DE2030123A1 - Schwinger und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipt.-Ing. A. Griinecker

Dr.-lng. W. Stookmqif
ϊ München 22, MaxtmiHansir. 43

p 3315 - 27/Ba

!Ehe Bunker-Eamo Corporation, Oakbrook North, Oak Brook, 111. USA

Schwinger und Verfahren zu seiner Herstellung

Die vorliegende Erfindung bezieht- sica, auf einen Schwinger, - insbesondere eine Stimmgabel, mit zwei durch ein Hittelstück verbundenen Zinken, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Schwingers«

Bei vielen elektronischen und -elektromechanischen Systemen oder Geräten besteht ein Bedarf an einer hochstabilen Quelle elektrischer Signale mit vorgegebener Frequenz. Bisweilen ist die erforderliche frequenz verhältnismäßig niedrig. Dann wird es schwierig, mit erträglichen Kosten einen hochzuverlässigen, nur elektronischen Oszillator zu schaffen, · der über einen breiten Bereich von Umgebungstemperaturen und ITets- bzw. Speisespannungsschwankungen eine genügende Langzeit-Stabilität aufweist, um eine genaue Zeitbasis für Steuersignale ₍zu bilden, mit der beispielsweise eine von Signalfrequenzen abhängige elektromechanisch© uhr oder dergleichen gesteuert werden könnte.

Nun ist gezeigt worden, daß temperaturkompensierte Stimm-

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gabeln ©it hinreichend holier Hesoaaasgiite (Q-Faktor) bzw» mit genügend geringen Verlustes, als iurequenz-Steuerelement im Säcldropplungskreis eines elektronischen Oszillators benutzt werden, können, so daß gum .Antrieb derartigsr elektrischer Uhren eine geeignete Daner-2eitbasis zur Verfügung steht«, Bei den im allgemeinem erforderlichen Uhren-Antriebsfrequenaen beispielsweise tob, etwa 50 bis 500 Ez sind feerkomalieBie Stimmgabeln gedoeh reeht schwer ■und voluminös* weshalb es unzweckmäßig ist, derartige Stimmgabeln zusammen mit den erforderlichen elektronischen Bauteilen, einem Hotor, einer Getriebeübersetsung-und einer Seigex'anordauag zu einem Uhrwerk zusammenzubauen, das ja. die zur Verwendung beispielsweise in Kraftfahrzeugen erforderliche loapalstheit nicht besäße_o Ist ©la© solche Uhr in einem Kraftfahrzeug angebracht mad daher den darin auftretenden störenden Schwingungskräften unterworfen₉ so wür= den bei einer ia solch, eiaer Uhr eingebauten herkömmlichen Stiiffiigabel infolge dieser StSrscHraingimgen Sctojingungsformen auftreten, die ike@ Moraalfunktion als Erequena-Steuerelement im Oszillator-Mtriebskreis erheblich beeinträchtigen»

Is ist bekannt₉ daß herkömmlielie ffiederfrequena-Stimmgabeln, die gelegentlich auch als "ßabel-Sctejinger¹⁸ bezeichnet werden,, im allgemeinen dadurch gebildet werden, daß man "ein Band aus dämpfungsarmea Metall zn einer F=-Form biegt und dann an der Basis des U eine Stütze ©der einen Stiel fluchtend mit der Xtängs-Brehaefese so anbringt _s daß er von der Basis des U nach außen absteht» Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Stimmgabel ans einem rechteckigen Material= block zu einer U-Form au fräsen, die am Sockel· bzw« an der Basis des U einen verhältnismäßig schweren Seil hato Jeder von der Basis abstehende Schenkel des IT wirkt als"Zinke" der Gabel und gerät, wenn diese angeschlagen oder auf andere Weise mechanisch, versetzt wird, in Set»jlngungen mit einer vorgegebenen Frequenz_o Der erforderliche Zeit- und Arbeite-

aufwand sowie die Kosten dämpf ungsarmer Werkstoffe für die Herstellung derartiger Stimmgabeln haben sich als unüberwindliche Hindernisse für ihre Verwendung zum Steuern von Zeitbaoen erwiesen, die für billige, seriengefertigte, signalfrequensgesteuerte Uhren dienen sollen.

Es ist ein wichtiges Ziel der Erfindung, die Haiiptnaehteile der bisher beschrittenen Wege für die Konstruktion und Herstellung von Stimmgabeln zu vermeiden und einfache, verbesserte Stimmgabeln zu schaffen, die sich mit sehr niedrigen Kosten durch Massenfertigung herstellen lassen, hochzuverlässig sind und eine hohe Stabilität von Steuersignal-Zeitbasen ermöglichen, mit welchen in sich abgeschlossene signalfre- ^ quenzabhängige elektromechanische Geräte steuerbar sind»

Bei einem Schwinger der eingangs angegebenen Art ist' erfindungsgemäß vorgesehen, daß die größeren Flächenteile einer jeden Zinke im wesentlichen in gemeinsamen Ebenen liegen. Die mit dem Mittelstück verbundenen Zinken sind derart angeordnet und "derart schwingungsfähig, daß die Längsachse .^eder Zinke im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegt_v die ihrerseits im wesentlichen senkrecht zu Vektoren verläuft, welche bei einer Gabelschwingung allgemein den Schwingungswegen und -richtungen entsprechen.

Ein wesentlicher Vorteil eines Schwingers nach der Erfindung " besteht darin, daß er in den Kückkopplungszweig eines elektromechanischen Oszillatorsystems als Haupt-irequenzsteuerelement eingebaut werden kann, wobei er als stabile Quelle kontinuierlicher elektrischer Signale mit einer vorbestimmten Signalfrequenz dient. Der erfindungsgemäße Schwinger hat verglichen mit den herkömmlichen Stimmgabeln geringes Gewicht und kleine Gesamt abmessungen, ist aber dessenungeachtet mit extrem geringer Leistung zu temperaturstabilen Schwingungen mit verhältnismäßig niedrigen Frequenzen im Bereich von

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beispielsweise 20 bis 20.000 Hz anregbar.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die eine Zinke allgemein U-förmig ausgebildet und umschließt die andere Zinke rahmenartig. Zweckmäßig liegt das Mittelstück mit seinen größeren Flächenteilen in den gemeinsamen Ebenen. Die Zinken können aus einem flachen Metallstück oder Blechstreifen geformt sein.

Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, daß die Zinken aus· einem dünnen, ebenen, biegsamen und rechteckig begrenzten Flachmaterial gebildet sind, das eine in dessen Längsrichtung verlaufende U-förmige öffnung aufweist, daß ein von dieser öffnung umschlossener Flachmaterialabschnitt die eine der Zinken darstellt, daß das verbleibende Flachmaterial, welches die U-förmige öffnung umschließt, die andere Zinke mit Abschnitten beiderseits der einen Zinke bildet, und daß der mit beiden Zinken einstückige Flachmaterialteil das Mittelstück ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Schwingers der angegebenen Art sieht vor, daß ein elastisch nachgiebiges Flachmaterial-Stück geformt und innerhalb seiner Umfangsbegrenzung zwecks Bildung eines Zinkenpaares sowie eines Kittelstückes ein Materialteil entfernt bzw. ausgespart wird. Dieses Entfernen bzw. Aussparen von Material kann insbesondere durch einen Stanzvorgang erfolgen, so daß sich eine Stimmgabel nach der Erfindung äußerst wirtschaftlich in der Massenfertigung dadurch herstellen läßt, daß man aus einem ebenen, dünnen, rechteckigen Materialstreifen ein geeignetes Stück einfach ausstanzt, wodurch wenigstens zwei von einem rechteckigen Fuß- oder Mittelstück abstehende Zinken gebildet werden. Vorzugsweise werden nach der Erfindung die Zinken gebildet, in',dem ein verhältnismäßig schmaler, U-förraiger Teil des Streifens entfernt bzw. ausgespart

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wird, wobei die Basis der so gebildeten ü-förniigen öffnung nahe einer Kante des Streifens liegt. Es ergibt sich mithin ,eine Gestalt des Schwingers, bei der an einem rechteckigen Fuß·«- oder Mittelstück ein diesem gegenüber schwingungsfähiges, rechteckiges Zungenstück angeordnet ist, das von einem Unförmigen Teil umrahmt oder umschlossen ist, wobei die äußeren Enden der beiden Schenkel des TJ-Teils an das Fuß- bzw. Mittelstück an derselben Linie anschließen wie die Zunge. Vorzugsweise ist die Breite der rechteckigen Zunge oder Mittenzinke im wesentlichen gleich den zusammengenommenen Breiten der U-Schenkel oder äußeren Zinkenteile. Werden die Zunge bzw. Mittenzinke und die IT-Teile bzw. die äußere. Zinke oder eines dieser Elemente allein mechanisch versetzt und plötzlich losgelassen, so schwingen beide Elemente in einer Schwingungsform, die derjenigen der Zinken einer Stimmgabel entspricht.

Weitere Merkmale der Erfindung beziehen sich darauf, daß auf einer Stimmgabel der erfindungsgemäßen Art oder in ihrer unmittelbaren Hähe Schwingungserreger und Schwingungsaufnehmer in geeigneter Stellung angeordnet sind, um die sonst vorhandenen, nachteiligen Wirkungen von Umgebungs-Störschwingungen auf die Frequenzsteuerung wirksam auszuschalten und die störungsfreie Verwendung der Stimmgabel in einer Oszillatorschaltung zu ermöglichen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 und 2 Schrägansichten herkömmlicher Stimmgabeln,

Fig. 5 eine Schrägansicht einer erfindungs gemäß en«, flachen Stimmgabel,

Fig.. 4-1 und 4-B schematische Seitenansichten einer Stimmgabel nach Fig. 3 in Zuständen der

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"Elattschwingung",

Pig. 5A, 5B UQd 5C Forderansichten bzw. eine Schrägansicht weiterer Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Stimmgabel,

Pig. 6 eine schematisierte Schrägansicht einschließlich Schaltungsanordnung einer kontinuierlich schwingungsfähigen Schwingeranordnung nach der Erfindung,

Pig. 7 und 8 Schrägansichten einer anderen Ausführungsform der Erfindung in verschiedenen Schwingungszustanden,

Pig. 9 eine Schrägansicht noch einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stimmgabel und.

Pig.10 und 11 Schrägansichten von Stimmgabeln nach der Erfindung mit Einrichtungen zum Erregen bzw. Abtasten von Schwingungen.

In Pig. 1 und 2 sind swei verschiedene AusfiHiPuiigsformen herkömmlicher Stimmgabeln dargestellt_o Bie in Fig» 1 gezeigte Stimmgabel ist von der Art, welche ia allgemeinen aus einem rechteckigen Block von dämpfungsaraeit Material hergestellt wird, beispielsweise aus Mi Span G₅ einer aus Chrom und Titan bestehenden Zwelstofflegierungo Nach, dem Eräsen zu der dargestellten Pont wird diese Stimmgabel einer Wärmebehandlung unterzogen. Man erkennt₉ daß die Zinken 4 und 4' der Stimmgabel im wesentlichen parallel zueinander- iron einem Fuß bzwo Sockel S abstellen, "wobei der gekrümmte Teil des zwischen den Zinken 4-, 4* befindlichen Hittelstückes 6 meist" als "Hals" der Stimmgabel bezeichnet wird«. Die andere herkömmliche Aus=· führangsform von Stimmgabeln gemäß 5¹Xg₀ 2 wird im allgemeinen .erzeugt_s indem ein Band von dämpfungs-araem Material, insbesondere Hefeall zu einer U-Form gebogen uird, wodurch die Zinken 4a, 4a° gebildet trsraen, die aa ihren unteren Enden durch

QIF\ f^ £Γΐ) ft^ (T¹* /T (T^t ¹^ *^ 5
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einen Halsteil bzw. ein Mittelstück 6a miteinander verbunden sind. Arn Unterteil des Kittelstückes■6a ist außen ein zylindrischer Fuß bzw. Stiel 8a angebracht.

Ehe im folgenden näher auf die Erfindung eingegangen wird, sei zuerst die Funktion von Stimmgabeln im allgemeinen betrachtet. Bei mieder Art von Stimmgabel ist es naturgemäß höchst wünschenswert, eine hohe Resonanzgüte bzw. einen wirksamen Q-Faliror der Schwingung zu erzielen* womit ausgedrückt ist, daß die im Stimmgabelsystem während einer gegebenen Schwingungsperiode gespeicherte Energie hoch ist verglichen mit der während dieser Periode ausgestrahlten | oder abgegebenen Energie. Die Resonanzgüte einer Stimmgabel ist von verschiedenen Einflußgrößen abhängig, die alle auf der Mechanik und den Bewegungsvorgängen von Hals, Sockel bsw. Fuß und Halterung der Stimmgabel beruhen. Kormalerweise bewegen sich die Zinken einer schwingenden Stimmgabel in ordern Augenblick in bezug aufeinander in entgegengesetzten Richtungen, so daß gemäß dem Energieerhaltungssatz die auf den Fuß bzw. Sockel übertragenen Schwingungskräfte minimal bleiben.

Kan erkennt aus Fig. 1 und 2, daß bei einer Bewegung der Zinken 4 und 4a in Pfeilrichtung 5a die anderen Zinken 4" und 4a¹ in der entgegengesetzten Pfeilrichtung 5b schwingen. % Bewegen sich umgekehrt die Zinken 4 und 4a in Richtung der Pfeile 7a, so bewegen sich entsprechend die Zinken 4' und 4a¹ in Richtung der Pfeile 7b. Dieser Bewegungs-bzw. Schwingungsverlauf wird als"Gabelschwingung" bezeichnet. Diese Schwingungsforis ist dadurch bedingt, daß die beiden Zinken einer jeden Gabel miteinander an ihren unteren Enden mechanisch gekoppelt sind,und zwar durch die Metallmoleidile in bzw. bei dem Kittelstück 6.bzw. 6a der Stimmgabel. Der Kopplungsgrad zwischen den beiden Zinken bestimmt das Ausmaß,

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in welchem die Zinken synchron^ schwingen. Je stärker bzw. fester die mechanische Kopplung ist, desto besser ist das Synchronschwingen der beiden Zinken. Falls zwischen-letzteren eine Ungleichmäßigkeit der Eigenresonanzfrequenz besteht, so daß die eine Zinke - für sich genommen - in bezug auf den Riß bzw. Sockel mit einer etwas anderen Frequenz schwingt als die andere Zinke allein, und falls der Kopplungsfaktor zwischen den beiden Zinken nahe Eins ist,. liegt die Resonanzfrequenz der Stimmgabel bei dem Mittelwert der Eigenresonanzfrequenzen der beiden Zinken.

In Fallen, in denen die beiden Zinken nicht auf genau die gleiche Frequenz abgestimmt sind, tritt an den Molekülen in und nahe dem Halsbereich die sogenannte Ungleichmäßig— keits- bzw» Störenergie auf, welche sich schwingend auf den Fuß bzw. Sockel überträgt. Hat der Werkstoff, aus dem die Stimmgabel besteht, eine verhältnismäßig hohe innere Dämpfung bzw. hohe molekulare Reibungsverluste, so wird diese Ungleichmäßigkeits-bzw. Störenergie, Vielehe ein Schwingen der Metallmoleküle mit Resonanzfrequenz der Stimmgabel bewirkt, in Wärme umgesetzt. Dadurch wird die Eesonanzgüte der Stimmgabel verringert. Außerdem wird die von der Störenergie verrichtete Arbeit, die an den Fuß bzw. Sockel einer Stimmgabel übertragen wird, hauptsächlich an und bei den Stellen wirksam, wo die Stimmgabel an einer Halterung angebracht oder befestigt ist, beispielsweise zwischen (nicht dargestellten) Holz- oder Kunststoffblöcken o. dgl. Aus diesem Grunde ist es bei Stimmgabeln grundsätzlich zweckmäßig, eine feste Kopplung zwischen den Zinken vorzusehen, um einen möglichfit guten Gleichlauf zwischen den Zinken und die Herabsetzung der Abgebe von Störenergie zn erzielen, indem die Eigenresonanz.frequensen der Zinken möglichst angenähert bzw. ausgeglichen werden.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß bei den herkömmlichen Stimmgabeln die relative Kopplung zwischen den Zinken 4-, 4·¹ von

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BAD ORIQINAI.

Materialeigenschaften des Mittelstücks 6 "bzw. 6a abhängt, die man als elastisches Ansprechvermögen (stress/strain communicating ability) bezeichnen könnte. Weil diese Kräfte den verhältnismäßig massiven Fuß oder Sockel 8 durchlaufen müssen, wo eine große Massenträgheit vorhanden ist, ist hierbei das elastische Ansprechvermögen verhältnismäßig gering.

Man erkennt ferner aus Fig. 2, daß die dort dargestellte herkömmliche Stimmgabel zwischen den Zinken 4-a, 4a¹ eine verhältnismäßig feste Kopplung aufweist, da das gesamte Mittelstück 6a praktisch einen Teil der Zinken selbst bildet. Dadurch wird eine starke mechanische bzw. elastische Kopplung zwischen den unteren Enden der Zinken bewirkt und es tritt nur eine verhältnismäßig kleine Massenträgheit auf. Weil aber die Biegung der Zinken im gesamten Halsbereich 6a stattfindet, wird eine beträchtliche Longitudinalkomponente der Trägheitskraft an den Stiel bzw. Fuß 8a und irgendwelche damit verbundene Halterungen übertragen. Diese longitudinalkraft hat die Stimmgabelfrequenz, d.h. die Sehwingungsfrequenz der angeschlagenen Stimmgabel, weil deren Massenmittelpunkt nicht mit dem Mittelpunkt der Gabelschwingung übereinstimmt bzw. zusammenfällt. Infolgedessen wird wiederum eine Störenergie durch die Stimmgabel erzeugt und auf den Fuß bzw.-Stiel 8a sowie irgendwelche zugeordneten Halterungen übertragen, die aus einem Werkstoff mit hoher innerer Dämpfung bzw. beträchtlichen molekularen Reibungsverlusten bestehen können. Dadurch wird ein rasches Abklingen der Schwingungen bewirkt, aber auch eine Herabsetzung der Resonanzgüte der Stimmgabel und eine Zunahme des Abstandes oder der Ungleichmäßigkeit zwischen den Eigenresonanzfrequenzen der Zinken.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform eines erfindungs gemäß en Schwingers dargestellt, der als flache bzw. ebene Stimmgabel 10 ausgebildet ist. Diese kann durch Stanzen, chemisches

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Fräsen» Ätzen oder durch Elektrobearbeitung erzeugt v/erden, indem ein verhältnismäßig dünner Materialstreifen von dem Werkstoffstück entfernt bzw. ausgespart wird. Dadurch wird eine erste Zinke 14 gebildet, die von einer zweiten Zinke

12 umrahmt bzw. umschlossen ist, die aus zwei im Abstand angeordneten Seitenstücken 12a, 12b und einem Verbindungssteg 16 besteht. Beide Zinken stehen von einem allgemein rechteckigen Fuß- bzw. Mittelstück 22 ab, zu dem sie um eine (gedachte) Verbindungslinie 13 schwingen können.

Man erkennt ferner aus Fig. 3» daß der aus dem Materialstück entfernte bzw. ausgesparte Materialstreifen ü-förmig ist, wobei die Basis des allgemein mit 15 bezeichneten U-Schlitzes nahe der Oberkante des Materialstückes liegt. Letzteres ist mithin insgesamt so gestaltet, daß ein rechteckiges Fußbzw. Mittelstück 22 vorhanden ist, von dem eine dazu schwingungsfähige rechteckige Zunge 14- absteht, welche von einem U-förmigen Teil 12 umschlossen bzw. umrahmt ist, wobei die äußeren Enden der zwei Schenkel des U-Teils 12 an der Linie

13 in das Mittelstück 22 zurückmünden.

Wie man aus Fig. 3 sieht, ist es zweckmäßig und gemäß der Erfindung vorgesehen, die Breite der mittleren Zinke 14 gleich den zusammengenommenen Breiten der beiden Schenkel 12a, 12b der äußeren TJ-Zinke zu machen. Man erkennt, daß die beiden Schenkel 12a, 12b an denjenigen Enden wirksam durch einen Steg 16 verbunden sind, welche der Basis des U am nächsten liegen.. Dadurch wird gewährleistet, daß die beiden Seitenstücke 12a, 12b sich völlig synchron bewegen.

Es leuchtet aber auch unmittelbar ein, daß das Vorhandensein des Steges 16, welcher die beiden Schenkel 12a, 12b. verbindet, zwangsläufig bedingt, daß die Außenzinke 12 langer sein muß als die Mittelzinke 14 und daß sie daher eine niedrigere Eigenresonanzfrequenz besitzt als diese mittlere Zinke 14.

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Dies führt zu einer Ungleichmäßigkeit bzw. Frequensveraetzung der Zinken, was nach der Erfindung auf "verschiedenen Wegen
ausgeglichen .w-urien kann. Beispielsweise karm ein Gewicht
oder eine Zusatzuiasse 18 nahe dem freien Ende der fiittelzinke 14 angebracht; sein, um deren Eigenresonanzfrequenz
auf jene der Au£.:-nzinke 12 herabzusetzen. Eine andere KÖglichkeit.besteht darin, eine öffnung bzw. Aussparung 20 nahe der Wurzel der lüttelzinke 14 vorzusehen, so daß die elastische Nachgiebigkeit der Kopplung mit dem Kittelstück 22 erhöht und somit ihre Resonanzfrequenz auf jene der Außenzinke 12 herabgesetzt wird.

Ebenso wie bei herkömmlichen Stimmgabeln ist es auch bei den erfindungsgeraäßen flachen Stimmgabeln zweckmäßig, sie aus
einem Material mit niedriger innerer Dämpfung, das heißt aus einem Metall mit geringen Molekülarverlusten wie dem erwähnten Ni Span C herzustellen. Soll eine Stimmgabel erzeugt
werden, deren ^Resonanzfrequenz über einen großen Bereich von Umgebungstemperaturen im wesentlichen konstant bleibt, so
kann die Stimmgabel gemäß Fig. 3 oder gemäß den weiter unten erläuterten Gestaltungen auch aus geschichteten Bimetallblechen hergestellt werden. Vorzugsweise wird der Werkstoff für die eine Schicht aus einer Gruppe von Legierungen mit hohem
Nickelgehalt ausgewählt, die einen positiven Temperaturkoeffizient der Elastizität haben, während für die andere
Schicht ein Werkstoff mit einem negativen Teaperaturkoeffizienten der Elastizität gewählt wird. Obgleich also gegenläufige Temperaturkoeffizienten dieser Werkstoffe'zweckmäßig
sind, brauchen diese Koeffizienten nicht den gleichen Betrag zu haben, weil Unterschiede durch eine entsprechende Bemessung der Dicke einer jeden Schicht ausgeglichen werden können. Beispielsweise kann für die eine Hateriallage eine Legierung des Typs Carpenter 37-FM und für die andere Iiateriallage ein Flußstahl des Typs ASTME 1095 benutzt werden. Die Legierung 57-El hat einen Temperaturkoeffizienten von etwa +30.10"Vgrd, väli-

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rend der Stahl 1095 einen Temperaturkoeffizienten von.etwa -300.10 /grd "besitzt· Die Materiallage aus dem Stahl 1095 wurde in diesem Falle nur auf 10% der Gesamtdicke des Blechschwingers bemessen, so daß sich ein sehr guter Ausgleich oder ein ganz geringer Rest-Temperaturkoeffizient der Elastizität ergibt»

Bei erfindungsgemäßen Stimmgabeln ist iron besonderer Bedeutung, daß die infolge eines Frequenzunterschiedes zwischen den Sinken an das Mittelstück übertragene Energie dahingehend-gespeichert 'wird· Die freie Resonans des Mittelstückes

22, das heißt seine Eigenresonanzfrequens bei einer Zungenfc schwingung (unter der Yorauss et siting, daß die Zinken 12 und 14 fehlen) steht nach der Erfindung mit der Hesonanzfrequens der Stimmgabel als Ganzes derart In Beziehung, daß eine unabhängige elastische ÜTachgiebiigkeit vorhandes. ist, .welche weit größer ist als die einer herkömmlichen Stimmgabel gemäß Fig.1 und sugleich viel niedriger als die elastische Nachgiebigkeit der von dem Mittelstüek 22 amgehenden Sinken 12, 14» "Vorzugsweise ist die Eesonanzfre^ueng des afi irgendeiner Halterung "befestigtes, Mittelstficis©® nl@iri.ge3? als das 2 _s 5-iaeh.e ^©p BesoMsßsfrespeES der -Stiiisgiife©! selbst« Mira daJiep irgend« welck® öiigIeieliaaBigl£©it@=' fa&Wo Storenes'gi© an das Mittel-stück "^fcertragen₉ so spelcfe©^ <äi@ses die Saergie während der Halbperdoden eier eiafll©Bend@3a Sctoiagmigskraft ·

Wegen der niedrigen moleloilareia leibtmgsi/erluete im dämpfungs-. armen Mittelstücksaaterial und seiner geriagen elastischen Nachgiebigkeit $ irerglicfeea mit den Gabelzinken, wird die dem Mitteistückwert einer Halbperiode zufließende Energie während der nächsten. Halbperiode an die Gabel praktisch vollständig zurückgegeben. Im Gegensets dazu wird in Fällen, in denen die fiesoaanzfrequenss des MIttelstüeks baw. Sockels .niedriger als diejenige der Gabel ist₉ die infolge der irequenzversetzung bzw. Störung gespeicherte Energie der Gabel jeweils zu Zeit-

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punkten zurückgeliefert, zu denen sie die Bewegung der Gabel zinken nicht unterstützt, sondern ihr entgegenwirkt.

In den Fig. 4A und 4B ist eine gewünschte Sehwingungsform ei ner erfindungsgemäßen Schwinggabel dargestellt, deren allgemeine Anordnung aus Fig. 3 ersichtlich ist. Wie bei den herkömmlichen Stimmgabeln wird diese Sehwingungsform als "Gabel schwingung" bezeichnet. Man erkennt, daß die Zinken 12, 14 sich während ihrer Schwingung in federn Augenblick in entgegengesetzten Richtungen zueinander bewegen. ,

Abgewandelte Ausführungsformen der Zinkengestalt sind in den Fig. 5A, 5B und 50 gezeigt. Ohne daß die Erfindung hierauf beschränkt wäre, sind daraus einige Wege ersichtlich, auf de nen man erreichen kann, daß die Resonanzfrequenzen zweier Zinken von verschiedener Länge gleichgemacht werden können. Bei einer gegebenen Stimmgabel wird also angestrebt, für jede Zinke die gleiche Eigenresonanzfrequenz zu erzielen.

Beispielsweise ist in Fig. 5A die Mittelzinke 14 in ihrer Breite derart verjüngt, daß sie an ihrer Wurzel 14a schmäler ist als an ihrem freien Ende 14b, wodurch ihre Resonanzfrequenz herabgesetzt ist, weil die elastische Nachgiebigkeit an der Verbindungsstelle mit dem Mittelstück 22 vergrößert ist. Durch geeignete Bemessung des Ausmaßes der Verjüngung kann die Eigenresonanzfrequenz der Mittelzinke 14 gleich jener der Außenzinke 12 gemacht werden.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 5B sind die Schenkel der Außenzinke 12 derart verjüngt, daß sie an den oberen Enden 12' schmäler sind als an den unteren Enden 12", d. h. es ist an den oberen Enden 12' eine geringere Masse vorhanden, wodurch die Resonanzfrequenz der Außenzinke 12 bis zu jener der Mittelzinke 14 angehoben wird.

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Eine weitere Gestaltung ist in Fig. 5G gezeigt» Auch hierbei wird die Eigenresonanzfrequenz der Außenzinke 12 heraufgesetzt, und zwar indem das Endstück 16 der Zinke 12 zurückgebogen ist, wodurch die wirksame Gesamtlänge der Zinke verringert und ihre Eigenresonanzfrequenz bis zu Jener der Mittelzinke 14 angehoben wird» Bei einer weiteren (nicht dargestellten) Ausführungaform kann der die beiden Schenkel der Außenzinke 12 verbindende Steg 16 ganz oder teilweise weggelassen werden. Hierbei muß allerdings die Resonanzfrequenz beider Schenkel der Außenzinke 12 im wesentlichen gleich sein.

Man erkennt, daß die verschiedenen in Fig. 5A₅ f?B und 5G gezeigten Mittel zum Ausgleich der Eigenresonanzfrequenz von innerer und äußerer Zinke dazu führen, daß die beiden Zinken in gewissem Umfang ungleiche Trägheits- bzw. bchwingungsradien aufweisen. Dieser Effekt stört aber kaum» Ausgeführte Stimmgabeln mit Resonanzfrequenzen im Bereich von 200 bis 400 Hz hatten bei den dargestellten Gestaltungen Besonanzgüten im Bereich von 2400 bis 3500, d.h. es wurde ein ausgezeichneter Ausgleich zwischen den Zinken erzielt, mithin nur sehr wenig Störenergie auf das Mittelstück 22 übertragen.

Im allgemeinen kann die Grundfrequenz der erfindungsgemäß aufgebauten Stimmgabeln dadurch festgelegt bzw. eingehalten werden, daß sowohl die Wandstärke des benutzten Materials als auch seine elastische Nachgiebigkeit geeignet ausgewählt wird und daß man die Länge der inneren und äußeren Zinken entsprechend einstellt. Während die in den Fig. 3, 5A, 5B und 5C dargestellten Ausführungsformen sich insbesondere für Niederfrequenz-Stimmgabeln eigenen, z.B. im Bereich von 400 Hz und darunter, hat sich gezeigt, daß ähnliche Gestaltungen benutzt werden können, um Mittelfrequenz-Stimmgabeln herzustellen, z.B. für den Bereich von 400 Ms 20*000 Ha·

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Weil die Zinken an ihren unteren Enden und in deren Nähe flach bzw. eben verlaufen, d.h. auch bei größten Amplitu-■... den nur geringe Krümmung aufweisen, ist eine erfindungsgemäße Stimmgabel hervorragend geeignet zur Befestigung von piezoelektrischen Schwingern, die sowohl zum Erregen als auch zum Abtasten der Schwingung solcher Stimmgabeln benutzt werden können« Wie weiter unten im einzelnen erläutert wird, eignen sich die ebenen Flachen der erfindungsgemäßen Stimmgabeln aber auch zum Zusammenwirken mit elektromagnetischen Wandlern für die Schwingungserregung und -abtastung.

Im folgenden werden verschiedene Möglichkeiten beschrieben, gemäß denen eine nach der Erfindung hergestellte Stimmgabel als Frequenz-Steuerelement im Bückkopplungsweg eines elektromechanischen Oszillators verwendet werden kann, um eine Steuersignal-Zeitbasis zu schaffen, mit der eine *elektromechanische Uhr gesteuert werden kann, deren Zeitgenauigkeit von der Frequenz des Steuersignals abhängt.

Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform ist eine metallische Stimmgabel 24- an ihrem Fuß- bzw. Mittelstück 46 mit piezoelektrischen Wandlern 26 und 28 versehen. Letztere können an der Stimmgabel mit verschiedenen, an sich, bekannten Mitteln befestigt sein. Ein Anbringungsverfahren besteht in. * der Verwendung eines Epoxidharzes, das aushärtet, also starr wird und im gesamten Bereich der Betriebstemperaturen· der Stimmgabel nicht erweicht.Beim Ansetzen des Gemisches für das Epoxidharz können etwa 10 Gew.-% feines Sackelpulver zu-, gesetzt werden. Dieser Ansatz aus Epoxidharz und feinem Nickelpulver wird dann auf die metallisierte Oberfläche des piezoelektrischen Elementes und/oder auf das Mittel-Stück der Gabel an den vorgesehenen Stellen aufgetragen. Anschließend wird das piezoelektrische Element in der richtigen Lage angeordnet und in dieser während der Aushärtens

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unter Druck gehalten. Der Druck gewährleistet dabei, daß die Nickelteilchen einen elektrischen Kontakt zwischen dem Metall der Stimmgabel und der metallischen Oberfläche des piezoelektrischen Elements herstellen. Eine andere Möglichkeit der Befestigung piezoelektrischer Elemente an der Stimmgabel besteht in der Verwendung von Lötverfahren, .00-fern die Löttemperatur die Gurietemperatur des Piezoelektrischen Materials nicht erreicht.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, ist der piezoelektrische Wandler 28 nahe dem unteren Ende der Außenzinke 24' der Stimmgabel 24 angeordnet. Er dient zum Abtasten oder Aufnehmen der Zinkenschwingungen und erzeugt ein Ausgangssignal an einem Anschluß 28' mit Stimmgabelfrequenz. Das Schwingungsaufnähmesignal wird dann über einen Widerstand 36 dem Eingang eines Verstärkers 34- zugeführt, dessen Ausgang über eine Leitung 34' mit einem zweiten piezoelektrischen Wandler 26 verbunden ist, der an dem unteren Ende der Mittelzinke 25 angeordnet ist und dazu dient, diese zu Schwingungen zu erregen. Der Verstärker 34 wird von einer Spannungsquelle B gespeist, die hier beispielshalber als Batterie dargestellt ist. Die elektrische Polung der beiden biezoelektrischen Wandler 26, 28 und die Phasenbeziehung oder Polarität der von dem Verstärker 34- erzeugten Signalverstärkung sind so gewählt, daß die Stimmgabel 24 kontinuierlich mit Gabelfrequenz schwingt, wobei die Außenzinke 24' sich stets in entgegengesetzter Richtung zur Innengabel 25 bewegt. Dies bedeutet, daß gemäß dem Grundprinzip der Gabelschwingung (vergl. Fig. 4A und 4B) bei einer Bewegung der Außenzinke 24' in Pfeilrichtung 27 die Mittelzinke 25 gerade in Pfeilrichtung 27' bewegt wird. Der Ausgang des Verstärkers 34 ist seinerseits mit dem Eingang eines Verstärkers 35 verbunden, der ebenfalls von der Spannungsquelle B gespeist wird und eine elektrische Uhr 39 ansteuert. Um eine kontinuierliche Gabelschwingung bei oder in der Nähe von 400 Hz zu erzeugen, ist es zweckmäßig, die

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Gabel 24· aus einem Metallstreifen der Legierung Ni Span C herzustellen, dessen Dicke 0,25 mm beträgt, wobei die Stimm-.gabel an ihrem Mittelstück etwa 12,7 mm breit ist und die Länge oder Höhe des Streifens etwa 31»75 mm beträgt. Die Breite der Mittelzinke 25 kann etwa 6,35 mm betragen, und der U-förmige Schlitz ist recht schmal, z.B. etwa 1,27 mm breit. .

In vielen Fällen kann die Stimmgabel 24- St or schwingung en unter der Einwirkung von Kräften ausgesetzt sein, wie sie beispielsweise auftreten, wenn die Stimmgabel als Steuersignal-Zeitbasis in der Uhr eines Kraftfahrzeuges verwendet wird. In der Praxis bewirken diese Störschwingungskräfte, | daß die gesamte Stimmgabel 24· eine "Zungenschwingung" ausführt, wobei die Außenzinke 24·' und die Mittelzinke 25 sich jeweils gleichzeitig in derselben Eichtung bewegen. Bei dieser Schwingungsform bewegen sich die Zinken 24-', 25 während eines Zeitabschnittes einer Schwingungsperiode in Pfeilrichtung 27, und nach dem Umkehrpunkt bewegen sich beide Zungen in Pfeilrichtung 27'. Der Effekt ist ähnlich dem einer einfachen Zunge, wie sie ebenfalls in Pig. 6 mit der Bezugszahl 30 dargestellt ist, wobei eine Schwingung um das PuB- oder Mittelstück 4-6' stattfindet, das an einer (nicht dargestellten) Halterung befestigt ist. Eine derartige Zungen- schwingung der Stimmgabel 24- erzeugt in dem vom Schwingungs- . aufnehmer 28 abgegebenen Signal einen Spannungsanteil, der gegenüber dem bei normaler Gabelschwingung erzeugten Signal phasenverschoben ist. Wenn der Zungenschwingungsanteil eine bestimmte Größe erreicht, kann dadurch bewirkt werden, daß die gesamte, aus der Stimmgabel 24- und dem "Verstärker 34-bestehende elektromechanische Schwingeranordnung zu schwingen aufhört.

Um die nachteilige Einwirkung derartiger Störschwingungen zu beseitigen, ist gemäß der Erfindung eine Zunge 30 vorgesehen

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(Pig. 6) an der ein piezoelektrischer Schwingungsaufnehmer 32 befestigt ist, welcher ein Zungenschwingungssignal von entgegengesetzter Polarität bzw. Phasenlage zu dem Zungenschwingungs-Signalanteil erzeugt, der im Ausgangssignal des an der Stimmgabel 24 angebrachten piezoelektrischen Wandlers 28 hervorbringt. Kach der Erfindung ist die Zunge 30 im wesentlichen in der gleichen Ebene wie die Stimmgabel 24 angeordnet, und ihre Zungenresonanzfrequenz ist gleich derjenigen Frequenz, mit welcher die Stimmgabel 24 in einer Zungenschwingung schwingt bzw. schwingen würde. Das von dem piezoelektrischen Wandler 32 abgegebene Signal, dessen Polarität derjenigen des vom Wandler 28 erzeugten Signals entgegengesetzt ist, wird über einen Widerstand 38 im Eingang des Verstärkers 34 zugeführt, so daß der Zungenschwingungsanteil des von dem Schwingungsaufnehmer 28 erzeugten elektrischen Signals unterdrückt wird.

Das Ausmaß der mit der Anordnung gemäß Pig. 6 erzielbaren Störschwingungs-tJnterdrückung kann festgelegt werden durch Einstellung des Widerstandsverhältnisses zwischen den Widerständen 36 und 38, oder durch geeignete Bemessung der Flächen der Schwingungsaufnehmer 28 und 32 oder auch durch geeignete Einstellung der Empfindlichkeit eines oder beider dieser Wandler. Eine weitere Möglichkeit besteht darin,' den Schwingungsaufnehmer 32 auf der Zunge 30 an anderer, etwas versetzter Stelle anzubringen. Obgleich in Fig. 6 angedeutet ist, daß die Wandler 28 bzw. 32 entgegengesetzte Polarität haben (P^: + bzw. 1?2'' -) ist anzumerken, daß die Wandler auf der Stimmgabel 24 und der Zunge 30 auch so angebracht werden können, da3 sie Zungenschwingungssignale gleicher Polarität bzw. Phasenlage erzeugen. Bei einer solchen Anordnung kann dann mit an sich bekannten Mitteln beispielsweise die Polarität des von dem Wandler 32 abgegebenen Signals vor dem Zumischen oder Überlagern zu dem vom Wandler 28 erzeugten Signal umgekehrt werden.

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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Pig. 7 und 8 dargestellt, wobei ein Schwingun£saufnehner zum Abtasten der Zungenschwingungen und zun Erzeugen eines ZuncenschwincuiifjS-Unterdi'üclcungSGiEnals nicht auf einer gesonderten Zunge, sondern auf der Stimmgabel 40 selbst angebracht ist. Diece hat gemäß dem Grundgedanken der Erfindung eine Mittelzunce 42 und eine Außenzunge 44 mit Seitenteilen bzw. Schenkeln. Am unteren Ende der Zungen 42, 44 sowie am oberen Ende des verbindenden Mittelstückes 46 sind drei bietroelektrische Wandler in einer Linie fluchtend angeordnet. Ein Schwingungserreger 48 (C: *) ist nahe der rechten Gabelkante unterhalb des rechten Schenkels der Außenzinke 44 angebracht . Zwei Schwingungsaufnehmer 50 bzw. 52 (B:+ bzw.A:-) sind unterhalb der Mittelzinke 42 bzw. des linken Schenkels der Außenzunge 44 befestigt. Strichpunktiert ist in Fig. 7 angedeutet, daß die Zinken 42, 44 eine Gabelschwingung ausführen«, d.h. die Mittelzinke 42 bewegt sich entgegengesetzt zur Außenzinke 44. ~Bei der gezeichneten Stellung bewegt sich die Außenzunge 44 so, daß der Schwingungsaufnehmer 52 unter Zugspannung gerät, während die Mittelzinke 42 sich in entgegengesetzter Richtung bewegt und der Schwingungsaufnehmer 50 eine Druckspannung erhält. Da mithin die Schwingungsaufnehmer 50, 52 entgegengesetzte Polaritäten bzw. Phasenlagen besitzen, haben die durch eine Gabelschwingung erzeugten Signale gleiche Polarität und gleiche Phasenlage. Infolgedessen können die Wandler 50, 52 durch eine Leitung 53 parallelgeschaltet und an den Eingang eines Verstärkers 53' angeschlossen werden. Der Ausgang des Verstärkers 53' ist dann über eine Leitung 53" mit dem Schwingungserreger 48 verbunden. An einem Anschluß 54 kann ein Ausgangssignal abgenommen werden, das beispielsweise als Schwingungs-Zeitbasis zum Ansteuern einer Uhr dienen kann. Bei der gezeichneten Anordnung fungieren mithin beide Schwingungsaufnehmer 50, 52 zusammen als normaler Schwingungsaufnehmer für Gabelschwingungen. Da die beiden Wandler 50, 52 zuein-

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ander parallelgeschaltet sind, ist ihre Impedanz bzw. ihr Blindwiderstand halb so groß wie die Impedanz oder der Blindwiderstand eines einzigen Wandlers gleicher Größe. Die zugeordneten Schaltkreise stellen daher ©ine weniger starke Belastung für die Schwingungsaufnehmer 50, 52 dar, so daß eine höhere Verstärkung bzw. ein größa?er Gewinn erzielbar ist.

Fig.8 zeigt bei derselben Stimmgabel 40 die Zungenschwingungsform, und man erkennt aus den strichpunktierten Linien, daß die Außenzinke 44 und die Innenzinke 42 sich dabei gleichzeitig in derselben Richtung bewegen. Wenn also der Wandler 52 ein Signal negativer Polarität erzeugt, gibt der Wandler 50 bei der Zungenschwingung ein Signal positiver Polarität ab. Bei der Biegung der Stimmgabel 40 in die strichpunktiert gezeichnete Stellung erfahren also beide Schwingungsaufnehmer 50, 52 eine Zugspannung, liefern aber Spannungen entgegengesetzter Polarität bzw. Phasenlage. Da sie an der Stimmgabel 40 an Stellen gleicher Biegungsbeanspruchung angeordnet sind und im wesentlichen gleiche Abmessungen haben, besitzen die erzeugten Spannungen gleiche Amplituden, so daß durch die Zungenschwingung erzeugte Signale vollständig kompensiert bzw. unterdrückt werden. Störeinflüsse durch irgendwelche Zungenschwingungen werden daher vollständig beseitigt, wenn die Stimmgabel 40 ihre normale Gabelschwingung gemäß Fig. 7 ausführt.

•Ein bemerkenswerter Vorteil der Ausführung gemäß Fig. 7 und ist, daß sowohl der Schwingungsaufnehmer 50 als auch der Schwingungsaufnehmer 52 vom Schwingungserreger 48 genügend .weit entfernt ist, um die mechanisch-elastische Kopplung zwischen letzterem und den Schwingungsaufnehmern 50, 52 auf ein Minimum herabzusetzen. Unter mechanisch-elastischer Kopplung zwischen diesen Wandlern wird dabei,diejenige Kopplung verstanden, die auf nicht mit der Zinkenbewegung zusammen-

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hängende Dehnungen und Zusammenziehungen des Gabelmaterials zurückzuführen ist. Das Auftreten einer zu großen mechanischelastischen Kopplung zwischen dem Schwingungserreger und den" Schwingungsaufnehmern könnte dazu führen» daß die den Wandlern zugeordnete elektronische Schaltung durch einen Bückkopplungsweg umgangen wird, so daß die Schaltung mit einer von der Stimmgabelfrequenz unabhängigen Störfrequenz schwingt.

ils ist anzumerken, daß die Anordnung der Kristallwandler oder Schwinger am Fuß- bzw. Mittelstück der Stimmgabel Je nach deren geometrischer Ausbildung so veränderbar ist, daß die mechanisch-elastische Kopplung zwischen den Wandlern auf ein Minimum herabgesetzt wird. Infolgedessen' müssen die Wandler f nicht unbedingt wie dargestellt fluchtend angeordnet sein, vielmehr ist auch eine gestaffelte oder versetzte Anordnung möglich, und unter umständen können die Wandler auch auf gegenüberliegenden Seiten der Gabel angeordnet sein, so daß sich der Stimmgabelwerkstoff dazwischen befindet. Beispielsweise können beide Schwingungsaufnehmer 50, 52 auf der dem Schwingungserreger 48 gegenüberliegenden Rückseite der Stimmgabel 40 angeordnet sein, oder es könnte auch nur einer dieser beiden Wandler sich auf der ßückseite befinden und die Polarisierung der Wandler so gewählt sein, daß die oben angegebene Funktionsweise sichergestellt ist.

Noch eine andere Anordnung gemäß der Erfindung zur wirksamen Unterdrückung von Störschwingungen.ist in Fig. 9 gezeigt. Bei der dort dargestellten Stimmgabel 60 sind wiederum Schwingungserreger und. -aufnehmer vorgesehen, um eine Gabel schwingung zu bewirken und gleichzeitig Zungenschwingungseffekte zu unterdrücken. Die Stimmgabel 60 hat eine Außenzinke 62 mit Schenkeln .62' und 62", die von einem Fuß- bzw. Mittelstück 64 ausgehen. Um die Eigenresonanzfrequenz der äußeren Zinke 62 auf den gleichen Wert wie die Eigenresonanzfrequenz der Mittelzinke 66 zu bringen, sind die Schenkel 62' und 62" an ihren

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Oberteilen 65 bzw« 63' abgesetzt» das heißt in der Breite verringert. Dank diesen schmalen Enden 63, 63' der Außenzinken-Schenkel 62', 62". ist die Masse der Außenzinke 62 an diesen Stellen herabgesetzt, wodurch ihre Eigenresonanzfrequenz entsprechend erhöht wird. Wahlweise oder zusätzlich können öffnungen bzw. Aussparungen 65» 65' dicht oberhalb des Mittelstückes 64 angeordnet sein* Man erkennt, daß diese Aussparungen 65, 65' an der Mittelsinke 66 weniger Material übriglassen als an den Schenkeln 62', 62" der Außenzinke 62. Dadurch wird die elastische Nachgiebigkeit der Kopplung des Mittelstücks 64 mit der inneren Zinke 66 erhöht, wodurch die Eigenresonanzfrequenz der Mittelzinke 66 P stärker herabgesetzt wird als diejenige der Außenzinke 62. Weil aber beide Resonanzfrequenzen abgesenkt werden, ist mit dieser Ausgestaltung bei gegebenen Stimmgabelabmessungen die Erzeugung sehr niedriger Stimmgabelfrequenzen möglich.

Als Beispiel für die Bemessung einer 400-Hz-Stimmgabel der in Pig. 9 dargestellten Art aus einem Ni-Span-C-Streifen seien die folgenden Werte genannt. Die Dicke kann 0,25 mm, die Breite 11,68 mm und die Höhe 32,39 mm betragen. Die Breite des U-förmigen Schlitzes kann bei ungefähr 1,5 mm liegen, und die länglichen Aussparungen 65, 65' können eine ^ Länge von 9,19 mm und eine Breite von 4,22mm haben, wobei die unteren und oberen Enden dieser Aussparungen von Halb kreisen mit einem Radius von 2,11 mm begrenzt sind. Die Mittelachse einer jeden länglichen Aussparung 65, 65' fällt mit der betreffenden. Längsachse des U-Schlitzes zusammen. Die Schenkel 62", 62" der Außenzinke 62 sind 2,54 mm breit, wobei die abgesetzten Oberteile 63, 63* eine Breite von 0,76 mm besitzen. Die Höhe der Schenkel 62', 62" oberhalb des unteren Endes des Mittelstückes 64 beträgt 25,53 mm, und die abge-' setzten Oberteile 63, 63' ragen 6,86 mm über die oberen Enden der breiteren Schenkel 62', 62" hinaus. Der Abstand des * Das untere Ende der Aussparungen 65,65' hat von der Unterkante des Mittelstückes 64 einen Abstand von 12,78 mm.

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oberen Endes der Mittelzinke 66 von der Unterkante des Mittelctückes 64 betragt 3O₅86 mm.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 9 sind zwei Schwingungsaufnehmer 70, 72 vorgesehen, die den Schwingungsaufnehmern 50, 52 nach Fig. 7 und 8 entsprechen, und die Stimmgabel 60 hat auch einen Schwingungserreger 74·· Anders als bei der Ausführung nach Fig. 7 und 8 ist Jedoch der Schwingungserreger 74 nicht unmittelbar bzw. mit seiner gesamten Fläche am Mittelstück 64 der Stimmgabel 60 anliegend befestigt, sondern mit diesem Mittelstück über zwei Kopplungsstücke 76, 78 gekoppelt, und zwar entlang einer Linie parallel zur Längsachse der Außenzinke 62. Diese Anordnung gewährleistet eine minimale seitliche mechanisch-elastische Kopplung zu den Schwingungsaufnehmern 70, 72.

Es wurde bereits erwähnt, daß die flache bzw. ebene Gestaltung der erfindungsgemäßen Stimmgabeln deren Schwingungserregung und -aufnahme sowohl durch elektromagnetische als auch durch piezoelektrische Wandler bequem ermöglicht. Die Vorteile einer solchen Anordnung ergeben sich aus Fig. 10 und 11. Die in Fig. 10 gezeigte Stimmgabel 82 hat eine Innenzinke 84- und eine Außenzinke 86. Letzterer ist ein magnetischer Schwingungsaufnehmer 88 zugeordnet, um dessen magnetisierten Kern eine Drahtwicklung angeordnet ist, so daß die Bewegung der Außenzinke 86 erfaßt wird. Der Schwingungsaufnehmer 88 ist in Reihe mit einem anderen, gleichartigen magnetischen Schwingungsaufnehmer 90 geschaltet, welcher der Mittelzinke 84 zugeordnet und entgegengesetzt gepolt ist. Diese Reihenschaltung der entgegengesetzt gepolten Magnetwändler liegt zwischen Masse und dem Eingang eines Verstärkers 92. Der Ausgang des Verstärkers 92 ist über einen Umschalter 94- mit einem magnetischen Schwingungserreger 96 verbindbar, dessen Magnetfeld die Mittelzunge zu Schwingungen erregt. Die Polung oder Phasenlage des

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Verstärkers 92 und der Vindungssinn des Schwingungserregers 96 sind so gewählt, daß bei der'normalen Gabelschwingung unter Bewegung der Außenzinke 86 zum Wandler 88 hin und un- ·. ter Wegbewegung der Mittelzunge 84 vom Schwingungsaufnehmer 90 dem Verstärker 92 ein Eingangssignal zugeführt wird, das nach Verstärkung und Zuführung zum Schwingungserreger 96 an diesem ein Magnetfeld erzeugt, welches die Mittelzinke 84 abstößt. Man erkennt, daß durch eine Zungenschwingung in den Wicklungen der Schwingungsaufnehmer 88,; 90 gleichartige Signale derselben Polarität induziert werden. Da diese Wandler gegenpolig in Reihe geschaltet sind, kompensieren sich die Zungenschwingungssignale, so daß der Eingang des Verstärkers 92 nur Signalanteile erhält, welche der Gabelschwingung entsprechen. Der Schwingungserreger 96 kann denselben Aufbau haben wie die Schwingungsaufnehmer 88 und 90.

Aus Fig. 10 ersieht man ferner, daß der Umschalter 94 in der gestrichelt gezeichneten Stellung 98 den Ausgang des Verstärkers 92 mit piezoelektrischen Wandlern verbindet, die zum Erregen der GabelSchwingung dienen und im gezeichneten Ausführungsbeispiel aus drei Schwingern 100, 100a und 100b bestehen. Bei der dargestellten Ausführungsform fehlt jegliche mechanischelastische Kopplung zwischen den Schwingungserregern und den Schwingungsaufnehmern. Wie bereits erwähnt, kann der Ausgang ■ des Verstärkers 92 zum Eingang eines Speise^yerstärkers 108 geführt sein, welcher eine wechselstromgesteuerte Uhr 110 ansteuert.

Eine weitere Anordnung gemäß der Erfindung ist in Fig. 11 dargestellt. Dabei ist der Stimmgabel 82/ ein einzelner magnetischer Wandler 112 zugeordnet, welcher wahlweise der Mittel-.zinke 84* oder der Außenzinke 86' gegenüberstehen kann. Im gezeichneten Beispiel ist der magnetische Schwingungserreger 112 der Mittelzinke 84' zugeordnet, und die Zinkenschwingungen der Stimmgabel 82' werden durch piezoelektrische

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Schwingungsaufnehmer 114', 116 in derselben Weise abgetastet, wie das oben anhand von Pig. 7 erläutert wurde. Die Schwingungsaufnehmer 114, 116 haben zum Zweck der Unterdrückung * von Zungenschwingungssignalen entgegengesetzte Polarität (B:+ bzw. Ai-). Sie sind elektrisch parallelgeschaltet und mit einem Verstärker 118 verbunden, der seinerseits an den magnetischen Schwingungserregern 112 angeschlossen ist. Erzeugt letzterer ein Magnetfeld, welches die Mittelzunge 84' abstößt, so geben die Wandler 114, 116 ein Signal solcher Polarität ab, daß nach Verstärkung durch den Verstärker 118 der Schwingungserreger 112 zu einer noch stärkeren Abstoßung der Mittelzinke 84* erregt wird. Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung fehlt jegliche mechanisch-elastische Kopplung zwischen dem Schwingungserreger und den Schwingungsaufnehmern. Der Ausgang des Verstärkers 118 kann wiederum zu einem Speiseverstärker 120 führen, der eine wechselstromgespeiste Uhr 122 ansteuert.

Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

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Claims (9)

Patentansprüche

1. Schwinger, insbesondere Stimmgabel, mit zwei durch ein •—s

Mittelstück verbundenen Zinken, dadurch gekennzeichnet , daß die größeren Flächenteile (I2,i2a,12b,14) einer jeden Zinke (12,14-) im wesentlichen in gemeinsamen Ebenen liegen (Fig. 3)·

2. Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die eine Zinke (12) allgemein U-förmig ausgebildet ist und die andere Zinke (14) rahmenartig umschließt.

3. Schwinger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelstück (22) mit seinen größten Flächenteilen in den gemeinsamen Ebenen liegt.

4. Schwinger nach eindem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Zinken (12,14·) aus einem flachen Metallstück oder Blechstreifen geformt sind.

5. Schwinger nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinken (12,14) aus einem dünnen, ebenen, biegsamen und rechteckig begrenzten Flachmaterial gebildet sind, das eine in dessen Längsrichtung verlaufende U-förmige öffnung aufweist, daß ein von dieser öffnung umschlossener Flachmaterialabschnitt die eine der Zinken (14) darstellt, daß das verbleibende Flachmaterial, welches die TT-förmige öffnung umschließt, die andere Zinke (12) mit Abschnitten (12a,12b) beiderseits der einen Zinke (14) bildet, und daß der mit beiden Zinken einstückige Flachmaterialteil das Kittelstück (22) ist.

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6. Schwinger nach wenigstens einem der Ansprüche 1 Ms 5, d a d U r c h gekennzeichnet , daß die Zinken (12,14) gegenüber dem Kittelstück (22) derart Gchwingunr.Efähig six-d, daß die Längsachse jeder Zinke im wesentlichen in eix.er gemeinsamen Ebene liegt, die ihrerseits in wesentlichen senkrecht zu Vektoren verläuft, welche bei einer Gabelschwingung allgemein den Schwingungεwegen und -richtungen entsprechen (Fig. 4A, 4B).

7. Schwinger nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Zinken (14) an einem nahe dem Ilittelstück (22) befindlichen Teil eine Öffnung (20) aufweist, welche die elastische Hach- | giebigkeit der Kopplung zwischen der Zinke (14) und dem Hittelstück (22) erhöht, so daß die Eigenresonanzfrequenz dieser Zinke verglichen mit einer Ausbildung ohne solche Öffnung herabgesetzt ist (Fig. 3)» .

8. Schwinger nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der einen Zinke (1&) und/oder Teile beider Abschnitte der anderen Zinke (12),an Stellen nahe dem Mittelstück (22) abgenommen bzw. ausgespart sind, um die elastische Nachgiebigkeit der Kopplung zwischen den beiden Zinken (12,14) und dem. Mittelεtück zu erhöhen, so daß die Eigenresonanzfrequenz beider Zinken gegenüber dem Wert herabgesetztist, " welcher sonst vorhanden wäre.

9. Schwinger nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Eigenresonanzfrequenz der einen Zinke der resultierenden Eigenresonanzfrequenz der anderen Zinke im wesentlichen gleich ist, z.B. indem die Aussparung an der einen Zinke größer ausgebildet ist als die Aussparung an der anderen Zinke.

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10. Schwinger nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9» "'■ dadurch gekennzeichnet, daß an einer der Zinken (14) ein Körper (18) aus einem Werkstoff mit genügender Masse angebracht ist, um die Eigonresonanzfrequenz dieser Zinke (14) merklich herabzusetzen.

11. Schwinger wenigstens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Metallstück bzw. der Blechstreifen aus geschichtetem Bimetall-Material mit einem verhältnismäßig niedrigen Rest-Temperaturkoeffizienten der Elastizität von z.B. 30 * 10" /grd besteht.

12. Schwinger nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Mittelstück (46) zum Erregen einer der Zinken (25) ein Wandler (2G,D.) angebracht ist und neben diesem auf dem Mittelstück (46) ein weiterer Wandler (28,P,.) zum Aufnehmen der von der anderen Zinke (24·) beim Schwingen abgegebenen Signale angeordnet ist (Fig. 6). '

13. Schwinger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß neben dem Schwingungsaufnehmer (52,A) auf dem Mittelstück (46) ein zusätzlicher Hilfswandler (50,B) angeordnet ist, der mit dem Schwingungsaufnehmer (52) zur wirksamen Unterdrückung von letzterem und dem Hilfswandler (50) empfangender Störsignale elektrisch phasenverschoben verbunden ist (Fig. 7 und 8).

14. Schwinger wenigstens nach Anspruch 13,dadurch gekennzeichnet , daß der am Mittelstück (64) angebrachte Schwingungserreger (74,C) damit an zwei getrennten, zueinander versetzten Stellen (76,78) verbunden ist, die in einer Linie parallel zur Längsachse der Zinken (62,66) liegen 9).

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2P,

15. Schwinger nach Anspruch 13 oder 14, dad u r c h

g e. k e η η ζ e i chnet , daß der zusätzliche Hilfswandler (70,B) noch einen anderen Hilfs-Schwingungsaufnehmer (80,D) aufweist, der mit dem Schwingungsaufnehmer (72,A) zur wirksamen Unterdrückung von durch Dehnungskopplung zwischen dem Schwingungserreger (74,C) und dem Schwingungsaufnehmer (72,A) erzeugten Signalen elektrisch phasenverschoben verbunden ist.

16. Schwinger nach einem der Ansprüche 13 bis 15» d ad ure h gekennzeichnet, daß die Anordnung in der Gabelschwingungsform schwingungsfähig ist, daß "die Zinken (24',25) I im wesentlichen gleiche Eigenresonanzfrequenzen haben und daß in der Ebene der Schwingeranordnung (24) eine Zunge (30) vorgesehen ist, die einen Hilfs-Schwingungsaufnehmer (32,Po) trägt und mit dem Schwingungsaufnehmer (28,PV) des Schwingers (24-) elektrisch phasenverschoben verbunden ist, so daß von letzterem und von der Zunge (30) herrührende Zungenschwingungssignale von beiden Aufnehmern empfangen und wirksam unterdrückt werden (Pig. 6).

17· Schwinger nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufprägen kontinuierlicher Schwingungen auf die Zinken (24·,25) einelektrischer Signalverstärker (34) mit einem Eingang und einem " Ausgang vorhanden ist und daß der Schwingungserreger (26,D.) an letzteren sowie der Schwingungsaufnehmer (28,P.«) an den Eingang angeschlossen ist (I¹Ig. 6).

18. Schwinger nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 17» dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der zum Schwingungs-Erregen bzw. -Aufnehmen dienenden Wandler (26,28;48,52;70,72,74;100,10Qa,100b) einen piezoelektrischen Kristall bzw. Schwinger aufweist, der am Mittelstück (46;,64) nahe den Teilen angebracht ist, von denen die Zinken (24',25i 42,44}62,66;84,86) ausgehen.

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1.9. Schwinger nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der zum Schwingungs-Erregen bsw. -Aufnehmen dienenden Wandler einen neben den Zinken (84,86) angeordneten elektromagnetischen Feldererzeuger (8S;9Os96;112) aufweist (Pig. 10 und 11).

20. Schwinger nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 19· dadurch gekennzeichnet, daß zum Abtasten und Erzeugen elektrischer Signale, die den Zungenschwingungen entsprechen, mit der Stimmgabel ein dritter Y/andler (32,P₂) gekoppelt ist, welcher an den Eingang des Verstärkers (3*0 derart angeschlossen ist, daß in dem durch den

^ Schwingungsaufnehmer (28,P^,) erzeugten elektrischen Signal

gegebenenfalls auftretende Zungenschwingungs-Veränderungen unterdrückt werden.

21. Verfahren zum Herstellen eines Schwingers nach wenigstens einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein elastisch nachgiebiges Flachmaterial-Stück geformt und innerhalb seiner Umfangsbegrenzung zwecks Bildung eines Zinkenpaares sowie eines Mittelstückes ein Materialteil entfernt bzw« ausgespart wird«

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekenn zeichnet, daß bei der Formung ein dünner, länglicher

W Streifen aus elastischem Material hergestellt und beim Entfernen bsw. Aussparen von Material ein U-förmiges Band aus dem Streifen herausgearbeitet wird, wodurch das Mittelstück samt den beiden Zinken gebildet wird, deren eine die andere umgibt.

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23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, d a du r c h
gekennze ichnet, daß beim Entfernen bzv/. Aussparen von Material eine Hittenzinke gebildet wird, die von Teilen einer äußeren Zinke iimgoben ist, welche teilweise

von den Streifenkanten begrenzt und daß die Breite der Hittenzinke im wesentlichen gleich den zusammengenommenen Breiten der äußeren Zinkenteile ist.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem ein Teil aus einer der Zinken ausgespart wird, um deren Eigenresonanzfrequenz herabzusetzen.

25. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 21 bis 24-, d adurch gekennze i chn et, daß das Entfernen bzw· Aussparen von Material durch einen Stanzvorgang erfolgt.

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