DE1673758A1 - Mechanischer Schwinger mit einem Torsionsstab als elastisches Glied - Google Patents

Mechanischer Schwinger mit einem Torsionsstab als elastisches Glied

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Description

Patentanwalt Dipl.-Phys. GERHARD LIEDL · 8 Mönchen 22, Steinsdorfstraße 22 Telefon Jt U « Fernschreiber 05 22 2Or
C 3228
Institut Dr. Ing. Reinhard Straumann AG Waidenburg (Schweiz)
Mechanischer Schwinger mit einem Torsionsstab als elastisches Glied
Die Erfindung betrifft einen mechanischen Schwinger für Zeitmeßgeräte und elektrische Filter mit einem Torsionsstab als elastisches Glied.
Lo/B
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— a —
Torsionsstäbe werden als elastische Glieder von Schwingsystemen in Zeitmeßgeräten und elektrischen Filtern nur sehr selten verwendet. Der Grund liegt häufig darin, daß die erzielbaren Amplituden bei bekannten Torsionsschwingern für technische Zwecke nicht groß genug sind. Bekannt ist eine Tischuhr mit einem einseitig eingespannten Torsionspendel, dessen Torsions· stab die Form eines Drahtes hat. Torsionsstäbe zeigen jedoch als elastische Glieder von Schwingsystemen Vorteile gegenüber Biegeschwingern.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die theoretisch bekannten Vorteile von Torsionsschwingern in der Praxis zu realisieren und einen mechanischen Schwinger mit einem Torsionselement als elastisches Glied vorzuschlagen, der Schwingamplituden von genügender Größe und ausreichender Genauigkeit hinsichtlich seiner Frequenzhaltung besitzt. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Torsionsstab an seinen beiden Enden mit Trägheitsmassen von gleichem Trägheitsmoment in bezug auf die Stab-
achse versehen ist und die Mitte jeder trägen Masse (: r dm) auf der Stabachse liegt und der Stab am Ort des Schwingungsknotens festlegbar ist, so daß bei festgelegtem Stab die Schwingungen der einen Stabhälfte auf die andere übertragen werden.
Zweckmäßigerweise werden dabei die Massen so verteilt, daß der Schwerpunkt des gesamten Schwingers mit dem Bewegungsknoten zusammenfällt.
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Eine besonders vorteilhafte Lösung erhält man, wenn man dem Schwinger die Form eines H gibt, dabei den Steg als Torsionsstab ausbildet und in seiner Mitte eine Einrichtung vorsieht, mit der er sich festlegen läßt.
Aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen ergeben
sich weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Anordnungen. In der bei- μ
liegenden Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Schwingers;
Fig. 2 seine verschiedenen Eigenschwingungen; Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel gekoppelt mit einem elektrodynamischen
Wandler; '
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel gekoppelt mit einem elektrodynamischen Wandler;
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel gekoppelt mit einem elektromagnetischen Wandler;
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Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel gekoppelt mit einem elektrostatischen Wandler;
Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrodynamischen Wandlers am Schwinger und
Fig. 8 Schaltungen für die Verkopplung der Wandler *er einen elektrischen
bis 14
Schaltkreis und unmittelbar über die Polarisation im elektromechanischen Wandler.
Der in der Fig. 1 dargestellte Schwinger weist im wesentlichen die Form eines H auf. Der mit 1 bezeichnete Steg dieses H bildet den Torsions- stab, während die beiden Balken 2 und 3 an den Enden dieses Stabes oder Steges die Trägheitsmasse η bilden. Jede Masse trägt an ihren beiden Enden ) hier je zwei Magnete 4 und 5, die an sich beliebige Form haben können. Sie
dienen zugleich als Beschwerungsmassen. Die Fig. 3 und 4 zeigen beispielsweise Ausgestaltungen dieser Massen. In der Mitte des Steges 1 sind zwei zueinander symmetrische Befestigungslappen 6 und 7 angebracht, die an ihren freien Enden mit Löchern 6a und 7a versehen sind. Mittels dieser Befestigungslappen läßt sich der Schwinger festlegen. Bei der Dimensionierung ist darauf zu achten, daß die auf die Achse des Steges 1 bezogenen Trägheitsmomente der beiden Massen einander gleich sind und daß die Mitte
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jeder der beiden trägen Massen (resultierendes Trägheitsmoment Jr dm) auf der Achse des Steges 1 liegt. Wenn das ganze H symmetrisch ausgebildet ist, sind die Massen so verteilt, daß zudem der Schwerpunkt des gesamten Schwingers mit dem Bewegungsknoten, also mit der Mitte des Stabes 1 zusammenfällt. Da der dargestellte Schwinger also nicht nur ein elastisches Glied und diskret verteilte Trägheitsmassen enthält, durch die die Resonanzfrequenz genau vorbestimmt wäre, kann er mehrere unterschiedliche Schwingungen ausführen. Die Figur 2 zeigt an einem Ausführungs beispiel nach Fig. 1 diese verschiedenen Schwingungen, die dadurch ermittelt wurden, daß man den Schwinger an einem Arm angeregt und Phase und Amplitude an den anderen Armen beobachtet hat. Wie man sieht, treten drei Nebenresonanzen auf, die durch Torsion und Biegung der Befestigungslappen 6 und 7 sowie infolge der Durchbiegung der Balken und 4 bedingt sind. Die Amplituden dieser Nebenresonanzen sind jedoch klein und stören die einwandfreie Erregung des Schwingers in seiner wesentlichen Eigenfrequenz von 998 Hz nicht. Es ergibt sich aus den Versuchen, daß der Schwinger weitgehend unabhängig davon, ob der Torsionsstab 1 einen rechteckigen oder einen runden Querschnitt aufweist, einen hohen Gütefaktor und eine gute Stabilität besitzt, was seinen Grund darin hat, daß die mechanische Beanspruchung verteilt ist und die makroskopische, thermoelastische Dämpfung fehlt, da in einem Torsionsstab keine Dilatationen auftreten. Des weiteren hat der erfindungsgemäße Schwinger eine von der Läge unabhängige Eigenfrequenz, da ja
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sein Befestigungspunkt mit dem geometrischen Zentrum zusammenfällt, welches zugleich den Schwerpunkt und den Trägheitsschwerpunkt bildet, und demnach der Beitrag des Schwerefeldes zur potentiellen Energie sich ausgleicht. Die bei allfälligen Schlägen auftretende mechanische Beanspruchung überlagert sich den Torsionsspannungen, hat aber nicht die gleiche Art und Verteilung, so daß die Schwingungen nicht unmittelbar fc gestört werden. Bei gutem Massenabgleich ergibt sich über die Befestigung keine Energieabstrahlung des Schwingers, wodurch Verluste und Frequenzverwerfung vermieden werden. Zudem ist ein Torsionsschwinger im Unterschied zum Biegeschwinger aus der Geometrie der Bewegung nicht anisochron, d.h. seine Frequenz ist von der Amplitude unabhängig.
Zur Anregung und zum Unterhalt der Schwingungen lassen sich die an sich bekannten Wandler verwenden. Die Anregung kann beispielsweise magnetisch, elektrodynamisch oder elektrostatisch erfolgen und zwar entweder nur an einem Ende eines der beiden Balken 2 oder 3 oder auch an mehreren dieser Enden. Falls mehr als ein Wandler verwendet wird, ist es durch die Anordnung der elektrischen Schaltkreise nicht nur möglich, alle unerwünschten Schwingungen zu unterdrücken, sondern auch den ganzen Schwinger gegen Schläge unempfindlich zu machen, indem man die Anordnung so trifft, daß die durch die Schläge induzierten Spannungen unwirksam sind.
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Die Figur 3 zeigt einen elektrodynamischen Wandler. Am freien Ende des Balkens 10 eines Schwingers sitzt ein Topf magnet 11, der im Feld einer ortsfesten Spule 12 schwingt. Die Figur 4 zeigt eine konstruktiv andere Ausführungsform eines ähnlichen elektrodynamischen Wandlers, wo der Topf magnet mit 13 und die Spule mit 14 bezeichnet sind. Die Figur 5 zeigt einen elektromagnetischen Wandler; Gegenüber dem freien Ende des Balkens 15 eines Schwingers befindet sich ein Joch 16 eines Elektromagneten, f dessen Kern mit 17 und dessen Spule mit 18 bezeichnet ist. Die Figur 6 zeigt einen elektrostatischen Wandler, bei welchem die beiden ortsfesten Elektroden mit 19 und 20 bezeichnet sind.
Die Figur 7 zeigt eine etwas andere Ausgestaltung der Befestigungsvorrichtung: Im Unterschied zu dem in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der aus einem Torsionsstab 21 und zwei an seinen Enden angebrachten, als Trägheitsmassen dienenden Balken 22 und 23 bestehende Schwinger nur einen hier mit 24 bezeichneten Befestigungslappen auf, der selbstverständlich an der Mitte des Tors ions stabes 21 befestigt ist. Die Elastizität der Aufhängung kann auf diese Weise den auftretenden äußeren Störungen entsprechend angepaßt sein. Der Befestigungslappen 24 muß natürlich gleich wie die Befestigungslappen 6 und 7 so elastisch sein, daß zwar der Schwinger durch ihn festgelegt werden kann, daß jedoch bei
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festgelegtem Stab die Schwingungen der einen Stabhälfte auf die andere übertragen werden und die beiden Enden gegengleich schwingen, mit anderen Worten, daß es sich beim Torsionsstab um einen einheitlichen Schwinger mit in der Mitte befindlichem Schwingknoten handelt. Eine vollständig starre Befestigung würde aus dem einen Torsionsstab zwei in bezug auf die Schwingungen unabhängige, also einseitig eingespannte Torsionsstäbe machen. Bei dieser elastischen Befestigung entstehen die durch die Torsion und Biegung des bzw. der Befestigungslappen bedingten Nebenschwingungen, deren Eigenfrequenz etwa das 0, 3-fache bis das 1, 2-fache der Hauptfrequenz beträgt. Die Messungen des ersten Ausführungsbeispieles ergaben ja 650 und 850 Hz bei 998 Hz für die Hauptschwingung, also das 0,65- und 0, 84-fache. An den beiden Enden 22a und 23a der Balken 22 und 23 ist je ein Magnet 25 bezw. 26 befestigt. Eine einzige Spule 27 ist durch das Magnetfeld der beiden Magnete hindurchgeführt. Die in den Wandlern induzierten Spannungen der Bewegungen der Grundharmonisciien sind derart unmittelbar verkoppelt.
Die Figuren 8 bis 14 zeigen nur rein schematisch verschiedene Möglichkeiten für die Anordnung der elektrischen Kreise oder der unmittelbaren Verkopplung über die Wandler, wobei die Richtung der Polarisation der Wandler (magnetisch, dynamisch, elektrostatisch) durch Pfeile angegeben ist. Während die Figur 8 einen einfachen Resonator oder Filter darstellt,
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wobei die Anregung des Schwingers 29 oder auch die Abnahme der Schwingung durch einen einzigen Wandler 28 erfolgt, zeigt die Figur 9 einen einfachen rückgekoppelten Resonator mit zwei Wandlern 29 und 30 und einem Verstärker 31. Die Figuren 10 und 11 zeigen phasenempfindliche Systeme mit drei Wandlern 32, 33 und 34, die schaltungstechnisch oder mittels einer Polarisation im Wandler die Phase der induzierten Spannung nutzen, wobei zwei Wandler zur Abnahme dienen und der dritte die Anregung besorgt. Ih dieser Schaltung mit zwei Wandlern 32 und 33 zur Detektion heben sich z. B. durch Bewegungen bei Schlägen induzierte Spannungen auf, indem deren Phasenlage gegenüber jener der Grundschwingung abweicht. Das Verkoppeln der Wandler für die Detektion läßt größere Unempfindlichkeit gegen äußere Störungen erreichen.
Die Figuren 12 und 13 zeigen ausgebaute phasenempfindliche Systeme mit je vier Wandlern 35 bzw. 36 und einem Verstärker 37 bzw. 38. Durch zwei Wandler auf der Anregungsseite der Figuren 12 und 13 f
läßt sich hoher Wirkungsgrad und eindeutige Anregung der Grundharmonischen erreichen. Die Figur 14 zeigt die Schaltung für ein elektromechanisches Filter, das hier vier Wandler 39 besitzt. Selbstverständlich sind auch noch weitere Kombinationen möglich, etwa so, daß mehrere Wandler in Serie geschaltet sind. Überdies sind selbstverständlich die Lagen der Wandler vertauschbar.
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Die erfindungsgemäfien Schwinger eignen sich nun nicht nur dazu, eine elektrische Schwingung zu steuern bzw. konstant zu halten, sie eignen sich auch für eine unmittelbare mechanische Leistungsabgabe, also beispielsweise zum Antrieb eines Klinkenrades, ähnlich wie das bei Stimmgabelschwingern bereits bekannt ist.
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Claims (11)

Patentansprüche
1. Mechanischer Schwinger für Zeitmeßgeräte und elektrische Filter mit einem Torsionsstab als elastisches Glied, dadurch gekennzeichnet, daß der Torsionsstab (1) an seinen beiden Enden mit Trägheitsmassen (2, 3)
von gleichem Trägheitsmoment in bezug auf die Stabachse versehen ist und Jj r dm) auf der Stabachse liegt und der
Stab am Ort des Schwingungsknotens festlegbar ist, so daß bei festgelegtem Stab die Schwingungen der einen Stabhälfte auf die andere übertragen werden.
2. Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet^ daß die Massen
( 2, 4, 3, 5) so verteilt sind, daß der Schwerpunkt des gesamten Schwingers mit dem Bewegungsknoten zusammenfällt.
3. Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen die Form eines H aufweist, wobei der Steg (1) als Torsionsstab ausgebildet und in seiner Mitte mit einer Einrichtung (6, 7) versehen ist, mit der er sich festlegen läßt.
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4. Schwinger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte des Steges (21) mindestens eine senkrecht zu ihm verlaufende, elastische Befestigungszunge (24) angebracht ist.
5. Schwinger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den vier Enden der H-Schenkel Beschwerungsmassen (4, 5) angeordnet sind.
6. Schwinger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Beschwerungsmasse (4) als elektro-mechanischer Wandler (11, 12) ausgebildet ist.
7. Schwinger nach Anspruch 6, bei welchem mindestens drei Wandler (33, 34) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwei (33) davon zur Detektion der Bewegung dienen, und daß diese beiden derart miteinander verkoppelt sind, daß sich die Signale von Störschwingungen kompensieren.
8. Schwinger nach Anspruch 6, bei welchem mehrere Wandler vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler über einen elektrischen Schaltkreis miteinander gekoppelt sind.
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9. Schwinger nach Anspruch 6, bei welchem mehrere Wandler vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (36) unmittelbar miteinander verbunden sind.
10. Schwinger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (27) des einen elektrodynamischen Wandlers (25) auch als Spule eines weiteren elektrodynamischen Wandlers (26) dient.
11. Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Trägheitsmasse als Klinke eines Schrittschaltwerkes ausgebildet ist oder eine solche Klinke trägt.
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