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Kraftmesszelle mit kapazitiver Wegmessung
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Die Erfindung betrifft eine Kraftmesszelle mit einer unter Last federnd
nachgiebigen Messanordnung und mit einer Anordnung zur kapazitiven Erfassung der
lastabhängigen Einfederung der Messanordnung.
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Eine derartige Kraftmesszelle ist beispielsweise aus der europäischen
Patentanmeldung 0 017 581 bekannt. Die Messanordnung besteht hier aus zwei biegesteifen
Elementen, die durch zwei biegeelastische Lenker miteinander verbunden sind, wobei
das eine biegesteife Element ortsfest angeordnet ist und das andere biegesteife
Element den Lastträger bildet. Die beiden biegeelastischen Lenker dienen als Messglieder
und bilden zugleich eine Parallelführung für die lastabhängige Relativbewegung der
beiden biegesteifen Elemente. Die Träger der Elektroden des kapazitiven Wegmessers
sind an den biegesteifen Elementen befestigt, so dass die Elektroden mechanisch
nicht belastet werden und unter idealen Verhältnissen in jeder Messphase parallel
zueinander liegen.
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Obwohl eine derartige Messanordnung ziemlich stabil ist, insbesondere
wenn die biegesteifen Elemente zusammen mit den biegeelastischen Lenkern aus einem
Stück hergestellt sind, erweist sich in der Praxis diese Stabilität trotzdem als
ungenügend bei exzentrischer Krafteinführung, d.h.
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wenn die Wirkungslinie der zu messenden Kraft ausserhalb des Schwerpunktes
des Lastträgers verläuft. Dieser Fall liegt beispielsweise vor bei einer Waage mit
einer direkt auf dem Lastträger der Kraftmesszelle sitzenden Lastschale, die in
ihren Ecken belastet wird. Durch eine solche Eckbelastung wird auf den Lastträger
ein Drehmoment ausgeübt, wodurch die Messanordnung zusätzlich verformt und damit
die Messgenauigkeit nachteilig beeinflusst wird.
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Versuche haben gezeigt, dass bereits geringe Abweichungen von der
zentralen Krafteinführung empfindliche Messfehler hervorrufen können. Unter diesen
Umständen lässt sich aber die hohe Messgenauigkeit, welche mit der kapazitiven Wegmessung
an sich erreicht werden kann, nicht voll ausnützen.
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Es ist bekannt, die nachteilige Wirkung der Eckbelastung dadurch zu
kompensieren, dass ausserhalb der Messanordnung eine möglichst allseitig wirkende
Parallelführung für den Lastträger aufgebaut wird, welche die von der Eckbelastung
herrührenden Drehmomente aufnehmen kann, wie das beispielsweise in der deutschen
Offenlegungsschrift 29 21 614 für eine Kraftmesszelle mit kapazitiver Wegmessung
gezeigt ist.
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Es ist jedoch auch bekannt, dass eine solche äussere Parallelführung
ihrerseits die Messgenauigkeit einer Kraftmesszelle beeinträchtigen kann, beispielsweise
unter dem Einfluss von Temperaturänderungen. Es liegt deshalb im Bestreben der technischen
Entwicklung, aus diesem Grund und auch wegen des zusätzlichen Aufwands auf eine
äussere
Parallelführung dieser Art zu verzichten.
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Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, eine Kraftmesszelle anzugeben,
die gegen Drehmomente, welche am Lastträger wirken, verhältnismässig unempfindlich
ist.
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Dieses Ziel lässt sich mit einer Kraftmesszelle nach der Erfindung
erreichen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens zwei mechanisch gekoppelte
kapazitive Kraftsensoren vorgesehen sind, die je aus zwei durch biegeelastische
Lenker miteinander verbundenen biegesteifen Elementen und einem kapazitiven Wegmesser
bestehen, wobei jeweils das eine biegesteife Element ortsfest angeordnet und mit
der feststehenden Elektrodenanordnung des kapazitiven Wegmessers ausgerüstet ist
und das andere, bewegliche biegesteife Element über Kopplungsglieder mit einem gemeinsamen
Lastträger gekoppelt und mit der beweglichen Elektrodenanordnung des kapazitiven
Wegmessers ausgerüstet ist, und dass die Summe der Kapazitäten beider Kraftsensoren
als Mass für die zu messende Kraft dient.
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Durch die Belastung der Kraftmesszelle werden die Kapazitäten der
beiden Kraftsensoren gleichsinnig verändert.
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Bei zentraler- Krafteinführung ist auch das Ausmass der Kapazitätsänderung
gleich. Demgegenüber tritt eine zusätzliche Kapazitätsänderung auf, wenn die Wirkungslinie
der zu messenden Kraft aus dem Zentrum des Lastträgers verschoben, also zusätzlich
ein Drehmoment auf den Lastträger ausgeübt wird. Erfolgt diese Verschiebung der
Wirkungslinie innerhalb einer gemeinsamen Wirkungsebene der beiden Kraftsensoren,
so ändern sich die Kapazitäten der beiden Kraftsensoren dabei gegensinnig, und die
Summe dieser Kapazitäten bleibt über den ganzen Messbereich praktisch konstant.
Auf diese Weise erreicht man also ohne zusätzliche äussere Parallelführung eine
wesentliche
Eckenlastkompensation.
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Für die Aufnahme von Drehmomenten, die dadurch entstehen, dass die
Wirkungslinie der zu messenden Kraft ausserhalb der gemeinsamen Wirkungsebene zweier
Kraftsensoren verläuft, kann man die Kraftsensoren in Richtung senkrecht zu ihrer
Wirkungsebene entsprechend verstärken. Eine bessere Lösung, welche eine Kompensation
solcher Drehmomente ermöglicht, besteht jedoch darin, mehr als zwei, z.B.
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vier mechanisch gekoppelte Kraftsensoren vorzusehen, die in einer
zur Kraftrichtung senkrechten Ebene gleichmässig verteilt angeordnet sind.
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Eine vorteilhafte Konstruktion des Erfindungsgegenstandes ist dadurch
gekennzeichnet, dass die biegesteifen Elemente, die Lenker, die Kopplungsglieder
und die Träger der Elektrodenanordnungen der beiden Kraftsensoren sowie der Lastträger
zusammen eine Baueinheit bilden und aus einem Stück bestehen. Für die Herstellung
einer solchen Ausführungsform eignen sich bekannte Verfahren der Mikromechanik,
insbesondere wenn die genannte Baueinheit aus einem Stück ätzbaren Materials, z.B.
aus einem Halbleiterplättchen, gebildet ist, wobei als Halbleitermaterial vorzugsweise
monokristallines Silizium wegen seiner guten Federeigenschaften verwendet wird.
Der Vorteil einer derartigen Ausführungsform besteht insbesondere darin, dass der
Aufwand für die Herstellung zweier mechanisch gekoppelter Kraftsensoren praktisch
gleich gross ist wie der für die Herstellung eines einzelnen Kraftsensors.
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Für die Anordnung der Kraft sensoren in bezug auf die Richtung der
zu messenden Kraft sind grundsätzlich zwei Ausführungen möglich. Entweder sind die
Kraftsensoren in einer zur Kraftrichtung parallelen Ebene oder in einer dazu
senkrechten
Ebene angeordnet. Im ersten Fall dienen die biegeelastischen Lenker jedes Kraftsensors
zugleich als Parallelführung für die Relativbewegung der beiden biegesteifen Elemente.
Die zweite Lösung ermöglicht eine besonders geringe Bauhöhe der Kraftmesszelle.
Die beiden verschiedenen Anordnungen der Kraftsensoren in bezug auf die Richtung
der zu messenden Kraft führen bei einer Kraftmesszelle mit mehr als zwei Kraftsensoren
auch im Hinblick auf die angestrebte Konstruktion von Baueinheiten zu unterschiedlichen
Lösungen. Wenn die Kraftsensoren in einer zur Kraftrichtung parallelen Ebene angeordnet
sind, können z.B.
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zwei gleiche Baueinheiten mit je zwei Kraftsensoren kreuzweise zusammengefügt
sein, wobei jede Baueinheit eine Hälfte des gemeinsamen Lastträgers bildet. Im anderen
Fall, d.h. wenn die Kraftsensoren in einer zur Kraftrichtung senkrechten Ebene angeordnet
sind, besteht sogar die Möglichkeit, alle Kraftsensoren zu einer einzigen Baueinheit
zusammenzufassen und aus einem Stück herzustellen.
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Für die beschriebene Einheiten-Bauweise der Kraftmesszelle eignen
sich insbesondere zwei Ausführungsarten des kapazitiven Wegmessers.
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Bei einer ersten Ausführungsart sind als Träger für die Elektrodenanordnungen
zwei mit Abstand in parallelen Ebenen angeordnete Platten vorgesehen, die je mit
einem der biegesteifen Elemente eines Kraftsensors verbunden sind und von denen
wenigstens die dem beweglichen biegesteifen Element zugeordnete Platte sich in dem
durch die biegesteifen Elemente und die biegeelastischen Lenker umgrenzten Raum
ausdehnt. Dabei kann wenigstens eine der Platten mit dem zugeordneten biegesteifen
Element aus einem Stück bestehen. Die Elektrodenanordnungen befinden sich auf den
einander zugewandten Seiten der beiden Platten.
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Bei einer Kraftmesszelle mit in einer zur Kraftrichtung parallelen
Ebene angeordneten Kraftsensoren werden unter der Einwirkung der zu messenden Kraft
jeweils die beiden Platten bei gleichbleibendem gegenseitigem Abstand in ihren Ebenen
gegeneinander verschoben, wobei die für die Kapazität der Elektrodenanordnungen
wirksame Elektrodenfläche verändert wird. Demgegenüber wird bei einer Kraftmesszelle
mit in einer zur Kraftrichtung senkrechten Ebene angeordneten Kraft sensoren unter
der Einwirkung der zu messenden Kraft jeweils der Platten- bzw. Elektrodenabstand
verändert.
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Die zweite Ausführungsart des kapazitiven Wegmessers besteht darin,
dass als Träger für die Elektrodenanordnungen eine Mehrzahl von in einer Ebene angeordneten,
kammartig ineinander greifenden Balken mit gegenseitigem Abstand vorgesehen ist,
die wechselweise mit den biegesteifen Elementen eines Kraftsensors verbunden sind,
und dass die Elektroden an den einander zugewandten Seiten der Balken angeordnet
sind.
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Bei dieser Lösung sind die Verhältnisse in bezug auf die in Funktion
der zu messenden Kraft veränderliche Grösse (Elektrodenabstand, -fläche) der Kapazität
gerade umgekehrt gegenüber der ersten Ausführungsart des Wegmessers, d.h., befinden
sich die Kraftsensoren in einer Ebene parallel zur Kraftrichtung, dann variiert
der Elektrodenabstand in Funktion der Kraft, und befinden sich die Kraftsensoren
in einer Ebene senkrecht zur Kraftrichtung, dann variiert die wirksame Elektrodenfläche
in Funktion der Kraft.
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In jeder Ausführungsform, bei der die Aenderung der wirksamen Elektrodenfläche
massgebend ist für die zu messende Kraft, ist es zur Erhöhung des Kapazitätshubes
pro Kraft-
einheit vorteilhaft, eine Elektrodenanordnung zu wählen, bei der in an sich bekannter
Weise die Elektroden an jeder Platte bzw. an jedem Balken ein Linienraster bilden,
das quer zur Kraftrichtung verläuft.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigen: Fig. 1 eine Kraftmesszelle mit zwei in einer zur Kraftrichtung
parallelen Ebene angeordneten Kraftsensoren und parallelen Platten als Träger der
Elektrodenanordnungen, Fig. 2 eine Kraftmesszelle mit zwei in einer zur Kraftrichtung
senkrechten Ebene angeordneten Kraftsensoren und parallelen Platten als Träger der
Elektrodenanordnungen, Fig. 3 Detailansicht der mechanischen Kopplung von vier Kraftsensoren
für eine Kraftmesszelle in der Bauart nach Fig. 2, und Fig. 4 eine Kraftmesszelle
mit zwei in einer zur Kraftrichtung parallelen Ebene angeordneten Kraftsensoren
und kammartig ineinander greifenden Balkenreihen als Träger der Elektrodenanordnungen.
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Die Kraftmesszelle nach Fig. 1 besteht aus zwei gleichen Kraftsensoren
1 und 2, die in einer gemeinsamen Wirkungsebene angeordnet und mit einem gemeinsamen
Lastträger 3 mechanisch gekoppelt sind.
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Jeder Kraftsensor enthält eine unter Last federnd nachgiebige Messeinrichtung,
bestehend aus zwei durch biegeelastische Lenker 4 und 5 miteinander verbundenen
biegesteifen Elementen G und 7. Das eine biegesteife Element 6 ist ortsfest angeordnet,
während das andere biegesteife Element 7 über Kopplungsglieder 8 und 9 mit dem Lastträger
3
gekoppelt ist. Alle biegeelastischen Lenker und Kopplungsglieder haben örtlich konzentrierte
Biegestellen, sogenannte Biegegelenke, die durch Materialeinschnürungen 10 gebildet
sind. Unter der Einwirkung der zu messenden Kraft F federt die Messeinrichtung ein,
wobei die biegeelastischen Lenker 4 und 5 als Parallelführung für die Bewegung des
biegesteifen Elements 7 wirken. In diesem Beispiel erstrecken sich die beiden Kraftsensoren
1 und 2 in einer Ebene, welche parallel zur Kraftrichtung verläuft und welche zugleich
die Wirkungsebene der Kraftsensoren ist.
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Jeder der Kraftsensoren 1 und 2 enthält ferner einen kapazitiven Wegmesser
zur Erfassung der lastabhängigen Einfederung der Messeinrichtung. Als Träger für
die Elektrodenanordnungen des Wegmessers sind zwei mit Abstand in parallelen Ebenen
angeordnete Platten 11 und 12 vorgesehen, von denen die eine Platte 11 ausserhalb
der Wirkungsebene der Kraftsensoren ortsfest angeordnet und mit dem ortsfesten biegesteifen
Element 6 verbunden ist, während die andere Platte 12 mit dem beweglichen biegesteifen
Element 7 verbunden ist und sich in dem durch die biegesteifen Elemente 6,7 und
die biegeelastischen Lenker 4,5 umgrenzten Raum ausdehnt. Auf den einander zugewandten
Seiten der Platten 11 und 12 befinden sich die Elektrodenanordnungen 13 bzw. 14,
deren Elektroden je ein Linienraster bilden, wie das durch gestrichelte Linien schematisch
angedeutet ist. Durch die Einfederung der Messeinrichtung unter der Einwirkung der
zu messenden Kraft F wird die bewegliche Platte 12 gegenüber der ortsfesten Platte
11 bei gleichbleibendem gegenseitigen Abstand verschoben, wobei die für die Kapazität
der Elektrodenanordnungen 13,14 wirksame Elektrodenfläche verändert wird.
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Die Summe der Kapazitäten der beiden Kraftsensoren 1 und 2 dient als
Mass für die zu messende Kraft F.
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Die biegesteifen Elemente 6 und 7, die Lenker 4,5, die Kopplungsglieder
8,9 und die bewegliche Platte 12 der beiden Kraftsensoren 1,2 sowie der Lastträger
3 bilden zusammen eine Baueinheit und bestehen aus einem Stück, vorzugsweise aus
einem Stück ätzbaren Materials. Der mechanische Teil dieser Baueinheit kann in einem
einzigen Arbeitsgang hergestellt werden. In einem weiteren Arbeitsgang werden die
Elektrodenanordnungen 14 auf die Platten 12 der beiden Kraftsensoren aufgebracht.
Die ortsfesten Platten 11 werden separat hergestellt- und an den ortsfesten biegesteifen
Elementen 6 seitlich befestigt.
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Die Kraftmesszelle nach Fig. 2 ist grundsätzlich gleich aufgebaut
wie diejenige Nach Fig. 1, mit dem Unterschied, dass die beiden Kraftsensoren 21
und 22 in einer zu ihrer Wirkungsebene bzw. zur Richtung der zu messenden Kraft
F senkrechten Ebene angeordnet sind. Die ortsfesten und beweglichen biegesteifen
Elemente 23 bzw. 24, die biegeelastischen Lenker 25 und 26 mit den Biegegelenken
27,28, die Kopplungsglieder 32 und die dem beweglichen biegesteifen Element 24 zugeordnete
Trägerplatte 29 für die Elektroden beider Kraftsensoren sowie der gemeinsame Lastträger
30 sind wiederum aus einem Stück gefertigt. Das Ganze ruht auf einer für beide Kraftsensoren
21.22 gemeinsamen Trägerplatte 31, welche die Gegenelektroden aufweist. Die nicht
dargestellten Elektroden sind bei diesem Ausführungsbeispiel Flächenbeläge, die
sich an den einander zugewandten Seiten der Trägerplatten 29 und 31 befinden. Durch
die Einfederung der Kraftsensoren 21,22 unter der Einwirkung der zu messenden Kraft
F wird hier im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 der Abstand zwischen
den Trägerplatten 29 und 31 bzw. zwischen den an diesen befindlichen Elektroden
verändert, wobei aber wiederum die Summe der Kapazitäten beider Kraftsensoren 21
und 22 als Mass für die zu messende Kraft F dient.
Zum Aufbau einer
Kraftmesszelle mit zwei zueinander senkrecht stehenden Wirkungsebenen können vier
mechanisch gekoppelte Kraftsensoren in der Bauart nach Fig. 2 vorgesehen und in
einer zur Kraftrichtung senkrechten Ebene gleichmässig verteilt angeordnet sein.
Für diesen Fall zeigt die Fig. 3 schematisch die mechanische Ankopplung der andeutungsweise
gezeigten vier Kraftsensoren 41, 42, 43 und 44 an den gemeinsamen Lastträger 45.
Dazu dient je ein Kopplungsglied 46 mit Biegegelenken 47 und 48, das zwischen dem
Lastträger 45 und dem jeweiligen beweglichen biegesteifen Element des betreffenden
Kraftsensors wirksam ist. Strichpunktiert eingezeichnet sind die Spuren 49 und 50
der beiden Wirkungsebenen dieser Kraftmesszelle, wobei die Spur 49 dem Kraftsensorenpaar
41,43 und die Spur 50 dem Kraftsensorenpaar 42,44 zugeordnet ist. Auf die in Fig.
3 dargestellte Weise können alle vier Kraftsensoren zusammen aus einem Stück hergestellt
werden. Davon ausgenommen ist einzig wieder die gemeinsame Trägerplatte mit den
Gegenelektroden. Als Mass für diezu messende Kraft dient im vorliegenden Fall die
Summe der Kapazitäten aller vier Kraftsensoren 41 bis 44.
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In der gleichen Art können drei oder mehr als vier Kraftsensoren mit
den in Fig. 3 dargestellten Mitteln an einen gemeinsamen Lastträger angekoppelt
sein. Dadurch wird die Anzahl der Wirkungsebenen der Kraftsensoren bzw. der Kraftsensorenpaare
erhöht und damit die Kompensation der durch Eckbelastung der Kraftmesszelle erzeugten
Nebenwirkungen verbessert.
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Die Kraftmesszelle nach Fig. 4 ist in bezug auf die Messanordnung
gleich aufgebaut wie diejenige nach Fig. 1, weshalb die übereinstimmenden Teile
mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der Unterschied besteht in der Ausbildung
der kapazitiven Wegmesser.
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Die hier vorgesehenen Wegmesser weisen als Träger für die Elektrodenanordnungen
je eine Mehrzahl von in der Wirkungsebene der Kraftsensoren angeordneten Balken
60 und 61 auf, die mit gegenseitigem Abstand kammartig ineinander greifen und wechselweise
mit den biegesteifen Elementen 6 und 7 verbunden sind. Die nicht dargestellten Elektroden
befinden sich an den einander zugewandten Seiten der Balken 60 und 61. Die Balken
60,61 können, wie in Fig. 4 dargestellt, mit den biegesteifen Elementen 6 bzw. 7
aus einem Stück bestehen oder als separat hergestellte Kämme an diesen Elementen
befestigt sein.
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Bei Belastung dieser Kraftmesszelle ändern sich die Elektrodenabstände
beider Wegmesser nach Massgabe der zu messenden Kraft F. Die Gesamtkapazität eines
Wegmessers ist durch die Parallelschaltung einer Vielzahl von Einzelkapazitäten
wesentlich höher als beispielsweise bei einem einfachen Wegmesser gemäss der europäischen
Patentanmeldung 0 017 581.
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Zur Bildung einer Kraftmesszelle mit vier mechanisch gekoppelten Kraftsensoren
der in Fig. 4 gezeigten Bauart, die in einer zur Kraftrichtung senkrechten Ebene
gleichmässig verteilt angeordnet sind, kann der Lastträger 3 der Baueinheit nach
Fig. 4 einen Schlitz 62 (strichpunktiert angedeutet) aufweisen, der sich über die
halbe Länge des Lastträgers erstreckt und dessen Breite gleich der senkrecht zur
Zeichenebene gemessenen Materialstärke der Baueinheit ist. Mit dieser geringfügigen
Aenderung können zwei gleiche Baueinheiten mit je zwei Kraftsensoren kreuzweise
zusammengefügt werden, wobei jede Baueinheit eine Hälfte des gemeinsamen Lastträgers
bildet. Damit lässt sich die herstellung einer Kraftmesszelle mit vier Kraftsensoren
in zwei Wirkungsebenen bedeutend vereinfachen.
Selbstverständlich
lässt sich der Wegmesser nach Fig. 4 in bezug auf seine mechanische Konstruktion
und der vielfach unterteilten Kapazität auch bei einer Kraftmesszelle nach Fig.
2 anwenden. In einer solchen Anwendungsform werden dann unter Krafteinwirkung nicht
die Elektrodenabstände (wie in Fig. 4), sondern die wirksamen Elektrodenflächen
verändert, da sich die kammartigen Elektrodenträger (Balken) senkrecht zur Kammebene
gegeneinander bewegen. Bei einem derartigen Wegmesser kann es wiederum zweckmässig
sein, wenn die Elektroden an jedem Balken ein Linienraster bilden, das quer zur
Kraftrichtung verläuft.