(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイスコイルリニアアクチュエータであって、
ハウジングと、配線の１つ又は２つ以上のセットと、磁界を有し、
前記ハウジングは、プリント回路基板を或る方向に移動させるためのチャネルを有し、前記或る方向は、１つ又は２つ以上のコイルを前記プリント回路基板に形成するようにエッチングされた前記配線の１つ又は２つ以上のセットに流れる電流と前記磁界に対して垂直な方向であり、
前記配線の１つ又は２つ以上のセットは、電流を前記１つ又は２つ以上のコイルに供給することが可能な制御回路に接続され、
前記磁界は、前記チャネルを横切ると共に、前記プリント回路基板に作用し且つ前記１つ又は２つ以上のコイルの電流に比例する力を生じさせ、
前記磁界は、寸法及び強さが異なる複数の磁石によって、前記プリント回路基板が整流なしで移動するように定められる、ボイスコイルリニアアクチュエータ。
【請求項２】
さらに、位置検出デバイスを前記プリント回路基板上に有し、前記位置検出デバイスは、前記制御回路に接続されると共に、前記プリント回路基板の位置の変化を前記制御回路に通信するように前記制御回路と一緒に作動可能である、請求項１に記載のボイスコイルリニアアクチュエータ。
【請求項３】
前記磁界は、前記チャネルの内側に定められる活性領域において実質的に単一方向の磁界であり、前記１つ又は２つ以上のコイルは、前記プリント回路基板の１つ又は２つ以上の層の上において互いに隣接し且つ互いに反対方向の２つの矩形螺旋として構成され、前記２つの矩形螺旋の間の隣接した側における前記配線内の電流は、前記活性領域において同じ方向に流れる、請求項１に記載のボイスコイルリニアアクチュエータ。
【請求項４】
前記磁界は、前記チャネルの両側においてハルバッハ配列をなして構成された永久磁石によって形成される、請求項３に記載のボイスコイルリニアアクチュエータ。
【請求項５】
前記磁界は、前記チャネルの一方の側の第１の磁石の配列と、前記チャネルを挟んで前記第１の磁石の配列の反対側の第２の磁石の配列とによって形成され、前記第１の磁石の配列と前記第２の磁石の配列は、前記チャネルの内側に定められる第１の活性領域と前記チャネルの内側に定められる第２の活性領域を形成するように向けられ、前記第２の活性領域における磁界の方向は、前記第１の活性領域における磁界の方向に対して実質的に反対であり、
前記配線は、前記プリント回路基板の１つ又は２つ以上の層における単一の矩形螺旋として構成され、前記矩形螺旋の前記或る方向における第１の側の配線は、前記第１の活性領域内にあり、前記矩形螺旋の前記或る方向における反対側の配線は、前記第２の活性領域内にある、請求項１に記載のボイスコイルリニアアクチュエータ。
【請求項６】
前記第１の磁石及び前記第２の磁石は、前記チャネルの両側において並列ハルバッハ配列をなして構成された永久磁石である、請求項５に記載のボイスコイルリニアアクチュエータ。
【請求項７】
直動運動によって作動される平行運動機構であって、
１つ又は２つ以上のリンクによってハウジングに連結された向き決定プラットフォームを有し、
前記リンクの少なくとも１つは、寸法及び強さが異なる複数の磁石によって定められる磁界の中をプリント回路基板が整流なしで移動するボイスコイルリニアアクチュエータによって制御される、平行運動機構。
【請求項８】
前記１つ又は２つ以上のリンクは、磁気的に連結されたボールジョイントを含む、請求項７に記載の平行運動機構。
【請求項９】
前記向き決定プラットフォームは、中央のボールジョイントによって前記ハウジングに固定され、３つの制御リンクによって制御され、
前記制御リンクの各々は、前記ボイスコイルリニアアクチュエータを直動ジョイントとして含み、前記直動ジョイントは、第１のボールジョイントによってロッドに連結され、前記ロッドは、第２のボールジョイントによって前記向き決定プラットフォームに連結される、請求項７に記載の平行運動機構。
【請求項１０】
前記中央のボールジョイント、及び、前記制御リンクの各々の第１のボールジョイント及び第２のボールジョイントは、磁気的に連結されたボールジョイントである、請求項９に記載の平行運動機構。
【請求項１１】
前記磁気的に連結されたボールジョイントの各々は、鋼球を含み、前記鋼球は、低摩擦のポリオキシメチレンのベース内の適所にネオジム磁石によって保持される、請求項１０に記載の平行運動機構。
【請求項１２】
前記ボイスコイルリニアアクチュエータの各々は、アクチュエータハウジングと、配線の１つ又は２つ以上のセットと、前記プリント回路基板上の位置検出デバイスを有し、
前記アクチュエータハウジングは、前記プリント回路基板を或る方向に移動させるためのチャネルを有し、前記或る方向は、１つ又は２つ以上のコイルを前記プリント回路基板に形成するようにエッチングされた前記配線の１つ又は２つ以上の配線セットに対して垂直な方向であり、
前記配線の１つ又は２つ以上のセットは、電流を前記１つ又は２つ以上のコイルに供給することが可能な制御回路に接続され、
前記磁界は、前記チャネルを横切ると共に、前記プリント回路基板に作用し且つ前記１つ又は２つ以上のコイルの電流に比例する力を生じさせ、
前記位置検出デバイスは、前記制御回路に接続されると共に、前記プリント回路基板の位置の変化を前記制御回路に通信するように前記制御回路と一緒に作動可能である、請求項７に記載の平行運動機構。
【請求項１３】
前記ボイスコイルリニアアクチュエータの各々において、
前記磁界は、第１の活性領域と、磁界が前記第１の活性領域と実質的に反対に向けられた第２の活性領域とを形成し、
前記配線は、前記プリント回路基板の１つ又は２つ以上の層における単一の矩形螺旋として構成され、前記第１の活性領域内の配線内の電流は、前記第２の活性領域内の配線内の電流に対して反対方向に流れる、請求項１２に記載の平行運動機構。
【請求項１４】
前記ボイスコイルリニアアクチュエータの各々において、前記磁界は、前記チャネルの両側にハルバッハ配列をなして構成された永久磁石によって生じる、請求項１３に記載の平行運動機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、向き決定プラットフォーム、及びそのベアリング、アクチュエータ及びコントローラで構成された運動機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気機械的に制御された取り付けプラットフォームは、ツールの操作や位置決めにおける正確さ、動作範囲、および応答性が望まれ、また求められる写真撮影、トラッキング、ロボティックス、製造業、およびその他の分野で多様な用途がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】“From PID to Active Disturbance Rejection Control”, IEEE Trans. Ind. Elec., Vol. 56, No. 3, March 2009, pp 900-906 Jingqing Han
【非特許文献２】IEEE Transactions on Control Systems Technology (Vol 12, No 3, May 2004)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在の運動デバイスの制約は、ベアリングの動作範囲、アクチュエータの応答性、改良部品の操作に合うように作られたコントローラ、および特定の光学メカトロニクスの用途のニーズに合ったデバイスの必要性にある。さらには、現行のデバイスはカスタマーの特定の用途に望まれるサイズ、重量、電力消費（例えばスワップの要求）、また信頼性に関する新たな制約を満たしていない可能性もある。
【０００５】
ベアリングに関しては、従来の３次元自由度（球形）のボールジョイントとロッドエンドベアリングは、３つの大きな欠点があり、かかる欠点は、（１）角運動に制約があること、（２）顕著なバックラッシュがあり精度に影響することがあること、（３）動特性に影響するかなりの摩擦があることである。
【０００６】
これらの欠点が小型で高精度の平行運動機構（parallel kinematic mechanisms；ＰＫＭ）に使用される従来のボールジョイントの有用性を制限している。これは特に動作範囲、精度、および動的応答性が重要な光学メカトロニクスにおける適用例に言えることである。例えば、典型的な小型のロッドエンドベアリングにおいては、角度方向の動作範囲は２０度に制限されており、市販のボールベアリングは通常の動作範囲が３５度に制限されている。可能な動作範囲は、カメラを常に関心領域に向けるアクティブビジョンシステムなどの光学メカトロニクスに使用される平行運動機構の設計には重大な制約となる。
【０００７】
バックラッシュも市販のボールジョイントでは大きな問題である。現行のシステムではバックラッシュを抑えるために張力バネを用いてロッドエンドベアリングに予備負荷を与えている。スプリンングの追加はリンクと干渉する可能性を増大させる。
【０００８】
アクチュエータに関しては、ボイスコイル（すなわち、リニア）アクチュエータは簡素な電気機械デバイスであって、電気入力信号に応答して正確な力を発生する。これは基本的には固定された磁界（固定永久磁石が発生する）の中を動く整流器無しの単一コイルか巻線からなるもっとも簡素な形の電気モータである。システム設計の観点から言えば、リニアベアリングシステム、位置フィードバックデバイス、スイッチモードあるいはリニアサーボアンプ、および動作コントローラなどにボイスコイルアクチュエータをつけるのは消費者の責任範囲である。多数の別々の構成要素を組み付けるのはシステムの信頼性に悪影響を及ぼし、多数のアクチュエータを必要とする際には最小化とパッケージングを困難にする。ボイスコイルアクチュエータの移動質量も設計上の制約になり得る。平行運動機構、特に光学メカトロニクスの適用例においては、アクチュエータの移動質量を減少させ、電流に対する力の比（すなわち、力定数）を増大させ、且つ、動作範囲を増加させることによって、アクチュエータの動的応答及び精度を向上させる要求がある。
【０００９】
ペイロード（payload）の球（３次元）動作ができる従来の運動構造（つまり明確に定義されたリンクとジョイントの組み合わせ）に関しては、これらのうち幾つかはリンクとジョイントのパラレル構造により高度の精度と動力性を出す能力がある。しかしその他のデザインは低いペイロード能力、遅い動的応答性、低い精度、および狭い場所で大きな範囲の動作を達成することができないなどを示している。
【００１０】
類似の運動に基づく向き決定プラットフォームのプロトタイプがミュンヘン工科大学のThomas Villgrattner などによって作られた。しかしながら、本明細書に開示するリニアクチュエータと改良ボールジョイント無しでは、動作範囲と動的応答性には限界がある。
【００１１】
非特許文献１に要約されている一般的なコントローラのアルゴリズムがどのような動的システムのトラッキングコントロールにも応用可能で、運動機構の幾つかの例に使用されている。しかしながら、非特許文献２に公表された研究論文にはスチュワートプラットフォームのトラッキングコントロール用のPCを使ったソフトウェアにこのコントローラルゴリズムが取り入れられたが（論文のタイトル:スチュワートプラットフォームの外乱排除、高精度動作コントロール）、コントローラのスピードが遅くアクチュエータが持つ動特性を十分利用できなかったことが報告されている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
平行運動機構の多数の改良点とその構成部品がここに開示されている。
【００１３】
ベアリングに関しては：ここで提案され説明されている磁気的に連結されたボールジョイントは３つの構成要素の組み合わせであり、３つの構成要素は、（１）小型で通常は円柱状の永久磁石（例えばネオジムを使った現在もっとも強力な永久磁石）と、（２）鉄材料（例えばステンレススチール）で作られ、対象機構にボールを固定するのに使用できる円柱状の棒を組み入れたボールと、（３）片側に磁石があり、もう一方の側にボールを支持するように球形の一部として作られた凹部を含むソケット／ベース／セパレータである。一例では、ソケット／ベース／セパレータは、高い強度、少ない摩擦、および寸法安定性を出すために精密部品で使われるエンジニアリングサーモプラスチック（熱可塑性樹脂）であるポリオキシメチレン（アセタル、ポリアセタル、およびポリフォマルデハイドとしても知られる）から作られている。
【００１４】
アクチュエータに関しては、低慣性ボイスコイルのデザインが、従来の可動コイルをボード上の配線を必要な巻線として組み込んだプリント回路基板（ＰＣＢ）に置き換えたものとして説明されている。アクチュエータの制御には、コイルの位置の正確な情報が要求される。１つの例では、位置フィードバックデバイス、具体的には１次元の位置検出デバイス（ＰＳＤ）をＰＣＢに直接組み込まれるのがよい。位置制御のいろいろな許容範囲はデザインによって決まる。ミクロン単位の位置分解能および信号処理と動作制御の電子機器は、表面実装技術（Surface-Mount Technology；ＳＭＴ）を用いて同一ＰＣＢ上のものも含む（必ずそうであるということではないが）リニアクチュエータに組み込むことができる。
【００１５】
位置検出電子機器を持つＰＣＢベースのボイスコイルの典型的な用途は、限るわけではないが、（１）単一の角柱状機構を作動させるリニアモーター、（２）上記のようなタイプの多数のアクチュエータがペイロードを移動させ且つその向きを定めることが出来る多数のベアリング要素を制御することが可能な平行運動機構（Parallel Kinematic Mechanism；ＰＫＭ）での使用、（３）マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）センサーのキャリブレーションである。
【００１６】
個別あるいは組み合わせで、位置検出電子機器を持つＰＣＢベースのボイスコイルを区別する特徴は、（１）ボイスコイルの”巻線”をＰＣＢ上の導電性配線として製作することにより、製造を容易に、重量を減らし、他のデバイス要素に作動媒体を与えること、（２）同じＰＣＢ上における多層の巻線の使用により、アクチュエータの力定数を増大させること、（３）永久磁石の修正ハルバッハ配列の使用により、アクチュエータ外部の磁界を軽減させながら平面的なＰＣＢベースの巻線に強力な磁界を発生させること、（４）１次元ボイスコイルアクチュエータのＰＣＢ上に１次元位置検出器（Position Sensitive Detector；ＰＳＤ）あるいは他のフィードバックデバイスを組み込むことにより、動作可能な機械的ユニットの大量生産を簡素化し、他のシステムへの組み込みを容易にすること、（５）ＰＣＢ上に信号処理と動作制御の電子機器を組み込むことが可能なことにより、デザインの頑健性を改良し、リニアクチュエータを望まれる所に採用することができることである。
【００１７】
上記に説明の磁気的に結合可能なボールジョイントを作動させる上記に説明のＰＣＢベースのリニアクチュエータを使用し、平行運動機構は、迅速な動的応答性、高い精度、および高い信頼性でペイロードを６自由度まで移動させたり、向きの決定を行ったりすることができる（図中ではＰＫＭは３自由度までに制限されている）。意図した適用例としては、ペイロードはカメラ、レーザー、ミラー、アンテナ、レンジファインダー、通信機器、光学機器（例えば照準器）、あるいは違った方向に向けたり動かしたりするセンサーなどがあり得る。本明細書に開示されている平行運動機構（ＰＫＭ）は、ペイロードを高精度で３回転自由度で向き決定を行うポインティングデバイス（位置指示装置）である。加えて、本運動機構は動作が非常に早く、またこのプロトタイプの物理的な大きさに対する動作範囲の比が高いことが特徴である。従来のポインティングデバイス（例えばジンバル機構）とは異なり、この平行運動機構（ＰＫＭ）はペイロードの球状動作（つまり固定中心の周りの動作）を行うために３個のリニアクチュエータを採用している。
【００１８】
その結果として球状（３次元）に方向付けができるプラットフォームは多種の適用例（これに制限されず）に使用でき、かかる適用例は、（１）遠隔環境で本ポインティングデバイスを使用してレーザーを操作するスマートレーザースキャニング（例えば無関係なデータを最小にする選択的スキャニング）、（２）高速で動く物体を本ポインティングデバイスに設置されたカメラによる追跡、撮影、（３）飛行時間型レンジファインディングシステム：航空機などの高速で動く目標にレーザーファインダーを向けるシステム、（４）自由空間光通信（free space optical communications；ＦＳＯＣ）の組み入れである。
【００１９】
一例として、ここで開示された改良点はボイスコイルリニアクチュエータによって作動する１つまたは２つ以上のリンクに接続されたペイロードを動かす向き決定プラットフォームである。他の例では、本リンクは電磁的に連結されたロッドエンドとベアリングによって形成された少なくとも１つの球層を含む。さらに他の例では、本発明の平行運動機構（ＰＫＭ）はそれぞれがＰＣＢベースのボイスコイルアクチュエータで作動する３個のリンクを持つプラットフォームで成り立っており、このリンクは柱状ジョイント（アクチュエータ）、アクチュエータに取り付けられた球ジョイント、これらが向き決定プラットフォーム上の球ジョイントにロッドで連結されて成り立っている。向き決定プラットフォームはさらに平行運動機構（ＰＫＭ）内の固定点に７つの球ジョイントで連結されている。球ジョイントは理想的にはここで開示されている磁気的に結合可能なボールジョイント／ロッドエンドのベアリングの類が望ましい。アクチュエータはここで開示されているＰＣＢベースのボイスコイルリニアクチュエータの類が望ましい。アクチュエータの直進動作は本デザインの平行運動に基づく関係に従って向き決定プラットフォームの角運動に変換される。
【００２０】
平行運動機構およびリニアクチュエータにはJingqing Hanの一般的なアルゴリズムに基づくデジタルコントローラが組み込まれている。並列計算法を使用するコントローラやフィールドプログラマブルゲートアレイ（Field-Programmable Gate Array；ＦＰＧＡ）、コンプレックスプログラマブルロジックデバイス（complex programmable logic device；ＣＰＬＤ）などの電子デバイスを実装したハードウェアは、アクチュエータの応答時間と同様のコントローラの応答時間を達成する際の従来の欠点を克服する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】あらかじめ負荷をかけた磁気ロッドエンドベアリング実施形態の１つの部分的透視図である。
【図２】マグネットと鋼球の間の分離距離を強調した、図１に示した磁気ロッドエンドベアリングの側面分解図である。
【図３】ＰＣＢベースのボイスコイルアクチュエータの一例の概略的な斜視図である。
【図４】図３に示したＰＣＢベースのボイスコイルリニアクチュエータ（配線、リベット、およびコネクタははずしてある）の例の分解斜視図である。
【図５】現在開示のＰＣＢベースのボイスコイルリニアアクチュエータに使用するように設計された他のＰＣＢボードの写真による平面図であり、ＰＣＢの１つ又は２つ以上の層のボードに２重の矩形の左螺旋及び右螺旋でエッチングされた巻線を示している。
【図６】図５に示したＰＣＢボード設計の巻線に使用するために適合させた修正ハルバッハ配列の磁束の略図である。
【図７】現在開示のＰＣＢベースのボイスコイルリニアアクチュエータに使用するように設計されたＰＣＢボードの巻線の他の形態の写真による平面図であり、ＰＣＢ内で多層に反復される矩形の螺旋パターンをなしてしてＰＣＢにエッチングされた巻線を示す。
【図８】図７に示したＰＣＢボード設計の巻線に使用するために適合させた修正ハルバッハ配列の磁束の略図である。
【図９】完全な三角形の形態のアクチュエータを有する平行運動機構の向き決定／ポインティングデバイスと、アクチュエータの動作に対して垂直な平面内にある向き決定プラットフォームの概略的な斜視図である。
【図１０】図９に示した向き決定／ポインティングデバイスの平面図である。
【図１１】図９に示した向き決定／ポインティングデバイスの側面図である。
【図１２】アクチュエータがＹ形態をなす平行運動機構向き決定／ポインティングデバイスの概略的な斜視図である。
【図１３】アクチュエータが斜め形態をなす平行運動機構向き決定／ポインティングデバイスの概略的な斜視図である。
【図１４】モデル化されたＰＫＭの３−Ｐ−Ｓ−Ｓ/Ｓ構造の概略的な線図（左側）と３次元線図（右側）である。
【図１５】図１３の平行運動機構向き決定／ポインティングデバイスの別の斜視図である。
【図１６】レーザーダイオード位置センサーを持つＰＣＢベースのボイスコイルアクチュエータの他の例の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本明細書に開示する平行運動デバイスの１つ又は２つ以上の好ましい実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図１及び図２は、ベアリング、すなわち、ボールジョイントの改良に関する。
【００２４】
図１は、ロッドエンドベアリング１０の１つの例を示しており、ロッドエンドベアリング１０は、ベアリング（図示していない）のまわりを回転する他のリンクに固定されるように構成されたロッド１２に連結された鋼球１１と、鋼球１１を保持する磁石１６と、鋼球１１が嵌る球形の一部分をなす凹部１４を含むベース／ソケット／セパレータ１３とを有し、ベース／ソケット／セパレータ１３は、鋼球１１と磁石１６の間を低摩擦で分離している。適当に形状決めされた凹部１７が、磁石１６に嵌るように設けられている。スペース１５が、鋼球１１と磁石１６を分離しているが、設計により、使用中のジョイントが常に連結されているのに十分小さい。
【００２５】
鋼球１１は磁石１６によって適所にしっかりと固着されるので、ベース１３の噛合っている球形の凹部１４は半球より小さくすることができ、これによって、３自由度全てにおいて１８０度を超える動作を可能にする。また、磁石１６は、ジョイント１０に有効なプリロードをかけ、それにより、外部スプリングを使用することなしに、バックラッシュをゼロまで低減する。最後に、鋼球と接触するベース１３は低摩擦面であることが望ましく、ベース全体をポリオキシメチレンで作るとき、鋼球１１に対する低摩擦表面がそのまま構成される。ベース１３がポリオキシメチレンで作られていない場合、別の自己潤滑性表面又は低摩擦表面を、セパレータと鋼球の間に使用すべきである。機構全体を保持する摩擦力と、鋼球１１をベース１３から分離するのに必要とされる力との間に、設計上のトレードオフがあり、磁石用の凹部１７と鋼球用の凹部１４の底部との間の分離間隔１５を調整する。図２は分解した部品の別の図である。
【００２６】
鋼球とロッドの組立体１０は、精密なコンピューター数値制御（ＣＮＣ）旋盤で一部品として製作されるのがよい。他の方法としては、同じ形状の精密なツーリングボール（工具鋼球）を購入することである（工具鋼球はよく機械的計量に用いられる）。ベース（セパレータ要素）と鋼球との間の球形の凹部も、精密ＣＮＣ旋盤で製作されるのがよい。ベースの正確な外形は、対象の機構に組込むことを容易にするように変更されてもよく、磁石用の凹部１７も設けられるのがよいが、必須ではない。
【００２７】
このように、ここで開示する磁石で連結されたボールジョイント、すなわち、球ジョイント１０には、考えられる利点があり、かかる利点は、（１）大きな角度方向の動作範囲、（２）設計に基づくジョイントの固有のプリロードによりバックラッシュがほぼゼロであること、（３）低摩擦、及び／又は（４）プリロード摩擦をパラメーターとして制御することである。これらの特徴を持つジョイントは、広い動作範囲、高精度及び反復性、及び迅速な動的応答性を有する平行運動機構（ＰＫＭ）の設計における適用例を有する。平行運動機構（ＰＫＭ）は光学メカトロニクスの適用例でますます使われるようになっている。平行運動機構（ＰＫＭ）は、そのユニークな運動構造のため、良好な剛特性と優秀な機能精度を保ちながら、高い動力特性を低い干渉性で達成することが可能である。これらの利点にも関わらず、広範囲の使用を妨げている主な制限要因の１つが、ジョイントの角度方向移動の利用可能な範囲であり、本発明の磁力で連結されたボールジョイントがその対処に役立つ。
【００２８】
図３、図４、図５、図６、図７及び図８は、ボイスコイルアクチュエータの改良に関し、ボイスコイルアクチュエータは、多様な適用例に使用され、かかる適用例は、後の例において更に説明するように、平行運動方向決めデバイスを含む。
【００２９】
図３は、ＰＣＢベースのボイスコイルアクチュエータ３０の概略的な斜視図であり、ハウジング３１が、ハウジング３１の凹部内に配置されたＰＣＢ３４の巻線を横切る強い磁界を生じさせるように、磁石３２の方向を定め、それにより、ＰＣＢ３４のリニア動作を可能にする。ＰＣＢ３４の巻線に電流が流れるとき、磁石３２によって生じた磁界は、ＰＣＢ３４に作用する力を発生させる。適切な磁界と巻線を使用することにより、ＰＣＢ３４は、生じた磁界の中でリニアに（直線的に）加速される。ＰＣＢ３４上の制御電子機器３６は、ハウジング３１上の制御電子機器３７に接続され、巻線に電流を流し、この例では示していない他の表面実装機器に電力を供給し、それと通信する。
【００３０】
図４は、図３に示すＰＣＢベースのボイスコイルアクチュエータの分解斜視図である。いくつかの永久磁石セット４２、４３がハウジング３１の反対側に修正ハルバッハ配列３２をなして配置されている。レールガイド３９の中を延びるレール３８が、ＰＣＢ３４の直進移動をハウジング内に維持し、且つ、アーマチャー３３に向かう前又は上方向に、又は、底部に向かう後又は下方向に維持する。ＰＣＢ３４上の制御機器３６は、巻線４０に電力を供給する。前方の巻線４４の電流は、修正ハルバッハ配列３２をなす前方の磁石セット４２による磁界と主に相互作用する。後方の巻線４５内の電流は反対方向に流れ、且つ、後方の磁石セット４３による磁界と主に相互作用するので、巻線から発生する力は、同じ電流量であれば２倍になる。ＰＣＢ３４のスロット４１により、追加の構造要素（例えば、ここには示していない磁石セパレータ、追加のガイド又はストップ）が設計に含まれることを可能にしてもよい。
【００３１】
図５はＰＣＢ５０上の巻線の形態の一例を示しており、２つの巻線セット５１、５２がＰＣＢ５０の中心線の左右にそれぞれ配置され、コネクタ５３に接続された回路によって、中間の導電配線セット５４（導体）内に同方向に流れる電流を生じさせる。
【００３２】
図６は、ＰＣＢのチャネル６４の上下においてＰＣＢベースのボイスコイルリニアクチュエータのハウジング６０の中に配置された永久磁石６１、６２の配列を示し、かかる配列は、図５の巻線形態で作動するように修正ハルバッハ配列として選択されている。磁界６３は、主として、ＰＣＢの移動範囲全体にわたって図５に示した中間の導体セット５４を横切る単一方向のものである。左側の巻線セット５１の時計周りの電流と、右側の巻線セット５２の反時計周りの電流は、磁界６３の中において同じ方向に流れる電流として中間の導体セット５４内に現れ、一方向の力を生じさせる。両方の巻線セット５１、５２の電流の方向を切換えることにより、他の方向の力を生じさせる。ＰＣＢ５０とハウジング６０との間の相対移動を、リニアクチュエータ自身に内蔵された１つ又は２つ以上の位置検出デバイス（ＰＳＤ）によって測定する。１つの実施形態では、デバイスの外部の直ぐ近くの静的な磁界を、ハルバッハ配列をなす永久磁石の向きを定めることによって減少させる。これにより、外部磁界をほぼゼロにしながら、強力で実質的に均一な内部磁界を構成する。デバイス外部の磁界をさらに減少させるためのシールドが使用される。
【００３３】
図７は、ＰＣＢ７０上の巻線／コイルの他の可能な形態を示しており、コイル７１の巻線のための配線における単一の矩形螺旋パターン（ＰＣＢ自体の中の１つ又は２つ以上の層の場合もある）が使用されている。スロット７５に近い方の領域７３の電流は、一方向に流れ、スロット７５から遠い方の領域７２の電流は、反対方向に流れる。磁界内の導体の利用可能な長さ全体を有効利用するために、領域７２及び領域７３の近くの磁界は、デバイスの動作範囲にわたって反対でなければならない。図８は、永久磁石８２、８３、８４、８５、８６、８８を修正ハルバッハ配列としてハウジング８０内に配置する方法を示し、５つの磁石の対抗する２つのセットの各々が、磁界８７を生じさせる。図７の導体の領域７２、７３に対応する大きい平面形磁石８２、８３、８５、８６は、巻線／配線７１に面する互いに反対の極を有する。小さい磁石８８はそれぞれ、大きい磁石の間の磁束の向きを定める極によって分離し、小さい磁石８８の各端部は、磁束８７を差し向けて、ＰＣＢ７０の領域７２、７３に対応しているハウジング８０内の修正ハルバッハ配列の領域８１、８４に戻すように構成される。
【００３４】
ＰＣＢ内の巻線の層が１つよりも多い場合、積み重ねられた層が同じ向き（時計周り又は反時計周り）を有することが重要であり、そうであれば、１つの層が（導電配線から見て）内方に螺旋を構成するとき、次の層は外方に螺旋を形成する。
【００３５】
この仕方では、領域８１と領域８４の間の磁界を反転させることにより、巻線７１の異なる２つの部分７２、７３が同じ方向の力を発生させることを可能にし、アクチュエータの力定数を２倍にする。図７において、コイル７１の領域７２の電流の方向は、コイル７１の領域７３の電流の方向と反対である。しかしながら、図８のハルバッハ配列が２つの対応する領域８１、８４の磁界の方向を反転させるので、２つの部分７２、７３が発生させる力は同じ方向に作用する。図７及び図８の巻線と磁石の形態において、磁界内の導体の長さの増大と組合わされた磁界の増大した強度は、中間の導体セットだけが力を発生させる図５のＰＣＢ及び図６の磁界の例と比較して、力定数を４倍に有効に増大させる。しかしながら、図５及び図６によるこの例は、長いストローク（つまり、範囲）適用例に適している。例えば、図５及び図６に示すＰＣＢ５０と磁石配列６０を使用するリニアクチュエータは、図７及び図８に示すＰＣＢ７０と磁石配列８０を使用する比較デバイスと比較して、３倍の有効範囲を有する。後者のデバイスは、同じ電流で同じ長さの導体に対して約４倍の力を発生させるが、動作範囲が犠牲となる。これは、部分的には、同じ巻線の両側を使用することにより、部分的には、磁石の好ましい形態による。
【００３６】
巻線の複数の層を含む他の形態が可能である。電子機器はボード上に取り付けられるのがよい。電磁石を、修正ハルバッハ配列の代わりに用いてもよい。
【００３７】
分析と実験的調査によれば、図５のＰＣＢのために１５０ミクロンの配線／スペースと３７ｍｍのボイスコイルストロークを有する３オンスの銅製ＰＣＢにおいて、アクチュエータの動的性能パラメーター（例えば、コイルの慣性、力定数、最大速度）は、商業的に入手可能な製品の動的性能パラメーターよりも優れていることを示唆している。図７のＰＣＢのために１５０ミクロンの配線／スペースと、１２ｍｍのボイスコイルストロークを有する３オンスの銅製ＰＣＢは、同じ電流で約４倍の力を示す。
【００３８】
同様の機能を発揮する市販デバイスから識別されるＰＣＢベースのコイルデザインを使用するリニアクチュエータの幾つかの特徴は、（１）伝統的な移動コイルを、必要な巻線をボードの１つ又は２つ以上の層の上の導電配線として組み込んだＰＣＢと置き換え、ＰＣＢが、小さい移動質量しか有さず、大量生産が容易で、コンパクトであり、コイルが、適用される磁界に対して平面の向きを定めること；（２）それにより、ハウジングを横切る平面的な磁界の使用を可能にし、外部磁界を最小にしながら、強力な内部磁界を与える対向するハルバッハ磁石配列を有効に利用すること、（３）１次元位置検出デバイス（Position Sensitive Device；ＰＳＤ）をアクチュエータのＰＣＢに組み込んで、動作制御のための正確な位置フィードバックを行い、位置検出デバイス（ＰＳＤ）が非接触で、高精度であり、高速応答時間を有すること、および（４）配線を含むＰＣＢ上の信号調整及び動作制御電子機器を組み込むことである。
【００３９】
図９、図１０、及び図１１は、３つのリニアクチュエータ９２、９７、１０２（上述した設計に基づく）が向き決定プラットフォームの駆動／制御に使用される平行運動機構９０を示す。共通の枢動箇所を維持するために、向き決定プラットフォーム１１０は、中央ピラー／リンク１１１によってハウジンング９１に対して固定された高さのところで、ボールジョイント／ベアリング１１２によって連結されている。３つのリニアクチュエータ９２、９７、１０２上にあるＰＣＢ９３、９８，１０３の動作が、アーマチャーからなる独立したリンクを駆動し、アーマチャーは、ロッド９６、１０１、１０６にそれぞれ連結された鋼球９５、１００，１０５を受け入れる磁気的に連結可能なロッドエンドベアリングベース９４、９９，１０４を有する。ここに示す例では、図１及び図２に示したタイプの磁気的に連結可能なロッドエンドベアリングを使用する球形リンクが採用されている。向き決定プラットフォーム１１０への各ロッド９６，１０１，１０６の連結は、別の磁気的に連結可能なロッドエンドベアリング１０７，１０８、１０９によって行われる。図から分かるように、リニアクチュエータ９２、９７、１０２の各々の駆動は、向き決定プラットフォームの平面を異なる方向に傾かせる効果を有する。平行運動機構（ＰＫＭ）９０のハウジング９１は、リニアクチュエータ９２、９７、１０２を大きい三角形で接合するように構成される。
【００４０】
図１２は、向き決定プラットフォーム１２６を制御する平行運動機構の他の例示の形態を示し、リニアクチュエータのハウジング１２１が、リニアクチュエータをＹ字形に配置している。ＰＣＢ１２２上に直接配置されたアーマチャー１２３は、磁気的に連結可能なボールジョイントによってロッド１２４に連結され、ロッド１２４は、別の磁気的に連結可能なボールジョイントによって向き決定プラットフォームに連結される。
【００４１】
図１３は平行運動機構２００の更に別の例示形態であり、ベース２０１は、ボイスコイルリニアクチュエータ２０９を、小さい三角形を形成する傾斜パターンに構成するように設計されている。レーザー、カメラ、その他の機器２０３が取り付け／指向板２０４の上のマウント２０２に固定される。ボールジョイント２０７とロッド２０８は、取り付け／指向板２０４をアーマチャー２０５に連結する。アーマチャー２０５は、図９の例ほど長い必要はなく、ボイスコイルアクチュエータ２０９の上において図１２の例よりも中心に位置決めされる。ハウジング２０１から延びる中心ポール２０６は、取り付け／向き決定プラットフォーム２０４上のボールジョイント２０７に連結される。可撓性ケーブル２１１が、各ボイスコイルアクチュエータ２０９をオンボードコントローラ２１０に連結する。
【００４２】
図１４は、柱状層（Ｐ）を形成する柱状アクチュエータ（Ａ１，Ａ２，Ａ３）としての平行運動機構（ＰＫＭ）の概略を示しており、柱状アクチュエータ（Ａ１，Ａ２，Ａ３）は、第１の球層（Ｓ−OB）の球ベアリング（B１，B２，B３）を作動させ、球ベアリング（B１，B２，B３）は、リンクにより、第２の球層（Ｓ−ＯC）の球ベアリング（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）の対応する動作を強制的に引き起こし、球ベアリング（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）は、第３の球層（／Ｓ）を構成する固定球リンク（Ｏ）によって制限される。図１４の右側の図は、さらに詳細な３次元表現であり、第１の球層（Ｓ−ＯB）と第２の球層（Ｓ−ＯC）のリンクは、磁気的に連結可能なベースを組み入れ、柱状アクチュエータ及び（プラットフォームに対応する）固定球リンク（Ｏ）が、ボールジョイントのための鋼球を有する。
【００４３】
図１５は、参照符号を省略した図１３の平行運動機構（ＰＫＭ）の別の斜視図である。
【００４４】
図１６は、リニアクチュエータの他の１つの例の分解斜視図であり、ボイスコイルＰＣＢ３１０は、前側にレーザーダイオード３１１を有し、後側にリニアベアリングガイド３１２を有している。電力接続部３１４は、ボイスコイルＰＣＢ３１０及びレーザーダイオード３１１に電力を供給する。前側及び後側は、設計を説明するためだけの向きであり、向きを制限するわけではない。リニアクチュエータのハウジングは、後側の磁石３２２を保持する後側の磁石ホルダ３２０と、前側の磁石３２８を保持する前側の磁石ホルダ３２１を含む。ボイスコイルＰＣＢ３１０のガイドレール３１２は、後側の磁石ホルダ３２０のリニアベアリングキャリッジ３１３内でスライドすることが可能である。レーザーダイオード３１１は、前側の磁石ホルダ３２１の上の位置検出器３２５を始動させる。他の位置検出構成を使用してもよく、この形態は、ミクロンレベルの位置精度を出す可能性があり、それにより、リニアクチュエータによって作動されるベアリングの角度方向のより高い精度をもたらす。電力ＰＣＢ３２４及び信号処理ＰＣＢ３２３などの他の電子機器をリニアクチュエータの上に直接設けてもよい。組立てたら、スチールジャケット要素３２６により、磁石ホルダを包囲して、磁束をさらに遮蔽して、向きを決定する。
【００４５】
ＰＣＢボードの両面の磁石３２２、３２８の修正ハルバッハ配列を横切る強力な磁界により、アクチュエータハウジングが変形する傾向がある。この変形に対抗するために、動作の全範囲にわたるスロット３３０が、ＰＣＢボードに設けられ、前側の磁石ホルダ３２１と後側の磁石ホルダ３２０の間のスペース要素３２９が、スロットに嵌められ、それにより、ＰＣＢの動作と干渉する可能性がある大きい変形を効果的に防止することができる。図１６に示したボイスコイルＰＣＢのこの特徴は、図７にも示されている。
【００４６】
前記の例と長所は単に典型的な例であり、この発明を制限すると解釈してはならない。ここでの教示はそのまま他の装置にも応用できる。また、この発明の例示の説明は、説明のためだけのもので、特許請求の範囲を制限せず、多種の変形例、変更例、および変化は当業者に明らかである。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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