DE3890305C2 - Kompakter Kraftmeßwertwandler mit mechanischer Hubverstärkung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftmeßwertwandler.

Eine aus dem Stand der Technik bekannte Art des Erfassens von Kraft- oder Gewichtsmeßwerten benutzt eine Rückkopp­ lungsmethode, in der in einem konstanten Magnetfeld eine bewegliche Spule zum Einsatz kommt. Die Spule ist entlang einer Meßstrecke beweglich und wird durch einen Strom ange­ trieben, der zur Aufrechterhaltung einer festen Position auf der Meßstrecke ausreicht. In diesem Aufbau stellt der Spulenantriebsstrom ein Maß für die Kräfte dar, die zur Verschiebung dieser Spule angelegt werden. Während diese Methode im allgemeinen wirksam ist, ist der Aufbau zum Er­ fassen der Kraftmeßwerte verhältnismäßig komplex und ent­ sprechend teuer.

Eine andere bekannte Technik ist eine Dehnungsmeßstreifen- Meßdose. Hier ist jedoch die Genauigkeit der Meßdose durch eine Hysterese und durch den Dehnungsschlupf des Dehnungs­ meßstreifensensormaterials sowie des Klebstoffs für den Sensor begrenzt.

Patente des Anmelders, z. B. US 4558600-A, beschreiben Kraftmeßwertwandler mit einer Parallelogrammstruktur, in denen ein Paar von "Kraftsammel"-Bauteilen auf jeder Seite verwendet werden, die über ein Paar von im allgemeinen pa­ rallelen, räumlich getrennten Trägerbauteilen miteinander verbunden sind. Die Trägerbauteile werden durch eine rela­ tive Verschiebung der Kraftsammelbauteile gebogen. Die Kraftsammelbauteile tragen jeweils ein "Sensor" -Bauteil, das ebenfalls aus einem dielektrischen Material gebildet ist. Die Sensorbauteile liegen in räumlichem Abstand über­ einander und besitzen leitende Oberflächen, mit denen ein Kondensatorspalt gebildet wird. Die Änderung des Spalts und folglich der Kapazität ist direkt proportional (ein 1 : 1- Verhältnis) zur relativen Verschiebung d der Kraftsammel­ bauteile.

In US 4558600-A des Anmelders sind die Sensorbauteile je­ doch nicht an den Kraftsammelbauteilen, sondern vielmehr an den Trägerbauteilen befestigt, um das obenerwähnte 1 : 1-Ver­ hältnis zwischen der Verschiebung und der Spaltänderung zu variieren. Wie dort beschrieben wird, steht die bei dieser Konstruktion am Sensorspalt erzielbare Hubverstärkung mit dem Höhen/Breitenverhältnis des Meßwertwandlers in Bezie­ hung.

Für bestimmte Anwendungen, etwa beim Einsatz von Kraftmeß­ wertwandlern als zentrales Bauteil einer qualitativ hoch­ wertigen Waage, die eine Kraft entlang einer Achse in einen entsprechenden Kapazitätswert umwandelt, ist eine Kombina­ tion der Vorteile der ′085-Parallelogramm-Konstruktion mit der durch die ′600-Konstruktion erzielbaren mechanischen Verstärkung wünschenswert, wobei der Meßwertwandler nach wie vor hochkompakt sein soll.

Aus der US 4572006 ist ein Lastmeßwertwandler bekannt, bei dem zwei Trägerbauteile und zwei Kraftsammelbauteile paral­ lelogrammartig miteinander verbunden sind. An den Kraftsam­ melbauteilen sind Sensorbauteile befestigt. Diese können zwei Kondensatoren bilden, die differentiell gegeneinander geschaltet werden können.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen hochauflösenden, hochgenauen Kraftmeßwertwandler zu schaffen, der sowohl kompakt ist als auch eine mechanische Hubverstärkung auf­ weist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen An­ sprüche gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.

Ein Kraftmeßwertwandler ist aus einem Material gebildet, das, sofern es nicht überbeansprucht wird, elastisch ver­ formbar ist. Der Kraftmeßwertwandler enthält wenigstens ein Trägerbauteil, wenigstens ein Kraftsammelbauteil, wenig­ stens ein Sensorbauteil und ein in einem räumlichen Abstand sich gegenüberstehendes Paar von leitenden Flächen oder Bauteilen, die an diesen Bestandteilen befestigt sind. Eine entlang einer ersten Achse auf ein Kraftsammelbauteil ein­ wirkende zu messende Kraft bewirkt eine Verschiebung d des Bauteils, die durch eine Verbiegung des oder der Trägerbau­ teile, die mit dem Kraftsammelbauteil verbunden und vor­ zugsweise aus einem Stück mit diesem ausgebildet sind, auf­ genommen wird. Der Verbindungspunkt ist vorzugsweise derje­ nige Punkt, an dem bei einer gegebenen Verschiebung d die Winkeländerung des Trägers maximal ist. Die Verbiegung des oder der Trägerbauteile, die sich entlang einer zweiten Achse quer zur ersten Achse erstrecken, hat im allgemeinen S-Form, wenn die Kraftsammelbauteile und zwei Trägerbautei­ le einen Parallelogramm-Kraftmeßwertwandler bilden. In die­ ser Ausführungsform befindet sich der durch ein Nullmoment gekennzeichnete Krümmungspunkt im oder in der Nähe des Mit­ telpunktes der Trägerbauteile. Wenn das Trägerbauteil ein Freiträger ist, befindet sich der Verbindungspunkt am frei­ en Ende des Trägers, das aufgrund der einwirkenden Kraft verschoben wird.

In einer Parallelogramm-Ausführungsform sind die Sensorbau­ teile an den Trägerbauteilen im oder in der Nähe des Krüm­ mungspunktes befestigt und vorzugsweise in einem Stück mit den Trägerbauteilen ausgebildet. Der eine Sensor ist ein einzelnes, trägerähnliches Bauteil, während der andere Sen­ sor gabelförmig ist und ein Paar von parallelen Armen auf­ weist, die sich auf gegenüberliegenden Seiten des einen Sensors befinden. In einer verwandten Ausführungsform sind die Sensorarme an einen im oder in der Nähe des Krümmungs­ punktes angeordneten Haltestumpf geklebt. Um die Gefahr der Überbeanspruchung des Materials in den Trägerbauteilen zu verringern, können sie mit kegelförmiger Gestalt ausgebil­ det sein, die ihren größten Querschnitt in der Nähe der Kraftsammelbauteile, wo die Beanspruchungsdichte während des Verbiegens am größten ist hat. Ihr kleinster Quer­ schnitt befindet sich im oder in der Nähe des Krümmungs­ punktes.

In einer Parallelogramm-Ausführungsform, bei der zur Erzie­ lung einer Verstärkung und einer Druck-Zug-Betriebsart eine "Freiträger"-Bauform Verwendung findet, sind zwei Sensoren jeweils am gleichen beweglichen Ende der Trägerbauteile be­ festigt, während die Trägerbauteile in der Nähe der Verbin­ dungspunkte dünner ausgebildet sind, um eine Gelenkwirkung zu ermöglichen. Jeder Sensor erstreckt sich parallel zu und in räumlichem Abstand von einem zugehörigen Trägerbauteil. Da die Sensoren an der Spitze der gebogenen Trägerbauteile befestigt sind, wo die durch die Verschiebung d hervorgeru­ fene Winkeländerung am größten ist, und da der die Meßwerte erfassende Kondensatorspalt an den entgegengesetzten Enden der Trägerbauteile angeordnet ist, liegt an den die Ver­ schiebung d (der relative Hub der Kraftsammelbauteile) mes­ senden Spalten eine mechanische Hubverstärkung vor. We­ gen der Parallelogrammstruktur und der Verwendung zweier auf diese Weise angeordneter Sensoren erlaubt der Meß­ wertwandler auch eine Druck-Zug-Betriebsart.

In einer weiteren Niedrigpreisausführungsform kann die Erfindung einen einzigen Biegungsträger mit einem einzi­ gen oder auch mit mehreren Sensoren, die an einem freien Ende des Biegungsträgers parallel und in räumlichem Ab­ stand befestigt sind, aufweisen. Die Verschiebung des freien Endes erzeugt am Kondensatorspalt, der in der Nä­ he des entgegengesetzten Endes des Biegungsträgers und des Sensors ausgebildet ist, eine mechanische Hubver­ stärkung.

In all diesen Ausführungsformen können für den Meßwert­ wandler verschiedene Anordnungen zur Anwendung kommen, um für den Meßwertwandler atmosphärische Änderungen oder andere Störungen wie etwa elektromagnetische Streufelder zu kompensieren oder um den Meßwertwandler hiervon zu isolieren. Zur Kompensation kann ein Kondensator mit fe­ stem Spalt in eine Öffnung in einem der wesentlichen Bauteile des Meßwertwandlers eingebaut werden. Der Meß­ wertwandler ist ausreichend kompakt, damit er zur Isola­ tion gegen atmosphärische Störungen in einen Gummi- oder Metallbalg eingeschlossen werden kann.

Diese und verschiedene andere Eigenschaften und Aufgaben der Erfindung werden am besten aus der folgenden, de­ taillierten Beschreibung, die mit Bezug auf die beilie­ genden Figuren gelesen werden sollte, verständlich.

Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines Kraftmeßwertwand­ lers gemäß der vorliegenden Erfindung, in dem ein Parallelogrammaufbau, eine mechanische Hub­ verstärkung und eine Druck-Zug-Betriebsart zur Anwendung kommt;

Fig. 2 ist eine Seitenansicht eines alternativen Kraft­ meßwertwandlers vom gleichen Grundtyp wie in Fig. 1, in dem aber kegelförmige Biegeträger und eine abgewandelte Befestigungsstruktur für die beiden Sensorarme zur Anwendung kommen;

Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines Einzelträger-Kraft­ meßwertwandlers gemäß der vorliegenden Erfin­ dung;

Fig. 4 ist eine Seitenansicht eines Parallelogramm-Kraft­ meßwertwandlers, in dem ein Paar von Frei­ trägern zur Anwendung kommt, um eine Hubverstär­ kung in der Art des in Fig. 3 gezeigten Meßwert­ wandlers zu erzeugen und um im Druck-Zug-Betrieb zu arbeiten;

Fig. 5 ist eine Seitenansicht eines Kraftmeßwertwand­ lers vom in Fig. 2 gezeigten Typ, in der da­ rüberhinaus Befestigungs- und Isolationsanord­ nungen gezeigt sind;

Fig. 6A und 6B sind vergleichende Seitenansichten einer Hälfte der entsprechenden, in den Fig. 1, 2 oder 5 ge­ zeigten Meßwertwandler; und

Fig. 7 zeigt einen Meßwertwandler, der an den biegsamen Trägerbauteilen befestigte Sensorarme verwendet und außerdem einen Bezugskondensator mit festem Spalt aufweist.

In Fig. 1 ist ein Kraftmeßwertwandler 10 gezeigt, der eine Parallelogrammgrundstruktur besitzt und aus einem Paar von Kraftsammelbauteilen 12 und 14, die mit einem Paar von Trägerbauteilen 16 und 18 verbunden sind, ge­ bildet wird. Vorzugsweise ist diese Parallelogrammstruk­ tur einteilig aus einem einzigen Stück eines elastischen Grundmaterials ausgebildet. In der bevorzugten Ausfüh­ rungsform ist das Kraftsammelbauteil 12 an einem unbe­ weglichen Bezugsbauteil 20 befestigt, während das Kraft­ sammelbauteil 14 entlang einer vertikalen Achse 22 durch die einer Einwirkung zu messenden Kraft F beweglich ist. Wie gezeigt, besitzen die Biegungsarme eine im allgemei­ nen konstante Querschnittsfläche und erstrecken sich entlang einer im allgemeinen horizontalen Achse 24, die senkrecht zur vertikalen Achse 22 steht. Der Meßwert­ wandler 10 und die ihn aufbauenden Kraftsammel- und Bie­ gungsträgerbauteile besitzen in horizontaler Richtung (senkrecht zu den Achsen 22 und 24) eine hinreichende Dicke, so daß der Meßwertwandler auf keinerlei Momente und Seitenkräfte mit Ausnahme der Kräfte entlang der Achse 22 anspricht.

Die Kraft F erzeugt eine nach abwärts gerichtete, verti­ kale Verschiebung d (wie durch Strichlinien angezeigt ist) des Kraftsammelbauteils 14 in bezug auf das Kraft­ sammelbauteil 12, die durch eine im allgemeinen S-förmi­ ge Verformung der Trägerbauteile 16 und 18 im allgemei­ nen in der durch die Achsen 22 und 24 definierten Ebene aufgenommen wird. Es ist wichtig, daß die Verbindung zwischen den Biegeträgern und den Kraftsammelbauteilen nicht vom Gelenktyp, sondern vielmehr von der Art ist, in der die dem Trägermaterial innewohnende Elastizität die Verformung aufnimmt, um der einwirkenden Kraft ent­ gegenzuwirken. Dieser Aufbau konzentriert die Bean­ spruchungen im Biegeträger in der Nähe desjenigen Punk­ tes, an dem der Träger mit dem Kraftsammelbauteil zusam­ menstößt, und erzeugt einen Krümmungspunkt, d. h. einen Punkt, an dem ein Nullmoment im Trägerbauteil vorliegt und an dem das S-förmige Trägerbauteil die größte Win­ keländerung zeigt. Für einen symmetrischen Aufbau liegt der Krümmungspunkt im Mittelpunkt eines jeden Trägerbau­ teiles.

Jedes Trägerbauteil trägt einen Sensor 28 oder 30, die an den Trägern befestigt sind und sich im allgemeinen entlang einer vertikalen Achse 22 aufeinander zu er­ strecken. In der gezeigten, bevorzugten Ausführungsform sind beide Sensoren 23 und 30 in einem Stück mit der Pa­ rallelogrammstruktur und aus dem gleichen Material aus­ gebildet. Der obere Sensor 28 besitzt, wie gezeigt, ei­ nen im allgemeinen rechtwinkligen Querschnitt und er­ streckt sich vom Krümmungspunkt 26 des oberen Trägerbau­ teils 16 in Abwärtsrichtung zum unteren Trägerbauteil 18. Der untere Sensor 30 besitzt eine Haltestütze 32, eine Querstrebe 34 und ein Paar von vertikal sich er­ streckenden Sensorarmen 36, die parallel und im räumli­ chem Abstand in bezug auf den oberen Sensor 28 angeord­ net sind. Die einander gegenüberliegenden Seiten der Sensorarme 36, 36 und des Sensorbauteils 28 tragen je­ weils hochgradig plane leitende Oberflächen 38, die auf einer dielektrischen Oberfläche 40 abgeschieden wird oder auf andere Weise ausgebildet ist, wobei die dielek­ trische Oberfläche 40 an die Sensorarme und die Sensor­ bauteile angeklebt ist. Die leitenden Oberflächen bilden ein Paar von veränderbaren Spaltenkondensatoren 42 und 44.

Eine Verschiebung d des Kraftsammelbauteiles 14 erzeugt im wesentlichen identische S-förmige Verformungen in den Trägerbauteilen 16 und 18, so daß die Verschiebung in eine kreisförmige Drehung der Sensorbauteile um den Krümmungspunkt übersetzt wird. Die gleichzeitigen Dre­ hungen der beiden Sensoren bewirken, daß aufgrund einer nach abwärts gerichteten Verschiebung des Sammelbauteils 14, wie gezeigt, der Spalt 42 geschlossen und der Spalt 44 geöffnet werden. Eine Eigenschaft der Konstruktion des vorliegenden Kraftmeßwertwandlers ist, daß durch die Verformung und Drehung die die Kondensatoren 42 und 44 bildenden leitenden Oberflächen 38 im wesentlichen pa­ rallel bleiben. Diese Bedingung erhöht maßgeblich die Linearität der Ausgabe des Kraftmeßwertwandlers, die entweder durch ein Strom- oder ein Spannungssignal dar­ gestellt wird. Die Bedingung erhöht außerdem die Zuver­ lässigkeit und Genauigkeit der durch die Kondensatoren 42 und 44 erzeugten Kraftmessung. Darüber hinaus erzeugt diese Konstruktion dadurch, daß für eine gegebene Ver­ schiebung d entlang der vertikalen Achse 22 in Abhängig­ keit mit dem Öffnen eines Spaltes der andere Spalt ge­ schlossen wird, eine Druck-Zug-Betriebsart. Es ist wich­ tig, daß der Kraftmeßwertwandler der vorliegenden Erfin­ dung extrem gute Leistungskennlinien liefert, während er andererseits einen hochkompakten Aufbau besitzt. Diese kompakte Bauform leitet sich zum Teil aus der durch die Konstruktion und Anordnung der Sensoren 28 und 30 in be­ zug auf die Kraftsammelbauteile und Trägerbauteile ge­ schaffene mechanische Verstärkung her.

Die Fig. 6A und 6B ermöglichen ein besseren Verständnis gewisser Bauformbetrachtungen. Zunächst kann gezeigt werden, daß für die Bestimmung der Beanspruchungen und Biegungen der Trägerbauteile 16 und 18 Analyseverfahren für "freie Körper" angewendet werden können. Jeder Trä­ ger kann als ein Paar von Freiträgern behandelt werden, wobei an den Enden eines jeden Freiträgers die halbe Ge­ samtkraft angreift. (Hierbei ist zu berücksichtigen, daß sich ein Freiträger wie ein Sprungbrett verhält, bei dem die maximale Winkeländerung am Ende des Brettes auf­ tritt. Im Gegensatz dazu verformen sich die Trägerbau­ teile der hier beschriebenen Parallelogrammkonstruktion S-förmig, wobei der Punkt der maximalen Winkeländerung sich am Krümmungspunkt befindet, der typischerwiese im Mittelpunkt des Trägers liegt.) Wie in Fig. 6A ange­ zeigt, kann von der durch ΔG dargestellten Änderung des Kondensatorspalts, sei es derjenige des Kondensators 42 oder des Kondensators 44, gezeigt werden, daß sie gleich θ × H ist, wobei θ die Winkelablenkung an den Enden der Freiträger und H der entlang der vertikalen Achse 22 ge­ messene Abstand zwischen den Trägern ist. (Der in Fig. 6A dargestellte Hub ist aus Gründen der Deutlichkeit stark übertrieben.

Ein Bauformziel eines Kraftmeßwertwandlers dieses Typs ist die Maximierung der Spaltänderung ΔG ohne Überbeanspruchung des Materials. Indem die Sensorbauteile an den Enden der Freiträger (in der in Fig. 6A erläuterten Ana­ lyse: an den Enden der Halbträger) angebracht werden, "verlängern" die Sensorbauteile die Bewegung der Frei­ träger, ohne daß daraus eine zusätzliche Beanspruchung des Materials folgt. Dies wird besser verständlich mit Bezug auf Fig. 6B, die diesbezüglich zur Fig. 6A funk­ tional äquivalent ist. In Fig. 6B wird der Hub an der Spitze des Freiträgers um den Teil, um den der Träger sich über den Mittelpunkt des freien Endes des Trägers hinaus erstreckt, über denjenigen Punkt hinaus ver­ stärkt, auf den die Kraft einwirkt (den Mittelpunkt des Trägers). Dieses verlängerte Trägerteil entspricht dem am Trägerbauteil der in Fig. 1 gezeigten Parallelogramm­ konstruktion befestigten Sensorbauteil. Das Sensorbau­ teil kann daher als abgeknickte Verlängerung eines Frei­ trägers (eine Hälfte des Biegeträgers 16 oder 18) be­ trachtet werden. Dieses "Abknicken" bewirkt die Kompakt­ heit, indem der vertikale "freie Raum" zwischen den obe­ ren und unteren Trägerbauteilen 16 und 18 in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ausgenutzt wird. Da aufgrund anderer Bauformanforderungen wie etwa einer erhöhten Mo­ mentunterdrückung und einer verbesserten Ansprechlinea­ rität zwischen den Trägerbauteilen 16 und 18 ein Abstand H vorliegen muß, nutzten die in Fig. 6A und in Fig. 1 gezeigten Bauformen einen bestehenden vertikalen Abstand aus, um einen Freiträger rechtwinkelig abzuknicken und damit die gleiche Verstärkung zu erzielen, wie man bei einer herkömmlicheren und größeren Freiträgeranordnung, wie sie in Fig. 6A gezeigt ist, erwarten würde.

In Fig. 2 ist eine alternative Anordnung gezeigt, die der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform hinsichtlich der Bauform und des Betriebes ähnlich ist. Ein Hauptunter­ schied besteht darin, daß die Trägerbauteile 16 und 18 kegelförmig ausgebildet sind, wobei die größeren Quer­ schnittsflächen den Kraftsammelbauteilen benachbart und die kleineren Querschnittsflächen in der Nähe des Krüm­ mungspunktes angeordnet sind. Die dickere Querschnitts­ fläche ist am Punkt maximaler Beanspruchung des Bie­ gungsträgers angeordnet, wodurch sich die Gefahr der Überbeanspruchung des Materials verringert. Andererseits erzeugt dieser Aufbau aufgrund der verjüngten Flächen der Trägerbauteile bei einer gegebenen einwirkenden Kraft oder einer gegebenen Verschiebung der Kraftsammel­ bauteile entlang der vertikalen Achse in den Trägerbau­ teilen und damit in den daran befestigten Sensorbautei­ len eine größere Winkeländerung. In Fig. 2 sind außerdem Befestigungsmerkmale gezeigt. Die in den Kraftsammelbau­ teilen ausgebildeten Löcher 15 halten eine oder mehrere (in Fig. 5 gezeigte) Leiterplatten, die Kapazitätsmeß­ werterfassungs- und Temperaturkompensationsschaltungen enthalten. Die Öffnung 17 schirmt den Meßwertwandler ge­ genüber Befestigungsbeanspruchungen ab, die durch das Einspannen des Meßwertwandlers an einem Träger wie etwa dem Bezugsbauteil 20 mittels der Spannplatte 17′ und den Befestigungsschrauben 17′′ entstehen können.

Ein weiterer Unterschied der in Fig. 2 gezeigten Ausfüh­ rungsform besteht darin, daß das untere Sensorbauteil 30 durch das Ankleben zweier plattenähnlicher Sensorarme 36′, 36′ auf die Seitenflächen der Haltestütze 32′ aus­ gebildet wird, wobei ein geeigneter Kleber 46 verwendet, der vorzugsweise nicht nur die Sensorarme in einer fe­ sten Position zuverlässig befestigt, sondern außerdem eine gute thermische Verträglichkeit mit den anderen Bauteilen des Sensorarms zeigt. Die leitenden Oberflä­ chen 38 können durch Metallisierung der einander gegen­ überliegenden inneren Oberflächen der Sensorarme 36′, 36′ und der Gegenflächen der plattenähnlichen Einschübe 40′, 40′, die ebenfalls, wie gezeigt, an die Seitenflä­ chen des oberen Sensors 28 angeklebt werden können, aus­ gebildet werden. Vorzugsweise werden die den Kondensa­ torspalt bildenden Oberflächen extrem hochgradig plange­ schliffen. Wie leicht zugegeben werden wird, ist die Konstruktion von Fig. 2 einfacher als diejenige von Fig. 1.

In Fig. 3 ist eine weitere alternative Niedrigpreisaus­ führungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, in der ein einzelnes kegelförmiges Trägerbauteil 16′, ein Kraftsammelbauteil 14′ und ein einzelner Sensorarm 28′, der als einteilig mit dem Kraftsammelbauteil und dem Trägerbauteil ausgebildet gezeigt ist (obwohl die ein­ teilige Bauform nicht notwendig ist) und sich parallel und in einem räumlichen Abstand zum Trägerbauteil er­ streckt, Verwendung findet. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist ein Ende des Trägerbauteils, vorzugsweise ein Ende mit größerer Querschnittsfläche, am Bezugsbauteil 20 befe­ stigt. Das freie Ende des Trägerbauteils, das eine kleine Querschnittsfläche besitzt, ist vorzugsweise ein­ teilig mit dem Kraftsammelbauteil 14′, in das es über­ geht, ausgebildet und verbindet das Trägerbauteil mit dem Sensorbauteil. Die zu messende Kraft F wirkt, wie gezeigt, in vertikaler Richtung entlang der Achse 22 auf das Kraftsammelbauteil ein. Wie in den oben beschriebe­ nen Ausführungsformen erzeugt dies eine Verschiebung des Kraftsammelbauteils entlang der vertikalen Achse, die wiederum eine Verformung des Biegungsträgers hervorruft, der die einwirkende Kraft wie ein Sprungbrett elastisch aufnimmt. Ein einander gegenüberliegendes Paar von di­ elektrischen Einschüben 40′, 40′, die einander gegen­ überliegende leitende Oberflächen 38 tragen, ist am freien Ende des Sensors und an einem Punkt in der Nähe des festen Endes des Trägerbauteils angeordnet. Mit die­ ser Konstruktion kann in dem zwischen den leitenden Oberflächen ausgebildeten Spalt G in der mit Bezug auf Fig. 6B beschriebenen Weise eine Freiträgerverstärkung der Verschiebung erzielt werden. Dieser Aufbau schafft einen höchst einfachen und kompakten Kraftmeßwertwand­ ler, er besitzt aber weder die einer Druck-Zug-Betriebs­ art eigenen Vorteile noch die Vorteile der Momentunter­ drückung der Parallelogrammkonstruktion.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform eines kompak­ ten Kraftmeßwertwandlers erläutert, in dem sowohl eine Parallelogrammbauform als auch ein Paar von an entgegen­ gesetzten Trägerbauteilen befestigten Freiträgern vom in Fig. 3 gezeigten Grundtyp Verwendung finden, um eine Druck-Zug-Betriebsart zu ermöglichen. In der Ausfüh­ rungsform von Fig. 4 wirkt die zu messende Kraft F auf ein rechtes Kraftsammelbauteil 14′′ ein, das durch die Kraft F über den Abstand d in bezug auf das linke, am Bezugsbauteil 20 befestigte Kraftsammelbauteil 12′′ ver­ schoben wird. Die oberen und unteren Trägerbauteile 16′′ und 18′′ werden einer "Sprungbrett"-Ablenkung unterwor­ fen, da sie in der Nähe des Kraftsammelbauteils 14 stark verdünnte Bereiche 16′′a und 18′′a, die als Gelenke wirken, besitzen. Die Sensorträger 48, 48 sind in der Nähe des Kraftsammelbauteils 14′′ in einem Stück mit den Trägerbauteilen ausgebildet. Jedes der Trägerbauteile 16′′ und 18′′ wirkt wie ein am Kraftsammelbauteil 12′′ un­ terstützter Freiträger. Die Ablenkung der Trägerbauteile im Krümmungspunkt wird durch die kreisförmige Drehung der Sensorträger 48 am "Ende" der Trägerbauteile und ferner auf die gleiche Weise wie oben mit Bezug auf die Fig. 3 beschrieben durch die Länge der auf Einschüben 40, 40 leitende Oberflächen 38, 38 tragenden Sensorbau­ teile 28′′, 30′′ verstärkt.

In Fig. 5 ist ein Meßwertwandler 10′′′ vom in Fig. 2 ge­ zeigten Grundtyp (hier sind beispielsweise die Biegungs­ bauteile 16′′′, 18′′′ nicht kegelförmig) gezeigt, der zwi­ schen einem eine hermetisch dichte Durchführung 60′ ent­ haltenden, zylindrisch geformten Sensorträger 60 und ei­ nem zylindrisch geformten Bauteil 62, das die einwirken­ de Kraft F aufnimmt und an das Kraftsammelbauteil 14 überträgt befestigt ist. Über Stromleiter 64, die mit einer Kapazitätswerterfassungs- und Temperaturkompensa­ tionsschaltungen enthaltenden Leiterplatte (66) verbun­ den sind, werden elektrische Signale durch die Durchfüh­ rung 60′ geführt. Mittels herkömmlicher Befestigungsein­ richtungen wird dann der Sensorträger 60 am Grundkörper 20′′′ befestigt.

Ein vorzugsweise aus einem biegsamen Metall hergestell­ ter flexibler Balg 68 schließt den Meßwertwandler 10′′′ ein und wird dicht mit der Durchführung 60′ und dem Bau­ teil 62 verbunden. Der Balg isoliert den Meßspalt gegen atmosphärische Änderungen wie etwa Feuchtigkeit und ge­ gen elektromagnetische Störungen, sofern er aus Metall hergestellt ist. Der Balg ist ausreichend flexibel, so daß er verglichen mit dem Meßwertwandler selbst einen sehr kleinen Widerstand gegen die einwirkende, zu mes­ sende Kraft F darstellt.

In Fig. 7 ist als Teil einer alternativen Anordnung zur Kompensation von Temperaturveränderungen ein Bezugskon­ densator 70 mit festem Spalt gezeigt. Der feste Spalt schafft für die Schaltung 66 eine Bezugskapazität, mit der ein Vergleich und die Kompensation atmosphärischer Veränderungen möglich wird. Der Bezugskondensator ist von einer Art und funktioniert so, wie die aus US 4649759-A bekannten Bezugskondensatoren; die Offen­ barung dieser Anmeldung ist in die vorliegende Anmeldung dadurch eingearbeitet, daß auf sie Bezug genommen wird. Der in Fig. 7 erläuterte Meßwertwandler 10′′′′ weist nur einen an jedem Trägerbauteil befestigten Sensorarm 28, 30′′′′ auf, so daß er nicht im Druck-Zug-Betrieb arbeitet.

Es ist ein kompakter Kraftmeßwertwandler beschrieben worden, der die mechanische Hubverstärkung der durch ei­ ne einwirkende Kraft erzeugten Verformung ausnutzt. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der Meßwert­ wandler eine Parallelogrammform und ermöglicht eine Druck-Zug-Betriebsart für eine hochgenaue und -lineare Ausgabe. Mit der Erfindung ist es möglich, den Meßwert­ wandler leicht gegen atmosphärische Änderungen und elek­ tromagnetische Strahlung zu isolieren und Temperaturkom­ pensationsanordnungen aufzunehmen.

Während die Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausfüh­ rungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich, daß nach dem Lesen der vorangehenden Offenbarung ver­ schiedene dem Fachmann bekannte Abwandlungen und Verän­ derungen auftreten werden. Es ist beabsichtigt, solche Abwandlungen und Veränderungen durch den Umfang der fol­ genden Patentansprüche abzudecken.

Claims (8)

1. Kraftmeßwertwandler, mit
einem Paar von aus einem Material gebildeten, starren Kraftsammelbauteilen (12, 14), die sich im allgemeinen in einer ersten Richtung (22) erstrecken, wobei eines der Kraftsammelbauteile (14) entlang der ersten Rich­ tung (22) eine zu messende Kraft (F) aufnimmt; und
ersten (16) und zweiten (18) Trägerbauteilen, die mit den Kraftsammelbauteilen (12, 14) so verbunden sind, daß eine Parallelogrammstruktur gebildet wird, wobei die zu messende Kraft (F) eine elastische Biegung der Trägerbauteile (16, 18) bewirkt, um eine gegenseitige relative Verschiebung (d) der Kraftsammelbauteile (12, 14), die entlang der ersten Richtung (22) gemessen wird, und eine Gegenkraft zur zu messenden Kraft (F) zu erzeugen, und wobei die Parallelogrammstruktur hochgra­ dig widerständig gegen Momente und Kräfte ist, die dazu neigen, eine Bewegung des Trägerbauteils (16 oder 18) nicht entlang der ersten Richtung (22) hervorzurufen;
ersten und zweiten Sensorbauteilen (28, 30), von denen jedes mit einem entsprechenden der ersten und zweiten Trägerbauteile (16, 18) in demjenigen oder in der Nähe desjenigen Punktes des entsprechenden Trägerbauteils (16, 18) starr verbunden ist, an dem bei dessen Biegung aufgrund der Einwirkung der zu messenden Kraft (F) eine maximale Winkeländerung auftritt;
mehreren leitenden Platten (38), wobei das erste Trägerbauteil (16) zwei der leitenden Platten (38) auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Sensor­ bauteils (28) trägt und das zweite Sensorbauteil (30) zwei auf dem ersten Sensorbauteil (28) gegenüberliegen­ den Seiten angeordnete Armbereiche (36) aufweist, von denen jeder eine weitere der leitenden Platten (38), die parallel und in einem Abstand zu den leitenden Platten (38) des ersten Sensorbauteils (28) angeordnet sind, aufweist, um zwei veränderliche Kondensatorspalte (g) zu erzeugen, wobei die Verschiebung (g) gleichzei­ tig das Schließen eines der Spalte (g) und das Öffnen des anderen der Spalte (g) bewirkt; und
die Bauteile (12, 14, 16, 18, 28, 30) so orientiert und verbunden sind, daß die parallel und in einem Abstand angeordneten leitenden Platten (38) während einer Ände­ rung (Ag) des Abstandes (g) aufgrund der Verschiebung (d) im wesentlichen parallel bleiben und daß die Ände­ rung des Abstandes (Ag) und daher die entsprechende Ka­ pazität proportional zur zu messenden Kraft (F) ist.

2. Kraftmeßwertwandler gemäß Anspruch 1, bei dem die Größe der Spaltänderung (Ag) von der Größe der durch die Än­ derung bewirkten Verschiebung (d) verschieden ist.

3. Kraftmeßwertwandler gemäß Anspruch 1, bei dem der zwei­ te Sensor in einem Stück ausgebildet ist und eine im allgemeinen gabelförmige Gestalt besitzt.

4. Kraftmeßwertwandler gemäß Anspruch 1, bei dem das zwei­ te Sensorbauteil einen einteilig mit einem der Träger­ bauteile ausgebildeten und sich im allgemeinen in der ersten Richtung erstreckenden Träger, ein Paar von auf einander gegenüberliegenden Seiten des ersten Sensor­ bauteils angeordneten dielektrischen Bauteilen, die je­ weils eine der leitenden Platten tragen, und Einrich­ tungen zum Befestigen der dielektrischen Bauteile am Träger aufweist.

5. Kraftmeßwertwandler gemäß den Ansprüchen 2 oder 3 oder 4, bei dem die Trägerbauteile, die Sensorbauteile und die Kraftsammelbauteile in einem Stück aus einem di­ elektrischen Material ausgebildet sind.

6. Kraftmeßwertwandler gemäß Anspruch 5, bei dem das di­ elektrische Material ein keramisches Material ist.

7. Kraftmeßwertwandler gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen flexiblen Balg, der den Meßwertwandler um­ gibt.

8. Kraftmeßwertwandler, mit
wenigstens einem Trägerbauteil, das entlang einer er­ sten Richtung in einem Abschnitt des Trägerbauteils ei­ ne zu messende Kraft aufnimmt, die eine elastische Bie­ gung des Trägerbauteils bewirkt, um eine Verschiebung (d) des Krafteinwirkungsbereiches, die entlang der er­ sten Richtung gemessen wird, und eine Gegenkraft zur zu messenden Kraft zu erzeugen;
wenigstens einem Sensorbauteil, das mit dem Trägerbau­ teil in einem Punkt maximaler Winkeländerung während der Verschiebung starr verbunden ist; und
wenigstens einem Paar von einander gegenüberliegenden leitenden Oberflächen, wobei wenigstens eine der lei­ tenden Oberflächen von dem Sensorbauteil getragen wird und wobei die Oberflächen im allgemeinen parallel und in einem gegenseitigen räumlichen Abstand (g) angeord­ net sind, um einen veränderlichen Kondensatorspalt zu bilden, wobei
die Bauteile so orientiert und verbunden sind, daß wäh­ rend einer Änderung (Ag) des Abstandes (g) aufgrund der Verschiebung (d) die Änderung (Ag) und daher die ent­ sprechende Kapazität proportional zur zu messenden Kraft ist.