NO791775L - Kapasitiv belastningscelle og fremgangsmaate for dens fremstilling - Google Patents

Description

Kapasitiv belastningscelle og fremgangsmåte for dens fremstilling.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører generelt krafttransduktorer og nærmere bestemt en belastningscelle av den type som har en elektrisk kapasitans avhengig av en påtrykket kraft, slik som vekten av en last.

Oppfinnelsen finner særlig anvendelse i forbindelse med elektroniske vekter, særlig vekter som tilveiebringer et digitalt utgangssignal eller en vektfremvisning. Belastningsceller som hittil er tilveiebragt for anvendelse i slike vekter har stort sett innbefattet bøye-elementer av materialer som oppviser hysterese og kryp og som kan bevirke unøyaktige avlesninger eller på annen måte begrense nøyak-tigheten og oppløsningen av vektene.

Det er funnet at et keramisk materiale, som hittil ble ansett å være for sprøtt for anvendelse i bøye-elementer, oppviser praktisk talt perfekt elastisitet ved romtemperatur og andre temperaturer innenfor området i hvilket vektene normalt anvendes. En belastni-ningscelle som har. et bøye-element av keramisk materiale,er blitt

■ funnet å være stort sett fritt for hysterese og kryp og tilveiebringe betydelig mer nøyaktige avlesninger og større oppløsning enn belastningsceller som anvender vanlige materialer.

Oppfinnelsen tilveiebringer en kapasitiv belastningscelle som har en første plate montert i en fast posisjon og en andre plate montert på en arm av keramisk materiale, i motvendende forhold med den første platen. Belastninger som påtrykkes belastningscellen vil bevirke den keramiske armen til å bøye seg, hvorved avstanden mellom platen endres for å tilveiebringe en kapasitans som korresponderer med belastningen. I en foretrukket utførelsesform, er et legeme dannet av en.blokk av keramisk materiale med et par stort jsett stive1 ytre armer og en relativt bøyelig sentral arm. Metalr liserings lag er dannet på de sentrale armer, og s tatorplater- - bæres av de ytre armene i et motvendende forhold med metalliserings-1 lagene på den sentrale armen.

Det er et hovedformål ved den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en ny og forbedret kapasitiv belastningscelle samt en fremgangsmåte for fremstilling av denne.

Det er et annet formål ved den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringe en belastningscelle av den ovenfor nevnte type som over-vinner problemene med hysterese og kryp i tidligere kjente belastningsceller.

Ytterligere formål og trekk ved den foreliggende oppfinnelse vil fremgå av den etterfølgende beskrivelse i hvilken foretrukne ut-førelsesformer er angitt i detalj i forbindelse med vedlagte tegninger. Fig. 1 er et side-vertikalriss av en utførelsesform av en belast-<;>ningscelle ifølge oppfinnelsen.

Fig. 2 er et front-vertikalriss av belastningscellen i fig. 1.

Fig. 3 er et forstørret fragmentært tverrsnitt-riss langs en linje 3-3 i fig. 2. Fig. 4 er et bakre isometrisk riss av legemet for belastningscellen i fig.l. Fig. 5 er et isometrisk riss av en av statorplatene i belastningscellen i fig. 1. Fig. 6 er et bunnplan-riss av en av statorplatene i belastningscellen i fig. 1. Fig. 7 er et side-vertikalriss av belastningscellen i fig. 1 montert på en ryggplate med et vektarm-system for påtrykking av belastninger på belastningscellen.

Fig. 8 er et topp-plan-riss av apparatet i fig. 7.

'Fig. 9 er et blokk diagram av en utførelsesform av en krets somj

ji anvender belastningscellen i fig. 1. Fig. 10 er et utspilt isometrisk'riss, delvis brudt bort, av en andre utførelsesform av en belastningscelle ifølge den foreliggende oppfinnelse. Fig. 11 er et front-veritkalriss av ut førelsesformen i fig. 10.

Fig. 12 er et tverrsnittriss langs en linje 12-12 i fig. 11.

Som vist i figurene 1-6, innbefatter belastningscellen et stort sett E-formet legeme 11 og en sentral arm 16 som forløper horisontalt fra dette. De øvre og nedre armer er stort sett stive, og den sentrale armen er relativt fleksibel, idet den er dannet med en region 17 med redusert tykkelse som forløper sideveis over armen nær basisen 12. En stort sett plan monteringsoverflate 18 er tilveiebragt ved basisens bakside og vertikalt forløpende påkjennings avlastningsslisser 19, 21 munner gjennom de øvre og nedre overflater av basisen i regionen mellom monteringsoverflaten og armene. En sylindrisk stender 22 rager utad fra den frie eller front enden av den sentrale armen 16 for mottagelse av belastninger som påtrykkes belastningscellen. Legemet 11 er fremstilt som en enhetlig konstruksjon av en blokk av keramisk materiale slik som alumina. Et særlig foretrukket materiale er AD-995 alumina fra Coors Porcelain Company, Golden, Colorado, USA. Dette materialet inneholder 9 9,5 vekt-prosent av A^O^og 0,5 % andre oksyder slik som silisiumoksyd, magnesia og kalsiumoksyd. Dette materialet oppviser praktisk talt perfekt elastisitet og andre keramiske materialer som har tilsvarende egenskaper kan også anvendes.

Metalliserings-lag 26, 27 er tilveiebragt på øvre og nedre overflater av den sentrale armen 16 mot den frie enden av denne. Som omtalt nærmere i det etterfølgende, danner disse lag plater i kondensatorer 31, 32 som endrer seg i verdi i overensstemmelse med den påtrykkede belastning. Metalliseringslagene er dannet ved påføring av pasta som inneholder sølv og glasspartikler suspendert i et hensiktsmessig væske-stoff på overflatene av armen. Materialet blir så brent ved en temperatur av størrelsesorden 900°C for å diffundere glasset og danne en binding med det keramiske mate-' j rialet. Metalliseringslagene påtrykkes også front, side, topp|

I og bunn overflatene av legemet, og disse lag sammenkobles elektrisk med hverandre og med lagene 26, 27. I den foretrukne ut-førelsesform, er disse lag koblet til kretsens jord og opprettholdt på jordpotensialet,

Kondensatorene 31, 32 har faste statorplater i form av metalliseringslag 33, 34 på ståtorstykkene eller innførte elementer 36, 37 montert på armer 13, 14. De innførte elementer er fremstilt av stort sett rektangulære blokker av keramisk materiale, slik som Coors AD-995 alumina. Metalliseringslagene 33, 34 er fremstilt av det samme materiale og på den samme måten som metalliseringslagene 26, 27. Metallisering påføres også front og side overflaten av de innførte elementer, og metalliseringen på disse overflater er sammenkoblet til å danne en kontinuerlig leder som er isolert fra metalliseringslagene 33, 34. De innførte elementer festes til armene 13, 14 ved hjelp av fastspenningsorganer 38, 39 og skruer 41, 42. Fastspenningsorganene er fremstilt av et elektrisk ledende materiale, slik som aluminium, som danner inngrep med de elektrisk ledende overflater av legemet og de innførte elementer og tilveiebringer elektrisk kontinuitet mellom disse.

De øvre og nedre innførte elementer er identiske, selvom det øvre elementet 36 er montert i en omsnudd posisjon relativt det nedre elementet 37. Et av disse elementene er vist i detalj i fig. 5 og 6. Isoleringsslisser 46 -49 er dannet i overflaten av elementet som vender mot den sentrale armen av legemet, og et fordypet område 51 er dannet i den siden som vender mot armen på hvilken elementet er montert. Isoleringsslissene forløper stort sett parallelt med front, bak og side kantene av elementetbg definerer en øy 52 på hvilken metaliliiseringslaget dannes. Slissene tilveiebringer elektrisk isolering mellom platen og metalliseringen på de ytre overflatene av det innførte elementet og hindrer frynsing ved kantene av kondensatoren. Hjørnene 53 av det fordypede området 51 er forsynt med en radius og slissene 46 - 49 munner inn i det fordypede området mellom hjørnene.

De innførte elementene innbefatter også ører 54 som rager ut fra sidene av disse for inngrep med fastspenningsorganene 38, 39. Monterings puter .56 er dannet mot hjørnene av dé innførte elementer i for inngrep med armene på hvilke elementene er montert. Tråder 57 er loddet til ' métallåseringslagene 33, 34 for- å tilveiebringe 'elektriske forbinde].ser med statorplatene.

I en nåværende foretrukket utførelsesform, er avstanden mellom platene ^kondensatorene 21, 32 av størrelsesorden 0,012 5 cm. , og def leksjonen som frembringes av en belastning påtrykket den sentrale armen 22 er av størrelsesorden 0,0005 cm. Bruken av' de innførte elementer muliggjør i stor grad fremstillingen av belastningscellen med disse dimensjoner og de snevnre toleranser som derved kreves.

I den foretrukne fremstillings fremgangsmåte for belastningscellen» i figurene 1-6, er legemet 11 og de innførte elementer 36, 37 dannet av stort sett rektangulære blokker av keramisk materiale ved hjelp av en hensiktsmessig maskinerings prosess slik som sliping. Metall iseringslagene er dannet på de ønskede overflater av legemet og innføringselementene før innføringselementene monteres på legemet. Metalliseringen kan påføres ved en hvilken som helst hensiktsmessig prosess slik som pletering eller ved påføring av en pasta bestående av en sølv og glass partikler i et hensiktsmessig væske-stoff på overflatene, og så brenne stykkene ved en temperatur av størrelsesorden 900°C for å diffundere glasset og danne bindinger. Elektriske ledere blir så loddet på plass og innførings elementene monteres på de øvre og nedre armer av legemet og festes til disse ved hjelp av fastspenningsorganer 38, 39.

I utførelsesformen i figurene 7 - 8 er belastningscellen montert på en stiv ryggplate 61 ved hjelp av monterings brakketer 62 og

. skruer 63. Monterings brakkettene forløper inn i slissene 19,

21 og fastspenner monteringsoverflaten 18 av legemet fast til .frontoverflaten av ryggplaten.

Stort sett parallelle A-formede vektarmer 66, 67 er dreibart montert på ryggplaten over og under belastningscellen ved hjelp av bøye-plater 68. Disse plater er festet til ryggplaten og til vektarmene ved hjelp av fastspenningsplater 69 og skruer 71. ' En belastningsbro 72 forløper mellom vektarmene i fronten av belastningscellen og er dreibart forbundet med vektarmene ved hjelp av bøye-plater 73, 74. Et béslag 76 er montert på den øvre enden [av lastmottågel se elementet av en vekt, og en ende av bøye-platen 73 er fastspent mellom dette beslag og den øvre- enden av be- I las tningsbroen. Den andre enden av bøye-platen 73 er festet ti.. vektarmene 66 ved hjelp av en skrue 77 og en fastspenningsplate 78. Bøye-platen 74 er festet til vektarmen 67 og til den nedre enden av belastningsbroen 72 ved hjelp av skruer 79 og fastspenningsplater 81.

En forbindelsesstang 82 forløper mellom den nedre enden av belastningsbroen 72 og den sentrale armen 16 av belastningscellen. Den nedre enden av strekkstangen er festet til den nedre enden av belastningsbroen ved hjelp av en skrue 83, og den øvre enden av forbindelsesstangen er festet til stenderen 22 og festet ved hjelp av en skrue 84. Deler av forbindelsesstangen er kuttet bort for å danne bøyninger 86, 87 orientert i vertikale plan som stort sett er perpendikulære på hverandre.

Operasjon og bruk av belastningscellen er beskrevet under henvis-ning til figurene 7 og 8. Det antas at en plate eller annet hensiktsmessig lastmottagendeelement er montert på beslaget 76. På-føringen av en last på platen bevirker en nedad gående defleksjon av belastningsbroen 72, hvilken overføres til den sentrale armen 16 ved hjelp av forbindelsesstangen 82. Dette bevirker den sentrale armen til å bøye seg, hvorved avstanden mellom platene i kondensatoren 31 økes og avstanden mellom platene i kondensatoren 32 minskes. Ettersom størrelsen av defleksjonen er avhengig av stør-relsen av belastningen, vil kapasitansen for hver kondensator like-ledes korrespondere med belastningen. Det vil bemerkes at verdiene av de to kapasitansene endrer seg i motsatte retninger, med verdien av kondensatoren 31 avtagende og verdien av kondensatoren 32 økende med økende belastninger. De parallelle armene 66, 67

og den bøyelige forbindelsesstangen 82' tjener til å isolere be-.: lastningscellen fra virkningene av side belastning, f .eks. ved påføring av laster.som ligger fra midtpunktet av plattformen. Påkjennings-avlastningsslisser 19, 21 tjener til ytterligere å av-koble belastningscellen fra forvregnings-frembringende belastninger .

En foretrukket krets som anvender belastningscellen er vist i fig.

9. Kondensatorene 31, 32 er koblet til osilatorer 91, 92 som frek-Ivens-bestemmende elementer. Utgangene fra osilatorene er koblejt til en blander 93, og utmatningen fra blanderen" er et signal som korresponderer med frekvensforskjellen mellom osilator signa-lene .

I den foretrukne utførelsesform omfatter blanderen 9 3 en D-type flip-flop. Utmatningen fra osilatoren 91 påtrykkes D inngangen av flip-flop'en, og utmatningen fra osilatoren 9 2 påtrykkes klokke-inngangen C. En tellestyringspuls påtrykkes nullstillingsinngangen CLEAR på flip-flop1 en. For frekvenser i området definert av for-holdet

av frekvensen av signalet på Q utgangen av flip-flop'en verdien f-^- hvor f^er frekvensen av signalet påtrykket klokkeinngan-gen og f2er frekvensen av signalet påtrykket D-inngangen.

Frekvensen av signalet som frembringes av osilatorene er ikke-lineære funksjoner av defleksjonen av kondensatorplatene, og er proporsjo-nale med kvadratrøttene av kapasitansene. Imidlertid er differan-sen av disse to ulineære funksjoner en funksjon som er stort sett lineær. Utmatningen fra flip-flop'en er en firkantbølge selv når inngangssignalene som påtrykkes flip-flop'en ikke er firkantbølger. Således tilveiebringer belastningscellen og kretsen i fig., 9 en enkel og direkte fremgangsmåte for å generere et digitalisert signal som er en lineær funksjon av belastningen som påtrykkes en vekt.

I utførelsesformen i figurene 10 - 12, innbefatter belastningscellen et stort sett T-formet legeme 101 som har en stort sett rek-tangulær oppstående basis 102 med en sentral arm 10 3 og sidearmer 104, 106 som forløper fra basisen i et stort sett horisontalt

plan. Armene 104, 106 er stort sett stive, og den sentral armen

10 3 er relativt fleksibel i den vertikale retning, idet den er forsynt med en region 107 av redusert tykkelse tilliggende basisen 102. Horisontalforløpende slisser 108, 109 forløper gjennom øvre og nedre overflater av basisen 102 og er tilpasset til å motta monterings brakketter tilsvarende brakkettene 62, 63. En sylind-, risk stender.111 rager ut fra den frie eller front enden av den 'sentrale armen 10 3 for å motta belastninger påtrykket belastnings cellen, og vertikalt forløpende påkjennings-avlastningsslisser 1112, 113 i front flaten av legemet 102 isolerer ytter armer 104 i 106 fra påkjenninger i basisen.

Slik som i utførelsesformen i figurene 1-6, er legemet 101 fremstilt som en enhetlig konstruksjon av en blokk av keramisk materiale, slik som alumina.

Metalliseringslag 11-6, 117 er tilveiebragt på de stort sett plane øvre og nedre overflater av den sentrale armen 103. Disse lag danner plater i kondensatorer 118, 119 som endrer seg i verdi i overensstemmelse med den vertikale belastningen som påtrykkes den sentrale armen. Plater 116, 117 er koblet sammen ved hjelp av metallisering 121 på front siden av armen 123 og ved ytterligere metallisering 122 på front flaten av basisen, med strimler 123 som sammenføyer platene og 'jietalliseringen 122. Som i utf ørelsesf ormen i figurene 1 - 6, er metalliseringslagene koblet til kretsens jord og opprettholdt på jordpotensialet.

Kondensatorene 118, 119 har faste statorplater i form av metalliseringslag 126, 127 på innføringselementer eller statorstykker 128, 129 montert på ytre armer 104, 106. Statorstykkene er fremstilt av stort sett rektangulære blokker av keramisk materiale, slik som alumina, og de to statorstykkene er identiske, selvom øvre statorstykke 128 er montert i en omsnudd posisjon relativt det nedre statorstykket 129. Isolasjonsslisser 131 er dannet i overflaten av statorstykket som vender mot den sentrale armen av legemet 101, og et fordypet område 132 er dannet i siden som vender bort fra den sentrale armen. Isolasjonsslissene forløper stort sett parallelle med sidekantene av statorstykket og definerer en øy 133 på hvilken metalliseringslaget dannes. Hjørnene 134 av

det fordypede området 132 er avrundet og slissene 133 munner inn

i det fordypede området mellom hjørnene.

Statorstykkene innbefatter også puter eller føtter 136 som danner inngrep med de ytre armene for å etablere den ønskede avstand mellom .metalliseringslagene på den sentrale armen og statorstykkene. Statorstykkene festes til de ytre armene ved hjelp av hensikts-messige midler slik som bindemiddel. I en nåværende foretrukket oitførelsesform, plasseres statorplatene med putene i kontakt med armene, og en dråpe av bindemiddel påføres kanten av forbindelsen imellom hver pute og arm. Bindemidlet trekkes inn i .forbindelsen med kapilar virkning. Trådene 138 loddes på metaliseringslagene 126, 127 for å tilveiebringe elektriske forbindelser med statorplatene .

Slik som i utførelsesformen av figurene 1-6, opprettholdes platene i kondensatorene 118, 119 i et adskilt parallelt forhold, med

avstand av størrelsesorden 0,25cm. Defleksjonen som frembringes av en belastning som påtrykkes den sentrale armen 10 3 er av stør-relsesorden 0,0005 cm.

I den foretrukne fremstillingsfremgangsmåte for belastningscellen i figurene 10 - 12, dannes legemet 101 og statorstykkene 128, 129 av stort sett rektangulære blokker av keramisk materiale ved hjelp av en hensiktsmessig maskinerings prosess slik som sliping. Metalliseringslagene dannes på de ønskede overflater av legemet og statorstykkene før statorstykkene monteres på legemet. Slik som i

utførelsesformen i figurene 1-6, kan metalliseringen påføres

ved hjelp av hvilken som helst hensiktsmessig prosess, slik som pletering eller ved påføring av en pasta bestående av sølv og glass partikler i et hensiktsmessig væske-stoff på overflatene, og så brenne stykkene ved en temperatur av størrelsesorden 9.00°C for å diffundere glasset og danne bindinger.

De elektriske ledere loddes så på på plass, og statorstykkene monteres på armene 104, 106.

Belastningscellen* i figurene 10 - 12 kan monteres i en ramme av den type som er vist i figurene 7 - 8 og kan anvendes på en måte tilsvarende den for belastningscellen ' i figurene 1-6.

Det er klart fra det foregående at en ny og forbedret belastningscelle samt fremgangsmåte for fremstilling av denne er blitt tilveiebragt. Selvom kun visse nuværende foretrukne utførelsesformer er blitt beskrevet, slik det vil være klart for de som har kjenn-skap til teknikken, kan visse endringer og modifikasjoner fore-tas uten å avvike fra omfanget av oppfinnelsen som definert ved de etterfølgende krav.

Claims (7)

1. ' Belastningscelle, karakterisert ved en første plate av elektriske ledende materiale montert i en fast posisjon, en arm av keramisk materiale stivt montert ved en ende av cellen, og en andre plate av elektrisk ledende materiale som bæres av den keramiske armen i et motvendende forhold til den første platen, og midler for å påføre en belastning på den keramiske armen for å bøye armen og endre avstanden mellom platene for å tilveiebringe en kapasitans som korresponderer med belastningen, eller et legeme av keramisk materiale som har stort sett stive ytre armer og en relativt bøyelig sentral arm, elektrisk ledende plater som bæres av de ytre armene i motvendende forhold med den sentrale armen, elektriske ledende plater som bæres av den sentrale armen adskilt fra og vendende mot platene på de ytre armene, og midler for å påføre en belastning på den sentrale armen for å bøye denne og der ved endre avstanden mellom platene for å tilveiebringe kapasitanser som korresponderer med belastningen.

2.B elastningscelle som angitt i krav 1, karakterisert ved at legemet innbefatter en basis fra hvilken armene forløper, idet nevnte basis har en monteringsoverflate på siden av denne motsatte armene og påkjennings-avlastningsslisser som munner gjennom de ytre overflatene av basisen mellom monte-ringsoverf låtene og armene.

3. Belastningscelle som angitt i krav 1, karakterisert ved at platene som bæres av de ytre armene omfatter métalliseringslag på keramiske statorstykker montert på nevnte armer.

4. Belastningscelle som angitt i krav 3, karakterisert ved at statorstykkene omfatter innføringselementer som har isolasjonskanaler som munner gjennom overflatene av disse, vender mot den sentrale arm og definerer øyer på hvilke metali-seringslaget dannes, hvor de perifere sidekanter av innførings-elementene er metallisert '; og forbundet elektrisk til platen på den sentrale arm. I ' I

5. Belastningscelle som angitt i krav 4, ka-rakteri-' sert ved at sidene av innføringselementene som vender mot de ytre armene har fordypede områder dannet i seg underliggende øyene, hvor isolasjonskanalene munner inn i de fordypede områder over stort.sett hoveddelen av deres utstrekning.

6. Belastningscelle som angitt i krav 4, karakterisert ved at innføringselementene er festet til de ytre armene ved hjelp av fastspenningsorgan.

7. Fremgangsmåte for fremstilling av en belastningscelle av.en blokk av keramisk materiale, slik som angitt i krav 1, kar a' k- terisert ved maskinering av blokken for å danne et legeme som har en basis med stort sett stive ytre armer og en relativt bøyelig sentral arm som strekker seg fra denne, danning av elektrisk ledende metalliseringslag på deler av den sentrale armen som vender mot de ytre armene, dannelse av elektrisk-.-ledende metalliseringslag på overflatene av keramiske statorstykker, der-etter å plassere statorstykkene på de ytre armene med metalliseringslagene på den sentrale armen, og feste statorstykkene på de ytre armene med metalliseringslagene på disse adskilte fra-metalliseringslagene på den sentrale armen for å danne kondensatorer som endrer seg i verdi når en belastning påtrykkes den sentrale armen for å bøye armen og derved endre avstanden mellom metalliseringslagene.