電動機和用于電動機的軸承的制作方法

專利名稱：電動機和用于電動機的軸承的制作方法
技術領域：
本發明的一個方面涉及電動機，尤其涉及種種新的線性電動機和驅動線性電動機的機構。本發明的第二方面涉及軸承(即當本發明的一個物體相對于另一支承它的或和它接觸的物體的表面運動時，為它們提供相對無摩擦支承的裝置)，該軸承用在本發明的電動機中。在本發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/距離定律彈簧效應相組合。
電動機術語“線性電動機”通常指種種電氣原動機。在普通類型的傳統電動機中，用一組設置成圓形或圓筒形的固定線圈(稱為定子)產生一可旋轉的電磁場，這種電磁場與一可旋轉地安裝在圓形或圓筒形定子內的磁體或電磁體(稱為轉子)相互作用，以驅動轉子轉動。但在線性電動機中，定子線圈設置成一直線，它們產生的電磁場沿此直線前進來驅動“轉子”(在這種情況下，最好稱為“平移器”)。這樣一種線性電動機可以看作其定子被展開并鋪平的傳統的旋轉電動機。
有許多在直線上而不是圓中產生推進力的其它裝置，因而從技術上可以把它們認為是“線性”電動機。這樣，蒸氣、氣體驅動、內燃機、液壓和氣動往復活塞/氣缸發動機都是歸入該類的非電氣裝置，而其它電子、電氣、電磁裝置還有是音圈電動機、壓電驅動器和一些磁致伸縮裝置(后兩種只有以微米計的很短的平移器行程)。某些類型的線性電動機-所謂的“英寸蝸桿”(inch worm)電動機-它們使用定子中的物理-機械壓縮和膨脹的區域以那些區域的傳播速度來推進平移器。
在有些場合，需要高速、小力、長行程、高線性度和很小的運動質量，但已知的線性電動機中沒有一個具有所有這些能力。這正是本發明要解決的問題，本發明旨在提供一種能夠沿直線或曲線、高速、長行程、高線性度運動的、平移器質量極小的線性電動機，而且這種電動機原理相當簡單，用極少幾個構件就能制造。為了實現這個目的，本發明提出使用一施加原動的位移力的機構，施加的方向不是所需的平移器運動的方向，而是幾乎與該方向成直角的方向，該機構的構造導致產生這樣的結果即產生一沿所需平移器線運動的合力(它是所施加的原動力的分力)，因此，平移器是被“擠出”到所要求的方向，有點像櫻桃核或李子核在手指與拇指之間被擠壓射出的方式。或用另一種比喻，即設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)，它提供動力，而肥皂擔任了運動部件或“平移器”的角色。
因此，本發明的一個方面提供了一線性電動機，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動，其中定子在工作中幾乎在與定子線垂直的方向提供對平移器的橫向擠出力；以及平移器或者沿其運動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形成的)，或者平移器通過力傳遞軸承安裝在定子上，當軸承被定子如此擠壓時，沿定子線變形而形成略微錐形，使得在每一種情況下，擠壓的結果是在平移器上產生一幾乎與擠壓力垂直的、并因而是沿定子線的合力。
本發明的線性電動機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傳統電動機那樣的圓形。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型、形狀和尺寸，可以以認為適當的任何方法施加擠壓力。但是基本上，定子構造成允許其內的軸承孔從一標稱圓筒內輪廓變形到標稱平頭圓錐形，也可以使孔的具有較小內徑的一端部反過來變成具有較大內徑的一端。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，用電源來驅動那些電極；用磁致伸縮材料制造定子，并施加適當的磁場，例如通過合適定位的相鄰導體供應電流；將定子構造成一由彈性材料制成的、空心外殼狀物體，這種定子被一個或多個的隔離物分隔成兩個(或多個)內腔，其中用不同的液壓或氣壓流體壓力源驅動各個分開的腔；用具有顯著熱膨脹系數(至少在軸承孔周圍的圓周方向)的材料制造定子，用熱量驅動它(例如用熱流體。電阻加熱或用一種或多種熱源的直接傳導)，使孔的一端膨脹超過另一端(這種結構可以例如用來控制恒溫控制閥，其中熱源包括一種或多種熱流體供應源、冷流體供應源和排出的流體)；制出上述熱激勵定子的變型，通過應用各種熱控制源，用形狀記憶合金來產生不同的孔直徑；構造定子，采用一能夠收縮或膨脹(例如肌肉組織)的生物結構材料，這種材料被設置在孔內部的周圍，并用外界控制信號激勵，以產生所需的圓錐形變形。
但是，目前認為最方便和有用的定子是通過施加適當電壓來驅動的用壓電材料制成的定子。
在本發明的線性電動機中，定子支承一平移器。在這里，“平移器”只是一個能沿定子、被所施加的力驅動的構件，從而完成某些所需的工作。根據需要它們做的工作來定義的定子的例子包括連接于一外部機構、以在其中提供有用的機械運動的桿；一對于定子內的流體流動能有效密封(也許是通過軸承結構)的輕的獨立的、徑向剛性的活塞，該活塞直接作用于它周圍的空氣，起到一聲換能器的作用；對定子內的流體流動能有效密封的獨立的徑向剛性的活塞(或許通過軸承結構)流體地耦合于一個或多個外腔，以便與流體流動控制閥一起起到泵的作用；一裝有一個或多個鏡子或鏡面的獨立的徑向剛性的活塞，以在光學系統中起到一聚焦或偏轉構件的作用；一獨立的重的徑向剛性的活塞，通過軸承構件機械地耦合于定子，由此耦合于其支撐結構，其慣性用來施加或衰減對該結構的振動。
不管平移器的具體形式是怎樣的，它通常(但不總是)沿所需的運動的路線方向都具有長度，即有一定的大小，所以必然有一個前端和一個后端。如后面要說明的，這和定子擠壓力的能被施加的方式有關。
平移器可制成質量很小的產品，對電動機機構充分有效工作的唯一要求是要它能對定子的擠壓力提供徑向反應(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)。實際上，其標稱形狀(未變形的形狀)可以有點象桶形，或者可以是它的側面基本上是平行的(與電動機軸線平行)，但只有在定子施加的擠壓力的影響下變形時才會呈現圓錐形。當平移器用作聲頻換能器時，該平移器只要耦合于周圍的空氣，因此其結構上的限制可以進一步減少；為了提供所需的高加速度，主要的關鍵是質量要小(連同不透氣性)。為此，可用膨脹的發泡塑料、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)氣凝膠來制造質量很小的平移器。另一種用于聲頻換能器的平移器是用增壓氣體對塑料或金屬的壁很薄的高張力圓筒充氣，以用很小的質量達到所需徑向剛度(類似于密封的薄壁可樂罐頭或碳酸汽礦泉水塑料瓶，這兩種情況下所產生的剛度基本上是由內部氣體壓力而導致的容器壁內的張力所形成的)。
如上所述，定子是線性延伸的，而平移器剛沿著線運動。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(當然，除了沿運動的軸線之外)，例如可以是在略呈錐形的矩形塊平移器的兩側上的一對相對的幾乎平行的板(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。對在另一種幾乎是相反的構造中，幾何形狀類似、但里外倒了過來，定子在管狀平移器(可能略微收腰)內部的圓筒。圓筒形的和管狀形的構件不必是圓筒對稱，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)的定子和轉子很可能是非常有用的。
本發明的定子以平移器能夠容易地沿其運動的形式支承著平移器。這種支承可采用許多不同的形式。在一個極端的例子中，它可以只是一個在另一個上滑動的兩個平的表面，也許還有有助于減少摩擦的潤滑劑諸如空氣、油脂、石油蠟或PTFE等。在另一個極端的例子中，它可能是空氣隙和一種磁力懸浮(meglev)場，即至少一個可能是通過電產生的兩個相對的磁場，這兩個磁場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。支撐件的一個較佳形式是一個或多個軸承構件，即滾珠軸承(尤其是循環滾珠軸承)、滾柱軸承、滾針軸承等等，它們設置成能使平移器以極小的摩擦沿定子運動。但是，對于需要很高加速度并因此需要最小運動質量的各種應用(例如聲頻換能器)，特別有用的軸承構件的形式是下面將要描述的線性軸承裝置。這種軸承構件基本上是撓性和可變形膨脹的環狀軸承構件，它非常象橡皮輪胎的內胎，用很小的質量提供了接近零的摩擦(所有表面都滾動)，能很好地傳遞徑向力，它另外具有軸承噪音幾乎為零(對于聲頻換能器而言)、在運動部件之間(即定子與平移器之間)形成接近完美的氣密密封的優點。
在本發明的線性電動機中，定子在運行中提供一沿大約與定子線垂直的方向的對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動的路線成垂直方向。總的來說，或許值得重復上面提到過的概念，即很像沿著一捏在手指與拇指之間的櫻桃核通過擠壓而使(或許是“爆發地”)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，使平移器沿其運動。與定子對齊的分力的形成是由于平移器沿其運動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力傳遞軸承安裝在定子上，當被定子如此擠壓時，軸承本身變形呈略微錐形。下面將對此進一步說明。
可以任何方便的方法產生擠壓力，這包括定子本身的的物理-機械變形。現在來說明定子在平移器外面的概念和裝置(對于在平移器內側的定子，效果將適當顛倒)。如果定子對著平移器的一端和在該一端后面機械壓縮(可能相對應地膨脹離開和超過另一端)，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，使平移器朝前運動。使用形狀預定的平移器的另一簡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驅動平移器運動的分力。在一較佳的可能性是利用這兩種情況，即定子機械地壓縮，而平移器則變形。另一可能性是當用一個此后將要描述的那些線性軸承裝置之一作為軸承構件，即在平移器即使被擠壓時也可保留平行側面的形式的情況下，軸承構件本身變形，以產生沿電動機線的所需的分力。
當本發明線性電動機在應用中在平移器上產生軸向負荷力，而該力以一可預計的方式隨平移器位置而改變時，它可以使電動機的軸向力輸出成為平移器軸向位置的函數，以平衡這種可變化的負荷。這可以通過適當地修改定子的幾何形狀和其相對于某些激勵電動機的輸入驅動信號的變形特征來實現，從而維持運行的線性度。
定子的擠壓在平移器上產生一沿所需平移器運動線的合力。定子和平移器的幾何形狀決定了此處所能獲得的機械優點或利益，如果需要低平移器力高位移性能，機械優點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)。在這種高機械優點或利益的形式中，平移器的最大被驅動位移決定于定子長度、而不決定于平移器長度、也不決定于定子的最大垂直位移。
所述機械利益或優點允許使用具有固有小位移的原動力機構，尤其對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動，平移器也可獲得顯著的運動。例如，如果定子是由壓電材料薄圓筒制成而以其內外噴涂金屬作為電輸入接觸點，那么施加一電壓，就將使該材料收縮或膨脹，這樣，將使整個圓筒的半徑略微收縮或擴大。此外，如果內外表面上的噴涂金屬沿圓筒軸的一半處的內外圓周線被分成兩個相等的面積，而且一端的內側連接于另一端的外側，或者反過來，那么施加輸入電壓將會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大和收縮的端部也倒過來。零輸入電壓則使圓筒沿長度保持平行的側面。這就提供了將可控制的驅動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外側上不使用導電的金屬層電極，而是使用電阻性層電極，也能獲得類似的效果，從定子的一端到另一端對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的導電層所獲得的同類的收縮/擴大效果。選擇電極材料的電阻系數，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，當高的全驅動電壓橫向施加于這些位置上時，消耗在電阻中的電源也是可接受的，但選擇的電阻系數又要足夠低，低到通過電阻電極對壓電彎曲件的固有電容充電所需要的時間足夠短，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，施加的電源通過合適的導電電極供應到每一(內外)表面的每一端部，每一合適的導電電極為其軸向軸向長度可忽略的圍繞表面的圈或環，連接到電阻電極涂層的軸向端部；一端的內圈或環電極連接到另一端的外圈或環電極，而在該一端的外圈或環電極連接到另一端的內圈或環電極，然后在定子的一端或另一端的兩電極圈或環上連接電壓。結果是驅動電壓勢差沿內外電阻電極的長度、但以相反的方向均勻分布，使得接近定子中心的、橫過定子材料厚度的電場可忽略不計，而在兩端的電場上升到最大，但每端的電場的極性相反。壓電材料中產生的合應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，各點的半徑在這些狀態之間都在平滑變化與接近線性之間。顛倒驅動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，定子中心段的電場仍然可忽略不計，因而其未被驅動的形狀的變形也忽略不計。
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的限制。但是，對于金屬涂層和電阻涂層的兩種形式，如果定子做成標準的單態或雙態的‘壓電彎曲件’構造器件，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，對于(例如)金屬涂層的形式，首先將一剛性的金屬內襯設置在壓電圓筒的內側或外側，其次在整個圓筒上進行螺旋形切割(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)。用這一簡單的方法，器件就已轉變成一單態‘壓電-彎曲件’(piezo-bender)結構(雖然被纏繞成螺旋形式)，因此，對于所施加的給定輸入電壓，圓筒徑向位移量將增加很多，那是因為壓電/金屬迭層因兩結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十或甚至數百微米的端部至端部的半徑位移量的差別。甚至通過用極性與原來的壓電圓筒相反的壓電材料替代金屬內襯墊還可以進一步改進技術，即提供一典型的雙態“彎曲件”構造，對于一給定的輸入電壓可以有一很大的位移輸出。
電阻結構形式除了它當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。
對圓筒的壓電基本材料的有關表面進行化學表面處理(通常是化學還原)，而不是施加另外的金屬或極性相反的壓電層，也可以制成雙態彎曲件的第二層。
由此可見，本發明的線性電動機有三個基本構件，即一提供‘擠壓’力的定子、一被定子擠壓并因此運動的平移器和一分布在定子與平移器之間的軸承構件。此機構具有如下的潛在優點a)動力源，即施加到平移器上的力源，可以完全在定子中，無論使用什么樣的產生‘擠壓’力的機構，都能有效地做到對于電動機的運動部件不增加重量(因此能用較重的電動機部件作為力的發生器，而不會在平移器上造成動態負擔)。
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，所以沒有電線或電極(pole)等來增加重量、阻尼、彎曲力等等。
d)平移器可以對應定子的很小的運動(垂直)而運動很長的距離，這可以從諸如壓電或磁致伸縮器件的固有小運動原動力(prime-force)機構獲得大的輸出運動。
e)電動機中所有造成損失的機構主要是由于定子與平移器之間存在的很低的摩擦，和在產生力的機構本身的內在因素。
f)如果需要低平移器力、大位移性能，則機械利益或優點可容易地達到需要的那么大。
g)在高機械利益或優點的結構形式(平移器錐度很小)中，平移器的最大驅動位移簡單地取決于定子的長度。
對于本發明的一個特別有吸引力的應用是在聲頻換能器(如在擴音器)的生產方面。當一螺旋導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型的小質量低摩擦線性軸承和一質量很小的平移器一起使用時，可以構造出一聲頻換能器，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動所直接移動的那部分空氣的質量)，在這種情況下，效率可以相當高。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，為軸承構件提供了一平滑連續的表面，使軸承構件可在其上滾動，并只為定子的彎曲力提供很少的阻力。通過選擇適當的幾何形狀和材料，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力(對于線性電動機的基本運行這些力完全不需要，只要在電動機開始使用時能使平移器回到一已知的位置就可以)可以做成很低。
本發明的電動機從最廣義上來說包括一固定的但可變形的定子構件，它有兩個或多個圍繞一管狀通道的相對的驅動表面，諸驅動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，使它們的間隔沿通道軸線而變化；以及一位于通道內的并可沿通道運動的狹長的可移動的平移器構件，它有與定子驅動表面相對應的、與之匹配的并可運動地作近接觸的從動表面；其中平移器是可變形，其從動表面在其未變形狀態下大約彼此平行；或者，平移器基本上是剛性的，其從動表面略微呈桶形；使得當定子變形，使驅動表面的一端能彼此相向運動(另一端能彼此分離運動)時，有一力施加于平移器的從動表面，從而產生一使平移器朝驅動表面的分開得較寬的端部運動的趨勢。
本發明線性電動機的較佳實施例的特征可歸納如下
i)有一附加的線性軸承構件介于定子驅動表面與平移器從動表面之間，并與它們接觸，該軸承構件最好是此后將要描述的那種類型。
ii)當軸承構件被定子的驅動表面徑向擠壓時，它在壓力作用下可徑向變形，并能夠將軸向力傳遞到平移器的從動表面。
iii)定子和平移器的幾何形狀可以設計成能為在定子內的平移器提供穩定的或不穩定的位置。
iV)定子是一種壓電材料和金屬的螺旋式單態件，或相對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件，在螺旋件的內側和外側上都有一個激勵電極，螺旋圈的軸向寬度與諸圈的圈間隔和徑向厚度相比是大的；以及每一個電極或者是由電阻材料、但仍舊是導電的材料制成的，在一側上的一端的各電阻電極連接于在另一側上的另一端的電阻電極，形成驅動換能器的輸入驅動電極，或者，每一電極在沿著螺旋定子的內軸線長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，在一側一端部上的一個半電極連接于在另一側另一端部上的一個半電極，以形成驅動換能器的輸入電極；這樣，當直流驅動電壓施加在兩電極之間時，螺旋定子一端的半徑增大，而同時，另一端的半徑縮短。
軸承本發明上述的電動機最好使用下面要描述的那種類型的線性軸承。
軸承可采用許多不同的形式，但無論是哪種情況，軸承的目的是允許一個構件體支承在另一個構件體之上，以使它們能相對運動，并在兩者之間沒有過多的浪費能量的摩擦。也許最通常的軸承是用于使一個構件體相對于另一個構件體轉動的那種，但還有許多其它形式的軸承，它們中有一些允許第一個構件體沿第二個構件體的表面平移，即作線性運動。
這樣一種“平移”或“線性”軸承的一眾所周知的品種是輥子。當它沿下面(例如地面)被推動時，輥子支承一放置在其頂部的物體。本發明涉及一新穎品種的輥子狀的平移(線性)軸承系統，它被專門設計成能使兩個同軸安裝成一個在另一個之內的長形物體(類似于望遠鏡，或氣缸內的活塞)被支承成可以作摩擦較小的軸向運動。
本發明的第二主要方面是提供一種線性軸承，它結合了氣胎的某些特征與履帶的特征。更具體地說，本發明建議利用彈性超環面(toroidal)(以下稱環形)軸承構件，它與輪胎的內胎相似，它被裝在軸承體之一(外構件，起套管作用；它通常是固定體)的管狀孔或通道內側并與之同軸，另一軸承體(內構件，一般為桿或管子，它通常是運動體)穿過該軸承體的孔自由滑動。然后內構件穿進超環面體(以下稱環形體)，這樣，所有的三個構件同軸對齊。
環形軸承構件的結構是這樣的，在使用中，它的外側(較長的)周界與外構件的管狀孔/通道的內側表面滾動接觸，它的內側(較短的)周界與內構件的外側表面滾動接觸。此外，兩構件(內外構件)的結構是這樣的，在三構件裝配起來之后，環形構件的管子截面相當扁平，與其徑向范圍相比較，軸向范圍可相當長(徑向范圍受到兩構件之間的間隙的限制)。于是，環形軸承構件的回彈力在內構件體上施加一基本是徑向的定心力，而對軸向運動的唯一的限制歸因于環形體材料中的變形力(這些力可以很小，而且大部分相抵消)。
最終的軸承質量極小，成本很低，徑向對齊(定心)力較強大，對軸向運動的阻力很小，軸向運動幾乎無限制。
因此，在第二方面，本發明提供了一線性軸承，該軸承包括一第一或外軸承體，在該軸承體內有一線性延伸的管狀通道；一第二或內軸承體，可滑動地安裝通道內，以沿通道線運動；以及一可彈性變形、拓撲環形軸承構件，位于兩軸承體構件之間并與它們變形接觸，它位于外軸承體的內側并圍繞通道，并在內軸承體外側圍繞內軸承體，其特點是a)管狀通道內部是平滑的(以便當軸承構件在其上滾動時產生的噪聲很低)；b)內軸承體其質量很小，外面平滑(當軸承構件在其上滾動時產生的噪聲也很低)；c)軸承構件是空心的，其壁很薄，其內充注氣體，它是由小質量的、低滯后作用的材料制成的，對填充氣體的滲透性很低；以及d)軸承構件與內外軸承體滾動密封接觸。
本發明提供了一由外軸承體所形成的線性軸承，一內軸承體可滑動地安裝在該外軸承體中的通道中，以便沿其運動。每一軸承體實際上是軸承所支承的任何裝置或設備的一個部分，但也可以每一軸承體僅僅是軸承的一部分，軸承所支承的對象是分開地連接于及裝在一個或另一個軸承體上的。例如一推桿致動器能直接形成內軸承體，一鏡子可安裝在其上，其位置因此而改變，一滑動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，而另一軸承體類似地與需要在使用中運動的某個設備部分相關聯。在大多數情況下，都是使外體部分固定，而內體部分活動(在上述的第一例子就是如此)，因為這比較方便。
本發明的軸承是線性軸承，換句話說，它的用途是支承某個在使用時需要沿線運動的物體。例如，一個這樣的物體可以是擴音器的運動部分，它驅動錐體或其它移動空氣的部分，而其它的可能性是一印刷機的印刷頭、照相機鏡頭和門開啟裝置的致動器。
本發明的軸承采用一外軸承體，在該外軸承體內安裝有一可滑動的內軸承體。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。例如，對于用作一門開啟裝置，這些體的直徑約為2厘米，由輕質金屬管制成，而對于用作印刷頭支架，1厘米直徑的由合適的塑料制成的桿是較好的。對于需要質量極小的活動部分的軸承，諸如擴音器錐體的驅動器(或其它形式的聲頻換能器)，使內軸承體作為活動體并使它空心，由具有很高的強度與質量之比的包皮的發泡材料制成是有利的。
在本發明軸承的外體內，有一管狀通道，其內安裝著可沿其運動的內體。通道是管狀的，這是說它具有深度并因此構成一三維空間(或通道)，該三維空間或通道延伸入(通常是穿過)外體，從一側到另一側。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。但是對于大多數用途而言，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的，在有些應用場合中，如果需要自定位作用，它可以由一不均勻的部分提供，例如，筒形使軸承構件支承的內體位于通道中心，一收腰的形狀可以使內體定位在任一寬端，而錐形可使定位在較寬的一端。一均勻平行側面的管狀不提供沿通道的位置恢復力，所以處在中性。顯然，通過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“穩定”位置，就象一臺步進電動機，而“狗骨”形狀提供兩個穩定位置，各在有效行程的端部。這將在下面進一步描述。
本發明的軸承外體內的管狀通道是線性延伸的那種。在本文中，術語“線性延伸”指沿一線延伸，而且內體是要沿這條線運動的。此線通常是直線但可以想象得到，有時需要內體沿曲線運動，因此此時管狀通道是彎曲的為合適。該線在許多場合中與通道的橫截面尺寸相比是相當長的，所以通道是深的，但在某些場合中(在某些類型的擴音器中)可有利地采用一其線是相當短的、通道因此是比較淺的軸承。在上述任一情況中，通道都延伸穿過外體，其兩端是敞開的。
在本發明軸承外體的通道中，有一內體可滑動地安裝在其中，以沿其運動。這種內體的尺寸和形狀做得與通道“配合”，即不管以什么樣的方式，要求內體既能配合通道的空間，又能與通道的形狀相匹配。
內體的配合必須是松配合，因為在兩體之間必須為軸承構件留有空間，即一環狀間隙，盡管軸承構件這樣放置時，其形狀由于兩體壓迫它而會變形。該間隙所需要的或可接受的尺寸(或相對尺寸)取決于許多因素，其中最重要的是軸承構件的性質，尤其是它的大小和制造它的材料。如下面將要進一步描述的，當軸承構件是一空心環形物體時，間隙尺寸與軸承構件壁的厚度和它們實際彎曲半徑有關。對于接近無摩擦的運動，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體是否打算在通道內呈中性的，還是具有運動到一預定的位置的趨勢。如果通道是一個其本身具有均勻平行側面的管子形狀的通道，而軸承構件支承的內體有對應的均勻平行側面形狀，則這種形狀不會提供沿通道的位置恢復力，所以是中性的，一筒形內體則被偏置在通道的端部(當在使用時，軸承構件朝某一端部運動，因此在運動方向提供一沿線的力)，一收腰形內體位于通道中心(運動的軸承構件逆著運動方向提供一沿線的力)，一錐形內體促使它位于遠離錐形指向的端部。
應予以理解的是，通過為外體中的管狀孔選擇特定的形狀，為內體選擇合適的匹配形狀，就可以以相當的程度控制內體相對于外體運動的方式。
本發明的內軸承體通過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撲超環面(或稱環形)軸承構件而可滑動地安裝在外軸承體內。構件是拓撲超環面的，即它有超環面拓撲結構(the topology of a toroid)(繞一外軸旋轉的圓錐截面)，盡管實際上不一定要超環面。當然，實際上它可以是一種超環面結構(類似環形圈、O形密封圈或汽車輪胎的內胎)，但其它的拓撲超環面結構(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，對應某些用途，最合適的形狀不是道地的超環面，而是通過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，沿其本身內側朝外地往后卷，然后將其兩端連接在一起(這將在下文中結合附圖進一步描述)的類似拓撲形狀。要求如此形成的超環面的大直徑(在這種情況下，是管子彎曲成圓形時圓的直徑)要比小直徑(即管子橫截面直徑)大的情況下，前面一種類型的結構是較佳的，當大直徑不一定要比小直徑大時，就以后者為較佳。但在任何一種情況下，制造成形的“超環面”軸承構件的材料都沒有相對于超環面的任何優先取向，所以軸承構件能自由滾動，對于后者，成形的“超環面”的橫截面是一個相當扁平的環，各端部的曲率很小，橫截面實際上可以說是“內側朝外”卷的原管子(管子的橫截面對應于“超環面”的大直徑)。
軸承構件是可彈性變形的，也就是說，它是可以通過所施加的力(諸如把它擠壓在內體和外體之間的那些力)而變形的，但當那些力去掉時，它又彈性回到其未變形時的形狀。為了實現這種變形，軸承構件可由本身就能變形的天然或合成橡膠的材料或類似橡膠的材料制成，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。后者形式的構造是較好的，最方便的，軸承構件很象輪胎內胎，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、在某些連續相的其它材料內的分散相氣體)或(切碎)泡沫的小顆粒。
使用空心軸承構件對盡量減少內體與物體之間的被軸承構件穿過的區域中的間隙是很起作用的，因為該間隙與制造構件空心封套的材料的厚度和材料的實際彎曲半徑有關。對于幾乎無摩擦的運動，間隙應該約是厚度的兩倍，但僅僅對于材料也幾乎有較佳撓性的才這樣。否則，實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的空心超環面軸承構件中，注入構件封套內部容積中的材料可以是空氣，使用空氣能使軸承的運動質量達到最小。可以用空氣直接供應到內部容積中，也可以以固體的形式供應，隨后經過一些物理或化學變化轉化為或產生所需的氣體。氣體壓力可調節以提供所需的徑向支撐力，一般而言，這種壓力越低，對運動的軸向阻力越小，而壓力越大，徑向支承負荷的能力越大。可壓縮的氣體能夠為軸承提供程度相當高的徑向柔量和對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散或通過小孔而從封套中滲漏出來，但這可以通過在封套的內側涂覆堵塞氣孔的液體、諸如硅(氧)油來處理，或至少使這種滲漏降到最低程度。
但是，充注內體容積的材料可以是液體，液體通過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荷能力大的軸承。當然，采用充注液體的超環面體的軸承的運動部分的質量超過使用類似的充注氣體的超環面體，對運動的軸向阻力也增加(因為液體的黏性較大)。構件封套材料的彈性決定了軸承的主要的徑向柔量。但液體容易通過氣孔從封套中滲漏出來。
如剛剛描述的充注流體的封套形式的軸承構件可以設置有流體輸入和輸出裝置，以控制封套內的流體量。這樣，在軸承組裝之后，可改變由軸承構件產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位置的函數)。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面軸承構件的小圓周的長度的范圍內。
充注構件封套內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泡的固體材料。例如，發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動阻力。這種固體不會通過擴散或滲漏使軸承中的充注材料損失。
當然，空心軸承構件可充注混合材料，象一些氣體，一些液體，和一些彈性的可壓縮的固體或發泡的固體材料。尤其是，由于氣體的滲漏是一大問題，構件封套內的液體/蒸汽態混合物即使氣體/蒸汽向外泄漏也可用于在一定溫度下在其內維持很穩定的蒸汽壓力。因為留下來的液體能在一給定溫度下繼續提供一相對較恒定的蒸氣壓力。這種液體/蒸汽態軸承設計成通過提供一作為溫度函數的可變軸向負荷支撐力，能對采用該軸承的組件中的其它溫度效應進行自動補償。
本發明的軸承構件位于兩內外體構件之間，關于這方面，幾乎沒有什么再要說明的了。軸承構件圍繞內體設置，并被擠壓在內體與外體內的管狀孔的壁之間。因此，它把內體支撐在外體上(或把外體支撐在內體上)，兩體之間的、從一個接觸表面轉移到另一個接觸表面的負荷被變形(以及在被填滿的空心軸承構造內的內壓中)的力所“吸收”。
在前面所描述的本發明的軸承采用的好象都是單個的軸承構件，但事實上，在一個線性軸承組件內可以有一個、兩個或多個軸承構件，每一個這樣的構件與另一個或其它的構件軸向分開并同軸，但都類似地位于外體與內體之間。這樣一種結構為內體相對于外體的軸向傾斜提供的阻力比等同接觸面積的單個軸承構件大得多，尤其是，如果幾個軸承構件的軸向間隔比它們的軸向體接觸長度大的情況下更是如此。這樣一種結構還更具有通用性，因為在一個軸承中每一個軸承構件都可以設計成具有不同的特征，包括尺寸、變形性和內壓(如果是空心的話)，以適合軸承承受的負荷的性質。
在本發明的單個軸承內使用數個不同的軸承構件特別適合如下的情況，即要求內體和外體的一段應彼此軸向相對運動，然而同時還很接近且可能彼此接觸，諸如螺線管內需要一短磁路的情況。這種多個軸承構件可與內體或外體或兩者的相對橫截面輪廓的增厚一起使用，增厚沿兩體的面對面表面的那些部分，這些部分不會在線性軸承行程的正常范圍之間與軸承構件滾動接觸。這樣，可達到內對外的體間隙比本來能容易地提供的要小。
在本發明的軸承中，內體在外軸承體的通道內運動，并通過一軸承構件可滑動地安裝成能進行這種運動。值得強調的是，當內外體一個相對于另一個運動時，軸承構件在兩者之間滾動，頗象在拇指與食指之間滾動的鉛筆。就是這種滾動效應為軸承提供了摩擦極小的性質，當軸承材料在其線性范圍的兩端部從與一個表面接觸環繞滾動到與另一表面接觸時，這種阻礙運動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。
本發明的軸承所提供的運動范圍只受到兩體的長度的限制，因此，只要內體能保持安裝在外體內即可(軸承構件以內體/外體相對運動速度的一半運動，因而運動的距離也是一半)。但是，除非另被控制或確定，最好對相對的體運動提供一些機械限制，以防止一體相對于另一體運動得太遠，以致它脫離或離開另一體。
本發明的線性軸承也許可稱為包括
一外軸承體(外)，一空心的拓撲超環面撓性軸承構件(超環面體)，一內軸承體(內)，外軸承體有一與一中空拓撲環形撓性軸承構件同軸并與之自由流動表面接觸的管狀通道，而拓撲環形撓性軸承本身與內軸承體共軸并與之自由滾動表面接觸。
可以看到，本發明提供了一質量極小的成本很低的線性軸承，這種軸承的徑向對齊(定心)力較強大，對軸向運動的阻力很小，軸向運動無限制，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面構造的軸承構件，使用時，超環面體繞其小圓周在支承表面上滾動，這種滾動內在地使超環面體的材料變形。在其最簡單的形式中，一空心的彈性(例如橡膠)超環面體設置成具有遠比其大直徑小的小直徑。超環面體的大小是這樣的，充氣時，它的外側(較長的)邊界與管狀通道的內側表面滾動接觸，它內側(較短的)邊界與桿狀運動體接觸，還使超環面體的管子截面相當扁平，其軸向尺度(沿通道軸線方向)比徑向尺度(受到內體與外管狀套管之間的間隙限制)大得多。充氣超環面體的內壓在內體上提供徑向的對中力，而對軸向運動的唯一的限制歸因于超環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，滑動伴隨著基本為零的軸向彈簧類(例如返回)的力，因為所有這些力都被平衡。但是，如果內體(或外套管的內側)的側面是不平行而是錐形，或收腰的，那么就可設置成超環面體的內壓除了提供徑向支承力之外還提供軸向力。通過仔細地設計這些錐度或腰部，可以對力進行很精細的調節，也可以得到很小的力/距離的關系(模仿在一小空間中的很長彈簧的效果)。
下面結合附圖描述本發明兩個方面的實施例，但實施例僅僅是作為舉例說明之用，附圖中

圖1A，B示出了較佳圓筒形式的線性電動機的縱向(軸向)橫截面，其中定子起初處在未驅動變形的狀態，后來處在驅動變形狀態，使平移器的底部被擠壓；圖2A，B是兩類似的剖視圖，它們示出了一種聲頻換能器，兩不同的壓電定子各有一個平移器和一個超環面線性軸承構件；圖3A，B是兩類似的剖視圖，它們示出了一種具有圓頂端蓋的、通過一線性軸承構件安裝在螺旋壓電彎曲件定子內的小質量平移器；圖4是一縱向(軸向)剖視圖，它示出了本發明一側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，其中內活動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，其中使用了兩個充分分開的超環面體；圖8示出了圖7的一個變體，在兩個移動體之間的間隙；圖9A，B是另一種形式的線性軸承組件的兩個視圖，其中半徑相當大的內體在其外體內僅僅運動一小段距離，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，描繪用于本發明軸承中的“超環面”軸承構件的結構(圖10D是與圖10C相配的橫截面)。
圖1所示的線性電動機包括一定子(1)，它具有一使同軸對齊的平移器(2)在其中軸向運動的管狀通道(4)，并可在一支承裝置(3圖中僅示意性地示出)上滑動。在圖1A中，所示的定子l處在未驅動的狀態，所以，它的內驅動表面(5)與其軸線平行，沒有凈軸向力施加到平移器2上。在圖1B中，所示定子1的一極被驅動，通道(4)的上端徑向擴大，下端徑向收縮。在這個例子中，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。現在有一個相對于定子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動。如果給定子的驅動信號極性反過來，則定子的頂部徑向地收縮，而底部徑向擴張，傳遞到平移器的力將使它朝下運動。
圖2A沿中心軸線橫截面示出了線性電動機的構造。電動機包括一由一(可能充氣)滾動圓環(rolling toroid)7形式的線性軸承構件支承的圓筒形平移器(13)，該滾動圓環7在一圓筒形定子(12)內滾動。定子12由壓電材料制成，使它能響應在其內外表面上的導電電極14，28和29，18所施加的電場而改變形狀。這些電極14，28，29和18的連接是通過圓筒12每一端的導電電極環端子10，16，11，17進行的，這些端子是一內左端子圈(環)16和外左端子圈(環)17，內右端子圈(環)10和一外右端子圈(環)11(“左”和“右”如圖所示)。使用時，外左端子圈(環)17與內右端子圈(環)10平行連接，內左端子圈(環)16與外右端子圈(環)1 1平行連接。然后這些成對的輸入端子17，10和16，11各連接到電氣驅動源(未示出)的兩輸出端子的一個上。由于電極14，28，29，18是導電的，所以當電壓施加在上述的端子之間時，在圓筒的外側與內側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，這就會在圓筒12一端的內外側之間形成一個極性的偏轉電壓(等于源電壓)，以及在圓筒12的另一端的內外側之間的形成另一極性的相等偏轉電壓。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。源電壓的極性反過來就使較寬端和較窄端相互交換。這樣，圓筒12被驅動使平移器13依靠環形軸承構件7的壓縮和變形而沿圓筒上下移動。
圖2B沿中心軸線橫截面示出了一類似于圖2A所示的線性電動機的構造，但它有不同的電極構造。定子12也是由壓電材料制成的，使它能響應其內外表面上的均勻電阻電極30和31所施加的電場而改變形狀。這些電阻電極30，31的連接是通過圓筒12每一端的導電電極環狀端子、即內外左端子圈(環)16，17和內外右端子圈(環)10，11進行的。使用時，外左端子17與內右端子10平行連接，內左端子16與外右端子11平行連接。然后這些成對的輸入端子17，10和16，11各連接到電氣驅動源(未示出)的兩輸出端子的一個上。由于電極30和31是均勻電阻性的，所以當電壓施加在上述的電極兩端之間時，沿圓筒的外側與內側表面就建立起均勻的電壓梯度，內側的梯度方向與外側的梯度方向相反。有了上述的連接，這就會在圓筒12一端的內外側之間形成最大的一個極性的偏轉電壓(等于源電壓)，沿圓筒中間的圓周線的圓筒內外側之間的電壓均勻地下降為零，然后在圓筒12另一端的內外側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。源電壓的極性反過來使較寬端和較窄端相互交換。這樣，圓筒12被驅動使平移器13依靠環形軸承構件7的壓縮和變形而沿圓筒移動。
另一種電極結構也可用于圖2B所示的系統電極30，31的一個或另一個(但不是兩個)由導電的而不是電阻性材料制成，在這種情況下需要一推挽驅動電壓，其中共用的驅動源連接于導電電極的端部端子(例如如果30是導電的，則連接于10和16，或者，如果31是導電的，則連接于11和17)，驅動源的兩個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)。這種結構仍然從內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，導致圓筒產生一類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(unimorph)或雙態(bimorph)器件)的定子8內，并通過一在此描述的滾動形線性軸承7而與定子分開，線性軸承7通過良好的軸向對齊提供極小的摩擦，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換成軸向力。實際上，平移器6可以有略微收腰的外形，以替代軸向絕對平行的外形，以向平移器提供輕微的靜態對中力。定子8內側上的導電電極24，25和外側上的導電電極22，23在機械和電氣結構上都是不連續的式中斷的(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。運行時，上外側電極22連接于下內側電極25，上內側電極24連接于下外側電極23。施加在螺旋形的定子的成對的電極22，25與24，23之間的直流電信號將使一端徑向擴大，而另一端徑向收縮。直流電信號反過來將使原先擴大的那端收縮，原先收縮的那端擴大。
圖3B示出了一類似于上述圖3A所示的螺旋形彎曲件電動機，但用一對電阻電極20，21來替代兩對分離的電極22，23和24，25(與圖2B的圓筒電動機結構是圖2A圓筒電動機的變化一樣)。在螺旋狀圓筒輪廓的每一端部，即在底部的內側28和頂部的內側29，在底部的外側27和在頂部的外側30，加上一對導電的圈(環)電極。它們28對30、29對27成對地電氣連接在一起。最后，這些對子用作輸入端子連接到驅動電源，即28和30連接到一個電源輸出端子，29和27連接到另一電源端子(未示出)。這樣就沿螺旋形的內外側的長度、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電勢，然后平穩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電勢。這又導致圓筒螺旋形輪廓幾乎完美地變形到平頭圓錐形。
圖4示出本發明平行側線性軸承組件。軸承包括一外本體101，該外本體101有一使一個同軸對齊的內本體102可在其中軸向移動的管狀通道108，內本體102通過一柔性空心的超環面軸承構件103而與本體101分開，從該圖中看，軸承構件103是相當扁平的。超環面體103與內外本體101和103同軸，它包圍內本體102，但又被外本體101所包圍。超環面體103的內部容積104中充有流體。
內外本體101和102和超環面體103的尺寸定為能使超環面體103與本體101和102保持緊密接觸，從而當內本體102沿雙箭頭A<-->B指示的方向軸向移動時，超環面體103的表面能在外本體101的內表面上和內本體102的外表面上滾動，由于是滾動動作因而沒有滑動摩擦。靜態摩擦能阻止外本體101與超環面體103的配合面之間和超環面體103與內本體102的配合面之間相對運動，但在本體101和102的軸向相對運動過程中，通過這種機構沒有摩擦損失。超環面體103的內壓可以在組裝時在對軸承的運動摩擦沒有任何顯著影響的情況下調節以在本體101，102之間提供所需的徑向支承力。運動的主要阻力是由制造超環面體103的材料的撓性阻力所引起的，這可通過對超環面體103使用適當薄的材料和對材料的選擇來使之降低。
如果超環面體103沒有結合到本體101，102中的任何一個，那么原則上兩本體101，102之間的軸向相對運動的范圍除本體101和102在A<-->B方向的大小之外不受其它限制。
在圖5實施例中，超環面體103設置有一穿過外本體101壁的充注流體的連接部105，這樣在軸承組裝之后也可對超環面體103內的容積104內壓進行調節。這樣就可以動態地改變軸承的特征，以及如果出現滲漏可以用加壓流體加滿超環形體103。
由于圖4中外本體101的內橫截面(即垂直于軸線)輪廓和內本體102的外輪廓與A<-->B方向上位置無關，所以當本體101和102彼此軸向相對移動時，超環面體103的容積不改變。因此，任何由內壓引起的力被平衡，沒有與這樣一種線性軸承相關聯的彈性力，即沒有由于本體101和102的特定的軸向相對位置引起的靜態力。但是，如果外本體101的輪廓，或內本體102(或兩個)的輪廓隨位置改變，那么，線性軸承具有內置軸向力特征就變得可能了。圖6A，B示出了內本體102具有朝向中心的錐形輪廓的線性軸承，作為提出一產生軸向力/距離關系的這種技術的一個例子。
在這些實施例中，當內本體102在所示的軸向位置是在超環面體103的軸向中心時，超環面體103具有最大容積。如果內本體102在超環面體103上滾動軸向地離開該位置，內本體102的輪廓將進一步壓縮超環面體103，其結果是將在內本體102上產生一欲把它恢復到原來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本體102長度的圓形。縮小改變輪廓的半徑即使內本體102收腰收得更進些，將對于內本體從中心位置的給定位移產生一較強的恢復力。增大改變輪廓的半徑使這種恢復力下降，在極限情況下，當輪廓半徑無限大時，即內本體102具有平行的側面時，那么恢復力是零，并與內本體102的相對軸向位置無關。
圖6B示出了利用這種線性軸承的獨特特性的一種應用。圖中，內本體102對給質量是一非常輕巧的薄殼體。內本體102的收腰錐形的外輪廓提供了一將使本體在沒有其它力的情況下回到固定位置的小對中力。內本體102的一端用一半球形殼體封閉。
如果外本體101做成一電磁電動機單元的一部分，一磁極零件安裝在內本體102的內(空心)腔內，那么組件形成一行程很長的電動機驅動的活塞，其中內本體102作為活塞。由于運動質量基本上是殼體、內本體102加上任何電磁元件(例如一線圈)，如果超環面體103是由薄的彈性體制成并充注氣體，則懸浮系統只加上很小的質量，由于恢復力可以做得盡可能的小，而這種線性支承懸浮系統可能有很長的行程，因此可以用這樣一種軸承結構構造具有低頻大動力輸出的聲波換能器(由于其相對于活塞直徑的很長的行程)，但它還可輕到足可以以很高的頻率運行。
當需要一固定長度的超環面軸承具有對軸向傾斜的抵抗力比它在給定內壓時所能承受的要大時，可在同一個軸承中使用一個以上的超環面體。圖7示出了在一個線性軸承中使用兩個超環面體的一個例子。圖中示出使用兩個分開的超環面體103，106。超環面體103與106之間的間隔越大，在所有其它的參數相等的情況下，軸承的軸向傾斜抵抗力也越大。這樣一種設備的通用性比只包括一個其長度可與兩個(或更多)分開的超環面體的間隔相比的超環面體的軸承要強，因為例如，可以對分開的超環面體給以不同的特性(例如一個可比另一個硬，具有不同的外徑，或具有不同的內壓)。這種機動性使線性軸承對于任何給定的應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描述過的雙超環面體懸浮系統、和加厚外本體101(如107所示)的運動本體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，那是因為對超環面體103和106的運行，107周圍的軸向區域不再需要，超環面體103和106在本體101與102之間在所需的正常行程范圍內只在107任一側的軸向區域中滾動。通過在107所示的區域周圍加厚內本體來替代加厚外本體101，或甚至本體101和102都加厚，可以獲得類似的效果。
圖9所示的組件的其一半徑相當大的、由很輕的材料制成的內本體102只在其外本體101內運動一小段距離。內本體略微收腰，以提供一輕微的恢復力。這樣一種組件適合用作聲頻換能器，內本體本身是換能器元件，當它通過合適的電信號被(未示出的裝置)激勵時，它的最終沿外本體的運動前后推動周圍的空氣，以形成聲波。
圖10A-C示出一代表用在本發明軸承中的一超環面軸承構件構造的“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、內側向外往后卷(圖10B)，然后其兩端部113連接在一起，結果形成一封閉的容積114，這可以從圖10C(和圖10D)中看出。這類構造內容易地制造外徑不是顯著大于內徑的那種“超環面體”。制造呈超環面軸承構件的材料相對于“超環面體”沒有優先取向，所以軸承構件能自由滾動。
權利要求
1.一種線性軸承，該軸承包括一第一或外軸承體，在該軸承體內有一線性延伸的管狀通道；一第二或內軸承體，可滑動地安裝在該通道內，以沿其線運動；以及一可彈性變形、拓撲超環面軸承構件，位于兩軸承體構件之間并與它們變形接觸，它位于外軸承體的內側并圍繞通道，并在內軸承體外側并圍繞內軸承體。
2.如權利要求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.如前述權利要求中的任一項所述的線性軸承，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.如前述權利要求中的任一項所述的線性軸承，其特征在于，管狀通道沿直線延伸。
5.如前述權利要求中的任一項所述的線性軸承，其特征在于，內體的橫截面是圓形的。
6.如前述權利要求中的任一項所述的線性軸承，其特征在于，內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.如前述權利要求中的任一項所述的線性軸承，其特征在于，軸承構件所具有的形狀和形式是這樣實現的，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，將管子沿其本身內朝外地往后卷，然后將其兩端連接在一起。
8.如前述權利要求中的任一項所述的線性軸承，其特征在于，軸承構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.如權利要求8所述的線性軸承，其特征在于，軸承構件是一由撓性天然或合成橡膠制成的、內充注加壓氣體、輕油或泡沫或許多泡沫小顆粒的空心體。
10.如前述權利要求中的任一項所述的線性軸承，其特征在于，軸承構件為充注流體的封套，它設置有流體輸入和輸出裝置，這樣就能控制內部流體的量。
11.如前述權利要求中的任一項所述的線性軸承，其特征在于，軸承采用一個以上的軸承構件，每一這樣的軸承構件彼此軸向分開并與其他軸承構件同軸。
12.如前述權利要求中的任一項所述的線性軸承，其特征在于，對體的相對運動提供機械約束或端部止動件。
13.一種線性軸承，如前述權利要求中的任一項所述以及基本上如后面所述。
14.一線性電動機，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動，其中定子在運行中提供一幾乎在與定子線垂直的方向上對平移器的橫向擠出力；以及或者，平移器沿其運動方向有一略呈錐形的側面輪廓(可以是固有的，也可以在被定子如此擠壓時形成的)，或者，平移器通過力傳遞軸承安裝在定子上，當它被定子如此擠壓時，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，擠壓的結果是在平移器上產生一幾乎與擠壓力垂直的、并因而是沿定子線的合力。
15.如權利要求14所述的線性電動機，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.如權利要求15所述的線性電動機，其特征在于，定子是一圍繞平移器的并與之同軸的管子。
17.如權利要求14至16的任何一項所述的線性電動機，其特征在于，定子和平移器與一個或多個設置成平移器能沿定子以極小的摩擦運動的軸承構件相配合。
18.如權利要求17所述的線性電動機，其特征在于，軸承構件是權利要求1至13中的任何一項所闡述的線性軸承裝置。
19.如權利要求14至18的任何一項所述的線性電動機，其特征在于，定子由一種被適當施加的電壓所驅動的壓電材料制成。
20.如權利要求19所述的線性電動機，其特征在于，定子是由一內外涂敷金屬、用作電輸入接觸點的薄圓筒壓電材料制成，當施加一電壓時，該材料收縮或膨脹，從而使整個圓筒的半徑收縮或擴大。
21.如權利要求20所述的線性電動機，其特征在于，內外表面上的金屬涂層沿圓筒軸向一半處的內外圓周線被分成兩個相等的面積，而且一端的內側連接于另一端的外側，或相反，即一端的外側連接于另一端的內側，當施加輸入電壓時將會使圓筒一端的半徑增大，而另一端縮小。
22.如權利要求19所述的線性電動機，其特征在于，定子是由具有內外側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每一層施加的一電壓將沿層的方向逐漸下降。
23.如權利要求22所述的線性電動機，其特征在于，在每一(內外)表面的每一端部具有用于施加電源的導電電極，每一導電電極為其軸向長度可忽略的、圍繞表面的并連接到電阻性電極涂層的軸向端部的環或圈，其中，一端的內環或圈電極連接到另一端的外環或圈電極，而在該一端的外環或圈電極連接到另一端的內環或圈電極，然后驅動電壓可連接地橫過在定子的一端或另一端的兩電極環或圈。
24.如權利要求19至23中的任一項所述的線性電動機，其特征在于，定子做成標準的單態或雙態‘壓電彎曲件’構造器件。
25.如權利要求24所述的線性電動機，其特征在于，定子的壓電圓筒的內側或外側上形成有硬金屬內襯，在圓筒上進行螺旋形切割，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.如權利要求25所述的線性電動機，其特征在于，用極性與原來的壓電圓筒相反的壓電材料替代金屬內襯，這樣提供一典型的雙態“彎曲件”構造。
27.一種如權利要求14至26中的任一項所述以及基本上如前面所述的線性電動機。
28.一種如權利要求14至27中的任何一項所述的線性電動機構造而成的聲頻換能器。
全文摘要
本發明提供一種線性電動機,它包括一支承平移器的線性延伸的定子,定子在運行中提供一幾乎在與定子線垂直的方向對平移器的橫向擠出力,平移器或沿其運動方向有一略呈鏈形的輪廓,或通過力傳遞軸承安裝在定子上,當它被如此擠壓成略呈錐形,其結果是在平移器上產生一沿定子線的合力。本發明還采用彈性超環面軸承構件,它裝在一套管狀的外軸承體中的管狀通道內側并與之同軸,一內軸承體穿過該外軸承體的通道自由滑動。所有的三個構件同軸對齊。
文檔編號H02K7/08GK1246914SQ9880238
公開日2000年3月8日 申請日期1998年2月9日 優先權日1997年2月11日
發明者安東尼·胡利 申請人:1...Ipr有限公司