DE2516512A1

DE2516512A1 - Huelse fuer tonabnehmer-patrone

Info

Publication number: DE2516512A1
Application number: DE19752516512
Authority: DE
Inventors: Shiro Yasuda
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1974-04-18
Filing date: 1975-04-15
Publication date: 1975-10-30
Also published as: DE2516512C2; US3957272A; JPS50137470A; FR2268325B1; GB1482849A; JPS50133902U; FR2268325A1; CA1025366A; NL7504418A

Description

It 3199

Sony Corporation, Tokyo / Japan

Hülse für Tonabnehmer-Patrone

Die Erfindung betrifft eine Hülse zur Halterung einer Tonabnehmer-Patrone eines Plattenspielers. Im einzelnen befaßt sich die Erfindung mit der Auswahl geeigneten Materiales und einer zweckmäßigen Konstruktion, durch die die Hülse einer erhöhte Steifigkeit und eine verbesserte Frequenz-Charakteristik erhält.

Die bekannten Tonabnehmer-Systerne verwenden einen Tonarm, der in einer Lagerstelle schwenkbeweglich gelagert ist und eine Patrone trägt, die einen frei auskragenden Nadelträger enthält, üblicherweise besteht die Hülse, an der die Tonabnehmer-Patrone befestigt ist, aus Stahl oder Aluminium. Diese Materialien sind jedoch mit dem Nachteil einer ungenügenden Steifigkeit behaftet, so daß sie keine ausreichenden Vibrations-Dämpfungseigenschaften besitzen.

Um hier Abhilfe zu schaffen, wurde bereits eine Hülse vorgeschlagen, die aus Kohlenstoff-Fasern zusammengesetzt ist, die mittels eines Kunstharzes, beispielsweise eines Phenolharzes, Epoxyharzes oder dgl., gebunden sind (vgl. US-Anmeldung Ser.No. 489 073 der Anmelderin).

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Gemäß diesem früheren Vorschlag besteht die Hülse aus einer großen Zahl feiner Kohlenstoff-Pasern, die je einen Durchmesser von etwa 7 mikron und eine Länge von 3 bis H mm aufweisen. Wird aus diesen Pasern eine Bahn hergestellt, so werden dadurch die Wiedergabe-Eigenschaften im Vergleich zu üblichen Hülsen bereits wesentlich verbessert. Da sich jedoch viele der Kohlenstoff-Pasern mit Harz nicht mischen lassen, beispielsweise nur maximal zu 30? (so daß in diesem Falle das Harz J0% bildet), wird die Ersatzmasse nicht wesentlich verkleinert. Eine Verringerung der Ersatzmasse ergibt sich zwar, wenn eine Hülse nur aus Kohlenstoff-Fasern aufgebaut wird, wie dies in den Fig. 8 und 9 der erwähnten älteren Anmeldung veranschaulicht ist. In diesem Falle ist jedoch die Oberfläche der Hülse nicht gut geformt, sondern verhältnismäßig rauh.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der erläuterten Mängel eine Hülse bzw. Halterung für eine Tonabnehmer-Patrone zu schaffen, die sich durch eine stark verringerte Ersatzmasse auszeichnet, keine Oberflächen-Rauhigkeit besitzt und auch eine solche Resonanzverteilung aufweist, daß die Hülse bei bestimmten Vibrations-Frequenzen nicht in Resonanz gerät.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß mit dem aus Kohlenstoff-Fasern aufgebauten Teil ein Metallteil fest verbunden 1st.

Durch diese Materialkombination werden, wie noch im einzelnen dargelegt wird, zahlreiche Vorteile erreicht.

Unter "Kohlenstoff-Pasern" sind dabei alle Pasern aus Kohlenstoff oder Graphit mit hohem Modul zu verstehen, die im Handel erhältlich sind. Die Resonanzfrequenz der er-

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findungsgemäßen Hülse liegt derart, daß das Tonabnehmersystem keine Störsignale aufnimmt, die beispielsweise durch eine exzentrisch laufende Schallplatte erzeugt werden. Die erfindungsgemäße Tonabnahmer-Hülse besitzt ferner eine hohe Steifigkeit und große innere Verluste, so daß im mittleren Bereich des Frequenzbandes der Schallsignale keine Resonanzerscheinungen auftreten. Schließlich eignet sich die erfindungsgemäße Hülse bzw. Halterung in hervorragendem Maße für eine Massenherstellung und zeichnet sich durch niedrige Fertigungskosten aus.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung veranschaulicht. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines üblichen Tonabnehmer-Systemes,

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild eines Vibrations-

systemes zur Aufnahme von niederfrequentem Schall,

Fig. 3 ein Ersatzschema des in Fig. 1 dargestellten Tonabnehmer-Systemes,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Hülse bzw. Halterung für die Tonabnahmer-Patrone,

Fig. 5 einen Querschnitt längs der Linie V-V der Fig. 4,

Fig. 6 eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer vorimprägnierten Bahn von Kohlenstoff-Fasern, wie sie zur Herstellung der Hülse gem. Fig. verwendet wird,

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Fig. 7 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles.

Die bei Tonabnehmerarmeη auftretenden physikalischen Probleme seien anhand der Fig. 1 bis 3 erläutert. Fig. 1 zeigt ein übliches Tonabnahmer-Systern 10, mit einem Tonarm 2, der an einer Lagerstelle 1 schwenkbeweglich gelagert ist. Eine Patrone 4 wird von einer Patronenhülse 5 getragen, die mit dem Tonarm 2 verbunden ist. Am anderen Ende des Tonarmes 2 ist ein Gegengewicht 6 angebracht. Die Patrone M ist mit einem Nadelträger 7 versehen, dessen Nadel mit den Rillen der Schallplatte 3 in Eingriff steht. Der Tonabnehmerkopf 8 besteht somit aus der Patrone *J, der Hülse 5 und dem Nadelträger 7·

Wird vom Tonabnehmer-System 10 ein auf der Schallplatte aufgezeichnetes Schallsignal aufgenommen, so hängt die Wiedergabe-Qualität zu einem erheblichen Teil von den Eigenschaften der Hülse 5 ab. Der untere Grenzwert des Niederfrequenzbereiches wird im wesentlichen durch die Arm-Resonanzfrequenz f_L bestimmt. Fig. 2 zeigt das Ersatz-Schaltbild eines Vibrationssystemes zur Aufnahme von niederfrequenten Schallsignalen. In Fig. 2 bedeutet das Bezugszeichen m, die äquivalente Masse des Tonarmes 2 einschließlich der Patrone 4 und der Hülse 5 und r den Ersatz-Widerstand des Tonarmes 2 an der Lagerstelle 1. Das Bezugszeichen r_fe bezeichnet den Ersatz-Widerstand des Anker-Trägerteiles und S, die Ersatz-Steifigkeit des Anker-Trägerteiles. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, läßt sich die untere Grenzfrequenz f_T der Schall-Wiedergabe wie folgt

L·

aisdrücken:

__f 1 (D.

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- 5 wobei C, der reziproke Wert von S. ist.

Wird die Steifigkeit S_fa, die ein Maß für die Formbarkeit der Patrone 4 ist, konstant gemacht, so wird die Grenzfrequenz fj. durch die Ersatzmasse m, des Tonarmes einschließlich der Hülse 5 und der Patrone 4 bestimmt. Die Ersatzmasse m, bezieht sich auf die Ersatzmasse des ganzen Tonabnehmersystemes 10, gesehen von der Nadelspitze der Patrone 4. Zur leichteren Erläuterung sei angenommen, daß der Tonarm 2 durch die Masse M, des Tonabnehmerkopfes 8 und die Masse M des Gegen-

gewichtes 6 dargestellt wird, wie Fig. 3 zeigt. Die Ersatzmasse m, läßt sich im Falle einer leichten Nadelspitze näherungsweise wie folgt ausdrücken:

m, = M. (1 + —2— ) (2)

^{Z n} M

Da die Masse M des Gegengewichtes 6 üblicherweise

nur bis 5 mal so groß wie die Masse M. des Tonabnehmerkopfes 8 ist, läßt sich die Ersatzmasse m, näherungsweise durch die Masse M, des Tonabnehmerkopfes 8 darstellen. Nun enthält jedoch der Tonabnehmerkopf 8 die Hülse 5 und die hieran angebrachte Patrone 4. Die Masse der Patrone 4 beträgt etwa 8 g und die der Hülse etwa 10 g. Die Ersatzmasse m. ändert sich daher mit der Masse der Hülse 5; demgemäß hängt die untere Grenzfrequenz f,, welche die Niederfrequenz-Charakteristik des Tonabnehmersystemes beeinflußt, in starkem Maße von der Größe der Masse der Hülse 5 ab. Die Grenzfrequenz f_L wird möglichst in die Nähe von 10 Hz gelegt, so daß die Patrone 4 keine Störkomponenten aufnimmt, die bei einem exzentrischen Lauf der Schallplatte 3 erzeugt werden und üblicherweise im Frequenzbereich von einigen Hz liegen. Wird die Hülse einem Material wie Eisen oder Aluminium hergestellt und

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ihr Gewicht mit etwa 10 g gewählt und findet eine Patrone von hohem C,-Wert Verwendung, so wird hierdurch die Grenzfrequenz f_T gesenkt (vgl. Gleichung 1). Die Grenzfrequenz kann auf 3 bis 5 Hz abgesenkt werden, so daß Störkomponenten nicht wirksam eliminiert werden.

Die Größe der Ersatzmasse m. wird auch durch die Verformbarkeit des Tonabnehmersystemes beeinflußt. Betrachtet man das Tonabnehmersystem als physikalisches Pendel gemäß Fig. 3, so läßt sich die Schwingungsperiode T (in Sekunden) des Tonarmes-2 wie folgt ausdrücken:

Φ 1 -

g ' h

wobei bedeuten M (in g) die statische Masse des ganzen Tonabnehmersystemes, I (in g/cm ) das Trägheitsmoment bezogen auf die Lagerstelle 16, h den Abstand zwischen dem SchwerpunktsZentrum K und der Schwenklagerstelle 16 und g (in cm/sec ) die Erdbeschleunigung. Wird der Nadeldruck mit W (in g) bezeichnet und der Abstand zwischen der Nadel und der Schwenklagerstelle 16 mit L (cm), ferner der Drehradius mit k (in cm), so lassen sich der Abstand h und das Trägheitsmoment I wie folgt ausdrücken:

h = ^WL

M
I = M (k² + h²)

Demgemäß kann Gleichung (3) wie folgt geschrieben werden:

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2
T =2ΐ ^k

- 7 -2

_β I;

(4)

Wenn bei zwei Tonabnehmersystemen der Nadeldruck W und der Abstand L zwischen der Nadelspitze und dem Schwenkzentrum genau gleich sind, wenn jedoch die gesamte statische Masse der Tonabnehmersysteme voneinander abweichen und mit M₁ und M„ bezeichnet werden, so ergibt s^ch aus Gleichung 4 folgendes Verhältnis der Schwingungsperioden T₁ und Tpi

,, - . ι WL

T—

■ k.² ₊ί ^wL

_Ν ² V «2

Hierbei sind k^ und kp die Drehradien bezogen auf das Schwerpunktszentrum jedes Systemes. Da k^ wesentlich größer als -ψ- und kp wesentlich größer als -~ ist, da ferner k₁ etwa gleich k₅ ist, erhält man folgende

NSherungsbeziehung:

T₂ - ι M₀ (5)

Wie aus Gleichung (5) hervorgeht, ergibt sich ein um so rascheres Ansprechverhalten, je kleiner die gesamte Ersatzmasse m, eines Tonarmes ist. Es ergibt sich daher eine bessere Anpassungsfähigkeit und eine höhere Wieder-

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gabe-Qualität der auf der Schallplatte 3 vorhandenen Aufzeichnung. Aus den obigen Gründen sollte somit die Masse der Hülse 5 sehr klein sein.

Bei akustischen Einrichtungen, wie beispielsweise Plattenspielern, ist bekanntlich die Dämpfung und die Absorption von Vibrations-Energie um so größer, je größer die inneren Verluste an Vibrations-Energie sind. Wird also eine äußere Vibrations-Energie auf die Hülse 5 übertragen, die nur mit kleinen inneren Verlusten behaftet ist, so wird diese Vibration nicht wirksam unterdrückt; die Wiedergabe-Charakteristik des Systems wird vielmehr ungünstig beeinflußt.

Um also zu einem akustisch und physikalisch hochwertigen Tonabnehmersystem zu gelangen, muß die Hülse 5 ein geringes Gewicht und große innere Verluste aufweisen. Eine Hülse aus einem Material, wie Eisen, Aluminium oder dgl., wie es bei bekannten Ausführungen vorgesehen ist, erscheint daher nicht sehr zufriedenstellend. Ist ferner die Steifigkeit der Hülse 5 nicht verhältnismäßig groß, so tritt etwa in der Mitte des Schallwiedergabe-Frequenzbereiches eine Resonanzerscheinung auf. Um sie zu vermeiden, muß die Steifigkeit der Hülse 5 vergrößert werden.

Wie in Fig. 4 veranschaulicht ist, besteht erfindungsgemäß eine Hülse 20 aus der Kombination eines Metallteiles 21 und eines zusammengesetzten Teiles 22, bestehend aus Kohlenstoff-Fasern mit hoher Steifigkeit und geringem spezifischen Gewicht, gebunden durch ein Kunstharz, beispielsweise eine Phenolharz, ein Epoxyharz oder dgl.

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Die Herstellung des zusammengesetzten Teiles 22 erfolgt, wie Fig. 6 zeigt, ausgehend von Kohlenstofffasern 26, die einen Durchmesser von etwa 7 mikron und eine Länge von etwa 40 mm aufweisen. Sie werden zusammengehalten durch ein wärmehärtendes Harz, beispielsweise ein Epoxyharz, und bilden damit eine vorimprägnierte Bahn. Etwa 10 derartige Bahnen werden laminiert und zum Zwecke der thermischen Kompression in eine Form eingebracht. Die Steifigkeit läßt sich noch dadurch vergrößern, daß die Faserrichtungen beim Laminieren in den einzelnen vorimprägnierten Bahnen unterschiedlich gewählt werden. Zu dem so gebildeten zusammengesetzten Teil 22 wird schließlich noch der Metallteil 21 aus Aluminium, Beryllium oder dgl. hinzugefügt.

Der Metallteil 21 und der zusammengesetzte Teil 22 werden durch ein geeignetes Klebmittel oder unter Einwirkung von Hitze und Druck miteinander verbunden. In letzterem Falle wird das erwähnte wärmehärtende Harz, beispielsweise ein Epoxyharz, als Klebmittel verwendet.

Die Kohlenstoff-Faser besitzt einen Längselastizitäts-

2
modul von etwa 9000 kg/mm , während eine Aluminiumle-

2 gierung einen Modul von etwa 7000 kg/mm aufweist. Die erfindungsgemäß hergestellte Hülse 20 besitzt daher eine wesentlich größere Steifigkeit als bekannte Ausführungen. Das spezifische Gewicht der erfindungsgemäßen Hülse ist geringer als das von Aluminium; demgemäß wird die Ersatzmasse m, verringert und die Grenzfrequenz f_T (vgl. Gleichung 1) erhöht. Trotz Verwendung einer Patrone von hohem C,-Wert, wird somit die Ersatzmasse m. in befriedigendem Maße verringert.

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- ίο -

Da die Ersatzmasse des Tonabnehmersystemes sehr klein ist, kann die Pendelperiode T gemäß Gleichung (5) sehr klein gehalten werden, was die Anpassungsfähigkeit des Tonarmes verbessert und die Verwendung einer Patrone mit hohem C^-Wert und guter Abtasteigenschaft ermöglicht, was eine HiFi-Wiedergabe ermöglicht.

Da der zusammengesetzte Teil 22 durch den Metallteil 21 abgedeckt wird, ergibt sich eine gute Formung der Oberseite der Bahn; da die Resonanzfrequenz f., des Metallteiles 21 von der Resonanzfrequenz fp des zusammengesetzten Teiles 22 abweicht, besitzt die zusammengesetzte Hülse 20 keine spezifische Resonanzfrequenz. Eine solche spezifische Resonanzfrequenz wäre dagegen vorhanden,wenn die Hülse nur aus Kohlenstoff-Fasern, d.h. aus einem einzigen Material, aufgebaut würde.

Die zusammengesetzte Hülse kann in einer Form geformt werden, so daß sie im Querschnitt etwa L-förmige Gestalt erhält. Die Hülse 20 besteht damit aus einem plattenförmigen, zur Befestigung der Patrone dienenden Teil 20a und einem zur Befestigung am Tonarm bestimmten, etwa unter einem rechten Winkel zum Teil 20a verlaufenden Teil 20b, der eine Bohrung 25 zur Aufnahme des Tonarmes besitzt. Der Teil 20a ist mit öffnungen 23 zur Halterung der Patrone versehen. Der Teil 20b ist vorzugsweise zur Erhöhung seiner Festigkeit etwas stärker als der Teil 20a ausgeführt. Fig. 5 veranschaulicht diesen Querschnitt der Hülse 20.

Bei dem in Fig. 7 veranschaulichten zweiten Ausführungsbeispiel enthält die Hülse 30 einen aus Kohlenstoff-Fasern aufgebauten Teil 31 sowie zwei Metallteile 32, 33, die den Teil 31 sandwichartig umfassen.

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Claims

Patentansprüche

Hülse zur Halterung einer Tonabnehmer-Patrone an einem Tonarm, enthaltend einen L-förmigen Teil, bestehend aus einer großen Anzahl von Kohlenstofffasern, die durch ein Kunstharz zu einer L-förmigen Bahn zusammengebunden sind, die einen horizontalen und einen vertikalen Schenkel enthält, dadurch ^l gekennzeichnet, daß eine L-förmige Metallplatte fest mit dem L-förmigen, aus Fasern aufgebauten Teil verbunden ist.
2. Tonabnehmersystem mit einem Tonarm, einer Tonabnehmer-Patrone sowie einer Patronenhülse, die einen L-förmigen Teil enthält, der aus einer großen Anzahl von Kohlenstoff-Pasern zusammengesetzt ist, die durch ein Kunstharz zu einer L-förmigen Bahn mit horizontalem und vertikalem Schenkel vereinigt sind, wobei die Patrone an der Unterseite des horizontalen Schenkels befestigt ist und der vertikale Schenkel der Hülse mit dem Ende des Tonarmes verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine L-förmige Metallplatte fest mit der Oberseite des horizontalen Schenkels und mit der äußeren Stirnfläche des L-förmigen, aus Fasern aufgebauten Teiles verbunden ist.
3· Hülse zur Halterung einer Tonabnehmer-Patrone, enthaltend einen aus mittels eines Kunstharzes verbundenen Kohlenstoff-Fasern zusammengesetzten Teil, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallteil mit dem zusammengesetzten Teil fest verbunden ist.

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4. Hülse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse einen zur Befestigung einer Tonabnehmer-Patrone dienenden Teil sowie einen zur Anbringung am Tonarm bestimmten Teil enthält und daß die Fasern sowie das Metall in Längsrichtung dieser Teile ausgerichtet sind.
5· Hülse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunstharz ein Phenolharz Verwendung findet.
6. Hülse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunstharz ein Epoxyharz Verwendung findet.
7. Hülse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoff-Faser-Bahn durch eine Anzahl von
zusammenlaminierten Faserschichten gebildet wird.
8..Hülse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in unterschiedlicher Ausrichtung zusammenlaminiert sind.
9. Hülse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte aus Aluminium besteht.
10. Hülse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte aus Beryllium besteht.

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