DE2002171C3 - Vibrator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Vibrator für Präzisionsfrequenzgeber oder für Zeitmesser gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Ein derartiger Vibrator ist aus dem DT-Gbm 19 72 490 bekannt. Dieser Vibrator weist eine erhebliche Dicke auf. Er bildet einen so Torsionsschwinger, bei dem der Basisabschnitt als Torsionsstab wirkt, während die vier in Form eines symmetrischen H von dem Basisabschnitt abstehenden und mit Gewichten versehenen Schwingarme die Trägheitsmassen an beiden Enden des Torsionsstabs bilden. Dieser Torsionsschwinger ist in der Mitte im Bereich eines Schwingungsknotens gehalten. Er kann nur zwei Normalschwingungen durchführen, von denen die eine einen kleinen Gütefaktor hat, während die andere die gewollte Eigenschwingung darstellt, wobei eine Störung dieser Schwingungen durch eine Reihe von parasitären Schwingungen entsteht, welche darauf zurückzuführen sind, daß die tatsächlichen Massen in gewissem Maße elastisch sind. Bei der beschriebenen Ausbildung des Torsionsschwingers können jedoch diese parasitären Schwingungen klein gehalten werden. Die Herstellung derartiger Torsionsschwinger erfordert eine hohe Präzision, die für Produktionen mit hohen 171

Stückzahlen entweder nicht erreichbar oder zu teuer ist.

In der US-PS 25 94 749 ist ein Vibrator beschrieben, der aus einer vierarmigen Stimmgabel besteht. Die vier Arme sind in Η-Form angeordnet und bestehen aus Federplatten, die Biegesehv. ingungen durchführen. Diese Biegeschwingungen erfolgen in der Ebene des Vibrators, wobei die Grundplatte lediglich als feste Halterung dient. Derartige Biegeschwinger sind einfacher und billiger herzustellen als die vorstehend genannten Torsionsschwinger. In ihnen können die vier flexiblen Schwingarme eine Vielzahl von Eigenschwingungen durchführen, die unabhängig davon auftreten wie der Vibrator befestigt ist. Bei Verwendung eines derartigen Vibrators, beispielsweise für eine Uhr, ist es wesentlich, daß bei einer selbst erregten Auslösung jeweils eine bestimmte der normalen Schwingungsanen ausgewählt und von den anderen normalen Schwingungsarten abgesondert wird. Dies bedeutet, daß ein Auftreten von gekoppelten Schwingungen zwischen den einzelnen Grundschwingungen verfnieden werden sollte, was jedoch bei dieser bekannten Anordnung nicht gelingt. Das Ingangsetzen der Schwingungen, ebenso wie deren Aufrechterhaltung muß ferner bei diesem Vibrator zur Vermeidung von ungewollten oder wilden Schwingungen an allen vier Schwingarmen gleichmäßig und unter Einhaltung der gleichen Phasenlage erfolgen, was eine aufwendige und genaue Steuerung notwendig macht. Ein stabiler und sicherer Betrieb dieses bekannten Vibrators ist daher nicht sichergestellt, so daß er sich für Präzisionsfrequenzgeber oder für Zeitmesser nicht eignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Vibrator zu schaffen, der einfach und billig herzustellen ist. der genau schwingt und einen hohen Gütefaktor besitzt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs aufgeführten Merkmale gelöst.

Der erfindungsgemäße Vibrator kann in einfacher Weise durch Ausstanzen aus einem Blech hergestellt werden. Im Falle einer Selbsterregung, beispielsweise durch Auslenkung eines der an den Schwingarmen befestigten Gewichte, erhält man die erwünschte normale Schwingungsart, bei der die jeweiligen Schwingarme gegenüber den benachbarten Schwingarmen eine Phasendifferenz von 180°aufweisen. Bei dieser erwünschten normalen Schwingungsart wird über die Haltepunkte keine Schwingungsenergie abgeleitet, so daß ein hoher Gütefaktor erhalten wird. Wenn dagegen der Vibrator Störsignale erhält, die ihn in eine ungewünschte Schwingungsart überführen, wirken die sich von dem Basisabschnitt aus erstreckenden Tragarme als über ihre Befestigung gedämpfte Schwingarme, so daß sie den Gütefaktor der ungewollten Schwingungsarten vermindern. Der Vibrator kann daher nur dann dauernd weiterschwingen, wenn er sich in der gewünschten normalen Schwingungsart befindet, da nur in diesem Falle keine Schwingungsenergie aus dem Haltebereich des Vibrators abgeleitet wird.

Der erfindungsgemäße Vibrator ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform mit wenigstens einem Unterdrückungselement aus federndem oder starrem Material versehen, das zur Unterdrückung der Schwingungen eines Knotenpunkts bzw. einer Knotenlinie des Vibrators bei ungewollten Schwingungsarten dient. In der US-PS 3t 50 337 ist zwar eine Dämpfungseinrichtung beschrieben, die zur Amplitudenbegrenzung eines Schwingers dient. Diese Dämpfungseinrichtung ist jedoch nicht für die Aussonderung

von unerwünschten normalen Schwingungsarten vorgesehen.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn das Unterdrükkungselement stehts mit dem Knotenpunkt bzw. der Knotenlinie des Vibrators in Berührung steht.

Gemäß einer weiteren besonders zweckmäßigen Ausführangsforrn ist das Unterdrückungselement im Preßsitz am Knotenpunkt bzw. an der Knotenlinie des Vibrators befestigt.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform ist das Unterdrückungselement in einem geringen Abstand vom Knotenpunkt bzw. der Knotenlinie angeordnet, so daß es bei der gewollten Schwingungsart mit dem Knotenpunkt nicht in Berührung steht, ihn jedoch bei ungewollten Schwingungsarten berührt.

An Hand der in der Zeichnung dargestellten beispielsweisen Ausführungsformen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen, IH-förmigen Vibrators,

Fig.2 die schematischen Darstellungen von vier Schwingungsarten des H-förmigen Vibrators, F i g. 3 eine Draufsicht auf den H förmigen Vibrator,

Fig. 4a eine dritte Ausführungsform eines H-förmigen Vibrators,

Fig. 4b die Seitenansicht des in Fig.4a gezeigten Vibrators,

F i g. 5 die Draufsicht einer weiteren Ausführungsform des H-förmigen Vibrators.

Der in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße H-förmige Vibrator weist vier Schwingarme la, Ib, lc und ld auf, die die gleiche Frequenz haben und sich von einem Basisabschnitt 2 aus erstrecken. Sie liegen koplanar mit dem Basisabschnitt 2 und bilden ein symmetrisches H. Zwischen den Schwingarmen la, \b und lc, ld erstrecken sich vom Basisabschnitt 2 aus zwei Haltearme 3a und 3b, die in der Längs-Symmetrieachse A der symmetrischen Schwingarme liegen. Die Enden der beiden Haltearme 3a und 3b sind mittels Schrauben 5 auf den oberen Enden von Befestigungsstäben 4a bzw. 46 befestigt. In der Quer-Symmetrieachse B sind an den beiden Enden des Basisabschnittes 2 Ausschnitte 6 vorgesehen, durch die das Maß der Torsionskopplung zwischen den jeweiligen Schwingarmen la bis id eingestellt werden kann. Dieser Vibrator kann durch Stanzen aus einer federnden Metallplatte hergestellt werden. An den beiden Seiten der Enden der jeweiligen Schwingarme ta bis Idsind Gewichte 7 befestigt, die die Masse der jeweiligen Schwingarme miteinander ausgleichen.

Der Vibrator ist nach dem folgenden Prinzip aufgebaut. Der H-förmige Vibrator kann, wie in F i g. 2 gezeigt, vier normale Schwingungsarten Ai, Ä2, λι und Xa annehmen. Die Schwingungsart Ai stellt die gewünschte normale schwingungsart dar. Die Pfeile in F i g. 2 zeigen die Schwingungsrichtungen der jeweiligen Schwingarme in einem bestimmten Augenblick an. In der erwünschten normalen Schwingungsan Ai kann an die Haltearme keine Kraft bzw. kein Moment übertragen werden, so daß die Haltearme die Frequenz des Vibrators nicht beeinflussen. Jedoch wird in den ungewollten Schwingungsarten A2, Xi und Ai eine Kraft oder ein Moment auf die Haltearme übertragen, so daß sie als Schwingarme wirken. Dadurch ändern die Schwingarme die Frequenz des Vibrators und der Gütefaktor derselben wird vermindert. Die Schwingung der Haltearme gegenüber dem Vibrator wirkt sich unterschiedlich auf die Schwingungsarten A2, A3 und A4 aus. Es ist festgestellt worden, daß die Wirkung der Haltearme in der normalen Schwingungsan Ai unterschiedlich ist von derjenigen in den anderen unerwünschten Schwingungsarten A₂, Aj und Xa. Es wurde experimentell nachgewiesen, daß durch richtige Bemessung der Länge, Breite usw. der Haltearme der Vibrator in den unerwünschten Scfrwingungsarten mit einer Frequenz schwingt, die sich von derjenigen in der erwünschten normalen Schwingungsart stark unterscheidet. Dadurch schwingt der Vibrator nur in der erwünschten normalen Schwingungsart mit einer vorherbestimmten Frequenz und diese enthält keinerlei Anteile einer unerwünschten Schwingungsart.

Auf Grund der Versuche wurden die Abmessungen des in Fig.3 gezeigten Vibrators folgendermaßen festgelegt:

Material: Ni-C-BIech (Ni-span-C) Stärke 0,4 mm

Masse = 400 mg,

a =

b =

c =

d =

e =

f =

g =

h =

i =

j ■■=

22 mm,
19 mm,
2,5 mm,
3,5 mm,
3,0 mm,
7,0 mm,
2,5 mm,
3,5 mm,
7,5 mm,
0,8 mm.

Bei diesem Vibrator beträgt die Frequenz in der erwünschten normalen Schwingungsart: Ai = 150Hz.

Die Frequenzen in den ungewollten normalen SchwingungsartenA₂,Ai und Xa sind

A₂
Aj

124Hz,
139Hz,
160Hz.

Die Frequenzen /"A₂, A3 und (Xa unterscheiden sich stark von der Frequenz Ai des Vibrators, so daß der Vibrator ständig in der erwünschten normalen Schwingungsart schwingt und sich ein Gütefaktor von etwa 4000 ergibt.

Ein Vibrator, bei dem bis auf das Maß i, das 17 mm beträgt, sämtliche anderen Abmessungen beibehalten werden, schwingt mit folgenden Frequenzen:

A₁
A₂
Aj

150Hz,

98Hz,

121 Hz,

139Hz.

Dieser Vibrator schwingt gleichmäßig, so daß sein Gütefaktor sehr hoch ist.

Die in den F i g. 4a und 4b gezeigte Ausführungsform weist Einrichtungen zur Unterdrückung der unerwünschten Schwingungsarten auf. Auf einer Grundplatte 38 unterhalb des Basisabschnittes 32 ist vertikal ein zylindrischer Unterdrückungs- bzw. Stützstift 39 aus lederndem Material wie Kautschuk, weichem synthetischem Harz u. dgl. befestigt. Die obere Endfläche des Stiftes 39 berührt ständig die Mitte des Basisabschnittes 32 an einer Knotenlinie n. Empfängt daher der Vibrator in der normalen Schwingungsart ein Störsignal, das ihn in eine unerwünschte Schwingungsart bringen könnte, so unterdrückt der Stützstift 39 die Schwingung des

Basisabschnittes und verhindert damit, daß der Vibrator in die unerwünschte Schwingungsart übergeht. Die mit den Bezugszeichen 31a, 31b. 31c, 31c/, 33a, 33b, 34a, 3Ab, 36 und 37 bezeichneten Teile sind im wesentlichen identisch den entsprechenden Teilen der Fig. 1. Zur Befestigung der Haltearme an den Befestigungsstäben dienen Nieten 35, die im Preßsitz in Öffnungen in den Befestigungsstäben befestigt sind. Der Stützstift 39 kann im Preßsitz an seinem Ende am Basisabschnitt 32 befestigt sein oder in einem geringen Abstand vom Basisabschnitt am Ende desselben stehen, so daß er mit dem Basisabschnitt nicht in Berührung steht, wenn der Vibrator in der erwünschten normalen Schwingungsart schwingt. Schwingt jedoch der Vibrator in einer unerwünschten Schwingungsar!, so berührt der Stift den Basisabschnitt. Die crstere Ausführungsfonn ist natürlich der letzteren hinsichtlich der Unterdrückungswirkung überlegen.

Der Stützstift kann aus einem Stangenmaterial aus Metall, hartem synthetischem Harz u.dgl. bestehen und an seinem Ende mit dem Basisabschnitt in Berührung stehen, wobei er entweder im Preßsitz am Basisabschnitt befestigt ist oder sein Ende um einen geringen Absland vom Basisabschnitt entfernt ist.

Fig. 5 zeigt einen H-förmigcn Vibrator mit zwei Stützstiften 49. die an der unteren Oberfläche beider Seiten des Basisabschnittes 42 an einer Knotenlinic befestigt sind. Die Bezugszeichen 41a, 41 b. 41 c. 41 d. 43a. 436, 45 und 48 gleichen im wesentlichen den entsprechenden Teilen der Fig. 4a und 4b.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche: 20

1. Vibrator für Präzisionsfrequenzgeber oder für Zeitmesser, mit einem Basisabschniu und mit vier sich von dem Basisabschnitt in Form eines symmetrischen f/aus erstreckenden Schwingarmen, an deren Enden zusätzliche Gewichte befestigt sind, sowie mit einem Paar von Haltearmen, die sich von dem Basisabschnitt in Richtung der Längssymmetrieachse des Vibrators erstrecken und mit Einrichtungen zur Halterung der Haltearme, wobei der Basisabschnitt koplanar zu den Schwingjrmen und den Haltearmen verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisabschnitt (2), die vier Schwingarme (1) und das Paar der Haltearme (3a. 3b) aus einer Blattfeder bestehen, bei der jeder der vier Schwingarme (1) unabhängige Biegeschwingungen senkrecht zu der die vier Schwingarme enthaltenen Ebene durchführt.

2. Vibrator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens ein Unterdrückungselement (39; 49) aus federndem oder starrem Material zur Unterdrückung der Schwingungen eines Knotenpunkts bzw. einer Knotenlinie (n) des Vibrators bei ungewollten Schwingungsarten.

3: Vibrator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterdrückungselement stets mit dem Knotenpunkt bzw. der Knotenlinie des Vibrators in Berührung steht.

4. Vibrator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterdrückungselement im Preßsitz am Knotenpunkt bzw. an der Knotenlinie des Vibrators befestigt ist.

5. Vibrator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterdrückungselement in einem geringen Abstand vom Knotenpunkt bzw. der Knotenünie angeordnet ist, so daß es bei der gewollten Schwingungsart (λ 1) mit dem Knotenpunkt nicht in Berührung steht, ihn jedoch bei ungewollten Schwingungsarten (λ 2 bis λ 4) berührt.