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Torsionsoszillator für Uhren Die Erfindung bezieht sich auf einen
Torsionsoszillator für Uhren mit wenigstens einer Torsionsfeder, die einerseits
am Uhrengestell, z. B. an der Werkplatte, und andererseits an wenigstens einer schwingenden
Masse befestigt ist.
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Bekannte Torsionsoszillatoren dieser Art bestehen aus rechteckförmigen
und mit ihren Längskanten parallel zur Torsionsachse orientierten Blattfedern, wobei
insbesondere mehrere Federn kreuz- oder sternförmig um die gemeinsame Schwingungsachse
angeordnet sind. Diese Federn sind an ihren einen Enden oder aber in ihrer Mitte
am Gestell befestigt, während an den anderen Enden bzw. an beiden Federenden schwingende
Massen angeordnet sind. Vorzugsweise dienen zum Einspannen der Federn bzw. zur Befestigung
der Massen sektorförmigeTeile, welche durch Einschieben in eine Öffnung der Werkplatte
bzw. der schwingenden Masse zwecks Einklemmung der Federn radial nach innen gedrückt
werden. Wenn zwei Massen vorgesehen sind, schwingen diese zur Erzielung eines guten
dynamischen Gleichgewichts in Gegenphase.
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Ferner ist bereits ein Torsionsoszillator bekannt, dessen Torsionsfeder
aus einem V-förmig geknickten Federblatt besteht, dessen Knicklinie parallel zur
Schwingungsachse verläuft und das mit seinen beiden Enden am Gestell eingespannt
ist, während die schwingende Masse aus einem senkrecht zur Schwingungsachse orientierten,
an der Mitte der Feder befestigten Arm besteht und mit stationären Spulen oder Magneten
zusammenarbeitet, die zu einer die Schwingungen des Oszillators aufrechterhaltenden
elektronischen Schaltung gehören.
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V-förmig geknickte Torsionsfedern sind auch bereits zur reibungslosen
Aufhängung der beweglichen Teile von Meßinstrumenten oder Relais bekannt, wobei
mehrere derartig geknickte Federn unter Bildung von Federsystemen mit kreuz- oder
sternförmigem Querschnitt zusammengesetzt werden.
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Diesen bekannten Torsionsfedern sind die bei Anwendung auf Uhren ins
Gewicht fallenden Nachteile gemeinsam, daß praktisch der gesamte Bereich der Federn
einer nichtlinearen Torsionsbeanspruchung unterliegt und das Torsionsmoment nichtlinear
mit der Torsionsamplitude verändert wird, woraus sich eine Abhängigkeit der Oszillationsfrequenz
von der Torsionsamplitude ergibt. Da auch die Federenden bzw. die Einspannbereiche
der Federn einer starken Torsionsverformung unterliegen, ist eine sehr exakte und
feste Einspannung der Federn sowohl am Gestell als auch an den schwingenden Massen
erforderlich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile bisher bekannter
Torsionsoszillatoren zu vermeiden. Zu diesem Zweck ist der Torsionsoszillator nach
der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Feder mit wenigstens näherungsweise
zur Schwingungsachse senkrecht gerichteten Einschnitten versehen ist, durch welche
senkrecht zu dieser Achse orientierte und beim Schwingen des Oszillators im wesentlichen
nur auf Biegeverformung beanspruchte Zungen gebildet werden.
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Da auf diese Weise der Hauptteil der Verformungen der Federn reine
Biegeverformungen sind und bekanntlich das Biegemoment linear von der Verformung
abhängt, entfällt praktisch die Abhängigkeit der Schwingungsfrequenz von der Schwingungsamplitude,
und außerdem ist die Torsionsbeanspruchung der Einspannstellen der Federn auf ein
Minimum begrenzt.
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Um eine möglichst große aktive Länge der Torsionsfeder bei möglichst
geringer Bauhöhe der Uhr zu erzielen und um die an den Einspannbereichen auftretenden
Reaktionskräfte noch weiter zu verringern, gibt man in einer bevorzugten Ausführungsform
der Feder eine mäanderförmige Gestalt, wobei die senkrecht zur Schwingungsachse
orientierten streifenförmigen Abschnitte wesentlich länger als die parallel zur
Torsionsachse gerichteten Verbindungsstege ausgebildet werden, so daß sich die Torsionsbeanspruchung
nur
in den kurzen achsenparallelen Federabschnitten bemerkbar macht, wobei vorzugsweise
zur Verbesserung des Resonanzfaktors die senkrecht zur Schwingungsachse orientierten
Federabschnitte ein derartiges Profil haben, daß die Bedingung des gleichen Widerstandes
wenigstens näherungsweise erfüllt ist.
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Um ferner die Abhängigkeit der Schwingungsfrequenz von der Lage des
Oszillators in bezug auf die Richtung der Schwerkraft auszuschalten bzw. zu verringern,
werden mit Vorteil in an sich bekannter Weise geknickte Federn mit zwei einen Winkel
bildenden Hälften und parallel zur Schwingungsachse orientierter Knicklinie verwendet,
wobei zweckmäßigerweise die Feder teilweise längs ihrer Knicklinie aufgeschnitten
und/oder mit quer durch die Knicklinie verlaufenden Einschnitten versehen ist.
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Weitere Erfindungsmerkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 die Ansicht auf einen aus mäanderförmigen Federelementen
aufgebauten Torsionsoszillator, F i g. 2 eine Draufsicht auf den Oszillator nach
F i g. 1 in seiner Ruhelage, F i g. 3 eine Draufsicht auf den Oszillator nach F
i g. 1 in tordiertem Zustand, F i g. 4 ein mäanderförmig ausgebildetes Torsionsfederelement
mit verbessertem Querschnitt, F i g. 5 ein aus zwei Federhälften gemäß F i g. 4
zusammengesetztes Federelement, das teilweise an seinen mittleren Bereichen verbunden
ist, F i g. 5 a eine Draufsicht auf das Federelement nach F i g. 5 nach der Biegung
um die vertikale Mittelachse, F i g. 6 ein Federelement entsprechend dem Beispiel
nach F i g. 4 mit einem Befestigungsansatz zur Befestigung der Feder am Uhrengestell
bzw. der Werkplatte, F i g. 7 ein Doppelfederelement mit zwei mittleren Befestigungsansätzen,
F i g. 7 a eine Draufsicht auf die Feder nach F i g. 7 nach deren Biegung um die
mittlere vertikale Achse und F i g. 8 die Draufsicht auf einen aus zwei gebogenen
Federelementen nach F i g. 7 und 7a aufgebauten Torsionsoszillator.
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Der in den F i g. 1 bis 3 dargestellte Torsionsoszillator 1 weist
vier kreuzförmig zueinander angeordnete Federelemente auf, die durch je eine Lamelle
gebildet werden. Jede dieser Lamellen besteht aus einem näherungsweise rechteckförmigen
Federblatt, in welches senkrecht zur Achse des Torsionsoszillators orientierte Spalte
derart eingeschnitten sind, daß jedes Federelement ungefähr eine Mäanderform annimmt.
Die eine, senkrecht zu den Spalten orientierte Seite jedes Federelements bildet
eine geradlinige Kante, während die gegenüberliegende Seite stufenförmig derart
ausgebildet ist, daß Abschnitte unterschiedlicher, zur Mitte der Seite hin größer
werdender Breite entstehen, die durch entsprechende Zungen 2, 8, 9 und 6 unterschiedlicher
Länge gebildet werden, die untereinander nur durch Stege auf der einen bzw. anderen
Federelementseite verbunden sind.
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Die erwähnten geraden Kanten der Federelemente bilden die Innenseiten
und liegen eng benachbart paarweise gegenüber; durch diese Innenkanten wird die
Drehachse des Torsionsoszillators definiert.
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Die Enden 2 und 3 der vier Federelemente, welche durch die kurzen
Außenzungen gebildet werden, sind am Umfang je eines Kreisringes 4 bzw. 5
befestigt, an welchem jeweils ein nicht dargestellter Arm befestigt ist. An den
Enden dieser Arme, die gemeinsam mit den Kreisringen 4 und 5 die schwingende Masse
des Oszillators darstellen, sind Magnete oder Spulen angeordnet, die zur elektronischen
Schaltungsanordnung einer Uhr gehören und mit entsprechenden stationären elektrischen
Bauelementen zur Aufrechterhaltung der Oszillatorschwingungen zusammenarbeiten.
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Der Mittelbereich jedes Federelements wird durch eine lange elastische
Zunge 6 gebildet, deren freies Ende, wie in den F i g. 2 und 3 gezeigt, am Gehäuse
bzw. an einem fest mit dem Gehäuse verbundener Träger befestigt ist.
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Die Torsion des beschriebenen Federsystems wird im wesentlichen durch
eine reine Biegeverformung der beiden Federabschnitte 8 und 9 erreicht, welche die
beiden Schenkel eines U bilden, dessen Längsachse senkrecht zur Torsionsachse orientiert
ist.
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In F i g. 2 ist das Torsionsfedersystem in seiner Ruhelage dargestellt,
in welcher alle Abschnitte bzw. Zungen eines Federelements in einer Ebene liegen,
während in F i g. 3 das Federsystem im tordierten Zustand gezeigt ist. Man erkennt,
daß dieser tordierte Zustand lediglich durch eine entsprechende Biegung aller Federabschnitte
8 und 9 erzielt wird, während die langen mittleren Zungen 6 praktisch nicht verformt
werden. Es tritt also auch keine Kontraktion des Federsystems in Richtung der Torsionsachse
auf.
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Für den Fall, daß das in den F i g. 1 bis 3 dargestellte Torsionsfedersystem
zur Verwendung in einer elektronischenArmbanduhr bestimmt ist, haben die einzelnen
Federelemente beispielsweise eine Länge von 4 mm und eine Dicke von 0,08 mm. Die
Torsionsamplitude des Oszillators liegt bei ungefähr 1°. Als Federmaterial wird
vorzugsweise eine temperaturkompensierte Legierung verwendet, die nur eine geringe
Wärmeleitfähigkeit hat. Unter diesen Voraussetzungen ist die Schwingungsfrequenz
des Oszillators verhältnismäßig unabhängig von der Torsionsamplitude. Außerdem erlaubt
es das mäanderförmige Profil der Federlamellen, für eine gegebene Bauhöhe zwischen
dem Träger 7 und den oszillierenden Massen bzw. Armen an den Kreisringen 4 und 5
eine wesentlich größere aktive Federlänge zu erzielen, als es mit Torsionsoszillatoren
bisher bekannter Bauart möglich war, und auf diese Weise trotz nur sehr geringer
Bauhöhe der gesamten Uhr eine kleine Oszillationsfrequenz zu erhalten.
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Außerdem spielt auch die Präzision, mit welcher die Enden der Torsionsfederelemente
in die Kreis= ringe 4 bzw. 5 und die freien Enden der mittleren Lamellen 6 in die
Träger eingebettet werden, für die Bestimmung der exakten Nutzlänge der Federelemente
nur eine sehr untergeordnete Rolle. Da ferner die Befestigungsenden der Federelemente
nur einer sehr geringen Biegebeanspruchung unterliegen, entfällt die Notwendigkeit,
die Federenden an den Kreisringen 4 bzw. 5 sowie an den Trägern 7 sehr fest einspannen
zu müssen, wodurch auch die Schwierigkeiten vermieden werden, die mit dem Problem
des exakten und starken Einspannens der
Torsionsfedern üblicher
Bauart zusammenhängen, bei denen ja die Lagerstellen der Federn ein hohes Torsionsmoment
aufnehmen müssen.
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Darüber hinaus erlaubt die lange mittlere Federzunge 6 auf einfache
Weise die Herstellung einer für den synchronen Betrieb zweier in Phasenverschiebung
schwingender Oszillatoren notwendigen elastischen Kupplung.
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Anstatt vier unabhängige Federelemente zu verwenden, kann man auch
mit nur zwei unabhängigen Federelementen derart arbeiten, daß beispielsweise je
zwei Federelemente nach F i g. 1 längs des mittleren Bereichs 10 ihrer geraden
Innenkanten miteinander verbunden sind. Die beiden unabhängigen Federelemente haben
dann jeweils eine in bezug auf die Torsionsachse symmetrische Form und werden längs
dieser Achse im Mittelbereich 10 um 90° gebogen.
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Andererseits können die beiden Hälften eines derartigen Doppelfederelements
auch insgesamt, also längs des Mittelbereichs 10 und der beiden Endbereich 2 und
3, oder aber auch nur an ihren Endbereichen 2 und 3 unter Auftrennung
des mittleren Bereichs 10 miteinander verbunden sein.
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Das Federelement nach F i g. 4 besteht im wesentlichen aus zwei seitlichen,
etwa L-förmigen Zungen 12 sowie einer mittleren, etwa V-förmigen Zunge 14, deren
Längsrichtungen alle senkrecht zur Torsionsachse 100 orientiert sind, sowie aus
achsenparallelen Abschnitten, die einerseits von den kurzen L-Schenkeln 11 bzw.
11' als Endbereiche und andererseits aus den die erwähnten Zungen zickzackförmig
verbundenen Stegen 13 und 15 gebildet werden. Während die parallel zur Torsionsachse
100 liegenden Bereiche 11, 13 und 15 beim Schwingen des Oszillators im wesentlichen
eine Torsion erfahren, werden die senkrecht zur Achse liegenden Bereiche 12 und
14 im wesentlichen nur einer reinen Biegeverformung unterworfen. Die Länge der Zungen
12 und 14 ist um ein Vielfaches größer als die der Abschnitte 11,
13 und 15, so daß die Biegeverformung bzw. Biegebelastung bei weitem überwiegt,
was sehr vorteilhaft ist, da die Biegebeanspruchung im Unterschied zur Torsionsbeanspruchung
linear zur Schwingungsamplitude ist.
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Um auf bestmögliche Weise die Verformungsbeanspruchung der Federelemente
auf die gesamte Länge der Felder gleichmäßig zu verteilen, wird den Federelementen
wenigstens näherungsweise eine Form gegeben, die der Bedingung des gleichen Widerstandes
entspricht. Zu diesem Zweck nimmt die Breite der senkrecht zur Oszillationsachse
100 orientierten Zungen mit der Entfernung von dieser Achse ab, wie es in F i g.
4 für die Zungen 12 und 14 dargestellt ist, während die achsenparallelen Abschnitte
11, 13 und 15 zu kurz sind, als daß sich eine besondere Profilgebung dieser Teile
lohnen würde. Die Federelemente nach F i g. 4 werden untereinander wie beim ersten
Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 und 3 an ihren Endbereichen 11 bzw.
11'
durch einen Kreisring miteinander verbunden, während die Befestigung an
einem Träger oder direkt auf der Werkplatte der Uhr, in diesem Fall an der Innenseite
der mittleren Zunge 15 erfolgt, wie es im folgenden noch näher beschrieben wird.
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Das Federelement nach F i g. 5 setzt sich aus zwei Federelementen
nach F i g. 4 zusammen, die symmetrisch miteinander an den Innenseiten ihrer Endabschnitte
11 und 11' verbunden sind. Ein derartiges Federelement nach F i g. 5 wird aus einem
Stück durch Stanzen hergestellt und anschließend längs einer vertikalen Symmetrieachse
um wenigstens näherungsweise 90° gebogen, so daß dieses Federelement wiederum, wie
in F i g. 5 a dargestellt, zwei symmetrische, im rechten Winkel zueinander orientierte
Halbfedern bildet. Die durchgehende Verbindung der Endabschnitte 11 und 11' des
Federelements erhöht wesentlich die Steifigkeit und Festigkeit der Einbettung dieser
Enden, selbst bei einer nur verhältnismäßig schwachen Einspannung dieser Enden,
da die auf eine der beiden Federhälften ausgeübte Torsionsbeanspruchung vom eingespannten
Teil der anderen Federhälfte aufgenommen wird. Der Krümmungsradius der Biegung wird
derart gewählt, daß man noch eine entsprechend geformte zweite, gleichartige Torsionsfeder
zur Erzielung eines symmetrischen Aufbaus des Torsionsoszillators montieren kann.
Wohlgemerkt funktioniert ein Torsionsoszillator im Prinzip auch mit nur einem einzigen
Doppelfederelement vom Typ der in F i g. 5 gezeigten Feder, obwohl dann natürlich
die dabei auftretende asymmetrische Verteilung gewisse Nachteile mit sich bringt.
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Zur Befestigung des Torsionsfederelements an einem Träger bzw. an
der Werkplatte der Uhr sieht man vorzugsweise einen mit dem Federelement ein Stück
bildenden Ansatz vor, wie es im Beispiel nach F i g. 6 dargestellt ist. Beim Federelement
nach F i g. 6 ist die mittlere Zunge über ihre Innenkante hinaus durch einen etwa
rechteckförmigen Ansatz 6' erweitert, welcher über einen einen Einschnitt 17 frei
lassenden Steg mit dieser mittleren Zunge verbunden ist. Dieser Einschnitt 7 erlaubt
die kreuzförmige Montage zweier gleicher Federelemente, die mit ihren Einschnitten?
schachtelförmig ineinandergesetzt werden können. Der Ansatz 6 weist zwei Befestigungslöcher
18 auf.
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Im allgemeinen sieht man bei einem Torsionsfedersystem gemäß der Erfindung
nur zwei Befestigungsansätze 6 vor, die vorzugsweise miteinander einen Winkel von
etwa 90° einschließen. Ein drittes Federelement kann derart angeordnet werden, daß
es sich längs der Halbierenden des von den beiden Befestigungsansätzen eingeschlossenen
Winkels erstreckt. Man muß möglichst vermeiden, eine zu große Anzahl von Befestigungsansätzen
vorzusehen, da sonst für den Isochronismus des Oszillators ungünstige innere Spannungen
infolge einer überbestimmten Anzahl von Einspannstellen auftreten können.
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In F i g. 7 ist eine weitere Ausführungsform eines Doppelfederelements
dargestellt, das längs seiner vertikalen Mittelachse wiederum um wenigstens näherungsweise
90° gebogen wird, wie es in F i g. 7 a gezeigt ist.
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Die beiden Federhälften sind sowohl an ihren beiden Endbereichen 115
und 116 als auch an ihrem mittleren Bereich 117 miteinander verbunden, obwohl
es im Prinzip auch genügt, als Verbindungsstelle lediglich die mittlere Brücke
117 vorzusehen. Durch Ausstanzen sind beim Federelement nach F i g. 7 die
achsenparallelen kurzen Abschnitte 115 und 116, vier symmetrische, durch die achsenparallelen
kurzen Außenstege 113 jeweils V-förmig miteinander verbundenen Zungen 112, 114 sowie
die mittleren, verhältnismäßig breiten Zungen 117 und 117' mit den rechteckförmigenBefestigungsansätzen
6'
und 6" gebildet. Die mittleren Zungen 7 sind mit der mittleren
Brücke 7117 verbunden. Die Zungen 112 und 114 wie auch die mittleren Befestigungszungen
117 haben wiederum ein Profil, das der Bedingung des gleichen Widerstandes genügt.
Das heißt, die Breite der Zungen 117 nimmt mit der Entfernung von der Oszillationsachse
zu, damit einerseits die freie Schwingung des Oszillators sowenig wie möglich behindert
wird und damit andererseits ein genügend hoher Widerstand gegenüber den von den
schwingenden Massen ausgeübten, parallel zur Schwingachse wirkenden Beanspruchungen
auf die Befestigungsteile erzielt wird. Die senkrecht zur Torsionsachse wirkenden
Kräfte werden nach der Biegung der Federelemente im wesentlichen durch die mittlere
Brücke 117 aufgenommen.
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Die Torsionsbeanspruchungen, denen die Befestigungsansätze 6', 6"
während der Schwingung des Oszillators unterliegen, können noch dadurch verringert
werden, daß man, wie in F i g. 7 a gezeigt, zwischen den Enden der rechtwinklig
zueinander orientierten Ansätze 6' bzw. 6" Versteifungsstreben 119 anbringt, welche
die Steifigkeit des Befestigungssystems erhöhen.
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An Stelle eines Diagonalsteges 119 kann auch direkt im Winkel der
Brücke 117 eine in F i g. 7 a gestrichelt dargestellte Platte 100 angeordnet sein.
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Wenn zwei an den Endabschnitten 11 und 11' des Federelements befestigte
schwingende Massen, beispielsweise in Form zweier Arme, befestigt sind, die in Gegenphase
zueinander schwingen, dann ist es wesentlich, daß die Befestigungsansätze eine hinreichende
Elastizität in bezug auf die Oszillationsbewegung aufweisen, um eine gute mechanische
Kopplung der beiden schwingenden Massen zu gewährleisten.
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Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 8 ist ein Torsionsoszillator dargestellt,
der mit zwei Doppelfedern des oben beschriebenen Typs arbeitet. Die Befestigungsansätze
6 jeder Feder, die miteinander einen rechten Winkel einschließen, sind an den Stellen
110 der Uhrenwerkplatte befestigt, während die oberen Enden 11 der gebogenen Federn
in eine schwingende Masse eingebettet sind, die aus vier die Kanten der Federn einklemmenden
Stahlsektoren sowie einem elastischen Ring 130 und einem äußeren Ring 140 besteht.
Der elastische Ring 130 weist einen radialen Schlitz 180 auf und dient während der
Montage dazu, die vier Sektoren 120 zusammenzuhalten, bevor der äußere Ring 140
unter Kraft auf den elastischen Ring 130 aufgedrückt wird.
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Die Befestigung der Enden der Ansätze 6', 6" an den Teilen 110 der
Werkplatte erfolgt mittels Bolzen oder Niete, die in die Löcher 18 der Ansätze eingesetzt
werden.
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Allen beschriebenen Federelementen nach der Erfindung ist gemeinsam,
daß diejenigen Federbereiche, die auf Torsion beansprucht werden, parallel zur Oszillationsachse
orientiert sind und daß die schwingenden Massen sich axial frei verschieben können;
aus diesem Grund treten weder in den Federn noch in den schwingenden Massen irgendwelche
Zug- oder Kompressionskräfte auf, wie es bei den bisher bekannten Torsionsoszillatoren
der Fall ist, die mit im wesentlichen senkrecht zur Schwingachse orientierten, auf
Torsion beanspruchten Federn und mit einer am Ende dieser Federn befestigten schwingenden
Masse arbeiten. Der in F i g. 8 dargestellte Torsionsoszillator läßt zahlreiche
konstruktive Varianten sowohl hinsichtlich der Anzahl der Federn, der Befestigungsstellen
oder auch der Einbettungssektoren zu. Zweckmäßigerweise ist eine zweite schwingende
Masse der gleichenArt an den unteren Seiten 11' der Federelemente befestigt, und
beide Massen schwingen in Gegenphase zueinander, so daß ein gutes dynamisches Gleichgewicht
des Torsionssystems gewährleistet ist.
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Ferner kann der Winkel, der von den beiden gebogenen Hälften eines
Federelements eingeschlossen ist, von 90° verschieden sein, wie es bereits erwähnt
wurde. Außerdem können die Brücken 115 und 116 nach F i g. 7 längs ihrer vertikalen
Mittelachse aufgeschnitten sein, so daß die beiden Federhälften lediglich über die
gemeinsame mittlere Brücke 117 verbunden sind.
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Die Aufrechterhaltung der Schwingungen erfolgt bei den Torsionsoszillatoren
nach der Erfindung beispielsweise auf elektromagnetischem Weg in der Art, wie es
im schweizerischen Patent 367 443 beschrieben ist.
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Nach Wunsch können auch verfeinerte und kompliziertere Federprofile
verwendet werden, die man auf Grund von Berechnungen oder Versuchen zur Erzielung
eines optimalen Verhaltens des Torsionsoszillators ermitteln kann.