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Die Erfindung betrifft ein Wegaufnehmermodul und eine ein Wegaufnehmermodul beinhaltende Kraftmessdose.
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Aus der
EP 0 534 270 A1 ist eine Kraftmessdose, insbesondere eine Wägezelle bekannt, bei der ein zentrales zylindrisches Krafteinleitungsteil über einen kreis- oder ringscheibenförmigen Federkörper mit einem äußeren Aufstellring verbunden ist. Im Inneren der Kraftmessdose ist ein kapazitiver Wegaufnehmer angeordnet, der zwei Elektrodenkämme mit jeweils einer Vielzahl von Elektrodenfingern aufweist. Einer der Elektrodenkämme ist an dem Krafteinleitungsteil und der andere Elektrodenkamm an dem Aufstellring gehalten. Die Elektrodenfinger des einen Elektrodenkamms sind in den Fingerzwischenräumen des jeweils anderen Elektrodenkamms positioniert, so dass sie eine Parallelschaltung von mehreren gleichen Kondensatoren ergeben. Dabei sind die Elektrodenkämme so justiert, dass jeweils ein kleiner und ein wesentlich größerer Elektrodenabstand aufeinanderfolgen. Die kleinen Abstände bestimmen somit die Kapazität des Wegaufnehmers. Bei Belastung der Kraftmessdose verändern sich diese Abstände und damit die Kapazität des Wegaufnehmers. Jedoch ist der Bewegungsspielraum der Elektrodenkämme durch die Breite der Fingerzwischenräume und die Fingerbreite begrenzt, so dass bei einer Überlastung der Kraftmessdose der Wegaufnehmer zerstört wird. Darüber hinaus ist der Wegaufnehmer in seinem Aufbau und seiner Anordnung empfindlich für Querkräfte, beispielsweise wenn die Krafteinleitung nicht exakt mittig oder nicht in Axialrichtung sondern schräg dazu erfolgt, so dass es zu einer Schiefstellung des Krafteinleitungsteils kommt. Der Einbau des Wegaufnehmers in die Kraftmessdose ist kompliziert und kaum automatisiert durchführbar, weil die Elektrodenkämme unmittelbar an dem Krafteinleitungsteil und dem Aufstellring montiert werden müssen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen und präzisen Einbau des Wegaufnehmers in z. B. eine Kraftmessdose oder Wägezelle zu ermöglichen.
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Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Wegaufnehmermodul, insbesondere für einen Kraftaufnehmer oder eine Wägezelle, gelöst, bei dem ein flaches Trägerteil durch Ausnehmungen in einen Innenbereich und einen diesen umgebenden und mit ihm über mindestens drei flexible Stege verbundenen Außenbereich unterteilt ist, wobei in wenigstens einer der Ausnehmungen ein von dem Innenbereich ausgehender Kragarm und ein von dem Außenbereich ausgehender Kragarm sich aufeinander zu erstrecken und in einem Abstand voneinander enden, und bei dem mindestens ein zweiteiliger Wegaufnehmer vorgesehen ist, dessen Teile zur Erfassung der relativen Lageänderung der Kragarme auf diesen angeordnet sind.
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Das Trägerteil kann aus einem Metallblech oder einer dünnen Kunststoffscheibe bestehen, in die die Ausnehmungen z. B. durch Stanzen oder beim Spritzgießen mit hoher Präzision eingebracht werden können. Der Innen und Außenbereich, die sie verbindenden Stege und die Kragarme sind durch Anordnung und Form der Ausnehmungen festgelegt. Die Kragarme ermöglichen es, die beiden Teile der jeweiligen Wegaufnehmer nahe zueinander zu positionieren und gleichzeitig relativ lange Stege mit minimaler bzw. für die meisten Anwendungen vernachlässigbarer Federsteifigkeit vorzusehen. Die Wegaufnehmer können mit hoher Präzision, z. B. maschinell, auf den Kragarmen platziert werden. Das fertige Wegaufnehmermodul kann dann an der Stelle, wo es zum Einsatz kommt ebenfalls maschinell eingebaut werden.
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Das Wegaufnehmermodul erfasst relative Lageänderungen des Innenbereichs und des Außenbereich des Trägerteils zueinander in senkrechter Richtung zur Fläche des Trägerteils. Bei einer nicht exakt mittig oder schräg erfolgenden Krafteinleitung kann es zu einer relativen Schiefstellung des Innenbereichs gegenüber dem Außenbereich kommen. Das Wegaufnehmermodul weist daher vorzugsweise mindestens zwei Paare von Kragarmen mit darauf angeordneten zweiteiligen Wegaufnehmern auf, die winklig, also nicht parallel, zueinander angeordnet sind. Bei zwei Paaren sind diese bevorzugt rechtwinklig und bei drei oder mehr Paaren radialsymmetrisch mit gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet. Mit den mindestens zwei Wegaufnehmern kann eine Schiefstellung des Innenbereichs gegenüber dem Außenbereich des Trägerteils gemessen und daher in Bezug auf das Messergebnis einfach kompensiert werden, indem z. B. der Mittelwert der von den Wegaufnehmern gelieferten Messwerte gebildet wird.
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Um bei der Montage des Wegaufnehmermoduls eine Verdrehung des Innenbereichs gegenüber dem Außenbereich des Trägerteils zu verhindern, verlaufen die Stege vorzugsweise nicht radial sondern tangential von dem Innenbereich zu dem Außenbereich. Dies verhindert auch Fehlmessungen bei einer Torsionsbeanspruchung des Wegaufnehmermoduls.
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Bei einer bevorzugten und für viele Anwendungen, insbesondere für den Einbau in Kraftmessdosen oder Wägezellen geeigneten Bauform ist das flache Trägerteil als Rundkörper ausgebildet, bei dem der Innenbereich die Form einer Kreisscheibe oder eines Innenrings und der Außenbereich die Form eines Außenrings hat. Um einen präzisen Einbau ohne Verkantung des Wegaufnehmermoduls zu erreichen, können der Außenring und/oder der Innenring jeweils mit einer umlaufenden Montageschulter versehen sein. Die im Vergleich zur übrigen Dicke des Trägerteils höhere Montageschulter bewirkt eine sicheren Halt des Wegaufnehmermoduls am Einbauort. Beispielsweise bietet die Montageschulter eine ausreichend große Fläche, um das Wegaufnehmermodul am Einbauort einzukleben.
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Zum Schutz des Trägerteils und der Wegaufnehmer ist das Wegaufnehmermodul vorzugsweise auf beiden Seiten des flachen Trägerteils jeweils mit einer Membran (Folie oder Blech) überzogen ist, die außen an der Montageschulter des Außenrings befestigt, z. B. verklebt ist. Ist der Innenbereich in Form eines Innenrings ausgebildet, ist die Membran zusätzlich an der Montageschulter des Innenrings befestigt.
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Um die zur Auswertung der von den Wegaufnehmern gelieferten Signale erforderliche Elektronik auf einfache Weise am Einbauort des Wegaufnehmermoduls anordnen zu können, kann in einer oder mehreren der Ausnehmungen jeweils eine von dem Außenbereich ausgehende Montagelasche vorgesehen sein, an der die Elektronik entweder vor oder nach dem Einbau des Wegaufnehmermoduls befestigt werden kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Wegaufnehmermoduls liegt jedem Wegaufnehmer jeweils ein weiterer baugleicher Wegaufnehmer auf der anderen Seite des flachen Trägerteils gegenüber. Wenn einer der Wegaufnehmer wegen eines Fehlers ausfällt, ist das Wegaufnehmermodul weiterhin funktionsfähig, solange der andere Wegaufnehmer sein Signal liefert. Andererseits kann aber der Ausfall des defekten Wegaufnehmers leicht detektiert und ein Alarmsignal zur Auswechseln des Wegaufnehmermoduls erzeugt werden. Wenn die jeweils einander gegenüber liegenden Wegaufnehmer unterschiedliche Signale liefern, weist dies auf störende Querkräfte hin, die eine laterale Verschiebung des Innen- und Außenbereichs des Trägerteils bewirken. Die beiden einander gegenüberliegenden baugleichen Wegaufnehmer erfassen eine senkrecht zu dem flachen Trägerteil erfolgende relative Lageänderung der sie tragenden Kragarme mit umgekehrten Vorzeichen und laterale Verschiebungen mit jeweils demselben Vorzeichen. Wird dann die Differenz der Signale der Wegaufnehmer gebildet, verstärken sich die Signalanteile der senkrecht zu dem flachen Trägerteil erfolgende relative Lageänderung, während sich die Signalanteile der quer dazu erfolgenden lateralen Verschiebung aufheben. Alternativ kann der weitere Wegaufnehmer derart ausgebildet und angeordnet sein, dass er nur laterale Verschiebungen erfasst und für senkrecht zu dem flachen Trägerteil erfolgende relative Lageänderungen unempfindlich ist. Wird dann das Signal des weiteren Wegaufnehmers von dem des einen Wegaufnehmers subtrahiert, so wird dessen Signal von den Einflüssen der lateralen Verschiebung befreit.
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Die relative Lageänderungen der Kragarme lässt sich mit unterschiedlichen Typen von Wegaufnehmern, so z. B. mit dem aus der oben genannten
EP 0 534 270 A1 bekannten kapazitiven Wegaufnehmer erfassen. Grundsätzlich kommen alle Wegaufnehmer in Frage, insbesondere Wegaufnehmer in MEMS-Technik (micro-electro-mechanical systems), die geringe Lageänderungen berührungslos, z. B. induktiv, kapazitiv, optisch usw., messen können.
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Bei einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Wegaufnehmermoduls ist jeder Wegaufnehmer als kapazitiver Wegaufnehmer ausgebildet, dessen zwei Teile aus Elektrodenkämmen mit jeweils einer Vielzahl von Elektrodenfingern bestehen, wobei die Elektrodenkämme parallel zu dem flachen Trägerteil angeordnet sind. Bei senkrecht zu dem flachen Trägerteil erfolgender relativen Lageänderung von Innen- und Außenbereich tauchen die Elektrodenfinger des einen Elektrodenkamms in die Fingerzwischenräume des jeweils anderen Elektrodenkamms ein oder aus diesen heraus. Eine Überlastung oder Zerstörung des Wegaufnehmers ist ausgeschlossen, weil sich die Elektrodenfinger nur in der Richtung bewegen, in der die Fingerzwischenräume nach beiden Seiten offen sind. Die Ebenen, in denen die Elektrodenkämme liegen, können im Ruhezustand des Wegaufnehmermoduls einen Parallelversatz auf, der sich bei Änderung der Lage verringert, so dass die Elektrodenfinger des einen Elektrodenkamms in die Fingerzwischenräume des jeweils anderen Elektrodenkamms hineintauchen. Aufgrund dieses anfänglichen Parallelversatzes der Elektrodenkämme ist die Kapazität des Wegaufnehmers bei unbelastetem Kraftaufnehmer nur gering und steigt mit zunehmender Belastung an, weil dann die Elektrodenfinger des einen Elektrodenkamms in zunehmendem Maße in die Fingerzwischenräume des anderen Elektrodenkamms eingreifen. Ist der anfänglichen Parallelversatz kleiner oder gleich der Höhe der Elektrodenfinger, so liegt bei unbelastetem Kraftaufnehmer bereits eine Überlappung der Elektrodenfinger vor, so dass die Kapazität des Wegaufnehmers bei zunehmender Belastung weitgehend linear zunimmt.
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Das erfindungsgemäße Wegaufnehmermodul ist insbesondere für den Einbau in eine Kraftmessdose geeignet. Gegenstand der Erfindung ist daher auch eine Kraftmessdose mit einem zentralen zylindrischen Krafteinleitungsteil, das über einen Federkörper in Form einer Kreis- oder Ringscheibe mit einem äußeren Aufstellring verbunden ist, wobei im Inneren der Kraftmessdose zwischen der Innenwand des Aufstellrings und der Außenwand des Krafteinleitungsteils das erfindungsgemäße Wegaufnehmermodul gehalten ist.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen die:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer Kraftmessdose mit einem Wegaufnehmermodul im Längsschnitt,
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2 das Wegaufnehmermodul in Draufsicht,
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3 eine perspektivische Ansicht des Wegaufnehmermoduls und
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4 ein Beispiel für einen kapazitiven Wegaufnehmer.
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1 zeigt in stark vereinfachter Darstellung eine zylindrische Kraftmessdose, hier in Form einer Wägezelle. Die Kraftmessdose weist ein zylindrisches Krafteinleitungsteil 1 auf, das eine zu messende und in Richtung der Zylinderachse 2 wirkende Kraft oder Last F aufnimmt. Das Krafteinleitungsteil 1 ist über einen Federkörper 3 in Form einer Ringscheibe mit einem äußeren Aufstellring 4 verbunden, der auf einer hier nicht gezeigten festen Unterlage steht. Das Krafteinleitungsteil 1, der Federkörper 3 und der Aufstellring 4 sind vorzugsweise aus Stahl und einstückig ausgeführt. Der Aufstellring 4 ist unten mit einer Membran oder Bodenplatte 5 abgeschlossen, so dass die Wägezelle eine Dose bildet, die mit einem Schutzgas gefüllt sein kann. Bei Belastung der Kraftmessdose wird das Krafteinleitungsteil 1 entgegen der Federkraft des Federkörpers 1 um einen zu der Kraft F proportionalen Wegbetrag in Richtung der Achse 2 nach unten bewegt. Dieser Wegbetrag wird mittels eines Wegaufnehmermoduls 6 gemessen, dass im Inneren der Kraftmessdose zwischen dem Krafteinleitungsteil 1 und dem Aufstellring 4 eingebaut ist. Eine dem Wegaufnehmermodul 6 zugeordnete Elektronik 7 ist ebenfalls im Inneren der Kraftmessdose angeordnet und hier an dem Wegaufnehmermodul 6 selbst gehalten.
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2 zeigt das Wegaufnehmermodul 6 in Draufsicht.
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3 zeigt eine detaillierter perspektivische Ansicht des Wegaufnehmermoduls 6.
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Das Wegaufnehmermodul 6 weist ein flaches Trägerteil 8 in Form eines Rundkörpers auf, das durch Ausnehmungen 9 in einen Innenbereich 10, hier in Form eine Innenrings 11, und einen diesen umgebenden Außenbereich 12, hier in Form eines Außenrings 13, unterteilt ist. Dabei sind der Innenbereich 10 und der Außenbereich 12 über flexible Stege 14 miteinander verbunden, die tangential von dem Innenbereich 10 zu dem Außenbereich 12 verlaufen, so dass sie ein gegenseitiges Verdrehen von Innenbereich 10 und Außenbereich 12 verhindern.
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Der Außenring 13 und der Innenring 11 weisen jeweils eine umlaufende Montageschulter 15, 16 auf, über die das Trägerteil 8 an der Innenwand des Aufstellrings 4 bzw. der Außenwand des Krafteinleitungsteils 1 anliegt und mit diesen ggf. verklebt ist.
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In drei der Ausnehmungen 9 ist jeweils ein von dem Innenbereich 10 ausgehender Kragarm 17 und ein von dem Außenbereich 12 ausgehender Kragarm 18 vorhanden, die sich aufeinander zu erstrecken und in einem Abstand voneinander enden. Die paarweise zugeordneten Kragarme 17, 18 sind in Bezug auf die Zylinderachse 2 (1) radialsymmetrisch mit gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet.
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Bei Belastung der Kraftmessdose wird der Innenring 11 des Trägerteils 8 zusammen mit dem Krafteinleitungsteil 1 um einen zu der Kraft F proportionalen Wegbetrag nach unten bewegt. Der an der Innenwand des Aufstellrings 4 anliegende Außenring 13 des Trägerteils 8 ändert seine Position nicht, so dass sich die relative Lage der einander paarweise zugeordneten Kragarme 17, 18 um den Betrag der Auslenkung des Krafteinleitungsteil 1 ändert. Um diese Lageänderung zu erfassen trägt jedes Kragarmpaar 17, 18 jeweils einen Wegaufnehmer 19 auf der Oberseite des Trägerteils 8 und einen weiteren baugleichen Wegaufnehmer 20 auf der Unterseite des Trägerteils 8. Die Wegaufnehmer 19, 20 sind dazu ausgebildet, Lageänderungen berührungslos, hier z. B. kapazitiv, zu erfassen. Jeder der Wegaufnehmer 19, 20 ist zweiteilig aufgebaut und besteht aus zwei Elektrodenkämmen 21, 22 mit jeweils einer Vielzahl von Elektrodenfingern 23, 24. Die Elektrodenkämme 21, 22 sind an den Kragarmen 17, 18 beiderseits des dazwischen liegenden Spalts parallel zur Ober- bzw. Unterseite des Trägerteils 8, d. h. quer zur Richtung der Kraft F in der Weise angeordnet, dass sich die Elektrodenfinger 23 des einen Elektrodenkamms 21 in Richtung der Kraft F in den Zwischenräumen der Elektrodenfinger 24 des anderen Elektrodenkamms 23 bewegen können. Die Elektrodenfinger 23, 24 bewegen sich also nur in der Richtung, in der die Fingerzwischenräume nach beiden Seiten offen sind, so dass eine Überlastung oder Zerstörung der Wegaufnehmer 19, 20 ausgeschlossen ist.
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Wie 4 in einer Seitenansicht des Wegaufnehmers 19 zeigt, sind die Elektrodenkämme 21, 22 derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass ihre Elektrodenfinger 23, 24 bei unbelastetem Wegaufnehmermodul 6 einen anfänglichen Parallelversatz in Richtung senkrecht zu dem flachen Trägerteil 8 aufweisen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht dieser Höhenversatz etwa der Dicke oder Höhe D der Elektrodenfinger 23, 24. Bei Auslenkung des Innenrings 11 tauchen die Elektrodenfinger 23 des Elektrodenkamms 21 in die Fingerzwischenräume des Elektrodenkamms 22 ein, so dass sich der Kapazitätswert des Wegaufnehmers 19 erhöht. Der anfängliche Versatz zwischen den Elektrodenfingern 23, 24 der verschiedenen Elektrodenkämme 21, 22 kann aber auch kleiner als die Dicke oder Höhe D der Elektrodenfinger 23, 24 ein, so dass bereits bei unbelastetem Wegaufnehmermodul 6 die Elektrodenfinger 23 des einen Elektrodenkamms 21 teilweise in die Fingerzwischenräume des anderen Elektrodenkamms 22 eintauchen. Die Kapazitätszunahme bei Belastung des Wegaufnehmermodul 6 verläuft dann linearer.
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Wie die 2 und 3 zeigen, ist in drei Ausnehmungen 9 des Trägerteils 8 jeweils eine von dem Außenbereich 12 ausgehende Montagelasche 25 vorgesehen, an der über einen Abstandhalter 26 die Elektronik 7 entweder vor oder nach dem Einbau des Wegaufnehmermoduls 6 befestigt werden kann. Der Abstandhalter 26 dient außerdem zur Durchführung von Anschlussleitungen zwischen den Wegaufnehmern 19, 20 und der Elektronik 7.
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Zwecks Kapselung des Wegaufnehmermoduls 6 kann dieses auf beiden Seiten des flachen Trägerteils 8 jeweils mit einer Membran überzogen werden, die außen an der Montageschulter 15 des Außenrings 13 und innen an der Montageschulter 16 des Innenrings 11 befestigt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0534270 A1 [0002, 0003, 0013]
- DE 102011076008 [0003]
