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Die Erfindung betrifft einen Kraftaufnehmer, insbesondere eine Wägezelle, mit einem Federkörper, der sich unter Einwirkung einer zu messenden Kraft oder Last verformt, und mit einem Sensor, der aus zwei getrennten und an verschiedenen Stellen des Federkörpers angebrachten Sensorteilen besteht und ein von der relativen Position der Sensorteile zueinander abhängiges Sensorsignal erzeugt.
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Kraftaufnehmer im Allgemeinen und Wägezellen im Speziellen sind Messumformer, die eine auf sie einwirkende Kraft oder Last in ein elektrisches analoges oder digitales Messsignal umsetzen. Dabei wird ein meist metallischer Federkörper proportional zu der aufgebrachten Last oder Kraft elastisch verformt und die daraus resultierende Verformung des Federkörpers oder bestimmter Teile davon mit geeigneten Sensoren erfasst. Längenänderungen an Biegeteilen werden üblicherweise mittels Dehnungsmessstreifen erfasst. Alternativ können aus der Verformung resultierende Abstandsänderungen kapazitiv erfasst werden. Die Sensormittel, z. B. Dehnungsmessstreifen oder Kondensatorflächen, sind unmittelbar an dem Federkörper angebracht.
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Ein Kraftaufnehmer bzw. eine Wägezelle der eingangs genannten Art mit einem kapazitiven Sensor ist aus der
EP 0 534 270 A1 oder
DE 10 2008 019 115 A1 bekannt. Der kapazitive Sensor weist zwei kammartig ineinander greifende Elektroden (Kondensatorplatten) auf, die an unterschiedlichen Teilen des Federkörpers angebracht sind. Die Wägezelle arbeitet nach dem Ausschlagverfahren; d. h. eine Änderung der zu messenden Kraft oder Last bewirkt eine Änderung des Sensorsignals, dessen Ausschlag weiterverarbeitet wird.
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Aus der
DE 37 16 615 C2 ist ein nach dem Kompensationsverfahren arbeitendes Wägesystem, sog. Kompensationswaage, bekannt, bei dem auf einen beweglich geführten Lastaufnehmer mittels eines elektrodynamischen Antriebs eine Gegenkraft ausgeübt wird. Dabei wird die Position des Lastaufnehmers mittels eines kapazitiven Sensors erfasst und in Abhängigkeit von dem Sensorsignal der durch eine Spule des elektrodynamischen Antriebs fließende Strom derart gesteuert, dass der Lastaufnehmer in einer lastunabhängigen Gleichgewichtsposition gehalten wird. Der Spulenstrom ist dann ein Maß für die Last.
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Mikromechanisch hergestellte Sensoren, sog. MEMS-(Micro-Electro-Mechanical Systems) Sensoren finden immer breitere Anwendungsfelder. Die
WO 02/103369 A1 zeigt beispielsweise einen kapazitiv arbeitenden MEMS-Beschleunigungssensor mit zwei ineinander greifende Kammelektroden (Kondensatorplatten), von denen der eine an einem starren Grundkörper und der andere an einem an dem Grundkörper schwingend aufgehängten Träger angeordnet ist.
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Die bei Kraftaufnehmern bzw. Wägezellen verwendeten Federkörper weisen je nach Anwendungsfall und Größe der zu messenden Kraft oder Last unterschiedliche Bauformen und Abmessungen auf. Da mit mikromechanisch hergestellten Sensoren aufgrund ihrer geringen Größe nur sehr kleine Verformungen bzw. Bewegungen überhaupt und nur noch kleinere Verformungen bzw. Bewegungen linear erfasst werden können, besteht das Problem, geeignete MEMS-Sensoren für Federkörper unterschiedlicher Größe und Bauform auszuwählen oder aus Sicht der MEMS-Sensoren geeignete Stellen zu finden, an denen sie an dem Federkörper angeordnet werden können. Hierbei spielen auch Fertigungstoleranzen des Federköpers eine größere Rolle als bei herkömmlichen Sensoren. Darüber hinaus muss ein Kompromiss zwischen Messbereich und Messempfindlichkeit gefunden werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Kraftaufnehmer oder einer Wägezelle die Anpassung des Sensors an den Federkörper zu verbessern.
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Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei dem Kraftaufnehmer bzw. der Wägezelle der eingangs genannten Art eines der Sensorteile unter Zwischenlage eines elektromechanischen Aktors an dem Federkörper angebracht ist und dass eine Steuereinrichtung vorhanden ist, die den Aktor in Abhängigkeit von dem Sensorsignal in Richtung einer Verringerung des Positionsunterschieds der Sensorteile steuert.
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Das aus der Wägetechnik bekannte Kompensationsverfahren wird also auf den an dem Federkörper des Kraftaufnehmers bzw. der Wägezelle angeordneten Sensor übertragen. Der Federkörper selbst wird dagegen wie bei einer nach dem Ausschlagverfahren arbeitenden Wägezelle lastabhängig verformt. Die aus der Verformung resultierende Änderung der relativen Position der Sensorteile wird mittels des elektromechanischen Aktors zumindest teilweise kompensiert, so dass von dem Sensor nur noch sehr kleine Bewegungen erfasst werden müssen. Der Sensor arbeitet daher unabhängig von der Last und/oder der Verformung des Federkörpers im linearen Bereich, so dass es auch zu keiner Überlastung des Sensors kommen kann. Bei vollständiger Kompensation der Änderung der relativen Position der Sensorteile stellt das von der Steuereinrichtung zur Steuerung des Aktors erzeugte Steuersignal ein unmittelbares Maß für die zu messende Last dar. Im Übrigen können das Steuersignal und das Sensorsignal zu dem gewünschten Messsignal kombiniert werden.
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Grundsätzlich kommen als Sensor alle berührungslosen Weg- oder Abstandsaufnehmer in Betracht, die nach einem der folgenden Messverfahren arbeiten: kapazitiv, induktiv (z. B. induktiver, magnetostriktiver oder Wirbelstrom-Wegaufnehmer), optisch (z. B. Laufzeitverfahren, Triangulation, Interferometrie, Bildsensorik), akustisch (z. B. Laufzeitverfahren) oder elektromagnetisch. Als besonders geeignet erweist sich ein kapazitiver Sensor mit zwei ineinander greifenden Kammelektroden, der auf mikromechanischem Weg vergleichweise einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Zur Kompensation der Änderung der relativen Position der Sensorteile kommen grundsätzlich alle nach folgenden Wirkprinzipien arbeitenden elektromechanischen Aktoren in Betracht: piezoelektrisch, elektromagnetisch, elektrostatisch, elektrostriktiv, magnetostriktiv.
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Um die Sensorteile nicht einzeln auf dem Federkörper anbringen und justieren zu müssen, sind die Sensorteile vorzugsweise auf einem flexiblen Träger, beispielsweise einer Folie, gehalten und mit diesem auf dem Federkörper angebracht. Der Sensor besteht dann aus den über die Folie miteinander verbundenen Sensorteilen. Dabei ist in besonders vorteilhafter Weise der flexible Träger Teil einer den Sensor aufnehmenden flexiblen Hülle, die den Sensor gegen Umwelteinflüsse aus der Umgebung des Einsatzortes des Kraftaufnehmers bzw. der Wägezelle schützt.
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Das eine Sensorteil kann unter Zwischenlage des elektromechanischen Aktors auf dem flexiblen Träger gehalten sein, so dass der Sensor mit den über die Folie miteinander verbundenen Sensorteilen und dem Aktor eine Baueinheit bildet. Soweit eine Hülle vorgesehen ist, kann der Aktor zusammen mit den Sensorteilen innerhalb der Hülle angeordnet sein. Die ist insbesondere dann der Fall, wen das eine Sensorteil und der zugehörige Aktor in einem Stück gefertigt sind, was beispielsweise bei einem kapazitiven Sensor mit einem elektrostatisch arbeitenden Aktor möglich ist. Ist der Aktor dagegen außerhalb der Hülle angeordnet, so wirkt sich die Kompensation der aus der Verformung resultierende Änderung der relativen Position der Sensorteile durch den Aktor auch auf die Hülle aus, die dann nur noch minimal mechanisch beansprucht wird.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen:
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1 eine erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wägezelle mit Federkörper, Sensor und elektromechanischem Aktor, die
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2 eine Teilansicht der unbelasteten Wägezelle im Bereich des Sensors und Aktors,
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3 eine Teilansicht der belasteten Wägezelle im Bereich des Sensors und Aktors,
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4 eine Teilansicht der Wägezelle mit einer den Sensor einschließenden Hülle,
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5 eine Teilansicht der Wägezelle mit einer den Sensor und Aktor einschließenden Hülle,
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6 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wägezelle im Bereich des Sensors und Aktors und
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7 das Ausführungsbeispiel nach 6 in Seitenansicht.
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1 zeigt eine Wägezelle mit einem Federkörper 1 in Form eines Doppelbiegebalkens aus Metall, der an einem Ende 2 fest gelagert ist und in der Balkenmitte eine Aussparung 3 enthält. Auf der Ober- und Unterseite der Aussparung 3 sind Bereiche mit verringertem Materialquerschnitt vorgesehen, die vier Biegestellen 4, 5, 6 und 7 des Doppelbiegebalkens bilden. Die zwischen den Biegestellen 4 und 5 bzw. 6 und 7 verbleibende Materialstege bilden einen oberen Lenker 8 und einen unteren Lenker 9, die beide parallel zueinander verlaufen. Innerhalb der Aussparung 3 erstrecken sich von den beiden Enden 2 und 10 des Federkörpers 1 ausgehend zwei starre Balken 11 und 12 aufeinander zu und enden in einem Abstand zueinander. An dem freien Ende jedes der beiden starren Balken 11 und 12 ist jeweils eines von zwei getrennten Sensorteilen 13 und 14 eines Sensors 15 angeordnet. Dabei ist eines der beiden Sensorteile, hier das Sensorteil 13, unter Zwischenlage eines elektromechanischen Aktors 16 an dem Ende des betreffenden starren Balkens 11 angebracht, während das andere Sensorteil 14 unmittelbar oder unter Zwischenlage eines festen Abstandshalters 17 an dem freien Ende des Balkens 12 gehalten ist.
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Wie 1 und, in vergrößerter Teilansicht, 2 zeigen, fluchten bei unbelastetem Federkörper 1 beide Balken 11 und 12 miteinander, während, wie 3 zeigt, beim Aufbringen einer Gewichtskraft 18 auf das freie Ende 10 des Doppelbiegebalkens sich der Federkörper 1 nach unten durchbiegt, wobei das freie Ende 10 zusammen mit dem von ihm ausgehenden starren Balken 11 und dem daran gehaltenen Sensorteil 13 nach unten ausgelenkt wird. Der Sensor 15 erzeugt ein von der relativen Position der Sensorteile 13 und 14 zueinander abhängiges Sensorsignal 19. Das Sensorsignal 19 wird einer Steuereinrichtung 20 zugeführt, die daraufhin den elektromechanischen Aktor 16 in Abhängigkeit von dem Sensorsignal 19 in Richtung einer Verringerung des Positionsunterschieds der beiden Sensorteile 13 und 14 steuert (Steuersignal 21). Die beiden Sensorteile 13 und 14 bewegen sich daher nur in einem sehr kleinen Bereich relativ zueinander, so dass der Sensor 15 unabhängig von der Größe der Last 18 immer in einem linearen Messbereich arbeitet und eine Überlastung des Sensors 15 ausgeschlossen wird. Das Steuersignal 21 bildet alleine oder zusammen mit dem Sensorsignal 19 ein Maß 22 für die zu messende Last 18 und wird entsprechend in der Steuereinrichtung 20 ausgewertet.
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Die Sensorteile 13 und 14 können an jeder Stelle des Federkörpers 1 angebracht sein, an der eine lastabhängige Verformung des Federkörpers 1 stattfindet. So können sie ausgehend von dem Ausführungsbeispiel nach 1 an den Unterseiten der starren Balken 11 und 12 angeordnet werden. Jeweils einer der Balken 11 und 12 kann verkürzt und der andere entsprechend verlängert werden. Der Federkörper kann jede geeignete Bauform aufweisen, z. B. Einfach-, Doppel- oder Multi-Biegebalken, -Scherstab, S-Beam, Ringtorsionsfeder, Kraftmessdose, Membranfederkörper usw. Für den Sensor 15 und Aktor 16 kommen alle Typen in Betracht, die geeignet sind, kleine Verschiebe- oder Drehbewegungen zu erfassen bzw. zu erzeugen. Bei dem in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist z. B. ein kapazitiver Sensor 15 vorgesehen, der unten anhand der 6 und 7 näher erläutert wird; der gezeigte Aktor 16 arbeitet beispielsweise piezoelektrisch.
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4 zeigt ein Ausführbeispiel, bei dem die beiden Sensorteile 13 und 14 auf einem flexiblen Träger 23 aufgebracht sind. Bei dem flexiblen Träger 23 kann es sich beispielsweise um eine Folienleiterplatte handeln, die dann auch zur elektrischen Kontaktierung und Verbindung der beiden Sensorteile 13 und 14 mit der Steuereinrichtung 20 dient. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der flexible Träger 23 Teil einer den Sensor 15 aufnehmenden und ihn vor Umwelteinflüssen schützenden flexiblen Hülle 24. Aufgrund der bewegungskompensierenden Funktion des Aktors 16 wird die flexible Hülle 24 nur wenig gebogen, d. h. mechanisch beansprucht.
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Das in 5 gezeigte Ausführbeispiel unterscheidet sich von dem nach 4 dadurch, dass auch der elektromechanische Aktor 16 auf dem flexiblen Träger 23 und in der Hülle 24 angeordnet ist.
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Die 6 und 7 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wägezelle als Draufsicht und Seitenansicht im Bereich des Sensors 15 und Aktors 16. Der kapazitive Sensor 15 weist als Sensorteile 13 und 14 zwei ineinander greifenden Kammelektroden auf. Die Kammelektroden weisen in der Praxis jeweils eine Vielzahl von Elektrodenfingern auf, wobei hier der einfacheren Darstellung wegen nur wenige, d. h. zwei bzw. drei, Kammfinger gezeigt sind. Der Aktor 16 ist als elektrostatisch arbeitender Hubmechanismus ausgebildet. Das Sensorteil 13 ist über eine Federaufhängung 25 an dem Balken 11 gehalten und mit Elektrodenkämmen 26 versehen, die in auf dem Balken 11 feststehende Elektrodenkämme 27 eingreifen. Bei Anlegen eines elektrischen Potentials an die Elektrodenkämme 26 und 27 wird das Sensorteil 13 entgegen der Kraft der Federaufhängung 25 nach oben gehoben.
