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Beschreib^ang
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Die Erfindung bezieht sich auf Elektromotoren und insbesondere auf
Schwingmotoren, die zur Verrfendung in Tonaufaufnehme- und -wiedergabegeräten z.B.
in elektrischen Abspieleinrichtungen bestimmt sind.
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Bekannt ist ein Schwingmotor mit einem Konzentrator für die Längsschwingungen,
der aus zwei hintereinander angeordneten Stufen besteht. Die erste Stufe steht mit
einem Piezoelement in Kontakt, während die zweite Stufe, die Antriebsstufe, aus
am Kreisumfang angeordneten geneigten Stäben besteht, die mit ihren Stirnflächen
mit dem Rotor verbunden sind.
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Eine derartige Konstruktion hat ein geringes Rotordrehmoment, da die
Kontaktfläche des Konzentrators mit dem Rotor relativ klein ist. Eine Vergrößerung
der Zahl dieser#Stäbe verursacht zusätzliche Energieverluste durch wilde Biegeschwingungen
der Stäbe.
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Zur Vergrößerung der Kontaktfläche kann man im Schwingmotor den bekannten
Konzentrator für Drehschwingungen verwenden, der aus zwei zylindrischen Stufen besteht,
die koaxial hintereinander angeordnet sind. Die erste Stufe hat einen grösseren
Querschnitt, steht mit dem Piezoelement in Kontakt und ist mit einem Element zum
Verwandeln der ihr durch das Piezoelement mitgeteilten Längsschwingungen in Drehschwingungen
versehen. Die Rolle des Elements zum Verwandeln der Schwingungen erfüllen die geneigten
Schlitze in der ersten
Stufe in der Fortpflanzungsrichtung der Drehschwingungen.
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Die zweite Stufe, die Antriebsstufe, steht mit dem Rotor auf der gesamten
Stirnfläche in Kontakt.
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Die Länge 1 des Konzentrators wird nach der Formel
wobei S1 die Wellenlänge der Längsschwingungen im Stab und die Wellenlänge der Drehschwingungen
im Stab bezeichnen, bzw. nach der Formel
ermittelt, wobei X 3 die Wellenlänge der Radialschwingungen und \'2 die Wellenlänge
der Drehschwingungen in der Radialzone je nach der Ausführungsform des Konzentrators
sind (I.G. Sirotjuk Verwandlung akustischer Längsschwingungen in Scher- bzw. Drehschwingungen",
Akustische Zeitschrift, 1959, Band 5, Lieferung 2, S. 254). Der Konzentrator des
Schwingmotors wird durch Längsschwingungen erregt, doch er geben sich aufgrund seiner
gewählten Abmessungen nach der Formel (I) bzw. (II) sowie wegen der geneigten Schlitze
Drehschwingungen. Infolgedessen schwingt die Oberfläche der Antriebs stufe durch
die Längs- und Drehschwingungen bzw.
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Radial- und Drehschwingungen, deren Energie den mit dem Konzentrator
in Kontakt stehenden Rotor antreibt.
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Das Drehmoment an der Welle eines Schwingmotors mit einem derartigen
Konzentrator ist größer als das Moment eines Schwingmotors, dessen Antriebsstufe
des Konzentrators in
Form geneigter Stäbe ausgeführt ist und zwar
infolge der Vergrößerung der Kontaktfläche der Antriebsstufe des Konzentrators mit
dem Rotor. Doch ist die Leistung eines derartigen Schwingmotors nicht ausreichend
hoch, da der Wert des Konzentrationsfaktors des Schallausschlags bzw. der Schwingungsbewegung
gering ist, was eine geringe Amplitude der Drehschwingungen am Ausgang des Konzentrators
verursacht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwingmotor mit einem
Konzentrator für Drehschwingungen zu entwickeln, dessen Konstruktion einen hohen
Konzentrationsfaktor des Schallausschlags aufweist, um eine Leistungssteigerung
des Schwingmotors zu erreichen.
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Die Erfindung besteht darin, daß im Schwingmotor, mit einem Konzentrator
für Drehschwingungen, der zumindest aus zwei zylindrischen Stufen besteht, die koaxial
hintereinander angeordnet sind, wobei die erste Stufe einen größeren Querschnitt
hat und die Schwingungen von einem Piezoelement aufnimmt, während die zweite Stufe,
die Antriebsstufe, mit einem Rotor in Kontakt steht und mit einem Element zum Verwandeln
der Schwingungen eines Piezoelements in Drehschwingungen, erfindungsgemäß das Element
zum Verwandeln der Schwingungen aus Stäben besteht, die auf der Seitenfläche der
ersten Stufe in einer Ebene angeordnet sind, die senkrecht zur Achse des Konzentrators
verläuft, wobei jeder Stab unter einem spitzen Winkel zur Tangente im Befestigungspunkt
des Stabes an die Schnittlinie der Seitenflädhe in dieser Ebene geneigt ist und
einen Resonator für die sich in den Stäben fortpflanzenden Längsschwingungen bildet.
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Um den Konzentrationsfaktor der Schwingungen zu erhöhen, kann der
Schwingmotor mit einem ringförmigen Flansch versehen
werden, der
auf der Seitenfläche der ersten Stufe konzentrisch zu ihr angeordnet wird, und welcher
einen Resonator für die Drehschwingungen darstellt.
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Es ist zweckmäßig, den ringförmigen Flansch zwischen der Seitenfläche
der ersten Stufe und den Stäben anzuordnen.
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Der ringförmige Flansch kann eine veränderliche Dicke haben, die sich
von seinem Umfang zur Mitte verringert.
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Man kann die Anordnungsfläche der Stäbe in einem Abstand von der Knotenzone
der Drehschwingungen des Konzentrators wählen, der 1/3 der Länge der ersten Stufe
nicht übersteigt.
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Falls die Stäbe auf der Seitenfläche des ringförmigen Flansches angeordnet
werden, ist es zweckmäßig, den Neigungswinkel der Stäbe so zu wählen, daß der zweite
Schenkel jedes spitzen Winkels von der Tangente an die Schnittlinie der Seitenfläche
der zweiten Stufe in der Anordnungsfläche der Stäbe gebildet wird, die den Befestigungspunkt
des entsprechenden Stabes auf der Oberfläche des Flansches schneidet.
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Ist das Piezoelement an die erste Stufe durch eine Gewindeverbindung
angedrückt, so kann die Windungsrichtung mit der Richtung der Stäbe übereinstimmend
gewählt werden.
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Um die Abmessungen des Schwingmotors mgöichst zu verringern, ist es
zweckmäßig, die Stufen des Konzentrators und das Piezoelement in Form von konzentrisch
angeordneten Ringen auszuführen, wobei eine Seitenfläche der ringförmigen Konstruktion
mit dem Rotor in Kontakt steht, während auf der anderen Seitenfläche die Stäbe angeordnet
sind.
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Der nach der Erfindung ausgeführte Schwingmotor zeichnet sich durch
eine höhere Leistung aus. Der Konzentrations faktor des Schallausschlags bzw. der
Schwingsverschiebung ist in ihm im Vergleich zu den bekannten Schwingmotoren um
etwa das 2,5fach erhöht. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, einen derartigen Schwingmotor
in hochwertigen elektrischen Abspielgeräten zu verwenden, die ein hohes AnLauf moment
haben. Die Ausführungsverianten des erfindungsgemäßen Schwingmotors, die mit Radial-
und Drehschwingungen arbeiten, weisen eine hinreichend hohe Leistung auf, haben
fflringe Höhenmaße und sind einfach in der Herstellung.
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein Konstruktionsschema eines erfindungsgemäßen Schwingmotors
mit den Stäben auf der ersten Stufe im Längsschnitt; Fig. 2 einen Schnitt längs
der Linie IE-II von Fig. 1; Fig. 3 in einem Diagramm die Amplitudenverteilung g
m der Drehschwingungen, die sich über der Länge des Konzentrators fortpflanzen;
Fig. 4 eine zweite Ausführungsform des Schwingmotors mit einem ringförmigen Flansch
im Längsschnitt, Fig. 5 eine dritte Ausführungsform des Schwingmotors mit Stäben
am Umfang des ringförmigen Flansches im Längsschnitt; Fig. 6 eine vierte Ausführungsform
des Schwingmotors mit durch ein Gewinde angedrücktes Piezoelement im Längsschnitt;
Fig.
7 einen Schnitt längs der Linie Vil-Vil von Fig. 6 Fig. 8 einen Schnitt längs der
Linie Vill-Vill von Fig. 6; Fig. 9 eine fünfte Ausführungsform des Schwingmotors
angeordnet in der Mitte der ringförmigen Konstruktion; Fig. 1o eine Draufsicht auf
den Schwingmotor von Fig. 9; Fig. 11 im Schnitt eine sechste Ausführungsform des
Schwingmotors mit einem Rotor, der am Umfang der ringförmigen Konstruktion angeordnet
ist; Fig. 12 einen Schnitt längs der Linie XII-XII von Fig. 11; Fig. 13 im Schnitt
eine siebte Ausführungsform des Schwingmotors mit einem Antrieb durch ein Magnetband
und Fig. 14 einen Schnitt längs der Linie XIV-XI'J von Fig. 13.
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Der in Fig. 1, 2 gezeigte Schwingmotor hat einen Konzentrator 1 für
Längs- und Drehschwingungen, der aus zwei Stufen 2 und 3 besteht, die hintereinander
angeordnet sind.
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Die Stufe 2 ist zylinderförmig ausgeführt und hat einen größeren Querschnitt.
Die Antriebsstufe 3 ist als Hohlzylinder ausgeführt und hat einen kleineren Querschnitt.
An die Stufe 2 ist das Piezoelement 4 angedrückt bzw. angeklebt, während die Stufe
3 mit ihrer Stirnfläche mit dem Rotor 5 des Schwingmotors in Kontakt steht, welcher
an diese Fläche mit einer Kraft P angedrückt ist. Der Konzentrator 1 ist für eine
halbe Wellenlänge ausgeführt. Die Länge 1 der 2 Stufe 2 ist gleich einer Viertelwellenlänge
der Drehschwingungen im Stab. Die Länge der Stufe 3 ist ebenfalls
gleich
einer Viertelwellenlänge der Drehschwingungen im Stab, d.h. 1 = X2 An der Seitenfläche
der Stufe 2 sind Stäbe 6 in einer zur Achse des Konzentrators 1 senkrechten Ebene
befestigt und unter einem spitzen Winkel a zur Tangente im Befestigungspunkt "K"
des Stabes 6 an die Kreuzungslinie der Seitenfläche der Stufe 2 mit der Anordnungsfläche
der Stäbe 6 geneigt. Die Stäbe 6 stellen die Resonatoren der in diesen Stäben 6
auftretenden Längsschwingungen dar. Ihre Länge "a" ist gleich einer Viertelwellenlänge
der Längsschwingungen, d.h. a = . Die Anordnungsfläche der Stäbe 6 liegt in einem
Abstand b von der Knotenzone der Drehschwingungen des Konzentrators 1, die sich
in der Nähe der Kontaktlinie der Stufe 2 mit der Stufe 3 befindet (Fig.3).
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Der Abstand b übersteigt ein Drittel der Länge der Stufe 2 d.h. b#
# 1 nicht.
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Die in Fig. 4 dargestellte Ausfuhrurigsform des Schwingmotors hat
im Unterschied zu dem Schwingmotor nach Fig. 1 einen ringförmigen Flansch 7, der
konzentrisch auf der Stufe 2 in einem geringen Abstand von der Anordnungsfläche
der Stäbe 6 befestigt ist. Der Flansch 7 bildet den Resonator der Drehschwingungen,
wobei seine Breite c eine Viertel.fellenlänge der Drehschwingungen in der Radialzone
beträgt, d.h.
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c = x2 7 In der Ausführungsform des Schwingmotors nach Fig. 5 ist
der ringförmige Flansch 7' zwischen der Seitenfläthe der Stufe 2 und den Stäben
6 so angeordnet, daß diese auf seiner äußeren Seitenfläche angeordnet sind. Außerdem
hat der ringförmige Flansch 7' eine veränderliche Dicke, die sich vom Ringumfang
zur Mitte verringert.
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In Fig. 6 und 7 ist ein Schwingmotor dargestellt, in dem die Piezoelemente
4 an die Stufe 2 durch eine Gewindeverbindung mit Hilfe einer Schraube 8 angdrückt
sind. Die durch den Pfeil A angegebene Gewinderichtung stimmt mit der Richtung der
Stäbe 6 überein. Eine frequenzmindernde Auflage 9 ist aus dem gleichen Material
wie die Stufen 2, 3 des Konzentrators 1 hergestellt.
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In Fig. 8 ist der bevorzugte Neigungswinkel a t der Stäbe 6 gezeigt.
Die Schenkel des Winkels af sind die Tangente im Punkt K' an die Kreuzungslinie
der Seitenfläche des Flan sches 7' mit der Anordnungsfläche der Stäbe 6 sowie die
Tangente an die Kreuzungslinie der Seitenfläche der Stufe 3 mit der Anordnungsfläche
der Stäbe 6, die den Punkt Kf schneidet.
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Die in Fig. 9, 10, 11, 12, 13 und 14 dargestellten Ausführungsformen
des Schwingmotors haben einen Konzentrator 10 für Radial- und Drehschwingungen.
Ebenso wie bei den vorhergehenden Varianten ist der Konzentrator 10 mit halber Wellenlänge
ausgeführt, d.h. seine Länge l = 2 (Breite der ringförmigen Konstruktion des Konzentrato#s.
Die Stufen 11 und 12 des Konzentrators 10 sind als konzentrische Ringe ausgeführt.
In die Stufe 11 ist das Piezoelemtent 13 eingebaut, das ebenfalls ringförmig gestaltet
ist.
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In der in Fig. 9 und 10 dargestellten Variante des Schwingmotors steht
die innere Seitenfläche des Konzentrators 10 mit dem Rotor 14 in Kontakt, der, um
den Kontakt zu verbessern, als Kegelstumpf ausgeführt ist. Auf der Außenseitenfläche
des Konzentrators 10 sind die Stäbe 6, d.h. die Resonatoren der Längsschwiilgungen,
befestigt, Der Schwingmotor ist am Gehäuse 15 mit Hilfe der Stützen 16 befestigt,
die in der als punktierte Linie gezeigten Knotenzone der Drehschwingungen in der
Radialmitte angeordnet sind.
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In der in Fig. 11 und 12 dargestellten Variante des Schwing motors
steht der Rotor 17 mit der Außenseitenfläche des ringförmigen Konzentrators 10 in
Kontakts wobei die Kontaktflächen abgeschrägt ausgeführt sind Die Dicke der An triebsstufe
12' ist geringer als die Dicke der Stufe 11.
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Die Stäbe 6 sind in dieser Konstruktionsvariante des Schwingmotors
auf der Innenseitenfläche des Konzentrators 10 ange ordnet.
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Die in Fig. 13 und 14 dargestellte Variante des Schwingmo tors ist
zur Verwendung als Antrieb durch ein Magnetband 18 bestimmt, das gegebenenfalls
die Rolle des Rotors erfüllt und mit der Außenseitenfläche des Konzentrators in
Kontakt steht. Die Außenseitenfläche des Konzentrators 10 ist zum Fixieren des Magnetbands
18 mit Führungsschultern 19 versehen. Die Stäbe 6 sind ebenso wie bei der vorigen
Variante an der Innenseitenfläche des Konzentrators 10 befestigt.
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Der erfindungsgemäße Schwingmotor arbeitet folgendermaßen: Sobald
das Piezoelement 4 (Fig. 1, 2, 3) von einer nicht gezeigten Quelle für elektrische
Hochfrequenzschwingungen erregt wird, entstehen in ihm mechanische Uberschallschwingungen.
Durch die Fortpflanzung dieser Schwingungen im Konzentrator 1 erregen sie in ihm
Schallausschläge bzw.
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Schwingungen verschiedener Art, darunter auch Drehschwingungen. Die
Drehschwingungen der Stufe 2 erregen in den geneigten Stäben 6 Längsschwingungen.
Da die Stäbe 6 als Resonatoren auf der erregten Frequenz a = 4 ausgeführt sind,
entstehen in der Stoßzone dieser Stäbe 6 mit der Stufe 2 große veränderliche Schwingkräfte,
die unter einem Winkel a zur Seitenfläche der Stufe 2 gerichtet sind. Die Tangentialkomponenten
dieser Kräfte begünstigen die Verstärkung
der Drehschwingungen
in der Stufe 2. Eine zusätzliche Verstärkung der Drehschwingungen erfolgt während
ihrer Fortpflanzung zur Stirnfläche der Stufe 3 aufgrund der Ausführung des Konzentrators
1 in halb Wellenlänge und der Verringerung des Querschnitts des Konzentrators 1
beim übergang von der Stufe 2 zur Stufe 3.
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Entsprechend dem Poisson-Effekt entstehen gleichzeitig mit den Resonanz-Drehschwingungen
im Konzentrator 1 Nichtresonanz-Längsschwingungen. Durch die Energie der Längs-
und Drehschwingungen der Antriebs stufe 3 wtd der Rotor 5 angetrieben. Das Reversieren
des Rotors 5 wird durch Verstimmung der Quelle der elektrischen Schwingungen in
beliebiger Richtung von der Resonanz der Drehschwingungen weg erreicht.
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Der in Fig. 4 dargestellte Schwingmotor arbeitet analog dem in Fig.
1 angegebenen, nur mit dem Unterschied, daß der Einsatz eines ringförmigen Flansches
7 eine zusätzliche Stärkung der Amplitude der Drehschwingungen wegen der Resonanzeigenschaften
des Flansches 7 c 4 gewährleistet. Der Flansch 7 ist relativ massiv ausgeführt und
dient außerdem als Sammler für Schwingungsenergi e, wodurch eine Stabilisierung
der Amplituden der Drehschwingungen auf der Stirnfläche der Stufe 3 beim Auftreten
von Störungen, die bei einer Belastung entstehen, erleichtert wird.
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Die in Fig. 5 gezeigte Konstruktion des Schwingmotors zeichnet sich
durch einen noch höheren Konzentrationsfaktor der Schwingungen aus. Die zusätzliche
Stärkung der Amplituden der Drehschwingungen wird hierbei dadurch gewährleistet,
daß erstens die Stäbe 6 in einem größeren Abstand von der Achse des Konzentrators
1 angeordnet werden, wodurch die am Fußteil der Stäbe 6 wirkenden Schwingkräfte
sich auf einer
größeren Oberfläche formieren, und daß zweitens
die Dicke des Flansches 7' in der Richtung zur Seitenfläsche der Stufe 2 abnimmt,
wodurch eine zusätzliche Amplitudenkonzentration der Drehschwingungen auf der Seitenfläche
der Stufe des Konzentrators hervorgerufen wird. Die Anordnung der Stäbe 6 sowie
des Flansches 7 bzw. 7t in einem Abstand von der Knotenzone der Drehschwingungen,
der ein Drittel Länge der Stufe 2 nicht übersteigt, gewährleistet die Erregung von
Drehschwingungen mit geringerem Energieaufwand der elektrischen Schwingungene Das
Andrücken der Piezoelemente 4 (Fig. 6, 7) mit Hilfe einer Gewindeverbindung bietet
die Möglichkeit, die Amplitude der Drehschwingungen des Konzentrators 1 einigermaßen
zu erhöhen, wenn die Gewinderichtung mit der Richtung der Stäbe 6 übereinstimmt.
Das erklärt sich dadurch, daß das Gewinde, ebenso wie die Stäbe 6, das Entstehen
und Orientieren der Drehschwingungen im Xonzentrator ebenfalls begünstigt.
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Vom Neigungswinkel a der Stäbe 6 hängt auch die Amplitude der Drehschwingungen
und folglich auch die Umlaufgeschwin digkeit des Rotors 5 ab, Bei a = a' erreicht
die Umlaufge schwindigkeit v des Rotors 5 ihren Optimalwert vf , Je mehr sich der
Winkel a von c t unterscheidet, desto wesentlicher unterscheidet sich die Geschwindigkeit
v des Rotors vom Optimalwert vt , wie dies in der folgenden Tabelle gezeigt ist.
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100 % 5 10 20 50 a v' . 100 5b 2 4 12 40 v
Die in
Fig. 9 bis 14 dargestellten Schwingmotoren arbeiten folgendermaßen: Sobald das Piezoelement
13 durch den elektrischen Hochfrequenzgenerator erregt wird, entstehen in ihm überschallschwingungen
verschiedener Art, darunter Radial- und Drehschwingungen. Diese Schwingungen erregen
in den geneigten Stäben 6 Längsschwingungen. Da die geneigten Stäbe 6 als viertelwellenlängige
Resonatoren der Längsschwingungen ausgeführt sind, die sich in ihrer Längsrichtung
fortpflanzen, entstehen an der Stoßstelle der Stäbe 6 mit der ringförmigen Konstruktion
des Konzentrators 10 intensive Schwingkräfte, deren Tangentialkomponenten Generatoren
bzw. Quellen der Drehschwingungen im Konzentrator 10 darstellen. Da die Breite der
ringförmigen Stufe 11 ebenfalls als Resonator mit halb Wellenlänge auf der vorgegebenen
Frequenz ausge führt ist, ist die Stufe 11 in Resonanz. Auf dem Antriebsteil des
Konzentrators 10 (Stufe 12, 12t) werden Drehschwingungen mit großer Amplitude gebildet.
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Der Vorzug der angeführten Varianten des erfindungsgemäßen Schwingmotors
im Vergleich zu den obenerwähnten Konstruktionen besteht in der Einfachheit ihrer
Herstellung, da sämtliche Metallteile gestanzt werden können, sowie in der Verringerung
ihrer Höhenmaße um das 1,5 bis 3fache.
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