WO2014048824A1 - Wegaufnehmermodul und kraftmessdose - Google Patents

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WO2014048824A1
WO2014048824A1 PCT/EP2013/069444 EP2013069444W WO2014048824A1 WO 2014048824 A1 WO2014048824 A1 WO 2014048824A1 EP 2013069444 W EP2013069444 W EP 2013069444W WO 2014048824 A1 WO2014048824 A1 WO 2014048824A1
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WO
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wegaufnehmermodul
transducer
load cell
region
displacement
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/069444
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dieter Rapp
Klaus RÖTHER
Jürgen SCHAUSS
Andre Werner
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G3/00—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances
    • G01G3/12—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing
    • G01G3/14—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing measuring variations of electrical resistance
    • G01G3/1402—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports
    • G01G3/141—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports the supports being disc or ring shaped
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/003—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring position, not involving coordinate determination
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/22—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in capacitance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors

Definitions

  • Displacement transducer module and load cell The invention relates to a displacement transducer module and a load cell comprising a displacement transducer module.
  • a load cell in particular a load cell is known in which a central cylindrical force introduction part is connected via a circular or annular disc-shaped spring body with an outer Aufstellring.
  • a capacitive transducer is arranged, which has two electrode combs, each with a plurality of electrode fingers.
  • One of the electric combs is held on the force introduction part and the other electrode comb on the mounting ring.
  • the electrode fingers of the one electrode comb are positioned in the finger gaps of the respective other electrode comb, so that they result in a parallel connection of several identical capacitors.
  • the electrode combs are adjusted so that each follow a small and a much larger electrode spacing. The small distances thus determine the capacity of the transducer. When loading the load cell, these distances and thus the capacitance of the transducer change. However, the range of motion is the
  • Electrode combs limited by the width of the interdigital spaces and the finger width, so that in an overload of the load cell of the transducer is destroyed.
  • the transducer in its structure and its arrangement is sensitive to lateral forces, for example, when the force is not exactly centered or not in the axial direction but obliquely, so that there is a misalignment of the force introduction member.
  • the installation of the transducer in the load cell is complicated and hardly automated feasible because the electrode combs must be mounted directly on the force introduction part and the mounting ring.
  • the invention has for its object to provide a simple and accurate installation of the transducer in z. B. to allow a load cell or load cell.
  • a displacement transducer module in particular for a force transducer or a weighing cell, in which a flat carrier part is divided by recesses into an inner region and an outer region surrounding it and connected to it via at least three flexible webs, wherein in at least one of the recesses a cantilever emanating from the inner region and a cantilever extending from the outer region extend towards one another and end at a distance from one another, and wherein at least one two-part displacement transducer is provided, the parts thereof for detecting the relative positional change of the cantilevers are arranged.
  • the support member may consist of a metal sheet or a thin plastic disc into which the recesses z. B. can be introduced by punching or injection molding with high precision.
  • the interior and exterior, the connecting webs and the cantilevers are by arrangement and
  • the cantilevers make it possible to position the two parts of the respective position transducers close to each other while at the same time providing relatively long webs with minimal or, for most applications, negligible spring stiffness.
  • the transducers can with high precision, z. B. by machine, placed on the cantilevers.
  • the finished Wegaufrichmodul can then The place where it is used also be mechanically installed.
  • the displacement transducer module detects relative changes in position of the inner region and of the outer region of the carrier part relative to one another in a direction perpendicular to the surface of the carrier part. In the case of an introduction of force which is not exactly centered or oblique, a relative misalignment of the inner area in relation to the outer area may occur.
  • the displacement transducer module therefore preferably has at least two pairs of cantilevers with two-part displacement transducers arranged thereon, which are arranged at an angle, ie not parallel, to one another. In the case of two pairs, these are preferably arranged at right angles and, with three or more pairs, radially symmetrically with the same angular distance from one another.
  • the webs do not extend radially but tangentially from the inner region to the outer region.
  • the flat support member is formed as a round body, in which the inner region has the shape of a circular disk or an inner ring and the outer region in the form of an outer ring.
  • the outer ring and / or the inner ring may be provided in each case with a circumferential mounting shoulder.
  • the higher compared to the other thickness of the support member mounting shoulder causes a secure hold of the Transducer module at the installation site.
  • the mounting shoulder provides a sufficiently large area to glue the Wegaufêtmodul at the installation site.
  • the Wegaufrichmodul is preferably coated on both sides of the flat support member each with a membrane (foil or sheet), which is attached to the outside of the mounting shoulder of the outer ring, z. B. is glued. If the inner region is designed in the form of an inner ring, the membrane is additionally fastened to the mounting shoulder of the inner ring.
  • one or more of the recesses may each have an attachment lug extending from the exterior area, at which the electronics either before or after can be attached to the installation of the Wegaufrichmoduls.
  • each transducer in each case another identical transducer on the other side of the flat support member opposite. If one of the transducers fails due to a fault, the transducers module will continue to function as long as the other transducers provides its signal. On the other hand, however, the failure of the defective position transducer can be easily detected and an alarm signal for replacing the Wegaufillonmoduls be generated. If the respective mutually opposite transducers different
  • the two opposing identical displacement sensors detect a relative change in position of the cantilevers carrying them perpendicular to the flat carrier part with opposite signs and lateral displacements each with the same sign. If then the difference of the signals of the transducer formed, strengthen the signal components of the perpendicular to the flat support member relative position change takes place, while cancel the signal components of the transverse thereto lateral displacement.
  • the further displacement sensor can be designed and arranged such that it detects only lateral displacements and is insensitive to perpendicular position changes taking place perpendicular to the flat support part. If the signal of the further position transducer is then subtracted from that of the one position sensor, its signal is freed from the influences of the lateral displacement.
  • the relative position changes of the cantilevers can be with different types of position sensors, such. B. with the known from the above-mentioned EP 0 534 270 AI capacitive position sensor detect.
  • all displacement transducers are suitable, in particular displacement transducers in MEMS technology (microelectromechanical systems), the small changes in position are contactless, eg. B. inductive, capacitive, optical, etc., can measure.
  • each transducer is designed as a capacitive transducer whose two parts consist of electrode combs, each with a plurality of electrode fingers, wherein the electrode combs are arranged parallel to the flat support member.
  • the electrode fingers of one electrode comb enter into or out of the interdental spaces of the respective other electrode comb.
  • An overload or destruction of the transducer is excluded because the electrode fingers move only in the direction in which the finger spaces are open to both sides.
  • the planes in which the electrode combs lie can, in the rest state of the displacement transducer module, have a parallel offset, which decreases as the position changes, so that the electrode fingers of the one electrode comb dive into the interdigital spaces of the respective other electrode comb. Because of this In the initial parallel displacement of the electrode combs, the capacitance of the transducer is only small with the load cell unloaded and increases with increasing load, because then the electrode fingers of one electrode comb increasingly intervene in the finger gaps of the other electrode comb. If the initial parallel offset is less than or equal to the height of the electrode fingers, there is already an overlap of the electrode fingers when the load cell is unloaded, so that the capacitance of the displacement transducer increases largely linearly as the load increases.
  • the displacement transducer module according to the invention is particularly suitable for installation in a load cell.
  • the invention is therefore also a load cell with a central cylindrical force introduction part, which is connected via a spring body in the form of a circular or annular disk with an outer Aufstellring, wherein in the interior of the load cell between the inner wall of the AufStellrings and the outer wall of the force introduction part Wegeways invention - Subscriber module is held.
  • Figure 1 shows an embodiment of a load cell
  • FIG. 2 shows the displacement transducer module in plan view
  • Figure 3 is a perspective view of the Wegaufrichmoduls
  • Figure 4 shows an example of a capacitive transducer.
  • FIG. 1 shows, in a greatly simplified representation, a cylindrical load cell, here in the form of a load cell.
  • the load cell has a cylindrical force introduction part. 1 on, which receives a force to be measured and acting in the direction of the cylinder axis 2 force or load F.
  • the force introduction part 1 is connected via a spring body 3 in the form of an annular disc with an outer Aufstellring 4, which stands on a solid support, not shown here.
  • the force introduction part 1, the spring body 3 and the raising ring 4 are preferably made of steel and one piece.
  • the raising ring 4 is closed at the bottom with a membrane or bottom plate 5, so that the load cell forms a can, which can be filled with a protective gas.
  • the force introduction part 1 When the load cell is loaded, the force introduction part 1 is moved counter to the spring force of the spring body 1 downwards by a distance amount proportional to the force F in the direction of the axis 2. This amount of travel is measured by means of a displacement transducer module 6, which is installed in the interior of the load cell between the force introduction part 1 and the erection ring 4. An electronics 7 associated with the transducer module 6 is likewise arranged in the interior of the load cell and is held here on the transducer module 6 itself.
  • Figure 2 shows the Wegaufingtonmodul 6 in plan view.
  • FIG. 3 shows a detailed perspective view of the displacement transducer module 6.
  • the transducer module 6 has a flat carrier part 8 in the form of a round body, which is divided by recesses 9 into an inner region 10, here in the form of an inner ring 11, and an outer region 12 surrounding it, here in the form of an outer ring 13.
  • the inner area 10 and the outer area 12 are connected to one another via flexible webs 14, which extend tangentially from the inner area 10 to the outer area 12, so that they prevent a mutual rotation of the inner area 10 and the outer area 12.
  • the outer ring 13 and the inner ring 11 each have a circumferential mounting shoulder 15, 16, via which the carrier part 8 on the inner wall of the AufStellrings 4 and derumble-. wall of the force introduction part 1 is applied and is glued to these, if necessary.
  • each of the recesses 9 there is a cantilever arm 17 extending from the inner area 10 and a cantilever arm 18 extending from the outer area 12 which extend towards one another and terminate at a distance from one another.
  • the pairs of associated cantilever arms 17, 18 are arranged radially symmetrically with respect to the cylinder axis 2 (FIG. 1) at the same angular distance from each other.
  • each Kragarmsection 17, 18 each carry a transducer 19 on the top of the support member 8 and another identical displacement transducer 20 on the underside of the support member 8.
  • the displacement sensor 19, 20 are adapted to contact changes, here z , B. capacitive to detect.
  • Each of the displacement transducer 19, 20 is constructed in two parts and consists of two electrode combs 21, 22 each having a plurality of electrode fingers 23, 24.
  • the electrode combs 21, 22 are on the cantilevers 17, 18 on either side of the gap therebetween parallel to the upper or Bottom of the support member 8, that is arranged transversely to the direction of the force F in such a way that the electrode fingers 23 of the one electrode comb 21 in the direction of the force F in the interstices of the electrode fingers 24 of the other electrode comb 23 can move.
  • the electrode fingers 23, 24 thus move only in the direction in which the finger gaps are open on both sides, so that overloading or destruction of the displacement transducer 19, 20 is excluded. As FIG.
  • this height offset corresponds approximately to the thickness or height D of the electrode fingers 23, 24.
  • the electrode fingers 23 of the electrode comb 21 dip into the finger spaces of the electrode comb 22, so that the capacitance value of the displacement transducer 19 increases .
  • the initial offset between the electrode fingers 23, 24 of the various electrode combs 21, 22 can also be smaller than the thickness or height D of the electrode fingers 23, 24, so that even with unloaded Wegaufrichmodul 6, the electrode fingers 23 of the one electrode comb 21 partially in the interdigital spaces of the other electrode comb 22. The increase in capacity under load of Wegaufrichmodul 6 then runs more linear.
  • FIGS. 2 and 3 show, in each case one mounting lug 25 extending from the outer region 12 is provided in three recesses 9 of the carrier part 8, to which the electronics 7 can be fastened either before or after installation of the displacement transducer module 6 via a spacer 26.
  • this can be coated on both sides of the flat support member 8 each with a membrane on the outside of the mounting shoulder 15 of the outer ring 13th and is secured inside the mounting shoulder 16 of the inner ring 11.

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Abstract

Wegaufnehmermodul (6), insbesondere für einen Kraftaufnehmer oder eine Wägezelle, mit einem flachen Trägerteil (8), das durch Ausnehmungen (9) in einen Innenbereich (10) und einen diesen umgebenden und mit ihm über mindestens drei flexible Stege (14) verbundenen Außenbereich (12) unterteilt ist, wobei in wenigstens einer der Ausnehmungen (9) ein von dem Innenbereich (10) ausgehender Kragarm (17) und ein von dem Außenbereich (12) ausgehender Kragarm (18) sich aufeinander zu erstrecken und in einem Abstand voneinander enden, und mit mindestens einem zweiteiligen Wegaufnehmer (19), dessen Teile (21, 22) auf den Kragarmen (17, 18) zur Erfassung ihrer relativen Lageänderung angeordnet sind.

Description

Beschreibung
Wegaufnehmermodul und Kraftmessdose Die Erfindung betrifft ein Wegaufnehmermodul und eine ein Wegaufnehmermodul beinhaltende Kraftmessdose.
Aus der EP 0 534 270 AI ist eine Kraftmessdose, insbesondere eine Wägezelle bekannt, bei der ein zentrales zylindrisches Krafteinleitungsteil über einen kreis- oder ringscheibenförmigen Federkörper mit einem äußeren Aufstellring verbunden ist. Im Inneren der Kraftmessdose ist ein kapazitiver Wegaufnehmer angeordnet, der zwei Elektrodenkämme mit jeweils einer Vielzahl von Elektrodenfingern aufweist. Einer der Elektro- denkämme ist an dem Krafteinleitungsteil und der andere Elektrodenkamm an dem Aufstellring gehalten. Die Elektrodenfinger des einen Elektrodenkamms sind in den Fingerzwischenräumen des jeweils anderen Elektrodenkamms positioniert, so dass sie eine Parallelschaltung von mehreren gleichen Kondensatoren ergeben. Dabei sind die Elektrodenkämme so justiert, dass jeweils ein kleiner und ein wesentlich größerer Elektrodenabstand aufeinanderfolgen. Die kleinen Abstände bestimmen somit die Kapazität des Wegaufnehmers. Bei Belastung der Kraftmessdose verändern sich diese Abstände und damit die Kapazität des Wegaufnehmers. Jedoch ist der Bewegungsspielraum der
Elektrodenkämme durch die Breite der Fingerzwischenräume und die Fingerbreite begrenzt, so dass bei einer Überlastung der Kraftmessdose der Wegaufnehmer zerstört wird. Darüber hinaus ist der Wegaufnehmer in seinem Aufbau und seiner Anordnung empfindlich für Querkräfte, beispielsweise wenn die Krafteinleitung nicht exakt mittig oder nicht in Axialrichtung sondern schräg dazu erfolgt, so dass es zu einer Schiefstellung des Krafteinleitungsteils kommt. Der Einbau des Wegaufnehmers in die Kraftmessdose ist kompliziert und kaum automatisiert durchführbar, weil die Elektrodenkämme unmittelbar an dem Krafteinleitungsteil und dem Aufstellring montiert werden müssen . Gegenstand einer nicht vorveröffentlichten älteren deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 102011076008.3 ist ein Kraftaufnehmer mit einem kapazitiven Wegaufnehmer, bei dem sich im Unterschied zu der EP 0 534 270 AI bei Belastung des Kraftaufnehmers die relative Lage der Elektrodenkämme in einer zur Ebene der Elektrodenkämme senkrechten Richtung ändert .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen und präzisen Einbau des Wegaufnehmers in z. B. eine Kraftmessdose oder Wägezelle zu ermöglichen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Wegaufnehmermodul, insbesondere für einen Kraftaufnehmer oder eine Wäge- zelle, gelöst, bei dem ein flaches Trägerteil durch Ausnehmungen in einen Innenbereich und einen diesen umgebenden und mit ihm über mindestens drei flexible Stege verbundenen Außenbereich unterteilt ist, wobei in wenigstens einer der Ausnehmungen ein von dem Innenbereich ausgehender Kragarm und ein von dem Außenbereich ausgehender Kragarm sich aufeinander zu erstrecken und in einem Abstand voneinander enden, und bei dem mindestens ein zweiteiliger Wegaufnehmer vorgesehen ist, dessen Teile zur Erfassung der relativen Lageänderung der Kragarme auf diesen angeordnet sind.
Das Trägerteil kann aus einem Metallblech oder einer dünnen KunststoffScheibe bestehen, in die die Ausnehmungen z. B. durch Stanzen oder beim Spritzgießen mit hoher Präzision eingebracht werden können. Der Innen und Außenbereich, die sie verbindenden Stege und die Kragarme sind durch Anordnung und
Form der Ausnehmungen festgelegt. Die Kragarme ermöglichen es, die beiden Teile der jeweiligen Wegaufnehmer nahe zueinander zu positionieren und gleichzeitig relativ lange Stege mit minimaler bzw. für die meisten Anwendungen vernachlässig- barer Federsteifigkeit vorzusehen. Die Wegaufnehmer können mit hoher Präzision, z. B. maschinell, auf den Kragarmen platziert werden. Das fertige Wegaufnehmermodul kann dann an der Stelle, wo es zum Einsatz kommt ebenfalls maschinell eingebaut werden.
Das Wegaufnehmermodul erfasst relative Lageänderungen des In- nenbereichs und des Außenbereich des Trägerteils zueinander in senkrechter Richtung zur Fläche des Trägerteils. Bei einer nicht exakt mittig oder schräg erfolgenden Krafteinleitung kann es zu einer relativen Schiefstellung des Innenbereichs gegenüber dem Außenbereich kommen. Das Wegaufnehmermodul weist daher vorzugsweise mindestens zwei Paare von Kragarmen mit darauf angeordneten zweiteiligen Wegaufnehmern auf, die winklig, also nicht parallel, zueinander angeordnet sind. Bei zwei Paaren sind diese bevorzugt rechtwinklig und bei drei oder mehr Paaren radialsymmetrisch mit gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet. Mit den mindestens zwei Wegaufnehmern kann eine Schiefstellung des Innenbereichs gegenüber dem Außenbereich des Trägerteils gemessen und daher in Bezug auf das Messergebnis einfach kompensiert werden, indem z. B. der Mittelwert der von den Wegaufnehmern gelieferten Messwerte gebildet wird.
Um bei der Montage des Wegaufnehmermoduls eine Verdrehung des Innenbereichs gegenüber dem Außenbereich des Trägerteils zu verhindern, verlaufen die Stege vorzugsweise nicht radial sondern tangential von dem Innenbereich zu dem Außenbereich.
Dies verhindert auch Fehlmessungen bei einer Torsionsbeanspruchung des Wegaufnehmermoduls.
Bei einer bevorzugten und für viele Anwendungen, insbesondere für den Einbau in Kraftmessdosen oder Wägezellen geeigneten Bauform ist das flache Trägerteil als Rundkörper ausgebildet, bei dem der Innenbereich die Form einer Kreisscheibe oder eines Innenrings und der Außenbereich die Form eines Außenrings hat. Um einen präzisen Einbau ohne Verkantung des Weg- aufnehmermoduls zu erreichen, können der Außenring und/oder der Innenring jeweils mit einer umlaufenden Montageschulter versehen sein. Die im Vergleich zur übrigen Dicke des Trägerteils höhere Montageschulter bewirkt eine sicheren Halt des Wegaufnehmermoduls am Einbauort. Beispielsweise bietet die Montageschulter eine ausreichend große Fläche, um das Wegaufnehmermodul am Einbauort einzukleben. Zum Schutz des Trägerteils und der Wegaufnehmer ist das Wegaufnehmermodul vorzugsweise auf beiden Seiten des flachen Trägerteils jeweils mit einer Membran (Folie oder Blech) überzogen ist, die außen an der Montageschulter des Außenrings befestigt, z. B. verklebt ist. Ist der Innenbereich in Form eines Innenrings ausgebildet, ist die Membran zusätzlich an der Montageschulter des Innenrings befestigt.
Um die zur Auswertung der von den Wegaufnehmern gelieferten Signale erforderliche Elektronik auf einfache Weise am Ein- bauort des Wegaufnehmermoduls anordnen zu können, kann in einer oder mehreren der Ausnehmungen jeweils eine von dem Außenbereich ausgehende Montagelasche vorgesehen sein, an der die Elektronik entweder vor oder nach dem Einbau des Wegaufnehmermoduls befestigt werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Wegaufnehmermoduls liegt jedem Wegaufnehmer jeweils ein weiterer baugleicher Wegaufnehmer auf der anderen Seite des flachen Trägerteils gegenüber. Wenn einer der Wegaufnehmer wegen eines Fehlers ausfällt, ist das Wegaufnehmermodul weiterhin funktionsfähig, solange der andere Wegaufnehmer sein Signal liefert. Andererseits kann aber der Ausfall des defekten Wegaufnehmers leicht detektiert und ein Alarmsignal zur Auswechseln des Wegaufnehmermoduls erzeugt werden. Wenn die jeweils einander gegenüber liegenden Wegaufnehmer unterschiedliche
Signale liefern, weist dies auf störende Querkräfte hin, die eine laterale Verschiebung des Innen- und Außenbereichs des Trägerteils bewirken. Die beiden einander gegenüberliegenden baugleichen Wegaufnehmer erfassen eine senkrecht zu dem fla- chen Trägerteil erfolgende relative Lageänderung der sie tragenden Kragarme mit umgekehrten Vorzeichen und laterale Verschiebungen mit jeweils demselben Vorzeichen. Wird dann die Differenz der Signale der Wegaufnehmer gebildet, verstärken sich die Signalanteile der senkrecht zu dem flachen Trägerteil erfolgende relative Lageänderung, während sich die Signalanteile der quer dazu erfolgenden lateralen Verschiebung aufheben. Alternativ kann der weitere Wegaufnehmer derart ausgebildet und angeordnet sein, dass er nur laterale Verschiebungen erfasst und für senkrecht zu dem flachen Trägerteil erfolgende relative Lageänderungen unempfindlich ist. Wird dann das Signal des weiteren Wegaufnehmers von dem des einen Wegaufnehmers subtrahiert, so wird dessen Signal von den Einflüssen der lateralen Verschiebung befreit.
Die relative Lageänderungen der Kragarme lässt sich mit unterschiedlichen Typen von Wegaufnehmern, so z. B. mit dem aus der oben genannten EP 0 534 270 AI bekannten kapazitiven Weg- aufnehmer erfassen. Grundsätzlich kommen alle Wegaufnehmer in Frage, insbesondere Wegaufnehmer in MEMS-Technik (micro-elec- tro-mechanical Systems) , die geringe Lageänderungen berührungslos, z. B. induktiv, kapazitiv, optisch usw., messen können .
Bei einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Wegaufnehmermoduls ist jeder Wegaufnehmer als kapazitiver Wegaufnehmer ausgebildet, dessen zwei Teile aus Elektrodenkämmen mit jeweils einer Vielzahl von Elektrodenfingern bestehen, wobei die Elektrodenkämme parallel zu dem flachen Trägerteil angeordnet sind. Bei senkrecht zu dem flachen Trägerteil erfolgender relativen Lageänderung von Innen- und Außenbereich tauchen die Elektrodenfinger des einen Elektrodenkamms in die Fingerzwischenräume des jeweils anderen Elektrodenkamms ein oder aus diesen heraus. Eine Überlastung oder Zerstörung des Wegaufnehmers ist ausgeschlossen, weil sich die Elektrodenfinger nur in der Richtung bewegen, in der die Fingerzwischenräume nach beiden Seiten offen sind. Die Ebenen, in denen die Elektrodenkämme liegen, können im Ruhezustand des Wegaufnehmermoduls einen Parallelversatz auf, der sich bei Änderung der Lage verringert, so dass die Elektrodenfinger des einen Elektrodenkamms in die Fingerzwischenräume des jeweils anderen Elektrodenkamms hineintauchen. Aufgrund dieses anfänglichen Parallelversatzes der Elektrodenkämme ist die Kapazität des Wegaufnehmers bei unbelastetem Kraftaufnehmer nur gering und steigt mit zunehmender Belastung an, weil dann die Elektrodenfinger des einen Elektrodenkamms in zunehmendem Maße in die Fingerzwischenräume des anderen Elektrodenkamms eingreifen. Ist der anfänglichen Parallelversatz kleiner oder gleich der Höhe der Elektrodenfinger, so liegt bei unbelastetem Kraftaufnehmer bereits eine Überlappung der Elektrodenfinger vor, so dass die Kapazität des Wegaufnehmers bei zu- nehmender Belastung weitgehend linear zunimmt.
Das erfindungsgemäße Wegaufnehmermodul ist insbesondere für den Einbau in eine Kraftmessdose geeignet. Gegenstand der Erfindung ist daher auch eine Kraftmessdose mit einem zentralen zylindrischen Krafteinleitungsteil, das über einen Federkörper in Form einer Kreis- oder Ringscheibe mit einem äußeren Aufstellring verbunden ist, wobei im Inneren der Kraftmessdose zwischen der Innenwand des AufStellrings und der Außenwand des Krafteinleitungsteils das erfindungsgemäße Wegauf- nehmermodul gehalten ist.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen die :
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Kraftmessdose mit
einem Wegaufnehmermodul im Längsschnitt,
Figur 2 das Wegaufnehmermodul in Draufsicht,
Figur 3 eine perspektivische Ansicht des Wegaufnehmermoduls und
Figur 4 ein Beispiel für einen kapazitiven Wegaufnehmer.
Figur 1 zeigt in stark vereinfachter Darstellung eine zylindrische Kraftmessdose, hier in Form einer Wägezelle. Die Kraftmessdose weist ein zylindrisches Krafteinleitungsteil 1 auf, das eine zu messende und in Richtung der Zylinderachse 2 wirkende Kraft oder Last F aufnimmt. Das Krafteinleitungsteil 1 ist über einen Federkörper 3 in Form einer Ringscheibe mit einem äußeren Aufstellring 4 verbunden, der auf einer hier nicht gezeigten festen Unterlage steht. Das Krafteinleitungsteil 1, der Federkörper 3 und der Aufstellring 4 sind vorzugsweise aus Stahl und einstückig ausgeführt. Der Aufstellring 4 ist unten mit einer Membran oder Bodenplatte 5 abgeschlossen, so dass die Wägezelle eine Dose bildet, die mit einem Schutzgas gefüllt sein kann. Bei Belastung der Kraftmessdose wird das Krafteinleitungsteil 1 entgegen der Federkraft des Federkörpers 1 um einen zu der Kraft F proportionalen Wegbetrag in Richtung der Achse 2 nach unten bewegt. Dieser Wegbetrag wird mittels eines Wegaufnehmermoduls 6 gemes- sen, dass im Inneren der Kraftmessdose zwischen dem Krafteinleitungsteil 1 und dem Aufstellring 4 eingebaut ist. Eine dem Wegaufnehmermodul 6 zugeordnete Elektronik 7 ist ebenfalls im Inneren der Kraftmessdose angeordnet und hier an dem Wegaufnehmermodul 6 selbst gehalten.
Figur 2 zeigt das Wegaufnehmermodul 6 in Draufsicht.
Figur 3 zeigt eine detaillierter perspektivische Ansicht des Wegaufnehmermoduls 6.
Das Wegaufnehmermodul 6 weist ein flaches Trägerteil 8 in Form eines Rundkörpers auf, das durch Ausnehmungen 9 in einen Innenbereich 10, hier in Form eine Innenrings 11, und einen diesen umgebenden Außenbereich 12, hier in Form eines Außen- rings 13, unterteilt ist. Dabei sind der Innenbereich 10 und der Außenbereich 12 über flexible Stege 14 miteinander verbunden, die tangential von dem Innenbereich 10 zu dem Außenbereich 12 verlaufen, so dass sie ein gegenseitiges Verdrehen von Innenbereich 10 und Außenbereich 12 verhindern.
Der Außenring 13 und der Innenring 11 weisen jeweils eine umlaufende Montageschulter 15, 16 auf, über die das Trägerteil 8 an der Innenwand des AufStellrings 4 bzw. der Außen- wand des Krafteinleitungsteils 1 anliegt und mit diesen ggf. verklebt ist.
In drei der Ausnehmungen 9 ist jeweils ein von dem Innenbe- reich 10 ausgehender Kragarm 17 und ein von dem Außenbereich 12 ausgehender Kragarm 18 vorhanden, die sich aufeinander zu erstrecken und in einem Abstand voneinander enden. Die paarweise zugeordneten Kragarme 17, 18 sind in Bezug auf die Zylinderachse 2 (Figur 1) radialsymmetrisch mit gleichem Win- kelabstand zueinander angeordnet.
Bei Belastung der Kraftmessdose wird der Innenring 11 des Trägerteils 8 zusammen mit dem Krafteinleitungsteil 1 um einen zu der Kraft F proportionalen Wegbetrag nach unten be- wegt . Der an der Innenwand des AufStellrings 4 anliegende Außenring 13 des Trägerteils 8 ändert seine Position nicht, so dass sich die relative Lage der einander paarweise zugeordneten Kragarme 17, 18 um den Betrag der Auslenkung des Krafteinleitungsteil 1 ändert. Um diese Lageänderung zu er- fassen trägt jedes Kragarmpaar 17, 18 jeweils einen Wegaufnehmer 19 auf der Oberseite des Trägerteils 8 und einen weiteren baugleichen Wegaufnehmer 20 auf der Unterseite des Trägerteils 8. Die Wegaufnehmer 19, 20 sind dazu ausgebildet, Lageänderungen berührungslos, hier z. B. kapazitiv, zu erfas- sen. Jeder der Wegaufnehmer 19, 20 ist zweiteilig aufgebaut und besteht aus zwei Elektrodenkämmen 21, 22 mit jeweils einer Vielzahl von Elektrodenfingern 23, 24. Die Elektrodenkämme 21, 22 sind an den Kragarmen 17, 18 beiderseits des dazwischen liegenden Spalts parallel zur Ober- bzw. Unterseite des Trägerteils 8, d. h. quer zur Richtung der Kraft F in der Weise angeordnet, dass sich die Elektrodenfinger 23 des einen Elektrodenkamms 21 in Richtung der Kraft F in den Zwischenräumen der Elektrodenfinger 24 des anderen Elektrodenkamms 23 bewegen können. Die Elektrodenfinger 23, 24 bewegen sich also nur in der Richtung, in der die Fingerzwischenräume nach beiden Seiten offen sind, so dass eine Überlastung oder Zerstörung der Wegaufnehmer 19, 20 ausgeschlossen ist. Wie Figur 4 in einer Seitenansicht des Wegaufnehmers 19 zeigt, sind die Elektrodenkämme 21, 22 derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass ihre Elektrodenfinger 23, 24 bei unbelastetem Wegaufnehmermodul 6 einen anfänglichen Parallel - versatz in Richtung senkrecht zu dem flachen Trägerteil 8 aufweisen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht dieser Höhenversatz etwa der Dicke oder Höhe D der Elektrodenfinger 23, 24. Bei Auslenkung des Innenrings 11 tauchen die Elektrodenfinger 23 des Elektrodenkamms 21 in die Finger- Zwischenräume des Elektrodenkamms 22 ein, so dass sich der Kapazitätswert des Wegaufnehmers 19 erhöht. Der anfängliche Versatz zwischen den Elektrodenfingern 23, 24 der verschiedenen Elektrodenkämme 21, 22 kann aber auch kleiner als die Dicke oder Höhe D der Elektrodenfinger 23, 24 ein, so dass bereits bei unbelastetem Wegaufnehmermodul 6 die Elektrodenfinger 23 des einen Elektrodenkamms 21 teilweise in die Fingerzwischenräume des anderen Elektrodenkamms 22 eintauchen. Die Kapazitätszunähme bei Belastung des Wegaufnehmermodul 6 verläuft dann linearer.
Wie die Figuren 2 und 3 zeigen, ist in drei Ausnehmungen 9 des Trägerteils 8 jeweils eine von dem Außenbereich 12 ausgehende Montagelasche 25 vorgesehen, an der über einen Abstandhalter 26 die Elektronik 7 entweder vor oder nach dem Einbau des Wegaufnehmermoduls 6 befestigt werden kann. Der Abstandhalter 26 dient außerdem zur Durchführung von Anschlussleitungen zwischen den Wegaufnehmern 19, 20 und der Elektronik 7. Zwecks Kapselung des Wegaufnehmermoduls 6 kann dieses auf beiden Seiten des flachen Trägerteils 8 jeweils mit einer Membran überzogen werden, die außen an der Montageschulter 15 des Außenrings 13 und innen an der Montageschulter 16 des Innenrings 11 befestigt ist.

Claims

Patentansprüche
1. Wegaufnehmermodul (6), insbesondere für einen Kraftaufnehmer oder eine Wägezelle, mit einem flachen Trägerteil (8) , das durch Ausnehmungen (9) in einen Innenbereich (10) und einen diesen umgebenden und mit ihm über mindestens drei flexible Stege (14) verbundenen Außenbereich (12) unterteilt ist, wobei in wenigstens einer der Ausnehmungen (9) ein von dem Innenbereich (10) ausgehender Kragarm (17) und ein von dem Außenbereich (12) ausgehender Kragarm (18) sich aufeinander zu erstrecken und in einem Abstand voneinander enden, und mit mindestens einem zweiteiligen Wegaufnehmer (19) , dessen Teile (21, 22) auf den Kragarmen (17, 18) zur Erfassung ihrer relativen Lageänderung angeordnet sind.
2. Wegaufnehmermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Paare von Kragarmen (18, 19) mit darauf angeordneten zweiteiligen Wegaufnehmern (19) vorgesehen sind, die winklig zueinander angeordnet sind.
3. Wegaufnehmermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (14) tangential von dem Innenbereich (10) zu dem Außenbereich (12) verlaufen.
4. Wegaufnehmermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbereich (10) des Trägerteils (8) als Kreisscheibe oder Innenring (11) und der Außenbereich (12) als Außenring (13) ausgebildet ist.
5. Wegaufnehmermodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (13) und/oder der Innenring (11) jeweils mit einer umlaufenden Montageschulter (15, 16) versehen sind.
6. Wegaufnehmermodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es zu seiner Kapselung auf beiden Seiten des flachen
Trägerteils (8) jeweils mit einer Membran überzogen ist, die außen an der Montageschulter (15) des Außenrings (13) befestigt ist.
7. Wegaufnehmermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer oder mehreren der Ausnehmungen (9) jeweils eine von dem Außenbereich (12) ausge- hende Montagelasche (25) vorgesehen ist.
8. Wegaufnehmermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Wegaufnehmer (19) jeweils ein weiterer baugleicher Wegaufnehmer (20) auf der anderen Seite des flachen Trägerteils (8) gegenüberliegt.
9. Wegaufnehmermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegaufnehmer (19, 20) dazu ausgebildet sind, die relative Lageänderungen der Kragarme (17, 18) berührungslos zu erfassen.
10. Wegaufnehmermodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wegaufnehmer (19, 20) als kapazitiver Wegaufnehmer ausgebildet ist, dessen zwei Teile aus Elektrodenkäm- men (21, 22) mit jeweils einer Vielzahl von Elektrodenfingern (23, 24) bestehen, wobei die Elektrodenkämme (21, 22) parallel zu dem flachen Trägerteil (8) angeordnet sind.
11. Kraftmessdose mit einem zentralen zylindrischen Kraftein- leitungsteil (1), das über einen Federkörper (3) in Form einer Ringscheibe mit einem äußeren Aufstellring (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Kraftmessdose zwischen der Innenwand des AufStellrings (4) und der Außenwand des Krafteinleitungsteils (1) ein Wegaufnehmermodul (6) nach einem der vorangehenden Ansprüche gehalten ist.
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