DE2002171C3

DE2002171C3 - vibrator

Info

Publication number: DE2002171C3
Application number: DE19702002171
Authority: DE
Inventors: Seiki; Kaneda Yasuyoshi; Tokio Mizutani
Original assignee: KX. Hattori Tokeiten, Tokio
Priority date: 1969-01-23
Filing date: 1970-01-19
Publication date: 1976-06-24

Description

Die Erfindung betrifft einen Vibrator für Präzisionsfrequenzgeber oder für Zeitmesser gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Ein derartiger Vibrator ist aus dem DT-Gbm 19 72 490 bekannt. Dieser Vibrator weist eine erhebliche Dicke auf. Er bildet einen so Torsionsschwinger, bei dem der Basisabschnitt als Torsionsstab wirkt, während die vier in Form eines symmetrischen H von dem Basisabschnitt abstehenden und mit Gewichten versehenen Schwingarme die Trägheitsmassen an beiden Enden des Torsionsstabs bilden. Dieser Torsionsschwinger ist in der Mitte im Bereich eines Schwingungsknotens gehalten. Er kann nur zwei Normalschwingungen durchführen, von denen die eine einen kleinen Gütefaktor hat, während die andere die gewollte Eigenschwingung darstellt, wobei eine Störung dieser Schwingungen durch eine Reihe von parasitären Schwingungen entsteht, welche darauf zurückzuführen sind, daß die tatsächlichen Massen in gewissem Maße elastisch sind. Bei der beschriebenen Ausbildung des Torsionsschwingers können jedoch diese parasitären Schwingungen klein gehalten werden. Die Herstellung derartiger Torsionsschwinger erfordert eine hohe Präzision, die für Produktionen mit hohen 171 The invention relates to a vibrator for precision frequency generators or for timers according to the preamble of the main claim. Such a vibrator is known from DT-Gbm 19 72 490. This vibrator has a considerable thickness. It forms such a torsional oscillator in which the base section acts as a torsion bar, while the four oscillating arms projecting in the form of a symmetrical H from the base section and provided with weights form the inertial masses at both ends of the torsion bar. This torsional oscillator is held in the middle in the area of a vibration node. It can only carry out two normal oscillations, one of which has a small quality factor, while the other represents the intended natural oscillation, with a disturbance of these oscillations caused by a series of parasitic oscillations, which are due to the fact that the actual masses are elastic to a certain extent are. With the described design of the torsional vibrator, however, these parasitic vibrations can be kept small. The manufacture of such torsional vibrators requires a high level of precision, which is required for productions with high 171

Stückzahlen entweder nicht erreichbar oder zu teuer ist.Quantity is either not achievable or too expensive.

In der US-PS 25 94 749 ist ein Vibrator beschrieben, der aus einer vierarmigen Stimmgabel besteht. Die vier Arme sind in Η-Form angeordnet und bestehen aus Federplatten, die Biegesehv. ingungen durchführen. Diese Biegeschwingungen erfolgen in der Ebene des Vibrators, wobei die Grundplatte lediglich als feste Halterung dient. Derartige Biegeschwinger sind einfacher und billiger herzustellen als die vorstehend genannten Torsionsschwinger. In ihnen können die vier flexiblen Schwingarme eine Vielzahl von Eigenschwingungen durchführen, die unabhängig davon auftreten wie der Vibrator befestigt ist. Bei Verwendung eines derartigen Vibrators, beispielsweise für eine Uhr, ist es wesentlich, daß bei einer selbst erregten Auslösung jeweils eine bestimmte der normalen Schwingungsanen ausgewählt und von den anderen normalen Schwingungsarten abgesondert wird. Dies bedeutet, daß ein Auftreten von gekoppelten Schwingungen zwischen den einzelnen Grundschwingungen verfnieden werden sollte, was jedoch bei dieser bekannten Anordnung nicht gelingt. Das Ingangsetzen der Schwingungen, ebenso wie deren Aufrechterhaltung muß ferner bei diesem Vibrator zur Vermeidung von ungewollten oder wilden Schwingungen an allen vier Schwingarmen gleichmäßig und unter Einhaltung der gleichen Phasenlage erfolgen, was eine aufwendige und genaue Steuerung notwendig macht. Ein stabiler und sicherer Betrieb dieses bekannten Vibrators ist daher nicht sichergestellt, so daß er sich für Präzisionsfrequenzgeber oder für Zeitmesser nicht eignet.In US-PS 25 94 749 a vibrator is described which consists of a four-armed tuning fork. The four Arms are arranged in Η-shape and consist of spring plates, the Biegesehv. perform ingings. These flexural vibrations take place in the plane of the vibrator, with the base plate only being fixed Bracket is used. Such flexural oscillators are simpler and cheaper to manufacture than those above called torsional oscillator. In them, the four flexible swing arms can perform a multitude of natural vibrations which occur regardless of how the vibrator is attached. When using a Such vibrators, for example for a watch, it is essential that with a self-excited release a certain one of the normal vibration types is selected and from the other normal vibration types is segregated. This means that there is an occurrence of coupled oscillations between the individual fundamental vibrations should be avoided, but this is not the case with this known arrangement succeed. The start of the vibrations, as well as their maintenance, must also be done with this Vibrator to avoid unwanted or wild vibrations on all four swing arms evenly and taking place in compliance with the same phase position, which requires a complex and precise control power. A stable and safe operation of this known vibrator is therefore not ensured, so that it is not suitable for precision frequency transmitters or for timepieces.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Vibrator zu schaffen, der einfach und billig herzustellen ist. der genau schwingt und einen hohen Gütefaktor besitzt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs aufgeführten Merkmale gelöst.The present invention is therefore based on the object to provide a vibrator that is simple and is cheap to manufacture. which vibrates precisely and has a high quality factor. This object is achieved according to the invention solved by the features listed in the characterizing part of the main claim.

Der erfindungsgemäße Vibrator kann in einfacher Weise durch Ausstanzen aus einem Blech hergestellt werden. Im Falle einer Selbsterregung, beispielsweise durch Auslenkung eines der an den Schwingarmen befestigten Gewichte, erhält man die erwünschte normale Schwingungsart, bei der die jeweiligen Schwingarme gegenüber den benachbarten Schwingarmen eine Phasendifferenz von 180°aufweisen. Bei dieser erwünschten normalen Schwingungsart wird über die Haltepunkte keine Schwingungsenergie abgeleitet, so daß ein hoher Gütefaktor erhalten wird. Wenn dagegen der Vibrator Störsignale erhält, die ihn in eine ungewünschte Schwingungsart überführen, wirken die sich von dem Basisabschnitt aus erstreckenden Tragarme als über ihre Befestigung gedämpfte Schwingarme, so daß sie den Gütefaktor der ungewollten Schwingungsarten vermindern. Der Vibrator kann daher nur dann dauernd weiterschwingen, wenn er sich in der gewünschten normalen Schwingungsart befindet, da nur in diesem Falle keine Schwingungsenergie aus dem Haltebereich des Vibrators abgeleitet wird.The vibrator according to the invention can be produced in a simple manner by punching out of a sheet metal will. In the case of self-excitation, for example by deflecting one of the swing arms attached weights, you get the desired normal mode of vibration, in which the respective Swing arms have a phase difference of 180 ° with respect to the neighboring swing arms. At this desired normal vibration mode, no vibration energy is derived via the stop points, see above that a high figure of merit is obtained. If, on the other hand, the vibrator receives interference signals that convert it into a transfer undesired type of vibration, the support arms extending from the base section act than swing arms damped by their attachment, so that they reduce the quality factor of the unwanted types of vibration Reduce. The vibrator can therefore only continue to vibrate when it is in the desired normal vibration mode is, since only in this case no vibration energy from the Holding area of the vibrator is derived.

Der erfindungsgemäße Vibrator ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform mit wenigstens einem Unterdrückungselement aus federndem oder starrem Material versehen, das zur Unterdrückung der Schwingungen eines Knotenpunkts bzw. einer Knotenlinie des Vibrators bei ungewollten Schwingungsarten dient. In der US-PS 3t 50 337 ist zwar eine Dämpfungseinrichtung beschrieben, die zur Amplitudenbegrenzung eines Schwingers dient. Diese Dämpfungseinrichtung ist jedoch nicht für die AussonderungThe vibrator according to the invention is according to a particularly preferred embodiment with at least a suppression element made of resilient or rigid material is provided for the suppression the vibrations of a node or a node line of the vibrator in the event of undesired types of vibration serves. In US Pat. No. 3t 50,337, a damping device is described which is used to limit the amplitude serves as a vibrator. However, this damping device is not for disposal

von unerwünschten normalen Schwingungsarten vorgesehen. provided by undesired normal modes of vibration.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn das Unterdrükkungselement stehts mit dem Knotenpunkt bzw. der Knotenlinie des Vibrators in Berührung steht.It is particularly useful if the suppression element is connected to the node or the Nodal line of the vibrator is in contact.

Gemäß einer weiteren besonders zweckmäßigen Ausführangsforrn ist das Unterdrückungselement im Preßsitz am Knotenpunkt bzw. an der Knotenlinie des Vibrators befestigt.According to a further particularly expedient embodiment, the suppression element is in the Press fit attached to the node or to the node line of the vibrator.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform ist das Unterdrückungselement in einem geringen Abstand vom Knotenpunkt bzw. der Knotenlinie angeordnet, so daß es bei der gewollten Schwingungsart mit dem Knotenpunkt nicht in Berührung steht, ihn jedoch bei ungewollten Schwingungsarten berührt.According to a further expedient embodiment, the suppression element is in a small one Distance from the node or the node line arranged so that it is in the desired mode of oscillation is not in contact with the node, but touches it in the event of undesired types of vibration.

An Hand der in der Zeichnung dargestellten beispielsweisen Ausführungsformen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigtOn the basis of the exemplary embodiments shown in the drawing, the invention explained in more detail below. It shows

F i g. 1 die perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen, IH-förmigen Vibrators,F i g. 1 the perspective view of an inventive, IH-shaped vibrators,

Fig.2 die schematischen Darstellungen von vier Schwingungsarten des H-förmigen Vibrators, F i g. 3 eine Draufsicht auf den H förmigen Vibrator,2 shows the schematic representations of four Modes of vibration of the H-shaped vibrator, FIG. 3 is a plan view of the H-shaped vibrator;

Fig. 4a eine dritte Ausführungsform eines H-förmigen Vibrators,4a shows a third embodiment of an H-shaped Vibrators,

Fig. 4b die Seitenansicht des in Fig.4a gezeigten Vibrators,FIG. 4b shows the side view of the vibrator shown in FIG.

F i g. 5 die Draufsicht einer weiteren Ausführungsform des H-förmigen Vibrators. F i g. 5 is a top view of another embodiment of the H-shaped vibrator.

Der in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße H-förmige Vibrator weist vier Schwingarme la, Ib, lc und ld auf, die die gleiche Frequenz haben und sich von einem Basisabschnitt 2 aus erstrecken. Sie liegen koplanar mit dem Basisabschnitt 2 und bilden ein symmetrisches H. Zwischen den Schwingarmen la, \b und lc, ld erstrecken sich vom Basisabschnitt 2 aus zwei Haltearme 3a und 3b, die in der Längs-Symmetrieachse A der symmetrischen Schwingarme liegen. Die Enden der beiden Haltearme 3a und 3b sind mittels Schrauben 5 auf den oberen Enden von Befestigungsstäben 4a bzw. 46 befestigt. In der Quer-Symmetrieachse B sind an den beiden Enden des Basisabschnittes 2 Ausschnitte 6 vorgesehen, durch die das Maß der Torsionskopplung zwischen den jeweiligen Schwingarmen la bis id eingestellt werden kann. Dieser Vibrator kann durch Stanzen aus einer federnden Metallplatte hergestellt werden. An den beiden Seiten der Enden der jeweiligen Schwingarme ta bis Idsind Gewichte 7 befestigt, die die Masse der jeweiligen Schwingarme miteinander ausgleichen. H-shaped vibrator of the invention shown in FIG. 1 has four swing arms la, Ib, lc and ld, which have the same frequency and extending from a base portion 2 made. They are coplanar with the base section 2 and form a symmetrical H. Between the swing arms la, \ b and lc, ld extend from the base section 2 from two holding arms 3a and 3b, which lie in the longitudinal axis of symmetry A of the symmetrical swing arms. The ends of the two holding arms 3a and 3b are fastened by means of screws 5 to the upper ends of fastening rods 4a and 46, respectively. In the transverse axis of symmetry B , cutouts 6 are provided at the two ends of the base section 2, through which the degree of torsional coupling between the respective swing arms la to id can be adjusted. This vibrator can be made from a resilient metal plate by stamping. Weights 7 are attached to the two sides of the ends of the respective oscillating arms ta to Ids, which balance the mass of the respective oscillating arms with one another.

Der Vibrator ist nach dem folgenden Prinzip aufgebaut. Der H-förmige Vibrator kann, wie in F i g. 2 gezeigt, vier normale Schwingungsarten Ai, Ä2, λι und Xa annehmen. Die Schwingungsart Ai stellt die gewünschte normale schwingungsart dar. Die Pfeile in F i g. 2 zeigen die Schwingungsrichtungen der jeweiligen Schwingarme in einem bestimmten Augenblick an. In der erwünschten normalen Schwingungsan Ai kann an die Haltearme keine Kraft bzw. kein Moment übertragen werden, so daß die Haltearme die Frequenz des Vibrators nicht beeinflussen. Jedoch wird in den ungewollten Schwingungsarten A2, Xi und Ai eine Kraft oder ein Moment auf die Haltearme übertragen, so daß sie als Schwingarme wirken. Dadurch ändern die Schwingarme die Frequenz des Vibrators und der Gütefaktor derselben wird vermindert. Die Schwingung der Haltearme gegenüber dem Vibrator wirkt sich unterschiedlich auf die Schwingungsarten A2, A3 und A4 aus. Es ist festgestellt worden, daß die Wirkung der Haltearme in der normalen Schwingungsan Ai unterschiedlich ist von derjenigen in den anderen unerwünschten Schwingungsarten A₂, Aj und Xa. Es wurde experimentell nachgewiesen, daß durch richtige Bemessung der Länge, Breite usw. der Haltearme der Vibrator in den unerwünschten Scfrwingungsarten mit einer Frequenz schwingt, die sich von derjenigen in der erwünschten normalen Schwingungsart stark unterscheidet. Dadurch schwingt der Vibrator nur in der erwünschten normalen Schwingungsart mit einer vorherbestimmten Frequenz und diese enthält keinerlei Anteile einer unerwünschten Schwingungsart.The vibrator is constructed according to the following principle. The H-shaped vibrator can, as shown in FIG. 2, assume four normal modes of vibration Ai, Ä2, λι and Xa. The vibration type Ai represents the desired normal vibration type. The arrows in FIG. 2 show the directions of oscillation of the respective oscillating arms at a specific instant. In the desired normal Schwingungsan Ai no force or no moment can be transmitted to the holding arms, so that the holding arms do not affect the frequency of the vibrator. However, in the undesired modes of vibration A2, Xi and Ai, a force or a moment is transmitted to the holding arms, so that they act as swing arms. As a result, the swing arms change the frequency of the vibrator and the quality factor thereof is reduced. The oscillation of the holding arms in relation to the vibrator has different effects on the types of oscillation A2, A3 and A4. It has been found that the action of the holding arms in the normal vibration mode Ai is different from that in the other undesired vibration modes A ₂ , Aj and Xa. It has been experimentally demonstrated that by properly dimensioning the length, width, etc., of the support arms, the vibrator will vibrate in the undesired vibration modes at a frequency which is very different from that in the desired normal vibration mode. As a result, the vibrator only oscillates in the desired normal mode of oscillation with a predetermined frequency and this does not contain any components of an undesired mode of oscillation.

Auf Grund der Versuche wurden die Abmessungen des in Fig.3 gezeigten Vibrators folgendermaßen festgelegt:Based on the experiments, the dimensions of the vibrator shown in Fig. 3 became as follows fixed:

Material: Ni-C-BIech (Ni-span-C) Stärke 0,4 mmMaterial: Ni-C-BIech (Ni-span-C) thickness 0.4 mm

Masse = 400 mg,Mass = 400 mg,

a =a =

b =b =

c =c =

d =d =

e =e =

f =f =

g =g =

h =h =

i = i =

jj ■■=■■ =

22 mm,
19 mm,
2,5 mm,
3,5 mm,
3,0 mm,
7,0 mm,
2,5 mm,
3,5 mm,
7,5 mm,
0,8 mm.22 mm,
19 mm,
2.5 mm,
3.5 mm,
3.0 mm,
7.0 mm,
2.5 mm,
3.5 mm,
7.5 mm,
0.8 mm.

Bei diesem Vibrator beträgt die Frequenz in der erwünschten normalen Schwingungsart: Ai = 150Hz.With this vibrator, the frequency in the desired normal mode of vibration is: Ai = 150Hz.

Die Frequenzen in den ungewollten normalen SchwingungsartenA₂,Ai und Xa sindThe frequencies in the unwanted normal modes A ₂ , Ai and Xa are

A₂
AjA ₂
Aj

124Hz,
139Hz,
160Hz.124Hz,
139Hz,
160Hz.

Die Frequenzen /"A₂, A3 und (Xa unterscheiden sich stark von der Frequenz Ai des Vibrators, so daß der Vibrator ständig in der erwünschten normalen Schwingungsart schwingt und sich ein Gütefaktor von etwa 4000 ergibt.The frequencies / "A ₂ , A3 and (Xa differ greatly from the frequency Ai of the vibrator, so that the vibrator constantly vibrates in the desired normal vibration mode and a quality factor of about 4000 results.

Ein Vibrator, bei dem bis auf das Maß i, das 17 mm beträgt, sämtliche anderen Abmessungen beibehalten werden, schwingt mit folgenden Frequenzen:A vibrator in which all other dimensions are retained except for dimension i, which is 17 mm, vibrates at the following frequencies:

A₁
A₂
AjA ₁
A ₂
Aj

150Hz,150Hz,

98Hz,98Hz,

121 Hz,121 Hz,

139Hz.139Hz.

Dieser Vibrator schwingt gleichmäßig, so daß sein Gütefaktor sehr hoch ist.This vibrator vibrates evenly, so that its quality factor is very high.

Die in den F i g. 4a und 4b gezeigte Ausführungsform weist Einrichtungen zur Unterdrückung der unerwünschten Schwingungsarten auf. Auf einer Grundplatte 38 unterhalb des Basisabschnittes 32 ist vertikal ein zylindrischer Unterdrückungs- bzw. Stützstift 39 aus lederndem Material wie Kautschuk, weichem synthetischem Harz u. dgl. befestigt. Die obere Endfläche des Stiftes 39 berührt ständig die Mitte des Basisabschnittes 32 an einer Knotenlinie n. Empfängt daher der Vibrator in der normalen Schwingungsart ein Störsignal, das ihn in eine unerwünschte Schwingungsart bringen könnte, so unterdrückt der Stützstift 39 die Schwingung desThe in the F i g. The embodiment shown in FIGS. 4a and 4b has devices for suppressing the undesired types of vibration. On a base plate 38 below the base portion 32, a cylindrical suppression or support pin 39 made of a leather material such as rubber, soft synthetic resin and the like is fixed vertically. The upper end surface of the pin 39 constantly touches the center of the base portion 32 at a nodal line n. Therefore, if the vibrator receives an interference signal in the normal vibration mode that could cause it to vibrate in an undesirable manner, the support pin 39 suppresses the vibration of the

Basisabschnittes und verhindert damit, daß der Vibrator in die unerwünschte Schwingungsart übergeht. Die mit den Bezugszeichen 31a, 31b. 31c, 31c/, 33a, 33b, 34a, 3Ab, 36 und 37 bezeichneten Teile sind im wesentlichen identisch den entsprechenden Teilen der Fig. 1. Zur Befestigung der Haltearme an den Befestigungsstäben dienen Nieten 35, die im Preßsitz in Öffnungen in den Befestigungsstäben befestigt sind. Der Stützstift 39 kann im Preßsitz an seinem Ende am Basisabschnitt 32 befestigt sein oder in einem geringen Abstand vom Basisabschnitt am Ende desselben stehen, so daß er mit dem Basisabschnitt nicht in Berührung steht, wenn der Vibrator in der erwünschten normalen Schwingungsart schwingt. Schwingt jedoch der Vibrator in einer unerwünschten Schwingungsar!, so berührt der Stift den Basisabschnitt. Die crstere Ausführungsfonn ist natürlich der letzteren hinsichtlich der Unterdrückungswirkung überlegen.Base section and thus prevents the vibrator from going into the undesired mode of vibration. The with the reference numerals 31a, 31b. 31c, 31c /, 33a, 33b, 34a, 3Ab, 36 and 37 are essentially identical to the corresponding parts of FIG. 1. To fasten the holding arms to the fastening rods, rivets 35 are used, which are fastened in openings in the fastening rods with a press fit are. The support pin 39 may be press fit at its end to the base portion 32 or a short distance from the base portion at the end thereof so that it is not in contact with the base portion when the vibrator vibrates in the desired normal mode of vibration. However, when the vibrator vibrates in an undesirable vibration mode, the pen contacts the base portion. The latter embodiment is of course superior to the latter in terms of the suppressive effect.

Der Stützstift kann aus einem Stangenmaterial aus Metall, hartem synthetischem Harz u.dgl. bestehen und an seinem Ende mit dem Basisabschnitt in Berührung stehen, wobei er entweder im Preßsitz am Basisabschnitt befestigt ist oder sein Ende um einen geringen Absland vom Basisabschnitt entfernt ist.The support pin may be made of a rod of metal, hard synthetic resin, and the like are at its end with the base portion in contact, either in an interference fit on the base portion is attached or its end is a slight distance from the base section.

Fig. 5 zeigt einen H-förmigcn Vibrator mit zwei Stützstiften 49. die an der unteren Oberfläche beider Seiten des Basisabschnittes 42 an einer Knotenlinic befestigt sind. Die Bezugszeichen 41a, 41 b. 41 c. 41 d. 43a. 436, 45 und 48 gleichen im wesentlichen den entsprechenden Teilen der Fig. 4a und 4b.Fig. 5 shows an H-shaped vibrator with two support pins 49 attached to the lower surface of both sides of the base portion 42 at a knot line. The reference numerals 41a, 41b. 41 c. 41 d. 43a. 436, 45 and 48 are essentially the same as the corresponding parts of FIGS. 4a and 4b.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Claims: 20

1. Vibrator for precision frequency generator or for timepieces, with a base section and with four swing arms extending from the base section in the form of a symmetrical f / out, at the ends of which additional weights are attached, as well as with a pair of holding arms that extend from the base section in Extending in the direction of the longitudinal axis of symmetry of the vibrator and having devices for holding the holding arms, the base section being coplanar to the oscillating arms and the holding arms, characterized in that the base section (2), the four oscillating arms (1) and the pair of holding arms (3a. 3b) consist of a leaf spring in which each of the four oscillating arms (1) carries out independent bending vibrations perpendicular to the plane containing the four oscillating arms.

2. Vibrator according to claim 1, characterized by at least one suppression element (39; 49) made of resilient or rigid material for suppressing the vibrations of a node or a node line (s) of the vibrator in the event of undesired types of vibration.

3: Vibrator according to claim 2, characterized in that the suppression element always with the node or the node line of the vibrator is in contact.

4. Vibrator according to claim 2, characterized in that the suppressing element in a press fit is attached to the node or to the node line of the vibrator.

5. Vibrator according to claim 2, characterized in that the suppression element in one small distance from the node or the knot line is arranged, so that it is at the desired mode of oscillation (λ 1) is not in contact with the node, but it is unwanted types of vibration (λ 2 to λ 4).