DE2028838A1

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Publication number: DE2028838A1
Application number: DE19702028838
Authority: DE
Priority date: 1969-06-11
Filing date: 1970-06-11
Publication date: 1970-12-17
Also published as: US3602744A; CH503982A

Description

Kistler Instrument Corporation 11· JUIM 1970

Clarence, NoY., V.St„A«

Piezoelektrischer Kraftwandler

Die Erfindung betrifft einen verbesserten Quarzkristall-Kraftwandler vereinfachten und billigeren Aufbaus, bei welchem eine Anzahl von Quarzsoheiben in einer einstückig mit einem Sockel ausgebildeten Vorspannhülse angeordnet ist. Ein aus Keramik oder Beryllium bestehendes Endstück ist von einem rostfreien Stahlring umschlossen und mit einer Druckmembran aus rostfreiem Stahl verschweißt. Der Ring ist ebenfalls mit dem vom Sockel entfernten Ende der V/orspannhülse verschweißt,,

Genauer gesagt, betrifft die Erfindung einen piezoelektrischen Kraftwandler und insbesondere einen verschweißten Druckwandler mit verbesserten Betriebseigenschaften, der weniger aufwendig in der Herstellung ist•■■Erfindungsgemäß ist die Vorspannhülse für die Wandlereinheit durch maschinelle Bearbeitung einstückig mit dem Sockel ausgebildet und am anderen Ende mit der Einheit verschweißt_ώ Obgleich die Erfindung nachstehend speziell in Verbindung mit einem Druckwandler dargestellt und beschrieben ist, 1st die erfindungsgemäße Vorspannanordnung gleichermaßen auf andere Kraftwandler, wie Beschleunigungsmesser und dgl., anwendbar.

In der USA-Patentschrift 3 349 259 ist ein verbesserter piezoelektrischer Druckwandler besehrieben, der sowohl eine Beaehleunigungs·- als auch eine Semperatur-Kompensa« tion beinhaltet· Bei dieser bekannten Vorrichtung be-

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sitzt die Wandlereinheit die Form eines Stapels piezoelektrischer Quarzkristallscheiben, die von einer am Wandlersockel befestigten Vorspannhülse umschlossen sind₀ Hier«· durch wird die Schaffung eines Wandlers ermöglicht, der über einen breiten Frequenzbereich hinweg verwendbar ist, ohne die bei den früheren Konstruktionen insbesondere bei hohen Frequenzen auftretenden Phasenprobleme zu zeigen,, Me Temperatur-Kompensation dient dazu, durch Temperatureinfluß hervorgerufene Spannungen in den Kristallen, die Fehlersignale im Ausgangssignal hervorrufen wurden, auf ein Mindestmaß herabzusetzen. In der USA-Patentschrift 3 351 787 ist ein abgewandelter Kraftwandler in Form eines Beschleunigungsmessers offenbart, bei welchem die Vorbelastungs» bzw« Vorspannhülse auf neuartige V/eise durch Punktschweißen um einen Stapel von piezoelektrischen Quarzkristallscheibüii herum befestigt ist₀

Die Erfindung behält die Vorteile der genannten piezoelek« krischen Kraftwandlor bei„ ist jedoch einfacher und kostensparender aufgebaut;«, Beim e rf indungs gemäß en Wandler ist die Vorspannhülse einstückig mit dem Wandlersockel aus-» gebildet und vorzugsweise am anderen Ende mit der Quarzkrisballeinheit durch Punktsohweißung verbunden, Biese Einheit v/eist ein Endstück entweder aus wärmeisolierendem Keramikmaterial oder aus einem niedriges Gewicht besitzen» den Me tall, wie Beryllium, auf₈ das von einem Ring aus rostfreiem Stahl umschlossen ist_s an i*/elcham die Vorspann^ hülse angeschweißt ist₀ Die einstückig ausgebildete Vor-, iipamihü'bse ermöglicht nicht nur eine einfachere und billi«· {■;are Kons t;ruktion., sondern gewährleistet auch eine bessere Isolierung der wäifmeempfindliohen Bauteile wahrend des SohweißVorgangs» so daß der Wandler in geringerem Maß lurch Temperatureinfluß hervorgerufenen Spannungen in dan

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Kristallen ausgesetzt ist, welche zur Erzeugung von Fehler-Signalen im Wandler-Ausgangssignal führen können· Durch Verschweißen des vom Wandlersockel entfernten Endes der Vorspannhülse wird die Bildung einer guten luftdichten Abdichtung ermöglicht und können unerwünschte niederfrequente Membranresonanzen im Druckwandler wesentlich unterdrückt werden«,

Aufgabe der Erfindung ist mithin in erster Linie die Schaffung eines verbesserten piezoelektrischen Kraftwandlers, bei welchem die piezoelektrische Einheit von einer einstückig mit dem Wandlersockel ausgebildeten Torspannhülse umschlossen ist₀ Dieser Kraftwandler soll einen gegenüber den bisher bekannten Wandlern vereinfachten und billigeren Aufbau" haben sowie eine wesentlich geringere Tendenz zur Erzeugung von Fehlersignalen infolge von Spannungen bzw_o Beanspruchungen besitzen, welche durch den Einfluß übermäßiger Temperaturen auf die Quarzkristalle hervorgerufen werden«

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stapel piezoelektrischer Scheiben von einer Vorspannhülse umschlossen ist, welche mit dem vom Wandlersockel entfernten Ende des Stapels verschweißt ist. Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die hermetisch bzw« luftdicht gekapselte piezoelektrische Druck-Vorspannhülse mit einem Metall-Ring verschweißt, welcher das vom Wandlersockel entfernte Ende der piezoelektrischen Einheit umschließt,,

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenan sicht eines piezoelektrischen Druckwandlers mit den Merkmalen der Erfindung,

Fig, 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in I¹Ig₀ 1,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig, 1 zur Darstellung der Punktschweißung/und

Fig« 4· eine Ansicht eines abgewandelten Endstücks für den Wandler gemäß Fig, 1«,

Der in Figo 1 dargestellte Wandler 10 weist ein Gehäuse mit einer Basis bzw«, einem Sockel 12 und einenücdiesen umschließenden Mantel bzw«, Hülse 14 auf, dessen bzw. deren unteres Ende mit einer aus Metall bestehenden, druckempfindlichen Membran 16 verbunden ist_o Die Hülse 14 ist mit einem Flansch 18 versehen, der bei 20 durch Schutzgas-Lichtbogenschweißung mit einem ähnlichen, am Sockel 12 ausgebildeten Flansch 22 unter Herstellung einer luftdichten Abdichtung verbunden ist.

Das obere Ende des Sockels 12 weist an einem verringerten Querschnitt besitzenden Abschnitt 24 ein Außengewinde auf, welches den äußeren Leiter eines Koaxialkabel-Anschlusses 36 bildet. In den Abschnitt 24 des Sockels 12 sind zwei elektrisch isolierende Ringe 28 und 30 aus Poly« tetrafluoräthylen eingesetzt, die an einem Flansch 32 eines Koaxial-Aufnahmeteils 34 anliegen, welcher den Innenleiter des Koaxialkabel-Anschlusses 36 bildet. Das Ende des Sockelabschnitts 24 ist bei 38 herumgebördelt, um die Isolier-Ringe 28 und 30 sowie den Aufnahmeteil im Sockel zu halten«

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In der Hülse 14 ist eine piezoelektrische Einheit angeordnet, die bei einer Durchbiegung der Membran 16 ein elektrisches Signal erzeugt, welches einerseits über /eine Isolierhülse 44 durchsetzende und bei 46 am Innenleiter des Koaxialkabel-Anschlusses 36 angelötete oder sonstwie befestigte Leitung 42 und andererseits über den an seinem Ende mit dem Außengewinde 26 versehenen Sockel 12 abgenommen wird, welcher den Außenleiter des Anschlusses 36 bildet. Der Außenleiter kann auf übliche Weise geerdet sein, so daß das Ausgangssignal zwischen dem Aufnahmeteil 34 und Masse erzeugt wird*

Die in der Hülse 14 angeordnete piezoelektrische Einheit 40 besteht aus einer Basis 48 aus rostfreiem Stahl und einer seismischen Masse 50, zwischen welche eine besohleunigungskompensierende Quarz-Scheibe bzw. -Platte 52 eingefügt ist, die vorzugsweise mit der in der Zeichnung angedeuteten Polarität geschaltet ist. An der anderen Seite der seismischen Masse 50 sind drei Quarz-Scheiben 54» und 58 vorgesehen, die vorzugsweise ebenfalls auf die in 2?ig, 1 angedeutete Weise gepolt sind und zwischen denen Silber- oder Goldscheiben angeordnet sLnd, welche die Elektroden für die Quarzkristeile bilden· Die Kristalle sind vorzugsweise von einem Endstüok 60 des Bausteins duroh eine dünne Scheibe 62 aus Glimmer oder einem anderen gut wärmeisolierenden Material getrennt. Die. von den Quarz-Soheiben abgegebenen Signale werden über Ansohlußfahnen 64 und 66 abgenommen, die mit dem Sockel 12 bzw. der Leitung 42 verbunden sind. -

Die Quarz-Scheibe 52 gewährleistet auf die in der USA-Patentschrift 3,349f259 näher beschriebene Weiae eine BeeohleuniguRggkompengation im Wandler 1O₉ da. sie den drei anderen Quars-Schtiban 54, 56 und 58 entgegengepolt iat.

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Die Massen der die Einzelteile der piezoelektrischen Einheit 40 bildenden Glieder sind so gewählt, daß bei längs der Wandle r«-Aohs β 67 einwirkenden Beschleunigungskräften . das von der Scheibe 52 abgegebene Signal dem von den Scheiben 54» 56 und 58 abgegebenen Gesamtsignal gleich und entgegengesetzt istβ Diese Kompensationswirkung beruht darauf, daß die gesamte, auf den Stapel der Scheiben 54» 56 und 58 einwirkende seismische Masse wesentlich kleiner ist als die aus dem schweren Element 50 bestehende, auf die einzelne Scheibe 52 einwirkende gesamte seismische Masse, Durch entsprechende Auswahl der Größe dieser Massen können die beiden Ausgangssignale so ausgelegt werden, daß sich Besohleunigungskräfte aufheben. Dagegen ist zu beachten, daß über die Membran 16 einwirkende Druckkräfte gleichmäßig auf alle Scheiben einwirken₉ so daß das Ausgangssignal der

Quarz-Scheibe 52 nur da® Aus gangs signal einer der Scheiben 54, 56 und 58 aufhebt und der Wandler effektiv nur ein Signal abgibt, das dem Ausgangssignal von zwei Scheiben entsprichtβ

Die Quarz-Scheiben dee Wandlers 10 sind vorzugsweise längs der X-Achse geschnittene Kristalle, deren X-Achse auf der Aohse 67 des Wandlers liegt₀ Bekanntlich sind X-Sshnitt« Quarzkristelle auch längs der senkrecht zur Wandler-Achse 67 verlaufenden Y-Achse ansprechampfindlicii_e Infolgedessen ist es höchst wünschenswert, seitliche Belastungen der Quarz-Soheiben zu vermeiden.^ wie sie insbesondere infolge von übermäßigen Temperaturea entstellen, da nicht nur Belastungen längs der XwAehse, sondern auoh solche längs der Y-Aehse dazu neigen, Fehler im vom Wandler gelieferten Signal hervorzurufen«, Bin bedeutsames Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Konstruktion des Wandlers 10 derart getroffen ist, daß er auf wirksame und kostsnaparenda Weisa verschweißt werden kann, während gleiohseitig der Einflußcfer

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Schweißtemperaturen auf die Werkstoffe des Wandler-Bausteins und auf den zugeordneten Aufbau auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird«, Zu diesem Zweck ist der Sockel 12 mit einer durch maschinelle Bearbeitung einstückig mit ihm ausgebildeten Hülse 70 versehen, die eine anfängliche Vorbelastungs- bzw. Druckkraft längs der Achse 67 auf die Quarzscheiben-Einheit 40 ausübt, wodurch die Scheiben zwischen der Basis 48 und dem Endstück 60 der Einheit 40 zusammengedrückt werden. Zur Herabsetzung des Gewichts der Masse der Einheit 40 und zur Verbesserung der Isolierung der Quarz-Scheiben gegenüber übermäßigen Temperaturen besteht das Endstück 60 aus einem Keramikmaterial oder vorzugsweise aus Beryllium. Um das Endstück 60 herum ist ein aus röstfreiem Stahl bestehender Ring 72 vorgesehen, der eine Schulter 74 aufweist, welche durch die Übergangsstelle eines dünneren Abschnitts 76 zu einem weiteren Abschnitt 78 des Rings festgelegt wird. Die Schulter 74 wirkt mit einer ihr angepassten Schulter 80 am Endstück 60 zusammen, die durch die Übergangsstelle von zwei Endstück-Abschnitten größeren bzw_e kleineren Durchmessers gebildet wirdο Das Ende der Vörspann«Hülse 70 ist bei 82 durch mehrere umfangsmäßig auf Abstände verteilte Punktsohweißungen auf die in der USA-Patentschrift 3 351 787 beschriebene Weise mit dem Ring 72 verschweißt.

Die Membran 16 ist durch Punktschweißungen 84 mit dem Ring 72 verbunden und außerdem bei 86 mit dem Ende der Hülse 14 punktverschweißte Die Umfangskanten von Membran 16 und Hülse 14 sind bei 88 durch Schutzgas-Lichtbogenschweißung luftdicht gegeneinander abgedichtet»

Wie am besten aus Pig« 3 hervorgeht, sind die Punktsohweis· sungen 84 und 86 umfangsmäßig um den Wandler herum auf

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Abstände voneinander verteilt, wobei vorzugsweise jeweils sechzehn derartige, auf gleiche Winkelabstände um die Wandler-Achse herum verteilte Punktsohweißungen vorgesehen sind» Ersichtlicherweise können jedoch gewünsentenfalls auch mehr derartige Punktschweißungen vorgesehen sein; beispielsweise können bis zu 50 oder 100 Schweißstellen unter Herstellung einer hermetischen Abdichtung dicht nebeneinander angeordnet sein. Anstatt durch Punktschweißen können die Elemente ebenso mit Hilfe einer festen Schicht Lötmaterial zwischen der Membran und dem Endstück miteinander verbunden sein, wodurch die Unterdrückung von niederfrequenten Membran-Resonanzen weiter unterstützt wird₀

, 4- zeigt eine abgewandelte Konstruktion eines Endstücks 90, das eine vorzugsweise aus Beryllium bestehende zentrale Scheibe 9.2 aufweist, welche bei 94 mit Hilfe von Silberlot mit einem sie umschließenden rostfreien Stahl-Ring 96 verbunden ist. Das Endstück 90 kann anstelle des Endstücks 60 und des Rings 72 gemäß 3?ig. 1 angewandt werden, erfordert jedoch einen Silberlötschritt, der bei der Ausführungsform gemäß Figo 1 infolge der an Ring und Endstück vorgesehenen Schultern 74 und 80 in Fortfall kommt.

Beim Zusammenbau des Wandlers wird die Einheit 40 zunächst in die Vorspann-Hülse 70 eingesetzt, die daraufhin einer Zugkraft unterworfen bzw, gestreckt wird, so daß sie eine Vorbelastungskraft auf die Quarz-Scheiben ausübt, und sodann bei 82 durch Punktschweißen mit dem Ring 72 verbunden wird. Sobald die. Vorspann-Hülse 70 starr mit dem Ring 72 verbunden ist, wird ihr Ende abgetragen_f beispielsweise abgedreht, und wird die Membran 16 auf das Ende des Wandlers aufgesetzt und mit dem Endstück-Ring sowie dem Ende der Hülse 14 verschweißt« Wie erwähnt, wird die Hülse 14 bei 20 durch Schutzgas^Liehtbogenschweißung luftdicht mit dem Sockel 12 verbunden.

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Aus der vorangehenden Beschreibung ist mithin ersichtlich, daß die Erfindung einen verbesserten Kraftwandler und insbesondere einen verbesserten piezoelektrischen Quarzscheiben-Druckwandler schafft, der wirtschaftlich und einfach herzustellen ist, gleichzeitig aber verbesserte Betriebseigenschaften mit erhöhter ünempfindlichkeit gegenüber hohen Temperaturen besitzt, welche anderenfalls das Wandler-Ausgangssignal ungünstig beeinflussen könnten« Bedeutsame Merkmale der Erfindung sind die Sohaffung einer einstückig mit dem Wandler-Sockel ausgebildeten Vorspann-Hülse, die an dem vom Wandler-Sockel entfernten Ende der Quarzscheiben-Einheit an dieser angeschweißt ist„ Ein verbessertes Frequenz-Anspreohverhalten wird durch eine aus Keramik oder vorzugsweise aus Beryllium bestehende Endplatte gewährleistet, die von einem Ring aus rostfreiem Stahl umschlossen ist, so daß sie leicht mit der aus rost-· freiem Stahl bestehenden Vorspann-Hülse verschweißt werden kann. Durch Punktschweißen einer rostfreien Stahl-Membran am Endstück oder anderweitige Gewährleistung einer starren Verbindung zwischen dem Endstück und der Membran, z.B. mittels einer durchgehenden Schweißnaht, werden niederfrequente Resonanzen beträchtlich vermindert. Die Wärmeisolierung wird weiterhin durch eine zwischen dem Endstück und dem Quarzscheiben-Stapel angeordnete kleine Glimmer-Scheibe 62 verbessert, so daß die Scheiben jederzeit gegenüber Übermäßigen Temperaturen isoliert sind·

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Claims

Patentansprüche

1· / Piezoelektrischer Kraftwandler mit einer in einem Gehäuse mit starrem Sockel angeordneten piezoelektri« sehen Einheit, die mindestens ein piezoelektrisches Element aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Einheit (40) ein Endstück (60; 90) aufweist und die einzenen piezoelektrischen Elemente (52 - 58) der Einheit zwischen das Endstück und den Sockel (12) eingefügt sind, und daß die piezoelektrische Einheit von einer Vorspann-Hülse (Η) umschlossen ist, deren eines Ende einstückig mit dem Sockel ausgebildet ist_s die vom Rest des Gehäuses Abstand besitzt und die an ihrem anderen Ende am Endstück befestigt ist.

2, Wandler naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (H) am Endstück (60; 90) angeschweißt ist*

3» Wandler naoh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstüok (60; 90) eine von einem Metall-Ring (72; 96) umschlossene Beryllium-Scheib® ist und daß die Hülse (14) mit dem Ring verschweißt ist·

4· Wandler naoh Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dag die Scheibe und der Sing (72) mit Abstufungen versehen sind, welche miteinander zusammenwirkende, den Ring und die Scheibe zusammenhaltende Schultern (74 bzw. 80) festlegen·

5* Wandler naoh Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Scheibe und Ring (96) miteinander verlötet sind»

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Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück (60; 92) eine von einem Metall-Ring umschlossene Keramik-Scheibe ist und daß die Hülse (14) mit dem Ring verschweißt ist.

7ο Kraftwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem-am. Gehäuse'vorgesehenen Koaxialkabel—An-

! -i r. oo ^di£ gieKoel-3fctrische,iii:niieit (40) sehluß, dadurch gekennzeichnet, daß/mindestens eine piezoelektrische Scheibe (52-58) aufweist, die-zwischen dem Endstück (60; 90) und dem Sockel angeordnet und von der Vorspann-Hülse (14) umschlossen ist, und daß im Gehäuse eine elektrische Leitung (42) vorgesehen ist, welche die piezoelektrische Scheibe mit dem Koaxialkabel-Anschluß (56) verbindet.

8_e Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeiclonet, daß die Hülse (.14) mittels einer Anzahl von auf Umfangsabstände verteilten Punktschweißungen mit dem Endstück verbunden isto

9» Wandler nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (14) und der Sockel (12) aus rostfreiem Stahl bestehen und daß das Endstüok eine von einem Ring aus rostfreiem Stahl umschlossene zentrale Scheibe aufweist.

10. Wandler nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Scheibe aus X-Schnitt-Quarzkristallen besteht,

11.■ Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Hülse ein Stapel von X-Schnitt-Quarz-Scheiben (52 - 58) sowie eine seismische Masse (50) vorgesehen sind, welche auf mindestens eine der Scheiben einwirkte

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12. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Endstück (60; 90) und der piezoelektrischen Einheit (40) eine Glimmer-Scheibe (62) angeordnet ist.

13« Druckwandler, gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit einem starren Sockel, einen am Gehäuse montierten Koaxialkabel-Anschluß, eine im Gehäuse angeordnete Quarzkristall-Scheibe, die zwischen dem Endstück und dem Sockel angeordnet ist, eine die piezoelektrische Scheibe umschließende und am einen Ende einstückig mit dem Sockel ausgebildete Vorspann-Hülse, die vom Rest des Gehäuses Abstand besitzt und mit ihrem anderen Ende am Endstück befestigt ist, im Gehäuse vorgesehene Mittel zur Verbindung der Quarzkristall-Scheibe mit dem Koaxialkabel-Ansohluß und eine an dem vom Sockel abgewandten Ende des Gehäuses befestigte Metall-Membran zur Anlegung von Druckkräften an das Endstück.

14· Wandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück sowohl mit der Vorspann-Hülse als auch mit der Membran verschweißt ist.

15. Wandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel, die Hülse und die Membran sämtlich, aus rostfreiem Stahl bestehen, daß das Endstück eine zentrale Scheibe und einen diese umschließenden Ring aus rostfreiem Stahl aufweist und daß der Ring durch eine Anzahl von auf Umfangsabstände verteilten Punktschweißungen sowohl an der Hülse als auch an der Mem« bran befestigt ist,

16. Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring und die Scheibe mit Abstufungen versehen sind, die miteinander zusammenwirkende Schultern festlegen, welche die Scheibe und den Ring unter dem Vorspanndurck der Hülse zusammenhalten.

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17. Wandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück aus Beryllium besteht·

18· Wandler nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Endstück und dem Sockel zwei Gruppen von Quarzkristall-Scheiben angeordnet sind, von denen die erste Gruppe eine größere Anzahl von Scheiben aufweist, näher am Endstück angeordnet und durch eine seismische Masse von der zweiten Gruppe getrennt ist, und daß die Massen der Scheiben und der seismischen Masse so gewählt sind, daß die Ausgangssignale der Quarzkristall-Scheibengruppen längs der Aohse der Hülse einwirkende Beschleunigungskräfte aufheben·

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