CN103246126A - 低功耗双稳态电子机械快门 - Google Patents

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赵宝玮
相里斌
黄旻
吕群波
刘玖
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Abstract

本发明公开了一种低功耗双稳态电子机械快门，包括可变光阑系统，所述可变光阑系统包括定环、运动环、叶片，还包括双向一体式电磁铁，双向一体式电磁铁包括定子线圈和动子轴，定子线圈固定在定环上，动子轴的外顶端连接一线形齿条，运动环上装有一弧形齿条，线形齿条与弧形齿条耦合，采用双向一体式电磁铁依次带动线形齿条、弧形齿条，使可调光阑运动环做双稳态往复转动，控制叶片的打开和闭合，大大简化了机械结构和控制策略、提高了耦合效率、快门系统的稳定性、提高了曝光时间控制精度，可适用于大范围的通光孔径。

Description

低功耗双稳态电子机械快门
技术领域
本发明涉及一种快门控制装置，尤其涉及一种低功耗双稳态电子机械快门。
背景技术
在全帧转移型CCD的成像过程及其他相关应用中，电子机械快门可以在可控的时间内阻挡外界光线进入，以使CCD完成电荷转移或达到其他目的。它的性能影响着成像系统的重量、功耗、成像质量等一系列至关重要的参数。尤其在大面阵全帧转移型CCD的应用实例当中，由于所需的快门通光孔径较大，动作时间变长，开关时间精度要求更高，其稳定性和功耗成为此类快门的研发重点。
现有技术中，传统的电子机械快门大多采用电磁铁控制叶片的方式，这种方式只能做到开启电控制，快门关闭只能靠弹性装置如弹簧等实现。正因为如此，快门开启时为克服弹性装置形变之初的大的张力，其驱动电路需要提供一个瞬间高电压使电磁铁产生瞬时大磁力从而带动叶片动作，此后还要提供持续的低电压以保持快门的开启状态直至关闭。因此该类电子机械快门的驱动电路比较复杂，高电压的产生和其对电磁铁的驱动都会给系统EMC带来较大的挑战；同时，在长时间曝光时，电磁铁保持通电状态，其发热产生的功耗也给整个系统造成了很大的压力；另外，快门叶片打开和关闭时与快门主体产生的机械碰撞会造成一定量的回弹，影响曝光时间的控制精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、系统稳定、精度高的低功耗双稳态电子机械快门。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的低功耗双稳态电子机械快门，包括可变光阑系统，所述可变光阑系统包括定环、运动环、叶片，还包括双向一体式电磁铁，所述双向一体式电磁铁包括定子线圈和动子轴，所述定子线圈固定在所述定环上，所述动子轴的外顶端连接一线形齿条，所述运动环上装有一弧形齿条，所述线形齿条与弧形齿条耦合。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的低功耗双稳态电子机械快门，由于包括双向一体式电磁铁，双向一体式电磁铁包括定子线圈和动子轴，定子线圈固定在定环上，动子轴的外顶端连接一线形齿条，运动环上装有一弧形齿条，线形齿条与弧形齿条耦合，采用双向一体式电磁铁依次带动线形齿条、弧形齿条，使可调光阑运动环做双稳态往复转动，控制叶片的打开和闭合，大大简化了机械结构和控制策略、提高了耦合效率、快门系统的稳定性、提高了曝光时间控制精度，可适用于大范围的通光孔径。
附图说明
图1为本发明实施例提供的低功耗双稳态电子机械快门的结构示意图；
图2为本发明实施例中曝光控制脉冲、定子线圈控制脉冲、快门开关状态之间的关系示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
本发明的低功耗双稳态电子机械快门，其较佳的具体实施方式是：
包括可变光阑系统，所述可变光阑系统包括定环、运动环、叶片，还包括双向一体式电磁铁，所述双向一体式电磁铁包括定子线圈和动子轴，所述定子线圈固定在所述定环上，所述动子轴的外顶端连接一线形齿条，所述运动环上装有一弧形齿条，所述线形齿条与弧形齿条耦合。
所述定子线圈通过底座与所述定环固定。
所述动子轴的外顶端通过穿心螺钉与所述线形齿条连接。
所述运动环通过螺钉与所述弧形齿条固定。
本发明的低功耗双稳态电子机械快门，适用于大范围通光孔径，在提高快门稳定性和曝光时间控制精度的同时，降低快门的功耗、简化控制策略。
具体实施例：
如图1所示，定环1、运动环2、叶片3构成一可变光阑系统，其结构在此不详细描述。转动运动环2可以带动叶片3调节通光孔径的大小。本发明只控制叶片在完全打开和完全关闭这两个边界情况间切换，以实现快门功能。
定子线圈4和动子轴5构成双向一体式电磁铁，当给其定子线圈4通正向电流时，其动子轴5向其延长线方向运动直至限位位置，并且此时即使给定子线圈4断电，动子轴5也会稳定保持在原位置，直至给定子线圈4通反向电流；当给定子线圈4通反向电流时，动子轴5反方向缩回到延伸前位置，并且即使给定子线圈4断电，动子轴5也会稳定保持在限位位置，直至给定子线圈4通正向电流。由此双向一体式电磁铁实现了双稳状态，并且在控制过程中只需在状态改变起始时刻给定子线圈4提供足够时间长度的正确方向电流，以实现其状态转换，其余时刻均可不供电。
定子线圈4通过底座8固定在定环1上，动子轴5外顶端通过穿心螺钉9连接一线形齿条6，线形齿条6跟随动子轴5做双稳态线移动，运动环2上通过螺钉10装有一弧形齿条7，线形齿条6与弧形齿条7耦合，使弧形齿条7带动运动环2做双稳态转动，达到双稳态完全打开和关闭通光孔径的快门作用。
忽略电路延时，曝光控制脉冲、定子线圈4控制脉冲、快门开关状态之间的关系如图2所示：
图2中T为曝光控制脉冲的周期，TEXP1、TEXP2为每个周期不同的曝光时间，忽略电路的微小固定延时，从图中可以看到每当曝光控制脉冲上升沿来到时，控制器给定子线圈4一个时长为Topw的正向脉冲电压，该电压经过定子线圈4电磁迟滞和机械延迟Tdelo后完全打开；当曝光控制脉冲下降沿来到时，曝光结束，控制器给定子线圈4一个时长为Tclw的反向脉冲电压，该电压经过定子线圈4电磁迟滞和机械延迟Tdelc后完全关闭。由于实施例中只用到一个电磁铁，因此理论上其打开和关闭过程中所需的正、反向脉冲宽度是相等的，即Topw=Tclw，并且打开延迟和关闭延迟也相等，即Tdelo=Tdelc。通过图2可以很容易得到结论，叶片完全开启到完全关闭时间与曝光控制脉冲给出的曝光时间相等，即实际快门通光时间与输入的曝光时间值之间关系固定，这提高了快门曝光时间控制精度。而实际中，由于采用的机械机构简单，力的耦合效率高，摩擦力小，在很大程度上降低了其对上述结论的影响，因此提高了快门稳定性。另外从图2可以看出，定子线圈4控制脉冲的宽度和占整个曝光周期的比例很小，因此该方案的平均功耗也很小。
本发明技术方案带来的有益效果：
本发明技术方案通过采用双向一体式电磁铁带动线形齿条做双稳态往复线移动，线形齿条耦合带动固定于可调光阑运动环之上的弧形齿条，使可调光阑运动环做双稳态往复转动，控制叶片的打开和闭合，从而克服由于复杂机械结构造成的大摩擦力及刚性连接或杠杆传动造成的扭力损失，大大简化了机械结构和控制策略；采用齿条耦合将电磁铁线移动转换为可调光阑转动的方式大大减小摩擦力的同时提高了耦合效率；取消弹性部件并通过双稳态约束运动部件，减小了快门叶片的回弹率。本发明所提出方法的优点在于可适用于大范围的通光孔径，在各种通光孔径条件下保持快门系统的稳定性，提高曝光时间控制精度，同时降低快门功耗和控制器复杂程度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种低功耗双稳态电子机械快门，包括可变光阑系统，所述可变光阑系统包括定环、运动环、叶片，其特征在于，还包括双向一体式电磁铁，所述双向一体式电磁铁包括定子线圈和动子轴，所述定子线圈固定在所述定环上，所述动子轴的外顶端连接一线形齿条，所述运动环上装有一弧形齿条，所述线形齿条与弧形齿条耦合。
2.根据权利要求1所述的低功耗双稳态电子机械快门，其特征在于，所述定子线圈通过底座与所述定环固定。
3.根据权利要求1所述的低功耗双稳态电子机械快门，其特征在于，所述动子轴的外顶端通过穿心螺钉与所述线形齿条连接。
4.根据权利要求1所述的低功耗双稳态电子机械快门，其特征在于，所述运动环通过螺钉与所述弧形齿条固定。
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