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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schalteranordnung (siehe z.
B.
DE-C-10003930 ).
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Hintergrund
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Verschiedene
Systeme und Vorrichtungen, wie zum Beispiel optische Prüfinstrumente
und Einrichtungen, enthalten ein oder mehrere optische Elemente,
die vorgesehen sein können,
um zum Beispiel eine optische Filterung auszuführen. In einigen dieser Systeme
kann es wünschenswert
sein, gleichzeitig ein oder mehrere optische Elemente in und aus
einem Lichtweg zu schalten. Vorzugsweise wird dieser Schaltvorgang
der optischen Elemente verhältnismäßig schnell
durchgeführt.
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In
der Vergangenheit ist ein schnelles und gleichzeitiges Schalten
von optischen Elementen unter der Verwendung zum Beispiel eines
Radmechanismus erreicht worden, der eingerichtet ist, die optischen
Elemente in und aus dem Lichtweg zu drehen. In einer exemplarischen
Ausführungsform
eines Radmechanismus sind die optischen Elemente um den Umfang eines
Rades angeordnet. Wenn unterschiedliche optische Elemente in und
aus der optischen Achse bewegt werden sollen, dreht ein Motor oder
anderer Treiber das Rad, wobei er stoppt, wenn sich das gewünschte optische
Element im Lichtweg befindet.
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Obwohl
Radmechanismen im Allgemeinen sicher arbeiten, leiden diese Mechanismen
auch an bestimmten Nachteilen. Zum Beispiel sorgt die Konfiguration
vieler dieser Radmechanismen eher für einen sequentiellen als einen
direkten Zugriff auf die Elemente an den Rändern des Rades. Folglich können die
Dauer und die Energiemenge, die verwendet werden können, um
ein Element in den Lichtweg und ein anderes optisches Element aus
dem Lichtweg zu schalten, unerwünscht
hoch sein. Dies kann am deutlichsten sein, wenn das Rad verwendet
wird, um optische Elemente in und aus dem Lichtweg zu bewegen, die
sich auf entgegengesetzten Seiten des Rades befinden.
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Ein
anderer Nachteil einiger bekannter Radmechanismen ist, dass die
schnelle Bewegung des Rades Störungen
im System verursachen kann. Diese Störungen können zum Beispiel zu einer
Bildunschärfe
führen.
Dies kann ein wesentlicher Faktor in Anwendungen sein, die eine
präzise
optische Systemsteuerung durchführen,
wie zum Beispiel in Satellitenanwendungen. Um die Störungen zu
kompensieren, die ein sich schnell bewegendes Rad verursachen kann,
können
einige Systeme lange Beruhigungsperioden nach der Radbewegung anwenden. Andere
Systeme können
komplexe Kraftausgleichs- und/oder
Isolationsmechanismen verwenden, die die Systemkomplexität erhöhen können, und
in einigen Fällen
gleichzeitig die Systemzuverlässigkeit
senken. Überdies
können
einige dieser komplexen Mechanismen außerdem erhebliche Leistungen
verbrauchen, was das Wärmeprofil
des Systems negativ beeinflussen kann.
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Um
einen oder mehrere der oben erwähnten Nachteile
zu überwinden,
sind Schalteranordnungen entwickelt worden, wie jene, die in der
kürzlich
veröffentlichten
Anmeldung
WO 03/081317 offenbart
werden. Diese Schalteranordnungen arbeiten ebenfalls sicher und
zuverlässig,
leiden jedoch an zusätzlichen Nachteilen.
Insbesondere dreht sich jede der in diesen Anmeldungen offenbarten
Schalteranordnungen über
einen federvorgespannten Drehmechanismus, wie eine Drehstabfeder,
und wird magnetisch in einer von zwei Rotationspositionen verriegelt.
Die Stärke des
Magnetfelds, das verwendet wird, um die Drehstabfederkraft zu überwinden
und den Schalter in eine verriegelte Position zu ziehen, kann von
einer solchen Größe sein,
dass eine verhältnismäßig hohe Verriegelungskraft
auf die Schalteranordnung ausgeübt
wird. Dies kann vergleichsweise hohe Kontaktkräfte erzeugen, die zu unerwünschten
Erschütterungen
und Vibrationen beim Verriegeln führen. Zusätzlich kann eine beträchtliche
Leistung benötigt
werden, um die magnetische Kraft zu überwinden, um die Schalteranordnung
aus einer verriegelten Position zu lösen.
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Folglich
gibt es einen Bedarf nach einer Schalteranordnung, die einen oder
mehrere der obenerwähnten
Nachteile angeht. Nämlich
eine Schalteranordnung, die keine Verriegelungskräfte erzeugt,
die zu einer unzulässigen
Erschütterung
und Vibration führen,
und/oder eine Schalteranordnung, die weniger Leistung verbraucht,
um den Schalter aus einer verriegelten Position freizugeben. Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit einer oder mehreren dieser
Anforderungen.
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Kurze Zusammenfassung
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Schalteranordnung bereit, die
zum Beispiel verwendet werden kann, um schnell ein oder mehrere
optische Elemente in und aus einem Lichtweg zu schalten. Verglichen
mit bekannten Schalteranordnungen reduziert die gegenwärtig offenbarte
Schalteranordnung das Ausmaß einer
Erschütterung
und Vibration, die erzeugt werden können, wenn sie verriegelt wird, und
verwendet weniger Leistung, um sie aus einer verriegelten Position
freizugeben.
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In
einer Ausführungsform
weist eine Schalteranordnung eine Armanordnung, eine primäre Feder,
eine oder mehrere sekundäre
Federn und eine Verriegelungsanordnung auf. Die Armanordnung ist eingerichtet,
sich zwischen mindestens einer ersten Rotationsposition und einer
zweiten Rotationsposition zu drehen. Die primäre Feder ist mit der Armanordnung
gekoppelt und ist eingerichtet, die Armanordnung zu einer dritten
Rotationsposition vorzuspannen, die sich zwischen der ersten und
zweiten Rotationsposition befindet. Jede sekundäre Feder ist in der Schalteranordnung
angeordnet und ist eingerichtet, die Armanordnung selektiv zur dritten
Rotationsposition vorzuspannen, wenn die Armanordnung entweder von
der ersten oder zweiten Rotationsposition einen vorgegebenen Rotationsabstand
erreicht. Die Verriegelungsanordnung ist in der Schalteranordnung
angeordnet und ist betriebsfähig,
um (i) selektiv die Armanordnung in entweder der ersten oder zweiten
Rotationsposition zu halten und (ii) die Armanordnung selektiv aus
der Rotationsposition freizugeben, in der sie die Armanordnung hält.
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In
noch einer anderen exemplarischen Ausführungsform weist eine Schalteranordnung
einen Rotor, einen Arm, eine primäre Feder, eine sekundäre Feder
und eine Verriegelungsanordnung auf. Der Rotor ist eingerichtet,
sich zwischen mindestens einer ersten Rotationsposition und einer
zweiten Rotationsposition zu drehen. Der Arm ist mit dem Rotor gekoppelt
und erstreckt sich axial davon. Die primäre Feder ist mit dem Rotor
gekoppelt und ist eingerichtet, den Rotor zu einer dritten Rotationsposition
vorzuspannen, die sich zwischen der ersten und zweiten Rotationsposition
befindet. Jede sekundäre
Feder ist in der Schalteranordnung angeordnet und ist eingerichtet,
selektiv den Rotor zur dritten Rotationsposition vorzuspannen, wenn
der Rotor entweder von der ersten oder zweiten Rotationsposition
einen vorgegebenen Rotationsabstand erreicht. Die Verriegelungsanordnung
ist in der Schalteranordnung angeordnet und ist betriebsfähig, um
(i) den Rotor selektiv entweder in der ersten oder zweiten Rotationsposition
zu halten und (ii) selektiv den Rotor aus der Rotationsposition
freizugeben, in der sie den Rotor hält.
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Die
vorhergehenden und anderen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der bevorzugten
Schalteranordnung werden aus der folgenden genaueren Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung deutlich werden, wie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt
wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
bevorzugte exemplarische Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den
angefügten
Zeichnungen beschrieben, wo gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente
bezeichnen, und:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Schalteranordnung gemäß einer
exemplarischen ersten Ausführungsform
ist;
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2 eine
Querschnittsansicht einer exemplarischen Verriegelungsanordnung
ist, die mit der Schalteranordnung verwendet werden kann, die in 1 dargestellt
wird;
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3 eine
graphische Darstellung ist, die die Kraft-Auslenkungskennlinien
eines Magnetfelds und einer einzelnen Feder zeigt;
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4 eine
graphische Darstellung ist, die die Kraft-Auslenkungskennlinien
eines Magnetfelds und zweier Federn, sowohl einzeln als auch in
Kombination miteinander, zeigt;
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5 eine
perspektivische Ansicht einer Schalteranordnung gemäß einer
exemplarischen alternativen Ausführungsform
ist;
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6 eine
perspektivische Nahansicht eines Abschnitts der Schalteranordnung
ist, die in 5 dargestellt wird, wobei sich
die Schalteranordnung in einem teilweise zusammengebauten Zustand
befindet; und
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7 eine
perspektivische Ansicht einer Schalteranordnung gemäß noch einer
anderen exemplarischen Ausführungsform
ist.
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Detaillierte Beschreibung
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Die
folgende detaillierte Beschreibung ist lediglich exemplarisch und
ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der
Erfindung zu beschränken.
Darüber
hinaus gibt es keine Absicht, an irgendeine ausgedrückte oder stillschweigende
Theorie gebunden zu sein, die im vorhergehenden technischen Gebiet,
im Hintergrund, in der kurzen Zusammenfassung oder in der folgenden
detaillierten Beschreibung präsentiert
wird.
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Sich
nun 1 zuwendend, wird eine vereinfachte perspektivische
Ansicht einer Schalteranordnung 100 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform
gezeigt. Die Schalteranordnung 100 weist eine Armanordnung 102, mehrere
Armverriegelungsanordnungen 104 und mehrere Federn 108 auf.
Die Armanordnung 102 weist ein erstes Ende 110 und
ein zweites Ende 112 auf und ist geeignet, mit einer oder mehreren
nicht dargestellten Befestigungsstrukturen an einer Position 114 zwischen
dem ersten 110 und zweiten 112 Ende rotationsgekoppelt
zu werden. In der dargestellten Ausführungsform kann die Armanordnung 102 an
einer oder mehreren Befestigungsstrukturen befestigt werden, die
auf gegenüberliegenden
Seiten der Armanordnung 102 (z. B. oben und unten in der
Ansicht der 1) angeordnet sein können. Es
wird erkannt werden, dass die Armanordnung 102 auch eingerichtet
sein könnte,
nur an einer einzelnen Befestigungsstruktur befestigt zu werden. Überdies
kann ein (nicht dargestelltes) optisches Element mit dem ersten
Ende 110 des Arms gekoppelt sein und kann in und aus einem
nicht dargestellten Lichtweg bewegt werden, der sich durch jede
Befestigungsstruktur erstreckt. Eine exemplarische Befestigungsstruktur
und ein Lichtweg werden in der mitanhängigen US-Anmeldung mit der
Ifd. Nr. 10/103,534, mit dem Titel HIGH SPEED OPTICAL ELEMENT SWITCHING
MECHANISM, eingereicht am 20. März 2002,
offenbart, die an den Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung übertragen
und als US-A-2003/0179982 nach dem Prioritätsdatum dieser Anmeldung veröffentlicht
wurde.
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Die
Armanordnung 102 kann aus irgendeinem von zahlreichen Bauteilen
bestehen, an die ein optisches Element gekoppelt werden kann. Vorzugsweise
ist der Arm 102 mit einer ausreichenden Steifigkeit ausgebildet,
um die Position des optischen Elements wirksam zu steuern, wenn
sich der Arm 102 dreht. Überdies besteht mindestens
ein Abschnitt des Arms 102, wie unten vollständiger erläutert wird,
vorzugsweise entweder aus einem magnetisch permeablen Material oder
einem Material, das permanent magnetisiert ist. Es wird ferner erkannt werden,
dass irgendeine von zahlreichen Vorrichtungen verwendet werden kann,
um den Arm 102 drehbar an eine Befestigungsstruktur zu
koppeln. Nicht einschränkende
Beispiele solcher Vorrichtungen umfassen Kreuzfedergelenke, Lager
und Biegeelemente.
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Die
Armverriegelungsanordnungen 104, die in der Ausführungsform,
die in 1 dargestellt wird, eine erste Armverriegelungsanordnung 104a und eine
zweite Armverriegelungsanordnung 104b aufweisen, sind mit
der Befestigungsstruktur 114 an der ersten bzw. zweiten
Befestigungsposition gekoppelt. Es wird angemerkt, dass diese ersten
und zweiten Befestigungspositionen im wesentlichen mit ersten bzw.
zweiten Rotationspositionen des Arms 102 übereinstimmen.
Wie in näheren
Einzelheiten weiter unten beschrieben wird, sind die ersten und
zweiten Armverriegelungsanordnungen 104a, 104b eingerichtet,
um den Arm 102 selektiv in entweder der ersten oder zweiten
Rotationsposition zu halten. Es wird erkannt werden, dass die erste
und zweite Rotationsposition irgendwelche von zahlreichen Rotationspositionen
sein können,
die gewählt
werden können, um
die Anforderungen des Systems zu erfüllen, in dem die Schalteranordnung 100 eingebaut
ist.
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Die
ersten und zweiten Armverriegelungsanordnungen 104a, 104b können irgendeine
von zahlreichen bekannten Vorrichtungen sein, die betriebsfähig sind,
um den Arm 102 selektiv in einer der beiden Rotationspositionen
zu halten und in einigen Ausführungsformen
dem Arm 102 zusätzliche
Rotationsenergie zuzuführen,
um seine Rotation zu beginnen oder zu vollenden, oder um sowohl
seine Rotation zu beginnen als auch zu vollenden. Die Armverriegelungsanordnungen 104a, 104b können entweder mechanische,
elektromagnetische oder magnetische Vorrichtungen, oder eine Kombination
von beidem sein. Die Armverriegelungsanordnungen 104a, 104b werden
vorzugsweise den Arm 102 mit einer geringen oder keiner
Leistungsaufnahme halten, und werden vorzugsweise mindestens etwas
Energie zuführen,
um Verluste auszugleichen. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform
einer Armverriegelungsanordnung 104 wird in 2 gezeigt,
und wird nun beschrieben. Bevor dies geschieht, wird jedoch erkannt werden,
dass obwohl 1 eine Feder 108 darstellt, die
mit jeder Armverriegelungsanordnung gekoppelt ist, die Armverriegelungsanordnung
zur Klarheit ohne Federn dargestellt und beschrieben wird.
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In
der besonderen Ausführungsform,
die in 2 gezeigt wird, weist die Armverriegelungsanordnung 104 einen
Permanentmagneten 202, eine Elektromagnetspule 204 und
ein Gehäuse 206 auf. Die
Spule 204 ist um den Permanentmagneten 202 gewickelt,
von denen beide im Gehäuse 206 untergebracht
sind. Das Gehäuse 206 ist
vorzugsweise aus einem magnetisch permeablen Material wie zum Beispiel
Eisen ausgebildet, um einen magnetischen Flussweg zu vervollständigen.
Mit dieser besonderen Ausführungsform
wird der Permanentmagnet 202 verwendet, um den Arm 102 entweder
in der ersten oder zweiten Rotationsposition zu halten. Um den Arm 102 freizugeben,
wird der Spule 204 ein elektrischer Impuls zugeführt. Der
zugeführte
Impuls weist eine geeignete Polarität, Größe und Dauer auf, um zu bewirken,
dass die Spule 204 ein Magnetfeld erzeugt, das eine Größe und Richtung
aufweist, die ausreichen, die magnetische Kraft des Permanentmagneten 202 zu überwinden,
wodurch der Arm 102 freigegeben wird. Es wird erkannt werden,
dass bei dieser besonderen Armverriegelungsausführungsform der Arm 102 mindestens
teilweise aus einem magnetisch permeablen Material wie zum Beispiel Eisen
ausgebildet ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
kann mindestens ein Abschnitt des zweiten Endes 112 des
Arms so ausgebildet sein, dass er Eisen (oder ein anderes magnetisch permeables
Material) enthält,
um zusätzlich
als ein Gegengewicht zu dienen, um andere Komponenten, wie ein optisches
Element auszubalancieren, das mit dem ersten Ende 110 des
Arms gekoppelt sein kann.
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Es
wird erkannt werden, dass die oben beschriebene und in 2 dargestellte
Ausführungsform
lediglich exemplarisch ist, und dass andere Konfigurationen verwendet
werden könnten.
Zum Beispiel könnte
der Permanentmagnet 202 am Arm 102 nahe des zweiten
Endes 112 angeordnet werden, wobei nur die Spule 204 im
Gehäuse 206 angeordnet ist.
Mit dieser Konfiguration wird erneut keine Leistung benötigt, um
den Arm 102 entweder in der ersten oder zweiten Rotationsposition
zu halten. Jedoch würde
bei dieser Konfiguration, wenn der Spule 204 der elektrische
Impuls zugeführt
wird, der Arm 102 geschoben, wenn er freigegeben wird,
wobei dem Arm 102 zusätzlich
zur Zufuhr durch die Federn 108 Energie zugeführt wird.
Der Impuls könnte
zugeführt werden,
bis der Arm 102 die andere Rotationsposition erreicht und
durch den Permanentmagneten 202 an Ort und Stelle gehalten
wird. Es wird erkannt werden, dass diese alternative Ausführungsform
Störungen
minimiert und ausreichend Zeit bereitstellt, damit sich bestimmte
strukturelle Schwingungsmoden im Arm 102 und den Federn 108 beruhigen.
Mit anderen Worten regt die Energie, die dem Arm 102 zugeführt wird,
bei der Freigabe den Arm 102 an. Diese Anregung beruhigt
sich, wenn sich der Arm 102 von einer Rotationsposition
zur anderen bewegt, wird jedoch nicht erneut angeregt, indem er
zum Beispiel in die gegenüberliegende
Armverriegelungsanordnung 104 schlägt, da der Arm 102 durch
eine einfache harmonische Bewegung gestoppt und dann an Ort und Stelle
gehalten wird.
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Nun
auf 1 zurückkommend,
weist der Schalter 100, wie vorher erwähnt wurde, mehrere Federn 108 auf.
In der dargestellten Ausführungsform weist
der Schalter 100 drei Federn auf, eine primäre Feder 108-1 und
zwei sekundäre
Federn 108-2 und 108-3, von denen jede eingerichtet
ist, den Arm 102 zu einer Rotationsposition zwischen der
ersten und zweiten Rotationsposition vorzuspannen, wenn die primäre Feder 108-1 und
die sekundären
Federn 108-2, 108-3 mit dem Arm 102 gekoppelt
sind. Die primäre
Feder 108-1 ist im wesentlichen andauernd mit dem Arm 102 gekoppelt,
während
die sekundären Federn 108-2, 108-3 bei
Rotationspositionen relativ zur ersten und zweiten Rotationsposition
selektiv mit dem Arm 102 gekoppelt und von ihm entkoppelt
werden. In der dargestellten Ausführungsform ist die primäre Feder 108-1 eine
Drehstabfeder und wird verwendet, um den Arm 102 drehbar
an der Befestigungsstruktur 114 zu befestigen, und die
sekundären Federn 108-2, 108-3 sind
Spiralfedern. Es wird erkannt werden, dass obwohl die in 1 dargestellte Ausführungsform
zwei sekundäre
Federn 108-2, 108-3 aufweist, der Schalter 100 auch
bis zu einer Anzahl N sekundärer
Federn 108-2, 108-3, 108-4, ... 108-N aufweisen
könnte.
Es wird zusätzlich
erkannt werden, dass die Federn 108 aus irgendeiner zahlreicher
Federstrukturen bestehen können,
die ausreichend Energie bereitstellen, um den Arm 102 innerhalb
erwünschter
Zeit- und Abstandseinschränkungen
zu bewegen und/oder zu verlangsamen. Nicht einschränkende Beispiele
umfassen Spiralfedern, Schraubenfedern, Drehfedern, Blattfedern
und translatorische Zug- oder Druckfedern.
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Es
wird angemerkt, dass die primäre
Feder 108-1 vorzugsweise so eingerichtet ist, dass sie,
und folglich der Arm 102, eine Gleichgewichtslage aufweist,
die im wesentlichen zwischen den Armverriegelungsanordnungen 104 zentriert
ist. Es wird erkannt werden, dass die vorliegende Ausführungsform
nicht auf diese Position beschränkt
ist, sondern lediglich exemplarisch für die bevorzugte Position ist. Es
wird zusätzlich
angemerkt, dass die Federkonstante der primären Feder 108-1 vorzugsweise
kleiner als die Federkonstante der anderen sekundären Federn 108-2, 108-3, 108-4,
... 108-N ist. Der Grund dafür wird aus der folgenden Erläuterung
deutlicher werden.
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Wie
im Allgemeinen bekannt ist, und wie in 3 dargestellt
wird, ist die Kraft-Auslenkungskennlinie einer Feder 302 linear,
während
die Kraft-Auslenkungskennlinie
eines Magnetfelds 304 nicht-linear ist. Wenn folglich die
Schalteranordnung 100 nur die primäre Feder 108-1 enthalten
würde, würde, wenn
sich die Armanordnung 102 einer der Verriegelungsanordnungen 104 nähert, der
Größenunterschied
zwischen der Federkraft und der magnetischen Kraft dazu führen, dass eine
erhebliche Verriegelungskraft auf die Armanordnung 102 ausgeübt wird.
Diese kann potentiell zu unerwünschten Schwingungen
und/oder einer Beschädigung
führen. Überdies
muss diese verhältnismäßig große Verriegelungskraft überwunden
werden, um die Armanordnung 102 aus der verriegelten Position
freizugeben. Indem die sekundären
Federn 108-2, 108-3, 108-4, ... 108-N hinzugefügt werden
und die besonderen Federkonstantenwerte sowohl für die primäre Feder 108-1 als
auch die sekundären
Federn 108-2, 108-3, 108-4, ... 108-N gewählt werden,
können
diese potentiellen Nachteile minimiert oder im wesentlichen beseitigt
werden. Insbesondere werden die besonderen Federkonstantenwerte
so gewählt,
dass die Federn 108-1, 108-2, 108-3,
... 108-N in Kombination eine Kraft-Streckenkennlinie zeigen, die sich jener der
Armverriegelungsanordnungen 104 enger annähert. Dies
wird am deutlichsten in 4 dargestellt, die die Kraft-Streckenkennlinien
für eine
Armanordnung 102 mit einer sekundären Feder 108 darstellt, die
selektiv mit der Armanordnung 102 gekoppelt wird, wenn
sie sich entweder der ersten oder der zweiten Rotationsposition
nähert.
Die Kraft-Streckenkennlinien der primären und der sekundären Federn 402 und 404 sind
jeweils linear, und die Kraft-Streckenkennlinie eines Magnetfelds 406 ist
nicht-linear. Da jedoch die sekundäre Feder nicht mit der Armanordnung 102 gekoppelt
ist, bis sie den Punkt (A) erreicht, nähert sich die gesamte Kraft-Streckenkennlinie
der Federn 408 enger an jene der Magnetfeldkraft 406 an,
die durch die Armverriegelungsanordnung 104 ausgeübt wird.
Wenn folglich der Arm 102 entweder in der ersten oder zweiten
Rotationsposition verriegelt wird, wird er das im Vergleich zu einem
Schalter 100 ohne die hinzugefügten Federn sowohl mit einer
reduzierten Kontakt- als auch Haltkraft tun.
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Während des
Betriebs der Schalteranordnung 100 halten die Armverriegelungsanordnungen 104a, 104b den
Arm 102 entweder in der ersten oder der zweiten Rotationsposition,
bis es erwünscht
ist, den Arm 102 in die andere Rotationsposition zu bewegen.
Wenn zum Beispiel die erste Armverriegelungsanordnung 104a den
Arm 102 in der ersten Rotationsposition hält, und
es erwünscht
ist, den Arm 102 in die zweite Rotationsposition zu bewegen,
ist die erste Armverriegelungsanordnung 104a eingerichtet,
das zweite Ende 116 des Arms freizugeben. Bei der Freigabe
des zweiten Endes 112 des Arms bewirkt die Kraft, die durch
die primäre
und sekundäre
Feder 108-1, 108-2 ausgeübt wird, dass der Arm 102 beginnt,
sich zur zweiten Rotationsposition zu drehen. An einem gewissen
Punkt, nachdem der Arm 102 beginnt, sich zu drehen, wird
die sekundäre
Feder 108-2 vom Arm 102 entkoppelt. Die primäre Feder 108-1 bleibt
mit dem Arm 102 während
seiner gesamten Rotation gekoppelt und liefert Energie an den Arm 102,
bis der Arm 102 durch den Gleichgewichtspunkt der primären Feder 108-1 geht.
Wie oben erwähnt
wurde, befindet sich dieser Gleichgewichtspunkt vorzugsweise im
wesentlichen auf halbem Wege zwischen der ersten und zweiten Rotationsposition.
Wenn die Rotation des Arms 102 durch den Gleichgewichtspunkt
geht, beginnt der Arm 102, seine kinetische Rotationsenergie
auf die primäre
Feder 108-1 zu übertragen,
und folglich beginnt sich seine Rotation zu verlangsamen. Wenn sich
der Arm 102 der zweiten Rotationsposition nähert, oder
zu einem gewissen Zeitpunkt davor, ist die zweite Armverriegelungsanordnung 104b in
einer solchen Weise konfiguriert, dass dem Arm 102 zusätzliche
Energie zugeführt
wird, um seine Rotation zur zweiten Rotationsposition zu vollenden.
Zusätzlich
wird an einem gewissen Punkt, bevor der Arm 102 die zweite
Rotationsposition erreicht, die andere sekundäre Feder 108-3 mit
dem Arm 102 gekoppelt. Wenn der Arm 102 die zweite
Rotationsposition erreicht, hält
die zweite Armverriegelungsanordnung 104b den Arm 102 in
dieser Position.
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Die
oben beschriebene Schalteranordnung 100 kann in einem System
ausgeführt
werden, das mehrere Schalteranordnungen 100 enthält, so dass mehrere
optische Elemente in und aus einem Lichtweg geschaltet werden können. Eine
exemplarische Ausführungsform
eines solchen Systems wird in der obenerwähnten US-Patentanmeldung Seriennr. 10/103,534
dargestellt und beschrieben. Es wird zusätzlich angemerkt, dass die
oben beschriebene Schalteranordnungsausführungsform 100 lediglich für eine vereinfachte
Ausführungsform
exemplarisch ist, und dass zusätzliche
Ausführungsformen
ausgeführt
werden können.
In der Tat wird der restliche Abschnitt dieser Beschreibung eine
detaillierte Beschreibung zweier besonderer alternativer Ausführungsformen
bereitstellen.
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Es
wird nun unter Bezugnahme auf die 5 und 6 die
erste dieser alternativen Ausführungsformen
beschrieben. Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform weist die Schalteranordnung 500 eine
Armanordnung 502, mehrere Armverriegelungsanordnungen 504 und
mehrere Federn 508 auf. Wie zu erkennen ist, unterscheidet
sich die Konfiguration und/oder physikalische Ausführung einer
oder mehrerer dieser besonderen Komponenten oder Anordnungen von
der vorhergehenden Ausführungsform. Insbesondere
weist die Armanordnung 502 nicht nur einen Arm 510 auf,
sondern weist außerdem
einen Rotor 512 auf. Der Arm 510 ist mit dem Rotor 512 gekoppelt,
der eingerichtet ist, sich in erste und zweite Drehrichtung 511, 513 zu
drehen. In der dargestellten Ausführungsform weist der Rotor 512 acht
Pole 518a-h auf (nur vier sind in 5 sichtbar),
die vorzugsweise in einem gleichmäßigen Abstand um den Rotor 512 angeordnet
sind. Es ist ein Gegengewicht 521 mit dem Rotor 512 an
einer Position gekoppelt, die dem Arm 510 im Allgemeinen
gegenüberliegt. Obwohl
die dargestellte Ausführungsform
acht Pole 518a-h aufweist, wird erkannt werden, dass mehr oder
weniger als diese Anzahl Pole 518 verwendet werden können.
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Wie
in der vorausgehenden Ausführungsform
kann ein nicht dargestelltes optisches Element mit dem Arm 510 unmittelbar
an einem seiner Enden gekoppelt sein. Folglich kann der Arm 510 über seine Rotation
zwischen den ersten und zweiten Rotationspositionen verwendet werden,
um das optische Element in bzw. aus einer nicht dargestellten optischen Achse
zu bewegen. Die Armanordnung 502, oder mindestens die Pole 518a-h der
Armanordnung 502, sind vorzugsweise mindestens teilweise
aus einem Material ausgebildet, das permanent magnetisiert ist.
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Wenn
wir uns nun einer Beschreibung der Armverriegelungsanordnungen 504 zuwenden,
ist zu erkennen, dass die Schalteranordnung 500 mindestens
zwei Verriegelungsanordnungen 504 aufweist, eine obere
Verriegelungsanordnung 504-1 und eine untere Verriegelungsanordnung 504-2.
Die obere Armverriegelungsanordnung 504-1 und die untere Armverriegelungsanordnung 504-2 sind
vorzugsweise gegen eine Rotation befestigt. Jede der Verriegelungsanordnungen 504 weist äußere Polstücke oder „Spinnen" 514, innere
Polstücke
oder „Spinnen" 516 und
eine Elektromagnetspule 520 auf. Jedes der Polstücke 514, 516 weist
eine Anzahl von Polen auf, die vorzugsweise mit der Anzahl der Rotorpole 518 übereinstimmt.
Mit dieser Konfiguration wird, wenn die Permanentmagnete an jedem
Rotorpol 518 die inneren 516 und äußeren 514 Polstücke berühren, ein magnetischer
Kreis gebildet. Folglich können
die Verriegelungsanordnungen 504 die Armanordnung 502 in
einer von zwei (z. B. einer ersten oder einer zweiten) Rotationspositionen
halten. Um die Armanordnung 502 aus einer der Rotationspositionen
freizugeben, wird der Elektromagnetspule 520 ein elektrischer
Impuls zugeführt.
Die Größe, Dauer
und Polarität
des Impulses führt
dazu, dass ein Magnetfeld erzeugt wird, das in Kombination mit der
Kraft, die aus den Federn 508 zugeführt wird, ausreicht, die Permanentmagnete
zu überwinden.
Es wird erkannt werden, dass die Konfiguration der Armverriegelungsanordnung 504,
die in 5 dargestellt wird, lediglich exemplarisch ist,
und dass zahlreiche andere Konfigurationen verwendet werden könnten.
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Die
mehreren Federn 508 umfassen eine primäre Feder 508-1 und
sechzehn sekundäre
Federn 508-2, 508-3, 508-4, ... 508-17 pro
Verriegelungsanordnung 504, für insgesamt zweiunddreißig sekundäre Federn.
Wie bei der vorausgehenden Ausführungsform
ist die primäre
Feder 508-1 eingerichtet, die Armanordnung 502 andauernd
zu einer dritten Rotationsposition zwischen der ersten und zweiten Rotationsposition
vorzuspannen, und die sekundären
Federn 508-2, 508-3, 508-4, ... 508-17 sind
jeweils eingerichtet, selektiv die Armanordnung 502 zur
dritten Rotationsposition vorzuspannen. Die primäre Feder 508-1 ist
wie bei der ersten Schalteranordnung 100 vorzugsweise eine
Drehstabfeder und wird verwendet, den Rotor 512 an einer
Befestigungsstruktur drehbar zu befestigen. Es wird jedoch erkannt
werden, dass die Schalteranordnung 500 mit einer getrennten
Achse ausgeführt
werden könnte, an
die die primäre
Feder 508-1 andauernd gekoppelt ist.
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Wie
in 6 am deutlichsten gezeigt wird, die eine Nahansicht
eines Abschnitts der 5 ist, wobei sich die Schalteranordnung 500 in
einem teilweise zusammengebauten Zustand befindet, sind die sekundären Federn 508-2, 508-3, 508-4,
... 508-17 jeweils mit einem der Rotorpole 518 gekoppelt
und erstrecken sich von einer Seite davon. Folglich werden die sekundären Federn 508-2, 508-3, 508-4,
... 508-17 selektiv mit den Statoranordnungspolstücken 514, 516 an
Rotationspositionen relativ zu der ersten und zweiten Rotationsposition
der Armanordnung 502 gekoppelt und von ihnen entkoppelt.
Es wird erkannt werden, dass eine sekundäre Feder 508-2, 508-3, 508-4,
... 508-17 für
jede Seite eines Rotorpols 518 lediglich exemplarisch ist,
und dass eine Anzahl N von sekundären Federn pro Polseite verwendet
werden könnte.
Es wird zusätzlich erkannt
werden, dass die in den 5 und 6 dargestellten
Blattfedern lediglich exemplarisch sind, und dass zahlreiche andere
Federstrukturen verwendet werden könnten. Überdies wird erkannt werden, dass,
obwohl die sekundären
Federn in der dargestellten Ausführungsform
so eingerichtet sind, dass zwei sekundäre Federn eine einzige Anordnung
bilden, die mit einem Rotorpol 518 gekoppelt ist, jede sekundäre Feder
einzeln ausgebildet und mit einem Rotorpol 518 gekoppelt
sein könnte.
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Es
wird nun eine andere alternative Schalteranordnung beschrieben,
die in 7 dargestellt wird. Diese Schalteranordnung 800 ist
im wesentlichen ähnlich
zu der in den 5 und 6 dargestellten und
unmittelbar oberhalb beschriebenen aufgebaut, mit der Ausnahme der
Konfiguration der sekundären Federn.
Folglich wird keine detaillierte Beschreibung dieser Schalteranordnung
bereitgestellt. Jedoch sollte erkannt werden, dass gleiche Bezugsziffern
in 7 gleiche Komponenten der 5 und 6 bezeichnen.
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Wenn
wir uns nun den Unterschieden zuwenden, ist zu erkennen, dass die
in 8 dargestellte Schalteranordnung 700 eine
primäre
Feder 708-1 und sechzehn sekundäre Federn 708-2, 708-3, 708-4,
... 708-17 pro Verriegelungsanordnung 514 aufweist.
Acht der sekundären
Federn 708 sind mit den oberen Statoranordnungspolstücken 514 gekoppelt,
und die anderen vier sind mit den unteren Statoranordnungspolstücken 516 gekoppelt.
Folglich werden die Federanordnungen 708 selektiv mit den Rotorpolen 518 an
Rotationspositionen relativ zu der ersten und zweiten Rotationsposition
des Rotors 512 gekoppelt und von ihnen entkoppelt. Erneut
wird erkannt werden, dass eine Anzahl N von Federn pro Statorpol
verwendet werden könnte.
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Während mindestens
eine exemplarische Ausführungsform
in der vorhergehenden detaillierten Beschreibung präsentiert
worden ist, sollte erkannt werden, dass eine enorme Anzahl von Variationen existiert.
Es sollte außerdem
erkannt werden, dass die exemplarische Ausführungsform oder die exemplarischen
Ausführungsformen
nur Beispiele sind, und nicht dazu bestimmt sind, den Rahmen, die
Anwendbarkeit oder Konfiguration der Erfindung auf irgendeine Weise
zu beschränken.
Vielmehr wird die vorhergehende detaillierte Beschreibung Fachleute
mit einem praktischen Fahrplan zur Ausführung der exemplarischen Ausführungsform
oder der exemplarischen Ausführungsformen
versehen. Es sollte sich verstehen, dass verschiedene Änderungen
der Funktion und Anordnung der Elemente vorgenommen werden können, ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen, der in den Ansprüchen angegeben
wird.