DE102013107212A1

DE102013107212A1 - Capacitive force measuring device

Info

Publication number: DE102013107212A1
Application number: DE102013107212.7A
Authority: DE
Inventors: Matthias Eger; Michael Müller
Original assignee: Sartorius Lab Instruments GmbH and Co KG
Current assignee: Sartorius Lab Instruments GmbH and Co KG
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2015-01-15
Also published as: WO2015003765A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftmessvorrichtung, umfassend einen Biegekörper 10, welcher sich ohne äußere Krafteinwirkung 13 in einer Nulllage 12 befindet und welcher durch eine äußere Krafteinwirkung 13 aus der Nulllage 12 auslenkbar ist, einen Sensor, mittels dessen ein von der Auslenkung des Biegekörper 10 abhängiges Signal erzeugbar und an eine Steuereinrichtung übermittelbar ist und einen Aktor, welcher durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit von dem Sensorsignal über ein Aktorsignal so ansteuerbar ist, dass dadurch eine Rückstellkraft entgegen der äußeren Krafteinwirkung 13 auf den Biegekörper 10 ausübbar ist, und damit der Biegekörper 10 in die Nulllage 12 zurück überführbar ist, wobei von der Steuereinrichtung eine für die äußere Krafteinwirkung 13 repräsentative Messgröße aus dem Aktorsignal ermittelbar ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass Sensor und Aktor jeweils mindestens eine mit der Steuereinrichtung verbundene Steuerelektrode 30 und eine gemeinsame, mit dem Biegekörper verbundene Gegenelektrode 31 umfassen, die durch die äußere Krafteinwirkung 13 auslenkbar und so zwischen den Steuerelektroden 30 angeordnet ist, dass sich durch Auslenkung der Gegenelektrode 31 die Abstände zwischen der Gegenelektrode 31 und den Steuerelektroden 30 verändern.The invention relates to a force measuring device, comprising a bending body 10, which is located without external force 13 in a zero position 12 and which is deflected by an external force 13 from the zero position 12, a sensor by means of which one of the deflection of the bending body 10th dependent signal can be generated and transmitted to a control device and an actuator, which is so controlled by the control device in response to the sensor signal via an actuator signal that thereby a restoring force against the external force 13 on the flexure 10 is exercisable, and thus the bending body 10th can be converted back into the zero position 12, wherein from the control device a representative of the external force 13 measurand from the actuator signal can be determined. The invention is characterized in that the sensor and actuator in each case comprise at least one control electrode 30 connected to the control device and a common counterelectrode 31 connected to the bending body, which is deflectable by the external force 13 and is arranged between the control electrodes 30 such that by deflection of the counter electrode 31, the distances between the counter electrode 31 and the control electrodes 30 change.

Description

Gebiet der Erfindung Field of the invention

Die Erfindung betrifft eine Kraftmessvorrichtung, umfassend

– einen Biegekörper, welcher sich ohne äußere Krafteinwirkung in einer Nulllage befindet und welcher durch eine äußere Krafteinwirkung aus der Nulllage auslenkbar ist,
– einen Sensor, mittels dessen ein von der Auslenkung des Biegekörper abhängiges Signal erzeugbar und an eine Steuereinrichtung übermittelbar ist und
– einen Aktor, welcher durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit von dem Sensorsignal so ansteuerbar ist, dass dadurch eine Rückstellkraft entgegen der äußeren Krafteinwirkung auf den Biegekörper ausübbar ist, und damit den Biegekörper in die Nulllage zurückbringt,

so dass von der Steuereinrichtung eine für die äußere Krafteinwirkung repräsentative Messgröße aus dem Aktorsignal ermittelbar ist. The invention relates to a force measuring device comprising

A bending body, which is located in a zero position without external force and which is deflectable by an external force from the zero position,
A sensor by means of which a signal dependent on the deflection of the bending body can be generated and transmitted to a control device, and
An actuator which can be controlled by the control device as a function of the sensor signal in such a way that a restoring force can be exerted against the external force on the bending body and thus returns the bending body to the zero position,

such that a control variable representative of the external force can be determined by the control device from the actuator signal.

Stand der Technik State of the art

Derartige Kraftmessvorrichtungen werden in sogenannten elektromagnetisch kraftkompensierende Waagen, kurz EMK-Waagen eingesetzt, und sind allgemein bekannt. Sie umfassen einen Biegebalken, der durch eine äußere Krafteinwirkung aus seiner Nulllage auslenkbar ist, einen optischen Sensor, der die Auslenkung des Biegebalkens aus seiner Nulllage misst, und einen als elektromagnetische Spulenanordnung ausgebildeten Aktor, der der Auslenkung des Biegebalkens und damit der äußeren Krafteinwirkung entgegenwirkt. Sensor und Aktor sind über einen Regelkreis so miteinander gekoppelt, dass sich der Biegebalken trotz äußerer Krafteinwirkung stets in der Nulllage befindet. Der hierfür erforderliche Spulenstrom im Aktor ist somit ein Maß für die äußere Krafteinwirkung und wird als Messstrom erfasst, digitalisiert und nach geeigneter Umrechnung als Ausgabewert der EMK-Waage zur Anzeige gebracht. Nachteilig hierbei ist, dass Funktionsprinzip und Aufbau von Sensor und Aktor unterschiedlich sind und beide damit unterschiedlich auf äußere Einflüsse wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit reagieren. Zudem muss die Vielzahl an zum Aufbau notwendigen Materialien und Elementen als nachteilig angesehen werden, weil auch sie die Anfälligkeit der Vorrichtung gegenüber Umgebungseinflüssen verstärkt und nicht zuletzt die Kosten steigert. Des Weiteren verkomplizieren unterschiedliche Aktor- und Sensorprinzipien den Aufbau und die Handhabung der Vorrichtung. Such force measuring devices are used in so-called electromagnetically force compensating balances, short EMF balances, and are generally known. They comprise a bending beam which can be deflected from its zero position by an external force, an optical sensor which measures the deflection of the bending beam from its zero position, and an actuator designed as an electromagnetic coil arrangement, which counteracts the deflection of the bending beam and thus the external force. Sensor and actuator are coupled together via a control loop so that the bending beam is always in the zero position despite external force. The required coil current in the actuator is thus a measure of the external force and is detected as a measuring current, digitized and brought to appropriate conversion as the output value of the EMF balance display. The disadvantage here is that the operating principle and structure of sensor and actuator are different and both react differently to external influences such as temperature and humidity. In addition, the variety of materials and elements necessary for the construction must be regarded as disadvantageous because it also increases the susceptibility of the device to environmental influences and not least increases the cost. Furthermore, different actuator and sensor principles complicate the design and handling of the device.

Ein Kraftaufnehmer, insbesondere eine Wägezelle, ist bekannt aus der DE 10 2011 076 006 B3 . Die hierin offenbarte Vorrichtung umfasst einen Biegekörper, der durch eine äußere Krafteinwirkung auslenkbar ist, und einen Sensor, bestehend aus zwei Sensorteilen, die ein von der relativen Position der Sensorteile zueinander abhängiges Sensorsignal erzeugen, welches repräsentativ für die Auslenkung des Biegekörpers ist. Hierbei ist jedes der Sensorteile auf einem starren Balken in einem Hohlraum des Biegekörpers angebracht. Die Balken sind jeweils an den gegenüberliegenden Enden des Biegekörpers, dessen eines Ende fixiert und damit nicht auslenkbar ist und dessen anderes Ende frei und damit auslenkbar ist, montiert, sodass sie sich und damit die auf dem Biegekörper angeordneten Sensorteile bei dessen Auslenkung in vertikaler Richtung gegeneinander verschieben. Um dieser vertikalen Verschiebung entgegenzuwirken, ist ein elektromechanischer Aktor zwischen dem starren Balken am freien Ende des Biegekörpers und dem darauf montierten Sensorteil angebracht. Mittels einer Steuereinrichtung wird der Aktor in Abhängigkeit von dem Sensorsignal so angesteuert, dass sich das Sensorteil, welches sich auf dem starren Balken an dem freien Ende des Biegekörpers befindet, in vertikaler Richtung angehoben wird und sich somit der Positionsunterschied der beiden Sensorteile verringert. Bei vollständiger Kompensation des vertikalen Positionsunterschiedes ist das Aktoreingangssignal eine repräsentative Messgröße für die äußere Krafteinwirkung. Nachteilig dabei ist, dass der Aktor lediglich der relativen Auslenkung der Sensorteile entgegenwirkt, der Biegekörper selbst aber ausgelenkt bleibt. Da der Biegekörper im ausgelenkten Zustand auf Änderungen der äußeren Krafteinwirkung jedoch geringfügig anders reagiert als im nicht ausgelenkten Zustand, ergeben sich bei der Kraftmessung Effekte, wie zum Beispiel Nichtlinearität oder Kriechen, die ohne aufwendige Korrekturmaßnahmen zu ungenauen Messergebnissen führen. A force transducer, in particular a load cell, is known from the DE 10 2011 076 006 B3 , The device disclosed herein comprises a flexure deflectable by an external force, and a sensor consisting of two sensor portions which generate a sensor signal dependent on the relative position of the sensor portions which is representative of the deflection of the flexure. Here, each of the sensor parts is mounted on a rigid beam in a cavity of the bending body. The beams are each mounted at the opposite ends of the bending body, one end of which is free to deflect and the other end is free and thus deflectable, so that they and thus arranged on the bending body sensor parts in its deflection in the vertical direction against each other move. To counteract this vertical displacement, an electromechanical actuator is mounted between the rigid beam at the free end of the flexure and the sensor part mounted thereon. By means of a control device, the actuator is controlled in response to the sensor signal so that the sensor part, which is located on the rigid beam at the free end of the bending body is raised in the vertical direction and thus reduces the position difference of the two sensor parts. When complete compensation of the vertical position difference, the actuator input signal is a representative measure of the external force. The disadvantage here is that the actuator only counteracts the relative deflection of the sensor parts, but the bending body itself remains deflected. Since the bending body in the deflected state, however, reacts slightly differently to changes in the external force effect than in the undeflected state, the force measurement results in effects such as non-linearity or creep, which lead to inaccurate measurement results without costly corrective measures.

Aufgabenstellung task

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gattungsgemäße Kraftmessvorrichtung derart weiterzubilden, dass bei vereinfachtem Aufbau eine geringere Anfälligkeit gegenüber Umgebungseinflüssen realisiert wird. It is the object of the present invention to further develop a generic force measuring device in such a way that, with a simplified construction, a lower susceptibility to environmental influences is realized.

Darlegung der Erfindung Presentation of the invention

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass Sensor und Aktor jeweils mindestens eine mit der Steuereinrichtung verbundene Steuerelektrode und eine gemeinsame, mit dem Biegekörper verbundene Gegenelektrode umfassen, die durch die äußere Krafteinwirkung auslenkbar und so zwischen den Steuerelektroden angeordnet ist, dass sich durch Auslenkung der Gegenelektrode die Abstände zwischen der Gegenelektrode und den Steuerelektroden verändern. Insbesondere kann eine solche Kraftmessvorrichtung als Wägevorrichtung zur Messung einer von einem zu wägendem Objekt ausgeübten Gewichtskraft verwendet werden. This object is achieved in conjunction with the features of the preamble of claim 1, characterized in that the sensor and actuator each comprise at least one control electrode connected to the control electrode and a common, connected to the bending body counter electrode, deflected by the external force and thus between the control electrodes is arranged that change by deflection of the counter electrode, the distances between the counter electrode and the control electrodes. In particular, such Force measuring device can be used as a weighing device for measuring a force exerted by a weight object to be weighed.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Preferred embodiments are subject of the dependent claims.

Aktor und Sensor funktionieren beide nach dem kapazitiven Wirkprinzip, bei dem die elektrischen Ladungen der Steuerelektroden mit denen der Gegenelektrode wechselwirken. Aktor und Sensor wirken somit als zwei Kondensatoren mit einer gemeinsamen Kondensatorplatte, nämlich der Gegenelektrode und jeweils einer eigenen Kondensatorplatte, nämlich der Aktor-Steuerelektrode bzw. der Sensor-Steuerelektrode. So bewirkt die Auslenkung der Gegenelektrode, die sich bei äußerer Krafteinwirkung aus einer Auslenkung des Biegekörpers ergibt, eine Kapazitätsänderung des Sensor-Kondensators, die z.B. durch eine Spannungs- oder Strommmessung an der Sensor-Steuerelektrode gemessen werden kann. Man erhält eine für die Auslenkung repräsentative Messgröße. Umgekehrt bewirkt eine aktive Änderung der Ladung auf der Aktor-Steuerelektrode eine Änderung der elektrostatischen Kraft zwischen der Aktor-Steuerelektrode und der Gegenelektrode und ermöglicht daher die Ausübung einer zusätzlich zur äußeren Kraft wirkenden Kompensationskraft auf die Gegenelektrode und damit auf den Biegekörper. Bei geeigneter Regelung wirkt die Kompensationskraft zu jedem Zeitpunkt der äußeren Kraft genau so stark entgegen, dass der Biegekörper in seine Nulllage zurückgeführt wird und der hierfür erforderlich Steuerstrom ein Maß für die äußere Krafteinwirkung ist. Äußere Einflüsse, wie Temperaturänderungen oder Schwankungen in der Luftfeuchtigkeit, die eine Änderung des Dielektrikums zwischen Steuerelektrode und Gegenelektrode verursachen, wirken sich somit in gleichem Maße auf den Sensor als auch den Aktor aus und haben damit keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Actuator and sensor both work according to the capacitive action principle, in which the electrical charges of the control electrodes interact with those of the counter electrode. Actuator and sensor thus act as two capacitors with a common capacitor plate, namely the counter electrode and each with its own capacitor plate, namely the actuator control electrode and the sensor control electrode. Thus, the deflection of the counterelectrode resulting from external deflection of the flexure results in a capacitance change of the sensor capacitor, e.g. can be measured by a voltage or current measurement on the sensor control electrode. This gives a representative of the deflection measurement. Conversely, an active change in the charge on the actuator control electrode causes a change in the electrostatic force between the actuator control electrode and the counter electrode and therefore enables the exercise of a compensation force in addition to the external force on the counter electrode and thus on the bending body. With suitable control, the compensation force counteracts the external force just as strongly at each point in time that the bending body is returned to its zero position and the control current required for this is a measure of the external force. External influences, such as temperature changes or fluctuations in the air humidity, which cause a change in the dielectric between the control electrode and the counter electrode, thus have the same effect on the sensor and the actuator and thus have no influence on the measurement accuracy.

Zur Realisierung der Regelung umfasst die erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung eine Steuereinrichtung, welche das Sensorsignal misst, gegebenenfalls verstärkt und so weiterverarbeitet, dass es als Eingangssignal der Aktor-Steuerelektrode nutzbar ist. Darüber hinaus umfasst die Steuereinrichtung eine Kontroll- und Auswerteelektronik sowie Softwarekorrekturfaktoren, die z.B. aus linearen Übersetzungsfunktionen, die die Messgröße in Abhängigkeit der äußeren Krafteinwirkung darstellen, ermittelbar sind. In order to implement the control, the force measuring device according to the invention comprises a control device which measures the sensor signal, optionally amplifies it and processes it further in such a way that it can be used as the input signal of the actuator control electrode. In addition, the control device comprises control and evaluation electronics as well as software correction factors, e.g. From linear translation functions, which represent the measured variable as a function of the external force, can be determined.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass der gesamte Biegekörper aufgrund der Regelung zu jedem Zeitpunkt in seiner Nulllage gehalten wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn während eines Messvorganges nach einer initialen äußeren Krafteinwirkung eine Kraftänderung erfolgt, da diese dann wie die initiale äußere Krafteinwirkung aus der Nulllage heraus gemessen werden kann, in der die Auslenkung des Biegekörpers linear zur äußeren Krafteinwirkung ist. A particular advantage of the device according to the invention is that the entire bending body is kept in its zero position at any time due to the regulation. This is particularly advantageous when a force change takes place during a measurement process after an initial external force, since this can then be measured like the initial external force from the zero position out, in which the deflection of the bending body is linear to the external force.

Bevorzugt ist das Sensorsignal eine an der mindestens einen Sensor-Steuerelektrode anliegende Spannung und das Aktorsignal ein Strom, der eine Ladungsänderung auf der mindestens einen Aktor-Steuerelektrode bewirkt. Bei Auslenkung der Gegenelektrode durch eine äußere Krafteinwirkung ändert sich der Abstand zwischen Gegenelektrode und Sensor-Steuerelektrode. Damit ändert sich die Kapazität des Sensor-Kondensators. Bei fester Ladungsmenge auf der Sensor-Steuerelektrode ändert sich damit die an der Sensor-Steuerelektrode anliegende Spannung. Die an der Sensor-Steuerelektrode anliegende Spannung wird von der Steuereinrichtung gemessen und so verarbeitet, dass sie bzw. ein von ihr abgeleitetes Signal als Eingangssignal der Aktor-Steuerelektrode verwendet werden kann. Das daraus resultierende Eingangssignal der Aktor-Steuerelektrode ist bevorzugt ein Strom, der eine Ladungsänderung auf der Aktor-Steuerelektrode und somit eine Änderung der Kraft zwischen Aktor-Steuerelektrode und Gegenelektrode bewirkt. Hierdurch werden die Gegenelektrode und der Biegekörper in ihre Nulllage zurückgeführt und die an der Sensor-Steuerelektrode angelegte Spannung entspricht wieder der Spannung, die vor der äußeren Krafteinwirkung an der Sensor-Steuerelektrode angelegen hatte. The sensor signal is preferably a voltage applied to the at least one sensor control electrode and the actuator signal is a current which causes a change in charge on the at least one actuator control electrode. Upon deflection of the counter electrode by an external force, the distance between the counter electrode and the sensor control electrode changes. This changes the capacitance of the sensor capacitor. With a fixed charge quantity on the sensor control electrode, the voltage applied to the sensor control electrode thereby changes. The voltage applied to the sensor control electrode is measured by the control device and processed so that it or a signal derived from it can be used as an input signal of the actuator control electrode. The resulting input signal of the actuator control electrode is preferably a current which causes a charge change on the actuator control electrode and thus a change in the force between the actuator control electrode and the counter electrode. As a result, the counterelectrode and the bending body are returned to their zero position and the voltage applied to the sensor control electrode again corresponds to the voltage that had been applied before the external force on the sensor control electrode.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Gegenelektrode Teil einer mit dem Biegekörper verbundenen Hebelstruktur. Dies führt zu einer Kraftübersetzung, sodass die am Sensor gemessenen Kräfte und die am Aktor agierenden Kräfte weitaus geringer sind als die äußere Krafteinwirkung der Kraftmessvorrichtung. Durch eine solche Hebelstruktur wird also die benötigte Größe der Steuerelektroden, die von der Größenordnung der wirkenden Kräfte abhängig ist, reduziert und eine bessere Handhabung der Kraftmessvorrichtung ermöglicht. Darüber hinaus wird eine kleine Auslenkung des Biegekörpers in eine große Auslenkung der Gegenelektrode übersetzt, die von einem Sensor genauer erfasst wird und somit zu einer Verbesserung der Auflösung führt. Weiterhin ermöglicht eine solche Hebelstruktur, wenn der Biegekörper auf einem quasi punktartigen, d.h. im Verhältnis zur Lateralausdehnung des Biegekörpers sehr kleinen Lager der Hebelstruktur gelagert, ist die Entkopplung eines Kippmoments um die Längsachse des Biegekörpers von der Messung der äußeren Krafteinwirkung. According to a further preferred embodiment of the invention, the counter-electrode is part of a lever structure connected to the bending body. This leads to a force transmission, so that the forces measured at the sensor and acting on the actuator forces are much lower than the external force of the force measuring device. By such a lever structure so the required size of the control electrodes, which is dependent on the magnitude of the forces acting, reduced and allows better handling of the force measuring device. In addition, a small deflection of the bending body is translated into a large deflection of the counter electrode, which is detected more accurately by a sensor and thus leads to an improvement of the resolution. Furthermore, such a lever structure, when the bending body on a quasi-point-like, i. stored in relation to the lateral extent of the bending body very small bearing of the lever structure, the decoupling of a tilting moment about the longitudinal axis of the bending body from the measurement of the external force.

Um die am Sensor und Aktor wirkenden Kräfte optimal nutzen und ggf. berechnen zu können, ist es besonders vorteilhaft, die Steuerelektroden und die Gegenelektrode parallel zueinander und als ebene Platten anzuordnen. In der einfachsten Ausführungsform der Erfindung ist genau eine Aktor-Steuerelektrode und genau eine Sensor-Steuerelektrode vorhanden, wobei einerseits der Gegenelektrode eine Aktor-Steuerelektrode und andererseits der Gegenelektrode eine Sensor-Steuerelektrode angeordnet ist. In einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Aktor-Steuerelektroden und mehrere Sensor-Steuerelektroden vorhanden, wobei beiderseits der Gegenelektrode jeweils mindestens eine Aktor- und eine Sensor-Steuerelektrode angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass mehrere Sensor- und Aktorsignale zur Messung und Ansteuerung der Gegenelektrode genutzt werden können und so zum Beispiel über mehrere Signale gemittelt werden kann, was das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Sensors und damit die Aktoransteuerung verbessert. Alternativ oder zusätzlich zur Mittelung kommt auch die Ansteuerung von Sensor und/oder Aktor als Differentialkondensator in Frage. In order to make optimal use of the forces acting on the sensor and actuator and, if necessary, to be able to calculate them, it is particularly advantageous to arrange the control electrodes and the counter electrode parallel to one another and as flat plates. In the simplest Embodiment of the invention is exactly one actuator control electrode and exactly one sensor control electrode present, on the one hand the counter electrode, an actuator control electrode and on the other hand, the counter electrode, a sensor control electrode is arranged. In a further embodiment, a plurality of actuator control electrodes and a plurality of sensor control electrodes are provided, wherein at least one actuator and one sensor control electrode are arranged on each side of the counter electrode. This has the advantage that a plurality of sensor and actuator signals can be used to measure and control the counter electrode and thus can be averaged over several signals, for example, which improves the signal-to-noise ratio of the sensor and thus the Aktoransteuerung. Alternatively or in addition to averaging, the control of sensor and / or actuator as a differential capacitor in question.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, in der die Aktor-Steuerelektrode als Ringscheibe und die Sensor-Steuerelektrode als Ring- oder Kreisscheibe ausgebildet sind, wobei der Innenradius der Aktor-Steuerelektrode größer ist als der Außenradius der Sensor-Steuerelektrode und die Sensor-Steuerelektrode konzentrisch innerhalb der Aktor-Steuerelektrode angeordnet ist. Durch die größere Aktor-Steuerelektrode und die damit größere Kapazität im Vergleich zu der Kapazität der Sensor-Steuerelektrode, ist die Krafteinwirkung der Aktor-Steuerelektrode auf die Gegenelektrode größer und es kann eine wirkungsvollere Rückstellung der Gegenelektrode in ihre Nulllage erwirkt werden. Auch bei dieser Elektrodenform ist eine vorerwähnte paarweise Anordnung, d.h. die Anordnung jeweils mindestens einer Sensor- und mindestens einer Aktor-Steuerelektrode auf jeder Seite der Gegenelektrode möglich. Particularly advantageous is an embodiment in which the actuator control electrode as an annular disc and the sensor control electrode are formed as a ring or circular disk, wherein the inner radius of the actuator control electrode is greater than the outer radius of the sensor control electrode and the sensor control electrode concentric within the actuator control electrode is arranged. Due to the larger actuator control electrode and thus larger capacity compared to the capacitance of the sensor control electrode, the force of the actuator control electrode on the counter electrode is larger and it can be a more effective provision of the counter electrode is brought to its zero position. Also in this electrode form is a aforementioned pairwise arrangement, i. the arrangement of at least one sensor and at least one actuator control electrode on each side of the counter electrode possible.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen. Further features and advantages of the invention will become apparent from the following specific description and the drawings.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Es zeigen: Show it:

1: eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Kraftmessvorrichtung ohne äußere Krafteinwirkung, 1 FIG. 2: a side view of an embodiment of a force measuring device without external force, FIG.

2: eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Kraftmessvorrichtung mit äußerer Krafteinwirkung, 2 FIG. 3: a side view of an embodiment of a force measuring device with external force, FIG.

3: eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform zweier ringförmiger Steuerelektroden-Paare mit Gegenelektrode. 3 FIG. 2: a perspective view of an embodiment of two counter-electrode ring-shaped control electrode pairs. FIG.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen Description of preferred embodiments

1 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Kraftmessvorrichtung, wobei der Biegekörper 10 als Teil einer Wägevorrichtung ausgeführt ist. Der Biegekörper 10, bestehend aus einem Körper 14 und einer Aussparung 11, ist an seiner einen Seite fixiert und an seiner losen Seite an eine Hebelstruktur 20 gekoppelt. Die Hebelstruktur 20 umfasst ein Koppelelement 21 und einen Hebelarm 25, welcher so an einem Stützpunkt 24 angebracht ist, dass sein kurzes Ende ihn mit dem Koppelelement 21 verbindet und sein langes Ende ihn mit einer Gegenelektrode 31 verbindet. Die Gegenelektrode 31 ist Teil der Hebelstruktur 20 und ist an ihrem losen Ende zwischen zwei Steuerelektroden 30, von denen eine Aktor- und eine Sensor-Steuerelektrode ist, angeordnet. Hierbei bestehen die Gegenelektrode 31 und die Steuerelektrode 30, von denen eine Aktor-Steuerelektrode und eine Sensor-Steuerelektrode ist, aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. Metall. Vorzugsweise ist die Gegenelektrode 31 geerdet und die Steuerelektroden 30 liegen jeweils auf einem definierten Spannungspotenzial (nicht eingezeichnet). Da auf den Biegekörper 10 keine äußere Krafteinwirkung 13 (siehe 1) ausgeübt wird, sind der Biegekörper 10, sowie der Hebelarm 25 und die Gegenelektrode 31 nicht ausgelenkt. Der Biegekörper 10 und die Gegenelektrode 31 befinden sich somit jeweils in ihrer Nulllage 12 bzw. 34. Die Steuerelektroden 30 sind in der in 1 dargestellten Ausführungsform jeweils als planparallele Kondensatorplatten ausgebildet und über eine Steuereinrichtung (nicht eingezeichnet) miteinander zur Bildung eines Regelkreises verschaltet. 1 shows a side view of an embodiment of a force measuring device, wherein the bending body 10 is executed as part of a weighing device. The bending body 10 consisting of a body 14 and a recess 11 , is fixed on its one side and on its loose side to a lever structure 20 coupled. The lever structure 20 includes a coupling element 21 and a lever arm 25 , which is so at a base 24 attached is that his short end him with the coupling element 21 connects and its long end him with a counter electrode 31 combines. The counter electrode 31 is part of the lever structure 20 and is at its loose end between two control electrodes 30 of which an actuator and a sensor control electrode is arranged. Here are the counter electrode 31 and the control electrode 30 of which an actuator control electrode and a sensor control electrode are made of an electrically conductive material, eg metal. Preferably, the counter electrode 31 grounded and the control electrodes 30 each lie on a defined voltage potential (not shown). There on the bending body 10 no external force 13 (please refer 1 ) is the bending body 10 , as well as the lever arm 25 and the counter electrode 31 not distracted. The bending body 10 and the counter electrode 31 are thus each in their zero position 12 respectively. 34 , The control electrodes 30 are in the in 1 illustrated embodiment each formed as a plane-parallel capacitor plates and interconnected via a control device (not shown) to form a control loop.

2 zeigt eine Kraftmessvorrichtung in einer Ausführungsform wie in 1 beschrieben und mit äußerer Krafteinwirkung 13. Der Biegekörper 10 besteht hierbei aus einem Körper 14 mit einer Aussparung 11, die den Biegekörper 10 bei äußerer Krafteinwirkung elastisch verformbar macht. Die am losen Ende des Biegekörpers 10 angreifende äußere Krafteinwirkung 13 wird mittels des Koppelelements 21 auf den Hebelarm 25 übertragen. Hierbei wird die Gegenelektrode 31 aus ihrer Nulllage 34 heraus ausgelenkt und nähert sich der einen Steuerelektrode in dem Maße, in dem sie sich von der anderen Steuerelektrode 30 entfernt. Die hierdurch veränderte Kapazität zwischen der Steuerelektrode 30, die zugleich Sensor-Steuerelektrode 32 ist, und der Gegenelektrode 31 bewirkt eine Änderung des an der Sensor-Steuerelektrode 32 anliegenden Spannungspotenzials, welches von der Steuereinrichtung (nicht eingezeichnet) gemessen wird. Das von der Steuereinrichtung gemessene Sensorsignal wird so weiterverarbeitet, dass ein vom Sensorsignal abgeleitetes Eingangssignal an die Aktor-Steuerelektrode 33 übermittelt werden kann. Das Eingangssignal für die Aktor-Steuerelektrode 33 ist dann ein Strom, welcher die elektrische Ladung auf der Aktor-Steuerelektrode 33 und somit das zwischen Aktor- und Gegenelektrode 33, 31 befindende elektrische Feld so ändert, dass eine Kraft auf die Gegenelektrode 31 ausgeübt wird und die Auslenkung der Gegenelektrode 31 aus ihrer Nulllage 34 reduziert bzw. die Gegenelektrode 31 vollständig zurück in ihre Nulllage 34 gebracht wird. Mit der Rückstellung der Gegenelektrode 31 in ihre Nulllage 34 wird über die Hebelstruktur 20 auch der Biegekörper 10 zurück in seine Nulllage 12 gebracht. Hierdurch befindet sich die Kraftmessvorrichtung mit äußerer Krafteinwirkung 13 in einer Position, die der Position entspricht, die die Kraftmessvorrichtung ohne äußere Krafteinwirkung inne hatte und wie in 1 dargestellt. 2 shows a force measuring device in an embodiment as in 1 described and with external force 13 , The bending body 10 consists of a body 14 with a recess 11 that the bending body 10 makes elastically deformable at external force. The at the loose end of the bending body 10 attacking external force 13 is by means of the coupling element 21 on the lever arm 25 transfer. This is the counter electrode 31 from their zero position 34 deflected out and approaches the one control electrode to the extent that it moves away from the other control electrode 30 away. The thus changed capacity between the control electrode 30 , which at the same time sensor control electrode 32 is, and the counter electrode 31 causes a change in the at the sensor control electrode 32 applied voltage potential, which is measured by the control device (not shown). The sensor signal measured by the control device is further processed such that an input signal derived from the sensor signal is sent to the actuator control electrode 33 can be transmitted. The input signal for the actuator control electrode 33 is then a stream, which the electric charge on the actuator control electrode 33 and thus between the actuator and counter electrode 33 . 31 electric field so changes that a force on the counter electrode 31 is exercised and the deflection of the counter electrode 31 from their zero position 34 reduced or the counter electrode 31 completely back to their zero position 34 is brought. With the return of the counter electrode 31 in their zero position 34 is about the lever structure 20 also the bending body 10 back to its zero position 12 brought. As a result, there is the force measuring device with external force 13 in a position corresponding to the position that the force measuring device had without external force and as in 1 shown.

3 zeigt eine besondere Ausführungsform der Steuerelektroden 30, in der jeweils ein Steuerelektrodenpaar 35, bestehend aus einer Sensor-Steuerelektrode 32 und einer Aktor-Steuerelektrode 33 an jeder Seite einer Gegenelektrode 31 angeordnet ist. Hierbei sind Aktor-Steuerelektrode 33 und Sensor-Steuerelektrode 32 ringförmig und so ausgebildet, dass der Innenradius der Aktor-Steuerelektrode 33 größer als der Außenradius der Sensor-Steuerelektrode 32 ist und die Sensor-Steuerelektrode 32 konzentrisch innerhalb der Aktor-Steuerelektrode 33 angeordnet ist. Hierbei ist auch vorstellbar, dass die Sensor-Steuerelektrode 32 als kreisscheibenförmige Kondensatorplatte ausgeführt ist. Die jeweiligen Maße der Innen- und Außenradien der Sensor- und Aktor-Steuerelektroden der beidseitig an der Gegenelektrode 31 angeordneten Steuerelektrodenpaare 35 sind vorzugsweise identisch. 3 shows a particular embodiment of the control electrodes 30 , in each case a control electrode pair 35 consisting of a sensor control electrode 32 and an actuator control electrode 33 on each side of a counter electrode 31 is arranged. Here are actuator control electrode 33 and sensor control electrode 32 annular and formed so that the inner radius of the actuator control electrode 33 greater than the outer radius of the sensor control electrode 32 is and the sensor control electrode 32 concentric within the actuator control electrode 33 is arranged. It is also conceivable that the sensor control electrode 32 is designed as a circular disk-shaped capacitor plate. The respective dimensions of the inner and outer radii of the sensor and actuator control electrodes on both sides of the counter electrode 31 arranged control electrode pairs 35 are preferably identical.

Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Of course, the embodiments discussed in the specific description and shown in the figures represent only illustrative embodiments of the present invention. A broad range of possible variations will be apparent to those skilled in the art in light of the disclosure herein.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10 10: Biegekörper flexure
11 11: Aussparung recess
12 12: Nulllage des Biegekörpers Zero position of the bending body
13 13: äußere Krafteinwirkung external force
14 14: Körper body
20 20: Hebelstruktur lever structure
21 21: Koppelelement coupling element
24 24: Stützpunkt base
25 25: Hebelarm lever arm
30 30: Steuerelektrode control electrode
31 31: Gegenelektrode counter electrode
32 32: Sensor-Steuerelektrode Sensor control electrode
33 33: Aktor-Steuerelektrode Actuator control electrode
34 34: Nulllage der Gegenelektrode Zero position of the counter electrode
35 35: Steuerelektrodenpaar Control electrode pair

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102011076006 B3 [0003]

Claims

Force measuring device, comprising - a bending body ( 10 ), which without external force ( 13 ) in a zero position ( 12 ) and which by an external force ( 13 ) is deflectable, - a sensor, by means of which a of the deflection of the bending body ( 10 ) dependent signal and can be transmitted to a control device and - an actuator which is controlled by the control device in response to the sensor signal via an actuator signal so that thereby a restoring force against the external force ( 13 ) on the bending body ( 10 ) is exercisable, and thus the bending body ( 10 ) in the zero position ( 12 ) is convertible back, wherein by the control device for the external force ( 13 ) representative measured variable can be determined from the actuator signal, characterized in that the sensor and actuator each have at least one control electrode connected to the control ( 30 ) and a common, connected to the bending body counter electrode ( 31 ) caused by the external force ( 13 ) deflectable and so between the control electrodes ( 30 ) is arranged, that by deflection of the counter electrode ( 31 ) the distances between the counter electrode ( 31 ) and the control electrodes ( 30 ) change.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the sensor signal at the at least one sensor control electrode ( 32 ), and the actuator signal is a current which causes a charge change on the at least one actuator control electrode ( 33 ) is, is.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the actuator, the sensor and the control device are interconnected in a control loop.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the counterelectrode ( 31 ) Part of one with the bending body ( 10 ) ( 20 ).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the control electrodes ( 30 ) and the counterelectrode ( 31 ) are parallel to each other.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the control electrodes ( 30 ) are formed as flat plates.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that exactly one actuator control electrode ( 33 ) and exactly one sensor control electrode ( 32 ) is present, on the one hand, the counter electrode ( 31 ) an actuator control electrode ( 33 ) and on the other hand, the counter electrode ( 31 ) a sensor control electrode ( 32 ) is arranged.

Device according to one of claims 1-6, characterized in that a plurality of actuator control electrodes ( 33 ) and several sensor control electrodes ( 32 ) are present, on both sides of the counter electrode ( 31 ) at least one actuator and a sensor control electrode ( 33 . 32 ) are arranged.

Device according to one of claims 1 to 5 and 8, characterized in that the actuator control electrode ( 33 ) are formed as an annular disc and the sensor control electrode as a ring or circular disk, wherein the inner radius of the actuator control electrode ( 33 ) is greater than the outer radius of the sensor control electrode ( 32 ) and the sensor control electrode ( 32 ) concentrically within the actuator control electrode ( 33 ) is arranged.