DE69514758T2

DE69514758T2 - Wägezellen

Info

Publication number: DE69514758T2
Application number: DE69514758T
Authority: DE
Inventors: Kenji Imai; Yoshinobu Shimomae; Yoshiaki Shinada
Original assignee: Ishida Scales Manufacturing Co Ltd; Ishida Co Ltd
Current assignee: Ishida Scales Manufacturing Co Ltd; Ishida Co Ltd
Priority date: 1994-10-28
Filing date: 1995-10-26
Publication date: 2000-06-21
Anticipated expiration: 2015-10-27
Also published as: EP0709657A3; JP3553664B2; EP0709657B1; US5742011A; JPH08128905A; DE69514758D1; EP0709657A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wägezelle zur Verwendung bei verschiedenen Wiegevorgängen und insbesondere auf eine Wägezelle, die elektrisch eine auf ein Dehnungsinduktionselement mit einer bestimmten Geometrie aufgebrachten Last erfaßt, indem die Veränderung der elektrischen Eigenschaft von Dehnungserfassungelementen, wie beispielsweise an dem Dehnungsinduktionselement vorgesehene Dehnmeßstreifen, gemessen wird.
Wägezellen einer zweiachsig eingespannten Art zur Verwendung bei einer elektronischen Waage oder dergleichen verwenden im allgemeinen ein Dehnungsinduktionselement, das zwei parallele Balken hat, die zwischen einem feststehenden steifen Körper an einem Ende und einem beweglichen steifen Körper an dem anderen Ende vorgesehen sind, und das zwei dünnwandige Dehnungserzeugungsflächen hat, die in jedem der Balken durch ein Einkerben vorgesehen sind. Ein Dehnungserfassungselement, wie beispielsweise ein Dehnmeßstreifen, ist an der Oberfläche von jeder Dehnungserzeugungsfläche des Dehnungsinduktionselementes vorgesehen und die Zugspannungen und Druckspannungen, die sich in den Dehnungserzeugungsflächen in Übereinstimmung mit der auf das Dehnungsinduktionselement aufgebrachten Last entwickeln, werden durch die Dehnungserfassungselemente erfaßt, so daß die aufgebrachte Last gemessen wird.
Die Druckschrift USP 4 423 640 offenbart eine Wägezelle, bei der ein Querschnitt eines Dehnungsinduktionselementes so geformt ist, das er einen mit einer Vertiefung versehenen Abschnitt hat, wobei ein Dehnungserfassungselement in dem mit einer Vertiefung versehenen Abschnitt angeordnet ist, und eine Folie die obere Fläche des mit einer Vertiefung versehenen Abschnittes abdeckt.
In bestimmten Fällen des Anwendens von derartigen Wägezellen ist die Geschwindigkeit ein bedeutender Faktor. Um ein Wiegen mit hoher Geschwindigkeit zu erreichen, muß die Eigenfrequenz der Wägezellen erhöht werden und es sind zwei Techniken herkömmlich bekannt, die in der Lage sind, diesen Bedarf zu decken, wobei eine Technik ein Erhöhen der Querschnittsfläche von jeder Dehnungserzeugungsfläche vorsieht und die andere Technik eine Verringerung des Einkerbungsabstandes oder des Abstandes zwischen den Einkerbungen vorsieht.
Wenn jedoch die Querschnittsflächen der Dehnungserzeugungsflächen vergrößert werden, um eine höhere Eigenfrequenz wie bei dem ersten Verfahren vorzusehen, ist die Steifigkeit der Dehnungserzeugungsflächen höher, so daß ein Nachteil dahingehend bewirkt wird, daß die Nennlast der Wägezellen zunimmt, so daß sich ihre Empfindlichkeit verringert.
Das zweite Verfahren, das sich auf ein Verringern des Einkerbungsabstandes bezieht, ist ebenfalls nicht ohne Probleme. Wie dies nachstehend erörtert ist, muß die Dicke der eingekerbten Abschnitte (d. h. die Einkerbungsdicke) verringert werden, damit die Empfindlichkeit nicht abnimmt, so daß sich ein Grenzwert bei der Genauigkeit ergibt, die erzielt werden kann, wobei außerdem ein höheres Moment an den Dehnungserzeugungsflächen wirkt, wenn die Last ungleichmäßig angeordnet ist, so daß ein Exzentrizitätsfehler im Ansprechen auf eine derartige ungleichmäßige Anordnung der Last auftritt.
Diese Probleme können wie folgt erklärt werden. Die Eigenfrequenz der Wägezelle f wird folgendermaßen ausgedrückt:
f = 1/2π (k/m) (1),
wobei m die Masse der Wägezelle ist und k die Federkonstante ist.
Die Gleichung (1) zeigt, daß zum Erhöhen der Eigenfrequenz die Federkonstante k erhöht werden kann, wenn die Masse m konstant ist.
Wenn die Last F auf die Wägezelle aufgebracht wird, um eine Verschiebung x zu bewirken, wie dies in Fig. 14 gezeigt ist, ergibt sich die folgende Gleichung:
F = k · x (2)
Die Gleichung (2) zeigt, daß zum Erhöhen von k die Verschiebung x im Ansprechen auf eine vorgegebene Last F verringert werden kann.
Wenn der Einkerbungsabstand der Wägezelle L ist (siehe Fig. 14) und der Ablenkwinkel, der im Ansprechen auf die Verschiebung x auftritt, θ ist, kann x durch die folgende Gleichung angenähert werden:
x = L · sinθ (3)
Es ist daher offensichtlich, daß zum Verringern der Verschiebung x, die in der Wägezelle auftritt, entweder (1) der Einkerbungsabstand L oder (2) der Ablenkwinkel θ verringert werden kann.
Die Annäherung an die Verringerung des Einkerbungsabstandes L wird zunächst betrachtet. Wenn eine Wägezelle der Zweibalkenart als Kombination von zwei Balken betrachtet wird, kann die Dehnung s, die in der Dehnungserzeugungsfläche ausgebildet wird, durch die folgende Gleichung angenähert werden:
&epsi; = F · L/4 · Z · E (4)
wobei Z das Widerstandsmoment des eingekerbten Abschnitts ist und E der E-Modul ist.
Wenn ein Längsschnitt der Dehnungserzeugungsfläche oder der Einkerbungsschnitt rechtwinklig ist, wird das Widerstandsmoment Z durch ein 1/6(b.t²) ausgedrückt, so daß die Gleichung (4) auf folgenden Ausdruck reduziert werden kann:
&epsi; = 3 · F · L/2 · b · t² · E (5)
wobei t die Einkerbungsdicke ist und b die Einkerbungsbreite (Zellenbreite) ist.
Wie Gleichung (5) außerdem zeigt, wird die Dehnung s abnehmen, wenn der Einkerbungsabstand L verringert ist.
Es sollte jedoch beachtet werden, daß, selbst wenn die Eigenfrequenz der Wägezelle hoch ist, ein kleinerer Betrag der Dehnung, die durch den Dehnmeßstreifen erfaßt wird, sich bei einem kleineren Ausgabesignal ergeben wird, was zu einer Verkleinerung bei dem S/N-Verhältnis führt und folglich zu einer Verringerung der Ausgabestabilität führt. Daher kann die Dehnung &epsi; im Ansprechen auf eine vorgegebene Last F nicht verringert werden.
Daher muß der Einkerbungsabstand L verringert werden, wobei die Dehnung &epsi; konstant gehalten wird. Um diese Forderung zu erfüllen, kann entweder die Einkerbungsbreite b oder die Einkerbungsdicke t verringert werden, wie dies aus Gleichung (5) hervorgeht. Wenn der Enkerbungsabstand b verringert wird, nimmt die Eigenfrequenz im vertikalen Modus zu, jedoch nimmt sie in dem horizontalen Modus ab und die Gesamtschwingungseigenschaften der Wägezelle können nicht verbessert werden. Andererseits kann die Einkerbungsdicke t nicht verringert werden, ohne daß der vorstehend erwähnte Grenzwert bei der Genauigkeit des Bearbeitens auftritt.
Wenn der Einkerbungsabstand L zu weit verringert wird, nimmt die Fähigkeit des Aufhebens der Wirkung einer ungleichmäßigen Lastanordnung durch den Roverval-Mechanismus ab, was das vorstehend erwähnte Problem des Auftretens eines zunehmenden Exzentrizitätsfehlers im Ansprechen auf eine derartige ungleichmäßige Lastanordnung bewirkt.
Die Annäherung an die Verringerung des Ablenkwinkels θ wird nachstehend untersucht. Die Oberfläche, in der keine Spannung oder Dehnung ausgebildet wird, wenn ein Biegemoment an der Dehnungserzeugungsfläche wirkt, kann als neutrale Ebene bestimmt werden, die in Fig. 15 mit dem Bezugszeichen c bezeichnet ist. Wenn der Abstand von der neutralen Ebene c zu der oberen Fläche A h ist und der Abstand von der neutralen Ebene c zu der Bodenfläche B H ist, wird die sich an der oberen Fläche A ausbildende Dehnung &epsi; folgendermaßen ausgedrückt:
&epsi; h · sinθ (6)
Wie die Gleichung (6) zeigt, muß zum Verringern des Ablenkwinkels θ ohne eine Verringern der Dehnung &epsi;, die sich in einer Wägezelle ausbildet, der Abstand h von der neutralen Ebene c zu der oberen Fläche A erhöht werden.
Wenn die Dehnungserzeugungsflächen von jedem Balken in der Wägezelle einen rechtwinkligen Querschnitt wie beim Stand der Technik haben, ist H annähernd gleich wie h und t ist annähernd gleich wie 2 · h. Daher wird, wenn der Abstand h zunimmt, die Einkerbungsdicke t ebenfalls zunehmen, woraufhin als ein Ergebnis die zum Ausbilden eines bestimmten Betrages der Dehnung &epsi; erforderliche Last zunimmt, so daß eine ungewünschte Verringerung der Empfindlichkeit bewirkt wird.
Die vorliegende Erfindung wurde ausgeführt, um die vorstehend erwähnten Probleme zu behandeln, die bei einem Versuch eines Verbesserns der Eigenfrequenz einer Wägezelle aufgetreten sind, die ein Dehnungsinduktionselement verwendet, bei dem ein oberer und ein unterer Balken mit zwei dünnwandigen Dehnungserzeugungsflächen zwischen einem feststehenden steifen Körper an einem Ende und einem beweglichen steifen Körper an dem anderen Ende vorgesehen sind, wobei jede der Dehnungserzeugungsflächen ein an der Oberfläche vorgesehenes Dehnungserfassungselement hat.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Wägezelle mit einem Dehnungsinduktionselement geschaffen, das folgendes hat:
einen feststehenden steifen Körper,
einen beweglichen steifen Körper,
einen oberen Balken, der zumindest eine dünnwandige Dehnungserzeugungsfläche hat und zwischen dem feststehenden steifen Körper an einem Ende und dem beweglichen steifen Körper an dem anderen Ende vorgesehen ist,
einen unteren Balken, der zumindest eine dünnwandige Dehnungserzeugungsfläche hat und zwischen dem feststehenden steifen Körper an einem Ende und dem beweglichen steifen Körper an dem anderen Ende vorgesehen ist, und
einen Dehnungserfassungselement, das an einer Oberfläche von jeder Dehnungserzeugungsfläche vorgesehen ist, und dadurch gekennzeichnet ist, daß
die Dehnungserzeugungsfläche von jeweils dem oberen und dem unteren Balken einen Querschnitt mit einer derartigen Geometrie hat, daß eine neutrale Ebene, in der keine Spannung im Ansprechen auf ein an der Dehnungserzeugungsfläche wirkendes Biegemoment ausgebildet wird, von einer oberen Fläche der Dehnungserzeugungsfläche um einen Abstand beabstandet ist, der nicht demjenigen von einer Bodenfläche der Dehnungserzeugungsfläche gleich ist, und
das Dehnungserfassungselement, das entweder an der oberen Fläche oder an der Bodenfläche der Dehnungserzeugungsfläche vorgesehen ist, von der neutralen Ebene weiter entfernt ist.
Bei einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Wägezelle dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungserzeugungsfläche von jeweils dem oberen und dem unteren Balken einen Querschnitt mit einer derartigen Geometrie hat, daß ein oberer Querschnitt der Dehnungserzeugungsfläche mit einem unteren Querschnitt der Dehnungserzeugungsfläche im Hinblick auf eine neutrale Ebene asymmetrisch ist, in der keine Spannung im Ansprechen auf ein an der Dehnungserzeugungsfläche wirkendes Biegemoment ausgebildet wird, und das Dehnungserfassungselement entweder an der oberen Fläche oder an der Bodenfläche der Dehnungserzeugungsfläche vorgesehen ist und von der neutralen Ebene weiter entfernt ist.
Bei einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Wägezelle dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungserzeugungsfläche von jeweils dem oberen und dem unteren Balken einen Querschnitt mit einer konvexen Form derart hat, daß eine Mitte der Dehnungserzeugungsfläche im Hinblick auf beide Seiten der Dehnungserzeugungsfläche nach oben vorragt, und das Dehnungserfassungselement an einer oberen Fläche der vorragenden Mitte der Dehnungserzeugungsfläche vorgesehen ist.
Bei einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Wägezelle dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungserzeugungsfläche von sowohl dem oberen als auch dem unteren Balken einen Querschnitt hat, der in einer vertikalen Richtung asymmetrisch ist, und das Dehnungserfassungselement entweder an der oberen Fläche oder an der Bodenfläche der Dehnungserzeugungsfläche vorgesehen ist und in der Breite des Querschnitts schmaler ist.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Aufbau der vorliegenden Erfindung wird eine Oberfläche von jeder Dehnungserzeugungsfläche eine relativ größere Dehnung als die andere Oberfläche erfahren, wodurch der erforderliche Betrag der Verformung gesichert ist, selbst wenn der Ablenkwinkel, der im Ansprechen auf eine vorgegebene Last auftritt, klein ist. Als ein Ergebnis ist die erforderliche Empfindlichkeit der Wägezelle sichergestellt, indem Dehnungserfassungselemente an jener einen Oberfläche von jeder Dehnungserzeugungsfläche vorgesehen ist. Da der Ablenkwinkel, der im Ansprechen auf eine vorgegebene Last auftritt, verringert werden kann, während ein bestimmter Betrag der Verformung sichergestellt ist, ist es möglich, die Verschiebung zu verringern, die im Ansprechen auf eine vorgegebene Last auftritt, wodurch die Federkonstante des Dehnungsinduktionselementes oder der Wägezelle erhöht wird, so daß die Eigenfrequenz der Wägezelle als Ganzes verbessert wird, ohne daß eine Verringerung ihrer Empfindlichkeit bewirkt wird.
Einige Beispiele eines Wiegegerätes und Wägezellen gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht einer Wägezelle gemäß einem Beispiel der Erfindung.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt entlang einer Linie X-X von Fig. 1.
Fig. 3 zeigt in schematischer Weise, wie ein Biegemoment an einer Dehnungserzeugungsfläche wirkt.
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf die Stelle, an der die aufgebrachte Last an einer Wiegeplattform wirkt.
Fig. 5 zeigt eine grafische Darstellung der Frequenzeigenschaft einer Wägezelle als ein Vergleichsmuster.
Fig. 6 zeigt eine grafische Darstellung der Frequenzeigenschaft einer Wägezelle als ein Muster der Erfindung.
Fig. 7 zeigt einen Querschnitt einer Dehnungserzeugungsfläche eines Balkens bei einer Wägezelle gemäß einem anderen Beispiel der Erfindung.
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt einer Dehnungserzeugungsfläche eines Balkens bei einer Wägezelle gemäß einem wiederum anderen Beispiel der Erfindung.
Fig. 9 zeigt einen Querschnitt einer Dehnungserzeugungsfläche eines Balkens bei einer Wägezelle gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung.
Fig. 10 zeigt einen Querschnitt einer Dehnungserzeugungsfläche eines Balkens bei einer Wägezelle gemäß einem wiederum weiteren Beispiel der Erfindung.
Fig. 11 zeigt einen Querschnitt einer Dehnungserzeugungsfläche eines Balkens bei einer Wägezelle gemäß einem anderen Beispiel der Erfindung.
Fig. 12 zeigt eine perspektivische Ansicht von einem anderen Beispiel des Dehnungsinduktionselementes bei der Wägezelle der Erfindung.
Fig. 13 zeigt eine perspektivische Ansicht von wiederum einem anderen Beispiel des Dehnungsinduktionselementes bei der Wägezelle der Erfindung.
Fig. 14 zeigt eine Abbildung in schematischer Weise, wie die aufgebrachte Last an dem Dehnungsinduktionselement einer Wägezelle wirkt.
Fig. 15 zeigt eine Abbildung in schematischer Weise, wie ein Biegemoment an einer Dehnungserzeugungsfläche bei einer Wägezelle wirkt.
Fig. 16 zeigt einen Querschnitt einer Dehnungserzeugungsfläche eines Balkens bei einer Wägezelle gemäß einem abgewandelten Beispiel der Erfindung.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend detailliert beschrieben.
Wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, weist eine Wägezelle 1 ein Dehnungsinduktionselement 2 mit einer hohlen und im allgemeinen rechtwinkligen prismatischen Form auf, das aus einem feststehenden steifen Körper 3 an einem Ende und einem beweglichen steifen Körper 4 an dem anderen Ende und einem Paar an zwischen diesen beiden steifen Körpern 3 und 4 jeweils in der oberen bzw. der unteren Position vorgesehenen Balken 5 und 6 besteht. Jeder Balken hat im wesentlichen halbkreisförmige Auskerbungen 7, die an der Innenfläche der beiden Seiten so vorgesehen sind, daß dünnwandige Dehnungserzeugungsflächen ausgebildet werden, die mit den Bezugszeichen 5a und 5b im Hinblick auf den Balken 5 und mit den Bezugszeichen 6a und 6b für den Balken 6 bezeichnet sind. Wenn eine Last aufgebracht wird, wird der bewegliche steife Körper 4 relativ zu dem feststehenden steifen Körper 3 nach unten verschoben, wodurch eine Zugspannung in der Dehnungserzeugungsfläche 5a des oberen Balkens 5, die sich näher zu dem feststehenden steifen Körper 3 befindet, und in der Dehnungserzeugungsfläche 6b des unteren Balkens 6, die sich näher zu dem beweglichen steifen Körper 4 befindet, erzeugt wird, während eine Druckspannung in der Dehnungserzeugungsfläche 5b des oberen Balkens 5, die sich näher zu dem beweglichen steifen Körper 4 befindet, und in der Dehnungserzeugungsfläche 6a des unteren Balkens 6, die sich näher zu dem feststehenden steifen Körper 3 befindet, erzeugt wird.
Bei Betrachtung dieses Ausführungsbeispiels haben die Dehnungserzeugungsflächen 5a und 5b des oberen Balkens jeweils einen Querschnitt, der, wie dies in Fig. 2 vergrößert gezeigt ist, eine konvexe Form hat, dessen Mitte in Bezug auf beide Seitenabschnitte nach oben vorsteht, und ein Dehnmeßstreifen 8 ist an der oberen Fläche A des mittleren Abschnitts von jeder Dehnungserzeugungsfläche vorgesehen. Da die Dehnungserzeugungsflächen 5a und 5b einen derartigen konvex geformten Querschnitt haben, wird die neutrale Ebene c, in der keine Spannung im Ansprechen auf ein in der vertikalen Richtung wirkendes Biegemoment ausgebildet wird, zu einer niedrigeren Position als bei dem Stand der Technik, bei dem die Dehnungserzeugungsflächen einen rechtwinkligen Querschnitt hatten, verschoben und als ein Ergebnis wird der Abstand h von der neutralen Ebene c zu der oberen Fläche A von jeder Dehnungserzeugungsfläche größer als der Abstand H von der neutralen Ebene c zu der Bodenfläche B der Dehnungserzeugungsfläche.
Diese Beziehung (h > H) bringt den Vorteil zu Tage, daß, selbst wenn der Ablenkwinkel θ, der bei einer vorgegebenen Last auftritt, geringfügig ist, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, die Länge des Abstandes h einen ausreichenden Betrag einer Dehnung sicherstellt, der mit hoher Empfindlichkeit mittels der Dehnmeßstreifen 8 erfaßt wird, die an der oberen Fläche A vorgesehen sind.
Die Dehnungserzeugungsflächen 6a und 6b des unteren Balkens 6 haben ebenfalls einen konvex geformten Querschnitt, bei dem die Mitte von den seitlichen Abschnitten aus gesehen nach unten vorsteht, und Dehnmeßstreifen 8 sind an der Bodenfläche des mittleren Abschnittes von jeder Dehnungserzeugungsfläche vorgesehen.
Das Verhältnis der Abstände h/H ist vorzugsweise 1,05 oder mehr im Hinblick auf die Wirkung der Erfindung.
Eine Anwendung der Wägezelle 1 geschieht bei einer elektronischen Waage. Bei einem derartigen Fall ist der feststehende steife Körper 3, der ein Teil des Dehnungsinduktionselementes 2 ist, an einem Sockel 10 gesichert, der an einem Sockel 9 aufgerichtet ist, wohingegen der bewegliche steife Körper 4 mit der Wiegeplattform 12 über eine Halterung 11 eingepaßt ist.
Wenn ein zu wiegender Gegenstand auf der Wiegeplattform 12 angeordnet wird, wird sein Gewicht über die Halterung 11 übertragen und auf dem beweglichen steifen Körper 4 an einem Ende des Dehnungsinduktionselementes 2 aufgebracht, woraufhin der bewegliche steife Körper 4 in Bezug auf den feststehenden steifen Körper an dem anderen Ende nach unten verschoben wird. Als ein Ergebnis wird eine Zugspannung in der oberen Fläche der Dehnungserzeugungsfläche 5a des oberen Balkens 5, die sich näher zu dem feststehenden steifen Körper 3 befindet, ausgebildet, wohingegen eine Druckspannung in der oberen Fläche der Dehnungserzeugungsfläche 5b, die näher zu dem beweglichen steifen Körper 4 sich befindet, ausgebildet wird, wobei gleichzeitig eine Druckspannung in der Bodenfläche der Dehnungserzeugungsfläche 6a des unteren Balkens 6, die näher zu dem feststehenden steifen Körper 30 befindet, ausgebildet wird, wohingegen eine Zugspannung in der Bodenfläche der Dehnungserzeugungsfläche 6b, die sich näher zu den beweglichen steifen Körper 4 befindet, ausgebildet wird. Im Ansprechen auf diese Spannungen werden sich die Widerstände der vier Dehnmeßstreifen 8 verändern. Wenn diese Dehnmeßstreifen in der Form einer Wheatstone-Brücke verbunden sind, wird eine der aufgebrachten Last entsprechende Spannung als ein Ausgabewert der Brückenschaltung erzeugt. Durch eine genaue Umwandlung kann das Gewicht des fraglichen Gegenstandes aus der Ausgabespannung bestimmt werden.
Bei der vorliegenden Erfindung sind die Dehnungserzeugungsflächen 5a/5b und 6a/6b des oberen und des unteren Balkens 5 und 6, die Bauteile des Dehnungserzeugungselementes 2 sind, so gestaltet, das sie einen Querschnitt haben, der derart konvex geformt ist, daß die neutrale Ebene c, in der keine Spannung im Ansprechen auf ein an der jeweiligen Dehnungserzeugungsfläche wirkenden Biegemomentes ausgebildet wird, von ihrer oberen Fläche um einen Abstand beabstandet ist, der nicht demjenigen von der Bodenfläche gleich ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Dehnmeßstreifen 8 an derjenigen Fläche von der oberen und der unteren Oberfläche der Dehnungserzeugungsflächen 5a/5b und 6a/6b vorgesehen, die weiter von der neutralen Ebene c entfernt ist. Diese beiden vorstehend beschriebenen Merkmale der Erfindung bilden eine Kombination zum Ermöglichen des Herstellens einer Wägezelle 1, die eine erhöhte Eigenfrequenz hat, ohne daß ein Verlust in Bezug auf die Empfindlichkeit der Messung auftritt.
Das Ergebnis eines Versuchs, der zum Auswerten der Leistung des betrachteten Ausführungsbeispiels ausgeführt worden ist, ist nachstehend beschrieben.
Ein Dehnungsinduktionselement in der Form eines rechtwinkligen Prismas mit den Maßen einer Länge von 90 mm, einer Höhe von 60 mm und einer Breite von 20 mm wurde bei einem Abstand von 15 mm und einem Radius von 5 mm eingekerbt, um Dehnungserzeugungsabschnitte auszubilden, die am Umfang 0,75 mm hoch und am mittleren Abschnitt 0,95 mm hoch und 6 mm breit waren. Die somit aufgebaute Wägezelle wurde als ein Testmuster verwendet, wobei ihre Nennlast auf 9,0 kgf eingestellt wurde. Nach dem Einbau dieses Testmusters in eine in Fig. 1 gezeigte elektronische Waage wurde eine 2,66 kgf wiegende Last auf der Wiegeplattform 12 derart angeordnet, das sie an ihrer mittleren Stelle C, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, wirken würde und die sich ergebende Eigenfrequenz wurde gemessen.
Ein Vergleichsmuster wurde aus einem Dehnungsinduktionselement in der Form eines hohlen rechtwinkligen Prismas mit den Maßen einer Länge von 90 mm, einer Höhe von 60 mm und einer Breite von 20 mm hergestellt, die bei einem Abstand von 15 mm eingekerbt wurde, um Dehnungserzeugungsflächen auszubilden, die einen rechtwinkligen Querschnitt bei einer Dicke von 1,09 mm hatten. Die somit aufgebaute Wägezelle wurde als ein Testmuster verwendet, wobei ihre Nennlast auf 9,0 kgf eingestellt wurde, und sie wurde dem gleichen Versuch unterworfen, der vorstehend beschrieben ist.
Die Veränderung der Eigenfrequenz des Vergleichsmusters ist in Fig. 5 gezeigt und die entsprechenden Daten für das Muster der Erfindung sind in Fig. 6 gezeigt. Die Eigenfrequenz des Vergleichsmusters hatte einen Spitzenwert bei ungefähr 77 Hz, wohingegen jene des vorliegenden Beispiels einen Spitzenwert bei ungefähr 85 Hz hatte, was offensichtlich höher ist als der Spitzenwert für das Vergleichsmuster.
Die Erfindung ist keineswegs auf das vorstehend beschriebene Beispiel beschränkt und die Dehnungserzeugungsflächen von jedem Balken können daran angepaßt sein, das sie unterschiedliche andere Formen in Querschnitt haben, die in den Fig. 7 bis 11 gezeigt sind. In Fig. 7 hat der Querschnitt die Form eines Buchstaben E. In Fig. 8 hat der Querschnitt einen oberen Abschnitt, der im allgemeinen nach innen geneigt ist. Das in Fig. 9 gezeigte Beispiel umfaßt eine nach oben vorragende Rippe mit entgegengesetzten konkaven Seiten. Fig. 10 zeigt einen Querschnitt, bei dem der obere Abschnitt konvexe Seiten hat. Fig. 11 zeigt ein Beispiel, bei dem der Querschnitt durch einen mittleren Strang und entgegengesetzten Flanschen ausgebildet ist, wobei der obere Flansch kürzer als der untere Flansch ist.
Jedes dieser Beispiele weist das gemeinsame Merkmal auf, das der Abstand von der neutralen Ebene c zu der oberen Fläche A größer als der Abstand von der neutralen Ebene c zu der Bodenfläche B ist. Es sollte nur die neutrale Ebene, in der keine Spannung im Ansprechen auf ein an jeder Dehnungserzeugungsfläche wirkendes Biegemoment ausgebildet wird, von ihrer oberen Fläche um einen Abstand beabstandet sein, der demjenigen von der Bodenfläche nicht gleich ist.
Anders ausgedrückt ist es ausreichend, daß jede Dehnungserzeugungsfläche in der vertikalen Richtung asymmetrisch ist, und das Dehnungsinduktionselement mit einer im allgemeinen rechtwinkligen prismatischen Form kann so angepaßt sein, wie dies in den Fig. 12 und 13 gezeigt ist. Fig. 12 zeigt ein Dehnungsinduktionselement 32 mit einem oberen Balken 35 und einem unteren Balken 36, die zwischen einem feststehenden steifen Körper 33 an einem Ende und einem beweglichen steifen Körper 34 an dem anderen Ende vorgesehen sind, wobei die obere Fläche des oberen Balkens 35 an beiden Seiten mit einer Vertiefung versehen ist und die Bodenfläche des unteren Balkens 36 ebenfalls an beiden Seiten mit einer Vertiefung versehen ist. Fig. 13 zeigt ein Dehnungsinduktionselement 42 mit einem oberen Balken 45 und einem unteren Balken 46, die zwischen einem feststehenden steifen Körper 43 an einem Ende und einem beweglichen steifen Körper 44 an dem anderen Ende vorgesehen sind, wobei die obere Fläche des oberen Balkens 45 an beiden Seiten an den Positionen, die Auskerbungen 47 entsprechen, die Dehnungserzeugungsflächen ausbilden, mit einer Vertiefung versehen ist, und die Bodenfläche des unteren Balkens 46 ebenfalls an beiden Seiten an den Positionen, die Einkerbungen 47 entsprechen, die in ähnlicher Weise Dehnungserzeugungsabschnitte ausbilden, mit einer Vertiefung versehen ist.
Des weiteren kann, wie dies in Fig. 16 gezeigt ist, wenn der Abstand zwischen der oberen Fläche und der neutralen Ebene ausreichend länger als der Abstand zwischen der Bodenfläche und der neutralen Ebene ist, ein mit einer Vertiefung versehener Abschnitt 50, in dem ein Dehnungserfassungselement angeordnet ist, an einer vorstehenden Oberfläche 51 eines Vorsprungs einer Dehnungserzeugungsfläche ausgebildet sein.
Wie dies vorstehend beschrieben ist, ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Balken, die zwei Bauteile eines Dehnungsinduktionselementes sind, jeweils daran angepaßt sind, daß sie einen Querschnitt einer derartigen Geometrie an den Dehnungserzeugungsflächen haben, daß die neutrale Ebene, in der keine Spannung im Ansprechen auf ein an den Dehnungserzeugungsflächen wirkendes Biegemoment ausgebildet wird, von der oberen Fläche der Dehnungserzeugungsflächen um einen Abstand beabstandet ist, der nicht demjenigen von ihrer Bodenfläche gleich ist, und außerdem sind Dehnungserfassungselemente vorgesehen, bei denen entweder die obere oder die untere Fläche von jeder Dehnungserzeugungsfläche weiter von der neutralen Ebene entfernt ist. Die Kombination dieser beiden Merkmale ermöglicht die Herstellung einer Wägezelle mit einer erhöhten Eigenfrequenz ohne den Verlust ihrer Empfindlichkeit.

Claims

1. Wägezelle mit einem Dehnungsinduktionselement (2) mit:

einem feststehenden steifen Körper (3),

einem beweglichen steifen Körper (4),

einem oberen Balken (5), der zumindest eine dünnwandige Dehnungserzeugungsfläche (5a, 5b) hat und zwischen dem feststehenden steifen Körper (3) an einem Ende und dem beweglichen steifen Körper (4) an dem anderen Ende vorgesehen ist,

einem unteren Balken (6), der zumindest eine dünnwandige Dehnungserzeugungsfläche (6a, 6b) hat und zwischen dem feststehenden steifen Körper (3) an einem Ende und dem beweglichen steifen Körper (4) an dem anderen Ende vorgesehen ist, und

einem Dehnungserfassungselement (8), das an einer Oberfläche von jeder Dehnungserzeugungsfläche vorgesehen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Dehnungserzeugungsfläche (5a, 5b, 6a, 6b) von jeweils dem oberen und dem unteren Balken (5, 6) einen Querschnitt mit einer derartigen Geometrie hat, daß eine neutrale Ebene (c), in der keine Spannung im Ansprechen auf ein an der Dehnungserzeugungsfläche wirkendes Biegemoment ausgebildet wird, von einer oberen Fläche (A) der Dehnungserzeugungsfläche um einen Abstand (h) beabstandet ist, der nicht demjenigen (H) von einer Bodenfläche (B) der Dehnungserzeugungsfläche gleich ist, und

das Dehnungserfassungselement (8), das entweder an der oberen Fläche oder an der Bodenfläche der Dehnungserzeugungsfläche vorgesehen ist, von der neutralen Ebene (c) weiter entfernt ist.

2. Wägezelle mit einem Dehnungsinduktionselement (2) mit:

einem feststehenden steifen Körper (3),

einem beweglichen steifen Körper (4),

dadurch gekennzeichnet, daß

die Dehnungserzeugungsfläche (5a, 5b, 6a, 6b) von jeweils dem oberen und dem unteren Balken (5, 6) einen Querschnitt mit einer derartigen Geometrie hat, daß ein oberer Querschnitt der Dehnungserzeugungsfläche mit einem unteren Querschnitt der Dehnungserzeugungsfläche im Hinblick auf eine neutrale Ebene (c) asymmetrisch ist, in der keine Spannung im Ansprechen auf ein an der Dehnungserzeugungsfläche wirkendes Biegemoment ausgebildet wird, und

das Dehnungserfassungselement (8) entweder an der oberen Fläche oder an der Bodenfläche der Dehnungserzeugungsfläche vorgesehen ist und von der neutralen Ebene weiter entfernt ist.

3. Wägezelle mit einem Dehnungsinduktionselement (2) mit:

einem feststehenden steifen Körper (3),

einem beweglichen steifen Körper (4),

dadurch gekennzeichnet, daß

die Dehnungserzeugungsfläche (5a, 5b, 6a, 6b) von jeweils dem oberen und dem unteren Balken (5, 6) einen Querschnitt mit einer konvexen Form derart hat, daß eine Mitte der Dehnungserzeugungsfläche im Hinblick auf beide Seiten der Dehnungserzeugungsfläche nach oben vorragt, und

das Dehnungserfassungselement (8) an einer oberen Fläche der vorragenden Mitte der Dehnungserzeugungsfläche vorgesehen ist.

4. Wägezelle mit einem Dehnungsinduktionselement (2) mit:

einem feststehenden steifen Körper (3),

einem beweglichen steifen Körper (4),

dadurch gekennzeichnet, daß

die Dehnungserzeugungsfläche (5a, 5b, 6a, 6b) von sowohl dem oberen als auch dem unteren Balken (5, 6) einen Querschnitt hat, der in einer vertikalen Richtung asymmetrisch ist, und

das Dehnungserfassungselement (8) entweder an der oberen Fläche oder an der Bodenfläche der Dehnungserzeugungsfläche vorgesehen ist und in der Breite des Querschnitts schmaler ist.

5. Wägezelle gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest eine Dehnungserzeugungsfläche einen im allgemeinen T-förmigen Querschnitt hat.

6. Wägezelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zumindest eine Dehnungserzeugungsfläche einen E-förmigen Querschnitt hat.

7. Wägezelle gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest eine Dehnungserzeugungsfläche einen Querschnitt hat, der im allgemeinen an einer Seite nach innen geneigt ist.

8. Wägezelle gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest eine Dehnungserzeugungsfläche einen Querschnitt hat, der eine mittlere nach oben vorragende Rippe mit entgegengesetzten konkaven Seiten umfaßt.

9. Wägezelle gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest eine Dehnungserzeugungsfläche einen Querschnitt mit entgegengesetzten konvexen Seiten hat.

10. Wägezelle gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest eine Dehnungserzeugungsfläche einen Querschnitt mit einem mittleren Steg und entgegengesetzten Flanschen mit unterschiedlichen Längen hat.

11. Waage mit einer Wägezelle gemäß einem der vorherigen Ansprüche.