，561中描述和實現了與相關磁有關的、被稱為“相關電感”的另一技術。這篇文獻的內容以引用方式并入本文中。在提供關于本發明的多級相關磁系統及方法的細節論述之前，首先提供關于相關磁的簡要論述。相關磁技術該部分用于向讀者介紹基本磁體以及新的革命性的相關磁技術。這個部分包括涉及基本磁體、相關磁體以及相關電磁學的小節。應當理解的是，這個部分用于幫助讀者理解本發明，但不應該用于限制本發明的范圍。A.磁體磁體是產生磁場的材料或物體，該磁場是具有方向和大小(也被稱為強度)的向量場。參照圖I，示出了示例性的磁體100，其具有南極102和北極104以及磁場向量106，該磁場向量106表不該磁體的力矩的方向和大小。磁體力矩是表征磁體100的整體磁屬性的向量。對于條形磁體，磁體力矩的方向從南極102指向北極104。在本文中，北極104和 南極102還被分別稱為正極(+)和負極(_)。參照圖2A，圖中示出，兩個磁體IOOa和IOOb對準，使得它們的極性在方向上相反，得到排斥空間力200，該排斥空間力200使得這兩個磁體IOOa和IOOb相互排斥。與此形成對比，在圖2B的圖中示出，兩個磁體IOOa和IOOb對準，使得它們的極性沿相同方向，得到吸引空間力202，該吸引空間力202使得這兩個磁體IOOa和IOOb相互吸引。在圖2B中，磁體IOOa和IOOb被示為彼此對準，但它們也可以彼此部分地對準，在這種情況下，它們仍能夠相互“粘住”并且關于彼此保持它們的位置。圖2C的圖示示出了磁體IOOaUOOb以及IOOc如何以其極性交替的方式自然地彼此堆疊。B.相關磁體取決于在上述美國專利申請No. 12/123，718,No. 12/358，432 以及 No. 12/476，952中描述的特定應用，通過使用相關理論(一般與概率理論和統計相關聯)、編碼理論(一般與通信系統和雷達系統相關聯)以及磁體陣列(在本文中被稱為磁場發射源)的獨特結合，能夠以各種各樣的方式創建相關磁體。下面提供簡要論述以解釋如何以獨特而新穎的方式來使用這些變化多樣的技術以創建相關磁體。基本上，以磁(或電)場發射源的組合來生成相關磁體，所述磁場發射源根據具有期望的相關特性的預選代碼來配置。因而，當將磁場發射結構與互補的、或鏡像的磁場發射結構對準時，各磁場發射源將全部對準以使得產生峰值空間吸引力，而磁場發射結構的不對準會使得各磁場發射源以取決于用于設計這兩個磁場發射結構的特定代碼的方式基本上相互抵消；與此形成對比，當將磁場發射結構與完全相同的磁場發射結構對準時，則各磁場發射源全部對準使得產生峰值空間排斥力，而磁場發射結構的不對準使得各磁場發射源以取決于用于設計這兩個磁場發射結構的特定代碼的方式基本上相互抵消。上述空間力(吸引力、排斥力)具有的大小是兩個磁場發射結構的相對對準和它們對應的空間力(或相關)函數、這兩個磁場發射結構之間的間距(或距離)、以及構成這兩個磁場發射結構的各個源的磁場強度和極性的函數。可以使用空間力函數來實現利用基本磁體無法實現的精確對準和精確定位。此外，空間力函數能夠實現精確控制磁場和相關聯的空間力，因而實現新形式的連接裝置用于精確對準地連接物體，以及實現用于控制物體的精確移動的新的系統和方法。與相關磁體相關的另外的獨特特征涉及如下情形構成兩個磁場發射結構的各磁場源在它們失去對準(其在本文中描述為釋放力)時可以有效地相互抵消。這個釋放力是用于構造磁場發射結構的特定相關編碼的直接結果。編碼理論領域的技術人員應當意識到存在具有不同相關特性的許多不同類型的代碼，它們在通信中用于信道化目的、能量擴展、調制、以及其它目的。這種代碼的許多基本特征使得它們適用于產生本文所述的磁場發射結構。例如，巴克碼(Barker code)因其自相關特性而聞名并且可以用于幫助構造相關磁體。雖然針對圖3A-3B在下面的示例中使用了巴克碼 ，但是本領域中熟知的或未必熟知的其它形式的代碼由于它們的自相關、互相關或者其它特性也可適用于相關磁體，這些代碼包括，例如高德碼(Gold code)、卡沙米序列(Kasami sequence)、雙曲同余碼、二次同余碼、線性同余碼、韋斯持-科斯塔斯陣列碼(ffelch-Costas array code)、哥倫布-科斯塔斯陣列碼(Golomb-Costas array code)、偽隨機碼、無序碼、最佳哥倫布法則碼(Optimal Golomb Ruler code)、確定性碼、設計碼、一維碼、ニ維碼、三維碼、四維碼、或其結合，等等。參照圖3A，圖示用于解釋如何能夠將巴克長度為7的碼300用于確定構成第一磁
場發射結構304的磁體302a、302b、......、302g的極性和位置。磁體302a, 302b. · · 302g
中的每ー個均具有相同或基本上相同的磁場強度(或幅度)，該磁場強度為了這個示例起見而被設為單位I (其中，A =吸引，R =排斥,A = -R, A = I, R = -I)。與第一磁場發射結
構304相同的第二磁場發射結構306 (包括磁體308a, 308b,......, 308g)被不為相對于第
一磁場發射結構304處于13個不同的對準方式310-1至310-13。對于每一個相對對準方式，計算出排斥的磁體的數量加上吸引的磁體的數量，其中，每個對準方式具有的空間カ符
合基于磁體302a、302b、......、302g和308a、308b、......、308g的磁場強度和相關函數
的空間カ函數。針對所使用的具體巴克碼，空間カ從-I至7變化,其中，當這兩個磁場發射結構304和306各自的代碼對準而出現這兩個磁場發射結構304和306對準時出現峰值。被稱為旁瓣力的非峰值空間カ從O至-1變化。像這樣,空間カ函數使得磁場發射結構304和306總體相互排斥，除非磁場發射結構304和306對準而使得它們的每個磁體均與互補磁體相關(即，磁體的南極與另一個磁體的北極對準，反之亦然)。換句話說，這兩個磁場發射結構304和306對準為基本上互為鏡像的時候，它們實質上彼此相關。在圖3B中，曲線圖描繪了兩個磁場發射結構304和306的空間カ函數，其由巴克長度為7的碼300的ニ進制自相關函數產生，其中，在每個對準位置I至13處的值對應于針對圖3A中所示兩個磁場發射結構304和306之間的13個對準位置310-1至310-13所計算出的空間カ的值。因為相關磁場結構的真實自相關函數是排斥的，且所想到的大多數使用會具有吸引相關峰值，所以在本文中，除非另外說明，使用術語“自相關”來表示互補相關。也就是說，兩個這樣的相關磁場發射結構304和306的互作用面將會相互補償(即，互為鏡像)。在圖3A中可以看到這種互補自相關的關系，在圖3A中，具有模式“S S S N NSN”的第一磁場發射結構304的底面被示為與具有模式“N NNSSN S”的第二磁場發射結構306的頂面相互作用，其中，第二磁場發射結構306的頂面是第一磁場發射結構304的底面的鏡像(模式)。參照圖4A，圖示出了根據示例性代碼來定位以產生示例性磁場發射結構402的19個磁體400的陣列，以及用于產生鏡像磁場發射結構406的19個磁體404的另一陣列。在這個示例中，該示例性代碼旨在產生第一磁場發射結構402，以當與其鏡像磁場發射結構406對準時具有第一較強鎖定，并且當第一磁場發射結構402相關于其鏡像磁場發射結構406旋轉90°時具有第二較弱鎖定。圖4B描繪了磁場發射結構402與其鏡像磁場發射結構406相互作用以產生第一較強鎖定的空間力函數408。可以看出，空間力函數408具有峰值，其在兩個磁場發射結構402和406基本上對準時出現。圖4C描繪了與其鏡像磁場發射結構406相互作用的磁場發射結構402在旋轉90°之后的空間力函數410。可以看出，空間力函數410具有較小的峰值，其在兩個磁場發射結構402和406基本上對準但一個結構旋轉了 90°時出現。如果兩個磁場發射結構402和406處于另外的位置，則它們可被容易分開。參照圖5，該圖示描繪了以其自身包裹在圓筒504(或者圓盤504、輪504)上的相關磁體表面502，以及其上設有鏡像相關磁體表面508的傳送帶/軌道結構506。在這種情況下，圓筒504可通過一定的力而以順時針方向或以逆時針方向進行轉動，從而沿著傳送帶/軌道結構506滾動。當由一定的其它機構(例如，馬達)轉動圓筒504時，固定的磁場發射結構502和508提供牽引及抓持力(即，保持力)。當圓筒504沿著傳送帶/軌道結構506移動時，該抓持力將與摩擦力或重力無關地保持基本恒定，并且因而能夠在克服對準的磁場發射結構502和508的空間力的重力(其為物體重量的函數)極限內，用于相對于沿墻壁向上、穿過天花板、或者沿任何其它期望方向的軌道而移動物體。如果期望，還可以相對于其它旋轉相關表面而操作該圓筒504 (或者其它旋轉裝置)，以提供類似于齒輪的操作。由于牽制力等于牽引力，所以這些齒輪可松散連接，并仍給出確定的、非滑動的旋轉精度。此外，磁場發射結構502和508具有的表面可以是理想平滑的，但仍提供積極的、非滑動的牽引力。與傳統的基于摩擦的輪對比，由磁場發射結構502和508提供的牽引力很大程度上與在牽引輪與牽引表面之間的摩擦力無關，并且可以用于低摩擦表面。例如在包括太空、水下、垂直表面甚至是倒置等的無重力條件下，可以與重力無關地操作基于磁牽引而四處移動的裝置。參考圖6，該圖示描繪了示例性圓筒602，在該示例性圓筒602上包裹有第一磁場發射結構604,該第一磁場發射結構604具有碼圖(code pattern) 606,該碼圖606繞著圓 筒602的外側重復六次。在圓筒602的下面是物體608，該物體608具有相比圓筒602具有稍大曲率的彎曲表面，并且具有也使用碼圖606進行編碼的第二磁場發射結構610。假設，通過軸612以I轉每秒的轉速來轉動圓筒602。這樣，當圓筒602轉動時，以下情況每秒出現六次圓筒602上的第一磁場發射結構604與物體608上的第二磁場發射結構610對準，使得物體608由于兩個磁場發射結構604和610的峰值空間力函數而受到排斥(即，向下移動)。類似地，如果使用與碼圖606鏡像的碼圖來對第二磁場發射結構610編碼，則以下情況每秒出現6次圓筒602的第一磁場發射結構604與物體608的第二磁場發射結構610對準，這使得由于兩個磁場發射結構604和610的峰值空間力函數而吸引(即，向上移動)物體608。因而，圓筒602以及相對應的第一磁場發射結構604的運動可用于控制具有其相應的第二磁場發射結構610的物體608的運動。本領域技術人員應當意識到可與圓筒602連接的軸612可以由于風轉動風車、水車或渦輪、海浪運動以及其他方法而轉動，從而物體608的運動可以源自一些能源提取利用。像這樣，相關磁體使得物體之間的空間力能夠根據物體的移動而得到精確控制，并且還使得物體的移動能夠根據這樣的空間カ而得到精確控制。在上面的示例中，借助于諸如粘著剤、螺釘、螺栓與螺母之類的保持機構，相關磁體304、306、402、406、502、508、604和610克服正常的“磁體取向”行為。在其它情況下，同一磁場發射結構的磁體可能與其它磁體稀疏隔開(例如，在稀疏陣列中)，從而各個磁體的磁力基本上沒有相互作用，在這個情況中可以根據代碼來改變各個磁體的極性，而無需保持機構來防止磁力“翻動”磁體。然而，磁體通常彼此足夠接近從而它們的磁力實質上相互作用以使得它們中的至少ー個“翻動”以便它們的移動向量對準，但是，通過使用諸如粘著齊U、螺釘、螺栓與螺母之類的保持機構可以使這些磁體保持為期望的取向。像這樣，相關磁體通常利用某種保持機構來形成不同的磁場發射結構，其可以用于各種各樣的應用，例如，鉆頭裝配、孔切削刀具裝配、機器沖壓工具、固 定器、滑動環機構、以及結構化組件等。此外，磁場發射結構可以包括轉動機構、工具插槽、對準標記、鎖閂機構、樞軸機構、旋轉機構、或者杠桿等。相關電磁學相關磁體可以通過電磁體的使用來承擔，該電磁體是磁體的ー種形式，在該電磁體中通過電流的流動來產生磁場。通過電流的方向來確定磁場的極性，并且當電流終止時磁場消失。下面的ー對不例不出使用電磁體的陣列來產生第一磁場發射結構，該第一磁場發射結構相對于第二磁場發射結構隨著時間而移動，該第二磁場發射結構與物體相關聯因而使得物體移動。參照圖7,使用數個圖示來解釋2-D相關電磁示例,該示例中具有桌子700,該桌子700在其表面以下具有ニ維電磁陣列702 (第一磁場發射結構702)，并且具有移動平臺704，該移動平臺704具有至少ー個桌子接觸構件706。在這個示例中，移動平臺704被示為具有四個桌子接觸構件706，該四個桌子接觸構件706中的每ー個均具有能夠由電磁陣列702吸引的磁場發射結構708 (第二磁場發射結構708)。電磁陣列702的各個電磁體的狀態的計算化控制確定它們是否接通或關斷，并且確定它們的極性。第一示例710描繪了電磁陣列702的狀態，該狀態用于使得桌子接觸構件706之一吸引磁場發射結構702內的電磁體的子集712a。第二示例712描繪了電磁陣列702的不同狀態，該不同狀態用于使得桌子接觸構件706中的所述之ー被磁場發射結構702內的電磁體的不同子集712b所吸引(即，移動)。依據這兩個示例，本領域技術人員應當意識到，通過改變電磁陣列702的電磁體的狀態，可以使桌子接觸構件706圍繞桌子700移動。參照圖8，使用數個圖示來解釋3-D相關電磁學示例，在該示例中，存在第一圓筒802，該第一圓筒802比包含在其內部的第二圓筒804稍大。將磁場發射結構806圍繞第一圓筒802 (或者可選地圍繞著第二圓筒804)放置。將電磁體陣列(未示出)與第二圓筒804(或者可選地與第一圓筒802)相關聯，并且控制電磁體的狀態以創建能夠吸引磁場發射結構806的移動鏡像磁場發射結構，從而使得第一圓筒802 (或者可選地第二圓筒804)相對于第二圓筒804 (或者可選地第一圓筒802)旋轉。在第二圓筒804上的電磁陣列于時間t = n、t = n+1以及t = n+2時所產生的磁場發射結構808、810、以及812顯示出與圍繞第一圓筒802的磁場發射結構806的圖樣成鏡像的圖案。該圖案被示為在時間上向下移動，從而使得第一圓筒802逆時針旋轉。照這樣，可以經由構成電磁陣列的電磁體的狀態改變來控制第一圓筒802(或者第二圓筒804)的運動速度和方向。在圖8中還描繪了電磁陣列814，其對應于能夠置于表面上的軌道，從而移動的鏡像磁場發射結構可以用于在使用與磁場發射結構808、810和812所示出的相同的代碼轉換方法(對比圖5)的軌道上向前或向后移動第一圓筒802。參照圖9，示出了基于球體902的示例性閥機構900，該球體902位于圓筒906內(該球體902具有包裹在該球體上的磁場發射結構904 ;該圓筒906具有位于其上的電磁場發射結構908)。在這個示例中，可以通過改變電磁場發射結構908以在圓筒906內向上或向下移動球體902，該圓筒906具有第一開口 910以及第二開口 912，該第一開口 910的圓周小于或等于球體902的圓周，而該第二開口 912的圓周大于球體902的圓周。由于能夠控制球體902在圓筒906內的移動以控制氣體或液體通過閥機構900的流速，因而這個配置是需要的。類似地，可以將閥機構900用作壓力控制閥。此外，使一個物體在大小漸減的另一個物體內運動的能力能實現各種類型的密封機構，其可以用于窗戶、冰箱、冷凍室、食物貯藏容器、船艙蓋、潛艇艙蓋等的密封，其中可以精確地控制密封力的大小。本領域技術人 員應當意識到，可以通過使用相關磁體而采用包括墊圈、0型環之類的許多不同類型的密封機構。另外，本領域技術人員應當意識到，磁場發射結構可以具有源的陣列，所述源包括例如永久磁體、電磁體、駐極體、磁化的鐵磁材料、部分磁化鐵磁材料、軟磁材料、超導磁材料、或上述的特定組合等等。多級相關磁系統本發明提供了一種多級相關磁系統以及使用該多級相關磁系統的方法。其涉及與下列申請中所述有關的多級磁技術2009年6月2日提交的美國專利申請No. 12/476, 952 ；2009 年 9 月 22 日提交的題為 “A System and Method for Contactless Attachment ofTwo Objects”的美國臨時專利申請No. 61/277，214 ;2009年9月30日提交的題為“ASystem and Method for Contactless Attachment of Two 0bjects” 的美國臨時專利申請No. 61/278，900 ;2009 年 10 月 9 日提交的題為“A System and Method for ContactlessAttachment of Two Objects”的美國臨時專利申請 No. 61/278，767 ;2009 年 10 月 16 日提交的題為 “A System and Method for Producing Multi-level Magnetic Fields” 的美國臨時專利申請No. 61/280，094 ;2009年11月13日提交的題為“A System and Methodfor Producing Multi-level Magnetic Fields” 的美國臨時專利申請 No. 61/281,160 ;2009 年 12 月 9 日提交的題為 “A System and Method for Producing Multi-levelMagnetic Fields”的美國臨時專利申請No. 61/283，780 ;2009年12月17日提交的題為“ASystem and Method for Producing Multi-level Magnetic Fields”的美國臨時專利申請No. 61/284, 385 ;以及 2010 年 4 月 22 曰提交的題為“A System and Method for ProducingMulti-level Magnetic Fields”的美國臨時專利申請No. 61/342，988，將上述文獻的全部內容以引用方式并入本文中。這種系統和方法描述于2009年2月4日提交的美國專利申請 No. 12/322，561 ;2009 年 6 月 5 日提交的美國專利申請 No. 12/479, 074,No. 12/478,889、No. 12/478，939、No. 12/478，911、No. 12/478，950、No. 12/478，969、No. 12/479，013、No. 12/479，073、No. 12/479，106 ；2009 年 6 月 7 日提交的美國專利申請 No. 12/479，818、No. 12/479,820、No. 12/479,832、No. 12/479, 832 ;2009 年 6 月 29 日提交的美國專利申請No. 12/494, 064 ;2009年6月30日提交的美國專利申請No. 12/495, 462 ;2009年7月I日提交的美國專利申請No. 12/496, 463 ;2009年7月7日提交的美國專利申請No. 12/499, 039 ；2009年7月11日提交的美國專利申請No. 12/501,425 ;以及2009年7月21日提交的美國專利申請No. 12/507，015，將上述文獻的全部內容以引用方式并入本文中。根據本發明的一個實施例，多級相關磁系統包括第一相關磁結構和第二相關磁結構，所述第一相關磁結構和第二相關磁結構各自具有第一部分和第二部分，其中，第一部分包括多個互補的經編碼磁源，而第二部分包括g在僅排斥或僅吸引的ー個或多個磁源。本發明所使用的磁源可以是永久磁源、電磁體、電永久磁體、或者其結合。根據本發明的另ー實施例，兩個相關磁結構的兩個部分均可以包括多個互補的經編碼磁源。對于這兩個實施例，當第一相關磁結構與第二相關磁結構相距特定間距(即，位于過渡距離)時，多級相關磁系統從排斥模式過渡為吸引模式，或者從吸引模式過渡為排斥模式。因而，多級相關磁系統具有排斥級別和吸引級別。 可以將具有多個經編碼磁源的、兩個相關磁結構中的每ー個的第一部分描述為近程部(short range portion),并且可以將兩個相關磁結構中的姆ー個的第二部分描述為遠程部(long range portion),其中近程部和遠程部產生彼此有效對抗的反向力。近程部產生的磁場相比由遠程部產生的磁場具有更高的近場密度以及更低的遠場密度。由于這些近場密度和遠場密度的不同，所以近程部產生比遠程部更高的峰值力，然而卻具有更快的場消失速率，從而近程部在間距小于過渡距離時強于遠程部而在間距大于過渡距離時弱于遠程部，其中，當兩個相關磁結構分開的距離等于過渡距離時，由兩個部產生的力相互抵消。因而，兩個相關磁結構的第一部分和第二部分產生兩個相反極性カ曲線，其對應于吸收カ與兩個相關磁結構之間的間距的關系，以及排斥力與兩個相關磁結構之間的間距的關系O根據本發明的另ー實施例，兩個相關磁結構的第一(近程)部分產生吸引カ并且這兩個相關磁結構的第二(遠程)部分產生排斥力。關于這個布置，當將兩個互補結構相互靠近時，它們初始時相互排斥直到處于過渡距離處為止，在此處，它們既不排斥也不吸引，隨后當使它們靠近而相比過渡距離更近吋，它們開始強烈吸引，表現為“快動”。關于這個實施例，吸引曲線的范圍更短，而其峰值カ比范圍更長的排斥力曲線更強。根據本發明的又ー實施例，將カ曲線的極性顛倒，以使范圍更短但更強的峰值カ曲線是排斥的，而范圍更長但更弱的峰值カ曲線是吸引的。利用這個布置，所述兩個結構當在過渡距離之外時相互吸引，而當在過渡距離內時相互排斥，其結果是這兩個相關磁結構實現無接觸連接，其中，它們被鎖定于相對位置并且相對對準，然而它們間隔開過渡距離。在本發明的一個實施例中，多級相關磁系統的近程部和遠程部都能夠產生吸引力來產生具有強近場吸引力和強遠場吸引カ兩者的相關磁結構，其中，過渡點對應于這兩個吸引カ曲線交叉處的點。類似地，近程部和遠程部都能夠產生排斥力來產生具有強近場排斥力和強遠場排斥カ兩者的相關磁結構，其中，過渡點對應于這兩個排斥力カ曲線交叉處的點。根據本發明的又ー實施例，將所述兩個相關磁結構連接到一個或多個移動約束結構。移動約束結構可以只允許兩個相關磁結構相互接近或彼此遠離，其中，這兩個相關磁結構總是相互平行。移動約束磁結構可以不允許扭轉(或旋轉)任ー個相關磁場結構。類似地，移動約束結構可以不允許側向運動。可替選地，一個或多個這樣的移動約束結構可以具有可變狀態，從而處于第一狀態中時以某一方式約束兩個相關磁結構的移動，而在另一狀態期間不約束或以不同方式約束兩個相關磁結構的移動。例如，移動約束結構可以當處于第一狀態時不允許任一個相關磁結構進行旋轉，而當在另一狀態時允許相關磁結構之一或
二者進行旋轉。本發明的一個實施例包括圓形相關磁結構，其具有圍繞圓形區域的單極性圓環，在該圓形區域內存在經編碼磁源的集合。在對應于快動行為的一個布置下，經編碼磁源的集合將生成范圍更短、更強的峰值吸引力曲線，而圓環將生成范圍更遠、更弱的峰值排斥力曲線。在對應于無接觸連接行為的第二布置下，這些角色將顛倒。在本發明的另一實施例中，將圓形相關磁結構的配置顛倒，其中，經編碼磁源的經編碼的集合占據外部圓環且內圓為單極。在對應于快動行為的布置下，存在于外部圓環中的經編碼磁源的集合會產生范圍更短、更強的峰值吸引力曲線，而內圓將生成范圍更短、更弱的峰值排斥力曲線。在對應于無接觸連接行為的第二布置下，這些角色將顛倒。
在本發明的又一實施例中，可以使用生成附加磁場的附加調制元件來增加或減少多級磁場系統1000的過渡距離。如果以電磁體或電永久磁體來實施所述第一部分和第二部分中的一個或多個，則可以使用控制系統來改變近程力曲線或遠程力曲線。根據本發明使用的空間力函數可設計為允許多級相關磁系統的相關磁結構中的至少一個移動(或旋轉)，以改變近程力曲線或遠程力曲線。參照圖10，示出了示例性的多級相關磁系統1000，其包括第一相關磁結構1002a以及第二相關磁結構1002b。將第一相關磁結構1002a劃分為外部1004a和內部1006a。類似地，將第二相關磁結構1002b劃分為外部1004b和內部1006b。第一相關磁結構1002a的外部1004a以及第二相關磁結構1002b的外部1004b各自具有一個或多個磁源，該磁源具有根據與第一空間力函數對應的第一代碼來編碼的極性和位置。第一相關磁結構1002a的內部1006a以及第二相關磁結構1002b的內部1006b各自具有一個或多個磁源，該磁源具有根據與第二空間力函數對應的第二代碼來編碼的極性和位置。在一個布置下，外部1004a、1004b各自包括多個磁源，這些磁源被互補編碼從而它們在其互補(即，極性相反)源對基本對準時將產生吸引力，并且具有陡峭的吸引力對間距(或行程)的曲線，并且內部1006a、100b還包括多個磁源，這些磁源被反互補編碼從而它們在其反互補(即，極性相同)源對基本對準時產生排斥力，但是具有更寬的、更緩的排斥力對間距(或行程)的曲線。這樣，當相互接近并且基本上對準時，第一和第二相關磁場結構1002a、1002b將具有快動行為，借此它們的空間力從排斥力過渡為吸引力。可替選地，內部1006a、1006b各自可以包括具有相同極性取向的多個磁源,或者可各自使用僅僅一個磁源來實施，在該情況中將產生類似的快動行為。在另一個布置下，外部1004a、1004b各自包括多個磁源，這些磁源被反互補編碼從而它們在其反互補(即，極性相同)源對基本對準時將產生排斥力，并且具有陡峭的排斥力對間距(或行程)的曲線，并且內部1006a、1006b還包括多個磁源，這些磁源被互補編碼從而它們在其互補(即，極性相反)源對基本對準時產生吸引力，但是具有更寬的、更緩的吸引力對間距(或行程)的曲線。這樣，當相互接近并且基本上對準時，第一和第二相關磁場結構1002a、1002b將具有無接觸連接行為，其中，它們在過渡距離處實現均衡，在該過渡距離處，它們的空間カ從吸引力過渡為排斥力。可替選地，外部1004a、1004b各自可以包括具有相同極性取向的多個磁源，或者可各自使用僅僅ー個磁源來實施，在該情況中將產生類似的無線連接行為。針對所述外部1004a、1004b以及內部1006a、1006b都包括多個經編碼磁源的布
置，由于附加的相關，因而能夠更大地控制它們對運動的反應。例如，當相對于ー個相關磁結構而扭轉另ー個相關磁結構時，可以使遠程部以與近程部相同或相似的速率來去相關，從而在鎖定位置保持更高的準確性。可替選地，多級相關磁系統1000可以使用如下關于圖18A-18F詳細論述的非編碼磁源的特殊配置。圖11描繪了多級過渡距離確定曲線圖1100，其標繪了第一力的絕對值對間距的曲線1102，該曲線1102對應于構成多級磁場結構1000的兩個相關磁結構1002a、1002b的近程部；并且還標繪了第二力的絕對值對間距的曲線1104，該曲線1104對應于這兩個相關磁結構1002a、1002b的遠程部。這兩個曲線在過渡點1106處交叉，當兩個相關磁結構1002a、1002b相互接近時該過渡點1106對應于過渡距離1108，在該過渡距離1108處，取 決于是否將近程部配置為吸引并將遠程部配置為排斥或者相反，兩個相關磁結構1002a、1002b將從排斥模式過渡為吸引模式或者從吸引模式過渡為排斥模式。圖12描繪了具有第一和第二相關磁結構1002a、1002b的多級磁場結構1000的示例性實施例，該第一和第二相關磁結構1002a、1002b各自具有外部1004a、1004b以及內部1006a、1006b,該外部1004a、1004b具有正負交替模式的磁源并且該內部1006a、1006b具有一個正磁源。這樣,第一和第二相關磁結構1002a、1002b是基本相同的。可替選地，兩個相關磁結構1002a、1002b的編碼可以互補但不采用正負交替模式，在該情況中這兩個磁結構1002a、1002b將不相同。圖13A描繪了具有第一和第二相關磁結構1002a、1002b的多級磁場結構1000的又ー實施例，該第一和第二相關磁結構1002a、1002b各自具有內部1006a、1006b以及外部1004a、1004b,該內部1006a、1006b具有正負交替模式的磁源并且該外部1004a、1004b具有一個負磁源。這樣，第一和第二相關磁結構1002a、1002b相同，但能夠結合以產生近程吸引力和遠程排斥力。圖13B描繪了圖13A的相關磁結構1002b的可替選方式，其除了外部1004b具有正極之外幾乎相同。這兩個相關磁結構1002a、1002b可以結合以產生近程排斥力和遠程吸引力。圖13C描繪圖13A的相關磁結構1002a的又一可替選方式，其中相關磁結構1002a是圓形的并且內部1006a的編碼并不對應于正負交替模式。為了完成多級磁場系統1000，所使用的第二圓形相關磁系統1002b所具有的內部1006b具有互補的編碼，并且所具有的外部1004b具有與第一圓形相關磁場結構1002a的外部1004a相同的極性。圖14A和圖14B提供了由于三個不同的多級裝置1000所實現的無接觸連接而非接觸連接的第一物體1400和第二物體1402的不同視圖，該三個不同的多級裝置1000每個均包括第一和第二相關磁結構1002a、1002b。本領域技術人員應當意識到,可以使用ー個或兩個或者更多的多級結構100來提供這兩個物體1400、1402之間的無接觸連接。事實上，本發明的ー個方面在于其可以用于在兩個物體1400、1402之間沒有接觸的情況下控制物體1400相對于另ー個物體1402的位置。
如上所論述，可以一起使用多個多級相關磁系統1000來提供兩個物體1400、1402的無接觸連接。例如，可以使用三個或更多的這樣的結構來扮演類似于磁性“不可見的腿”，以將物體保持在表面上的適當位置。類似地，可以使用兩個或更多的“快動”實施來將物體保持在另一個物體上。例如，可以使用置于防水布(tarp)的四個角的四個快動多級結構來覆蓋方形開口。通常，可以使用無接觸連接結構與快動結構的不同結合。例如，快動結構可以將物體固定至旋轉軸的末端，并且可以使用無接觸連接結構以與在另一表面上方旋轉的物體之間保持分開。特別地，在下表面或者上表面上的第一圓形帶狀多級相關磁結構可能與在相對面上的另一個圓形帶狀多級相關磁結構相互作用，或者甚至可以在表面之一上使用更小的拱形(即，所述帶之一的子集)。
在另一個布置下，可以將“無接觸”多級相關磁系統1000用作磁性彈簧或者減震器。這樣的磁性彈簧可以用于無接觸應用中，其中，磁性彈簧吸收震動、防止損壞等等。尤其地，通過將導體定位在磁場中并且允許由于其運動而生成短路渦電流以抑制振動，可以創建減震器的耗散單元。在又一布置下，“無接觸”多級相關磁系統1000可以用于制作靜音的門和抽屜，原因在于可以將門和抽屜設計成使得門、柜門以及抽屜會關閉且磁性附著，但不接觸。在另一布置下，可以將“無接觸”多級相關磁系統1000用于兒童安全和動物防護裝置，該裝置需要兒童或者動物例如通過對物體進行推或拉而在某物咬合之前克服排斥力。如果期望，新的設備可以具有電開關、機械閂鎖之類的形式，其中，可將排斥力規定為兒童或者動物發現難于克服該力而大人卻不會。這種裝置可選地使用間隔件來對裝置能夠實現的吸引力的大小(如果有的話)進行控制。通常，通過使盲人能夠以已知的位置和取向來連接物體，使得這些物體更容易定位和操縱，從而相關磁結構可用于幫助盲人。獨特的編碼還能夠提供物體的獨特磁標識，從而將物體放置在錯誤位置時會被拒絕(或者不準許)。發電機裝置可被設計為包含“無接觸”多級相關磁系統1000并且與緩慢運動的物體(例如風車等)一起工作，而無須當前使用的齒輪，以實現足夠的發電。可包含“無接觸”多級相關磁系統1000的一個應用在于用于鋸子的抗反彈(anti-kick)鋸片釋放機構,從而當鋸片鋸入物體(例如木頭)中時，該機構會變為鎖定，否則會彈起鋸片和/或彈出該物體，鋸片會脫離。在這種情況出現時鋸子將自動關閉。“無接觸”多級相關磁系統1000的另一應用是關于可飛行的模型飛機，其能夠使得諸如機翼等部分易于連接以實現飛行，但是易于分離進行儲藏和運輸。下面是包含“無接觸”多級相關磁系統1000技術的裝置的一些其它創意 用于在住院期間減小和/或消除褥瘡的、基于磁排斥的漂浮病床。將磁體內置于病人載運器中，于是通過床上對應的磁體將其支撐和保持在合適的位置。 病人輪床，其使用相關磁體以將它固定鎖定在救護車內。代替受制于彈簧磨損、變臟、腐蝕等等的現有的鎖。 使用相關磁體的病人約束裝置。能夠利用病人衣服上的鍵控(keyed)磁體以及在椅子上的相應的磁體等等。 使用多級無接觸連接裝置來減小或消除振動的引擎或馬達底座。 易于拆卸的座襯。
靴子/鞋子扣件，以淘汰系帶和維可牢搭扣。 拖車的自對準鉤(hitch)。 電梯門鎖，以替代現有的機械鎖。 鍵控的磁體備胎基座。 可互換的鞋底(運動鞋，個人穿著物等等)。 電燈泡基座，以代替螺旋座。 使用低速馬達技術的烤箱爐烤肉架。 使用低速馬達技術的廚房微波旋轉臺。·無接觸的離合器片、消除耐磨的摩擦片。
使用可變反向磁體的更持久的健身自行車(消除基于摩擦的元件)。 錢包卡環。 鍵控門閂。 使用線性磁體以停止失控的電梯或其它機械設備。參考圖15A-15B，示出了另ー個布置，其中，“快動”多級相關磁系統1000可用于生產根據本發明實施例的瞬時快動開關1500。如圖15A所示，示例性瞬時快動開關1500包括彈簧1502、兩個觸頭1504a和1504b、間隔件1506及快動多級相關磁系統1000。間隔件1506的用途是防止快動多級相關磁系統1000的元件1002a和1002b接觸，從而保持凈カ是排斥的。圖15B和圖15C示出了間隔件1506的用途，在此，圖15B相對于相關磁結構1002a和1002b的分開程度示出了快動多級相關磁系統1000的吸引力和排斥力曲線的絕對值，而圖15C相對于Y軸上的快動多級相關磁系統1000的響應カ示出了快動多級相關磁系統1000的吸引力和排斥力曲線的和(其在X軸上標記為輸入的外力)。參考圖15B，間隔件1506阻止這兩個相關磁結構1002a和1002b接觸并阻止快動多級相關磁系統1000過渡為吸引狀態，這防止當移除外力時相關磁結構1002a、1002b粘住。參考圖15C，間隔件接觸距離是在峰值排斥力和介于吸引狀態和排斥狀態之間的過渡點之間的某個位置。本領域技術人員會意識到，為防止快動多級相關磁系統1000過渡到吸引狀態，可以有多種配置和各種方式。下面關于圖15D描述瞬時快動開關1500的滯后作用。當彈簧1502由外力1508壓縮時，其使得相關磁結構1002a、1002b互相靠近。這可通過沿著圖15D中的45度線向上來表示。壓縮快動多級相關磁系統1000所需的外力1508増加，直至在某個距離處該カ開始隨著進ー步壓縮而減小。這產生不穩定性，該不穩定性會導致快動多級相關磁系統1000加速閉合直至觸頭1504a、1504b閉合。此時，快動多級相關磁系統1000僅需要小的保持力來保持觸頭1504a、1504b閉合，而受壓縮的彈簧1502可容易提供這個力。當彈簧1502上的外力1508放松時，觸頭1504a、1504b仍閉合，直至彈簧1502的力與快動多級相關磁系統1000的排斥力相等的另ー個臨界點。此時，快動多級相關磁系統1000開始加速打開直至它們達到最大力點并接著開始減小，從而抵抗外力1508而壓縮彈簧1502。觸頭1504a、1504b然后分開一定量，該分開量導致排斥力和外力(彈簧力)相等。通過接著再次壓縮彈簧1502可重復這個循環。這后一瞬態特性在圖KD中通過上面的兩個箭頭在接近45度線上的穩定位置時示出。圖16的示圖示出在彈簧1502和組成圖15A的瞬時快動開關1500的快動多級相關磁系統1000的兩個磁體1002a、1002b之間的力-位置關系。圖17A的示圖示出了隨著向圖15A的瞬時快動開關1500施加外力1508 —段時間然后釋放力，外力1508的位置與瞬時快動開關1500的相關磁結構1002a的位置的關系。參考圖17A，施加給瞬時快動開關1500的外力1508(例如，手指)的位置由第一曲線1702示出，在此，外力1508從與瞬時快動開關1500處于斷開位置時對應的第一位置移動到與瞬時快動開關1500處于閉合位置時對應的第二位置，然后當從瞬時快動開關1500撤回外力1508時回到第一位置。本領域技術人員會意識到，外力1508可由任何對象例如一個自動化裝備來施加。下面可關于第一曲線1702描述由第二曲線1704示出的相關磁結構1002a的位置。參考兩個曲線1702、1704，相關磁結構1002a始于其斷開位置，且當外力1508壓下彈簧1502并往下按壓在瞬時快動開關1500上時，相關磁結構1002a更靠近第二相關磁結構1002b而移動。起初，由于快動多級相關磁系統1000處于排斥狀態(或模式)，彈簧1502和相關磁結構1002a實質上彼此互推，因此相關磁結構1002a相對于外力1508的移動而線性移動。當接近過渡距離時，快動多級相關磁系統1000開始從排斥狀態過渡為吸引狀 態。由于相關磁結構1002a的力規律始于峰值排斥力且開始趨向零，施加給彈簧1502的外力1508對遇到越來越小的排斥力，導致相關磁結構1002a快速向下移動，直至間隔件1506阻止相關磁結構1002a更加靠近其它相關磁結構1002b。相關磁結構1002a的位置保持不變，直至外力1508位置已遠離開關的閉合位置并朝向開關的斷開位置而充分移動，使得相關磁結構1002a被排斥離開間隔件1506，其與第二曲線1704中的突然上升對應。由于已從瞬時快動開關1500去除外力1508，因此相關磁結構1002a隨后線性地移動，直至快動多級相關磁系統1000再次處于其斷開位置。圖17B示出了當向圖15A的瞬時快動開關1500施加外力1508然后釋放時的磁力。參考圖17B,由曲線1706表示的磁力以最小排斥力開始，當快動多級相關磁系統1000處于其斷開位置時出現該最小排斥力。隨著外力1508的施加，磁力增加，直至相關磁結構1002a開始接近過渡距離，其在該過渡距離時開始從排斥狀態過渡到吸引狀態時。由于相關磁結構1002a的力規律始于峰值排斥力且開始趨向零，施加給彈簧1502的外力1508遇到越來越小的排斥力，導致相關磁結構1002a快速地向下移動，直至間隔件1506阻止它更靠近其它相關磁結構1002b而移動。磁力保持不變，直至外力1508的位置已遠離開關的閉合位置并朝向開關的斷開位置而充分移動，使得相關磁結構1002a被排斥而遠離間隔件1506，這與第二曲線1706中的突然升起對應。相關磁結構1002a排斥且力增加，直至它被彈簧1502向下推并此后它們達到平衡。磁力隨后由于外力1508移除而減小，直至磁力再次處于與其斷開位置對應的最小排斥力。圖17C示出了當向圖15A的瞬時快動開關1500施加外力1508然后釋放時相關磁結構1002a的位置相對于外力1508的位置的關系。參考圖17C及曲線1708，相關磁結構1002a和外力1508開始于與開關的斷開位置對應的第一位置，其位于曲線圖的右上角。由于相關磁結構1002a和彈簧1502是平衡的(即，彼此互推)，因此曲線1708隨著外力1508的施加而線性變化。隨著相關磁結構1002a開始接近過渡距離，此時其開始從排斥狀態過渡為吸引狀態，它的力規律始于峰值排斥力且開始趨向零。在這時，施加給彈簧1502的外力1508遇到越來越小的排斥力，導致相關磁結構1002a快速向下移動而外力1508位置處 于相同的位置，直至間隔件1506阻止相關磁結構1002a更靠近其它相關磁結構1002b移動。當施加以外力1508時，相關磁結構1002a保持在相同位置，直至快動多級相關磁系統1000到達它的閉合位置，并且相關磁結構1002a繼續保持在相同的位置，直至外力1508位置已遠離開關的閉合位置且朝向開關的斷開位置而充分移動使得相關磁結構1002a被排斥遠離間隔件1506，其與曲線1708中突然 的右拐對應。相關磁結構1002a和彈簧1502再次達到平衡、然后線性移動，直至它們已到達該曲線中與開關的斷開位置對應的右上角位置。圖18A-18F示出了根據圖15A的瞬時快動開關1500可使用的用于快動多級相關磁系統1000的可替選的布置。非常重要的是，圖18A-18F的快動多級相關磁系統1000的相關磁結構1002a和1002b的相對大小和磁場強度被配置為產生與圖15A的瞬時快動開關1500的期望操作特性對應的滯后性能。此外，盡管關于圖15A中的瞬時快動開關1500中使用的快動-排斥的磁結構對多級相關磁系統1000進行了描述，但是本領域技術人員可意識至IJ，如前所述，多級相關磁系統1000可以替選地被配置為具有無接觸連接行為。參考圖18A,多級磁系統1000包括第一磁結構1002a和第二磁結構1002b。第一磁結構包括第一外部1004a和第一內部1006a,而第二磁結構1002b包括第二外部1004b和第二內部1006b。第一外部1004a和第二外部1004b具有帶相反極性的磁源，因此它們將產生吸引力。第一內部1006a和第二內部1006b具有帶相同極性的磁源，因此它們將產生排斥力。在ー個布置下，在常規磁體1002a的正側的第一內部1006a中磁化正磁源，而在常規磁體1002b的負側的第二內部1006b中磁化正磁源。在ー個可替選的布置下，在常規磁體1002a的正側的第一內部1006a中磁化負磁源，而在常規磁體1002b的負側的第二內部1006b中磁化負磁源。在另ー個布置中，在第一內部1006a中磁化正磁源而在第一磁結構1002a的第一外部1004a中磁化負磁源，且在第二內部1006b中磁化正磁源而在第二磁結構1002b的第二外部1004b中磁化正磁源。在又ー個布置中，在第一內部1006a中磁化負磁源,而在第一磁結構1002a的第一外部1004a中磁化正磁源，且在第二磁結構1002b的第ニ外部1004b中磁化負磁源。參考圖18B，多級磁系統1000包括磁結構1002和常規磁體1800，常規磁體1800在ー側具有第一極性并在其另ー側具有與第一極性相反的第二極性。磁結構1002包括外部1004和內部1006。在ー個布置下，常規磁體1800的第一極性是正極性，且磁結構1002的內部1006被磁化為具有正極性而該磁結構1002的外部1004被磁化為具有負極性。在另ー個布置下，磁結構1002初始是具有與第一常規磁體1800相反的極性的第二常規磁體，但是磁結構1002的內部1006隨后被磁化為具有與第一常規磁體1800相同的極性。這樣，當磁結構1002的示出側及常規磁體1800的示出側置于一起時，它們將產生多級排斥及快動行為。圖18C-18F g在說明不同的形狀可用于組成多級磁系統1000的磁結構1002、1002a、1002b、1004a、1004b、1800 以及磁結構 1002、1002a、1002b、1004a、1004b、1800 的內部 1006、1006a、1006b 和外部 1004、1004a、1004b。在圖 18C 中，磁結構 1002a、1002b 是矩形，且內部1006a、1006b是圓形。在圖18D中，磁結構1002的內部1006是矩形。在圖18E和圖18F中，內部1006、1006a具有六角形形狀。通常,本領域技術人員會意識到,可使用兩個磁結構的第一部分和第二部分的許多不同變型，以包括彼此挨著而不嵌套的部分，從而有內部和外部。例如，可使用具有不同強度的并排的條狀部。
圖19A示出了可替選的示例性瞬時快動開關1900，在此，由配置用于與相關磁結構1002a產生排斥力1904的磁體1902代替圖15A的彈簧1502。參考圖19A，瞬時快動開關1900采用了 用作快動多級系統1000的兩個磁體1002和1004(例如，相關磁結構1002a、1002b)以及用于與磁體1002產生排斥力的上磁體1902。三個磁體1002、1004、1902被約束在活動約束系統1906內，活動約束系統1906僅允許上磁體1902和中間磁體1002的上下移動。另外，瞬時快動開關1900采用兩個觸頭1910a和1910b，在此，觸頭1910a與磁體1002相關聯而觸頭1910b與磁體1004相關聯。而且，瞬時快動開關1900采用附連到磁體 1004的間隔件1912，該間隔件1912用于防止快動多級磁系統1000的部件接觸，從而保持凈力是排斥的。間隔件1912可替代地附連到磁體1002。可替選地，第一間隔件1912可附連到磁體1004而第二間隔件1912可附連到磁體1002。在操作中，當向上磁體1902施加外力1908時，在上磁體1902和中間磁體1002之間的排斥力的表現與圖15A中的彈簧1502類似，其中，因為排斥力1904比在磁體1002、1004之間產生的排斥力大，意味著快動多級系統1000將產生與彈簧1502實質相同的滯后行為。然而，因為僅采用了磁性，所以滯后行為應該保持不變，本質上可永遠使用永久性磁體1002、1004、1902。圖19B示出了可替選的瞬時開關1900’，在此，由配置作為無接觸連接多級系統1000的一半的磁體1902(另一半是1002)代替圖15A的彈簧1502。本領域技術人員會意識到，圖19A和圖19B中的瞬時開關1900和1900’功能相同，而不論器件1900和1900’的朝向(例如，它可上下顛倒)如何。因此，術語“上磁體”和“上下移動”并非旨在限制，而僅僅是在給定了圖19A和圖19B中所示朝向的情況下的描述。而且，本領域技術人員會意識到，用于產生磁結構1002、1004、1902的代碼的特性決定了所需平移及旋轉約束的類型。圖19C示出了兩個磁體1914、1916及可選的間隔件1918，該間隔件1918可代替圖19A和圖19B所示的中間磁體1002使用。圖20A示出了在圖19A的外磁體1902與瞬時快動開關1900中的快動多級系統1000的兩個磁體1002、1004之間的力與位置的關系。圖20B示出了在圖19B的外磁體1902與瞬時快動開關1900’中的快動多級系統1000的兩個磁體1002、1004之間的力與位置的關系。圖21A-21F示出了使用根據本發明實施例的瞬時快動開關1900的示例性圓筒2100。圖21A示出了附連到示例性瞬時開關1900的第一磁體1902的按鈕2102。圖21B示出了示例性瞬時開關1900的、具有相關聯的電觸頭1910a的第二磁體1002。圖21C示出了示例性瞬時開關1900的第三磁體1004(其支撐在基座2104上)。圖21D示出了示例性圓筒2100，其包括用于接收圖21A的按鈕2102和第一磁體1902以及圖21B的第二磁體1002和觸頭1910a的上唇2106、槽2108、上孔2110及下孔2112，以及圖21C的第三磁體1004和基座2104。圖21E示出了帶有示例性瞬時開關1900的裝配后的圓筒2100，該瞬時開關1900處于其正常斷開狀態，間隔件1912和觸頭1910b位于槽2108內且在第三磁體1004的上方。圖21F示出了帶有處于閉合狀態的示例性瞬時開關1900的裝配后的圓筒2100。本領域技術人員會意識到，為了產生期望具有可重復的滯后行為的不同瞬時開關、其它開關以及其它類型的器件，可存在許多不同的用于圖21A-21F的示例性圓筒2100中的示例性瞬時開關1900的變型。變型包括這種器件中所包含的磁體1002、1004、1902的不同形狀和移動約束系統1906的不同形狀以及約束磁體1002、1004、1902的不同方法。例如，可使用圍繞中心圓筒的環形磁體，其與外部約束不同。內部及外部約束方法均可使用。任何各種類型的機械裝置例如鉸鏈等可用于約束磁體。通常，本領域技術人員根據本發明可設計眾多的配置以產生這樣的可重復的滯后形成。圖22A-22C示出了根據本發明實施例的示例性磁緩沖器件2210。圖22A示出了示例性磁緩沖器件2200的母元件2202。圖22B示出了示例性磁緩沖器件2200的公元件2204(例如，活塞2204)。圖22C示出了裝配后的示例性磁緩沖器件2200，其中母元件2202(包括磁體1002和間隔件1912)可活動地位于公元件2204(包括磁體1004)上。磁緩沖器件2200與圖21A-22F的示例性瞬時開關1900的底部相似之處在于，它的兩個磁體1002和1004及間隔件1912產生具有可重復的滯后行為的多級排斥快動行為。然而，圖22A-22C的磁緩沖器件2200不作為開關，不需要用于開關的電路，而是更像是用作使用磁、性而非彈簧的緩沖器那樣。磁緩沖器件2200可用于使用彈簧用作緩沖的所有類型的應用，包括床，例如家用床或者醫用床；在家中、飛機、交通工具、賽車、公共汽車、火車等的椅子的座位或靠背；用于交通工具的減震器；用于交通工具的緩沖器；用于交通工具的保護屏等等。然而，不同于彈簧(其中，隨著外力的施加，彈簧的力不斷增加)，磁緩沖器件2200展現出峰值排斥力，并且隨著磁體1002和1004靠近移動直至由間隔件1912保持隔開，排斥力減小。間隔件1912可附連到磁體1002和1004中的任一個。圖23A-23C示出了根據本發明實施例的另一個示例性磁緩沖器件2300。圖23A示出示例性磁緩沖器件2300的母元件2302。圖23B示出了示例性磁器件2300的公元件(例如，活塞2304)。圖23C示出了裝配后的示例性磁緩沖器件2300，其中母元件2302(包括磁體1002和間隔件1912)可活動地位于公元件2304(包括磁體1004)上。磁緩沖器件2300與圖21A-22F的示例性瞬時開關1900的底部相似之處在于，它的兩個磁體1002和1004及間隔件1912產生具有可重復的滯后行為的多級排斥快動行為。然而，圖23A-23C的磁緩沖器件2300不作為開關，不需要用于開關的電路，而是更像用作使用磁性而非彈簧的緩沖器那樣。磁緩沖器件2300可用于使用彈簧用作緩沖的所有類型的應用，包括床，例如家用床或者醫用床；在家中、飛機、交通工具、賽車、公共汽車、火車等的椅子的座位或靠背；用于交通工具的緩沖器；用于交通工具的緩沖器；用于交通工具的保護屏等等。然而，不同于彈簧(其隨著外力的施加，彈簧的力不斷增加)，隨著磁體1002和1004靠近移動直至由間隔件1912保持隔開，磁緩沖器件2300展現出峰值排斥力并且隨后排斥力減小。該示例性磁緩沖器件2300與磁緩沖器件2200相比，旨在說明本領域技術人員可使用不同形狀的磁體1002和1004及殼體2302和2304以產生根據本發明的任何類型的所期望的緩沖器件。圖24示出了多個示例性磁緩沖器件2200的第一示例性陣列2400。如圖所示，每一行緩沖器件2200被推移了大約圓形緩沖器件2200寬度的一半，從而使它們能夠緊湊地在一起而在它們之間具有更小的空氣間隙。圖25示出了行和列對齊的多個示例性磁緩沖器件2200的第二示例性陣列2500。通常，本領域技術人員會意識到，取決于所采用的磁體的形狀、用于產生緩沖器件2200、2300的殼體以及可替選物，可使用各種布置使得一起良好地用作例如座墊或床墊的一部分。圖26示出了使用示例性磁緩沖器件2200的另一個示例性陣列的示例性墊子2600。這樣的墊子2600可用于褥墊中，用作坐墊或其它所述。本領域技術人員會理解，傳統的方法，例如使用彈簧、泡沫或其它類型的材料，可與磁緩沖器件2200結合使用。例如，根據本發明的緩沖器件2200和2300可用于制造鞋或靴子的后跟且可用作鞋底或者放入鞋或靴子的鞋墊。相似的緩沖器件2200和2300可用于膝蓋墊、肘墊或由運動員、工人、軍事人員或類似的人使用的任何類型的保護裝置，以吸收沖擊從而防止傷害人。圖27示出了根據本發明實施例的具有發電能力的示例性減震器2700。示例性減震器2700利用之前在圖22A-22C中描述的緩沖器件2200(包括兩個磁體和一個間隔件)以及ー個或多個其它磁體2702和相應的線圈2704以產生電2706。圖27示出了減震器2700，ー個軸2708附連到緩沖器件2200的一端并在另一端附連有軸2710，該軸2710周圍圍繞有磁體2702，且該磁體2702繞有線圈2704。在另ー個布置下，可制造包括多層多級磁系統1000的器件，該多層多級磁系統1000包括那些具有可重復的滯后行為的系統。圖28示出了具有三個多級磁系統1000、1000’和1000”的示例性器件2800。第一和第二多級磁系統1000和1000’是“排斥-快動”而第三多級磁系統1000”是“無接觸連接”。如圖所示，示例性器件2800包括四個磁體， 其中的兩個具有用于產生三個多級磁系統1000、1000’和1000”的間隔件且每個展現多級磁性行為。如圖所示，磁體I和2各自具有間隔件。磁體I和2以及磁體2和3結合產生排斥快動行為而磁體3和4產生無接觸連接。四個磁體1、2、3、4的相結合的組合與可編程的可重復的滯后對應。本領域技術人員會意識到，能夠通過結合多種前述多級磁系統1000而產生所有類型的行為。在另ー個布置下，可設計兩個磁結構以產生多層的多級磁性。使用僅兩個磁結構，可產生磁化區的許多不同組合。圖29A-29D示出了兩個磁結構2902和2904，對它們編碼以產生三級磁性。具體地，隨著兩個磁結構2902和2904彼此靠近，存在外吸引層(或級)、排斥層以及當它們附連時的吸引層。圖29A示出了兩個磁結構2902和2904，每個磁結構由三個編碼區2902a、2902b、2902c或2904a、2904b和2904c組成，在此，對第一和第ニ編碼區2902a、2902b、2904a和2904b編碼以產生無接觸連接行為，并且對它們的第三編碼區2902c和2904c編碼以產生牢固的附連層，該牢固的附連層相比由第二和第三編碼區2902b,2902c,2904b和2904c產生的平衡距離具有小得多的短的沖程。圖29B示出了這兩個磁結構2902和2904，它們分開的距離大于外吸引層的接合距離。圖29C示出了這兩個磁結構2902和2904，它們彼此相對設置，使得它們處于它們的外吸引層和它們的排斥層之間的平衡距離。圖29D示出了接觸的這兩個磁結構2902和2904，在此，它們處于非常薄但卻很牢固的吸引層中，在此，由于內吸引層的厚度，吸引力比排斥カ大。本領域技術人員會意識到，并不要求兩個磁結構2902和2904的各個區是連續的(即，并排的或接觸的)。相反，在磁化區位于不同片材上的情況下也可產生磁結構，這些不同的片材彼此分離配置但能配置為一起工作以產生多級磁性。這種方式與使用不連續的(即，単獨的)磁體作為磁源而不是壓印在單個片材上的maxel (磁元)類似。一般而言，所有類型的結合都是可能的兩個互相作用的磁結構2902和2904中的每ー個可以是單個片材、或多個片材、鄰接的片材或者非鄰接的片材、不連續的磁體或者壓印的磁源等。圖29B到圖29D還示出了可用作控制系統(未示出)的一部分的可選的傳感器2906。通常，可使用一個或多個傳感器2906來測量在兩個磁結構2902和2904之間的磁性特性，在此，測量值可對應于不同的控制狀態(例如，非接合狀態、平衡狀態、以及閉合狀態)。圖29E示出了用于圖29A-29D的兩個磁結構2902和2904的示例性力曲線2908。如圖所示，兩個磁結構2902和2904具有外吸引力層，在該外吸引力層，在過渡到排斥力層(在排斥力層，第一個過零點對應于平衡位置或分離位置)之前，力達到峰值吸引力。兩個磁結構2902和2904然后可被強制穿過排斥層，從而在力于第二過零點處衰減到零之前克服峰值排斥力，隨后這兩個磁結構將在內吸引層內吸引并附連。如之前所述，可使用間隔件防止這兩個機構2902和2904變得比期望的分離距離(例如，與第二過零點對應的距離)更近。類似地，兩個磁結構2902和2904的第三編碼區可代替間隔件使用，以產生與排斥快動行為對應的可重復的滯后，在此，還存在最內的排斥層，其具有與吸引力相同的強度和沖程，否則會實現快動行為。因此，排斥力將達到峰值且然后在某個分離距離處降為零并在該距離內保持為零。應注意，多級結構2902和2904未必是對稱的并且并非必須是圓形的(例如，包括同心圓區)。多級磁性能夠通過使用類似條帶的編碼、與不規則圖案對應的編碼、在圓周內與條帶對應的編碼以及使用無數的其它編碼布置來實現。圖30A-30D示出了具有人機工程學的示例性便攜式計算機3002，其根據其上部3004(即，具有顯示屏的部分)相對于下部3006(即具有鍵盤的部分)的位置控制其狀態。如在圖30A中所示，傳感器數據指出嵌入便攜式計算機的上部3004和下部3006中的兩個磁結構2902和2904分開，其距離大于它們的接合距離，這與“開啟”狀態對應。在圖30B中，便攜式計算機3002的用戶已將上部3004向下推，直至它變得由兩個磁結構2902和2904的無接觸連接多級編碼區的吸引部吸引。上部3004將到達平衡(或懸停)距離且保持在這個距離，傳感器數據指出這種情況，導致便攜式計算機3002進入“睡眠(SLEEP)”狀態。用戶然后可再次向上打開便攜式計算機3002，或者可以推動穿過排斥力以使便攜式計算機的上部3004和下部3006如圖30C所示附連，由此，傳感器數據將指出這兩個部3004和3006附連且導致便攜式計算機3002進入其“關閉(OFF)”狀態。本領域技術人員會意識到，為了實現與三個狀態位置(“0N”、“SLEEP”和“OFF”)對應的人機工程學方面，并不要求使用傳感器及控制系統。如在圖30D中所示，便攜式計算機3002還可包括器件3008(滑行機構3008)，用于轉動磁結構2902或2904之一以使它們去相關，則在此情況下磁結構2902和2904在附連狀態時會更強得多。通常，根據本發明的多級方面配置的便攜式計算機3002可具有以下特點 至少三個狀態不接合、懸停及完全接合(關閉)。 在兩個磁結構2902和2904至少之一附近的霍爾傳感器，用于通過在該位置測量的磁性級別讀出狀態。 將檢測值轉換為離散狀態，其以數字形式與計算機/處理器對接。 操作系統或運行的應用將中斷這些狀態并適當地響應，例如，打開_>正常運行、懸停- >屏幕保護或待機、完全關閉- >休眠或待機。 可根據期望的人機工程學對任何或所有計算機響應從檢測開始延遲。 磁場可由包含產生所述行為所需的場的單個磁基底產生，或者由提供所述行為所需的組合場的各個磁體產生。
懸停磁體及附連磁體中的任ー個或二者可處于距蓋子的旋轉軸不同的半徑，以提供機械優勢并根據需要修正場的范圍、場的強度等以產生期望行為。便攜式計算機、電話、個人數字助理(PDA)及其它類似的設備也可以以其它方式包括前述的相關磁技術 用于電話、媒體播放器等的具有相關磁密封的防震/防水外売。 具有360度一致移除カ的電源線。 在產品內部的相關磁體，用于減小過量的磁場。 具有相關磁體的橡皮墊，用于向下保持便攜式計算機。 對接站。 在接ロ處以聚集的磁通進行無線充電。 精確對齊。 貫穿從生產到銷售到最終使用的生命周期使用相關磁體的概念。 生產過程。 安全線連接——去除相關磁體編碼繩會響起警報。 包括集成反饋回路的基于相關磁的開關。根據本發明的另ー個實施例，排斥快動多級相關磁系統1000(例如)可用于產生兒童安全及動物防護器件，該器件要求兒童或動物能夠克服排斥カ從而接合或解開鎖定機構或其它這樣的機構。力可以通過拉或推或者某些其它方式來施加。這樣的器件可使兒童或動物難以打開設備，例如，垃圾處理器。圖31A-31K示出了可用作電開關或機械閂鎖或用于某種其它目的的示例性兒童防護器件3100的各種示意圖。通常，該器件3100設計為當兩個磁結構1002a和1002b處于特定的對齊位置時展現出“多級排斥快動”行為，并且當磁結構1002a和1002b處于除所述特定對齊位置之外的對齊位置時展現出“僅排斥”行為。這樣，兒童或動物將必須克服排斥力以致使器件3100使開關或閂鎖接合，或者在兩個磁結構1002a和1002b接觸(或近似接觸)時執行功能。一旦這兩個磁結構1002a和1002b變為接觸，它們將快動在一起并保持在一起，直至磁結構1002a和1002b之一被旋鈕3102轉動，從而使得它們去相關，因而導致吸引層的吸引力被器件3100中存在的排斥力克服。如圖所示，器件3100被構造成使得旋鈕3102將在引導部3104(例如導桿3104)內轉動以使它到達其正常的對齊位置。依據互補的代碼是對齊還是不對齊，器件3100可從排斥快動過渡到僅排斥。如在圖31K中所示，器件3100如需要可引入間隔件3106，其附連到磁結構之一 1002a(例如)。因此，當另ー個磁結構1002b與間隔件3106相遇吋，它可閉合例如電連接(例如，激活門鈴)和/或作用于機械閂鎖或其它器件。這要求要維持該力以實現器件(例如，垃圾處理器)的操作。可以理解，排斥快動多級相關磁系統1000(例如)可用在許多不同的兒童安全及動物防護器件中。通過要求兒童或動物在ー些接合(例如，電接合或機械接合)之前例如 通過推或拉物體而克服排斥力，可采用新形式的電開關、閂鎖等等，在此，可規定排斥力使得對于兒童或動物難以克服該カ而對于成人則不會。這樣的器件可能任選地采用間隔件以控制該器件可能實現的吸引力(如果有)的大小，從而使得這些器件能夠利用與實現接觸所用的力(例如，推力)相反的力(例如拉力)而去除。如果需要，可對排斥快動多級相關磁系統1000 (例如)編碼，由此，當對應的磁結構1002a和1002b之一相對于另ー個旋轉時它們不會去相關，或者可對該系統進行編碼，使得當由于旋轉(和/或平移運動)而改變對齊位置時出現去相關。因此，在兩個多級磁結構1002a和1002b之間的力可隨這兩個結構1002a和1002b的分離距離以及相對對齊位置而變化。下述討論意在比較傳統磁體力曲線與經編碼磁結構的力曲線的限制。傳統的磁體對根據它們偶極子的空間定向而彼此吸引或者彼此排斥。傳統的磁體可能具有強磁場，由于該磁場的線性達到而可能負面影響信用卡、手機、起博器等。由于相同的原因，這些磁體操作起來還可能很危險。而且，由于間接關系假設而限制了磁體設計，該間接關系假設將力描述為與磁體之間的線性距離成反比。由于這個限制，設計工程師們長久以來依賴于材料科學和先進制造技術來生產特定應用所需要的具有合適的吸引和/或排斥力性能特性的磁體。在圖32中所示的力曲線描述了關于兩個標準的釹鐵硼(NdFeB)N42級碟狀磁體(1-1/2”直徑X 1/8”厚)的排斥力分布。示出了兩個磁體3200a和3200b，它們的北極彼此相對，因而產生隨著分開距離而迂回變化的排斥力。相關磁技術通過實現對磁器件編程 以精確規定磁場、因而規定磁行為，從而消除了這種限制假設。具體地，磁體設計者現在可使用成組的和/或交替的磁元件(或者磁元)的圖案，該磁元件(或者磁元)可各自表現為如同磁偶極子，但可作為整體展現許多不同的行為。可通過數個設計參數來控制力的分布的形狀，設計參數包括磁元件總數、極性、幅值以及磁元(場發射源)的大小、形狀和位置。在磁體表面上每單位面積(代碼密度)的磁元極性變化的量會影響接觸時峰值力的水平。代碼密度還會影響在遠場中力的剩余水平以及力曲線的衰減速率或斜率。隨著代碼密度的增加，峰值吸引力也增加。然而，吸引力衰減越快，遠場力會明顯減小。因此，與傳統磁體形成鮮明對比，采用相關磁技術的自定義設計的磁場可展現帶有很短“沖程”的更強的峰值力，得到安全得多的磁器件。圖33示出了通過改變磁元的代碼密度產生的多個力曲線，其中的磁元是使用簡單交替極性代碼的實例而編程到磁體對中的。在這種情況下，材料是1/8”厚的NdFeB N42級3/4”正方形磁體，且代碼密度從傳統磁體(代碼密度=I)到經編碼磁體表面上的256個磁元。盡管代碼密度影響力曲線的傾斜程度以及峰值力及遠場力的級別，但是磁元的大小、形狀和幅值影響編程到磁體對中的力的接合距離。而且，如之前描述，可同時采用相反的力(吸引和排斥)，為設計者提供向力曲線引入變形的能力。在“壓印/生產”磁體時，可通過改變感應線圈上的輸入功率而調整每個磁元的幅值，而這會影響力曲線的形狀。可增加或減小吸引力及排斥力，且可規定變形點以滿足特定應用需要。圖34示出了被編程為具有排斥和快動行為的兩個磁體3400a和3400b的力的分布，從而互補的磁元模式已被壓印在傳統磁體上以實現兩個力曲線。該分布示出了多級磁性，在此，排斥力增加、達到峰值、然后隨著一對經編碼磁體3400a和3400b彼此接近而過渡為吸引力。這種可編程的力行為使設計工程師能夠規定產品、元件和子系統的精準的阻尼和阻力行為，且它使得能夠制造具有確定性重量支持特性的緩沖器件。相關磁性多力器件代表一種用于改進減震裝置、減震器、醫用床、兒童防護及動物防護的開關和閂鎖、微開關及其它的實現技術。圖35示出了改變輸入功率對力分布形狀的影響。用于產生吸引力的輸入功率的大小是175V (線條3502)和200V (線條3504)，而排斥力未改變。為了比較，還示出了關于常規磁體的力曲線(線條3506)。圖36A-36D示出了幾個多級排斥和快動樣品3602、3604、3606和3608，它們重點突出了在常規磁體和經編碼磁體之間的差別，在此，粘附到四個固體圓筒的下表面的碟狀磁體以類似于彈簧的方式與裝配在四個圓筒管的底部的磁體相互作用。每個圓筒3602、3604、3606和3608的力曲線描述了磁體沿著軸豎直向下行進時所經歷的排斥力性質。最左邊圓筒3602的特征在于兩個常規磁體，隨著磁體接近觸頭，這兩個常規磁體展現出越來越剛硬的阻力。另外三個圓筒3604、3606和3608中的每ー個的特征在于多級阻力及快動經編程磁體對，該磁體對提供越來越剛硬的阻力直至到達距表面觸頭大約6/10英寸的變形點。在這個點，阻力下降并在距表面觸頭大約2/10英尺處實際過渡為吸引力，在此，磁體對然后快動在一起并聯結。可明顯感到由較高功率吸引力代碼和較低功率吸引カ代碼提供的阻力的差異。最右邊圓筒36 08示出了“分離墊”行為。圓筒行程受間隔件限制，使得磁體對不能進入吸引力區。凈效應是排斥力降至接近零，但是圓筒在被釋放時仍將回到其開始位置。因此，新的緩沖器件可設計為在達到規定的カ時回撒。由于カ曲線現在是可編程的，所以設計者可以定制磁行為以匹配應用要求并支持新的磁體應用。磁體現在可包括能夠實現全新應用領域的吸引力和排斥カ的結合。對磁體及其力曲線編程，可為整個行業的產品改革和效率提高提供強有力的新能力。通常，可將具有不同力曲線的多個區構造成一起工作以產生定制的合力曲線。合力曲線可以例如在某個范圍的間距上具有平坦部(其代表恒定的力)，使得器件的行為類似于非常長的彈簧。而且，如之前描述，磁元可以壓印在常規磁體上，由此將表面場放在它們上。通過將薄的相關磁層放在已磁化的基底上，體內場被投入到遠場中且相關磁表面作用改變近場中的力曲線。根據本發明的實施例，多級無接觸連接器件可用于制造靜音的門和抽屜，原因在于它們可以設計成使得門、柜門及抽屜會關閉并磁力附連但不接觸。圖37A-37C示出了示例性柜子3702、柜門3704、鉸鏈3706和3708以及磁結構3710和3712，磁結構3710和3712具有多級無接觸連接編碼，該編碼導致磁結構3710和3712關閉但是不完全閉合，因此使它們安靜地關閉。在這個示例中，為了多級無接觸連接，對磁結構3710和3712進行編碼。如果要求，磁結構3710和3712可設在柜門3704與柜子3702重疊的重疊區3714中。磁結構3710和3712可通過粘合劑、釘子、螺絲釘等附連到柜子3702和柜門3704。此外，如果使用了過多的カ來關閉柜門3704(例如，撞擊)，可使用間隔件3716防止磁體接觸。如果需要，當將磁結構3710和3712安裝到櫥柜3702和櫥柜門3704時，可使用安裝引導件3718。圖38A-38B示出了兩個磁體3802和3804，它們被編碼成具有多級排斥和快動行為，并在它們之間具有間隔件3806，并帶有吸引層3810和排斥層3812。在一側施加力3814以克服排斥力，從而兩個磁體3802和3804快動在一起，而間隔件3806處在它們之間。然后，如果對磁體3802 (例如)的一側施加力3816，會導致磁體3802在間隔件3806上樞軸轉動，于是這將導致磁體3802和3804彼此排斥(例如，爆炸分離)。因此，這種布置提供了相對不穩定的器件，該器件將保持在一起直至它接收到某種導致兩個磁體3802和3804飛離(例如，很像爆炸)的沖擊。因此，可采用這樣的器件生產各種類型的玩具(爆炸玩具)、扳機等。可改變間隔件3806的大小、厚度、形狀和其它方面以確定器件不穩定性的級別。這樣的器件還可用作能量儲存設備的形式，由此施加很小的力就能釋放很大的力。
依據本發明的另一個方面，施加給構成多級器件的至少一個磁結構的外力可由于熱、壓力或并非物理力的某種其它外力原因而變化。例如，連接到多級器件的雙金屬條可用于產生期望的恒溫器或第一滅火系統扳機的滯后。類似地，壓力可導致多級器件從關閉位置變為打開位置，使得氣體能夠從容器中溢出。根據本發明的另一個方面，通過改變兩個磁結構的相對對齊位置并通過隨間距而變的多級磁性，以非線性方式改變這兩個磁結構之間的力的能力，使得能夠實現全新類型的簡單機械，包括六種典型的簡單機械(即，杠桿、輪和軸、滑輪、斜面、楔及螺絲釘)。通常新型非線性設計尺寸使得力特性能夠針對給定的距離和對齊位置而變化。而且，基于新的簡單機械的組合，新型復雜機械現在變成可能。圖39示出了包括桿3902的示例性復雜機械3900，桿3902的一端在表面3904上樞軸轉動，并且在對端上具有滑輪3906，從該對端通過繩3910等懸掛重物3908。在沿著桿3902上的某一點，通過磁力元件3914施加力3912，該磁力元件3914是被編碼用于產生期望的力關于距離的曲線的兩個或更多的磁結構。通過使用具有不同的力關于距離的曲線(例如，力曲線)的不同磁結構，可產生復雜機械3900 的不同功能。例如，如果力曲線被編程為展現出擴展的正弦曲線函數，則在該曲線是準確的范圍上，在重物3908上的力是線性的，模擬很長彈簧的作用。下面是關于包含相關磁技術的器件的一些其它想法 使用多級無接觸連接器件的發動機或馬達，用于減小或消除振動。 無接觸離合器片，去除可磨損的摩擦片。生物應用 使用無接觸連接能力用于機械元件和生物元件之間的對接以及用于兩個生物元件之間的對接。原因是，如果在生物組織例如皮膚上施加太多的壓力，它會阻止毛細管流入組織并會導致它在一小時內死亡。這種現象(缺血壓力壞死)，使得機械元件和生物元件的交互-以及經常是不想通過縫合或其它方法長久參與的兩個生物元件的交互-很困難。無接觸附連可作為強有力的工具來解決這個問題。可適于用于機械到生物的附連的潛在應用包括附連彌補術即在皮膚下面植入一個磁體、附連外部的微小的泵以及作為保持牙齒移植的方法、避免牙齒在TMJ中摩擦以及作為固定并對齊假牙的方法。為了從生物到生物的附連，應用的想法包括將磁體植入在軟的上顎及為了避免睡眠窒息植在骨上，以及用于解決遺尿。相關磁性可以作為在胃上方的電子管的基礎，能夠克服灼燒感以解決胃酸倒流。 在患有慢性竇問題的人的竇中植入帶有無接觸連接的相關磁系統。然后可以拿著另一個相關磁體靠近臉頰以使竇擴張，幫助內部液體流出。 關節替換(膝蓋、脊椎盤等)_使用無接觸附連，因此沒有磨損。從上面的描述，本領域技術人員會意識到本發明包括多級相關磁系統，該系統包括(a)第一相關磁結構，其包括具有多個經編碼磁源的第一部分以及具有一個或多個磁源的第二部分；(b)第二相關磁結構，其包括具有多個互補的經編碼磁源的第一部分以及具有一個或多個磁源的第二部分；(c)其中，第一相關磁結構與第二相關磁結構對齊，使得第一部分彼此位于對面，且第二部分彼此位于對面；及(d)其中，每個第一部分相比第二部分產生更高的峰值力，而每個第一部分相比第二部分具有更快的場消失速率，使得(I)當第一和第二相關磁結構分開的距離等于過渡距離時，第一部分產生的磁力被第二部分產生的磁力抵消，(2)當第一和第二相關磁結構彼此相距的間距大于過渡距離時，第一部分產生的磁力比第二部分產生的磁力更強，及(3)當第一和第二相關磁結構之間的間距大于過渡距離時，第一部分具有比第二部分產生的磁力更弱的磁力。在一個示例中，第一相關磁結構的多個經編碼磁源包括第一場發射源并且第二相關磁結構的多個互補的經編碼磁源包括第二場發射源，每個場發射源具有與期望的空間カ函數相關的位置和極性，該空間力函數與第一和第二相關磁結構在場域內的相對對齊位置對應，其中，空間カ函數與代碼一致，在此，該代碼對應于第一場發射源的代碼模(modulo)及第ニ場發射源的互補代碼摸。該代碼定義峰值空間力，該峰值空間カ與第一場發射源的代碼模和第二場發射源的代碼模的實質性對齊對應，其中，該代碼還定義多個非峰值空間力，其與第一場發射源的代碼模和第二場發射源的代碼模的多個不同的未對齊對應，其中，多個非峰值空間力具有最大的非峰值空間力，在此最大非峰值空間力小于峰值空間カ的一半。盡管已對本發明的多個實施例通過所附附圖進行了闡述并在前述詳細說明中進行了描述，但是應該理解，本發明并非限于所掲示的實施例，而在不脫離所附權利要求所提出和限定的發明的情況下，能夠做出許多的重新布置、變型和替換。還應注意，本文提及“本發明”或“發明”與示例性實施例相關，但是并不一定與所附權利要求所涵蓋的每個實施例 相關。
權利要求
1.一種多級相關磁系統,其包括 第一相關磁結構，其包括具有多個經編碼磁源的第一部分以及具有一個或多個磁源的第二部分； 第二相關磁結構，其包括具有多個互補的經編碼磁源的第一部分以及具有ー個或多個磁源的第二部分； 其中，所述第一相關磁結構與所述第二相關磁結構對準，從而所述第一部分位于彼此對面，且所述第二部分位于彼此對面；并且 其中，所述第一部分各自相比所述第二部分產生更高的峰值力，而所述第一部分各自相比所述第二部分具有更快的場消失速率，使得(I)當所述第一相關磁結構與第二相關磁結構分開的距離等于過渡距離時，所述第一部分產生的磁力被所述第二部分產生的磁力抵消；(2)當所述第一相關磁結構與第二相關磁結構具有的彼此間的間距小于所述過渡距離時，所述第一部分所產生的磁力強于所述第二部分所產生的磁力；并且(3)當所述第一相關磁結構與第二相關磁結構之間的所述間距大于所述過渡距離時，所述第一部分所具有的磁力弱于所述第二部分所產生的磁力。
2.根據權利要求I所述的多級相關磁系統，其中，所述第一部分產生吸引磁力并且所述第二部分產生排斥磁力，使得(I)當所述第一相關磁結構與第二相關磁結構被分開的距離大于所述過渡距離時，所述第一相關磁結構與第二相關磁結構彼此排斥；(2)當所述第一相關磁結構與第二相關磁結構被分開的距離等于所述過渡距離時，所述第一相關磁結構與第二相關磁結構彼此既不排斥也不吸引；并且(3)當所述第一相關磁結構與第二相關磁結構被分開的距離小于所述過渡距離時，所述第一相關磁結構與第二相關磁結構彼此吸引。
3.根據權利要求2所述的多級相關磁系統，其中，當所述第一相關磁結構與第二相關磁結構被分開的距離小于所述過渡距離時，所述第一相關磁結構與第二相關磁結構快動在一起，于是，如果所述第一相關磁結構與第二相關磁結構中的一個相對于另ー個轉動，則所述第一相關磁結構與第二相關磁結構彼此排斥。
4.根據權利要求I所述的多級相關磁系統，其中，所述第一部分產生排斥磁力并且所述第二部分產生吸引磁力，使得(I)當所述第一與第二相關磁結構被分開的距離大于所述過渡距離時，所述第一與第二相關磁結構彼此吸引；(2)當所述第一與第二相關磁結構被分開的距離等于所述過渡距離時，所述第一與第二相關磁結構彼此既不排斥也不吸引；并且(3)當所述第一與第二相關磁結構被分開的距離小于所述過渡距離時，所述第一與第二相關磁結構彼此排斥。
5.根據權利要求I所述的多級相關磁系統，還包括ー個或多個移動約束結構，其將所述第一相關磁結構附著到所述第二相關磁結構，從而所述ー個或多個移動約束結構只允許所述第一與第二相關磁結構朝向或遠離彼此移動，同時確保所述第一與第二相關磁結構相互平行。
6.根據權利要求I所述的多級相關磁系統，還包括間隔件，其附著到所述第一相關磁結構或者所述第二相關磁結構，以防止所述第一相關磁結構完全接觸所述第二相關磁結構。
7.根據權利要求I所述的多級相關磁系統，其中，通過將表示所述經編碼磁源的磁元壓印在第一現有磁體上來產生所述第一相關磁結構，并且通過將表示所述經編碼磁源的磁元壓印在第二現有磁體上來產生所述第二相關磁結構。
8.根據權利要求I所述的多級相關磁系統，其中， 所述第一相關磁結構包括所述第一部分、所述第二部分、以及具有多個經編碼磁源的第三部分； 所述第二相關磁結構包括所述第一部分、所述第二部分、以及具有多個經編碼磁源的第三部分；并且， 其中，所述第一相關磁結構與所述第二相關磁結構對準，從而所述第一部分位于彼此對面，所述第二部分位于彼此対面，且所述第三部分位于彼此対面。
9.根據權利要求I所述的多級相關磁系統，其中，所述第一相關磁系統的所述第二部分包括多個經編碼磁源，并且所述第二相關磁系統的所述第二部分包括多個互補的經編碼磁源。
10.根據權利要求I所述的多級相關磁系統，其中，所述多個經編碼磁源包括第一場發射源，并且所述多個互補的經編碼磁源包括第二場發射源，每個場發射源具有與期望的空間カ函數有關的極性與位置，所述期望的空間カ函數對應于場域內所述第一與第二相關磁結構的相對對準，其中，所述空間力函數與代碼一致，其中，所述代碼對應于所述第一場發射源的代碼模以及所述第二場發射源的互補代碼摸。
11.根據權利要求10所述的多級相關磁系統，其中，所述代碼定義峰值空間力，所述峰值空間カ對應于所述第一場發射源的所述代碼模與所述第二發射源的所述互補代碼模的基本對準，其中，所述代碼還定義多個非峰值空間力，所述非峰值空間カ對應于所述第一場發射源的所述代碼模與所述第二發射源的所述互補代碼模的多個不同的未對準，其中，所述多個非峰值空間力具有最大非峰值空間力，其中，所述最大非峰值空間力小于所述峰值空間カ的一半。
12.根據權利要求10所述的多級相關磁系統，其中，根據至少一個相關函數確定所述場發射源中的每ー個的所述位置和所述極性。
13.根據權利要求12所述的多級相關磁系統，其中，所述至少一個相關函數與所述代碼一致。
14.根據權利要求13所述的多級相關磁系統，其中，所述代碼是偽隨機碼、確定性碼、或者設計碼中的ー個。
15.根據權利要求13所述的多級相關磁系統，其中，所述代碼是ー維碼、ニ維碼、三圍碼、或者四維碼中的ー個。
16.根據權利要求10所述的多級相關磁系統，其中，所述場發射源中的每ー個均具有根據所述期望的空間カ函數確定的對應的場發射幅度和向量方向，其中，所述第一與第二磁場發射結構之間的間距以及所述第一與第二相關磁結構的相對對準產生與所述期望的空間力函數一致的空間力。
17.根據權利要求16所述的多級相關磁系統，其中，所述空間力包括吸引空間カ和排斥空間カ中的至少ー個。
18.根據權利要求10所述的多級相關磁系統，其中，所述場域對應于與第二磁場發射相互作用的第一磁場發射，所述第一磁場發射來自于所述第一場發射結構的所述場發射源，所述第二磁場發射來自于所述第二磁場發射結構的所述第二場發射源。
19.根據權利要求10所述的多級相關磁系統，其中，所述場發射源的所述極性包括北-南極或正-負極中的至少ー個。
20.根據權利要求10所述的多級相關磁系統，其中，至少ー個所述場發射源包括磁場發射源或者電場發射源。
21.根據權利要求10所述的多級相關磁系統，其中，至少ー個所述場發射源包括永久磁體、電磁體、駐極體、磁化鐵磁材料、部分的磁化鐵磁材料、軟磁材料、或者超導磁材料
22.ー種裝置，其包括 第一相關磁結構，其包括具有多個經編碼磁源的第一部分以及具有一個或多個磁源的第二部分； 第二相關磁結構，其包括具有多個互補的經編碼磁源的第一部分以及具有ー個或多個磁源的第二部分； 所述第一相關磁結構與所述第二相關磁結構對準，從而所述第一部分位于彼此対面，且所述第二部分位于彼此對面； 間隔件，其用于防止所述第一相關磁結構完全接觸所述第二相關磁結構；并且 所述間隔件的大小使得如果所述第一與第二相關磁結構彼此連接，隨后如果カ施加給所述第一相關磁結構或第二相關磁結構，則這使得所述第一與第二相關磁結構相互排斥。
23.根據權利要求22所述的裝置，其中 所述第一部分中的每ー個相比所述第二部分產生更高的峰值力，而所述第一部分中的每ー個相比所述第二部分具有更快的場消失速率，使得(I)當所述第一與第二相關磁結構分開的距離等于過渡距離時，所述第一部分所產生的磁力與所述第二部分所產生的磁力抵消；(2)當所述第一與第二相關磁結構所具有的彼此相距的間距小于所述過渡距離吋，所述第一部分所產生的磁力強于所述第二部分所產生的磁力；并且(3)當所述第一與第二相關磁結構之間的所述間距大于所述過渡距離時，所述第一部分所具有的磁力弱于所述第二部分所產生的磁力； 所述第一部分產生吸引磁力并且所述第二部分產生排斥磁力，使得(I)當所述第一相關磁結構與第二相關磁結構被分開的距離大于所述過渡距離時，所述第一相關磁結構與第二相關磁結構彼此排斥；(2)當所述第一相關磁結構與第二相關磁結構被分開的距離等于所述過渡距離時，所述第一相關磁結構與第二相關磁結構彼此既不排斥也不吸引；并且(3)當所述第一相關磁結構與第二相關磁結構被分開的距離小于所述過渡距離時，所述第一相關磁結構與第二相關磁結構彼此吸引。
24.ー種使用多級相關磁系統的方法，所述方法包括步驟 提供所述多級相關磁系統，所述多級相關磁系統具有 -第一相關磁結構，其包括具有多個經編碼磁源的第一部分以及具有一個或多個磁源的第二部分； -第二相關磁結構，其包括具有多個互補的經編碼磁源的第一部分以及具有一個或多個磁源的第二部分；將所述第一相關磁結構與所述第二相關磁結構對準，從而所述第一部分位于彼此對面，且所述第二部分位于彼此對面；并且 其中，所述第一部分中的每ー個相比所述第二部分產生更高的峰值力，而所述第一部分中的每ー個相比所述第二部分具有更快的場消失速率，使得(I)當所述第一與第二相關磁結構分開的距離等于過渡距離時，所述第一部分所產生的磁力與所述第二部分所產生 的磁力抵消；(2)當所述第一與第二相關磁結構所具有的彼此相距的間距小于所述過渡距 離時，所述第一部分所產生的磁力強于所述第二部分所產生的磁力；并且(3)當所述第一與第二相關磁結構之間的所述間距大于所述過渡距離時，所述第一部分所具有的磁力弱于所述第二部分所產生的磁力。
全文摘要
本發明記載了一種包括第一相關磁結構(1002a)和第二相關磁結構(1002b)的多級相關磁系統(1000)以及使用該多級相關磁系統的方法。本文中還描述了可集成一個或多個所述多級相關磁系統的各種裝置，包括瞬時快動開關、緩沖裝置、以及爆炸玩具。
文檔編號F16C39/06GK102667974SQ201080043175
公開日2012年9月12日 申請日期2010年9月18日 優先權日2009年9月22日
發明者戴維·P·馬查多 申請人:相關磁學研究公司