Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Waage mit einer Auflagefläche zur Auflage eines zu wiegenden Gewichts. Die Waage eignet sich insbesondere zur Bestimmung von kleinen Gewichten im Bereich von einigen Gramm bis mehreren hundert Kilogramm bzw. von Gewichtsunterschieden im Bereich von bis zu 0.1% des Maximalgewichts.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind die unterschiedlichsten Waagen bekannt. Ebenso un- terschiedlich sind die verwendeten Messtechniken.
US 4 503 922 zeigt eine Badezimmerwaage mit einer flachen Messspule und einem Biegebalken.
EP 0'299'395 zeigt eine kapazitive Gewichtsmessung mit Elektroden. Ein Druckknopf ragt aus einem Gehäuse der Elektroden heraus. Ein Übertragungsstift ragt aus einem übergeordneten Gehäuse.
Ferner ist aus EP 1 357 370 ein induktiver Kraftsensor bekannt, bei welchem eine me- tallene Membran mit der zu bestimmenden Kraft beaufschlagt wird. Mittels einer Flachspule wird induktiv der Abstand zwischen der Membran und der Flachspule gemessen. Eine für den Betrieb dieser Flachspule geeignete Schaltung ist beispielsweise aus EP
913 857 bekannt. Ähnliche Anordnungen sind aus EP 0 774 651 für einen Differenzdrucksensor und aus EP 0 696 727 für einen Temperaturfühler bekannt.
Darstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Waage zu schaffen, welche einfach aufgebaut, kostengünstig und vielseitig anwendbar ist.
Diese Aufgabe löst eine Waage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die erfindungsgemässe Waage weist eine Auflagefläche zur Auflage eines zu wiegenden Gewichts, eine elektrisch leitende Sensorplatte, eine beabstandet zur Sensorplatte angeordnete Flachspule zur induktiven Messung eines Abstandes zwischen der Sensor- platte und der Flachspule, ein die Sensorplatte und die Flachspule umgebendes Gehäuse und einen Druckknopf auf, welcher aus dem Gehäuse ragt und welcher mit der Sensorplatte verbunden ist.
Der in anderen Anwendungen als Temperatur-, Kraft- und Differenzdrucksensor (siehe oben genannte Publikationen) bewährte Sensor lässt sich mit einfachen Mitteln zu einer Waage umbilden. Die Auflagefläche für die Waage kann in einer Ausfuhrungsform mit dem Druckknopf verbunden sein.
Vorzugsweise überragt der Druckknopf das Gehäuse auf einer Unterseite des Gehäuses nach unten, wobei die Auflagefläche an der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses angeordnet ist. Die Verbindung zwischen Druckknopf und Membran ist dadurch besser geschützt und die Waage ist weniger störungsanfallig. Vorzugsweise bildet dabei die Unterseite des Gehäuses eine untere Anschlagfläche der Waage. Auch dies vermindert die Störungsanfälligkeit, da die Waage nicht überbelastet werden kann. Die Länge des Druckknopfes bzw. der Abstand der Anschlagfläche zum Boden im unbelasteten Zustand lässt sich so wählen, dass sich die Membran ausschliesslich in ihrem elastischen Bereich verformen kann und somit stets wieder in ihre ursprüngliche unbelastete Form
zurückkehren kann.
Es lassen sich auch andere Arten von Anschlägen verwenden, um eine Überbelastung zu verhindern. So kann beispielsweise zwischen Spule und Sensorplatte ein Distanzhal- ter angeordnet sein. Des weiteren kann auch einer Grundplatte ein Stift aufragen, auf welcher ein Teil, beispielsweise das Gehäuse bei grosser Belastung der Waage ansteht.
Vorzugsweise ist das Gehäuse mindestens teilweise aus Metall gefertigt, so dass es eine elektrische Abschirmung für sein Inneres bildet.
Die Waage kann aus den oben genannten Elementen, integriert im Gehäuse bestehen, wobei zusätzlich nur noch die entsprechende elektrische Schaltung zur Betreibung der Flachspule integriert sein muss. Es lassen sich jedoch auch mehrere einzelne Gehäuse, welche jeder für sich ein von den andern unabhängiges Wägelement beinhalten, über eine gemeinsame Auflagefläche zu einer grosseren Waage verbinden. Vorteilhaft dabei ist, dass die einzelnen Wägelemente unabhängige Sensoren sind und nicht elektronisch miteinander verbunden werden müssen.
Die erfindungsgemässe Waage lässt sich vielseitig einsetzen, beispielsweise als Perso- nenwaage, als Paketwaage, als Küchenwaage, in Fertigungsstrassen und Produktionsbetrieben. Insbesondere lässt sie sich als Babywaage bzw. zur Messung einer abgepumpten oder gerade abgepumpten Muttermilchmenge einsetzen.
Weitere vorteilhafte Ausfuhrungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Seitenansicht einer Waage gemäss der Erfindung;
Figur 2 einen Längsschnitt durch die Waage gemäss Figur 1;
Figur 3 eine Explosionsdarstellung der Waage gemäss Figur 1 ;
Figur 4 eine schematische Darstellung einer erflndungsgemässen Waage mit mehreren Gehäusen;
Figur 5 eine Seitenansicht einer erfindungsgemässen Waage in einer weiteren
Ausfuhrungsform;
Figur 6a einen Längsschnitt durch die Waage gemäss Figur 5;
Figur 6b einen Längsschnitt durch eine Variante der Waage gemäss Figur 5 und
Figur 7 eine Explosionsdarstellung der Waage gemäss Figur 6b.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In Figur 1 ist eine erfindungsgemässe Waage dargestellt. Sie weist ein Gehäuse mit einem oberen Gehäuseteil 1 und einem unteren Gehäuseteil 4 auf. Zwischen den zwei Gehäuseteilen 1, 4 ist eine Leiterplatte 2 angeordnet. Sie kann vollständig innerhalb des Gehäuses 1, 4 angeordnet sein oder, wie hier dargestellt, so gross ausgebildet sein, dass sie Teil des äusseren Mantels des Gehäuses bildet. Die Leiterplatte 2 ist vorzugsweise rund und das Gehäuse 1, 4 ein flacher Kreiszylinder. Das Gehäuse ist in diesem Beispiel mindestens teilweise, vorzugsweise ganz aus Metall gefertigt.
Im Mantel des oberen Gehäuseteils 1 ist eine Kabelöffhung 11 vorhanden, um die elektrischen Leitungen von der Stromquelle zur Leiterplatte 2 zu fuhren und um das Sensor-
signal zu einer Anzeigeeinheit und gegebenenfalls zu einer Auswerteeinheit zu übermitteln, wo es in eine Gewichtsangabe geändert wird. Es ist auch möglich, eine Stromquelle innerhalb des Gehäuses anzuordnen und am Gehäuse eine Anzeigeeinheit anzubringen.
Die obere plane Fläche des oberen Gehäuseteils 1 bildet eine Auflagefläche 12 für ein zu wiegendes Gewicht. Die untere Fläche des unteren Gehäuseteils 4 bildet eine Anschlagfläche 41. Diese Anschlagfläche 41 liegt im unbelasteten Zustand der Waage nicht auf dem Boden auf, sondern ist über einen Druckknopf 6 beabstandet zu diesem angeordnet. Der Druckknopf 6 befindet sich in einer Hülse 5 und ragt auf der unteren Seite des Gehäuses 1, 4 aus diesem nach unten heraus. Er ist bezüglich des unteren Gehäuseteils 4 verschiebbar gehalten. Er liegt vorzugsweise punktförmig auf dem Boden auf, beispielsweise weist er einen kugel- oder teilkugelförmigen Kopf auf.
In Figur 2 ist das Innere der Waage gemäss Figur 1 erkennbar. Die Gehäuseteile 1, 4 und die Leiterplatte 2 verfügen über Durchgangsöffnungen 10, 20 bzw. über ein Sackloch 40, welche miteinander fluchten. Dadurch lässt sich das Gehäuse zusammenschrauben. Andere Verbindungsarten sind jedoch auch möglich, z.B. eine Pressung.
Wie in Figur 2 erkennbar ist, sind zwei Hohlräume 8, 9 im Innern des Gehäuses vorhanden, welche durch die Leiterplatte 2 voneinander getrennt sind. Auf der Leiterplatte 2 sind eine Flachspule 7 sowie eine nicht dargestellte elektrische Schaltung zur Betreibung der Flachspule angeordnet. Die Flachspule 7 ist vorzugsweise in der Leiterplatte integriert, insbesondere als spiralförmig verlaufende Leiterbahn. Die Flachspule 7 ist auf der unteren Seite der Leiterplatte 2 angeordnet. Benachbart zu ihr und diese flä- chenmässige überdeckend ist im unteren Hohlraum 9 eine Sensorplatte 3 angeordnet. Im hier dargestellten Beispiel ist die Sensorplatte eine Membran 3, welche zwischen Leiterplatte 2 und unterem Gehäuseteü 4 lagefixiert gehalten ist, wie dies in Figur 3 erkennbar ist. Die Membran 3 befindet sich in einem definierten Abstand zur Spule 7.
Vorzugsweise ist die Membran 3 rund ausgebildet. Sie ist aus einem Metall, insbesondere aus Kupferberyllium, rostfreiem Stahl, Berylliumbronze oder Neusilber gefertigt.
Sie weist üblicherweise eine Dicke von 40 bis 500 μm auf. Sie kann jedoch auch rechteckig oder oval sein bzw. eine andere Form aufweisen. Auch ihre Dicke kann ausser- halb des oben angegebenen Wertebereichs liegen. Vorzugsweise sind in diesem Fall jedoch die Formen des Gehäuses und der Leiterplatte entsprechend angepasst.
Die Membran 3 weist konzentrische Wellen auf, bzw. die Membran ist entsprechend gebogen. Ein mittlerer runder Bereich der Membran 3 ist vorzugsweise wellenfrei und plan ausgebildet. Er bildet eine Druckfläche 30. Auf dieser Druckfläche 30 ist die Hülse 5 und somit der Druckknopf 6 angeordnet bzw. ist mit ihr wirkverbunden. Wird nun ein Gewicht auf die Auflagefläche 12 gelegt, so wird das Gehäuse 1 , 4 nach unten gedrückt. Die Druckfläche 30 drückt auf den Druckknopf 6, welcher jedoch nicht nachgibt sondern entlang welchem das untere Gehäuseteil 4 nach unten gleitet. Dadurch wird die Druckfläche 30 näher zur Spule 7 gebracht und der Abstand verringert sich. Die Anschlagfläche 41 verhindert, dass die Membran beliebig weit zusammengedrückt werden kann bzw. die Flachspule 7 berührt. Die Länge des überragenden Teils des Druckknopfes 6, das heisst, der Teil, welcher der unteren Anschlagfläche 41 im unbelasteten Zustand vorsteht, ist vorzugsweise so bemessen, dass sich die Membran 3 ausschliesslich im elastischen bzw. linearen Bereich bewegt.
Der Druckknopf 6 überträgt somit das zu wiegende Gewicht auf die Membran 3, wodurch sich deren Abstand zur Flachspule 7 verändert, so dass sich die Induktivität der Spule 7 bzw. ihre Impedanz ändert. Diese Änderungen sind messbar als Änderung der Resonanzfrequenz und/oder der Dämpfung, wenn die Spule 7 elektrisch in einem Serieoder Parallelresonanzkreis angeordnet ist.
Im Betrieb wird die Spule 7 mit einem hochfrequenten Wechselstrom beaufschlagt und erzeugt somit ein hochfrequentes Magnetfeld. Die Frequenz f des Wechselstroms ist so hoch gewählt, dass die Eindringtiefe des Magnetfeldes in die Membran 3 deutlich geringer ist als deren Dicke. Die Eindringtiefe δ ist bestimmt durch den Skineffekt. Die Frequenz beträgt typischerweise einige. MHz. Das sich infolge der Änderung des Abstandes zwischen der Membran 3 und der Spule 7 verändernde Ausgangssignal der Flachspule 67 ist z.B. die Resonanzfrequenz des aus der Flachspule 7 und einem Kon-
densator gebildeten Schwingkreises, oder die Amplitude der an der Flachspule 7 anliegenden Wechselspannung oder die Phasenlage zwischen der an der Flachspule 7 anliegenden Wechselspannung und dem Oszillator oder ein anderes von der Flachspule 7 direkt abgeleitetes Signal. Vorzugsweise wird mit Stromresonanz gearbeitet, wobei der Arbeitspunkt in der Flanke im linearen Bereich der Charakteristik liegt. Die Flachspule 7 dient somit einerseits zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes als auch zur Erfassung der Wirkung, welche das durch den Skineffekt erzeugte elektromagnetische Feld der Membran im Gegentakt auf das Magnetfeld der Spule ausübt.
Anstelle der Membran 3 lässt sich auch ein Biegebalken verwenden, welcher ein- oder zweiseitig eingespannt ist und vom Druckknopf 6 beaufschlagt wird. Der Biegebalken ist ebenfalls aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise aus Metall gefertigt. Die Membran hat jedoch den Vorteil, dass keine messbare Hysterese auftritt.
Die Waage weist vorzugsweise mindestens eine Öffnung 21, damit auf beiden Seiten der Membran Umgebungsluft anliegt. Hier sind es mehrere Öffnungen. Es ist jedoch auch möglich das Gehäuse luftdicht zu verschliessen, damit im Innern ein konstanter Druck herrscht.
In Figur 4 ist eine Waage dargestellt, welche sich aus mehreren Wägelementen W, wie sie oben beschrieben sind, zusammensetzt. Hier sind vier Wägelemente W vorhanden, welche über eine gemeinsame Auflageplatte P miteinander verbunden sind. Die Wägelemente W sind voneinander unabhängig und liefern jeweils ihre Messresultate direkt an eine Auswerteelektronik E. Auch hier sind die Druckknöpfe 6 vorzugsweise nach unten vorstehend angeordnet, sie können jedoch auch noch oben zur gemeinsamen Auflageplatte P hin gerichtet sein. Die Auflageplatte P bildet einen Anschlag auf die Auflageflächen 12, welche eine Überbeanspruchung der Membran 3 in den nichtlinearen bzw. nicht elastischen Bereich verhindert.
Die Figuren 5 und 6a zeigen eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Waage. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen wie in den anderen Beispielen bezeichnet. Nicht in den Figuren dargestellt ist das obere Gehäuseteil, welches jedoch
auch hier vorzugsweise oberhalb der Leiterplatte 2 angeordnet und mit dem unteren Gehäuseteil 4 verbunden ist. Alle Teile sind wie im oberen Beispiel auch in diesem Beispiel rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei im zusammengebauten Zustand der Waage die Rotationsachsen der Teile eine gemeinsame Achse bilden.
Der Aufbau bezüglich Sensorplatte 3 und Flachspule 7 sowie deren Anordnung im Gehäuse wie auch die Anschlagfläche 41 sind dieselben wie im oben beschriebenen Beispiel gemäss den Figuren 1 bis 3. Der wesentliche Unterschied ist nun, dass anstelle des nach unten ragenden Druckknopfs mit abgerundetem Kopf und Punktauflage auf eine Unterlage nun ein anders aufgebauter Druckknopf 6' verwendet wird.
Auch hier weist der Druckknopf 6' eine Punktauflage auf. Sie ist jedoch im Druckknopf 6' integriert angeordnet. Wie in Figur 6a erkennbar ist, drückt die Sensorplatte 3 wiederum auf eine unter ihr angeordnete Hülse 61. Diese Hülse 61 ist vorzugsweise beabstandet zum unteren Gehäuseteil 4 mittig unterhalb der Sensorplatte 3 angeordnet. Vorzugsweise liegt die Sensorplatte 3 lose auf der Hülse 5 auf, ohne dass die Hülse anderweitig mit dem Gehäuse 1, 4 oder der Sensorplatte 3 verbunden ist. Sie kann jedoch auch mit der Sensorplatte 3 verschraubt, an diese angeschweisst oder mit dieser verklebt sein.
Unterhalb der Hülse 5, also auf ihrer sensorplattenfernen Stirnseite, ist ein mehrteiliger Druckknopf 6' angeordnet. Er ist mittels einer Schraube 63 mit flachem oder gerundetem Schraubenkopf und vorzugsweise einer hülsenseitig angeordneten Unterlegscheibe 64 in die Hülse 5 eingeschraubt. Die Hülse 5 weist hierfür eine Durchgangsöffnung mit einem Innengewinde auf, wobei die Öffnung vorzugsweise mittig bezüglich der Hülse 5 und/oder vorzugsweise mittig bezüglich der Sensorplatte 3 verläuft.
Der Druckknopf 6' weist einen federnd und formveränderbar ausgebildeten Ausgleichskörper 60 und eine darunter angeordnete Auflageplatte 65 auf. Die Auflageplatte 65 ist mit dem Ausgleichskörper 60 fest verschraubbar. Hierfür weist der Ausgleichskörper 60
Gewindebohrungen 600 und die Auflageplatte 65 dazu passende Bohrungen 650 auf.
Der Ausgleichskörper 60 liegt mit einer oberen planen Stirnfläche an einer unteren planen Stirnfläche der Hülse 5 an. Es weist zudem eine Durchgangsöffnung auf, welche von der Schraube 63 durchsetzt ist.
Des Weiteren weist der Ausgleichskörper 60 einen Käfig 601 auf, welcher auf seiner unteren Seite in einen Verbindungsflansch 602 übergeht. Die Verbindung zum Flansch 602 erfolgt über Federglieder 603.
Der Ausgleichskörper 60 ist rotationssymmetrisch bezüglich seiner Mittelachse ausge- bildet, wie dies in Figur 7 erkennbar ist. Er weist vorzugsweise einstückig aus einem Kunststoff hergestellt. Dabei sind mindestens die Federglieder 603 flexibel, insbesondere elastisch, ausgebildet. In einem Ausführungsbeispiel sind der Käfig 601 und der Flansch 602 starr ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform sind auch sie flexibel, insbesondere elastisch, ausgebildet. Der Ausgleichskörper 60 kann auch aus Metall oder einem anderen geeigneten Material gefertigt sein.
Der Käfig 601 weist eine untere Aufhahmeöffhung mit einem oberen Anschlag auf, in welcher eine Zwischenplatte 64 gehalten ist. Sie ist vorzugsweise starr mit dem Käfig 601 verbunden bzw. formschlüssig in ihm gehalten. Die Zwischenplatte 64 weist min- destens an ihrer der Schraube abgewandten Unterseite eine plane Oberfläche auf. Vorzugsweise ist sie planparallel ausgebildet. Die Zwischenplatte 64 ist aus einem formstabilen und starren Material gefertigt, insbesondere aus Kunststoff, Keramik oder Metall.
Die Auflageplatte 65 weist ebenfalls eine untere plane Oberfläche 652 auf. Diese dient als Fuss und somit als Auflagefläche der gesamten Vorrichtung. Sie kann jedoch auch auf einem weiteren, hier nicht dargestellten Vorrichtungsfuss befestigt sein.
Die Auflageplatte 65 weist eine nach oben zur Sensorplatte 3 hin gerichtete Erhebung 651 auf, welche vorzugsweise halbkugel- oder kalottenförmig ausgebildet ist. Die Er- hebung 651 ermöglicht eine Punktauflage. Die Punktauflage befindet sich vorzugsweise mittig bezüglich der Sensorplatte 3 und/oder in der Mittelachse der Zwischenplatte 64 und somit des Käfigs 601 bzw. des Ausgleichskörpers 60.
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Auf dieser Erhebung 651 liegt nun die Zwischenplatte 64 lose auf. Ungleichmässige Belastungen können so kompensiert werden.
Diese Ausführungsform hat insbesondere in der Anwendung gemäss Figur 4 den Vorteil, dass obwohl vier Füsse mit Druckknöpfen vorhanden sind und somit eine Vierpunktauflage vorhanden ist, die Füsse nicht wackeln können, da jeder Fuss selber eine entsprechende Kompensation aufweist. Dadurch lässt sich die untere Auflagefläche 652 der unteren Auflageplatte 65 plan ausbilden, was die Gestaltung der Waage erleichtert. diese unteren Auflageplatten 65 können somit gleichzeitig als Standfüsse der Waage verwendet werden, mit welchen die Waage auf einen Badzimmerboden bzw. einem Tisch oder ähnlichem gestellt werden kann.
Anstelle des Anschlags 41 lässt sich beispielsweise auch ein Anschlag verwenden, wel- eher auf einer hier nicht dargestellten Grundplatte angeordnet ist, auf welcher auch die Auflageplatte 65 montiert ist. In diesem Fall ragt der Anschlag von der Grundplatte nach oben und endet beabstandet zur unteren Stirnfläche des unteren Gehäuseteils 4.
In den Figuren 6b und 7 ist eine bevorzugte Variante eines Anschlags dargestellt. Hier ist er zwischen Membran bzw. Sensorplatte 3 und Leiterplatte 2 angeordnet. Der Anschlag 42, vorzugsweise ein flacher Zylinderkörper aus Kunststoff oder einem anderen elektrisch nicht leitenden Material, liegt vorzugsweise mittig auf Sensorplatte 3 auf und endet oben in einem Abstand zur Spule 7. Der Abstand definiert den maximalen Weg, um welchen das Sensorelement betätigt werden kann. Es ist auch möglich, den Abstand 42 anstatt mittig in Form eines geschlossenen Rings am äusseren Umfang der Sensorplatte 3 anzuordnen
Die erfindungsgemässe Waage ist einfach aufgebaut, kostengünstig herstellbar und ist trotzdem vielseitig einsetzbar.
Bezugszeichenliste
1 oberes Gehäuseteil
10 erste Durchgangsöffhung 11 Kabelöffiiung
12 Auflagefläche
2 Leiterplatte
20 zweite Durchgangsöf&iung 21 Öffnung
3 Sensorplatte
30 Druckfläche
4 unteres Gehäuseteil
40 Sackloch
41 Anschlagfläche
42 Anschlag
5 Hülse
6 Druckknopf
6' Druckknopf
60 Ausgleichskörper 600 Gewindebohrung
601 Käfig
602 Verbindungsflansch
603 Federglied
62 Unterlegscheibe 63 Schraube
64 Zwischenplatte
65 Auflageplatte
650 Bohrung
651 Erhebung
652 Auflagefläche
7 Flachspule
8 erster Hohlraum
9 zweiter Hohlraum
W Wägelement
P Auflageplatte
E Auswerteelektronik