DE69828953T2

DE69828953T2 - N x 2N faseroptischer Schalter

Info

Publication number: DE69828953T2
Application number: DE69828953T
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Matsudo-shi Takahashi
Original assignee: Seikoh Giken Co Ltd
Current assignee: Seikoh Giken Co Ltd
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2018-09-18
Also published as: JP3347290B2; DE69828953D1; EP0961141B1; CA2252189A1; US6144782A; EP0961141A1; JPH11337849A; CA2252189C

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Feld der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtleiter-Schalter zur Verwendung für ein Lichtleiter-Kommunikationssystem oder dergleichen. Insbesondere betrifft sie einen N × 2N-Lichtleiter-Schalter (N ≥ 1), der in der Lage ist, Lichtleiter derart anzutreiben, daß eine Mehrzahl von Paaren von Lichtleiter-Schaltungen wiederholt mit geringer elektrischer Energie mechanisch geschaltet werden. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Aktor mit einer Selbsthalte-Funktion, so daß er keine konstante Stromzufuhr benötigt, mit Ausnahme für die Zeit des oben erwähnten Schaltens, für die er momentan eines pulsierenden Stroms bedarf.
2. Beschreibung des relevanten Standes der Technik
Vorgeschlagen wurde bereits ein Lichtleiter-Schalter zum direkten oder indirekten Bewegen von Lichtleitern. Ein Lichtleiter-Schalter, bei dem ein Lichtleiter den einzigen hauptsächlich bewegbaren Teil des Schalters darstellt, ist insoweit vorteilhaft, als er ein relativ schnelles Schalten ermöglicht, da er einen extrem kurzen Betätigungsweg benötigt und die Masse des bewegbaren Teils extrem klein ist. Andererseits ist er insoweit nachteilig, als er einen Lichtleiter beschädigen kann, da er einen zerbrechlichen Quarzglas-Lichtleiter antreibt, der zur Durchführung des Schaltvorgangs selbst auf der bewegbaren Seite liegt.
Auch bestand bereits eine technische Aufgabe darin, die optischen Achsen bewegbarer Lichtleiter auf die von feststehenden Lichtleitern exakt auszurichten.
Der Lichtleiter-Schalter, der in der US-PS 5,434,936 offenbart wird, ist ein Umschalter mit 1 × 2-Schaltung, der sich des Magnetismus bedient, um einen bewegbaren Lichtleiter anzutreiben. Kreuzschalter mit einer 2 × 2-Schaltung, offenbart in der US-PS 4,834,488, verwendet einen mechanischen Aktor, der eine Solenoidspule enthält, zum Antreiben eines bewegbaren Lichtleiters. Die 6A bis 6D sind schematische Zeichnungen und zeigen den Betrieb eines zum Lichtleitertyp gehörenden Lichtleiter-Umschalters mit einer 1 × 2-Schaltung, offenbart in der US-PS 5,434,936. Die 6A bis 6C sind Grundrisse, und die 6D ist eine geschnittene Seitenansicht.
Wie in den 6A bis 6D dargestellt, sind feststehende Lichtleiter 31 und 32 mit den Böden von V-Nuten 35 und 36 derart verklebt, daß ihre distalen Endflächen fluchten; die Nuten sind jeweils in den Flächen eines Paares von Elementen 33 und 34 ausgebildet. Die distalen Endflächen der feststehenden Lichtleiter 31 und 32 sind derart positioniert, daß sie bezüglich der linken Stirnflächen des Paares von Elementen 33 und 34 zurückgesetzt sind.
Ein bewegbarer Lichtleiter 37 wird von einem Befestigungselement 38 getragen und ist an diesem fixiert; die Außenfläche des bewegbaren Lichtleiters 37 ist mit einem Film aus einem magnetischen Material ummantelt. In einem magnetischen Feld eines Permanentmagneten wird der mit dem Film aus dem magnetischen Material ummantelte Abschnitt angetrieben und abwechselnd gegen die feststehenden Lichtleiter 31 und 32 versetzt, und zwar durch Wechsel des magnetischen Feldes unter der Wirkung einer Haltespule. Dies läßt den bewegbaren Lichtleiter 37 in dem Raum hin und her wandern, um abwechselnd an die feststehenden Lichtleiter 31 und 32 angekoppelt zu werden.
Im Falle eines Ein-Mode-Lichtleiters führt eine Fehlausrichtung der optischen Achse um 2 μm zu einem Eintrittsverlust von etwa 0,86 dB oder zu einem optischen Verlust von etwa 18%. Um den Eintrittsverlust zu vermindern, muß daher der bewegbare Lichtleiter 37 bei Berührung mit den V-Nuten gestoppt werden, wenn seine optische Achse exakt auf die optischen Achsen der feststehenden Lichtleiter 31 und 32 ausgerichtet ist. Bei dem Lichtleiter-Schalter, der mit Lichtleitern arbeitet, kann die optische Achse des bewegbaren Lichtleiters 37 mit der optischen Achse des feststehenden Lichtleiters 31 nur dann fluchten, wenn eine angemessene Antriebskraft W angelegt wird, wie es der weiße Pfeil in 6A zeigt. Ist jedoch die Antriebs kraft W unzureichend, wie in 6B dargestellt, ist das distale Ende des bewegbaren Lichtleiters 37 inkorrekt positioniert; es kann die V-Nut 35 nicht erreichen. Wenn umgekehrt die Antriebskraft W zu groß ist, stößt der Abschnitt in der Nähe des distalen Endes des bewegbaren Lichtleiters 37 gegen eine Kante der V-Nut 35, und das distale Ende des bewegbaren Lichtleiters 37 kommt oberhalb der V-Nut 35 zu liegen, wodurch die optische Achse des bewegbaren Lichtleiters 37 daran gehindert wird, mit der optischen Achse des feststehenden Lichtleiters 31 zu fluchten. Nimmt man an, daß die zulässige Versetzung des distalen Endes des bewegbaren Lichtleiters 37 bei 1 μm liegt, so ist vorauszusetzen, daß eine so subtile Steuerung der Antriebskraft W in Abhängigkeit von einer derart minimalen Abweichung kaum erzielbar ist.
Im folgenden wird der Kreuzschalter mit 2 × 2-Schaltung beschrieben, der einen von einer Haltespule gedrehten mechanischen Aktor zum Antreiben eines bewegbaren Lichtleiters aufweist und in der US-PS 4,834,488 offenbart ist. Der Schalter verfügt nicht über Ausrichtmittel, wie etwa eine V-Nut, in der der bewegbare Lichtleiter mit dem feststehenden Lichtleiter in Eingriff kommt, woraus Zweifel resultieren bezüglich der Genauigkeit der Ausrichtung der optischen Achsen der jeweiligen Lichtleiter. Dementsprechend ist bei diesen konventionellen Beispielen die Technik des Ausrichtens der optischen Achse des bewegbaren Lichtleiters auf die optische Achse des feststehenden Lichtleiters mit guter Reproduzierbarkeit nicht perfekt, woraus ein Problem resultiert, das gelöst werden muß, wenn es um die Schaffung eines Lichtleiter-Schalters unter Einsatz von Lichtleitern geht.
Lichtleiter-Schalter sollen eine verbesserte Kopplung ermöglichen, erzielbar durch eine Verminderung des oben erwähnten optischen Eintrittsverlustes, und sie sollen das Selbsthalte-Merkmal aufweisen, das die Möglichkeit bietet, eine Kopplungsposition abzusichern, ohne daß eine konstante Stromzufuhr erforderlich wäre. Genauer gesagt, sollen Lichtleiter-Schalter in der Lage sein, momentan einen pulsierenden Strom nur zum Zeitpunkt des Schaltens der Schaltung fließen zu las sen, um die Kopplung zwischen dem bewegbaren Lichtleiter und einem der feststehenden Lichtleiter aufrecht zu halten. Der Kreuzschalter mit 2 × 2-Schaltung, offenbart in der US-PS 4,834,488, benötigt eine konstante Stromzufuhr. Der zum Lichtleiter-Typ gehörende Lichtleiter-Umschalter mit 1 × 2-Schaltung, der mit optischen Lichtleitern arbeitet (offenbart in der US-PS 5,434,936) gehört zum Selbsthalte-Typ; jedoch ist der bewegbare Lichtleiter 37, dessen Außenfläche mit dem Film aus magnetischem Material ummantelt ist, zwangsläufig empfindlich gegen Magnetkraft. Es ist daher davon auszugehen, daß dieser Schalter Zuverlässigkeitsschwierigkeiten in seiner Selbsthalte-Funktion hat, wenn er einem externen Magnetfeld oder einem Stoß ausgesetzt wird.
Ein weiterer Lichtleiter-Schalter ist in der US 4,407,562 beschrieben.
Dieser Schalter weist ein Ausricht-Gehäuse auf, das ebene V-Nut-Substrate mit darauf fixierten Lichtleitern umfaßt. Mehrere solcher Substrate sind vertikal übereinander angeordnet und ausgerichtet und enthalten 2N darauf fixierte Lichtleiter in der Konfiguration einer 2 × N-Matrix. Dieser Substrat-Stapel ist seinerseits in dem Ausrichtgehäuse derart fixiert, daß die beiden Ebenen, die die beiden Lichtleiter-Matrix-Linien enthalten, parallel zu den oberen und unteren Innenflächen des Ausricht-Gehäuses liegen. Ebenfalls montiert im Ausricht-Gehäuse ist eine 1 × N-Lichtleiter-Anordnung, und zwar mit Hilfe eines zweiten Satzes von ebenen V-Nut-Substraten. Dieser zweite Satz von ebenen V-Nut-Substraten ist im Inneren des Ausrichtgehäuses in einer Richtung senkrecht zu den oberen und unteren Innenflächen des Ausricht-Gehäuses bewegbar und ist derart ausgerichtet, daß die distalen Enden der Lichtleiter der 1 × N-Lichtleiter-Anordnung den distalen Enden der Lichtleiter der 2 × N-Lichtleiter-Matrix gegenüberliegen. Das Gehäuse weist obere und untere Öffnungen auf, durch die sich unter Federspannung stehende obere und untere Aktor-Schäfte hindurch erstrecken. Die Aktor-Schäfte drücken die 1 × N-Lichtleiter-Anordnung in Kontakt entweder mit der oberen oder der unteren Gehäuseinnenfläche, und zwar derart, daß die Lichtlei ter der Anordnung optisch entweder mit der oberen oder der unteren Linie der Lichtleiter der 2 × N-Lichtleiter-Matrix gekoppelt sind.
Aus den oben erläuterten Gründen ist es schwierig, unter Verwendung der strukturellen Prinzipien der Lichtleiter-Schalter der oben beschriebenen Beispiele aus dem Stande der Technik einen Lichtleiter-Schalter zu gestalten, der in der Lage ist, eine Mehrzahl von Lichtleitern gleichzeitig zu schalten. Um zu einem Lichtleiter-Schalter zu kommen, der das gleichzeitige Schalten einer Mehrzahl von Lichtleitern gestattet, ist es erforderlich, die Eintrittsverluste sämtlicher Paare zu minimieren, und zwar durch akkurates Ausrichten der optischen Achsen sämtlichen gekoppelten Paare von bewegbaren Lichtleitern und feststehenden Lichtleitern. Ferner ist es erforderlich, ein zuverlässiges Selbsthalte-Merkmal vorzusehen, um eine höhere Zuverlässigkeit des Schaltvorgangs zu erzielen.
Zusammenschau der Erfindung
Dementsprechend liegt eine Aufgabe darin, die oben beschriebenen technischen Probleme zu lösen und einen Lichtleiter-Schalter zum Schalten von N × 2N-Schaltungen (N ≥ 1) zu schaffen, der in der Lage ist, eine Mehrzahl von Paaren von Lichtleiter-Schaltungen gleichzeitig mechanisch zu schalten.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Lichtleiter-Schalter zum Schalten von N × 2N-Schaltungen (N ≥ 1) zu schaffen, der ausgerüstet ist mit: einem Mechanismus zum gleichzeitigen Bewegen und Verschieben einer Anzahl N (N ≥ 1) von bewegbaren Lichtleitern mittels eines Betätigungsbauteils, welches in einem Schlitz geführt ist, um sich abwechselnd senkrecht oder in der Richtung (X) bezüglich einer optischen Achse (Z) hin und her zu bewegen; einem Mechanismus zum präzisen Ausrichten der optischen Achsen der bewegbaren Lichtleiter und der feststehenden Lichtleiter unter Verwendung eines Mechanismus, der eine Anzahl N (N ≥ 1) von bewegbaren Lichtleitern gegen eine Ausricht-V-Nut drückt, und zwar unter gleichzeitiger Nutzung der Biegespannung eines elastischen Stiftes, der an einem Aktor angeordnet ist; und einer zuverlässigen Selbsthalte-Funktion unter Einsatz des elastischen Stiftes.
Zum Erreichen der obigen Ziele wird nach der vorliegenden Erfindung ein N × 2N-Lichtleiter-Schalter geschaffen, aufweisend einen Ausricht-Hauptkörper, der eine Anzahl N (N ≥ 1) von Paaren von V-Nuten aufweist, die parallel zu einer Z-Achse verlaufen und in einer Y-Richtung ausgerichtet sind, und der einen einzelnen, die V-Nuten in einer X-Richtung kreuzenden Schlitz aufweist, eine Anzahl 2N von feststehenden Lichtleitern, die in Kontakt mit den Böden der zugehörigen V-Nuten angeordnet sind, eine Anzahl N von bewegbaren Lichtleitern, die derart angeordnet sind, daß ihre distalen Enden den feststehenden Lichtleitern gegenüberliegen und daß sie mit beiden Paaren der V-Nuten in Berührung treten können, ein Betätigungsbauteil, welches in den Schlitz eingeführt ist und an der Anzahl N bewegbarer Lichtleiter angreift und welches in der X-Richtung bewegbar geführt ist, und einen Aktor, der an dem Betätigungsbauteil derart angreift, daß er elastisch mit dem Betätigungsbauteil verbunden ist, um das Betätigungsbauteil hin und her zu bewegen, um die Anzahl N bewegbarer Lichtleiter in Berührung mit einem der Paare von Nuten zu bringen, um sie so in eine erste Stellung zu bewegen, in der sie mit einer ersten Anzahl N der Anzahl 2N von feststehenden Lichtleitern gekoppelt sind, und um die Anzahl N bewegbarer Lichtleiter in Berührung mit dem anderen der Paare von Nuten zu bringen und sie so in eine zweite Stellung zu bewegen, in der sie mit der anderen Anzahl N der Anzahl 2N feststehender Lichtleiter gekoppelt sind.
Der Ausrichtelement-Hauptkörper umfast ein erstes Ausrichtbauteil und ein zweites Ausrichtbauteil, die verbunden und gesondert mit einer Anzahl N von V-Nuten versehen sind, und wobei das Herstellungsmaterial der jeweiligen Ausrichtelement Hartmetall ist.
Der Aktor umfaßt einen Motor und einen elastischen Stift, der exzentrisch an einer Stirnfläche eines zylindrischen Bauteils angeordnet ist, welches an einem distalen Ende der welle des Motors befestigt ist, wobei der Stift aus einem elastischen Material besteht und einen äußerst geringen Durchmesser aufweist und wobei der elastische Stift in einen in dem Betätigungsbauteil vorgesehenen Schlitz eingeführt ist, und wobei das Betätigungsbauteil in der X-Richtung vorwärts und rückwärts durch Betreiben des Motors in der Vorwärts- oder Rückwärts-Richtung bewegbar ist, um die bewegbaren Lichtleiter zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung hin und her zu bewegen.
Der Aktor weist ferner ein Drehstellungs-Begrenzungsbauteil auf, welches einen Drehbereich des Motors auf einen Wert oberhalb von 180°, jedoch unterhalb von 270° begrenzt und das die distalen Enden der bewegbaren Lichtleiter zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung durch Betreiben des Motors in einer Vorwärts- oder Rückwärts-Richtung innerhalb des Drehbereichs bewegt.
Wird ein Drehradius eines elastischen Stifts des Motors mit R bezeichnet und ein Abstand zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung mit S, so gilt: 2R > S.
Das Drehwinkel-Begrenzungselement ist mit einem Permanentmagneten zum Anziehen des elastischen Stiftes versehen.
Das Begrenzungselement ist so ausgebildet, daß der Aktor eine Haltespule ist.
Die distalen Endflächen der bewegbaren Lichtleiter und der feststehenden Lichtleiter sind als geneigte Flächen von 4° Neigung oder mehr bezüglich einer Fläche senkrecht zu einer optischen Achse ausgebildet.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1A ist eine geschnittene Vorderansicht einer Ausführungsform des Hauptkörpers eines N × 2N-Lichtleiter-Schalters nach der vorliegenden Erfindung.
1B zeigt eine geschnittene Seitenansicht der Ausführungsform an der Linie A-A.
1C zeigt eine geschnittene Seitenansicht der Ausführungsform an der Linie B-B.
1D ist eine geschnittene Draufsicht auf die Ausführungsform.
1E ist eine geschnittene Seitenansicht zur Darstellung der Ausführungsform in einem Kopplungszustand.
1F ist eine geschnittene Seitenansicht zur Darstellung der Ausführungsform in einem weiteren Kopplungszustand.
2A ist eine geschnittene Draufsicht zur Darstellung einer ersten Kopplungsposition der Ausführungsform.
2B ist eine geschnittene Draufsicht zur Darstellung einer zweiten Kopplungsposition der Ausführungsform.
3A ist ein Grundriß zur Darstellung des Verhältnisses zu einem Aktor in der ersten Kopplungsposition der Ausführungsform.
3B ist ein Grundriß zur Darstellung des Verhältnisses zu einem Aktuator in der zweiten Kopplungsposition der Ausführungsform.
3C ist eine Seitenansicht, die die Ausführungsform in der ersten Kopplungsposition zeigt.
3D ist eines Seitenansicht, die die Ausführungsform in der zweiten Kopplungsposition zeigt.
3E ist eine schematische Darstellung eines Mechanismus, der eine Selbsthaltekraft F eines Betätigungsbauteils erzeugt.
4A ist ein Diagramm zur Darstellung einer Ausführungsform eines weiteren Aktors, der einen bewegbaren Lichtleiter betätigt.
4B ist ein Diagramm zur Darstellung der Ausführungsform nach 4A in einer weiteren Kopplungsposition.
5A ist ein Schaltungsdiagramm eines 1 × 2-Schalters (N = 1)
5B ist ein Schaltungsdiagramm eines 2 × 4-Schalters ( N= 2).
5C ist ein Schaltungsdiagramm eines 4 × 8-Schalters (N = 4).
6A ist eine geschnittene Vorderansicht zur Darstellung einer ersten Kopplungsposition eines konventionellen 1 × 2-Schalters.
6B ist eine geschnittene Vorderansicht zur Darstellung des Schalters in einem unerwünschten Kopplungszustand.
6C ist eine geschnittene Vorderansicht zur Darstellung des Schalters in einem weiteren unerwünschten Kopplungszustand.
6D ist eine geschnittene Seitenansicht des Verhältnisses zwischen einer V-Nut und einem Lichtleiter des Schalters.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Im folgenden wird eine Ausführungsform des Lichtleiter-Schalters nach der Erfindung detailliert unter Bezugnahme vor allem auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Die 1A bis 1F zeigen einen Lichtleiter-Schalter-Hauptkörper und ein Betätigungsbauteil der Ausführungsform eines N × 2N-Lichtleiter-Schalters (N = 4) nach der vorliegenden Erfindung.
1A ist eine geschnittene Vorderansicht der Ausführungsform des Hauptkörpers des N × 2N-Lichtleiter-Schalters (N = 4) nach der vorliegenden Erfindung.
Die 1B und 1C zeigen geschnittene Seitenansichten der Ausführungsform jeweils an den Linien A-A und B-B; 1D zeigt eine geschnittene Draufsicht auf die Ausführungsform, wobei ein bewegbarer Lichtleiter sich in einer neutralen Position befindet; 1E ist eine geschnittene Seitenansicht zur Darstellung der Ausführungsform in einem Kopplungszustand; und 1F ist eine geschnittene Seitenansicht zur Darstellung der Ausführungsform in einem weiteren Kopplungszustand.
Der N × 2N-Lichtleiter-Schalter nach der vorliegenden Erfindung ist mit parallelen V-Nuten 3, .. 3 und 4, .. 4 zum Ausrichten einer Anzahl N (N = 4) von Lichtleitern versehen. Die parallelen V-Nuten sind in den einander gegenüberliegende Flächen in Längsrichtung (Z) eines ersten rechteckigen Ausrichtungsbauteils 1 und eines zweiten rechteckigen Ausrichtungsbauteils 2 ausgebildet. Wie es später noch diskutiert wird, sind die Ausrichtungsbauteile 1 und 2 einander gegenüberlie gend miteinander verbunden, wobei die feststehenden und bewegbaren Lichtleiter in einem rhombischen Raum angeordnet sind, der von den jeweiligen parallelen V-Nuten 3, .. 3 und 4, .. 4 gebildet wird. Ein einziger Schlitz ist in seitlicher Richtung (X) derart vorgesehen, daß er die V-Nuten 3, .. 3 und 4, .. 4 kreuzt.
Wie in 1B gezeigt, sind erste feststehende Lichtleiter 7, .. 7 im selben Raum der Ausricht-V-Nuten 3, .. 3 eingebunden, und zweite feststehende Lichtleiter 8, .. 8 sind ebenfalls im selben Raum der Ausricht-V-Nuten 4, .. 4 eingebunden, wobei deren Höhe an einem Ende (dem linken Ende in 1A) des ersten Ausrichtungsbauteils 1 und des zweiten Ausrichtungsbauteils 2 fluchtet. Die ummantelten Abschnitte der feststehenden Lichtleiter, 7, .. 7 und 8, .. 8 werden von einem Befestigungsflansch 5 getragen.
Wie in 1C dargestellt, liegen die distalen Enden der bewegbaren Lichtleiter 9, .. 9 im Zentrum des rhombischen Raumes, der von den Ausricht-V-Nuten 3, .. 3 und den Ausricht-V-Nuten 4, .. 4 vom anderen Ende (dem rechten Ende in 1A) des ersten Ausrichtungsbauteils 1 und des zweiten Ausrichtungsbauteils 2 aus gebildet wird. Die ummantelten Abschnitte der bewegbaren Lichtleiter 9, .. 9 werden von einem Befestigungsflansh 10 auf der bewegbaren Seite getragen.
Ein Betätigungsbauteil 13 wird in dem Schlitz 12, der in der obigen X-Richtung der Ausrichtungsbauteile 1 und 2 vorgesehen ist, derart geführt, daß es in der X-Richtung hin und her gehen kann. Der Schlitz 12 hat eine Breite von 1 mm oder weniger; er nimmt das Betätigungsbauteil 13 auf und führt es in einer Richtung (X) senkrecht zu einer optischen Achse (Z).
Das Betätigungsbauteil 13 weist, wie in den 1E und 1F gezeigt, Schlitznuten 14 und 16 auf, und die distalen Enden der bewegbaren Lichtleiter 9, .. 9 sind in die Schlitznut 14 eingeführt. Ein elastischer Stift 15 eines Aktors, der später noch diskutiert wird, steht mit der anderen Nut 16 in Eingriff. Das Betätigungsbauteil 13 wird so angetrieben, daß es die Abschnitte nahe den distalen Enden der bewegbaren Lichtleiter elastisch mit vorbestimmter Druckkraft abwechselnd ge gen die ausrichtenden Bezugsflächen der ersten feststehenden Lichtleiter und der zweiten feststehenden Lichtleiter drückt. Ein Führungsdeckel 17 ist vorgesehen, um das Betätigungsbauteil am Abdriften zu hindern; er ist durch Kleben oder Verschrauben auf den oberen Flächen der Ausrichtungsbauteile 1 und 2 fixiert.
1E ist ein Diagramm zum Darstellen eines Zustandes, in dem das Betätigungsbauteil 13 nach rechts verschoben worden ist, wie es der schwarze Pfeil anzeigt. Im vorliegenden Fall wird das Betätigungsbauteil 13 von dem elastischen Stift 15 angetrieben, und wenn das Betätigungsbauteil 13 verschoben wird, werden die vier bewegbaren Lichtleiter 9 von der Schlitznut 14 nach rechts bewegt, bis sie mit den Flächen der V-Nuten 4 des Ausrichtungsbauteils 2 in Berührung kommen, gegen diese Flächen gedrückt werden und zum Stillstand gelangen. Für die Ausrichtungsbauteile 1 und 2 kommt ein Hartmetall-Material zum Einsatz, um höhere Bearbeitungsgenauigkeit zu gewährleisten und auch um eine ausreichende Verschleißfestigkeit für den wiederholten Kontakt mit den bewegbaren Lichtleitern zu bieten.
Die 2A und 2B sind schematische Darstellungen und zeigen im Prinzip den Betätigungsmechanismus und den push-to-line-Mechanismus, den das Betätigungsbauteil 13 den bewegbaren Lichtleitern 9, .. 9 nach der Ausführungsform des N × 2N-Lichtleiter-Schalters (N = 4) nach den 1A bis 1F bietet. 2A zeigt einen Zustand, in dem die bewegbaren Lichtleiter 9, .. 9 leicht gegen die V-Nuten des Ausrichtungsbauteils gedrückt sind, und zwar gegenüber den ersten feststehenden Lichtleitern 7, .. 7 und in Verbindung mit diesen. 2B zeigt einem Zustand, in dem die bewegbaren Lichtleiter 9, .. 9 leicht gegen die V-Nuten des Ausrichtungsbauteils 2 gedrückt sind, und zwar gegenüber den zweiten feststehenden Lichtleitern 8, .. 8 und verbunden mit diesen.
Die bewegbaren Lichtleiter 9, .. 9 sind von den anderen Enden der Ausrichtungsbauteile 1 und 2 aus eingeführt und installiert, so daß ihre distalen Enden fluchten und daß sie einen Spalt von 10 μm oder weniger zwischen sich und den dista len Enden der feststehenden Lichtleiter 7 und 8 bilden. Die distalen Enden der Lichtleiter 7, 8 und 9 werde vorher derart poliert, daß sie geneigte Flächen bilden, die einen Winkel von θ (θ > 4°) bezogen auf die senkrecht zur optischen Achse verlaufende Fläche aufweisen, um das reflektierte und zurücklaufende Licht zu reduzieren (siehe 1A).
Wenn, wie oben ausgeführt, die Betätigungskraft W zum Bringen der bewegbaren Lichtleiter 9 in engen Kontakt mit den V-Nuten 3 und 4 zu groß ist, werden die bewegbaren Lichtleiter 9 durch Scherung beschädigt. Ist andererseits die Betätigungskraft W unzureichend, ergibt sich ein unvollständig geschlossener Kontakt. Um also eine geeignete Betätigungskraft W zu erzielen, ist der N × 2N-Lichtleiter-Schalter nach der Erfindung so konstruiert, daß der Aktor und das Betätigungsbauteil 13, welches die bewegbaren Lichtleiter 9, .. 9 betätigt, über einen elastischen Stift miteinander verbunden sind, um die elastische Kraft zu nutzen, die von der Biegedeformation des elastischen Stiftes erzeugt wird. Der elastische Stift dient ferner als ein Element des Mechanismus zum Erzeugen der Selbsthaltekraft des Aktors.
3A zeigt einen Zustand, in dem das Betätigungsbauteil 13 nach oben verschoben worden ist und die bewegbaren Lichtleiter 9 mit den feststehenden Lichtleitern 7 gekoppelt hat. Eine Buchse 20 ist im Pressitz auf das distale Ende einer drehbaren Welle 19 eines kleinen, kernlosen Motors 18 aufgebracht worden. Elektrische Energie wird dem kleinen, kernlosen Motor 18 über einen elektrischen Anschluß 21 zugeführt. Die Buchse 20 ist mit einem elastischen Stift 15 versehen, der einen Durchmesser von 0,2 mm aufweist und exzentrisch angeordnet ist. Als elastischer Stift 15 kann eine Klaviersaite oder dergleichen verwendet werden. Der Drehwinkel der Buchse 20 wird begrenzt durch ein Drehwinkel-Begrenzungselement 23, in das Permanentmagnete 24 und 24 eingesetzt sind. Wenn ein Verhältnis 2R > S eingestellt ist zwischen einem Drehwinkel R des elastischen Stiftes 15 und einem Bewegungsweg S der bewegbaren Lichtleiter 9, biegt sich der elastische Stift 15 in der dargestellten Weise durch, wenn der kernlose Motor 18 gedreht wird, um den elastischen Stift 15 in Berührung mit dem Drehwinkel-Begrenzungselement 23 zu bringen und stillzusetzen.
Wird die Deformation als σ bezeichnet, so gilt σ = R – (S/2). Auf das Betätigungsbauteil 13 wird die Kraft W entsprechend dieser Deformation σ ausgeübt. Die Kraft W kann mit folgender Formel berechnet werden: W = 3EIσ/L3 wobei

E:: Elastizitätsmodul des elastischen Stiftes (≈ 22.000 kgf/mm²)
I:: Querschnittsmodul des elastischen Stiftes (≈ 7, 85 × 10^–5/ϕ0,2 mm)
L:: Länge des elastischen Stiftes (5 mm)

Eine Berechnung nach der obigen Formel unter Verwendung der in Klammern gesetzten Werte ergibt W = 0,041σ (kgf). Folglich ist W = 0,41 gf für jedes σ = 0,1 mm.
Die erforderliche Kontaktkraft für vier bewegbare Lichtleiter beträgt etwa 12 gf; dementsprechend liegt die erforderliche Durchbiegung σ eines elastischen Stiftes 15 bei etwa 0,3 mm.
3E ist eine schematische Wiedergabe und zeigt den Mechanismus zum Erzeugen der Selbsthaltekraft F des Betätigungsbauteils 13, und zwar in einem Zustand, in dem das Betätigungsbauteil 13 nach rechts verschoben worden ist und die bewegbaren Lichtleiter 9 an die feststehenden Lichtleiter 7 gekoppelt worden sind. Die Kraft W, die durch die Durchbiegung σ des elastischen Stiftes 15 auf das Betätigungsbauteil 13 ausgeübt wird, wurde oben bereits erläutert. Die Selbsthaltekraft F kann erzeugt werden durch Nutzung der Kraft W in der unten beschriebenen Weise.
Wenn, unter Bezugnahme auf 3E, ein Drehwinkel Y des elastischen Stiftes 15 auf 180 Grad plus 2α (0 Grad < α < 30 Grad) eingestellt wird, wird die Kraft, berechnet als F = Wtanα auf der Basis der Kraft W, die durch die Durchbiegung σ des elastischen Stiftes 15 auf das Betätigungsbauteil 13 ausgeübt wird, als Kraftkomponente erzeugt, die den elastischen Stift 15 gegen das Drehwinkel-Begrenzungselement 23 drückt. Ist beispielsweise W = 12 gf und α = 30 Grad, beträgt die Kraftkomponente F etwa 6,9 gf. Experimente haben gezeigt, daß der Motor unter dieser Bedingung nicht zurückläuft.
Außerdem sind die Permanentmagnete 24 in denjenigen Bereichen eingesetzt, in denen der elastische Stift 15 das Drehwinkel-Begrenzungselement 23 berührt, so daß die Anziehungskraft der Permanentmagnete 24 auf den elastischen Stift 15 einwirkt. Der N × 2N-Lichtleiter-Schalter nach der vorliegenden Erfindung übt also mit Sicherheit die Selbsthaltekraft F aus, ohne den Motor konstant mit Energie zu versorgen.
Wird die Antriebskraft des Betätigungsbauteils 13 als W bezeichnet, werden die distalen Enden der bewegbaren Lichtleiter 9 gegen die jeweiligen V-Nuten 3 und 4 von einer Anpreßkraft W/2 gedrückt und mit den Nuten in engen Kontakt gebracht, wobei die die Kraft W/2 auf die bewegbaren Lichtleiter 9 beidseitig mit dem Betätigungsbauteil 13 dazwischen aufgebracht wird. Die optischen Achsen der bewegbaren Lichtleiter 9 können also präzise auf die optischen Achsen der feststehenden Lichtleiter 7 und 8 ausgerichtet werden.
Ergebnisse von Experimenten, durchgeführt durch den Erfinder, zeigen folgendes. Wenn ein Ein-Mode-Lichtleiter mit einem Durchmesser von 0,25 mm an beiden Enden in der V-Nut gestützt wird und wenn ein Betätigungsbauteil 13 mit einer Breite von 0,4 mm verwendet wird, beträgt die Scherbruchlast des Ein-Mode-Lichtleiters etwa 600 gf.
Nach weiteren experimentellen Ergebnissen wurde gefunden, daß eine Last von 3 Gramm oder weniger pro Lichtleiter ausreicht, den Ein-Mode-Lichtleiter stabil in engem Kontakt mit den Flächen der V-Nut zu halten, wenn ein Abstand S zwischen den feststehenden Lichtleitern 7 und 8 0,125 mm und ein Abstand L vom Unterstützungspunkt 5 mm beträgt. Es wurde also gefunden, daß die Anpreßkraft W, die auf das Betätigungsbauteil 13 ausgeübt wird, 3 Gramm oder mehr betragen sollte. Dieser Wert kann als ausreichend klein betrachtet werden, und zwar im Vergleich zur Scherbruchlast des Ein-Mode-Lichtleiters von etwa 600 gf sowie auch zur Gewährleistung ausreichend ho her Widerstandsfähigkeit gegen einen Beschädigung, hervorgerufen durch wiederholtes Biegen.
Die 4A und 4B zeigen eine weitere Ausführungsform des Aktors. Als Aktor kann ein in der Öffentlichkeit bekanntes, selbsthaltendes Verriegelungssolenoid Verwendung finden. Zu beiden Seiten eines Permanentmagneten 26 sind Haltespulen 25 angeordnet. Ein bewegbarer Schaft 28 ist gleitend mit einem Kern 27 verbunden, der aus einem magnetischen Material besteht.
Schalter SW1 und SW2 werden abwechselnd ein- und ausgeschaltet, um einen pulsierenden Strom vom 0,1 s oder weniger zu liefern, um den bewegbaren Schaft 28 zu bewegen, während die Axialrichtung abwechselnd geschaltet wird, wie es die 4A und 4B zeigen. Dies macht es möglich, die hin und her gehenden Endpositionen zu halten ohne die Notwendigkeit einer konstanten Stromzufuhr. Eine Buchse 29 ist auf einem Ende des bewegbaren Schaftes 28 des selbsthaltenden Verriegelungssolenoids angeordnet, und ein elastischer Stift 30 ist, wie gezeigt, auf der Buchse 29 rechtwinklig zum Schaft installiert.
Ordnet man den elastischen Stift 30 in gleicher Weise wie den elastischen Stift 15 in der Schlitznut 16 des Betätigungsbauteils 13 an, läßt sich dies in geeigneter Weise als Selbsthaltemechanismus für den N × 2N-Lichleiter-Schalter nach der vorliegenden Erfindung einsetzen.
Die 5A bis 5C sind Schaltungsdiagramme von Schaltern, die nach der vorliegenden Erfindung zusammengesetzt sind.
5A ist ein Schaltungsdiagramm, das einen 1 × 2-Schalter (N = 1) zeigt;
5B ist ein Schaltungsdiagramm, das einen 2 × 4-Schalter (N = 2) zeigt; und
5C ist ein Schaltungsdiagramm, das einen 4 × 8-Schalter (N = 4) zeigt.
5C zeigt den 4 × 8-Lichtleiter-Schalter, der in der Lage ist, gleichzeitig die Verbindung von vier bewegbaren Lichtleitern A, B, C und D mit feststehenden Lichtleitern 1, 3, 5 und 7 oder 2, 4, 6 und 8 zu schalten. Dies bedeutet einen kleineren Lichtleiter-Schalter im Vergleich zu einem konventionellen 4 × 8-Lichtleiter-Schalter, der normalerweise zusammengesetzt ist aus vier 1 × 2-Lichtleiter-Schaltern, die parallel zueinander angeordnet sind. Der N × 2N-Lichtleiter-Schalter nach der vorliegenden Erfindung gestattet die Installation sogar von noch vielfältigeren Schaltungen, wie etwa von 16 × 32-Schaltungen in einem einzigen Schalter-Hauptkörper und gestattet somit eine beträchtlich kleinere Gestaltung gegenüber einer konventionellen Gestaltung.
Da der N × 2N-Lichtleiter-Schalter nach der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben konstruiert ist, kann das Betätigungsbauteil so angetrieben werden, daß es die Abschnitte in der Nähe der distalen Enden der bewegbaren Lichtleiter abwechselnd elastisch mit vorbestimmter Anpreßkraft gegen die jeweiligen Ausricht-Referenzflächen der ersten feststehenden Lichtleiter und der zweiten feststehenden Lichtleiter drückt.
Der Aktor weist ferner das Drehstellungs-Begrenzungselement auf, um den Drehwinkel des Motors auf einen Wert zu begrenzen, der 180° übersteigt, jedoch unter 270° liegt. Wird der Motor vorwärts oder rückwärts innerhalb des oben spezifizierten Bereichs betrieben, können die distalen Enden der bewegbaren Lichtleiter zwischen der ersten Position und der zweiten Position bewegt werden. Dies macht es möglich, die Koppelpositionen der optischen Achsen der bewegbaren Lichtleiter und der feststehenden Lichtleiter akkurat zu begrenzen.
Wenn der Drehradius des antreibenden Stiftes das Aktors mit R bezeichnet wird und der Abstand zwischen der ersten Position und der zweiten Position mit S, wird das Verhältnis 2R > S eingestellt, um den elastischen Stift in jeder Drehstellung einer flexiblen Deformation zu unterwerfen. Die elastische Kraft, die durch die Biegedeformation des elastischen Stiftes erzeugt wird, und die Permanentmagnete zum Anziehen des Antriebsstiftes, die in dem Drehwinkel-Begrenzungselement vorgesehen sind, machen es möglich, den Selbsthalte-Lichtleiter-Schalter zu bauen, der eine momentane Zuführung eines pulsierenden Stroms nur zur Zeit des Schaltens der Schaltungen erfordert, wodurch die Notwendigkeit einer konstanten Stromzufuhr entfällt.
Der N × 2N-Lichtleiter-Schalter nach der vorliegenden Erfindung gestattet den einfachen Aufbau sogar von Vielfach-Schaltungen, wie etwa 16 × 32-Schaltungen in einem einzigen Schalter-Hauptkörper. Demnach wird eine beträchtlich kleinere Gestaltung erzielt als bei konventionellen N × 2N-Lichtleiter-Schaltern, die typischerweise eine Anzahl N von 1 × 2-Lichtleiter-Schaltern erfordern.

Claims

Ein N × 2N-Lichtleiter-Schalter, aufweisend: ein Ausrichtungsbauteil-Gehäuse, das eine Anzahl N (N ≥ 1) von Paaren von V-Nuten (3, 4) aufweist, die parallel zu einer Z-Achse verlaufen und in einer zu der Z-Achse rechtwinkligen Y-Richtung ausgerichtet sind, und das einen einzelnen, die V-Nuten kreuzenden Schlitz (12) aufweist, wobei sich der Schlitz in einer zu der Z-Achse und der Y-Richtung rechtwinkligen X-Richtung erstreckt; eine Anzahl 2N von feststehenden Lichtleitern (7, 8), die in Kontakt mit den Böden der zugehörigen V-Nuten angeordnet sind; eine Anzahl N von bewegbaren Lichtleitern (9), die derart angeordnet sind, daß ihre distalen Enden den distalen Enden der feststehenden Lichtleiter gegenüberliegen; ein Betätigungsbauteil (13), welches in den Schlitz eingeführt ist und an der Anzahl N bewegbarer Lichtleiter angreift, und welches in der X-Richtung bewegbar geführt ist; und einen Aktor (15, 20, 18), der an dem Betätigungsbauteil derart angreift, daß er elastisch mit dem Betätigungsbauteil verbunden ist, um das Betätigungsbauteil hin und her zu bewegen, um die Anzahl N bewegbarer Lichtleiter in eine erste Stellung zu bewegen, in der sie mit einer ersten Anzahl N der Anzahl 2N von feststehenden Lichtleitern gekoppelt sind, und um die Anzahl N bewegbarer Lichtleiter in eine zweite Stellung zu bewegen, in der sie mit der anderen Anzahl N der Anzahl 2N feststehender Lichtleiter gekoppelt sind, wobei der Lichtleiter-Schalter dadurch gekennzeichnet ist, daß die V-Nuten der parallel zu der Z-Achse angeordneten Paare von V-Nuten, einander in der X-Richtung gegenüberliegen, und daß die Anzahl N von bewegbaren Lichtleitern, deren distale Enden den distalen Enden der Anzahl 2N feststehender Lichtleiter gegenüberliegen, in Kontakt mit dem Boden einer V-Nut der Paare von V-Nuten stehen, wenn sie von dem Betä tigungsbauteil in die erste oder zweite Kopplungsposition gesteuert werden.
Ein N × 2N-Lichtleiter-Schalter nach Anspruch 1, wobei das Ausrichtungsbauteilgehäuse ein erstes Ausrichtungsbauteil (1) und ein zweites Ausrichtungsbauteil (2) aufweist, die verbunden sind und einzeln mit einer Anzahl N von V-Nuten derart versehen sind, daß jedes Paar von V-Nuten aus V-Nuten des ersten und des zweiten Ausrichtungsbauteils gebildet ist, und wobei ein Bestandteil des Materials des jeweiligen Ausrichtungsbauteils ein Hartmetall ist.
Ein N × 2N-Lichtleiter-Schalter nach Anspruch 1, wobei der Aktor einen Motor (18) und einen elastischen Stift (15) aufweist, der exzentrisch an einer Stirnfläche eines zylindrischen Bauteils (20) angeordnet ist, welches an einem distalen Ende der Welle des Motors befestigt ist, wobei der Stift aus einem elastischen Material besteht und einen äußerst geringen Durchmesser aufweist und wobei der elastische Stift in einen in dem Betätigungsbauteil vorgesehenen Schlitz (16) eingeführt ist, und wobei das Betätigungsbauteil in der X-Richtung vorwärts und rückwärts durch Betreiben des Motors in der Vorwärts- oder Rückwärts-Richtung bewegbar ist, um die bewegbaren Lichtleiter zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung hin und her zu bewegen.
Ein N × 2N-Lichtleiter-Schalter nach Anspruch 3, wobei der Aktor ferner ein Drehstellungs-Begrenzungsbauteil (23) aufweist, welches einen Drehbereich des Motors auf einen Wert oberhalb von 180° jedoch unterhalb 270° begrenzt und das distale Ende der bewegbaren Lichtleiter zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung durch Betreiben des Motors in einer Vorwärts- oder Rückwärts-Richtung innerhalb des Drehbereichs bewegt.
Ein N × 2N-Lichtleiter-Schalter nach Anspruch 3, wobei in dem Fall, daß ein Drehradius eines elastischen Stifts des Motors mit R bezeichnet wird und ein Abstand zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung mit S bezeichnet wird, gilt: 2R > S.
Ein N × 2N-Lichtleiter-Schalter nach Anspruch 4, wobei das Drehwinkel-Begrenzungsbauteil mit einem Permanentmagneten (24) zum magnetischen Anziehen des elastischen Stifts versehen ist.
Ein N × 2N-Lichtleiter-Schalter nach Anspruch 1, wobei der Aktor eine Haltespule ist.
Ein N × 2N-Lichtleiter-Schalter nach Anspruch 1, wobei die distalen Stirnflächen der bewegbaren Lichtleiter und die feststehenden Lichtleiter zu geneigten Flächen von 4° Neigung oder mehr bezüglich einer Fläche senkrecht zu einer optischen Achse ausgebildet sind.