BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine Kraftmesszelle mit einer unter Last federnd nachgiebigen Messanordnung und mit einer Anordnung zur kapazitiven Erfassung der lastabhängigen Einfederung der Messanordnung.
Eine derartige Kraftmesszelle ist beispielsweise aus der europäischen Patentanmeldung 0 017 581 bekannt. Die Messanordnung besteht hier aus zwei biegesteifen Elementen, die durch zwei biegeelastische Lenker miteinander verbunden sind, wobei das eine biegesteife Element Ortsfest angeordnet ist und das andere biegesteife Element den Lastträger bildet.
Die beiden biegeelastischen Lenker dienen als Messglieder und bilden zugleich eine Parallelführung für die lastabhängige Relativbewegung der beiden biegesteifen Elemente. Die Träger der Elektroden des kapazitiven Wegmessers sind an den biegesteifen Elementen befestigt, so dass die Elektroden mechanisch nicht belastet werden und unter idealen Verhältnissen in jeder Messphase parallel zueinander liegen.
Obwohl eine derartige Messanordnung ziemlich stabil ist, insbesondere wenn die biegesteifen Elemente zusammen mit den biegeelastischen Lenkern aus einem Stück hergestellt sind, erweist sich in der Praxis diese Stabilität trotzdem als ungenügend bei exzentrischer Krafteinführung, d.h., wenn die Wirkungslinie der zu messenden Kraft ausserhalb des Schwerpunktes des Lastträgers verläuft. Dieser Fall liegt beispielsweise vor bei einer Waage mit einer direkt auf dem Lastträger der Kraftmesszelle sitzenden Lastschale, die in ihren Ecken belastet wird. Durch eine solche Eckbelastung wird auf den Lastträger ein Drehmoment ausgeübt, wodurch die Messanordnung zusätzlich verformt und damit die Messgenauigkeit nachteilig beeinflusst wird. Versuche haben gezeigt, dass bereits geringe Abweichungen von der zentralen Krafteinführung empfindliche Messfehler hervorrufen können.
Unter diesen Umständen lässt sich aber die hohe Messgenauigkeit, welche mit der kapazitiven Wegmessung an sich erreicht werden kann, nicht voll ausnützen.
Es ist bekannt, die nachteilige Wirkung der Eckbelastung dadurch zu kompensieren, dass ausserhalb der Messanordnung eine möglichst allseitig wirkende Parallelführung für den Lastträger aufgebaut wird, welche die von der Eckbelastung herrührenden Drehmomente aufnehmen kann, wie das beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift 29 21 614 für eine Kraftmesszelle mit kapazitiver Wegmessung gezeigt ist.
Es ist jedoch auch bekannt, dass eine solche äussere Parallelführung ihrerseits die Messgenauigkeit einer Kraftmesszelle beeinträchtigen kann, beispielsweise unter dem Einfluss von Temperaturänderungen. Es liegt deshalb im Bestreben der technischen Entwicklung, aus diesem Grund und auch wegen des zusätzlichen Aufwands auf eine äussere Parallelführung dieser Art zu verzichten.
Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, eine Kraftmesszelle anzugeben, die gegen Drehmomente, welche am Lastträger wirken, verhältnismässig unempfindlich ist.
Dieses Ziel lässt sich mit einer Kraftmesszelle nach der Erfindung erreichen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens zwei mechanisch gekoppelte kapazitive Kraftsensoren vorgesehen sind, die je aus zwei durch biegeelastische Lenker miteinander verbundenen biegesteifen Elementen und einem kapazitiven Wegmesser bestehen, wobei jeweils das eine biegesteife Element ortsfest angeordnet und mit der feststehenden Elektrodenanordnung des kapazitiven Weg messers ausgerüstet ist und das andere, bewegliche biegesteife Element über Kopplungsglieder mit einem gemeinsamen Lastträger gekoppelt und mit der beweglichen Elektrodenanordnung des kapazitiven Wegmessers ausgerüstet ist, und dass die Summe der Kapazitäten beider Kraftsensoren als Mass für die zu messende Kraft dient.
Durch die Belastung der Kraftmesszelle werden die Kapazitäten der beiden Kraftsensoren gleichsinnig verändert. Bei zentraler Krafteinführung ist auch das Ausmass der Kapazitätsänderung gleich. Demgegenüber tritt eine zusätzliche Kapazitätsänderung auf, wenn die Wirkungslinie der zu messenden Kraft aus dem Zentrum des Lastträgers verschoben, also zusätzlich ein Drehmoment auf den Lastträger ausgeübt wird. Erfolgt diese Verschiebung der Wirkungslinie innerhalb einer gemeinsamen Wirkungsebene der beiden Kraftsensoren, so ändern sich die Kapazitäten der beiden Kraftsensoren dabei gegensinnig, und die Summe dieser Kapazitäten bleibt über den ganzen Messbereich praktisch konstant.
Auf diese Weise erreicht man also ohne zusätzliche äussere Parallelführung eine wesentliche Eckenlastkompensation.
Für die Aufnahme von Drehmomenten, die dadurch entstehen, dass die Wirkungslinie der zu messenden Kraft ausserhalb der gemeinsamen Wirkungsebene zweier Kraftsensoren verläuft, kann man die Kraftsensoren in Richtung senkrecht zu ihrer Wirkungsebene entsprechend verstärken.
Eine bessere Lösung, welche eine Kompensation solcher Drehmomente ermöglicht, besteht jedoch darin, mehr als zwei, z.B. vier mechanisch gekoppelte Kraftsenoren vorzusehen,die in einer zur Kraftrichtung senkrechten Ebene gleichmässig verteilt angeordnet sind.
Eine vorteilhafte Konstruktion des Erfindungsgegenstandes ist dadurch gekennzeichnet, dass die biegesteifen Elemente, die Lenker. die Kopplungsglieder und die Träger der Elektrodenanordnungen der beiden Kraftsensoren sowie der Lastträger zusammen eine Baueinheit bilden und aus einem Stück bestehen. Für die Herstellung einer solchen Ausführungsform eignen sich bekannte Verfahren der Mikromechanik, insbesondere wenn die genannte Baueinheit aus einem Stück ätzbaren Materials, z.B. aus einem Halbleiterplättchen, gebildet ist, wobei als Halbleitermaterial vorzugsweise monokristallines Silizium wegen seiner guten Federeigenschaften verwendet wird. Der Vorteil einer derartigen Ausführungsform besteht insbesondere darin, dass der Aufwand für die Herstellung zweier mechanisch gekoppelter Kraftsensoren praktisch gleich gross ist wie der für die Herstellung eines einzelnen Kraftsensors.
Für die Anordnung der Kraftsensoren in bezug auf die
Richtung der zu messenden Kraft sind grundsätzlich zwei Ausführungen möglich. Entweder sind die Kraftsensoren in einer parallelen Ebene oder in einer dazu senkrechten Ebene angeordnet. Im ersten Fall dienen die biegeelastischen Lenker jedes Kraftsensors zugleich als Parallelführung für die Relativbewegung der beiden biegesteifen Elemente. Die zweite Lösung ermöglicht eine besonders geringe Bauhöhe der Kraftmesszelle. Die beiden verschiedenen Anordnungen der Kraftsensoren in bezug auf die Richtung der zu messenden Kraft führen bei einer Kraftmesszelle mit mehr als zwei Kraftsensoren auch im Hinblick auf die angestrebte
Konstruktion von Baueinheiten zu unterschiedlichen
Lösungen.
Wenn die Kraftsensoren in einer zur Kraftrichtung parallelen Ebene angeordnet sind, können z.B. zwei gleiche Baueinheiten mit je zwei Kraftsensoren kreuzweise zusammengefügt sein, wobei jede Baueinheit eine Hälfte des gemeinsamen Lastträgers bildet. Im anderen Fall, d.h., wenn die Kraftsensoren in einer zur Kraftrichtung senkrechten
Ebene angeordnet sind, besteht sogar die Möglichkeit, alle
Kraftsensoren zu einer einzigen Baueinheit zusammenzu fassen und aus einem Stück herzustellen.
Für die beschriebene Einheiten-Bauweise der Kraftmesszelle eignen sich insbesonder zwei Ausführungsarten des kapazitiven Wegmessers.
Bei einer ersten Ausführungsart sind als Träger für die Elektrodenanordnungen zwei mit Abstand in parallelen Ebenen angeordnete Platten vorgesehen, die je mit einem der biegesteifen Elemente eines Kraftsensors verbunden sind und von denen wenigstens die dem beweglichen biegesteifen Element zugeordnete Platte sich in dem durch die biegesteifen Elemente und die biegeelastischen Lenker umgrenzten Raum ausdehnt. Dabei kann wenigstens eine der Platten mit dem zugeordneten biegesteifen Element aus einem Stück bestehen. Die Elektrodenanordnungen befinden sich auf den einander zugewandten Seiten der beiden Platten.
Bei einer Kraftmesszelle mit in einer zur Kraftrichtung parallelen Ebene angeordneten Kraftsensoren werden unter der Einwirkung der zu messenden Kraft jeweils die beiden Platten bei gleichbleibendem gegenseitigem Abstand in ihren Ebenen gegeneinander verschoben, wobei die für die Kapazität der Elektrodenanordnungen wirksame Elektrodenfläche verändert wird. Demgegenüber wird bei einer Kraftmesszelle mit in einer zur Kraftrichtung senkrechten Ebene angeordneten Kraftsensoren unter der Einwirkung der zu messenden Kraft jeweils der Platten- bzw. Elektrodenabstand verändert.
Die zweite Ausführungsart des kapazitiven Wegmessers besteht darin, dass als Träger für die Elektrodenanordnungen eine Mehrzahl von in einer Ebene angeordneten, kammartig ineinander greifenden Balken mit gegenseitigem Abstand vorgesehen ist, die wechselweise mit den biegesteifen Elementen eines Kraftsensors verbunden sind, und dass die Elektroden an den einander zugewandten Seiten der Balken angeordnet sind.
Bei dieser Lösung sind die Verhältnisse in bezug auf die in Funktion der zu messenden Kraft veränderliche Grösse (Elektrodenabstand, -fläche) der Kapazität gerade umgekehrt gegenüber der ersten Ausführungsart des Wegmessers, d.h., befinden sich die Kraftsensoren in einer Ebene parallel zur Kraftrichtung, dann variiert der Elektrodenabstand in Funktion der Kraft, und befinden sich die Kraftsensoren in einer Ebene senkrecht zur Kraftrichtung, dann variiert die wirksame Elektrodenfläche in Funktion der Kraft.
In jeder Ausführungsform, bei der die Änderung der wirksamen Elektrodenfläche massgebend ist für die zu messende Kraft, ist es zur Erhöhung des Kapazitätshubes pro Krafteinheit vorteilhaft, eine Elektrodenanordnung zu wählen, bei der in an sich bekannter Weise die Elektroden an jeder Platte bzw. an jedem Balken ein Linienraster bilden, das quer zur Kraftrichtung verläuft.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 eine Kraftmesszelle mit zwei in einer zur Kraftrichtung parallelen Ebene angeordneten Kraftsensoren und parallelen Platten als Träger der Elektrodenanordnungen,
Fig. 2 eine Kraftmesszelle mit zwei in einer zur Kraftrichtung senkrechten Ebene angeordneten Kraftsensoren und parallelen Platten als Träger der Elektrodenanordnungen,
Fig. 3 Detailansicht der mechanischen Kopplung von vier Kraftsensoren für eine Kraftmesszelle in der Bauart nach Fig. 2 und
Fig. 4 eine Kraftmesszelle mit zwei in einer zur Kraftrichtung parallelen Ebene angeordneten Kraftsensoren und kammartig ineinander greifenden Balkenreihen als Träger der Elektrodenanordnungen.
Die Kraftmesszelle nach Fig. 1 besteht aus zwei gleichen Kraftsensoren 1 und 2, die in einer gemeinsamen Wirkungsebene angeordnet und mit einem gemeinsamen Lastträger 3 mechanisch gekoppelt sind.
Jeder Kraftsensor enthält eine unter Last federnd nachgiebige Messeinrichtung, bestehend aus zwei durch biegeelastische Lenker 4 und 5 miteinander verbundenen biegesteifen Elementen 6 und 7. Das eine biegesteife Element 6 ist ortsfest angeordnet, während das andere biegesteife Element 7 über Kopplungsglieder 8 und 9 mit dem Lastträger 3 gekoppelt ist. Alle biegeelastischen Lenker und Kopplungsglieder haben örtlich konzentrierte Biegestellen, sogenannte Biegegelenke, die durch Materialeinschnürungen 10 gebildet sind.
Unter der Einwirkung der zu messenden Kraft F federt die Messeinrichtung ein, wobei die biegeelastischen Lenker 4 und 5 als Parallelführung für die Bewegung des biegesteifen Elements 7 wirken. In diesem Beispiel erstrecken sich die beiden Kraftsensoren 1 und 2 in einer Ebene, welche parallel zur Kraftrichtung verläuft und welche zugleich die Wirkungsebene der Kraftsensoren ist.
Jeder der Kraftsenoren 1 und 2 enthält ferner einen kapazitiven Wegmesser zur Erfassung der lastabhängigen Einfederung der Messeinrichtung. Als Träger für die Elektrodenanordnungen des Wegmessers sind zwei mit Abstand in parallelen Ebenen angeordnete Platten 11 und 12 vorgesehen, von denen die eine Platte 11 ausserhalb der Wirkungsebene der Kraftsensoren ortsfest angeordnet und mit dem ortsfesten biegesteifen Element 6 verbunden ist, während die andere Platte 12 mit dem beweglichen biegesteifen Element 7 verbunden ist und sich in dem durch die biegesteifen Elemente 6, 7 und die biegeelastischen Lenker 4, 5 umgrenzten Raum ausdehnt. Auf den einander zugewandten Seiten der Platten 11 und 12 befinden sich die Elektrodenanordnungen 13 bzw. 14, deren Elektroden je ein Linienraster bilden, wie das durch gestrichelte Linien schematisch angedeutet ist.
Durch die Einfederung der Messeinrichtung unter der Einwirkung der zu messenden Kraft F wird die bewegliche Platte 12 gegenüber der ortsfesten Platte 11 bei gleichbleibendem gegenseitigen Abstand verschoben, wobei die für die Kapazität der Elektrodenanordnungen 13, 14 wirksame Elektrodenfläche verändert wird. Die Summe der Kapazitäten der beiden Kraftsensoren 1 und 2 dient als Mass für die zu messende Kraft F.
Die biegesteifen Elemente 6 und 7, die Lenker 4, 5, die Kopplungsglieder 8, 9 und die bewegliche Platte 12 der beiden Kraftsensoren 1, 2 sowie der Lastträger 3 bilden zusammen eine Baueinheit und bestehen aus einem Stück, vorzugsweise aus einem Stück ätzbaren Materials. Der mechanische Teil dieser Baueinheit kann in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt werden. In einem weiteren Arbeitsgang werden die Elektrodenanordnungen 14 auf die Platten 12 der beiden Kraftsensoren aufgebracht. Die ortsfesten Platten 11 werden separat hergestellt und an den ortsfesten biegesteifen Elementen 6 seitlich befestigt.
Die Kraftmesszelle nach Fig. 2 ist grundsätzlich gleich aufgebaut wie diejenige nach Fig. 1, mit dem Unterschied, dass die beiden Kraftsensoren 21 und 22 in einer zu ihrer Wirkungsebene bzw. zur Richtung der zu messenden Kraft F senkrechten Ebene angeordnet sind. Die ortsfesten und beweglichen biegesteifen Elemente 23 bzw. 24, die biegeelastischen Lenker 25 und 26 mit den Biegegelenken 27, 28, die Kopplungsglieder 32 und die dem beweglichen biegesteifen Element 24 zugeordnete Trägerplatte 29 für die Elektroden beider Kraftsensoren sowie der gemeiname Lastträger 30 sind wiederum aus einem Stück gefertigt. Das Ganze ruht auf einer für beide Kraftsensoren 21, 22 gemeinsamen Trägerplatte 31, welche die Gegenelektroden aufweist.
Die nicht dargestellten Elektroden sind bei diesem Ausführungsbeispiel Flächenbeläge, die sich an den einander zugewandten Seiten der Trägerplatten 29 und 31 befinden. Durch die Einfederung der Kraftsensoren 21, 22 unter der Einwirkung der zu messenden Kraft F wird hier im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 der Abstand zwischen den Trägerplatten 29 und 31 bzw. zwischen den an diesen befindlichen Elektroden verändert, wobei aber wiederum die Summe der Kapazitäten beider Kraftsensoren 21 und 22 als Mass für die zu messende Kraft F dient. Zum Aufbau einer Kraftmesszelle mit zwei zueinander senkrecht stehenden Wirkungsebenen können vier mechanisch gekoppelte Kraftsensoren in der Bauart nach Fig. 2 vorgesehen und in einer zur Kraftrichtung senkrechten Ebene gleichmässig verteilt angeordnet sein.
Für diesen Fall zeigt die Fig. 3 schematisch die mechanische Ankopplung der andeutungsweise gezeigten vier Kraftsensoren 41,42,43 und 44 an den gemeinsamen Lastträger 45. Dazu dient je ein Kopplungsglied 46 mit Biegegelenken 47 und 48, das zwischen dem Lastträger 45 und dem jeweiligen beweglichen biegesteifen Element des betreffenden Kraftsensors wirksam ist. Strichpunktiert eingezeichnet sind die Spuren 49 und 50 der beiden Wirkungsebenen dieser Kraftmesszelle, wobei die Spur 49 dem Kraftsensorenpaar 41, 43 und die Spur 50 dem Kraftsensorenpaar 41, 44 zugeordnet ist. Auf die in Fig. 3 dargestellte Weise können alle vier Kraftsensoren zusammen aus einem Stück hergestellt werden. Davon ausgenommen ist einzig wieder die gemeinsame Trägerplatte mit den Gegenelektroden.
Als Mass für die zu messende Kraft dient im vorliegenden Fall die Summe der Kapazitäten aller vier Kraftsensoren 41 bis 44.
In der gleichen Art können drei oder mehr als vier Kraftsensoren mit den in Fig. 3 dargestellten Mitteln an einen gemeinsamen Lastträger angekoppelt sein. Dadurch wird die Anzahl der Wirkungsebenen der Kraftsensoren bzw. der Kraftsensorenpaare erhöht und damit die Kompensation der durch Eckbelastung der Kraftmesszelle erzeugten Nebenwirkungen verbessert.
Die Kraftmesszelle nach Fig. 4 ist in bezug auf die Messanordnung gleich aufgebaut wie diejenige nach Fig. 1, weshalb die übereinstimmenden Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der Unterschied besteht in der Ausbildung der kapazitiven Wegmesser.
Die hier vorgesehenen Wegmesser weisen als Träger für die Elektrodenanordnungen je eine Mehrzahl von in der Wirkungsebene der Kraftsensoren angeordneten Balken 60 und 61 auf, die mit gegenseitigem Abstand kammartig ineinandergreifen und wechselweise mit den biegesteifen Elementen 6 und 7 verbunden sind. Die nicht dargestellten Elektroden befinden sich an den einander zugewandten Seiten der Balken 60 und 61. Die Balken 60, 61 können, wie in Fig. 4 dargestellt, mit den biegesteifen Elementen 6 bzw. 7 aus einem Stück bestehen oder als separat hergestellte Kämme an diesen Elementen befestigt sein.
Bei Belastung dieser Kraftmesszelle ändern sich die Elektrodenabstände beider Wegmesser nach Massgabe der zu messenden Kraft F. Die Gesamtkapazität eines Wegmessers ist durch die Parallelschaltung einer Vielzahl von Einzelkapazitäten wesentlich höher als beispielsweise bei einem einfachen Wegmesser gemäss der europäischen Patentanmeldung 0017 581.
Zur Bildung einer Kraftmesszelle mit vier mechanisch gekoppelten Kraftsensoren der in Fig. 4 gezeigten Bauart, die in einer zur Kraftrichtung senkrechten Ebene gleichmässig verteilt angeordnet sind, kann der Lastträger 3 der Baueinheit nach Fig. 4 einen Schlitz 62 (strichpunktiert angedeutet) aufweisen, der sich über die halbe Länge des Lastträgers erstreckt und dessen Breite gleich der senkrecht zur Zeichenebene gemessenen Materialstärke der Baueinheit ist. Mit dieser geringfügigen Änderung können zwei gleiche Bauein heiten mit je zwei Kraftsensoren kreuzweise zusammengefügt werden, wobei jede Baueinheit eine Hälfte des gemeinsamen Lastträgers bildet. Damit lässt sich die Herstellung einer Kraftmesszelle mit vier Kraftsensoren in zwei Wirkungsebenen bedeutend vereinfachen.
Selbstverständlich lässt sich der Wegmesser nach Fig. 4 in bezug auf seine mechanische Konstruktion und der vielfach unterteilten Kapazität auch bei einer Kraftmesszelle nach Fig. 2 anwenden. In einer solchen Anwendungsform werden dann unter Krafteinwirkung nicht die Elektrodenabstände (wie in Fig.4), sondern die wirksamen Elektrodenflächen verändert, da sich die kammartigen Elektrodenträger (Balken) senkrecht zur Kammebene gegeneinander bewegen. Bei einem derartigen Wegmesser kann es wiederum zweckmässig sein, wenn die Elektroden an jedem Balken ein Linienraster bilden, das quer zur Kraftrichtung verläuft.
DESCRIPTION
The invention relates to a load cell with a resiliently flexible measuring arrangement under load and with an arrangement for capacitive detection of the load-dependent deflection of the measuring arrangement.
Such a load cell is known for example from European patent application 0 017 581. The measuring arrangement here consists of two rigid elements which are connected to one another by two flexible links, one rigid element being fixed in position and the other rigid element forming the load carrier.
The two flexible links are used as measuring elements and at the same time form a parallel guide for the load-dependent relative movement of the two rigid elements. The carriers of the electrodes of the capacitive displacement sensor are attached to the rigid elements, so that the electrodes are not mechanically loaded and, under ideal conditions, are parallel to each other in each measurement phase.
Although such a measuring arrangement is quite stable, especially if the rigid elements are made in one piece together with the flexible rods, in practice this stability proves to be insufficient with eccentric force introduction, i.e. when the line of action of the force to be measured is outside the center of gravity of the load carrier. This is the case, for example, with a balance with a load pan which is seated directly on the load carrier of the load cell and which is loaded in its corners. Such a corner load exerts a torque on the load carrier, as a result of which the measuring arrangement is additionally deformed and the measuring accuracy is thus adversely affected. Tests have shown that even small deviations from the central force introduction can cause sensitive measurement errors.
Under these circumstances, however, the high measurement accuracy that can be achieved with capacitive displacement measurement cannot be fully exploited.
It is known to compensate for the disadvantageous effect of the corner load by building a parallel guide for the load carrier, which acts as all-round as possible, outside the measuring arrangement, which can accommodate the torques resulting from the corner load, as is the case, for example, in German Offenlegungsschrift 29 21 614 for one Load cell with capacitive displacement measurement is shown.
However, it is also known that such an external parallel guidance in turn can impair the measuring accuracy of a load cell, for example under the influence of temperature changes. For this reason and because of the additional effort, it is therefore the aim of the technical development to forego an external parallel guidance of this type.
The aim of the invention is therefore to provide a load cell that is relatively insensitive to torques that act on the load carrier.
This goal can be achieved with a force measuring cell according to the invention, which is characterized in that at least two mechanically coupled capacitive force sensors are provided, each of which consists of two rigid elements and a capacitive displacement sensor, which are connected to one another by flexible links, and each has a rigid element is arranged in a fixed position and equipped with the fixed electrode arrangement of the capacitive displacement meter and the other, movable, rigid element is coupled via coupling elements to a common load carrier and is equipped with the movable electrode arrangement of the capacitive displacement sensor, and that the sum of the capacitances of both force sensors is a measure of the force to be measured.
By loading the load cell, the capacities of the two force sensors are changed in the same direction. With a central force introduction, the extent of the change in capacity is also the same. In contrast, an additional change in capacity occurs when the line of action of the force to be measured is shifted from the center of the load carrier, that is to say an additional torque is exerted on the load carrier. If this shift of the action line takes place within a common action level of the two force sensors, the capacities of the two force sensors change in opposite directions, and the sum of these capacities remains practically constant over the entire measuring range.
In this way, substantial corner load compensation is achieved without additional external parallel guidance.
For the absorption of torques that result from the fact that the line of action of the force to be measured extends outside the common plane of action of two force sensors, the force sensors can be correspondingly amplified in the direction perpendicular to their plane of action.
However, a better solution which allows compensation of such torques is to use more than two, e.g. to provide four mechanically coupled force sensors, which are evenly distributed in a plane perpendicular to the force direction.
An advantageous construction of the subject of the invention is characterized in that the rigid elements, the handlebars. the coupling members and the carrier of the electrode arrangements of the two force sensors and the load carrier together form a structural unit and consist of one piece. Known methods of micromechanics are suitable for the production of such an embodiment, in particular if the said structural unit consists of a piece of etchable material, e.g. is formed from a semiconductor chip, wherein monocrystalline silicon is preferably used as the semiconductor material because of its good spring properties. The advantage of such an embodiment is, in particular, that the effort for the manufacture of two mechanically coupled force sensors is practically the same as that for the manufacture of a single force sensor.
For the arrangement of the force sensors in relation to the
There are basically two possible directions for the force to be measured. The force sensors are either arranged in a parallel plane or in a plane perpendicular thereto. In the first case, the flexible links of each force sensor also serve as a parallel guide for the relative movement of the two rigid elements. The second solution enables a particularly low overall height of the load cell. The two different arrangements of the force sensors with respect to the direction of the force to be measured also lead to the desired one in a force measuring cell with more than two force sensors
Construction of units to different
Solutions.
If the force sensors are arranged in a plane parallel to the force direction, e.g. two identical units, each with two force sensors, can be joined crosswise, each unit forming one half of the common load carrier. In the other case, i.e. when the force sensors are in a direction perpendicular to the force direction
Level, there is even the possibility of all
Force sensors combined into a single unit and manufactured from one piece.
Two types of capacitive displacement sensor are particularly suitable for the unit design of the load cell described.
In a first embodiment, two plates arranged at a distance in parallel planes are provided as supports for the electrode arrangements, which are each connected to one of the rigid elements of a force sensor and of which at least the plate assigned to the movable rigid element is located in the by the rigid elements and expands the flex-elastic handlebar bounded space. At least one of the plates with the associated rigid element can consist of one piece. The electrode arrangements are located on the mutually facing sides of the two plates.
In a force measuring cell with force sensors arranged in a plane parallel to the direction of force, under the action of the force to be measured, the two plates are each shifted in their planes at a constant mutual distance, the electrode area effective for the capacity of the electrode arrangements being changed. In contrast, in a force measuring cell with force sensors arranged in a plane perpendicular to the direction of force, the plate or electrode spacing is changed under the influence of the force to be measured.
The second embodiment of the capacitive displacement measuring device is that a plurality of bars arranged in one plane and interdigitated in a comb-like manner, which are alternately connected to the rigid elements of a force sensor, are provided as supports for the electrode arrangements, and that the electrodes on the mutually facing sides of the bars are arranged.
With this solution, the relationships with regard to the variable size (electrode spacing, area) of the capacitance, which is variable as a function of the force to be measured, are exactly the opposite of the first embodiment of the displacement encoder, i.e. if the force sensors are located in one plane parallel to the force direction, then they vary the electrode distance as a function of the force, and if the force sensors are in a plane perpendicular to the direction of force, the effective electrode area varies as a function of the force.
In each embodiment, in which the change in the effective electrode area is decisive for the force to be measured, to increase the capacity stroke per force unit it is advantageous to choose an electrode arrangement in which, in a manner known per se, the electrodes on each plate or on each The bars form a line grid that runs across the direction of the force.
Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing, namely:
1 shows a force measuring cell with two force sensors arranged in a plane parallel to the force direction and parallel plates as carriers of the electrode arrangements,
2 shows a force measuring cell with two force sensors arranged in a plane perpendicular to the direction of force and parallel plates as carriers of the electrode arrangements,
Fig. 3 Detailed view of the mechanical coupling of four force sensors for a load cell in the type of Fig. 2 and
4 shows a force measuring cell with two force sensors arranged in a plane parallel to the direction of force and rows of bars that intermesh like a comb as carriers of the electrode arrangements.
1 consists of two identical force sensors 1 and 2, which are arranged in a common plane of action and are mechanically coupled to a common load carrier 3.
Each force sensor contains a measuring device that is resilient under load, consisting of two rigid elements 6 and 7 connected to one another by flexible links 4 and 5. One rigid element 6 is arranged in a fixed manner, while the other rigid element 7 is connected to the load carrier via coupling elements 8 and 9 3 is coupled. All flexible links and coupling members have locally concentrated bending points, so-called bending joints, which are formed by material constrictions 10.
The measuring device deflects under the action of the force F to be measured, the flexible rods 4 and 5 acting as a parallel guide for the movement of the rigid element 7. In this example, the two force sensors 1 and 2 extend in a plane which runs parallel to the direction of force and which is also the plane of action of the force sensors.
Each of the force sensors 1 and 2 also contains a capacitive displacement sensor for detecting the load-dependent deflection of the measuring device. Two plates 11 and 12, spaced in parallel planes, are provided as supports for the electrode arrangements of the travel meter, one plate 11 of which is arranged outside the plane of action of the force sensors and connected to the rigid element 6, while the other plate 12 is connected to is connected to the flexible, rigid element 7 and expands in the space delimited by the rigid elements 6, 7 and the flexible rods 4, 5. On the mutually facing sides of the plates 11 and 12 are the electrode arrangements 13 and 14, the electrodes of which each form a line grid, as is indicated schematically by broken lines.
Due to the deflection of the measuring device under the action of the force F to be measured, the movable plate 12 is displaced with respect to the stationary plate 11 at a constant mutual distance, the electrode area effective for the capacity of the electrode arrangements 13, 14 being changed. The sum of the capacitances of the two force sensors 1 and 2 serves as a measure of the force F to be measured.
The rigid elements 6 and 7, the links 4, 5, the coupling members 8, 9 and the movable plate 12 of the two force sensors 1, 2 and the load carrier 3 together form a structural unit and consist of one piece, preferably one piece of etchable material. The mechanical part of this assembly can be manufactured in a single operation. In a further operation, the electrode arrangements 14 are applied to the plates 12 of the two force sensors. The stationary plates 11 are manufactured separately and laterally attached to the stationary rigid elements 6.
2 is basically the same as that of FIG. 1, with the difference that the two force sensors 21 and 22 are arranged in a plane perpendicular to their plane of action or to the direction of the force F to be measured. The stationary and movable rigid elements 23 and 24, the flexible links 25 and 26 with the flexible joints 27, 28, the coupling members 32 and the support plate 29 assigned to the movable rigid element 24 for the electrodes of both force sensors and the common load carrier 30 are in turn off made in one piece. The whole rests on a support plate 31 which is common to both force sensors 21, 22 and which has the counter electrodes.
In this exemplary embodiment, the electrodes (not shown) are surface coverings which are located on the mutually facing sides of the carrier plates 29 and 31. By deflecting the force sensors 21, 22 under the action of the force F to be measured, in contrast to the exemplary embodiment according to FIG. 1, the distance between the carrier plates 29 and 31 or between the electrodes located on them is changed, but again the sum of the Capacities of both force sensors 21 and 22 serve as a measure of the force F to be measured. For the construction of a force measuring cell with two mutually perpendicular action planes, four mechanically coupled force sensors of the type shown in FIG. 2 can be provided and arranged uniformly distributed in a plane perpendicular to the direction of force.
In this case, FIG. 3 shows schematically the mechanical coupling of the four force sensors 41, 42, 43 and 44, indicated as indicated, to the common load carrier 45. For this purpose, a coupling member 46 with bending joints 47 and 48 is used, which is between the load carrier 45 and the respective one movable rigid element of the force sensor in question is effective. Dashed lines are drawn in tracks 49 and 50 of the two action planes of this force measuring cell, track 49 being assigned to pair of force sensors 41, 43 and track 50 being assigned to pair of force sensors 41, 44. In the manner shown in Fig. 3, all four force sensors can be made together from one piece. The only exception is the common carrier plate with the counter electrodes.
In the present case, the sum of the capacitances of all four force sensors 41 to 44 serves as a measure of the force to be measured.
In the same way, three or more than four force sensors can be coupled to a common load carrier with the means shown in FIG. 3. This increases the number of action levels of the force sensors or pairs of force sensors and thus improves the compensation of the side effects generated by corner loading of the force measuring cell.
4 is constructed in the same way as that of FIG. 1 with respect to the measuring arrangement, which is why the corresponding parts are provided with the same reference numerals. The difference is in the design of the capacitive odometer.
The displacement sensors provided here each have a plurality of beams 60 and 61 arranged in the plane of action of the force sensors as carriers for the electrode arrangements, which engage in a comb-like manner at a mutual distance and are alternately connected to the rigid elements 6 and 7. The electrodes (not shown) are located on the mutually facing sides of the bars 60 and 61. The bars 60, 61 can, as shown in FIG. 4, consist of one piece with the rigid elements 6 and 7 or as combs produced separately on them Elements attached.
When this force measuring cell is loaded, the electrode spacings of the two odometers change according to the force F to be measured. The total capacity of a odometer is considerably higher due to the parallel connection of a large number of individual capacities than, for example, with a simple odometer according to European patent application 0017 581.
To form a force measuring cell with four mechanically coupled force sensors of the type shown in FIG. 4, which are evenly distributed in a plane perpendicular to the direction of force, the load carrier 3 of the unit according to FIG. 4 can have a slot 62 (indicated by dash-dotted lines), which is extends over half the length of the load carrier and its width is equal to the material thickness of the structural unit measured perpendicular to the plane of the drawing. With this slight change, two identical units can be joined together with two force sensors, each unit forming one half of the common load carrier. This makes it much easier to manufacture a load cell with four force sensors in two action levels.
4 can of course also be used with a load cell according to FIG. 2 with regard to its mechanical construction and the often divided capacity. In such an application form, the effective electrode surfaces are not changed under the influence of force (as in Fig. 4), but the comb-like electrode carriers (bars) move against each other perpendicular to the comb plane. In the case of such a distance measuring device, it can again be expedient if the electrodes form a line grid on each bar, which runs transversely to the direction of force.