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Die Erfindung betrifft ein zeithaltendes Gerät mit mindestens zwei
auf einer Basis angeordneten, zu harmonischen Schwingungen durch eine Antriebsvorrichtung
antreibbaren und schwingungskompensiert angeordneten Schwingern.
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Es ist eine elektrische Uhr bekannt, deren Schwingelement eine Stimmgabel
ist. Diese trägt an jeder Zinke einen Topfmagneten, die beide im Feld einer ortsfesten
Spule schwingen. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß in der Schwingungsmittellage
die Tangente an die Schwingungsbahn senkrecht auf, der Längsachse der Stimmgabel
steht. Diese- Anordnung ist in der Herstellung teuer, da die Stimmgabel - um eine
genaue Frequenz zu erreichen - sehr präzise, d. h. mit aufwendigen Maschinen und
Arbeitsgängen, gefertigt werden muß.
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Es sind ferner Drehschwinger bekannt, deren Schwingungen kompensiert
sind, so daß die Vorrichtung nicht lageempfindlich ist. Jedoch macht die Kompensation
von zwei Drehschwingern erhebliche Schwierigkeiten. Dies liegt daran, daß nur sehr
schwer sichergestellt werden kann, daß die Winkelausschläge wirklich gleich sind,
d. h. daß die Bewegung mit gleichem Radius um eine ganz genau übereinstimmende Mitte
erfolgt.
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Ein weiteres Gerät zeigt eine doppelte Stimmgabel, deren beide Zinken
ineinander übergehen. Sie ist ausbalanciert, und ihre Mitten zeigen eine geradlinige
Bewegung. Jedoch ist dieser Schwinger seiner Form wegen schwer herzustellen. Er
muß in teurer Einzelfertigung erzeugt werden.
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Der Erfindung hegt-die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile
zu vermeiden. Es wird also in erster Linie auf eine gute, leicht zu erreichende
Kompensation bei zugleich leichter und billiger Fertigungsmöglichkeit Wert gelegt.
Diese Aufgabe wird bei den eingangs genannten Geräten erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die Schwinger Membranschwinger sind.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind darin zu sehen, daß die Membranschwinger
so angeordnet sind, daß sie eine gemeinsame, ungefähr gerade Schwingungswirkungslinie
haben und daß ferner die Membranen im wesentlichen rotationssymmetrisch sind. Außerdem
wird vorgeschlagen, daß die Membranen an zwei einander gegenüberliegenden Stellen
ihres Umfangs eingespannt sind, wobei vorzugsweise der Abstand dieser beiden Stellen
größer als die mittlere Breite der Membran ist.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung werden die geschilderten Nachteile
vollkommen vermieden. Der vorgeschlagene Membranschwinger ist einfach und billig
herzustellen. Es ist nämlich wesentlich leichter, Federbleche zu einer Membran zu
schneiden und zu pressen, als eine Stimmgabel aus vollem Material zu fertigen. Der
Membranschwinger ist auch leichter zu montieren als z. B. der bekannte Drehschwinger,
bei dem die Blattfedern umständlich mit Gewichten ausgerüstet werden müssen. Auch
die Kompensation der Schwingungen fällt bei einem Membranschwinger leichter.
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Bei einer Ausführungsform nach der Erfindung ist mindestens ein Membranschwinger
ans zwei in Schwingungsrichtung im Abstand voneinander angeordneten, vorzugsweise
ähnlichen Einzelmembranschwingern zusammengesetzt, die miteinander schwingungsmäßig
starr verbunden sind. Um eine optimale Schwingungskompensation zu erreichen, ist
erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Produkt A - w (A= Trägheitsmoment
des betreffenden Membranschwingers um seine Schwingungsachse, w = Amplitude) für
Membranschwinger unterschiedlicher Schwingungssysteme ungefähr gleich groß ist.
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Für den Antrieb wird vorgeschlagen, daß die Erregerspule der elektromagnetischen
Antriebsvorrichtung auf einem Membranschwinger angeordnet ist und mit einem anderen
Membranschwinger so zusammenwirkt, daß durch die Erregung der Erregerspule beide
Membranschwinger zu gegenphasigen Schwingungen gleicher Frequenz erregbar sind.
Hierbei ist dann auf dem anderen Membranschwinger mindestens ein Permanentmagnet
angeordnet, der mit der auf dem einen Membranschwinger angeordneten Erregerspule
zusammenwirkt.
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Ein anderes Merkmal der Erfindung liegt darin, daß die Einstellung
bzw. Steuerung oder Regelung der Amplitude einer Schwingung eines Membranschwingers
oder eines Schwingungssystems in Abhängigkeit der Größe der Amplitude der Schwingung
eines zugeordneten Membranschwingers bzw. Schwingungssystem erfolgt. Und schließlich
kann eine besonders gute Frequenzstabilität dadurch erzielt werden, daß das Trägheitsmoment
des einzelnen Membranschwingers mindestens gleich groß, vorzugsweise größer, insbesondere
um ein Vielfaches größer als das Trägheitsmoment der Basis in bezug auf dieselbe
Achse ist.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigt F i g.1 eine perspektivisch geschnittene Darstellung einer rotationssymmetrischen
Membran-Schwingungsanordnung, F i g.1 a eine Variante der Ausführungsform nach F
i g.1 in ebenfalls perspektivisch geschnittener Darstellung, F i g. 2 a eine perspektivisch
geschnittene Darstellung einer weiteren rotationssymmetrischen Membran-Schwingungsanordnung,
F i g. 2 b eine Variante der Ausführungsform nach F i g. 2 a in ebenfalls perspektivisch
geschnittener Darstellung, F i g. 3 eine perspektivisch geschnittene Darstellung
einer rotationssymmetrischen Faltenbalg-Schwingungsanordnung, F i g. 4 a eine weitere
Biegeschwingungsanordnung in perspektivischer Ansicht, bei der einzelne Teile geschnitten
dargestellt sind, F i g. 4 b eine Variante der Ausführungsform nach F i g. 4 a in
ebenfalls perspektivischer Darstellung, bei der wiederum einzelne Teile geschnitten
sind, F i g. 5 a eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels
der Erfindung, bei dem einzelne Teile geschnitten sind, F i g. 5 b eine ebenfalls
perspektivische Ansicht einer Variante nach F i g. 5 a, bei der einzelne Teile geschnitten
sind, F i g. 6 a eine weitere Variante des Ausführungsbeispiels nach F i g. 5 a
in perspektivischer Ansicht, bei der einzelne Teile geschnitten sind, F i g. 6 b
eine Draufsicht auf die Biegeschwingungsanordnung nach F i g. 6 a.
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In F i g.1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt diese Figur eine in sich geschlossene Membran-Schwingungsanordnung.
In bezug auf eine mittlere, mit P-P' bezeichnete Symmetrieebene
ist
diese Schwingungsanordnung symmetrisch ausgebildet.
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An den beiden oberen und unteren Stirnöffnungen eines kreiszylindrischen
Gehäuses 140 ist je eine in sich federnd ausgebildete Membran 142 bzw.
144
angeordnet. Auf jeder der beiden mittleren Teilmembranen 142a bzw.
144a ist je ein zylindrischer Permanentmagnet 148 bzw. 149 in das Gehäuseinnere
ragend befestigt.
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Mittels eines im Gehäuseinneren angeordneten Ringträgers 150 ist eine
Erregerspule 151 relativ zu dem Gehäuse starr derart befestigt, daß durch sie auf
die beiden Permanentmagneten 148 und 149 gleiche Kräfte ausübbar sind. Diese Erregerspule
151 ist an ein nicht näher dargestelltes Erregersystem angeschlossen, das die beiden
Membran-Schwingungssysteme 142 bzw. 144 im Takt ihrer gleichen Eigenschwingungsfrequenz
erregt.
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Die in F i g. 1 a dargestellte Membran-Schwingungsanordnung unterscheidet
sich von der Membran-Schwingungsanordung nach der F i g. 1 im wesentlichen dadurch,
daß in F i g.1 a ein einziger permanenter Stabmagnet 160 starr an dem Ringträger
150 befestigt ist, während die mit diesem Stabmagnet zusammenwirkenden Spulen 161
und 162 an den Membranen 142 und 144 befestigt sind. Durch diese Anordnung der Spulen
und des Permanentmagneten wird eine unmittelbar elektromagnetische Kopplung zwischen
den beiden Schwingungssystemen vermieden. Das Membrangehäuse 140 ist an den Trägern
163 und 164 in nicht näher dargestellter Weise befestigt, die ihrerseits an einer
nicht dargestellten Platine angeordnet sind. Auf den Außenseiten der beiden mittleren
Teilmembranen 142 a und 144 a
ist noch je ein Ausgleichsgewicht 166
und 167 befestigt. Jedes einzelne Ausgleichsgewicht ist so bemessen, daß der Schwerpunkt
des einzelnen Schwingungssystems Membran-Spule-Ausgleichsgewicht ungefähr in der
Membranebene liegt, so daß durch Stöße oder Erschütterungen, deren Wirkungsrichtung
quer zu der Spulenachse der betreffenden Spule 161 bzw. 162 verläuft, das betreffende
Schwingungssystem nicht in nennenswertem Maße zu Kippschwingungen um in der Membranebene
liegende Schwingungsachsen angeregt werden kann. Durch die Ausschaltung bzw. Verminderung
derartiger Schwingungen wird die gesamte Dämpfung der Schwingungsanordnung unter
den in der Praxis vorliegenden Bedingungen erheblich verkleinert, was sich insbesondere
auch auf die Frequenzstabilität und den Energiebedarf günstig auswirkt.
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Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 a unterscheidet sich zu dem
Ausführungsbeispiel nach F i g.1 a im wesentlichen darin, daß nur eine einzige Spule
168 vorgesehen ist, die an der Membran 142 fest angeordnet ist und mit einem an
der Membran 144 ebenfalls fest angeordneten Permanentmagneten 169 zusammenwirkt.
Das Gehäuse 140 dieser besonders einfachen Schwingungsanordnung weist eine Mehrzahl
von ringförmigen Ausnehmungen 170 auf. Durch diese Ausnehmungen kann die Luft frei
hindurchströmen, so daß die durch die Membranschwingung bedingte Luftkompression
im Innern des Gehäuses 140 verringert wird, wodurch die Dämpfung des Systems ebenfalls
verringert wird. Wie bereits erwähnt, wird durch eine Verringerung der Dämpfung
insbesondere die Frequenzstabilität erhöht. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind
auf den Außenseiten der beiden Membranen Ausgleichsgewichte 166 und 167 angeordnet,
durch die die Schwerpunkte der beiden Einzelsysteme Membran 142 --- Spule 168 -Ausgleichsgewicht
166 bzw. Membran 144 --- Permanentmagnet 169 - Ausgleichsgewicht 167 ungefähr in
die jeweilige Membranebene gelegt werden, so daß, wie oben erwähnt, keine Kippschwingungen
der beiden Einzelsysteme entstehen können bzw. derartige Kippschwingungen verringert
werden. Zu diesem Zweck sind auch die Membranen so ausgebildet, daß ihre Elastizität
in der gewünschten Schwingungsrichtung, d. h. in Richtung der Spulen- bzw. Permanentmagnetachse,
wesentlich größer, vorzugsweise mindestens zehnmal größer als in Radialrichtung
ist. Dieser Elastizitätsunterschied in den genannten beiden Richtungen bewirkt auch
ganz allgemein, daß die Amplitude von Schwingungen quer zu der Achsrichtung der
Spule 168 bzw. des Permanentmagneten 169 klein gegenüber den Amplituden der Schwingungen
in Achsrichtung sind.
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Die genannten Ausgleichsgewichte können ferner noch zur Einstellung
bzw. Justierung der Eigenschwingungsfrequenz des betreffenden Einzelschwingers dienen.
Die Justierung kann beispielsweise so vorgenommen werden, daß das Gewicht des Ausgleichsgewichtes
nach der Montage durch Bohren oder vorzugsweise durch Elektroerosion so lange vermindert
wird, bis die gewünschte Eigenschwingungsfrequenz eingestellt ist.
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Ferner hat sich gezeigt, daß es zweckmäßig ist, wenn die Dämpfung
von zusammenwirkenden Einzelschwingungssystemen ungefähr auf gleiche Größe abgestimmt
ist, da in diesem Fall eine optimale Schwingungskompensation möglich ist und die
Rückwirkungen auf die Platine ein Minimum sind.
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In F i g. 2 b ist eine Variante der Ausführungsform nach F i g. 2
a dargestellt, bei der das Innere des zylindrischen Gehäuses 140 über den
zwischen dem Permanentmagneten 169 und der Spule 168 bestehenden Ringspalt 176 mit
der Außenatmosphäre in Verbindung steht und so die gesamte Dämpfung des Schwingungssystems
durch den möglichen Luftdurchtritt vermindert wird. Der Permanentmagnet 169 bildet
zusammen mit dem Topf 175 ein im ganzen mit 177 bezeichnetes Topfmagnetsystem. Der
Topf 175 ist an der unteren Membran 144 starr befestigt. Die Spule 168 ist mittels
eines zylindrischen Spulenhalters 174 in die obere Membran 142 eingestezt. Die Anordnung
des Topfmagneten 177 relativ zu der Membran 144, wie auch die Anordnung der Spule
168 und ihres Spulenhalters 174 relativ zu der Membran 142 ist hierbei so,
daß der Schwerpunkt des Topfmagneten 177 bzw. der Schwerpunkt des Systems Spule
168 - Spulenhalter 174 ungefähr in der Membranebene der zugeordneten Membran 144
bzw. 142 liegt.
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Die in F i g. 3 dargestellte Schwingungsanordnung hat als schwingungselastisches
Organ einen in Achsrichtung elastischen Faltenbalg 178, der mittels der Träger 163
und 164 in nicht näher dargestellter Weise an einer ebenfalls nicht dargestellten
Platine befestigbar ist. Dieser Faltenbalg 178 ist in bezug auf seine Quermittelebene
symmetrisch ausgebildet. Ferner ist er rotationssymmetrisch. In die obere und untere
Ciffnung des Faltenbalges 178 ist je eine Deckplatte 179 a und 180
a eingesetzt. An der Deckplatte 179 a
ist eine Spule 179
b und an der Deckplatte 180 a ist ein nach innen ragender, mit der
Spule 179 b zu-
sammenwirkender Permanentmagnet
180 b. angeordnet. In der oberen Deckplatte 179a sind Luftdurchtrittsöffnungen
181 vorgesehen, durch die die Dämpfung der Schwingungsanordnung verringert wird.
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Die im allgemeinen erwünschte Abstimmung der beiden Schwingungssysteme
der Schwingungsanordnung auf gleiche Eigenfrequenz kann auch in diesem Ausführungsbeispiel
getrennt vorgenommen werden, beispielsweise dadurch, daß die Gewichte der beiden
Deckplatten unabhängig voneinander so lange geändert werden, bis jedes der beiden
Schwingungssysteme die gewünschte Eigenschwingungsfrequenz aufweist.
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In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 a sind auf getrennten Trägerplatten
182, 184, die in nicht näher dargestellter Weise auf einer dargestellten
Platine lagejustierbar befestigbar sind, je ein im ganzen mit 190 und 191 bezeichnetes
Einzelschwingungssystem an Haltern 183 bzw. 185 befestigt. Beide Einzelschwinger
weisen je eine Biegefeder 186 bzw. -187
auf, die jeweils beidseits
in den genannten Haltern 183 bzw. 185 befestigt sind. Jede Biegefeder 186 bzw..187
ist mehrfach gebogen, wodurch sich eine besonders ,geringe Biegesteifigkeit in Richtung
der Schwingungsachse T-T ergibt. Dagegen ist die Biegesteifigkeit in Querrichtung
zu der genannten Schwingungsrichtung T-T verhältnismäßig groß. Am Mittelstück 186
a der Biegefeder 186 ist eine Spule 192 und am Mittelstück 187a der Biegefeder 187
ist ein Permanentmagnet 193, der in das Innere der Spule 192 hineinragt, befestigt.
Auf den Außenseiten der beiden Mittelstücke 186.a und 187a ist je ein Ausgleichsgewicht
188 bzw.189 befestigt.
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Auch bei der Schwingungsanordnung nach F i g. 4 a können die beiden
Einzelschwingungssysteme 190
und 191 gemäß der Erfindung getrennt lage- und
frequenzjustiert werden.
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Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 b unterscheidet sich von dem
Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 a im wesentlichen dadurch, daß an den Mittelstücken
186 a bzw. 187 a der Biegefedern 186 bzw. 187 je eine Spule 195 bzw.
196 befestigt ist. Diese Spulen wirken - mit entgegengesetzten Polstücken 197
a bzw. 197 b eines mittig an einem Steg 198 b
starr befestigten
Permanentmagneten 197 zusammen.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der Steg 198 b mittels seitlichen
Haltestücken 198 a an einer Halteplatte 198 befestigt. Die beiden Einzelschwingungssysteme
190 und 191 wie auch der Permanentmagnet 197 sind getrennt dadurch lagejustierbar,
daß die Trägerplatten 182, 184 und die Halteplatte 198 in nicht näher dargestellter
Weise auf einer ebenfalls nicht dargestellten Platine lageeinstellbar sind.
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In F i g. 5 a ist eine Schwingungsanordnung darge= stellt, die ähnlich
wie in dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 b insgesamt drei relativ zueinander
lagejustierbare Baugruppen aufweist. Die beiden äußeren Baugruppen weisen je eine
Trägerplatte 200 und 201 auf, an denen mittels je eines Trägerstückes 202 bzw. 203
je ein Biegeschwinger 206 bzw. 208 angeordnet ist. Diese Biegeschwinger sind mit
den Mittelteilen ihrer beiden äußeren Stege 206b, 206c bzw. 208b, 208c an
den Trägerstücken 202 bzw. 203 befestigt. Diese Trägerstücke weisen
kreisförmige Durchbrüche 202a bzw. 203a auf, durch die Ausgleichsgewichte
216 bzw. 215, die auf der Rückseite der Mittelstege 206a bzw. 208a der Biegefeder
206 bzw. 208 befestigt sind, hindurchragen. An den Innenseiten der genannten Mittelstege
206 a bzw. 208 a ist je. eine Antriebsspule
209 bzw. 210 befestigt, die mit den entsprechenden Polen eines stationären
Permanentmagneten 220 zusammenwirken, der an dem Mittelstück 211 a -eines
Trägers 211 befestigt ist. Die in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Form .
dieser Biegefeder 206 bzw. 208 zeichnet sich unter anderem durch ein
besonders günstiges Verhältnis der Biegeelastizität in Richtung der Achse der Spulen
209 bzw. 210, die der Antriebsrichtung entspricht, zu der Elastizität quer
zu dieser Antriebsrichtung aus. Die Trägerplatten 200, 201 und der Träger 211 sind
wiederum in nicht näher dargestellter Weise an einer nicht dargestellten Platine
lageeinstellbar befestigt.
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Das in F i g. 5 b dargestellte Schwingungssystem entspricht im wesentlichen
dem Schwingungssystem nach F i g. 5 a, wobei jedoch hier nur eine. Spule 225 vorgesehen
ist, die an dem Mittelsteg 206 a der Biegefeder 206 befestigt ist, während der mit
dieser Spule zusammenwirkende Permanentmagnet 226 an dem Mittelsteg 208 a
der Biegefeder 208 befestigt ist.
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In F i g. 6 a und 6 b ist eine Variante der Ausführungsform nach F
i g. 5 b dargestellt, wobei der Unterschied dieser beiden Ausführungsformen im wesentlichen
in den unterschiedlichen Biegefederanordnungen der beiden Biegeschwinger besteht.
In F i g. 6 a und 6b sind die im ganzen mit 230 bzw. 231 bezeichneten Biegeschwinger
einander ähnlich und bestehen aus je zwei Biegefedern 232 und 233 bzw. 234 und 235.
Diese Biegefedern sind ähnlich den Biegefedern 206 -bzw. 208 der F i g. 5 b, jedoch
mit dem Unterschied, daß die einzelnen Federstege, wie 233 a, 233 b, 233 c, gewölbt
sind. Die Wölbung der Außenstege, wie 233 b und 233 c, ist hierbei entgegengesetzt
der Wölbung des Mittelsteges, wie 233 a. Durch diese Wölbung wird vermieden, daß
die einzelne Feder während der Schwingung »schnappt«. Ein solches als »Schnappeffekt«
bezeichnetes Schnappen würde sich auf die Frequenzstabilität und Dämpfung ungünstig
auswirken.
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Die beiden Biegefedern des einzelnen Biegeschwingers 230 bzw. 231
sind parallel zueinander im Abstand voneinander angeordnet, wobei die Mittelteile
der Mittelstege 233 a und 23.2 a bzw. 234 a und 235 a
durch
je ein Distanzstück 240 bzw. 241 miteinander schwingungsmäßig starr verbunden sind.
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Bevorzugt ist die Anordnung der beiden Biegefedern 232 und 233 bzw.
234 und 235 des einzelnen Biegeschwingers 230 bzw. 231 so getroffen, daß die Wölbung
von einander gegenüberstehenden Federstegen entgegengesetzt ist. Dies ist in dem
in F i g. 6 a und 6 b dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall. Die beiden Biegefedern
sind hier jeweils mit den Mittelteilen ihrer äußeren Stege 232b, 232c,
233b
und 233 c bzw. 234 b, 234 c, 235 b und 235 c an
dem Halter 250 bzw. 251 befestigt, wobei durch Distanzstücke 240 bzw. 241 ein bestimmter
Abstand zwischen den Mittelstegen 232 a und 233 a bzw. 234 a
und 235a der beiden Blegefedern des einzelnen Biegeschwingers 230 bzw. 231
hergestellt wird Die Halter 250 und 251 sind ihrerseits einstellbar
an je einer Grundplatte 254 bzw. 255 befestigt. Diese Grundplatten sind in nicht
näher dargestellter Weise an einer bei 256 (F i g. 6 b) angedeuteten Platine angeordnet.
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Diese erfindungsgemäße Ausbildung des einzelnen Biegeschwingers hat
den erheblichen Vorteil, daß die Elastizität des Biegeschwingers quer zu der durch
das
Antriebssystem angeregten Schwingungsrichtung, d. h. quer zu der Achsrichtung der
Spule 285 und des Permanentmagneten 226, praktisch vernachlässigbar klein gegenüber
der Elastizität in der durch den Antrieb angeregten Schwingungsrichtung ist. Hierdurch
ist ein Biegeschwingungssystem geschaffen, dessen Dämpfung minimal ist. Entsprechend
ist die Frequenzstabilität besonders gut und auch der Verbrauch an Antriebsenergie
besonders klein. Die Ausbildung der Biegefedern, aus denen der einzelne Biegeschwinger
besteht, kann hierbei von irgendeiner geeigneten Art sein und ist nicht auf Federn
der in F i g. 6 a und 6 b gezeigten Form beschränkt.