CN1759523A - 具有改进的力特性的闭端线性音圈致动器 - Google Patents

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CN1759523A CNA2003801078713A CN200380107871A CN1759523A CN 1759523 A CN1759523 A CN 1759523A CN A2003801078713 A CNA2003801078713 A CN A2003801078713A CN 200380107871 A CN200380107871 A CN 200380107871A CN 1759523 A CN1759523 A CN 1759523A
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Abstract

本发明公开了一种线性致动器，包括一个芯体(64)、一个线圈(50)、一个磁体组件(52)以及一个壳体(54)。所述线圈被形成为环绕所述芯体设置，用于沿着所述芯体的纵轴线(66)运动。所述壳体由芯体凸缘支撑起来，并且环绕所述线圈组件和芯体设置。所述磁体组件包括具有相同极性的磁体，这些磁体面对着所述线圈，并且被形成为位于所述线圈的内侧或者外侧，分别由所述芯体或者壳体支撑起来。所述芯体包括第一和第二部分(65a)，各个部分均具有一个端面，其中第一和第二部分被沿着所述纵轴线设置，从而使得所述端面相互面对并且由一个间隙(69)分隔开。沿着所述纵轴线，在各个端面中形成有一个凹腔(68)。

Description

具有改进的力特性的闭端线性音圈致动器
相关申请
本申请要求享有于2002年10月28日提交的美国临时专利申请No.60/421929的优先权。
技术领域
本发明总体上涉及线性音圈致动器(linear voice coil actuators)，尤其是涉及一种带有经过改进的力特性的线性音圈致动器，和用于实现这种经过改进的力特性的方法。
背景技术
至少三份现有技术参考文献描述了通过从磁路上的一个或者多个部分去除某些材料的来对线性音圈致动器进行改进。授权给Zhao并且转让给Kulicke & Soffa工业有限公司的美国专利No.5808379示出这样一种改进：在至少一个极靴中设置至少一个气隙44。参见本申请中的图1(图1是美国专利No.5808379中的图5的复制件，只是其中的附图标记已经被去除，以避免与在本申请的图2中出现的附图标记产生冲突)。所述改进是增大了用于固定电流值的力，因为降低了电枢反作用。
另外一种现有致动器被绘制在图2中，在授权给Wong等并且转让给Maxtor公司的美国专利No.5113099中进行了描述(图2是美国专利No.5113099中的图3的复制件)。根据本专利，芯体35具有一个用于改善致动器的上升时间的开口37，同时形成有附加开口36，来使得该芯体非常饱和，以便使得其磁性接近于空气的磁性。
还有一种现有致动器被绘制在本申请的图3中，在授权给Morcos等并且转让给本申请的受让人的美国专利No.5677963中进行了描述。根据本专利，在芯体108的中心处贯穿该芯体108钻出一个孔109。由于该孔的存在，由永久磁体产生的磁通量不会受到影响，但是由线圈中的电流所产生的磁通量(电枢反作用)明显减小。这种措施的一个有益效果是减小了用于线圈的任何给定位置和线圈中的两个不同电流方向的力不平衡现象。
尽管美国专利No.5677963提到了芯体可以呈圆柱形，但是所有前述三份专利基本上描述的均是长方形音圈致动器。但是，前述专利均描述了以这样一种方式连接在端板上的场板(field plates)，即可以被解释为意味着仅有两个磁体或者两组磁体被固连在平行板上，并且仅线圈的两侧涉及产生所述力。
尽管利用这些在先成果实现了对致动器性能的改进，但是仍旧需要改进作为线圈位置和线圈中电流方向的一个函数的力不平衡现象。
发明概述
本发明旨在解决对一种经过改进的力平衡特性的需求，并且提供一种用于实现这种改进的方法。按照本发明，一种线性致动器包括一个具有纵轴线的芯体、一个被形成为用于沿着所述芯体的纵轴线运动的线圈、以及一个沿着所述芯体的纵轴线设置的磁体结构，其中所述芯体包括第一和第二部分，各个部分均包括一个端面和一个形成于该端面中的凹腔，并且具有一根沿着所述芯体的纵轴线的对称轴线，还有，所述第一和第二部分被设置成使得端面相互面对并且以一个间隙分隔开。
通过在一个沿着所述芯体的纵轴线的方向上，也就是说在所述线圈的运动方向上，在所述芯体的各个第一和第二部分中成形一个凹腔，已经发现可以实现对力平衡现象的明显改进。所述凹腔最好在各个芯体部分中具有基本上相同的形状。例如，可以使用一个半球形凹腔，并且当所述芯体的第一和第二部分被设置成它们的端面相互面对而形成间隙时，所述半球形凹腔在所述芯体中组合形成一个由所述间隙细分的基本上呈球形腔室。
优选的是，所述凹腔在所述芯体的各个部分的端面处最宽，并且跨度沿着一个背离所述端面的方向减小。所述凹腔最好在剖面上沿着所述纵轴线呈曲线状。
按照本发明中的方法，通过下述操作来成形一个线性致动器：成形一个沿着一条纵轴线设置并且具有一个第一部分和一个第二部分的芯体；在各个第一和第二部分上定义一个端面；沿着所述芯体的纵轴线对称地去除材料，以便在各个第一和第二部分中形成一个凹腔；将所述第一和第二部分设置成使得它们的端面相互面对并且由一个间隙分隔开；成形一个用于沿着所述芯体的纵轴线运动的线圈；以及沿着所述芯体的纵轴线设置一个磁体结构。
按照本发明中的方法，可以通过在所述芯体的第一和第二部分的端面中成形直径发生变化的同心钻孔来实现将材料去除，以便形成所述凹腔，其中所述同心钻孔具有沿着所述纵轴线的中心。例如，可以通过钻取具有选定深度和选定直径的材料区域，并且促使钻取区域的选定直径沿着一个朝向所述端面的方向增大来形成所述凹腔，其中所述材料区域与所述纵轴线同轴。
因此，本发明的目的在于提供一种线性致动器，和一种用于成形这种致动器的方法，这种致动器具有经过改进的力平衡特性。
本发明的另外一个目的在于提供一种线性致动器和方法，其中一个芯体由第一部分和第二部分形成，各个第一和第二部分均带有相互面对的端面来形成一个间隙，并且具有一个形成于各个端面中的凹腔，该凹腔沿着所述芯体的纵轴线对称延伸。
本发明的再一个目的在于提供一种线性致动器和方法，其中一个具有纵轴线的芯体由两个部分形成，各个部分均具有一个横过所述纵轴线的面，并且这两个面相互面对来形成一个间隙，还有，各个面均具有形成于其中的一个曲线腔室，该曲线腔室的跨度随着远离所述面减小。
通过考虑下面的详细描述和附图，将更轻易地理解本发明的这些和其它目的、特征以及优点。
附图简述
图1是美国专利No.5808379中的图5的复制图，但是其中的附图标记已经被去除，以避免与在本申请的图2中出现的附图标记产生冲突。
图2是美国专利No.5113099中的图3的复制图。
图3是美国专利No.5677963中的图5的复制图。
图4简化地示出了本发明中的一个圆柱形线圈实施例。
图5简化地示出了本发明中的一个圆柱形线圈实施例，其中磁体位于所述线圈的内侧。
图6示出了一个按照本发明带有一个圆柱形壳体的致动器。
图7示出了一个可以用在图6所示致动器中的移动线圈组件的示例。
图8示出了一个横臂，用于连接两个穿过两个在图6中所示切槽突伸出来的线圈基座“指状物”。
图9示出了一个带有一按照本发明形成的凹腔的致动器的力-行程特性，贯穿所述行程，该力-行程特性可以基本上恒定。
图10示出了一种按照本发明通过去除部分磁性材料来形成凹腔的方法。
图11示出了一个按照本发明带有一壳体的致动器，所述壳体沿着垂直于其轴线的方向具有一种正方形构造。
图12A和12B示出了本发明中的正方形剖面线性致动器实施例，其中线圈分别位于磁体的内侧和磁体的外侧。
优选实施例
在此通过引用将前述参考文献美国专利No.5808379、No.5133099、和No.5677963结合入本发明。
在本发明中的致动器的一个实施例内，如图4中所示，一个圆柱形线圈50由固连在壳体54上的磁体52环绕起来。按照另外一个实施例，如在图5中可以看到的那样，一个圆柱形线圈60环绕在固连于芯体64上的磁体62的周围。在这两种情况下，整个线圈均参与产生力，这样就改善了对由所述致动器所占据体积的利用。
在图4和5所示的实施例中，芯体64具有两个部分64A和64B。这些部分被沿着芯体64的纵轴线66设置。部分64A和64B中的每一个均在一端部处具有一个凸缘，而在另外一个端部处具有一个端面。壳体54由这些凸缘支撑起来。
在图4和5所示的实施例中，移动线圈组件74包括指状物78和80，它们延伸穿过形成于部分64B的凸缘部分上的槽。指状物78和80上在间隙51的内部位于致动器内侧的部分，支撑着致动器线圈50(60)。指状物78和80支撑着一个位于致动器外部的横臂76。
需要明白的是，按照本发明的致动器可以采用多种横过纵轴线66的剖面，包括圆形、长方形和正方形剖面。
按照本发明，图6描绘了一个带有圆柱形壳体72的致动器70。一个在图7中示出的移动线圈组件74可以被应用在图6所示的致动器70中。在图8中示出了一个横臂76，用于连接两个穿过两个图6中所示的切槽84、86突伸出来的线圈基座“指状物”78、80。
为了改善本发明中的致动器的力-行程特性，某些磁性材料可以被从磁路中去除。但是与在美国专利No.5677963中所描述方法不同的是，按照本发明，沿着芯体64的轴线66进行磁性材料去除操作，以便形成一个凹腔68，其中在美国专利No.5677963中，垂直于芯体的轴线贯穿该芯体钻取一个孔。芯体64中的凹腔68的特定形状由预期的力-行程特性加以确定。
为了按照本发明实现所述凹腔的成形操作，芯体最好包括两个由一间隙69分隔开的部分64A、64B。该间隙69的最佳尺寸也被算作所述磁路的一部分。例如，图5描绘了一个位于各个芯体部分64A(64B)中的半球形凹腔82A(82B)。当致动器组装完毕时，两个凹腔82A、82B形成一个基本上呈球形的凹腔。
在本发明的优选实施例中，所述磁体可以是径向磁化的环状磁体或者多个具有相同极性的磁体片段，这些磁体片段面对着所述线圈，并且被形成为位于所述线圈的内侧或者外侧。正如可以从图4和5中看到的那样，磁体52(62)间隔开，从而使得在它们之间形成一个与间隙69对齐的空间。尽管磁体52在图4中被图示为间隔开，但是磁体结构可以替代性地被制成不带这种空间，比如利用一个整体式磁体。
图9证实了具有以本发明中的方式形成的凹腔的优点。图9示出了一个带有所述凹腔的致动器的力-行程特性在整个所述行程上差不多保持恒定。尤其是，虚线示出了一个带有实心芯体的致动器的行程。带有钻石状标记的虚线示出了致动器由左向右运动的力-行程特性，而带有三角形标记的虚线示出了用于致动器由右向左运动的力-行程特性。在这些图线中的每一个可以看到，变化量差不多为10N。
相反，实线示出了一个按照本发明带有一个具有球形凹腔的芯体的致动器的力-行程特性。带有正方形标记的实线示出了用于由左向右运动的力-行程特性，而带有“X”标记的实线示出了由右向左运动的力-行程特性。目前的变化量仅接近5N，表明在按照本发明的致动器的图示示例中，在整个行程上的力不平衡现象已经减半。还有，可以看出在从行程的11.4毫米延伸至26.6毫米的区域中，沿任一方向的力变化量均小于1N。
图10描绘了另外一种通过去除部分磁性材料来形成预期凹腔的方法。按照本方法，沿着各个芯体部分的轴线66钻取出直径不断增大的孔(84A、84B、84C)。当钻孔次数和它们的尺寸被合适地选定时，组合效果非常类似于球形凹腔。
优选的是，所述凹腔的体积必须优化，以便使得电枢反作用最小化，力特性尽可能地平整，并且由致动器产生的力不会减小。如果体积小于最佳体积，那么电枢反作用将无法减小，并且力特性将无法尽可能地平整。相反，如果从芯体上去除的材料体积大于最佳体积，那么将降低由永久磁体产生的原始磁通量(primary magnetic flux)，并且因此，减小由致动器产生的力。
在凹腔形状之中，可以按照本发明采用的是半球形、曲线形、朝向所述端面直径逐步增大的阶梯状钻孔、直径逐步增大的同心圆区域、或者这样一种形状，即环绕芯体的纵轴线对称并且跨度随着沿着所述纵轴线远离芯体部分的端面而逐步减小的形状。
需要理解的是，沿着垂直于图面的方向，所述壳体和/或芯体将也具有长方形构造，优选的是正方形构造。如果所述芯体的剖面为长方形或者正方形，那么位于两个芯体部分中的凹腔可以通过铣削操作而获得。在图11中示出了一个带有这样一个壳体的致动器，即沿着垂直于其轴线的方向具有一种正方形构造。
在图12A和12B中示出了按照本发明的正方形剖面致动器的两个示例。图12A描绘了这种构造，即长方形磁体88环绕在线圈90的周围，并且被固连在壳体92上。图12B示出了这种构造，即线圈94环绕在固连于芯体98上的长方形磁体96的周围。
所公开的是一种线性致动器，包括一个芯体、一个线圈组件、一个磁体组件以及一个壳体。所述芯体具有一根纵轴线，而所述线圈组件包括一个线圈，该线圈被形成为环绕所述芯体设置，用于沿着所述纵轴线运动。所述壳体由芯体凸缘支撑起来，并且环绕所述线圈组件和芯体设置。所述磁体组件包括一个径向磁化的环状磁体或者多个具有相同极性的磁体片段，这些磁体片段面对着所述线圈，并且被形成为位于所述线圈的内侧或者外侧，由所述壳体或者芯体支撑起来。所述芯体包括第一和第二部分，各个部分均具有一个端面，其中第一和第二部分被沿着所述纵轴线设置，从而使得所述端面相互面对并且由一个间隙分隔开。沿着所述纵轴线，在各个端面中形成有一个凹腔。本发明前述致动器中的芯体、线圈、壳体以及磁体可以沿着一个垂直于所述纵轴线的方向呈圆柱形，并且形成于第一和第二部分的各个面中的凹腔可以呈半球形。
前述实施例中的凹腔，可以由形成于所述芯体的第一和第二部分的端面中的直径发生变化的同心孔形成，同时中心沿着所述纵轴线间隔开。
本发明前述致动器中的芯体、线圈、壳体以及磁体可以沿着一个垂直于所述纵轴线的方向呈长方形，比如正方形，并且形成于所述芯体的第一和第二部分的各个面中的凹腔可以类似于图10中示出的多个圆柱形孔，是多个剖面不断增大的长方形或者正方形凹腔。
在此所采用的词语和表述是描述性词语，而并非限制性词语，并且不希望所使用的这些词语和表述排除所图示和所描述特征的等同物，或者其中的部分，应该认识到，在所要求保护的本发明范围之内，可以进行各种修改。

Claims (39)

1.一种线性致动器，包括
芯体，具有一根纵轴线；
线圈，被形成为用于沿着所述芯体的纵轴线运动；以及
磁体结构，被沿着所述芯体的纵轴线设置；
其中，所述芯体包括第一和第二部分，各个部分均包括一端面和一对称轴线沿着所述芯体的纵轴线的凹腔，并且所述第一和第二部分被设置成使得所述端面相互面对并且由间隙分隔开。
2.如权利要求1中所述的线性致动器，还包括壳体，由芯体凸缘支撑起来并且环绕所述线圈和芯体设置。
3.如权利要求1中所述的线性致动器，其特征在于，所述磁体组件包括面对着所述线圈具有相同极性的磁体。
4.如权利要求3中所述的线性致动器，其特征在于，所述磁体被形成为位于所述线圈的内侧。
5.如权利要求3中所述的线性致动器，其特征在于，所述磁体被形成为位于所述线圈的外侧。
6.如权利要求4中所述的线性致动器，其特征在于，所述磁体由所述芯体支撑起来。
7.如权利要求5中所述的线性致动器，还包括壳体，由芯体凸缘支撑起来并且环绕所述线圈和芯体设置，并且所述磁体由该壳体支撑起来。
8.如权利要求4中所述的线性致动器，其特征在于，所述磁体包括径向磁化的环状磁体。
9.如权利要求4中所述的线性致动器，其特征在于，所述磁体包括多个具有相同极性的磁体片段。
10.如权利要求1中所述的线性致动器，其特征在于，形成于所述芯体的第一部分中的凹腔沿着所述纵轴线具有半球形剖面。
11.如权利要求10中所述的线性致动器，其特征在于，形成于所述芯体的第二部分中的凹腔沿着所述纵轴线具有半球形剖面。
12.如权利要求1中所述的线性致动器，其特征在于，形成于所述芯体的第二部分中的凹腔沿着所述纵轴线具有曲线剖面。
13.如权利要求12中所述的线性致动器，其特征在于，形成于所述芯体的第一部分中的凹腔沿着所述纵轴线具有曲线剖面。
14.如权利要求1中所述的线性致动器，其特征在于，形成于所述芯体的第一部分中的凹腔沿着所述纵轴线具有这样一个剖面，其在所述芯体的第一部分的端面处最宽。
15.如权利要求14中所述的线性致动器，其特征在于，形成于所述芯体的第二部分中的凹腔沿着所述纵轴线具有这样一个剖面，其在所述芯体的第二部分的端面处最宽。
16.如权利要求1中所述的线性致动器，其特征在于，形成于所述芯体的各个第一和第二部分中的凹腔均沿着所述纵轴线具有这样一个剖面，其在所述芯体的第一部分的端面处最宽。
17.如权利要求16中所述的线性致动器，其特征在于，形成于所述芯体的各个第一和第二部分中的凹腔均沿着所述纵轴线具有半球形剖面。
18.如权利要求16中所述的线性致动器，其特征在于，形成于所述芯体的各个第一和第二部分中的凹腔均沿着所述纵轴线具有曲线剖面。
19.如权利要求16中所述的线性致动器，其特征在于，形成于所述芯体的各个第一和第二部分中的凹腔均沿着所述纵轴线具有这样一个剖面，其朝向所述端面最宽，并且沿着所述纵轴线远离所述端面逐步变窄。
20.如权利要求16中所述的线性致动器，其特征在于，所述芯体的各个第一和第二部分中沿着所述纵轴线的凹腔均通过去除具有选定深度和选定直径的圆形材料区域来形成，其中所述圆形材料区域与所述纵轴线同轴，并且所述圆形区域的选定直径沿着远离所述端面的方向减小。
21.如权利要求16中所述的线性致动器，其特征在于，所述芯体的各个第一和第二部分中沿着所述纵轴线的凹腔均通过钻取具有选定深度和选定直径的材料区域来形成，其中所述材料区域与所述纵轴线同轴，并且所述钻取区域的选定直径沿着朝向所述端面的方向增大。
22.如权利要求2中所述的线性致动器，其特征在于，所述芯体、线圈、壳体以及磁体结构均呈横过所述纵轴线的正方形。
23.如权利要求22中所述的线性致动器，其特征在于，所述芯体包括第一和第二部分，各个部分均具有一个面，并且在各个面中均形成有对称轴线沿着所述纵轴线的凹腔。
24.如权利要求23中所述的线性致动器，其特征在于，各个面中的凹腔均由多个正方形凹腔形成，所述正方形凹腔具有在与所述面相距选定距离的位置处开始增大的剖面。
25.如权利要求2中所述的线性致动器，其特征在于，所述芯体、线圈、壳体以及磁体沿着垂直于所述纵轴线的方向呈圆柱形，并且形成于所述芯体的第一和第二部分的各个面中的凹腔呈半球形。
26.如权利要求3中所述的线性致动器，其特征在于，所述间隙形成于一横过所述纵轴线的平面中，并且所述磁体被设置成在它们之间形成一个空间，该空间与横过所述纵轴线的平面对齐。
27.一种用于构造线性致动器的方法，包括下述步骤：
形成一芯体，该芯体被沿着一纵轴线设置并且具有第一部分和第二部分；
在各个第一和第二部分上限定一端面；
在各个第一和第二部分中，形成一对称轴线沿着所述芯体的纵轴线的凹腔；
将所述第一和第二部分设置成使得它们的端面相互面对并且由一间隙分隔开；
形成用于沿着所述芯体的纵轴线运动的线圈；以及
沿着所述芯体的纵轴线设置一磁体结构。
28.如权利要求27中所述的方法，其特征在于，所述凹腔成形步骤包括下述步骤：将所述凹腔形成为具有半球形剖面。
29.如权利要求27中所述的方法，其特征在于，所述凹腔成形步骤包括下述步骤：将所述凹腔形成为具有曲线剖面。
30.如权利要求27中所述的方法，其特征在于，所述凹腔成形步骤包括下述步骤：将所述凹腔形成为沿着所述纵轴线具有这样一个剖面，其在所述芯体的第一和第二部分的端面处最宽。
31.如权利要求27中所述的方法，其特征在于，所述凹腔形成步骤包括下述步骤：去除具有选定深度和选定直径的圆形材料区域，其中所述圆形材料区域与所述纵轴线同轴，使所述圆形区域的选定直径沿着远离所述端面的方向减小。
32.如权利要求27中所述的方法，其特征在于，所述凹腔形成步骤包括下述步骤：钻取具有选定深度和选定直径的材料区域，其中所述材料区域与所述纵轴线同轴，并且使所述钻取区域的选定直径沿着朝向所述端面的方向增大。
33.如权利要求27中所述的方法，其特征在于，所述第一和第二部分设置步骤包括下述步骤：
在横过所述纵轴线的平面中形成所述间隙，
并且所述磁体设置步骤包括下述步骤：
将多个磁体设置成在它们之间形成一空间，该空间与横过所述纵轴线的平面对齐。
34.一种线性致动器，包括：
芯体；
线圈，该线圈被形成为环绕所述芯体设置，用于沿着所述芯体的纵轴线运动；
磁体组件，包括面对着所述线圈的具有相同极性的磁体；以及
壳体，由芯体凸缘支撑起来并且环绕所述线圈组件和芯体设置；
其中，所述芯体包括第一和第二部分，各个部分均具有一端面，并且第一和第二部分被沿着所述纵轴线设置，从而使得所述端面相互面对并且由一间隙分隔开，还有，沿着所述纵轴线，在各个端面中对称地形成有一凹腔。
35.如权利要求34中所述的线性致动器，其特征在于，所述磁体被形成为位于所述线圈的内侧，并且由所述芯体支撑起来。
36.如权利要求34中所述的线性致动器，其特征在于，所述磁体被形成为位于所述线圈的外侧，并且由所述壳体支撑起来。
38.如权利要求34中所述的线性致动器，其特征在于，形成于所述芯体的第一和第二部分的各个端面中的凹腔均相对于所述纵轴线具有一半球形剖面。
39.如权利要求34中所述的线性致动器，其特征在于，位于所述芯体的第一和第二部分的各个端面中的凹腔，均通过在所述芯体的第一和第二部分的端面中形成直径发生变化的同心钻孔来形成，其中所述同心钻孔具有沿着所述纵轴线的中心。
40.一种用于构造线性致动器的方法，包括下述步骤：
形成芯体，该芯体沿着一纵轴线的具有第一部分和第二部分；
在各个第一和第二部分上限定一端面；
沿着所述芯体的纵轴线对称地去除材料，以便在各个第一和第二部分中成形一凹腔；
将所述第一和第二部分设置成使得它们的端面相互面对并且由一间隙分隔开；
成形用于沿着所述芯体的纵轴线运动的线圈；以及
沿着所述芯体的纵轴线设置磁体结构。
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