[发明专利]具有受控制的力分布的用于往复运动的动圈致动器

说明书

技术领域

本发明涉及用于诸如核酸或蛋白质之类的生物物种的微型阵列的扫描系统，以 及用于如下任何类型的分析方法的扫描系统：即在设置成规则的二维阵列的大量单 个阵点处进行十分快速的照明、观察和/或检测时的那种类型。具体地说，本发明 涉及作为用于光学系统往复运动的驱动机构的动圈致动器。

背景技术

微型阵列是阵点的二维阵列，它们常常是显微尺度并具有粘附于每个阵点的不 同的分子结构物种。这些阵列被置于玻璃载片、微量滴定板、薄膜以及其它二维支 承件上，它们的最广泛的应用之一就是用在用于识别或定性一种未知的生物物种的 键联分析或者用于具有一定键联结合力的其内含物的试样分析中。通常采用高精尖 的印刷方法来将微型阵列设置到支承件上，且能做成十分大的规模。例如，单一块 玻璃载片就能包含10000个阵列。在高速进行多重复合试验以获取定性和定量两种 结果时微型阵列极其有用。在一种典型的在微型阵列上进行的键联分析中，阵列的 各个点包含不同的DNA断片，而整个阵列被放置成与含有未知DNA的试样相接 触，或者与已被标示而当将之暴露于激励光线中时会发出发光信号的其它DNA键 联物种相接触。然后，用光学系统的方法来进行激励和检测，所用的光学系统通过 接连地横过阵点的各排来扫描微型阵点，或者使微型阵列相对于光学系统运动而达 到同样的结果，通常采用装备有激光的扫描头来作激励。

用于产生扫描头横过二维阵列中的接连的行的来回运动的方法之一是采用的 动圈致动器。动圈致动器利用众所周知的劳伦茨力来提供高速运动以及高度的可控 性和可变性，并可被制成为符合精密的详细规格。通常用作扫描头的动圈致动器是 音圈致动器，它是个直接驱动、有限运动的装置，它利用永久磁场和电动线圈来产 生与施加至线圈的电流成正比的力。现时所用的音圈致动器的例子包括美国加里福 尼亚州圣马克斯的BEI技术股份有限公司金科磁性部(Kimco Magnetics Division of BEI Technologies，Inc.)的产品以及美国加里福尼亚州瓦伦西亚的H2W技术股份有 限公司(H2W Technologies，Inc.)的产品。音圈致动器的揭示可在第6,894,408、 6,870,285、6,815,846和6,787,943号美国专利中找到。

动圈致动器可得到其有效性部分地是由于高的力与质量比，这会产生致动器和 有效负载两者的高的加速度。在扫描器中，有效负载通常是镜子和透镜组件加上任 何必要的支架和承座。力与质量比正比于穿过导线的磁场与导线中的电流强度的乘 积除以线圈和有效负载的质量。由于线圈中的电阻率随温度升高而升高且电流强度 的升高会引起温度升高，故最高电流强度受到线圈发热所引起的热量问题而有所限 制。因此，热量的积累对于致动器的效率是很不利的。热量还能引起所附加的有效 负载的尺度畸变，而当有效负载包含光学元件时，这就会破坏光学对准。另一个影 响动圈致动器效率的因素是磁体的大小和强度。磁体的成本与所要求的磁场强度和 间隙宽度成正比。

由于线圈相对于磁极的运动，致动器的力常数、即每单位输入电流的电动力随 着线圈沿其移动长度的位置而改变。在线圈和磁场在空间有共同的扩展范围的最简 单的音圈致动器中，当线圈处于其移动的中心处时线圈才完全处在磁场中。因此在 此位置力常数为峰值，而向着移动的两端力常数减小。但是，由于在两端处必须克 服惯性力以使移动反向，故在移动的两端处需要最大的力。为了达到这个效果，可 采用比磁体长的线圈或反过来磁体比线圈长来消除该减小的力，并可限制移动的长 度以使线圈的一定长度保持在磁场中。这就会产生两种构型，其一种被称为是“内 悬的(anderhang)”而另一种则被称为“外伸的(overhang)”。在“内悬的”构型 中，磁极延伸超过线圈长度，以使线圈移动经过整个磁极长度而不损失磁力线对线 圈的作用。在“外伸的”构型中，线圈延伸超过磁极，而线圈的运动范围从线圈的 一端与磁极对齐的一个极限位置延伸到线圈的另一端与磁极对齐的一个极限位置 延伸到线圈的另一端与磁极对齐的另一个极端位置，尽管都有同样的长度处在沿移 动长度的不同的点处的磁场之内，但线圈的部分是不同的。内悬和外伸构型还意味 着线圈移动的长度，也就是冲程。