CN112543401B - 双音圈线性平移器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种线性平移器装置，包括：第一主体；第二主体；以及多个致动器；其中，每个致动器包括第一部分和第二部分，所述第一部分安装于所述第一主体，所述第二部分安装于所述第二主体，所述第一部分包括前端和后端，所述第二部分配置为平行于所述运动方向伸出和缩回；其中所述多个致动器布置为使得所述多个致动器中的一个的第二部分的伸出或缩回方向与所述多个致动器中的另一个的第二部分的伸出或缩回方向偏移、平行和相反；并且其中，所述多个致动器中的一个的第一部分的至少一部分在运动空间的方向上与多个致动器中的另一个的第一部分的一部分重叠。

Description

双音圈线性平移器

相关申请的交叉引用

本发明要求2019年9月20日提交的美国临时专利申请62/903215的权益。在此通过引用并入美国临时专利申请62/903215的内容。

技术领域

本发明涉及致动器，更具体地，涉及双音圈线性平移器。

背景技术

音圈平台是一种高性能且紧凑的定位系统，专门为需要在短行程至中行程内进行高精度和高速定位的应用而开发。它是光学聚焦和其它微型定位应用的理想选择，如半导体、医疗、光学测试、扫描显微镜、电路板组装和微型制造。

音圈包括两个基本部分：永磁体组件和电磁线圈。音圈可以是动磁体或动线圈设计。线圈基于施加到线圈的电流移入和移出磁体组件。如图1所示，当音圈完全缩回时，音圈的缩回长度表示为X+Z(壳体的长度加上安装头的长度)。然后，当音圈完全伸展时，音圈的伸展长度表示为X+Y+Z，其中Y是最大行程范围。因此，根据施加的电流，音圈的长度在X+Z和X+Y+Z之间。

图2示出了一种双音圈设计，其中图1的两个音圈沿其共同的延伸线彼此相反地布置。由于有两个音圈，因此双音圈的缩回长度为2(X+Z)，双音圈的伸出长度为2(X+Y+Z)。

请注意，X大于Y。单个音圈致动器的总长度往往比缩回到缩回状态下的所需行程长度大20％。例如，单个传统音圈平移器平移100mm需要120mm长的音圈，并且必须加上行程范围，从而使装置的最小总长度为220mm。然而，在许多应用中，当涉及到装置和平移器时，节省空间是一个关注的问题，这些装置和平移器需要被精确地放置在实验装置中，或者作为子组件集成到更大的装置中。在该平移器之前，音圈驱动的线性装置由一个或多个音圈供电，其中音圈的长度通常等于或大于装置的所需平移范围。因此，装置的长度通常大于装置的平移范围的两倍。

因此，迫切需要创造一种由两个或多个音圈致动器驱动的平移装置，其中该装置的位移超过该装置中使用的任何音圈的长度。为了满足该需求，对于相同的期望行进长度，该装置将具有比现有装置更短的装置总长度。

发明内容

本发明的实施例提供了一种线性平移器装置，包括：第一主体；第二主体，该第二主体可沿相对于所述第一主体的运动方向移动；以及多个致动器；其中，每个致动器包括第一部分和第二部分，所述第一部分安装于所述第一主体，所述第二部分安装于所述第二主体，所述第一部分包括前端和后端，所述第二部分配置为相对于所述第一部分的所述前端平行于所述运动方向伸出和缩回；其中，所述多个致动器布置为使得所述多个致动器中的一个的第二部分的伸出或缩回方向与所述多个致动器中的另一个的第二部分的伸出或缩回方向偏移、平行和相反；并且其中，所述多个致动器中的一个的第一部分的至少一部分在运动空间的方向上与所述多个致动器中的另一个的第一部分的一部分重叠。

附图说明

图1示出了处于缩回状态和伸出状态的单个音圈。

图2示出了现有的双音圈设计。

图3示出了根据实施例的双音圈设计。

图4示出了根据一个实施例的双音圈设计，其中多个音圈致动器侧的后部和前部偏移，但是仍然保留空间。

图5a和图5b分别示出了根据实施例的音圈驱动的平移器装置的平面图和侧视图。

具体实施方式

根据本发明原理对说明性实施例的描述旨在结合附图阅读，附图被视为整个书面描述的一部分。在本文所公开的发明实施例的描述中，任何对方向或定向的提及只是为了描述的方便，而不是以任何方式限制本发明的范围。诸如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“在……之上”、“在……之下”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”等相对术语以及它们的派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应被解释为指当时所描述的或在所讨论的图中所示的定向。这些相关术语仅为便于描述，除非明确指出，否则不要求装置以特定定向构造或操作。诸如“附着”、“附接”、“连接”、“联接”、“互连”和类似的术语是指其中结构通过中间结构直接或间接地彼此固定或连接在一起的关系，以及可移动或刚性的连接或关系，除非另有明确说明。此外，本发明的特征和优点通过参考示例性实施例来说明。因此，本发明明确地不应限于这样的示例性实施例，这些示例性实施例说明了可能单独存在或以其它特征组合存在的一些可能的非限制性特征组合；本发明的范围由本文所附的权利要求定义。

本公开描述了目前设想的实施本发明的最佳模式。该描述并非旨在以限制性的意义来理解，而是提供了本发明的示例，其通过参考附图仅出于说明性目的而提出，以向本领域的普通技术人员建议本发明的优点和构造。在附图的各种视图中，相似的附图标记表示相似或相似的部分。

本发明的实施例提供了一种致动器驱动的装置，其使用两个或更多个平行于运动轴线的线性致动器，其中至少一个致动器被定向为与装置中的其它致动器中的一个相对并偏移。在下面的讨论中，在各种示例实施例中使用音圈线性致动器来说明发明构思。应当理解，根据本发明的实施方式以特定方式布置致动器的概念不仅限于音圈致动器。还可以考虑使用其它类型的线性致动器来利用根据本文件中公开的实施例的致动器装置的独特优点。

传统的音圈平移器使用一个或多个音圈，其中所有音圈共享相同的方向。单个音圈致动器的总长度往往比缩回到缩回状态下的所需行程长度大20％。例如，单个传统音圈平移器平移100mm需要120mm长的音圈，并且必须加上行程范围，从而使装置的最小总长度为220mm。

本发明的实施例提供了一种音圈驱动的装置，其使用两个或更多个平行于运动轴线的音圈致动器，其中至少一个致动器被定向为与装置中的其它致动器中的一个相对并偏移。图3示出了根据实施例的设计所实现的空间节省。从图3可以看出，两个音圈的壳体在垂直方向的空间上重叠。因此，双音圈的伸出长度为X+2(Y+Z)，其中Z是音圈安装头的厚度。与图2相比，根据实施例的设计实现了在图2所示的装置长度2(X+Y+Z)上的空间节省。在许多应用中，与X和Y的值相比，Z的值可以忽略不计，而且节省的空间几乎是外壳的整个长度X。

例如，单个传统音圈平移器平移100mm需要120mm长的音圈，并且必须加上行程范围，从而使装置最小总长度为220mm。为了使用上述双音圈配置实现相同的100mm行程范围，需要两个彼此平行的76.2mm的音圈致动器。再加上100mm的行程，因此总计最小为176.2mm。这比现有设计节省了19.91％的空间。当实际上可能需要更长的音圈时，特别是在单音圈平台配置中，此示例已简化并假设了理想条件。这就是在示例中在50mm音圈上使用76.2mm音圈致动器的原因。

为了便于讨论部件的运动，在此使用术语“固定”和“移动”。注意，术语“固定”和“移动”是相对术语。根据参照系，一个对象可能被认为是相对于另一个对象“固定”或“移动”的。图4示出了一个实施例，其中多个致动器中的一个的固定/运动部分的前端是偏移的，其中与多个致动器中的另一个的后端保持空间节省。在此，通过壳体在运动空间的方向上的部分或完全重叠来实现空间节省。如果偏移量的值为W，则双音圈的伸出长度为X+2(Y+Z)–W，或X+2(Y+Z)+W，这取决于固定部分的偏移是在运动部分的伸出方向还是在缩回方向。

图5a和图5b示出了根据实施例的基于双音圈设计的音圈驱动的平移装置。为了清楚起见，该示例实施例包括两个相同的音圈致动器。平移装置包括固定体1、移动体2和两个或更多个线性音圈致动器3、4。线性音圈致动器3、4分别包括自个的运动部分3a、4a和固定部分3b、4b。音圈致动器的固定部分可以包括具有正面和背面的电磁线圈。音圈致动器的运动部分可以是磁体组件，其从线圈的前侧或开口侧移入和移出。

音圈致动器的运动部分3a、4a安装于移动体2。音圈致动器的固定部分3b、4b安装于固定体1。

音圈致动器的运动部分3a、4a的定向布置成在运动方向上平行，并且它们还沿着行进轴线朝向相反的方向，从而使一个音圈致动器的固定部分3b的后侧与另一个音圈致动器的固定部分4b的前侧或开放侧共享同一平面。由于致动器是相同的，因此，一个音圈致动器3的固定部分3b的前侧或开放侧与另一个音圈致动器4的固定部分4b的后侧共享同一平面。音圈致动器3、4与各自相应的移动侧3a、4a的运动方向对齐并偏移所需距离，因此，它们的移动动作不会受到限制或相互干扰，从而实现了致动器的伸缩动作。最小偏移将是致动器彼此接触的布置。这种布置在横向方向上提供了额外的空间节省。

在一个实施例中，音圈平移平台配置有音圈致动器的布置，使得该平台的平移范围超过多个致动器中的任一个致动器的长度的距离，并且该平台的总长度小于多个致动器都沿相同方向定向的相似平台。

在一个实施例中，音圈致动器的固定侧3b、4b通过与相应的移动音圈致动器侧相对的一侧安装到固定体1。装置的总行程范围是音圈致动器的运动部分3b、4b的安装表面之间的距离减去音圈致动器的固定部分3a、4a的公共长度。该描述忽略了额外的材料安装和所涉及主体的固定。

图5a和图5b还示出了联接至固定体以引导平移器的运动的导轨5。在一个实施例中，音圈致动器串联连接。在一个实施例中，每个音圈致动器被独立地供电和控制。在一个实施例中，平移器包括编码器以提供位置反馈。

尽管已经相对于几个所描述的实施例以一定篇幅描述了本发明，但是本发明并不限于任何这样的细节或实施例或任何特定的实施例，而应理解为鉴于现有技术提供最广泛的解释，并因此有效地涵盖本发明的预期范围。此外，前述内容根据发明人可以预见的实施例描述了本发明，尽管目前尚未预见到的对本发明的非实质性修改仍然可以表示其等同形式。

Claims (9)

1.一种线性平移器装置，其特征在于，所述线性平移器装置包括：

第一主体；

第二主体，该第二主体可沿相对于所述第一主体的运动方向移动；以及

多个致动器；

其中，每个致动器包括壳体部分和运动部分，所述壳体部分安装于所述第一主体，所述运动部分安装于所述第二主体，所述壳体部分包括前端和后端，所述运动部分配置为从所述壳体部分的所述前端平行于所述运动方向移入和移出；

其中，所述多个致动器布置为使得：所述多个致动器中的一个的运动部分与所述多个致动器中的另一个的运动部分偏移，所述多个致动器中的一个的运动部分的伸出或缩回方向与所述多个致动器中的另一个的运动部分的伸出或缩回方向平行且相反；并且

其中，平行于运动方向的所述多个致动器中的一个的壳体部分的至少一部分在运动方向上与所述多个致动器中的另一个的壳体部分的一部分重叠。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个致动器为通过施加电流来驱动的音圈致动器。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述多个致动器串联连接。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述多个致动器被独立地供电和控制。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括编码器，所述编码器被配置为提供所述致动器的运动的位置反馈。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个致动器中的一个的壳体部分的前端与所述多个致动器中的另一个的壳体部分的后端共享同一平面。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个致动器中的一个的壳体部分的后端与所述多个致动器中的另一个的壳体部分的前端共享同一平面。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个致动器中的一个的壳体部分的前端与所述多个致动器中的另一个的壳体部分的后端在所述运动部分的伸出方向偏移一定距离。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个致动器中的一个的壳体部分的前端与所述多个致动器中的另一个的壳体部分的后端在所述运动部分的缩回方向上偏移一定距离。

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