WO2014048825A1 - Kraftaufnehmer - Google Patents

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WO2014048825A1
WO2014048825A1 PCT/EP2013/069447 EP2013069447W WO2014048825A1 WO 2014048825 A1 WO2014048825 A1 WO 2014048825A1 EP 2013069447 W EP2013069447 W EP 2013069447W WO 2014048825 A1 WO2014048825 A1 WO 2014048825A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
force
transducer
spring body
electrode
deformation
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/069447
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dieter Rapp
Andre Werner
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2014048825A1 publication Critical patent/WO2014048825A1/de

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    • G—PHYSICS
    • 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
    • G01G3/1414—Arrangements for correcting or for compensating for unwanted effects
    • 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

  • the invention relates to a force transducer, in particular a load cell, with a spring body which contains at least one recess between a bearing region and a force introduction region, which passes through the spring body from one side to an opposite side and there separates into two deformation regions and two non-deforming neutral regions wherein both deformation regions respectively connect the bearing region to the force introduction region and the neutral regions are respectively connected only to the bearing region and the force introduction region, and to at least one two-part displacement transducer whose parts are respectively arranged in the neutral regions of the spring body for detecting the relative change in position.
  • Such a force transducer is known from FIGS. 8 and 9 of EP 0 534 270 A1.
  • the spring body embodied as a cantilever beam mounted on one side is penetrated in the direction perpendicular to the introduction of force by a recess which separates the spring body between its bearing region and its force introduction region into two deformation regions in the form of parallelogram springs and two web-shaped neutral regions located therebetween.
  • a capacitive transducer is held laterally, which has two electrode combs, each having a plurality of electrode fingers, wherein the electrode fingers of 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.
  • these distances and thus the capacitance of the transducer change.
  • the spring body is relatively thick and must not fall below a height, so that the transducer can be mounted laterally.
  • the invention has for its object to provide an alternative construction of the force transducer with more freedom in the design of the spring body and consequently extended application spectrum.
  • the object is achieved in that in the force transducer of the type mentioned, the recess passes through the spring body in the direction of force introduction and that the parts of the at least one displacement sensor are arranged on one of the vertical direction of the force introduction sides of the spring body.
  • the spring body can be designed as a single-sided double bending beam, in which case recesses are provided in the deformation regions in the direction perpendicular to the introduction of force, so that the deformation regions each form two parallelogram springs.
  • the spring body is designed as a bar mounted on both sides, wherein between each of the two storage areas and the middle in between lying force introduction region in each case the two deformation regions and the two neutral regions are provided with the transducer.
  • the thickness of the beam can be arbitrary or be dimensioned only as a function of the desired spring stiffness of the spring body.
  • the spring stiffness can be easily determined by the shape and dimensions of the deformation ranges, which in turn are determined by the shape and dimensions of the recess.
  • the thickness of the beam in the deformation areas can also be varied.
  • the spring body can advantageously be designed as a plate, in particular a triangular or quadrangular plate, which is mounted on at least three points, wherein between each of the at least three bearing areas and the intermediate one in the middle
  • the spring rigidity can be determined by the shape and dimensions of the deformation regions and / or variation of the thickness of the plate in the deformation regions.
  • the spring body is preferably designed as a circular disk with central inner force introduction area and outer circumferential bearing area, between which the spring body contains the recess at least three times and distributed uniformly in the circumferential direction, so that at least three deformation areas each with two in between Neutral areas and there arranged two-part transducers are available.
  • the recesses may each be extended so far in the circumferential direction that the deformation areas remaining therebetween are web-shaped or spoke-shaped.
  • the web or spoke-shaped deformation areas preferably not radially but tangentially from the force introduction region to the storage area. If the introduction of force is not exactly in the middle or not in the axial direction but obliquely thereto, the force introduction region may be tilted, but it is measured by the displacement sensors arranged radially symmetrically with the same angular distance from each other and can be easily compensated with respect to the measurement result z.
  • the average value of the measured values supplied by the transducers is formed.
  • the influence of disturbing transverse forces can be eliminated or compensated for by positioning the transducer another identical displacement transducer, which is opposite to the other and also to the direction of the transducer Force introduction vertical side is arranged.
  • the two opposing displacement sensors detect perpendicular to the force application region of the spring body forces acting with opposite signs and transverse forces, each with the same sign. If the difference between the measured values of the displacement sensors is then formed, the measured value portions of the forces acting perpendicularly on the force introduction region of the spring body increase, while the measured value portions of the forces acting transversely thereto cancel each other out.
  • the further displacement sensor can be designed and arranged such that it detects only transverse forces and is insensitive to forces acting perpendicularly on the force introduction region of the spring body. If the measured value of the additional displacement transducer is then subtracted from that of the one displacement transducer, its measured value is freed from the influences of the transverse forces.
  • the at least one 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 in parallel to the direction of force introduction parallel planes and under load of the force transducer Insert electrode fingers of one electrode comb in the interdigital spaces of the other electrode comb or dive out of these. 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 in the unloaded state of the force transducer on a parallel offset, which decreases under load of the force transducer, so that the electrode fingers of one electrode comb dive into the interdigital spaces of the other electrode comb. Due to this initial parallel displacement of the electrode combs, the capacitance of the transducer is only small when the load cell is unloaded and increases with increasing load, because then the electrode fingers of one electrode comb increasingly intervene in the interdigital spaces of the other electrode comb.
  • the offset of the planes in which the electrode combs lie is preferably less than or equal to the height of the electrode fingers so that when the load cell is unloaded There is already an overlap of the electrode fingers and increases the capacity of the transducer largely linearly with increasing load.
  • the influence of disturbing shear forces can be compensated by means of a further displacement transducer, which detects only transverse forces and is insensitive to forces acting perpendicularly on the force introduction region of the spring body; If the measured value of the additional displacement transducer is subtracted from that of the one displacement transducer, its measured value is freed from the influences of the transverse forces.
  • the further identical displacement transducer can be configured such that the height of the electrode fingers of one electrode comb is greater than the height of the electrode fingers of the other electrode comb and the electrode fingers with the lower height both in the unloaded and in the loaded state Force transducer completely engage in the interstices of the electrode fingers with the greater height.
  • the additional capacitive transducer is thus perpendicular to the parallel planes for changes in position
  • Electrode combs completely insensitive, while it reacts to changes in position within the parallel planes of the electrode combs just as sensitive as the transducer to which it is assigned.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the force transducer according to the invention with a spring body designed as a cantilever beam mounted on one side in plan view
  • FIG. 2 shows the unloaded force transducer from FIG. 1 in a side view
  • FIG. 3 shows the force transducer from FIG. 1 under load and in side view;
  • FIG. 4 is a plan view of a displacement transducer as a component of the force transducer shown in FIGS. 1 to 3;
  • FIG. 5 shows the displacement transducer from FIG. 4 in side view
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of the displacement transducer
  • FIG. 7 shows a further displacement transducer as a further component of the force transducer shown in FIGS. 1 to 3,
  • FIG. 8 shows a side view of a second exemplary embodiment of the force transducer according to the invention with a spring body designed as a bar mounted on both sides;
  • FIG. 9 shows a variant of the embodiment according to FIG. 8 with a flat spring body
  • FIG. 10 shows the force transducer from FIG. 8 or 9 in plan view
  • FIG. 11 shows a variant of the embodiment according to FIG. 10,
  • FIG. 12 shows an embodiment of the invention
  • FIG. 13 shows a longitudinal section through an embodiment of the force transducer according to the invention in the form of a load cell
  • Figure 14 shows the embodiment of Figure 13 in plan view and Figure 15 shows a variant of the embodiment of Figure 14.
  • Figure 1 shows a highly simplified representation of a plan view of a force transducer.
  • Figures 2 and 3 show the same load cell in side view, once in the unloaded and once in the loaded state.
  • the force transducer has a preferably made of steel spring body 1 in the form of a bar 2, which at one end in a
  • Storage area 3 is clamped on one side and at its other end in a force introduction area 4 receives a force or load F to be measured.
  • the spring body 1 contains a recess 5 passing through it from the upper side 6 to the opposite lower side 7, which is designed such that it separates the spring body 1 into two lateral deformation areas 8, 9 and two deformation-free neutral areas.
  • the two deformation areas 8, 9 each connect the bearing area 3 to the force introduction area 4 and the neutral areas 10, 11 are connected only to the bearing area 3 or the force introduction area 4.
  • the recess 5 has an H-shaped profile, so that the neutral areas 10, 11 form cantilevers which extend from one another through the transverse slot or gap and the deformation areas 8, 9 through the two longitudinal slots of the H-shaped recess 5 to be separated.
  • the beam 2 is in each of the two
  • Deformation areas 8, 9 introduced in a vertical direction to the force introduction F a recess 12 so that the deformation regions 8, 9 each form two parallelogram springs and the beam 2 itself forms a single-sided mounted double bending beam.
  • the spring body 1 is deformed when the force transducer is loaded in the deformation regions 8, 9, while the neutral regions 10, 11 remain undeformed and only their relative position to each other in the direction of the force F changes.
  • a two-part displacement transducer 13 is arranged on the upper side 6 of the spring body 1 in the two neutral regions 10, 11.
  • Another two-part position transducer 14 is also placed in the neutral regions 10, 11 on the underside 7 of the spring body 1.
  • the displacement sensor 13, 14 are adapted to contact changes, here z. B. capacitive to detect.
  • Figure 4 shows a detail of the spring body 1 with the capacitive transducer 13 in plan view. This is constructed in two parts and consists of two electrode combs 15, 16, each with a plurality of electrode fingers 17, 18.
  • the electrode combs 15, 16 are on the upper side 6 of the spring body 1 in the neutral regions 10, 11 on both sides of the transverse gap of the H-shaped recess fifth parallel to the top 6, d. H. arranged transversely to the direction of the force F in such a way that the electrode fingers 18 of the one electrode comb
  • the electrode fingers 17, 18 thus move only in the direction in which the finger gaps are open on both sides, so that an overload or destruction of the transducer 13 is excluded.
  • FIG. 5 shows in a side view of the displacement transducer 13, the electrode combs 15, 16 are arranged and / or formed in such a way that their electrode fingers 17, 18 have an initial parallel offset in the direction of the force introduction F when the spring body 1 is unloaded.
  • this height offset corresponds approximately to the thickness or height D of the electrode fingers 17, 18.
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of the displacement transducer 13, in which the initial offset between the electrode fingers 17, 18 of the various electrode combs 15, 16 is smaller than the thickness or height D of the electrode fingers 17, 18, so that the electrode fingers 18 of the electrode are at unloaded force transducer partially immerse an electrode comb 16 in the interdigital spaces of the other electrode comb 15.
  • the electrode fingers 18 of the electrode comb 16 continue to dip into the finger gaps of the other electrode comb 15, so that the capacitance value of the displacement transducer 13 increases, whereby the capacity increase as a function of the force F linear.
  • lateral forces acting as lateral thermal expansions of the spring body 1 or transverse forces acting perpendicular to the introduction of force F can influence the measurement result delivered by the displacement transducer 13.
  • the further displacement transducer 14 on the underside 7 of the spring body 1 serves to compensate for such interference.
  • the further displacement transducer 14 is exactly identical to the displacement transducer 13 and is arranged mirror-inverted, so that the capacitances of the two displacement transducers 13, 14 change with load-induced deformation of the force transducer with the opposite sign and remain unchanged in total.
  • lateral disturbing influences act equally on both displacement transducers 13, 14, so that when adding their measuring results.
  • the measured value portions of the force F to be measured increase, while the measured value portions of the forces acting transversely thereto cancel each other out.
  • the sum of the measured values of both displacement transducers 13, 14 can be formed, whereby the measured value portions of the force F to be measured cancel each other out, while the measured value portions add up from the transverse forces.
  • the further displacement transducer 14 is designed and arranged such that it detects only the transverse forces and is insensitive to the force F acting perpendicularly on the force introduction region 4 of the spring body 1.
  • the further position transducer 14 likewise consists of two electrode combs 19, 20 each having a multiplicity of interlocking electrode fingers 21, 22.
  • the height of the electrode fingers 22 of the one electrode comb 20 is greater than the height of the electrodes
  • Electrode fingers 21 of the other electrode comb 19 the electrode fingers 21 engage with the lower height both in the unloaded and in the loaded state of the force transducer completely into the interstices of the electrode fingers 22 with the greater height.
  • the further displacement sensor 14 is therefore insensitive to changes in position in the direction of the force F introduction, while it reacts to changes in position in the other directions as sensitive as the transducer 13.
  • the measurement result of the transducer 13 can therefore be freed from the lateral interference influences in a simple manner in that the difference of the individual measurements of both displacement transducers 13, 14 is formed.
  • FIG. 8 shows a further exemplary embodiment of the force transducer according to the invention, in which the spring body 1 is designed as a beam 23 mounted on both sides. Accordingly, the spring body 1 has two bearing areas 3-1, 3-2 and a force introduction area 4 located in the middle in between. Between each of the two bearing areas 3-1, 3-2 and the force introduction area 4, the two deformation areas and neutral areas formed by the recess 5 as well as the displacement transducer 13 are provided.
  • the recess 5 is H-shaped as in the example of FIG. In the left half of the picture, the front deformation area 9 to be seen, whereby by suitable recesses 12 in the longitudinal sides of the beam 23 targeted material weakenings have been made to adjust the deformation or spring characteristic of the deformation ranges.
  • Figure 9 shows a variant of the double-sided mounted beam 23 of Figure 8, wherein only the left half of the beam is shown in side view. In contrast to the example according to FIG. 8, the thickness of the spring body 1 is smaller, which is why the recesses 12 for material weakening in the deformation regions can be dispensed with.
  • a further displacement transducer 14 is arranged according to the example of FIG.
  • FIG. 10 shows a top view of the beam 23 from FIG. 8 or 9 with the recess 5 between the bearing area 3-1 shown here and the force introduction area 4.
  • the neutral areas 10, 11 form cantilevers which extend from one another through the transverse slot and opposite the deformation areas 8, 9 are separated by the two longitudinal slots of the H-shaped recess 5.
  • the longitudinal slots each have a profile deviating from the rectangular shape in order to vary the width of the deformation regions 8, 9 and to obtain a desired spring characteristic of the beam 23.
  • FIG. 11 shows a variant of the beam 23, which is wider here than in the example shown in FIG.
  • the spring body 1 contains two recesses 5-1, 5-2 lying side by side in the direction of its width, each recess each having two neutral regions 10-1, 11-1 or 10-2, 11-2 and deformation regions 8-1, 9-1 or 8-2, 9-2 of the spring body 1 delimited against each other.
  • the deformation regions 9-1 and 8-2 coincide or form a single deformation region between the recesses 5-1, 5-2.
  • variable iert the width of the longitudinal slots of the H-shaped recesses 5-1, 5-2 to obtain a desired spring characteristic of the beam 23.
  • FIG. 12 shows, in plan view, a force transducer designed as a platform scale with a spring body 1 in the form of a quadrangular plate 24, on its corners, the bearing areas 3-1, 3-2, 3-3, 3-4, on supports (feet) 25 rests and is loaded on the upper side 6 in the mid-intermediate force introduction region 4 with a compressive force.
  • the plate 24 in each case contains a continuous recess 5, which separates the spring body 1 into deformation areas 8, 9 and deformation-free neutral areas 10, 11, wherein the Deformation areas 8, 9 respectively the storage area 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 connect to the force introduction area 4 and the intermediate neutral areas 10, 11 respectively only with the storage area 3-1, 3-2, 3- 3, 3-4 or the force introduction region 4 are connected.
  • the plate 24 in each case contains a pair of recesses 26 or parallel slots 27, which extend over a certain length in the direction of the force introduction region 4, so that between the recesses 26 or slots 27, a bending beam is formed in each case, which is supported at one end (corner 3-1 or 3-4) and connected at the other end to the force introduction region 4.
  • FIG. 13 shows a greatly simplified illustration
  • the force transducer in the form of a cylindrical load cell or load cell in a section in the force transducer in Top view showing figure 14 is designated AA.
  • the force transducer has a spring body 1, which as Kreis Jan. Ring disc 28 is formed with a central inner force introduction region 4 and an outer annular bearing portion 3.
  • the spring body 1 has in its force introduction region 4, a cylindrical force introduction part 29 which receives the force to be measured and acting in the direction of the cylinder axis 30 force or load F.
  • the spring body 1 In its outer bearing area 3, the spring body 1 is connected to an outer erecting ring 31, which stands on a solid support, not shown here.
  • the raising ring 31 is closed at the bottom with a membrane or bottom plate 32 and at the top to the force introduction part 29 with a membrane 33, so that the load cell or the load cell forms a can, which may be filled with a protective gas.
  • the force introduction member 29 in the same manner as it is centered in the upper region by the diaphragm 33, also in the lower region by a ring diaphragm, not shown here between the force introduction part
  • the spring body 1 (annular disc 28) contains three recesses 5-1, 5-2, 5-3, which are substantially H-shaped and distributed uniformly in the circumferential direction, d. H. are arranged at the same angular distance from each other.
  • Each recess 5-1, 5-2, 5-3 borders two neutral areas 10-1, 11-1; 10-2, 11-2 and 10-3, 11-3 and deformation areas 8-1, 9-1, respectively; 8-2, 9-2 and 8-3, 9-3 of the spring body 1 against each other, wherein the deformation regions 9-1, 8-2; 9-2, 8-3 and 9-3, 8-1 of adjacent recesses coincide.
  • the two-part displacement transducers 13-1, 13-2, 13-3 are arranged.

Landscapes

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Abstract

Kraftaufnehmer mit einem Federkörper (1), der zwischen einem Lagerbereich (3) und einen Krafteinleitungsbereich (4) mindestens eine Ausnehmung (5) enthält, die den Federkörper (1) von einer Seite (6) zur einer gegenüberliegenden Seite (7) durchsetzt und dort in zwei Verformungsbereiche (8, 9) und zwei dazwischen liegende verformungsfreie Neutralbereiche (10, 11) auftrennt, wobei beide Verformungsbereiche (8, 9) jeweils den Lagerbereich (3) mit dem Krafteinleitungsbereich (4) verbinden und die Neutralbereiche (10, 11) jeweils nur mit dem Lagerbereich (3) und dem Krafteinleitungsbereich (4) verbunden sind, und mit mindestens einem zweiteiligen Wegaufnehmer (13), dessen Teile (15, 16) jeweils in den Neutralbereichen (10, 11) des Federkörpers (1) zur Erfassung der relativen Lageänderung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (5) den Federkörper (1) in Richtung der Krafteinleitung (F) durchsetzt und dass die Teile (15, 16) des mindestens einen Wegaufnehmers (13) auf einer der zur Richtung der Krafteinleitung (F) senkrechten Seiten (6, 7) des Federkörpers (1) angeordnet sind.

Description

Beschreibung
Kraftaufnehmer Die Erfindung betrifft einen Kraftaufnehmer, insbesondere eine Wägezelle, mit einem Federkörper, der zwischen einem Lagerbereich und einen Krafteinleitungsbereich mindestens eine Ausnehmung enthält, die den Federkörper von einer Seite zur einer gegenüberliegenden Seite durchsetzt und dort in zwei Verformungsbereiche und zwei dazwischen liegende verformungsfreie Neutralbereiche auftrennt, wobei beide Verformungsbereiche jeweils den Lagerbereich mit dem Krafteinleitungsbereich verbinden und die Neutralbereiche jeweils nur mit dem Lagerbereich und dem Krafteinleitungsbereich verbunden sind, und mit mindestens einem zweiteiligen Wegaufnehmer, dessen Teile jeweils in den Neutralbereichen des Federkörpers zur Erfassung der relativen Lageänderung angeordnet sind.
Ein derartiger Kraftaufnehmer ist aus den Figuren 8 und 9 der EP 0 534 270 AI bekannt. Der als einseitig gelagerter Doppel- biege-Balken ausgebildete Federkörper wird in senkrechter Richtung zur Krafteinleitung von einer Aussparung durchsetzt, die den Federkörper zwischen seinem Lagerbereich und seinen Krafteinleitungsbereich in zwei Verformungsbereiche in Form von Parallelogrammfedern und zwei dazwischen liegende steg- förmige Neutralbereiche auftrennt. An den Stegen ist seitlich ein kapazitiver Wegaufnehmer gehalten, der zwei Elektrodenkämme mit jeweils einer Vielzahl von Elektrodenfingern aufweist, wobei die Elektrodenfinger des einen Elektrodenkamms in den Fingerzwischenräumen des jeweils anderen Elektrodenkamms positioniert sind, 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 des Kraftaufnehmers 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 des Kraftaufnehmers der Wegaufnehmer zerstört wird. Der Federkörper ist vergleichsweise dick und darf eine Bauhöhe nicht unterschreiten, damit der Wegaufnehmer seitlich montiert werden kann.
Gegenstand einer nicht vorveröffentlichten älteren deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 102011076008.3 ist ein Kraftaufnehmer, bei dem im Unterschied zu der EP 0 534 270 AI der Wegaufnehmer innerhalb der Aussparung auf einer der zur Richtung der Krafteinleitung senkrechten Seite der Stege angeordnet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative Bauweise des Kraftaufnehmers mit mehr Freiheiten bei der Gestaltung des Federkörpers und infolgedessen erweitertem Applikationsspektrum anzugeben.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei dem Kraftaufnehmer der eingangs genannten Art die Ausnehmung den Federkörper in Richtung der Krafteinleitung durchsetzt und dass die Teile des mindestens einen Wegaufnehmers auf einer der zur Richtung der Krafteinleitung senkrechten Seiten des Federkörpers angeordnet sind.
Damit bestehen bezüglich der Dicke bzw. Bauhöhe des Federkörpers keine sich aus dem grundsätzlichen Aufbau des Kraftaufnehmers ergebenden Einschränkungen. Der Federkörper kann wie bei dem aus der EP 0 534 270 AI bekannten Kraftaufnehmer als einseitig gelagerter Doppelbiege-Balken ausgebildet sein, wobei dann in den Verformungsbereichen Aussparungen in senkrechter Richtung zur Krafteinleitung vorgesehen sind, so dass die Verformungsbereiche jeweils zwei Parallelogrammfedern bilden .
Bei einer anderen Ausführungsform ist der Federkörper als beidseitig gelagerter Balken ausgebildet, wobei zwischen jedem der beiden Lagerbereiche und dem in der Mitte dazwischen liegenden Krafteinleitungsbereich jeweils die zwei Verformungsbereiche und die zwei Neutralbereiche mit dem Wegaufnehmer vorgesehen sind. Die Dicke des Balkens kann beliebig sein bzw. nur in Abhängigkeit von der gewünschten Federstei- figkeit des Federkörpers bemessen sein. Darüber hinaus kann die Federsteifigkeit in einfacher Weise durch Form und Abmessungen der Verformungsbereiche festgelegt werden, die ihrerseits durch Form und Abmessung der Ausnehmung festgelegt sind. Zu demselben Zweck kann auch die Dicke des Balkens in den Verformungsbereichen variiert werden.
Für die Verwendung als Plattformwaage kann der Federkörper in vorteilhafter Weise als Platte, insbesondere drei- oder viereckige Platte, ausgebildet sein, die an mindestens drei Stel- len gelagert ist, wobei zwischen jedem der mindestens drei Lagerbereiche und dem in der Mitte dazwischen liegenden
Krafteinleitungsbereich jeweils die zwei Verformungsbereiche und die zwei Neutralbereiche mit dem Wegaufnehmer vorgesehen sind. Auch hier gilt entsprechend wie für den oben genannten beidseitig gelagerten Balken, dass die Federsteifigkeit durch Form und Abmessungen der Verformungsbereiche und/oder Variation der Dicke der Platte in den Verformungsbereichen festgelegt werden kann. Bei zylindrisch aufgebautem Kraftaufnehmer (Kraftmessdose) ist der Federkörper vorzugsweise als Kreisscheibe mit zentralem innerem Krafteinleitungsbereich und äußerem umlaufenden Lagerbereich ausgebildet, zwischen denen der Federkörper die Ausnehmung mindestens dreifach und in Umfangsrichtung gleich- mäßig verteilt enthält, so dass mindestens drei Verformungsbereiche mit jeweils zwei dazwischen liegenden Neutralbereichen und dort angeordneten zweiteiligen Wegaufnehmern vorhanden sind. Die Ausnehmungen können in Umfangsrichtung jeweils so weit ausgedehnt sein, dass die dazwischen verbleibenden Verformungsbereiche Steg- oder speichenförmig ausgebildet sind. Um bei einer Torsionsbeanspruchung des Kraftaufnehmers Fehlmessungen durch die Wegaufnehmer aufgrund einer Verdrehung des Krafteinleitungsbereichs gegenüber dem Lagerbereich des Federkörpers zu verhindern, verlaufen die steg- oder speichenförmigen Verformungsbereiche vorzugsweise nicht radial sondern tangential von dem Krafteinleitungsbereich zum Lagerbereich. Erfolgt die Krafteinleitung nicht exakt mittig oder nicht in Axialrichtung sondern schräg dazu, kann es zu einer Schiefstellung des Krafteinleitungsbereichs kommen, die aber von den radialsymmetrisch mit gleichem Winkelabstand zueinander angeordneten Wegaufnehmern gemessen wird und in Bezug auf das Messergebnis einfach kompensiert werden kann, in- dem z. B. der Mittelwert der von den Wegaufnehmern gelieferten Messwerte gebildet wird.
Unabhängig von der jeweiligen Ausführung des erfindungsgemäßen Kraftaufnehmers kann der Einfluss von störenden Querkräf- ten, beispielsweise als Folge einer schrägen Krafteinleitung, dadurch beseitigt bzw. kompensiert werden, indem dem Wegaufnehmer ein weiterer baugleicher Wegaufnehmer gegenüberliegt, der auf der anderen gegenüberliegenden und ebenfalls zur Richtung der Krafteinleitung senkrechten Seite angeordnet ist. Die beiden einander gegenüberliegenden Wegaufnehmer erfassen senkrecht auf den Krafteinleitungsbereich des Federkörpers wirkende Kräfte mit umgekehrten Vorzeichen und Querkräfte mit jeweils demselben Vorzeichen. Wird dann die Differenz der Messwerte der Wegaufnehmer gebildet, verstärken sich die Messwertanteile der senkrecht auf den Krafteinleitungsbereich des Federkörpers wirkenden Kräfte, während sich die Messwertanteile der quer dazu wirkenden Kräfte aufheben. Alternativ kann der weitere Wegaufnehmer derart ausgebildet und angeordnet sein, dass er nur Querkräfte erfasst und für senk- recht auf den Krafteinleitungsbereich des Federkörpers wirkende Kräfte unempfindlich ist. Wird dann der Messwert des zusätzlichen Wegaufnehmers von dem des einen Wegaufnehmers subtrahiert, so wird dessen Messwert von den Einflüssen der Querkräfte befreit.
Bei Belastung des Kraftaufnehmers wird der Federkörper in den Verformungsbereichen gebogen, während die durch die Ausnehmung voneinander und von den Verformungsbereichen getrennten Neutralbereiche mit den darauf angeordneten Teilen des Wegaufnehmers nur ihre relative Lage in Richtung der Kraft ändern. Diese Lageänderung lässt sich mit unterschiedlichen Typen von Wegaufnehmern, so z. B. mit dem aus der oben genann- ten EP 0 534 270 AI bekannten kapazitiven Wegaufnehmer erfassen. Grundsätzlich kommen alle Wegaufnehmer in Frage, insbesondere Wegaufnehmer in MEMS-Technik (micro-electro-mechanic- al Systems), die geringe Lageänderungen berührungslos, z. B. induktiv, kapazitiv, optisch usw., messen können.
Bei einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Kraftaufnehmers ist der mindestens eine Wegaufnehmer als kapazitiver Wegaufnehmer ausgebildet, dessen zwei Teile aus Elektrodenkämmen mit jeweils einer Vielzahl von Elektrodenfingern bestehen, wobei die Elektrodenkämme in senkrecht zur Richtung der Krafteinleitung liegenden parallelen Ebenen angeordnet sind und bei Belastung des Kraftaufnehmers die Elektrodenfinger des einen Elektrodenkamms in die Fingerzwischenräume des jeweils anderen Elektrodenkamms eintauchen oder aus diesen heraustauchen . 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. Vorzugsweise weisen die Ebenen, in denen die Elektrodenkämme liegen, im unbelasteten Zustand des Kraftaufnehmers einen Parallelversatz auf, der sich bei Belastung des Kraftaufnehmers 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. Der Versatz der Ebenen, in denen die Elektrodenkämme liegen, ist vorzugsweise kleiner oder gleich der Höhe der Elektrodenfinger so dass bei unbelastetem Kraftaufnehmer bereits eine Überlappung der Elektrodenfinger vorliegt und bei zunehmender Belastung die Kapazität des Wegaufnehmers weitgehend linear zunimmt. Wie oben erwähnt, kann der Einfluss von störenden Querkräften mittels eines weiteren Wegaufnehmers kompensiert werden, der nur Querkräfte erfasst und für senkrecht auf den Krafteinleitungsbereich des Federkörpers wirkende Kräfte unempfindlich ist; wird der Messwert des zusätzlichen Wegaufnehmers von dem des einen Wegaufnehmers subtrahiert, so wird dessen Messwert von den Einflüssen der Querkräfte befreit. Im Falle des kapazitiven Wegaufnehmers kann der weitere baugleiche Wegaufnehmer derart ausgebildet sein, dass die Höhe der Elektrodenfinger des einen Elektrodenkamms größer als die Höhe der Elek- trodenfinger des anderen Elektrodenkamms ist und die Elektrodenfinger mit der geringeren Höhe sowohl im unbelasteten als auch im belasteten Zustand des Kraftaufnehmers vollständig in die Zwischenräume der Elektrodenfinger mit der größeren Höhe eingreifen. Der zusätzliche kapazitive Wegaufnehmer ist somit für Lageänderungen senkrecht zu den parallelen Ebenen der
Elektrodenkämme völlig unempfindlich, während er auf Lageänderungen innerhalb der parallelen Ebenen der Elektrodenkämme genauso empfindlich reagiert, wie der Wegaufnehmer, dem er zugeordnet ist.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen die : Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftaufnehmers mit einem als einseitig gelagerter Doppelbiege-Balken ausgebildeten Federkörper in Draufsicht, Figur 2 den unbelasteten Kraftaufnehmer aus Figur 1 in Seitenansicht , Figur 3 den Kraftaufnehmer aus Figur 1 bei Belastung und in Seitenansicht ,
Figur 4 einen Wegaufnehmer als Bestandteil des in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Kraftaufnehmers in Draufsicht ,
Figur 5 den Wegaufnehmer aus Figur 4 in Seitenansicht,
Figur 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Wegaufnehmers,
Figur 7 einen weiteren Wegaufnehmer als weiteren Bestandteil des in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Kraftaufnehmers ,
Figur 8 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftaufnehmers mit einem als beidseitig gelagerter Balken ausgebildeten Federkörper in Seitenansicht ,
Figur 9 eine Variante des Ausführungsbeispiels nach Figur 8 mit flachem Federkörper,
Figur 10 den Kraftaufnehmer aus Figur 8 oder 9 in Draufsicht ,
Figur 11 eine Variante des Ausführungsbeispiels nach Figur 10,
Figur 12 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Kraftaufnehmers in Form einer Plattformwaage ,
Figur 13 einen Längschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftaufnehmers in Form einer Kraftmessdose,
Figur 14 das Ausführungsbeispiel nach Figur 13 in Draufsicht und Figur 15 eine Varianten des Ausführungsbeispiels nach Figur 14. Figur 1 zeigt in stark vereinfachter Darstellung eine Draufsicht auf einen Kraftaufnehmer. Die Figuren 2 und 3 zeigen denselben Kraftaufnehmer in Seitenansicht, einmal im unbelasteten und einmal im belasteten Zustand. Der Kraftaufnehmer weist einen vorzugsweise aus Stahl bestehenden Federkörper 1 in Form eines Balkens 2 auf, der an einem Ende in einem
Lagerbereich 3 einseitig eingespannt ist und an seinem anderen Ende in einem Krafteinleitungsbereich 4 eine zu messende Kraft oder Last F aufnimmt. Zwischen dem Lagerbereich 3 und dem Krafteinleitungsbereich 4 enthält der Federkörper 1 eine ihn von der Oberseite 6 zur gegenüberliegenden Unterseite 7 durchsetzende Ausnehmung 5, die derart ausgebildet ist, dass sie den Federkörper 1 in zwei seitliche Verformungsbereiche 8, 9 und zwei dazwischen liegende verformungsfreie Neutral - bereiche 10, 11 auftrennt, wobei die beiden Verformungsberei - che 8, 9 jeweils den Lagerbereich 3 mit dem Krafteinleitungsbereich 4 verbinden und die Neutralbereiche 10, 11 jeweils nur mit dem Lagerbereich 3 bzw. dem Krafteinleitungsbereich 4 verbunden sind. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel hat die Ausnehmung 5 ein H- förmiges Profil, so dass die Neutralberei - che 10, 11 Kragarme bilden, die voneinander durch den Querschlitz oder -spalt und gegenüber den Verformungsbereichen 8, 9 durch die beiden Längsschlitze der H- förmigen Ausnehmung 5 getrennt werden. Auf den Längsseiten des Balkens 2 ist in jedem der beiden
Verformungsbereiche 8, 9 in senkrechter Richtung zur Kraft- einleitung F eine Aussparung 12 eingebracht, so dass die Verformungsbereiche 8, 9 jeweils zwei Parallelogrammfedern bilden und der Balken 2 selbst einen einseitig gelagerten Doppelbiege-Balken bildet.
Wie Figur 3 zeigt, wird der Federkörper 1 bei Belastung des Kraftaufnehmers in den Verformungsbereichen 8, 9 verformt, während die Neutralbereiche 10, 11 unverformt bleiben und sich lediglich ihre relative Lage zueinander in Richtung der Kraft F ändert. Um diese Lageänderung zu erfassen ist auf der Oberseite 6 des Federkörpers 1 in den beiden Neutralbereichen 10, 11 ein zweiteiliger Wegaufnehmer 13 angeordnet. Ein weiterer zweiteiliger Wegaufnehmer 14 ist auf der Unterseite 7 des Federkörpers 1 ebenfalls in den Neutralbereichen 10, 11 platziert. Die Wegaufnehmer 13, 14 sind dazu ausgebildet, Lageänderungen berührungslos, hier z. B. kapazitiv, zu erfas- sen.
Figur 4 zeigt eine Einzelheit des Federkörpers 1 mit dem kapazitiven Wegaufnehmer 13 in Draufsicht. Dieser ist zweiteilig aufgebaut und besteht aus zwei Elektrodenkämmen 15, 16 mit jeweils einer Vielzahl von Elektrodenfingern 17, 18. Die Elektrodenkämme 15, 16 sind auf der Oberseite 6 des Federkörpers 1 in den Neutralbereichen 10, 11 beiderseits des Querspalts der H- förmigen Ausnehmung 5 parallel zur Oberseite 6, d. h. quer zur Richtung der Kraft F in der Weise angeordnet, dass sich die Elektrodenfinger 18 des einen Elektrodenkamms
16 in Richtung der Kraft F in den Zwischenräumen der Elektrodenfinger 17 des anderen Elektrodenkamms 15 bewegen können. Die Elektrodenfinger 17, 18 bewegen sich also nur in der Richtung, in der die Fingerzwischenräume nach beiden Seiten offen sind, so dass eine Überlastung oder Zerstörung des Wegaufnehmers 13 ausgeschlossen ist.
Wie Figur 5 in einer Seitenansicht des Wegaufnehmers 13 zeigt, sind die Elektrodenkämme 15, 16 derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass ihre Elektrodenfinger 17, 18 bei unbelastetem Federkörper 1 einen anfänglichen Parallelversatz in Richtung der Krafteinleitung F aufweisen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht dieser Höhenversatz etwa der Dicke oder Höhe D der Elektrodenfinger 17, 18. Bei Belas- tung des Kraftaufnehmers mit der Kraft F tauchen die Elektrodenfinger 18 des Elektrodenkamms 16 in die Fingerzwischenräume des Elektrodenkamms 15 ein, so dass sich der Kapazitätswert des Wegaufnehmers 13 erhöht. Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Wegaufnehmers 13, bei dem der anfängliche Versatz zwischen den Elektrodenfingern 17, 18 der verschiedenen Elektrodenkämme 15, 16 kleiner als die Dicke oder Höhe D der Elektrodenfinger 17, 18 ist, so dass bei unbelastetem Kraftaufnehmer die Elektrodenfinger 18 des einen Elektrodenkamms 16 teilweise in die Fingerzwischenräume des anderen Elektrodenkamms 15 eintauchen. Bei Belastung des Kraftaufnehmers tauchen die Elektrodenfinger 18 des Elektrodenkamms 16 weiter in die Fingerzwischen- räume des anderen Elektrodenkamms 15 ein, so dass sich der Kapazitätswert des Wegaufnehmers 13 erhöht, wobei im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel nach Figur 5 die Kapazitätszunahme in Abhängigkeit von der Kraft F linearer verläuft .
Zurück zu den Figuren 1 bis 3 : Lateral wirkende Störeinflüsse wie laterale Wärmeausdehnungen des Federkörpers 1 oder senkrecht zur Krafteinleitung F wirkende Querkräfte können das von dem Wegaufnehmer 13 gelieferte Messergebnis beeinflussen. Der weitere Wegaufnehmer 14 auf der Unterseite 7 des Federkörpers 1 dient zur Kompensation solcher Störeinflüsse. Im einfachsten Fall ist der weitere Wegaufnehmer 14 exakt baugleich mit dem Wegaufnehmer 13 und zu diesem spiegelverkehrt angeordnet, so dass sich die Kapazitäten der beiden Wegauf- nehmer 13, 14 bei belastungsbedingter Verformung des Kraftaufnehmers mit umgekehrten Vorzeichen ändern und in der Summe unverändert bleiben. Laterale Störeinflüsse wirken dagegen gleichermaßen auf beide Wegaufnehmer 13, 14, so dass bei Addition ihrer Messergebnisse. Wird die Differenz der Mess- werte der beiden Wegaufnehmer 13, 14 gebildet, verstärken sich die Messwertanteile der zu messenden Kraft F, während sich die Messwertanteile der quer dazu wirkenden Kräfte aufheben. Um die Querkräfte zu messen, kann die Summe der Messwerte beider Wegaufnehmer 13, 14 gebildet werden, wobei sich die Messwertanteile aus der zu messenden Kraft F gegenseitig aufheben, während sich die Messwertanteile aus den Querkräften addieren. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel des Kraftaufnehmers ist der weitere Wegaufnehmer 14 derart ausgebildet und angeordnet sein, dass er nur die Querkräfte erfasst und für die senkrecht auf den Krafteinleitungsbereich 4 des Federkörpers 1 wirkende Kraft F unempfindlich ist. Wird dann der Messwert des weiteren Wegaufnehmers 14 von dem des Wegaufnehmers 13 subtrahiert, so wird dessen Messwert von den Einflüssen der Querkräfte befreit. Wie Figur 7 zeigt, besteht der weitere Wegaufnehmer 14 ebenfalls aus zwei Elektrodenkämmen 19, 20 mit jeweils einer Vielzahl von ineinander greifenden Elektrodenfingern 21, 22. Im Unterschied zu dem Wegaufnehmer 13 ist die Höhe der Elektrodenfinger 22 des einen Elektrodenkamms 20 größer als die Höhe der Elektrodenfinger 21 des anderen Elektrodenkamms 19, wobei die Elektrodenfinger 21 mit der geringeren Höhe sowohl im unbelasteten als auch im belasteten Zustand des Kraftaufnehmers vollständig in die Zwischenräume der Elektrodenfinger 22 mit der größeren Höhe eingreifen. Der weitere Wegaufnehmer 14 ist daher für Lageänderungen in Richtung der Krafteinleitung F unempfindlich, während er auf Lageänderungen in den anderen Richtungen genauso empfindlich reagiert, wie der Wegaufnehmer 13. Das Messergebnis des Wegaufnehmers 13 kann daher auf einfache Weise von den lateralen Störeinflüssen be- freit werden, indem die Differenz der Einzelmessungen beider Wegaufnehmer 13, 14 gebildet wird.
Figur 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftaufnehmers, bei dem der Federkörper 1 als beidseitig gelagerter Balken 23 ausgebildet ist. Der Federkörper 1 weist demnach zwei Lagerbereiche 3-1, 3-2 und einen in der Mitte dazwischen liegenden Krafteinleitungsbereich 4 auf. Zwischen jedem der beiden Lagerbereiche 3-1, 3-2 und dem Krafteinleitungsbereich 4 sind jeweils die zwei durch die Ausnehmung 5 gebildeten Verformungsbereiche und Neutralbereiche sowie der Wegaufnehmer 13 vorgesehen. Die Ausnehmung 5 ist genauso wie bei dem Beispiel nach Figur 1 H-förmig ausgebildet. In der linken Bildhälfte ist der vordere Verformungs- bereich 9 zu sehen, wobei durch geeignete Aussparungen 12 in den Längsseiten des Balkens 23 gezielte Materialschwächungen vorgenommen worden sind, um die Verformungs- bzw. Federcharakteristik der Verformungsbereiche einzustellen. In der rechten Bildhälfte ist der vordere Verformungsbereich 9 weggeschnitten, so dass die Kragarme der Neutralbereiche 10, 11 mit dem dazwischen liegenden Querschlitz der H-förmigen Ausnehmung 5 zu sehen sind. Figur 9 zeigt eine Variante des beidseitig gelagerten Balkens 23 aus Figur 8, wobei nur die linke Balkenhälfte in Seitenansicht dargestellt ist. Im Unterschied zu dem Beispiel nach Figur 8 ist die Dicke des Federkörpers 1 geringer, weswegen die Aussparungen 12 zur Materialschwächung in den Verfor- mungsbereichen entfallen können. An der Unterseite 7 des Balkens 23 ist entsprechend dem Beispiel nach Figur 2 ein weiterer Wegaufnehmer 14 angeordnet.
Figur 10 zeigt eine Draufsicht auf den Balken 23 aus Figur 8 oder 9 mit der Ausnehmung 5 zwischen dem hier gezeigten Lagerbereich 3-1 und dem Krafteinleitungsbereich 4. Die Neutralbereiche 10, 11 bilden Kragarme, die voneinander durch den Querschlitz und gegenüber den Verformungsbereichen 8, 9 durch die beiden Längsschlitze der H-förmigen Ausnehmung 5 getrennt werden. Die Längsschlitze haben jeweils ein von der Rechteckform abweichendes Profil, um die Breite der Verformungsbereiche 8, 9 zu variieren und eine gewünschte Federcharakteristik des Balkens 23 zu erhalten. Figur 11 zeigt eine Variante des Balkens 23, der hier breiter ist, als bei dem in Figur 10 gezeigten Beispiel. Der Federkörper 1 enthält zwei in Richtung seiner Breite nebeneinander liegende Ausnehmungen 5-1, 5-2, wobei jede Ausnehmung jeweils zwei Neutralbereiche 10-1, 11-1 bzw. 10-2, 11-2 und Verfor- mungsbereiche 8-1, 9-1 bzw. 8-2, 9-2 des Federkörpers 1 gegeneinander abgrenzt. Dabei fallen die Verformungsbereiche 9-1 und 8-2 zusammen bzw. bilden einen einzigen Verformungsbereich zwischen den Ausnehmungen 5-1, 5-2. Auch hier vari- iert die Breite der Längsschlitze der H- förmigen Ausnehmungen 5-1, 5-2 um eine gewünschte Federcharakteristik des Balkens 23 zu erhalten. Figur 12 zeigt in Draufsicht einen als Plattformwaage ausgebildeten Kraftaufnehmer mit einem Federkörper 1 in Form einer viereckigen Platte 24, die an ihren Ecken, den Lagerbereichen 3-1, 3-2, 3-3, 3-4, auf Stützen (Füßen) 25 ruht und auf der Oberseite 6 in dem in der Mitte dazwischen liegenden Kraft- einleitungsbereich 4 mit einer Druckkraft belastet wird. Im Bereich jeder Ecke 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 enthält die Platte 24 jeweils eine durchgehende Ausnehmung 5, die den Federkörper 1 in Verformungsbereiche 8, 9 und verformungsfreie Neutral - bereiche 10, 11 auftrennt, wobei die Verformungsbereiche 8, 9 jeweils den Lagerbereich 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 mit dem Krafteinleitungsbereich 4 verbinden und die dazwischen liegenden Neutralbereiche 10, 11 jeweils nur mit dem Lagerbereich 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 bzw. dem Krafteinleitungsbereich 4 verbunden sind .
An den unterschiedlichen Ecken 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 sind hier unterschiedliche Beispiele gezeigt, wie die Ausnehmung 5 angeordnet oder ausgeführt sein kann, wobei natürlich in Realität die Ausnehmungen 5 an allen Ecken der Plattformwaage ein- heitlich angeordnet bzw. ausgeführt sind.
Im Bereich der Ecken 3-1 und 3-4 enthält die Platte 24 jeweils ein Paar von Aussparungen 26 oder parallelen Schlitzen 27, die sich über eine bestimmte Länge in Richtung zum Kraft- einleitungsbereich 4 erstrecken, so dass zwischen den Aussparungen 26 bzw. Schlitzen 27 jeweils ein Biegebalken gebildet wird, der an einem Ende (Ecke 3-1 bzw. 3-4) aufgestützt und an dem anderen Ende mit dem Krafteinleitungsbereich 4 verbunden ist.
Figur 13 zeigt in stark vereinfachter Darstellung einen
Kraftaufnehmer in Form einer zylindrischen Kraftmessdose oder Wägezelle in einem Schnitt, der in der den Kraftaufnehmer in Draufsicht zeigenden Figur 14 mit A-A bezeichnet ist. Der Kraftaufnehmer weist einen Federkörper 1 auf, der als Kreisbzw. Ringscheibe 28 mit einem zentralen inneren Krafteinleitungsbereich 4 und einem äußeren ringförmigen Lagerbereich 3 ausgebildet ist. Der Federkörper 1 weist in seinem Krafteinleitungsbereich 4 ein zylindrisches Krafteinleitungsteil 29 auf, das die zu messende und in Richtung der Zylinderachse 30 wirkende Kraft oder Last F aufnimmt. In seinem äußeren Lagerbereich 3 ist der Federkörper 1 mit einem äußeren Aufstell - ring 31 verbunden, der auf einer hier nicht gezeigten festen Unterlage steht. Das Krafteinleitungsteil 29, die Ringscheibe
28 und der Aufstellring 31 sind vorzugsweise aus Stahl und einstückig ausgeführt. Der Aufstellring 31 ist unten mit einer Membran oder Bodenplatte 32 und oben zu dem Kraftein- leitungsteil 29 hin mit einer Membran 33 abgeschlossen, so dass der Kraftaufnehmer bzw. die Wägezelle eine Dose bildet, die mit einem Schutzgas gefüllt sein kann. Zur Aufnahme von Querkräften ist es möglich, das Krafteinleitungsteil 29 auf die gleiche Weise, wie es im oberen Bereich durch die Membran 33 zentriert ist, auch im unteren Bereich durch eine hier nicht gezeigte Ringmembran zwischen dem Krafteinleitungsteil
29 und dem Aufstellring 31 zu zentrieren.
Zwischen dem Lagerbereich 3 und dem Krafteinleitungsbereich 4 enthält der Federkörper 1 (Ringscheibe 28) drei Ausnehmungen 5-1, 5-2, 5-3, die im Wesentlichen H-förmig ausgebildet und in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt, d. h. mit gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet sind. Jede Ausnehmung 5-1, 5-2, 5-3 grenzt jeweils zwei Neutralbereiche 10-1, 11-1; 10-2, 11-2 bzw. 10-3, 11-3 und Verformungsbereiche 8-1, 9-1; 8-2, 9-2 bzw. 8-3, 9-3 des Federkörpers 1 gegeneinander ab, wobei die Verformungsbereiche 9-1, 8-2; 9-2, 8-3 und 9-3, 8-1 jeweils benachbarter Ausnehmungen zusammenfallen. In den Neutralbereichen 10-1, 11-1; 10-2, 11-2; 10-3, 11-3 sind die zweiteiligen Wegaufnehmer 13-1, 13-2, 13-3 angeordnet.
Bei dem in Figur 15 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Längsseiten der H- förmigen Ausnehmungen 5-1, 5-2, 5-3 in Um- fangsrichtung jeweils so weit ausgedehnt, dass die dazwischen verbleibenden Verformungsbereiche 8-1...3, 9-1...3 zu Stegen oder Speichen 34 reduziert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftaufnehmer mit einem Federkörper (1), der zwischen einem Lagerbereich (3) und einen Krafteinleitungsbereich (4) mindestens eine Ausnehmung (5) enthält, die den Federkörper (1) von einer Seite (6) zur einer gegenüberliegenden Seite (7) durchsetzt und dort in zwei Verformungsbereiche (8, 9) und zwei dazwischen liegende verformungsfreie Neutralbereiche (10, 11) auftrennt, wobei beide Verformungsbereiche (8, 9) jeweils den Lagerbereich (3) mit dem Krafteinleitungsbereich (4) verbinden und die Neutralbereiche (10, 11) jeweils nur mit dem Lagerbereich (3) und dem Krafteinleitungsbereich (4) verbunden sind, und mit mindestens einem zweiteiligen Wegaufnehmer (13), dessen Teile (15, 16) jeweils in den Neutralbe- reichen (10, 11) des Federkörpers (1) zur Erfassung der relativen Lageänderung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (5) den Federkörper (1) in Richtung der Krafteinleitung (F) durchsetzt und dass die Teile (15, 16) des mindestens einen Wegaufnehmers (13) auf einer der zur Richtung der Krafteinleitung (F) senkrechten Seiten (6, 7) des Federkörpers (1) angeordnet sind.
2. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Federkörper (1) als einseitig gelagerter Doppel- biege-Balken (2) ausgebildet ist und dazu in den Verformungsbereichen (8, 9) Aussparungen (12) in senkrechter Richtung zur Krafteinleitung (F) enthält.
3. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Federkörper (1) als beidseitig gelagerter Balken
(23) ausgebildet ist, wobei zwischen jedem der beiden Lagerbereiche (3-1, 3-2) und dem in der Mitte dazwischen liegenden Krafteinleitungsbereich (4) jeweils die zwei Verformungsbereiche (8, 9) und die zwei Neutralbereiche (10, 11) mit dem Wegaufnehmer (13) vorgesehen sind.
4. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Federkörper (1) als Platte (24) , insbesondere drei- oder viereckige Platte, ausgebildet ist, die an mindestens drei Stellen gelagert ist, wobei zwischen jedem der mindestens drei Lagerbereiche (3-1, 3-2, 3-3, 3-4) und dem in der Mitte dazwischen liegenden Krafteinleitungsbereich (4) je- weils die zwei Verformungsbereiche (8, 9) und die zwei Neutralbereiche (10, 11) mit dem Wegaufnehmer (13) vorgesehen sind .
5. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Federkörper (1) als Kreis- oder Ringscheibe (28) mit zentralem innerem Krafteinleitungsbereich (4) und äußerem umlaufenden Lagerbereich (3) ausgebildet ist, zwischen denen der Federkörper (1) die Ausnehmung (5-1, 5-2, 5-3) mindestens dreifach und in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt enthält, so dass mindestens drei Verformungsbereiche (8-1, 8-2, 8-3 bzw. 9-3, 9-1, 9-2) mit jeweils zwei dazwischen liegenden Neutralbereichen (10-1, 11-1; 10-2, 11-2; 10-3, 11-3;) und dort angeordneten zweiteiligen Wegaufnehmern (13-1, 13-2, 13-3) vorhanden sind.
6. Kraftaufnehmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (5-1, 5-2, 5-3) in Umfangsrichtung jeweils so weit ausgedehnt sind, dass die dazwischen verbleibenden Verformungsbereiche (8-1...3, 9-1...3) Steg- oder speichenförmig ausgebildet sind.
7. Kraftaufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die die steg- oder speichenförmigen Verformungsbereiche tangential von dem Krafteinleitungsbereich (4) zum Lagerbe- reich (3) verlaufen.
8. Kraftaufnehmer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wegaufnehmer (13) ein weiterer baugleicher Wegaufnehmer (14) gegenüberliegt, der auf der anderen gegenüberliegenden und ebenfalls zur Richtung der Krafteinleitung (F) senkrechten Seite (7) des Federkörpers (1) angeordnet ist.
9. Kraftaufnehmer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wegaufnehmer (13) dazu ausgebildet ist, die relative Lageänderung der Neutralbereiche (10, 11) berührungslos zu erfassen.
10. Kraftaufnehmer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wegaufnehmer (13) als kapazitiver Wegaufnehmer ausgebildet ist, dessen zwei Teile aus Elektrodenkämmen (15, 16) mit jeweils einer Vielzahl von Elektroden- fingern (17, 18) bestehen, wobei die Elektrodenkämme (15, 16) in senkrecht zur Richtung der Krafteinleitung (F) liegenden parallelen Ebenen angeordnet sind und bei Belastung des
Kraftaufnehmers die Elektrodenfinger (18) des einen Elektrodenkamms (16) in die Fingerzwischenräume des jeweils anderen Elektrodenkamms (15) eintauchen oder aus diesen heraustauchen .
11. Kraftaufnehmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebenen, in denen die Elektrodenkämme (15, 16) lie- gen, im unbelasteten Zustand des Kraftaufnehmers einen Parallelversatz aufweisen, der sich bei Belastung des Kraftaufnehmers verringert, so dass die Elektrodenfinger (18) des einen Elektrodenkamms (16) in die Fingerzwischenräume des jeweils anderen Elektrodenkamms (15) eintauchen.
12. Kraftaufnehmer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Parallelversatz kleiner oder gleich der Höhe (D) der Elektrodenfinger (17, 18) ist.
13. Kraftaufnehmer nach Anspruch 8 in Verbindung mit Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Wegaufnehmer (14) derart ausgebildet ist, dass die Höhe der Elektrodenfinger (22) des einen Elektrodenkamms (20) größer als die Höhe der Elektrodenfinger (21) des anderen Elektro- denkamms (19) ist und die Elektrodenfinger (21) mit der geringeren Höhe sowohl im unbelasteten als auch im belasteten Zustand des Kraftaufnehmers vollständig in die Zwischenräume der Elektrodenfinger (22) mit der größeren Höhe eingreifen.
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