JP4559473B2 - 電磁アクチュエータを備えたロータリ光スイッチ - Google Patents

Description

本発明は光素子（optical elements）に関し、より詳細には光素子の高速スイッチング機構（mechanisms for high speed switching）に関する。

様々なシステム及びデバイス、例えば光学式のテスト機器及び装置などは、例えば光フィルタリング（filtering:濾過）を実施するために設けられ得る１つ又は複数の光素子を含む。これらのシステムの中には、光素子を、光路内及び光路外へと、急速に切り換えることが望ましいものもある。従来、光素子スイッチングは、例えば、光路内及び光路外へと光素子を回転させるように構成されるホイール機構を使用して実現されてきた。ホイール機構の例示の一実施形態では、光素子はホイール外周のまわりに配置される。モータ又は他の駆動部がホイールを回転させて、いろいろな光素子が光路内及び光路外へと移動され、所望の光素子が光路にあるとき停止する。

[0003]ホイール機構は一般に安全に動作するが、これらの機構にはいくらかの不都合もある。例えば、これらのホイール機構の構成の多くがもたらすのは、ホイール周辺の素子へのランダムアクセスではなく、順次（sequential）アクセスである。その結果、１つの素子を光路内へ、また別の光素子を光路外へと切り換えるために使用され得る時間及びエネルギーの量が生憎大きくなることがある。これはホイールの両側に配置されている光素子を、光路内及び光路外へと移動させるためにホイールが使用されるとき、このことがこの上なく顕著になり得る。

[0004]ホイール機構は、複雑な構成を有することもあり、システム信頼性を低下させる場合もあり得る。更に、これらの複雑な構成は、かなりの電力を消費することもあり、システムの熱プロフィールに悪影響を及ぼすことがある。[0005]従って、１つ又は複数の上記難点に対処するスイッチング組立体が必要である。即ち、光素子を光路内及び光路外へと急速に切り換えることができるスイッチング組立体、及び／又はラッチされた位置からスイッチを解放すために使用する電力がより少ないスイッチング組立体、及び／又は簡素な設計のスイッチング組立体、及び／又は構築が低コストのスイッチング組立体が必要である。本発明は、これらの必要性の１つ又は複数に対処する。

[0006]光素子を、光路内及び光路外へと切り換える装置が提供される。本装置は、軸に結合された第１及び第２のアームを含む。第１及び第２のアームのうち一方は、第１及び第２の回転位置間で、他方に対して選択的に回転するように構成される。第１及び第２のラッチ機構が、それぞれ第１のアームの第１及び第２の取付け位置に取り付けられる。停止要素が、第１のラッチ機構と第２のラッチ機構の間に位置し、かつこれらと接触することができるように第２のアームに結合される。ソレノイドが、第１及び第２のアームに結合され、回転することによって停止要素を第１のラッチ機構及び第２のラッチ機構に選択的に接触させるにように構成された第１及び第２のアームの１つに運動エネルギーを供給するように構成される。

[0007]光路内及び光路外へと光素子を切り換える方法も提供される。この方法は、軸に結合され、第１及び第２の回転位置間で選択的に回転するように構成され、第２のアームが軸に結合され、停止要素及び電磁コアが回転アームに結合され、電磁コイルが第２のアームに結合され、停止要素と接触するように配置及び構成された第１及び第２のラッチ機構が第２のアームにそれぞれ第１及び第２の取付け位置で取り付けられる回転アームを有する光スイッチング装置を使用する。この方法は、エネルギーをパルスにし電磁コイルに与えて第１の方向に磁界を生成するステップと、電磁コアを第１の方向へ引くことによって回転アームを第１の方向に回転させるステップと、第１のラッチ機構に停止要素をラッチ（latch;固定）させて回転アームの回転を停止させるステップとを含む。

本発明は、以下の図面と共に以下に説明され、同じ数字は同じ要素を示す。[0012]本発明の以下の詳細な説明は、本来単なる例示であり、本発明又は本発明の応用及び利用を限定するようには意図されていない。更に、本発明の前記背景又は本発明の以下の詳細な説明で示されるいかなる理論によっても束縛される意図はない。

[0013]ここで、図１及び図２に注目すると、例示の一実施形態による光スイッチング機構が示される。光スイッチング組立体１００は、アーム組立体１０２、少なくとも１つのソレノイド１０４、ラッチ組立体１０６及び停止要素１０８を含む。ソレノイド１０４、ラッチ組立体１０６及び停止要素１０８は、アーム組立体１０２に結合される。任意選択で、同様に光素子１１０もアーム組立体１０２に結合されてよい。以下、これらの部品の各々が、より詳細に説明される。

[0014]アーム組立体１０２は、第１のアーム１１２、第２のアーム１１４及び軸１１６を含む。アーム１１２、１１４は、それぞれ第１の終端１３４、１３０及び第２の終端１３６、１３２を含む。各アーム１１２、１１４は、それぞれの両終端間の箇所で軸１１６に取り付けられ、アーム１１２、１１４のうち少なくとも一方は、アーム１１２、１１４の他方を基準として回転するように構成される。例示の一実施形態では、第１及び第２のアーム１１２、１１４は、一方のアームが静止し、他方のアームが少なくとも第１及び第２の回転位置間の回転運動、例えば光路内への進入及び光路外への退出、ができるように構成される。別の例示の一実施形態では、両方のアーム１１２、１１４が回転運動することができる。回転アームは、例えば、可撓軸受、ベアリング及び可撓性の要素など多くの適切なデバイスのうち任意の１つを介して軸に回動自在に結合される。

[0015]回転アームは、その上に取り付けられるかもしれない要素の位置を効果的に制御し、かつ回転アームの回転中又は回転後にそれらの素子に加わるかもしれない振動を最小化するために、好ましくは十分な剛性で構築される。任意の適切な材料又はデバイスが、回転アームを構築するか又は構成するために使用され得る。固定アームは、それに結合され得る要素の定常位置を維持するのに十分な支持をもたらすように構成される。

[0016]軸１１６は、第１及び第２のアーム１１２、１１４の両方の位置決めを提供するように構成され、加えて、少なくとも第１及び第２の回転位置間で回転アームを回転させるために運動エネルギーを与えるように構成される。この点に関して、軸１１６は支持部及び１つ又は複数の適切な回転デバイスを含み得る。回転デバイスは、余分なエネルギーが供給されたとき、将来の使用のためにエネルギーを保存するか又は直ちにエネルギーを伝えて回転アームを回転させることができるスプリングを備えることがある。スプリングがエネルギーを保存することができるので、回転デバイスの一部として使用すると電力消費を最小化する。スプリングを有する適切な回転デバイスは、トーションバー、トーションスプリング、又はスプリング組立体を含むが、これだけには限定されない。

[0017]例示の一実施形態では、回転デバイスは、力を供給して第１の回転位置又は第２の回転位置に向けて回転アームを回転させる。軸１１６の回転デバイスは、更に、第１及び第２の回転位置間で実質的に中央の中立の回転位置に向けて回転アームにバイアスをかけるように構成されることがある。更に、回転デバイスは、第１の回転位置に向けて回転アームを回転させる力が与えられたとき、回転デバイスが回転アームを中立位置へ引き戻す反対方向の力を与え、又は任意選択で、中立位置を過ぎて第２の回転位置に隣接した位置に向けて力を与えるように構成されることさえある。同様に、回転アームが第２の回転位置へ向けて振れるとき、回転デバイスは、回転アームを中立位置又はもう１つの選択肢として第１の回転位置に隣接した位置へ向けて引き戻す反対方向の力を与える。別の一実施形態では、回転デバイスは、回転アームを調和運動で往復回転させる原因となる運動エネルギーを与えるように構成される。

[0018]図２に注目すると、ラッチ組立体１０６は、第１のラッチ機構１０６ａ及び第２のラッチ機構１０６ｂを含み、これらは各々第１及び第２の取付け位置でアーム組立体１０２に結合される。ラッチ組立体１０６は、アーム１１２、１１４の一方、及び固定アーム又は回転アームの一方に結合され得る。第１及び第２の取付け位置が、それぞれ回転アームの第１及び第２の回転位置と実質的に一致することに留意されたい。以下により詳細に説明されるように、ラッチ機構１０６ａ、１０６ｂは、第１又は第２の回転位置のいずれかに選択的に回転アームを保持するように構成される。第１及び第２の回転位置は、スイッチング組立体１００が取り付けられるシステムの要件を満たすように選択され得る多数の回転位置のうち任意の１つでよいことが理解されるであろう。

[0019]ラッチ機構１０６ａ、１０６ｂは、選択的に２つの回転位置のうちの１つで回転アームを保持する動作が可能な、また、実施形態によっては、回転アームに追加の回転エネルギーを供給して回転を開始又は終了あるいはその両方を行わせる動作が可能な、多数の既知デバイスのうち任意の１つでよい。ラッチ機構１０６ａ、１０６ｂは、回転アームを保持するために、好ましくは電磁デバイス又は磁気デバイス、あるいは両者の組合せを用いる。用いられ得る適切なデバイスは、電磁石、磁気コイル、磁極片又はそれらの任意の適切な組合せを含むが、これらには限定されない。ラッチ機構１０６ａ、１０６ｂは、電力を消費せずに、又はほとんど消費せずに、回転アームを保持するのが好ましいであろう。

[0020]停止要素１０８は、アーム組立体１０２に結合され、第１のラッチ機構１０６ａと第２のラッチ機構１０６ｂの間の所定の箇所に配置される。停止要素１０８は、ラッチ組立体１０６が結合されていない回転アーム１１２、１１４に結合され、回転アームが第１又は第２の回転位置にあるとき、ラッチ機構１０６ａ、１０６ｂのうち１つにラッチするように構成されるのが好ましい。停止要素１０８は、ラッチ機構１０６ａ、１０６ｂに磁気的にラッチするのに適した永久磁石など多くのタイプの材料のうち任意の１つで構成される。

[0021]停止要素１０８とラッチ機構１０６ａ、１０６ｂが互いに接触するとき生じ得る振動を減衰させるために、停止要素１０８に隣接して制動コイル１３８が結合されることがある。制動コイル１３８は、好ましくは、停止要素１０８がラッチ機構１０６ａ、１０６ｂに接近するときに固有の減衰をもたらす、小さな電線の短絡コイルである。[0022]アーム組立体１０２に結合される少なくとも１つのソレノイド１０４によって、回転アームの選択的回転が促進される。ソレノイド１０４は、光スイッチング機構１００に追加の運動エネルギーを供給するように構成され、電磁コイル１１８及び電磁コア１２２を備える。電磁コイル１１８は、第１のアーム１１２か第２のアーム１１４のどちらかに一方に結合されてよく、一方電磁コア１２２は、アーム１１２、１１４の他方に結合されるか、又はその一部として形成される。

[0023]電磁コイル１１８は、それを通る通路を有する電線で構成される。電源（図示せず）、例えば低電圧電源が、電磁コイル１１８に電気的に結合され、適切な極性、振幅及び持続時間のパルスを選択的に供給してコイル１１８に所望の振幅及び方向を有する磁界を通路内に生成させる原因となる。[0024]電磁コア１２２は、コイル１１８によって生成された磁界に引力を出せる磁気透過性の材料を含む。適切な材料は、鉄、ニッケル又はコバルトを含むが、これらには限定されない。電磁コア１２２は、更にコイル１１８の通路を通って移動することができるように構成される。従って、電磁コア１２２は、一般に細長い形、ロッド又は棒など通路を通過するのに適した多くの形のうち任意のものを有することができる。任意選択で、電磁コア１２２は、回転アームの回転運動のためのガイドとして働くように構成されることがあり、従って円弧形でよい。

[0025]ソレノイド１０４は、ラッチ組立体１０６及び停止要素１０８と連携して、スイッチング組立体１００の動作を達成するように協働する。この目的のために、多くの構成のうち任意のものを有するソレノイド１０４の任意数が、光スイッチング組立体１００で使用され得る。図２は、１つのソレノイド１０４を使用する１つの例示の光スイッチング組立体１００を示す。ソレノイド１０４の電磁コイル１１８は、第１のアーム１１２に取り付けられ、電源（図示せず）に電気的に結合されてエネルギーパルスを供給される。ラッチ機構１０６ａ、１０６ｂは、第１のアーム１１２に取り付けられ、磁気的に停止要素１０８にラッチするように構成される磁極片を備える。停止要素１０８及びソレノイド１０８の電磁コア１２２は、停止要素１０８が所望のラッチ機構１０６ａ、１０６ｂと選択的に接触することができるように第２のアーム１１４に取り付けられる。この実施形態では、第１のアーム１１２は、第２のアーム１１４の回転運動に対して静止したままであるように構成されるが、静止した第２のアーム１１４に対して第１のアーム１１２が回転するように構成されてもよく、あるいは両アーム１１２、１１４が互いに回転してもよいことが理解されよう。

[0026]電源がオンされ、所望の振幅、極性及び持続時間を有するパルスが電磁コイル１１８に与えられるとき、第１の方向に磁界が生成される。その結果、電磁コア１２２は、磁界の第１の方向に磁化され引かれるようになり、それによって第２の回転アーム１１４に運動エネルギーを供給して、第２のアーム１１４にマウントされた停止要素１０８が第１の回転位置で第１のラッチ機構１０６ａと接触し磁気的に結合するまで、第１の方向に動かす。第２のアーム１１４を第２の回転位置へと切り換えることが望まれるなら、電源は逆極性を有するパルスを供給し、それによって第２の方向に磁界を生成し、従って、電磁コア１２２を引く磁力が変化して、磁界がコア１２２を第２の方向に動かす原因となる。磁界の強さは、第１のラッチ機構１０６ａに引き付ける停止要素１０８の磁力に打ち勝って、停止要素１０８が第２のラッチ機構１０６ｂと接触して磁気的に結合するまで電磁コア１２２が移動するような程度である。

[0027]図３は、光スイッチング組立体１００の別の例示の一実施形態を示す。この実施形態では、２つのソレノイド１０４ａ、１０４ｂが使用される。２つのソレノイド１０４ａ、１０４ｂは、第１及び第２の電磁コイル１１８ａ、１１８ｂならびに電磁コア１２２を含む。各電磁コイル１１８ａ、１１８ｂは、エネルギーをパルスにして各コイルに供給するのに使用される電源（図示せず）に電気的に結合される。代替の実施形態では、コイル１１８ａ、１１８ｂが、別の電源又は同じ電源に各々結合され得る。[0028]第１及び第２の電磁コイル１１８ａ、１１８ｂは、第１のアーム１１２に結合され、第１のアーム１１２の任意の適切な部分に沿って配置され得る。第１及び第２のラッチ機構１０６ａ、１０６ｂも第１のアーム１１２に結合される。図３に示された実施形態など例示の一実施形態では、第１及び第２の電磁コイル１１８ａ、１１８ｂは、それぞれ第１及び第２のラッチ機構１０６ａ、１０６ｂの外側に隣接して各々配置される。別の実施形態では、電磁コイル１１８ａ、１１８ｂは、第１及び第２のラッチ機構１０６ａ、１０６ｂにそれぞれ結合される。

[0029]電磁コア１２２は、電磁コイル１１８ａ、１１８ｂに磁気的に引かれるように十分近く隣接するように第２のアーム１１４に結合された円弧形のレールである。単一の電磁コア１２２が図示されるが、各電磁コイル１１８ａ、１１８ｂと対応付けるために、２つ以上の電磁コア１２２が使用され得ることが理解されるであろう。停止要素１０８も第２のアーム１１４に結合され、電磁コア１２２の中心と実質的に隣接して取り付けられる。好ましくは、停止要素１０８は、第１及び第２のラッチ機構１０６ａ、１０６ｂの実質的な中間点に取り付けられ、第１又は第２のラッチ機構１０６ａ、１０６ｂのいずれかにラッチすることができ、任意選択で、電磁コア１２２に直接結合され得る。図３に示された実施形態では、第１のアーム１１２は第２のアーム１１４の回転運動に対して静止したままであるように構成されるが、熟練技術者には理解されるように、静止した第２のアーム１１４に対して第１のアーム１１２が回転するように構成されることができ、又は両方のアーム１１２、１１４が互いに回転するように構成され得る。

[0030]本発明の例示の一実施形態では、コイル１１８ａ、１１８ｂは、どちらも各コイル１１８ａ、１１８ｂで生成された各磁界が互いに同じ向きを有するように互いに動作するように構成される。その結果、電磁コア１２２は、第１のコイル１１８ａによって第１の方向に引かれ、同時に第２のコイル１１８ｂによって同じ第１の方向に押される。

[0031]別の例示の実施形態では、コイル１１８ａ、１１８ｂは、２つの独立したソレノイドとしての役割を果たす。停止要素１０８が第１のラッチ機構１０６ａに磁気的に結合するように、適切な極性、振幅及び方向を有するパルスが第１のコイル１１８ａに供給され、電磁コア１２２が第１の方向に引かれる原因となる。光素子１１０を第２の回転位置へと切り換えることが望まれるとき、適切な極性、振幅及び方向を有するパルスが、第２のコイル１１８ｂに供給され、停止要素１０８と第１のラッチ機構１０６ａが引き合う磁力に打ち勝つ強さを有する第２の方向の磁界を生成する。次いで、電磁コア１２２は、停止要素１０８が第２のラッチ機構１０６ｂに磁気的に結合するまで第２の方向に移動する。また別の実施形態では、第１及び第２のコイル１１８ａ、１１８ｂ各々が、それぞれ第１及び第２のラッチ機構１０６ａ、１０６ｂの方へコア１２２を押すように構成される。

[0032]当業者に理解されるように、（複数の）ソレノイド１０４、ラッチ組立体１０６及び停止要素１０８は、スイッチング組立体１００に結合され得る光素子１１０に対して、アーム１１２、１１４に沿った多くの配列のうち任意の１つを有することができる。構成部品の配列は、光スイッチング組立体のスペース制限、コスト要因、組立体を構築するための部品の入手しやすさ又は他の要因など、様々な要因に左右されることがある。[0033]図１〜図３は、光スイッチング組立体１００の例示の１つの配列を示す。これらの実施形態では、電磁コイル１１８及びラッチ組立体１０６は、第１のアーム１１２に、その第１の終端１３４に隣接して結合される。光素子１１０は、第２のアームの第１の終端１３０に結合され、その上、停止要素１０８及び電磁コア１２２の両方とも光素子１１０と軸１１６の間の箇所で第２のアーム１１４に取り付けられる。第１のアームの第１の終端１３４と第２のアームの第２の終端１３２の間のあらゆる重量不均衡を補償するために、釣合い重り１２４が第２のアームの第２の終端１３２に結合される。

[0034]図４及び図５は、光スイッチング組立体１００の別の配列を示すまた別の例示の一実施形態を提供する。この実施形態では、光素子１１０が第２のアーム１１４の第１の終端１３０に結合され、一方、停止要素１０８及び電磁コア１２２は第２のアームの第２の終端１３２と軸１１６の間に取り付けられる。任意選択で、釣合い重り１２４は、第２のアーム終端１３０と１３４の間に存在し得る重量不均衡を補償するために、第２のアームの第２の終端１３２上に取り付けられ得る。第１のアーム１１２は、第２のアームの第２の終端１３２に隣接して配置され、第１のアームの第１の終端１３４に隣接してラッチ機構１０６ａ、１０６ｂ及び電磁コイル１１８ａ、１１８ｂが取り付けられるように構成される。図４に示される実施形態に関して、２つのソレノイド１０４ａ、１０４ｂが示されるが、図２に示された構成など単一ソレノイドの構成も、図４及び図５に示されるものに類似の配列でアーム１１２、１１４に沿って配置され得ることが当業者には理解されるであろう。

[0035]１つ又は複数の光スイッチング組立体１００は、別々に、又は一緒に運転され得ることが当業者には理解されるであろう。本発明の光スイッチング組立体１００は、電力消費量が最小であり、ランダムアクセス時間を減少させる。そのうえ、光スイッチング組立体１００の設計が簡単で、実施するのにコスト効率が良く、軽量である。

[0036]少なくとも１つの例示の実施形態が、本発明の上記詳細な説明の中で示されているが、莫大な数の変形形態が存在することを理解されたい。例示の実施形態又は例示の諸実施形態が単なる例でしかなく、本発明の範囲、適用可能性又は構成を限定するようには決して意図されていないことも理解されたい。むしろ、上記の詳細な説明は、本発明の例示の実施形態を実施するための便利な指針を当業者に提供するであろう。添付の特許請求の範囲で述べられるような本発明の範囲を逸脱することなく、例示の実施形態で説明された要素の機能及び配列において様々な変更が作成され得ることが理解されよう。

光素子スイッチング機構の側面の概略図である。 光素子スイッチング機構の例示の実施形態の上面概略図である。 光素子スイッチング機構の例示の実施形態の上面概略図である。 光素子スイッチング機構の例示の実施形態の上面概略図である。 光素子スイッチング機構の別の例示の実施形態の側面概略図である。

Claims (3)

1. 光スイッチング組立体（１００）であって、
   軸（１１６）に結合される、第１のアーム（１１２）および第２のアーム（１１４）を有し、前記第１のアーム（１１２）は、第１の回転位置と第２の回転位置との間で前記第２のアーム（１１４）に対して選択的に回転するように構成され、
   前記光スイッチング組立体（１００）はさらに、第１及び第２の取付け位置で前記第１のアーム（１１２）にそれぞれ取り付けられた第１及び第２のラッチ機構（１０６ａ、１０６ｂ）と、
   前記第２のアーム（１１４）の端部に結合される光素子と、
   前記第１のラッチ機構（１０６ａ）と前記第２のラッチ機構（１０６ｂ）の間に位置し、且つこれらと接触することができるように前記第２のアーム（１１４）に結合された停止要素（１０８）と、
   前記第１及び第２のアーム（１１２、１１４）に結合され、回転することによって前記停止要素（１０８）を第１のラッチ機構（１０６ａ）及び第２のラッチ機構（１０６ｂ）に選択的に接触させるにように前記第１のアーム（１１２）に運動エネルギーを供給するように構成されたソレノイド（１０４）とを含む光スイッチング組立体（１００）。
2. 前記第１の回転位置が光路内にあり、前記第２の回転位置が光路外にあり、前記第１及び第２の取付け位置が前記第１及び第２の回転位置と実質的に一致する請求項１に記載の組立体（１００）。
3. 前記第２のアーム（１１４）が第１及び第２の終端を有し、
   前記光素子（１１０）が前記第２のアームの第１の終端に結合され、
   前記停止要素（１０８）及び前記ソレノイド（１０４）の少なくとも一部が前記軸（１１６）と前記光素子（１１０）の間に結合された請求項１に記載の組立体（１００）。

Images