[发明专利]具有可扩展运动范围的动圈式致动器

说明书

                          发明背景

1.发明领域

本发明涉及扫描系统，该扫描系统用于诸如核酸或蛋白质等生物种的微阵列，并用于其中在排列于空间阵列中的大量单独位点处执行超快速的照明、观察和/或检测的任意类型的过程或分析。特别地，本发明涉及动圈式致动器，并且其尤其关心这种致动器作为移动光学系统的驱动机构的使用。

2.现有技术的描述

微阵列是其上执行化学或生化实验的位点的二维阵列，每个位点通常都具有微观尺寸，采用独立的实验，并且在每个位点上通常具有不同的分子类型。这些阵列形成于各种衬底上，其中包括载玻片、微量滴定板和薄膜。微阵列的最广泛用途之一是在结合实验中用于辨认或表征未知生物种，或者分析样品以确定该样品在何处包含具有某种结合亲和力的种类。微阵列中的各个位点的大小、数量和间隔可以取决于单个种类的特性以及要执行的过程而显著变化。这些位点可以是标准微量滴定板内的阱，该标准微量滴定板具有位于12×8的阵列中的96个阱，各个阱之间具有9mm的间隔。在另一极端，微阵列可以形成于仅具有25mm宽度的单片载玻片上，并可将位点通过自动化微印刷技术印刷到该载玻片上。通过这种方式，可以将多达10,000个基因印刷到一片载玻片上。

对微阵列中的实验过程的监控以及对实验结果的检测通常包括通过令各个位点暴露于入射辐射来激励，接着或同时，对响应于该激励从位点发射出的辐射进行检测和测量。这些功能通常是由具有通常配备有激光器的扫描头的光学系统来执行的。扫描系统通常结合有动圈式致动器，以移动扫描头经过该阵列，由于这些致动器可以高速运行，并且简单而且制造成本较低，因此可以很容易地满足性能要求，并且易于控制。扫描头是由致动器传送的“有效载荷”，它可以包括镜子和透镜组以及夹持器和支座，或者它可以是具有光学检测器的激光器。动圈式致动器利用公知的洛伦兹力来以高速驱动线圈，并使用较高程度的控制来满足精度规范。通常为扫描头所使用的动圈式致动器是音圈致动器，它是直接驱动的运动受限设备，其利用永磁场和电线圈来生成与施加到该线圈上的电流成正比的力。当前使用的音圈致动器的示例包括产自美国加利福尼亚州圣马可斯市的BEI Kimco磁分割(Magenetics Divison)技术有限公司及美国加利福尼亚州巴伦西亚市的H2W技术有限公司的各种产品。有关音圈致动器的公开内容可在专利号为6,894,408、6,870,285、6,815,846和6,787,943的美国专利中找到。

为了实现高速扫描，运动部件必须局限于那些低惯性部件，并且这通常可通过使线圈移动并使磁体和磁体外壳固定来实现。然而，线圈行进的长度会或者受线圈长度或者受磁体长度的限制。结果，典型的微阵列扫描仪只能够扫描大约1英寸(近似为25mm)的宽度。而无法有效地使用相同的扫描仪来扫描更宽的阵列，诸如形成于微量滴定板上的阵列。相反，如果要将致动器用于扫描其宽度比针对其设计致动器的宽度窄的阵列，则要么该线圈要行进比扫描该微阵列需要行进的距离更大的距离，要么该系统需要昂贵的传感器和控制器来将该线圈的行进距离局限于一较小的宽度，同时还会增加附加质量的负荷。

发明概述

本发明可解决现有技术的这些及其它限制，这归功于这样一种动圈式致动器，其中的磁体组是可移动的，以便移转线圈的运动范围。因此，本发明所述致动器包括螺线电导体以及磁体组，其中该磁体组的磁极被大到足以容纳该螺线导体并使该导体能以往复(来回)的方式移动的间隙隔开。该线圈被安装在一载体上，并被连接到产生通过该线圈的交变方向的电流信号的电源。该磁体组沿着与线圈的往复运动的行进路径相平行的行进路径在两个或更多位置间移动。结果是线圈的扫描范围能够被移转等于磁体组的各个位置间的间隔的距离。线圈和磁体组是独立运动的，且两者都是在另一方保持静止的时候工作的。因此，在各种运动序列和扫描方案的任一种中，磁体组首先被放置在使线圈能够运动经过微阵列的一部分的位置上，然后该线圈可在该部分内移动。随后，该磁体组被移转到对应于微阵列的另一个部分的不同位置，然后令线圈在该部分内移动。在一些应用中，磁体组的两个位置足以覆盖微阵列的整个宽度，然而在其它应用中可能需要三个或更多位置。一般而言，磁体组会被移转足够数量的次数，以覆盖微阵列的整个宽度。在一些应用中，磁体组在占用第二或后续位置后，可以返回到其原始位置以便被线圈进一步扫描。

因此，通过本发明的实践，一种动圈式致动器可以用于或者被编程为用于扫描具有各种宽度中的任何一宽度的微阵列，从而提供了具有通用性和效率两者的扫描系统。通过下面的描述，本发明更进一步的优点、实施例、特征和目的将是显而易见的。