用于紧凑的序列线性致动器的方法和设备与流程

本申请在35U.S.C.§119(e)下要求于2014年4月4日提交的题名“METHODS AND APPARATUS FOR COMPACT SERIES LINEAR ACTUATORS”的美国临时申请No.61/975621的优先权权益，就各方面而言，该临时申请的全部内容作为引用并入本文。

背景技术：

本公开总体上涉及动圈式致动器，更具体地涉及紧凑的序列线性致动器(SLA)及其制造方法。

线性致动器是将电能转换为机械能以执行要求线性运动的重复动作的机械装置。例如，线性致动器可用在装配厂中，用于将盖放置在瓶子上、用于自动地给邮件盖章或贴标签、用于玻璃切割、用于将芯片放置在电路上等。线性致动器还可用于多种多样的亚微米定位应用，比如半导体扫描应用(例如测试制造在半导体晶片上的各种装置)，或者用于与生物工业相关的扫描应用(例如单生物分子检测)。

相应地，需要改进的紧凑线性致动器，其可装配进紧凑扫描头中，并可以高分辨率、速度、平稳运动和低故障率可靠地操作。

技术实现要素：

本文公开的序列线性致动器的尺寸紧凑，并可以高速、低故障率操作。公开的线性致动器可用于例如亚微米定位应用，比如半导体或与生物工艺相关的扫描。

公开的线性致动器的实施例可包括构造成限定内部体积的磁体壳体。永久磁体和动圈组件可布置在内部体积内。动圈组件包括绕一组大致平坦的动圈支架缠绕的导电线圈。动圈组件居中地定位在一组外部交叉滚子导轨，以减少或消除线圈对致动器的引导系统的弯矩效应，并允许致动器具有十分紧凑的尺寸。

在一特别方面，本发明涉及一种线性致动器，包括磁体壳体、移动滑块组件和联接到移动滑块组件的动圈组件。移动滑块组件包括联接到一个或多个交叉滚子导轨的移动滑块壳体。磁体壳体在第一端和第二端之间限定出内部体积，并可包括位于第一端的第一端板和位于第二端的第二端板。线性致动器包括联接到磁体壳体的内表面的至少一个磁体。动圈组件包括接收在磁体壳体的内部体积内的至少一个线圈。线性致动器还可包括线性编码器组件，其具有联接到移动滑块组件的线性导轨。在线性致动器操作期间，移动滑块组件平行于水平轴线移动，水平轴线与磁体壳体的第一端和第二端相交。

在一个实施方式中，动圈组件包括接收在内部体积内的多个线圈和构造成支撑多个线圈的多个支架结构。

在另一方面，本公开涉及一种线性致动器，包括具有第一端和第二端的磁体壳体。磁体壳体限定出平面内表面以及在第一端和第二端之间的内部体积。至少一个平面磁体联接到平面内表面。线性致动器还包括具有第一多个交叉滚子导轨的移动滑块组件。还可提供第二多个交叉滚子导轨，第一多个交叉滚子导轨构造成相对于第二多个交叉滚子导轨移动。动圈组件可操作地联接到移动滑块组件。动圈组件包括接收在磁体壳体的内部体积内的至少一个线圈。

本公开还涉及一种线性致动器，包括具有第一端和第二端的磁体壳体。磁体壳体限定出内表面以及在第一端和第二端之间的内部体积。至少一个磁体联接到内表面。线性致动器还包括移动滑块组件，其可包括联接到一对交叉滚子导轨的移动滑块壳体。动圈组件可操作地联接到移动滑块组件，并包括接收在磁体壳体的内部体积内的至少一个线圈。至少一个线圈可绕平坦的动圈支架缠绕。

附图说明

图1是根据实施例的序列线性致动器的透视图。

图2是图1的序列线性致动器的分解透视图。

具体实施方式

本文公开了用于紧凑的、低成本和轻量的序列线性致动器的设备和方法。公开的线性致动器的实施例可装配进紧凑的扫描头中，并可以高分辨率、速度和低故障率可靠地操作，使得用户的总成本降低。

诸如半导体扫描应用(例如测试在半导体晶片上制造的各种电子或光子装置)或与生物工艺相关的扫描应用(例如单生物分子检测、DNA测序等)的亚微米定位应用中使用的致动器需要满足若干严格的尺寸和性能标准。这种标准包括例如具有小的包装尺寸(例如高度在约20mm内)；具有带显著硬度的坚固导轨，其可减少由内部产生或外部产生的振动导致的不想要的移动，并限制移动至小于150nm；允许具有低摩擦力的平滑运动；允许在从微米到几十毫米范围内的行程上快速移动；和/或具有比较低的高度。

本文描述的序列线性致动器的尺寸紧凑，并且可以高速、低故障率操作。这种线性致动器的示例性实施例包括在第一端和第二端之间限定出内部体积的磁体壳体。内部体积包括永久磁体和动圈组件，动圈组件包括绕一组大致平坦的动圈支架缠绕的一组导电线圈。在这种实施例中，当磁体存在于动圈组件的线圈中时，永久磁体适于与动圈组件磁性配合。在致动器操作期间，电流引入通过线圈，从而产生具有取决于电流流过线圈的方向的方向的磁场。磁场的大小对应于与每个线圈相关的匝数和引导通过传导材料的安培数。在这种实施例中，通过重复地交替改变电流流过动圈组件的线圈的方向，可对动圈组件重复地施加线性力，从而使动圈组件以线性方式在致动器长度范围内前后移动。

如本文使用的，单数形式“一个”及其变体包括复数个目标，除非文中明确说明。因此，例如，术语“线圈”意在指的是单个线圈或多个线圈。

图1是根据实施例的序列线性致动器的透视图。如图1所示，序列线性致动器100(本文中还称为“致动器”)可包括移动滑块组件120、磁体壳体组件116(包括一组端板106)、动圈组件(图1未示出)和电连接器107。磁体壳体组件116可包括磁体壳体104和一个或多个永久磁体103(图1未示出)。下面参考图2更详细地呈现和讨论这些部件。

图2是图1的序列线性致动器的分解透视图。如图2所示，序列线性致动器100包括居中地定位在由磁体组件116限定的内部体积内的动圈组件102。移动滑块组件120可包括联接到外部交叉滚子导轨111A的移动滑块壳体112。移动滑块组件120可以联接到动圈组件102。在线性致动器100操作期间，滑块壳体112、外部交叉滚子导轨111A和动圈组件102可平行于纵轴A前后移动。该移动相对于一对固定的内部交叉滚子导轨111B(联接到固定的支撑板114)进行。在一个实施例中，固定的支撑板114联接到磁体壳体组件116。滑块壳体112可通过由凹槽132接收的一组螺钉130联接到外部交叉滚子导轨111A。

交叉滚子导轨111可以从例如IKO Inc.(例如零件no.CRWG2-45)获得。尽管在图2的实施例中，使用了一组四个交叉滚子导轨111，但是其它实施例可包括多于或少于四个交叉滚子导轨111。交叉滚子导轨111均可合并齿条和齿轮选项，其可在致动器100以非水平方位操作时防止罩蠕变(cage creep)。动圈组件102居中地相对于一组交叉滚子导轨111的相对位置消除了或减少了线圈对一组交叉滚子导轨111的弯矩效应。该相对位置还可便于显著紧凑的设计，尤其相对于致动器100的厚度，其可以为例如10mm小，由此容易地装配进例如用在半导体工业和/或生物技术工业中的各种不同扫描头中。在一些实施例中，致动器100可包括暴露出的一组交叉滚子导轨111。在其它实施例中，致动器100可包括至少部分地由移动滑块组件120包围的一组交叉滚子导轨111。

动圈组件102可包括绕一组大致平坦的动圈支架113缠绕的线圈或一组线圈(图2未示出)。动圈组件102在磁体壳体组件116的外部交叉滚子导轨111A之间居中地定位在致动器100中。如图2所示，动圈组件102可由一个或两个线圈(布线为单极致动器)构成。在其它实施例中，动圈组件102可包括布线为例如多极单元运行的三个线圈单元(图2未示出)。单极单元可冲程至例如25mm，而三个线圈布置可冲程至例如100mm。

动圈组件102的线圈支架113可支撑导电介质，比如导电线圈(图1和2中未示出)。在致动器100操作期间，电流被引入通过线圈，从而产生具有取决于电流流过线圈的方向的方向的磁场。磁场的大小对应于与每个线圈相关的匝数以及传导通过传导材料的安培数。例如，在一些实施例中，线圈可包括74个线圈匝数，但是应理解的是，可使用任何数量的线圈匝数。在一些实施例中，线圈可具有例如约每相位1.7Ω、6.8Ω的电阻，并可用29口径铜线制成。这种规格仅是示例性的。应理解的是，可以使用具有变化的规格的任何类型的传导材料。还应理解的是，线圈可电连接到电源和/或以电领域和机械领域中已知的任何方式连接在一起。在一些实施例中，线圈支架113可以低成本的塑料材料形成，以减少动圈组件102的整体质量。

磁体壳体组件116可包括磁体壳体104、一个或多个永久磁体103以及端板106。永久磁体103可以是例如大致矩形和平坦的磁体，如图2所示，并且可联接到磁体壳体104的内壁。例如，在用各种粘合剂和/或螺钉制造期间，永久磁体103可联接到磁体壳体104。当磁场存在于动圈组件102的线圈中时，永久磁体103可适于与动圈组件102磁性配合。因此，通过重复地交替变化电流流过动圈组件102的线圈的方向，可对动圈组件102重复地施加线性力，从而使动圈组件102(以及联接到其的移动滑块组件102)沿致动器100的长度或纵轴A以线性运动前后移动。

例如，在一些情况下，当流过线圈的直流电流(DC)的方向在动圈组件102的线圈中引起出临时磁场(具有永久磁体103的磁场相同的极性)时，动圈组件102在远离永久磁体103的方向上移动(即，排斥远离永久磁体103)。在其它情况下，当流过线圈的DC直流的方向在动圈组件102的线圈中引起出临时磁场(具有与永久磁体103的磁场相反的极性)时，动圈组件102在朝向永久磁体103的方向上移动(即，朝向永久磁体103吸引)。因此，移动滑块组件120可操作地联接到动圈组件102，动圈组件102的移动(相对于永久磁体103的任一方向)还与动圈组件102协作引起移动滑块组件120的移动。

致动器100的移动部件(例如移动滑块组件120和动圈组件102)的总质量可取决于致动器100的尺寸，并通常明显较轻(例如约25至50克，取决于单元尺寸)。因为流过动圈组件102(在运动时)的电流可保持在比较低的水平(例如在1-1.5安培范围内)，具有移动零件的致动器100不会产生太多热量。在该电流范围，在每个冲程中可获得致动器100的移动质量的10-15倍的力，因此，每一冲程的加速度可以高达10-15G。这足以使得在短冲程应用和长冲程应用中快速移动。

在替代实施例中，致动器100可具有轴，而不是滑块。例如，可合并于2013年10月31日提交的题名“Apparatus and Methods for Low Cost Linear Actuator”、具有代理人案号No.SMAC-011/00US的美国临时申请no.61/898140中所描述的本文所述特征中的一些或全部的致动器的轴形式，该临时申请的全部公开内容作为引用并入本文。

线性编码器组件108包括线性编码器反馈尺109和线性反馈尺读头110。读头110可保持固定和联接到例如内部滚子导轨11B和支撑板114。反馈尺可联接到移动滑块壳体112。线性编码器组件108还可包括反馈电路(图2中未示出)，其与线性编码器反馈尺109一起给例如控制器(比如远程计算机)指示线性位置反馈。在一些构造中，线性编码器组件108可包括编码器壳体，其可使用例如螺纹紧固件(比如螺钉)联接到移动滑块组件120。在这种构造中，当移动滑块组件120重复致动时，线性编码器组件108可由此相对于移动滑块组件120保持固定。在一些实施例中，编码器壳体可布置在例如支撑板114的切口(图2中未示出)内。线性反馈尺读头110(例如传感器、换能器等)可以与编码位置的线性编码器反馈尺109成对。线性反馈尺读头110可读取线性编码器反馈尺109，并将编码的位置转换为模拟或数字信号。这又可通过数字读出器(DRO)或运动控制器(图1和2中未示出)被解码为位置数据。线性编码器组件108可以增量或绝对模式工作。运动可以例如通过位置随时间的变化来确定。线性编码器技术可包括例如光学、磁性、电感、电容和涡流。光学线性编码器在高分辨率市场(例如半导体工业市场和/或生物技术工业市场)中是普遍的，并可使用开闭(shuttering)/莫尔、衍射或全息原理。典型的增量尺周期可以从几百微米下降到亚微米而改变，下面的内插法可提供与1nm一样精细的分辨率。图2所示线性编码器组件108可具有例如5微米至50nm范围内的分辨率。在其它实施例中，还可合并更精细的分辨率编码器来提供高达例如1nm的分辨率。

线性编码器反馈尺109还可包括沿线性编码器反馈尺109的长度行进的一系列条纹或标记。当动圈组件102致动时，线性反馈尺读头110(例如光学读取器)可计算条纹或标记读数的数量，以确定动圈组件102的当前线性位置。在一些情况下，记录的位置数据可被传输到用于监控目的的远程装置。在一些情况下，用户可给远程装置(比如连接的计算机)输入一个或多个值，以标明期望用于特定任务的线性移动的量(例如从整体样本中的单生物分子中收集光学信号用于统计分析、分析在硅晶片上制造的一组电子装置等)。然后，这些值被传输至与线性编码器组件108经由电连接器107电连通的控制器(图1和2中未示出)，使得可以根据指定的值调节动圈组件102的线性移动。致动器100可包括任意数量的电连接件，并可包括任意数量的电子控制顺序。而且，在其它实施例中，致动器100可包括电子领域中已知的任意数量的机载数字控制和/或模拟电路。额外地，在一些实施例中，致动器100可被远程地控制以减少机载电路的量，这可减少致动器100的尺寸和制造致动器100的成本。

在一些实施例中，冲程变化和线性编码器分辨率可以由用户调节，从而减少与重新配置和/或更换致动器100相关的成本。此外，致动器100还可包括许多可编程模式，以调节例如动圈组件102在操作期间的位置、力和速度。额外地，线性编码器反馈组件108可以与位置匹配，使得能够核查通过在致动器100的冲程期间检查动圈组件102的位置而完成的工作。该冲程可以是例如致动器100的各组件(例如磁体壳体组件116、移动滑块组件120和/或端板106)的功能。

尽管图1和2均示出了具有两个线圈的致动器，但是在其它实施例中，动圈组件102可包括由在相同的动圈组件102中的多个分离的支架结构113支撑的多个线圈以及包含一系列交替磁化的永久磁体103(例如NS、SN、NS等)的磁体壳体组件116。用于这种多极构造的磁体壳体组件116和动圈组件102可以使用标准机加工工艺实施。在一些实施例中，动圈组件102可包括任意数量的线圈。例如，为了获得线性致动器100的更小冲程，希望仅使用一个线圈。因为线圈是昂贵的，仅使用一个线圈可节省总成本，并还可减少致动器100的尺寸。然而，在单个线圈的情况下，在设定冲程值处有较小的力。因此，对于要求更高冲程值的任务，具有多于一个线圈的(线性)致动器是期望的。单线圈致动器可针对高达例如25mm的冲程提供简单的控制。另一方面，多线圈致动器可提供例如具有高达100mm或更大的总和能力。

如上所讨论的，图1-2所述致动器100的制造部分的所有或一部分可以在CNC车床(比如Hardinge模型RS51MSY)或其它车床(能够例如经由(副轴传递(sub-spindle transfer))机加工部件的一端或两端)上机加工。根据一些实施例，每个零件可在单个操作中在车床上制成，从而减少和/或消除二次操作的必要。这些二次操作可带来额外的成本，并还通过增加尺寸变化而降低质量。在一些实施例中，致动器100的部件可以由铝或钢制造。然而，应理解的是，还可使用其它合适的材料。

本文所述致动器100可以快速且成本有效地制造和组装。此外，致动器100可以制得比较小、轻量和紧凑，并可容易地装配进广泛用在半导体工业和/或生物技术工业中的装置的扫描头中。额外地，线性编码器组件108可在由致动器100实现的移动的高达100％范围内提供监控和控制。此外，端板106、磁体壳体组件116和动圈组件102的单独设计可以在制造期间提供灵活性和容易的重构性，使得致动器构造可以产生为符合特定项目的规格。

尽管上述描述了各实施例，但是应理解的是，它们仅以示例方式呈现，而不是限制性的。上述方法指示以某一顺序发生的特定事件，特定事件的顺序可以修改。额外地，特定事件可以在并行过程中同时执行(必要时)以及如上所述相继地执行。

上述示意图和/或实施例表示以特定方位或位置布置的特定部件，部件的布置可以修改。尽管特别地显示和描述了实施例，但是应理解的是，可以进行形式和细节的各种改变。本文所述设备和/或方法的任何部分可以任意组合结合起来，除非相互排斥的组合。本文所述实施例可包括所述不同实施例的功能、部件和/或特征的各种组合和/或子组合。