JP2009540509A - 双安定磁気ラッチアセンブリ - Google Patents

Abstract

ステータ（１０２、２０２、４００）と、第１のラッチ位置と第２のラッチ位置との間をステータに対して回転するように構成されたロータ（１０４、２０４、３００）とを備える双安定磁気スイッチアセンブリ（１００、２００）を提供する。ステータとロータは協働して、第１の磁路、および共有部分を有する磁路を形成する。ロータに結合されたばね（１１８）が、ロータが第２のラッチ位置および第１のラッチ位置にあるとき、それぞれ第１のラッチ位置および第２のラッチ位置に向かってロータを偏倚させる。少なくとも１つの磁石（１２０、１２２、１２４、２１２、２３２、４２０）が、ステータまたはロータのいずれかに固定的に結合されている。磁石は、第１の磁路内に含まれ、ロータが第２のラッチ位置より第１のラッチ位置に近いときにはロータを第１のラッチ位置に向かって偏倚させ、ロータが第１のラッチ位置より第２のラッチ位置に近いときにはロータを第２のラッチ位置に向かって偏倚させる磁気ラッチ力を生成するように構成されている。少なくとも１つのコイル（４２４）が、ステータまたはロータのいずれかに固定的に結合され、付勢されると第２の磁路中の磁束を変化させて磁気ラッチ力を低下させる。

Description

連邦政府援助研究開発に関する記述
この発明は、Ｒａｙｔｈｅｏｎに賦与されたＳ７−６ＢＴ４７６Ｘの下に米国政府の援助によって実施されたものである。米国政府は、この発明において一定の権利を有する。

本発明は磁気ラッチに関し、より詳細には、ばね偏倚式光スイッチとして使用するのに特に適する高エネルギー効率双安定磁気ラッチアセンブリに関する。

１つまたは複数の光学要素（たとえば様々なレンズ）の光路長への出し入れを切り替えるように設計された光スイッチアセンブリは、周知であり、たとえば、人工衛星用途に使用されている。光スイッチシステムの比較的馴染み深い一タイプは、プロセッサ、モータ、および複数の光学要素がその外周に沿って配置されたホイール機構を採用している。プロセッサはモータに結合され、そのモータはさらにホイール機構に結合されている。ホイールをその中心軸周りにモータによって回転させて所与の光学要素を光路長内に配置することができるように、光路長がホイールの外周部分を通って行く。光学要素を光路長中に移動させるために、プロセッサは先ずホイールの現在の回転位置を確定し、続いて、所望の光学要素を光路長中に移動させるのに必要な回転調節量を決定する。次いで、プロセッサがモータに必要な調節を実行するように命令する。

残念ながら、この種周知のシステムでは、ホイールの回転運動がシステム中に擾乱（たとえば振動）を発生させ得、その擾乱が、画像を不鮮明にし、精密な光学制御の実施を困難にすることがある。さらに、その種ホイール機構の外周に沿った光学要素のアセンブリは、ランダムではなくて逐次的な要素アクセスに向いている。その結果、１つの要素を光路長中に移動し別の要素をそこから外へ移動するのに必要なエネルギーの総量が望外に大きいことがよくあり、特に、新たに選択された光学要素がその前に選択された要素の反対側に配置されている場合にそうなる。

上記の欠点を緩和する助けとするために、特殊な光学要素スイッチアセンブリが開発されてきた。このタイプの個々のスイッチアセンブリは、光学要素がその上に備えられ（たとえばその一端に結合され）ているアクチュエータアームに結合されたばね偏倚式ピボットシャフトを備え得る。ピボットシャフトは、光学要素を光路長の中およびその外それぞれに配置することができる第１のラッチ位置と第２のラッチ位置との間でアクチュエータアームを偏倚させる。アームがラッチ位置の一方に保持されると、ばね偏倚式ピボットシャフトが、他方のラッチ位置の方向の回転力をアームに加える。したがって、アクチュエータアームは、それまで保持されていたラッチ位置から解放されると、ピボットシャフトの作用の下に他方のラッチ位置に向かって回動する。不可避なシステム損失のために、ばね偏倚式ピボットシャフトは、アームを他方のラッチ位置まで完全に回転させるのに十分なエネルギーを提供できない。したがって、ラッチ機構が、アームが完全に回転するのを補助し、他方のラッチ位置でばねベースのピボットシャフトの力に対抗してアームを固定するために設けられている。この機構は機械的でもよいが、好ましくは磁気的である。後者に言及すると、磁気ラッチ機構は、やはり磁石を備え得るアームの一部分（たとえば、光学要素とは反対側のアームの先端）を引き付け物理的に係合するように構成された永久磁石を備え得る。この構成は、殆ど電力を消費せずに時間に制限なくアームを所望の位置に保持することができるという点で有利である。アームをラッチ位置から解放するために、アクチュエータアーム上に配置された磁石、または磁気ラッチに用いられている磁石の周りに制御コイルを設け、それによって、電磁石を形成することができる。コイルに電流を流すと、磁気ラッチ機構によって生成されている磁界とは逆方向の磁界が生成され、アクチュエータアームが解放される。次いで、アクチュエータアームが、ばね偏倚式ピボットシャフトの力を受けて、反対側のラッチ位置に向かって回転する。アームを完全に回転させるのに必要な追加エネルギーをやはり供給する第２の磁気ラッチ機構が、次いで、アームを物理的に係合し、アームを他方のラッチ位置に固定する。

上記の理由によって、ばね偏倚式ピボットシャフトを用いる光学要素スイッチアセンブリは、ホイールベースの機構を用いるアセンブリを凌いでかなりの改善を示す。しかし、この種のアセンブリの作動は、やはり望外に大きな電力量を消費する。より具体的には、制御コイルに送られる電流は、アームをラッチ位置から解放するのに十分な強度の磁界を生成するためには比較的大きくなければならない。その主要な理由は、コイルによって生成される磁束が、ラッチ機構の永久磁石から放射される磁束が伝播するのと実質的に同じ経路を伝播するからである。

上記に鑑みて、アクチュエータアームをラッチ位置から解放するのに必要とする電力がより少ない、エネルギー効率の良い磁気スイッチアセンブリ（たとえば光スイッチアセンブリ）を提供するのが望ましいことが理解されるべきである。さらに、本発明の他の望ましい特徴および特性は、添付図面およびこの本発明の背景と併せ、以下の本発明の詳細な説明および添付特許請求の範囲から明らかになるであろう。

本発明は、ステータと、第１のラッチ位置と第２のラッチ位置との間をステータに対して回転するように構成されたロータとを備える双安定磁気スイッチアセンブリを提供する。ステータとロータは協働して、第１の磁路、および共有部分を有する磁路を形成する。ロータに結合されたばねが、ロータが第２のラッチ位置および第１のラッチ位置にあるとき、それぞれ第１のラッチ位置および第２のラッチ位置に向かってロータを偏倚させる。少なくとも１つの磁石が、ステータまたはロータのいずれかに固定的に結合されている。磁石は、第１の磁路内に含まれ、ロータが第２のラッチ位置より第１のラッチ位置に近いときにはロータを第１のラッチ位置に向かって偏倚させ、ロータが第１のラッチ位置より第２のラッチ位置に近いときにはロータを第２のラッチ位置に向かって偏倚させる磁気ラッチ力を生成するように構成されている。少なくとも１つのコイルが、ステータまたはロータのいずれかに固定的に結合され、付勢されると第２の磁路中の磁束を変化させて磁気ラッチ力を低下させる。

好ましいスイッチアセンブリの上記および他の目的、特徴、および利点は、添付図面に示された本発明の好ましい実施形態のより詳細な以下の説明から明らかになるであろう。
本発明の好ましい例示的実施形態が、添付図面に即して以下に説明される。添付図面では、同じ符号は同じ要素を指示する。

第１のラッチ位置にある磁気ラッチアセンブリを示す斜視図である。 第２のラッチ位置にある磁気ラッチアセンブリを示す斜視図である。 図１および２に示されたアセンブリの第１のラッチ位置での機能的上面図である。 図１および２に示されたアセンブリの中間回転位置での機能的上面図である。 図１および２に示されたアセンブリの第２のラッチ位置での機能的上面図である。 磁気ラッチアセンブリの第１のラッチ位置での機能的上面図である。 磁気ラッチアセンブリの中間回転位置での機能的上面図である。 磁気ラッチアセンブリの第２のラッチ位置での機能的上面図である。 本発明の第１の実施形態によるロータの斜視図である。 図９に示されたロータの一部分の展開状態での斜視図である。 本発明の第１の実施形態による、図９に示されたロータと共に用いるのに適したステータの斜視図である。 図１１に示されたステータの一部分の展開状態での側面図である。 図８および９に示されたロータがその周りに配置された、図１０〜１４に示されたステータの切欠斜視図である。 通常状態での磁路を示す、図１１に示されたステータの側面図である。 付勢状態での磁路を示す、図１１に示されたステータの側面図である。

以下の詳細な説明は、本質的に単に例示的なものであり、本発明または本発明の用途および利用法を限定するものではない。さらに、前述の技術分野、背景技術、課題を解決するための手段、または以下の発明を実施するための最良の形態に表されるいかなる明示または示唆された理論によっても拘束されるものではない。

図１および２は、それぞれ第１のラッチ位置および第２のラッチ位置での単純化された双安定非接触型磁気ラッチアセンブリ１００の斜視図である。磁気ラッチアセンブリ１００がさらに図３〜５に示され、それらの図は、それぞれ第１のラッチ位置、中間回転位置、および第２のラッチ位置でのアセンブリ１００の上面図である。ラッチアセンブリ１００は、ステータ１０２とロータ１０４とを備え、ロータ１０４は、ばね偏倚式ピボット機構１０６と、光学要素（たとえばフィルタ、鏡、光源など）１１０がその端部に結合されたアクチュエータアーム１０８とを備える。アクチュエータアーム１０８は、光学要素１１０を受け持ち、その位置を効果的に制御するのに十分な剛性を有する任意の構造部材でよい。ロータ１０４は、軸１１２回りをステータ１０２に対して回転して、ステータ１０２を貫通して設けられている開口１１５を通る光路長１１４に光学要素１１０を出し入れするように構成されている。図示された実施形態では、光学要素１１０は、ロータ１０４が第１のラッチ位置にあるとき（図１および３）には光路長１１４の外に配置され、ロータ１０４が第２のラッチ位置にあるとき（図２および５）には光路長１１４の中に配置されている。

図１および２に最も明瞭に示されているように、ピボット機構１０６は、回転可能な軸１１６と、ばね（たとえば捩り棒ばね）１１８とを備え、ばね１１８は、軸１１６の周りに配置され、たとえばその両端で、アクチュエータアーム１０８およびステータ１０２に固定的に結合されている。ばね１１８は、ロータ１０４を、第１のラッチ位置（図１および３）と第２のラッチ位置（図２および５）との間の中間回転位置（図４）へ偏倚させる。したがって、ロータ１０４が第１のラッチ位置（図１および３）にあるときには、ばね１１８が第２のラッチ位置（図２および５）の方向の回転力をロータ１０４に掛ける。逆に、ロータ１０４が第２のラッチ位置（図２および５）にあるときには、ばね１１８が第１のラッチ位置（図１および３）の方向の回転力をロータ１０４に掛ける。これを考慮すると、ロータ１０４の回転運動が完全にピボット機構１０６によって規定され、かつ、ロータ１０４が両ラッチ位置のいずれかへ物理的に動かされ次いで解放された場合、ロータ１０４は両ラッチ位置の間の領域で振動した後に、最終的に図４に示す中間回転位置に停止するようになることが理解されるべきである。しかし、以下に示されるように、ラッチアセンブリ１００は、ロータ１０４を磁気的にラッチ位置に捕捉し解放されるまで保持するように構成されている。

上記で説明した磁気ラッチ作用を達成するために、２つ以上のステータ磁気領域（以降単純化のために「磁石」と呼ぶ）がステータ１０２に沿って間隔を開けて設けられ、また、少なくとも１つのロータ磁気領域（以降単純化のためにやはり「磁石」と呼ぶ）が、ロータ１０４上に設けられ、ステータ磁気領域に引き付けられるように配置される。ラッチアセンブリ１００では、たとえば、２つの磁石１２２および１２４が、ステータ１０２上で開口１１５のほぼ反対側に配置され、１つのロータ磁石１２０が、光学要素１１０とは反対側のアーム１０８端部に固定的に結合されている。ステータ磁石１２４および１２２は、それらのＮ極およびＳ極が、第１および第２のラッチ位置にあるときのロータ磁石１２０のそれぞれＳ極およびＮ極に隣接するように、ステータ１０２上に配置される。ロータ１０４が第１のラッチ位置（図１および３）に回転すると、ロータ磁石１２０はそれに伴いステータ磁石１２４に隣接する位置に回転する。同様に、ロータ１０４が第２のラッチ位置（図２および５）に回転すると、ロータ磁石１２０はステータ磁石１２２に隣接する位置に回転する。ロータ磁石１２０は、第１および第２のラッチ位置のいずれにおいてもそれぞれステータ磁石１２０または１２２に接触しないように図示されているが、アセンブリ１００は、ロータ磁石１２０が、両ラッチ位置のいずれにおいても、ステータ磁石１２０、ステータ磁石１２２、またはステータ１０２のどこか他の部分に接触するように構成され得ることが理解されるべきである。この出願に用いられている用語「磁石」は、天然または誘導のいずれであっても磁気双極子を有する任意の物体として広い意味に解釈されるべきであることが、やはり理解されるべきである。したがって、用語「磁石」には、鉄製磁極片などの、永久磁石に結合され磁場を生成する物体が含まれる。用語「磁石」はまた、そのように結合された物体の領域または部分も包含する。

ロータ１０４が中間位置（図４）にあるとき、ロータ磁石１２０はステータ磁石１２２およびステータ磁石１２４から等距離にある。したがって、この位置では、ロータ１０４に作用する磁力は、実質的に釣合い、ロータ１０４は、どちらのラッチ位置にも磁気的に偏倚させられることはない。しかし、他のいずれの回転位置でも、ロータ１０４は、第１または第２のラッチ位置のいずれかに向かって磁気的に偏倚させられる。より具体的には、ロータ１０４が第２のラッチ位置より第１のラッチ位置に近い（ロータ磁石１２０とステータ磁石１２４との距離がロータ磁石１２０とステータ磁石１２２との距離より短い）とき、ロータ１０４は第１のラッチ位置に向かって磁気的に偏倚させられる。ロータ１０４が第１のラッチ位置に近付くにつれて、ロータ磁石１２０とステータ磁石１２４との距離が減少し、磁石１２０と磁石１２４との間の吸引力が加速度的に強くなる。ロータ１０４が第１のラッチ位置に完全に回転してしまうと、ロータ磁石１２０とステータ磁石１２４との間の吸引力は最大になり、ロータ１０４がピボット機構１０６の影響の下に第２のラッチ位置に向かって回転して戻るのを防止するのに十分になる。逆に、ロータ１０４が第２のラッチ位置に近付くにつれて、磁石１２０と磁石１２２との間の吸引力が加速度的に強くなる。ロータ１０４が第２のラッチ位置に完全に回転してしまうと、ロータ磁石１２０と磁石１２４との間の吸引力は最大になり、ロータ１０４がピボット機構１０６の影響の下に第１のラッチ位置に向かって回転して戻るのを防止するのに十分になる。したがって、第１または第２のラッチ位置のいずれかに回転させられたとき、ロータ１０４は磁力によってそこに固定され、以下に説明するようにして解放されるまでは、ピボット機構１０６の影響の下に他方のラッチ位置に向かって回転することはできない。

ロータ１０４はラッチ位置から２つの方式のいずれかで解放することができる。すなわち、（１）ロータ１０４に他方のラッチ位置の方向に追加の力を掛けることによる、または、（２）ロータ磁石１２０と隣接するステータ磁石との間の磁気吸引力を低下させることによる方式である。より完全に以下に説明される好ましい実施形態では、本発明のラッチアセンブリは、可能な限り１番目も併せて、２番目の方式を実施するように構成されている。以下に示されるように、これは、１つまたは複数の制御コイルを１つまたは複数のロータ磁石および／または複数のステータ磁石の周りに配置することによって達成される。１つまたは複数の制御コイルに電流が流されると、コイルと組み合わさった磁石とそれに隣り合う磁石または強磁性物体との間の吸引力を弱める磁界が生成される。こうして一時的に磁気吸引力を弱めることによって、アクチュエータ１０４が、ピボット機構１０６の影響の下に他方のラッチ位置に移動することができるようになる。周知のラッチアセンブリとは異なり、本発明のラッチアセンブリは、２つの磁束経路が形成されるように構成されている。すなわち、永久磁石によって放射された磁束がそれに沿って通る第１の磁路と、制御コイルによって生成された磁束がそれに沿って通る第２の磁路である。以下に示されるように、制御コイルによって生成された磁束用に独立した経路を設けることによって、制御コイル経路の磁気抵抗が著しく低下する。これにより、磁気ラッチ力を減少させロータをラッチ位置から解放するのに必要な電力がより少なくなる結果となる。

図１〜５をさらに参照すると、第１および第２の制御コイルを、ステータ磁石１２２および１２４とそれぞれ連携させることができるが、これら制御コイルの細かな配置は以下のより詳細な説明に委ねる。制御コイルは、磁石ラッチ力を減少させロータ１０４をラッチ位置から解放するために選択的に付勢され得る。たとえば、現時点でロータ１０４が、ステータ磁石１２０とロータ磁石１２４との磁気的相互作用によって第１のラッチ位置（図１および３）に固定されている場合、ロータ１０４は、ステータ磁石１２４に連携する制御コイルに電流を供給して磁石１２０と１２４との間の正味吸引力を低下させ、それによってロータ１０４をピボット機構１０６の作用の下に第２のラッチ位置（図２および５）に向かって回転させることによって、第１のラッチ位置から解放され得る。ロータ１０４が第２のラッチ位置に近付くと、ステータ磁石１２０とロータ磁石１２２との間の吸引力が、ロータ１０４を第２のラッチ位置に完全に回転させる追加エネルギーを供給し、ロータ１０４を第２のラッチ位置に固定する。ロータ１０４は、ステータ磁石１２２に連携する第２の制御コイルが付勢されるまで、第２のラッチ位置に係止されたまま残る。

図６〜８は、それぞれ第１のラッチ位置、中間回転位置、第２のラッチ位置における磁気ラッチアセンブリ２００の機能的上面図である。上記のラッチアセンブリ１００と同様に、ラッチアセンブリ２００は、ステータ２０２と、ロータ２０４とを備える。ただし、ラッチアセンブリ２００では、ステータ２０２およびロータ２０４はほぼ円筒形であり、ロータ２０４は、ほぼ円筒形の空胴を画成する内面を備え、その空胴中にステータ２０２が配置される。上記の場合と同様に、ロータ２０４はばね偏倚式ピボットシャフト２０６と、光学要素２１０がその端部に結合されたアクチュエータアーム２０８とを備える。ロータ２０４は、その外周を廻って角度的に分散された複数のロータ磁石をさらに備える。図６〜８に見られるように、ロータ２０４には、そのような８個の磁石（すなわち、ロータ磁石２１２、２１４、２１６、２１８、２２０、２２２、２２４、および２２６）が設けられ、それら磁石は、ロータ２０４の内面を廻って、ピボットシャフト２０６の長手方向軸（すなわち回転軸）に関して約４５°間隔で配置されている。同様に、ステータ２０２には、８個の磁石（すなわち、ステータ磁石２３２、２３４、２３６、２３８、２４０、２４２、２４４、および２４６）が設けられ、それら磁石は、ステータ２０２の外面を廻って、回転軸に関して約４５°間隔で配置されている。ステータ磁石とロータ磁石とは、互いに磁気的に引き付け合うように配置されている。たとえば、図６〜８に示されるように、ロータ磁石は、それらの磁極がステータ磁石の磁極と逆になるように配置され得る。

ロータ２０４は、ステータ２０２を廻って回転軸の周りを第１のラッチ位置（図６）と第２のラッチ位置（図８）との間で回転する。第１のラッチ位置（図６）にあるときは、ロータ磁石２１２、２１４、２１６、２１８、２２０、２２２、２２４、および２２６は、それぞれステータ磁石２３２、２３４、２３６、２３８、２４０、２４２、２４４、および２４６に実質的に隣接している。第２のラッチ位置（図８）にあるときは、ロータ１０４は約４５°だけ時計方向に回転させられ、ロータ磁石２１２、２１４、２１６、２１８、２２０、２２２、２２４および２２６は、それぞれステータ磁石２４６、２３２、２３４、２３６、２３８、２４０、２４２、および２４４に実質的に隣接している。ラッチアセンブリ２００は、上記で説明したアセンブリ１００が作動するのとほぼ同じように作動する。すなわち、ばね偏倚式ピボット機構は、ロータ２０４を中間回転位置（図７）に向かって偏倚させ、ロータ磁石およびステータ磁石は、ロータ２０４を、ロータ２０４が中間回転位置と第１のラッチ位置との間にあるときには、第１のラッチ位置（図６）に向かって偏倚させ、ロータ２０４が中間回転位置と第２のラッチ位置との間にあるときには、第２のラッチ位置（図８）に向かって偏倚させる。ロータ２０４がピボット機構の回転作用の下にラッチ位置に近付くと、磁気ラッチ力が、ロータ２０４をラッチ位置に完全に回転させロータ２０４をラッチ位置に固定するエネルギーを供給する。上記で簡単に説明し、以下により完全に説明するように、ロータ２０４は、１つまたは複数のステータ磁石および／または１つまたは複数のロータ磁石と連携する１つまたは複数の制御コイルを付勢することによって、第１または第２のラッチ位置から解放され得る。

図９は、本発明の第１の実施形態によるロータ３００の斜視図である。ロータ３００は、内面３０４を有する本体３０２と、本体３０２にその第１の端部で固定的に結合され、光学要素３０８にその第２の端部で固定的に結合されたアクチュエータアーム３０６とを備える。ロータ３００がラッチ位置間を回転するときのシステムの擾乱（たとえば振動）を最低限に抑えるようにアーム３０６および要素３０８との釣合いを取る助けとするために、釣合錘３１０が、アーム３０６と反対側で本体３０２にやはり固定的に結合されている。内面３０４は、ほぼ円筒形状を有する本体３０２を貫通する空胴３１２を画成する。空胴３１２は、図１１〜１５に即して以下に説明されるタイプのステータを受け入れるように構成されている。***脈条の網目が、内面３０４に沿って形成され、ステータの磁気領域を引き付ける（またはそれに引き付けられる）ように構成されている。図９、また図１０（ロータ３００の一部分の展開状態での斜視図）に示されるように、この網目は、複数（たとえば１０本）の上側長手方向脈条３１４と、複数（たとえば１０本）の下側長手方向脈条３１６と、脈条３１４を脈条３１６に連結する赤道脈条３１８とを備える挌子の形態を取ることができるが、明快にするために図１０には４本の上側脈条３１４、４本の下側脈条３１６、および長手方向脈条３１６の一部分のみが示されている。ロータ３００が用いられている磁気スイッチアセンブリの作動中、本体３０２は、その比較的低い磁気抵抗によって磁気的に中立のままになっている。図９および１０に示されているように、脈条３１４、３１６、および３１８は、それぞれ単純に強磁性材（たとえば鉄）を備え、その強磁性材が、図１１〜１５に即して以下に説明するように配置された、ステータ上に設けられた磁気領域に引き付けられる。より完全に以下に説明されるように、ロータ３００は、空胴３１２内に配置されたステータと協働して、（１）上記で説明したようにラッチ位置にロータを偏倚させ固定する永久磁束用の第１の磁路と、（２）１つまたは複数の制御コイル（以下に説明する）が付勢されたとき生成される磁束用の第２の磁路とを形成するように構成されている。２つの磁路は、脈条３１４および３１６中で実質的に対抗し、赤道脈条３１８に近接した領域を共有する。したがって、制御コイルが付勢されると、それによって生成された磁束が、脈条３１４および３１６中の第１の磁路を通る磁束に対抗し、したがって磁気ラッチ力を低下させ、それにより、ロータ３００をラッチ位置から解放する。同時に、磁束および中心磁束が赤道脈条３１８中に付加されるが、正味トルクは生成しない。このように２つの磁路を設けることによって、本発明のスイッチアセンブリは、第２の制御磁路の磁気抵抗を低下させ、それによって、ロータ３００をラッチ位置から解放するためにコイルに送らなければならない電力量を減少させる。

図１１は、本発明の第１の実施形態による、ロータ３００と共に（すなわち、ロータ３００の空胴３１２内に配置して）用いるのに適したステータ４００の斜視図である。ステータ４００の一部分が、さらに図１２に展開状態で示されている。ステータ４００は、上側のほぼ円筒状の磁極体４０２と、下記に説明するように一連のコネクタアセンブリ４０６を介して磁極体４０２に固定的に結合された下側のほぼ円筒状の磁極体４０４とを備える。磁極体４０２は、複数の水平なタイ４１０を用いて連結された複数の垂直歯４０８を備える。図１１を参照することによって最も容易に理解することができるように、垂直歯４０８は、ステータ４００から水平タイ４１０よりも半径方向外側へ延出する。ステータ４００がロータ３００（図９および１０）の空胴３１２内に配置されると、歯４０８は、ロータ３００がラッチ位置にあるとき上側の脈条３１４に整列しほぼ接触するように構成されている。対照的に、タイ４１０は、歯４０８に比較して凹設されており、したがって、全ての回転位置で比較的大きな空隙によって上側の脈条３１４から離れている。タイ４１０および歯４０８をこのように配置することによって、全ての回転位置でタイ４１０と上側の脈条３１４との磁気的相互作用が最低限に抑えられ、ロータ３００がラッチ位置にあるとき、歯４０８と脈条３１４との磁気的相互作用が容易になる。

磁極体４０４は磁極体４０２と実質的に同一であるが、ステータ４００内へのその配置は磁極体４０２の配置とは異なる（磁極体４０４は、磁極体４０２に対して逆さで、僅かに回転した配置を有する）。磁極体４０４は、複数の水平なタイ４１４を用いて連結された複数の垂直歯４１２を備え、歯４１２およびタイ４１４は、歯４０８およびタイ４１０と同じようにステータ４００内に配置されている。ステータ４００が空胴３１２内に配置されるとき、歯４１２およびタイ４１４は、ロータ３００の下側の脈条３１６（図９および１０）に近接して配置される。やはり、歯４１２は、ロータ３００が第１または第２のラッチ位置のいずれかにあるとき下側の脈条３１６に整列し、それにほぼ接するように半径方向外側に延出する。対照的に、タイ４１４は、凹設されており、全ての回転位置で比較的大きな空隙によって脈条３１６から離れたままである。上記の場合のように、この構成によって、全ての位置でのタイ４１４と下側の脈条３１６との磁気的相互作用が最低限に抑えられ、ロータ３００がラッチ位置にあるときには、歯４１２と脈条３１６との磁気的相互作用が容易になる。

上記で述べたように、磁極体４０４は、一連のコネクタアセンブリ４０６によって磁極体４０２に固定的に結合されている。コネクタアセンブリ４０６はそれぞれ、ロッド４１８（たとえば鉄などの強磁性材）と、磁石４２０と、赤道磁極片４２２（たとえば鉄などの強磁性材）とを備え、赤道磁極片４２２は、ロッド４１８と磁石４２０との間に固定的に結合され、ステータ４００がロータ３００の空胴３１２内に配置されたときに赤道脈条３１８にほぼ接触するように半径方向外側に延出する。説明を容易にするためには、ステータ４００が複数（たとえば１０個）の部分に分割され、それぞれの部分が、コネクタアセンブリ４０６と、磁極体４０２の一部分（すなわち垂直歯４０８および水平タイ４１０）と、磁極体４０４の一部分（すなわち垂直歯４１２および水平タイ４１４）とを備えるものとして説明することが役立つ。明瞭化のためにそのような部分を４つのみ示す図１２に見られるように、ステータ部分は第１のアセンブリ４１６と第２のアセンブリ４１７とを交互に繰り返す。アセンブリ４１６（図１２の左端）では、上側の水平タイ４１０が、隣接する第１の歯４０８の上部に連結され、下側の水平タイ４１４が、隣接する第２の歯４１２の中間部分に連結されている。またアセンブリ４１６では、ロッド４１８が上側タイ４１０に結合され、磁石４２０が下側タイ４１４に連結されている。第２のアセンブリ４１７（図１２の右端）は、実質的に、アセンブリ４１６を逆さにしたものである。すなわち、アセンブリ４１７では、上側の水平タイ４１０が、隣接する第１の歯４０８の中間部分に連結され、下側の水平タイ４１４が、隣接する第２の歯４１２の下部に連結されている。さらに、ロッド４１８がタイ４１４に結合され、磁石４２０がタイ４１０に結合されている。

さらに図１２を参照すると、制御コイル４２４が、コイル４２４の一方の端部が赤道磁極片４２２に近接し、他方の端部がアセンブリ４１６の上側タイ４１０、またはアセンブリ４１７の下側タイ４１４に近接するように、各ロッド４１８の周りに配置されている。制御コイル４２４は、電源（図示せず）に結合され、付勢されるとロータ３００とステータ４００との間の正味ラッチ力を減少させる磁界を生成するように構成されている。ラッチ力が十分に減少させられると、ロータ３００が、上記で説明したように、ばね偏倚式ピボット機構（または他の偏倚手段）の作用の下に反対側のラッチ位置に向かって回転することができる。制御コイル４２４が、磁石４２０によって生成された磁界に概ね対抗する磁界をどのように生成するかの詳細な説明が以下に行われるが、その説明に入る前に、様々な回転位置でのロータ３００に対するステータ４００の配置を先ず説明することが役に立つであろう。

図１３は、ロータ３００が第１のラッチ位置にあるときの、ロータ３００の空胴３１２内に配置されたステータ４００の切欠斜視図である。図１３には、ロータ３００の一部分（すなわち、上側の脈条３１４、下側の脈条３１６、および赤道脈条３１８）のみが示されており、本体３０２、錘３１０、アクチュエータアーム３０６、光学要素３０８、および制御コイル４２４は明瞭化のために示されていないことに留意されたい。想起される通り、ロータ３００は、ステータ４００を廻って回転軸の周りを第１のラッチ位置と第２のラッチ位置との間で回転するように構成されている。図１３に示される第１のラッチ位置では、各歯４０８および４１２は、それぞれ特定の脈条３１４および３１６に整列している。第２のラッチ位置（すなわちロータ３００が時計方向に３６°回転したとき）では、各歯４０８および４１２は、異なる脈条３１４および３１６にそれぞれ整列している。上記で説明したように、歯４０８および４１２は、ステータ４００から半径方向外側に延出しており、それによって、ロータ３００がいずれかのラッチ位置にあるとき、脈条３１４および３１６にほぼ接触する。したがって、ロータ３００がラッチ位置にあるとき、ステータ４００の歯とロータ３００の脈条との間には比較的小さな空隙しか存在せず、磁束がそれらの間を容易に透過することができる。より具体的には、磁束は、上側の歯４０８から上側の脈条３１４へ透過し、下側の歯４１２から下側の脈条３１６へ透過する。対照的に、ロータ３００がラッチ位置にないときは、歯４０８および４１２は、それぞれ脈条３１４および３１６に整列せず、磁束がそれらの間を容易に透過することはできない。ロータ３００がラッチ位置から遠ざかる程、ステータ４００の歯とロータ３００の脈条との間の空間的空隙が大きくなり、上側の歯４０８から上側の脈条３１４へ、および下側の歯４１２から下側の脈条３１６へ透過する磁束が少なくなる。この構成の結果として、ロータ３００は、上記に説明したようにして、第１または第２のラッチ位置に向かって磁気的に偏倚させられる。

上記に述べたように、赤道磁極片４２２はそれぞれ、ステータ４００がロータ３００の空胴３１２内に配置されたとき、赤道脈条３１８にほぼ接触するように半径方向外側に延出している。半径方向外側に延出して、ロータ３００がラッチ状態あるときのみ脈条３１４および３１６それぞれにほぼ接触する歯４０８および４１２とは異なり、磁極片４２２は、全ての回転位置で赤道脈条３１８にほぼ接触している。これを考慮すると、ロータ３００上に配置された脈条の編み目は一種の磁気可動橋として機能することを理解することができる。ロータ３００がラッチ位置にないとき、赤道磁極片４２２が赤道脈条３１８の近くにあるのみであり、極めて少ない磁束がロータ３００とステータ４００との間を流れる。しかし、ロータ３００がラッチ位置（またはその近く）にあるとき、赤道磁極片４２２が赤道脈条３１８の近くにあり、上側の歯４１８が上側の脈条３１８の近くにあり、下側の歯４１２が下側の脈条３１６の近くにある。この配置により複数の磁路が形成され、その磁路に沿って、以下の段落に詳細に説明するように、磁束が、ロータ３００とステータ４００との間を流れることができる。

図１４は、ロータ３００（図示せず）がラッチ位置にあるときの磁路を示す、ステータ４００の一部分の展開状態での側面図である。アセンブリ４１６では、磁石４２０は、赤道磁極片４２２がＮ極になり、タイ４１４および歯４１２がＳ極になるように配置されている。磁石４２０によって生成された磁束は、以下のように、Ｎ極からＳ極へ２つの磁路４２６に従う。先ず、磁石４２０によって放射された磁束は、赤道磁極片４２２を通ってロータ３００上の赤道脈条３１８へ透過する（図９、１０、および１３）。ロータ３００内で、磁路は、赤道脈条３１８から下側長手方向脈条３１６へ続く。次いで、磁束は、脈条３１６から下側の歯４１２を介してステータ４００中に戻って来る。最後に、磁束は歯４１２からタイ４１４を通って磁石４２０へ透過する。

第２のアセンブリ４１７（図１４）では、磁石４２０は、赤道磁極片４２２がＳ極になり、タイ４１０および歯４０８がＮ極になるように配置されている。磁石４２０によって生成された磁束は、以下のように、Ｎ極からＳ極へ２つの磁路４２７を通る。先ず、磁石４２０から放射された磁束は、タイ４１０を通って、タイ４１０に隣接する上側の歯４０８へ流れる。上側の歯４０８から、磁束は、ロータ３００上の上側長手方向脈条３１４を通って（図９、１０、および１３）、次いで赤道脈条３１８へ透過する。次いで、磁束は、ロータ３００上の赤道脈条３１８から赤道磁極片４２２へ、すなわちステータ４００へ戻って来たのち、磁石４２０へ戻る。

上記に述べたように、アセンブリ４１６でのタイ４１０および磁極片４２２の極性によって、下側の歯４１２がＳ極になる。逆に、アセンブリ４１７でのタイ４１４および磁極片４２２の極性によって、上側の歯４０８がＮ極になる。その結果、脈条３１４および３１６は、それぞれ歯４０８および４１２に磁気的に引き付けられ、ロータ３００は、脈条と歯が整列するラッチ位置に向かって磁気的に偏倚させられる。ラッチ位置にあるとき、相対的に大量の磁束が、磁路４２６および４２７を通って透過し、ロータ３００とステータ４００との磁気的相互作用はその最大限に達する。そのようなラッチ位置では、磁気的相互作用は、上記のように、ロータ３００がばね偏倚式ピボット機構の影響を受けて回転することを防止するのに十分である。ロータ３００は、以下の段落に説明されるように、１つまたは複数の制御コイル４２４を付勢することによってロータ３００とステータ４００との磁気的相互作用が弱められるまで、ラッチ位置に留まる。

図１５は、（１）ロータ３００（図示せず）がラッチ位置にあり、（２）複数の制御コイル４２４の少なくとも１つが付勢されているときの磁路を示す、ステータ４００の一部分の展開状態での側面図である。コイル４２４は、磁石４２０によって生成された磁場に対抗する磁場をロッド４１８内に誘起するように構成されている。たとえば、アセンブリ４１６では、コイル４２４によってロッド４１８内に誘起された磁束は、以下のようにして２つの磁路４２９に沿って透過する。先ず、制御磁路４２９は、ロッド４１８からステータ４００上の赤道磁極片４２２へ、その後、ロータ３００上の赤道脈条３１８へ通る。赤道脈条３１８から、制御磁路４２９は、長手方向脈条３１４へ、その後、上側の歯４０８へ通り、すなわちステータへ戻る。磁路４２９は、次いで歯４０８からタイ４１０を通って続き、ロッド４１８へ戻る。したがって、制御磁路４２９の方向は、経路４２７の方向とは実質的に反対であることが理解されるべきである。図１５に４３２で示されるように、経路４２９の一部分が経路４２７の一部分と一致する。詳細には、経路４２９は、たとえば、各歯４０８の面に沿い得る一連の共有領域を除いて、全体的には経路４２７とは分かれている。共有領域は、好ましくは、磁気ラッチ力が大きく発生する領域に近接している。経路４２７および４２９をこのように配置することによって、経路４２７の磁気抵抗を最低限に抑えることができ、さらにコイル４２４が付勢されたときそれによって生成される磁場を受け入れて、上側の歯４０８と上側の脈条３１４との間、したがって、ステータ４００とロータ３００との間の磁気吸引力を低下させる。経路４２７の磁気抵抗を低下させることによって、いずれのラッチ位置からロータ３００を解放するのにも、より少ない電力をコイル４２４へ送ればよく、したがって、本発明の磁気ラッチアセンブリはより効率的に作動する。

次にアセンブリ４１７に言及すると、コイル４２４によって放射された制御磁束は、以下のように制御磁路４２８を通って行く。先ず、制御磁路４２８は、ロッド４１８からタイ４１４を通って歯４１２へ透過する。歯４１２から、制御磁路４２８は、ロータ３００上に設けられた下側の長手方向脈条３１６へ（図９、１０、および１３）、次いで赤道脈条３１８へ通って行く。最後に、磁路４２８は、脈条３１８から磁極片４２２へ通り、ロッド４１８へ戻る。上記の磁路４２７および４２９の場合のように、磁路４２６と４２８とは、重なり合った部分で概ね互いに対抗し、その部分は、たとえば、各歯４１２の面に沿い得る（図１５に４３０で示す）。やはり、一方はコイル４２４によって生成される制御磁束用、他方は磁石４２０によって生成される磁束用の２種類の磁路を設けることによって、本発明のスイッチアセンブリは制御磁路の磁気抵抗を低下させ、それによって、ロータ３００をラッチ位置から解放するためにコイル４２４に送らなければならない電力量を減少させる。

上記に鑑みて、アクチュエータアームをラッチ位置から解放するのに必要とする電力がより少ないエネルギー効率の良い磁気スイッチアセンブリ（たとえば光スイッチアセンブリ）が提供されたことが理解されるべきである。少なくとも１つの例示的実施形態が上記の詳細な説明において提示されたが、多数の変形形態が存在することが理解されるべきである。１つまたは複数の例示的実施形態は例に過ぎず、決して、本発明の範囲、適用性、または構成を限定するものではないこともまた理解されるべきである。むしろ、上記の詳細な説明は、当業者に、１つまたは複数の例示的実施形態を実現するための好都合な道案内を提供するであろう。添付特許請求の範囲に示された本発明の範囲およびその法的同等物から逸脱することなく要素の機能およびアセンブリに様々な変更を加えることができることが理解されるべきである。

Claims (10)

1. ステータ（１０２、２０２、４００）と、
   第１のラッチ位置と第２のラッチ位置との間を前記ステータに対して回転するように構成され、第１の磁路、および前記第１の磁路と共有部分を有する第２の磁路を形成するように前記ステータと協働するロータ（１０４、２０４、３００）と、
   前記ロータが第２のラッチ位置および第１のラッチ位置にあるとき、それぞれ第１のラッチ位置および第２のラッチ位置に向かって前記ロータを偏倚させるように前記ロータに結合されたばね（１１８）と、
   前記ステータおよび前記ロータの１つに固定的に結合され、前記第１の磁路内に含まれる少なくとも１つの磁石（１２０、１２２、１２４、２１２、２３２、４２０）であって、前記ロータが第２のラッチ位置より第１のラッチ位置に近いときには前記ロータを第１のラッチ位置に向かって偏倚させ、前記ロータが第１のラッチ位置より第２のラッチ位置に近いときには前記ロータを第２のラッチ位置に向かって偏倚させる磁気ラッチ力を生成するように構成された磁石と、
   前記磁気ラッチ力を低下させるために、付勢されると前記第２の磁路中の磁束を変化させるように前記ステータおよび前記ロータの１つに固定的に結合された少なくとも１つのコイル（４２４）と
   を備える双安定磁気スイッチアセンブリ（１００、２００）。
2. 前記ロータ（１０４、２０４、３００）に結合され、光学要素（１１０、２１０、３０８）が固定的に結合されたアーム（１０８、２０８、３０６）であって、前記ロータが第１のラッチ位置にあるときには前記光学要素を光路長（１１４）の中に配置し、前記ロータが第２のラッチ位置にあるときには前記光学要素を光路長の外に配置するアームをさらに備える、請求項１に記載のスイッチアセンブリ（１００、２００）。
3. 前記ロータ（１０４、２０４、３００）はそれを貫通する空胴（３１２）を備え、前記ステータ（１０２、２０２、４００）は前記空胴内に配置されている、請求項１に記載のスイッチアセンブリ（１００、２００）。
4. 前記ステータ（１０２、２０２、４００）は、外側へ突出する複数の半径方向歯（４０８、４１２）を備え、前記ロータ（１０４、２０４、３００）は、内側へ突出する複数の脈条（３１４、３１６）を備え、前記ロータは第１のラッチ位置にあるときには、前記歯のそれぞれが前記脈条の別々の第１のものに整列し、前記ロータが第２のラッチ位置にあるときには、前記歯のそれぞれが前記脈条の別々の第２のものに整列する、請求項３に記載のスイッチアセンブリ（１００、２００）。
5. 前記外側へ突出する複数の半径方向歯（４０８、４１２）は、一連の上側の半径方向歯（４０８）と、一連の下側の半径方向歯（４１２）とを備え、前記内側へ突出する複数の脈条（３１４、３１６）は、前記上側の半径方向歯と連携する一連の上側の脈条（３１４）と、前記下側の半径方向歯と連携する一連の下側の脈条（３１６）とを備える、請求項４に記載のスイッチアセンブリ（１００、２００）。
6. 前記ステータ（１０２、２０２、４００）は、前記上側の半径方向歯（４０８）および前記下側の半径方向歯（４１２）の個々のものの間にそれぞれ配置された外側へ突出する複数の赤道磁極片（４２２）をさらに備え、前記ロータ（１０４、２０４、３００）は、内側へ突出する赤道脈条（３１８）をさらに備え、前記磁極片（４２２）は前記赤道脈条（３１８）に実質的に整列する、請求項５に記載のスイッチアセンブリ（１００、２００）。
7. 前記少なくとも１つの磁石（１２０、１２２、１２４、２１２、２３２、４２０）は、前記赤道磁極片（４２２）の別々のものにそれぞれが結合された複数の永久磁石（４２０）を備える、請求項６に記載のスイッチアセンブリ（１００、２００）。
8. 前記少なくとも１つのコイル（４２４）は、前記赤道磁極片（４２２）の別々のものにそれぞれが結合された複数のコイル（４２４）を備える、請求項６に記載のスイッチアセンブリ（１００、２００）。
9. 前記ステータ（１０２、２０２、４００）は、前記複数のコイル（４２４）の１つをそれぞれがその周りに配置されて有する複数の強磁性ロッド（４１８）をさらに備える、請求項８に記載のスイッチアセンブリ（１００、２００）。
10. ステータ（１０２、２０２、４００）は、上側のステータ部分（４０２）と、下側のステータ部分（４０４）とをさらに備え、前記複数の強磁性ロッド（４１８）は、前記上側のステータ部分に結合された第１の端部、および前記赤道磁極片（４２２）の別々のものに結合された第２の端部をそれぞれが有する第１のグループのロッド（４１８）と、前記下側のステータ部分に結合された第１の端部、および前記赤道磁極片の別々のものに結合された第２の端部をそれぞれが有する第２のグループのロッド（４１８）とを備える、請求項９に記載のスイッチアセンブリ（１００、２００）。

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