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Dokumentenidentifikation DE102006008544A1 30.08.2007
Titel Waage
Anmelder Sartorius AG, 37075 Göttingen, DE
Erfinder Müller, Michael, 37079 Göttingen, DE;
Graf, Winfried, 37127 Niemetal, DE;
Klauer, Alfred, Dr., 37083 Göttingen, DE;
Holst, Heyko, 37085 Göttingen, DE
Vertreter Fiedler, Ostermann & Schneider, 37073 Göttingen
DE-Anmeldedatum 22.02.2006
DE-Aktenzeichen 102006008544
Offenlegungstag 30.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.08.2007
IPC-Hauptklasse G01G 23/00(2006.01)A, F, I, 20060222, B, H, DE
Zusammenfassung Waage mit mindestens einer von einem Motor angetriebenen Verstelleinrichtung, wobei die Verstelleinrichtung von einem Piezoantrieb antreibbar ist, der mindestens einen von einer Piezokeramik in Schwingungen versetzbaren Antriebsfinger aufweist, dessen Antriebsende auf einer geschlossenen Bahn schwingt und zumindest zeitweise gegen ein Antriebselement gedrückt wird, das von dem Antriebsende verschiebbar ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Waage mit mindestens einer von einem Motor angetriebenen Verstelleinrichtung.

Insbesondere in Präzisions- oder Analysewaagen werden für unterschiedliche Verstellfunktionen Elektromotoren, die meist als Gleichstrommotoren ausgebildet sind, eingesetzt.

Entweder werden dabei für die unterschiedlichen Verstellfunktionen unterschiedlich dimensionierte Motoren eingesetzt oder wenn aus Fertigungs- bzw. Kostengründen gleiche Motoren verwendet werden sollen, sind diese nicht optimal für unterschiedliche Verwendungszwecke ausgelegt.

Bei einer bekannten automatischen Gewichtsschaltung einer Waage liegt ein Justiergewicht auf einer Gewichtsauflage auf, die durch Kippen um eine Kippachse absenkbar oder anhebbar ist. Parallel zur Kippachse ist dabei eine Drehachse mit einer exzentrisch gelagerten Kurvenscheibe angeordnet. Ein Anschlag der rechtwinklig ausgebildeten Gewichtsauflage wird dabei durch eine Feder gegen die Kurvenscheibe gedrückt. Die Drehachse wird über ein Getriebe von einem Gleichstrommotor angetrieben. Zur Lagefeststellung der exzentrisch gelagerten Kurvenscheibe bzw. der Gewichtsauflage sind zwei Scheiben mit Steuernocken an der Drehachse angeordnet, die in den vorgesehen Endstellungen einen ihnen zugeordneten Schalter betätigen. Obwohl sich diese Gewichtsschaltung grundsätzlich bewährt hat, ist sie durch die Steuernocken mit Schaltern noch relativ kostenintensiv und durch den verwendeten Elektromotor mit Getriebe noch relativ voluminös.

Eine motorisch angetriebene Gewichtsschaltung sowie eine Arretierung ist beispielsweise auch aus der DE 42 35 250 C1 bekannt. Eine Waage mit einem motorgetriebenen beweglichen Anschlag ist beispielsweise aus der DE 198 28 515 A1 bekannt. Diese Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation weist einen vertikal beweglichen Lastaufnehmer, einen Lagesensor, einen Regelverstärker und eine Spule in einem Magnetfeld eines Permanentmagneten, sowie mindestens einen Anschlag, der die Bewegung des Lastaufnehmers nach unten begrenzt, mindestens einen Anschlag, der die Bewegung des Lastaufnehmers nach oben begrenzt, und eine elektronische Auswerteeinheit auf. Mindestens einer der Anschläge ist beweglich. Der bewegliche Anschlag wird mit Hilfe des Lagensensors so angesteuert, dass der Lastaufnehmer möglichst in derselben Lage gehalten wird wie im normalen Wägebetrieb.

Weiterhin ist aus der DE 28 41 996 C2 eine Gewichtsschaltung für eine Balkenwaage, insbesondere für eine Analysenwaage, mit mehreren Nockenwellen zum Anheben/Absenken der Gewichte und mit einem über Sensoren gesteuerten elektromotorischen Antrieb der Nockenwellen bekannt.

Weiter ist aus der DE 90 06 644 U1 eine Waage mit motorisch bewegtem Windschutz bekannt. Dabei wird ein Wandelement eines die Waagschale umschließenden Wägeraumes von einem Elektromotor bewegt. Dabei wird das Ausgangssignal eines Sensors der Steuerelektronik des Motors zugeführt, wobei Speicher vorhanden sind, in denen eine gewünschte Endstellung für das bewegliche Wandelement abgespeichert ist.

Den bekannten Waagen gemeinsam ist, dass die verwendeten Elektromotoren relativ großvolumig sind, relativ aufwändige Getriebe benötigen und nur über zusätzliche Sensoren positionsgenau arbeiten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die von einem Motor angetriebenen Verstelleinrichtungen zu verbessern. Insbesondere sollen sie möglichst kleinvolumig ausgebildet und möglichst vielseitig in einer Waage einsetzbar sein. Weiterhin sollen kleine und einfache Getriebe einsetzbar sein oder auf Getriebe ganz verzichtet werden können. Insgesamt soll der Aufbau solcher Verstelleinrichtungen vereinfacht und somit kostengünstiger gestaltet werden.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass die Verstelleinrichtung von einem Piezoantrieb antreibbar ist, der mindestens einen von einer Piezokeramik in Schwingungen versetzbaren Antriebsfinger aufweist, dessen Antriebsende auf einer geschlossenen Bahn schwingt und zumindest zeitweise gegen ein Antriebselement gedrückt wird, das von dem Antriebsende verschiebbar ist.

Der Fachmann ist um die Messergebnisse nicht zu verfälschen im Allgemeinen bestrebt, von einer Präzisionswaage mechanische Schwingungen fern zu halten. So versucht er beispielsweise zur Vermeidung von höherfrequenten Schwingungen sogar relativ schwingungsarme Antriebsmotoren mit Gummidämpfern zu dämpfen. Weiter versucht der Fachmann mitunter niederfrequente Schwingungen durch Verwendung von besonderen schwingungsarmen Labortischen zu vermeiden. Es hat sich nun überraschenderweise herausgestellt, dass ein Piezoantrieb mit einem oder mehreren in mechanische Schwingungen versetzbaren Antriebsfingern zu keinen Messwertverfälschungen führt.

Der Piezoantrieb, der mit dem Antriebsende seines Antriebsfingers ein Antriebselement verschiebt, kann einfach, volumenreduziert und kostensparend ausgebildet werden. Besondere schwingungsdämpfende Maßnahmen der Antriebsaufhängung können entfallen. Das separate Antriebselement kann dabei als ein in einer Ebene translatorisch verschiebbares Antriebssteil oder als ein um seine Radachse drehbares Antriebsrad ausgebildet sein. Dadurch ist der Piezoantrieb vielseitig verwendbar.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verstelleinrichtung mit einem sie steuernden Mikrocontroller verbunden. Durch entsprechende Programmierung des Mikrocontrollers kann die Verstelleinrichtung leicht an ihre unterschiedlichen Verwendungszwecke angepasst werden.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erzeugt eine veränderte Kraftrückwirkung auf die Verstelleinrichtung ein entsprechendes elektrisches Signal. Dadurch kann eine Auswerteeinheit, die Teil des Mikrocontrollers sein kann, aufgrund des elektrischen Signals eine Blockierung erkennen und in vorprogrammierter weise reagieren. Auch kann die Verstelleinrichtung als Positionssensor ausgebildet sein bzw. verwendet werden. Durch eine derartige Einrichtung kann damit auf externe Sensoren verzichtet werden. Grundsätzlich ist die Verstelleinrichtung auch durch Zusammenwirken eines externen Positionssensors mit dem sie steuernden Mikrocontroller oder Steuereinheit regelbar.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verstelleinrichtung so ansteuerbar, dass sie eine variable Verstellgeschwindigkeit aufweist. Dabei kann das Antriebselement bzw. das zu verschiebende Teil beispielsweise mit ansteigender oder relativ hoher Geschwindigkeit in eine Vorposition und abnehmender oder relativ niedriger Geschwindigkeit in seine vorgesehene Endposition gefahren werden, so dass das Antriebselement praktisch ruckfrei bewegt wird.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verstelleinrichtung zum Verstellung mindestens eines Gewichtes in einer Gewichtsschaltung ausgebildet. Dabei wird das Gewicht, das auf einer Gewichtsauflage aufliegt, welche durch die Verstelleinrichtung absenkbar und/oder anhebbar ist, auf einen Krafteinleitungspunkt der Waage abgelegt bzw. angehoben.

Um auch relativ schwere Gewichte bewegen zu können, kann die Gewichtsauflage durch Kippen um eine Kippachse abgesenkt oder angehoben werden. Vorteilhaft wird dabei parallel zur Kippachse eine Drehachse mit einer exzentrisch gelagerten Kurvenscheibe, gegen die ein Anschlag der Gewichtsauflage gedrückt wird, vorgesehen. Dabei ist die Drehachse von dem Antriebsrad des Antriebselementes drehbar. Zwischen Antriebselement und Drehachse kann vorteilhaft ein Getriebe vorgesehen sein.

Nicht nur der Piezoantrieb sondern auch das Getriebe kann dabei gegenüber herkömmlichen Elektromotoren mit Getriebe erheblich einfacher und volumenreduzierter ausgebildet sein. Da ein derartiger Piezoantrieb bei veränderter Kraftrückwirkung ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt, benötigt die Verstelleinrichtung weder Steuernocken mit entsprechenden Endschaltern, noch andere Sensoren zur Positionserkennung.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verstelleinrichtung zum translatorischen oder rotatorischen Bewegen eines Wandelementes eines Windschutzes ausgebildet. Damit kann einfach und kostengünstig ein Wandelement bzw. eine Windschutztür bewegt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verstelleinrichtung zum Verstellen mindestens eines Stellfußes ausgebildet. Dabei ist die Verstelleinrichtung in Abhängigkeit von dem Signal eines Neigungssensors steuerbar.

Durch die Verwendung des speziellen Piezoantriebes kann die an sich bekannte Verstelleinrichtung raumsparend und kostengünstig ausgebildet werden.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zum Arretieren ein Lastübertragungshebel von der Verstelleinrichtung gegen einen Anschlag drückbar. Auf ihr lässt sich die erfindungsgemäße von einem Piezoantrieb angetriebene Verstelleinrichtung einfach, volumenreduziert und kostengünstig einsetzen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Verstelleinrichtung zur Lageveränderung eines an einem ortsfesten Teil angeordneten Anschlages ausgebildet, d.h. auch eine Waage mit beweglichem Anschlag kann die oben erwähnten Vorteile aufweisen. Dabei kann der Anschlag so angeordnet werden, dass er in einem unbelasteten Zustand der Waage einen Lastübertragungshebel in seiner Wägeposition hält.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verstelleinrichtung zum Anheben und Entkoppeln einer Lastschale vom Lastaufnehmer ausgebildet.

Schließlich ist es auch möglich, die Verstelleinrichtung zum Bewegen bzw. Öffnen und Schließen einer an der Waage angeordneten Schublade auszubilden.

Für die vielfältigen unterschiedlichen Funktionen kann jeweils der gleiche Piezoantrieb mit entsprechend angepasster Verstelleinrichtung verwendet werden. Im Prinzip kann der Antriebsfinger auch als Bimorph, bestehend aus zwei piezoelektrischen Schichten mit einer Zwischenschicht und zwei externen elektrisch voneinander getrennten Elektroden, ausgebildet sein.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft veranschaulicht sind.

In den Zeichnungen zeigen:

1: eine Draufsicht auf eine Gewichtsschaltung mit einer kippbaren Gewichtsauflage,

2: eine Seitenansicht der Gewichtsauflage von 1 Entlang der Linie II–II geschnitten,

3: eine Seitenansicht eines Piezoantriebes mit einem um seine Radachse drehbaren Antriebsrad in vergrößerter Darstellung,

4: eine Seitenansicht eines Piezoantriebes mit einem translatorisch verschiebbaren Antriebsteil in vergrößerter Darstellung,

5: eine Seitenansicht einer Waage mit einem translatorisch verschiebbaren Wandelement eines Windschutzes in verkleinerter Darstellung und

6: eine Rückansicht des verschiebbaren Wandelementes von 5 im Schnitt und Ausriss.

Eine Verstelleinrichtung 1 einer Waage besteht im Wesentlichen aus einem zu bewegenden bzw. verschiebenden Antriebselement 2 und einem Piezoantrieb 3.

Das Antriebselement 2 kann dabei Teil eines zu bewegenden Teiles einer Waage sein oder mit dem zu bewegenden Teil in Wirkverbindung bestehen.

Der Piezoantrieb 3 besteht aus einem von einer Piezokeramik 4 in Schwingungen versetzbaren Antriebsfinger 5. Der Antriebsfinger 5 weist an einem ersten Ende 6 eine Feder 7 auf, über die er an einem ortsfesten Teil 8 der nicht weiter dargestellten Waage befestigt ist. Im Bereich des ersten Endes 6 des Antriebsfingers 5 ist die Piezokeramik 4 in einer durchgehenden Öffnung angeordnet, wobei ihre zwei einander gegenüberliegenden Stirnseiten mit der ihnen benachbarten Fingerwandung fest verbunden sind. Die Piezokeramik 4 ist elektrisch mit einer Steuerung 13 bzw. einem Mikrocontroller 14 verbunden. Das dem ersten Ende 6 des Antriebsfingers 5 abgewandte Antriebsende 9 schwingt im Betrieb auf einer geschlossenen, vorzugsweise elliptischen, Bahn und wird von der Feder 7 so gegen das Antriebselement 2 gedrückt, dass dieses von dem Antriebsende 9 verschoben wird. Vorzugsweise wird der Antriebsfinger im Bereich einer Resonanzfrequenz betrieben. Durch Veränderung der Antriebsfingerfrequenz lässt sich dabei die Bewegungsrichtung des Antriebselementes 2 umkehren. Das Antriebselement 2 kann als ein translatorisch in einer Ebene verschiebbares Antriebsteil 10 oder als ein um seine Radachse 11 drehbares Antriebsrad 12 ausgebildet sein.

Die Verstelleinrichtung 1' ist nach einer ersten Ausführungsform zum Verstellen eines Gewichtes 15 in einer Gewichtsschaltung ausgebildet. Das Gewicht 15 liegt dabei auf einer Gewichtsauflage 16 auf, die durch die Verstelleinrichtung 1' durch Kippen um eine Kippachse 17 absenkbar und in entgegengesetzter Richtung anhebbar ist. Entsprechend wird durch Absenken der Gewichtsauflage 16 das Gewicht 15 auf einen Krafteinleitungspunkt 18 bzw. eine Krafteinleitungsauflage abgelegt.

Parallel zur Kippachse 17 ist eine Drehachse 19 mit einer exzentrisch gelagerten Kurvenscheibe 20 angeordnet. Ein Anschlag 21 der Gewichtsauflage 16 wird von einer Feder 22 gegen die fest mit der Drehachse 19 verbundenen Kurvenscheibe 20 gedrückt. Die Drehachse 19 wird über ein Getriebe 23 von dem Antriebsrad 12', das seinerseits von dem Piezoantrieb 3' bewegt wird, angetrieben.

Die Position der Kurvenscheibe 20 bzw. des Antriebsrades 12' kann in Ableitung von der Kraftrückwirkung bzw. Gewichtsveränderung, verursacht durch das Auflegen des Gewichtes 15 detektiert werden. Auch kann die Position der Gewichtsauflage 16 im Mittel gespeichert werden. Der Piezoantrieb 3' kann so gesteuert werden, dass nach Auflage des Gewichtes 15 das Antriebsrad 12' noch um einen vorgegebenen Weg drehbar ist. Der Piezoantrieb 3' kann weiterhin so gesteuert werden, dass nach Abheben des Gewichtes 15 das Antriebsrad 12' noch um einen vorgegebenen Weg drehbar ist. Weiterhin kann eine vorprogrammierte Funktion vorhanden sein, bei der die Gewichtsschaltung einmal rund läuft. Weiterhin kann eine Synchronisationspositionserkennung vorgesehen sein. Der Verfahrweg des Piezoantriebes 3' bzw. des Antriebsrades 12' in eine Synchronisationsposition bzw. auf einen „Synchronisationsschalter" ist auch individuell ohne Abgleichprozesse einstellbar. Die Einstellparameter des Positionsschalters sind in einen Speicher abspeicherbar. Gemäß einer vorprogrammierten bzw. abgespeicherten Geschwindigkeitskurve kann die Verstellgeschwindigkeit des Piezoantriebes durchgeführt werden.

Gemäß den 5 und 6 wird die Verstelleinrichtung 1'' zum translatorischen Bewegen eines Wandelementes 24 eines Windschutzes einer Waage 28 verwendet. Der Windschutz bildet dabei einen die Waagschale 25 umschließenden Wägeraum 26, der durch Verschieben des Wandelementes 24 zugängig wird. An einem in vertikaler Richtung unteren Ende ist an der Unterseite 27 des Wandelementes 24 das Antriebsteil 10'' angeordnet, das von dem Piezoantrieb 3'' bewegbar ist.


Anspruch[de]
Waage mit mindestens einer von einem Motor angetriebenen Verstelleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (1, 1', 1'') von einem Piezoantrieb (3, 3', 3'') antreibbar ist, der mindestens einen von einer Piezokeramik (4) in Schwingungen versetzbaren Antriebsfinger (5) aufweist, dessen Antriebsende (9) auf einer geschlossenen Bahn schwingt und zumindest zeitweise gegen ein Antriebselement (2) gedrückt wird, das von dem Antriebsende (9) verschiebbar ist. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (9) als ein in einer Ebene verschiebbares Antriebsteil (10, 10'') ausgebildet ist. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (9) als ein um seine Radachse (11) drehbares Antriebsrad (12, 12') ausgebildet ist. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (1, 1', 1'') mit einem sie steuernden Microcontroller (14) verbunden ist. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei veränderter Kraftrückwirkung die Verstelleinrichtung (1, 1', 1'') ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt. Waage nach Anspruche 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit auf Grund des elektrischen Signals eine Blockierung erkennt und in vorprogrammierter Weise reagiert. Waage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (1, 1', 1'') als Positionssensor ausgebildet ist. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (1, 1', 1'') durch Zusammenwirken eines externen Positionssensors mit dem sie steuernden Microcontroller (14) regelbar ist. Waage einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (1, 1', 1'') so ansteuerbar ist, dass sie eine variable Verstellgeschwindigkeit aufweist. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (1') zum Verstellen mindestens eines Gewichtes (15) in einer Gewichtsschaltung ausgebildet ist. Waage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht (15) auf einer Gewichtsauflage (16) aufliegt, die durch die Verstelleinrichtung (1') absenkbar und/oder anhebbar ist, wobei das Gewicht (15) auf einen Krafteinleitungspunkt (18) der Waage ablegbar ist. Waage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtsauflage (16) durch Kippen um eine Kippachse (17) absenkbar und/oder anhebbar ist. Waage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Kippachse (17) eine Drehachse (19) mit einer exzentrisch gelagerten Kurvenscheibe (20), gegen die ein Anschlag (21) der Gewichtsauflage (16) gedrückt wird, vorgesehen ist, und dass die Drehachse (19) von dem Antriebsrad (12') des Antriebselementes (2) drehbar ist. Waage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Antriebselement (2) und Drehachse (19) ein Getriebe (23) vorgesehen ist. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (1'') zum translatorischen oder rotatorischen Bewegen eines Wandelementes (24) eines Windschutzes ausgebildet ist. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (1) zum Verstellen mindestens eines Stellfußes ausgebildet ist. Waage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (1) in Abhängigkeit von dem Signal eines Neigungssensors steuerbar ist. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Arretieren ein Lastübertragungshebel von der Verstelleinrichtung (1) gegen einen Anschlag drückbar ist. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Arretieren ein die Last aufnehmender Lastaufnehmer von der Verstelleinrichtung (1) gegen einen Anschlag drückbar ist. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (1) zur Lageveränderung eines an einem ortsfesten Teil angeordneten Anschlages ausgebildet ist. Waage nach Anspruche 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag so anordenbar ist, dass er in einem unbelasteten Zustand der Waage einen Lastübertragungshebel in seiner Wägeposition hält. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (1) zum Anheben und Entkoppeln der Lastschale vom Lastaufnehmer ausgebildet ist. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (1) zum Bewegen einer Schublade ausgebildet ist.






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