专利名称：电子天平的校准砝码装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电子天平的校准砝码装置，具体涉及校准砝码装置的驱动源。
背景技术：
在许多情况下，电子天平是由内置的校准砝码校准的。为了实施校准，具有明确限定质量的校准砝码必须与设置在天平的测力单元上的传力装置有传力接触，由此确定参考值。基于该参考值，可以调节天平进一步的称重参数。在校准实施之后，校准砝码与传力装置之间的接触再次断开，且校准装置被固定在静止位置上。在前述程序中，校准砝码被包括至少一个提升元件和驱动源的移送机构从静止位置移动到校准位置再回到静止位置。在校准位置上，校准砝码与传力装置传力接触；在静止位置上没有传力接触。
已有技术的情况包括不同种类的提升元件和校准砝码装置的实现形式。
欧洲专利EP0468159 B1中公开了一种由楔子垂直移动的校准砝码，该楔子是成对设置的，互相抵靠着水平滑动，由此，使得校准砝码与天平的传力装置有传力接触。该提升元件是由马达通过连接在楔子上的锭子驱动的。
类似的校准装置的垂直升高和降低是通过欧洲专利申请EP0955530 A1中描述的一种装置实现的。砝码固定在支撑器上，支撑器被电驱动的提升元件所移动。
在德国专利DE20318788 U1中描述的一种单一校准砝码由斜坡状提升元件抬起和降低，斜坡状提升元件被线性驱动并执行一种趋于平行的运动。
在许多天平中，校准砝码装置和传力装置以欧洲专利申请EP0955540A1中公开的方式并排地设置。然而，校准砝码也可以被分开，如分成两个校准砝码，它们的侧面连接在传力装置上，像欧洲专利EP0789232B1中所公开的具有圆柱体形状的校准砝码一样。这两个相同的砝码设置在传力装置的两个相反侧。已公开的用来移动校准砝码的两种不同机构。在第一种情况下，包括导向销的校准砝码坐落在设置成支撑吊架的校准砝码支撑器上。为了执行校准，一侧装有枢轴的校准砝码支撑器向下倾斜，由此校准砝码被降低到校准砝码支撑器下面的两个校准砝码接收器上，它们具有棍或杆的形状并被连接到传力装置上。在第二种情况下，静止位置上的砝码落在校准砝码支撑器上，而校准砝码支撑器设置在被连接到传力装置上的两个校准砝码接收器之间。为了执行校准，校准砝码支撑器的垂直向下运动将使得校准砝码与校准砝码接收器相接触。
通常，上述的提升元件是由小的伺服电动机驱动的。利用伺服电动机的弊端是伺服电动机要在天平的测力单元中用相对较大的空间，由此就不必要地增大了测力单元本身的尺寸以及天平的尺寸。
尤其是在高灵敏度的电子天平中，称重结果受静电电荷与相互作用的影响或甚至被其改变。用来驱动移送机构的伺服电动机包括非导电的齿轮箱部件，在其操作过程中通过摩擦产生静电场。合成静电场以及电磁场很强，足以影响称重结果，尤其是在高灵敏度的天平中。
日本专利申请JP-59090031A中示出了与天平相关的另外一种驱动源，该专利公开了与天平一起使用来确定样品的体积和比重的形状记忆合金(SMA)的用法。形状记忆合金的形状象两端都连接到钩子上的螺旋弯曲的导线，上面的钩子连接到天平上，样品悬挂在下面的钩子上。首先在空气中测量样品的重量。在下面的步骤中，SMA导线被红外线照射并因此间接加热。加热引起SMA材料的轴向收缩，其影响是在整个过程中都保持固定在钩子上的样品降低到设定在适当位置的恒温槽中，由此就测得了样品在水下的重量。
在这种情况下使用的形状记忆合金具有可以改变长度的螺旋弹簧的形状，并设置得作为称重盘的延伸或替代。该弹簧从设置在弹簧和恒温槽上方的天平上自由地悬挂下来。弹簧的运动不是由限制所导向的，这意味着样品可以自由旋转、倾斜或摇摆。在这种测量中的重要问题是样品可以完全浸没在液体中；在这个过程中，只要没有液体从容器中溢出，速度就是无关紧要的。
已有技术中已知的校准砝码装置几乎总是包括相对大的驱动源。
发明内容
因此，本发明的目的是对校准砝码装置进行改进，特别需要对移送机构的驱动源进行最优化和小型化处理。驱动源需要非常小、紧凑，并且在使用方式上非常灵活。
为了得到上述目的，本发明提出了一种用在具有传力装置的电子天平上的校准砝码装置，所述校准砝码装置包括至少一个能够被耦合到传力装置上的校准砝码，并进一步包括移送机构和驱动源以影响校准砝码的导向运动，其特征在于，驱动源具有致动器，致动器与移送机构协同工作并至少部分地包括形状记忆合金，其中所述致动器形状记忆合金的结构性变化移动校准砝码，所述结构性变化是由温度变化引起的。
形状记忆合金通过其内部结构尤其是晶体结构的改变来移动校准砝码。
形状记忆合金具有两个非常独特的特性。它们具有假弹性并展示出形状记忆效能。这些特性与固态相变即形状记忆合金特有的分子重新排列有关。在大多数的形状记忆合金中，当它们处在相变的温度范围内时，10℃左右的温度变化足以引起相变。在低于相变温度的温度，形状记忆合金处于马氏体相。这个相的特点是材料相对柔软和可变形。在高于相变温度的温度，形状记忆合金处于其奥氏体相，其中材料更坚硬。
形状记忆合金具有不同的物理特性，这取决于它们所受的温度和/或机械力。
当由形状记忆合金制成的物体的温度下降到低于合金的相变温度时，可以观察到形状记忆效能。物体处于柔软的马氏体相，可以容易地发生变形。当温度接着升高到再次高于相变温度时，材料变回到其奥氏体相，同时变形也重新回到其原始形状。
形状记忆合金进一步展示出所谓的假弹性。这个效能发生在合金完全处于奥氏体相的时候，即在高于相变温度的温度上。假弹性是等温效能，其发生不需要温度变化。例如，如果由形状记忆合金制成的物体受到足够大的力，它会使自己从奥氏体相变到马氏体相。由于力是可变形的马氏体承受的，因此物体就会发生变形。然而，当力再次消退时，物体恢复到其在奥氏体相的原始形状。
由温度升高引起的相变释放出可以利用的能量，如用作驱动源。可以容易地用与形状记忆合金接触的加热装置产生温度变化，如IR辐射器、加热线圈、热空气蒸气或电流源。优选的是用电流源作加热源。电流源可以被设计得非常小和紧凑，可以通过天平的电子设备简单而精确地进行控制，除了这两个特点之外，电流源最重要的优势在于其不会生成可能影响称重结果的额外的热量。
相变发生在高于某个温度范围的温度，该温度范围因使用的形状记忆合金的不同而不同。转变温度范围使得有可能通过将温度保持在一特定值来停止形状变化或收缩，或者通过加热速度部分地决定形状变化的速度。
举例来说，当加热到高于其相变温度的温度时，由这种材料制成的导线长度上会根据使用的形状记忆合金收缩某个百分比。结果是，导线可以在附着在导线上的物体上施加拉力。这个效能被用来对移送机构施加推力，并由此引起移送机构改变位置。
致动器的设计决定所施加的力的大小和性质。例如，当其温度被升高到高于相变温度时，由形状记忆合金制成的导线会自我收缩。就是由于温度变化，由形状记忆合金制成的导线会因此对连接在其上的物体施加拉力。因此，使用导线形式的形状记忆合金是较好的选择，因为导线可以被简单迅速地加热，并能不需要额外的措施在空气中再次快速冷却。只是在校准过程中对形状记忆金属加热。作为这个因素以及导线式的致动器设计，几乎不会再有可能影响测力单元并进而对称重结果有不利影响的静电影响。
至少部分地由形状记忆合金制成的致动器不仅代表驱动源的一部分，还能被用作检查位置的传感器。如果形状记忆合金具有导线的形状，导线将在马氏体相和奥氏体相中分别具有不同的电阻值。通过测定导线的电阻值，我们可以因此确定形状记忆合金的电流相位情况以及导线是否收缩，即是否有拉力作用在移送机构上。这代表了关于校准砝码致密性的又一个优势，就是它不需要增加传感器对移送机构进行功能检查。
具有导线形状的致动器的拉力被连接到导线的长度收缩上，导线的长度收缩是由于温度升高引起的相变而发生的。为了获得与给定的校准砝码装置和校准砝码最佳匹配的拉力，因为拉动会影响位移变化，所以需要适宜地选择导线的长度，由于导线的长度只会根据使用的形状记忆合金的种类改变特定的百分比。如果因此预先确定了导线的长度，在一些情况下，为了使被传输的力最大，将导线来回缠绕可能是有利的。优选地，由于相变而消失的导线的拉力因此沿着至少一个圆柱形滚和/或穿过杠杆重新定向。另外，用杠杆和/或滚进行的方向上的改变允许天平测力单元的导线具有非常节约空间和非常灵活的设置。
换向滚最好包括平滑的不导电也不导热的材料，该材料允许导线相对于换向滚滑动而不会引起导线本身或滚的磨损，或甚至引起导线切开滚。因此，极其合适的材料是工业聚合物，尤其是特氟纶。
校准砝码装置的移送机构包括复位元件和提升元件。也有可能是单一元件如弹簧执行复位元件和提升元件的复合功能。提升元件影响带有校准砝码的校准砝码夹持器的导向位移，由此当执行校准的时候，可以使校准砝码与天平的传力装置有传力接触。在完成校准以后，传力接触再次断开，并且移送机构需要恢复到其静止位置。这项任务是由复位元件执行的，其提供了足够大的力来使移送机构回到其静止位置。
随着导线形状的致动器冷却下来，复位元件还进一步具有使致动器延伸回其原始长度的功能。一旦热供应被中断，导线就开始冷却。当制成导线的形状记忆合金被迫使经过低于其相变温度的温度时，形状记忆合金变得更可变形，并且导线因此再次回到其原始形状和长度。这个程序是由复位元件支持和加强的。
移送机构可以包括不同种类的提升元件。提升元件最好被构造成成对存在的互相抵靠着滑动的楔子，压缩螺旋弹簧或至少一个铰接式连接。在构造成螺旋弹簧的情况下，后者可以同时起到复位元件的功能。
为了执行校准，要使校准砝码与耦合到传力装置上的至少一个校准砝码接收器有传力接触。
构成致动器的至少部分部件的形状记忆合金具有高于70℃的相变温度，最好是高于80℃。因此，带有驱动源的天平可以被储存在从-10℃至+70℃的温度范围内，这个温度范围对天平来说是正常的，驱动源至少包括部分形状记忆合金。
形状记忆合金包括但不限于一组合金，包括NiTi2、CuZn、CuZnAl、CuZnGa、CuZnSi、CuAlNi、CuAuZn、CuSn、AuCd、AgCd、NiAl和FePt。最好的选择是镍—钛合金，其中镍的含量至少为40％，最好是约50％。该合金的相变温度为至少90℃。当超过相变温度时，这种合金制成的直径为150μm左右的导线的长度会收缩大约4％。
附图中示出了与电子天平的传力装置有关的校准砝码装置的设计方案以及校准砝码装置的几个实施例，下文将对其进行描述。由形状记忆合金制成的致动器，最好是导线形状，将会被称作SMA线。
在附图中图1所示为电子天平的传力装置的示意性侧视简图，该电子天平具有延伸的校准砝码接收器，在靠近传力装置的位置是处于静止位置的校准砝码装置，其校准砝码具有校准砝码轴；图2所示为校准正在发生时的图1中的传力装置和校准砝码装置的示意性侧视简图；图3所示为校准砝码装置的透视图，其中校准砝码装置具有由形状记忆合金制成导线形式的致动器，导线绕三个滚来回缠绕；图4所示校准砝码装置的透视图，其中校准砝码装置具有由形状记忆合金制成导线形式的致动器，导线绕一个滚来回缠绕；
图5所示为移送机构的示意性正视简图，该移送机构具有构造成铰接式连接的提升元件，其中连接的旋转轴是垂直于校准砝码轴定向的；图6所示为移送机构的示意性侧视简图，该移送机构具有构造成铰接式连接的提升元件，其中连接的旋转轴是平行于校准砝码轴定向的；图7所示为移送机构的示意性侧视简图，该移送机构具有构造成铰接式连接的提升元件，其中连接的旋转轴是平行于校准砝码轴定向的，且致动器由杠杆从一个方向导向至另外一个方向；图8所示为移送机构的示意性正视简图，该移送机构具有弹簧装置形式的提升元件；图9所示为移送机构的示意性正视简图，该移送机构具有构造成楔子的提升元件，楔子成对互相紧靠着移动；图10所示为传力装置的透视简图，该传力装置具有设置在侧面的校准砝码装置，该校准砝码装置通过校准砝码夹持器的垂直下降使校准砝码与传力装置有传力接触；及图11所示为传力装置的透视简图，该传力装置具有设置在侧面的校准砝码装置，该校准砝码装置通过校准砝码夹持器的倾斜运动使校准砝码与传力装置有传力接触。
具体实施例方式
图1和图2所示都为已有技术中描述的校准砝码装置4，示出了其例如在电子天平中相对于传力单元的传力装置1的位置。图1中的校准砝码装置4处于其静止位置，而图2示出了校准时的情况。传力装置1包括平行导向的机构，该机构具有固定的平行四边形腿5和可移动的平行四边形腿7，其中两个平行四边行导杆6将平行四边形腿7夹到平行四边形腿5上。称重盘(附图中未示出)通过圆锥体8连接到可移动的平行四边形腿7上，称重盘上有负载时，可移动的平行四边形腿7可以沿着重力的方向相对于固定的平行四边形腿5移动。传力装置1包括第一耦合元件9，当有力被引导至可移动平行四边形腿7上时，第一耦合元件9将这个力传递到杠杆机构上。在图中所示的传力装置1中，杠杆机构具有第一减力杠杆10，它被第二耦合元件12连接到第二杠杆11上。第一和第二耦合元件9、12分别通过以细连接线形式的挠性接头作用在第一和第二杠杆10、11上。
可移动平行腿7在重力方向上的位移会使力被传递到杠杆机构上。杠杆机构将这个力减弱并进而将这个力传递到力补偿装置41上，力补偿装置41经常是基于电磁原理的，附图中没有详细示出。
平行导向机构5、6、7，第一和第二耦合元件9、12，及第一和第二杠杆10、11以这样一种方式由完全呈砖形状的材料块制成材料块的不同材料部分彼此之间被成狭窄线性切口13形式的无材料空隙分隔开来，狭窄线性切口13从垂直于材料块最大表面所在平面的方向切穿材料块。狭窄线性切口13最好由电火花腐蚀产生。
杠杆10上有孔，两个校准砝码接收器通过适合的紧固件44固定在孔处，因此校准砝码接收器2充当了在第一杠杆10的力输入侧上的较短杠杆臂的延伸。校准砝码接收器2的第二杠杆设置在传力装置上的相反侧上，平行于第一杠杆，在该图中看不到。
如图1中所示，在称重过程中，校准砝码3落在校准砝码夹持器14上，并被推压抵靠校准砝码装置的横向部件21，横向部件21被构造成放置支架。校准砝码3包括校准砝码轴z。为了清晰明了，面向观众的横向部件在该图和图2中都被省略了。
为了执行校准，通过移送机构将校准砝码下降到两个校准砝码接收器2上，由此校准砝码与杠杆机构有了传力接触，如图2所示。在图中所示的情况下，校准砝码3完全落在校准砝码接收器2上，不再与校准砝码夹持器14有接触。移送机构被校准砝码夹持器14遮挡，我们无法看到它。移送机构包括提升元件和驱动源。在许多情况下，偏心轮被用作提升元件，由可通过商业渠道获得的伺服电动机(附图中未示出)供给动力。通常，驱动源相对于校准砝码装置被横向设置，在附图中不是在附图平面的前面就是在它的后面。
图3所示为校准砝码装置的透视图，其中SMA导线16构成致动器的部件。校准砝码装置安装在底盘22上并且大致包括两个构造成放置支架的横向部件21、121，包括提升元件23、123和构造成压缩螺旋弹簧的复位元件18的移送机构，校准砝码夹持器314，三个换向滚17、117、217，以及起致动器功能的SMA导线16，还带有象征性示出的用来连接电加热装置的电连接37。校准砝码装置的两个横向部件21、121被构造成放置支架，用来将校准砝码(见图1和图2)固定在其静止位置，此处用校准砝码轴z表示校准砝码的定向。作为校准砝码的底座，横向部件21、121具有近似圆形的切口。处于静止位置的校准砝码落在校准砝码夹持器314，被复位弹簧18的力推至紧靠放置支架21、121，以保护校准砝码不因硬物重压或振动而跳离其位置。
校准砝码夹持器314被刚性地连接到提升元件23、123上，并被两个导杆25限制在垂直移动方向上，这两个导杆25被固定在横向部件21、121上，并穿过两个长孔24伸到校准砝码夹持器内。长孔24限定校准砝码夹持器314的最大垂直移动范围，同时还作为安全装置，用来防止校准砝码夹持器314倾斜。
校准砝码夹持器314被提升元件23、123和/或复位弹簧18垂直移动。提升元件23、123被设计成两个铰接式连接，其中至少有一个被连接到包括SMA导线16的致动器上。图5中更清晰地示出了铰接式连接23、123。原则上，每一个铰接式连接都由两个具有活结连接的成形件组成。作用在连接上的水平力将导致铰接弯曲，在附图所示的例子中是向横向部件121的方向弯曲。结果，固定在铰接式提升元件23、123上的校准砝码夹持器314执行由长孔24和导杆25引导的垂直向下的运动。
在此处的实施例中，SMA导线16被直接固定到铰接式连接123的关节上，其依次被连接到铰接式连接23上。起致动器作用的导线16包括形状记忆合金，当温度升高到高于其相变温度时，由于从马氏体相到奥氏体相的相变，形状记忆合金的长度会收缩。在附图中只是象征性示出的连接37是用来连接电加热装置如电源的，它被连接到SMA导线16的一端，并用来加热SMA导线16。需要第二电导线来闭合电路，第二电导线被连接到导线16的另一端，但是在该图中，它被校准砝码夹持器314和横向部件121遮挡，我们无法看到。为了简明的目的，随后的附图和示例只示出用来连接电加热装置如电源的连接。在使用电源的情况下，接地连接被设置在SMA导线上与供电连接相反端上的合适点上。
在该示例中使用的形状记忆合金为导线形式的镍—钛合金，直径约为150μm，当其温度在相变温度范围内升高时，其长度会收缩4％左右。为了产生铰接式连接23、123弯曲所需的足够大的力，需使用大约100mm长的镍-钛导线16，所以导线的拉力引起大约4mm的位移。
为了最佳地利用可利用的空间并传递拉力，导线16绕至少一个滚来回缠绕，在本实施例中是绕三个换向滚17、117、217。圆柱形的两个滚17、117位于校准砝码装置的其中一个狭窄侧上，另一个相同形状的滚217位于相反的狭窄侧上。滚圆柱是可旋转地安装的，包括至少一个环形槽27，SMA导线16通过该环形槽27平行于底盘22缠绕。该实施例中的滚由不导电也不导热的特氟纶制成，经过合适的处理，滚具有非常光滑的表面，所以SMA导线是以实际上不产生损耗的方式缠绕的。特氟纶还进一步使SMA导线在其纵向上自由滑动。图3所示的每一个滚17、117、217都包括三个的槽27，它们至少沿着滚的部分周长引导SMA导线。
SMA导线16被固定在滚17上，从那儿到滚117再回到滚17，在导线穿过校准砝码装置的横向部件21、121上的两个孔28(只能看到其中之一)之前，会再次被两个滚17和117引导至校准砝码装置相反侧上的第三滚217。滚217逆转导线16的方向，以使其穿过另一个孔(此处看不到)到达提升元件123，其上固定着导线16的另一端。只要有电流供应给导线16，导线16就相对于其原始长度处于收缩状态，并对提升元件23、123施加一个力，以使它们使校准砝码夹持器314垂直向下运动。在这种情况下，由SMA导线16收缩产生的力与校准砝码夹持器314和校准砝码的重力需要能够抵消复位弹簧18的弹簧力。在此过程中，校准砝码被降低到两个校准砝码接收器上(见图1或图2)，它们分别处在设置在校准砝码夹持器314和横向部件21、121之间的空间内。为使校准砝码夹持器314复位到其静止位置，施加于导线16的热流被中断。导线16冷却，转变成更易变形的马氏体相，并再次增加长度。结果，作用在提升元件23、123上的力减小，并且由于复位弹簧18的弹簧力，校准砝码夹持器314被向上推到其静止位置。在这种情况下，当SMA导线16还在冷却的同时，复位弹簧抵消SMA导线16留存的张力，复位弹簧还抵消校准砝码夹持器314和校准砝码的重力。与此同时，通过使铰接式连接23、123变直，复位弹簧18的力在SMA导线冷却的时候作用在其上，将导线拉回至其原有长度。
图4所示的校准砝码装置与图3示出的完全一样，用同样的附图标记表示同样的元件，除了图4中的SMA导线16绕另外的路径缠绕。SMA导线16同样被连接到铰接式连接123上，但是它只是绕一个圆柱形的滚217来回缠绕。导线16的一端被连接到铰接式连接123上，另一端被连接到滚217上。在该实施例中，槽27被连接到一种环绕滚圆柱的螺旋槽上。为了对SMA导线16加热，同样有连接37用来连接电加热装置。
在图5中可以看出铰接式连接形式的提升元件的实用原则，图5所示为移送机构的示意图，该移送机构包括校准砝码夹持器314，两个铰接式连接23、123，复位弹簧18，以及形成致动器的部件的SMA导线16。校准砝码的定向是由校准砝码轴z表示的。铰接式连接23、123中的每一个都包括两个具有关节状连接的成形件30，此处的连接轴是与校准砝码轴z成直角定向的。成形件30通过合适的连接装置29如铆钉或枢轴互相连接到一起，并进一步通过同样的连接装置26连接至毗连部件38。毗连部件38按顺序分别被紧固到校准砝码夹持器314和底盘22上。连接装置26、29被构置能允许成形件彼此之间以这种方式旋转整个铰接式连接23、123能够折叠并再次完全伸展开，类似于活结连接。为了迫使两个铰接式连接23、123一起运动，它们被刚性的连接装置45连接到一起。例如，连接装置45可以被构造成杆或棒。在图5中，从静止位置到校准位置的位移的运动方向由铰接23、123的弯曲位置表示。铰接连接23、123的成形件30或者具有在垂直于附图平面的方向延伸超过校准砝码夹持器314整个深度的长度，或者是由成对设置的至少四个薄的成形件30组成，对与对之间例如通过杆互相连接。设置在铰接23、123之间的是复位弹簧18，它依次被连接到底盘22和校准砝码夹持器314上。上文已经描述过复位弹簧18的功能。SMA导线16至少被连接到铰接23、123上，所以当SMA导线因温度升高而发生长度收缩时，会有一个力施加到互相连接的铰接23、123上，由此，导致两个铰接都折叠，这又会接着导致校准砝码夹持器314垂直向下的位移。
具有至少一个铰接的提升元件也可以象图6和图7以侧视图所示的那样设置。在这两个图中，铰接的旋转轴都设置得与校准砝码轴z平行。铰接连接223的设计与图5所示的类似，其形成铰接的成形件130或者具有单一构造，即在本示例中几乎占据校准砝码夹持器314的整个宽度，或者被构造成由合适的连接装置126、129如枢轴或锚定可旋转地连接到一起的扁平盘。在铰接式连接223为盘状的情况下，一对连接223通过例如象杆一样的连接装置126、129连接到一起，其中杆的长度约等于校准砝码夹持器314的宽度。同样如图5所示，SMA导线16被固定到两个成形件130之间，最好是固定到连接装置129上，使得当SMA导线16因温度升高而发生长度收缩时，会有拉力施加到铰接连接223上，由此导致铰接连接223在由连接装置和两个成形件130形成的关节处弯曲，这还会依次引起校准砝码夹持器314垂直向下的位移，如图所示。该移送机构同样包括复位元件118，其具有压缩螺旋弹簧的形式并被安装在底盘22和校准砝码夹持器314之间。复位元件118的功能与上文所述的复位元件的功能类似。
SMA导线可以如上文所述的实施例中一样直接附着在铰接连接上，或者可以由连接到铰接上的杠杆或滚重新导向。图7所示的移送机构与图6中的完全相同，但是图7示出了驱动源的另一个附加装置，驱动源由SMA导线16组成。SMA导线16被固定到杠杆40上，杠杆40刚性地连接到位于图7中铰接中间位置上的连接装置129上。当有拉力施加到杠杆上时，拉力会引起铰接223弯曲，如图6和图7所示。杠杆40可以被刚性地连接到连接装置129的中间位置处或者被连接到两个成形件130之一的较低一端上。除了杠杆40，用固定到铰接的滚来重新导向SMA导线16的拉力也是可以理解的。
除了上文所述的铰接，校准砝码装置还可以包括图8至图11所示的其它种类的移送机构和/或提升元件。
图8所示为校准砝码装置的示意性正视图，校准砝码装置具有构造成弹簧装置的提升元件。校准砝码夹持器314安置在至少两个压缩螺旋弹簧上。在附图的实例中，有三个排列成三角形的螺旋弹簧31、131。压缩螺旋弹簧131设置在校准砝码夹持器314一半的中点的下面。与弹簧31对比，弹簧131并不是直接被安装在底盘22上，而是被支撑在一种基座39上。三个压缩螺旋弹簧31、131的这种排列降低了校准砝码夹持器314翻倒的趋势。这些弹簧31、131的弹簧力足够抵消校准砝码和校准砝码夹持器314的重力。校准砝码的定向是由校准砝码轴z表示的。
在该实施例中，SMA导线16被直接连接到校准砝码夹持器314上，并绕换向滚32缠绕。延伸到换向滚32为止、平行于第一导线的第二导线116被连接到可移动的滑座33上。在其静止位置上，滑座33与过载镙钉34相接触，并由此将校准砝码夹持器314所在的位置锁闭。当通过象征性表示的连接电加热装置的连接37对导线16、116加热时，SMA导线16收缩到较短的长度并向下拉动校准砝码夹持器14，与弹簧31、131的力相抗衡。第二导线116也同时收缩到一较短长度，并拉动滑座33至一侧，使得过载镙钉34不受其安全性限制的制约。因此，校准砝码夹持器的最大垂直位移由过载镙钉34和底盘22之间的距离决定。
此处用作提升元件的弹簧装置被热导线16的拉力所压缩。在校准完成之后，加热装置被关闭，导线16冷却并再次回到更易变形的状态。弹簧31、131再次被减压，将校准砝码夹持器314移动到其静止位置并在SMA导线16冷却的时候施加一个力到其上，使得其再次被拉伸至其原始长度。因此，弹簧装置起到提升元件以及复位元件的作用。滑座33被另一个复位弹簧42的力拉回到过载镙钉34的下面，复位弹簧42也将固定到滑座33上的导线116拉伸至其原始长度。复位弹簧42是以与压缩螺旋弹簧31没有接触的方式固定的。
对形成弹簧组的压缩螺旋弹簧31、131来说，同时起到复位元件的功能也是可能的。这是通过改变过载镙钉34与换向滚32在图8中的的位置来实现的。因此第二SMA导线116和复位弹簧42就变得多余了。
欧洲专利EP0468159B1中公开的包括作为提升元件的楔子的移送机构同样可以由具有电加热装置的SMA导线致动。图9所示为带有楔子的移送机构的正视图。校准砝码夹持器被楔子35、36、136垂直移动，楔子35、36、136互相紧靠着成对移动。较低的两个楔子36、136被刚性连接元件46固定地连接到一起。如果以导线16形式的形状记忆合金被用作致动器，导线就被附加到较低的两个楔子36、136之一上。当通过连接到导线一端(连接37只是示意性示出)的电加热装置对导线加热而使温度在相变温度范围内升高时，SMA导线16会收缩到较短长度。SMA导线16收缩释放出的机械能量引起楔子36、136的水平位移。在图9的情况下，楔子36、136向左移动。同时，上面的两个楔子35沿着其与楔子36、136的接触面向下滑动，由此连接到上面的楔子35上的校准砝码夹持器314被降低。选择SMA导线16的长度以使在温度升高的情况下，导线将能够抵抗固定在楔子136上的复位弹簧218的复位力而移动下面的楔子。复位弹簧218再次起到使楔子35、36、136回到其静止位置并在SMA导线处于冷却相时将其拉伸至其原始长度的作用。
欧洲专利EP0789232B1中公开了校准砝码装置104和传力装置101相组合的另一个实施例。图10和图11示出了该组合与包括SMA导线的致动器一起的透视图。在图10中有两个校准砝码103(其中只有一个能看到)横向设置在单片式传力装置101上。当校准砝码103处于静止位置时，它整个落在固定在传力装置101固定部上的校准砝码夹持器114上，并且校准砝码与传力装置101的杠杆机构没有连接。为了执行校准，校准砝码夹持器114被降低，使得校准砝码103被放置在两个校准砝码接收器102上(只能看到其中一个)，它们被连接到传力装置101的杠杆机构上，由此使得校准砝码与杠杆机构有传力接触。校准砝码夹持器114的运动是对SMA导线16电加热引起的，SMA导线16对校准砝码夹持器114的底部施加拉力。在该图中只是示意性地示出了用来连接电加热装置的连接37。被固定到底盘122上的滚43使导线16的方向发生改变，导线16进一步根据可用的空间缠绕和/或改变方向。在成功校准之后，对导线16的电流供应被中断，并且复位弹簧318的力使校准砝码夹持器114回到其静止位置。在该操作中，校准砝码夹持器114从底部接触校准砝码并将其提升，由此取消了校准砝码103与校准砝码接收器102之间的传力接触。另外，在校准之后，复位弹簧318在导线16冷却时使其延伸回到其原始长度。
在图11中，同样有两个校准砝码103横向设置在传力装置101上。第二校准砝码位于传力装置101的相反侧，在该透视图中被遮挡，无法看到。图11中的校准砝码装置204包括叉形的校准砝码夹持器214，该叉的封闭端在传力装置101的固定部上可倾斜地转动。在叉齿远离传力装置101的自由端，SMA导线16的一端被附着到校准砝码夹持器214上。安装在底盘122上的滚43使SMA导线16的方向发生改变，并且，SMA导线进一步根据可用的空间缠绕和/或改变几次方向。SMA导线16被连接到电加热装置上，此处只是示意性地将电加热装置表示为连接37，导线可以根据连接37被加热，如通过采用电流。加热导线至高于相变温度的温度，使SMA导线16在长度上收缩并对校准砝码夹持器214施加拉力，这使得校准砝码夹持器响应这个拉力而向下倾斜。结果，处于静止位置时由校准砝码夹持器214槽20中的定位枢轴19夹持的校准砝码103，在其落到两个与传力装置101的杠杆机构相耦合的校准砝码接收器102时，失去与校准砝码夹持器214的接触。有了杠杆机构和校准砝码103之间的传力接触，校准可以得以实施。在完成校准之后，对SMA导线16的电流供应被中断。邻近SMA导线16设置在校准砝码夹持器214和底盘122之间并同样作用在校准砝码夹持器214上的复位弹簧418，使校准砝码夹持器214回到其静止位置并使其分开校准砝码接收器102与校准砝码103之间的传力接触。在断开电流之后，复位弹簧418进一步具有在导线冷却时将其延伸回其原始长度的功能。
所有在前述例子中所示的致动器最好通过将它们连接至电加热装置上来加热，这些致动器具有导线的形式，并至少部分包括形状记忆合金。随着导线的温度升高到高于形状记忆合金的相变温度，导线会在长度上收缩。通过用传统方式测定导线的电阻，这个现象被用来检查校准砝码装置的功能。导线的电阻取决于其长度。由于移送机构和校准砝码的位移与SMA导线长度上的变化结合在一起，因此测定的电阻值能够表示导线的长度并因此能推断出校准砝码装置是在其静止位置还是在其校准位置。
如图3中所示的例子，SMA导线可以绕多个位于校准砝码装置狭窄侧上的滚缠绕。然而，校准砝码装置并不限于这样缠绕SMA导线。用位于校准装置宽度上或与校准砝码装置的底盘成任何角度定向的至少一个滚或至少一个杠杆改变导线的方向也是可以的。由于SMA导线非常柔软，因此有可能将其设置得符合天平测力单元的可用空间的要求，有可能将其缠绕成线圈和/或将其缠绕成方向不同的几段。
如例子中所示，至少一个滚让SMA导线有了方向上的改变。为了使力的传递达到最优化，对导线重新定向数次使导线形成一种线圈，其中导线的两端都作用在同一个元件上，或者使用不止一根导线，最好使它们都平行排列，都是有可能的。除了滚之外，我们当然也可以将其它元件如杠杆用作改变方向的装置。
致动器由形状记忆合金组成，该形状记忆合金能够响应温度变化在马氏体相和奥氏体相之间变换。已经知道有许多形状记忆合金。在优选实施例中，致动器最好是由形状记忆合金制成的。形状记忆合金有很多种，其中包括一组合金，它们包括NiTi2、CuZn、CuZnAl、CuZnGa、CuZnSn、CuZnSi、CuAlNi、CuAuZn、CuSn、AuCd、AgCd、NiAl和FePt。优选的是使用NiTi2合金，理想的是NiTi2合金含镍约50％并具有至少90℃的相变温度。
SMA导线的长度是由形状记忆合金的成分、要产生的力以及所需的提升高度决定的。当温度高于相变温度时，由含50％镍的镍-钛合金制成的直径约为150μm的SMA导线收缩其长度的4％左右。
所使用的形状记忆合金以较长的操作寿命而著称。由这种合金制成的导线可以被加热并冷却10,000次左右，优选的是100,000次，而不会出现材料疲劳。
示例性实施例中的致动器优选构造成导线，因为导线显现出最佳的电阻和加热特性。将致动器设计成具有圆形、椭圆形或矩形截面的扁平带也是可行的。
材料可以变形的特性提供了另一个可能性。举例来说，有可能使用压缩螺旋弹簧形式的形状记忆合金，有适宜的运动学约束，压缩螺旋弹簧可同时起到复位元件和提升元件的功能。
为了实施校准，校准砝码要与校准砝码接收器有传力接触，校准砝码接收器被连接到传力装置的杠杆机构上。在此处讨论的例子中，校准砝码的这个运动受校准砝码垂直位移或倾斜运动的影响。通过利用导线的柔软性，还有可能实现进一步的移送机构。因此，校准砝码被向上推动，以使其脱离与校准砝码接收器的接触，或者驱动源将钢轨向一旁移动，由此就扫清了对校准砝码的阻碍。
上文的优选实施例描述了校准砝码装置与单一传力装置的组合。还有其它已知的传力装置可以与图1所示的校准砝码装置相组合。当然，任何可以与图1所示的校准砝码装置组合的传力装置都还可以与致动器组合，根据上述的实施例，该致动器包括形状记忆合金。
本文展示的校准装置既可以用在高精度的天平中，又可以用在低精度的天平中。
附图标记列表1，101 传力装置2，102 校准砝码接收器3，103 校准砝码4，104，204校准砝码装置5 固定的平行四边形腿
6 平行四边形导杆7 可移动的平行四边形腿8 圆锥体9 第一耦合元件10 第一杠杆11 第二杠杆12 第二耦合元件13 线性切口14，114，214，314 校准砝码夹持器16，116SMA导线17，117，217 换向滚18，118，218，3188 复位元件19 定位枢轴20 槽21，121构造成放置支架的横向部件22，122底盘23，123，223 提升元件24 长孔25 导杆26，126连接装置27 槽28 横向部件上的孔29，129连接装置30，130成形件31，131压缩螺旋弹簧32 换向滚
33 滑座34 过载镙钉35 楔子36，136楔子37 用来连接电加热装置的连接38，138毗连部件39 基座40 改变方向的杠杆41 力补偿装置42 复位弹簧43 换向滚44 紧固装置45 刚性连接装置46 刚性连接装置z 校准砝码轴
权利要求
1.一种用在具有传力装置(1，101)的电子天平上的校准砝码装置(4，104，204)，所述校准砝码装置(4，104，204)包括至少一个能够被耦合到传力装置(1，101)上的校准砝码(3，103)，并进一步包括移送机构和驱动源以影响校准砝码(3，103)的导向运动，其特征在于，驱动源具有致动器(16)，致动器(16)与移送机构协同工作并至少部分地包括形状记忆合金，其中所述致动器(16)通过形状记忆合金的结构性变化移动校准砝码(3，103)，所述结构性变化是由温度变化引起的。
2.根据权利要求1的校准砝码装置，其特征在于，驱动源包括与致动器(16)协同作用的电加热装置。
3.根据权利要求1或2的校准砝码装置，其特征在于，移送机构具有至少一个复位元件及至少一个提升元件。
4.根据权利要求3的校准砝码装置，其特征在于，移送机构具有至少一个能够执行复位元件和提升元件的组合功能的元件。
5.根据权利要求3或4的校准砝码装置，其特征在于，复位元件具有足够大的复位力来将移送元件及校准砝码(3，103)移动至各自的静止位置，并同时在形状记忆合金冷却过程中使形状记忆合金(16)回到其原始形状和/或原始长度。
6.根据权利要求3至5中任一的校准砝码装置，其特征在于，复位元件包括至少一个弹簧(18，118，218，318，418，42)。
7.根据权利要求1至6中任一的校准砝码装置，其特征在于，至少部分包括形状记忆合金的致动器(16)能够起到传感器的作用，能执行检查移送机构的功能。
8.根据权利要求1至7中任一的校准砝码装置，其特征在于，通过至少一个换向装置(17，117，217，32，40，43)，致动器(16)的力被迫改变其方向。
9.根据权利要求8的校准砝码装置，其特征在于，换向装置为滚(17，117，217，32，43)，滚由光滑、滑动的材料制成，优选的是特氟纶。
10.根据权利要求3至9中任一的校准砝码装置，其特征在于，移送机构的提升元件被构造成楔子(35，135，36)的形状，楔子(35，135，36)成对地互相紧靠着移动，或者成至少一个铰接连接(23，123，223，323)的形式。
11.根据权利要求3至9中任一的校准砝码装置，其特征在于，移送机构的提升元件被构造成包括至少两个压缩螺旋弹簧(31，131)的弹簧组的形式。
12.根据权利要求11的校准砝码装置，其特征在于，提升元件的弹簧组(31，131)同时起到复位元件的功能。
13.根据权利要求1至12中任一的校准砝码装置，其特征在于，形状记忆合金是从由NiTi2、CuZn、CuZnAl、CuZnGa、CuZnSn、CuZnSi、CuAlNi、CuAuZn、CuSn、AuCd、AgCd、NiAl和FePt组成的一组合金中选择的。
14.根据权利要求13的校准砝码装置，其特征在于，形状记忆合金是从由镍一钛合金组成的一组合金中选择的，其中镍的含量至少为40％，最好是50％，并且相变温度为至少80℃，最好是至少90℃。
15.根据权利要求1至14中任一的校准砝码装置，其特征在于，致动器(16)的由形状记忆合金组成的部分被构造成导线的形式。
全文摘要
一种用在包括传力装置(1，101)的电子天平上的校准砝码装置(4，104)，该校准砝码装置包括能够被耦合到传力装置(1，101)上的校准砝码(3，103)，并进一步包括移送机构和驱动源，以影响校准砝码(3，103)的导向运动。驱动源包括致动器(16)，致动器(16)与移送机构协同工作并至少部分地包括形状记忆合金，其中致动器(16)通过形状记忆合金的结构性改变移动校准砝码(3，103)，形状记忆合金的结构性改变是由于温度变化而发生的。
文档编号G01G21/26GK1793803SQ20051002298
公开日2006年6月28日 申请日期2005年12月22日 优先权日2004年12月23日
发明者多米尼克·热努, 克里斯托夫·拉策 申请人:梅特勒-托莱多有限公司