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Die
Erfindung betrifft eine Waage mit mindestens einer von einem Motor
angetriebenen Verstelleinrichtung.
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Insbesondere
in Präzisions-
oder Analysewaagen werden für
unterschiedliche Verstellfunktionen Elektromotoren, die meist als
Gleichstrommotoren ausgebildet sind, eingesetzt.
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Entweder
werden dabei für
die unterschiedlichen Verstellfunktionen unterschiedlich dimensionierte
Motoren eingesetzt oder wenn aus Fertigungs- bzw. Kostengründen gleiche
Motoren verwendet werden sollen, sind diese nicht optimal für unterschiedliche
Verwendungszwecke ausgelegt.
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Bei
einer bekannten automatischen Gewichtsschaltung einer Waage liegt
ein Justiergewicht auf einer Gewichtsauflage auf, die durch Kippen
um eine Kippachse absenkbar oder anhebbar ist. Parallel zur Kippachse
ist dabei eine Drehachse mit einer exzentrisch gelagerten Kurvenscheibe
angeordnet. Ein Anschlag der rechtwinklig ausgebildeten Gewichtsauflage
wird dabei durch eine Feder gegen die Kurvenscheibe gedrückt. Die
Drehachse wird über ein
Getriebe von einem Gleichstrommotor angetrieben. Zur Lagefeststellung
der exzentrisch gelagerten Kurvenscheibe bzw. der Gewichtsauflage
sind zwei Scheiben mit Steuernocken an der Drehachse angeordnet,
die in den vorgesehen Endstellungen einen ihnen zugeordneten Schalter
betätigen.
Obwohl sich diese Gewichtsschaltung grundsätzlich bewährt hat, ist sie durch die
Steuernocken mit Schaltern noch relativ kostenintensiv und durch
den verwendeten Elektromotor mit Getriebe noch relativ voluminös.
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Eine
motorisch angetriebene Gewichtsschaltung sowie eine Arretierung
ist beispielsweise auch aus der
DE 42 35 250 C1 bekannt. Eine Waage mit einem
motorgetriebenen beweglichen Anschlag ist beispielsweise aus der
DE 198 28 515 A1 bekannt. Diese
Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation
weist einen vertikal beweglichen Lastaufnehmer, einen Lagesensor,
einen Regelverstärker
und eine Spule in einem Magnetfeld eines Permanentmagneten, sowie
mindestens einen Anschlag, der die Bewegung des Lastaufnehmers nach
unten begrenzt, mindestens einen Anschlag, der die Bewegung des
Lastaufnehmers nach oben begrenzt, und eine elektronische Auswerteeinheit auf.
Mindestens einer der Anschläge
ist beweglich. Der bewegliche Anschlag wird mit Hilfe des Lagensensors
so angesteuert, dass der Lastaufnehmer möglichst in derselben Lage gehalten
wird wie im normalen Wägebetrieb.
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Weiterhin
ist aus der
DE 28 41
996 C2 eine Gewichtsschaltung für eine Balkenwaage, insbesondere
für eine
Analysenwaage, mit mehreren Nockenwellen zum Anheben/Absenken der
Gewichte und mit einem über
Sensoren gesteuerten elektromotorischen Antrieb der Nockenwellen
bekannt.
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Weiter
ist aus der
DE 90 06
644 U1 eine Waage mit motorisch bewegtem Windschutz bekannt.
Dabei wird ein Wandelement eines die Waagschale umschließenden Wägeraumes
von einem Elektromotor bewegt. Dabei wird das Ausgangssignal eines
Sensors der Steuerelektronik des Motors zugeführt, wobei Speicher vorhanden
sind, in denen eine gewünschte
Endstellung für
das bewegliche Wandelement abgespeichert ist.
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Den
bekannten Waagen gemeinsam ist, dass die verwendeten Elektromotoren
relativ großvolumig
sind, relativ aufwändige
Getriebe benötigen und
nur über
zusätzliche
Sensoren positionsgenau arbeiten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, die von einem Motor angetriebenen
Verstelleinrichtungen zu verbessern. Insbesondere sollen sie möglichst
kleinvolumig ausgebildet und möglichst vielseitig
in einer Waage einsetzbar sein. Weiterhin sollen kleine und einfache
Getriebe einsetzbar sein oder auf Getriebe ganz verzichtet werden
können. Insgesamt
soll der Aufbau solcher Verstelleinrichtungen vereinfacht und somit
kostengünstiger
gestaltet werden.
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Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1
dadurch gelöst,
dass die Verstelleinrichtung von einem Piezoantrieb angetrieben
wird, der mindestens einen von einer Piezokeramik in Schwingungen
versetzbaren Antriebsfinger aufweist, dessen Antriebsende auf einer
geschlossenen Bahn schwingt und zumindest zeitweise gegen ein Antriebselement
gedrückt
wird, das von dem Antriebsende verschoben wird.
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Der
Fachmann ist um die Messergebnisse nicht zu verfälschen im Allgemeinen bestrebt,
von einer Präzisionswaage
mechanische Schwingungen fern zu halten. So versucht er beispielsweise
zur Vermeidung von höherfrequenten
Schwingungen sogar relativ schwingungsarme Antriebsmotoren mit Gummidämpfern zu
dämpfen.
Weiter versucht der Fachmann mitunter niederfrequente Schwingungen
durch Verwendung von besonderen schwingungsarmen Labortischen zu
vermeiden. Es hat sich nun überraschenderweise
herausgestellt, dass ein Piezoantrieb mit einem oder mehreren in
mechanische Schwingungen versetzbaren Antriebsfingern zu keinen Messwertverfälschungen
führt.
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Der
Piezoantrieb, der mit dem Antriebsende seines Antriebsfingers ein
Antriebselement verschiebt, kann einfach, volumenreduziert und kostensparend
ausgebildet werden. Besondere schwingungsdämpfende Maßnahmen der Antriebsaufhängung können entfallen.
Das separate Antriebselement kann dabei als ein in einer Ebene translatorisch verschiebbares
Antriebssteil oder als ein um seine Radachse drehbares Antriebsrad
ausgebildet sein. Dadurch ist der Piezoantrieb vielseitig verwendbar.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist die Verstelleinrichtung mit einem sie steuernden Mikrocontroller
verbunden. Durch entsprechende Programmierung des Mikrocontrollers kann
die Verstelleinrichtung leicht an ihre unterschiedlichen Verwendungszwecke
angepasst werden.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erzeugt eine veränderte Kraftrückwirkung
auf die Verstelleinrichtung ein entsprechendes elektrisches Signal.
Dadurch kann eine Auswerteeinheit, die Teil des Mikrocontrollers
sein kann, aufgrund des elektrischen Signals eine Blockierung erkennen
und in vorprogrammierter Weise reagieren. Auch kann die Verstelleinrichtung
als Positionssensor ausgebildet sein bzw. verwendet werden. Durch
eine derartige Einrichtung kann damit auf externe Sensoren verzichtet
werden. Grundsätzlich ist
die Verstelleinrichtung auch durch Zusammenwirken eines externen
Positionssensors mit dem sie steuernden Mikrocontroller oder Steuereinheit
regelbar.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Verstelleinrichtung so ansteuerbar, dass sie
eine variable Verstellgeschwindigkeit aufweist. Dabei kann das Antriebselement bzw.
das zu verschiebende Teil beispielsweise mit ansteigender oder relativ
hoher Geschwindigkeit in eine Vorposition und abnehmender oder relativ
niedriger Geschwindigkeit in seine vorgesehene Endposition gefahren
werden, so dass das Antriebselement praktisch ruckfrei bewegt wird.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist die Verstelleinrichtung zum Verstellung mindestens
eines Gewichtes in einer Gewichtsschaltung ausgebildet. Dabei wird
das Gewicht, das auf einer Gewichtsauflage aufliegt, welche durch
die Verstelleinrichtung absenkbar und/oder anhebbar ist, auf einen
Krafteinleitungspunkt der Waage abgelegt bzw. angehoben.
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Um
auch relativ schwere Gewichte bewegen zu können, kann die Gewichtsauflage
durch Kippen um eine Kippachse abgesenkt oder angehoben werden.
Vorteilhaft wird dabei parallel zur Kippachse eine Drehachse mit
einer exzentrisch gelagerten Kurvenscheibe, gegen die ein Anschlag
der Gewichtsauflage gedrückt
wird, vorgesehen. Dabei ist die Drehachse von dem Antriebsrad des
Antriebselementes drehbar. Zwischen Antriebselement und Drehachse
kann vorteilhaft ein Getriebe vorgesehen sein.
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Nicht
nur der Piezoantrieb sondern auch das Getriebe kann dabei gegenüber herkömmlichen Elektromotoren
mit Getriebe erheblich einfacher und volumenreduzierter ausgebildet
sein. Da ein derartiger Piezoantrieb bei veränderter Kraftrückwirkung ein
entsprechendes elektrisches Signal erzeugt, benötigt die Verstelleinrichtung
weder Steuernocken mit entsprechenden Endschaltern, noch andere
Sensoren zur Positionserkennung.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Verstelleinrichtung zum translatorischen oder
rotatorischen Bewegen eines Wandelementes eines Windschutzes ausgebildet.
Damit kann einfach und kostengünstig
ein Wandelement bzw. eine Windschutztür bewegt werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Verstelleinrichtung zum Verstellen mindestens
eines Stellfußes
ausgebildet. Dabei ist die Verstelleinrichtung in Abhängigkeit
von dem Signal eines Neigungssensors steuerbar.
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Durch
die Verwendung des speziellen Piezoantriebes kann die an sich bekannte
Verstelleinrichtung raumsparend und kostengünstig ausgebildet werden.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist zum Arretieren ein Lastübertragungshebel von der Verstelleinrichtung
gegen einen Anschlag drückbar.
Auf ihr lässt
sich die erfindungsgemäße von einem
Piezoantrieb angetriebene Verstelleinrichtung einfach, volumenreduziert
und kostengünstig
einsetzen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Verstelleinrichtung zur Lageveränderung
eines an einem ortsfesten Teil angeordneten Anschlages ausgebildet,
d. h. auch eine Waage mit beweglichem Anschlag kann die oben erwähnten Vorteile
aufweisen. Dabei kann der Anschlag so angeordnet werden, dass er
in einem unbelasteten Zustand der Waage einen Lastübertragungshebel
in seiner Wägeposition hält.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Verstelleinrichtung zum Anheben und Entkoppeln
einer Lastschale vom Lastaufnehmer ausgebildet.
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Schließlich ist
es auch möglich,
die Verstelleinrichtung zum Bewegen bzw. Öffnen und Schließen einer
an der Waage angeordneten Schublade auszubilden.
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Für die vielfältigen unterschiedlichen
Funktionen kann jeweils der gleiche Piezoantrieb mit entsprechend
angepasster Verstelleinrichtung verwendet werden. Im Prinzip kann
der Antriebsfinger auch als Bimorph, bestehend aus zwei piezoelektrischen Schichten
mit einer Zwischenschicht und zwei externen elektrisch voneinander
getrennten Elektroden, ausgebildet sein.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung und den beigefügten
Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
beispielhaft veranschaulicht sind.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1:
eine Draufsicht auf eine Gewichtsschaltung mit einer kippbaren Gewichtsauflage,
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2:
eine Seitenansicht der Gewichtsauflage von 1 Entlang
der Linie II-II geschnitten,
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3:
eine Seitenansicht eines Piezoantriebes mit einem um seine Radachse
drehbaren Antriebsrad in vergrößerter Darstellung,
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4:
eine Seitenansicht eines Piezoantriebes mit einem translatorisch
verschiebbaren Antriebsteil in vergrößerter Darstellung,
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5:
eine Seitenansicht einer Waage mit einem translatorisch verschiebbaren
Wandelement eines Windschutzes in verkleinerter Darstellung und
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6:
eine Rückansicht
des verschiebbaren Wandelementes von 5 im Schnitt
und Ausriss.
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Eine
Verstelleinrichtung 1 einer Waage besteht im Wesentlichen
aus einem zu bewegenden bzw. verschiebenden Antriebselement 2 und
einem Piezoantrieb 3.
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Das
Antriebselement 2 kann dabei Teil eines zu bewegenden Teiles
einer Waage sein oder mit dem zu bewegenden Teil in Wirkverbindung
bestehen.
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Der
Piezoantrieb 3 besteht aus einem von einer Piezokeramik 4 in
Schwingungen versetzbaren Antriebsfinger 5. Der Antriebsfinger 5 weist
an einem ersten Ende 6 eine Feder 7 auf, über die
er an einem ortsfesten Teil 8 der nicht weiter dargestellten
Waage befestigt ist. Im Bereich des ersten Endes 6 des
Antriebsfingers 5 ist die Piezokeramik 4 in einer
durchgehenden Öffnung
angeordnet, wobei ihre zwei einander gegenüberliegenden Stirnseiten mit
der ihnen benachbarten Fingerwandung fest verbunden sind. Die Piezokeramik 4 ist
elektrisch mit einer Steuerung 13 bzw. einem Mikrocontroller 14 verbunden.
Das dem ersten Ende 6 des Antriebsfingers 5 abgewandte
Antriebsende 9 schwingt im Betrieb auf einer geschlossenen,
vorzugsweise elliptischen, Bahn und wird von der Feder 7 so
gegen das Antriebselement 2 gedrückt, dass dieses von dem Antriebsende 9 verschoben
wird. Vorzugsweise wird der Antriebsfinger im Bereich einer Resonanzfrequenz betrieben.
Durch Veränderung
der Antriebsfingerfrequenz lässt
sich dabei die Bewegungsrichtung des Antriebselementes 2 umkehren.
Das Antriebselement 2 kann als ein translatorisch in einer
Ebene verschiebbares Antriebsteil 10 oder als ein um seine
Radachse 11 drehbares Antriebsrad 12 ausgebildet
sein.
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Die
Verstelleinrichtung 1' ist
nach einer ersten Ausführungsform
zum Verstellen eines Gewichtes 15 in einer Gewichtsschaltung
ausgebildet. Das Gewicht 15 liegt dabei auf einer Gewichtsauflage 16 auf,
die durch die Verstelleinrichtung 1' durch Kippen um eine Kippachse 17 absenkbar
und in entgegengesetzter Richtung anhebbar ist. Entsprechend wird durch
Absenken der Gewichtsauflage 16 das Gewicht 15 auf
einen Krafteinleitungspunkt 18 bzw. eine Krafteinleitungsauflage
abgelegt.
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Parallel
zur Kippachse 17 ist eine Drehachse 19 mit einer
exzentrisch gelagerten Kurvenscheibe 20 angeordnet. Ein
Anschlag 21 der Gewichtsauflage 16 wird von einer
Feder 22 gegen die fest mit der Drehachse 19 verbundenen
Kurvenscheibe 20 gedrückt.
Die Drehachse 19 wird über
ein Getriebe 23 von dem Antriebsrad 12', das seinerseits
von dem Piezoantrieb 3' bewegt
wird, angetrieben.
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Die
Position der Kurvenscheibe 20 bzw. des Antriebsrades 12' kann in Ableitung
von der Kraftrückwirkung
bzw. Gewichtsveränderung,
verursacht durch das Auflegen des Gewichtes 15 detektiert
werden. Auch kann die Position der Gewichtsauflage 16 im
Mittel gespeichert werden. Der Piezoantrieb 3' kann so gesteuert
werden, dass nach Auflage des Gewichtes 15 das Antriebsrad 12' noch um einen
vorgegebenen Weg drehbar ist. Der Piezoantrieb 3' kann weiterhin
so gesteuert werden, dass nach Abheben des Gewichtes 15 das
Antriebsrad 12' noch um
einen vorgegebenen Weg drehbar ist. Weiterhin kann eine vorprogrammierte
Funktion vorhanden sein, bei der die Gewichtsschaltung einmal rund
läuft. Weiterhin
kann eine Synchronisationspositionserkennung vorgesehen sein. Der
Verfahrweg des Piezoantriebes 3' bzw. des Antriebsrades 12' in eine Synchronisationsposition
bzw. auf einen „Synchronisationsschalter" ist auch individuell
ohne Abgleichprozesse einstellbar. Die Einstellparameter des Positionsschalters
sind in einen Speicher abspeicherbar. Gemäß einer vorprogrammierten bzw.
abgespeicherten Geschwindigkeitskurve kann die Verstellgeschwindigkeit
des Piezoantriebes durchgeführt
werden.
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Gemäß den 5 und 6 wird
die Verstelleinrichtung 1'' zum translatorischen
Bewegen eines Wandelementes 24 eines Windschutzes einer Waage 28 verwendet.
Der Windschutz bildet dabei einen die Waagschale 25 umschließenden Wägeraum 26,
der durch Verschieben des Wandelementes 24 zugängig wird.
An einem in vertikaler Richtung unteren Ende ist an der Unterseite 27 des
Wandelementes 24 das Antriebsteil 10'' angeordnet, das von dem Piezoantrieb 3'' bewegbar ist.