KR20160140934A

KR20160140934A - 컴팩트한 일련의 리니어 액추에이터들을 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20160140934A
Application number: KR1020167030893A
Authority: KR
Inventors: 에드워드 에이 네프; 토안 엠 부
Original assignee: 시스템즈, 머시인즈, 오토메이션 컴포넌츠, 코포레이션
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2015-04-03
Publication date: 2016-12-07
Also published as: EP3126712A4; WO2015154026A1; US20160013712A1; EP3126712A1; CN106461042A; JP2017513454A

Abstract

일련의 리니어 액추에이터들은 사이즈가 컴팩트하고, 그리고 감소된 고장율들로 고속들로 작동할 수 있다. 개시된 리니어 액추에이터들은, 예를 들면, 반도체 또는 바이오테크놀로지 스캐닝 어플리케이션들에서와 같은 서브 마이크론 위치 결정 어플리케이션들에서 사용될 수도 있다. 액추에이터 장치는 영구 자석 및 이동 코일 조립체가 배치되는 내부 부피를 규정하는 자석 하우징을 포함할 수 있다. 이동 코일 조립체는 실질적으로 편평한 이동 코일 스캐폴드들의 세트 주위로 감겨진 도전성 코일들을 포함한다. 이동 코일 조립체는 외부 크로스 롤러 가이드들의 세트 사이에서 액추에이터 내에서 중심에 위치되어 액추에이터의 안내 시스템에 대한 코일의 내부 모멘트 효과를 감소시키거나 제거하고, 그리고 액추에이터가 작은 높이 및 컴팩트한 형태 인자를 갖게 한다.

Description

컴팩트한 일련의 리니어 액추에이터들을 위한 방법 및 장치{METHODS AND APPARATUS FOR COMPACT SERIES LINEAR ACTUATORS}

관련 출원들에 대한 상호 참조

본 출원은 전체가 모든 목적을 위하여 본 명세서에 참고로써 원용된 2014년 4월 4일자로 출원된 "METHODS AND APPARATUS FOR COMPACT SERIES LINEAR ACTUATORS" 를 타이틀로 하는 미국 가출원 일련 번호 제 61/975,621 호의 35 U.S.C. §119(e) 하에서 우선권의 이익을 주장하고 있다.

이 개시는 일반적으로 이동 코일 액추에이터들에 관한 것이고, 그리고, 보다 구체적으로, 컴팩트한 일련의 리니어 액추에이터들 (SLA; series linear actuators) 및 상기 액추에이터들을 제조하는 방법들에 관한 것이다.

리니어 액추에이터들은 전기 에너지를 기계 에너지로 변형시켜 직선 운동을 필요로 하는 반복 작용을 실행하는 기계식 디바이스들이다. 예를 들면, 리니어 액추에이터들은 병들에 캡들을 위치시키기 위하여, 자동으로 메일을 스탬핑하거나 라벨링하기 위하여, 글래스 커팅 (glass cutting) 하기 위하여, 회로들에 칩들을 위치시키기 위하여, 그리고/또는 기타 같은 종류의 것을 위하여 조립체 플랜트에서 사용될 수 있다. 리니어 액추에이터들은 또한 반도체 스캐닝 어플리케이션들 (예를 들면, 반도체 웨이퍼들상에 조립된 다양한 디바이스들의 테스팅) 또는 바이오테크놀로지 관련 스캐닝 어플리케이션들 (예를 들면, 단일의 생체 분자 검출) 과 같은 매우 다양한 서브 마이크론 위치 결정 어플리케이션들에 사용될 수 있다.

따라서, 컴팩트한 스캐닝 헤드들 내로 끼워 맞춤될 수 있고, 그리고 고 해상도, 속도, 부드러운 운동 (smooth motion) 및 감소된 고장율들로 신뢰가능하게 작동할 수 있는 개선된 컴팩트한 리니어 액추에이터들에 대한 필요성이 존재한다.

본 명세서에서 개시된 일련의 리니어 액추에이터들은 사이즈가 컴팩트하고, 그리고 감소된 고장율들로 고속들로 작동할 수 있다. 개시된 리니어 액추에이터들은, 예를 들면, 반도체 또는 바이오테크놀로지 관련 스캐닝과 같은, 예들 들면, 서브 마이크론 위치 결정 어플리케이션들에서 사용될 수도 있다.

개시된 리니어 액추에이터들의 실시형태들은 내부 부피를 규정하도록 구성된 자석 하우징을 포함할 수 있다. 영구 자석 및 이동 코일 조립체는 내부 부피 내에 배치된다. 이동 코일 조립체는 실질적으로 편평한 이동 코일 스캐폴드들 (scaffolds) 의 세트 주위로 감겨진 도전성 코일들을 포함한다. 이동 코일 조립체는 외부 크로스 롤러 가이드들의 세트 사이에서 중심에 위치되어 액추에이터의 안내 시스템에 대한 코일의 내부 모멘트 효과를 감소시키거나 제거하고, 그리고 액추에이터가 매우 컴팩트한 사이즈가 되게 한다.

특정 양태에서, 본 개시는 자석 하우징, 이동 슬라이드 조립체 및 상기 이동 슬라이드 조립체에 커플링된 이동 코일 조립체를 포함하는 리니어 액추에이터에 관한 것이다. 이동 슬라이드 조립체는 하나 이상의 크로스 롤러 가이드들에 커플링된 이동 슬라이드 하우징을 포함한다. 자석 하우징은 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 내부 부피를 규정하고, 또한 제 1 단부에서 제 1 단부 플레이트를, 그리고 제 2 단부에서 제 2 단부 플레이트를 포함할 수 있다. 리니어 액추에이터는 자석 하우징의 내부 표면에 커플링된 적어도 하나의 자석을 포함한다. 이동 코일 조립체는 자석 하우징의 내부 부피 내에 수용된 적어도 하나의 코일을 포함한다. 리니어 액추에이터는 리니어 가이드가 이동 슬라이드 조립체에 커플링된 리니어 인코더 조립체를 추가로 포함할 수 있다. 리니어 액추에이터의 작동 동안, 이동 슬라이드 조립체는 자석 하우징의 제 1 단부 및 제 2 단부와 교차하는 종방향 축선과 평행하게 이동한다.

하나의 구현예에서, 이동 코일 조립체는 내부 부피 내에 수용된 복수의 코일들 및 상기 복수의 코일들을 지지하도록 구성된 복수의 스캐폴드 구조물들을 포함한다.

다른 양태에서, 본 개시는 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 자석 하우징을 포함하는 리니어 액추에이터에 관한 것이다. 자석 하우징은 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 내부 부피 및 평면 내부 표면을 규정한다. 적어도 하나의 평면 자석은 평면 내부 표면에 커플링된다. 리니어 액추에이터는 복수의 제 1 크로스 롤러 가이드들을 포함하는 이동 슬라이드 조립체를 추가로 포함한다. 복수의 제 2 크로스 롤러 가이드들이 또한 제공될 수도 있고, 여기서 복수의 제 1 크로스 롤러 가이드들은 복수의 제 2 크로스 롤러 가이드들에 대하여 이동하도록 구성된다. 이동 코일 조립체는 이동 슬라이드 조립체에 작동 가능하게 커플링된다. 이동 코일 조립체는 자석 하우징의 내부 부피 내에 수용된 적어도 하나의 코일을 포함한다.

본 개시는 또한 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 자석 하우징을 포함하는 리니어 액추에이터에 관한 것이다. 자석 하우징은 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 내부 부피 및 내부 표면을 규정한다. 적어도 하나의 자석은 내부 표면에 커플링된다. 리니어 액추에이터는 또한 한쌍의 크로스 롤러 가이드들에 커플링된 이동 슬라이드 하우징을 포함할 수 있는 이동 슬라이드 조립체를 포함한다. 이동 코일 조립체는 이동 슬라이드 조립체에 작동 가능하게 커플링되고, 그리고 자석 하우징의 내부 부피 내에 수용된 적어도 하나의 코일을 포함한다. 적어도 하나의 코일은 편평한 이동 코일 스캐폴드 주위로 감겨질 수도 있다.

도 1 은 실시형태에 따른 일련의 리니어 액추에이터의 사시도이다.
도 2 는 도 1 의 일련의 리니어 액추에이터의 분해 사시도이다.

컴팩트하고, 저렴하고, 그리고 경량인 일련의 리니어 액추에이터를 위한 장치 및 방법은 본 명세서에서 설명된다. 개시된 리니어 액추에이터들의 실시형태들은 컴팩트한 스캐닝 헤드들 내로 끼워 맞춤될 수 있고, 그리고 고 해상도로, 속도로, 또한 사용자에 대한 전체 비용이 감소될 수 있도록 감소된 고장율들로 신뢰가능하게 작동할 수 있다.

반도체 스캐닝 어플리케이션들 (예를 들면, 반도체 웨이퍼들상에 조립된 다양한 전자 또는 광자 (photonic) 디바이스들의 테스팅) 에서 또는 바이오테크놀로지 관련 스캐닝 어플리케이션들 (예를 들면, 단일의 생체 분자 검출, DNA 시퀀싱 등) 에서와 같은 서브 마이크론 위치 결정 어플리케이션들에 사용되는 액추에이터들은 여러개의 엄격한 치수 및 성능 기준을 충족해야 한다. 이러한 기준에는, 예들 들면, 작은 패키지 사이즈 (예를 들면, 높이가 대략 20 mm 이내임) 를 갖는 것; 내부에서 발생되거나 외부에서 발생된 진동들에 의해서 유발되는 원치 않는 움직임을 감소시킬 수 있고, 그리고 150 nm 보다 작도록 움직임을 제한할 수 있는 유효 강성 (significant stiffness) 을 갖는 견고한 가이드들을 갖는 것; 저 마찰에 의한 부드러운 운동을 허용하는 것; 마이크론 내지 수십 밀리미터 범위의 스트로크들 (strokes) 에 대한 빠른 움직임을 허용하는 것; 그리고/또는 비교적 낮은 높이를 갖는 것이 포함된다.

사이즈가 컴팩트하고, 그리고 감소된 고장율들로 고속들로 작동할 수 있는 일련의 리니어 액추에이터들이 본 명세서에서 설명된다. 이런 리니어 액추에이터의 전형적인 실시형태들은 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 내부 부피를 규정하는 자석 하우징을 포함한다. 내부 부피는 영구 자석과, 실질적으로 편평한 이동 코일 스캐폴드들의 세트 주위로 감겨진 도전성 코일들의 세트를 포함하는 이동 코일 조립체를 포함한다. 이런 실시형태들에서, 자기장이 이동 코일 조립체의 코일들에 존재할 때 영구 자석들은 이동 코일 조립체와 자기 접속하게 된다. 전류는 액추에이터의 작동 동안 코일들을 통하여 도입되고, 이에 따라 전류가 코일들을 통하여 유동하는 방향에 좌우되는 방향을 갖는 자기장을 생성한다. 자기장의 크기는 각각의 코일과 관련된 권선들의 수와 도전성 재료를 통하여 전도되는 전류의 세기에 대응한다. 이런 실시형태들에서, 전류가 이동 코일 조립체의 코일들을 통하여 유동하는 방향을 반복적으로 번갈아 바꿈으로써, 직선력이 이동 코일 조립체에 반복적으로 부여될 수도 있고, 따라서 이동 코일 조립체가 액추에이터의 길이를 가로질러 전후로 직선 방식으로 이동되게 만든다.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 명확하게 다르게 나타내지 않는 한 복수의 지시 대상들을 포함한다. 따라서, 예를 들면, 용어 "코일" 은 단일 코일 또는 다수 코일들을 의미하도록 의도된다.

도 1 은 실시형태에 따른 일련의 리니어 액추에이터의 사시도이다. 도 1 에서 도시된 바와 같이, 일련의 리니어 액추에이터 (100) (또한 본 명세서에서 "액추에이터" 로서 지칭됨) 는 이동 슬라이드 조립체 (120), 단부 플레이트들 (106) 의 세트를 포함하는 자석 하우징 조립체 (116), 이동 코일 조립체 (도 1 에 미도시), 및 전기 커넥터 (107) 를 포함할 수 있다. 자석 하우징 조립체 (116) 는 자석 하우징 (104) 및 하나 이상의 영구 자석들 (103) (도 1 에 미도시) 을 포함할 수 있다. 이들 구성요소들의 각각은 이하의 도 2 와 관련하여 더 상세하게 논의되고, 그리고 나타내어진다.

도 2 는 도 1 의 일련의 리니어 액추에이터의 분해 사시도이다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 일련의 리니어 액추에이터 (100) 는 자석 조립체 (116) 에 의해서 규정된 내부 부피 내에서 중심에 위치된 이동 코일 조립체 (102) 를 포함한다. 이동 슬라이드 조립체 (120) 는 외부 크로스 롤러 가이드들 (111A) 에 커플링된 이동 슬라이드 하우징 (112) 을 포함할 수 있다. 이동 슬라이드 조립체 (120) 는 이동 코일 조립체 (102) 에 커플링될 수도 있다. 리니어 액추에이터 (100) 의 작동 동안, 슬라이드 하우징 (112), 외부 크로스 롤러 가이드들 (111A) 및 이동 코일 조립체 (102) 는 종방향 축선 (A) 에 평행하게 전후로 이동할 수 있다. 이런 움직임은 고정된 지지 플레이트 (114) 에 커플링된 한쌍의 고정된 내부 크로스 롤러 가이드들 (111B) 에 대하여 발생한다. 일 실시형태에서, 고정된 지지 플레이트 (114) 는 자석 하우징 조립체 (116) 에 커플링된다. 슬라이드 하우징 (112) 은 리세스들 (132) 에 의해서 수용된 나사들 (130) 의 세트에 의해서 외부 크로스 롤러 가이드들 (111A) 에 커플링될 수도 있다.

상기 크로스 롤러 가이드들 (111) 은, 예를 들면, IKO Inc. (예를 들면, 부품 번호 CRWG2-45) 로부터 입수될 수도 있다. 도 2 의 실시형태에서 4개의 크로스 롤러 가이드들 (111) 의 세트가 분해되어 있지만, 다른 실시형태들은 4개 보다 더 많거나 더 적은 크로스 롤러 가이드들 (111) 을 포함할 수 있다. 크로스 롤러 가이드들 (111) 의 각각은 액추에이터 (100) 가 비수평 배향으로 작동할 때 케이지가 천천히 움직이는 것을 방지할 수 있는 랙과 피니언 옵션을 포함할 수 있다. 상기 크로스 롤러 가이드들 (111) 의 세트에 대한 중심으로의 이동 코일 조립체 (102) 의 상대 위치는 상기 크로스 롤러 가이드들 (111) 의 세트에 대한 코일의 내부 모멘트 효과를 제거하거나 감소시킨다. 이 상대 위치는 또한, 특히, 예를 들면, 10 mm 만큼 작을 수 있는 액추에이터 (100) 의 두께에 대하여, 상당히 컴팩트한 설계를 가능하게 할 수 있고, 따라서, 예를 들면, 반도체 산업 및/또는 바이오테크놀로지 산업에서, 사용된 다양한 상이한 스캐닝 헤드들 내로 용이하게 끼워 맞춤될 수 있다. 약간의 실시형태들에서, 액추에이터 (100) 는 노출된 크로스 롤러 가이드들 (111) 의 세트를 포함할 수 있다. 다른 실시형태들에서, 액추에이터 (100) 는 이동 슬라이드 조립체 (120) 에 의해서 적어도 부분적으로 둘러 싸인 크로스 롤러 가이드들 (111) 의 세트를 포함할 수 있다.

이동 코일 조립체 (102) 는 실질적으로 편평한 이동 코일 스캐폴드들 (113) 의 세트 주위로 감겨진 코일 또는 코일들의 세트 (도 2 에서 미도시) 를 포함할 수 있다. 이동 코일 조립체 (102) 는 자석 하우징 조립체 (116) 의 외부 크로스 롤러 가이드들 (111A) 사이에서 액추에이터 (100) 에서의 중심에 위치된다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 이동 코일 조립체 (102) 는 단극 액추에이터로서 배선되는 하나의 코일 또는 2개의 코일들로 구성될 수 있다. 다른 실시형태들에서, 이동 코일 조립체 (102) 는, 예를 들면, 다극 유닛으로서 작동하도록 배선된 3개의 코일 유닛 (도 2 에서 미도시) 을 포함할 수 있다. 단극 유닛은, 예를 들면, 25 mm 까지 스트로크 (stroke) 할 수 있는 반면에, 3개의 코일 설치 (setup) 는, 예를 들면 100 mm 까지 스트로크할 수 있다.

이동 코일 조립체 (102) 의 코일 스캐폴드 (113) 는, 예를 들면, 도전성 코일 (도 1 및 도 2 에 미도시) 과 같은 도전성 매체를 지지할 수 있다. 액추에이터 (100) 의 작동 동안, 전류는 코일(들)을 통하여 도입되고, 이에 따라 전류가 코일을 통하여 유동하는 방향에 좌우되는 방향을 갖는 자기장을 생성한다. 자기장의 크기는 각각의 코일과 관련된 권선들의 수와 도전성 재료를 통하여 전도되는 전류의 세기에 대응한다. 예를 들면, 약간의 실시형태들에서, 코일은 코일당 74회의 권선들을 포함할 수 있지만, 코일당 임의 횟수의 권선들이 사용될 수도 있다는 것으로 이해되어야 한다. 약간의 실시형태들에서, 코일은, 예를 들면, 대략 1.7 Ω, 위상 (phase) 당 6.8 Ω 의 저항을 가질 수 있고, 그리고 29 게이지 구리 와이어로 제조될 수 있다. 이런 사양들은 단지 예시이다. 다양한 사양들을 갖는 임의의 타입의 도전성 재료가 사용될 수 있다는 것으로 이해되어야 한다. 게다가, 코일들은 전원에 전기적으로 접속될 수도 있고, 그리고/또는 전기 및 기계 분야들에서 공지된 임의의 방식으로 함께 접속될 수도 있다는 것으로 이해되어야 한다. 약간의 실시형태들에서, 코일 스캐폴드 (113) 는 이동 코일 조립체 (102) 의 전체 질량을 감소시키도록 저렴한 플라스틱 재료로 형성될 수 있다.

자석 하우징 조립체 (116) 는 자석 하우징 (104), 하나 이상의 영구 자석들 (103) 및 단부 플레이트들 (106) 을 포함할 수 있다. 영구 자석들 (103) 은, 예를 들면, 도 2 에서 도시된 바와 같이, 실질적으로 직사각형 및 편평한 자석들일 수 있고, 그리고 자석 하우징 (104) 의 내부 벽에 커플링될 수 있다. 예를 들면, 영구 자석들 (103) 은 다양한 접착제들 및/또는 나사들로 제조되는 동안에 자석 하우징 (104) 에 커플링될 수 있다. 자기장이 이동 코일 조립체 (102) 의 코일들에 존재할 때 영구 자석들 (103) 은 이동 코일 조립체 (102) 와 자기 접속하게 될 수 있다. 따라서, 전류가 이동 코일 조립체 (102) 의 코일들을 통하여 유동하는 방향을 반복적으로 번갈아 바꿈으로써, 직선력이 이동 코일 조립체 (102) 에 반복적으로 부여될 수도 있고, 따라서 이동 코일 조립체 (102) (및 여기에 커플링된 이동 슬라이드 조립체 (120)) 가 액추에이터 (100) 의 길이 또는 종방향 축선 (A) 을 따라 전후로 직선 운동으로 이동되게 만든다.

예를 들면, 약간의 실례들에서, 코일들을 통하여 유동하는 직류 전류 (DC) 의 방향이 영구 자석들 (103) 의 자기장과 동일한 극성인 이동 코일 조립체 (102) 의 코일들에서 일시적인 (temporary) 자기장을 유도할 때, 이동 코일 조립체 (102) 는 영구 자석 (103) 으로부터 멀어지는 방향으로 이동된다 (즉, 영구 자석 (103) 으로부터 멀어지게 리펄스 (repulse) 된다). 다른 실례들에서, 코일들을 통하여 유동하는 DC 전류의 방향이 영구 자석들 (103) 의 자기장과 반대 극성인 이동 코일 조립체 (102) 의 코일들에서 일시적인 자기장을 유도할 때, 이동 코일 조립체 (102) 는 영구 자석 (103) 을 향하는 방향으로 이동된다 (즉, 영구 자석 (103) 을 향하여 끌리게 된다). 이동 슬라이드 조립체 (120) 가 이동 코일 조립체 (102) 에 작동 가능하게 커플링되기 때문에, (영구 자석 (103) 에 대한 어느 한 방향으로의) 이동 코일 조립체 (102) 의 움직임은 또한 이동 코일 조립체 (102) 와 함께 이동 슬라이드 조립체 (120) 의 움직임을 유도한다.

액추에이터 (100) 의 이동 구성요소들 (예를 들면, 이동 슬라이드 조립체 (120) 및 이동 코일 조립체 (102)) 의 전체 질량은 액추에이터 (100) 의 사이즈에 좌우될 수 있고, 그리고 일반적으로 상당히 경량이다 (예를 들면, 유닛의 사이즈에 따라 25 내지 50 그램 정도). 운동 중에 이동 코일 조립체 (102) 의 코일들을 통하여 유동하는 전류가 비교적 낮은 레벨들 (예를 들면, 1 내지 1.5 암페어 범위내) 로 유지될 수 있기 때문에, 이동 부품들을 갖는 액추에이터 (100) 는 많은 열을 발생시키지 않는다. 이 전류 범위에서, 액추에이터 (100) 의 이동 질량의 10 내지 15 배의 힘이 스트로크때 마다 얻어질 수 있고, 따라서 스트로크때 마다의 가속도는 최대 10 내지 15 G 일 수 있다. 이것은 짧은 스트로크 어플리케이션과 보다 긴 스트로크 어플리케이션에서 빠른 움직임들을 만드는데 충분하다.

대안적인 실시형태들에서, 액추에이터 (100) 에는 슬라이드 보다 오히려 샤프트가 제공될 수 있다. 예를 들면, 본원 명세서에서 설명된 특징들 중 일부 또는 모두를 포함할 수 있는 액추에이터의 샤프트 버전은 2013년 10월 31일자로 출원되고, “Apparatus and Methods for Low Cost Linear Actuator” 를 타이틀로 하고, 그리고 대리인 인증 번호가 SMAC-011/00US 인 미국 가특허 출원 번호 제 61/898,140 호에서 개시되고, 상기 개시는 전체가 본 명세서에 참고로써 원용된다.

리니어 인코더 조립체 (108) 는 리니어 인코더 피드백 스케일 (109) 및 리니어 피드백 스케일 리드 헤드 (110) 를 포함한다. 리드 헤드 (110) 는 고정된 채로 있을 수도 있고, 그리고, 예를 들면, 내부 롤러 가이드들 (11B) 및 지지 플레이트 (114) 에 커플링될 수도 있다. 피드백 스케일은 이동 슬라이드 하우징 (112) 에 커플링될 수도 있다. 리니어 인코더 조립체 (108) 는 또한, 예를 들면, (리모트 컴퓨터와 같은) 컨트롤러에 직선의 위치 피드백을 나타내기 위하여 리니어 인코더 피드백 스케일 (109) 과 함께 피드백 회로 (도 2 에서 미도시) 를 포함할 수 있다. 약간의 구성들에서, 리니어 인코더 조립체 (108) 는, 예를 들면, 나사들과 같은, 예를 들면, 나사산 가공된 패스너를 사용하여 이동 슬라이드 조립체 (120) 에 커플링될 수 있는 인코더 하우징을 포함할 수 있다. 따라서, 이런 구성들에서, 리니어 인코더 조립체 (108) 는 이동 슬라이드 조립체 (120) 가 반복 작동될 때 이동 슬라이드 조립체 (120) 에 대하여 고정된 채로 있을 수 있다. 약간의 실시형태들에서, 인코더 하우징은 지지 플레이트 (114) 에서, 예를 들면, 절개부 (도 2 에서 미도시) 내에 배치될 수 있다. 리니어 피드백 스케일 리드 헤드 (110) (예를 들면, 센서, 트랜스듀서 등) 는 위치를 인코딩할 수 있는 리니어 인코더 피드백 스케일 (109) 과 쌍을 이룰 수 있다. 리니어 피드백 스케일 리드 헤드 (110) 는 리니어 인코더 피드백 스케일 (109) 을 판독할 수 있고, 그리고 인코딩된 위치를 아날로그 또는 디지털 신호로 전환할 수 있다. 그 후 이것은 차례로 디지털 리드아웃 (DRO) 또는 운동 컨트롤러 (도 1 및 도 2 에 미도시) 에 의해서 위치 데이터로 디코딩될 수 있다. 리니어 인코더 조립체 (108) 는 증분 모드 또는 절대 모드로 작동할 수 있다. 운동은, 예를 들면, 시간에 따른 위치의 변화에 의해서 결정될 수 있다. 리니어 인코더 테크놀로지들은, 예를 들면, 광, 자기, 유도, 진상 (capacitive) 및 와상 전류를 포함할 수 있다. 광학 리니어 인코더들은 고 해상도 마켓 (예를 들면, 반도체 산업 마켓 및/또는 바이오테크놀로지 산업 마켓) 에서 흔하고, 그리고 셔터링 (shuttering)/모아레 (Moire), 회절 또는 홀로그래픽 원리들을 사용할 수 있다. 전형적인 증분 스케일 기간들은 수백 마이크로미터로부터 서브마이크로미터까지 변할 수 있고, 그리고 이어지는 보간 (interpolation) 은 1 nm 만큼 미세한 해상도들을 제공할 수 있다. 도 2 에 도시된 리니어 인코더 조립체 (108) 는, 예를 들면, 5 마이크론 내지 50 nm 의 범위내의 해상도를 가질 수 있다. 다른 실시형태들에서, 예를 들면, 최대 1 nm 의 해상도들을 제공하는 더 미세한 해상도의 인코더들이 또한 포함될 수 있다.

리니어 인코더 피드백 스케일 (109) 은 리니어 인코더 피드백 스케일 (109) 의 길이를 따라 제공된 일련의 스트라이프들 또는 마킹들을 포함할 수 있다. 이동 코일 조립체 (102) 가 작동될 때, 리니어 피드백 스케일 리드 헤드 (110) (예를 들면, 광학 리더) 는 이동 코일 조립체 (102) 의 현 직선 위치를 결정하기 위하여 판독된 다수의 스트라이프들 또는 마킹들을 카운트할 수 있다. 약간의 실례들에서, 기록된 위치 데이터는 목적들을 모니터링하기 위하여 리모트 디바이스에 전달될 수 있다. 약간의 실례들에서, 사용자는 특정 과제 (예를 들면, 통계 분석을 위한 앙상블 샘플에서 단일의 생체 분자들로부터 광학 신호들을 수집하는 것, 실리콘 웨이퍼에 조립된 전기 디바이스들의 세트를 분석하는 것, 등) 를 위하여 원하는 직선 움직임의 양을 표기하기 위하여 (연결된 컴퓨터와 같은) 리모트 디바이스에 하나 이상의 값들을 입력할 수 있다. 그 다음에, 이들 값들은 이동 코일 조립체 (102) 의 직선 움직임이 특정 값들에 따라 조정될 수 있도록 전기 커넥터 (107) 를 통하여 리니어 인코더 조립체 (108) 와 전기 연통하는 컨트롤러 (도 1 및 도 2 에 미도시) 에 전달될 수 있다. 액추에이터 (100) 는 임의의 수의 전기 커넥션들을 포함할 수 있고, 그리고 임의의 수의 전자 제어 시퀀스들을 포함할 수 있다. 게다가, 다른 실시형태들에서, 액추에이터 (100) 는 전기 분야들에서 공지된 임의의 수의 온보드 디지털 제어 및/또는 아날로그 회로를 포함할 수 있다. 또한, 약간의 실시형태들에서, 액추에이터 (100) 는 액추에이터 (100) 의 사이즈 및 액추에이터 (100) 의 제조 비용을 감소시킬 수 있는 온보드 전기 회로의 양을 감소시키도록 원격 제어될 수도 있다.

약간의 실시형태들에서, 스트로크 진동 및 리니어 인코더 해상도는 사용자에 의해서 조정될 수도 있고, 이에 따라, 액추에이터 (100) 의 재구성 및/또는 교체와 관련된 비용들을 감소시킬 수도 있다. 또한, 액추에이터 (100) 는 또한, 예를 들면, 작동 동안 이동 코일 조립체 (102) 의 위치, 힘 및 속도를 조정하기 위하여 다수의 프로그램 가능 모드들을 포함할 수 있다. 또한, 리니어 인코더 피드백 조립체 (108) 는 위치와 매칭될 수 있어 액추에이터 (100) 의 스트로크 동안 이동 코일 조립체 (102) 의 위치를 체크함으로써 실행된 작동을 확인할 수 있다. 스트로크는, 예를 들면, 액추에이터 (100) 의 다양한 조립체들 (예를 들면, 자석 하우징 조립체 (116), 이동 슬라이드 조립체 (120) 및/또는 단부 플레이트들 (106)) 과 함수 관계에 있을 수 있다.

도 1 및 도 2 각각은 2개의 코일들을 갖는 액추에이터를 도시하고 있지만, 다른 실시형태들에서, 이동 코일 조립체 (102) 는 일련의 교대로 자화되는 영구 자석들 (103) (예를 들면, NS, SN, NS 등) 을 포함하는 자석 하우징 조립체 (116) 뿐만 아니라 동일한 이동 코일 조립체 (102) 에서 다수의 별개의 스캐폴드 구조물들 (113) 에 의해서 지지된 다수 코일들을 포함할 수 있다. 이런 다극 구성을 위한 자석 하우징 조립체 (116) 및 이동 코일 조립체 (102) 는 표준 기계 가공 프로세스들을 사용하여 실행될 수 있다. 약간의 실시형태들에서, 이동 코일 조립체 (102) 는 임의의 수의 코일들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 리니어 액추에이터 (100) 를 위한 보다 작은 스트로크를 달성하기 위하여, 하나의 코일만을 사용하는 것이 바람직할 수도 있다. 코일들이 고가일 수 있기 때문에, 하나의 코일만을 사용하는 것이 전체 비용들을 절감할 수 있고, 그리고 또한 액추에이터 (100) 의 사이즈를 감소시킬 수 있다. 하지만, 단일 코일의 경우에, 설정된 스트로크 값에서 힘이 더 적게될 수도 있다. 따라서, 더 높은 스트로크 값들을 필요로 하는 과제들에 대하여 하나 보다 많은 코일을 갖는 (리니어) 액추에이터들이 바람직할 수도 있다. 단일 코일 액추에이터는, 예를 들면, 최대 25 mm 의 스트로크들에 대한 간단한 제어를 제공할 수 있다. 다른 한편, 다수 코일 액추에이터는, 예를 들면, 최대 100 mm 이상과 같은 더 큰 스트로크 용량들을 제공할 수 있다.

위에서 논의된 바와 같이, 도 1 및 도 2 에서 도시된 액추에이터 (100) 의 제조 부품들의 전부 또는 일부는 Hardinge 모델 RS51MSY 과 같은 CNC 선반 또는 (예를 들면, 서브 스핀들 트랜스퍼를 통하여) 구성요소의 일단부 또는 양단부를 기계 가공하는 능력을 갖는 다른 선반으로 기계 가공될 수 있다. 약간의 실시형태들에 따르면, 각각의 부품은 선반으로 단일 작동으로 제조될 수 있고, 이에 따라 2차 작동들에 대한 필요성을 감소시키고 그리고/또는 제거한다. 이들 2차 작동들은 추가의 비용들을 야기할 수 있고, 그리고 또한 치수 변동을 증가시킴으로써 품질을 저하시킬 수 있다. 약간의 실시형태들에서, 액추에이터 (100) 의 구성요소들은 알루미늄 또는 강으로 제조될 수도 있다. 하지만, 다른 적합한 재료들도 또한 사용될 수 있다는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 설명된 액추에이터 (100) 는 신속하고 비용 효율적으로 제조되고 조립될 수 있다. 게다가, 액추에이터 (100) 는 비교적 작고, 경량이고, 그리고 컴팩트하게 제조될 수도 있고, 그리고 반도체 산업 및/또는 바이오테크놀로지 산업에서 광범위하게 사용된 디바이스들용 스캔 헤드들 내로 용이하게 끼워 맞춤될 수 있다. 또한, 리니어 인코더 조립체 (108) 는 액추에이터 (100) 에 의해서 초래된 움직임의 최대 100% 에 대한 모니터링을 제공하고 제어할 수 있다. 게다가, 단부 플레이트들 (106), 자석 하우징 조립체 (116) 및 이동 코일 조립체 (102) 의 개별 설계들은 다양한 액추에이터 구성들이 특정 프로젝트의 사양들에 맞춰 제조될 수 있도록 제조 동안 유연성 및 용이한 재구성 가능성을 제공할 수 있다.

다양한 실시형태들이 전술되었지만, 이들은 단지 실시예로써 나타낸 것이지 한정하려는 것이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 전술한 방법들이 특정 순서로 발생하는 특정 이벤트들을 나타내는 경우에, 특정 이벤트들의 순서 매김은 변경될 수도 있다. 또한, 특정 이벤트들은 전술한 바와 같이 연속적으로 실행될 수 있을 뿐만 아니라, 가능하다면 병렬 프로세스로 동시에 함께 실행될 수도 있다.

전술한 개요들 및/또는 실시형태들이 특정 배향들 또는 위치들로 배열된 특정 구성요소들을 가리키는 경우에, 구성요소들의 배열은 변경될 수도 있다. 실시형태들이 특별히 도시되고 개시되었지만, 형태 및 상세에 있어서 다양한 변화들이 만들어질 수도 있다는 것으로 이해될 것이다. 본 명세서에서 설명된 장치 및/또는 방법들의 임의의 부분은 서로 배타적인 조합들을 제외하고는 임의의 조합으로 조합될 수도 있다. 본 명세서에서 설명된 실시형태들은 설명된 상이한 실시형태들의 기능들, 구성요소들 및/또는 특징들의 다양한 조합들 및/또는 하위 조합들을 포함할 수 있다.

Claims

리니어 액추에이터로서,
제 1 단부 및 제 2 단부를 포함하고, 또한 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에서 내부 부피를 규정하는 자석 하우징;
상기 자석 하우징의 내부 표면에 커플링된 적어도 하나의 자석;
제 2 크로스 롤러 가이드에 평행하게 배열된 제 1 크로스 롤러 가이드를 포함하는 이동 슬라이드 조립체; 및
상기 이동 슬라이드 조립체에 작동 가능하게 커플링되고, 또한 상기 내부 부피 내에 수용된 적어도 하나의 코일을 포함하는 이동 코일 조립체를 포함하는, 리니어 액추에이터.
제 1 항에 있어서,
상기 자석 하우징은 상기 제 1 단부에서 제 1 단부 플레이트를, 그리고 상기 제 2 단부에서 제 2 단부 플레이트를 더 포함하는, 리니어 액추에이터.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 단부 및 상기 제 2 단부는 종방향 축선과 교차되고, 또한 상기 이동 슬라이드 조립체는 상기 종방향 축선에 평행하게 이동하도록 구성되는, 리니어 액추에이터.
제 1 항에 있어서,
지지 플레이트, 및
상기 지지 플레이트에 커플링된 적어도 하나의 추가의 크로스 롤러 가이드를 더 포함하는, 리니어 액추에이터.
제 1 항에 있어서,
제 3 롤러 가이드 및 제 4 롤러 가이드를 더 포함하고, 상기 제 3 롤러 가이드 및 제 4 롤러 가이드는 상기 제 1 크로스 롤러 가이드 및 상기 제 2 크로스 롤러 가이드에 평행하게 배열되는, 리니어 액추에이터.
제 1 항에 있어서,
상기 자석 하우징은,
상기 제 1 단부에서의 단부 플레이트, 및
상기 단부 플레이트에 의해서 지지되고, 또한 상기 적어도 하나의 코일에 전기적으로 커플링되는 전기 커넥터를 더 포함하는, 리니어 액추에이터.
제 1 항에 있어서,
상기 이동 슬라이드 조립체에 커플링된 리니어 스케일을 갖는 리니어 인코더 조립체를 더 포함하는, 리니어 액추에이터.
제 1 항에 있어서,
상기 이동 코일 조립체는,
상기 내부 부피 내에 수용된 복수의 코일들, 및
상기 복수의 코일들을 지지하도록 구성된 복수의 스캐폴드 구조물들을 포함하는, 리니어 액추에이터.
리니어 액추에이터로서,
제 1 단부 및 제 2 단부를 포함하고, 또한 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에서 내부 부피 및 평면 내부 표면을 규정하는 자석 하우징;
상기 평면 내부 표면에 커플링된 적어도 하나의 평면 자석;
복수의 제 1 크로스 롤러 가이드들을 포함하는 이동 슬라이드 조립체;
복수의 제 2 크로스 롤러 가이드들로서, 상기 복수의 제 1 크로스 롤러 가이드들은 상기 복수의 제 2 크로스 롤러 가이드들에 대하여 이동하도록 구성되는, 상기 복수의 제 2 크로스 롤러 가이드들; 및
상기 이동 슬라이드 조립체에 작동 가능하게 커플링되고, 또한 상기 내부 부피 내에 수용된 적어도 하나의 코일을 포함하는 이동 코일 조립체를 포함하는, 리니어 액추에이터.
제 9 항에 있어서,
상기 이동 코일 조립체는 상기 복수의 제 1 크로스 롤러 가이드들의 제 1 크로스 롤러 가이드와 제 2 크로스 롤러 가이드 사이에 배치되는, 리니어 액추에이터.
리니어 액추에이터로서,
제 1 단부 및 제 2 단부를 포함하고, 또한 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에서 내부 부피 및 내부 표면을 규정하는 자석 하우징;
상기 내부 표면에 커플링된 적어도 하나의 자석;
한쌍의 크로스 롤러 가이드들에 커플링된 이동 슬라이드 하우징을 포함하는 이동 슬라이드 조립체; 및
상기 이동 슬라이드 조립체에 작동 가능하게 커플링되고, 또한 상기 내부 부피 내에 수용된 적어도 하나의 코일을 포함하는 이동 코일 조립체를 포함하는, 리니어 액추에이터.
제 11 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 코일은 편평한 이동 코일 스캐폴드 주위로 감겨지는, 리니어 액추에이터.
제 11 항에 있어서,
상기 자석 하우징에 커플링된 지지 플레이트, 및
상기 지지 플레이트에 커플링된 적어도 하나의 추가의 크로스 롤러 가이드를 더 포함하는, 리니어 액추에이터.