Solche Kraftsensoren sind einige bekannt, so z.B. aus EP 0 325 619 (D1) und EP 0 544 858 (D2). Ferner sind Saiten-Mess- wandler bekannt, beispielsweise aus EP 0 540 474 (D3).

Die aus D1 und D2 bekannten Kraftsensoren eignen sich beide als flächenbelastbare Messvorrichtungen, da interne Parallel- führungen vorhanden sind. Eine elastische Kraftuntersetzung ist in beiden Fällen Bestandteil des Kraft-Sensors. Hingegen sind in beiden Fällen die Messwandler als gesonderte Elemente mit teilweise aufwendigen und empfindlichen Kraftübertra- gungsorganen in die Kraft-Sensoren eingebaut. Feuchtigkeits- und gasdichte Ausführung der in D1 und D2 verwendeten Mess- wandler werfen hingegen technische Probleme auf, da in aller Regel solche Ausführungen verhältnismässig gross bauen und weitere Kraftuntersetzungen mit sich bringen. Ferner ist aus EP 319 176 eine dichte Ausführung eines Taumelzapfens mit in- tegrierter Mess-Elektronik bekannt.

Allerdings ist ein Taumel zapfen grundsätzlich für Punktlasten gebaut und nicht ohne weiteres für Flächenlasten umzukonstru- ieren.

Die Aufgabe, die mit der vorliegenden Erfindung gelöst werden soll, besteht in der Schaffung eines niedrig bauenden flä- chenbelastbaren Kraftsensors mit integrierter Parallelführung und Kraftuntersetzung in feuchtigkeits- und gasdichter Aus- führung. Die Lösung der gestellten Aufgabe ist wiedergegeben im Patentanspruch 1 hinsichtlich ihrer wesentlichen Merkmale, in den Patentansprüchen 2 bis 17 hinsichtlich weiterer vor- teilhafter Ausführungen.

Der Erfindungsgedanke wird anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbei- spiel eines Kraftsensors, Fig. 2 einen ersten Querschnitt AA, Fig. 3 einen zweiten Querschnitt BB, Fig. 4 einen dritten Querschnitt CC, Fig. 5 einen Längsschnitt durch den Lastkörper bei Bela- stung, Fig. 6 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbei- spiel eines Kraftsensors, Fig. 7 eine erste perspektivische Ansicht des Kraftsensors, Fig. 8 eine zweite. perspektivische Ansicht des Kraftsensors.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungs- gemässen Kraftsensors. Er ist aufgebaut aus einem Lastkörper 1, einem Messwandler 4 und zugehöriger Auswertelektronik 5.

Der Lastkörper 1 ist in sich gegliedert in einen Lastträger 2 und eine Basis 3; letztere beiden Elemente sind mit einer Platte 6 bzw. 7 versehen, die zur Einleitung der zu messenden Kraft F dienen. Die Orte, an denen die Platten 6, 7 bei- spielsweise mit Schrauben 9 am Lastkörper 1 befestigt sind, sind insofern nicht entscheidend, als die Platte 6 nach rechts über die Basis 3, die Platte 7 nach links unter den Lastträger 2 verschoben werden kann. Die Beanspruchung des Lastkörpers 1 durch die zu messende Kraft ändert dann die Richtung. Der Lastkörper 1 besteht - wie auch aus Fig. 6 her- vorgeht, aus einem Quader. Der Lastträger 2, in Fig. 2 im Schnitt AA dargestellt, weist eine axiale Längsbohrung 8 auf, die stumpf endet. Die Basis 3 weist, wie aus Fig. 3 im Schnitt BB ersichtlich, ebenfalls eine Längsbohrung auf, die als zur Längsbohrung 8 koaxiale Hohlbohrung 10 ausgeführt

ist. Die Hohlbohrung 10 lässt im Innern ein stabförmiges Ele- ment, einen Hebel 11, stehen und endet ebenfalls stumpf.

Die Längen der Bohrungen 8 und 10 sind zusammen kürzer als die gesamte Länge des Lastkörpers 1. Dies lässt Raum für zwei quer zur Längsachse des Lastkörpers 1 angebrachte, zwischen Lastträger 2 und Basis 3 liegende identische Ausfräsungen 12, die hier beispielsweise im wesentlichen rechteckig ausgeführt sind. Zwischen den Ausfräsungen 12 und den Aussenflächen des Lastkörpers 1 bleibt je ein flaches Element stehen, das als Biegefeder 15 bezeichnet ist, aussen begrenzt durch die Ober- fläche des Lastkörpers 1, innen begrenzt durch-die Ausfräsun- gen 12. Begrenzt durch die stumpfen Enden der Längsbohrung 8 und der Hohlbohrung 10 und die Ausfräsungen 12, entsteht eine Membran 16, die verbunden ist mit dem Hebel 11. Damit dient die Membran 16 als elastisches Gelenk für den Hebel 11.

Senkrecht zu den Ausfräsungen 12 verlaufen, diese verbindend, zwei Ausfräsungen 32, deren Tiefe senkrecht zur Zeichenebene im wesentlichen jener der Ausfräsungen 12 entspricht (siehe Fig. 4).

In Fig. 4, die einen Querschnitt CC durch den Lastkörper 1 gemäss Fig. 1 darstellt, ist die Membran 16 ersichtlich.

Werden Basis 3 und Lastträger 2 in den durch die Kraftpfeile F von Fig. 1 gegebenen Richtungen belastet, so verbiegen sich die Biegefedern 15 S-förmig, und der Hebel 11 weicht nach oben aus, wie in Fig. 5 stark überhöht gezeigt. Tatsächlich sind die effektiven Deformationen viel kleiner, ja eigentlich virtueller Natur, da die meisten Messwandler, die hier in Frage kommen, praktisch weglos arbeiten. In Fig. 5 ist zudem der Messwandler 4 und die zugehörige Elektronik 5 weggelas- sen. Der Hebel 11 untersetzt also die auf den Lastträger 2 wirkende Kraft, bzw. die an der Membran 16 angreifende und auf ein kurzes Stück 18 des Hebels 11, das zwischen den Be- grenzungsflächen der Membran 16 liegt, übertragene, gemäss den durch die Länge des Stückes 18 und jene des Hebels 11 ge- gebene Drehmoment-Verhältnissen. Soll die elastische Unter- setzung vergrössert werden, so kann einerseits die Membran 16 dünner gemacht oder anderseits können die Biegefedern 15

stärker ausgeführt werden; selbstverständlich sind beide Massnahmen kumulierbar.

Fig. 6 ist ein Längsschnitt durch einen zweiten erfindungsge- mässen Lastkörper 1. Hier sind die Ausfräsungen 12 gegliedert in einen die Biegefeder 15 definierenden peripheren Teil 13 und einen das kurze Stück 18 des Hebels 11 definierenden zen- tralen Teil 14. Dabei entstehen im Wesentlichen zwei Membra- nen 16, 17, die durch das kurze Stück 18 des Hebels 11 ge- trennt sind. Weitere Ausführungsformen sind möglich ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen, sofern durch die Ausfräsun- gen 12 die Biegefedern 15 und das zwischen den Membranen 16, 17 liegende Stück 18 des Hebels 11 definiert werden, und die Definition der Membranen 16, 17 erfolgt durch die Längsboh- rung 8 und die zu ihr koaxiale Hohlbohrung 10, die gleichzei- tig den Hebel 11 definiert. Unter den Bezeichnungen Bohrung 8", "Hohlbohrung 10", "Ausfräsung 12" sind nicht einschrän- kend nur die Tätigkeiten Bohren und Fräsen zu verstehen.

Selbstverständlich können auch andere spanende Techniken an- gewendet werden. Weiter kann die Formgebung auch durch be- kannte andere Verfahren, beispielsweise Senkerodieren, Flies- spressen oder Giessen vorgenommen werden, allenfalls gefolgt von einer spanenden Feinbearbeitung.

Die elastische Verformung des Lastkörpers 1 gemäss Fig 6 er- folgt in analoger Weise zu der in Fig. 5 gezeigten.

Fig. 7 und 8 zeigen perspektivische Ansichten des quaderför- migen Lastkörpers 1. Beispielsweise mittels Schrauben 19 ist ein Gehäuse 20 am Lastkörper 1 befestigt. Das Gehäuse 20 ist gegen den Lastkörper 1 beispielsweise mittels eines - in Fig.

1 dargestellten - O-Ringes 21 abgedichtet. Das Gehäuse 20 weist ferner in seinem Inneren eine dichte Wand 22 auf, so dass der Messwandler 4 wasser- und gasdicht gekapselt ist.

Seine so gestaltete Umhüllung ist also begrenzt durch die Wand 22, den lastkörperseitigen Teil des Gehäuses 20, die Wandung der Hohlbohrung 10 und die Membran 17. Die Auswerte- elektronik 5 befindet sich im lastkörperfernen Teil des Ge- häuses 20, der für sich dicht ausgeführt ist.

In Fig. 7 und in der perspektivischen Darstellung von Fig. 8, die den Kraftsensor von der anderen Seite zeigt als Fig. 7, ist das Gehäuse 20 zylindrisch ausgeführt. Im Sinne der Er- findung ist selbstverständlich auch jede andere Form des Ge- häuses, das den Messwandler 4 und die Auswerteelektronik 5 aufnimmt und im Inneren die dichte Wand 22 aufweist. Der bei- spielsweise einen Stecker 23 enthaltende Deckel des Gehäuses 20 - hier mit der Ziffer 24 bezeichnet - kann ebenfalls mit (hier nicht dargestellten) Schrauben befestigt und mit einem O-Ring gedichtet sein.

Als Messwandler 4 kommen, bei entsprechender Gestaltung, alle heute bekannten und praktisch weglosen Typen in Frage, wie beispielsweise Schwingsaiten -, Dehnmessstreifen-, piezoelek- trische, kapazitive und refraktometrische Messwandler.

Der erfindungsgemässe monolithische Kraftsensor findet seinen Einsatz überall dort, wo Flächenlasten ermittelt werden, oder die Messaufgabe auf die Ermittlung einer Flächenlast redu- ziert werden kann, und die Platten 6, 7 dadurch, ausser mit den in Fig. 1 gezeigten Kräften, auch mit Drehmomenten beauf- schlagt sind. Beispiele hiefür sind - Plattformwaagen - Bandwaagen - Hängebahnwaagen Ferner lässt sich die Anwendung auch leicht auf die Ermitt- lung von Punktlasten erweitern, indem beispielsweise die Platte 6 mit einem Krafteinleitungselement mit beispielsweise kugelteilförmiger Oberfläche ergänzt oder durch ein solches ersetzt wird. Werden beide Platten 6, 7 mit kugelteiligen Oberflächen ergänzt, dergestalt, dass die Kugelteile koaxial angeordnet sind, im Wesentlichen den gleichen Radius aufwei- sen, welcher grösser ist als die Hälfte des Abstandes der äussersten Punkte der Kugelteile, so erhält man einen ein- gangs genannten Taumelzapfen.

Vorteile des erfindungsgemässen Kraftsensors liegen in der niedrigen Bauhöhe, der gas- und wasserdichten Ausführung des Messteiles, der einfachen Herstellung und der nicht a priori auf einen bestimmten Messwandler festgelegten Bauweise.