DE68927729T2

DE68927729T2 - Faseroptischer Schalter mit Eigenbeleuchtung

Info

Publication number: DE68927729T2
Application number: DE68927729T
Authority: DE
Inventors: John S Kidder; Derek Montgomery
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-09-16
Filing date: 1989-09-08
Publication date: 1997-07-17
Anticipated expiration: 2009-09-09
Also published as: EP0359712A2; DE68927729D1; EP0359712A3; EP0359712B1; US5090791A; CA1282986C

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung liegt auf dem Gebiet von Schaltern für elektrische Kontrolllampen und betrifft insbesondere Schalter, welche mittels faseroptischen oder lichtleitenden Systemen betrieben werden.

Hintergrund der Erfindung

In gewissen Anwendungen, bspw. in Cockpits von Flugzeugen, werden Leuchtanzeigen für elektrische Schalter benötigt, damit der Bediener feststellen kann, ob sich der Schalter in einem eingeschalteten oder einem ausgeschalteten Zustand befindet. In konventionellen Schaltern wurden Glühlampen benützt, um solche Kontrollampen zu schaffen. In grosser Anzahl erzeugen jedoch solche Glühlampen eine grosse Wärmemenge; dies ist ineffizient und in geschlossenen Räumen wie Flugzeugen möglicherweise sicherheitsgefährdend.
In der Vergangenheit war es bekannt, faseroptische Kontrollampen für die Funktionskontrolle elektrischer Geräte zu benützen, um ein sichereres System für Anwendungen im Spitalbereich, in nassen, explosiven oder anderen gefährlichen Umgebungen zur Verfügung zu stellen. Hingewiesen sei z. B. auf das US-Patent Nr. 3,999,074, welches ein faseroptisches Gerät zur Kontrolle elektrischer Leistung beschreibt, und auf das US-Patent Nr. 4,704,656, welches einen faseroptischen Schalter zur Kontrolle einer Wandsteckdose offenbart. Solche Geräte brauchen den faseroptischen Schalter, um ein Lichtsignal einem photoelektrischen Bauteil zuzuführen, welches dann wieder den elektrischen Schaltkreis kontrolliert. Auf diese Weise kann die faseroptische Kontrollampe fern vom elektrischen Schaltkreis angebracht werden. Hingewiesen sei z. B. auch auf das US-Patent Nr. 4,315,147, welches einen mechanischen Schalter beschreibt, der derart zwischen zwei faseroptischen Leitungen angebracht ist, dass er den Lichtübergang von einer Leitung auf die andere reversibel blockieren kann, und auf das europäische Patent Nr. 0 012 274, welches ein Gerät mit einem Lichtschalter offenbart, wobei das Schaltelement reflektierend und an einer magnetischen Führung befestigt ist, welche in Funktion eines in einen Elektromagneten eingespiesenen Stromes bewegbar ist. Keines dieser Geräte hat einen ins Gerätegehäuse selbst eingebauten Lichtleiter, um die Herstellung zu vereinfachen. Schliesslich benützt keines der bekannten Geräte ein einfaches mechanisches Schaltelement, um das Licht in einen Lichtweg bzw. von diesem Lichtweg weg zu schalten.
Die Erfindung gemäss den Patentansprüchen soll diese Schwierigkeiten überwinden. Sie schafft Mittel zur Lichtlenkung in einem mechanischen Schalter, um Licht, je nach der Stellung des Schalters, in einen ausgangsseitigen Lichtweg bzw. von diesem ausgangsseitigen Lichtweg weg zu lenken. Das Koppeln zwischen einem eingangsseitigen und ausgangsseitigen Lichtweg wird durch ein faseroptisches oder lichtleitendes Kontrollsystem bewerkstelligt, welches wenigstens teilweise in einem mechanischen Schalter eingebaut ist. Das geschaltete Licht wird benützt, um elektrische Schaltkreise zu kontrollieren und um den Einfall von geschaltetem Licht auf eine Kontrollampe zu steuern.
Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung wird der Lichtleiter durch das Schaltergehäuse selbst gebildet.
Die Vorteile der Erfindung gegenüber konventionellen elektrischen Kontrollsystemen sind niedrigere Komplexität, grössere Zuverlässigkeit, verminderte Wärmeerzeugung und niedrigere Kosten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Besondere Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden bloss anhand von Beispielen unter Verwendung von Zeichnungen beschrieben, in welchen
Fig. 1 eine schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemässen optischen Schalters ist,
Fig. 2 ein schematischer Querschnitt des Schalters von Fig. 1 entlang der Linie II-II der Fig. 1 ist,
Fig. 3 eine Ansicht des Einrastmechanismus ist, welcher in dieser Erfindung gebraucht wird,
Fig. 4 eine vergrösserte Ansicht der Fläche VI von Fig. 3 ist,
Fig. 5 ein vertikaler Querschnitt einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist und
Fig. 6 ein Querschnitt entlang der Linien VIII-VIII von Fig. 5 ist.
Fig. 7 ist ein Querschnitt einer erfindungsgemässen ersten Schiebeschalter-Variante.

Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

Bezugnehmend auf die Zeichnungen, wird in Fig. 1 ein optischer Schalter allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Er beinhaltet ein Gehäuse 11a, welches aus einer auf einem Schaltersockel 12 angebrachten Verschalung 11 besteht, und einen Tastschalter 13, welcher innerhalb der Verschalung 11 angebracht ist und parallel zur Verschalung 11 beweglich ist. Alle diese Komponenten bestehen aus Kunststoff und sind durch Spritzgusstechniken geformt.
Beleuchtungslicht wird durch einen im Schaltersockel 12 befestigten Wellenleiter 34 zugeführt.
In Fig. 3 wird der Einrastmechanismus allgemein mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnet. Der Einrastmechanismus 40 beinhaltet eine herzförmige Einrastrille 41, eine Falle 42 und eine Blattfeder 43 zwischen der Verschalung 11 und der Falle 42. Eine Druckfeder 44 befindet sich zwischen dem Tastschalter 13 und dem Schaltersockel 12.

Wirkungsweise

Für die Erklärung der Wirkungsweise wird angenommen, dass die Stellung des in Fig. 1 dargestellten optischen Schalters demjenigen Zustand entspricht, in welchem sich der Schaltkreis in einem positiven Zustand befindet. Das heisst: Der Schaltkreis ist in Betrieb.
In diesem Zustand wird das Licht der Signallichtquelle, welches durch den Wellenleiter 33 und den als Wellenleiter ausgebildeten eingangsseitigen Lichtweg 15 hindurchläuft, an den ebenen Flächen 31 reflektiert und vom Wellenleiter 14 empfangen. Der Wellenleiter 14 ist mit einem (nicht gezeigten) Sensor wirkverbunden, wobei das Vorhandensein von Licht dem Sensor anzeigt, dass der Schaltkreis in Betrieb ist.
Ebenso wird das Licht der Beleuchtungslichtquelle durch den Wellenleiter 34 in den Beleuchtungswellenleiter 23 und über den Spiegel 24 in den Beleuchtungswellenleiter 25 übertragen, welcher sich, wie dargestellt, bis zum oberen Ende des Tastschalters 13 erstreckt. Das obere Ende 30 beinhaltet einfach transparentes Kunststoffmaterial mit zwei Teilen; eine Farbe, Grün, zeigt an, dass der Beleuchtungswellenleiter 25 von Licht durchströmt wird und dass somit der Schaltkreis in Betrieb ist, und eine zweite Farbe, Rot, zeigt an, dass der Beleuchtungswellenleiter 26 von Licht durchstromt wird und dass somit der Schaltkreis nicht in Betrieb ist.
In diesem Zustand befindet sich die Falle 42 von Fig. 4 in der angegebenen Stellung. Das heisst: Sie befindet sich im oberen Scheitelpunkt der herzförmigen Einrastrille 41. Die Druckfeder 44 wird zusammengedrückt, wie in Fig. 3 dargestellt.
Es wird nun angenommen, dass der Bediener den Betrieb des Schaltkreises unterbrechen wolle. Um dies zu tun, drückt er den Tastschalter 13 nach unten. Während er nach unten drückt, bewegt sich die Einrastrille 41 nach unten in Bezug auf die Falle 42, und die Druckfeder wird weiter zusammengedrückt, bis sich die Falle 42 im oberen Bereich der herzförmigen Einrastrille 41 befindet. Der Tastschalter 13 ist dann in der untersten Stellung und wird dann losgelassen.
Wenn losgelassen, neigt der Tastschalter 13 unter dem Einfluss der Druckfeder 44 zur Bewegung nach oben. Bei seiner Bewegung nach oben bewegt sich die Einrastrille 41 nach oben in Bezug auf die Falle 42, bis die Falle 42 vom unteren Scheitelpunkt 50 der Einrastrille aufgenommen wird, welcher den Tastschalter 13 in dieser oberen Stellung hält.
In dieser Stellung, wiederum bezugnehmend auf Fig. 1, wird das Signallicht durch den Wellenleiter 15 übertragen, an den ebenen Flächen 32 reflektiert und durch den Wellenleiter 16 weggeführt. Das Signal, welches durch den obenerwähnten optischen Sensor aus dem Wellenleiter 14 empfangen wird, bricht ab. Wenn erwünscht, kann ein weiterer optischer Sensor angebracht werden, um das neue Signal aus dem Wellenleiter 16 zu empfangen und dadurch einen neuen Zustand des Schaltkreises anzuzeigen.
Befindet sich der Tastschalter in der beschriebenen oberen Stellung, so wird das Beleuchtungslicht nicht durch den Wellenleiter 25, sondern vielmehr durch den Wellenleiter 26 zum oberen Ende 30 des Tastschalters 13 übertragen. Der obere Teil 27 über dem Wellenleiter 26 kann z. B. rotes transparentes Kunststoffmaterial sein, um dem Bediener anzuzeigen, dass sich der Schaltkreis in unterbrochenem Zustand befindet.
Wenn es erwünscht ist, den Schaltkreis wieder in Betrieb zu setzen, drückt der Bediener wiederum auf den Tastschalter 13, bis die Falle 42 in der obersten Stellung 51 der Einrastrille 41 gehalten wird, wo er losgelassen wird. Der Tastschalter 13 bewegt sich unter dem Einfluss der Druckfeder 44 nach oben, bis die Falle 42 und die Einrastrille 41 die in Fig. 4 dargestellte Stellung einnehmen.
Figur 5 offenbart eine Ausführungsform der Erfindung, in welcher der Kunststoff der Verschalung, des Stempels und des Sockels den Wellenleiter des Systems bilden. Ein Kunststoffsockel 72 nimmt die eingangsseitigen faseroptischen Kabel 70 und 71 auf. Kabel 70 führt das Licht zur Beleuchtung der Aufsatzanzeige, wogegen Kabel 71 einen Signallichtstrahl führt. Die rechteckigen Teile Verschalung 76, Sockel 72 und Stempel 78 sind aus einem optische Qualität aufweisenden Acryl-Kunststoff geformt. Der zentrale rechteckige Stempel 78 rastet, wie beschrieben, mittels Falle 88 ein. Der am Stempel 78 befestigte Aufsatz 80 weist durchsichtige gefärbte Anzeigeteile 86 und 87 auf.
Figur 5 zeigt den Stempel in "Aus"-Stellung. In dieser Stellung durchquert Licht aus dem eingangsseitigen Kabel 70 eine Sammellinse 90 und fällt auf den abgewinkelten Absatz 77, wodurch das Licht grösstenteils um einen Winkel von 90 Grad totalreflektiert wird. Der Lichtstrahl breitet sich im Inneren des Stempels 78 aus durchsichtigem Acryl aus und fällt auf eine Fläche 75, an welcher der Strahl ein zweites Mal um einen 90-Grad-Winkel abgelenkt wird. Befindet sich der Stempel in der unteren Stellung, so trifft der Strahl den Auf- Satz 80 an einem Punkt des gefärbten Bereiches 87, und entsprechend nimmt der Benützer eine den "Aus"-Zustand anzeigende Beleuchtung wahr.
Wenn sich der Schalter in der "Ein"-Stellung befindet, erlaubt die Falle 88 dem durch die Feder 44 nach oben gedrängten Stempel, sich nach oben zu bewegen, wodurch auch die Fläche 75 innerhalb der Verschalung des Schalters nach oben bewegt wird. Demzufolge wird der Lichtstrahl so gelenkt, dass er auf den durchsichtigen gefärbten Teil 86 auftrifft, und der Benützer sieht ein den "Ein"-Zustand anzeigendes Licht.
In ähnlicher Weise kann die Wirkungsweise des Signalstrahls aus den Figuren 5 und 6 ersehen werden. Wenn sich der Schalter in der "Aus"-Stellung befindet, so tritt der durch das faseroptische Kabel 71 geführte Lichtstrahl durch eine Sammellinse 90, welche die Zerstreuung des Lichtstrahls verhindert, in die Verschalung ein. Der Strahl wird dann an einer totalreflektierenden Fläche 91 reflektiert und breitet sich entlang des in Fig. gezeigten Weges aus. Der Strahl wird an mittels Totalreflexion rückstrahlenden Flächen 92 reflektiert, so dass er bezüglich des einfallenden Strahls in einer parallelen, aber entgegengesetzten und versetzten Richtung zurückkehrt und auf ähnliche Weise aus der Verschalung und durch das ausgangsseitige faseroptische Kabel 94 läuft. Ein in diesem Kabel geführtes Lichtsignal zeigt dem elektrischen Schaltkreis an, dass sich der Schaltkreis in der "Aus"-Stellung befindet. Wenn der Stempel zur "Ein"-Stellung hin losgelassen wird, bewegt sich der Stempel in der Verschalung nach oben, und der einfallende Lichtstrahl trifft auf die untere reflektierende Fläche 95, wie in der punktierten Konturzeichnung in Fig. 6 gezeigt, wodurch der Weg des reflektierten Strahls zum ausgangsseitigen Kabel 96 gelenkt wird. Ein Lichtsignal im ausgangsseitigen Kabel 96 zeigt dem elektrischen Schaltkreis an, dass der Schaltkreis eingeschaltet ist.
Die Sammellinsen 90 sind an der Verschalung oder am Sockel des Schalters angeformt, um Lichtzerstreuung zu verhindern und um ein Funktionieren des Schalters ohne zusätzliche faseroptische Kabel, welche die Herstellungskosten des Schalters erhöhen würden, zu erlauben. Dieser Umstand führt zu wesentlich niedrigeren Herstellungskosten bei der vorliegenden Erfindung. Die reflektierende Fläche 75 im Stempel ist als totalreflektierende Fläche im Stempel geformt und braucht keine verspiegelte Fläche.
Eine erste Variante eines Schiebeschalters ist in Fig. 7 gezeigt. Hier ist ein Lichtleiter 100 am unteren Ende eines Schiebeschaltelementes 112 ausgebildet, welches, wie dargestellt, in die Zeichenebene oder aus der Zeichenebene bewegt wird. Die beiden Prismenreflektoren des Lichtleiters 100 sind versetzt, so dass in einer ersten Stellung Licht von einer eingangsseitigen Faser 103 in eine ausgangsseiteige Faser 105 reflektiert wird, während es in einer zweiten Stellung in eine ausgangsseitige Faser 107 reflektiert wird.
Dank der Goemetrie des Schalters brauchen die Herstellungstoleranzen für die Schalterteile nicht exakt zu sein. Während die für das Funktionieren des Schalters kritischen Toleranzen durch genaues Formen der optischen und mechanischen Referenzfläche eingehalten werden, braucht die Anpassung zwischen den beweglichen Teilen nicht genau zu sein. Dies erlaubt eine einfache und kostengünstige Herstellung und Montage.
Es ist für den Fachmann einleuchtend, dass eine Mehrzahl von Variationen der Erfindung gemäss der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform möglich ist. Es ist möglich, die unbeschichtete totalreflektierende Fläche durch beschichtete reflektierende Flächen zu ersetzen. Ferner kann eine einzige eingangsseitige optische Faser sowohl für das Signallicht als auch für das Anzeigelicht verwendet werden. Dies würde eine strahlteilende Fläche innerhalb des Lichtschaltergehäuses erfordern, um die zwei Strahlen zu erzeugen. Auch andere mechanische Äquivalente für die Hin- und Herbewegung des Stempels sind einleuchtend, wie die Verwendung von Dreh-, Wippen-, Schie-
be-, Kipphebel- oder Paddelschaltern. Der Umfang der Erfindung soll jedoch in Übereinstimmung mit den folgenden Patentansprüchen ausgelegt werden.

Claims

1. Schalter zum Schalten eines Lichtstrahls, beinhaltend

(a) ein Gehäuse (11a, 76),

(b) ein Stellorgan (13), welches im Gehäuse (11a) reversibel zwischen einer ersten und einer zweiten Position bewegbar ist,

(c) einen eingangsseitigen Lichtweg (15, 33, 71, 103) sowie zwei ausgangsseitige Lichtwege (14, 16, 94, 96, 105, 107) und

(d) zwei Mittel zur Lichtlenkung (31, 32, 92, 95), welche je mindestens zwei reflektierende Flächen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Lichtlenkung derart auf dem Stellorgan (13) angebracht sind, dass in jeder der beiden Positionen des Stellorgans jeweils ein anderes Mittel zur Lichtlenkung Licht vom eingangsseitigen Lichtweg (15, 33, 71, 103) zu einem entsprechenden anderen ausgangsseitigen Lichtweg (14, 16, 94, 96, 105, 107) lenkt.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Mittel zur Lichtlenkung Prismen sind.

3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierenden Flächen eines jeden der beiden Prismen senkrecht zueinander sind.

4. Schalter nach Anspruch 2, enthaltend eine eingangsseitige Sammellinse (90), welche derart angebracht ist, dass sie Licht vom eingangsseitigen Lichtweg (71) auf eine Fläche eines der beiden Prismen (92, 95) kollimiert, so dass das Licht auf die andere Fläche dieses Prismas reflektiert wird, und eine ausgangsseitige Sammellinse, welche derart angebracht ist, dass sie Licht von der anderen Fläche in einen der ausgangsseitigen Lichtwege (94) kollimiert.

5. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11a) transparent ist.

6. Schalter nach Anspruch 1, enthaltend Einrastmittel (40), mit welchen das Stellorgan (13) auf rückführbare Weise in jeder der beiden Positionen haltbar ist.

7. Schalter nach Anspruch 1, enthaltend Mittel, um das Stellorgan (13) einer jeden der beiden Positionen zuzuführen.

8. Schalter nach Anspruch 1, ferner enthaltend

(a) einen eingangsseitigen Anzeigelichtweg (23, 34),

(b) einen ausgangsseitigen Anzeigelichtweg (25), wlecher derart angebracht ist, dass er Licht vom eingangsseitigen Anzeigelichtweg (23, 34) empfängt, wenn sich das Stellorgan (13) in einer ersten Position befindet, und dass er kein solches Licht empfängt, wenn sich das Stellorgan (13) in einer zweiten Position befindet, und

(c) eine Anzeige (28) auf dem Stellorgan (13), welche derart anspricht, dass sie Lichteinfall auf dieselbe anzeigt, und welche derart angebracht ist, dass sie Licht vom eingangsseitigen Anzeigelichtweg (23, 34) über den ausgangsseitigen Anzeigelichtweg (25) empfängt, wenn sich das Stellorgan (13) in der ersten Position befindet,

so dass die Anzeige (28) leuchtet, wenn sich das Stellorgan (13) in der ersten Position befindet.

9. Schalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeige (28) lichtdurchlässig ist.

10. Schalter nach Anapruch 1, ferner enthaltend

(a) einen eingangsseitigen Anzeigelichtweg (34, 70) im Gehäuse (11a, 76),

(b) zwei ausgangsseitige Anzeigelichtwege (25, 26), welche derart angebracht sind, dass sie jeweils Licht vom eingangsseitigen Anzeigelichtweg (34, 70) empfangen, wenn sich das Stellorgan (13) in einer der beiden Positionen befindet, und

(c) zwei Anzeigen (27, 28) auf dem Stellorgan (13, 78), welche derart ansprechen, dass sie jeweils Lichteinfall auf dieselben anzeigen, und welche derart angebracht sind, dass sie jeweils Licht von einem der beiden ausgangsseitigen Anzeigelichtwege (25, 26) empfangen.