CN101317140B - 具有可扩展运动范围的动圈式致动器 - Google Patents

Abstract

一种动圈式致动器，包括一可移动来移转线圈的运动范围的磁体组。该磁体组沿着与线圈的往复运动的行进路径相平行的行进路径在两个或更多位置间移动。有了该特征，被固定到线圈的扫描头扫描的区域的宽度可以被增加多次，从而使得能将简单的动圈式致动器用于任意扫描宽度。

Description

具有可扩展运动范围的动圈式致动器

                          发明背景

1.发明领域

本发明涉及扫描***，该扫描***用于诸如核酸或蛋白质等生物种的微阵列，并用于其中在排列于空间阵列中的大量单独位点处执行超快速的照明、观察和/或检测的任意类型的过程或分析。特别地，本发明涉及动圈式致动器，并且其尤其关心这种致动器作为移动光学***的驱动机构的使用。

2.现有技术的描述

微阵列是其上执行化学或生化实验的位点的二维阵列，每个位点通常都具有微观尺寸，采用独立的实验，并且在每个位点上通常具有不同的分子类型。这些阵列形成于各种衬底上，其中包括载玻片、微量滴定板和薄膜。微阵列的最广泛用途之一是在结合实验中用于辨认或表征未知生物种，或者分析样品以确定该样品在何处包含具有某种结合亲和力的种类。微阵列中的各个位点的大小、数量和间隔可以取决于单个种类的特性以及要执行的过程而显著变化。这些位点可以是标准微量滴定板内的阱，该标准微量滴定板具有位于12×8的阵列中的96个阱，各个阱之间具有9mm的间隔。在另一极端，微阵列可以形成于仅具有25mm宽度的单片载玻片上，并可将位点通过自动化微印刷技术印刷到该载玻片上。通过这种方式，可以将多达10,000个基因印刷到一片载玻片上。

对微阵列中的实验过程的监控以及对实验结果的检测通常包括通过令各个位点暴露于入射辐射来激励，接着或同时，对响应于该激励从位点发射出的辐射进行检测和测量。这些功能通常是由具有通常配备有激光器的扫描头的光学***来执行的。扫描***通常结合有动圈式致动器，以移动扫描头经过该阵列，由于这些致动器可以高速运行，并且简单而且制造成本较低，因此可以很容易地满足性能要求，并且易于控制。扫描头是由致动器传送的“有效载荷”，它可以包括镜子和透镜组以及夹持器和支座，或者它可以是具有光学检测器的激光器。动圈式致动器利用公知的洛伦兹力来以高速驱动线圈，并使用较高程度的控制来满足精度规范。通常为扫描头所使用的动圈式致动器是音圈致动器，它是直接驱动的运动受限设备，其利用永磁场和电线圈来生成与施加到该线圈上的电流成正比的力。当前使用的音圈致动器的示例包括产自美国加利福尼亚州圣马可斯市的BEI Kimco磁分割(Magenetics Divison)技术有限公司及美国加利福尼亚州巴伦西亚市的H2W技术有限公司的各种产品。有关音圈致动器的公开内容可在专利号为6,894,408、6,870,285、6,815,846和6,787,943的美国专利中找到。

为了实现高速扫描，运动部件必须局限于那些低惯性部件，并且这通常可通过使线圈移动并使磁体和磁体外壳固定来实现。然而，线圈行进的长度会或者受线圈长度或者受磁体长度的限制。结果，典型的微阵列扫描仪只能够扫描大约1英寸(近似为25mm)的宽度。而无法有效地使用相同的扫描仪来扫描更宽的阵列，诸如形成于微量滴定板上的阵列。相反，如果要将致动器用于扫描其宽度比针对其设计致动器的宽度窄的阵列，则要么该线圈要行进比扫描该微阵列需要行进的距离更大的距离，要么该***需要昂贵的传感器和控制器来将该线圈的行进距离局限于一较小的宽度，同时还会增加附加质量的负荷。

发明概述

本发明可解决现有技术的这些及其它限制，这归功于这样一种动圈式致动器，其中的磁体组是可移动的，以便移转线圈的运动范围。因此，本发明所述致动器包括螺线电导体以及磁体组，其中该磁体组的磁极被大到足以容纳该螺线导体并使该导体能以往复(来回)的方式移动的间隙隔开。该线圈被安装在一载体上，并被连接到产生通过该线圈的交变方向的电流信号的电源。该磁体组沿着与线圈的往复运动的行进路径相平行的行进路径在两个或更多位置间移动。结果是线圈的扫描范围能够被移转等于磁体组的各个位置间的间隔的距离。线圈和磁体组是独立运动的，且两者都是在另一方保持静止的时候工作的。因此，在各种运动序列和扫描方案的任一种中，磁体组首先被放置在使线圈能够运动经过微阵列的一部分的位置上，然后该线圈可在该部分内移动。随后，该磁体组被移转到对应于微阵列的另一个部分的不同位置，然后令线圈在该部分内移动。在一些应用中，磁体组的两个位置足以覆盖微阵列的整个宽度，然而在其它应用中可能需要三个或更多位置。一般而言，磁体组会被移转足够数量的次数，以覆盖微阵列的整个宽度。在一些应用中，磁体组在占用第二或后续位置后，可以返回到其原始位置以便被线圈进一步扫描。

因此，通过本发明的实践，一种动圈式致动器可以用于或者被编程为用于扫描具有各种宽度中的任何一宽度的微阵列，从而提供了具有通用性和效率两者的扫描***。通过下面的描述，本发明更进一步的优点、实施例、特征和目的将是显而易见的。

                          附图简述

图1a是构成本发明的动圈式致动器的一部分的磁体组的剖面图；

图1b是构成本发明的动圈式致动器的其它部分的线圈和线圈载体的剖面图；

图2是图1a和图1b的装配后的部件的剖面图，其中交变电流流经线圈以用于扫描微阵列宽度的第一部分；

图3a是图2的单元的剖面图，其中流经线圈的电流被切断，并且磁体组移动以使其肩部接触线圈来准备移动到第二位置；

图3b是前面各附图中的单元的剖面图，其中磁体组使得线圈和载体在第二位置处停止；

图4是前面各附图中的单元的剖面图，其中磁体组位于第二位置，但略微向回移动以使得线圈可在不接触磁体组的情况下摆动；一交变电流流经该线圈，用于扫描微阵列宽度的第二部分。

图5是前面各附图中的单元的剖面图，其中流经线圈的电流被切断，且磁体组准备好返回到图2所示的位置；

图6是要由其沿着一个轴的位置和运动可以受前面各图中的单元控制的扫描头扫描的二维微阵列的表示。

                   本发明及优选实施例的详细描述

尽管限定本发明的特征能够用各种动圈式致动器设计来实现，但是本发明作为整体将通过对一具体实施例的详细审阅而被最好地理解。在附图中示出了一个这样的实施例。

图1a和图1b示出了根据本发明的动圈式致动器的各个组件。图1a示出了在线圈移动期间保持静止的致动器的组件以及同样保持静止的光学***的相关联组件，而图1b则示出了线圈本身、线圈载体及附连到该线圈载体的组件。图1a中的致动器组件即是磁体组11的组件，该磁体组本身由磁体12和极靴13、14组成，极靴形成间隙15并施加经过该间隙的磁通量。每个极靴都是由传导磁通量的材料制成的，其中铁是这种材料的一个示例。磁体12和磁靴13、14是绕公共轴16旋转的主体，并且图1a所示的视图是沿着包括该轴的平面的剖面。也可以使用不同于旋转主体的形状。间隙15是包围磁体12和极靴中的一个13的环形空间。

图1b示出了卷绕在线圈载体22周围的线圈21。在本实施例中，线圈21是由被一低卷绕密度区域25隔开的两个高卷绕密度区域23、24组成的复杂线圈。高卷绕密度是通过多个卷绕层来实现的，而低卷绕密度是通过单个卷绕层来实现的。两个高卷绕密度区域23、24的宽度与通过令在间隙15开口端附近的间隙15变窄所形成的磁通量聚磁区域17的宽度相匹配。这种卷绕密度和磁通量聚集的安排的功能和优点以及相似的安排在其内容作为参考合并在此的申请号为11/265,000、申请日为2005年11月1日、发明人为Paul J.Patt等、发明名称为“Moving Coil Actuator for Reciprocating Motion With ControlledForce Distribution(用于用受控的分布力来实现往复运动的动圈式致动器)”的共同待审且共同拥有的美国专利申请中公开。载体22是薄壁的，因此也是轻量的，且其周围的圆柱体上卷绕有线圈。载体22和线圈21是绕公共轴26旋转的主体，并且图1b中示出的视图是沿着包括该轴的平面的剖面图。两个高卷绕密度区域23、24沿着该轴被隔开。

间隙15(图1a)的宽度足以容纳线圈21和线圈载体22，并在磁体组内形成有一空穴18，且该空穴18的长度应足以允许该线圈和载体在该磁体外壳内来回移动(如在随后的附图和以后的讨论中示出的)。当线圈和载体在磁体组内部时，线圈轴26和磁体轴16重合以形成公共轴。

图1a中示出的其它组件是用于移动该磁体外壳的驱动机构27；在磁体外壳移动时啮合线圈载体的延伸臂28；以及用作稳定器，并引导线圈和附连到该线圈的扫描头的运动的固定导轨29。本实施例中的驱动机构27包括传动螺杆31、运行该传动螺杆并移动磁体组11到附图中示出的视图的左边和右边的电动机32、以及支配该电动机的控制器(未示出)。电动机32可以是能够运行传动螺杆的任意常规电动机，优选为高精度的电动机。可以使用各种常用的步进电动机和直流电动机中的任意一种。替换地，可以使用转动正小齿轮和驱动连接到磁体外壳的齿条的电动机。在图1b中，示出的附加组件是啮合固定导轨29的滑动件33，以及将该滑动件联动到线圈载体22的联动臂34。包括镜子和透镜组以及在扫描期间移动经过微阵列的所有其它光学组件的扫描头被固定到该滑动件33上。

图2示出了图1a和图1b的装配后的组件，这些组件的位置可供线圈在磁体组的第一位置上从左到右往复运动(且扫描头相应地从左到右扫描)。电源35被连接到线圈21，扫描头36被固定到滑动件33，且微阵列37被示为在扫描头36的下面。(电源35、扫描头36、电动机驱动机构31、32和微阵列37用符号表示。磁体外壳架在未示出的简单导轨上。)示出了线圈21的行进范围的两个极端，其中一端为实线，另一端为虚线。箭头41、42指示线圈响应于电源提供的交变电流的往返方向。如前面所引用的共同拥有且共同待审的专利申请中所阐明的，在该行进范围的两端中的每一端处，线圈的两个高卷绕密度区域23、24中的一个驻留在磁通量聚磁区域内，以在移动线圈的操作中效率最大。

在完成了在图2所示的磁体组的位置中的扫描时，通过线圈21的电流被切断，并且磁体组11被移转到一新位置。为了启动该移转，给电动机32和传动螺杆通电以使磁体组移动到图3a所示位置，在在位置上，磁体组的延伸臂28上的肩部43邻接线圈21或线圈载体的外露端44。一旦延伸臂与线圈(或线圈载体)接触，磁体组11会以与箭头45指示的、平行于在图2中示出的线圈行进的线性路径的相同方向移动。在该移转期间，磁体组11和线圈21作为一个单元移动到图3b所示的新位置。同时，在该磁体组和线圈的移转期间，滑动件33沿着固定轨道行进，并且扫描头36移转到微阵列37的一个新的部分。随后使磁体组在相反方向上略微回退，以使肩部43与线圈21分离，从而实现图4所示的配置。随后重新接通电源，以再一次向线圈提供交变电流。因此，扫描在该新位置处继续。与图2中的相同，在图4配置中的线圈的往复运动由箭头46、47来指示，并且图4中线圈21的行进范围的两个极端48、49分别以实线和虚线示出。

如果在此第二位置处扫描后，要求使磁体组和线圈返回到其原始位置，则将线圈的电源再一次切断，同时组件位于如图5所示的位置，令电动机32逆转，并且传动螺杆31以箭头51的方向移动磁体组11朝着其第一位置返回。在示出的具体结构中，磁体组的外露边52与固定到线圈载体的联动臂34上的外露面或肩部53邻接，使得线圈21和磁体组11再次作为一个单元移动。图5还示出了安装在联动臂34上来传输表示线圈的位置并因此表示扫描头的位置的信号的传感器54。合适的传感器的示例是数模霍尔(Hall)效应位置传感器、磁阻数字传感器、霍尔效应翼片(vane)传感器和磁体。

本发明是为了在扫描具有多种维度和配置的微阵列时的使用而构想的。用于本发明的最典型的微阵列是诸如图6所示的二维微阵列，其反应位点或点排列在行1、2、3等及列A、B、C等中。对于这些微阵列，线圈和扫描头的往复运动将接连经过各行：首先在x方向上线性移动经过一行；然后由独立的传动机构在y方向上移转一距离增量，并引导到下一个相邻行；接着，在x方向上移动经过该行；并且重复该顺序，直到所有行都被扫描。磁体组的运动还将是在x方向上，从而扩大了扫描范围，以使该单元适用于具有不同宽度的行的微阵列。一般而言，电流只有在磁体组为静止时才会流经线圈，并且在扫描位置间驱动该磁体组的电动机只有在流经线圈的电流被切断时才会工作。

尽管线圈和磁体组的单独运动会以将导致对整个微阵列的扫描的方式相互配合，但可以使用这两种运动的各种顺序，并且在任何给定应用中要使用的具体顺序对本发明并不重要。在某些实施例中，磁体外壳将保持静止，而线圈和扫描头在多个循环中以往复运动的方式行进，从而拉动扫描头经过覆盖了所有行的多行，但却只经过全部数量的列中的一部分61，因此只经过该微阵列的宽度的一部分。一旦这样做了以后，驱动磁体组的电动机会被激活，以移动磁体外壳到微阵列中与第一部分直接相邻的第二部分62。随后，在该位置上在覆盖所有行、但只在全部数量的列中的第二部分的多个循环内执行扫描。这可对于所需数量的部分重复，以便覆盖每个行的全部宽度，每一次都连续地再从原始位置移动磁体组。在磁体组的运动之间所扫描的各个部分中的每一个部分内的列组通常直接相邻并且被连续扫描。替换地，该单元还可以只扫描全部数量的行中的一部分63(除了所有数量的列中的一部分外)，然后再将磁体组移动到其中所有数量的行中的另一部分64可被扫描的新位置。如果期望的话，该单元也可以通过在令电流流过线圈与给电动机通电之间交变、控制磁体组的位置、然后移动到下一行，来按部分扫描整个单一的行。然而，为得到最大速度、精度和效率，一个优选协议是给线圈加电以便产生多个来来回回的往返移动，并因此在磁体组被移动前，扫描多个行的各个部分。

如上所述，目前为止，关于在附图中示出的致动器内的线圈的描述可在前面引用的申请号为11/265,000的美国专利申请中找到。在该致动器中，磁通量聚集在其长度小于两个线圈高卷绕密度区域的合并后的长度的区域。如图1b中示出的，优选地，这两个高密度线圈区域具有相等的卷绕密度，并且被一较低卷绕密度区域隔开。优选地，这两个高密度线圈区域在长度上相等，并且优选地，磁通量聚集区域在长度上与这两个高密度区域中的每一个相等。本发明对具有不同配置的线圈也是有用的，既包括在该相同专利申请中公开的那些线圈，也包括传统的具有统一卷绕密度的线圈。磁体组的配置也可以变化。

对于动圈式致动器所属领域的一般技术人员而言，在研究了上面提供的附图和说明书后，其它变化和实施例将是显而易见的。除了在磁体组、线圈和线圈载体的配置和几何形状上的变化外，例如，所有在本发明的范围之内的各种各样工作条件和构造材料对于熟练工程师而言都是显而易见的。

Claims (14)

1.一种用于扫描扫描区域的动圈式致动器，所述致动器包括：

载体，其中向所述载体安装了螺线电导体；

电源，所述电源连接到所述螺线电导体，用以产生通过所述导体的、在方向上周期***变的电流；

磁体组，所述磁体组包括由间隙隔开的磁极，所述间隙的大小能容纳所述螺线电导体，并允许所述载体和所述螺线电导体响应于所述电流相对于所述磁体组沿着一线性方向有一往复运动的范围；以及

用于在沿着平行于所述线性方向的行进路径的各个位置之间移动所述磁体组、并且在如此移动所述磁体组时以等于所述各个位置之间间隔的距离移转所述载体和螺线电导体沿着所述行进路径的所述往复运动的范围的装置。

2.如权利要求1所述的动圈式致动器，其特征在于，还包括所述载体上的肩部，所述肩部邻接所述磁体组，使得在沿着所述行进路径的一个方向上移动所述磁体组时，所述用于移动所述磁体组的装置将使所述磁体组和所述载体一起移动。

3.如权利要求1所述的动圈式致动器，其特征在于，还包括所述磁体组上的肩部，所述肩部邻接所述载体，使得在沿着所述行进路径的一个方向上移动所述磁体组时，所述用于移动所述磁体组的装置将使所述磁体组和所述载体一起移动。

4.如权利要求1所述的动圈式致动器，其特征在于，还包括所述载体上的邻接所述磁体组的第一肩部，以及所述磁体组上的邻接所述载体的第二肩部，使得所述用于移动所述磁体组的装置在沿着所述行进路径的任一方向上将使所述磁体组和所述载体一起移动。

5.如权利要求1所述的动圈式致动器，其特征在于，所述用于移动所述磁体组的装置是步进电动机。

6.如权利要求1所述的动圈式致动器，其特征在于，所述用于移动所述磁体组的装置是直流电动机。

7.如权利要求1所述的动圈式致动器，其特征在于，还包括检测所述载体的位置的传感器。

8.如权利要求1所述的动圈式致动器，其特征在于，所述螺线导电体包括分别具有第一和第二卷绕密度的第一和第二线圈区域，且所述第一和第二线圈区域沿着所述载体或者没有被线圈隔开，或者被其卷绕密度比所述第一和第二卷绕密度两者都低的线圈隔开，并且所述磁极被配置成施加聚集在其长度小于所述第一和第二线圈区域的合并后的长度的区域内的磁通量。

9.如权利要求8所述的动圈式致动器，其特征在于，所述第一和第二卷绕密度是近似相等的密度，并且被其卷绕密度比所述第一和第二卷绕密度低的线圈隔开。

10.如权利要求8所述的动圈式致动器，其特征在于，所述第一和第二线圈区域和聚集磁通量的所述区域在长度上近似相等。

11.一种用于使用固定到动圈式致动器的扫描头来扫描位点的阵列的方法，其中所述致动器包括载体，其中向所述载体安装了螺线电导体；电源，所述电源连接到所述螺线电导体，用以产生通过所述导体的、在方向上周期***变的电流；以及磁体组，所述磁体组包括被间隙隔开的磁极，且所述间隙的大小能容纳所述螺线电导体，并允许所述螺线电导体响应于所述电流，相对于所述磁体组，沿着一线性行进路径，以往复运动的方式行进；所述方法包括：

(a)当所述磁体组在第一位置时，令电流通过所述导体，以使所述扫描头行进经过所述位点阵列的第一部分；

(b)沿着平行于所述线性行进路径的方向将所述磁体组移动到离开所述第一位置的第二位置；以及

(c)当所述磁体组在所述第二位置时，令电流通过所述导体，以使所述扫描头行进经过所述位点阵列的第二部分，步骤(a)、(b)和(c)共同地使所述扫描头扫描等于所述第一和第二部分的宽度之和的所述阵列的宽度。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括令所述交变电流在交变方向上流经所述导体，以使所述扫描头在步骤(b)之前在多个循环中以往复运动行进经过所述位点阵列的所述第一部分；而步骤(c)包括令所述交变电流在交变方向上流经所述导体，以使所述扫描头在多个循环中以往复运动行进经过所述位点阵列的所述第二部分。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括在步骤(c)后执行步骤(b)和(c)至少一次，每一次都移动所述磁体到连续地进一步离开所述第一位置的位置，并使所述扫描头扫描所述阵列的其它部分。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括在步骤(b)期间，检测所述载体的位置。

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