專利名稱：電子天平的校準砝碼結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及重量測量儀器特別是電子天平的校準砝碼結構，且本發明尤其涉及校準砝碼結構的傳送機構。
背景技術：
在很多情況下電子天平通過內部校準砝碼來校準。為了進行校準，一個規定質量的砝碼與傳力裝置傳力接觸，或者與測力單元的承載部件傳力接觸，因此確定參考值，上述傳力裝置被設置在天平的測力單元中。基于此參考值，天平的另外的稱量參數可被更新。在校準成功地完成之后，校準砝碼與傳力裝置或承載部件之間的接觸被再次解除，且校準砝碼被固定在停止位置。在上述過程中，校準砝碼被傳送機構從停止位置移動到校準位置，且隨后返回到停止位置。在校準位置，校準砝碼與測力單元或承載部件傳力接觸；在停止位置不存在傳力接觸。許多天平的校準砝碼結構和測力單元是以EP 0 955 530 A1公開的方式設置的，即一個位于另一個的后面。
存在多種移動校準砝碼的傳送機構，其中在其停止位置，校準砝碼一般安裝在與提升系統相連的支撐元件上。
帶有校準砝碼的校準砝碼結構通過多對楔子在垂直方向上被移動，由此校準砝碼被引入與天平的測力單元傳力接觸，上述校準砝碼在EP 0 468 159 B1中公開，上述楔子可水平地朝其它楔子滑動。此傳送機構由電機驅動機構通過連接到楔子上的軸桿來提供動力。
EP 0 955 530 A1所描述的裝置也實現了校準砝碼的垂直提升和降低。此砝碼靠在支撐元件上，此支撐元件通過帶有盤形凸輪提升系統或偏心件的傳送機構來移動。
EP 0 020 030 A1中公開了帶有兩個相互獨立的校準砝碼的校準砝碼結構，其中校準砝碼可被連接到校準砝碼支撐元件以及可與校準砝碼支撐元件相互分離，此校準砝碼支撐元件對于兩個校準砝碼來說是相同的并與測力單元的承載部件相連。逐步校準的目的是檢查校準砝碼本身。如DE 33 30 988 A1所公開的那樣，作為另一種可能性，至少一個校準砝碼可用來擴大稱量范圍。
上述的升降元件通常由小型伺服電機來提供動力。使用伺服電機的缺點為伺服電機在上述測力單元中占用的空間相對較大，由此無謂地增加了測力單元及天平自身尺寸。為了改進校準砝碼結構，人們特別需要使傳送機構的驅動源最優化和最小化。
特別是在高靈敏度的電子天平中，稱量結果也受靜電電荷和交感的影響，甚至可被它們改變。用來提供動力給傳送機構的伺服電機包括電絕緣變速箱部件，此部件在操作過程中由于摩擦而產生靜電場。尤其在高靈敏度電子天平中，作為結果產生的靜電場十分大以至于可以影響稱量結果。
作為前面引用的EP 0 020 030 A1中的驅動源，使用升降磁鐵，在整個校準和測量過程中，該升降磁鐵的能量由電流提供。因此，升降磁鐵具有與大多數小型且有成本效益的驅動源一樣的缺點，原因在于它們不具備自鎖特性。此類驅動機構不適合于用于精確分析天平的校準砝碼結構的操作，這是因為它們產生的磁場和線圈長時間處在電流下所產生的熱量對參考值和稱量結果具有很大的影響。關于驅動機構的術語“自鎖”涉及驅動機構是固定不動時，驅動機構對作用在驅動機構上的力的抵抗能力，使得驅動機構將不會由于這些力而移動。
發明內容
因此，本發明的目的在于提供小的、緊湊的、并能夠靈活地適應不同應用的校準砝碼結構，且此校準砝碼結構的驅動源不會對待測的參考值和稱量結果產生影響，或者僅產生可能的最小影響。
達到此目的的解決方案是通過權利要求1所述的特征來提供的。提供一種重量測量儀器，尤其是天平，除了具有帶有固定部件和承載部件的測力單元外還包括校準砝碼結構，其中至少有一個校準砝碼可以與承載部件連接。如果測力單元具有用于減小力的傳力機構，那么使校準砝碼與傳力機構的杠桿系統在后者的任何位置接合同樣包含在如此處所使用的術語“使校準砝碼連接到承載部件”的意思中。校準砝碼結構具有至少一個校準砝碼，包括至少一個復位元件的傳送機構，提升系統和至少一個定位元件，和驅動源，此驅動源用于在從停止位置到校準位置或從校準位置到停止位置的運動階段轉移校準砝碼。所述至少一個定位元件被設置為多穩態定位元件，其具有限定校準位置的第一穩態和限定傳送機構的停止位置的第二穩態。當然，例如，如EP 0 020 030 A1所公開，為了連接多個校準砝碼到相互獨立的承載部件，多穩態定位元件可以具有校準位置和停止位置之間的其它穩定位置。多穩態定位元件的位置數目依賴于校準過程的步進順序。具有如EP 0 020 030 A1所提出的步進順序的校準需要三穩態定位元件，在其第三穩定位置，兩個校準砝碼中的第一個被結合，而在其校準位置，第二校準砝碼和第一校準砝碼均與承載部件接觸。
但是在大多數情況下，僅使用一個校準砝碼，在此處一個雙穩態定位元件就完全足夠了，此雙穩態定位元件限定兩個位置，即，校準位置和停止位置。
出于具有多穩態定位元件的傳送機構的設計思想，可以使用無自鎖特征的小型且有成本效益的致動器，在此情況下該致動器僅在運動階段需要施加能量。在校準位置、停止位置、以及如果適用的話在另一個穩定位置對傳送機構的支持由復位元件和定位元件的聯合作用來完成，使得致動器不必產生與復位元件相抵消的力。
出于多穩態定位元件的設計思想和復位元件的作用，僅在導向螺栓處在導槽的特定部分時致動器才需要施加能量。在這些部分，例如，可以以幾個能量脈沖的形式施加能量，或者也可以在每個運動階段的開始時僅由一個脈沖來施加能量。
優選使用電氣致動器，且以電流脈沖的形式對此致動器施加能量。當此致動器啟動時，它要能夠克服復位元件的復位力。
在2001冬季學期第11卷的2/01的Wissenschaftsmagazin derRuhr-Universitt Bochum RUBIN中發表了一篇題目為Keep itsimpleKosmak and iLiros的文章，此文公開了一個由形狀記憶線提供動力的緊湊的定位驅動機構。驅動機構的驅動軸在兩個角位置之間來回反復。此種情況下的兩個角位置也由雙穩態定位元件即機械雙穩態多諧振蕩器限定。此種又被稱為SMA線的形狀記憶合金線僅需要少量的空間，不自鎖，因此使其成為了本發明的驅動源。
復位元件的復位力應大于校準砝碼的重力、傳送機構作用在負載方向的力與由傳送機構中的摩擦所產生的阻力的和。復位元件的復位力將傳送機構固定在定位元件限定的校準位置和停止位置。
例如，這可由雙穩態定位元件或機械雙穩態多諧振蕩器來完成，此機械雙穩態多諧振蕩器具有至少一個帶有心形導槽的導向元件，此心形導槽與心形曲線相似，例如其指向外部的角對應于例如，停止位置，而其指向內部的尖角對應于校準位置。至少一個連接到固定部件的導向螺栓被接合進此導槽。復位元件的彈力沿心形的尖端或尖角的各自方向來推動導向螺栓。心形是此種導槽的慣用形狀。當然，也可能使用不同形狀的導槽，這些導槽容許定位元件的至少兩個穩定位置。單個彎曲部分的設計基本適合于相應的傳送機構的結構及其運動次序。也可以使用成型構件來代替導槽，該成型構件的外部或內部輪廓具有與導槽類似的功能。這同樣也可應用于導向螺栓，其設計適合于定位元件的其它部件。
原則上，多數多穩態元件可以用來定位，例如通過彈簧或永久性磁鐵工作的機械雙穩態多諧振蕩器，和氣動與水力解決方案。
為了保證多穩態定位元件的導槽中的導向螺栓在沿槽行進時能處在正確的方向上，且不會經過同樣的彎曲部分再一次地返回，必須提供阻止性裝置來阻止后退運動。這種裝置可以以導槽中的彈性鉗的形式實現，起到類似于鐵路軌道開關的功能，彎曲部分由此被隔開。更簡單的解決方案為使用彈性連接，例如由柔性薄連接部分實現的彎曲彈簧，或被設置在提升系統和多穩態定位元件之間的彎曲樞軸，其中當導向螺栓處在校準位置和停止位置之間時，薄彎曲彈簧連接或彎曲樞軸處在彎曲應力的中性狀態。因此，在穩定位置導向螺栓在相對于導向元件的給定方向上被彈簧偏置，因此由于導槽的幾何形狀，并根據產生于復位元件和薄彎曲彈簧連接各個力矢量合成的力矢量，導向螺栓僅可在一個方向上維持其運動。作為一般的觀察結論，導向螺栓當然也可與提升系統相連，且導向元件可與固定部件相連。
但是，如DE 12 69 012 B1或FR 431 346所描述的那樣，多穩態定位元件也可包括一種例如圓珠筆中使用的機構。這種情形中的定位元件具有導向元件，該導向元件是與測力單元的固定部件相連的旋轉支撐圓柱或套管的形式，其中圓柱的周圍包括至少一個具有兩個位置的導槽，這兩個位置代表校準位置和停止位置，至少一個導向螺栓嚙合在其與提升系統相連的位置。當然，旋轉支撐的圓柱或套管形式的導向元件也可被連接到提升系統，且導向螺栓可被連接到固定部件。
提升系統優選地包括至少一個彎頭聯動裝置。復位元件和提升系統以這樣一種方式相互匹配，即，當一個小的張力作用在提升系統上時彎頭聯動裝置已經變彎曲，由此實現了校準砝碼與測力單元的傳力接觸。復位力又被設計成使其可以在作用于杠桿系統上的力減小時可以拉直彎頭聯動裝置。
根據傳送機構的設計，尤其是提升系統的設計，可以使用不同種類的復位元件。其中，其包括各種類型的彈簧或具有相似作用的其它構件。優選地，復位元件在校準砝碼結構的停止位置被輕輕地拉伸偏置。可以使用不同種類的彈簧，例如杠桿彈簧、壓縮卷簧、拉伸卷簧、扭桿彈簧或片簧。使用杠桿彈簧的特殊優點為彈簧的復位力直接作用在彎頭上，且由于彈簧的連接方式的原因，彈簧自身不震動或不能改變其位置。
優選地，在平行結構中使用兩個彎頭聯動裝置，其中彎頭是通過其軸來連接的，使得兩個彎頭聯動裝置可以同時移動且不會相互阻礙，甚至相互堵塞。一個或多個彎頭聯動裝置又可以包括多個成型件，這些成型件可以通過合適的連接裝置直接或間接地相互連接，或者這些成型件可由一塊料完整地形成。提升系統、復位元件和至少部分定位元件也可整體地相互連接。在適當的結構下，提升系統也可以只有一個彎頭聯動裝置。
復位元件的復位力與使用它的傳送機構相匹配，以便保證校準過程以最優的方式運轉，上述校準過程即為校準砝碼與傳力裝置或承載部件之間的接觸的嚙合和分離。
作為用于帶有配置為彎頭聯動裝置的提升系統的校準砝碼結構的非自鎖致動器，可以使用多種驅動源，尤其是直線驅動，例如軸驅動、帶驅動、磁驅動、和直線電機。驅動機構特別小且尺寸緊湊，至少部分由形狀記憶合金形成。即使對傳送機構進行手工致動也是可能的，其中為了將手工施加的能量脈沖傳遞給傳送機構，當然必須提供傳動裝置。致動器也可通過至少一個滑輪或杠桿改變力的方向從而啟動傳送機構。
但是，多穩態定位元件的使用會產生一個問題，即每次操作重量分析儀器時，校準砝碼結構的實際位置都是未知的。即便重量測量儀器關閉時，此位置也完全可能由于例如震動這樣的外界因素而發生變化。只有給此機構配備昂貴的鎖閉裝置時，才能避免發生上述情況。如果每次操作重量測量儀器時或者在周期性時間間隔內都對校準砝碼結構的實際狀態進行檢查，同時校準砝碼結構轉移到限定狀態，例如轉移到停止位置，那么它將變得更簡單和更具有成本效率。人們可通過例如下列方法用多穩態定位元件來檢查和限定校準砝碼結構的狀態。
首先，確定測力單元的參考信號值，且此參考信號值與分配給它的位置編號1一起存儲。隨后，多穩態定位元件循環經過所有另外的穩定位置直到循環回到參考信號值的位置，其中，在此循環過程中確定測力單元在每個穩定位置的稱量信號值并將其以連續的位置編號序列進行存儲。現在相互比較稱量信號值和參考信號值，由此確定最低信號值，同時確定與后者關聯的位置和與參考值關聯的位置之間的差異。現在從參考值的位置開始并根據所確定的位置差異，給致動器提供所需數量的能量脈沖，直到到達代表停止位置的最低信號值位置。
如果在校準砝碼結構中使用雙穩態定位元件，則過程將被如下所述地簡化再一次地，第一步驟為確定和存儲測力單元的參考信號。其次，發送能量脈沖給致動器，并確定測力單元的稱量信號值；比較參考值和稱量信號值，如果稱量信號值大于參考信號值，則進一步發送能量脈沖給致動器。
如果已經將參考值存儲在工廠中，例如與一種狀態相聯系的稱量信號值，此狀態中，校準砝碼結構處在其停止位置且沒有負載加在承載器上，當然沒必要確定參考值，且在測力單元的稱量信號值與參考信號值相匹配之前一直都給致動器施加能量脈沖，但最多是有多少穩定位置就供應多少脈沖。
附圖中圖解了校準砝碼結構的不同實施例，其中圖1給出了電子天平的測力單元的簡化側視示意圖，此電子天平具有細長的校準砝碼臂和包括臨近測力單元布置的校準砝碼的校準砝碼結構，圖1a示出了處在其停止位置的校準砝碼，而圖1b示出了處在其校準位置的校準砝碼。
圖2給出了校準砝碼結構的簡化側視示意圖，此校準砝碼結構帶有彎頭聯動裝置、配置為形狀記憶合金線的致動器和多穩態定位元件，其中圖2a示出了處在停止位置的校準砝碼結構，而圖2b示出了處在校準位置的校準砝碼結構；圖3給出了校準砝碼結構的簡化側視示意圖，此校準砝碼結構帶有彎頭聯動裝置、配置為形狀記憶合金線的致動器和以旋轉支撐圓柱的形式出現的多穩態定位元件，其中彎頭聯動裝置在彎頭構件之間具有銳角以實現較小的總高度；圖4圖解了以圖3的旋轉支撐圓柱的形式出現的多穩態定位元件，其中圖4a到圖4f表示了定位元件的不同位置；圖5給出了整體形成的傳送機構側視圖，如此處所示其處在停止位置，此傳送機構具有一體組合的超載防護特征和雙穩態定位元件；圖6給出了相似于圖5的整體形成的傳送機構側視祥圖，如此處所示其處在停止位置，此傳送機構具有一體組合的超載防護特征，其中詳細的圖解示出了代替雙穩態定位元件的三穩態定位元件。
具體實施例方式
為了顯現重量測量儀器1尤其是電子天平中的測力單元6和校準砝碼結構2的傳統結構，圖1中以側視解了測力單元6和校準砝碼結構2。圖1a示出了處在其停止位置的校準砝碼結構2，而圖1b示出了處在其校準位置的校準砝碼結構2。測力單元6具有帶有固定部件3和承載部件5的平行導向機構，承載部件5相對于固定部件3被兩個平行四邊形導向裝置4可移動地限制。固定部件3和校準砝碼結構2安裝在底座39上，例如重量測量儀器1的托架基底。承載部件5通過錐形物7連接到稱量盤(圖中未示出)，且當負載被置于稱量盤上時其能夠在重力方向上垂直于部件3移動。承載部件5在重力方向上的位移產生了將被傳輸到杠桿機構8的力，此杠桿機構使該力減小并將其傳輸到力補償系統11，此力補償系統通常是電磁型的，其未在此圖中詳細示出。
測力單元6的平行導向機構3、4、5和杠桿機構8以一種形式形成為大體磚狀材料塊，其形成方式為后者的材料部分被直線窄切口12形式的無材料空間隔開，窄切口12在與其主要表面垂直的方向上切開了材料塊。直線切口12優選地通過電火花腐蝕的方法形成。
杠桿機構8的杠桿9設有通孔，校準砝碼臂13通過適當的緊固裝置41安裝在此處以作為杠桿延伸部，其安裝方式為也可用小質量的校準砝碼14來執行滿載校準。
由圖1a可見，在稱量過程中校準砝碼14放在校準砝碼支撐元件21上，且抵著配置為支架16的校準砝碼結構2的橫向部件推動。在此圖中，面向觀察者的橫向部件已經從校準砝碼結構2上被去除，因此可以看見校準砝碼支撐元件21且尤其是校準砝碼14與校準砝碼臂13之間的接觸區域。這同樣適用于圖1b。
如圖1a所示，校準砝碼14與測力單元6的杠桿機構完全分離。如圖1b所示，為了執行校準，校準砝碼14通過傳送機構(在此圖中其被校準砝碼支撐元件21掩蓋)被降低到校準砝碼臂13上，校準砝碼14由此與杠桿機構8傳力接觸。因此當校準砝碼14處在校準位置時，其完全靠在校準砝碼臂13上。傳送機構包括提升系統和驅動源。在圖1所示的圖形平面的前面和后面，驅動源通常臨近校準砝碼結構2放置。
校準砝碼結構102的簡化側視示意圖由圖2示出，其中圖2a示出了處在其停止位置的校準砝碼結構102，而圖2b示出了處在校準位置的校準砝碼結構102。校準砝碼結構102通過底座39連接到稱量單元(其在此處未被示出)的固定部件，且其包括校準砝碼14，提升系統110，致動器118、119和多穩態定位元件115。
提升系統110包括導桿123，此導桿被限制在垂直于底座39的方向上作直線運動，其還包括一端可旋轉地連接到安裝在底座39上的支點塊140的轉動臂125，且其進一步包括連接構件124，連接構件124的第一端通過樞軸連接到了靠近底座39的導桿123的端部，而其第二端通過樞軸關節126支撐轉動臂125的中部。在由轉動臂125、樞軸關節126和連接構件124形成的彎頭聯動裝置117處，一個力通過非自鎖致動器118、119作用在樞軸關節126區域，上述非自鎖致動器以形狀記憶合金線的形式出現，其可被加熱并作為部分驅動機構使用。形狀記憶合金具有顯著的特點，即由于固體相變的原因，在經過相變溫度時此合金自身的物理特性發生變化。形狀記憶合金在低于其相變溫度的溫度下比在高于其相變溫度的溫度下更易于成形。當形狀記憶合金具有金屬線的形式時，在相變溫度之上的溫度增加具有下述作用，即金屬線使自身收縮并因此使自身施加一個例如拉力的力到此處所示的彎頭聯動裝置117上，從而使后者移動。通過用電流給金屬線118施加能量可以使溫度的增加以簡單的方式發生，如此處所指可通過金屬線一端的電連接引線119來實現。金屬線118在此處未示出的相對端接地。
一旦金屬線自身收縮，樞軸關節126就移出其位置，由此折疊彎頭聯動裝置117，結果導致導桿123在垂直于底座39的方向上作直線運動。由于遠離底座39的導桿123的末端支撐校準砝碼支撐元件121，所以校準砝碼支撐元件將在朝底座39的方向上產生位移。因此，例如在經過提升系統110的提升時間間隔的一半后，位于校準砝碼支撐元件121上的校準砝碼14被放在校準砝碼臂13上并與傳送機構完全分離。為了使此運動反向并因此再次將校準砝碼14從校準砝碼臂13提起，必須在底座39和校準砝碼支撐元件121之間以壓縮卷簧形式設置復位元件122。一旦致動器118的拉力降低，在復位元件122的復位力的作用下彎頭聯動裝置117再次伸直，且校準砝碼14通過提升系統110被提起并與校準砝碼臂13分離。如果致動器118包括SMA線，則校準后金屬線冷卻時復位元件122便具有附加作用，它被拉伸到原來的長度，此過程需要一個力。
為了避免在校準過程中不得不持續給致動器118施加能量以便將傳送機構保持在校準位置，作為多穩態定位元件115的部件的導向元件130被安裝在了底座39的固定位置。導向元件130具有導槽131，該導槽是大體心形的。因此，圖解的多穩態定位元件115也可被稱為雙穩態定位元件115。定位元件115的移動部分通過薄彎曲彈簧連接127被連接到遠離支點塊140的轉動臂125的末端，上述移動部分由導向螺栓129和導向連接構件128構成。圖2a所示的位置代表停止位置。薄彎曲彈簧連接127被偏壓并在導向連接構件128上施加順時針力矩M+，由此導向螺栓129抵著遠離底座39的導槽131的側面而被推動。導槽131的外形和位置與轉動臂125的運動次序相匹配，匹配方式為使產生于彈簧元件127、122的力矢量將導致導向螺栓129始終逆時針行進通過導槽131。
下面對運動次序的描述將提供更為詳盡的解釋。為了更加清楚起見，僅在圖2b中來識別導槽131的一些部分。導槽131具有心形的限定停止位置的指向外部的拐角133和限定傳送機構的校準位置的指向內部的尖角132。遠離底座39的導槽131的凹槽部分將被稱為第一部分134，第一部分134和尖角132之間的部分將被稱為第二部分135，臨近底座39的凹槽部分將被稱為第四部分137，且第四部分137和尖角132之間的部分將被稱為第三部分136。
一旦彎頭聯動裝置117由于致動器118的力而折疊，那么導向螺栓129從圖2a所示停止位置滑過第一部分134，這是因為由薄彎曲彈簧連接127產生的順時針力矩M+的作用，更具體地是因為作為結果而作用在導向螺栓129上的力矢量的作用，此力矢量將后者抵著遠離底座39的第一部分134的側面而被推動。在位于心形的指向外部的拐角133和指向內部的尖角132之間的134部分，導向螺栓129到達一個點，在此點，薄彎曲彈簧連接127達到了彎曲應力的中性狀態。導向螺栓129在向著第二部分135和尖角132的方向上移動的越遠，則薄彎曲彈簧連接127被再次壓縮得越強，但是現在在此方向上其導致薄彎曲彈簧連接施加一個逆時針力矩M-。一旦導向螺栓由于薄彎曲彈簧連接127所產生的力矩而到達第二部分135，則其在朝向底座39的方向上行進通過第二部分135。當到達大約位于第二部分135的中間的第一轉向點138時，對致動器118的能量供應被切斷，且由于復位元件122的彈簧彈力，導向螺栓129滑入尖角132。因此如圖2b所示，轉動臂125保持在表示校準位置的位置。當導向螺栓129位于心形尖角132時，薄彎曲彈簧連接127仍然施加力矩M-，使得導向螺栓129在第三部分136的方向上被推動，且一旦再次施加能量給致動器118，其將行進滑過第三部分136。一旦導向螺栓到達第二轉向點139，能量供應便會被切斷。現在復位元件122朝向心形的指向外部的拐角133牽引導向螺栓129通過第三部分136的第二半和第四部分137。由于結構的幾何形狀的原因，薄彎曲彈簧連接127在137部分中再次經受彎矩的反轉，這樣當到達心形的拐角133時，施加在導向螺栓129上的力矢量再次遠離底座39。轉動臂125和校準砝碼14返回到圖2a的初始位置，此位置代表停止位置。
圖3中的校準砝碼連接機構202的實施例包括提升系統210，此系統基本上與圖2的提升系統110具有相同的功能元件。但為了得到較低的總高度，支點塊240被安裝在了支撐物40上的校準砝碼的上方，支撐物40被剛性連接到底座39且同時用作保持校準砝碼14的支架。結果，彎頭聯動裝置217具有位于連接元件224和轉動臂225之間的銳角。導桿223限于相對于底座39進行直線運動，且連接到導桿223的校準砝碼支撐元件221經配置與圖2的校準砝碼支撐元件121類似，以便將校準砝碼14轉移到校準砝碼臂13并在提升系統啟動時使校準砝碼從校準砝碼臂再次返回。拉伸彈簧形式的復位元件222直接作用在樞軸關節226上并因此抵抗致動器218的拉力。另外，當復位元件222處在停止位置時，其抵著剛性連接到底座39的上擋件241來牽引彎頭217。在此位置，連接構件224相對于旋轉臂225被設置成使作用在提升系統210上的超載通過彎頭聯動裝置217被止擋件241直接吸收，上述超載由于彎頭聯動裝置217的位置而作用在提升系統210上，且此超載可由例如來自外界的震動產生。因此，致動器218未因超載損壞。多穩態定位元件215再次以雙穩態的結構出現，其被設置在致動器218和樞軸關節226之間且與致動器218串聯作用。為了更清晰地示出其功能，此部分以透視圖的形式示出。串行結構并非是絕對的要求；也可以使用平行于致動器218的結構。可旋轉地連接到連接構件228的圓柱形導向元件230具有圍繞凸起的心形中央輪廓249的導槽231，其中中央輪廓249的心形區域位于圓柱的外壁高度。導向元件230被支撐成使其在相對于連接構件228的軸向上只能旋轉而不能移動。理想的情況是，如圖3所示，通過軸承242來引導進行整個多穩態定位元件215直線運動，在軸承242中導向螺栓229也被一體引導。但是，此類導向結構中，連接構件228需要有回轉節，或者至少設計成具有彈性。導槽231被設計成可使得隨著導向元件230相對于固定導向螺栓229的直線運動，導向元件230在每種情況下均通過導槽231的側面部分243、244、245、246、247進入合適的位置，使得導向螺栓229始終順時針行進通過圖3所示的導槽。使用這種結構，重要的是導向元件230相對于連接構件228或軸承242具有一定量的軸承摩擦，這樣導向元件230將停在由導槽230的側面所限定的旋轉角直到下一個側面使導向元件230繼續旋轉為止。結果，顫動或震動不能引起故障。圖3所示的導向元件被設計成用來進行往復轉動。但是，人們也可使用具有給定旋轉方向的旋轉導向元件，此元件在書寫工具業中使用，例如圓珠筆。具有往復或旋轉導向元件的這種實施例尤其適用于在校準位置和停止位置之間需要附加穩定位置的應用。
為了更清楚地說明往復導向元件230的運動功能和次序，圖4a到4f示出了主要的位置。給致動器施加能量時，它開始從圖3所示的停止位置233出發牽引導向元件230通過軸承242。如圖4a所示，在第一部分234，與第一側面243接觸的導向螺栓229使導向元件230轉為方向D。一旦導向螺栓229到達第二部分235并因此到達第二側面244，則導向元件230就會轉為方向U直到導向螺栓299到達第一轉向點238(參照圖4b)。在這一點上，對致動器的能量供應被切斷，且復位元件222的復位力在相反的方向上牽引導向元件230通過軸承242直到導向螺栓229到達校準位置232(參照圖4c)。在此階段，第三側面245使導向元件230在方向U上繼續旋轉。為了移動導向螺栓229通過第三部分236，需要再次施加能量給致動器218直到導向螺栓229到達第二轉向點239。如圖4d所示，在此步驟，導向元件在方向U上被第四側面246再次移動，并由致動器218牽引通過軸承242。如圖4e所示，當導向螺栓229到達第二轉向點239時，對致動器的能量供應被再次切斷，運動方向被逆轉，且復位元件222在朝著停止位置233的方向上牽引導向元件230通過第四部分237。如圖4f所示，在第四部分237，通過導向螺栓229和第五側面247的相互作用，導向片230再次在方向D上進入初始位置。
當然，導向元件230也可具有圖2所示類型的導槽131。但是，為了保證導向螺栓229在導槽131周圍以正確的方向移動，必須通過彈力，例如通過扭桿彈簧，在每個運動階段的正確方向上使這種情形中的導向元件230偏置。
除了到此為止所介紹的校準砝碼結構之外，也可以形成提升系統的彎頭聯動裝置和其它功能部件，例如定位元件的移動部件，此部件由整個一塊構成并使它們與例如圖2和圖3所示機構類似的傳送機構結合。圖5中圖解了校準砝碼結構302中的這種提升系統310，此校準砝碼結構302帶有整體形成的彎頭聯動裝置317。
圖5示出了處在展開狀態的彎頭聯動裝置317，即，彎頭聯動裝置317垂直排列并處在臨近停止位置的地方，而未被抵著止擋件推動。虛線所示輪廓代表了位于附圖平面后面且通常無法看見的元件。
提升系統310優選地由聚合體工藝材料整塊制成。其包括相互連接的三個功能區域。第一功能區域325具有兩個用來固定位移制動元件343的安裝點344，且其進一步包括細長孔326。位移制動元件343和彎頭聯動裝置317相互固定連接且可被看作一個單一元件。第二功能區域340被連接到第一功能區域325，此連接通過彎曲樞軸324其次通過作為復位元件322的拉伸彈簧來實現。第二功能區域340進一步包括杠桿支點348，其支點軸351在提升系統310的最大平面中通過倚著底座39的軸承板349可樞轉地支撐第二功能區域340。滑槽銷352也同樣剛性連接到平行于支點輪軸的軸承板349上。此滑槽銷352配合在細長孔326中并因此限制第一功能區域325的活動范圍。平移運動由細長孔326的長度限定，而繞彎曲樞軸324的旋轉運動由第二功能區域340的杠桿支點348限定。第三功能區域330同樣通過薄彎曲彈簧連接327被整體連接到第一功能區域325。第三功能區域330包括從圖2已知的導槽331。但是，與圖2所示結構不同，圖5中的導槽331相對于剛性連接到底座39的導向螺旋329運動。在此處圖解的停止位置，薄彎曲彈簧連接327對第三功能區域330施加力矩M-，這樣倚著導向螺栓329從底座39上推開了導槽331。因此，導向螺栓329在順時針方向上沿導槽331前進。
如圖5所圖解，致動器318所產生的力的施加點360位于彎曲樞軸324的中央。但是，這并不意味著致動器318將必須被連接到彎曲樞軸324；它也可被固定于位移制動元件343，或者甚至被固定于第二功能區域340。根據杠桿作用規律，力作用點360離支點軸351或滑槽銷352越近，則致動器318必須行進的位移越短，但是力越大。
位移制動元件343具有與支點軸351協作的弧形細長孔353。此特征用來保護彎曲樞軸324不超載，因為一方面彎曲樞軸324的撓曲角由弧形細長孔353的長度限定，而另一方面由震動產生的垂直指向底座39的極值力通過弧形細長孔353的側面被直接傳遞到支點軸351。
在重量測量儀器的校準過程中，致動器318在位移制動元件343上施加一個拉力，相對于附圖所示的情形此拉力指向右邊。這個力具有使第二功能區域340轉移的作用，因此后者略微繞支點軸351轉動并折疊彎頭聯動裝置317。致動器318進一步具有下面的作用，即復位元件322被置于壓力下且彎曲樞軸324被彎曲。結果，位移制動元件343和彎頭聯動裝置317的第一功能區域325向右旋轉并被拖向底座39。校準砝碼支撐元件321向下移動且校準砝碼與測力單元傳力接觸。
形狀記憶合金本身在長度上以一定的百分比收縮。例如，含鎳量約為50％的鎳鈦合金在約90℃的相變溫度下約收縮4％。但是，金屬線318具有柔韌性并可被設置成在方向上變化幾次，例如通過此處所述的由電熱絕緣且光滑滑動的例如特氟綸的聚合物制成的雙滑輪380。金屬線也可通過一種或多種變向裝置布置而在方向上有幾次變化，例如通過杠桿和/和滑輪。
圖6僅示出了校準砝碼結構402的第三功能區域430，此校準砝碼結構將以其他方式與圖5所示的結構相同。與前面附圖所示的所有情況一樣，圖5所示的導槽331具有雙穩態定位功能，但與此不同的是多穩態定位元件415的導槽431具有三穩態定位功能。在停止位置433和校準位置432之間存在第一中間穩定位置490。在具有更多中間位置的多穩態定位元件中，這些中間位置設置在停止位置433和校準位置432之間，這與圖解的三穩態導槽431相似。三穩態定位元件或具有更多中間位置的多穩態定位元件的操作次序與雙穩態方案的操作次序沒有實質性的差異。對于每一個中間位置，為了再次到達初始位置，只須提供附加能量脈沖給致動器。僅在下面位置，薄彎曲彈簧聯動裝置427中彎矩的反向必須只在一些點處發生，在這些點處，導向螺栓429位于停止位置433和校準位置432之間或位于停止位置433和第一中間穩定位置490之間。
除了上述的包括形狀記憶合金的無自鎖特征的致動器之外，原則上人們可使用任何商業上可得的無自鎖驅動源，且優選是任何直線驅動源，只要后者滿足重量測量儀器尤其是電子天平的校準砝碼結構的驅動源的要求。已知的直線驅動源的類型包括軸驅動、帶驅動、磁驅動或直線電機等。甚至手工啟動方案也可使用。
對于復位元件，上述實施例描述的方案主要包括彈簧，例如壓縮卷簧、拉伸彈簧和片簧。除了這些明確描述過的彈簧類型，人們當然可以使用其它類型的彈簧或具有相似作用的部件。依賴于產生的復位力，可能使用一個或多個復位元件。
上述的測力單元僅代表了已知的測力單元的一種。依照本發明的校準砝碼結構也可用在其它測力單元中。
在圖2、3和5中，所示的致動器的施力位置位于彎頭處，但是也可有其它的力作用點。
圖3所示的位移制動元件241配置成一種外殼，而這僅僅為一個例子。也有可能包括任何其它具有同樣作用或執行同樣功能的設計，此類設計當然也可以以合適的形式用在如圖3所示的結構中。
標識號列表1 重量測量儀器，天平402，302，202，102，2 校準砝碼結構3 固定部件4 平行四邊形導向裝置5 承載部件6 測力單元7 錐形物8 杠桿機構9 杠桿11力補償系統12直線切割13校準砝碼臂14校準砝碼16支架321，221，121，21 校準砝碼支撐元件39底座40支撐件41緊固裝置
310，210，110提升系統415，215，115多穩態定位元件317，217，117彎頭，彎頭聯動裝置318，218，118無自鎖傳動裝置，SMA線119 電源引線322，222，122復位元件223，123 導桿224，124 連接元件225，125 轉動臂226，126 樞軸關節427，327，127薄彎曲彈簧連接128 導向連接構件429，329，229，129 導向螺栓230，130 導向元件431，331，231，131 導槽432，232，132校準位置，心形輪廓的指向內部的角433，233，133停止位置，心形輪廓的指向外的拐角234，134 第一部分235，135 第二部分
權利要求
1.帶有測力單元(6)的用于重量測量儀器(1)的校準砝碼結構(102)，所述測力單元(6)包括固定部件(3)和承載部件(5)，其中校準砝碼結構(102)包括至少一個可連接到承載部件(5)的校準砝碼(14)，且其中校準砝碼結構(102)進一步包括傳送機構，后者具有至少一個復位元件(122)、提升系統(110)和驅動源，此驅動源用來在從停止位置到校準位置和從校準位置到停止位置的運動階段轉移至少一個校準砝碼(14)，其特征在于，所述傳送機構包括至少一個多穩態定位元件(115)，其第一穩態限定校準位置(132)而其第二穩態限定傳送機構的停止位置(133)，其特征進一步在于，所述驅動源是一個致動器(118)，此致動器是非自鎖的且僅在傳送機構的運動階段被施加能量。
2.如權利要求1所述的校準砝碼結構(102)，其特征在于，所述復位元件(122)的復位力大于校準砝碼(14)的最大重力，或者大于校準砝碼的最大重力與傳送機構在負載方向上施加的最大力及由傳送機構的摩擦所產生的阻力的和，其特征進一步在于，所述復位元件(122)的復位力將傳送機構保持在由多穩態定位元件(115)所限定的位置上，例如在校準位置(132)或在停止位置(133)。
3.如權利要求1或2所述的校準砝碼結構(102)，其特征在于，所述致動器(118)被以能量脈沖的形式施加能量。
4.如權利要求1到3中任一項所述的校準砝碼結構(102)，其特征在于，在每個運動階段開始時僅發送一個能量脈沖給所述致動器(118)，此能量脈沖足夠轉移校準砝碼(14)，例如從停止位置轉移到校準位置，或者從校準位置轉移到停止位置。
5.如權利要求1到4中任一項所述的校準砝碼結構(102)，其特征在于，所述提升系統(110)包括至少一個彎頭聯動裝置(117)。
6.如權利要求1到5中任一項所述的校準砝碼結構(102)，其特征在于，所述多穩態定位元件(415)是三穩態定位元件，其第一中間穩定位置(490)設置在校準位置(432)和停止位置(433)之間。
7.如權利要求1到5中任一項所述的校準砝碼結構(102)，其特征在于，所述多穩態定位元件(115)是雙穩態定位元件。
8.如權利要求7所述的校準砝碼結構(102)，其特征在于，所述雙穩態定位元件(115)包括導向螺栓(129)和帶有導槽(131)的導向元件(130)，其中導槽(131)包括第一部分(134)、第二部分(135)、校準位置(132)、第三部分(136)、第四部分(137)和停止位置(133)，且其中僅在導向螺栓(229)運動經過第一部分(134)和第二部分(135)到達第一轉向點(138)的時間內和當導向螺栓(229)從校準位置(132)開始運動經過第三部分(136)向第二轉向點(139)行進時，才給致動器(118)施加能量。
9.如權利要求7或8所述的校準砝碼結構(102)，其特征在于，所述雙穩態定位元件(115)包括至少一個帶有心形導槽(131)的導向元件(130)，其中心形的指向外部的拐角(133)代表停止位置(133)而心形的指向內部的尖角(132)代表校準位置(132)，且進一步包括至少一個配合在導槽(131)中并與固定部件(3)連接的導向螺栓(129)。
10.如權利要求1到9中任一項所述的校準砝碼結構(102)，其特征在于，在提升系統(110)和多穩態定位元件(115)之間設置有薄彎曲彈簧連接(127)，其中當導向螺栓(129)處在校準位置(132)和停止位置(133)之間時薄彎曲彈簧連接(127)處在彎曲應力的中性狀態。
11.如權利要求1到9中任一項所述的校準砝碼結構(202)，其特征在于，所述多穩態定位元件(215)包括至少一個導向元件(230)，此導向元件以旋轉支撐圓柱或套管的形式出現并連接到提升系統(210)，其圓柱壁包括至少一個具有至少兩個位置的導槽(231)，上述兩個位置代表校準位置(132)和停止位置(133)，至少一個連接到固定部件(3)的導向螺栓(229)配合在該導槽(231)中。
12.如權利要求1到11中任一項所述的校準砝碼結構(102)，其特征在于，所述復位元件(122)是杠桿彈簧、扭桿彈簧、片簧、壓縮卷簧、或拉伸卷簧。
13.如權利要求1到12中任一項所述的校準砝碼結構(102)，其特征在于，所述至少一個復位元件(122)、提升系統(110)和多穩態定位元件(115)包括至少三個成型構件，這三個成型構件相互直接相連或通過合適的連接裝置連接。
14.如權利要求1到12中任一項所述的校準砝碼結構(302)，其特征在于，所述至少一個復位元件(322)、提升系統(310)、和多穩態定位元件(115)的至少一部分被構造成一個整體件。
15.如權利要求1到14中任一項所述的校準砝碼結構(102)，其特征在于，所述非自鎖致動器(118)是一個直線驅動機構，例如線性電機、軸驅動器、帶驅動器、磁驅動器、與加熱裝置協作的形狀記憶合金線、或手動操作裝置。
16.如權利要求1到15中任一項所述的校準砝碼結構(302)，其特征在于，所述非自鎖致動器(118)通過至少一個滑輪(380)或至少一個杠桿作用于傳送機構。
17.用權利要求1到16中任一項所述的多穩態定位元件檢查和限定校準砝碼結構(102)的狀態的方法，其特征在于a.確定測力單元的參考值，且將所述參考值以位置編號1存儲在存儲器中，b.通過每一個其他的穩定位置，直到再次到達參考信號值的位置，其中在每個穩定位置確定測力單元(6)各自的稱量信號值，且以所述穩定位置被通過的次序按位置編號對所述各自的稱量信號值進行存儲，c.對稱量信號值和參考信號值進行比較，由此確定最小的信號值，且相對于參考值的位置確定其位置，d.從與參考值相聯系的位置出發，經過多穩態定位元件的穩定位置，直到到達具有最小信號值的位置。
18.用根據權利要求7到16中任一項所述的雙穩態定位元件檢查和限定校準砝碼結構(102)的狀態的方法，其特征在于a.確定測力單元的參考信號值，且將所述參考信號值存儲在存儲器中，b.給致動器提供能量脈沖，c.確定測力單元的稱量信號值，d.將所述稱量信號值與參考值進行比較，e.如果所述稱量信號值大于參考信號值，則施加進一步的能量脈沖給致動器。
全文摘要
具有測力單元(6)的用于電子天平(1)的校準砝碼結構，其具有可連接到測力單元(6)的校準砝碼(14)。為了建立和解除校準砝碼(14)和測力單元(6)之間的傳力接觸，校準砝碼(14)被傳送機構和驅動源(118)垂直地移動。傳送機構具有至少一個復位元件(122)，配置為彎頭聯動裝置(117)的提升系統(110)，和多穩態定位元件(115)，其中由于來自多穩態定位元件(115)的反饋，僅在傳送機構的運動階段才提供能量給傳動裝置(118)，該多穩態定位元件(115)的第一穩態限定傳送機構的校準位置(132)，而第二穩態限定傳送機構的停止位置(133)。
文檔編號G01G23/01GK1920500SQ20061011485
公開日2007年2月28日 申請日期2006年8月9日 優先權日2005年8月10日
發明者多米尼克·熱努, 托馬斯·克佩爾, 讓-克里斯托夫·埃默里 申請人:梅特勒-托萊多股份公司
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