DE3401453A1

DE3401453A1 - Wandler fuer eine waage

Info

Publication number: DE3401453A1
Application number: DE19843401453
Authority: DE
Inventors: Errol P. Sandy Utah EerNisse; Mark D. Salt Lake City Utah Gaiser; John P. West Paterson N.J. Hanley; Walter P. Kistler; Jerome M. Redmond Wash. Paros; Robert B. West Valley City Utah Wiggins
Original assignee: Ohaus Scale Corp
Current assignee: Ohaus Corp
Priority date: 1983-01-18
Filing date: 1984-01-17
Publication date: 1984-07-19
Also published as: JPS59137827A; GB8610777D0; GB8331297D0; US4526247A; GB2134258B; SG55187G; GB2172998A; HK81287A; HK81387A; CH666354A5; GB2134258A; CA1206170A; JPH0556454B2; CH663281A5; GB2172998B

Description

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Die Erfindung betrifft einen Wandler für eine Waage zum Wiegen eines Gegenstandes, insbesondere einen Wandler, der aus der Gewichtsmessung ein elektrisches Signal ableitet, das ein Maß für das Gewicht des Gegenstands darstellt.

Die US-PS 4 215 570 beschreibt einen Wandler, der einen piezoelektrischen Biegeschwingungsmode-Quarzresonator aufweist, mit dem aus einer auf den Quarzresonator einwirkenden Kraft ein entsprechendes elektrisches Signal abgeleitet wird. Dieser bekannte Resonator arbeitet mit einer besonderen Schwingungsmode. Dabei besteht die schwingende Biegeverbindung aus relativ langen und dünnen Quarzelementen. Resonatoren mit dieser Schwingungsmode sind immer sehr empfindlich und brechen leicht bei Beanspruchung durch mechanischen Schock oder Überlastungen mit Biege-, Dreh- oder Scherkräften. Der Resonator ist am stabilsten und genauesten, wenn er als reiner Druck- oder Zugstab verwendet wird.

Der Biegungsschwingungsmode-Quarzresonator braucht nicht aus reinem piezoelektrischen Material bestehen. Er kann statt-

dessen aus einem nichtpiezoelektrischen Material (z.B. ein Siliziumkristall), das mit einem piezoelektrischem Material (z.B. Zinkoxid)beschichtet ist, bestehen. Obgleich in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Resonator ein piezoelektrischer Quarz ist, wird mit dem hier

und in den zugehörigen Ansprüchen verwendeten Ausdruck "Biegeschwingungsmode-Quarzresonator" sowohl ein piezoelektrischer als auch ein piezoelektrisch beschichteter Biegeschwingungsmode-Quarzresonator eingeschlossen.

Ein allgemein bei Waagen auftretendes Problem ist, daß die Wirklinie der Schwerkraft im zu wiegenden Gegenstand nicht sicher bestimmt werden kann. Im Gegensatz dazu stehen Ge-

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rate, wie Druckwandler und Beschleunigungsmesser, in denen die Wirklinie der zu messenden Kraft immer die gleiche ist. Die Wirklinie der Kraft in einer Waage ist abhängig von dem Ort auf der Wiegefläche, an dem der Benutzer den auszuwiegenden Gegenstand ablegt· Es ist von höchster Wichtigkeit für eine gute und zufriedenstellende Funktion einer Waage, daß das angezeigte Gewicht des Gegenstandes nicht von seiner Lage auf der Wiegefläche abhängt. Zusätzlich muß in einer Waage mit einem vorstehend genannten Biegeschwingungsmode-Quarzresonator der Resonator vor überlastung durch Biege-, Dreh- oder Scherkräfte geschützt werden, die meistens bei dezentraler Belastung der Waage auftreten können. Diese Kraftkomponenten bergen nicht nur die Gefahren eines Resonatorbruchs, sondern sie können auch den Resonator so verändern, daß die Genauigkeit des Wandlers reduziert wird.

Ferner sind Wandler für Waagen entwickelt worden, die mit piezoelektrischen Dickenscherungsmode- (im Gegensatz zu Biegeschwingungsmode-) Quarzresonatoren arbeiten. Die Quarzre-

sonatoren in diesen Wandlern waren relativ große und robuste Quarzkristallscheiben mit einem Durchmesser von ca. 1,5 cm (vgl. US-PS 4 130 624) ., Diese Wandler enthalten (1) zwei vertikal angeordnete, genau parallele Biegegliedanordnungen

zur Aufnahme der Wiegefläche, (2) eine Dickenscherungsmode-25

Quarzresonatorscheibe, die so montiert ist, daß die Druckkraft der Last auf zwei gegenüberliegende Punkte am Rand der Scheibe wirkt und (3) eine Koppelanordnung.zur übertragung der vertikalen Kraft der Biegeanordnung auf die Kanten

der Resonatorscheibe. Die Koppelanordnung weist Drehlager 30

auf, um Drehmomente an der Biegeanordnung nicht auf die Resonatorscheibe zu übertragen. Die Koppelanordnung weist zusätzlich zwischen den Drehlagern und der Resonatorscheibe eine zweite Biegeanordnung mit im vertikalen Abstand angeordneten im wesentlichen parallelen Biegegliedern auf, um die Koppelanordnung im wesentlichen nur vertikal zu führen. Zusätzlich zu den mechanischen Unterschieden zwischen die-

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sen Wandlern und den Wandlern der vorliegenden Erfindung, gibt die Arbeit keine Anregung, die viel empfindlicheren Biegeschwingungsmode-Quarzresonatoren oder auch Strukturen, die solche Biegeschwingungsmode-Resonatoren enthalten, zu verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wandler der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der eine definierte Übertragung von Wiegebewegungen der Wiegefläche auf das Wandlerelement auch bei kleinen Auslenkungen gestattet. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst. Die erfindungsgemäße Lösung gestattet den vorteilhaften Einsatz von Biegeschwingungsmode-Quarzresonatoren als Wandlerelemente.

Die erfindungsgemäßen Wandler stellen sicher, daß das Biegeschwingungsmode-Resonatorelement in dem vorstehend genannten Typ einer Waage nur in axialer Richtung belastet wird und vor. signifikanten Biege-, Dreh- und Scherkräften bewahrt wird, und zwar unabhängig davon, welche Position der zu wiegende Gegenstand auf der Wiegefläche hat.

Die Biegeanordnung gemäß der Erfindung überträgt von einer dezentralen Belastung der Wiegefläche weitgehend nur die

vertikal wirkende Kraft. Der Koppler dämpft zusätzlich jede nicht vertikal wirkende Kraftkomponente. Die Halterungsstruktur absorbiert noch die übriggebliebenen nichtvertikalen Kraftkomponenten, welche über die beschriebenen Elemente übertragen werden könnten, so daß der Quarzresonator vor

solchen Kraftkomponenten gut geschützt ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

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Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Waage zum Einsatz eines erfindungsgemäßen Wandlers;

Fig. 2 eine Aufsicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers;

Fig. 3 ein Querschnitt der Waage entlang der Linie 3-3 in

Fig. 2,
10

Fig. 4 eine Explosionsdarstellung des Wandlers von Fig. 2 und 3,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Teiles der Waage von Fig. 3,

Fig. 6 einen Querschnitt entlang der Linie 6-6 in Fig. 3,

Fig. 7 eine Teilseitenansicht entlang der Linie 7-7 in Fig. 3>

Fig. 8 eine vereinfachte Seitenansicht einer zweiten Ausfüh rungsform des erfindungsgemäßen Wandlers,

Fig. 9 eine vereinfachte Teilseitenansicht einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers und

Fig. 10 eine vereinfachte Teilseitenansicht einer vierten

Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers. 30

Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Waage, bei der das erfindungsgemäße Wandlersystem eingesetzt werden kann. Diese Waage weist auf:ein Gehäuse 10, eine Wiegefläche 12, die so befestigt ist, daß die vertikale Bewegungsfreiheit begrenzt

ist, Kontrollknöpfe 14 und 16 (z.B. Ein/Ausschalter und Tara) und eine elektronische Digitalanzeige 18. Die Waage

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wird eingeschaltet und gegebenenfalls durch Bedienung der Knöpfe 14 und 16 tariert. Einen zu wiegenden Gegenstand legt man irgendwo auf die Waagschale 12, und das Gewicht des

Gegenstands wird auf der Digitalanzeige 18 angezeigt. 5

Gemäß Fig. 3 ruht die Wiege- oder Auflagefläche 12 auf einer schockabsorbierenden Anordnung 20, die einen Ring aus elastischen, schockabsorbierenden Material 22 aufweist (z.B. üblicher hochkompressibler Polyesterurethanschaum- ^ stoff), geschichtet zwischen einer oberen und einer unteren aus Metall bestehenden Plattform 24 bzw. 26 (vgl. Figur 5). Die Teile der schockabsorbierenden Anordnung 20 werden zusammengehalten von irgendeinem geeigneten Mittel, wie z.B. einem Kleber. Die schockabsorbierende Anordnung 20 absorbiert zumindest einen Hauptanteil der plötzlich an der Wiegefläche auftretenden Kraftsprünge, die z.B. dann auftreten, wenn ein Gegenstand auf die Wiegefläche 12 fallengelassen wird.

Die untere Plattform 28 ist mit dem flexiblen Arm der

Pfostenanordnung 30 durch Schrauben 28 verbunden. Die Pfostenanordnung 30 enthält den vertikalen Pfosten 32 und den horizontalen Arm 34, die durch eine Schraube 36 verbunden sind (vgl. auch Fig. 4). Die Pfostenanordnung 30 ist nur begrenzt vertikal beweglich. Sie wird von den oberen und unteren

Biegegliedern 40 bzw. 50 gehalten (vgl. auch Fig. 2 und 4).

Jedes Biegeglied weist ein im wesentlichen starres planares Glied 42, 52 auf, das in der Aufsicht im wesentlichen dreieckig ist. Jedes Glied 42, 52 ist in der Nähe des Scheitelpunkts jedes Dreiecks mit dem oberen bzw. unteren Ende des 30

vertikalen Pfostens 32 verbunden. Das Glied 42 ist mit dem oberen Ende des Pfosten 32 über das Biegeglied 44 verbunden, und das Glied 52 ist.mit dem oberen Ende des Pfostens 32 über das Biegeglied 54 verbunden. Jedes Glied 42, 52 ist gleichzeitig an den zwei übrigen Scheitelpunkten mit dem festen und starren Gestell der Waage 60 verbunden. Diese Verbindung wird über die Biegeglieder 46 und 48 im Fall des

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Gliedes 42 und über die Biegeglieder 56 und 58 beim Glied hergestellt. Jedes Biegeglied 44, 46, 48, 54, 56 und 58 ist ein ebenes Stück aus flexiblem Metall (z.B.Berylliumkupfer) . Jedes Biegeglied ist im wesentlichen planparallel mit dem zugehörigen starren Glied 42 und 52, und jedes Biegeglied ist im wesentlichen nur senkrecht zur Ebene des starren Glieds verbiegbar. Zjusammen bilden die Biegeglieder 40, 50 mit der Pfostenanordnung 30 und dem vertikalen Teil des Gestells 60 eine Parallelogrammverbindung, die für die Pfostenanordnung 30 ausschließlich vertikale Bewegungen in der Zeichenebene von Fig. 3 zuläßt.

Die beiden Biegelemente 46 und 48 bzw. 56 und 58 an der festen Seite der beiden Biegeglieder 40 bzw. 50 sind in einem genügenden Abstand voneinander angeordnet, so daß verhindert wird, daß als Folge einer dezentralen Belastung der Biegefläche 12 die Parallelogrammverbindung verdreht wird (d.h. eine Bewegung aus der Zeichenebene von Figur 3 heraus). Die breit gelagerte Dreieckform der Glieder 42 und 52 trägt ebenfalls dazu bei, daß die Parallelogrammverbindung Verdrehung infolge einer dezentralen Belastung entgegenwirkt .

Obgleich in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform beide Biegeglieder 40 und 50 am Gestell 60 mit zwei im horizontalem Abstand liegenden Biegegliedern befestigt sind, sind anderen Befestigungsanordnungen im Rahmen der Erfindung möglich. Z.B. könnte ein langes durchgehendes Befestigungsbiegeglied zur Halterung jedes Biegeglieds 42, 52 verwendet werden; oder es könnten drei oder mehr horizontal angeordnete Biegeglieder eingesetzt werden.

Der Anschlaghalter 70 begrenzt die vertikale Bewegung der Pfostenanordnung 30. Dieser Halter weist den eigentlichen

Anschlag 72 auf, der mit dem Gestell der Waage 60 verbunden ist und der zwei Querarme 74, 76 hat, welche jeweils unter

bzw. über einem Teil des horizontalen Arms 34 liegen. Im Arm 34 befindet sich die Stellschraube 82, deren unteres Ende die Anschlagfläche 84 auf dem Arm 74 berührt, um die Abwärtsbewegung der Pfostenanordnung 30 zu begrenzen. Ebenso weist Arm 76 die Stellschraube 86 auf, deren unteres Ende die Anschlagfläche 88 am horizontalen Arm 34 berührt, um die Aufwärtsbewegung der Pfostenanordnung 30 zu begrenzen. Ihr Anschlaghalter 70 verhindert, daß zu starke Kräfte, hervorgerufen entweder durch mechanischen Schock oder einer überlast auf der Wiegefläche 12, auf den nachstehend beschriebenen Biegeschwingungsmode-Quarzresonator einwirken können.

Das dem vertikalen Pfosten 32 abgewandte Ende des waagerechten Arms 34 ist mit dem Koppelelement 90 verbunden. Dieses Element enthält das Diaphragmaelement 100 und das Druckstabelement 110. Diaphragmaelement 100 enthält einen Adapter 102, welcher im Endstück des horizontalen Arms 34 eingeschraubt ist. Die.Stellschraube 104 dient zur Befestigung des Adapters 102 in der gewünschten Stellung. Am unteren Ende des Adapters 102 befindet sich ein flexibles Metalldiaphragma 106, das als.elastisches, kompressibles Element zwischen der Pfostenanordnung 30 und dem Druckstabelement 110 wirkt und der Pfostenanordnung 30 eine größere vertikale Bewegung erlaubt als entsprechend am Druckstabelement 110 produziert wird.

Dies ermöglicht, daß der mechanische Anschlag 70 für die Pfostenanordnung 30 eingesetzt werden kann, obwohl die maximale Verschiebung des Quarzresonators sehr klein ist (z.B. ungefähr 0,05 mm). Die Federwirkung, hervorgerufen durch das Diaphragma 106, erweitert diese Quarzresonatorveränderung

30. beträchtlich, so daß die entsprechend wirksame Verstellung der Pfostenanordnung 30 10-mal größer sein kann (z.B. ungefähr 0,5 bis 0,75 mm). Die mechanischen Anschläge können so eingesetzt werden, damit die Größe der Pfostenanordnungsverstellung kontrolliert wird.

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Diaphragma 106 hat eine in der Mitte gelegene öffnung, die zur Aufnahme und für den Sitz des oberen Endes der Druckstabanordnung 110 dient (vgl. Fig. 6). Die Druckstabanordnung 110 weist einen vertikal ausgerichteten Stab 112 auf/ der an beiden Enden eine Fassung hat. Eine Saphirscheibe 114 liegt am Boden jeder Fassung und eine Kugel aus rostfreiem Stahl befindet sich ebenfalls in jeder Fassung, so daß die Kugel auf der zugehörigen Saphierscheibe liegt. Eine Lochanordnung 118 im Stab 112 verhindert Lufteinschlüsse hinter den Scheiben 114 und erleichtert den Einbau der Scheiben 114 im Stab 112. Das Koppelelement 90 und insbesondere das Druckstabelement 110 übertragen die in Richtung des Stabes 112 wirkende Kraft von der Pfostenanordnung 30 auf die Halterungsstruktur 120 und verhindern durch die Kugeln 116 im wesentlichen jede Übertragung von Drehmomenten. Die,Scheiben 114 und die Kugeln 116 bilden jeweils eine im wesentlichen reibungsfreie Drehlagerung an beiden Enden des Druckstabelements 110. Damit schützt die Koppelanordnung zusätzlich den Quarzresonator vor unerwünschten Kraftkomponenten.

Das untere Ende des Druckstabelements 110 lagert in einer Mulde in der Halterungsstruktur 120. Diese Struktur ist vorzugsweise ein zusammenhängendes (z.B. ein Stück) Element aus Metall, welches aus verschiedenen Armen oder Stangen besteht, die miteinander über Biegeglieder oder flexible Gelenke verbunden sind, die im Material der Struktur ausgebildet sind. Aluminium und Berylliumkupfer sind bevorzugte Materialen für die Halterungsstruktur 120.

Die HalterungsStruktur 120 gemäß den Figuren 2 bis 4 besteht aus vier Stangenverbindungen, insbesondere aus vier zueinander planparallelen Stangen oder Armen 122, 124, 126 und 128, die zu einer in sich geschlossenen Struktur über die flexiblen Gelenke 132, 134, 136 und 138 miteinander verbunden sind. Der Arm 122 ist mit der Schraube 142 fest an dem Gestell der Waage 60 montiert. Die Teile des Arms

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122 rechts und links von der Schraube 142 (vgl. Figur 3) sind freitragend über dem Gestell der Waage 60 angeordnet. Diese freitragenden Ausleger, insbesondere der freitragende Teil des Arms 122 rechts von dem flexiblen Gelenk 132 (cgi. Fig. 3) hilft die Halterungsstruktur 120 von unerwünschten Kräften freizuhalten, die z.B. durch Erschütterungen des Gestells 60 hervorgerufen werden können. Der Arm 124 ist drehbar mit dem Arm 122 über das flexible Gelenk 132 verbunden, welches, wie die anderen flexiblen Gelenke hergestellt wird, indem Material an beiden Seiten des Gelenks ausgefräst oder ausgebohrt wird und ein dünner Streifen oder Hals des Materials die Arme 122 und 124 verbindet. Die Drehachse des Gelenks 132 wie die Drehachsen von allen Gelenken ist senkrecht zu der durch die Längsachsen der Arme

*° definierten Ebene, die durch die Gelenke verbunden sind.

Die Elastizitätsgrenze der flexiblen Gelenke wird im Betrieb der Waage nie überschritten. Damit geht die Halterungsstruktur 120 immer in ihre Anfangsposition zurück, wenn ein aufgelegter Gegenstand von der Waage wieder heruntergenommen wird.

Die Halterungsstruktur 120 ist folgenderart aufgebaut: Der Arm 124 ist über das flexible Gelenk 134 drehbar mit dem Arm 126 verbunden. Der Arm 126 ist über das flexible Gelenk

136 drehbar mit dem Arm 128 verbunden. Der Arm 128 ist über das flexible Gelenk 138 drehbar mit dem Arm 122 verbunden. Das Dr.uckstabelement 110 paßt lose durch das Loch 144 in dem flexiblen Gelenk 136 und die untere Kugel 116 des Druckstabelements 110 sitzt in der Vertiefung 146 im Arm 126 der

Halterungsstruktur.

Die Elemente sind in der Halterungsstruktur 120 derart angeordnet, daß der Arm 126 senkrecht nach unten bewegt wird, wenn sich aufgrund des Gewichtes eines Gegenstandes auf

der Wiegefläche 12 das Druckstabelement 110 senkrecht abwärts bewegt. Dadurch dreht sich der Arm 124 im Gegenuhr-

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zeigersinn (vgl. Fig. 3) um das Gelenk 132, und der Arm 128 dreht sich im Uhrzeigersinn um das Gelenk 138. Der Arm 122 bleibt immer fest stehen. Die Arme der Halterungsstruktur 120 sind gemäß Fig. 3 so angeordnet, daß im Prinzip eine Energieübertragung stattfindet (engl.: "Watt linkage"). Das bedeutet, daß für alle im Betrieb vorkommenden Bewegungen der Elemente in der Verbindung, der Punkt, auf dem das untere Ende des Druckstabelements 110 auf dem Arm 126 lagert, ausschließlich senkrecht bewegt werden kann. Insgesamt kann sich der Arm 126 leicht um diesen Punkt drehen, aber die Bewegungsbahn dieses Punktes ist linear (nicht gebogen) und senkrecht. Dadurch bleibt das Druckstabelement 110 immer senkrecht ausgerichtet. Dies trägt dazu bei, daß der Quarzresonator von unerwünschten Lastkomponenten isoliert ist und die Antwort des Wandlers auf Last unterschiedlicher Größe linearisiert wird.

Die Arme 122 und 124 sind abschnittsweise in senkrechtem Abstand parallel zueinander angeordnet (rechts von dem Gelenk 132; siehe Fig. 3). Dier Biegeschwingungsmode-Quarzresonatorwandler 150 ist zwischen den Enden der Arme 122 und 124 gegenüber dem Gelenk 132 montiert. Obgleich andere bekannte Biegeschwingungsmode-Quarzresonator-Konfigurationen möglich sind, wird eine Konfiguration gemäß der US-PS 4 215 570 bevorzugt. Nach Figur 7 hat dieser Resonatortyp zwei in seitlichem Abstand angeordnete, im wesentlichen parallele Bänder 152, 154, die an beiden Enden über Befestigungsflächen 156, 158 verbunden sind. Typisch ist ein Band ungefähr 0,85 cm lang, 0,2 mm dick und 0,25 mm breit. Elektroden, (hier nicht dargestellt, aber zu sehen in der US-PS 4 215 570) sind an der Oberfläche des Quarzes befestigt; über sie werden elektrische Signale in den Resonator in üblicher Weise eingekoppelt. Die Bänder des Resonators schwingen in der Biegeschwingungsmode in der Zeichenebene der Figur 7. Die

Befestigungsflächen 156 bzw 158 sind jeweils an dem Ende des Arms 122 bzw. 124 mit Hilfe eines geeigneten Mittels, wie

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z.B. einem Kleber angebracht. Wenn also ein auszuwiegender Gegenstand auf die Wiegefläche 12 gelegt wird, so bewegt sich die Pfostenanordnung 30 , das Koppelelement 90 und der HaI-terungsstrukturarm 126 infolge der Schwerkraft gemeinsam senkrecht abwärts. Dadurch wird der Halterungsstrukturarm im Gegenuhrzeigersinn gedreht und die Bänder 152, 154 des Resonators 150 unter Zugspannung versetzt. Die auf das Resonatorband wirkende Zugkraft ist proportional zu dem Gewicht des Gegenstandes und erzeugt eine proportionale Änderung der Osζillationsfrequenz der Resonatorbänder und damit ein elektrisches Ausgangssignal am Wandler. Das Gewicht des Gegenstandes auf der Waage wird aus dieser Änderung am Wandlerausgang ermittelt.

Der Einsatz von relativ breiten Drehverbindungen oder Gelenken 132, 134, 136 und 138 zwischen den Armen der Halterungsstruktur 120 hilft, die Halterungsstruktur 120 gegen Verformungen aus der Z"eichenebene in Pig 3 heraus zu versteifen. (Die Breite der Drehverbindung wird gemessen senkrecht zu der Zeichanebene in Fig. 3). Die Halterungsstruktur 120 widersteht jeglichen Drehdeformationen sehr gut, die zu einer nichtaxialen Kraft im Wandlerelement 150 führen würden. Wie vorstehend ausgeführt, können solche nichtaxialen Kräfte die Genauigkeit des Wandlerausgangsignals reduzieren und das sehr empfindliche Wandlerelement zerstören. Die vorstehend beschriebene Steifigkeit der Haiterungsstruktur 120 ist weiter verstärkt durch die Verwendung einer Konfiguration mit vier Gelenken 132, 134, 136 und 138, die sich gegenseitig unterstützen, Drehverformungen der Struktur zu verhindern. Die Verwendung einer einstückigen Halterungsstruktur mit flexiblen Gelenken trägt weiter dazu bei, daß die Struktur relativ widerstandsfähig gegen Drehverformungen ist.

Das Koppelelement 90 überträgt auf die Halterungsstruktur die Kraft in einem Punkt, welcher gegenüber dem Gelenk 132 und dem Wandlerelement 150 beabstandet ist. Dadurch wirkt

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die Halterungsstruktur 120 wie eine Hebelarmanordnung, mit der die auf das Wandlerelement 150 wirkende Kraft verstärkt oder abgeschwächt werden kann.

Obgleich die Arme in der Halterungsstruktur 120 wie vorstehend beschrieben, im wesentlichen starr sind, können einer oder mehrere Arme in dieser Struktur in geringem Maße elastisch verbiegbar sein. In diesem Fall kann das flexible Diaphragma 106 weggelassen werden, weil der oder die flexiblen Halterungsstrukturarrae seine Funktion übernehmen, so daß ein genügend langer vertikaler Bewegungsweg für den vertikalen Pfosten 32 möglich ist und somit die Bewegung durch die mechanischen Anschläge 82 und 86 beschränkt werden kann.

Fig. 8 zeigt einen Wandler mit einer anderen Halterungsstruktur 160. Diese weist zwei in vertikalem Abstand angeordnete, im wesentlichen parallele Arme 162 und 164 auf, die miteinander über das flexible Gelenk 166 verbunden sind. Wie in dem vorstehend beschriebenen Aufbau ist die Halterungsstruktür 160 vorzugsweise einstückig. Der Biegeschwingungsmode-Quarzresonator 150 ist zwischen den Enden der Arme 162 und 164 gegenüber dem Gelenk 166 befestigt. Der Arm 162 ist starr am Gestell 60 befestigt. Das untere. Ende des Druckstabelements 110 lagert auf dem Arm 164 an einem Punkt zwisehen dem Gelenk 166 und dem Wandlerelement 150.

Demzufolge wird in dieser Ausfuhrungsform eine Last auf der Wiegefläche 12 das Wandlerelement 150 auf Druck beanspruchen. Das Gewicht wird aus der resultierenden Änderung der elektrischen Eigenschaften des Wandlerelements 150 bestimmt.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 9 unterscheidet sich von der der Fig. 8 darin, daß der Halterungsstrukturarm 174 über das flexible Gelenk 176 hinaus in Richtung vom Biegeschwingungsmode-Quarzresonator 150 wegragt. Das untere Ende des Druck-Stabelementes 110 lagert auf dieser Verlängerung des Arms 174, so daß ein Gewicht auf der Waage zu einer Zugbeanspruchung des Wandlerelements 150 führt.

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Bei der Ausfuhrungsform gemäß Fig. 10 ist die Halterungsstruktur 180 eine Vierstangen-Verbindung, bestehend aus vier Armen 182, 184, 186 und 188, <&e über vier flexible Gelenke 192, 194, 196 und 198 in sich geschlossen verbunden sind. Der Arm 182 ist der stationäre Arm, der durch die Schraube 142 mit dem Gestell 60 verbunden und rechts von der Schraube 142 freitragend über dem Gestell 60 ist. Wie bei der Ausführungsform der Fig. 2-7 dient die freitragende Konstruktion des Hauptteils der Halterungsstruktur 180 oberhalb des Gestells dazu, die Halterungsstruktur von unerwünschten Kräften, hervorgerufen durch z.B. Erschütterung des Gestells 60, freizuhalten. Die Halterungsstruktur wird durch das untere Ende des Druckstabelementes 110 an einem inneren Punkt etwa auf halber Länge des Stabes 186 belastet. Wie bei der Halterungsstruktur 120 gemäß den Fig. 3 und 4, dient die Verwendung von vier flexiblen Gelenken gemäß Fig. 10, zur Steigerung der Widerstandsfähigkeit der Halterungsstruktur 180 gegen Drehdeformationen (d.h. Deformationen aus der Zeichenebene der Fig. 10 heraus).

Im Rahmen der Erfindung kann die Parallelogrammverbindung 30, 4o, 50 und 60 auch andere Biegeanordnungen aufweisen.

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Claims

r:rV

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PATENTANWÄLTE

SIEBERTSTRASSE 4- ■ 8OOO MÜNCHEN ββ · PHONEi (Ο8β) Al AO 7Β CABLE: BENZOLPATENT MÖNCHEN -TELEX 5-aO 4B3 VOPAT D

5 u.Z.: S 745 (J-S/kä) 17. Januar 1984

Case: 1001

OHAUS SCALE CORPORATION
Florham Park, New Jersey
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" Wandler für eine Waage "

15 Patentansprüche

Wandler für eine Waage mit

(a) einer parallelogrammförmig aufgebauten Biegeanordnung

(30, 40, 50, 60) aus
20 (al) oberen und unteren Biegegliedern (40, 50), die

in vertikalem Abstand zueinander im wesentlichen parallel liegen und jeweils in horizontalem Abstand zwei Seiten haben, wobei die erste Seite an einer Halterung (60) befestigt und die zweite Seite je-25 des Biegegliedes in vertikaler Richtung beweg

lich ist, und aus

(a2) einer vertikalen Pfostenanordnung (30) zum Verbinden der zweiten Seiten der Biegeglieder und zum Abstützen des zu wiegenden Gegenstandes, 30 (b) einem Wandlerelement (150), vorzugsweise in Form

eines Biegeschwingungsmod· e-Quarzresonators, und mit (c) einer Koppelanordnung (90, 120; 160; 170; 180)

zum übertragen der vertikalen Kraft von der Biegeanordnung (30, 40, 50, 60) auf das Wandlerelement 35 (150).

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2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Biegeglieder (40, 50)

(a) ein im wesentlichen starres Glied (42; 52) und

(b) drei flexible Glieder (44, 46, 48} 54, 56, 58) aufweist, die am Umfang des starren Glieds (42; 52) an den Scheitelpunkten eines gedachten Dreiecks befestigt sind, wobQi das starre Glied (42; 52) über zwei Biegeglieder (46, 48; 56, 58) mit der festen Halterung (60) verbunden und über das dritte Biegeglied (44; 54) mit der Pfostenanordnung (30) verbunden ist.
3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Biegeglied (40,50) im wesentlichen eben und nur senkrecht zu seiner Ebene verbiegbar ist.
4. Wandler nach, einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

(a) daß die Koppelanordnung (90, 120; 160; 170; 180) eine Halterungsstruktur (120; 160; 170; 180) mit zwei Armen (122, 124; 162, 164; 172, 174; 182, 184) aufweist, die jeweils der Länge nach in zwei Abschnitte unterteilt sind,

<^b) ,daß der erste Äm<¹²²! 16.2; 172; 182) relativ zur Halterung der Biegeglieder (60) starr ist,

(c) daß die Arme in der Nähe ihres jeweils ersten Abschnitts über eine Drehverbindung (132; 166; 176; 192) angelenkt sind, die eine Drehachse senkrecht zu der durch die Längsachsen der Arme definierten Ebene hat, und (d) daß das Wandlerelement (150) zwischen den zweiten Abschnitten der Arme befestigt ist.
5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Arm (124; 164; 174; 184) zwischen dem Angriffspunkt der durch den auszuwiegenden Gegenstand hervorgerufenen Kraft und dem Punkt, an dem das Wandlerelement (150) an

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Γ - 3 - Π

dem zweiten Arm befestigt ist, bewegbar ist.
6. Wandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelanordnung (90, 120; 160; 170; 180) eine Einrichtung, zum übertragen der von der Biegeanordnung (30, 40, 50, 60) auf einen Punkt des zweiten Arms (124; 164; 174; 184) vertikal; gerichteten Kraft aufweist, der in Längsrichtung im Abstand zu den beiden Abschnitten des ersten Arms (122; 162; 172; 182) angeordnet ist.
7. Wandler nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungsstruktur (120; 160; 170;

180) einstückig und die Drehverbindungen (132; 166; 176; 192) der Arme ein flexibles Gelenk ist, das im Material der Halterungsstruktur ausgebildet ist.
8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlerelement (150) zwei im Abstand nebeneinander im wesentlichen parallel liegende Bänder (152, 154) aufweist, die an ihren Enden über Befestigungsflächen (156, 158) miteinander verbunden sind.
9. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede Befestigungsfläche (156, 158) mit dem zweiten Abschnitt des ersten (122; 162; 172; 182) bzw. zweiten Arms ( 124; 164; 174; 184) verbunden, vorzugsweise verklebt ist.
10. Wandler nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Arme (122, 124; 182, 184) und die Drehverbindung (132; 192) der Halterungsstruktur zwei Stangen und eine Drehverbindung einer Vierstangenverbindung (120; 180) aufweisen und daß die Halterungsstruktur zwei weitere Stangen (126, 128; 186, 188) und drei weitere Drehverbindungen (134, 136, 138; 194, 196, 198) der Vier-

^⁵ stangenverbindung aufweist.

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11. Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelanordnung (90, 120;180) eine Einrichtung zum Übertragen der vertikalen Kraft von der Biegeanordnung (30, 40, 50, 60) auf eine der zusätzlichen Stangen der Vierstangenverbindung (120, 180) aufweist, so daß die Kraft über die Vierstangenverbindung auf das Wandlerelement (150) wirkt. .
12. Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß 10" die Halterungsstruktur (120, 180) einstückig ist und die vier Drehverbindungen (132,134, 136, 138; 192, 194, 196, 198) flexible Gelenke sind, die im Material der Halterungsstruktur ausgebildet sind.
13. wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelanordnung ein elastisches, kompressibles Kraftübertragungselement (100) aufweist, so daß einer bestimmten Verschiebung an der Pfostenanordnung (30) eine , kleinere Verschiebung am Wandler-"

²^ element (150) entspricht.
14. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelanordnung wenigstens eine drehbar gelagerte Verbindung (110) zur übertragung der Kraft in Richtung der vertikalen Achse der Pfostenanordnung (30) aufweist, um die Übertragung von Drehmomenten zu verhindern.
15. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet

durch einen Anschlag halter (70), zum Begrenzen ..der vertikalen Bewegung der Pfostenanordnung (30) , um die Einwirkung zu großer Kräfte auf das 'Wandlerelernent zu verhindern.
16. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch

(a) eine im wesentlichen waagerechte Wiegefläche (12) für den zu wiegenden Gegenstand und durch

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(b) eine schockabsorbierende Anordnung (20) zum Verbin-

rait

den der Fläche/der Pfostenanordnung (30) und zum Verringern von Über die Wiegefläche (12) auf die Pfostenanordnung (30) übertragenen mechanischen Schocks.
17. Wandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die schockabsorbierende Anordnung (20) ein elastisches Polster (22) zwischen der Wiegefläche (12) und der Pfostenanordnung (30) aufweist.
18. Wandler für eine Waage mit

(a) einem starren Gestell (60),

(b) einer im wesentlichen waagerechten Wiegefläche (12) zur Aufnahme des auszuwiegenden Gegenstandes,

(c) zwei im vertikalen Abstand angeordneten, im wesentlichen parallelen Biegegliedern (40, 50), die jeweils im horizontale;⁰ Abstand zwei Seiten aufweisen und mit ihren ersten Seiten am Gestell (60) angelenkt sind,

(d) einer vertikalen Pfostenanordnung (30), die die Wiege-

fläche (12) vertikal begrenzt beweglich trägt, und mit den zweiten Seiten jedes Biegegliedes (40, 50) drehbar verbunden ist, wobei die Drehachsen aller Gelenke im wesentlichen waagerecht und zueinander parallel sind,

(e) einer Halt erungsstruktur (120, 160, 170; 180) mit zwei im vertikalen Abstand angeordneten Armen (122, 124; 162, 164; 172, 174; 182, 184), die über flexible Gelenke (132; 166; 176, 192) miteinander verbunden sind und eine horizontale Drehachse haben, wobei der

erste Arme (122, 162, 172, 182) starr am Gestell (60)

befestigt ist, _t

(f) einem Wandlerelement (150), vorzugsweise in Form

mode'

eines Biegeschwingungs-Quarzresonators,das in seitlichem Abstand von der Drehachse des ersten flexiblen 35

Gelenks (132; 166; 176, 192) mit den beiden Armen (122, 124; 162, 164, 172, 174, 182, 184) verbunden ist,

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(g) einer Koppelanordnung zum übertragen der vertikalen Kraft von der Pfostenanordnung (30) auf den zweiten Arm (124, 164, 174, 184), wobei die Kraftwirklinie im seitlichen Abstand neben der Drehachse des ersten flexiblen Gelenks (132; 166; 176; 192) verläuft.
19. Wandler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt des ersten Arms (122; 162; 172; 182), an dem das Wandlerelement (150) befestigt ist, freitragend gegenüber dem Gestell (60) ist.
20. Wandler nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungsstruktur (120; 180) einen dritten (128; 188) und vierten Arm (126; 186) aufweist, die mit dem ersten (12 2; 182) bzw. dem zweiten Arm (124; 184) über ein zweites (138; 198) bzw. drittes flexibles Gelenk (134; 194) und untereinander über das vierte flexible Gelenk (136; 196) verbunden sind, wobei die Drehachsen aller flexiblen Gelenke horizontal und zueinander parallel sind.
21. Wandler nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelanordnung (90, 120; 180) die vertikale Kraft von der Pfostenanordnung (30) über den vierten Arm (126; 196) auf den zweiten Arm (124; 184) überträgt.
22. Halterungsstruktur zum Übertragen von im wesentlichen Druck- oder Zugkräften auf ein Wandlerelement (150), vorzugsweise in Form eines Quarzresonators, mit

(a) einem festen Gestell (60),

(b) vier planparallelen Armen (122,124, 126, 128; 182, 184, 186, 188), wobei der erste Arm (122; 192) am Gestell (60) starr befestigt ist,

(c) einem ersten (132; 192), zweite:_n (138; 198),

dritten ( 134; 194) und vierten flexiblen Gelenk (136; 196) zum Verbinden des ersten (122; 182),

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mit dem zweiten (124; 184), des zweiten (124, 184) mit dem dritten (126; 186), des dritten ( 126, 186) mit dem vierten (128; 188) und des vierten Arms (128, 188) mit dem ersten Arm (122; 182), wobei alle Drehachsen der flexiblen Gelenke im wesentlichen senkrecht zu der durch die Arme definierten Ebene sind,

(d) einer Anordnung zum übertragen der Kraft auf den zweiten, dritten'oder vierten Arm in einem Punkt, der in seitlichem Abstand von den Drehachsen aller flexiblen Gelenke liegt, wobei die Kraft in der durch die Arme definierten Ebene wirkt und das Wandlerelement

(150) auf Druck oder Zug beansprucht, und mit

(e) einem Wandlerelernent (150), das zwischen dem ersten und zweiten Arm (122, 124; 182, 184) im seitlichen Abstand von der Drehachse des ersten flexiblen Gelenks (132, 192) angeordnet ist.
23. Halterungsstruktur nach Anspruch 22, dadurch gekennzeich-

net, daß zumindest ein Arm flexibel ist.
24. Halterungsstruktur nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß nur der erste Längsabschnitt des ersten

Arms (122; 182) starr mit dem Gestell (60) verbunden 25

ist und der übrige Längsabschnitt oder die übrigen Längsabschnitte des ersten Arms freitragend vom ersten Längsabschnitt sind.