(57)【要約】  高速前後運動を行なう可動コイルアクチュエータを、限定された長さの領域に磁束を集中させる磁石アセンブリーと、分離された２つの高密巻きコイル領域を有するコイル電導体とから構築する。これらのアセンブリー及び電導体を、アクチュエータのストロークの各端部において、コイル領域の一方のみが集中磁束領域内に存在するように配置する。この配置は、単一の集中磁束領域、或いは、空間的に分離された２つの集中磁束領域によって達成される。何れの場合でも力定数、即ち、各コイルにおいて単位電流当たりコイルから発する運動力は非線形であり、ストロークの各端部では力が最小となり、ストロークの中間部では力が最大となる。その結果、電流の効率的な利用に加えて、構成材料を比較的少量とすることができ、ひいてはアクチュエータの移動及び方向転換時の荷重を軽量化することが可能となる。【選択図】図１
2009514503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スキャニング領域を連続的に横断する一連のストロークにより、前記スキャニング領域を高速スキャンするための可動コイルアクチュエータであって：
コイル電導体を装着した電気コイルキャリアーであって、該コイル電導体は、それぞれ第１及び第２巻き密度を有する第１及び第２コイル領域からなり、該第１及び第２コイル領域は、１ストロークの長さに等しい該キャリアーに沿った距離の両端に位置し、且つ、コイルの不在により、又は、該第１及び第２巻き密度より小さい巻き密度を有するコイルにより、互いに分離されている、電気コイルキャリアーと；
磁極及びギャップを含んでなる磁石アセンブリーであって、該磁極は該ギャップを横切って磁束を印加するように構成され、該磁束は集中磁束領域として定義される１又は２以上の領域内に集中され、且つ、該ギャップはコイル電導体を受容するとともに、移動経路に沿った該コイル電導体の動作を許容するサイズに構成され、前記移動経路の一端が、該第２コイル領域ではなく該第１のコイル領域が集中磁束領域内にある位置に存在し、前記移動経路の他端が、該第１コイル領域ではなく該第２のコイル領域が集中磁束領域内にある位置に存在する、磁石アセンブリーと；
該コイル電導体に交流電流を発生させるべく接続された電源とを含んでなる、可動コイルアクチュエータ。
【請求項２】
該磁束が、該ギャップ内で１つの集中磁束領域のみに集中されている、請求項１記載の可動コイルアクチュエータ。
【請求項３】
該磁束が、第１及び第２集中磁束領域として定義される２つの集中磁束領域のみに集中され、
該移動経路の一端が、該第１コイル領域が第１集中磁束領域内にあり、該第２コイル領域が何れの該集中磁束領域内にも無い位置に存在し、該移動経路の他端が、該第２コイル領域が第２集中磁束領域内にあり、該第１コイル領域が何れの該集中磁束領域内にも無い位置に存在する、請求項１記載の可動コイルアクチュエータ。
【請求項４】
該第１集中磁束領域と該第２集中磁束領域とを分離する距離が、該第１コイル領域と第２コイル領域との間の距離よりも大きい、請求項３記載の可動コイルアクチュエータ。
【請求項５】
該第１及び第２コイル領域の各々と該集中磁束領域とが等しい軸長を有する、請求項２記載の可動コイルアクチュエータ。
【請求項６】
該第１コイル領域と該第１集中磁束領域とが等しい軸長を有し、該第２コイル領域と該第２集中磁束領域とが等しい軸長を有する、請求項３記載の可動コイルアクチュエータ。
【請求項７】
該コイル電導体が、第１及び第２の１次コイル領域として定義される該第１及び第２のコイル領域からなるとともに、第１及び第２巻き密度の両方より小さい巻き密度を有し、２次コイル領域として定義される中間コイル領域により分離される、請求項２記載の可動コイルアクチュエータ。
【請求項８】
該コイル電導体が多層コイルを含んでなり、該多層コイルの層数が、該１次コイル領域から該２次コイル領域に向かって漸減する、請求項７記載の可動コイルアクチュエータ。
【請求項９】
該コイル電導体が多層コイルを含んでなり、該多層コイルの層数が、該１次コイル領域と該２次コイル領域との間で段階的に変化する、請求項７記載の可動コイルアクチュエータ。
【請求項１０】
該第１及び第２の１次コイル領域が各々、コイル層数１から１０の多層コイルであり、該２次コイル領域が、該第１及び第２コイル領域よりも層数が少なく、或いは１層当たりの有効折り返し部が少ないコイルである、請求項７記載の可動コイルアクチュエータ。
【請求項１１】
第１及び第２の１次コイル領域が各々、コイル層数２から６の多層コイルであり、該２次コイル領域が単層コイルである、請求項７記載の可動コイルアクチュエータ。
【請求項１２】
該２次コイル領域の巻き密度が、該第１及び第２の１次コイル領域の巻き密度の半分未満である、請求項７記載の可動コイルアクチュエータ。
【請求項１３】
該コイル電導体が、コイルの不在によって分離された該第１及び第２コイル領域からなるとともに、該第１及び第２コイル領域の両外端に外側コイル領域を含み、該外側コイル領域の巻き密度が、該第１及び第２巻き密度の何れよりも小さい、請求項３記載の可動コイルアクチュエータ。
【請求項１４】
該第１及び第２コイル領域が各々、コイル層数１から１０の多層コイルであり、該外側コイル領域が、該第１及び第２コイル領域よりも総数が少なく、或いは１層当たりの有効折り返し部分が少ないコイルである、請求項１３記載の可動コイルアクチュエータ。
【請求項１５】
該第１及び第２コイル領域が各々、コイル層数２から６の多層コイルであり、該外側コイル領域が単層コイルである、請求項１３記載の可動コイルアクチュエータ。
【請求項１６】
該外側コイル領域は、該第１及び第２の２次コイル領域の巻き密度の半分より小さい巻き密度を有する、請求項１３記載の可動コイルアクチュエータ。
【請求項１７】
該電気コイルキャリアーとコイル電導体との組合せ質量が約３ｇから約３０ｇである、請求項１記載の可動コイルアクチュエータ。
【請求項１８】
該アクチュエータの時定数が約０．３ミリ秒から約１０ミリ秒である、請求項１記載の可動コイルアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核酸又はタンパク質等の生物学的種のマイクロアレイ用のスキャンシステムであって、規則的な２次元アレイに配置された多数の独立部位において、超高速で照射、観察及び／又は検出を行なう、任意の種類の操作又は分析用のスキャンシステムに関する。特に本発明は、光学系の往復運動用の駆動機構としての可動コイルアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロアレイは複数部位の２次元アレイであって、これらの部位は多くの場合、顕微鏡的な大きさである。また、各部位には異なる分子種が付着される。これらのアレイは、ガラススライド、マイクロタイタープレート、膜、その他の２次元支持体上に配置される。その最も広い用途の１つとして、未知の生物学的種を同定又は性状解析し、或いは、ある試料が特定の結合親和性を有する分子種を含有するか否かを分析するための、結合アッセイにおける使用が挙げられる。マイクロアレイの支持体上への設置は、精巧な印刷法を用いて行なうのが一般的であるが、その実施は極めて大規模に行なうことができる。例えば、ガラススライド１枚に対して、１０，０００個の遺伝子のマイクロアレイを設けることができる。マイクロアレイは多重実験を高速実施するのに極めて有用であり、これによって定性及び定量の双方の結果を得ることができる。マイクロアレイを用いた典型的な結合アッセイによれば、アレイの各スポットに異なるＤＮＡ断片を付着させた上で、アレイ全体を、励起光に暴露されると発光シグナルを出すように標識された、未知のＤＮＡ又は他のＤＮＡ結合種を含有する試料と接触させる。続く励起及び検出は、マイクロアレイをスキャンする光学系を用いて、各列のスポットに沿って連続的に移動させることにより行なう。また、光学系に対してマイクロアレイを移動させても、同じ結果が得られる。励起には通常、レーザーを備えたスキャンヘッドを使用する。
【０００３】
２次元アレイの連続列を通じてスキャンヘッドを前後運動させる方法の１つとして、可動コイルアクチュエータの使用が挙げられる。可動コイルアクチュエータは、周知のローレンツ力を利用して、高速移動と高度の制御及び可変性とを実現するものであり、厳密な仕様に合わせて作製することができる。スキャンヘッドに一般的に使用される可動コイルアクチュエータは、ボイスコイルアクチュエータである。これは永久磁界及び電気コイルを用いた直接駆動の制限運動装置であって、コイルに加えた電流に比例する力を発生する。現在使用されているボイスコイルアクチュエータの例としては、BEI Technologies, Inc.（San Marcos, California、アメリカ）のKimco Magnetics Divison、及び、H2W Technologies, Inc.（Valencia, California, アメリカ）の種々の製品が挙げられる。ボイスコイルアクチュエータは、米国特許第６，８９４，４０８号、６，８７０，２８５号、６，８１５，８４６号、及び６，７８７，９４３号に開示されている。
【０００４】
可動コイルアクチュエータの有効性の一因となっているのが、力対質量比（force-to-mass ratio）の高さである。これによって、アクチュエータ及び積載物の双方が加速される。スキャナーにおける一般的な積載物としては、鏡及びレンズアセンブリーと、必要なホルダー又は軸受け部とが挙げられる。力対質量比は、コンダクタを横断する磁界とコンダクタ内の電流密度との積を、コイル及び積載物の質量密度で割った値に比例する。ピーク電流密度はコイルの加熱から生じる熱的考察の制限を受ける。コイル内の電気抵抗は温度上昇に伴って増大し、電流密度の上昇は温度上昇を引き起こすからである。即ち、熱が蓄積すれば、アクチュエータの効率が損なわれる。また、熱によって、装着された積載物の寸法に歪みが生じ得る。積載物に光学成分が含まれる場合、これは光学的アラインメントを乱す結果となり得る。可動コイルアクチュエータの効率に影響する他の因子として、磁石の大きさ及び強さが挙げられる。磁石のコストは、所望の磁界強度及びギャップ幅に正比例する。
【０００５】
コイルは磁極に対して相対的に移動するため、アクチュエータの力定数、即ち、入力電流の単位当たりのモーターの力は、その移動長さに沿ったコイルの位置に応じて変化する。コイルと磁界とが同一の範囲に延在する最も単純なボイスコイルアクチュエータでは、コイルが完全に磁界に包含されるのは、コイルがその経路の中心にある時のみである。即ち、力定数はこの位置でピークとなり、経路の両端に向かって減衰する。しかし、最も大きな力が必要となるのがこの経路の両端である。移動方向を逆転させるために、慣性力を超えなければならないからである。かかる結果を得るべく、力の減衰を解消するためには、磁石より長いコイルを使用するか、或いはその逆にするとともに、磁界内のコイル長が一定となるように経路長を制限すればよい。かくして２種類の構成が考えられる。一方は「アンダーハング」、他方は「オーバーハング」という。「アンダーハング」の構成では、磁極がコイル長を超えて延在する。これにより、コイルを磁極の全長に亘って移動させても、コイルに対する磁束の影響が損なわれない。「オーバーハング」の構成では、コイルが磁極を超えて延在するとともに、コイルの移動経路の一方の端部を、コイルの一端が磁極と整列する位置とし、コイルの移動経路の他方の端部を、コイルの他端が移動の磁極と整列する位置とすることにより、コイルの異なる部分（但し何れも長さは同一とする）が、移動経路上の異なる点で磁界内に存在するようにする。また、アンダーハング及びオーバーハングの構成は、コイルの移動経路（即ちストローク）を延長する手段にもなる。
【０００６】
アンダーハング及びオーバーハングの構成によって、上述の目標は達成されるものの、何れの構成にも限界がある。アンダーハングの構成では比較的多量の磁性材料が必要となるが、磁性材料はアクチュエータのコストの大部分を占める。更に、過剰な磁石長によって、コイルからの熱消散が低減して温度が上昇し、これが原因でコイルへの連続通電時の抵抗が増大する。オーバーハングの構成では、比較的大きな質量のコイルを移動させるアクチュエータが必要となるため、同一の移動範囲を達成する場合でも過剰の力が要求される。更に、コイル長の追加によって電流に対する抵抗が大きくなるため、高い電圧が必要となり、コイルで生じる抵抗加熱が増大する。更に、アンダーハング及びオーバーハングのデザインの何れも、得られる力定数は移動長に沿って実質的に一定であるため、コイルの方向を逆転させるためにより大きな力が必要となるストローク端においても、更なる力を加えることはできない。
【０００７】
一般的にスキャナーに伴う困難の１つは、ストローク端（すなわち、スキャナーの方向が逆転される線状スキャナー移動経路の末端）において最大の駆動力が要求されることである。ストローク端において必要となる力は、粘性の克服よりも慣性の克服の必要性によって主に決定される。しかし、時間によって積載物は変化せず、所望の速度パターンも変化しない。従って、従来の可動コイルアクチュエータは線形であり、発生する力はコイルに印加される電流に比例するが、この線形性は必須ではく、望ましいものでもない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、先行技術の上述及びその他の限界に対処するものであり、ギャップを有する磁石アセンブリー（磁束が集中される１又は２以上の限定された長さの領域を含む）と、２つのコイル領域を有するコイル電導体（２つのコイル領域はコイルの不在により、或いは２つのコイル領域の何れよりも小さい巻き密度を有するコイルにより分離されてなる）とを含有する構成の可動コイルアクチュエータに存する。このギャップは（全体的又は部分的に）コイル電導体を受容するのに充分な大きさを有するとともに、電導体がギャップ内を前後移動するのに充分な間隔を有し、移動長の各端において、２つのコイル領域のうち一方が集中磁束領域内にあり、他方が集中磁束領域内にないように構成される。従って、２つのコイル領域のうち一方は、移動長の一端において集中された磁束に暴露され、他方のコイル領域も同様に、移動長の他端で集中された磁束に暴露される。限定長領域への磁束の集中と、移動の方向に沿って分離された２つの電気コイルの使用との組み合わせによる効果として、アクチュエータがストロークの端部において積載物に最大の運動力を加え、これら２つの端部の中点において最小の運動力を加えることが可能になるという、独自の結果が得られる。
【０００９】
本発明は数々の変更態様で実施され、これらの態様によって異なる特有の利点が得られる。ある実施形態によれば、磁石アセンブリーは１つの集中磁束領域のみを形成し、ストロークの各端部の集中磁束領域に１つのコイルが存在するように、２つの電気コイル領域が配置される。この場合、ストローク長は２つのコイル間の距離によって定義される。ある実施形態によれば、磁石アセンブリーは２つの集中磁束領域を形成し、これらの集中磁束領域の間には、２つのコイル領域間の距離とは等しくない（好ましくはこれより大きい）距離が設けられる。ストロークの一端では、コイル領域の一方が１つの集中磁束領域内に存在し、ストロークの他端では、コイル領域の他方が他の集中磁束領域内に存在する。何れの時点でも、コイル領域が両方とも集中磁束領域内にあることは無い。ストロークの長さは、２つの集中磁束領域間の距離と２つのコイル領域間の距離との差に等しい。
【００１０】
本発明の全ての実施形態により得られる利点として、高価な磁界生成材料（永久磁石や磁束伝導金属等）によって形成される磁界が、最も強い力が必要な領域で最大化され、集中されることである。先行技術のアクチュエータにおいて、印加された電流に対して線形の力応答を維持するために設けられていた、余分のコイル巻回及び／又は磁性材料は、隠して不要となる。これによって、電源において見られるようなコイルの抵抗が低減されるため、ピーク電流の上昇が可能になるとともに、システムによる力及び電力の生成を、それらが最も必要な部位に局限することが可能になる。アクチュエータ部材の重量、電力消費、及びコストは、何れも先行技術に比較して低減される。また、本発明によれば、２つのコイルを異なる時点で個別に作動させることが可能となる。即ち、各コイルに必要な通電時間は半分となる。更に別の利点として、比較的少量の磁性材料しか使用しなくとも、ギャップ内の（１又は２以上の）限定長領域において磁束集中を達成できるという能力が挙げられる。更に別の利点として、ストロークのかなりの部分においてコイル領域の一方又は両方を被覆しない状態とすることできるため、より多量の熱の放散と高いピーク電流密度が可能になるという能力が挙げられる。本発明の更なる利点、実施形態、特徴、及び目的は、以下の説明から明らかであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明のアクチュエータの電気コイル部分は２つの電気コイル領域を有し、これらはコイルの不在により、或いは２つのコイル領域の何れよりも低い巻き密度を有するコイルにより空間的に分離されてなる。何れの場合も、２つの電気コイル領域を分離する領域で発生するローレンツ力は、ゼロであるか、或いはコイル領域が集中磁束領域内にある場合に発生するローレンツ力よりも実質的且つ有意に低い。「コイルの不在」という表現は、２つのコイル領域間に如何なる電気的接続も存在しないか、或いは、アクチュエータの運動力に対して無視し得る程度の影響しか及ぼさない非コイル状の電気的接続（例えば直線状の連結ワイヤー）が存在することを意味する。２つのコイル領域が低巻き密度のコイルによって分離されている場合も、この連結領域で発生するローレンツ力は、より高密度のコイル領域で発生するローレンツ力より実質的に低くなる。本明細書において「低巻き密度のコイル」及び「低密度コイル」という語は同義であり、交換可能に使用される。同様に、「高巻き密度のコイル」及び「高密度コイル」という語は同義であり、交換可能に使用される。
【００１２】
巻き密度の差は、コイルの隣接する折り返し部分の間に間隙を導入し、その間隙の幅を変化させることにより、或いは層状の巻線を使用して、コイルの異なる領域間で層数を変化させることにより、設けることができる。これらは何れも本発明の範囲内である。また、多層コイルの層数又は単層コイルの隣接する折り返し部分間の間隙を段階的に変化させることにより、或いは層数又は間隙に段階的又は漸進的な差を設けることによっても、本発明の範囲内における巻き密度の差を設けることもできる。即ち、この差は、高巻き密度の領域と低巻き密度の領域との間で連続的又は略連続的となるようにしてもよく、或いは各領域の境界内を均一の巻き密度として、段階的に設けてもよい。高密度領域の巻き密度と低密度領域の巻き密度との差の程度は、本発明においては重要ではなく、システムの要求に応じて変更することができる。殆どの場合は、高密度領域と低密度領域との巻き密度の比を約２：１〜約２０：１、好ましくは約３：１〜約１０：１の時に、最適な結果が得られる。コイル層数の変化によって上記の差を設ける場合、高密度領域は各々の厚さを１〜１０層とすることが好ましく、低密度領域では層数を少なくするか（高密度領域が２以上の層を有する場合）、層当たりの有効な折り返し部分を少なくする（高密度領域が１層のみの場合）。或いは、高密度領域を各々６層とし、低密度領域を１層とするのがより好ましい。また、低密度領域の巻き密度を高密度領域の巻き密度の半分未満としても、有効な結果が得られる。本発明のある実施形態によれば、各高密度コイル領域は、ストローク端部においてコイル領域が存在する集中磁束領域と、少なくともほぼ同じ長さであることが企図される。これらの実施形態において、高密度コイル領域と隣接領域との巻き密度の差は、段階的変化により設けることが好ましい。
【００１３】
磁石アセンブリーが１つの集中磁束領域のみを形成する本発明の実施形態では、コイルキャリアーがストロークの両端の間を移動する時、２つの高密度コイルを分離するコイルキャリアーに沿った空間領域は、集中磁束領域を通過する。２つの高密度コイルの各々について別の集中磁束領域が存在する実施形態では、ストロークの両端の間の何れかの集中磁束領域中を通過するコイルキャリアーに沿う領域は、高密度コイルの外端側の領域のみである。何れの場合も、ストロークの両端の間の集中磁束領域を通過するコイルキャリアーの１又は２以上の領域に、低密度コイルを配置することが好ましいであろう。高密度コイルと低密度コイルとの組合せを用いれば、連続的に運動力を発生させつつ、低密度コイルが集中磁束領域内にある時にはその強度を小さくすることができる。運動力は移動経路の端部で最大とし、中央部で最小とすることが好ましい。中央部における主要な力は粘性の減衰力である。従って、単一の集中磁束領域を用いる実施形態では、２つの高密度コイルを低密度コイルで連結すればよく、２つの集中磁束領域を使用する実施形態では、２つの高密度コイルの外側端に低密度コイルを配置すればよい。
【００１４】
集中磁束領域及び高密度コイル領域は各々、長さが限定されており、各ストロークの間に高密度コイル領域が移動する距離は、これらの領域の幅よりも大きくなる。即ち、各ストロークの間に、高密度コイル領域は集中磁束領域に進入し、集中磁束領域から進出することになる。結果として、アクチュエータの「力定数」はコイルの移動長を通じて電流に比例する訳ではない。従って、先行技術の線形アクチュエータとは異なり、本発明のアクチュエータは非線形である。本発明のアクチュエータの力が最大となるのは、高密度コイルの一方が完全に集中磁束領域内にある時であり、これはストロークの各端に相当する。
【００１５】
磁石アセンブリーに使用される磁性材料は、先行技術のボイスコイルアクチュエータで一般に使用されている通常の磁性材料の何れであってもよい。磁石は永久磁石でも電磁石でもよいが、永久磁石が好ましい。集中磁束領域の寸法は、磁極の大きさ、形状、位置により決定されるが、これらは磁性材料及び構成に通じた当業者には容易に理解し得る事項である。しかし、何れの場合も、磁束がコイルの軸に垂直になるように磁極が配置される。好適な構成によれば、磁束は放射状であり、流線はコイル軸に向かって、又はコイル軸から離れ、コイルの全周に沿って続いている。得られるローレンツ力はコイル軸に沿う。磁石アセンブリーは磁極を支持する構造部材であり、コイルの往復運動を十分に収容し得る大きさのギャップが形成された状態で磁極を維持する。２つの集中磁束領域が存在する実施形態では、磁石アセンブリーは半分ずつ２つの部分に空間的に分離され、各々が１対の磁極と、コイルを受容するギャップとを有する。磁石アセンブリーの２つの部分の間のスペースによって、周辺の空気へのコイルの露出が増大し、コイルからの熱の放散が促進される。
【００１６】
コイルキャリアーは、コイルを支持する構造部材の何れであってもよい。例えばシリンダーやボビンが挙げられる。キャリアーはできるだけ薄く、且つ軽量にすべきである。磁極がコイル内まで伸長できるように、キャリアーは中空とすることが好ましい。中空の薄壁のシリンダーは、薄いシートをチューブ又はチューブ断片に巻回することにより、或いは当業者であれば容易に理解し得る従来法により作製可能である。本発明で企図される実施形態によれば、シリンダー壁の厚さは約２５ミクロン〜約１５０ミクロンである。分離型コイルや多重コイルが存在する場合は、全てのコイルを同軸上に、軸に沿って端と端とを並べて配置し、適宜間隙を設ける。コイルは任意の電導性材料から形成することができる。電気の伝導に通常使用される金属を、実際に使用することができる。代表的な例としてはアルミニウム及び銅が挙げられる。ワイヤーゲージ、コイルの直径、コイル長さ、キャリアー長さ、電流強度、電流プロフィール等のパラメータは何れも、アクチュエータの駆動対象となる系のニーズに応じて異なる。例えば１０ゲージ〜４０ゲージ、好ましくは２０ゲージ〜３０ゲージのワイヤーであれば、多くの場合に最適な結果が得られる。本発明で企図される実施形態では、２５、２６、２７、又は２８ゲージを利用する。コイル径としては、例えば約１ｃｍ〜約１０ｃｍ、好ましくは約２〜約４ｃｍのコイル内径が挙げられるが、一般には約２．５ｃｍが企図される。コイルの移動長、即ちストローク長としては、多くの場合は約１０ｍｍ〜約５０ｍｍ、好ましくは約２５〜約３０ｍｍが企図される。コイル及びキャリアーの組み合わせの重量は、例えば約３ｇ〜約３０ｇの範囲とすればよいが、本発明では約１０ｇ〜約１５ｇの範囲が企図される。光学部品を有するスキャンヘッドを移動させることを目的とした実施形態では、光学部品を含む積載物の重量は、一般的には約１ｇ〜約２０ｇであり、本発明では約２．５ｇ〜約１０ｇが企図される。
【００１７】
可動コイルアクチュエータを特徴付ける他のパラメータとしては、「力定数」のピーク値（「力定数」はコイルが生じる単位電流当たりの力である）、β（ベータ）値（ピーク力定数の二乗を電気抵抗で割った値）、及び時定数（移動部分の総重量をβ値で割った値）が挙げられる。これらの全てのパラメータ、及び、その他の当業者に公知のパラメータは、本発明の実施形態に応じて異なるが、具体的な値は本発明において概して重要ではない。但し、最も頻繁に用いられる特定の範囲によれば、最も有用な結果が得られると思われる。例えば、力定数は上述したように移動長に沿って変化し、ストローク末端でそのピークに達する。好適な実施形態におけるピーク値は、約１．５〜約１０Ｎ／Ａ（ニュートン／アンペア）であり、最も好ましくは約２〜約５Ｎ／Ａである。好適な実施形態のβ値は、約５〜約５０Ｎ2／Ｗ（ニュートンの二乗／ワット）、更に好ましくは約８〜約３０Ｎ2／Ｗの範囲である。好適な実施形態の時定数は約０．３ミリ秒〜約１０ミリ秒であり、最も好ましくは約２ミリ秒〜約５ミリ秒である。
【００１８】
電源としては、当該分野で公知の広範な種類の中から、任意のものを使用することができる。例としては、線形増幅器や、スイッチング又はパルス幅変調増幅器が挙げられる。電源としては方形波や正弦波、又は詳細に設計された波形の交流を発生するものがある。波形の生成は、閉回路発生器を位置及び／又は速度センサーと組み合わせて行なうことができる。或いは、開回路又は適応開回路制御システムを使用することもできる。好適な波形としては、ストロークの各端部にピークを有し、折返し時に最大電流を与えるものが挙げられる。同様に、波形の周波数（即ち、アクチュエータの周波数）も変化し得るが、好適な実施形態によれば、ピーク電流の基本周波数は約３Ｈｚ〜約３０Ｈｚ、最も好ましくは約１０〜約２０Ｈｚである。本発明で企図される周波数は約１０Ｈｚである。
【００１９】
本発明を定義する特徴は、種々の可動コイルアクチュエータの構成により実現可能であるが、個々の実施形態を詳細に検討することにより、本発明の全体が最もよく理解されるであろう。かかる実施形態２つを図に示す。
【００２０】
これらの実施形態のうち一方を図１、２、３、４、及び５に示す。この実施形態のアクチュエータは片端デザインであり、磁石アセンブリーがコイルキャリアーのストローク経路の一端に位置している。この実施形態では、コイルキャリアーがストロークの一端にある時に、コイル電導体の主要部が周囲に露出しているため、熱放散を促進することができる。図１は、ストローク経路の一端のアクチュエータ１１を示す。アクチュエータの部材には、磁石アセンブリー１２、電気コイルキャリアー１３、コイル電導体１４、及び電源１５が含まれる。磁石アセンブリーは、磁石１６及び磁極片１７、１８を有し、各磁極片は鉄等の磁束伝達性材料からなる。本実施形態における磁石１６及び磁極片１７、１８は、共通軸１９を中心とした回転体であり、図１では軸を含む平面に沿った断面を示している。磁極片１７の位置における軸に垂直な横断面を図２に示す。図１及び図２に示すように、磁極片１７、１８の間に環状ギャップ２１が存在する。ギャップ２１は、コイルキャリアー１３及びコイル１４を受容し、これらが磁石ハウジング内で軸１９に沿って空洞２２内で自由に移動し得るような幅を有する。磁極片１７、１８は集中磁束領域２３を形成する。磁束線は図２の磁束矢印２４で示される方向に沿い、ギャップ２１を放射状に通過する。
【００２１】
図１に戻ると、コイル電導体１４は、２つの高巻き密度の領域２５、２６が、低巻き密度の領域２７により分離されてなる連続コイルである。図示していないが、コイルの折り返し部分を作製する製造上の便宜のために、低密度領域を横断する単一軸コンダクタが存在していてもよい。高巻き密度２５の左端領域の拡大図を図３に示す。これは図１の点線円３で示される部分の拡大図である。この拡大図に示す高巻き密度領域２５は多層コイルであり、ここでは４層として示している。低巻き密度領域２７は単層コイルである。
【００２２】
図１では、磁石アセンブリー１２に対するコイルキャリアー１３の相対位置は、左端の高巻き密度領域２５が集中磁束領域２３内にある位置である。この位置では、最も高密度の２つのコイル領域のうち一方が集中磁束領域内にあるため、単位電流当たりコイル１４が生成する運動力は、運動力の範囲のうち高い側にある。図４及び図５は、図１と同じアクチュエータの断面であり、同一の平面に沿って得られた断面である。しかし、図４では、コイルキャリアー１３及びコイル１４は、ストローク中間の、磁石アセンブリー１２に対して部分的に延長された位置に存在する。この位置では、２つの高巻き密度コイル領域は何れも集中磁束領域内に無く、単位電流当たり生じる運動力は、運動力の範囲のうち低い側にある。図５では、コイルキャリアー１３及びコイル１４はストローク経路の反対側に位置し、右端の高巻き密度領域２６が集中磁束領域２３を占める。この位置では、単位電流当たりコイル１４が生じる運動力は、運動力範囲の高い側にある。ストローク経路に沿った何れの点でも、コイルの一部が集中磁束領域２３内に存在するので、コイルを流れる電流は常にアクチュエータ中でローレンツ力を生成する（或いは生成し得る）。しかし、その力定数は、高密度コイル及び低密度コイルの何れが、或いは各コイルのどれだけの部分が、集中磁束領域内にあるかに依存する。図１〜５に示す実施形態では、ストロークの長さは２つの高密度コイル領域の中心間距離にほぼ相当する。
【００２３】
第２の実施形態を図６、７、８、及び９に示す。この実施形態のアクチュエータはスプリットコイル／スプリット磁石、又は２重端（dual-ended）の構成であり、ここで磁石アセンブリーは半分ずつ２つの部分３１、３２に分離され、コイルキャリアーのストローク経路の各端部に１つずつ位置する。各部分（例えば左部分３１）は磁石３３及び磁極片３４、３５を含み、各磁極片は磁束伝導性材料からなり、磁極片間のギャップ３６は、コイルを受容し得るとともに、これらが磁石アセンブリー内で前後移動可能となるのに十分な幅を有する。図１〜５の実施形態のように、磁極片は、ギャップ３６を横切る集中磁束領域３７を形成する。同様に、図１〜５の実施形態のように、図６の磁石アセンブリーの各半分は、中心軸３８を中心とする回転体であり、集中磁束領域の横断面は図２と同様である。２つの集中磁束領域３７、３９（磁石アセンブリーの各半分に１つ）が存在し、これらの領域の各々における流線も、図２のものと同様である。
【００２４】
図６〜９の実施形態において、コイル電導体は２つの個別のコイル４１、４２に分離される。２つのコイルの電流の強度及び方向を協調させる場合、これらのコイルはデュアル電源（図示せず）により通電されるが、そうでない場合にはこれらは連結されない。この構成によれば、図１〜５の片端体（single-ended version）と比べて、抵抗は半分となり、ピークβ値は２倍となるが、より多くの磁性材料を使用する上に、第２の電源（増幅器）が必要となる。このスプリットコイル構成は、小さな移動質量と、軸受け又は支持構造を中心とした高度な対称性とが要求されるシステムに最も適している。
【００２５】
図７は図６の点線円７内の部分の拡大図であり、この部分内の電気コイルを示す。この部分は、図６の２つの高密度コイルのうち、左端の高密度コイル４３を含む。高密度コイル４３は減少して低密度コイル４４となり、これら２つは互いに直接隣接するが、図１〜５の実施形態とは異なり、低密度コイル４４と右端の高密度コイル部分４６に隣接するその対応物４７とは、何れも高密度コイルの間ではなく、高密度コイルの外端にある。図８及び図９は、図６と同一の断面であるが、それぞれストロークの中間にある場合と、ストロークの反対の端にある場合とを示している。図８に示すように、ストロークの中間では、２つの高密度コイル領域４３、４６の何れも、２つの集中磁束領域３７、３９内には無い。一方、図９に示すように、ストロークの反対側の端では、右端の高密度コイル領域４７は右端の集中磁束領域３９内にある。低密度コイル部分４４、４７は、コイルがストローク経路の２つの端の間を移動する時、集中磁束領域内を通過する。即ち、本実施形態と図１〜５の実施形態とはその構成に差があるものの、本実施形態においても、ストローク経路の全ての点において、コイルの一部が２つの集中磁束領域３７、３９の何れかの内部にある。従って、コイルを流れる電流は常に、アクチュエータ中でローレンツ力を発生する（或いは発生し得る）が、その力定数は、高密度コイル及び低密度コイルの何れが、或いは各コイルのどれだけの部分が、集中磁束領域内にあるかに依存する。図６〜９に示す実施形態では、ストローク長は２つの高密度コイル領域の中心間距離よりも小さく、その代わりに、２つの集中磁束領域間の距離と２つの高密度コイル領域間の距離との差により決定される。２つのコイルアセンブリーは各々、別の電源を有し、これら２つの電源は協働してしてコイルアセンブリーに電力を供給する。任意により、コイルキャリアーがその移動経路の中点にある時に、両電源が同時に電源供給するように運転してもよい。かかる２つの電源の同時使用によって、オン−オフ変化中の力の発生時のノイズを最小にすることができる。
【００２６】
可動コイルアクチュエータの当業者であれば、上述の図面及び説明を検討すれば、更なる変形例及び実施形態を把握し得るであろう。例えば、何れも本発明の範囲内において、磁石ハウジングとコイル巻きの異なる構成及び形状、並びに広範な操作条件及び構成材料を、当業者は容易に把握し得るであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本発明に係る可動コイルアクチュエータの、アクチュエータ軸に沿った断面図である。
【図２】図２は、図１のアクチュエータの、アクチュエータ軸に交差する別の断面図である。
【図３】図３は、図１の部分３の拡大図である。
【図４】図４は、図１と同様の図であるが、ストロークの中間を示している。
【図５】図５は、図１及び図４と同様の図であるが、図１とは反対側のストローク端を示している。
【図６】図６は、本発明に係る第２の可動コイルアクチュエータの、アクチュエータ軸に沿った断面図である。
【図７】図７は、図６の部分７の拡大図である。
【図８】図８は、図６と同様の図であるが、ストロークの中間を示している。
【図９】図９は、図６及び図８と同様の図であるが、図６とは反対側のストローク端を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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