CN101981791B - 无后坐力的音圈致动器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种无后坐力音圈致动器及方法，其具有连接到磁铁及音圈两者的挠曲件以允许所述磁铁及所述音圈两者在致动方向上独立地移动。所述挠曲件的刚度或移动阻力经选择以使得所述磁铁及所述音圈的自然频率沿所述致动方向大致相同。

Description

无后坐力的音圈致动器及方法

技术领域

本发明一般来说涉及音圈型致动器或电动机。

背景技术

利用音圈及磁铁的致动器是已知的且已在广泛应用中使用许多年。由于封闭系统中动量守恒的基本物理原理，因此音圈因对相反磁场的反作用所致的移动在固定体上(在此实例中为磁铁)产生相等且相反的反作用力或后坐力。同样地，在其中磁铁移动而音圈固定的接地音圈配置中，后坐力或反作用力施加到音圈。

在敏感装备(例如计算机磁盘驱动器及用于电路电阻器及电容器的激光修整装备)中，如果不能充分地抑制此后坐力或以其它方式加以管理，那么其可变为问题且影响主要装置的准确性。例如，在电阻器或电容器的激光修整中，所述激光通常结合高敏感测量装置使用以测试经变更元件的性质。激光及反射镜可由闭环伺服控制系统中的电流计来致动以将所述激光引导到工件上的所期望区域。所述激光及反射镜的快速移动导致动量(如果不能抑制或以其它方式加以管理)可有害地影响所述测量装置且危及测量的准确性。激光修整装置的实例为波特兰的电子科学工业有限公司(ElectroScientific Industries，Inc.)或本发明的受让人的型号2100。

抑制后坐力的需要已长期存在且许多设计已尝试消除或完全抵消后坐力，但成功的不多。一种此设计是美国专利第5,146,122号：具有弹性安装短路线匝的音圈致动器(Voice Coil Actuator with Resiliently Mounted Shorted Turn)。在此设计中，引入额外短路线匝元件且其经置放而与磁铁接触以吸收由音圈载架施加于磁铁上的后坐力。替代设计是美国专利第3,699,555号中用于快速行动位移控制的设备(Apparatus for RapidAction Displacement Control)。在此设计中，磁铁/定子安装于定位于杆上的滚子轴承上。转换器载架安装于骑跨于轨道上的轮上。

发明内容

已知设计包括额外复杂精密元件(例如短路线匝)且需要额外组装步骤，此给制造及组装装置添加成本及时间。先前描述的装置均不包括挠曲件，因为所述装置并入有轴承或隔离器以抑制后坐力。相信无一设计产生真正的无后坐力致动器。

已在音圈(在磁铁接地配置中)上或在磁铁(在音圈接地配置中)上采用抑制器或挠曲件以尝试减少或消除接地结构所经受的所得后坐力的设计不产生相对于接地结构的无后坐力系统。

然而，本文描述的本发明的实施例教示一种操作方法及一种致动器，其采用用于磁铁组件及音圈组件两者的挠曲件以大致减少或完全消除接地结构先前所经受的后坐力以改良致动器及周围系统或装备的性能。

目前的无后坐力致动器通常包括永久磁铁及能够接收电流的音圈。致动器支撑音圈以在位置上将所述音圈维持在磁铁的磁场及接地结构内。

在本发明的一个实例中，所述无后坐力致动器包括连接到磁铁支架的独立的第一及第二挠曲板；及连接到音圈支架的第三独立挠曲板。专用于音圈的第三挠曲板可以是类似构造且操作以管理施加于所述音圈上的力。磁铁及音圈两者及其相应挠曲板在所述挠曲板的相对端上连接到两个接地板，从而通过相应挠曲构件挠性地悬挂磁铁及音圈。通过选择相应挠曲构件的弹簧率或刚度以实现磁铁组件与音圈组件的相同自然频率，磁铁与音圈两者所产生的动量是相等且守恒的，因此不在接地板上施加后坐力或剩余力。一旦经组装，即可通过给音圈组件及磁铁组件中的一者或两者添加或移除质量来调谐或调整致动器。

在一个实例中，每一挠曲板包括内部部分，其通过所述内部部分的相对侧上的两个独立挠曲件连接到外部部分。每一挠曲件包括两个挠曲带以管理对相应音圈及磁铁的任何致动力或后坐力。

在挠曲件的一个实例中，第一挠曲带连接到所述内部部分的第一边缘且第二挠曲带连接到所述内部部分的第二边缘。

在本发明的线性及非线性形式的其它实例中，所述致动器包括用于磁铁支架的第一挠曲件及用于线圈支架的第二挠曲件，从而在线圈及磁铁移动时在致动方向上大致不产生后坐力。

本发明进一步揭示一种产生无后坐力致动器的方法。所述方法的一个实例包括：提供与能够接收电流的音圈轴向对准的永久磁铁，所述电流产生线圈相对于磁铁沿纵向轴的轴向移动。磁铁及音圈每一者独立地连接到至少一个挠曲板，所述挠曲板包括具有选定弹簧率的若干个别挠曲件，所述挠曲件管理施加于所述音圈及所述磁铁上的相应力，从而致使在附接到所述挠曲板的接地板处经受零后坐力。

结合附图阅读以下说明，所属领域的技术人员将显而易见本发明的这些及其它应用的变化。

附图说明

本文中的说明参照附图，其中在数个视图中相同的参考编号指代相同的零件，且图式中：

图1是已组装的无后坐力音圈致动器的实例的透视图；

图2是图1的致动器的部分透视图，其显示用于磁铁及音圈的支架；

图3是图1的致动器的部分透视图，其显示磁铁、磁铁支架以及第一及第二挠曲板；及

图4是图1的致动器的部分透视图，其显示音圈、音圈支架及第三挠曲板。

具体实施方式

在数学上，在音圈致动器组件中，其中线圈组件具有质量m₁，磁铁组件具有质量m₂且其相应支撑结构具有弹簧率k₁或刚度k₂，当线圈中产生电流时，所述线圈产生反抗磁铁所产生的磁场的磁场。在与所述辐射磁场相反的各方向上产生线性合力f。以牛顿第三定律开始，F＝ma，音圈组件及磁铁组件两者的运动或位移方程式(分别为x₁及x₂)在音圈组件及磁铁组件的相应质量及挠曲刚度的值范围内是相同的。

$f-k_1{x}_1=m{\stackrel{\·\·}{x}}_1$

f＝(m₁s²+k₁)x₁

$x_1=\frac{1}{m_1{s}^2+k_1}f$

在上述方程式中，s表示拉普拉斯(Laplace)变量，且假设存在零初始条件。类似地，磁铁14组件的位移为：

$x_2=\frac{1}{m_2{s}^2+k_2}f$

鉴于每一线圈组件及磁铁组件的动量对于接地结构或板44必须相等且相反以维持固定：

$m_1{\stackrel{\·}{x}}_1=m_2{\stackrel{\·}{x}}_2$

$\frac{m_{1}s}{m_1{s}^2+k_1}f=\frac{m_{2}s}{m_2{s}^2+k_2}f$

$\⇒m_{1}s(m_2{s}^2+k_2)=m_{2}s(m_1{s}^2+k_1)$

m₁m₂s³+m₁k₂s＝m₁m₂s³+m₂k₁s

m₁k₂s＝m₂k₁s

$\frac{k_2}{m_2}=\frac{k_1}{m_1}$ 方程式(1)

进一步，将质量弹簧振荡器(a mass-spring oscillator)的自然频率定义为由下述方程式表示：

$w_1=\sqrt{\frac{k}{m}}$ 方程式(2)

鉴于以上方程式(1)，得出通过选择每一挠曲件的刚度k使得磁铁组件的自然频率等于线圈组件的自然频率，线圈的运动产生的动量与磁铁的动量(在零相等条件下)将是相等且相反的。作为结果，系统中因音圈的致动所致的动量在音圈及磁铁之间是守恒的，从而不会对固定接地体施加剩余动量或后坐力。在这些情况下，实现无后坐力致动。

无后坐力音圈致动器10的实例显示于图1到4中，所述致动器并入有在磁铁上的第一挠曲件及在音圈上的独立第二挠曲件。参照图1及图2，无后坐力致动器10包括磁铁14、音圈20、磁铁支架30、音圈支架50以及第一挠曲板34、第二挠曲板38及第三挠曲板56。如下文的更全面描述，磁铁14及其支架30独立附接到第一挠曲件(显示为第一挠曲板34及第二挠曲板38)，且音圈20及其支架50独立附接到第二挠曲件(显示为第三挠曲板56)。然后，所有三个挠曲板34、38、56均连接到两个独立接地板44。将挠曲件用于磁铁14及音圈20两者允许磁铁14与音圈20之间沿纵向轴24的相对移动。如下文所描述，当适当地选择挠曲件的弹簧率或刚度时，实现大致无后坐力或在优选实例中完全无后坐力的致动器10。

参照图3，磁铁14包括沿纵向轴24定位的基底60且可包括从所述基底径向向外延伸的凸缘或轴环64。磁铁14优选为永久磁铁，其产生恒定的径向定向的磁场。磁铁的大小、配置及强度将视应用而不同。进一步涵盖使用电磁铁。

磁铁14连接到磁铁支架30。在一个实例中，支架30包括第一刚性端板70及经类似配置的第二刚性端板76，所述第二刚性端板76经定位而沿纵向轴24与第一端板70分开，使得磁铁基底60定位于支架端板70与支架端板76之间(如图2及3中的最佳所见)。第一端板70及第二端板76在相对端处具有分别沿纵向轴24对准的槽78。如图2中的最佳所见，每一支撑板70，76包括四个安装凸缘80，所述凸缘沿大致垂直于纵向轴24的方向从相应板延伸。磁铁14通过使用扣件(未显示)穿过孔口84而连接到第一板70及第二板76。尽管第一支撑板70及第二支撑板76优选由有色金属(例如铝)制成，但也可使用所属领域的技术人员已知的其它材料。

参照图2及4，音圈20为常规设计，其包括线轴或圆筒形中空芯22，所述中空芯由界定轴向开口90的连续导线线圈23缠绕。导线圈23附接到电流源220。

线圈20的大小、配置及电流容量将以所属领域的技术人员已知的方式变化以适合特定应用及性能要求。例如，开面型音圈(其与所描述及图解说明的线轴型线圈相反)可与适合的磁铁一起使用。

音圈20连接到线圈支架50以将线圈20与磁铁14产生的磁场适当地定位成空间关系并维持此空间关系，从而使音圈致动器或电动机10正确地操作。在一个实例中，支架50包括一对刚性端板100，所述对刚性端板由刚性十字构件106沿纵向轴分离。线圈支架50进一步包括沿纵向轴24从端板100向外延伸的若干安装凸缘110。线圈20包括闭合端(未显示)，其邻接端板100且通过扣件(未显示)连接到端板100。附接有线圈20的线圈支架50相对于磁铁支架30沿纵向轴24大致对准定位(如图2中最佳所见)。在此位置中，线圈20的一部分定位于磁铁14中的圆筒形轴向孔112内，使一部分延伸超出磁铁轴环64。通过使用线圈支架50及磁铁支架30，线圈20悬挂于磁铁14的磁场内且仅可在沿纵向轴24的方向上相对于磁铁14移动，如下文更全面描述。

参照图1，在致动器10的图解说明实例中，独立的第一挠曲板34、第二挠曲板38及第三挠曲板56结合磁铁支架30及线圈支架50使用。三个挠曲板34、38、56共同用于管理且大致消除或完全消除原本接地板44处经受的后坐力，所述后坐力初始由在通过音圈20中的导线圈23施加电流时音圈20相对于磁铁14的受迫移动而产生。

参照图3，图解说明第一挠曲板34的实例。第一挠曲板34包括中心部分124及包围所述中心部分的外部部分140。中心部分124包括第一端126、沿纵向轴24与第一端126间隔开的第二端128、第一边缘130及沿横切于纵向轴24的方向间隔开的第二边缘132。中心部分124进一步包括定位于第一端126与第二端128之间的贯穿开口136。第一挠曲板34、第二挠曲板38及第三挠曲板56优选由铜铍合金制成，铜铍合金是强壮的且展现出良好的耐疲劳特性。在优选实例中，挠曲板34为矩形，其厚度约为半英寸或12.7毫米(mm)。所属领域的技术人员应理解其它材料、形状及大小可用于所述挠曲板。

中心部分124通过第一端126处的第一挠曲件146及第二端128处的第二挠曲件150连接到外部部分140。第一挠曲件146包括第一挠曲带154及第二挠曲带170。在所示的第一挠曲件146的实例中，第一带154包括连接到中心部分124的第一边缘130的第一构件158及通过端166连接到第一构件158的第二构件162。第二构件162的相对端连接到外部部分140。类似地，尽管显示为跨越纵向轴24大致对称地相对，但第二挠曲件带170包括连接到中心部分124的第二边缘132的第一构件174及通过一端180连接到第一构件174的第二构件178。如大体上所显示，第二构件162的相对端连接到外部部分140。

邻近于中心部分124的第二端128的第二挠曲件150经构造而类似于第一挠曲件146，其中第二挠曲件150的第一挠曲带184及第二挠曲带190以相反方式连接到中心部分124除外。换句话说，例如，如上文所描述，第二挠曲件150第一带184的第一构件连接到中心部分124的第二边缘132，而第一挠曲件146第一带154的第一构件158连接到中心部分124的第一边缘130。相应带到中心部分124的第一边缘130及第二边缘132的连接可与图解有区别或不同于图解，而此并不背离本发明。

中心部分124通过第一挠曲件146及第二挠曲件150到外部部分140的连接提供(例如)磁铁14及所附接支架30(图3中所示)抵抗第一挠曲件146及第二挠曲件150提供的偏置力的在沿纵向轴24的方向上的往复移动。在优选实例中，中心部分124在除沿纵向轴24以外的所有其它方向上保持固定而无任何实质移动。

在致动器10的实例中，第二挠曲板38及第三挠曲板56每一者包括中心部分124及外部部分140，所述两部分以上述方式相对于第一挠曲板34通过第一挠曲件146及第二挠曲件150而连接(如图3及4中的最佳所见)。第二挠曲板38及第三挠曲板56中挠曲的形状、配置及定向可不同于第一板34且可彼此不同。优选地，如下文实例中所描述，板34、38、56在挠曲面积上大致相同。

如图2中的最佳所见，在提供及组装无后坐力致动器10的优选方法中，音圈20及所附接支架50定位于磁铁支架30上且巢套于磁铁支架30内，使得线圈20部分地插入到磁铁14中的圆筒形孔112中。两个十字杆106的最后一个安装于支架50上，以阻止两个组件彼此移动且形成磁铁线圈组件210。

参照图1及4，在一个实例中，磁铁线圈组件210安装到第三挠曲板56(仅出于图解说明目的，图4中仅显示了支架50及音圈20)。音圈支撑凸缘110通过扣件114固定到第三挠曲板56。

然后第三挠曲板38通过使用扣件200将支撑凸缘80置于槽196中而安装且固定到磁铁支架30。如图1中的最佳所见，在此位置，线圈支架下部十字杆106定位于开口136中，以允许线圈20及支架50相对于磁铁14沿纵向轴24移动。

然后第一挠曲板34定位于磁铁支架30上且以针对第二挠曲板38所述的类似方式固定到支撑凸缘80。应理解，第一挠曲板34可改为安装且固定在第三挠曲板38之前。

经组装支架30、50及挠曲板34、38、56通过扣件214固定到两个接地板44以完成致动器10的组装。接地板44中的附接点及扣件214的位置使得支持音圈20及支架50的第三挠曲板56维持音圈20在磁铁14内的所期望的位置(如先前所描述)，同时允许线圈20相对于磁铁14沿纵向轴24的线性移动。在此位置，相应挠曲板34、38、56上的第一挠曲件146及第二挠曲件150准许音圈20及磁铁14沿纵向轴24独立移动。可使用不同序列来组装各种元件以实现经组装致动器10，而此并不背离本发明。

在操作中，产生电流且通过电流源或导线220或通过所属领域的技术人员已知的部件将其提供到音圈20上的导线圈23。所述电流产生与磁铁14产生的磁场相反的磁场，从而在音圈20及其支架50以及磁铁14及其支架30上形成双向力。为了在接地板44处实现零后坐力，音圈20及其支架50的自然频率与磁铁14及其支架30的自然频率必须大致相等。通过计算磁铁组件及音圈组件的每一者的质量的已知或预期量，可选择相应的第一挠曲板34、第二挠曲板38及第三挠曲板56中的第一挠曲件146及第二挠曲件150中的每一者的刚度k以维持此相等性，从而在接地板44上产生零后坐力或零剩余力。

在大体上显示于图1到4中的致动器10的一个实例中，第一挠曲板34、第二挠曲板38及第三挠曲板56通过线EDM制程由坯料板制成。所述三个板彼此上下堆叠且原理特征(包括第一挠曲件146及第二挠曲件150)同时切割以使得所有三个板中的第一挠曲件146的刚度k大致相同。对第二挠曲件150使用相同制程，以确保所有三个挠曲板中的第二挠曲件150的刚度k大致相同。因为所图解说明的实例中的磁铁14连接到第一挠曲板34及第二挠曲板38两者，且音圈20仅连接到第三挠曲板56，因此磁铁14展现两倍于音圈20沿纵向轴24的刚度或移动阻力。根据以上方程式(1)，当与音圈20的刚度相比磁铁14的刚度为两倍大时，为了使自然频率保持相等以使得动量完全守恒或被耗散，由此得出将需要磁铁14及其支架30的质量为音圈20及其支架50的质量的两倍以在接地板44处实现零后坐力。通过将方程式(1)及用于质量弹簧振荡器的自然频率的方程式(方程式(2))用于计算音圈20及磁铁14的相应质量，可计算适当的刚度值k。

在一个实例性应用中，可在激光修整设备(未显示)中使用一对无后坐力致动器10。在所述实例中，第一致动器10连接到若干x轴旋转反射镜并使其移动，所述X轴旋转反射镜将激光光束引导到第二致动器10中的若干y轴旋转反射镜，所述第二致动器定位于所述第一致动器10的平面内且与其垂直。第二致动器10的接地板44附着到第一致动器10的中心部分124及用于将激光引导到工件(例如电阻器或电容器)的若干透镜。由于致动器10的后坐力性质，因此激光可与高灵敏测量装置一起使用而不危及测量装置的功能或准确性或者危及周围环境。应理解，致动器10并不限于在激光修整操作中使用而是在需要低或零后坐力的致动器之处均是有用的。

应理解，可使用不同刚度的挠曲件，以及不同的质量来适应特定应用及性能规格，而此并不背离本发明。应进一步理解，根据本发明的致动器的随后制造及组装因材料、制造及/或组装中的瑕疵而最初并不提供零后坐力，可通过添加或移除质量来调谐或调整致动器直到大致实现减小的后坐力或零后坐力的等级。应理解，可使用超出图1到4中所图解说明的实例的致动器10的其它形式，而此并不背离本发明，只要以与以上解释一致的方式将一个或一个以上挠曲件用于磁铁及音圈两者即可。例如，第一挠曲件146及第二挠曲件150可采取不同于图1到4中所图解说明的第一带结构154及第二带结构170的若干形式。本发明明确地涵盖提供受控刚度的普通弹簧及其它抑制装置。同样，并入有第一挠曲件146及第二挠曲件150的挠曲板的使用可采取不同于所图解说明者的其它形式，只要线圈与磁铁之间的自然频率视需要保持相等或大致相等。同样，尽管仅图解说明单轴或单移动度致动器10，但可一起使用两个或两个以上无后坐力致动器10且使其彼此相对定位以实现多轴或多个自由度的无后坐力致动。还应理解，尽管图解说明作为线性致动器，但可使用非线性致动器，例如，角度或径向致动器。

尽管已结合某些实施例描述了本发明，仍应理解本发明并不受限于所揭示的实施例，而相反，本发明打算涵盖包括在所附权利要求书的范围内的各种修改及等效配置，应赋予所述范围最宽广的解释以包含法律准许的所有此类修改及等效结构。

Claims (14)

1.一种无后坐力音圈致动器，其包含：

音圈，其具有第一质量；

磁铁，其具有第二质量；

磁铁支架，其连接到所述磁铁；

音圈支架，其连接到所述音圈以用于维持所述音圈与所述磁铁的对准，且准许所述音圈及所述磁铁的相对移动；

第一挠曲板，其连接到所述磁铁支架且具有第一刚度；

第二挠曲板，其连接到所述音圈支架且具有第二刚度；及

固定接地板，其连接到所述第一挠曲板及所述第二挠曲板两者，其中所述第一刚度及所述第二刚度中的每一者的值是基于所述第一质量及所述第二质量，以使所述接地板响应于所述音圈及所述磁铁中的至少一者的移动而在致动方向上基本上不接收后坐力。

2.根据权利要求1所述的致动器，其中所述磁铁沿纵向轴定位且所述音圈沿所述纵向轴与所述磁铁定位成轴向对准，其中所述磁铁及所述音圈沿所述纵向轴彼此相对移动且所述致动方向沿所述纵向轴。

3.根据权利要求2所述的致动器，其中所述第一挠曲板包括连接到所述磁铁支架的第一内部部分及连接到所述接地板的第一外部部分，所述第一内部部分通过第一挠曲件连接到所述第一外部部分；且所述第二挠曲板包括连接到所述音圈支架的内部部分及连接到所述接地板的外部部分，所述内部部分通过第二挠曲件连接到所述外部部分。

4.根据权利要求3所述的致动器，其中将所述内部部分连接到所述外部部分的所述每一挠曲件包含：第一挠曲带，其连接到所述内部部分的第一端；及第二挠曲带，其连接到所述内部部分中沿所述纵向轴与所述第一端分离的第二端。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的致动器，其进一步包含：

第三挠曲板，其连接到所述磁铁支架；且其中所述第二挠曲板定位于所述第一挠曲板与所述第三挠曲板之间。

6.根据权利要求2所述的致动器，其中所述磁铁包括沿所述纵向轴定位的轴向孔且所述音圈与所述轴向孔轴向对准且至少部分地定位于所述轴向孔内。

7.根据权利要求1所述的致动器，其中所述磁铁具有以纵向轴为中心的膛孔，所述音圈与所述膛孔轴向对准且至少部分地定位于所述膛孔内，所述磁铁支架沿所述纵向轴定位，所述音圈支架沿所述纵向轴定位且准许所述音圈及所述磁铁的相对轴向移动；所述第二挠曲板在横切于所述纵向轴的方向上从所述第一挠曲板定位，且所述致动器进一步包含：

第三挠曲板，其连接到所述磁铁支架且连接到所述接地板并经定位以使得所述第二挠曲板在所述第一挠曲板与所述第三挠曲板之间。

8.根据权利要求7所述的致动器，其中所述磁铁支架进一步包含沿所述纵向轴分离的第一刚性端板与第二刚性端板，每一端板具有在所述端板的相对端上沿所述纵向轴对准的若干槽。

9.根据权利要求8所述的致动器，其中所述音圈支架进一步包含沿所述纵向轴分离且由两个十字杆连接的第一刚性端板与第二刚性端板，每一十字杆定位于所述磁铁支架的第一刚性端板与第二刚性端板中所述对准的若干槽中的一者内，以允许所述磁铁支架及所述音圈支架沿所述纵向轴的相对轴向移动。

10.根据权利要求7所述的致动器，其中所述第一挠曲板及所述第三挠曲板每一者包含连接到所述磁铁支架的内部部分及连接到所述接地板的外部部分，所述第二挠曲板包含连接到所述音圈支架的内部部分及连接到所述接地板的外部部分，且每一内部部分通过沿所述纵向轴可扩展且可压缩的挠曲件连接到其相应的外部部分。

11.根据权利要求10所述的致动器，其中每一挠曲件包含沿所述纵向轴分离的第一挠曲带与第二挠曲带，每一挠曲带具有第一带构件及通过一端连接到所述第一带构件的第二带构件。

12.根据权利要求11所述的致动器，其中每一第一挠曲带连接到所述内部部分的第一边缘且每一第二挠曲带连接到所述内部部分的第二边缘，所述第二边缘在横切于所述纵向轴的方向上与所述第一边缘分离。

13.根据权利要求7所述的致动器，其中所述第一挠曲板、所述第二挠曲板及所述第三挠曲板具有沿所述纵向轴彼此基本上相等的个别刚度。

14.根据权利要求7所述的致动器，其中所述磁铁的自然频率沿所述纵向轴基本上等于所述音圈的自然频率。

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