DE2921614A1

DE2921614A1 - CAPACITIVE LOAD SOCKET AND METHOD FOR THEIR PRODUCTION

Info

Publication number: DE2921614A1
Application number: DE19792921614
Authority: DE
Inventors: Howard Bradbury
Original assignee: National Controls Inc
Current assignee: National Controls Inc
Priority date: 1978-05-30
Filing date: 1979-05-28
Publication date: 1980-03-27
Also published as: JPS5513894A; GB2023843B; GB2023843A; BR7903277A; SE7904630L; FR2427592A1; ZA792588B; NO791775L; AU4751379A; AR216848A1; AU521893B2; CA1112893A; DK220879A

Description

description

Die Erfindung betrifft Kraftumwandler und insbesondere eine Kraftmeßdose mit einer elektrischen Kapazität, die von der angelegten Kraft abhängt, wie beispielsweise dem Gewicht einer Last.The invention relates to force transducers, and more particularly a load cell with an electrical capacitance that depends on the applied force, such as the Weight of a load.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für die Anwendung bei elektronischen Waagen, insbesondere solchen Waagen, die ein digitales Ausgangssignal oder eine Gewichtsanzeige haben. Bisher für die Verwendung in solchen Waagen eingesetzte Kraftmeßdosen haben im allgemeinen Biegeelemente aus Materialien, welche eine Hysterese und ein Kriechen aufweisen, welche zu ungenauen Ablesungen führen können und die Genauigkeit und Auflösung der Waagen auch in anderer Weise begrenzen.The invention is particularly suitable for use in electronic scales, in particular such Scales that have a digital output signal or a weight display. Previously for use in Load cells used in such scales generally have flexures made of materials which have a Exhibit hysteresis and creep which can lead to inaccurate readings and the accuracy and resolution of the scales in other ways.

Es wurde nun gefunden, daß ein keramisches Material, das man bisher für zu spröde für die Verwendung in Biegeelementen gehalten hat, eine nahezu perfekte Elastizität bei Raumtemperatur und anderen Temperaturen innerhalb des Bereichs aufweist, in welchem Waagen normalerweise arbeiten. Es hat sich gezeigt, daß eine Kraftmeßdose mit einem Biegeelement aus keramischen Material im wesentlichen frei von Hysterese und kriechfrei ist und daß man wesentlich genauere Anzeigen und eine größere Auflösung als bei Kraftmeßdosen erhält, welche herkömmliche Materialien verwenden.It has now been found that a ceramic material, which was previously thought to be too brittle for use in bending elements, an almost perfect elasticity at room temperature and other temperatures within the range in which balances normally work. It has been shown that a load cell with a bending element made of ceramic material essentially is free of hysteresis and creep-free and that you get much more precise displays and a greater resolution than with load cells using conventional materials.

Erfindungsgemäß wird eine kapazitive Kraftmeßdose verwendet, die eine erste Platte, die in einer ortsfesten Stellung angebracht ist, und eine zweite Platte aufweist, die an einem Arm aus keramischen Material der ersten Platte gegenüberliegend sitzt. Die an die Kraftmeßdose angelegten Belastungen führen zu einem Biegen des keramischen Arms und zu einer Änderung des Abstands zwischen den Platten, so daßAccording to the invention, a capacitive load cell is used, which has a first plate in a stationary Position is attached, and has a second plate attached to an arm of ceramic material of the first plate sitting opposite. The loads applied to the load cell cause the ceramic arm to flex and to a change in the distance between the plates, so that

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man eine der Last entsprechende Kapazität erhält. Bei einer bevorzuaten Ausführungsform wird ein Körper aus einem Block aus keramischen Material mit einem Paar von im wesentlichen starren äußeren Armen und einem relativ flexiblen zentralen Arm gebildet. An den zentralen Armen sind Metallisierungsschichten ausgebildet. Von den äußeren Armen werden die Metallisierungsschichten an dem zentralen Arm gegenüberliegende Statorplatten getragen.a capacity corresponding to the load is obtained. At a A preferred embodiment is a body from a Block of ceramic material having a pair of substantially rigid outer arms and one relative flexible central arm formed. Metallization layers are formed on the central arms. From the outside Arms are supported by the metallization layers on the central arm opposite stator plates.

Erfindungsgemäß wird somit eine neue und verbesserte kapazitive Kraftmeßdose sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung geschaffen. Die Kraftmeßdose schließt die Probleme aus, die bei den bekannten Kraftmeßdosen durch Hysterese und Kriechen auftreten.According to the invention there is thus a new and improved one capacitive load cell and a method for their manufacture created. The load cell closes the problems that occur with the known load cells due to hysteresis and creep.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine kapazitive Kraftmeßdose mit einem Körper, der aus einem keramischen Material hergestellt ist und der im wesentlichen starre äußere Arme und einen relativ flexiblen .mittleren Arm hat. Von den Armen werden einander gegenüberliegend elektrisch leitende Platten getragen. An den zentralen Arm wird eine Last angelegt, die ihn biegt und den Abstand zwischen den Platten ändert.The invention is thus a capacitive load cell with a body made of a ceramic Material is made and which has substantially rigid outer arms and a relatively flexible .mittleren arm. Of the Arms are supported opposite electrically conductive plates. A load is placed on the central arm, which bends it and changes the distance between the plates.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:The invention is explained in more detail, for example, with the aid of the drawings. It shows:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Kraftmeßdose;Fig. 1 is a side view of a first embodiment a load cell;

Fig. 2 eine Stirnansicht der Kraftmeßdose von Fig. 1 ; Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 von Fig. 2;Fig. 2 is an end view of the load cell of Fig. 1; Figure 3 is a section along line 3-3 of Figure 2;

Fig. 4 eine isometrische Rückansicht des Körpers der Kraftmeßdose von Fig. 1;Figure 4 is a rear isometric view of the body of the load cell of Figure 1;

Fig. 5 eine isometrische Ansicht einer der Statorplatten der Kraftmeßdose von Fig. 1;Figure 5 is an isometric view of one of the stator plates of the load cell of Figure 1;

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Fig. 6 eine Unteransicht einer der Statorplatten der Kraftmeßdose von Fig. 1;Figure 6 is a bottom plan view of one of the stator plates of the load cell of Figure 1;

Fig. 7 eine Seitenansicht der Kraftmeßdose von Fig. 1_# die an der Rückplatte eines Hebelsystems zum Anliegen von Lasten an die Kraftmeßdose angebracht ist;Fig. 7 is a side elevational view of the load cell of Fig. 1 _# attached to the back plate of a lever system for applying loads to the load cell;

Fig. 8 eine Draufsicht auf die Vorrichtung von Fig. 7;Fig. 8 is a plan view of the device of Fig. 7;

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer Ausfuhrungsform einer Schaltung wie sie bei der Kraftmeßdose von Fig. 1 verwendet werden kann;9 is a block diagram of an embodiment of a Circuit as can be used in the load cell of Figure 1;

Fig. 10 auseinandergezogen,, isometrisch und teilweise geschnitten, eine zweite Ausführungsform einer Kraftmeßdose;Fig. 10 exploded, isometric and partial cut, a second embodiment of a Load cell;

Fig. 11 eine Stirnansicht der Kraftmeßdose von Fig. 10; undFig. 11 is an end view of the load cell of Fig. 10; and

Fig. 12 einen Schnitt längs der Linie 12-12 von Fig.FIG. 12 is a section along line 12-12 of FIG.

Die in den Fig. 1 bis 6 gezeigte Kraftmeßdose hat einen insgesamt I-förmigen Körper 11 und einen mittleren Arm 16, der sich horizontal davon ausgehend erstreckt. Die oberen und unteren Arme sind im wesentlichen starr. Der mittlere Arm ist relativ flexibel und hat einen Bereich 17 mit reduzierter Stärke, der sich seitlich über den Arm in der Nähe der Basis 12 erstreckt. An der Rückseite der Basis ist eine insgesamt ebene Haltefläche 18 ausgebildet. Vertikal verlaufende Spannungsfreigabeschlitze 19, 21 münden durch die obere und untere Oberfläche der Basis in dem Bereich zwischen der Halteoberfläche und den Armen. Von dem freien oder vorderen Ende des mittleren Arms 16 steht ein zylindrischer Zapfen 22 vor, um die auf die Kraftmeßdose aufgebrachten Belastungen aufzunehmen.The load cell shown in Figs. 1 to 6 has a generally I-shaped body 11 and a central arm 16, the extends horizontally therefrom. The upper and lower arms are essentially rigid. The middle arm is relatively flexible and has an area 17 of reduced thickness that extends laterally over the arm near the base 12 extends. A generally flat holding surface 18 is formed on the rear side of the base. Vertical tension release slots 19, 21 open through the upper and lower Surface of the base in the area between the holding surface and the arms. From the free or front end of the A cylindrical pin 22 protrudes from the middle arm 16 to accommodate the loads applied to the load cell.

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Der Körper 11 ist in einem Stück aus einem Block eines keramischen Materials, wie Aluminiumoxid hergestellt. Bevorzugt wird ein Material, welches in Gew.-Prozent 99,5% Al^Q? und 0,5% andere Oxyde, wie Siliziumoxid, Magnesiumoxid und Calciumoxid enthält (AD-995 Alumina, Coors Porcelain Company, Golden, Colorado). Dieses Material hat eine nahezu perfekte Elastizität. Es können auch andere keramische Materialien mit ähnlichen Eigenschaften verwendet werden.The body 11 is in one piece from a block ceramic material such as alumina. A material is preferred which, in percent by weight, is 99.5% Al ^ Q? and 0.5% other oxides such as silicon oxide, magnesium oxide and calcium oxide (AD-995 Alumina, Coors Porcelain Company, Golden, Colorado). This material has an almost perfect elasticity. Other ceramic ones can also be used Materials with similar properties are used.

An der oberen und unteren Oberfläche des mittleren Arms 16 sind jeweils zu den freien Enden hin Metallisierungsschichten 26, 27 vorgesehen. Wie später noch erläutert wird, bilden diese Schichten Platten von Kondensatoren 31, 32, die ihren Wert entsprechend der anliegenden Last ändern. Die Metallisierungsschichten werden dadurch ausgebildet, daß eine Paste, welche Silber und Glasteilchen suspendiert in einem geeigneten Träger enthält, auf die Oberflächen des Arms aufgebracht wird. Das Material wird dann bei einer Temperatur in der Größenordnung von 900° C gebrannt, um das Glas zu diffundieren und eine Bindung mit dem keramischen Material zu erreichen. Die Metallisierungsschichten werden auf die Vorderseite, die Seiten, die Oberseite und die Unterseite des Körpers aufgebracht. Die Schichten sind miteinander und mit den Schichten 26, 27 elektrisch verbunden. Bei der bevorzugten Ausführungsform Sind diese Schichten mit der Schaltungsmasse verbunden und werden auf Massenpotential bzw. Erdpotential gehalten.On the upper and lower surfaces of the central arm 16, metallization layers 26, 27 are provided in each case towards the free ends. As will be explained later, these layers form plates of capacitors 31, 32, which change their value according to the applied load. the Metallization layers are formed by using a paste, which is silver and glass particles suspended in one suitable carrier is applied to the surfaces of the arm. The material is then at a temperature Fired on the order of 900 ° C to diffuse the glass and bond with the ceramic material to reach. The metallization layers are on the front, the sides, the top and the bottom of the body applied. The layers are electrically connected to one another and to the layers 26, 27. With the preferred Embodiment Are these layers connected to the circuit ground and are connected to ground potential or Earth potential held.

Die Kondensatoren 31, 32 haben ortsfeste Statorplatten in Form von Metallisierungsschichten 33, 34 auf Statorstücken oder Einsatzelementen 36, 37 an den Armen 13, 14. Die Einsatzelemente werden aus insgesamt rechteckigen Blöcken aus keramischem Material, beispielsweise aus dem genannten Aluminiumoxid, hergestellt. Die Metallisierungsschichten 33, 34 bestehend aus dem gleichen Material und werden in der gleichenThe capacitors 31, 32 have stationary stator plates in the form of metallization layers 33, 34 on stator pieces or insert elements 36, 37 on the arms 13, 14. The insert elements are made from rectangular blocks of ceramic material, for example from the aforementioned aluminum oxide, manufactured. The metallization layers 33, 34 are made of the same material and are in the same

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Weise aufgebracht wie die Metallisierungsschichten 26, 27. Die Metallisierung wird ebenfalls auf die Vorderseite und die Seitenflächen der Einsatzelemente aufgebracht. Die Metallisierung auf diesen Flächen ist miteinander verbunden, um einen durchgehenden Leiter zu erhalten, der gegenüber den Metallisierungsschichten 33, 34 isoliert ist. Die Einsatzelemente sind an den Armen 13, 14 durch Kiemen 38, 39 und Schrauben 41, 42 befestigt. Die Klemmen sind aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus Aluminium, hergestellt, das an den elektrisch leitenden Flächen des Körpers und der Einsätze angreift, so daß eine elektrische Kontinuität dazwischen vorgesehen ist.In the same way as the metallization layers 26, 27. The metallization is also applied to the front side and applied to the side surfaces of the insert elements. The metallization on these surfaces is interconnected, in order to obtain a continuous conductor which is insulated from the metallization layers 33,34. The insert elements are attached to the arms 13, 14 by gills 38, 39 and screws 41, 42. The clamps are from one electrically conductive material, for example aluminum, made on the electrically conductive surfaces of the Body and the inserts engages so that electrical continuity is provided therebetween.

Das obere und untere Einsatzelement ist identisch ausgebildet, obwohl das obere Element 36 in einer umgekehrten Position bezüglich des unteren Elements 3 7 angeordnet ist. Eines dieser Elemente ist im einzelnen in den Fig. 5 und 6 gezeigt. In der Oberfläche des Elements sind Isolierschlitze 46 bis 49 ausgebildet, welche dem mittleren Arm des Körpers gegenüberliegen. In der Seite, die dem Arm gegenüberliegt, an dem das Element sitzt, ist eine ausgesparte Fläche 51 vorgesehen. Die Isolierschlitze erstrecken sich insgesamt parallel zum Vorderrand, Hinterrand und den Seitenrändern des Elements und bilden eine Insel 52, auf welcher die Metallisierungsschicht ausgebildet wird. Die Schlitze sorgen für eine elektrische Isolierung zwischen der Platte und der Metallisierung auf -den Außenflächen des Einsatzelements und verhindern ein Streuen an den Rändern des Kondensators. Die Ecken 53 des ausgesparten Bereichs 51 sind mit einem Radius versehen. Die Schlitze 46 bis 49 münden in die ausgesparte Fläche zwischen den Ecken.The upper and lower insert elements are identical, although the upper element 36 is arranged in an inverted position with respect to the lower element 37. One of these elements is shown in detail in FIGS. There are insulating slots in the surface of the element 46 to 49, which face the middle arm of the body. In the side opposite the arm A recessed area 51 is provided on which the element is seated. The insulating slots extend generally parallel to the front edge, rear edge and the side edges of the Elements and form an island 52 on which the metallization layer is formed. The slots take care of electrical insulation between the plate and the metallization on the outer surfaces of the insert element and prevent scattering at the edges of the condenser. The corners 53 of the recessed area 51 are with a radius Mistake. The slots 46 to 49 open into the recessed area between the corners.

Die Einsatzelemente haben Laschen 54, welche von den Seiten für den Eingriff mit den Klemmen 38, 39 vorstehen. Zu den Ecken der Einsatzelemente hin sind Halteklötze 56 fürThe insert members have tabs 54 which protrude from the sides for engagement with the clips 38,39. To the corners of the insert elements are holding blocks 56 for

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den Eingriff mit den Armen ausgebildet, an denen die Elemente sitzen. An. den Metallisierungsschichten 33, sind Drähte 57 angelötet, welche die elektrischen Verbindungen mit den Statorplatten bilden.formed the engagement with the arms on which the Elements sit. At. the metallization layers 33, wires 57 are soldered, which make the electrical connections form with the stator plates.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Abstand zwischen den Platten der Kondensatoren 31, 32 in der Größenordnung von 0,13 mm. Die durch eine an den mittleren Arm 22 angelegte Last hervorgerufene Durchbiegung liegt in der Größenordnung von 0,005 mm. Die Verwendung der Einsatzelemente erleichtert die Herstellung der Kraftmeßdosen mit diesen Abmessungen und den dadurch erforderlichen engen Toleranzen erheblich.In a preferred embodiment, the Distance between the plates of the capacitors 31, 32 on the order of 0.13 mm. The deflection caused by a load applied to the central arm 22 is on the order of 0.005 mm. The use of the insert elements facilitates manufacture the load cells with these dimensions and the narrow tolerances required thereby.

Bei den bevorzugten Herstellungsverfahren für die Kraftmeßdosen nach den Fig. 1 bis 6 werden der Körper 11 und die Einsatzelemente 36, 37 aus insgesamt rechteckigen Blöcken aus keramischem Material durch einen geeigneten spanabhebenden Prozeß, beispielsweise durch Schleifen, hergestellt. Auf den gewünschten Oberflächen des Körpers und der Einsatzelemente werden die Metallisierungsschichten ausgebildet, ehe die Einsatzelemente an den Körper angebracht werden. Die Metallisierung kann nach irgend einem geeigneten Verfahren aufgebracht werden, beispielsweise durch Plattieren oder durch Aufbringen einer aus Silber und Glasteilchen in einem geeigneten Träger bestehenden Paste auf die Oberflächen, wonach die Teile bei einer Temperatur in der Größenordnung von 90O° C gebrannt werden, um das Glas zu diffundieren und die Bindung zu erzielen. Anschließend werden die elektrischen Leitungen angelötet und die Einsatzelemente an den oberen und unteren Armen des Körpers angeordnet und daran durch die Klemmen 38, 39 befestigt.In the preferred manufacturing method for the load cells according to FIGS. 1 to 6, the body 11 and the insert elements 36, 37 from generally rectangular blocks of ceramic material by a suitable machining process, for example by grinding, produced. On the desired surfaces of the body and the insert elements become the metallization layers formed before the insert elements are attached to the body. The metallization can be applied by any suitable method such as plating or application a paste consisting of silver and glass particles in a suitable carrier on the surfaces, after which the parts are fired at a temperature of the order of 90O ° C to form the glass diffuse and achieve the bond. Then the electrical lines are soldered on and the Insert elements placed on the upper and lower arms of the body and attached thereto by the clips 38,39 attached.

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Bei der in den Fig. 7 und 8 gezeigten Ausführungsform ist die Kraftmeßdose an einer starren Rückplatte 61 mittels Haltebügeln 62 und Schrauben 63 angebracht. Die Haltebügel erstrecken sich in die Schlitze 19, 21 und legen die Haltefläche 18 des Körpers an der Vorderseite der Rückplatte durch Klemmen fest.In the embodiment shown in Figures 7 and 8, the load cell is on a rigid back plate 61 attached by means of retaining brackets 62 and screws 63. The retaining brackets extend into the slots 19, 21 and fix the support surface 18 of the body to the front of the backplate by clamping.

An der Rückplatte sind über und unter der Kraftmeßdose mittels Biegeplatten 68 insgesamt parallele A-förmige Hebelarme 66, 67 angelenkt· Die Biegeplatten sind an der Rückplatte und an den Hebelarmen durch Kleinmpl atten 69 und Schrauben 71 befestigt. Zwischen den Hebelarmen erstreckt sich vor der Kraftmeßdose eine Lastbrücke 72, die mit den Hebelarmen durch Biegeplatten 73 und 74 schwenkbar verbunden ist. Am oberen Ende des lastaufnehmenden Teils bei einer Waage befindet sich ein Paßstück 76. Ein Ende der Biegeplatte 73 ist zwischen diesem Paßstück und dem oberen Ende der Lastbrücke durch Klemmen befestigt. Das andere Ende der Biegeplatte 73 ist an den Hebelarmen 66 durch eine Schraube 77 und eine Klemmplatte 78 befestigt. Die Biegeplatte 74 ist an dem Hebelarm 67 und am unteren Ende der Lastbrücke 72 mittels Schrauben 79und Klemmplatten 81 festgelegt. A total of parallel A-shaped lever arms 66, 67 are articulated to the rear plate above and below the load cell by means of bending plates 68. Between the lever arms a load bridge 72 which is pivotally connected to the lever arms by flexure plates 73 and 74 extends in front of the load cell. At the top of the load bearing part on a scale is a fitting 76. One end of the flexure plate 73 is clamped between this fitting and the top of the load bridge. The other end of the flexure plate 73 is attached to the lever arms 66 by a screw 77 and a clamp plate 78. The bending plate 74 is fixed to the lever arm 67 and to the lower end of the load bridge 72 by means of screws 79 and clamping plates 81.

Zwischen dem unteren Ende der Lastbrücke 72 und dem mittleren Arm 16 der Kraftmeßdose erstreckt sich eine Zugstange 82. Das untere Ende der Zugstange ist an dem unteren Ende der Lastbrücke durch eine Schraube 83 befestigt. Das obere Ende der Zugstange ist an dem Zapfen 22 angebracht und mittels einer Schraube 84 befestigt. Teile der Zugstange sind zur Bildung von Biegestellen 86, 87 weggeschnitten, die in vertikalen Ebenen ausgerichtet sind, die insgesamt senkrecht zueinander sind.Extends between the lower end of the load bridge 72 and the middle arm 16 of the load cell a tie rod 82. The lower end of the tie rod is at the lower end of the load bridge by a screw 83 attached. The upper end of the tie rod is attached to the pin 22 and fastened by means of a screw 84. Parts of the tie rod are cut away to form bending points 86, 87 which are in vertical planes are aligned, which are generally perpendicular to each other.

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Ärbeitsweise und Einsatz der Kraftmeßdose werden anhand der Fig. 7 und 8 beschrieben. Ss sei angenommen, daß an dem Paßstück 76 eine Platte oder ein anderes geeignetes lastaufnehmendes Teil angebracht ist. Das Anlegen einer Last an die Platte erzeugt eine Abwärtsbiegung der Lastbrücke 72 _f die auf den Mittelarm 16 der Kraftmeßdose durch die Zugstange 82 übertragen wird. Dadurch biegt sich der mittlere Arm, wodurch der Abstand zwischen den Platten des Kondensators 31 vergrößert und der Abstand zwischen den Platten des Kondensators 32 verringert wird. Da das Ausmaß der Durchbiegung von der Größe der Last abhängt, entspricht die Kapazität eines jeden Kondensators in gleicher Weise der Last. Die Werte der beiden Kapazitäten ändern sich in entgegengesetzten Richtungen, wobei der Wert des Kondensators 31 abnimmt, während der Wert des Kondensators 32 zunimmt, •wenn sich die Belastungen erhöhen. Die parallelen Arme 66 und 67 und die flexible Zugstange dienen zur Isolierung der Kraftmeßdose gegenüber Einflüssen einer seitlichen Belastung, d.h. gegenüber einem Anliegen von Lasten weg von der Mitte der Plattform. Die Spannungsfreigabe schlitze 19, 21 dienen weiterhin dazu, die Kraftmeßdose von eine Verbindung herbeiführenden Belastungen freizuhalten.The mode of operation and use of the load cell are described with reference to FIGS. 7 and 8. Assume that the fitting 76 has a plate or other suitable load-bearing member attached thereto. The application of a load to the plate creates a downward bending of the load bridge 72 _f which is transmitted to the center arm 16 of the load cell by the tie rod 82. This causes the central arm to bend, thereby increasing the distance between the plates of capacitor 31 and reducing the distance between the plates of capacitor 32. Since the amount of deflection depends on the size of the load, the capacitance of each capacitor corresponds in the same way to the load. The values of the two capacitances change in opposite directions, with the value of the capacitor 31 decreasing while the value of the capacitor 32 increases when the loads increase. The parallel arms 66 and 67 and the flexible tie rod serve to isolate the load cell from the effects of a lateral load, ie from the application of loads away from the center of the platform. The voltage release slots 19, 21 also serve to keep the load cell free of a connection causing loads.

Eine bevorzugte, bei der Kraftmeßdose verwendete Schaltung ist in Fig. 9 gezeigt. Die Kondensatoren 31 und 32 sind mit Oszillatoren 91, 92 als Frequenzbestimmungselemente verbunden. Die Ausgänge der Oszillatoren sind mit einem Mischer 93 verbunden. Der Ausgang des Mischers ist ein Signal, das der Frequenzdifferenz zwischen den Oszillatorsignalen entspricht.A preferred circuit used in the load cell is shown in FIG. The capacitors 31 and 32 are connected to oscillators 91, 92 as frequency determination elements. The outputs of the oscillators are connected to a mixer 93. The output of the mixer is a signal that represents the frequency difference between the Corresponds to oscillator signals.

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Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Mischer 93 eine Flip-Flop-Schaltung vom D-Typ. Das Ausgangssignal aus dem Oszillator 91 wird dem D-Eingang der Flip-Flop-Schaltung zugeführt» Das Ausgangssignal aus dem Oszillator 92 wird dem Taktgebereingang zugeführt. Dem Löscheingang der Flip-Flop-Schaltung wird ein Zähltorimpuls zugeführt. Für Frequenzen in einem Bereich, der durch folgende Beziehung definiert ist:In the preferred embodiment, the Mixer 93 is a D-type flip-flop circuit. The output from oscillator 91 becomes the D input The output signal from the oscillator 92 is fed to the clock input. A counter pulse is fed to the clear input of the flip-flop circuit. For frequencies in a range that is defined by the following relationship:

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hat die Frequenz des Signals am Q-Äusgang der Flip-Flop-Schaltung den Wert f., - f 2, wobei f₁ die Frequenz des Signals ist, das dem Taktgebereingang zugeführt wird_f während ±2 die. Frequenz des Signals ist, welches dem D-Eingang zugeführt wird.the frequency of the signal at the Q output of the flip-flop circuit has the value f., - f 2, where f _{1 is} the frequency of the signal that is fed to the clock input _f during ± 2 die. Is the frequency of the signal that is fed to the D input.

Die Frequenzen des von den Oszillatoren erzeugten Signals sind nichtlineare Funktionen der Durchbiegung der Kondensatorplatten und proportional zu den Quadratwurzeln der Kapazitäten. Der Unterschied dieser beiden nichtlinearen Funktionen ist jedoch eine Funktion, die im wesentlichen linear ist. Das Ausgangssignal aus der Flip-Flop-Schaltung ist eine Rechteckswelie, auch wenn die der Flip-Flop-Schaltung zugeführten Eingangssignale keine Rechteckswellen sind. Somit bilden die Kraftmeßdose und die Schaltung von Fig. 9 ein einfaches und direktes Verfahren zur Erzeugung eines Digitalsignals, welche eine lineare Funktion der auf eine Waage aufgelegten Last ist.The frequencies of the signal generated by the oscillators are non-linear functions of deflection of the capacitor plates and proportional to the square roots of the capacitances. The difference between these two however, nonlinear functions is a function that is essentially linear. The output signal from the Flip-flop circuit is a square wave, even though the input signals fed to the flip-flop circuit are not square waves. Thus form the load cell and the circuit of FIG. 9 shows a simple and direct method for generating a digital signal, which is a linear function of the load placed on a scale.

Bei der in den Fig. 10 bis 12 gezeigten Ausführungsform hat die Kraftmeßdose einen insgesamt T-förmigen Körper 101 mit einer insgesamt rechteckigen aufrechtstehenden Basis 102, mit einem mittleren Arm 103 und seitlichenIn the embodiment shown in FIGS. 10 to 12, the load cell is generally T-shaped Body 101 with a generally rectangular upright base 102, with a central arm 103 and lateral

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Armen 104, 105, die sich von der Basis in einer insgesamt horizontalen Ebene erstrecken. Die Arme 104 und 106 sind im wesentlichen starr. Der mittlere Arm 103 ist relativ flexibel in vertikaler Richtung, was durch einen Bereich 107 reduzierter Stärke angrenzend an die Basis 102 erreicht wird. Durch die obere und untere Fläche der Basis 102 gehen horizontal verlaufende Schlitze 108, 109, die für die Aufnahme von Haltebügeln geeignet sind, die den Bügeln 62 _r 63 ähnlich sind. Von dem freien oder vorderen Ende des mittleren Arms 103 steht ein zylindrischer Zapfen 111 nach außen vor, um die Lasten aufzunehmen, die an die Kraftmeßdose angelegt werden. In der Vorderseite des Körpers 102 isolieren vertikal verlaufende Spannungsfreigabeschlitze 112, 113 die äußeren Arme 104, 106 gegenüber Spannungen in der Basis.Arms 104, 105 extending from the base in a generally horizontal plane. The arms 104 and 106 are essentially rigid. The middle arm 103 is relatively flexible in the vertical direction, which is achieved by a region 107 of reduced thickness adjacent to the base 102. By the upper and lower surface of the base 102 go horizontally extending slots 108, 109, which are suitable for the reception of mounting brackets similar to the brackets 62 _r 63rd A cylindrical pin 111 projects outwardly from the free or forward end of the central arm 103 to accommodate the loads applied to the load cell. In the front of the body 102, vertically extending stress release slots 112, 113 isolate the outer arms 104, 106 from stresses in the base.

Wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 bis 6 wird der Körper 101 in einem Stück als 31ock aus keramischem Material, wie Aluminiumoxid, hergestellt.As in the embodiment of FIGS. 1 to 6, the body 101 is made in one piece as a 31ock made of ceramic Material such as alumina.

An den insgesamt planparallelen oberen und unteren Flächen des mittleren Arms 103 sind Metallisierungsschichten 116, 117 vorgesehen. Diese Schichten bilden Platten von Kondensatoren 118, 119, deren Wert sich entsprechend der vertikalen Last ändert, die an den mittleren Arm angelegt wird. Die Platten 116, 117 sind miteinander durch die Metallisierung 121 auf der Vorderseite des Arms 103 und durch eine zusätzliche Metallisierung 122 an der Vorderfläche der Basis miteinander verbunden, wobei Streifen 123 die Platten und die Metallisierung 122 miteinander verbinden. Bei der Ausführungsform der Fig. 1 bis 6 sind die Metallisierungsschichten mit der Masse der Schaltung verbunden und werden auf Massepotential gehalten.Metallization layers 116, 117 are provided on the overall plane-parallel upper and lower surfaces of the middle arm 103. These layers form Plates of capacitors 118, 119, the value of which is changes according to the vertical load applied to the middle arm. The plates 116, 117 are with one another through the metallization 121 on the front side of the arm 103 and by an additional metallization 122 on the front surface of the base with one another connected, with strips 123 connecting the plates and metallization 122 together. In the embodiment 1 to 6, the metallization layers are connected to the ground of the circuit and are held at ground potential.

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Die Kondensatoren 118, 119 haben ortsfeste Statorplatten in Form von metallisierten Schichten 126, 127 an Einsatzelementen oder Statorstücken 128, 129, die an den äußeren Armen 104, 106 angebracht sind.' Die Statorstücke werden aus insgesamt rechteckigen Blöcken aus keramischem Material, wie Aluminiumoxid hergestellt. Die beiden Statorstücke sind identisch, obwohl das obere Statorstück 128 in einer umgekehrten Stellung bezüglich des unteren Statorstücks 129 montiert wird. In der Oberfläche des Statorstücks sind Isolierschlitze 131 ausgebildet, die dem mittleren Arm des Körpers 101 gegenüberliegen. In der Seite, die von dem zentralen Arm wegweist, ist eine ausgesparte Fläche 132 vorgesehen. Die Isolierschlitze erstrecken sich insgesamt parallel zu den Seitenrändern des Statorstücks und bilden eine Insel 133, auf welcher die Metallisierungsschicht ausgebildet ist. Die Ecken 134 des ausgesparten Bereichs 132 sind abgerundet. Die Schlitze 131 münden in den ausgesparten Bereich zwischen den Ecken.The capacitors 118, 119 have stationary stator plates in the form of metallized layers 126, 127 Insert elements or stator pieces 128, 129, the the outer arms 104, 106 are attached. The stator pieces are made from a total of rectangular blocks ceramic material such as alumina. The two stator pieces are identical, although the upper one Stator piece 128 is mounted in an inverted position with respect to the lower stator piece 129. In the surface insulating slots 131 are formed in the stator piece, facing the middle arm of the body 101. In the side facing away from the central arm a recessed area 132 is provided. The insulating slots extend overall parallel to the side edges of the stator piece and form an island 133 on which the metallization layer is formed is. The corners 134 of the recessed area 132 are rounded. The slots 131 open into the recessed Area between the corners.

Die Statorstücke haben auch Laschen oder Füße 136, welche an den äußeren Armen angreifen und den gewünschten Abstand zwischen den Metallisierungsschichten an dem mitteleren Arm und an den Statorstücken herstellen. Die Statorstücke sind an den äußeren Armen durch geeignete Einrichtungen, beispielsweise durch Zementieren, befestigt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Statorplatten mit den Laschen in Kontakt mit den Armen angeordnet. Auf den Rand der Verbindung zwischen jeder Lasche und dem Arm wird ein Tropfen Zement aufgebracht. Der Zement wird in die Verbindungen durch die Kapillarwirkung gezogen. An den Metallisierungsschichten 126, 127 werden Drähte für die elektrische Verbindung mit den Statorplatten angelötet.The stator pieces also have tabs or feet 136 which engage the outer arms and the desired distance between the metallization layers on the middle arm and on the stator pieces produce. The stator pieces are on the outer arms by suitable means, for example by Cement, attached. In a preferred embodiment, the stator plates are in contact with the tabs arranged with the arms. A drop of cement is placed on the edge of the joint between each tab and the arm upset. The cement is drawn into the joints by capillary action. On the metallization layers 126, 127 wires are soldered for electrical connection to the stator plates.

030013/0596030013/0596

-16- 2321614-16- 2321614

Wie bex der Ausführungsform der Fig. 1 bis 6 werden die Platten der Kondensatoren 118, 119 in einer parallelen Abstandsbeziehung gehalten, wobei der Abstand in der Größenordnung von 0,13 mm liegt. Die von einer an den mittleren Arm 103 angelegten Last erzeugte Durchbiegung liegt in der Größenordnung von 0_r005 mm.As with the embodiment of Figures 1 through 6, the plates of the capacitors 118, 119 are held in a parallel spaced relationship, the spacing being on the order of 0.13 mm. The deflection generated by a voltage applied to the central arm 103 load is in the order of 0 mm _r 005th

Bei dem bevorzugten Herstellungsverfahren für die Kraftmeßdose der Fig. 10 bis 12, werden der Körper 101 und die Statorstücke 128, 129 aus insgesamt rechteckigen Blöcken aus Keramikmaterial durch einen geeigneten spanabhebenden Prozeß, beispielsweise durch Schleifen, hergestellt. Die Metallisierungsschichten werden auf den gewünschten Oberflächen des Körpers und der Statorstücke ausgebildet, ehe die Statorstücke an dem Körper montiert werden. Wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 bis 6 kann die Metallisierung nach einem geeigneten Verfahren, beispielsweise durch Plattierung oder durch Aufbringen in Form einer aus Silber und Glasteilchen in einem geeigneten Träger bestehenden Paste auf die Oberflächen erfolgen, woran sich eine Härtung der Stücke bei einer Temperatur der Größenordnung von 900° C anschließt, um das Glas zu diffundieren und um die Bindungen herzustellen. Anschließend werden die elektrischen Leitungen angeschweißt und die Statorstücke an den Armen 104, 106 angebracht.In the preferred method of manufacturing the load cell of FIGS. 10-12, the body 101 and the stator pieces 128, 129 of generally rectangular blocks of ceramic material by a suitable one machining process, for example by grinding, produced. The metallization layers are on the desired surfaces of the body and the stator pieces are formed before the stator pieces are attached to the body to be assembled. As in the embodiment of Fig. 1 to 6 can be the metallization by a suitable method, for example by plating or by Application in the form of a paste consisting of silver and glass particles in a suitable carrier on the Surfaces, followed by hardening of the pieces at a temperature of the order of 900 ° C, to diffuse the glass and to make the bonds. Then the electrical lines welded and the stator pieces attached to the arms 104, 106.

Die Kraftmeßdose der Fig. 10 bis 12 kann in einem Rahmen montiert werden, wie er in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist, sie kann jedoch auch in ähnlicher Weise wie die Kraftmeßdose der Fig. 1 bis 6 eingesetzt werden.The load cell of FIGS. 10 to 12 can be mounted in a frame as shown in FIGS. 7 and 8 is shown, but it can also be used in a manner similar to the load cell of FIGS. 1-6.

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Claims

1. Load cell, marked through a first plate (33, 34} from an electrical conductive material attached in a fixed position by an arm (16) made of ceramic material, which is rigidly attached at one end by a second plate (26, 27) made of electrically conductive material, that of the ceramic arm (16) of the first plate (33, 34) supported opposite, and by means (22) for applying a load to the ceramic arm (16) around the Arm (16) to bend and to change the distance (31, 32) between the plates (26, 33; 27, 34) to one corresponding to the load To maintain capacity.

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29216U

2. Load cell according to claim 1, characterized by a body (11) ceramic material with essentially rigid outer arms (13, 14) and a relatively flexible middle Arm (16), carried by the outer arms (13, 14) opposite the middle arm (14) = electrically conductive Plates (33, 34) by the middle arm (16) at a distance from the plates (33, 34) opposite them electrically conductive plates (26, 27) carried on the outer arms (13, 14) and by means (22) for application a load on the central arm (16) to bend it and thereby the distance (31, 32) between the plates (26, 33; 27/34) in order to obtain a capacity corresponding to the load.

3. Load cell according to claim 2, characterized in that the body {11) has a base (12) from which the arms (13, 14, 16) extend, the base (12) having a holding surface (18) the side opposite the arms (13, 14, 16) and voltage _{release slots (19 V} 21) which open through the outer surfaces of the base (12) between the holding surfaces (1.8) and the arms (13, 14, 16).

4. Load cell according to claim 2, characterized characterized in that the plates carried by the outer arms (13, 14) have layers of metallization (32, 34) on ceramic stator pieces (36, 37), which are attached to the arms (13, 14).

5. Load cell according to claim 4, characterized in that the stator pieces are insert elements (36, 37) with isolation channels (46 to 49) which pass through the surfaces, the middle arm (16) are opposite and form islands (52),

03001.1 / 059ß

29216H

on which the metallization layers (33, 34) are formed are the peripheral side edges of the insert elements (36, 37) are metallized and electrically connected to the plates (26, 27) on the central arm (16).

6. Load cell according to claim 5, characterized in that the sides of the insert elements (36, 37), which are opposite the outer arms (13, 14), have recessed areas (51) formed therein underlying the islands (52), the Isolation channels (46 to 49) open into the recessed areas (51) over most of their extension.

7 · Load cell according to claim 4, characterized characterized in that the insert elements (36, 37) attached to the outer arms (31, 14) by clips (38, 39).

8. A method for producing a load cell from a block of ceramic material, in particular for Production of a load cell according to one of the preceding claims, characterized in that that the block is machined material removing so that a body is formed which has a base with im has substantial rigid outer arms and a relatively flexible middle arm that assumes that electrically conductive metallization layers are formed on portions of the central arm that the opposite outer arms, the electrically conductive metallization layers on the surfaces of the ceramic stator pieces are formed, that then the stator pieces are arranged on the outer arms, the metallization layers on the middle Arm are located and the stator pieces are attached to the outer arms so that the metallization layers on it at a distance from the metallization layers on the

U 0 0 1 ^ /-Π K g KU 0 0 1 ^ / -Π K g K

29216U

central arm located to form capacitors between them, the change in value when a load is applied to the central arm in order to turn it and to thereby change the distance between the metallization layers.

Ü30013 / DS9S