JP6297584B2 - 双安定電磁制御式シャッタ - Google Patents

Description

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本出願は、２０１２年１１月２６日に出願された米国特許仮出願第６１／７３０，０４８号の優先権を主張し、この出願の内容は、引用することにより本明細書に取り込まれる。

本発明は、シャッタアセンブリ全般に関し、より具体的には、写真、科学、または生物医学の用途において用いられる双安定電磁制御式シャッタアセンブリに関する。

シャッタアセンブリは、シャッタの開閉サイクルが必要とされる多数の用途に使用されている。従来のアセンブリは、異なる方法で機能することが多く、一部のものでは一方向にのみ力をもたらし、サイクルの第２の部分については、ばねによる復帰に依存している。例えば、ばね復帰式ソレノイドを駆動部として使用すると、別個の駆動力、すなわち電磁力およびばね力が関与するがゆえに、開閉時間を良好に制御することができない。

他のサイクルは、空間が重要であるのにもかかわらずかさばる機構に依存しており、あるいは単純さが貴重であるのにもかかわらず複雑な機構に依存している。例えば光機械の用途においてビーム経路により容易に収めることができるより小型かつより薄型のシャッタ、ならびに高速で動作することができるがシャッタ羽根のジッタおよび跳ね返りが少ないより単純かつより信頼性の高いシャッタアセンブリが、常に必要とされている。

シャッタアセンブリの一実施形態が、開位置と閉位置との間を移動可能な複数のシャッタ羽根と、前記複数のシャッタ羽根の周囲に周状に配置され、前記複数のシャッタ羽根を移動させる複数の駆動機構とを備え、前記駆動機構の各々は、少なくとも第１の位置および第２の位置において安定である。好ましい実施形態において、各々の駆動機構は、ソレノイドおよび永久磁石電機子をさらに備え、前記駆動機構は、立ち上がり時間および立ち下がり時間を近い値にする釣り合った開放／閉鎖の駆動力を生み出すパターンにて配置される。このパターンは、開閉動作のために協働して働き、シャッタアセンブリの駆動の全体について一定の力をもたらす２つのソレノイドを有するように設計される。

図１は、本開示によるシャッタの一実施形態の正面図であり、特定の部分を部分的に取り除いて示している。

図２は、図１のシャッタの実施形態の正面図であり、特定の部分を完全に取り除いて示している。

図３は、図１のシャッタの実施形態の後面図であり、特定の部分を完全に取り除いて示しており、シャッタ羽根は閉位置に配置されている。

図４は、図１のシャッタの実施形態の後面図であり、特定の部分を完全に取り除いて示しており、シャッタ羽根は開位置に配置されている。

図５は、図１のシャッタの実施形態の後面図であり、特定の部分を部分的に取り除いて示している。

図６は、図１のシャッタについて、タイミングデータの一実施形態を示している。

図７は、駆動機構の構成の一実施形態を示している。

本発明の原理による例示の実施形態の説明は、書面による説明全体の一部と見なされるべき添付の図面と併せて検討されるように意図されている。本明細書に開示される本発明の実施形態の説明において、方向または向きへの言及は、あくまでも説明を便利にすることを目的としているにすぎず、決して本発明の範囲を限定しようとするものではない。「下側」、「上側」、「水平」、「鉛直」、「上方」、「下方」、「上」、「下」、「上部」、および「下部」、などの相対的な用語、ならびにこれらの派生語（例えば、「水平方向に」、「下方に」、「上方に」、など）は、説明時の向きまたは該当の図面に示されている向きを指すものと解釈されるべきである。これらの相対的な用語は、あくまでも説明を便利にするためのものにすぎず、特に明示的に示されない限り、装置を特定の向きにて構成し、あるいは動作させることを、必要とするものではない。「取り付けられ」、「添えられ」、「接続され」、「連結され」、および「相互接続され」などの用語、ならびに同様の用語は、特に明示的に説明されない限り、構造体が互いに直接的または介在の構造体を介して間接的に固定され、あるいは取り付けられる関係、ならびに可動または不動の両方の取り付けまたは関係を指す。さらに、本発明の特徴および利点が、典型的な実施形態に関して説明される。したがって、本発明が、単独で存在しても、他の組み合わせにて存在してもよい特徴について、これらに限られるわけではないいくつかの考えられる組み合わせを説明しているにすぎないそのような典型的な実施形態に限られるべきでないことは明らかであり、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。

本明細書は、現時点において考えられる本発明の最良の実施の態様を説明する。この説明は、限定の意味で理解されてはならず、当業者に本発明の利点および構成を教示するために、添付の図面を参照することによってあくまでも例示の目的で提示される本発明の一例を提供する。図面の種々の図において、同様の参照符号は、同様または類似の部分を指している。

開示される実施形態が、本明細書における革新的な教示の多数の好都合な使用のいくつかの例にすぎないことに、注意することが重要である。一般に、本出願の明細書においてなされる言明は、必ずしも種々の請求項に記載の発明のいずれかを限定するものではない。さらに、いくつかの言明は、本発明の特徴のいくつかに当てはまるかもしれないが、他の特徴には当てはまらないかもしれない。一般に、特に示されない限り、一般性を失うことなく、単数の構成要素は複数であってもよく、逆もまた然りである。

図１および図２は、シャッタアセンブリ１００の正面図の一実施形態を示している。シャッタアセンブリ１００は、シャッタアセンブリ１００を駆動するための部品を収容する駆動アセンブリポケット１１０を備えており、駆動アセンブリポケット１１０は、ベース板１２０と前部カバー１３０との間に配置されている。ベース板１２０は、一方の面において駆動アセンブリの構成部品を支持するとともに、他方の面において複数のシャッタ羽根１４０を支持し、シャッタ羽根１４０は、図１および図２に示される閉位置と図４に示される開位置との間を移動可能であり、開位置とは、光を通過させる開口部１５０を露出させる位置である。駆動アセンブリポケット１１０に配置された複数の駆動機構１６０が、シャッタ羽根１４０を、シャッタ開口部１５０を遮る閉位置あるいはシャッタ開口部１５０を塞ぐ閉位置（図１および図２）から、シャッタ開口部１５０を露出させる開位置（図４）に移動させる。図１は、駆動機構１６０を図示するために前部カバー１３０の一部分を取り除いた図である。一方、図２は、駆動アセンブリポケット１１０の構成部品をよりよく示すために、前部カバー１３０を完全に取り除いた図である。

シャッタ開口部１５０は、シャッタ羽根１４０を開位置と閉位置との間で移動させるべく駆動機構１６０によって駆動される駆動リング１７０によって囲まれている。駆動リング１７０は、駆動機構１６０によって駆動リング１７０に力が加えられるときに、シャッタ羽根１４０に垂直な軸１８０を中心にして回転する。軸１８０は、シャッタアセンブリ１００の中心軸でもある。駆動リング１７０は、第１の方向に回転させられるときに、シャッタ羽根１４０を閉位置から開位置に移動させ、第２の方向に回転させられるときに、シャッタ羽根１４０を開位置から閉位置に移動させる。

図示した実施形態において、各々の駆動機構１６０は、永久磁石電機子２００を有するソレノイド１９０をさらに備える。しかしながら、ソレノイドまたは永久磁石電機子を使用しない機構など、他の駆動機構の構成も可能であることを、理解できるであろう。しかしながら、図示した実施形態において、駆動機構１６０は、ソレノイドまたはボイスコイルなどの線形であることが好ましい。

各々の駆動機構１６０は、少なくとも２つの位置において安定である。図示した実施形態において、各々の駆動機構１６０は、ソレノイドフレーム２１０を有するソレノイド１９０であり、コイル（図示されていない）がフレーム２１０の一部分に巻き付けられている。各々のソレノイド１９０は、永久磁石２００が直線的に移動する軸２３０をさらに備える。ソレノイド１９０は、コイル（図示されていない）を通過する電流の流れによって生み出される磁界を有し、この磁界が、永久磁石２００がソレノイドフレーム２１０の内部に実質的に入れられる第１の安定位置と、永久磁石２００がソレノイドフレーム２１０に対して突出する第２の安定位置との間で、永久磁石２００を軸２３０に沿って移動させる。コイルを通過する電流の流れを逆にすることで、永久磁石２００は第１の安定位置から第２の安定位置に移動し、逆もまた同様である。永久磁石２００は、安定位置の間の直線的な移動を可能にする磁界の不整列が生じるように、最初にオフセットを有するように設定される。

特に図１および図２に示した実施形態においては、４つの駆動機構１６０が示されている。各々の駆動機構１６０は、駆動リングアーム２５０における駆動リング１７０との接点２４０を有し、接点において直線的な力を加え、駆動リング１７０を回転させることができる。駆動機構１６０は、ペア２６０にて働き、各ペア２６０が、各々の個別の永久磁石２００が第１の安定位置から第２の安定位置に移動するときに、駆動リング１７０を第１の方向に回転させるための第１の駆動機構を有し、駆動リング１７０を第２の方向に回転させるための第２の駆動機構を有する。図示した実施形態は、接点２４０に当接する電機子２００を示しているが、永久磁石２００を、駆動機構１６０によって両方向に力を加えることができるように、リンク装置（図示されていない）によって接点２４０に接続してもよいことを、理解できるであろう。図７に示される一実施形態においては、駆動機構の各ペアの駆動機構１６０が、直列に接続され、駆動機構のペアが、並列に接続される。

４つの駆動機構１６０が、好ましくは２つのペア２６０（図２）にて配置され、各々のペアが、駆動リング１７０の円周に沿って時計方向に押す１つの駆動機構と、駆動リング１７０の円周に沿って反時計方向に押す第２の駆動機構とを有する。図２の実施形態に示されるとおり、２つのペア２６０は、対角線上に配置され、駆動リング１７０を押すあるいは駆動するために協働する。駆動リング１７０は、駆動リング１７０の位置を検出するためにセンサ２８０とともに使用されるタブ２７０をさらに備える。図示した実施形態において、センサ２８０は遮光式センサであるが、センサが、他の種類のセンサのなかでもとりわけ、近接センサであってよいことを理解できるであろう。センサ２８０は、インターロックシステムの実現およびシャッタアセンブリ１００の詰まりの防止において、シャッタ位置に関する情報をもたらすことができる。

一方の安定位置から他方の安定位置への移動など、駆動機構１６０の動作は、コントローラ２９０によって制御される。コントローラ２９０は、典型的には、開放運動および閉鎖運動を有するシャッタアセンブリ１００の２段階のサイクルを開始させる。開放運動において、コントローラ２９０は、少なくとも１つの駆動機構１６０を第１の安定位置から第２の安定位置に移動させる信号を送信する。駆動機構１６０の移動により、駆動リング１７０が軸１８０を中心にして第１の方向に回転し、結果としてシャッタ羽根１４０が、図４に示されるように開位置に移動する。シャッタアセンブリ１００の閉鎖運動において、コントローラ２９０は、駆動機構１６０を第１の安定位置に戻すと同時に、少なくとも１つの他の駆動機構を第１の安定位置から第２の安定位置に移動させる信号を送信する。このサイクルの第２の部分における駆動機構１６０の移動は、駆動リング１７０を、軸１８０を中心にして第２の方向に回転させ、結果としてシャッタ羽根１４０が、開位置から閉位置に移動する。いくつかの実施形態においては、コントローラ２９０に、センサ２８０からシャッタ羽根１４０の現在の位置に関する情報がもたらされる。

図３および図５は、図１のシャッタアセンブリ１００の後面図を示しており、シャッタ羽根１４０が閉位置にて示され、図５に示されている後部カバー３１０の一部分が図３においては完全に取り除かれている。シャッタ羽根１４０は、シャッタ羽根ポケット３００内においてベース板１２０（図１および図２）によって支持されている。シャッタ羽根ポケット３００は、ベース板１２０とユニットの後部カバー３１０との間の空間である。駆動アセンブリポケット１１０およびシャッタ羽根ポケット３００が、シャッタアセンブリ１００の内部空間を構成している。

図示した実施形態において、各々のシャッタ羽根１４０は、ベース板１２０と後部カバー３１０との間に取り付けられたピン３２０によってベース板１２０に接続されている。ピンで取り付けられた構造が示されているが、他の接続構造も可能であることを、理解できるであろう。各々のシャッタ羽根１４０は、シャッタ羽根１４０の長穴３３０によってピン３２０を中心にして枢動する。各々のシャッタ羽根１４０は、ピン３２０からずらされて駆動リング１７０に接続された駆動リングピン３４０において、シャッタアセンブリ１００の他の構成部品にさらに接続されている。ベース板１２０に対する軸１８０を中心とする駆動リング１７０の回転が、駆動リングピン３４０をピン３２０に対して移動させる。シャッタ羽根１４０のピン３２０への接続の長穴の性質が、シャッタ羽根１４０を開位置と閉位置との間で移動させるために、両方のピンにおいて、回転運動と組み合わせられた少しの直線運動を可能にする。

図４は、図１のシャッタアセンブリ１００の後面図を示しており、後部カバー（図３および図５を参照）が取り除かれ、シャッタ羽根１４０は開位置にある。図示されている構成要素は、駆動リングピン３４０がピン３２０に対して異なる位置に示されており、２つのピンの相対位置ゆえにシャッタ羽根１４０が開位置に保たれてシャッタ開口部１５０を露わにしている点を除き、図３に示した構成要素と同様である。

図６は、「ＳＣ２０」によって識別されるシャッタコントローラによって駆動される「ＳＨＢ１」によって識別されるシャッタアセンブリ１００に関するタイミングデータの一例を示しており、シャッタアセンブリが、初期パルス（「Ｉ」）によって閉位置（「Ａ」および「Ｇ」）から開位置（「Ｃ」〜「Ｅ」）に駆動されている。

既存の従来のシャッタと比べたとき、シャッタアセンブリ１００は、シャッタの開閉サイクルのあらゆる区間について、同等又はより短い時間で作動し、シャッタの最小サイクル時間の大幅な短縮を果たす。特に、対称なサイクルの実行による機械的な利点によってもたらされるサイクルの後半において、大幅な性能向上を見て取ることができる。

好ましい実施形態において、シャッタアセンブリ１００は、５０％のデューティサイクルにおいて１０Ｈｚの持続最大速度で連続的に動作することができる。それにもかかわらず、従来のシャッタと比較してほぼ同一の遅延Ｉ―ＡおよびＤ−Ｅ（図６）であることが、性能の向上を意味しているといえる。これらの時間区間は、ソレノイド１９０のコイルを動作させるために要する時間である。したがって、これらは使用されるハードウェアの不変の特徴である。この例外の正味の効果は、２０ｍｓのパルスを開始することを始めてから、シャッタが完全に開いた状態となるまでの遅延（Ｉ−Ｃ）が、２２．２ｍｓであることである。これらの例外は、デューティサイクル開閉時間に影響を及ぼす。例えば、シャッタコントローラ２９０に、１００ｍｓの開時間および１００ｍｓの閉時間の５０％のデューティサイクルの方形波が供給される場合、シャッタアセンブリ１００において１０２ｍｓの露出および１０２ｍｓの閉鎖という結果になると考えられる。また、設計のタイミングの利点の他に、シャッタアセンブリ１００は、より高い周波数においてもジッタの増加を受けることなくその性能を維持する。

好ましい実施形態において、シャッタアセンブリ１００は、迅速な開閉時間のために５枚のシャッタ羽根１４０を有する１インチの開口部１５０を備える。当然ながら、他の開口の直径も可能であり、より少数またはより多数の羽根１４０を、所望に応じて使用することが可能である。シャッタアセンブリ１００は、好ましくは、有線の４導体シールドケーブルによってコントローラ２９０に接続される。好ましい実施形態において、シャッタアセンブリは、薄型の設計ゆえに、光機械アセンブリのビーム経路への容易な適合において有利である。シャッタの詰まりが起きた場合に、シャッタ位置を検出するために、センサを備えてもよい。ＴＴＬレベルの方形波を有する周波数を変調することによって、ユーザがシャッタを切り替えることができるように、さらなる入力がもたらされてもよい。一実施形態においては、シャッタアセンブリ１００およびセンサ２８０からの光フィードバックにより、シャッタ位置のモニタリングが可能となる。シャッタの不具合が起きた場合、一実施形態においては、駆動部がシャットダウンし、故障ＬＥＤ（発光ダイオード）およびインターロックを作動させる。

一実施形態においては、シャッタがレーザアセンブリとともに使用される場合の通常の動作状態において、リレーが作動させられ、接点が閉じられ、レーザの状態がオンになる。シャッタの不具合が起きた場合、リレーの通電が断たれてＮＯ（常時開）接点が開き、レーザの状態がオフになる。一実施形態においては、電源ボタン（図示せず）および作動ボタン（図示せず）により、ユーザが駆動周波数を設定するために外部変調を使用してシャッタの電源投入および制御を行うことができる。作動ボタンは、押し込まれたときに、外部の入力を上書きし、シャッタの手動制御を可能にする。

本開示のシャッタアセンブリは、蛍光顕微鏡検査、レーザ安全性、撮像、低出力レーザ、可視、紫外、および赤外スペクトルを含む種々の光用途にとって理想的である。

本発明を、いくつかの上述の実施形態に関して、かなり長く、ある程度詳細に説明したが、本発明は、決してそのような詳細または実施形態あるいは特定の実施形態に限定されるべきものではなく、むしろ添付の特許請求の範囲を参照して、それらの請求項について先行技術に鑑みて可能な限り最も広い解釈をもたらし、したがって本発明について意図される範囲を実質的に包含するように、解釈されなければならない。

本明細書に記載されるすべての例および条件の表現は、本発明の原理および技術の進歩への本発明の発明者による貢献の考え方の理解において読み手を助けるための教育的な目的を意図しており、そのような具体的に記載される例および条件への限定を伴わないものとして解釈されなければならない。さらに、本発明の原理、態様、および実施形態、ならびにそれらの具体例についての本明細書におけるあらゆる言明は、それらの構造および機能の両方における同等物を包含するように意図されている。加えて、そのような同等物は、現時点において公知の同等物ならびに将来開発される同等物の両方、すなわち構造にかかわらず同じ機能を果たす開発されるあらゆる構成要素を含むことが意図される。

Claims (17)

1. 開位置と閉位置との間を移動可能な複数のシャッタ羽根と、
   前記複数のシャッタ羽根の周囲に周状に配置され、前記複数のシャッタ羽根を移動させる複数の駆動機構とを備えており、
   前記駆動機構の各々は、少なくとも第１の位置および第２の位置において電磁的に安定であり、
   前記駆動機構の各々は、線形駆動機構であり、
   前記線形駆動機構は、
   一部分にコイルが巻き付けられたソレノイドフレームを有するソレノイドであって、第１の軸を有し、前記第１の軸の周りに前記コイルが巻き付けられ、前記第１の軸が前記コイルの巻き付け方向と同じ方向に延びるものと、
   前記ソノレイドフレーム内で前記第１の軸に沿って直線的に移動可能な永久磁石電機子と、を含み、
   前記駆動機構の前記第１の位置は、前記永久磁石電機子が前記ソノレイドフレーム内に格納された位置であり、前記駆動機構の前記第２の位置は、前記永久磁石電機子が前記ソノレイドフレームに対して突出した位置である
   シャッタアセンブリ。
2. 前記駆動機構は、ペアにされており、第１の駆動機構が前記第１の位置から前記第２の位置に移動する一方で、第２の駆動機構が前記第２の位置から前記第１の位置に移動する
   請求項１に記載のシャッタアセンブリ。
3. 前記シャッタ羽根を前記開および閉位置の間で移動させるための駆動リングをさらに備えており、
   前記駆動リングは、前記シャッタ羽根に対して垂直な第２の軸を中心にして回転可能であり、前記駆動機構は、前記駆動リングに力を加え、前記駆動リングは、前記第１の駆動機構が前記第１の位置から前記第２の位置に移動するときに第１の方向に回転し、前記駆動リングは、前記第２の駆動機構が前記第１の位置から前記第２の位置に移動するときに第２の方向に回転する
   請求項２に記載のシャッタアセンブリ。
4. 前記第２の位置から前記第１の位置への移動によって、駆動機構が前記駆動リングの回転と干渉することを防止する
   請求項３に記載のシャッタアセンブリ。
5. 第１の段階と第２の段階とを有するサイクルにおいて実質的に同時に作用する駆動機構の２つ以上のペアをさらに備えており、
   各ペアの第１の駆動機構が、前記第１の段階において前記駆動リングに力を加え、前記駆動リングを前記第１の方向に回転させ、各ペアの第２の駆動機構が、前記第２の段階において前記駆動リングに力を加え、前記駆動リングを前記第２の方向に回転させる
   請求項３に記載のシャッタアセンブリ。
6. 駆動機構の各ペアの駆動機構は、直列に接続されており、前記駆動機構のペア同士は、並列に接続されている
   請求項５に記載のシャッタアセンブリ。
7. 前記シャッタ羽根を前記開および閉位置の間で移動させるための駆動リングをさらに備えており、
   前記駆動リングは、前記シャッタ羽根に対して垂直な第２の軸を中心にして回転可能であり、前記駆動リングは、前記駆動機構から力を受け取る点を有し、前記駆動リングは、前記駆動機構から前記シャッタ羽根に力を伝達する
   請求項１に記載のシャッタアセンブリ。
8. 各々のシャッタ羽根は、ベース板に対して固定された第１の接続点と、第１の枢支点からオフセットされており、前記駆動リングからの力を受け取る点とをさらに備えており、第１の方向に回転する前記駆動リングが、前記複数のシャッタ羽根を前記開位置から前記閉位置に移動させ、第２の方向に回転する前記駆動リングが、前記複数のシャッタ羽根の各々を前記閉位置から前記開位置に移動させる
   請求項７に記載のシャッタアセンブリ。
9. 前記駆動リングからの力を受け取る点は、前記駆動リングに固定された第２の接続点である
   請求項８に記載のシャッタアセンブリ。
10. 前記第１の接続点は、前記シャッタ羽根の長穴である
    請求項９に記載のシャッタアセンブリ。
11. 前記駆動リングの位置をモニタリングするための手段をさらに備える
    請求項７に記載のシャッタアセンブリ。
12. 前記モニタリングするための手段は、遮光式センサである
    請求項１１に記載のシャッタアセンブリ。
13. 前記モニタリングするための手段は、近接センサである
    請求項１１に記載のシャッタアセンブリ。
14. 開位置と閉位置との間を移動可能な複数のシャッタ羽根と、
    前記複数のシャッタ羽根の周囲に周状に配置され、前記複数のシャッタ羽根を移動させる複数の駆動機構とを備えており、
    前記複数の駆動機構は、ペアにて配置されており、各ペアが、第１の対をなすシャッタブレードが移動する第１の方向に向かう第１の駆動機構と、第２の対をなすシャッタブレードが移動する第２の方向に向かう第２の駆動機構とを有しており、
    前記駆動機構の各々は、少なくとも第１の位置および第２の位置において電磁的に安定であり、
    前記駆動機構の各々は、線形駆動機構であり、
    前記線形駆動機構は、
    一部分にコイルが巻き付けられたソレノイドフレームを有するソレノイドであって、第１の軸を有し、前記第１の軸の周りに前記コイルが巻き付けられ、前記第１の軸が前記コイルの巻き付け方向と同じ方向に延びるものと、
    前記ソノレイドフレーム内で前記第１の軸に沿って直線的に移動可能な永久磁石電機子と、を含み、
    前記駆動機構の前記第１の位置は、前記永久磁石電機子が前記ソノレイドフレーム内に格納された位置であり、前記駆動機構の前記第２の位置は、前記永久磁石電機子が前記ソノレイドフレームに対して突出した位置である
    シャッタアセンブリ。
15. 前記駆動機構のペアは、対角線上に配置されている
    請求項１４に記載のシャッタアセンブリ。
16. 前記駆動機構のペアは、前記複数のシャッタ羽根を開位置と閉位置との間で移動させるべく協働して働く
    請求項１５に記載のシャッタアセンブリ。
17. 前記駆動機構のペアは、前記複数のシャッタ羽根を開位置と閉位置との間で移動させる駆動リングを駆動する
    請求項１６に記載のシャッタアセンブリ。

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