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PATENTANSPRÜCHE
1. Elektromechanische Schwingvorrichtung, insbesondere für ein Bandfilter einer Fernsteuerungsanlage, mit einem Träger (3 ;33) und mindestens zwei an diesem befestigten, mechanischen, miteinander verkoppelten Resonatoren (10 ;40) und einem Schwingungserreger (11), um ein elektrisches Signal in eine an einem der Resonatoren (10 ;40) angreifende Erregungskraft umzuwandeln, und einem Schwingungsdetektor(1 1), um ein von der Schwingung eines Resonators (10;40) abhängiges elektrisches Signal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren (10;40) durch ein sie umgebendes Fluid miteinander verkoppelt sind, so dass der Beitrag des Fluids zum Spannungsübertragungsfaktor mindestens 50 % des gesamten Spannungsübertragungsfaktors beträgt.
2. Schwingvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu verschiedenen Resonatoren (10 ;40) gehörende, schwingfähige Resonator-Abschnitte (lOb ;40b) mit einander zugewandten Flächen vorhanden sind, zwischen denen sich ein freier, Fluid enthaltender Zwischenraum befindet und dass die Resonatoren (10;40) derart ausgebildet und befestigt sind, dass die genannten Resonator-Abschnitte (lOb ;40b) beim Betrieb Schwingungen entlang einer Ebene (13) ausführen, die durch beide einander zugewandten flächen verläuft.
3. Schwingvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der d Abstand der einander zugewandten Flächen der zu verschiedenen Resonatoren (10;40) gehörenden Resonator-Abschnitte (10b ;40b) höchstens 10 % der maximalen, quer zur Schwingungsrichtung gemessenen Abmessungen L der die Resonanzfrequenz bestimmenden, beim Betrieb schwingenden Resonator-Abschnitte (10b ;40b) beträgt.
4. Schwingvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand d der einander zugewandten Flächen der zu verschiedenen Resonatoren (10;40) gehörenden Abschnitte (1 Ob ;40b) höchstens 20 % der Wellenlänge einer die Resonanzfrequenz der Grundschwingung der Resonatoren (10;40) aufweisende Schallwelle im Fluid beträgt.
5. Schwingvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Resonator als Stimmgabel (10 ;40) ausgebildet ist, dass eine Zinke (lOb ;40b) der einen Stimmgabel (10 ;40) über ihre ganze Länge parallel neben einer Zinke (10b;40b) der andern Stimmgabel (10;40) verläuft und dass die Stimmgabeln bezüglich einer sich zwischen ihnen befindenden Ebene (12) symmetrisch angeordnet sind.
6. Schwingvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten Flächen von benachbarten, zu verschiedenen Stimmgabeln (10 ;40) gehörenden Zinken (lOb ;40b) eben und zueinander parallel sind und dass die Zinken (1 Ob, 10c ;40b,40c) rechtwinklig zu einer Ebene (13), entlang der sie beim Betrieb schwingen, eine Querschnittsabmessung h aufweisen, die mindestens dreimal grösser ist, als die rechtwinklig dazu gemessene Querschnittabmessung b.
7. Schwingvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand d der einander zugewandten Flächen von zu verschiedenen Stimmgabeln (10 ;40) gehörenden Zinken (10b;40b) höchstens 20 % des Abstandes s der einander zugewandten Flächen der zur gleichen Stimmgabel (10 ;40) gehörenden Zinken (lOb,10c;40b,40c) beträgt.
8. Schwingvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Schwingungserreger (11) und nur ein Schwingungsdetektor (11) vorhanden ist und dass sich der Schwingungserreger (11) zwischen den Zinken (10b,10c;40b,40c) der einen Stimmgabel (10,40) und der Schwingungsdetektor (11) zwischen den Zinken (1 Ob, 10c,40b, 40c) der andern Stimmgabel (10;40) befindet.
9. Schwingvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren im Innern eines dichten Gehäuses (2) angeordnet sind, das das Fluid enthält.
10. Schwingvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein Gas ist, dessen Dichte mindestens 3 mg/cm3 beträgt.
11. Schwingvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Beitrag des Fluids zum gesamten Spannungs übertragungsfaktor mindestens 80 % beträgt.
12. Schwingvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem schwingfähigen Abschnitt (10c;40c) von jedem der beiden äussersten Resonatoren (10 ;40) ein mit dem Träger (3 ;33) fest verbundenes, starres Element (4;44) vorhanden ist, das eine einer Fläche des schwingfähigen Resonator-Abschnitts zugewandte Fläche (44b) aufweist, dass zwischen diesen einander zugewandten Flächen ein Fluid enthaltender Zwischenraum vorhanden ist, dass die Flächen mindestens annähernd rechtwinklig zur Schwingungsrichtung des betreffenden schwingfähigen Resonator-Abschnittes (1 0c ;40c) verlaufen, wobei der Abstand der einander zugewandten Flächen höchstens 50 % der maximalen Abmessung L der die Resonanzfrequenz bestimmenden, beim Betrieb schwingende Abschnitte (10b,10c;40b,40c) der Resonatoren (10;40) beträgt.
13. Schwingvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundresonanzfrequenz der Resonatoren höchstens 100 kHz beträgt.
14. Schwingvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundresonanzfrequenz der Resonatoren höchstens 20 kHz beträgt.
Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Schwingvorrichtung, insbesondere für ein Bandfilter einer Fernsteuerungsanlage, mit einem Träger und mindestens zwei an diesem befestigten, mechanischen, miteinander verkoppelten Resonatoren und einem Schwingungserreger, um ein elektrisches Signal in eine an einem der Resonatoren angreifende Erregungskraft umzuwandeln, und einem Schwingungsdetektor, um ein von der Schwingung eines Resonators abhängiges elektrisches Signal zu erzeugen.
Es sind verschiedene elektromechanische Schwingvorrichtungen, und insbesondere Bandfilter, mit im Schallfrequenzbereich liegenden Durchlass- oder Sperrfrequenzen bekannt. Solche Schwingvorrichtungen, die beispielsweise in Femsteuerungsanlagen verwendet werden, können zwei oder mehr mechanische, miteinander verkoppelte Resonatoren, insbesondere Stimmgabeln, aufweisen.
Aus der US-Patentschrift 3 425 310 sind beispielsweise Schwingvorrichtungen bekannt, die zwei nebeneinander angeordnete, je einen Resonator bildende Stimmgabeln aufweisen.
Die Stimmgabeln weisen wie üblich zwei Zinken auf, die über einen Steg zusammenhängen. Jeder Steg hängt über einen Hals mit einem Befestigungsabschnitt zusammen. Der letztere ist mittels Schrauben an einem metallischen Halteteil befestigt.
Jeder der beiden Halteteile weist vier Wände auf, die paarweise zusammen eine Rinne für je eine der Zinken begrenzen. Es ist also sowohl zwischen den zur gleichen als auch zwischen den zu verschiedenen Stimmgabeln gehörenden Zinken mindestens eine Wand vorhanden. Die beiden Halteteile sind bei ihren einander zugewandten Wänden über einen gummielastischen Zwischenteil mit einer metallischen Tragplatte verbunden, die ihrerseits über gummielastische Dämpfungselemente am Boden des Gehäuses befestigt ist, in dem die Stimmgabeln untergebracht sind. Bei dieser vorbekannten Schwingvorrichtung erfolgt die Kopplung, wie anhand schematischer Figuren erläutert ist, mechanisch, nämlich über die Stege, Hälse und Befestigungsabschnitte der Stimmgabeln, sowie über die Halteteile, den gummielastischen Zwischenteil und die metallische Trag
platte. Für die Erregung ist bei jeder der beiden zur Schwingvorrichtung gehörenden Stimmgabeln auf der Aussenseite von mindestens einer der beiden Zinken einer Erregerspule am Halterteil befestigt. Desgleichen ist bei jeder der beiden Stimmgabeln auf der Aussenseite von mindestens einer der beiden Zinken eine Detektorspule befestigt, um die Zinkenschwingungen in elektrische Signale umzuwandeln.
Die aus der US-Patentschrift 3 425 310 vorbekannten Schwingvorrichtungen weisen also einen ziemlich komplizierten Aufbau und viele Elemente auf und sind daher relativ aufwendig in der Herstellung und beanspruchen viel Platz. Es sei insbesondere darauf verwiesen, dass die Stimmgabeln einen Hals aufweisen, über den ihre Stege mit dem Befestigungsabschnitt zusammenhängen. Ferner müssen zur Erzielung einer Kopplung mit der gewünschten Kopplungsstärke zwei Halteteile, ein gummielastischer Zwischenteil und eine Tragplatte vorhanden sein, wobei die letztere unbedingt über gummielastische Dämpfungselemente am Gehäuseboden befestigt werden muss. Ferner weist die Schwingvorrichtung mindestens zwei Schwingungserreger und zwei Schwingungsdetektoren auf.
Nun sei noch auf einen Nachteil verwiesen, der sich ergibt, wenn die aus der US-Patentschrift 3 425 310 vorbekannte Schwingvorrichtung für eine Fernsteuerungsanlage verwendet wird. In einer Fernsteuerungsanlage werden einerseits in der Steuerzentrale Oszillatoren und andererseits im Empfangsteil Bandfilter benötigt, um die von den Oszillatoren erzeugten Wechselspannungen aus den übrigen Signalen herauszusieben.
Die Frequenz des Oszillators sollte daher der mittleren Durchlassfrequenz des Bandfilters entsprechen. Es wäre nun aus Kostengründen zweckmässig, wenn man den Oszillator mit einer Stimmgabel ausstatten könnte, die identisch ausgebildet ist wie die Stimmgabeln im zugeordneten Bandfilter. Dies ist jedoch bei den Stimmgabeln, wie sie in der vorbekannten Schwingvorrichtung verwendet werden, kaum ohne weiteres möglich. Wie nämlich in der US-Patentschrift 3 425 310 beschrieben ist, kann man zwar die Stimmgabeln einzeln brauchen, sollte daher dann aber zur Erzielung guter Eigenschaften trotzdem noch eine zweite, effektiv nicht benutzte Stimmgabel oder eine entsprechende Attrappe vorsehen (vgl. hiezu den am Ende der Spalte 6 der US-Patentschrift 3 425 310 beginnenden Satz).
Zudem ist bei der Verwendung der Schwingvorrichtung als Bandfilter vorgesehen, zwei Stimmgabeln mit verschiedenen Resonanzfrequenzen miteinander zu verkoppeln (vgl. Zeilen 22 bis 27 der Spalte 6 der US-Patentschrift). Für einen Oszillator, dessen Frequenz in der Mitte des Durchlassfrequenzbereiches des Bandfilters liegt, müsste man also eine Stimmgabel vorsehen, deren Resonanzfrequenz in der Mitte zwischen den Resonanzfrequenzen der beiden im Bandfilter enthaltenen Stimmgabeln liegt, so dass für jeden Übertragungskanal drei verschieden ausgebildete Stimmgabeln erforderlich sind.
Aus der US-Patentschrift 3 510 794 sind Bandfilter bekannt, die zwei oder mehr je einen Resonator bildende Stimmgabeln aufweisen. Bei jeder Stimmgabel ist eine Erregerspule und eine Detektorspule vorhanden. Die zum gleichen Bandfilter gehörenden Stimmgabeln weisen verschiedene Resonanzfrequenzen auf und die Erreger- und Detektorspulen sind über Rückkopplungskreise miteinander verkoppelt. Bei diesen vorbekannten Schwingvorrichtungen ist also zur Erzielung des gewünschten Übertragungsverhaltens des Bandfilters eine elektrische Kopplung zwischen den verschiedenen Stimmgabeln vorhanden. Diese Kopplungsweise bringt jedoch verschiedene Nachteile mit sich.
Hier wäre vorerst zu vermerken, dass sie relativ aufwendig ist, weil unbedingt bei jeder Stimmgabel sowohl eine Erreger- als auch eine Detektorspule vorhanden sein muss und weil zudem elektrische Rückkopplungskreise mit Verstärkern und andern Schaltelementen erforderlich sind. Bei der vorbekannten elektrischen Kopplungsweise handelt es sich im wesentlichen um eine additive Kopplung. Wenn nun bei einer solchen Kopplung zum gleichen Bandfilter gehörende Stimmgabeln etwa unterschiedliche Gütefaktoren aufweisen sollten, resultiert daraus eine starke Asymmetrie der Übertragungskennlinie des Bandfilters. Schliesslich sei noch darauf hingewiesen, dass ja die zum gleichen Bandfilter gehörenden Stimmgabeln verschiedene Resonanzfrequenzen aufweisen.
Wenn man nun das Bandfilter etwa im Empfangsteil eines Fernsteuerungsteils verwenden will, muss die Steuerzentrale einen Oszillator aufweisen, dessen Frequenz der mittleren Durchlassfrequenz des Bandfilters entspricht. Der Oszillator wird zweckmässigerweise ebenfalls mit einer Stimmgabel versehen. Es wäre nun günstig, wenn der Oszillator eine Stimmgabel enthalten könnte, die identisch mit derjenigen ist, wie sie im zugeordneten Bandfilter vorhanden sind. Da die letztere jedoch verschiedene Frequenzen aufweist, muss für den Oszillator eine anders ausgebildete Stimmgabel vorgesehen werden, deren Resonanzfrequenz zwischen denjenigen der im Bandfilter vorhandenen Stimmgabeln liegt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schwingvorrichtung zu schaffen, die die Nachteile der vorbekannten Schwingvorrichtungen nicht aufweist und die insbesondere mit geringeren Kosten herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Schwingvorrichtung der einleitend genannten Art gelöst, die erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruches 1 gekennzeichnet ist.
Es sei vermerkt, dass wohl auch bei den vorbekannten Schwingvorrichtungen eine gewisse Kopplung durch die Luft erfolgt, die die Resonatoren umgibt. Diese Kopplungswirkung wird jedoch bei den vorbekannten Vorrichtungen in keiner Weise ausgenutzt und in den entsprechenden Vorveröffentlichungen auch nicht erwähnt. Aufgrund der in den Vorveröffentlichungen enthaltenen Figuren und Konstruktionsbeschreibungen lässt sich im übrigen rechnerisch abschätzen, dass die durch die Luft erfolgende Kopplung bei den vorbekannten Vorrichtungen nur einen vernachlässigbar kleinen Beitrag zur gesamten Kopplung geben kann.
Der Erfindungsgegenstand soll nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels und einer Variante davon erläutert werden. In der Zeichnung zeigen die Figur 1 einen Schnitt durch eine Schwingvorrichtung, die Figur 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Figur 1, die Figur 3 eine Draufsicht auf die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Schwingvorrichtung, wobei die Haube des Gehäuses weggelassen wurde, die Figur 4 eine axonometrische Ansicht eines Trägers und der daran befestigten Elemente einer Variante einer Schwingvorrichtung, wobei zur Erhöhung der Übersichtlichkeit einige Elemente weggelassen wurden, die Figur 5 ein Diagramm, auf dem die Abhängigkeit der Ausgangsspannung des Bandfilters von der Frequenz dargestellt ist, und die Figur 6 ein Schema einer Fernsteuerungsanlage mit einem durch eine Schwingvorrichtung gebildeten Bandfilter.
Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Schwingvorrichtung 1 weist ein dicht abgeschlossenes Gehäuse 2 auf, das durch einen plattenförmigen, aus Metall bestehenden Träger 3 und eine Haube 4 gebildet ist. Der Träger 3 und die Haube 4 können etwa miteinander verlötet oder in anderer Weise dicht miteinander verbunden sein. Der Träger 3 ist mit vier Anschlüssen 5 versehen, die durch dichte Durchführungen gebildet sind. Auf der Innenseite des Trägers 3 ist ein metallischer Profilstab 6 befestigt. Auf dem Profilstab 6 sind mittels Schrauben 8 zwei metallische, im wesentlichen L-förmige Halter 9 befestigt.
Deren längere Schenkel 9a verlaufen parallel zum Träger 3 und rechtwinklig zum Profilstab 6. An jedem der kürzeren, vom Träger 3 wegverlaufenden Schenkel 9b der Halter 9 ist ein Resonator, nämlich eine aus Metall bestehende Stimmgabel 10 mit einem Steg 10a und zwei zueinander parallelen Zinken 10b, 1 0c befestigt. Die Schenkel 9b des Halters 9 sind mit einer nur eine geringe Tiefe aufweisenden Ausnehmung versehen, in die der Steg 10a teilweise hineinragt. Der Steg 10a ist auf seiner den Zinken lOb, 10c abgewandten Seite mit einem Gewindebolzen versehen und mittels einer Mutter am Schenkel 9b festgeschraubt. An jedem Halter 9 ist zwischen den zwei freien Enden der beiden Zinken 10b, 10c jeder Stimmgabel 10 ein Elektromagnet 11 mit einem Kern und einer Wicklung befestigt.
Wie noch erläutert wird, dient der eine der Elektromagnete 11 als Schwingungserreger und der andere als Schwingungsdetektor.
Die Stimmgabeln 10 sind identisch ausgebildet und derart angeordnet, dass ihre Zinken lOb, 10c entlang einer zum Träger 3 parallelen Ebene schwingen können. Die Zinken lOb,10c der Stimmgabeln 10 verlaufen im übrigen parallel zueinander. Die beiden Stimmgabeln 10 sind bezüglich einer zwischen ihnen parallel zu ihren Zinken lOb, 10c und rechtwinklig zum Träger 3 verlaufenden Ebenen 12 symmetrisch angeordnet. Die Zinken 10b der beiden Stimmgabeln verlaufen also über ihre ganze Länge parallel nebeneinander. Ferner weisen die beiden Stimmgabeln eine gemeinsame Symmetrieebene 13 auf, die parallel zur Längsrichtung der Zinken 10b, 10c sowie zu deren Schwingungsrichtungen und also parallel zum Träger 3 verläuft.
Die Zinken 10b, 10c sind im Querschnitt rechteckig, wobei ihre rechtwinklig zur Schwingungsrichtung und parallel zur Ebene 12 gemessenen Querschnittsmessung mindestens dreimal grösser ist als ihre parallel zur gemeinsamen Symmetrieebene 13 gemessenen Querschnittsabmessung. Die beiden zu verschiedenen Stimmgabeln 10 gehörenden Zinken 10b weisen einander zugewandte, zueinander parallele, ebenen Flächen auf, die parallel zur Ebene 12 verlaufen. Zwischen diesen beiden Flächen ist ein kleiner Zwischenraum vorhanden, dessen Breite im vorliegenden Fall etwa 2 bis 3 % der Länge der Zinken beträgt.
Die beiden Stimmgabeln 10 berühren einander nirgends.
Das gleiche gilt auch für die beiden Halter 9, auf denen die Stimmgabeln montiert sind. Die Halter 9 sind dann erst über den Profilstab 6 miteinander verbunden, auf dem die längeren Schenkel 9a der Halter 9 ungefähr in ihrer Mitte mit einem kurzen Abschnitt aufliegen. Diese Montage der Stimmgabeln 10 gewährleistet, dass sie mechanisch relativ gut voneinander entkoppelt sind. Wie noch näher erläutert wird, erfolgt die Verkopplung der beiden Stimmgabeln 10 nämlich vorwiegend durch das sich im Gehäuse 2 befindende Gas.
Wie aus der Figur 2 ersichtlich ist, weist die Haube 4 Wände 4a auf, die parallel zur Ebene 12 und damit parallel zu den Aussenflächen der äussersten, einander abgewandten Zinken 10c der beiden Stimmgabeln verlaufen. Der Abstand zwischen den Aussenflächen der Zinken 10c und den Innenflächen der Wände 4a beträgt etwa 20 % der Länge der Zinken 10b, 10c.
Die Figur 4 zeigt einige Elemente einer Variante einer Schwingvorrichtung 31. Sie weist einen Träger 33 und zwei Stimmgabeln 40 auf. Die letzteren können in analoger Weise am Träger befestigt sein wie diejenigen des in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiels, wobei die Befestigungsmittel zur Erhöhung der Übersichtlichkeit in der Figur 4 nicht dargestellt wurden. Die Stimmgabeln 40 sind im wesentlichen gleich ausgebildet und angeordnet wie die Stimmgabeln 10. Sie weisen also einen Steg 40a und zwei zueinander parallele Zinken 40b, 40c mit rechteckigem Querschnitt auf. Die Zinken 40b, 40c haben die Länge L, die Breite b und die Höhe h. Die Höhe h ist rechtwinklig zur Schwingungsrichtung der Zinken gemessen und mindestens drei Mal, beispielsweise etwa fünf Mal grösser als die Breite b.
Die beiden zu verschiedenen Stimmgabeln gehörenden Zinken 40b weisen einander zugewandte, zueinander parallele, ebene Flächen auf. Diese verlaufen rechtwinklig zu der für beide Stimmgabeln gemeinsamen Symmetrieebene, die der Ebene 13 der Figur 2 entspricht sowie mindestens annähernd rechtwinklig zur Schwingungsrichtung, d.h. zur Bewegungsrichtung der schwingenden Zinken. Der Abstand der einander zugewandten Flächen der beiden Zinken 40b ist mit d bezeichnet. Der Abstand der einander zugewandten Flächen von zwei zur gleichen Stimmgabel gehörenden Zinken 40b, 40c ist mit s bezeichnet. Zwischen den freien Zinkenenden von jeder Stimmgabel sind zwei nicht dargestellte Elektromagnete vorhanden, deren Kerne parallel zum Träger 33 und rechtwinklig zu den Zinken 40b, 40c verlaufen.
Auf den Aussenseiten der beiden Zinken 40c ist ein starres Element 44, nämlich ein winkelförmiger Profilstab am Träger 33 befestigt und zwar mittels Schrauben 45 festgeschraubt. Jedes der Elemente 44 weist einen parallel zu den Zinken 40b, 40c verlaufenden Schenkel 44a auf, dessen Fläche 44b der äussern Fläche der benachbarten Zinken 40c zugewandt und zu dieser Zinkenfläche parallel ist. Der Abstand der einander zugewandten Fläche der Zinken 40c und der Elemente 44 ist mit e bezeichnet.
Auf den Träger 33 wird analog wie auf dem Träger 3 eine Haube befestigt, die zusammen mit dem Träger ein dicht abgeschlossenes Gehäuse begrenzt. Die Gehäuse der Schwingvorrichtungen 1, 31 sind mit einem Gas gefüllt, das zweckmässigerweise eine grössere Dichte als die Umgebungsluft aufweist. Die Dichte des Gases beträgt vorzugsweise mindestens 3 mg/cm3.
Als Gas kann beispielsweise Freon, Schwefelhexafluorid, Xenon oder Krypton verwendet werden. Diese Gase weisen ein relativ grosses Molekulargewicht und also bereits bei Umgebungsdruck eine grosse Dichte auf. Zudem sind sie bis zu hohen Temperaturen stabil und chemisch träge.
Die Stimmgabeln können etwa aus einer unter dem Handelsnamen Nivarox bekannten Legierung bestehen, die als Hauptkomponenten Eisen und Nickel sowie zusätzlich noch Wolfram, Beryllium, Mangan und Silizium enthält. Diese Legierung ergibt eine extrem kleine Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz.
Im folgenden soll der Betrieb der beiden vorstehend beschriebenen Schwingvorrichtung 1, 31 erläutert werden.
Bei der Verwendung einer Schwingvorrichtung 1, 31 als Bandfilter wird dem als Schwingungserreger dienenden Elektromagneten ein elektrisches Erregungssignal, d. h. eine Wechselspannung zugeführt. Der Schwingungserreger beaufschlagt dann die Zinken der betreffenden ersten Stimmgabel 10, 40 mit einer Kraft, die rechtwinklig zur Längsrichtung der Zinken und parallel zur gemeinsamen, durch alle vier Zinken verlaufenden Symmetrieebene 13 gerichtet ist. Die Zinken führen dann Biegeschwingungen aus, bei denen sie sich entlang der gemeinsamen Symmetrieebene 13 bewegen. Die Schwingungsbewegung erfolgt nämlich entlang von kurzen Bogen, die annähernd rechtwinklig zu den einander zugewandten ebenen Flächen benachbarter Zinken verlaufen.
Die Schwingungsbewegung der erregten Stimmgabel wird nun durch das sie umgebende Gas, und zwar vor allem durch dasjenige Gas, das sich zwischen den Zinken 10b bzw. 40b befindet, auf die benachbarte, zweite Stimmgabel übertragen, zwischen deren Zinken der als Schwingungsdetektor dienende Elektromagnet angeordnet ist. Der letztere erzeugt daher ein von der Schwingung der Zinken der zweiten Stimmgabel abhängiges elektrisches Detektorsignal, d.h. eine Wechselspannung, deren Frequenz identisch mit der Schwingungsfrequenz der Stimmgabelzinken und deren Amplitude proportional zur Geschwindigkeitsamplitude der Stimmga belzinken ist.
In der Figur 5 ist die mit der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Schwingvorrichtung bei konstanter Erregungs spanming gemessene Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Frequenz für drei verschiedene Temperaturen dargestellt.
Auf der Abszisse ist die Frequenzdifferenz f - Dies aufgetragen, wobei f die Frequenz des zugeführten Erregungssignals und f,, die Resonanzfrequenz einer einzelnen Stimmgabel bezeichnet, die im vorliegenden Fall 1'680 Hz beträgt. Auf der Ordinate ist das Verhältnis U/Umax mit logarithmischer Skala (Dezibel) auf getragen. Dabei ist U die Detektorspannung und Um zu deren Maximalwert. Das Gehäuse enthielt Schwefelhexafluorid mit einem Absolutdruck von ungefähr 1 at und einer Dichte von ungefähr 6,5 mg/cm3.
Der Verlauf der Kurven, d. h. der Frequenzgang der Spannungsübertragung des Bandfilters ist von der Stärke der Kopplung und den Gütefaktoren der Resonatoren abhängig. Es sollen nun noch einige Besonderheiten der Kopplung mittels eines Fluids erläutert werden. Bei den vorstehend beschriebenen Schwingvorrichtungen ist die maximale Abmessung der schwingenden Abschnitte der mechanischen Resonatoren, d. h. die Länge L der Stimmgabelzinken kürzer als die Wellenlänge von Schallwellen, deren Frequenz gleich der Grundresonanzfrequenz der Stimmgabeln ist und die sich durch das sich im Gehäuse befindende Gas ausbreiten. Die Wellenlänge einer Schallwelle im Gas beträgt für den in der Figur 5 dargestellten Fall etwa 11 cm und die Länge der Stimmgabelzinken etwa 25 mm.
Der in der Figur 4 für das zweite Ausführungsbeispiel mit d bezeichnete Abstand der einander zugewandten Flächen der zu verschiedenen Stimmgabeln gehöhrenden Zinken 10b, 40b beträgt etwa 0,4 bis 0,8 mm und ist also ebenfalls wesentlich kleiner als die Wellenlänge der sich bei der Grundresonanzfrequenz im Gas ergebenden Schallwelle. Das Gas verhält sich dann in dem für die Kopplung massgebenden Zwischenraum zwischen den beiden Zinken 10b bzw. 40b näherungsweise wie eine inkompressible Flüssigkeit. Das sich zwischen den Zinken 10b bzw. 40b befindende Gas wirkt dann ähnlich wie eine zusätzliche Masse, die phasengleich mit den Zinken 10b, 40b mitschwingt. Das Gas ergibt daher eine mindestens annähernd phasenverschiebungsfreie Kopplung zwischen den zu verschiedenen Stimmgabeln gehörenden Zinken mit einander zugewandten Flächen.
Selbstverständlich können die Schwingvorrichtungen auch für andere Grundresonanzfrequenzen als 1680 Hz, nämlich für Frequenzen bis zu etwa 100 kHz konzipiert werden. Der haupt sächliche Anwendungsbereich von Stimmgabeln aufweisenden Schwingvorrichtungen dürfte etwa im Frequenzbereich 10 Hz bis 20 kHz liegen, in dem es möglich ist, die Stimmgabeln so zu bemessen und anzuordnen, dass die Zinkenlänge kleiner als die Wellenlänge einer die Grundresonanzfrequenz aufweisenden Welle im Gas ist. Der Abstand d kann in diesem Frequenzbereich etwa 0,3 bis 1 mm betragen und so festgelegt werden, dass er höchstens gleich und vorzugsweise höchstens 20 % der Wellenlänge einer Schallwelle ist, die sich durch das Gas ausbreitet und die Grundresonanzfrequenz der Stimmgabeln aufweist.
Wie bereits erwähnt, verhält sich das Gas zwischen den Zinken 10b bzw. 40b annähernd wie eine inkompressible Flüssigkeit, die wie eine träge Masse mit den Zinken mitschwingt.
Man kann durch eine Modellrechnung zeigen, dass die Stärke der Kopplung in guter Nährung proportional zur Dichte des Gases und zur dritten Potenz der in der Figur 4 mit h bezeichneten Querschnittsabmessung der Zinken ist. Ferner ist die Kopplungsstärke etwa umgekehrt proportional zu dem in der Figur 4 mit d bezeichneten Abstand. Man kann also die Stärke der Kopplung durch Festlegung der Dichte, der rechtwinklig zur Schwingungsrichtung gemessenen Querschnittsabmessung h der Zinken und des Abstandes d geeignet festlegen, so dass sich die gewünschte Kopplungsstärke ergibt. Der ungefähr parallel zur Schwingungsrichtung gemessene Abstand d soll zweckmässigerweise höchstens etwa 10% der ungefähr rechtwinklig zur Schwingungsrichtung gemessenen maximalen Abmessung der schwingenden, die Resonanzfrequenz bestimmenden Resonator-Abschnitte, d. h. der Länge L der Zinken, betragen.
Das Gas bewirkt selbstverständlich auch eine Kopplung zwischen den beiden zur gleichen Stimmgabel gehörenden Zinken. Die durch das Gas verursachte Kopplung zwischen den Zinken verschiedener Stimmgabeln ist zweckmässigerweise stärker als die durch das Gas verursachte Kopplung zwischen den zur gleichen Stimmgabel gehörenden Zinken. Der in der Figur 4 mit d bezeichnete Abstand beträgt daher vorzugsweise höchstens 20 % des mit s bezeichneten Abstandes.
Die Kopplung zwischen den beiden Stimmgabeln erfolgt im wesentlichen durch das Gas. Es tritt jedoch zusätzlich noch eine gewisse mechanische Kopplung über die Halterungen der beiden Stimmgabeln sowie über die magnetischen Streufelder der Elektromagnete auf. Der Anteil dieser zusätzlichen Kopplung an der gesamten Kopplung ist jedoch relativ klein. Man kann experimentell dadurch ein Mass für den Anteil der durch das Gas bewirkten Kopplung an der gesamten Kopplung gewinnen, indem man den Spannungsübertragungsfaktor des Bandfilters, d. h. das Verhältnis zwischen der Detektorspannung U und der Erregungsspannung UO, einerseits unter normalen Betriebsbedingungen und andrerseits im Vakuum misst.
Im letzteren Fall fällt dann die durch das Gas verursachte Kopplung und Spannungsübertragung weg, so dass nur noch die durch die restliche Wechselwirkungen bewirkte Spannungsübertragung verbleibt.
Die Differenz der beiden Spannungsübertragungsfaktoren ist dann gleich dem durch das Gas bewirkten Anteil. Die Schwingvorrichtungen sollen derart konzipiert sein, dass der durch das Gas bewirkte Beitrag zum Spannungsübertragungsfaktor mindestens 50 % und vorzugsweise mindestens 80 % des gesamten Spannungsübertragungsfaktors beträgt. Bei der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Vorrichtung sind die beiden Elektromagnete 11 identisch ausgebildet. Bei der Messung der in der Figur 5 dargestellten Kurve wurde dem als Schwingungserreger dienenden Elektromagnet bei allen Messungen eine Wechselspannung von 2 V zugeführt. Unter normalen Betriebsbedingungen, d. h.
mit Gas, ergab sich in der Nähe der Resonanzfrequenz eine maximale Detektorspannung Umax von etwa 250 mV, d. h. ein gesamter Spannungsübertragungsfaktor von 0,125. Die entsprechende Messung im Vakuum ergab für Uma, einen Wert von etwa 30 mV und also einen Spannungsübertragungsfaktor von nur 0,015. Der Beitrag des Gases zum gesamten Spannungs übertragungsfaktor beträgt also im vorliegenden Fall 88 %.
Der Frequenzgang des Bandfilters hängt, wie bereits erwähnt, auch noch von den Gütefaktoren der Resonatoren ab.
Diese werden im wesentlichen durch die Eigendämpfung der Resonatoren, durch die Dämpfung der Elektromagnete und die an das Gas erfolgende Energieabgabe bestimmt. Die letztere hängt nun unter anderem davon ab, wie weit die beiden äusseren Zinken 10c bzw. 40c von der nächsten ihnen zugewandten Wand entfernt sind.
Falls es nun zur Erzielung des gewünschten Frequenzgangs erforderlich ist, die Stimmgabeln zusätzlich zu dämpfen, kann man dies dadurch erreichen, dass man vorzugsweise starre, am Träger befestigte Wände vorsieht, die den Aussenflächen der äusseren Zinken 10c bzw. 40c zugewandte, ungefähr rechtwinklig zur Schwingungsrichtung verlaufende Flächen aufweisen, wobei der Abstand der einander zugewandten Flächen höchstens etwa 50 No der ungefähr rechtwinklig zur Schwingungsrichtung gemessenen, maximalen Abmessung der für die Bestimmung der Resonanzfrequenz massgebenden, schwingenden Abschnitte der Resonatoren betragen soll. Im vorliegenden Fall ist die letztgenannte Abmessung gleich der Länge L der Stimmgabelzinken.
Bei dem in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel geben also die zwei parallel zu den Stimmgabelzinken verlaufenden, im wesentlichen starren Haubenwände 4a, deren Innenflächen den Aussenflächen der Zinken 10c zugewandt sind, eine Dämpfung. Bei dem in der Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ergeben die Elemente 44, deren Flächen 44b den Aussenflächen der Zinken 40c zugewandt sind, eine zusätzliche Dämpfung, deren Grösse durch den Abstand e der einander zugewandten Flächen bestimmt wird. Die Elemente 44 können verstellbar befestigt sein, so dass der Abstand e beispielsweise zwischen 5 % und 20 % der Länge L der Stimmgabelzinken eingestellt werden kann.
Bei einem Bandfilter mit der vorstehend beschriebenen, durch ein Gas erfolgenden Kopplung sind zwischen den Gütefaktoren der verkoppelten Resonatoren relativ grosse Unterschiede zulässig, ohne dass diese eine Asymmetrie der Übertragungskennlinie des Bandfilters zur Folge haben. Dies stellt einen beträchtlichen Vorteil der durch ein Gas erfolgenden Kopplung dar.
Da die Stimmgabeln in einem dichten, starren Gehäuse angeordnet sind, bleibt die Dichte des die Stimmgabeln umgebenden Gases bei Temperatur- und Luftdruckänderungen nahezu konstant, so dass die letzteren die Kopplung praktisch nicht beeinflussen. In der Figur 5 sind die Messergebnisse für Temperaturen von - 25" C und +75 C dargestellt. Wie die drei Kurven zeigen, ändert der Frequenzgang in diesem Temperaturbereich nur sehr wenig.
Die Figur 6 zeigt ein stark vereinfachtes Schema einer Fernsteuerungsanlage. Diese weist eine Steuerzentrale 51 auf, die unter anderem verschiedene Oszillatoren 52 zur Erzeugung von Wechselspannungen mit verschiedenen im Schallfrequenzbereich liegenden Frequenzen enthält. Jeder Oszillator kann einem Übertragungskanal und einer bestimmten, zu steuernden Funktion zugeordnet sein. Die Steuerzentrale enthält ferner Schaltelemente, so dass Instruktionen eingegeben und derart verarbeitet werden können, dass sie mittels der von den Oszillatoren 52 erzeugten Wechselspannungen übertragen werden können. Falls die Übertragungsart es erfordert, können die im Schallfrequenzbereich liegenden Wechselspannungen noch auf einen hochfrequenten Träger aufmoduliert werden. Die von der Steuerzentrale 51 erzeugten Signale werden dann über Leiter oder eventuell drahtlos einer Empfangseinrichtung 61 zugeführt.
Diese enthält unter anderem Entkopplungsverstärker 62, um die als Informationsträger dienende Wechselspannung den Bandfiltern 63 zuzuführen, von denen nur eines dargestellt ist.
Die zugeführte Spannung bildet dann das Erregungssignal UO des Bandfilters 63. Die das Detektorsignal U bildende Ausgangsspannung des Bandfilters 63 wird dann über einen Verstärker 64 einem zu steuernden Organ zugeführt. Die verschiedenen Bandfilter 63 enthalten verschiedene Stimmgabeln mit unterschiedlichen Grundresonanzfrequenzen. Die Grundresonanzfrequenz von jedem der Bandfilter 63 stimmt mit der Frequenz von einem der Oszillatoren 52 überein, so dass also jedes der Bandfilter eine der Frequenzen heraussiebt. Jeder Oszillator 52 kann als Resonator eine Stimmgabel enthalten, die gleich ausgebildet ist wie die beiden Stimmgabeln im zugeordneten Bandfilter.
Nun sollen noch einige mögliche Varianten erwähnt werden.
Vorerst sei vermerkt, dass die Umwandlung einer elektrischen Wechselspannung in eine Schwingungsbewegung und umgekehrt statt mittels unbeweglicher Elektromagnete auch elektrodynamisch, d. h. mittels beweglicher Spulen, oder elektrostatisch, d. h. mittels piezoelektrischer Kristalle, oder durch Magnetostriktion erfolgen könnte.
Ferner wäre es möglich, mehr als zwei Resonatoren durch ein Fluid miteinander zu verkoppeln. Man könnte also beispielsweise drei Stimmgabeln nebeneinander anordnen. Der Schwingungserreger würde dann beim einen der beiden äussersten und der Schwingungsdetektor beim andern der beiden äussersten Resonatoren angeordnet. Beim mittleren Resonator wäre dann weder ein Schwingungserreger noch ein Schwingungsdetektor vorhanden.
Des weitern könnte man statt Stimmgabeln mit Biegeschwingungen ausführende Zinken auch andere mechanische Resonatoren verwenden. Man könnte beispielsweise zwei dünne Platten oder Membranen mit einander zugewandten etwa ebenen Flächen und einer gemeinsamen Symmetrieachse verwenden, die senkrecht zu den genannten ebenen Flächen durch deren Mittelpunkte verläuft. Eine der Platten oder Membranen könnte dann so angeregt werden, dass sie Schwingungsbewegungen entlang der gemeinsamen Symmetrieachse und der durch diese verlaufenden Symmetrieebenen der Platten bzw.
Membrane ausführt. Selbstverständlich müssten die Abmessungen der Platten oder Membranen und ihre Abstände wiederum aufeinander und auf die Dichte des Gases und die Wellenlänge der Schallwellen im Gas abgestimmt werden, damit sich die gewünschte Kopplungsstärke und Dämpfung ergibt. Die weiter vorn im Hinblick auf die Stimmgabeln gemachten Angaben für die Verhältnisse zwischen der Schallwellenlänge, der Zinkenlänge, den Abständen der Resonatoren von einem der Haube 4 oder dem Element 44 entsprechenden Element können etwa analog übernommen werden, wenn man die Länge der Zinken durch die maximale, quer zur Schwingungsrichtung gemessene Abmessung der schwingfähigen Platte oder Membrane ersetzt.
Im Falle einer runden Platte oder Membrane wäre also die Länge L dem Durchmesser und im Falle einer eckigen Platte oder Membrane deren längster Diagonale gleichzusetzen.
Im übrigen könnte man zur Verkopplung der Resonatoren anstelle der genannten Gase auch vorzugsweise Überdruck aufweisende Luft oder sogar eine Flüssigkeit verwenden.
Es sei noch vermerkt, dass die Schwingvorrichtungen nicht nur als Bandfilter, sondern auch als Oszillator verwendet werden könnte.
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PATENT CLAIMS
1. Electromechanical vibration device, in particular for a bandpass filter of a remote control system, with a carrier (3; 33) and at least two mechanical resonators (10; 40), which are fastened to it, and a vibration exciter (11) for converting an electrical signal into a converting excitation force acting on one of the resonators (10; 40) and a vibration detector (11) to generate an electrical signal dependent on the vibration of a resonator (10; 40), characterized in that the resonators (10; 40) are coupled to one another by a fluid surrounding them, so that the contribution of the fluid to the voltage transmission factor is at least 50% of the total voltage transmission factor.
2. Vibration device according to claim 1, characterized in that various resonators (10; 40) belonging to oscillatable resonator sections (10b; 40b) are provided with mutually facing surfaces, between which there is a free, fluid-containing space and that Resonators (10; 40) are designed and attached in such a way that said resonator sections (10b; 40b) execute vibrations during operation along a plane (13) which runs through both surfaces facing one another.
3. Vibration device according to claim 2, characterized in that the d distance of the mutually facing surfaces of the resonator sections (10; 40) belonging to different resonators (10b; 40b) is at most 10% of the maximum dimensions L measured transversely to the direction of vibration Determines resonance frequency, resonating during operation resonator sections (10b; 40b).
4. Vibration device according to claim 2, characterized in that the distance d of the mutually facing surfaces of the sections belonging to different resonators (10; 40) (1 Ob; 40b) is at most 20% of the wavelength of the resonance frequency of the fundamental vibration of the resonators (10; 40) has sound wave in the fluid.
5. Vibration device according to one of claims 2 to 4, characterized in that each resonator is designed as a tuning fork (10; 40) that a prong (10b; 40b) of the one tuning fork (10; 40) over its entire length in parallel next to one Tine (10b; 40b) of the other tuning fork (10; 40) runs and that the tuning forks are arranged symmetrically with respect to a plane (12) located between them.
6. Vibration device according to claim 5, characterized in that the mutually facing surfaces of adjacent tines (10; 40) belonging to different tuning forks (10; 40b) are flat and parallel to one another and that the tines (1 Ob, 10c; 40b, 40c) perpendicular to a plane (13) along which they vibrate during operation, have a cross-sectional dimension h which is at least three times larger than the cross-sectional dimension b measured at right angles to it.
7. Vibration device according to claim 5, characterized in that the distance d between the mutually facing surfaces of prongs (10; 40) belonging to different tuning forks (10; 40) is at most 20% of the distance s between the mutually facing surfaces of the same tuning fork (10 ; 40) belonging tines (10b, 10c; 40b, 40c).
8. Vibration device according to claim 5, characterized in that only one vibration exciter (11) and only one vibration detector (11) is present and that the vibration exciter (11) between the prongs (10b, 10c; 40b, 40c) of the one tuning fork ( 10.40) and the vibration detector (11) between the prongs (1 Ob, 10c, 40b, 40c) of the other tuning fork (10; 40).
9. Vibrating device according to claim 1, characterized in that the resonators are arranged inside a sealed housing (2) which contains the fluid.
10. Vibration device according to claim 9, characterized in that the fluid is a gas, the density of which is at least 3 mg / cm3.
11. Vibration device according to claim 1, characterized in that the contribution of the fluid to the total voltage transmission factor is at least 80%.
12. Vibration device according to claim 1, characterized in that in the case of an oscillatable section (10c; 40c) of each of the two outermost resonators (10; 40), a rigid element (4; 44) rigidly connected to the carrier (3; 33) is present, which has a surface (44b) facing a surface of the vibratable resonator section, that there is a space containing fluid between these facing surfaces, that the surfaces are at least approximately perpendicular to the direction of vibration of the relevant vibratable resonator section (1 0c; 40c), the distance between the mutually facing surfaces being at most 50% of the maximum dimension L of the sections (10b, 10c; 40b, 40c) of the resonators (10; 40) which determine the resonance frequency and which oscillate during operation.
13. Vibration device according to claim 1, characterized in that the basic resonance frequency of the resonators is at most 100 kHz.
14. Vibration device according to claim 13, characterized in that the basic resonance frequency of the resonators is at most 20 kHz.
The invention relates to an electromechanical vibration device, in particular for a bandpass filter of a remote control system, with a carrier and at least two mechanical resonators coupled to one another and coupled to one another and a vibration exciter for converting an electrical signal into an excitation force acting on one of the resonators, and a vibration detector to generate an electrical signal dependent on the vibration of a resonator.
Various electromechanical oscillating devices, and in particular band filters, with pass or blocking frequencies in the sound frequency range are known. Such oscillating devices, which are used, for example, in remote control systems, can have two or more mechanical resonators coupled to one another, in particular tuning forks.
From US Pat. No. 3,425,310, for example, vibrating devices are known which have two tuning forks which are arranged next to one another and each form a resonator.
As usual, the tuning forks have two prongs that are connected by a bridge. Each bridge is connected to a fastening section via a neck. The latter is fastened to a metal holding part by means of screws.
Each of the two holding parts has four walls which, in pairs, delimit a channel for one of the tines. There is therefore at least one wall both between the tines belonging to the same and between the prongs belonging to different tuning forks. The two holding parts are connected at their mutually facing walls via a rubber-elastic intermediate part to a metallic support plate, which in turn is fastened to the bottom of the housing in which the tuning forks are accommodated via rubber-elastic damping elements. In this known vibrating device, the coupling, as explained with reference to schematic figures, takes place mechanically, namely via the webs, necks and fastening sections of the tuning forks, as well as via the holding parts, the rubber-elastic intermediate part and the metallic support
plate. For excitation, an excitation coil is attached to the holder part on the outside of at least one of the two prongs of each of the two tuning forks belonging to the oscillating device. Likewise, a detector coil is attached to the outside of at least one of the two prongs in each of the two tuning forks in order to convert the prong vibrations into electrical signals.
The vibrating devices known from US Pat. No. 3,425,310 therefore have a rather complicated structure and many elements and are therefore relatively complex to manufacture and take up a lot of space. In particular, it should be pointed out that the tuning forks have a neck via which their webs are connected to the fastening section. Furthermore, in order to achieve a coupling with the desired coupling strength, two holding parts, a rubber-elastic intermediate part and a support plate must be present, the latter necessarily having to be fastened to the housing base via rubber-elastic damping elements. Furthermore, the vibration device has at least two vibration exciters and two vibration detectors.
Reference is now made to a disadvantage that arises when the oscillating device known from US Pat. No. 3,425,310 is used for a remote control system. In a remote control system, on the one hand, oscillators are required in the control center and, on the other hand, band filters are required in the receiving section in order to screen the AC voltages generated by the oscillators from the other signals.
The frequency of the oscillator should therefore correspond to the average pass frequency of the bandpass filter. It would now be expedient for cost reasons if the oscillator could be equipped with a tuning fork which is identical to the tuning forks in the band filter assigned. However, this is hardly possible without difficulty in the case of the tuning forks as are used in the previously known oscillating device. As described in US Pat. No. 3,425,310, although the tuning forks can be used individually, a second, effectively unused tuning fork or a corresponding dummy should still be provided in order to achieve good properties (see here at the end column 6 of U.S. Patent 3,425,310).
In addition, when using the oscillating device as a band filter, it is provided to couple two tuning forks with different resonance frequencies to one another (cf. lines 22 to 27 of column 6 of the US patent). For an oscillator whose frequency lies in the middle of the pass frequency range of the band filter, one would have to provide a tuning fork whose resonance frequency lies in the middle between the resonance frequencies of the two tuning forks contained in the band filter, so that three differently designed tuning forks are required for each transmission channel.
Band filters are known from US Pat. No. 3,510,794, which have two or more tuning forks each forming a resonator. Each tuning fork has an excitation coil and a detector coil. The tuning forks belonging to the same band filter have different resonance frequencies and the excitation and detector coils are coupled to one another via feedback circuits. In these previously known oscillating devices, an electrical coupling between the different tuning forks is therefore present in order to achieve the desired transmission behavior of the bandpass filter. However, this coupling method has various disadvantages.
It should be noted here for the time being that it is relatively complex because an excitation and a detector coil must be present in every tuning fork and because electrical feedback circuits with amplifiers and other switching elements are also required. The previously known electrical coupling method is essentially an additive coupling. If tuning forks belonging to the same bandpass filter should have different quality factors in such a coupling, this results in a strong asymmetry of the transmission characteristic of the bandpass filter. Finally, it should be pointed out that the tuning forks belonging to the same band filter have different resonance frequencies.
If you want to use the band filter in the receiving section of a remote control section, for example, the control center must have an oscillator whose frequency corresponds to the average pass frequency of the band filter. The oscillator is also expediently provided with a tuning fork. It would now be favorable if the oscillator could contain a tuning fork which is identical to that which is present in the associated band filter. However, since the latter has different frequencies, a differently designed tuning fork must be provided for the oscillator, the resonance frequency of which lies between that of the tuning forks present in the band filter.
The invention is based on the object of creating a vibrating device which does not have the disadvantages of the known vibrating devices and which can be produced in particular at lower costs.
This object is achieved by a vibrating device of the type mentioned in the introduction, which according to the invention is characterized by the features of claim 1.
It should be noted that, in the case of the previously known oscillating devices as well, there is a certain coupling through the air that surrounds the resonators. However, this coupling effect is in no way used in the previously known devices and is not mentioned in the corresponding prior publications. On the basis of the figures and design descriptions contained in the prior publications, it can moreover be calculated that the coupling that takes place through the air in the previously known devices can only make a negligible contribution to the overall coupling.
The object of the invention will now be explained with reference to an embodiment shown in the drawing and a variant thereof. In the drawing, FIG. 1 shows a section through an oscillating device, FIG. 2 shows a section along the line II-II in FIG. 1, and FIG. 3 shows a plan view of the oscillating device shown in FIGS. 1 and 2, the hood of the housing being omitted FIG. 4 is an axonometric view of a carrier and the elements of a variant of a vibrating device attached to it, some elements being omitted for the sake of clarity, FIG. 5 is a diagram showing the dependence of the output voltage of the bandpass filter on the frequency, and FIG. 6 shows a diagram of a remote control system with a band filter formed by an oscillating device.
The oscillating device 1 shown in FIGS. 1 to 3 has a tightly sealed housing 2, which is formed by a plate-shaped carrier 3 made of metal and a hood 4. The carrier 3 and the hood 4 can, for example, be soldered to one another or can be tightly connected in some other way. The carrier 3 is provided with four connections 5, which are formed by sealed bushings. A metallic profile rod 6 is fastened on the inside of the carrier 3. Two metallic, essentially L-shaped holders 9 are fastened on the profile rod 6 by means of screws 8.
Their longer legs 9a run parallel to the carrier 3 and at right angles to the profile bar 6. On each of the shorter legs 9b, which run away from the carrier 3, there is a resonator, namely a tuning fork 10 made of metal with a web 10a and two parallel prongs 10b , 1 0c attached. The legs 9b of the holder 9 are provided with a recess having only a small depth, into which the web 10a partially protrudes. The web 10a is provided on its side facing away from the prongs 10b, 10c with a threaded bolt and screwed onto the leg 9b by means of a nut. An electromagnet 11 with a core and a winding is attached to each holder 9 between the two free ends of the two prongs 10b, 10c of each tuning fork 10.
As will be explained later, one of the electromagnets 11 serves as a vibration exciter and the other as a vibration detector.
The tuning forks 10 are of identical design and are arranged in such a way that their prongs 10b, 10c can swing along a plane parallel to the carrier 3. The prongs 10b, 10c of the tuning forks 10 run parallel to one another. The two tuning forks 10 are arranged symmetrically with respect to a plane 12 extending between them parallel to their prongs 10b, 10c and at right angles to the carrier 3. The tines 10b of the two tuning forks thus run parallel alongside one another over their entire length. Furthermore, the two tuning forks have a common plane of symmetry 13 which runs parallel to the longitudinal direction of the tines 10b, 10c and to their directions of vibration and thus parallel to the carrier 3.
The tines 10b, 10c are rectangular in cross-section, their cross-sectional measurement measured perpendicular to the direction of vibration and parallel to plane 12 being at least three times larger than their cross-sectional dimension measured parallel to the common plane of symmetry 13. The two tines 10b belonging to different tuning forks 10 have mutually facing, mutually parallel, flat surfaces which run parallel to plane 12. There is a small space between these two surfaces, the width of which in the present case is approximately 2 to 3% of the length of the tines.
The two tuning forks 10 do not touch each other anywhere.
The same also applies to the two holders 9 on which the tuning forks are mounted. The holders 9 are then only connected to one another via the profile rod 6, on which the longer legs 9a of the holders 9 rest approximately in their middle with a short section. This assembly of the tuning forks 10 ensures that they are mechanically decoupled from each other relatively well. As will be explained in more detail, the coupling of the two tuning forks 10 takes place primarily through the gas located in the housing 2.
As can be seen from FIG. 2, the hood 4 has walls 4a which run parallel to the plane 12 and thus parallel to the outer surfaces of the outermost, opposite prongs 10c of the two tuning forks. The distance between the outer surfaces of the tines 10c and the inner surfaces of the walls 4a is approximately 20% of the length of the tines 10b, 10c.
FIG. 4 shows some elements of a variant of a vibrating device 31. It has a carrier 33 and two tuning forks 40. The latter can be fastened to the carrier in a manner analogous to that of the exemplary embodiment illustrated in FIGS. 1 to 3, the fastening means not being shown in FIG. 4 to increase clarity. The tuning forks 40 are essentially of the same design and arrangement as the tuning forks 10. They therefore have a web 40a and two parallel tines 40b, 40c with a rectangular cross section. The tines 40b, 40c have the length L, the width b and the height h. The height h is measured at right angles to the direction of vibration of the tines and is at least three times, for example about five times larger than the width b.
The two prongs 40b belonging to different tuning forks have flat surfaces that face one another and are parallel to one another. These run at right angles to the plane of symmetry common to both tuning forks, which corresponds to plane 13 of FIG. 2, and at least approximately at right angles to the direction of vibration, i.e. to the direction of movement of the vibrating tines. The distance between the mutually facing surfaces of the two tines 40b is denoted by d. The distance between the mutually facing surfaces of two tines 40b, 40c belonging to the same tuning fork is denoted by s. Between the free tine ends of each tuning fork there are two electromagnets, not shown, the cores of which run parallel to the carrier 33 and at right angles to the tines 40b, 40c.
On the outside of the two prongs 40c, a rigid element 44, namely an angular profile bar, is fastened to the carrier 33 and is screwed tight by means of screws 45. Each of the elements 44 has a leg 44a running parallel to the tines 40b, 40c, the surface 44b of which faces the outer surface of the adjacent tines 40c and is parallel to this tine surface. The distance between the facing surface of the tines 40c and the elements 44 is denoted by e.
A hood is attached to the carrier 33 in the same way as on the carrier 3 and, together with the carrier, delimits a sealed housing. The housings of the vibrating devices 1, 31 are filled with a gas which expediently has a greater density than the ambient air. The density of the gas is preferably at least 3 mg / cm 3.
For example, freon, sulfur hexafluoride, xenon or krypton can be used as the gas. These gases have a relatively large molecular weight and therefore a high density even at ambient pressure. In addition, they are stable up to high temperatures and chemically inert.
The tuning forks can consist of an alloy known under the trade name Nivarox, which contains iron and nickel as main components and additionally tungsten, beryllium, manganese and silicon. This alloy results in an extremely small temperature dependence of the resonance frequency.
The operation of the two vibration devices 1, 31 described above will be explained below.
When using a vibrating device 1, 31 as a band filter, the electromagnet serving as a vibration exciter is subjected to an electrical excitation signal, i. H. an AC voltage is supplied. The vibration exciter then acts on the tines of the first tuning fork 10, 40 in question with a force which is directed at right angles to the longitudinal direction of the tines and parallel to the common plane of symmetry 13 running through all four tines. The tines then execute bending vibrations, in which they move along the common plane of symmetry 13. The oscillation movement takes place along short arcs, which run approximately at right angles to the facing flat surfaces of adjacent tines.
The oscillating movement of the excited tuning fork is now transmitted by the gas surrounding it, and in particular by the gas that is located between the prongs 10b and 40b, to the adjacent, second tuning fork, between the prongs of which the electromagnet serving as a vibration detector is arranged . The latter therefore generates an electrical detector signal dependent on the vibration of the prongs of the second tuning fork, i.e. an AC voltage, the frequency of which is identical to the oscillation frequency of the tuning fork tines and whose amplitude is proportional to the speed amplitude of the tuning fork.
FIG. 5 shows the output voltage measured with the oscillation device shown in FIGS. 1 to 3 at constant excitation spanming as a function of the frequency for three different temperatures.
The frequency difference f - this is plotted on the abscissa, where f denotes the frequency of the excitation signal supplied and f ,, denotes the resonance frequency of an individual tuning fork, which in the present case is 1,680 Hz. The ratio U / Umax is plotted on the ordinate with a logarithmic scale (decibel). U is the detector voltage and Um is its maximum value. The housing contained sulfur hexafluoride with an absolute pressure of approximately 1 at and a density of approximately 6.5 mg / cm3.
The course of the curves, i. H. the frequency response of the voltage transmission of the bandpass filter depends on the strength of the coupling and the quality factors of the resonators. Some special features of the coupling using a fluid will now be explained. In the vibrating devices described above, the maximum dimension of the vibrating portions of the mechanical resonators, i.e. H. the length L of the tuning fork prongs is shorter than the wavelength of sound waves, the frequency of which is equal to the basic resonance frequency of the tuning forks and which spread through the gas located in the housing. The wavelength of a sound wave in the gas is about 11 cm for the case shown in FIG. 5 and the length of the tuning fork tines is about 25 mm.
The distance d in FIG. 4 for the second exemplary embodiment of the facing surfaces of the tines 10b, 40b belonging to different tuning forks is approximately 0.4 to 0.8 mm and is therefore also substantially smaller than the wavelength of the fundamental resonance frequency sound wave resulting in the gas. The gas then behaves approximately like an incompressible liquid in the space between the two prongs 10b and 40b, which is decisive for the coupling. The gas located between the tines 10b and 40b then acts similarly to an additional mass which oscillates in phase with the tines 10b, 40b. The gas therefore results in an at least approximately phase-shift-free coupling between the prongs belonging to different tuning forks with surfaces facing one another.
Of course, the vibrating devices can also be designed for other fundamental resonance frequencies than 1680 Hz, namely for frequencies up to about 100 kHz. The main area of application of vibrating devices having tuning forks is likely to be in the frequency range 10 Hz to 20 kHz, in which it is possible to dimension and arrange the tuning forks in such a way that the tine length is less than the wavelength of a wave in the gas having the basic resonance frequency. The distance d can be about 0.3 to 1 mm in this frequency range and can be determined such that it is at most equal to and preferably at most 20% of the wavelength of a sound wave that propagates through the gas and has the basic resonance frequency of the tuning forks.
As already mentioned, the gas between the tines 10b and 40b behaves approximately like an incompressible liquid which resonates with the tines like an inert mass.
It can be shown by a model calculation that the strength of the coupling in good approximation is proportional to the density of the gas and to the third power of the cross-sectional dimension of the tines denoted by h in FIG. Furthermore, the coupling strength is approximately inversely proportional to the distance denoted by d in FIG. The strength of the coupling can thus be suitably determined by specifying the density, the cross-sectional dimension h of the tines measured at right angles to the direction of vibration and the distance d, so that the desired coupling strength is obtained. The distance d measured approximately parallel to the direction of oscillation should expediently be at most about 10% of the maximum dimension of the oscillating resonator sections that determine the resonance frequency, measured approximately at right angles to the direction of oscillation. H. the length L of the tines.
The gas naturally also effects a coupling between the two tines belonging to the same tuning fork. The coupling caused by the gas between the prongs of different tuning forks is expediently stronger than the coupling caused by the gas between the prongs belonging to the same tuning fork. The distance denoted by d in FIG. 4 is therefore preferably at most 20% of the distance denoted by s.
The coupling between the two tuning forks is essentially through the gas. However, there is also a certain mechanical coupling via the brackets of the two tuning forks and the magnetic stray fields of the electromagnets. However, the share of this additional coupling in the total coupling is relatively small. One can experimentally obtain a measure of the proportion of the coupling caused by the gas in the total coupling, by the voltage transmission factor of the bandpass filter, i. H. measures the relationship between the detector voltage U and the excitation voltage UO, on the one hand under normal operating conditions and on the other hand in a vacuum.
In the latter case, the coupling and voltage transmission caused by the gas are eliminated, so that only the voltage transmission caused by the remaining interactions remains.
The difference between the two voltage transmission factors is then equal to the proportion caused by the gas. The vibrating devices should be designed in such a way that the contribution made by the gas to the voltage transmission factor is at least 50% and preferably at least 80% of the total voltage transmission factor. In the device shown in Figures 1 to 3, the two electromagnets 11 are identical. When measuring the curve shown in FIG. 5, the electromagnet serving as a vibration exciter was supplied with an alternating voltage of 2 V in all measurements. Under normal operating conditions, i.e. H.
with gas, there was a maximum detector voltage Umax of approximately 250 mV in the vicinity of the resonance frequency, i.e. H. a total voltage transfer factor of 0.125. The corresponding measurement in vacuum gave Uma a value of around 30 mV and thus a voltage transfer factor of only 0.015. The contribution of the gas to the total voltage transmission factor is therefore 88% in the present case.
As already mentioned, the frequency response of the bandpass filter also depends on the quality factors of the resonators.
These are essentially determined by the self-damping of the resonators, by the damping of the electromagnets and the energy delivered to the gas. The latter now depends, among other things, on how far the two outer tines 10c and 40c are from the next wall facing them.
If it is now necessary to additionally dampen the tuning forks in order to achieve the desired frequency response, this can be achieved by preferably providing rigid walls which are fastened to the carrier and face the outer surfaces of the outer tines 10c or 40c, approximately at right angles to the direction of vibration have running surfaces, the distance between the mutually facing surfaces being at most about 50No of the maximum dimension, measured approximately at right angles to the direction of oscillation, of the oscillating sections of the resonators which are decisive for determining the resonance frequency. In the present case, the latter dimension is equal to the length L of the tuning fork tines.
In the embodiment shown in FIGS. 1 to 3, the two essentially rigid hood walls 4a running parallel to the tuning fork tines, the inner surfaces of which face the outer surfaces of the tines 10c, provide damping. In the exemplary embodiment shown in FIG. 4, the elements 44, the surfaces 44b of which face the outer surfaces of the tines 40c, provide additional damping, the size of which is determined by the distance e between the mutually facing surfaces. The elements 44 can be fastened so that the distance e can be set, for example, between 5% and 20% of the length L of the tuning fork tines.
In the case of a bandpass filter with the coupling described above, which takes place by means of a gas, relatively large differences are permitted between the quality factors of the coupled resonators, without these resulting in an asymmetry in the transmission characteristic of the bandpass filter. This is a significant advantage of gas coupling.
Since the tuning forks are arranged in a tight, rigid housing, the density of the gas surrounding the tuning forks remains almost constant with changes in temperature and air pressure, so that the latter practically do not influence the coupling. 5 shows the measurement results for temperatures of -25 ° C. and +75 ° C. As the three curves show, the frequency response changes very little in this temperature range.
FIG. 6 shows a greatly simplified diagram of a remote control system. This has a control center 51 which contains, among other things, various oscillators 52 for generating alternating voltages with different frequencies in the sound frequency range. Each oscillator can be assigned to a transmission channel and a specific function to be controlled. The control center also contains switching elements so that instructions can be entered and processed in such a way that they can be transmitted by means of the alternating voltages generated by the oscillators 52. If the type of transmission requires it, the AC voltages in the sound frequency range can still be modulated onto a high-frequency carrier. The signals generated by the control center 51 are then fed to a receiving device 61 via conductors or possibly wirelessly.
This contains, among other things, decoupling amplifiers 62 in order to supply the AC voltage serving as information carrier to the bandpass filters 63, only one of which is shown.
The supplied voltage then forms the excitation signal UO of the bandpass filter 63. The output voltage of the bandpass filter 63 forming the detector signal U is then fed via an amplifier 64 to an organ to be controlled. The different band filters 63 contain different tuning forks with different basic resonance frequencies. The fundamental resonance frequency of each of the band filters 63 coincides with the frequency of one of the oscillators 52, so that each of the band filters sieves out one of the frequencies. Each oscillator 52 can contain a tuning fork as a resonator, which is designed in the same way as the two tuning forks in the associated bandpass filter.
Now some possible variants should be mentioned.
For the time being it should be noted that the conversion of an electrical alternating voltage into an oscillatory movement and vice versa instead of using immobile electromagnets also electrodynamically, i.e. H. by means of movable coils, or electrostatically, d. H. by means of piezoelectric crystals, or by magnetostriction.
It would also be possible to couple more than two resonators with one another by means of a fluid. For example, you could arrange three tuning forks next to each other. The vibration exciter would then be arranged in one of the two outermost resonators and the vibration detector in the other of the two outermost resonators. The middle resonator would then have neither a vibration exciter nor a vibration detector.
Furthermore, one could also use other mechanical resonators instead of tuning forks with prongs that perform bending vibrations. For example, one could use two thin plates or membranes with approximately flat surfaces facing each other and a common axis of symmetry that runs perpendicular to the flat surfaces mentioned through their centers. One of the plates or membranes could then be excited in such a way that it oscillates along the common axis of symmetry and the planes of symmetry of the plates or through them.
Membrane executes. Of course, the dimensions of the plates or membranes and their spacings would in turn have to be matched to one another and to the density of the gas and the wavelength of the sound waves in the gas, so that the desired coupling strength and damping result. The information given earlier with regard to the tuning forks for the relationships between the sound wavelength, the tine length, the spacing of the resonators from an element corresponding to the hood 4 or the element 44 can be adopted approximately analogously if the length of the tines is determined by the maximum , dimension of the vibratable plate or membrane measured transversely to the direction of vibration.
In the case of a round plate or membrane, the length L would be equal to the diameter and in the case of an angular plate or membrane the longest diagonal.
Otherwise, one could also use air or even a liquid which preferably has overpressure instead of the gases mentioned for coupling the resonators.
It should also be noted that the oscillating devices could not only be used as a band filter, but also as an oscillator.