专利名称：场发射系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及场发射系统和方法。更具体地，本发明涉及这样一种系统和方法，其中相关磁和/或电场结构产生与场发射结构的相对对齐和空间力函数相关的空间力。
背景技术：
磁场的对齐特征已经被用于实现物体的精确移动和定位。交流(AC)电动机的工作的关键原理在于永磁体旋转以保持其在外部旋转磁场内的对齐。此效应是包括“电磁电动机(Electro Magnetic Motor) ”的早期AC电动机的基础，Nikola Tesla因为该电磁电动机于1888年5月1日被授予美国专利，专利号为381,968。1938年1月19日，MariusLavet因为步进电动机被授予法国专利，专利号为823，395，他首先将步进电动机应用在石英表中。步进电动机将电动机的全程旋转分成不连续数量的梯级。通过控制电动机周围的电磁体的激励和去激励的时间，电动机的位置能够受到精确控制。计算机控制的步进电动机是定位系统的最通用形式中的一种。它们一般作为开环系统的一部分被数字地控制，并且比闭环伺服系统更加简单和粗糙。它们被用于工业高速拣选和布置设备和多轴计算机数字控制(CNC)机械中。在激光和光学场中它们经常被用在精确定位设备例如线性执行机构、线性平台、旋转平台、测角仪、和镜固定架中。它们被用在包装机械，和在流体控制系统的阀的导向阶段的定位中。它们还被用在很多商业产品包括软盘驱动、台式扫描仪、打印机、绘图仪和类似的产品中。虽然磁场的对齐特征被用在某些特定的工业环境中和相对有限数量的商业产品中，它们用于精确对齐的目的一般被限定在一定范围内。对于其中物体的对齐非常重要的大多数工艺(例如，住宅建造)来说，相对原始的技术和工具(例如木匠角尺和水平仪)被更普遍采用。而且，用于将物体附接在一起的长效工具和机械例如锤子和钉子；螺丝刀和螺丝；扳手与螺母和螺栓；等当与原始对齐技术结合使用时会导致远不够精确的住宅建造，当房屋倒塌、屋顶在风暴中被吹落等时这一般会导致伤亡。通常，一般人日益习惯的直接导致组装好的物体不精确对齐的多数工艺中会存在可观数量的时间和精力的浪费。机加工部分更快磨损，发动机不够有效，从而导致更高污染，建筑和桥梁由于不恰当的建造而倒
+B绝绝丄羽J寸寸O已经发现多种场发射特性能够被应用在广泛领域的实际应用中。
发明内容
简单地说，本发明是一种改进的场发射系统和方法。本发明涉及场发射结构，所述场发射结构包括拥有与所需空间力函数相对应的量值、极性、和位置的电场源或者磁场源，在此基于场发射结构与空间力函数的相对对齐产生空间力。本发明在此有时被称为相关磁性、相关场发射、相关磁体、编码磁体、编码磁性、或者编码场发射。根据本发明布置的磁体结构有时被称为编码磁体结构、编码结构、场发射结构、磁场发射结构、和编码磁性结构。传统地(或者“自然”)布置的磁体结构(其中它们相互作用的磁极交替)在此被称为非相关磁性、非相关磁体、非编码磁性、非编码磁体、非编码结构、或者非编码场发射。根据本发明的一个实施例，一种场发射系统包括第一场发射结构和第二场发射结构。第一和第二场发射结构的每一个均包括场发射源的阵列，每个场发射源具有与所需的空间力函数相关的位置和极性，所述空间力函数对应于第一和第二场发射结构在场域内的相对对齐。每一场发射源阵列中的每一个场发射源的位置和极性能够根据至少一个相关函数确定。所述至少一个相关函数能够与至少一个编码一致。所述至少一个编码可为伪随机编码、确定性编码、或者设计编码中的至少一个。所述至少一个编码可为一维编码、二维编码、三维编码、或者四维编码。每个场发射源阵列中的每一个场发射源具有根据所需空间力函数确定的相应的场发射振幅和矢量方向，在此第一场发射结构与第二场发射结构之间的间隔距离和第一场发射结构与第二场发射结构的相对对齐根据所需空间力函数产生了空间力。空间力包括吸引空间力或者排斥空间力中的至少一种。当所述第一场发射结构和第二场发射结构基本对齐时空间力对应于所述所需空间力函数的峰值空间力，以使所述第一场发射结构的每一个场发射源与所述第二场发射结构的相应场发射源基本对齐。空间力能够被用于产生能量、 传递能量、移动物体、固定物体、使功能自动化、控制工具、制造声音、加热环境、冷却环境、 影响环境的压力、控制流体的流动、控制气体的流动、和控制离心力。在一种布置下，当第一发射结构和第二场发射结构并未基本对齐时空间力一般为大约小于峰值空间力的数量级以使所述第一场发射结构的场发射源与所述第二场发射结构的相应场发射源基本对齐。场域对应于来自于第一场发射结构的第一场发射源阵列的场发射，该场发射与来自于第二场发射结构的第二场发射源阵列的场发射相互作用。第一场发射结构与第二场发射结构的相对对齐能够由第一场发射结构与第二场发射结构中至少一个的各自移动路径函数产生，其中各自移动路径函数是一维移动路径函数、二维移动路径函数或者三维移动路径函数中的一个。各自移动路径函数可为线性移动路径函数、非线性移动路径函数、旋转移动路径函数、圆柱形移动路径函数、或者球形移动路径函数中的至少一个。各自移动路径函数为第一场发射结构和第二场发射结构中的至少一个限定了移动时间比，其中移动可为前进移动、后退移动、向上移动、向下移动、向左移动、向右移动、偏转、倾斜、和或滚动中的至少一个。在一种布置下，移动路径函数将限定具有随时间改变的方向和幅度的移动矢量。每个场发射源阵列均可为一维阵列、二维阵列、或者三维阵列中的一个。场发射源的极性可为南-北极或者正-负极中的至少一个。场发射源中的至少一个包括磁场发射源或者电场发射源。场发射源中的至少一个可为永磁体、电磁体、电永磁体、驻极体、磁化磁铁材料、磁化磁铁材料的一部分、软磁材料、或者超导磁性材料。第一场发射结构和第二场发射结构中的至少一个可为后保持层、前可饱和层、有源中间元件、无源中间元件、杆、闩、转环、热源、散热片、感应线圈、镀铬线、嵌入线、或者抑制机制中的至少一个。第一场发射结和第二场发射结构中的至少一个可为平面结构、圆锥结构、圆柱结构、曲面、或者阶梯面。根据本发明的另一个实施例，一种控制场发射的方法包括限定与场域内的第一场发射结构和第二场发射结构的相对对齐相对应的所需空间力函数，并且根据所需空间力函数确定与第一场发射结构相对应的第一阵列场发射源中每一个场发射源的位置和极性
5以及与第二场发射结构相对应的第二阵列场发射源中每一个场发射源的位置和极性。根据本发明的另一个实施例，一种场发射系统包括第一场发射结构和第二场发射结构，第一场发射结构包括具有根据第一相关函数的位置和极性的多个第一场发射源，第二场发射结构包括具有根据第二相关函数的位置和极性的多个第二场发射源，第一相关函数和第二相关函数对应于所需的空间力函数，第一相关函数与第二相关函数互补以使所述多个第一场发射源的每一个场发射源均具有与多个第二场发射源的相应的配对场发射源，并且当每个场发射源配对部分基本对齐时第一场发射结构和第二场发射结构将基本相关。
将参考附图描述本发明。在附图中，相同的附图标记代表同样的或者功能相似的元件。另外，附图标记最左面的数字代表附图标记第一次在其中出现的图。图1示出了在它的表面下方具有二维电磁阵列的桌子，其中具有接触件的典型移动平台能够通过改变电磁阵列的单个电磁体的状态而移动，该接触件具有磁场发射结构；图2A-2E示出了根据本发明的电永磁体装置的五个状态；图3A示出了根据本发明的可替换电永磁体装置；以及图;3B示出了具有线性布置的七个嵌入式线圈的永磁体材料。
具体实施例方式现将参考附图对本发明进行更完整的详细描述，其中本发明的优选实施例被示出。然而，不应将本发明解释为局限于文中所描述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使此公开更加彻底和完整并且将本发明的范围完全传达给本领域普通技术人员。自始至终相同的附图标记指代相同的元件。根据本发明，磁(或者电)场发射源的组合，在此被称为磁场发射结构，能够根据具有所需相关特性的编码创建。当磁场发射结构与互补(或者镜像)磁场发射结构对齐时，各种磁场发射源全部对齐导致产生峰值空间吸引力，借此磁场发射结构的未对齐导致各个磁场发射源作为用于设计结构的编码的函数相互抵消。类似地，当磁场发射结构与一完全相同的磁场发射结构对齐时各个磁场发射源全部对齐导致产生峰值空间排斥力，借此磁场发射结构的未对齐导致各个磁场发射源基本互相抵消。因此，根据场发射结构的相对对齐和空间力函数产生空间力。正如在此所描述的，这些空间力函数能够被用于实现精确对齐和精确定位。而且，这些空间力函数能够精确控制磁场和相关空间力，因此能够实现新形式的用于以精确对齐方式附接物体的附接装置和用于控制物体的精确移动的新系统和方法。通常，空间力拥有这样的量值，该量值是两个磁场发射结构的相对对齐和它们的相应空间力(或者相关)函数、这两个磁场发射结构之间的间隔(或者距离)、和组成这两个磁场发射结构的源的磁场强度和极性的函数。当两个磁场发射结构对齐时组成这两个磁场发射结构的各个磁场源能够借以有效地相互抵消的本发明特征能够被描述为释放力(或者释放机构)。此释放力或者释放机构是用于产生磁场发射结构的相关编码的直接结果并且不管磁场发射结构的对齐是否对应于排斥力或者吸引力，取决于所采用的编码，此释放力或者释放机构均能够存在。
编码理论技术领域的普通技术人员将认识到存在具有不同相关特性的许多不同类型的编码，它们已经被用在信道化目的通信、能量展布、调制、和其他目的。此类编码的许多基本特征使得它们适用于产生在本文所描述的磁场发射结构。例如，Barker编码由于它们的自动相关特性而为人所知。虽然，Barker编码在此被用作示例目的，但其它形式的编码(由于其自动相关、交叉相关、或者其它特性而在本领域也广为人知)同样适用于本发明，这些编码包括，例如，Gold编码(黄金码)、Kasami序列、双曲线同余编码、二次同余编码、线性同余编码、Wfelch-Costas阵列编码、Golomb-Costas阵列编码、伪随机编码、混沌编码、和最优Golomb Ruler编码。一般，任何编码都能够被采用。本发明的相关原理可需要或者可不需要采用保持机构克服通常的“磁定向”行为。例如，相同磁场发射结构的磁体能够与其他磁体稀疏地分离(例如，在稀疏阵列中)，以使得各个磁体的磁力基本不会相互作用，在此情况下各个磁体的极性能够随编码而改变而不需要较大的保持力来阻止磁力使磁体“翻转(flipping)”。磁体足够接近以使它们的磁力基本相互作用，因此它们的磁力一般将导致它们之一“翻转”，因此通过采用例如粘合剂、螺钉、螺栓和螺母等保持机构能够将它们的移动矢量对齐保持在所需方向上。图1示出了具有二维电磁阵列104的桌子102，电磁阵列104位于桌子的表面下面，正如通过切口所见的。包括至少一个桌子接触件108的移动平台106位于桌子102上。移动平台106被示出为具有四个桌子接触件108，每一个桌子接触件均具有能够被电磁阵列104吸引的磁场发射结构110a。电磁阵列104的各个电磁体的状态的计算机控制判定它们是打开或是关闭并且确定它们的极性。第一示例110示出了电磁阵列104的状态，该电磁阵列被构造成用于使桌子接触件10中之一吸引与磁场发射结构IlOb相对应的电磁体的一个子集。第二示例112示出了电磁阵列104的不同状态，该电磁阵列被构造成使桌子接触件108被吸引(即，移动)到与磁场发射结构IlOb相对应的电磁体的一个不同子集。根据这两个示例，本领域普通技术人员能够认识到通过改变电磁阵列104的电磁体的状态能够使桌子接触件相对于桌子102移动。如前所述，电磁体能够被用于产生磁场发射结构，借此能够改变电磁体的状态以改变由编码限定的空间力函数。如下所述，电-永磁体同样能够被用于产生此类磁场发射结构。一般，磁场发射结构可以包括磁场发射源(例如，电磁体和/或电-永磁体)阵列，每个磁场发射源具有关于空间力函数的位置和极性，其中与磁场发射源中的至少一个有关的至少一个电流源能够被用于产生电流以改变空间力函数。图加到加示出了根据本发明的电-永磁体装置的五个状态。参考图加，电-永磁体装置包括控制器202，该控制器输出电流方向控制信号204至电流方向开关206，以及输出脉冲触发信号208至脉冲发生器210。当脉冲发生器210接收脉冲触发信号208时产生脉冲216，该脉冲在由电流方向控制信号204确定的方向上通过至少一个线圈214围绕永磁体材料212传播。永磁体材料212能够拥有三种状态无磁化、具有南-北极性的磁化、或者具有北-南极性的磁化。永磁体材料212之所以被如此命名是因为它将保持它的磁极性直到所述极性通过接收脉冲216而被改变。在图加中，永磁体材料处于它的无磁化状态。在图2b中，在第一方向上产生脉冲216，这使得永磁体材料212获得它的南-北极性状态(根据观察图示选择的符号)。在图2c中，在相反方向上产生第二个脉冲216，这使得永磁体再次获得它的无磁化状态。在图2d中，在与第二个脉冲相同的方向上产生第三个脉冲216，这使得永磁体材料212变为获得它的北-南极性状态。在图加中，在与第一个脉冲 216相同的方向上产生第四个脉冲216，这使得永磁体材料212再次变为无磁化的。因此， 本领域普通技术人员将认识到，控制器202能够控制脉冲的时间和方向以在这三个状态之间控制永磁体材料212的状态，其中方向性的脉冲或者使永磁体材料212具有所需极性的磁性或者使永磁体材料212消磁。图3a示出了根据本发明的一种可替换电-永磁体装置。参考图3a，此可替换电-永磁体除了永磁体材料包括嵌入线圈300之外与图中所示出的相同。如图中所示出的，嵌入线圈被连接至与电流方向开关206相连的两根导线302。脉冲发生器210和电流方向开关206被集成在一起成为有向脉冲发生器304，其接收来自于控制器202的电流方向控制信号204和脉冲触发信号208。图北示出了具有七个线性布置的嵌入线圈300a-300g的永磁体材料212。嵌入线圈300a-300g具有连接至七个有向脉冲发生器3(Ma-304g的相应导线3(^a_302g，它们通过七个电流方向控制信号204a-204g和七个脉冲触发信号208a_208g由控制器202控制。本领域普通技术人员将认识到此类嵌入线圈的多种布置(包括二维布置和三维布置)均能够被采用。一个示例性二维布置能够与桌子(类似于图1中所示出的桌子)结合使用。本发明的示例性应用包括 基于位置的功能控制。 陀螺仪、线性马达、风扇马达。 精确测量、精确计时。·计算机数字控制机器。·线性执行机构、线性平台、旋转平台、测角仪、镜固定架。 气缸、涡轮、发动机(非受热轻量材料)。 用于食品储存的密封。 脚手架。 结构梁、桁架、交叉撑条。 桥梁建造材料(桁架)。 壁结构(双头螺柱、面板，等)、底板、天花板、屋顶。 用于屋顶的磁性屋顶板。 家具(组装和定位)。 画框、画架。 儿童安全座椅。 安全带、马具、马饰。 轮椅、病床。 玩具-自组装玩具、迷宫、积木(例如，Legos、磁性块)。 手动工具-切割、改锥、钻、锯，等。 精密机械工具-钻床、车床、磨床、压床。 机器人移动控制。 装配线-物体移动控制、自动化零件组装。 包装机械。
墙壁挂件-用于工具、扫帚、梯子，等等。 压力控制系统、精密液压。 牵引装置(例如，攀爬建筑物的窗子清洁器)。 气/液流速控制系统、管道系统、通风控制系统。·门/窗密封、艇/船/潜水艇/空间飞行器舱口密封。 飓风/风暴防风盖、快速组装家用龙卷风避难所/雪窗盖/用于门窗的空建筑物封盖(例如，小屋)。 门闩-户外门(狗保护)、儿童安全门闩(儿童保护)。 衣服纽扣、鞋/靴扣。 抽屉/柜门扣件。 儿童安全装置-用于器具、厕所等的锁定机构。 保险柜、安全处方药品存储。 快速捕捉/释放商业捕鱼网、蟹笼。 能量转换-风、下落的水、波移动。 能量清除-从轮等中。 麦克风、扬声器。 空间应用(例如，密封、用于太空人把持/站立的抓持位置)。 通过磁场控制的模拟-数字(反之亦然)转换。 相关编码的使用，用于影响硅片中的电路特征。 相关编码的使用，用于影响纳米机械的特性(力、扭矩、旋转和平移)。 用于修复术膝盖、肩部、臀部、脚踝、腕部等的球窝关节。·用于机械臂的球窝接合。·沿相关磁场轨迹移动的机器人。 相关手套、鞋。 相关机械“手”(用于对物体执行移动、放置、提升、定向等操作的所有种类的机构均能够应用本发明的物体)。 通信/符号体系。 雪橇/滑板/轮滑鞋/滑雪板/冲浪板/筒靴。 钥匙、锁装置。 货物集装箱(它们如何被制造和移动)。 信用卡、借记卡、和ATM卡。 磁数据存储、软盘、硬盘驱动器、⑶、DVD。 扫描仪、打印机、绘图仪。·电视机和电脑显示器。 电子马达、发生器、转换器。 卡盘、紧固装置，夹具。 安全识别标签。 门铰链。 珠宝、表。
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车辆制动系统。 磁悬浮列车和其它车辆。 磁共振成像和核磁共振频谱仪。 轴承(轮子)、轴。 粒子加速器。 测量装置与对象之间的支架(xyz控制器和磁探测器)/用于三角架和相关装置 (例如，测量仪器、相机、望远镜、可拆卸感应器、摄像机、天线等)的支架。 用于照明、声音系统、支柱、墙壁、物体等的支架-例如，用于电影设定、放映、音乐会等。借此物体被一次性对齐、拆卸、和再次附接至先前对齐的位置。 具有标准化观测角、光照等的用在犯罪现场调查的装置-能够再现、鉴定等，用于证据目的。 可拆开管嘴例如喷枪嘴、蛋糕粉喷嘴、焊头、等离子切割器、乙炔切割器、激光切割器等，在此具有所需对齐的快速可移除/替换节约了时间。 灯罩附接装置，包括装饰雕像，该装饰雕像底部上具有相关磁体以保持灯罩与灯饰处于合适位置。 拖链/绳。 降落伞背带。 军人、手工业者、维修员、电话维修员、潜水者等的腰腹带。 用于高速移动的极锋利物体的连接包括剪草机叶片、修边机、船桨、风扇、飞机推进器、台锯锯条、圆锯锯条等。 用于身体部分传递系统、血液传递等的密封。 灯泡、罐子、木头、塑料、陶瓷、玻璃或者金属容器。 用于酒瓶、碳酸饮料等的瓶封，允许人们重新封闭瓶子以涉及对液体施加真空或者压力。 烹饪器具的密封。 乐器。 用于车中物体、用于啤酒罐、GPS装置、电话等的连接点。 限制装置，手袖口、腿袖口。 动物皮带、项圈。 电梯、扶梯。 用在铁路、船、飞机上的大型存储容器。 地毯扣。 行李架/自行车架/划艇架/货架。 用于自行车、轮椅的拖车挂钩货架。 拖车挂钩。 用于货物拖车、调度车等的具有易于展开斜坡道/锁定斜坡道的拖车。 用于将剪草机、其它设备保持在拖车上的装置。 用于加速货物运输处理的18轮应用。 用于电池盒盖的附接装置。
用于连接耳塞至iPod或者iPhone的连接器。虽然已经描述了本发明的特定实施例，然而应当理解，本发明不局限于此，因为本领域普通技术人员能够进行修改，特别是参照前述技术教导。
权利要求
1.一种磁场发射结构，包括磁场发射源的阵列，每个磁场发射源均具有与空间力函数有关的位置和极性；以及与所述磁场发射源的阵列中的至少一个磁场发射源相关联的至少一个电流源，所述至少一个电流源产生电流以改变所述空间力函数。
2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述至少一个磁场发射源包括电-永磁体。
3.根据权利要求1所述的结构，其中，所述至少一个磁场发射源与一导体元件相连，所述导体元件耦联至所述至少一个电流源，所述导体元件载有足够的电流量以改变所述磁场发射源的阵列中的所述至少一个磁场发射源的磁性状态。
4.根据权利要求3所述的结构，其中，所述导体元件包括至少一个线圈。
5.根据权利要求1所述的结构，其中，所述至少一个电流源与所述磁场发射源的阵列的一列中的至少一个磁场发射源或者所述磁场发射源的阵列的一行中的至少一个磁场发射源相连。
6.根据权利要求5所述的结构，其中，所述磁场发射源的阵列的一列中的所述至少一个磁场发射源或者所述磁场发射源的阵列的一行中的所述至少一个磁场发射源对应于所述磁场发射源的阵列中的一个磁场发射源。
7.根据权利要求1所述的结构，其中，所述电流包括电脉冲。
8.—种产生磁场发射结构的方法，包括以下步骤将至少一个电流源与磁场发射源的阵列中的至少一个磁场发射源连接，每个所述磁场发射源具有与空间力函数相对应的相应位置和极性；以及产生与所述磁场发射源的阵列中的所述至少一个磁场发射源相连的电流以改变所述空间力函数。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述至少一个磁场发射源包括电-永磁体。
10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤将所述至少一个磁场发射源与一导体元件相连，所述导体元件耦联至所述至少一个电流源，所述导体元件载有足够的电流量以改变所述磁场发射源的阵列中的所述至少一个磁场发射源的磁性状态。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述导体元件包括至少一个线圈。
12.根据权利要求8所述的方法，进一步包括将所述至少一个电流源与所述磁场发射源的阵列的一列中的至少一个磁场发射源或者所述磁场发射源的阵列的一行中的至少一个磁场发射源相连。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述磁场发射源的阵列的一列中的所述至少一个磁场发射源或者所述磁场发射源的阵列的一行中的所述至少一个磁场发射源对应于所述磁场发射源的阵列中的一个磁场发射源。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电流包括电脉冲。
15.一种磁场发射结构，包括磁场发射源的阵列，每个磁场发射源均具有与空间力函数有关的位置和极性，所述磁场发射源的阵列中的每个磁场发射源具有多个导体元件中的一对应导体元件；以及与所述多个导体元件相连的至少一个电流源，所述至少一个电流源产生电流，所述多个导体元件中的每个所述对应的导体元件载有足够的电流量以改变所述磁场发射源的阵列中的所述至少一个磁场发射源的磁性状态，从而改变所述空间力函数。
16.根据权利要求15所述的结构，其中，所述至少一个磁场发射源包括电-永磁体。
17.根据权利要求15所述的结构，其中，所述多个导体元件中的所述至少一个导体元件包括至少一个线圈。
18.根据权利要求15所述的结构，其中，所述至少一个电流源与所述磁场发射源的阵列的一列中的至少一个磁场发射源或者所述磁场发射源的阵列的一行中的至少一个磁场发射源相连。
19.根据权利要求18所述的结构，其中，所述磁场发射源的阵列的一列中的所述至少一个磁场发射源或者所述磁场发射源的阵列的一行中的所述至少一个磁场发射源对应于所述磁场发射源的阵列中的一个磁场发射源。
20.根据权利要求15所述的结构，其中，所述电流包括电脉冲。
全文摘要
本发明提供了改进的场发射系统和方法，其涉及具有电场源或磁场源的场发射结构。磁场源或电场源的量值、极性、和位置被构造成具有所需要的相关特性，其可以与代码一致。相关特性对应于所需要的空间力函数，其中场发射结构之间的空间力对应于相关对齐、间隔距离、和空间力函数。
文档编号H01F7/02GK102369582SQ201080012582
公开日2012年3月7日 申请日期2010年1月21日 优先权日2009年1月23日
发明者拉里·W·弗勒顿, 马克·D·罗伯茨 申请人:相关磁学研究有限公司