專(zhuān)利名稱(chēng)：用于光路開(kāi)關(guān)的電磁光閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種利用脈沖電流使電磁線(xiàn)圈瞬間產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)閥門(mén)，從而控制光路快速通斷的裝置，用于光學(xué)控制。
光閥(light valve)作為一種光路控制裝置，主要應(yīng)用于攝影、光學(xué)測(cè)量和光學(xué)成像(特別是投影成像)等領(lǐng)域。應(yīng)用在攝影領(lǐng)域中的光閥又稱(chēng)快門(mén)在光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，光閥常用于高速切斷和打開(kāi)激光光線(xiàn)，以產(chǎn)生激光脈沖；而在投影成像領(lǐng)域，光閥主要用來(lái)作為光調(diào)制器件。就其原理而言，光閥分為機(jī)械光閥(斬波式、電磁式和磁電式等)和場(chǎng)作用光閥(克爾效應(yīng)式，泡克耳斯效應(yīng)式，法拉第效應(yīng)式和液晶式等)兩大類(lèi)。目前研究得最多的是液晶光閥(LCLV)，它是利用某些液晶材料在電場(chǎng)中的非線(xiàn)性光學(xué)特性來(lái)達(dá)到控制光路通斷的，液晶光閥多用于光學(xué)成像。評(píng)價(jià)機(jī)械光閥的主要指標(biāo)有開(kāi)關(guān)頻率、開(kāi)關(guān)孔徑、使用壽命和成本等，對(duì)于場(chǎng)作用光閥而言，還要補(bǔ)充上透光比及光譜特性?xún)蓚€(gè)指標(biāo)。在光學(xué)測(cè)量(特別是利用激光的測(cè)量)中，要求光閥在打開(kāi)狀態(tài)完全不影響光路特性，而在切斷狀態(tài)又完全阻斷光線(xiàn)，在這種情況下，場(chǎng)作用光閥就不適用了，因?yàn)閳?chǎng)作用光閥都是采用具有非線(xiàn)性光學(xué)特性的特殊材料作為閥門(mén)的，它們均會(huì)影響光路特性。有效的方法就是使用機(jī)械光閥，其中斬波式光閥利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一個(gè)周邊均勻打孔的圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)開(kāi)關(guān)光路，其結(jié)構(gòu)笨重，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)光閥的準(zhǔn)確而方便的控制(包括開(kāi)關(guān)頻率、開(kāi)關(guān)時(shí)間比和狀態(tài))，而且圓盤(pán)打孔加工困難；磁電式光閥利用了通電線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中受到磁場(chǎng)力作用而運(yùn)動(dòng)這一原理，其開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)較高，但其使用壽命卻因線(xiàn)圈在高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)中發(fā)生疲勞而受到很大限制；電磁式光閥利用通電線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)使置于磁場(chǎng)中的磁鐵受到磁力而運(yùn)動(dòng)，其開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)較高，結(jié)構(gòu)也可做得較輕巧，其使用壽命比磁電式光閥高得多，它的性能主要受電磁慣性和機(jī)械慣性的影響。在電磁式光閥系列中，現(xiàn)有技術(shù)采用單邊磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，再用彈性材料使閥門(mén)彈回，如CN94203573.9名為“一種用于控制激光加工光路通斷的閥門(mén)”實(shí)用新型專(zhuān)利，它包括其上開(kāi)有二個(gè)通光孔的外殼，外殼內(nèi)安置繞有導(dǎo)線(xiàn)的線(xiàn)圈架，通光孔之間設(shè)置有磁芯，由微機(jī)控制的可控硅電路在導(dǎo)線(xiàn)兩端輸入時(shí)有時(shí)無(wú)的交流信號(hào)，線(xiàn)圈通電磁芯吸入通光孔透光，線(xiàn)圈斷電彈簧使磁芯復(fù)位遮斷通光孔，這樣的結(jié)構(gòu)無(wú)法控制開(kāi)關(guān)時(shí)間比。而且驅(qū)動(dòng)電流要求高，使用壽命也會(huì)因彈性材料發(fā)生疲勞而受限制；并且，現(xiàn)有技術(shù)大都采用間接驅(qū)動(dòng)閥門(mén)的方式，直接驅(qū)動(dòng)體與閥門(mén)用機(jī)械裝置鏈接起來(lái)，這樣一來(lái)磨擦阻力增加，開(kāi)關(guān)頻率隨之下降。
本發(fā)明的目的，是采用推挽脈沖式電磁驅(qū)動(dòng)的原理，提供一個(gè)結(jié)構(gòu)輕巧，使用壽命長(zhǎng)，具有足夠高的開(kāi)關(guān)頻率和足夠大的開(kāi)關(guān)孔徑，便于控制的電磁光閥。
本發(fā)明的電磁光閥由機(jī)械部分和控制電路部分組成，機(jī)械部分包括磁芯和繞在骨架上線(xiàn)圈，控制電路部分向線(xiàn)圈輸入控制電流，具體結(jié)構(gòu)是(1)機(jī)械部分包含一個(gè)中部帶有貫通孔的基座，基座兩端對(duì)稱(chēng)固定一對(duì)骨架，骨架上繞有線(xiàn)圈；(2)所述骨架為空腔，開(kāi)口朝向基座，基座上支撐一條狀磁鐵芯，該磁鐵芯中部有一徑向貫通孔、與基座貫通孔相配構(gòu)成光孔，磁鐵芯兩端伸入骨架內(nèi)腔；(3)控制電路由微機(jī)或者微處理器向由觸發(fā)器和延時(shí)器構(gòu)成的定時(shí)控制電路發(fā)送定時(shí)信息，使其和工作電源共同產(chǎn)生定時(shí)脈沖，所述定時(shí)脈沖送入由邏輯門(mén)與觸發(fā)器等數(shù)字器件構(gòu)成的時(shí)序控制電路、和工作電源共同產(chǎn)生時(shí)序控制信號(hào)，時(shí)序控制信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)控制電路，控制驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生線(xiàn)圈的驅(qū)動(dòng)電流。
上述電磁光閥中的磁鐵芯可以是永久磁鐵，磁鐵芯外面包以銅套、相應(yīng)磁鐵芯徑向貫通孔位置亦開(kāi)有貫通孔，銅套一端可開(kāi)有限位槽，與固定在基座上的限位螺絲配合，防止磁鐵芯轉(zhuǎn)動(dòng)。
所述驅(qū)動(dòng)控制電路可以為兩個(gè)推挽式開(kāi)關(guān)電路，分別驅(qū)動(dòng)基座兩端骨架上的線(xiàn)圈，每個(gè)推挽式開(kāi)關(guān)電路均包含NPN型充電晶體管、放電晶體管以及PNP型充電晶體管、放電晶體管，其發(fā)射極聯(lián)接在一起并通過(guò)線(xiàn)圈接地，NPN型充電晶體管基極輸入正極性時(shí)序控制信號(hào)、集電極接驅(qū)動(dòng)電壓正極，NPN型放電晶體管基極輸入另一正極性時(shí)序控制信號(hào)、集電極通過(guò)電阻接地，PNP型充電晶體管基極輸入負(fù)極性時(shí)序控制信號(hào)、集電極接驅(qū)動(dòng)電壓負(fù)極，PNP型放電晶體管基極輸入另一負(fù)極性時(shí)序控制信號(hào)、集電極通過(guò)電阻接地。
為提高開(kāi)關(guān)頻率，所述的兩個(gè)推挽式開(kāi)關(guān)電路還可以分別包含兩個(gè)NPN型充電晶體管、一個(gè)NPN型放電晶體管以及兩個(gè)PNP型充電晶體管、一個(gè)PNP型放電晶體管，兩NPN型充電晶體管基極分別輸入相位不同的正極性時(shí)序控制信號(hào)，集電極分別接高驅(qū)動(dòng)電壓和低驅(qū)動(dòng)電壓正極，發(fā)射極分別接兩二極管正極，兩二極管負(fù)極與NPN型放電晶體管發(fā)射極聯(lián)接并通過(guò)線(xiàn)圈接地，NPN型放電晶體管基極輸入另一正極性時(shí)序控制信號(hào)、集電極通過(guò)電阻接地。PNP型充電晶體管、放電晶體管以與上述聯(lián)接完全對(duì)稱(chēng)的方式聯(lián)接，即相應(yīng)時(shí)序控制信號(hào)、高、低驅(qū)動(dòng)電壓為負(fù)極性，二極管負(fù)極接PNP型充電晶體管發(fā)射極、正極與PNP型放電晶體發(fā)射極聯(lián)接并通過(guò)線(xiàn)圈接地。
本發(fā)明采用電磁式結(jié)構(gòu)，較磁電式等機(jī)械光閥具有更輕巧牢固的結(jié)構(gòu)和更長(zhǎng)的使用壽命；在總體設(shè)計(jì)上采用了推挽式結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩端線(xiàn)圈同時(shí)加以正向脈沖時(shí)，左邊線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)對(duì)磁鐵芯左端產(chǎn)生吸引力，同時(shí)右邊線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)對(duì)磁鐵芯右端產(chǎn)生排斥力，形成推挽之勢(shì)，使磁鐵芯向左滑動(dòng)；當(dāng)加以反向脈沖時(shí)，則恰恰相反，磁鐵芯向右滑動(dòng)，驅(qū)動(dòng)脈沖采用一正一負(fù)由高至低的階梯脈沖，不僅使得電磁線(xiàn)圈有足夠的時(shí)間充放電(克服電磁慣性)，而且使運(yùn)動(dòng)軸更易返回(克服機(jī)械慣性)，從而進(jìn)一步提高了開(kāi)關(guān)頻率；并且，由于采用了微機(jī)控制，光閥的開(kāi)關(guān)頻率、開(kāi)關(guān)時(shí)間比可用軟件十分方便地設(shè)置，光閥狀態(tài)(包括打開(kāi)、切斷和連續(xù)眨動(dòng)三種狀態(tài))也可隨時(shí)改變。本發(fā)明已可達(dá)到的產(chǎn)品指標(biāo)為開(kāi)關(guān)頻率達(dá)100Hz，開(kāi)關(guān)孔徑達(dá)6mm，開(kāi)關(guān)壽命達(dá)4億次。
圖1為電磁光閥機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)2為其控制電路部分的框3A為驅(qū)動(dòng)控制電路的一種推挽式開(kāi)關(guān)電路圖3B為驅(qū)動(dòng)控制電路另一種推挽式開(kāi)關(guān)電路，可產(chǎn)生階梯式驅(qū)動(dòng)脈沖。
圖4為控制信號(hào)的時(shí)序圖現(xiàn)結(jié)合


本發(fā)明的實(shí)施狀態(tài)。
在光閥機(jī)械部分(見(jiàn)圖1)中，基座1兩端各固定一個(gè)線(xiàn)圈骨架，線(xiàn)圈6(L1)繞在左端骨架4上，線(xiàn)圈7(L2)繞在右端骨架5上，兩個(gè)線(xiàn)圈都采用直徑為0.2mm漆包線(xiàn)，匝數(shù)為620，運(yùn)動(dòng)軸2內(nèi)置永久磁鐵芯3，外面包以銅套，運(yùn)動(dòng)軸2置于基座1與線(xiàn)圈骨架4、5中的空腔內(nèi)，由限轉(zhuǎn)螺釘8保證其不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，貫通運(yùn)動(dòng)軸2中部的通孔即為光孔11，線(xiàn)圈骨架內(nèi)部置入玻璃管套以減小磨擦阻力，線(xiàn)圈骨架內(nèi)部?jī)啥酥萌胂鹌|圈9、10以緩沖、降噪，基座、線(xiàn)圈骨架和運(yùn)動(dòng)軸銅套均采用非磁性材料銅HP659-1。當(dāng)正脈沖通過(guò)線(xiàn)圈時(shí)，線(xiàn)圈L1產(chǎn)生磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)軸左端產(chǎn)生吸引力，同時(shí)線(xiàn)圈L2產(chǎn)生磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)軸右端產(chǎn)生排斥力，于是運(yùn)動(dòng)軸向左滑動(dòng)；當(dāng)加以反向脈沖時(shí)，恰好相反，運(yùn)動(dòng)軸受力向右滑動(dòng)。由高至低的階梯脈沖使得運(yùn)動(dòng)軸在啟動(dòng)時(shí)受到一個(gè)較大的力，而在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到一個(gè)較小的力，這使得在此之后運(yùn)動(dòng)軸更容易返回，從而提高了開(kāi)關(guān)頻率。運(yùn)動(dòng)軸采用永久磁鐵為芯，而其它部件采用非磁性材料，這是為了縮短磁場(chǎng)建立時(shí)間以克服電磁慣性，并且，通過(guò)采用磁場(chǎng)強(qiáng)度高的永久磁鐵可使驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)一步降低。另外，理論上和實(shí)踐上都已驗(yàn)證了永久磁鐵在這樣速度的持久往復(fù)運(yùn)動(dòng)中不會(huì)褪磁。
在光閥電路部分(見(jiàn)圖2)中，微機(jī)通過(guò)并行口控制脈沖控制電路產(chǎn)生所需脈沖，以驅(qū)動(dòng)光閥電磁線(xiàn)圖L1和L2。脈沖控制電路由定時(shí)控制電路、時(shí)序控制電路、驅(qū)動(dòng)控制電路、驅(qū)動(dòng)電源和工作電源組成。定時(shí)控制電路選用8253作為定時(shí)器件，微機(jī)通過(guò)并行口向8253發(fā)送定時(shí)信息使其產(chǎn)生三個(gè)定時(shí)脈沖T1，T2和T3(見(jiàn)圖4)，其中T1的脈沖下沿與T2的脈沖上沿重疊在t1時(shí)刻，T2的脈沖下沿與T3脈沖上沿重疊在t2時(shí)刻，t0-t3四個(gè)時(shí)刻均受到微機(jī)控制。時(shí)序控制電路是由邏輯門(mén)與觸發(fā)器等數(shù)字器件(TTL電平的邏輯與非門(mén)7400、TTL電平的D觸發(fā)7474和與TTL電平兼容的雙組單刀雙擲CMOS模擬開(kāi)關(guān)MAX303A等)構(gòu)成，輸入是三個(gè)定時(shí)脈沖T1-T3，輸出是六個(gè)時(shí)序控制信號(hào)A-F(見(jiàn)圖4)，其時(shí)序關(guān)系如圖所示。A-F六個(gè)時(shí)序控制信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)控制電路(見(jiàn)圖3A、3B)，在此，線(xiàn)圈L1和L2的驅(qū)動(dòng)電路相同，所以圖中L即為L(zhǎng)1或L2。采用圖3A的驅(qū)動(dòng)控制電路時(shí)，只需A、C、D、F四個(gè)時(shí)序控制信號(hào)。首先當(dāng)A、C信號(hào)正脈沖到達(dá)時(shí)，N1、N3打開(kāi)，電源UD對(duì)L進(jìn)行正向充電，然后A信號(hào)正向脈沖結(jié)束，C信號(hào)保持，N1關(guān)閉，N3繼續(xù)打開(kāi)，L通過(guò)N3、R1放電，最后C信號(hào)正脈沖結(jié)束，N1、N3都關(guān)閉，L恢復(fù)初態(tài)；下個(gè)時(shí)序中D、F信號(hào)控制N4、N6開(kāi)關(guān)使L反向充電、放電和恢復(fù)。采用圖3B的驅(qū)動(dòng)控制電路、當(dāng)A、C信號(hào)正脈沖到達(dá)時(shí)，N1、N3打開(kāi)，電源+UD1對(duì)L進(jìn)行正向充電；接著A信號(hào)脈沖結(jié)束，同時(shí)B信號(hào)正脈沖到達(dá)，C信號(hào)保持，N1關(guān)閉，N2打開(kāi)，N3繼續(xù)打開(kāi)，電源+UD2對(duì)L進(jìn)行正向充電；然后B信號(hào)正脈沖結(jié)束，C信號(hào)保持，N2關(guān)閉，N3繼續(xù)打開(kāi)，L通過(guò)N3、R1放電；最后C信號(hào)正脈沖結(jié)束，N1、N2和N3都關(guān)閉，L恢復(fù)初態(tài)。下個(gè)時(shí)序中D、E和F信號(hào)控制N4、N5和N65順序開(kāi)關(guān)以使L反向充電、放電和恢復(fù)。其中UD1＝12V、UD2＝5V，這樣就形成了一個(gè)等效驅(qū)動(dòng)脈沖，即一正一負(fù)由高至低的階梯脈沖，這種脈沖使線(xiàn)圈L能夠快速充放電，以克服電磁慣性，提高開(kāi)關(guān)頻率，電路部分的作用就在于分別為兩個(gè)電磁線(xiàn)圈提供了一個(gè)等效驅(qū)動(dòng)脈沖。其中N1-N3采用硅NPN功率開(kāi)關(guān)晶體三極管3DK10H，N4-N6采用硅PNP功率開(kāi)關(guān)晶體三極管3CK10H，D1-D4采用開(kāi)關(guān)晶體二極管1SS130，R1-R2采用10Ω(1/2W)的金屬膜電阻。
為實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制，驅(qū)動(dòng)程序采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的混合編程做成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL，然后供WINDOWS應(yīng)用程序調(diào)用，用戶(hù)可以在WINDOWS環(huán)境下僅用鼠標(biāo)非常方便的實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)時(shí)間比的設(shè)置以及光閥狀態(tài)的改變。
本發(fā)明的產(chǎn)品達(dá)到最高的穩(wěn)定開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，定時(shí)脈沖的時(shí)間參數(shù)如下脈沖頻率f＝200Hz、脈周期T＝5ms，t1-t0＝0.7ms、t2-t1＝1.0ms、t3-t2＝2.3ms。
從上述分析可看出，本發(fā)明的電路部分和機(jī)械部分均采用了推挽式結(jié)構(gòu)，這是本發(fā)明的最大特點(diǎn)；其次，本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)脈沖可采用一正一負(fù)由高至低的階梯脈沖；最后，本發(fā)明的控制采用了微機(jī)或微處理器控制。
權(quán)利要求
1.一種由機(jī)械部分和控制電路部分組成的電磁光閥，機(jī)械部分包括磁芯和繞在骨架上的線(xiàn)圈，控制電路部分向線(xiàn)圈輸入控制電流，其特征在于(1)機(jī)械部分包含一個(gè)中部帶有貫通孔的基座，基座兩端對(duì)稱(chēng)固定一對(duì)骨架，骨架上繞有線(xiàn)圈；(2)所述骨架為空腔，開(kāi)口朝向基座，基座上支撐一條狀磁鐵芯，該磁鐵芯中部有一徑向貫通孔、與基座貫通孔相配構(gòu)成光孔，磁鐵芯兩端伸入骨架內(nèi)腔；(3)控制電路由微機(jī)或者微處理器向由觸發(fā)器和延時(shí)器構(gòu)成的定時(shí)控制電路發(fā)送定時(shí)信息，使其和工作電源共同產(chǎn)生定時(shí)脈沖，所述定時(shí)脈沖送入由邏輯門(mén)與觸發(fā)器等數(shù)字器件構(gòu)成的時(shí)序控制電路、和工作電源共同產(chǎn)生時(shí)序控制信號(hào)，時(shí)序控制信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)控制電路，控制驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生線(xiàn)圈的驅(qū)動(dòng)電流。
2.如權(quán)利要求1所述的電磁光閥，其特征在于所述磁鐵芯為永久磁鐵，磁鐵芯外面包以銅套、相應(yīng)磁鐵芯徑向貫通孔位置亦開(kāi)有貫通孔，銅套一端開(kāi)有限位槽，與固定在基座上的限位螺絲配合，防止磁鐵芯轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的電磁光閥，其特征在于驅(qū)動(dòng)控制電路為兩個(gè)推挽式開(kāi)關(guān)電路，分別包含NPN型充電晶體管、放電晶體管以及PNP型充電晶體管、放電晶體管，其發(fā)射極聯(lián)接在一起并通過(guò)線(xiàn)圈接地，NPN型充電晶體管基極輸入正極性時(shí)序控制信號(hào)、集電極接驅(qū)動(dòng)電壓正極，NPN型放電晶體管基極輸入另一正極性時(shí)序控制信號(hào)、集電極通過(guò)電阻接地，PNP型充電晶體管基極輸入負(fù)極性時(shí)序控制信號(hào)、集電極接驅(qū)動(dòng)電壓負(fù)極，PNP型放電晶體管基極輸入另一負(fù)極性時(shí)序控制信號(hào)、集電極通過(guò)電阻接地。
4.如權(quán)利要求1或2所述的電磁光閥，其特征在于驅(qū)動(dòng)控制電路為兩個(gè)推挽式開(kāi)關(guān)電路，分別包含兩個(gè)NPN型充電晶體管、一個(gè)NPN型放電晶體管以及兩個(gè)PNP型充電晶體管、一個(gè)PNP型放電晶體管，兩NPN型充電晶體管基極分別輸入相位不同的正極性時(shí)序控制信號(hào)，集電極分別接高驅(qū)動(dòng)電壓和低驅(qū)動(dòng)電壓正極，發(fā)射極分別接兩二極管正極，兩二極管負(fù)極與NPN型放電晶體管發(fā)射極聯(lián)接并通過(guò)線(xiàn)圈接地，NPN型放電晶體管基極輸入另一正極性時(shí)序控制信號(hào)、集電極通過(guò)電阻接地，PNP型充電晶體管、放電晶體管以與上述聯(lián)接完全對(duì)稱(chēng)的方式聯(lián)接，即相應(yīng)時(shí)序控制信號(hào)、高、低驅(qū)動(dòng)電壓為負(fù)極性，二極管負(fù)極接PNP型充電晶體管發(fā)射極、正極與PNP型放電晶體管發(fā)射極聯(lián)接并通過(guò)線(xiàn)圈接地。
全文摘要
控制光路快速通斷的電磁光閥，機(jī)械部分為支撐一條狀磁鐵芯的基座、其兩端對(duì)稱(chēng)固定一對(duì)帶有線(xiàn)圈的骨架；微機(jī)或微處理器向由定時(shí)控制、時(shí)序控制、驅(qū)動(dòng)控制電路和電源構(gòu)成的脈沖控制電路發(fā)送定時(shí)信息，控制驅(qū)動(dòng)電源向線(xiàn)圈送驅(qū)動(dòng)脈沖；機(jī)械和驅(qū)動(dòng)電路部分均為推挽式結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)脈沖采用一正一負(fù)由高至低的階梯脈沖，結(jié)構(gòu)輕巧、開(kāi)關(guān)頻率高、使用壽命長(zhǎng)，開(kāi)關(guān)頻率達(dá)100Hz，開(kāi)關(guān)壽命達(dá)4億次。
文檔編號(hào)G02F1/01GK1168477SQ9710910
公開(kāi)日1997年12月24日 申請(qǐng)日期1997年5月8日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月8日
發(fā)明者李德華, 胡漢平, 吳曉剛, 余世威 申請(qǐng)人:華中理工大學(xué)