專利名稱：具有受控制的力分布的用于往復(fù)運動的動圈致動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于諸如核酸或蛋白質(zhì)之類的生物物種的微型陣列的掃描系統(tǒng)，以 及用于如下任何類型的分析方法的掃描系統(tǒng)即在設(shè)置成規(guī)則的二維陣列的大量單 個陣點處進(jìn)行十分快速的照明、觀察和/或檢測時的那種類型。具體地說，本發(fā)明 涉及作為用于光學(xué)系統(tǒng)往復(fù)運動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)的動圈致動器。
背景技術(shù)：
微型陣列是陣點的二維陣列，它們常常是顯微尺度并具有粘附于每個陣點的不 同的分子結(jié)構(gòu)物種。這些陣列被置于玻璃載片、微量滴定板、薄膜以及其它二維支 承件上，它們的最廣泛的應(yīng)用之一就是用在用于識別或定性一種未知的生物物種的 鍵聯(lián)分析或者用于具有一定鍵聯(lián)結(jié)合力的其內(nèi)含物的試樣分析中。通常采用高精尖 的印刷方法來將微型陣列設(shè)置到支承件上，且能做成十分大的規(guī)模。例如，單一塊 玻璃載片就能包含10000個陣列。在高速進(jìn)行多重復(fù)合試驗以獲取定性和定量兩種 結(jié)果時微型陣列極其有用。在一種典型的在微型陣列上進(jìn)行的鍵聯(lián)分析中，陣列的
各個點包含不同的DNA斷片，而整個陣列被放置成與含有未知DNA的試樣相接 觸，或者與已被標(biāo)示而當(dāng)將之暴露于激勵光線中時會發(fā)出發(fā)光信號的其它DNA鍵 聯(lián)物種相接觸。然后，用光學(xué)系統(tǒng)的方法來進(jìn)行激勵和檢測，所用的光學(xué)系統(tǒng)通過 接連地橫過陣點的各排來掃描微型陣點，或者使微型陣列相對于光學(xué)系統(tǒng)運動而達(dá) 到同樣的結(jié)果，通常采用裝備有激光的掃描頭來作激勵。
用于產(chǎn)生掃描頭橫過二維陣列中的接連的行的來回運動的方法之-是采用的 動圈致動器。動圈致動器利用眾所周知的勞倫茨力來提供高速運動以及高度的可控 性和可變性，并可被制成為符合精密的詳細(xì)規(guī)格。通常用作掃描頭的動圈致動器是 音圈致動器，它是個直接驅(qū)動、有限運動的裝置，它利用永久磁場和電動線圈來產(chǎn) 生與施加至線圈的電流成正比的力?，F(xiàn)時所用的音圈致動器的例子包括美國加里福 尼亞州圣馬克斯的BEI技術(shù)股份有限公司金科磁性部(Kimco Magnetics Division of BEI Technologies, Inc.)的產(chǎn)品以及美國加里福尼亞州瓦倫西亞的H2W技術(shù)股份有限公司(H2W Technologies, Inc.)的產(chǎn)品。音圈致動器的揭示可在第6,894,408、 6,870,285、 6,815,846和6,787,943號美國專利中找到。
動圈致動器可得到其有效性部分地是由于高的力與質(zhì)量比，這會產(chǎn)生致動器和 有效負(fù)載兩者的高的加速度。在掃描器中，有效負(fù)載通常是鏡子和透鏡組件加上任 何必要的支架和承座。力與質(zhì)量比正比于穿過導(dǎo)線的磁場與導(dǎo)線中的電流強(qiáng)度的乘 積除以線圈和有效負(fù)載的質(zhì)量。由于線圈中的電阻率隨溫度升高而升高且電流強(qiáng)度 的升高會引起溫度升高，故最高電流強(qiáng)度受到線圈發(fā)熱所引起的熱量問題而有所限 制。因此，熱量的積累對于致動器的效率是很不利的。熱量還能引起所附加的有效 負(fù)載的尺度畸變，而當(dāng)有效負(fù)載包含光學(xué)元件時，這就會破壞光學(xué)對準(zhǔn)。另一個影 響動圈致動器效率的因素是磁體的大小和強(qiáng)度。磁體的成本與所要求的磁場強(qiáng)度和 間隙寬度成正比。
由于線圈相對于磁極的運動，致動器的力常數(shù)、即每單位輸入電流的電動力隨 著線圈沿其移動長度的位置而改變。在線圈和磁場在空間有共同的擴(kuò)展范圍的最簡 單的音圈致動器中，當(dāng)線圈處于其移動的中心處時線圈才完全處在磁場中。因此在 此位置力常數(shù)為峰值，而向著移動的兩端力常數(shù)減小。但是，由于在兩端處必須克 服慣性力以使移動反向，故在移動的兩端處需要最大的力。為了達(dá)到這個效果，可 采用比磁體長的線圈或反過來磁體比線圈長來消除該減小的力，并可限制移動的長 度以使線圈的一定長度保持在磁場中。這就會產(chǎn)生兩種構(gòu)型，其一種被稱為是"內(nèi) 懸的(anderhang)"而另一種則被稱為"外伸的(overhang)"。在"內(nèi)懸的"構(gòu)型 中，磁極延伸超過線圈長度，以使線圈移動經(jīng)過整個磁極長度而不損失磁力線對線 圈的作用。在"外伸的"構(gòu)型中，線圈延伸超過磁極，而線圈的運動范圍從線圈的 一端與磁極對齊的一個極限位置延伸到線圈的另一端與磁極對齊的一個極限位置 延伸到線圈的另一端與磁極對齊的另一個極端位置，盡管都有同樣的長度處在沿移 動長度的不同的點處的磁場之內(nèi)，但線圈的部分是不同的。內(nèi)懸和外伸構(gòu)型還意味 著線圈移動的長度，也就是沖程。
盡管內(nèi)懸和外伸構(gòu)型可達(dá)到這些目標(biāo)，但它們各有其限制。內(nèi)懸構(gòu)型要求相對 較大量的磁性材料，這是致動器成本的主要組成部分。此外，過長的磁體長度會降 低熱量從線圈的耗散，會引起溫度升高，而溫度升高又會在電流繼續(xù)流過線圈時增
加電阻。外伸構(gòu)型要求致動器來移動相對較大的線圈質(zhì)量，從而要求過大的力來實 現(xiàn)同樣范圍的運動。此外，額外的線圈長度就會對電流有更大的電阻，從而要求有 更高的電壓而會在線圈內(nèi)產(chǎn)生更大的電阻發(fā)熱。另外，內(nèi)懸和外伸兩種設(shè)計方案都會產(chǎn)生沿著移動的長度基本恒定的力常數(shù)，而在要使線圈反向運動而需要更大的力
的沖程的兩端處卻無增加的力。
掃描器的難點之一通常是在沖程的兩端處、亦即在掃描器反向運動處、直線掃
描移動路徑的極端處需要較大的驅(qū)動力。在沖程兩端處的這種力的要求主要是由克
服慣性的需要而不是由克服粘性的需要來決定的。不過，有效負(fù)載并不隨時間變化，
而所要的速度變化形式也不隨時間變化。因此，盡管傳統(tǒng)的動圈致動器是線性的， 即其所產(chǎn)生的力與施加于線圈的電流成正比，該線性度既不是基本的也不是所要求的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的這些和其它的限制，本發(fā)明的動圈致動器的結(jié)構(gòu)包括帶 有一間隙加上巻繞導(dǎo)線的磁體組件，磁體組件的間隙有一個或多個有限長度的磁力 線集中區(qū)域，而巻繞導(dǎo)線具有兩個線圈區(qū)域，這兩個線圈區(qū)域由沒有線圈或纏繞密 度比其中任一個的纏繞密度都要低的線圈分隔開來。該間隙大到足以整個地或部分 地接納巻繞導(dǎo)線，并具有足夠的公差以允許導(dǎo)線在間隙內(nèi)來回移動，從而在移動長 度的各端處，兩個線圈區(qū)域中的一個是在磁力線集中區(qū)域內(nèi)而另一個不在磁力線集 中區(qū)域內(nèi)。因此，兩個線圈區(qū)域中的一個暴露于移動長度一端處的集中的磁力線中， 而另一個線圈區(qū)域則類似于暴露于在另一端處的集中的磁力線中。集中磁力線到有 限長度區(qū)域以及采用了沿移動方向分隔開的兩個電線圈的復(fù)合作用可提供允許致 動器在沖程的兩端處給有效負(fù)載施加最大的電動力以及在兩端之間的中點處給有 效負(fù)載施加最小的電動力的獨特效果。
本發(fā)明可以提供明顯不同的益處的多種變化形式來具體實施。在一些實施例 中，磁體組件形成僅僅一個磁力線集中區(qū)域，而將兩個電線圈區(qū)域設(shè)置成一個線圈 處在沖程各端處的磁力線集中區(qū)域中。在這種情況下沖程的長度是由兩線圈之間的 間隔來限定的。在另一些實施例中，磁體組件形成兩個磁力線集中區(qū)域，這兩個磁 力線集中區(qū)域由不等于、較佳地大于這兩個線圈區(qū)域的距離的一段距離分隔開來。 在沖程的一端處， 一個線圈區(qū)域處在一個磁力線集中區(qū)域中，而在另一端，另一個 線圈區(qū)域處在另一個磁力線集中區(qū)域中。任何時間點上都不會有兩個線圈區(qū)域都在 磁力線集中區(qū)域中。沖程的長度等于兩個磁力線集中區(qū)域的間隔與兩個線圈區(qū)域的 間隔之間的差值。
由本發(fā)明的所有的實施例所提供的一個優(yōu)點是使由昂貴的磁場形成材料、包括永久磁體和導(dǎo)磁金屬所產(chǎn)生的磁場最強(qiáng)化并將之集中于需要最高的力的區(qū)域。額外 的線圈纏組和/或磁性材料、包括在現(xiàn)有技術(shù)中用來保持由于所施加的電流而產(chǎn)生 的線性力的致動器中的這些纏組和/或材料現(xiàn)在就可去除掉了。這就可降低線圈的 電阻，它可在電源處看出，從而可有較高的峰值電流，并可允許系統(tǒng)將力和電能的 產(chǎn)生設(shè)置于最需要它們的地方。致動器元件的重量、電能消耗以及成本與現(xiàn)有技術(shù) 相比都降了下來。本發(fā)明還允許兩個線圈分別在不同的時間供電，也就是說，僅僅 是需要電流的一半的時間。還有一個優(yōu)點在于，可用較少量的磁性材料來實現(xiàn)間隙 內(nèi)有限長度范圍內(nèi)磁力線集中。還有一個優(yōu)點在于，可使一個線圈區(qū)域或兩個線圈 區(qū)域不被沖程的絕大部分覆蓋住，從而可允許更大的熱量耗散以及更高的峰值電流 強(qiáng)度。本發(fā)明的還有的一些優(yōu)點、實施例、特點和目的將從以下的說明中變得顯而 易見。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的動圈致動器沿其軸線剖切的剖視圖。 圖2是圖1的動圈致動器橫截其軸線剖切的另一個剖視圖。
圖3是圖1的部分3的放大圖。
圖4是與圖l相同的剖視圖，但它處在沖程中點時。
圖5是與圖1和4相同的剖視圖，但它處在與圖1所示的相反的沖程端時。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的第二個動圈致動器沿其軸線剖切的剖視圖。
圖7是圖6的部分7的放大圖。
圖8是與圖l相同的剖視圖，但它處在沖程中點時。
圖9是與圖6和8相同的剖視圖，但它處在與圖6所示的相反的沖程端時。
具體實施例方式
本發(fā)明致動器的電線圈部分包括兩個間隔地分隔開來的電線圈區(qū)域，其間沒有 線圈或其間有纏繞密度比兩個線圈區(qū)域中的任一個的纏繞密度都要低的線圈。在任
一情況下，在分隔該兩電線圈區(qū)域中所產(chǎn)生的勞倫茨力為零或比這些區(qū)域處在磁力 線集中區(qū)域中時所產(chǎn)生的勞倫茨力明顯地小。詞語"沒有線圈"表示在兩個線圈區(qū) 域間沒有任何電連接或者存在著諸如直線連接之類的、至多對致動器的電動力具有 可忽略不計之作用的非巻繞電連接。當(dāng)兩個線圈區(qū)域由低纏繞密度的線圈間隔開 時，在連接區(qū)域中所產(chǎn)生的勞倫茨力還是比在更高密度線圈區(qū)域中所產(chǎn)生的勞倫茨力要明顯地小。在本說明書中，術(shù)語"低纏繞密度線圈"和"低密度線圈"是等同 的并可互換采用，而術(shù)語"高纏繞密度線圈"和"高密度線圈"也同樣是等同的并 可互換采用。
纏繞密度的差別可通過在線圈的相鄰繞圈之間引入間隔并改變間隔的間隔寬 度、或者采用分層纏繞并改變線圈的不同區(qū)域之間的層數(shù)來實現(xiàn)，所有這些都落入 本發(fā)明的范圍。在本發(fā)明范圍內(nèi)的纏繞密度的差別可通過多層線圈的層數(shù)或在單層 線圈中的相鄰繞圈之間的間隔的階梯形變化、或者層數(shù)或間隔的逐漸改變來實現(xiàn)。 因此，該差別可以是在高纏繞密度和低纏繞密度區(qū)域之間連續(xù)或近似連續(xù)的，或者 是在每個區(qū)域的限定范圍中均勻纏繞密度階梯形變化的。在高密度和低密度區(qū)域之 間的纏繞密度的相差程度對于本發(fā)明并不是很苛刻的而可根據(jù)系統(tǒng)的需要而改變。
在多數(shù)情況下，當(dāng)高密度區(qū)域與低密度區(qū)域的纏繞密度之比值從約2:1到約20:1、 且較佳地為從約3:1到約10:1時會得到最佳結(jié)果。當(dāng)通過不同層數(shù)的線圈來實現(xiàn) 差別時，高密度區(qū)域較佳地其厚度各為從1至IO層而在低密度區(qū)域為較少的層數(shù) (如果高密度區(qū)域為兩層或兩層以上層時)或每層為較少的有效纏繞圈數(shù)(如果高 密度區(qū)域為僅僅一層時)，或者更佳地各高密度區(qū)域為2至6層而在低密度區(qū)域為 單一層。采用低密度區(qū)中的纏繞密度低于高密度區(qū)域的纏繞密度的一半也能獲得有 效的結(jié)果。在本發(fā)明的一些實施例中，將每個高密度線圈區(qū)域考慮為至少在長度上 接近等于線圈區(qū)域會處在沖程的端處的磁力線集中區(qū)域的長度。在這些實施例中， 在高密度線圈區(qū)域和鄰近區(qū)域之間的差別較佳地通過階梯形變化來實現(xiàn)。
在本發(fā)明的這些實施例中，磁體組件形成僅僅單一個磁力線集中區(qū)域，當(dāng)線圈 支架在沖程的兩端之間移動時，沿著分隔這兩個高密度線圈的線圈支架的間隔區(qū)域 將通過磁力線集中區(qū)域。在這些實施例中，對兩個高密度線圈的每一個都存在著磁 力線集中的分隔區(qū)，僅有的將通過沖程兩端間的任一個磁力線集中區(qū)域的、沿著線 圈支架的區(qū)域是處在高密度線圈外端處的區(qū)域。在任一情況下，可要求將低密度線 圈放置到將通過沖程兩端間的磁力線集中區(qū)域的線圈支架區(qū)域?？蓪⒏呙芏群偷兔?度的結(jié)合用來產(chǎn)生連續(xù)的電動力，盡管當(dāng)?shù)兔芏染€圈處于磁力線集中區(qū)域中時會有 較低幅值的電動力。較佳的是，電動力將在移動路徑的兩個極端處有最大值，而在 中心處有最小值，在中心處時起決定性作用的力是粘性力和阻尼力。在那些利用單 一磁力線集中區(qū)域的實施例中，因此可將低密度線圈與兩個高密度線圈相連接，而 在那些利用兩個磁力線集中區(qū)域的實施例中，可將低密度線圈放置在兩個高密度線 圈的外端處。
8磁力線集中區(qū)域和高密度線圈區(qū)域各有有限的長度以及在每個沖程中由高密 度線圈移動經(jīng)過的、大于這些區(qū)域的寬度的距離。由此，高密度線圈區(qū)域在每個沖 程中移動進(jìn)出磁力線集中區(qū)域。其結(jié)果，致動器的"力常數(shù)"并不正比于在線圈的 移動長度上的電流。本發(fā)明的致動器因此而為非線性的，與現(xiàn)有技術(shù)的線性致動器 有明顯區(qū)別。本發(fā)明的致動器上的力在沖程各端處所出現(xiàn)的、 一個高密度線圈完全 處于磁力線集中區(qū)域時最大。
用于磁體組件中磁性材料可以是在現(xiàn)有技術(shù)的音圈致動器中所通常采用的任 何傳統(tǒng)的磁性材料。該磁體可以是個永久磁鐵或電磁鐵。較佳的是永久磁鐵。磁力 線集中區(qū)域的尺度可由磁極的尺寸、形狀及其設(shè)置情況來確定，對于那些熟悉磁性 材料及其構(gòu)成的專業(yè)技術(shù)人員來說，那些事情都是顯而易見的。在所有的情況下， 都將磁極設(shè)置成磁力線垂直于線圈的軸線。在較佳的構(gòu)型中，磁力線是放射狀的， 且朝向或離開線圈軸線延伸并環(huán)繞線圈整個周圍連續(xù)。勞倫茨合力是沿著線圈軸線 的。磁體組件是個結(jié)構(gòu)件，它支承磁極并將它們保持在位，且?guī)в性谄溟g的間隙， 該間隙足夠大以適合于線圈的往復(fù)運動。在存在有兩個磁力線集中區(qū)域的實施例 中，該磁體組件可由兩個間隔分開的半件所組成，各具有一對磁極和用于接納線圈 的間隙。這兩個磁性材料半件之間的間隔可增加線圈暴露于周圍大氣環(huán)境以有助于 熱量從線圈中耗散。
線圈支架可以是諸如圓柱體或繞線管之類的、任何支承線圈的結(jié)構(gòu)件。該支架 應(yīng)盡可能的輕薄。該支架較佳的是中空的，以使磁極能延伸進(jìn)入線圈的內(nèi)部?？赏?過將一張薄片纏繞在管子或管段里或者通過熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人顯而易見的任何 傳統(tǒng)的技術(shù)來制造中空的薄壁圓柱體。在現(xiàn)在所設(shè)想的實施例中，該圓柱壁的厚度 是從約25微米至150微米。當(dāng)存在有分裂的或多重線圈時，所有的線圈應(yīng)為共軸 的并設(shè)置成端對端，且在合適處沿著軸線有間隙。線圈可以是用任何導(dǎo)電材料來制 成的。實際上可采用通常用來導(dǎo)電的金屬。杰出的例子是鋁和銅。諸如導(dǎo)線直徑規(guī) 格、線圈直徑、線圈長度、支架長度、電流幅度和電流變動形式之類的參數(shù)都會隨
致動器設(shè)計用于驅(qū)動的系統(tǒng)的需要而有所改變。在許多情況下，例如，從io號到
40號線徑規(guī)格的導(dǎo)線、較佳地從20號到30號規(guī)格的導(dǎo)線將提供最佳結(jié)果。現(xiàn)在 所設(shè)想的實施例采用25、 26、 27或28號規(guī)格的導(dǎo)線。所示的線圈直徑在約1厘米 至約IO厘米線圈內(nèi)徑的范圍內(nèi)，較佳地為從約2厘米至約4厘米的范圍，現(xiàn)在所 考慮的是約2.5厘米。線圈的長度(即沖程長度)在許多情況下為從約IO毫米至 約50毫米，較佳地為從約25毫米至約30毫米。線圈和支架的復(fù)合重量例如可在從約3克至約30克的范圍內(nèi)，而現(xiàn)在所考慮的是在約10克至約15克的范圍內(nèi)。
包括在這些將致動器設(shè)計成可產(chǎn)生帶有光學(xué)元件的掃描頭的移動的實施例中的光
學(xué)元件在內(nèi)的有效負(fù)載通常的重量為從約1克至約20克，而現(xiàn)在所考慮的是從約 2.5克至約10克。
表征動圈致動器的其它參數(shù)包括"力常數(shù)"(在線圈中每單位電流所產(chǎn)生的力) 的峰值、P值(為峰值力常數(shù)的平方除以電阻)以及時間常數(shù)(為運動部分的總重 量除以P值)。所有這些參數(shù)和那些熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人所熟知的其它參數(shù)在本發(fā) 明的諸不同實施例中會有所變化，而作為整個具體數(shù)值對于本發(fā)明來說并不苛刻。 無論如何，最為常用一些范圍的數(shù)值將會提供最為有用的結(jié)果。力常數(shù)例如會在上 述的整個移動長度上改變，而在沖程的兩端處達(dá)到其峰值。在較佳實施例中的峰值 的范圍從約1.5至約10N/A (每安培的牛頓數(shù))，而最佳地為從約2至約5N/A。在 較佳實施例中的P值的范圍從約5至約50NZ/N(每瓦特的牛頓平方數(shù))，而更佳地為 從約8至約30NS/N。在較佳實施例中的時間常數(shù)的范圍從約0.3毫秒至約10毫秒， 而最佳地為從約2毫秒至5毫秒。
可以采用在本技術(shù)領(lǐng)域中已知的廣泛范圍的任何電源。諸例子是線性放大器和 開關(guān)或脈沖寬度調(diào)制放大器。電源將是一個產(chǎn)生交變極性的電流的裝置，或者產(chǎn)生 方波或正弦波或工程特定的波形?？赏ㄟ^閉環(huán)發(fā)生器與位置和/或速度傳感器相結(jié) 合來形成波形?；蛘?，也可采用開環(huán)控制系統(tǒng)或自適應(yīng)的開環(huán)控制系統(tǒng)。較佳的波 形是在各種沖程終點處含有峰值以在調(diào)頭處提供最大電流。波形的頻率以及因此的 致動器的頻率也同樣會有所不同，盡管在較佳的實施例中峰值電流具有基本的、從 約3赫茲至約30赫茲的頻率，而較佳地為從約10至20確定的頻率?，F(xiàn)在所考慮 的頻率是大約10赫茲。
盡管限定本發(fā)明的諸特征能夠以各種動圈致動器設(shè)計方案來實現(xiàn)，但作為一個 整體將通過對各個實施例的詳細(xì)考察來最佳地理解本發(fā)明。在附圖中示出兩個這種 實施例。
在圖l、 2、 3、 4和5中示出了這些實施例的一個。在該實施例中的致動器是 個單端的設(shè)計方案，其中磁體組件放置在線圈支架的沖程路徑的一端處。在該實施 例中，巻繞導(dǎo)線的主要部分將暴露于周圍環(huán)境中，因而能改善線圈支架處在沖程一 端處時的熱量耗散。圖1示出了在沖程路徑的一端處的致動器11、包括磁體組件 12在內(nèi)的致動器元件、線圈支架13、巻繞導(dǎo)線14和電源15。磁體組件包括磁體 16和磁極件17、 18，每個磁極件是諸如鐵之類的導(dǎo)磁材料制成的，磁體16和磁極件17、 18是環(huán)繞共同軸線19的旋成體，而示于圖1中的圖是沿著軸線所在平面的
剖視圖。垂直于在磁極件n位置處的軸線的橫剖面示于圖2中。如圖i和2所示，
在磁極件17、 18之間存在著環(huán)形間隙21。間隙21足夠?qū)捯越蛹{線圈支架13和線 圈14，并允許它們在磁體罩殼的空腔22內(nèi)沿軸線19移動。磁極件17、 18形成磁 力線集中區(qū)域23。磁力線是沿著由圖2的磁力線箭頭24所指的方向并放射經(jīng)過間 隙21。
回到圖1，巻繞導(dǎo)線14是個由低纏繞密度區(qū)域27分隔開的兩個高纏繞密度區(qū) 域25、 26所組成的連續(xù)線圈。雖然未圖示，但為了制造的方便可存在有橫過低密 度區(qū)的單根軸向?qū)Ь€來給線圈提供回路。最左邊的高纏繞密度區(qū)域25示于圖3的 放大圖中，該圖是圖1中虛線圓圈3所示的部分的放大圖。在該放大圖中所示出的 高纏繞密度區(qū)域25是個在此示為包含四層的多層線圈，而低纏繞密度區(qū)域27是個 單層線圈。
在圖1中，線圈支架13相對于磁體組件12的位置是個將最左邊的高纏繞密度 區(qū)域放置在磁力線集中區(qū)域23中的位置。在此位置上，通過線圈14的單位電流所 產(chǎn)生的電動力是處在電動力范圍的高端處，這是因為兩個最高密度線圈區(qū)域是處在 磁力線集中區(qū)域中。圖4和5是與圖l相同的致動器沿著同一平面剖切的剖視圖。 不過，在圖4中，線圈支架13和線圈14處于沖程中點，在相對于磁體組件12局 部延伸的位置上。在該位置上，兩個高纏繞密度線圈區(qū)域都不在磁力線集中區(qū)域內(nèi)， 而單位電流所產(chǎn)生的電動力處在力范圍的低端。在圖5中，線圈支架13和線圈14 處于沖程路徑的相反端，其最右邊的高纏繞密度區(qū)域26占據(jù)了磁力線集中區(qū)域23。 在該位置上，通過線圈14的每單位電流所產(chǎn)生的電動力再次處于電動力范圍的高 端。在沿著沖程路徑的所有點處，線圈的一段處于磁力線集中區(qū)域23中，因而經(jīng) 過線圈的電流流過總在致動器中產(chǎn)生或總能在致動器中產(chǎn)生勞倫茨力。不過，力常 數(shù)取決于高密度或低密度線圈是否處在磁力線集中區(qū)域中或各有多少處在磁力線 集中區(qū)域中。在圖1至5所示的實施例中，沖程的長度約為兩個高密度線圈區(qū)域之 間的中心到中心的距離。
圖6、 7、 8和9示出第二個實施例。在該實施例中的致動器是個分裂線圈/分 裂磁體或雙端的設(shè)計方案，其中磁體組件分裂成兩個半件31、 32，每個半件各處 于線圈支架的沖程路徑的各端處。各個半件，如左半件31為例，包括磁體33和磁 極件34、 35，每個磁極件是導(dǎo)磁材料制成的，并在磁極件間有間隙36以容納線圈 并使這些線圈可在磁體組件中來回運動。如圖1至5的實施例那樣，磁極件形成穿
11過間隙36的磁力線集中區(qū)域37。也如圖1至5的實施例那樣，圖6的磁體組件的 多個半件也是繞中心軸線38的旋成體，并具有與圖2同樣的在磁力線集中區(qū)域處 的橫截面。存在著兩個磁力線集中區(qū)域37、 39，每個各在磁組組件的一半件中， 在這些區(qū)域的每個區(qū)域中的磁力線也同樣與圖2的那些相同。
在圖6至9的實施例中，巻繞導(dǎo)線被分成兩個單獨的線圈41、 42。這兩個線 圈由雙電源(未圖示)供電來協(xié)調(diào)在這兩個線圈中的電流的大小和方向，但這兩個 線圈是不相連的。該設(shè)計方案具有圖1至5的單端形式的一半的電阻值和二倍的P 峰值，但要用較多的磁性材料并要有第二個電源(放大器)。該分裂線圈設(shè)計方案 最適合于要求有特別小的運動質(zhì)量和關(guān)于支座或支承結(jié)構(gòu)較大的對稱性的那些系 統(tǒng)。
圖7是圖6的虛線圓圈7中的部分的放大圖，它表示在該部分中的電線圈。該 部分包含圖6所示的兩個高密度線圈的最左邊的高密度線圈43。高密度線圈43減 少到低密度線圈44，且它們兩者相互緊鄰，而與圖1至5的實施例不同，低密度 線圈44及其鄰近最右邊的高密度線圈段46的對應(yīng)線圈47都處在高密度線圈的外 端處，而不在高密度線圈之間。圖8和9示出與圖6相同的橫截面，但分別是在沖 程中點時和沖程相對端時。在沖程中點時，如圖8所示，兩個高密度線圈區(qū)域43、 46都不在兩個磁力線集中區(qū)域37、 39中，而在沖程的相對端時，如圖9所示，最 右邊的高密度線圈區(qū)域46處在最右邊的磁力線集中區(qū)域39中。當(dāng)?shù)兔芏染€圈段 44、 47在沖程路徑之間移動時，它們通過磁力線集中區(qū)域。因此，盡管本實施例 的構(gòu)型與圖1的構(gòu)型有差別，但本實施例的線圈段在沿著沖程路徑的所有點處都還 是在這兩個磁力線集中區(qū)域37、 39中的一個區(qū)域中。因此，經(jīng)過線圈的電流流過 總在致動器中或總能在致動器中產(chǎn)生勞倫茨力，不過，力常數(shù)取決于高密度或低密 度線圈是否處在磁力線集中區(qū)域中或各有多少處在磁力線集中區(qū)域中。在圖6至9 的實施例中，沖程的長度比兩個磁力線集中區(qū)域之間的中心與中心的距離要小，并 且是由這兩個磁力線集中區(qū)域之間的距離減去兩個高密度線圈區(qū)域之間的距離來 決定的。這兩個線圈組件中的每一個都具有一個獨立的電源，且這兩個電源聯(lián)合運 作來給線圈組件供電。可供選擇的是，可使這兩個電源運作成當(dāng)線圈支架在其移動 的中點處時兩個電源同時供電。這種兩個電源的同時供電可使在產(chǎn)生力的過程中開 一關(guān)轉(zhuǎn)換時的噪聲最小化。
熟悉動圈致動器技術(shù)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員研究了以上所提供的附圖和說明后 將會對其它變形和實施例一目了然。對于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員來說顯而易見的是，例如，磁體罩殼和線圈纏組的不同構(gòu)型和幾何形狀、以及寬泛范圍的運 作情況和結(jié)構(gòu)材料，所有這些都落入本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種采用一系列接連地橫過掃描區(qū)域的沖程而對所述掃描區(qū)域進(jìn)行高速掃描的動圈致動器，所述動圈致動器包括其上安裝有卷繞導(dǎo)線的電線圈支架，所述卷繞導(dǎo)線分別由第一和第二纏繞密度的第一和第二線圈區(qū)域組成，所述第一和第二線圈區(qū)域位于沿著所述支架相等于一個沖程長度的距離的相對端處，并由無線圈或纏繞密度比所述第一和第二纏繞密度都要低的線圈分隔開來；包含磁極和間隙的磁體組件，所述磁極被構(gòu)造成可施加穿過所述間隙的磁力線，所述磁力線集中在一個或多個被稱為磁力線集中區(qū)域的區(qū)域中，所述間隙的尺寸大小做成可接納所述卷繞導(dǎo)線并可使所述卷繞導(dǎo)線沿著一端以所述第一線圈區(qū)域而非所述第二線圈區(qū)域處在磁力線集中區(qū)域中的位置為終點、而另一端以所述第二線圈區(qū)域而非所述第一線圈區(qū)域處在磁力線集中區(qū)域中的位置為終點的移動路徑運動；以及連接至所述卷繞導(dǎo)線的電源，用以在其中產(chǎn)生交變極性的電流。
2. 如權(quán)利要求1所述的動圈致動器，其特征在于，所述磁力線集中于在所述 間隙中的僅僅一個磁力線集中區(qū)域。
3. 如權(quán)利要求1所述的動圈致動器，其特征在于，所述磁力線集中于兩個、 并且僅僅兩個被稱為第一和第二磁力線集中區(qū)域的磁力線集中區(qū)域，以及所述移動路徑一端以所述第一線圈區(qū)域處在第一磁力線集中區(qū)域中而所述第 二線圈區(qū)域不在任一所述磁力線集中區(qū)域中的位置為終點，而另一端以所述第二線 圈區(qū)域處在第二磁力線集中區(qū)域中而第一線圈區(qū)域不在任一所述磁力線集中區(qū)域 中的位置為終點。
4. 如權(quán)利要求3所述的動圈致動器，其特征在于，所述第一和第二磁力線集 中區(qū)域分隔開一段比在所述第一和第二線圈區(qū)域間的距離要大的距離。
5. 如權(quán)利要求2所述的動圈致動器，其特征在于，每個所述第一和第二線圈 區(qū)域和所述磁力線集中區(qū)域具有相等的軸向長度。
6. 如權(quán)利要求3所述的動圈致動器，其特征在于，所述第一線圈區(qū)域和所述第一磁力線集中區(qū)域具有相等的軸向長度，而所述第二線圈區(qū)域和所述第二磁力線 集中區(qū)域具有相等的軸向長度。
7. 如權(quán)利要求2所述的動圈致動器，其特征在于，所述巻繞導(dǎo)線由被稱為第 一和第二主線圈區(qū)域的所述第一和第二線圈區(qū)域組成，且由被稱為副線圈區(qū)域并具 有比所述第一和第二纏繞密度更低的纏繞密度的中間線圈區(qū)域分隔開來。
8. 如權(quán)利要求7所述的動圈致動器，其特征在于，所述巻繞導(dǎo)線包括沿著從所述主線圈區(qū)域至所述副線圈區(qū)域的方向?qū)訑?shù)變少的多層線圈。
9. 如權(quán)利要求7所述的動圈致動器，其特征在于，所述巻繞導(dǎo)線包括層數(shù)在 所述主線圈區(qū)域和所述副線圈區(qū)域之間按階梯形變化的多層線圈。
10. 如權(quán)利要求7所述的動圈致動器，其特征在于，所述第一和第二主線圈區(qū) 域是各為1一10線圈層的多層線圈，而所述副線圈區(qū)域是個比所述第一和第二線圈 區(qū)域?qū)訑?shù)少或每層有效圈數(shù)少的線圈。
11. 如權(quán)利要求7所述的動圈致動器，其特征在于，所述第一和第二主線圈區(qū) 域是各為2 — 6線圈層的多層線圈，而所述副線圈區(qū)域是單層線圈。
12. 如權(quán)利要求7所述的動圈致動器，其特征在于，所述副主線圈區(qū)域具有比 所述第一和第二主線圈區(qū)域的纏繞密度的一半還要低的纏繞密度。
13. 如權(quán)利要求3所述的動圈致動器，其特征在于，所述巻繞導(dǎo)線由無線圈分 隔開的所述第一和第二線圈區(qū)域組成，且所述巻繞導(dǎo)線還包括在所述第一和第二線 圈區(qū)域的外端處的外部線圈區(qū)域，所述外部線圈區(qū)域具有比所述第一和第二纏繞密 度都要低的纏繞密度。
14. 如權(quán)利要求13所述的動圈致動器，其特征在于，所述第一和第二線圈區(qū) 域是各為1一10線圈層的多層線圈，且所述外部線圈區(qū)域是比所述第一和第二線圈 區(qū)域?qū)訑?shù)少或每層有效圈數(shù)少的線圈。
15. 如權(quán)利要求B所述的動圈致動器，其特征在于，所述第一和第二線圈區(qū) 域是各為2 — 6線圈層的多層線圈，且所述外部線圈區(qū)域是單層線圈。
16. 如權(quán)利要求13所述的動圈致動器，其特征在于，所述外部線圈區(qū)域具有 比所述第一和第二線圈區(qū)域的纏繞密度的一半還要低的纏繞密度。
17. 如權(quán)利要求l所述的動圈致動器，其特征在于，所述電線圈支架和巻繞導(dǎo) 線具有約3 — 30克的組合質(zhì)量。
18. 如權(quán)利要求1所述的動圈致動器，其特征在于，所述致動器具有約0.3 — IO毫秒的時間常數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種以快速來回運動的方式移動的動圈致動器，它采用將磁力線集中于一個有限長度的區(qū)域中的磁體組件以及包括兩個隔開的纏繞密度區(qū)域的卷繞導(dǎo)線，該組件和導(dǎo)線設(shè)置成只有一個線圈區(qū)域處在致動器沖程的任一端處的磁力線集中區(qū)域。這是通過單個磁力線集中區(qū)域或兩個間隔開的磁力線集中區(qū)域來實現(xiàn)的。在任一種情況下，力常數(shù)、亦即各線圈的每個流過線圈的單位電流所產(chǎn)生的電動力是非線性的，在其沖程的各端處有最大的力，而在沖程的中點處有最小的力。其結(jié)果就是有效利用電流以及結(jié)構(gòu)材料用量較少，并且，因此，在其移動和變向時致動器所載帶的重量較輕。
文檔編號H02K1/00GK101507089SQ200680041196
公開日2009年8月12日 申請日期2006年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月1日
發(fā)明者D·Y·楚, J·賽瑞曼尼, P·J·帕特 申請人:生物輻射實驗室股份有限公司