WO2014016150A1 - Kraftaufnehmer - Google Patents

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WO2014016150A1
WO2014016150A1 PCT/EP2013/064888 EP2013064888W WO2014016150A1 WO 2014016150 A1 WO2014016150 A1 WO 2014016150A1 EP 2013064888 W EP2013064888 W EP 2013064888W WO 2014016150 A1 WO2014016150 A1 WO 2014016150A1
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WO
WIPO (PCT)
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force
spring body
electrode
transducer
force transducer
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2013/064888
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dominik Braun
Dieter Rapp
Konstantin Selnack
Andre Werner
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Ceased legal-status Critical Current

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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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G7/00—Weighing apparatus wherein the balancing is effected by magnetic, electromagnetic, or electrostatic action, or by means not provided for in the preceding groups
    • G01G7/06—Weighing apparatus wherein the balancing is effected by magnetic, electromagnetic, or electrostatic action, or by means not provided for in the preceding groups by electrostatic action
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/165—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in capacitance

Definitions

  • the invention relates to a force transducer, in particular a load cell or balance, with a plate, disc or bar-shaped spring body which is mounted in the edge region at at least two locations and in an intermediate middle region on one of two mutually remote sides for receiving a pressure or tensile force is formed, and with at least one two-part position transducer whose parts are designed and arranged for detecting a change in the direction of the force of the position of the central region with respect to the edge region.
  • Such a force transducer is known from EP 0 534 270 AI.
  • the spring body is formed as a disc or annular disc with a central force introduction part and connected at its periphery with an erection ring.
  • the load of the force transducer with a force or load to be measured leads to a deformation of the spring body, by means of at least one capacitive transducer, z. B. is detected via a bending ring on the spring body or directly between the force introduction part and raising ring.
  • the capacitive transducer of the known force transducer has two electrode combs lying transversely to the direction of the absorbed force, each having a plurality of electrode fingers, wherein the electrode fingers of one electrode are in the interdental spaces of the other
  • Electrode combs are positioned so that they result in a parallel connection of several identical capacitors.
  • the electrode combs are adjusted so that in each case a small and a much larger electrode spacing follow each other. The small distances thus determine the capacity of the transducer. Under load of the force transducer, the distances between the electrode fingers and thus the capacitance of the transducer change. However, the range of motion of the electrode combs is determined by the width of the fin. Intermediate spaces and the finger width limited, so that is destroyed in an overload of the force transducer of the transducer. From EP 0 034 656 AI a force transducer in the form of a platform scale is known.
  • the spring body is designed as a rectangular or square plate or as a round disc, which in the edge region in four places, for. B. at the four corners of the plates, is supported on supports.
  • the plate or disc each includes a pair of parallel slots extending for a certain length toward the center of the plate so as to form between each of the slots a flexure bar supported at one end and at the other end is connected to the center region of the plate.
  • On the bending beam strain gauges are applied, which detect the resulting deformation of the bending beam under load of the plate.
  • Force transducers are required to measure the force or load free of hysteresis and unaffected by temperature.
  • the hysteresis depends mainly on the material of the spring body and the nature of its mechanical stress.
  • the spring body is typically made of steel whose hysteresis behavior is better under tensile stress than under bending or pressure. Temperature changes due to thermal expansion lead to changes in the deformation of the spring body. It is difficult or metrologically expensive to distinguish between deformation changes due to changes in the force or load to be measured or due to temperature changes.
  • the invention has for its object to provide a force transducer, which operates largely hysteresis-free and temperature-independent.
  • the object is achieved in that in the force transducer of the type mentioned at the spring body between the central region and the edge region on both sides each containing a groove which on the side, on the force acts in the case of the compressive force in a lesser and in the case of the traction at a greater distance from the central region than the groove on the other side, wherein the depth of the grooves is greater than half the thickness of the spring body and both Slots the spring body to a remaining between them and claimed by the absorbed force to train bridge separated into two parts, and that the at least one transducer is arranged with its two parts on at least one of the two sides of the spring body on both sides of the local groove.
  • the resulting deformation of the spring body almost exclusively in the region of the web between see the grooves instead.
  • the web is subjected to tension and stretched, which leads to a successive in the direction of the thickness of the spring body relative change in position (offset) of its parts on both sides of the grooves.
  • This offset is detected by the at least one transducer. Since the measured deformation of the spring body is based almost exclusively on the tensile stress of the web, the hysteresis of the force transducer is particularly low. Also, in contrast to a bending beam, which experiences an increasingly strong tension starting from the neutral fiber to the outer edge, peak stresses are largely avoided. Thermal expansions of the spring body in the direction of its thickness affect the web and the remaining parts of the spring body in the same way, so that they do not affect the detected by the transducer offset and thus the measurement result.
  • the spring body When the force transducer is designed as a load cell, the spring body has the shape of a disk or annular disk with a central force introduction part, which is mounted on its circumference.
  • the grooves may be formed as annular grooves, between which the web extends in the form of an annular web.
  • the disk or annular disk may advantageously contain radial slots extending through the disk to form the disk or ring - segment the washer in the area of the ring land. The resulting ring land segments are decoupled from each other in terms of power.
  • the disc or washer may be in the form of a spoked wheel, each spoke having the two grooves and the land respectively.
  • At least three displacement sensors are provided, which are arranged radially symmetrically with the same angular distance from each other on one or both sides of the annular disc and there measure the change in position of the parts of the spring body on both sides of the groove.
  • the spring body When forming the force transducer as a platform scale, the spring body has the shape of a plate which is mounted at its corners and in the region of each corner in each case has the two grooves and the web.
  • the plate can, similar to the known from EP 0 034 656 AI platform scale, in the region of the corners each contain a pair of parallel slots extending over a certain length in the direction of the center of the plate, so that between the slots respectively a bending beam is formed, which is supported at one end and connected at the other end to the central region of the plate.
  • the two grooves and the web are then formed in the bending beam.
  • the spring body can also be designed as a bar, which is mounted at both ends and has between the middle region and both ends in each case the two grooves and the web.
  • the at least one displacement sensor is arranged on at least one of the two sides of the spring body in the region of the local groove, on both sides of the groove to detect an offset of the two parts of the spring body connected to one another via the web.
  • This can be done with different types of position sensors, such. B. reach with the capacitive transducer known from the above-mentioned EP 0 534 270 AI. Basically, all transducers come into question, the small changes in position without contact, z. B. inductive, capacitive, optical, etc., can measure. Since the width of the groove can be very small, and this is preferably also, in particular displacement sensors in MEMS technology (microelectromechanical systems) can be used. In this case, the spring body on both sides of the groove has suitable mounting surfaces for applying the at least one displacement transducer.
  • the at least one displacement transducer is designed as a capacitive displacement transducer whose two parts consist of electrode combs, each with a plurality of electrode fingers, the electrode combs being arranged on both sides of the groove in parallel planes lying transversely to the direction of the force
  • the electrode fingers of one electrode comb dive into or diverge from 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 are in the unloaded state of the force transducer have an offset in the thickness direction of the spring body, which decreases under load of the force transducer, so that immerse the electrode fingers of one electrode comb in the finger gaps of the other electrode comb. Due to this initial offset 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 an overlapping of the electrode fingers already exists with an unloaded force transducer and the capacitance of the displacement sensor increases largely linearly with increasing load.
  • Lateral thermal expansions of the spring body and / or laterally acting forces can cause the web to tilt and the widths of the grooves to change.
  • the displacement transducer can also be used for position changes in the other directions transversely thereto, depending on the type or design be less sensitive. In order to eliminate or compensate for the influence of shear forces on the result of force or load measurement, z. B.
  • At least one additional, possibly identical transducer are provided for each Wegauf- takers, which is arranged so that it detects forces in the direction of the thickness of the spring body with the same sign and shear forces with a different sign than the one transducer. If the signals of the displacement sensors are then added, the signal components of the forces acting in the direction of the thickness of the spring body increase, while the signal components of the forces acting transversely thereto cancel each other out.
  • the additional displacement sensors may be designed and arranged such that they act on forces are insensitive in the direction of the thickness of the spring body and detect only lateral forces. If the signals of the additional displacement transducers are then subtracted from that of the one transducers, their signal is freed from the influences of the transverse forces.
  • an additional transducer with parallel electrode combs can be assigned to the capacitive transducer described above, which is on both sides of the groove next to the Wegaufillon on the same side of the spring or opposite him on the other side of the spring body in the local groove and is designed 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 engage the electrode fingers with the lower height both in the unloaded and in the loaded state of the force transducer completely in the interstices of the electrode fingers with the greater height.
  • the additional capacitive transducer is thus completely insensitive to changes in position in the direction of the thickness of the spring body, while it reacts to changes in position in the other directions transversely thereto just as sensitive as the displacement transducer to which it is assigned.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the force transducer according to the invention with a bar-shaped spring body
  • Figure 2 shows a detail of Figure 1 with a
  • Figure 3 shows the transducer from Figure 2 in plan view
  • FIG. 4 shows the position transducer from FIG. 2 enlarged in side view
  • Figure 5 shows another embodiment of the
  • FIG. 6 shows the additional displacement transducer from FIG. 2 enlarged in side view
  • FIG. 7 shows a second exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 8 shows a variant of the embodiment according to FIG. 7,
  • FIG. 10 shows the exemplary embodiment according to FIG. 8 in FIG.
  • FIGS. 11, 12 and 13 show different variants of the exemplary embodiment according to FIG. 10.
  • FIG. 1 shows in a greatly simplified representation a force transducer with a spring body 1 in the form of a beam 2, which is mounted in its edge region 3, here at the two beam ends 4, 5 and in an intermediate middle region 6 on one of two opposite sides 7, 8 with a force F, here a compressive force, is loaded.
  • the spring body 1 contains between its central region 6 and each of the two ends 4, 5 on both sides 7, 8 each have a groove 9.1, 9.2, 10.1, 10.2.
  • the grooves on the upper side 7 are generally denoted by 9 and in detail by 9.n.
  • the grooves on the underside 8 are referred to generally by 10 and in detail by 10 n.
  • grooves 9 are arranged at a smaller distance from the central region 6 than the grooves 10 of the opposite Page 8.
  • the depth of the grooves 9, 10 is greater than half the thickness of the spring body 1, so that both the two grooves 9.1, 10.1 and the two grooves 9.2, 10.2 respectively the spring body 1 to a remaining between them web 11.1 or 11.2 in two parts 15, 16 or 17, 18 separate.
  • capacitive displacement sensors 19 are arranged on both sides of the grooves 9 present there, and additional capacitive displacement transducers 20 are placed on the other side 8 on both sides of the local grooves 10.
  • FIGS. 2 and 3 show a detail of the spring body 1 in the region of one of the webs 11 in longitudinal section and in top view, respectively.
  • the capacitive position sensors 19, 20 are constructed in two parts and each consist of two electrode combs 21, 22 and 23, 24, each with a plurality of electrode fingers 25, 26 and 27, 28.
  • the electrode combs 21, 22 of the transducer 19 are on the top 7 of the spring body 1 on both sides of the groove 9 parallel to the top 7, d. H. transverse to the direction of the force F or the thickness of the spring body 1, arranged in such a way that the electrode fingers, z. 25, of one electrode comb 21 in the direction of the force F in the interstices of the electrode fingers 26 of the other electrode comb 22 can move.
  • the electrode fingers move only in the direction in which the interdental spaces are open to both sides, so that overloading or destruction of the transducer is excluded.
  • the displacement transducer 19 on both sides of the groove 9 detects the relative change in position of the parts 15, 16 of the spring body 1 in the direction of its thickness.
  • the electrode combs 21, 22 are arranged and / or designed in such a way that their electrode fingers 25, 26 have an initial offset in the direction of the thickness of the spring body 1 when the spring body 1 is unloaded. In the embodiment shown, this height offset corresponds approximately to the thickness or height D of the electrode fingers 25, 26.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of the displacement transducer 19, in which the initial offset between the electrode fingers 25, 26 of the various electrode combs 21, 22 is smaller than the thickness or height D of the electrode fingers 25, 26, so that the electrode fingers are unloaded when the load cell is unloaded 25 of the one electrode comb 21 partially submerge in the interdigital spaces of the other electrode comb 22.
  • the electrode fingers 25 of the electrode comb 21 continue to dip into the interdigital spaces of the other electrode comb 22, so that the capacitance value of the displacement transducer 14 increases.
  • the capacity increase in dependence on the force F is linear.
  • the detected by the transducer 19 on both sides of the groove 9 change in position in the thickness direction of the spring body 1 is not or only minimally affected, but the transducer 19 itself is more or less sensitive even for changes in position in the directions transverse thereto.
  • the additional displacement transducer 20 on the underside 8 of the spring body 1 serves to compensate for the laterally acting interference 29.
  • the additional displacement transducer 20 is designed in such a way that the height of the electrode fingers 28 of the one electrode comb 24 is greater than the height of the electrode fingers 27 of the other electrode comb 23 and the electrode fingers 27 with the lower height both in the unloaded state as well as fully engage in the interstices of the electrode fingers 28 with the greater height in the loaded state of the force transducer.
  • the additional displacement transducer 20 is therefore insensitive to changes in position in the direction of the thickness of the spring body 1, while it reacts as sensitively to changes in position in the other directions as the displacement transducer 19 to which it is assigned.
  • the measurement result of the displacement transducer 19 can therefore be freed from the lateral interference influences in a simple manner by forming the difference between the individual measurements of the two displacement transducers 19, 20.
  • FIG. 7 shows in plan view a force transducer designed as a platform scale with a spring body 1 in the form of a quadrangular plate 30 which is mounted at its corners 31, 32, 33, 34 on supports (feet) 35 and in the middle region 6 located therebetween on the upper side 7 is loaded with a compressive force.
  • the two grooves 9, 10 are formed with the interposed the web 11, wherein on the top 7 on both sides the local grooves 9 each have at least one transducer is arranged.
  • the grooves 9, 10 can be arranged or executed, of course in reality the grooves 9, 10 at all corners 31, 32, 33, 34 of the platform scale are uniformly arranged or executed.
  • the grooves 9, 10 and the intermediate webs 11 may, for. B. obliquely (9.3, 10.3, 11.3, 9.5, 10.5, 11.5, 9.6, 10.6, 11.6), angled (9.4, 10.4, 11.4) or arcuately to the corners 31, 32, 33, 34 run.
  • the plate 30 each includes a pair of parallel slots 36 or recesses 37, which extend over a certain length in the direction of the central region 6 of the plate 30, so that between the slots 36 and recesses 37 each one Bending beam 38 is formed, which is supported at one end and connected at the other end to the central region 6 of the plate 30.
  • Figure 8 shows a variant of the platform scale, in which the grooves 9.8, 10.8 and the intermediate webs are 11.8 each formed annularly around the supports 35.
  • FIG. 9 shows in a greatly simplified representation a force transducer in the form of a load cell or load cell in FIG.
  • FIG. 10 shows the force transducer in plan view.
  • the force transducer is cylindrical and has a central force introduction part 39, which serves to receive a force or load F to be measured.
  • the regular load of the force transducer takes place in the direction of the axis 40 of the cylinder.
  • the force introduction part 39 is connected at its periphery via a formed as an annular disc 41 spring body 1 with an outer Aufstellring 42, which stands on a solid support, not shown here.
  • the force introduction part 39, the annular disc 41 and the Aufstellring 42 are preferably made of steel and in one piece.
  • the raising ring 42 is closed at the bottom with a membrane or bottom plate 43 and above to the force introduction part 41 with a membrane 44, so that the force transducer or the Load cell forms a can, which can be filled with a protective gas.
  • the annular disc 41 contains an annular groove 9.8, 10.8 on both sides 7, 8.
  • the annular disk 41 may in the region of the annular web 11.8 from the top 7 to the bottom 8 continuous Radi- alschlitze 45 included, which divide the ring land 11.8 in the same size ring land segments.
  • Radi- alschlitze 45 included, which divide the ring land 11.8 in the same size ring land segments.
  • each ring land segment is on one side, here the upper side 7 of the annular disc 41 on either side of the existing there annular groove 9.8 each arranged a capacitive transducer 19 and placed on the other side 8 on both sides of the local ring 10.8 each an additional capacitive transducer 20.
  • the force introduction part 39 in the same way as it is centered in the upper region by the diaphragm 44, also in the lower region by a ring diaphragm not shown here between the
  • Figure 11 shows an embodiment of the load cell or load cell, in which the displacement transducer 19 and the associated additional displacement sensor 20 is not, as in Figures 9 and 10, on the different sides 7, 8 of the annular disc 41 opposite each other, but in pairs the same page, here z. B of the top 7 are next to each other.
  • the displacement sensors 19 and the additional displacement transducers 20 associated therewith are likewise located on the same side 7, but not next to one another but diametrically opposite one another.
  • the annular disc 41 is in the form of a spoked wheel, each spoke 46, 47, 48 each having the two grooves 9.9, 10.9 and the web 11.9. Again, the displacement sensor 19 on both sides of the groove 9.9 and possibly additional displacement sensor on both sides of the groove 10.9 are arranged.

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Description

Beschreibung
Kraftaufnehmer Die Erfindung betrifft einen Kraftaufnehmer, insbesondere eine Wägezelle oder Waage, mit einem platten-, Scheiben- oder balkenförmigen Federkörper, der im Randbereich an mindestens zwei Stellen gelagert ist und in einem dazwischen liegenden Mittenbereich auf einer von zwei voneinander abgewandten Sei- ten zur Aufnahme einer Druck- oder Zugkraft ausgebildet ist, und mit mindestens einem zweiteiligen Wegaufnehmer, dessen Teile zur Erfassung einer in Richtung der Kraft erfolgenden Änderung der Lage des Mittenbereichs in Bezug auf den Randbereich ausgebildet und angeordnet sind.
Ein derartiger Kraftaufnehmer ist aus der EP 0 534 270 AI bekannt. Dort ist der Federkörper als Scheibe bzw. Ringscheibe mit zentralem Krafteinleitungsteil ausgebildet und an seinem Umfang mit einem Aufstellring verbunden. Die Belastung des Kraftaufnehmers mit einer zu messenden Kraft oder Last führt zu einer Verformung des Federkörpers, die mittels mindestens eines kapazitiven Wegaufnehmers, z. B. über einen Biegering an dem Federkörper oder unmittelbar zwischen dem Krafteinleitungsteil und Aufstellring erfasst wird.
Der kapazitive Wegaufnehmer des bekannten Kraftaufnehmers weist zwei quer zu der Richtung der aufgenommenen Kraft liegende Elektrodenkämme mit jeweils einer Vielzahl von Elektrodenfingern auf, wobei die Elektrodenfinger des einen Elektro- denkamms 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 aufeinander folgen. Die kleinen Abstände bestimmen somit die Kapazität des Wegaufnehmers . Bei Belastung des Kraftaufnehmers verändern sich die Abstände zwischen den Elektrodenfingern und damit die Kapazität des Wegaufnehmers. Jedoch ist der Bewegungsspielraum der Elektrodenkämme durch die Breite der Fin- gerZwischenräume und die Fingerbreite begrenzt, so dass bei einer Überlastung des Kraftaufnehmers der Wegaufnehmer zerstört wird. Aus der EP 0 034 656 AI ist ein Kraftaufnehmer in Form einer Plattformwaage bekannt. Der Federkörper ist als rechteckige oder quadratische Platte oder als runde Scheibe ausgebildet, die im Randbereich an vier Stellen, z. B. an den vier Ecken der Platten, auf Stützen gelagert ist. Dort enthält die Plat- te oder Scheibe jeweils ein Paar von parallelen Schlitzen, die sich über eine bestimmte Länge in Richtung zur Mitte der Platte erstrecken, so dass zwischen den Schlitzen jeweils ein Biegebalken gebildet wird, der an einem Ende aufgestützt und an dem anderen Ende mit dem Mittenbereich der Platte verbun- den ist. Auf den Biegebalken sind Dehnungsmessstreifen aufgebracht, die bei Belastung der Platte die daraus resultierende Verformung der Biegebalken erfassen.
Von Kraftaufnehmern wird gefordert, dass sie die Kraft bzw. Last frei von Hysterese und unbeeinflusst von der Temperatur messen. Die Hysterese ist hauptsächlich von dem Material des Federkörpers und der Art seiner mechanischen Beanspruchung abhängig. Typischerweise besteht der Federkörper aus Stahl, dessen Hystereseverhalten bei Zugbeanspruchung besser als bei Beanspruchung auf Biegung oder Druck ist. Temperaturänderungen führen aufgrund von Wärmeausdehnung zu Änderungen der Verformung des Federkörpers. Es ist schwierig bzw. messtechnisch aufwendig, zwischen Verformungsänderungen aufgrund von Veränderungen der zu messenden Kraft oder Last oder aufgrund von Temperaturänderungen zu unterscheiden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftaufnehmer anzugeben, der weitgehend hysteresefrei und temperaturunabhängig arbeitet.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei dem Kraftaufnehmer der eingangs genannten Art der Federkörper zwischen dem Mittenbereich und dem Randbereich auf beiden Seiten jeweils eine Nut enthält, welche auf der Seite, auf der die Kraft wirkt, im Falle der Druckkraft in einem geringeren und im Falle der Zugkraft in einem größeren Abstand zu dem Mittenbereich liegt, als die Nut auf der anderen Seite, wobei die Tiefe der Nuten jeweils größer als die halbe Dicke des Federkörpers ist und beide Nuten den Federkörper bis auf einen zwischen ihnen verbleibenden und von der aufgenommenen Kraft auf Zug beanspruchten Steg in zwei Teile trennen, und dass der mindestens eine Wegaufnehmer mit seinen beiden Teilen auf mindestens einer der beiden Seiten des Federkörpers beiderseits der dortigen Nut angeordnet ist.
Bei regulärer Belastung des Kraftaufnehmers in Richtung der Dicke des Federkörpers findet die resultierende Verformung des Federköpers fast ausschließlich im Bereich des Stegs zwi- sehen den Nuten statt. Dabei wird der Steg auf Zug beansprucht und gedehnt, was zu einer in Richtung der Dicke des Federkörpers erfolgenden relativen Lageänderung (Versatz) seiner Teile beiderseits der Nuten führt. Dieser Versatz wird von dem mindestens einen Wegaufnehmer erfasst. Da die gemes- sene Verformung des Federkörpers fast ausschließlich auf der Zugbeanspruchung des Stegs beruht, ist die Hysterese des Kraftaufnehmers besonders gering. Auch werden, im Unterschied zu einem Biegebalken, der beginnend von der neutralen Faser zum Außenrand eine zunehmend starke Spannung erfährt, Spit- zenspannungen größtenteils vermieden. Wärmeausdehnungen des Federkörpers in Richtung seiner Dicke betreffen den Steg und die übrigen Teile des Federkörpers in gleicher Weise, so dass sie den von dem Wegaufnehmer erfassten Versatz und damit das Messergebnis nicht beeinflussen.
Je dünner und höher der Steg ist, umso höher ist die Messempfindlichkeit des Kraftaufnehmers. Es können daher auf einfache und kostengünstige Weise Kraftaufnehmer unterschiedlicher Messempfindlichkeit hergestellt werden, indem die Nuten mit unterschiedlichen Abstand und unterschiedlicher Tiefe in den Federkörper eingebracht werden. Je geringer die Breite der Nuten ist, umso biegesteifer ist die Verbindung des Steges mit den übrigen Teilen des Federkörpers. Im Grund muss der Steg zwischen den Nuten eine niedrigere Zugspannung haben als die Biegespannungen des Umfelds. Damit wird die Verformung in dem Steg zwischen den Nuten konzentriert.
Bei Ausbildung des Kraftaufnehmers als Kraftmessdose weist der Federkörper die Form einer Scheibe oder Ringscheibe mit zentralem Krafteinleitungsteil auf, die an ihrem Umfang gelagert ist. Dabei können im einfachsten Fall die Nuten als Ringnuten ausgebildet sein, zwischen denen der Steg in Form eines Ringstegs verläuft. Um zu verhindern, dass sich infolge von Querkräften oder lateraler Wärmeausdehnung des Federkörpers Zug- oder Druckspannungen in dem Ringsteg in Richtung seines Umfanges ausbilden, kann die Scheibe oder Ringscheibe in vorteilhafter Weise von einer zur anderen Seite durchgehende Radialschlitze enthalten, die die Scheibe bzw. Ring- scheibe im Bereich des Ringstegs segmentieren. Die dabei erhaltenen Ringstegsegmente sind voneinander kräftemäßig entkoppelt. Alternativ kann die Scheibe oder Ringscheibe in Form eines Speichenrads ausgebildet sein, wobei jede Speiche jeweils die beiden Nuten und den Steg aufweist.
Erfolgt die Krafteinleitung nicht exakt mittig oder nicht in Axialrichtung sondern schräg dazu, ist die Zugbeanspruchung des Ringstegs, der einzelnen Ringstegsegmente oder Stege in den Speichen über den Ringumfang ungleichmäßig. Daher sind vorzugsweise mindestens drei Wegaufnehmer vorgesehen, die radialsymmetrisch mit gleichem Winkelabstand zueinander auf einer oder beiden Seiten der Ringscheibe angeordnet sind und dort die Lageänderung der Teile des Federkörpers beiderseits der Nut messen.
Bei Ausbildung des Kraftaufnehmers als Plattformwaage hat der Federkörper die Form einer Platte, die an ihren Ecken gelagert ist und im Bereich jeder Ecke jeweils die beiden Nuten und den Steg aufweist. Die Platte kann, ähnlich wie bei der aus der EP 0 034 656 AI bekannten Plattformwaage , im Bereich der Ecken jeweils ein Paar von parallelen Schlitzen enthalten, die sich über eine bestimmte Länge in Richtung zur Mitte der Platte erstrecken, so dass zwischen den Schlitzen jeweils ein Biegebalken gebildet wird, der an einem Ende aufgestützt und an dem anderen Ende mit dem Mittenbereich der Platte verbunden ist. Die beiden Nuten und den Steg sind dann in dem Biegebalken ausgebildet. Schließlich kann der Federkörper auch als Balken ausgebildet ist, der an beiden Enden gelagert ist und zwischen dem Mittenbereich und beiden Enden jeweils die beiden Nuten und den Steg aufweist. Wie bereits erwähnt, ist der mindestens eine Wegaufnehmer auf mindestens einer der beiden Seiten des Federkörpers im Bereich der dortigen Nut angeordnet, um beiderseits der Nut einen Versatz der beiden über den Steg miteinander verbundenen Teile des Federkörpers zu erfassen. Dies lässt sich mit un- terschiedlichen Typen von Wegaufnehmern, so z. B. mit dem aus der oben genannten EP 0 534 270 AI bekannten kapazitiven Wegaufnehmer erreichen. Grundsätzlich kommen alle Wegaufnehmer in Frage, die geringe Lageänderungen berührungslos, z. B. induktiv, kapazitiv, optisch usw., messen können. Da die Breite der Nut sehr gering sein kann und dies vorzugsweise auch ist, können insbesondere Wegaufnehmer in MEMS-Technik (micro- electro-mechanical Systems) verwendet werden. Dabei bietet der Federkörper beiderseits der Nut geeignete Montageflächen zum Aufbringen des mindestens einen Wegaufnehmers .
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 beiderseits der Nut derart in quer zur Richtung der Kraft liegenden parallelen Ebenen angeordnet sind, dass bei Belastung des Kraftaufnehmers mit der Kraft die Elektrodenfinger des einen Elektrodenkamms in die Fingerzwischenräume des jeweils anderen Elektroden- kamms hineintauchen 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 Versatz in Richtung der Dicke des Federkörpers aufweisen, 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 Versatzes der Elektrodenkämme ist die Kapazität des Wegaufnehmers bei unbelastetem Kraftaufnehmer nur gering und steigt mit zunehmender Belas- tung 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 unbe- lastetem Kraftaufnehmer bereits eine Überlappung der Elektrodenfinger vorliegt und bei zunehmender Belastung die Kapazität des Wegaufnehmers weitgehend linear zunimmt.
Laterale Wärmeausdehnungen des Federkörpers und/oder lateral wirkende Kräfte (Querkräfte) können dazu führen, dass der Steg verkippt wird und sich die Breiten der Nuten ändern. Zwar wird die von dem Wegaufnehmer in Richtung der Dicke des Federkörpers zu erfassende relative Lageänderung seiner Teile beiderseits der Nuten davon nicht oder nur minimal beein- flusst, jedoch kann der Wegaufnehmer je nach Typ oder Bauart auch für Lageänderungen in den anderen Richtungen quer dazu mehr oder weniger empfindlich sein. Um den Einfluss von Querkräften auf das Ergebnis der Kraft- oder Lastmessung zu beseitigen bzw. zu kompensieren, kann z. B. für jeden Wegauf- nehmer jeweils mindestens ein zusätzlicher, ggf. baugleicher Wegaufnehmer vorgesehen werden, der so angeordnet ist, dass er Kräfte in Richtung der Dicke des Federkörpers mit demselben Vorzeichen und Querkräfte mit anderem Vorzeichen als der eine Wegaufnehmer erfasst. Werden dann die Signale der Weg- aufnehmer addiert, so verstärken sich die Signalanteile der in Richtung der Dicke des Federkörpers wirkenden Kräfte, während sich die Signalanteile der quer dazu wirkenden Kräfte aufheben. Alternativ können die zusätzlichen Wegaufnehmer derart ausgebildet und angeordnet sein, dass sie für Kräfte in Richtung der Dicke des Federkörpers unempfindlich sind und nur Querkräfte erfassen. Werden dann die Signale der zusätzlichen Wegaufnehmer von dem des einen Wegaufnehmers subtrahiert, so wird dessen Signal von den Einflüssen der Querkräf- te befreit. So kann dem oben beschriebenen kapazitiven Wegaufnehmer ein zusätzlicher Wegaufnehmer mit parallelen Elektrodenkämmen zugeordnet werden, der auf derselben Seite des Federkörpers beiderseits der Nut neben dem Wegaufnehmer liegt oder ihm auf der anderen Seite des Federkörpers im Bereich der dortigen Nut gegenüberliegt und derart ausgebildet ist, dass die Höhe der Elektrodenfinger des einen Elektrodenkamms größer als die Höhe der Elektrodenfinger 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 in Richtung der Dicke des Federkörpers völlig unempfindlich, während er auf Lageänderungen in den anderen Richtungen quer dazu ge- nauso 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 zei- gen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftaufnehmers mit einem balkenförmigen Federkörper,
Figur 2 eine Einzelheit aus Figur 1 mit einem
Wegaufnehmer und einem zusätzlichen Wegaufnehmer, Figur 3 den Wegaufnehmer aus Figur 2 in Draufsicht ,
Figur 4 den Wegaufnehmer aus Figur 2 vergrößert in Seitenansicht, Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel des
Wegaufnehmers ,
Figur 6 den zusätzlichen Wegaufnehmer aus Fi- gur 2 vergrößert in Seitenansicht,
Figur 7 ein zweites Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Kraftaufnehmers in Form einer Plattformwaage ,
Figur 8 eine Varianten des Ausführungsbeispiels nach Figur 7,
Figur 9 einen Längschnitt durch ein drittes
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftaufnehmers in Form einer Kraftmessdose,
Figur 10 das Ausführungsbeispiel nach Figur 8 in
Draufsicht und die
Figuren 11, 12 und 13 verschiedene Varianten des Ausführungsbeispiels nach Figur 10. Figur 1 zeigt in stark vereinfachter Darstellung einen Kraftaufnehmer mit einem Federkörper 1 in Form eines Balkens 2, der in seinem Randbereich 3, hier an den beiden Balkenenden 4, 5, gelagert ist und in einem dazwischen liegenden Mittenbereich 6 auf einer von zwei voneinander abgewandten Seiten 7, 8 mit einer Kraft F, hier einer Druckkraft, belastet wird. Der Federkörper 1 enthält zwischen seinem Mittenbereich 6 und jedem der beiden Enden 4, 5 auf beiden Seiten 7, 8 jeweils eine Nut 9.1, 9.2, 10.1, 10.2. Im Folgenden werden die Nuten auf der Oberseite 7 allgemein mit 9 und im Einzelnen mit 9.n bezeichnet. Die Nuten auf der Unterseite 8 werden entsprechend allgemein mit 10 und im Einzelnen mit 10. n bezeichnet. Die auf der die Druckkraft F aufnehmenden Seite 7 liegenden Nuten 9 sind in einem geringeren Abstand von dem Mittenbereich 6 angeordnet als die Nuten 10 der gegenüberliegenden Seite 8. Die Tiefe der Nuten 9, 10 ist jeweils größer als die halbe Dicke des Federkörpers 1, so dass sowohl die beiden Nuten 9.1, 10.1 als auch die beiden Nuten 9.2, 10.2 jeweils den Federkörper 1 bis auf einen zwischen ihnen verbleibenden Steg 11.1 bzw. 11.2 in zwei Teile 15, 16 bzw. 17, 18 trennen.
Auf der Oberseite 7 des Federkörpers 1 sind beiderseits der dort vorhandenen Nuten 9 kapazitive Wegaufnehmer 19 angeordnet, und gegenüber auf der anderen Seite 8 beiderseits der dortigen Nuten 10 zusätzliche kapazitive Wegaufnehmer 20 plaziert .
Die Figuren 2 und 3 zeigen eine Einzelheit des Federkörpers 1 im Bereich eines der Stege 11 im Längsschnitt bzw. in Drauf- sieht. Die kapazitiven Wegaufnehmer 19, 20 sind zweiteilig aufgebaut und bestehen jeweils aus zwei Elektrodenkämmen 21, 22 bzw. 23, 24 mit jeweils einer Vielzahl von Elektrodenfingern 25, 26 bzw. 27, 28. Die Elektrodenkämme 21, 22 des Wegaufnehmers 19 sind auf der Oberseite 7 des Federkörpers 1 beiderseits der Nut 9 parallel zur Oberseite 7, d. h. quer zur Richtung der Kraft F oder der Dicke des Federkörpers 1, in der Weise angeordnet, dass sich die Elektrodenfinger, z. B. 25, des einen Elektrodenkamms 21 in Richtung der Kraft F in den Zwischenräumen der Elektrodenfinger 26 des anderen Elektrodenkamms 22 bewegen können. Entsprechend sind auch die Elektrodenkämme 23, 24 des zusätzlichen Wegaufnehmers 20 auf der Unterseite 8 des Federkörpers 1 beiderseits der Nut 10 parallel zur Unterseite 8, d. h. quer zur Richtung der Kraft F oder der Dicke des Federkörpers 1, in der Weise angeordnet, dass sich die Elektrodenfinger, z. B. 27, des einen Elektrodenkamms 23 in Richtung der Kraft F in den Zwischenräumen der Elektrodenfinger 28 des anderen Elektrodenkamms 24 bewegen können. Die Elektrodenfinger bewegen sich also nur in der Richtung, in der die Fingerzwischenräume nach beiden Seiten offen sind, so dass eine Überlastung oder Zerstörung der Wegaufnehmer ausgeschlossen ist.
Bei Belastung des Kraftaufnehmers mit der Druckkraft F findet eine Verformung des Federköpers 1 fast ausschließlich im Be- reich der Stege 11 statt. Dabei werden die Stege 11 auf Zug beansprucht und gedehnt, was zu einer in Richtung der der Dicke des Federkörpers 1 erfolgenden relativen Lageänderung der Teile 15, 16 bzw. 17, 18 des Federkörpers 1 beiderseits der Nuten 9, 10 führt. Je dünner und höher die Stege 11 sind, umso höher ist die Messempfindlichkeit des Kraftaufnehmers 1. Die Nuten 9, 10 sind möglicht schmal, so dass an den Stellen, an denen die Stege 11 mit den übrigen Teilen 15 bis 18 des Federköpers 1 verbunden ist, keine Biegung stattfindet. Des- wegen sind auch bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Nuten 9, 10 an ihrem Grund mit zunehmender Tiefe zu den Stegen 11 hin abgeschrägt.
Wie bereits erwähnt, erfasst der Wegaufnehmer 19 beiderseits der Nut 9 die relative Lageänderung der Teile 15, 16 des Federkörpers 1 in Richtung seiner Dicke. Wie Figur 4 näher zeigt, sind dazu die Elektrodenkämme 21, 22 derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass ihre Elektrodenfinger 25, 26 bei unbelastetem Federkörper 1 einen anfänglichen Versatz in Richtung der Dicke des Federkörpers 1 aufweisen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht dieser Höhenversatz etwa der Dicke oder Höhe D der Elektrodenfinger 25, 26. Bei Belastung des Kraftaufnehmers mit der Kraft F tauchen die Elektrodenfinger 25 des Elektrodenkamms 21 in die Fingerzwi- schenräume des Elektrodenkamms 22 ein, so dass sich der Kapazitätswert des Wegaufnehmers 19 erhöht.
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Wegaufnehmers 19, bei dem der anfängliche Versatz zwischen den Elek- trodenfingern 25, 26 der verschiedenen Elektrodenkämme 21, 22 kleiner als die Dicke oder Höhe D der Elektrodenfinger 25, 26 ist, so dass bei unbelastetem Kraftaufnehmer die Elektrodenfinger 25 des einen Elektrodenkamms 21 teilweise in die Fingerzwischenräume des anderen Elektrodenkamms 22 eintauchen. Bei Belastung des Kraftaufnehmers tauchen die Elektrodenfinger 25 des Elektrodenkamms 21 weiter in die Fingerzwischenräume des anderen Elektrodenkamms 22 ein, so dass die sich der Kapazitätswert des Wegaufnehmers 14 erhöht. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 verläuft dabei die Kapazitätszunahme in Abhängigkeit von der Kraft F linearer.
Zurück zu Figur 2: Lateral wirkende Störeinflüsse 29, wie la- terale Wärmeausdehnungen des Federkörpers 1 oder Querkräfte können dazu führen, dass der Steg 13 verkippt wird und sich die Breiten der Nuten 9, 10 ändern. Die von dem Wegaufnehmer 19 beiderseits der Nut 9 erfasste Lageänderung in Richtung der Dicke des Federkörpers 1 ist davon nicht oder nur minimal beeinflusst, jedoch ist der Wegaufnehmer 19 selbst auch für Lageänderungen in den Richtungen quer dazu mehr oder weniger empfindlich. Der zusätzliche Wegaufnehmer 20 auf der Unterseite 8 des Federkörpers 1 dient zur Kompensation der lateral wirkenden Störeinflüsse 29.
Wie Figur 6 zeigt, ist der zusätzliche Wegaufnehmer 20 in der Weise ausgebildet, dass die Höhe der Elektrodenfinger 28 des einen Elektrodenkamms 24 größer als die Höhe der Elektrodenfinger 27 des anderen Elektrodenkamms 23 ist und die Elektro- denfinger 27 mit der geringeren Höhe sowohl im unbelasteten als auch im belasteten Zustand des Kraftaufnehmers vollständig in die Zwischenräume der Elektrodenfinger 28 mit der größeren Höhe eingreifen. Der zusätzliche Wegaufnehmer 20 ist daher für Lageänderungen in Richtung der Dicke des Federkör- pers 1 unempfindlich, während er auf Lageänderungen in den anderen Richtungen genauso empfindlich reagiert, wie der Wegaufnehmer 19, dem er zugeordnet ist. Das Messergebnis des Wegaufnehmers 19 kann daher auf einfache Weise von den lateralen Störeinflüssen befreit werden, indem die Differenz der Einzelmessungen beider Wegaufnehmer 19, 20 gebildet wird.
Figur 7 zeigt in Draufsicht einen als Plattformwaage ausgebildeten Kraftaufnehmer mit einem Federkörper 1 in Form einer viereckigen Platte 30, die an ihren Ecken 31, 32, 33, 34 auf Stützen (Füßen) 35 gelagert ist und in dem dazwischen liegenden Mittenbereich 6 auf der Oberseite 7 mit einer Druckkraft belastet wird. Im Bereich jeder Ecke 31, 32, 33, 34 sind jeweils die beiden Nuten 9, 10 mit dem dazwischen liegenden dem Steg 11 ausgebildet, wobei auf der Oberseite 7 beiderseits der dortigen Nuten 9 jeweils mindestens ein Wegaufnehmer angeordnet ist. An den unterschiedlichen Ecken 31, 32, 33, 34 sind hier unterschiedliche Beispiele gezeigt, wie die Nuten 9, 10 angeordnet oder ausgeführt sein können, wobei natürlich in Realität die Nuten 9, 10 an allen Ecken 31, 32, 33, 34 der Plattformwaage einheitlich angeordnet bzw. ausgeführt sind. Die Nuten 9, 10 und die dazwischen liegenden Stege 11 können z. B. schräg (9.3, 10.3, 11.3; 9.5, 10.5, 11.5; 9.6, 10.6, 11.6), abgewinkelt (9.4, 10.4, 11.4) oder bogenförmig zu den Ecken 31, 32, 33, 34 verlaufen. Im Bereich der Ecken 34, 35 enthält die Platte 30 jeweils ein Paar von parallelen Schlitzen 36 oder Aussparungen 37, die sich über eine bestimmte Länge in Richtung zum Mittenbereich 6 der Platte 30 erstrecken, so dass zwischen den Schlitzen 36 bzw. Aussparungen 37 jeweils ein Biegebalken 38 gebildet wird, der an einem Ende aufgestützt und an dem anderen Ende mit dem Mittenbereich 6 der Platte 30 verbunden ist.
Figur 8 zeigt eine Variante der Plattformwaage , bei der die Nuten 9.8, 10.8 und die dazwischen liegenden Stege 11.8 jeweils ringförmig um die Stützen 35 ausgebildet sind.
Figur 9 zeigt in stark vereinfachter Darstellung einen Kraftaufnehmer in Form einer Kraftmessdose oder Wägezelle im
Längsschnitt. Figur 10 zeigt den Kraftaufnehmer in Draufsicht. Der Kraftaufnehmer ist zylinderförmig aufgebaut und weist ein zentrales Krafteinleitungsteil 39 auf, das zur Aufnahme einer zu messenden Kraft oder Last F dient. Die reguläre Belastung des Kraftaufnehmers erfolgt in Richtung der Ach- se 40 des Zylinders. Das Krafteinleitungsteil 39 ist an seinem Umfang über einen als Ringscheibe 41 ausgebildeten Federkörper 1 mit einem äußeren Aufstellring 42 verbunden, der auf einer hier nicht gezeigten festen Unterlage steht. Das Krafteinleitungsteil 39, die Ringscheibe 41 und der Aufstellring 42 sind vorzugsweise aus Stahl und einstückig ausgeführt. Der Aufstellring 42 ist unten mit einer Membran oder Bodenplatte 43 und oben zu dem Krafteinleitungsteil 41 hin mit einer Membran 44 abgeschlossen, so dass der Kraftaufnehmer bzw. die Wägezelle eine Dose bildet, die mit einem Schutzgas gefüllt sein kann.
Die Ringscheibe 41 enthält auf beiden Seiten 7, 8 jeweils ei- ne Ringnut 9.8, 10.8. Die Durchmesser der beiden Ringnuten
9.8, 10.8 sind unterschiedlich und ihre Tiefen jeweils größer als die halbe Dicke der Ringscheibe 41, so dass diese zwischen den Ringnuten 9.8, 10.8 zu einen Ringsteg 11.8 ausgeformt ist. Da der Kraftaufnehmer als Wägezelle mit einer Druckkraft F belastet wird, ist die innere Ringnut 9.8 auf der Oberseite 7 und die äußere Ringnut 10.8 auf der Unterseite 8 der Ringscheibe 41 ausgebildet, so dass der Ringsteg 11.8 auf Zug beansprucht wird. Würde der Kraftaufnehmer 1 zur Messung von Zugkräften verwendet, wären die innere Ringnut auf der Unterseite 8 und die äußere Ringnut auf der Oberseite 7 der Ringscheibe 41 ausgebildet, so dass auch in diesem Fall der Ringsteg auf Zug beansprucht würde. Wie gestrichelt angedeutet ist, kann die Ringscheibe 41 im Bereich des Ringstegs 11.8 von der Oberseite 7 zur Unterseite 8 durchgehende Radi- alschlitze 45 enthalten, die den Ringsteg 11.8 in gleich große Ringstegsegmente unterteilen. Für jedes Ringstegsegment ist auf einer Seite, hier der Obersseite 7 der Ringscheibe 41 beiderseits der dort vorhandenen Ringnut 9.8 jeweils ein kapazitiver Wegaufnehmer 19 angeordnet und gegenüber auf der anderen Seite 8 beiderseits der dortigen Ringnut 10.8 jeweils ein zusätzlicher kapazitiver Wegaufnehmer 20 plaziert. Zur Aufnahme von Querkräften ist es möglich, das Krafteinleitungsteil 39 auf die gleiche Weise, wie es im oberen Bereich durch die Membran 44 zentriert ist, auch im unteren Bereich durch eine hier nicht gezeigte Ringmembran zwischen dem
Krafteinleitungsteil 39 und dem Aufstellring 42 zu zentrieren .
Figur 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Kraftmessdose oder Wägezelle, bei dem die Wegaufnehmer 19 und die ihnen zugeordneten zusätzlichen Wegaufnehmer 20 nicht, wie in den Figuren 9 und 10, auf den unterschiedlichen Seiten 7, 8 der Ringscheibe 41 einander gegenüber liegen, sondern paarweise auf derselben Seite, hier z. B der Oberseite 7 nebeneinander liegen .
Bei dem in Figur 12 gezeigten Ausführungsbeispiel liegen die Wegaufnehmer 19 und die ihnen zugeordneten zusätzlichen Wegaufnehmer 20 ebenfalls jeweils auf derselben Seite 7, aber nicht nebeneinander sondern einander diametral gegenüber.
Bei dem in Figur 13 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Ringscheibe 41 in Form eines Speichenrads ausgebildet ist, wobei jede Speiche 46, 47, 48 jeweils die beiden Nuten 9.9, 10.9 und den Steg 11.9 aufweist. Auch hier sind die Wegaufnehmer 19 beiderseits der Nut 9.9 und ggf. zusätzliche Wegaufnehmer beiderseits der Nut 10.9 angeordnet.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftaufnehmer mit einem platten-, Scheiben- oder balken- förmigen Federkörper (1), der im Randbereich (3) an mindes- tens zwei Stellen gelagert ist und in einem dazwischen liegenden Mittenbereich (6) auf einer von zwei voneinander abgewandten Seiten (7, 8) zur Aufnahme einer Druck- oder Zugkraft (F) ausgebildet ist, und mit mindestens einem zweiteiligen Wegaufnehmer (19), dessen Teile (21, 22) zur Erfassung einer in Richtung der Kraft (F) erfolgenden Änderung der Lage des Mittenbereichs (6) in Bezug auf den Randbereich (3) ausgebildet und angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Federkörper (1) zwischen dem Mittenbereich (6) und dem Randbereich (3) auf beiden Seiten (7, 8) jeweils eine Nut (9, 10) enthält, welche auf der Seite (7), auf der die Kraft (F) wirkt, im Falle der Druckkraft in einem geringeren und im Falle der Zugkraft in einem größeren Abstand zu dem Mittenbereich (6) liegt, als die Nut auf der anderen Seite (8) , wobei die Tiefe der Nuten (9, 10) jeweils größer als die halbe Di- cke des Federkörpers (1) ist und beide Nuten (9, 10) den Federkörper (1) bis auf einen zwischen ihnen verbleibenden und von der aufgenommenen Kraft (F) auf Zug beanspruchten Steg (11) in zwei Teile (15, 16; 17, 18) trennen, und dass der mindestens eine Wegaufnehmer (19) mit seinen beiden Teilen (21, 22) auf mindestens einer der beiden Seiten (7, 8) des
Federkörpers (1) beiderseits der dortigen Nut (9) angeordnet ist .
2. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Federkörper (1) als Scheibe oder Ringscheibe (41) mit zentralem Krafteinleitungsteil (39) ausgebildet ist, die an ihrem Umfang gelagert ist.
3. Kraftaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (9, 10) als Ringnuten (9.8, 10.8) und der Steg (11) als Ringsteg (11.8) ausgebildet sind.
4. Kraftaufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe oder Ringscheibe (41) von einer zur anderen Seite durchgehende Radialschlitze (45) enthält, die die
Scheibe oder Ringscheibe (41) im Bereich des Ringstegs (11.8) segmentieren .
5. Kraftaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe oder Ringscheibe (41) in Form eines Speichenrads ausgebildet ist, wobei jede Speiche (46, 47, 48) jeweils die beiden Nuten (9.9, 10.9) und den Steg (11.9) aufweist .
6. Kraftaufnehmer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Wegaufnehmer (19) vorgesehen sind, die radialsymmetrisch mit gleichem Winkelabstand zueinander auf einer oder beiden Seiten (7, 8) der Scheibe oder Ringscheibe (41) angeordnet sind.
7. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Federkörper (1) als Platte (30) , insbesondere drei- oder viereckige Platte, ausgebildet ist, die an ihren Ecken (31, 32, 33, 34) gelagert ist und im Bereich jeder Ecke (31 bis 34) jeweils die beiden Nuten (9.3 bis 9.7, 10.3 bis 10.7) und den Steg (11.3 bis 11.7) aufweist.
8. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Federkörper (1) als Balken (2) ausgebildet ist, der an beiden Enden (4, 5) gelagert ist und zwischen dem Mittenbereich (6) und beiden Enden (4, 5) jeweils die beiden Nuten (9.1, 10.1; 9.2, 10.2) und den Steg (11.1; 11.2) aufweist.
9. Kraftaufnehmer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wegaufnehmer (19) dazu ausgebildet ist, Lageänderungen berührungslos zu erfassen.
10. Kraftaufnehmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wegaufnehmer (19) als kapazitiver Wegaufnehmer ausgebildet ist, dessen zwei Teile aus Elektrodenkämmen (21, 22) mit jeweils einer Vielzahl von Elektrodenfingern (25, 26) bestehen, wobei die Elektrodenkämme (21, 22) beiderseits der Nut (9) derart in quer zur Richtung der Kraft (F) liegenden parallelen Ebenen angeordnet sind, dass bei Belastung des Kraftaufnehmers mit der Kraft (F) die Elektrodenfinger (25) des einen Elektrodenkamms (21) in die Fingerzwischenräume des jeweils anderen Elektrodenkamms (22) eintau- chen oder aus diesen heraustauchen.
11. Kraftaufnehmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebenen, in denen die Elektrodenkämme (21, 22) liegen, im unbelasteten Zustand des Kraftaufnehmers einen Ver- satz in Richtung der Dicke des Federkörpers (1) aufweisen, der sich bei Belastung des Kraftaufnehmers verringert, so dass die Elektrodenfinger (25) des einen Elektrodenkamms (21) in die Fingerzwischenräume des jeweils anderen Elektrodenkamms (22) eintauchen.
12. Kraftaufnehmer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz der Ebenen kleiner oder gleich der Höhe (D) der Elektrodenfinger (25, 26) ist.
13. Kraftaufnehmer nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Wegaufnehmer (19) jeweils ein zusätzlicher Wegaufnehmer (20) mit parallelen Elektrodenkämmen (18, 19) zugeordnet ist, der auf derselben Seite (7) des Federkörpers (1) beiderseits der Nut (9) neben dem Wegaufnehmer (19) liegt oder ihm auf der anderen Seite (8) des Federkörpers (1) im Bereich der dortigen Nut (10) gegenüberliegt, und dass der zusätzliche Wegaufnehmer (20) derart ausgebildet ist, dass die Höhe der Elektrodenfinger (23) des einen Elektrodenkamms (19) größer als die Höhe der Elektrodenfinger (22) des anderen Elektrodenkamms (18) ist und die Elektrodenfinger (22) mit der geringeren Höhe sowohl im unbelasteten als auch im belasteten Zustand des Kraftaufnehmers vollständig in die Zwischenräume der Elektrodenfinger (23) mit der größeren Höhe eingreifen.
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