DE102005023988B4

DE102005023988B4 - Piezoelectric motor

Info

Publication number: DE102005023988B4
Application number: DE102005023988A
Authority: DE
Inventors: Julian Dr. Chen; Oswald Dr. Pietzsch; Daniel Dr. Haude
Original assignee: Universitaet Hamburg
Current assignee: Universitaet Hamburg
Priority date: 2005-05-20
Filing date: 2005-05-20
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2025-05-21
Also published as: WO2006122816A1; EP1882300A1; DE102005023988A1

Abstract

Piezoelektrischer Schrittmotor mit einem Rotor (13, 13', 21, 21', 100) und einem Stator (10, 11, 12, 112, 112'), umfassend ein Piezoelement (11), das an einem ersten Ende wenigstens abschnittsweise ortsfest ist, wobei der Stator (10–12, 112, 112') ein Zwischenelement (12, 112, 112') umfasst, das mit dem Piezoelement (11) verbunden ist und das den Rotor (13, 13', 21, 21', 100) berührt, wobei das Piezoelement (11) derart durch den Piezoeffekt bzw. den Effekt der Elektrostriktion bewegbar ist, dass das Zwischenelement (12, 112, 112') gegenüber dem wenigstens abschnittsweise ortsfesten ersten Ende des Piezoelements (11) bewegbar, insbesondere drehbar, ist, das Piezoelement (11) wenigstens zwei Elektrodenpaare (29, 29'; 30, 30'; 31, 31'; 32, 32'; 121–128) umfasst, wobei zwischen den Elektrodenpaaren (29, 29'; 30, 30'; 31, 31'; 32, 32'; 121–128) jeweils wenigstens ein Zwischenbereich (40–43) vorgesehen ist und wobei an den Zwischenbereichen (40–43) jeweils Nasen (22, 22', 23, 23') angeordnet sind, die teilweise beweglich und teilweise...piezoelectric Stepping motor with a rotor (13, 13 ', 21, 21', 100) and a stator (10, 11, 12, 112, 112 ') comprising a piezo element (11) attached to a first end is fixed at least in sections, wherein the stator (10-12, 112, 112 ') comprises an intermediate element (12, 112, 112'), which with the piezoelectric element (11) is connected and that the rotor (13, 13 ', 21, 21 ', 100), wherein the piezo element (11) in such a way by the piezoelectric effect or the effect the electrostriction is movable, that the intermediate element (12, 112, 112 ') the at least partially stationary first end of the piezoelectric element (11) is movable, in particular rotatable, is the piezo element (11) at least two electrode pairs (29, 29 '; 30, 30'; 31, 31 '; 32 '; 121-128) comprising, between the electrode pairs (29, 29 ', 30, 30'; 31, 31 '; 32, 32 '; 121-128) in each case at least one intermediate region (40-43) is provided, and wherein at the intermediate areas (40-43) each lugs (22, 22 ', 23, 23') are arranged, some movable and partly ...

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Schrittmotor mit einem Rotor und einem Stator, wobei ein Piezoelement vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Motors.The The invention relates to a piezoelectric stepping motor with a Rotor and a stator, wherein a piezoelectric element is provided. The The invention further relates to a method for operating a piezoelectric Engine.

In Rastertunnelmikroskopen, Rasterkraftmikroskopen oder Rastersondenmikroskopen ist es notwendig, eine genaue Positionierung der Sondenspitze zu der zu untersuchenden Probe zu erreichen. Bei einem spinpolarisierten Rastertunnelmikroskop oder Rasterkraftmikroskop bzw. Rastersondenmikroskop ist es bevorzugt, dass die Spitze oder die Probe rotiert werden kann.In Scanning tunneling microscopes, atomic force microscopes or scanning probe microscopes It is necessary to have an accurate positioning of the probe tip reach the sample to be examined. In a spin-polarized Scanning tunneling microscope or atomic force microscope or scanning probe microscope For example, it is preferred that the tip or sample be rotated can.

Sofern die Spitze eine Magnetisierung aufweist, die parallel zur Probenoberfläche orientiert ist, und auch die Probe eine in-plane (x-y Ebene) Magnetisierung aufweist, ist ein rotierbares Element wünschenswert, um die Magnetisierungsvektoren von Spitze und Probe in eine kollineare Ausrichtung bringen zu können, da die Kontrast stärke bei der Beobachtung magnetischer Strukturen proportional zum Kosinus des Winkels zwischen Spitzen- und Probenmagnetisierung ist. Ein rotierendes Stellelement kann aber auch in vielen anderen Anwendungen zum Einsatz kommen, wo feinste Positionierung gewünscht ist, etwa bei der Ausrichtung optischer Elemente, wie Spiegel etc. oder Monochromatoren. Ein Einsatz kann auch in Teleskopen sinnvoll sein.Provided the tip has a magnetization which is oriented parallel to the sample surface is, and also the sample has an in-plane (x-y plane) magnetization is a rotatable element desirable to the magnetization vectors of the tip and the sample into a collinear To be able to bring alignment because the contrast strength in the observation of magnetic structures proportional to the cosine the angle between tip and sample magnetization is. One But rotating actuator can also be used in many other applications be used where the finest positioning is desired, for example, in the alignment of optical elements, such as mirrors, etc. or Monochromators. An insert can also be useful in telescopes.

Die technischen Voraussetzungen für ein derartiges Rotationselement sind allerdings hochgradig komplex, da derartige Experimente häufig unter Ultrahochvakuum und/oder bei tiefen Temperaturen stattfinden. Außerdem müssen Vibrationen verhindert werden, um verlässliche Messungen zu erreichen und die Probe oder Spitze nicht zu beschädigen.The technical requirements for however, such a rotation element is highly complex, since such experiments are common under ultra-high vacuum and / or at low temperatures. Furthermore have to Vibrations are prevented to achieve reliable measurements and not to damage the sample or tip.

Aus DE 199 09 913 B4 ist eine elektromechanische Antriebsvorrichtung bekannt, die insbesondere zur exakten Positionierung eines Gegenstands im Nanometer- bis Zentimeterbereich geeignet sinnvoll ist, mit einem in einer Lagervorrichtung gelagerten Rotor, wobei die Lagervorrichtung mindestens eine an einem Lagerblock über mehrere Stege begrenzt verdrehbar gelagerte Rotoraufnahme aufweist, die durch mindestens ein von einer elektrischen Spannung gespeistes Piezoelement verdrehbar ist und die Bewegung durch Reibschluss auf den Rotor überträgt, wobei die Stege radial verlaufen und der Rotor langsamen Drehbewegungen der Rotoraufnahme aufgrund des Reibschlusses folgt und schnellen Drehbewegungen der Rotoraufnahme unter Überwindung des Reibschlusses nicht folgt.Out DE 199 09 913 B4 an electromechanical drive device is known, which is particularly useful for the exact positioning of an object in the nanometer to centimeter range, with a stored in a bearing rotor, wherein the bearing device has at least one rotatably mounted on a bearing block over a plurality of webs rotatably mounted rotor receiving by at least a fed by an electrical voltage piezoelectric element is rotatable and transmits the movement by frictional engagement on the rotor, the webs extending radially and the rotor slow rotational movements of the rotor receiving due to the frictional engagement follows and fast rotational movements of the rotor receiving overcoming the frictional engagement does not follow.

Aus der WO 93/19494 A1 ist ein piezoelektrischer Motor bekannt, bei dem ein Torsionsaktuator Verwendung findet, der durch Bonden bzw. Verkleben einer geraden Anzahl von piezoelektrischen Seg menten in einer Röhre mittels eines leitfähigen Klebstoffes erzielt wird. Die Richtung der Polarisation alterniert zwischen den benachbarten Segmenten. Aufgrund des piezoelektrischen Effektes bzw. des Elektrostriktionseffektes wird eine Scherkraft erzeugt, die eine Torsionsdeformation der Röhre hervorruft. Durch Anwenden einer sinusförmigen Spannung der Resonanzfrequenz der Röhre wird eine sinusförmige Torsionsvibration der Röhre erreicht. Durch Anwenden einer sinusförmigen Spannung in der Resonanzfrequenz der Röhre kommt es zu Vibrationsproblemen, die bei Rastertunnelmikroskopen bzw. ähnlichen Mikroskopen unerwünscht sind.Out WO 93/19494 A1, a piezoelectric motor is known, in a Torsionsaktuator finds use by bonding or Bonding an even number of piezoelectric Seg ments in one Tube by means of a conductive Adhesive is achieved. The direction of polarization alternates between the adjacent segments. Due to the piezoelectric Effect or the Elektrostriktionseffektes becomes a shearing force produced, which causes a torsional deformation of the tube. By applying a sinusoidal Voltage of the resonant frequency of the tube becomes a sinusoidal torsional vibration the tube reached. By applying a sinusoidal voltage in the resonant frequency the tube it comes to vibration problems that in scanning tunneling microscopes or similar Microscopes undesirable are.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen piezoelektrischen Motor und ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Motors anzugeben, mittels dem eine sehr verlässliche Rotation eines Rotors ermöglicht ist, wobei Vibrationen vermieden werden sollen und eine präzise Steuerung der Rotation erreichbar ist.It The object of the present invention is a piezoelectric motor and to provide a method of operating a piezoelectric motor, by means of a very reliable Rotation of a rotor allows is where vibration is to be avoided and precise control the rotation is achievable.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen piezoelektrischen Schrittmotor mit einem Rotor und einem Stator, umfassend ein Piezoelement, das an einem ersten Ende wenigstens abschnittsweise ortsfest ist, wobei der Stator ein Zwischenelement umfasst, das mit dem Piezoelement verbunden ist und das den Rotor berührt, wobei das Piezoelement insbesondere als Rotationskörper mit einer Symmetrieachse ausgebildet ist, wobei das Piezoelement derart durch den Piezoeffekt bzw. den Effekt der Elektrostriktion bewegbar ist, dass das Zwischenelement gegenüber dem wenigstens abschnittsweise ortsfesten Ende des Piezoelements, insbesondere um die Symmetrieachse, bewegbar, insbesondere drehbar, ist, das Piezoelement wenigstens zwei Elektrodenpaare umfasst, wobei zwischen den Elektrodenpaaren jeweils wenigstens ein Zwischenbereich vorgesehen ist und wobei an den Zwischenbereichen jeweils Nasen angeordnet sind, die teilweise beweglich und teilweise ortsfest sind.This object is achieved by a piezoelectric stepping motor with a rotor and a stator, comprising a piezoelectric element which is at least partially fixed at a first end, wherein the stator comprises an intermediate element which is connected to the piezoelectric element and which contacts the rotor, wherein the Piezoelement is formed in particular as a rotational body having an axis of symmetry, wherein the piezoelectric element is movable by the piezoelectric effect or the effect of Elektrostriktion that the intermediate element against the at least partially stationary end of the piezoelectric element, in particular about the axis of symmetry, is movable, in particular rotatable, the piezoelectric element comprises at least two pairs of electrodes, wherein in each case at least one intermediate region is provided between the pairs of electrodes and wherein in each case lugs are arranged at the intermediate regions, some of which are movable and partially are stationary.

Unter dem Begriff Piezoeffekt wird im Rahmen der Erfindung insbesondere auch der Effekt der Elektrostriktion verstanden.Under The term piezoelectric effect is used in the context of the invention in particular also understood the effect of electrostriction.

Durch den erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motor ist eine sehr präzise Steuerung der Schritte des piezoelektrischen Motors möglich, wobei insbesondere die Schrittlänge bzw. der zurückgelegte Weg bei jedem Schritt im Wesentlichen identisch eingestellt werden kann. Vorzugsweise bleibt die Symmetrieachse des Piezoelements, das vorzugsweise als Hohlzylinder ausgebildet ist, während der Drehung an deren Position. Unter dem Begriff Ringfläche ist insbesondere eine gedachte Fläche zu verstehen, die durch einen Ring oder Kreis an dem jeweiligen Ende des Rotationskörpers, insbesondere Hohlzylinders, gebildet wird, der sich am weitesten in axialer Richtung der Drehachse vom Rotationskörper bzw. Hohlzylinder weg erstreckt. Es kann sich hierbei somit um eine Fläche handeln, die den Rotationskörper bzw. Hohlzylinder gedacht abschließt. Diese Flächen bleiben vorzugsweise bei der Bewegung parallel zuein ander.By the piezoelectric according to the invention Engine is a very precise Control of the steps of the piezoelectric motor possible, wherein especially the stride length or the traveled Way to be set substantially identically at each step can. Preferably, the axis of symmetry of the piezo element, which is preferably designed as a hollow cylinder, during the Turn at their position. Under the term ring surface is in particular an imaginary surface to understand that by a ring or circle at the respective End of the rotation body, in particular hollow cylinder is formed, the furthest in the axial direction of the axis of rotation of the rotary body or hollow cylinder away extends. It may thus be an area that the rotational body or Hollow cylinder thought concludes. These surfaces preferably remain parallel to each other during the movement.

Vorzugsweise umfasst das Zwischenelement eine Lagerfläche, die als erstes Lager für den Rotor dient. Ein besonders effizienter piezoelektrischer Motor ist dann gegeben, wenn die Lagerfläche relativ zu einer Endfläche des ersten Endes des Piezoelements oder zu einem Basisteil, das mit dem ersten Ende des Piezoelements verbunden ist, drehbar ist.Preferably The intermediate element comprises a bearing surface, which serves as the first bearing for the rotor. A particularly efficient piezoelectric motor is then given if the storage area relative to an endface the first end of the piezoelectric element or to a base part, the is connected to the first end of the piezoelectric element is rotatable.

Das Piezoelement ist zweckmäßig Bestandteil des Stators. Wenn das Piezoelement wenigstens zwei Elektrodenpaare umfasst, ist eine genaue Rotation mit festlegbaren Schrittweiten möglich. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des piezoelektrischen Motors umfasst das Piezoelement 2n Elektrodenpaare, wobei n eine ganze Zahl ist, die größer als 1 ist. Hierdurch kann die Präzision des piezoelektrischen Motors noch erhöht werden. Ein Elektrodenpaar hat vorzugsweise bei einer Ausgestaltung eines Hohlrotationskörpers bzw. Hohlzylinders als Piezoelement eine äußere und eine innere Elektrode.The Piezo element is appropriate component of the stator. If the piezoelectric element at least two pairs of electrodes is an accurate rotation with definable increments possible. In a particularly preferred embodiment of the piezoelectric Motor comprises the piezoelectric element 2n electrode pairs, where n is a integer is larger than 1 is. This allows the precision of the piezoelectric motor are still increased. An electrode pair Preferably, in an embodiment of a hollow rotary body or Hollow cylinder as a piezoelectric element an outer and an inner electrode.

Wenn zwischen den Elektrodenpaaren jeweils wenigstens ein Zwischenbereich vorgesehen ist, wobei der Stator ein Basiselement umfasst, das mit einem ersten Zwischenbereich an einem ersten Ende des Piezoelements verbunden ist, ist ein fest vorgegebener Ausgangspunkt für die Bewegung, die Rotation bzw. das sich Verdrehen des Piezoelements definiert. Die Elektrodenpaare umfassen vorzugsweise eine Elektrode, die an der Außenfläche, d.h. an der Außenmantelfläche des Hohlzylinders, angeordnet ist, und eine Elektrode, die an der Innenfläche angeordnet ist, wobei das Elektrodenpaar dadurch gekennzeichnet ist, dass die Elektroden nur durch die Dicke des piezoelektrischen Materials des Hohlzylinders beabstandet sind. Der Zwischenbereich ist vorzugsweise parallel zur Symmetrie- bzw. Rotationsachse des Hohlzylinders ausgerichtet. Vorzugsweise erstrecken sich die Zwischenbereiche parallel zur Symmetrieachse über die gesamte Länge des Rotationskörpers bzw. des Hohlzylinders. Wenn die Verbindung des Basiselements über im Wesentlichen die gesamte Länge des Piezoelements, des Rotationskörpers bzw. Hohlzylinders durch ein starres Element bzw. eine Nase erfolgt, ist eine sehr definierte Bewegung des Piezoelements mit einer großen Weite möglich.If at least one intermediate region between the electrode pairs is provided, wherein the stator comprises a base member with a first intermediate region at a first end of the piezoelectric element is a fixed starting point for the movement, defines the rotation or the twisting of the piezoelectric element. The electrode pairs preferably comprise an electrode attached to the Outer surface, i. on the outer surface of the Hollow cylinder, is arranged, and an electrode, which is arranged on the inner surface is, wherein the electrode pair is characterized in that the Electrodes only by the thickness of the piezoelectric material of the Hollow cylinder are spaced. The intermediate area is preferably aligned parallel to the symmetry or rotation axis of the hollow cylinder. Preferably, the intermediate regions extend parallel to the axis of symmetry over the whole length of the rotational body or of the hollow cylinder. When the connection of the base member about substantially the entire length of the piezoelectric element, the rotary body or hollow cylinder a rigid element or a nose takes place, is a very defined Movement of the piezoelectric element with a large width possible.

Wenn der Stator ein Zwischenelement umfasst, das an einem zweiten Ende des Piezoelements mit einem zweiten Zwischenbereich verbunden ist, ist der piezoelektrische Motor kostengünstig zu realisieren. Wenn das Zwischenelement als erstes Lager für den Rotor dient, ist eine präzise Führung des Rotors möglich. Hierzu ragt das Zwischenelement vorzugsweise über das zweite Ende des Piezoelements heraus. Das Zwischenelement kann beispielsweise zwei oder mehr Stifte umfassen, die über das zweite Ende des Piezoelements herausragen, oder ein Ring sein, der vorzugsweise eine konusförmige Stirnfläche aufweist. Wenn die zu dem Zwischenelement angeordnete Fläche des Rotors sphärisch ausgebildet ist, ist eine kreisförmige oder zumindest elliptische Berührungslinie zwischen der Stirnfläche des Zwischenelements und der zu dem Zwischenelement angeordneten Fläche des Rotors möglich. Hierdurch ist ein relativ geringer Widerstand zwischen den beiden Flächen gegeben, so dass die Drehung des Rotors vereinfacht ist.If the stator comprises an intermediate element located at a second end the piezoelectric element is connected to a second intermediate region, the piezoelectric motor is inexpensive to implement. If the intermediate element serves as the first bearing for the rotor, is a precise guide of the rotor possible. For this preferably protrudes the intermediate element via the second end of the piezoelectric element out. The intermediate element may, for example, two or more pins include that over protrude the second end of the piezo element, or be a ring, the preferably a cone-shaped face having. If the arranged to the intermediate element surface of Rotor's spherical is formed, is a circular or at least elliptical contact line between the face of the intermediate element and arranged to the intermediate element area of the rotor possible. This is a relatively low resistance between the two surfaces given so that the rotation of the rotor is simplified.

Vorzugsweise sind die Zwischenbereiche äquidistant zueinander. Wenn vier Zwischenbereiche vorliegen, d.h. vier Elektrodenpaare vorliegen, sind die Zwischenbereiche in einem Winkel von 90° voneinander beabstandet. Durch diese bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors ist eine sehr genaue Steuerung der Schrittweite und ein sehr präzises im Wesentli chen auf einem Kreis sich bewegendes Zwischenelement gegeben. Hierbei ändert sich bevorzugterweise die Lage des Zwischenelements im Hinblick auf die längliche Ausdehnung des Piezoelements kaum oder gar nicht.Preferably the intermediate areas are equidistant to each other. If there are four intermediate regions, i. four electrode pairs are present, the intermediate areas at an angle of 90 ° from each other spaced. By this preferred embodiment of the piezoelectric according to the invention Motors is a very accurate control of the increment and a very precise essentially on a circle moving intermediate element given. This changes preferably the position of the intermediate element in terms of on the elongated one Expansion of the piezoelectric element hardly or not at all.

Vorzugsweise ist der Motor selbstzentrierend. Durch dieses besonders bevorzugte Merkmal werden insbesondere Vibrationen des piezoelektrischen Motors vermieden. Wenn der Stator ein zweites Lager für den Rotor umfasst, ist die Selbstzentrierung des piezoelektrischen Motors vereinfacht. Die zwei Lagerflächen sind vorzugsweise entgegengesetzt zueinander ausgerichtet, d.h. die Normalenvektoren der jeweiligen Flächen sind entsprechend gegeneinander gerichtet bzw. die Summe der Kräftevektoren, die auf das eine Lager wirken, und die Summe der Kräftevektoren, die auf das andere Lager wirken, sind vorzugsweise entgegengesetzt zueinander. Vorzugsweise ist die Reibung zwischen dem Rotor und dem zweiten Lager geringer als zwischen dem Rotor und dem ersten Lager. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das zweite Lager eine Kugel und/oder einen Ring. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Kugel oder der Ring drehbar gelagert sind bzw. ist. Hierzu ist es zweckmäßig, wenn die Kugel und/oder der Ring mittels einer, insbesondere einstellbaren Federkraft bzw. Feder gegen den Rotor drückt.Preferably, the engine is self-centering. By means of this particularly preferred feature, in particular vibrations of the piezoelectric motor are avoided. If the stator has a second bearing for the Rotor includes, the self-centering of the piezoelectric motor is simplified. The two bearing surfaces are preferably aligned opposite to each other, ie the normal vectors of the respective surfaces are respectively directed against each other or the sum of the force vectors acting on the one bearing, and the sum of the force vectors acting on the other bearing, are preferably opposite to each other , Preferably, the friction between the rotor and the second bearing is less than between the rotor and the first bearing. In a preferred embodiment, the second bearing comprises a ball and / or a ring. It is particularly preferred if the ball or the ring is rotatably mounted or is. For this purpose, it is expedient if the ball and / or the ring presses against the rotor by means of a, in particular adjustable spring force or spring.

Ein Rastersondenmikroskop ist vorzugsweise mit einem piezoelektrischen Motor, der vorstehend beschrieben ist, versehen. Hierbei dient der piezoelektrische Motor wenigstens als Teil eines Probenhalters oder wenigstens als Teil eines Spitzenhalters eines entsprechenden Mikroskops.One Scanning probe microscope is preferably with a piezoelectric Engine, which is described above, provided. This serves the piezoelectric motor at least as part of a sample holder or at least as part of a tip holder of a corresponding microscope.

Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Schrittmotors, wie vorstehend beschrieben, mit einem Stator, der ein Piezoelement, insbesondere in Hohlzylinderform, umfasst, und einem Rotor, der ein Zwischenelement, das mit dem Piezoelement verbunden ist, berührt, gelöst, wobei das erste Ende des Piezoelements relativ zu einem Basiselement des Stators fixiert ist, wobei das Zwischenelement gegen das erste Ende des Piezoelements derart gedreht wird, dass der Rotor dieser Bewegung folgt, und anschließend das Zwischenelement wenigstens in die Ausgangslage zurückgedreht wird, während der Rotor dieser Bewegung nicht folgt. Der Rotor bleibt bei dem Schritt des Zurückdrehens des ersten Endes des Piezoelements wenigstens in die Ausgangslage insofern ortsfest oder dreht sich in die vorherige Drehrichtung bzw. gleiche Richtung wie vorher ein wenig weiter, wenn beispielsweise der Drehimpuls entsprechend hoch ist. Hierzu ist es allerdings bevorzugt, wenn der Rotor spätestens beim Beginn der Bewegung des Zurückdrehens des ersten Endes des Piezoelements in die Ausgangslage ortsfest bleibt.The The object is further achieved by a method for operating a piezoelectric Stepping motor, as described above, with a stator, the a piezoelectric element, in particular in hollow cylindrical form, comprises, and a rotor having an intermediate member connected to the piezoelectric element is, touched, solved, wherein the first end of the piezoelectric element relative to a base element of the stator is fixed, wherein the intermediate element against the first End of the piezoelectric element is rotated so that the rotor of this Movement follows, and then the intermediate element at least rotated back into the starting position will, while the rotor does not follow this movement. The rotor stays with the Step of turning back the first end of the piezoelectric element at least in the starting position insofar stationary or rotates in the previous direction of rotation or Same direction as before a little further, if for example the angular momentum is correspondingly high. However, it is preferable for this if the rotor at the latest at the beginning of the movement of turning back the first end of the piezoelectric element in the starting position stationary remains.

Vorzugsweise bleibt die Lage des Zwischenelements zu einer Symmetrieachse des Piezoelements, insbesondere des Hohlzylinders, im Wesentlichen gleich. Vorzugsweise sind die Symmetrieachse und die Normale einer durch eine Berührungslinie des Rotors mit dem Zwischenelement gebildeten Fläche parallel zueinander.Preferably the position of the intermediate element remains at an axis of symmetry of the Piezoelectric element, in particular of the hollow cylinder, substantially equal. Preferably, the axis of symmetry and the normal are one through a contact line of the rotor with the intermediate element formed surface parallel to each other.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten wird ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen. Es zeigen:The Invention is hereinafter without limitation of the general inventive concept based on embodiments and with reference to the drawings. Regarding all not closer in the text explained Details of the invention becomes explicit referred to the drawings. Show it:

1 eine schematische dreidimensionale Darstellung von Elementen des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors im nicht montierten Zustand, 1 a schematic three-dimensional representation of elements of the piezoelectric motor according to the invention in the unassembled state,

2a eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors, 2a a schematic sectional view of a piezoelectric motor according to the invention,

2b einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors in einer anderen Ausführungsform in schematischer Darstellung, 2 B a section of a piezoelectric motor according to the invention in another embodiment in a schematic representation,

3 eine schematische Draufsicht auf das bevorzugte Piezoelement, 3 a schematic plan view of the preferred piezoelectric element,

4 ein schematisches Diagramm der Spannung über der Zeit, 4 a schematic diagram of the voltage over time,

5a einen Teil eines Rastertunnelmikroskops mit einer Probe, die auf einem piezoelektrischen Motor angebracht ist, 5a a part of a scanning tunneling microscope with a sample mounted on a piezoelectric motor,

5b eine entsprechende schematische Darstellung gemäß 5a, wobei die Probe um 90° gedreht wurde, 5b a corresponding schematic representation according to 5a with the sample rotated 90 °,

5c eine weitere Drehung der Probe um 90° im Verhältnis zu 5b, 5c a further rotation of the sample by 90 ° in relation to 5b .

6 eine schematische dreidimensionale Darstellung von Elementen eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors in einer weiteren Ausführungsform im nicht montierten Zustand, 6 a schematic three-dimensional representation of elements of a piezoelectric motor according to the invention in a further embodiment in the unassembled state,

7 eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors gem. 6 in montiertem Zustand, 7 a schematic sectional view of the piezoelectric motor according to the invention. 6 in assembled condition,

8a eine schematische Draufsicht auf ein bevorzugtes Piezoelement ohne angelegte Spannung, 8a a schematic plan view of a preferred piezoelectric element without applied voltage,

8b eine schematische Draufsicht auf das Piezoelement aus 8a mit einer angelegten Spannung –U, 8b a schematic plan view of the piezoelectric element 8a with an applied voltage -U,

8c eine schematische Draufsicht auf das Piezoelement aus 8a mit einer angelegten Spannung +U 8c a schematic plan view of the piezoelectric element 8a with an applied voltage + U

9a eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Piezoelements, und 9a a schematic plan view of a further embodiment of a piezoelectric element, and

9b eine weitere Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Piezoelements. 9b a further plan view of a further embodiment of a piezoelectric element.

1 zeigt in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung Teile des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors. Ein Basisteil 10 vorzugsweise aus Macor, also einer Glaskeramik, und ein Flanschteil 14, vorzugsweise aus Metall, sind über Verbindungsstücke oder eine Röhre bzw. Umhüllung 28, die in 2a dargestellt ist, miteinander verbunden, wobei die Umhüllung vorzugsweise im Durchmesser mit den Durchmessern des Basisteils und des Flanschteils 14 übereinstimmt bzw. angepasst ist. Hierdurch ergibt sich eine feste Umhüllung bzw. ein fester Käfig der Vorrichtung bzw. des Motors. Das Basisteil hat zwei Nasen 23 und 23', die gegenüberliegend angeordnet sind. Die Nasen 23, 23' sind aus einem kurzen zylindrischen Sektor des Basisteils vorzugsweise geschnitten. 1 shows in a schematic three-dimensional representation parts of the piezoelectric motor according to the invention. A base part 10 preferably from Macor, so a glass ceramic, and a flange 14 , preferably of metal, are via connectors or a tube or sheath 28 , in the 2a is shown connected to each other, wherein the sheath preferably in diameter with the diameters of the base part and the flange part 14 matches or is adjusted. This results in a solid enclosure or a fixed cage of the device or the motor. The base part has two noses 23 and 23 ' which are arranged opposite each other. The noses 23 . 23 ' are preferably cut from a short cylindrical sector of the base part.

Der innere Durchmesser der Nasen 23, 23' ist an den äußeren Durchmesser eines Piezoelements 11, das als Ring bzw. Hohlzylin der ausgebildet ist, angepasst, wobei eine kleine Lücke für einen nicht dargestellten Klebstoff vorgesehen ist. Es ist außerdem ein Zwischenelement 12 vorzugsweise aus Glas vorgesehen, das eine konische Oberfläche bzw. eine konische Kontaktfläche 20 aufweist. Das Zwischenelement 12 umfasst auch zwei Nasen 22, 22', die in 1 unterhalb des als Ring ausgebildeten Zwischenelements 12 angeordnet sind. Die Nasen 22 und 22' sind aus einem zylindrischen Abschnitt des Rings 12 geschnitten, wobei der Innendurchmesser der Nasen 22 und 22' mit dem Außendurchmesser des Piezoelements 11 im Wesentlichen übereinstimmt, wobei auch hier ein entsprechender Spalt vorgesehen ist, um einen Klebstoff, der nicht dargestellt ist, aufzunehmen. Die Nasen 22, 22' und/oder 23, 23' können alternativ auch an den inneren Durchmesser des Piezoelements 11 angepasst sein. Je nach Ausgestaltung kann der Durchmesser des Zapfens des Rotors 13 angepasst sein.The inner diameter of the noses 23 . 23 ' is at the outer diameter of a piezoelectric element 11 , which is designed as a ring or Hohlzylin, adapted, wherein a small gap is provided for an adhesive, not shown. It is also an intermediate element 12 preferably made of glass, which has a conical surface or a conical contact surface 20 having. The intermediate element 12 also includes two noses 22 . 22 ' , in the 1 below the formed as a ring intermediate element 12 are arranged. The noses 22 and 22 ' are from a cylindrical section of the ring 12 cut, with the inner diameter of the noses 22 and 22 ' with the outer diameter of the piezoelectric element 11 is substantially coincident, with a corresponding gap is also provided here to receive an adhesive, which is not shown. The noses 22 . 22 ' and or 23 . 23 ' can alternatively also to the inner diameter of the piezoelectric element 11 be adjusted. Depending on the configuration, the diameter of the pin of the rotor 13 be adjusted.

Das Piezoelement 11 weist eine Ringfläche 18 auf, die in 1 im oberen Bereich bzw. am oberen Ende des Hohlzylinders angeordnet ist und eine Ringfläche 18', die die entgegen gesetzte Ringfläche ist, also die, die in 1 im unteren Bereich des Hohlzylinders 11 angeordnet und durch die Mantelfläche verdeckt ist.The piezo element 11 has an annular surface 18 on that in 1 is arranged in the upper region or at the upper end of the hollow cylinder and an annular surface 18 ' , which is the opposite ring surface, that is, the in 1 in the lower part of the hollow cylinder 11 arranged and covered by the lateral surface.

Der Rotor 13 hat eine sphärische geformte Fläche bzw. Kontaktfläche 21, die dazu dient, eine kreisförmige Kontaktlinie mit der konischen Kontaktfläche 20 des Zwischenelements 12 herzustellen. Der Stiel des Rotors 13 ist hohl und weist am unteren Ende ein kleines Loch auf, dessen Kante Kontakt mit einer Kugel aus Rubin, Saphir oder amorphes oder keramisches Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder beispielsweise auch aus Metall herstellt. Die Kante kann auch, wie in 2a angedeutet ist, sphärisch geformt sein. Die Kugel 15 wird mittels einer Feder 16 und einer Schraube 17 vorgespannt in den Hohlraum des Stiels des Flanschteils 14 eingebracht und steht, wie in 2a gut erkennbar ist, in Kontakt mit dem Rotor 13. Die Kraft, mit der die Kugel 15 gegen den Rotor 13 gedrückt werden kann, ist über die Federkonstante der Feder 16 oder über die Schraube 17 bzw. die Weite des Einschraubens der Schraube 17 einstellbar. Der Stiel des Rotors 13 reicht, wie in 2a insbesondere auch gut erkennbar ist, über das große zentrale Loch des Basisteils 10 hinaus. Das Ende des Rotorstiels kann benutzt werden, um dort Gegenstände anzubringen, wie beispielsweise Probenhalter, Nadelhalter oder einen Röhrenpiezoscanner, wie beispielsweise einen Inchworm oder derartige Piezoelemente, die dazu dienen, die Bewegung der Nadel eines Rastersondenmikroskops vorzunehmen. Die Lücke zwischen dem Rotorstiel und dem zentralen Loch des Basisteils 10 erlaubt eine freie Rotation des Rotors 13 und schützt den Rotor vor zu großer Auslenkung.The rotor 13 has a spherical shaped surface or contact surface 21 , which serves to form a circular contact line with the conical contact surface 20 of the intermediate element 12 manufacture. The stem of the rotor 13 is hollow and has at the lower end a small hole whose edge makes contact with a ball made of ruby, sapphire or amorphous or ceramic alumina (Al ₂ O ₃ ) or for example also made of metal. The edge can also, as in 2a is indicated to be spherical. The ball 15 is by means of a spring 16 and a screw 17 biased in the cavity of the stem of the flange 14 introduced and stands, as in 2a well recognizable, in contact with the rotor 13 , The force with which the ball 15 against the rotor 13 can be pressed is about the spring constant of the spring 16 or over the screw 17 or the width of screwing in the screw 17 adjustable. The stem of the rotor 13 is enough, as in 2a especially well recognizable, over the large central hole of the base part 10 out. The end of the rotor shaft may be used to attach articles thereon, such as sample holders, needle holders, or a tube piezo scanner, such as an inchworm, or such piezo elements, which serve to move the needle of a scanning probe microscope. The gap between the rotor shaft and the central hole of the base part 10 allows a free rotation of the rotor 13 and protects the rotor from excessive deflection.

Die Federkonstante der Feder 16, die vorzugsweise aus BeCu ist, und die Kraft, die damit auf den Rotor ausgeübt werden kann, sollten deutlich größer sein als die Gewichtskraft des Rotors mit darauf angebrachten Gegenständen. Sofern dieses beherzigt wird, kann der erfindungsgemäße piezoelektrische Motor unabhängig von der Richtung der Gravitation Verwendung finden. In diesem Fall kann der piezoelektrische Motor beispielsweise entgegengesetzt zu der Richtung der 1 Verwendung finden, wie sich beispielsweise aus 2 auch ergibt.The spring constant of the spring 16 , which is preferably made of BeCu, and the force that can be exerted thereon on the rotor should be significantly greater than the weight of the rotor with objects mounted thereon. Insofar as this is heeded, the piezoelectric motor according to the invention can be used independently of the direction of gravity. In this case, the piezoelectric motor for example, opposite to the direction of 1 Find use, such as, for example 2 also results.

2a stellt eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors dar bzw. eines Motors, der nach dem Prinzip der Elektrostriktion funktioniert. Im Rahmen der Erfindung umfasst der Begriff piezoelektrischer Motor auch einen Motor, der nach dem Prinzip der Elektrostriktion funktioniert. Außer den bisher schon angesprochenen Elementen ist insbesondere die Umhüllung 28 beispielsweise aus Metall, insbesondere Titan, dar gestellt und die Verbindung des Basisteils 10 mit dem Flanschteil 14 über relativ lange Schrauben 26 und entsprechende Muttern 27. Es ist ferner eine Kabelanschlussnut 25 angedeutet, durch die und entsprechend nicht dargestellte Bohrungen durch das Basisteil 10 Kabel zur Ansteuerung des Piezoelements 11 geführt werden können. Der Rotor 13 und das Basisteil 10 sind vorzugsweise aus abriebfestem Material. Das Zwischenelement 12 kann aus Glas oder einer Glaskeramik gefertigt sein. 2a is a schematic sectional view of a piezoelectric motor according to the invention or an engine that works on the principle of electrostriction. In the context of the invention, the term piezoelectric motor also includes a motor which operates on the principle of electrostriction. In addition to the previously mentioned elements is in particular the envelope 28 for example, made of metal, in particular titanium, is and the connection of the base part 10 with the flange part 14 over relatively long screws 26 and corresponding nuts 27 , It is also a cable connection groove 25 indicated by the holes and accordingly not shown through the base part 10 Cable for controlling the piezoelectric element 11 can be performed. The rotor 13 and the base part 10 are preferably made of abrasion resistant material. The intermediate element 12 can be made of glass or a glass ceramic.

2b zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnittes eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors in Schnittdarstellung. Im Unterschied zu der Ausgestaltung gemäß 2a ist ein Lager 51 für die Kugel 15 vorgesehen, wobei das Lager 51 ein Material umfasst, das wenig Reibung zu dem Material der Kugel 15 hat. 2 B shows a schematic representation of a section of a piezoelectric motor according to the invention in a sectional view. In contrast to the embodiment according to 2a is a warehouse 51 for the ball 15 provided, the bearing 51 a material that has little friction with the material of the ball 15 Has.

Da die Kugel 15 sehr genau durch die Lage des inneren Lochs 52 des Rotors, durch das sich in der Mitte die Drehachse 19 des Rotors 19 erstreckt, positioniert werden kann, ergibt sich im Zusammenhang mit der Kreiskontaktlinie zwischen den Kontaktflächen 20 und 21 eine hohe mechanische Stabilität, wodurch Schwingungen und Vibrationen, die unerwünscht sind, vermieden werden. Durch den Druck, der zentral über die Kugel 15 auf das Rotationselement bzw. den Rotor 13 ausgeübt wird und der auf den Kontaktflächen 20 und 21 aufgefangen wird, ergibt sich eine sehr effiziente Selbstzentrierung des piezoelektrischen Motors. Durch die bevorzugte Klebeverbindung zwischen dem Basisteil 10 und dem Piezoelement 11 und dem Zwischenelement 12 ist ein ständiger sicherer Kontakt des Piezoelements 11 mit dem Basisteil 10 und dem Zwischenelement 12 gegeben. Der erfindungsgemäße piezoelektrische Motor kann so ausgestaltet sein, dass kleine relative Winkelbewegungen im Bereich von Mikrometern erlaubt sind. Gleichwohl werden keine unge wollten Bewegungen erzeugt, außer den gewollten Bewegungen während der durchgeführten Schritte aufgrund der Reibung zwischen dem Zwischenelement und zwischen den Kontaktflächen 20 und 21.Because the ball 15 very precisely by the position of the inner hole 52 of the rotor, through which in the middle the axis of rotation 19 of the rotor 19 extends, can be positioned, results in connection with the circular contact line between the contact surfaces 20 and 21 a high mechanical stability, which vibrations and vibrations that are undesirable can be avoided. By the pressure, centrally over the ball 15 on the rotary element or the rotor 13 is exercised and that on the contact surfaces 20 and 21 is caught, results in a very efficient self-centering of the piezoelectric motor. Due to the preferred adhesive connection between the base part 10 and the piezo element 11 and the intermediate element 12 is a constant safe contact of the piezoelectric element 11 with the base part 10 and the intermediate element 12 given. The piezoelectric motor of the present invention may be configured to allow small relative angular movements in the micrometer range. However, no unwanted movements are generated except for the intentional movements during the steps performed due to the friction between the intermediate member and between the contact surfaces 20 and 21 ,

Die zentrale Vorrichtung, die den Rotor 13 antreibt, ist ein relativ kurzes Segment einer Piezoröhre bzw. das Piezoelement 11, das in 3 schematisch in einer Draufsicht dargestellt ist. Es kann sich hierbei aber auch einfach um einen Piezoring handeln. Das Piezoelement 11 umfasst ein elektrostriktives Material 33 und vier Paare Elektroden 29, 29'; 30, 30'; 31, 31' und 32, 32'. An den Zwischenbereichen 40, 41, 42, 43 sind die Nasen 22, 22' und 23, 23' angeordnet. Die Zwischenbereiche 40 bis 43 können so ausgestaltet sein, dass die Nasen 22 bis 23' unmittelbar am elektrostriktiven Material 33 angeklebt werden oder aber auch, wie in 3 dargestellt ist, auch teilweise an den Elektroden angebracht werden.The central device, the rotor 13 drives, is a relatively short segment of a piezo tube or the piezoelectric element 11 , this in 3 is shown schematically in a plan view. But it can also simply be a piezoring. The piezo element 11 comprises an electrostrictive material 33 and four pairs of electrodes 29 . 29 '; 30 . 30 '; 31 . 31 ' and 32 . 32 ' , At the intermediate areas 40 . 41 . 42 . 43 are the noses 22 . 22 ' and 23 . 23 ' arranged. The intermediate areas 40 to 43 can be designed so that the noses 22 to 23 ' directly on the electrostrictive material 33 be glued or else, as in 3 is shown partially attached to the electrodes.

Die jeweiligen Elektroden der entsprechenden Elektrodenpaare sind entgegengesetzt gepolt. Die Elektrode 32' könnte beispielsweise positiv gepolt sein, genau wie die Elektrode 29, 30' und 31. In diesem Fall wären die Elektroden 32, 29', 30 und 31' negativ gepolt. Die Nasen 22, 22' und 23, 23' sind vorzugsweise nicht leitend. Die Nasen 23 und 23' können beispielsweise aus Macor sein und die Nasen 22 und 22' aus Pyrexglas oder Macor.The respective electrodes of the corresponding pairs of electrodes are oppositely poled. The electrode 32 ' could for example be positively poled, just like the electrode 29 . 30 ' and 31 , In this case, the electrodes would be 32 . 29 ' . 30 and 31 ' negatively poled. The noses 22 . 22 ' and 23 . 23 ' are preferably non-conductive. The noses 23 and 23 ' For example, they can be Macor and their noses 22 and 22 ' Pyrex glass or Macor.

Wenn nun eine elektrische Spannung an die Elektroden angelegt wird, werden zwei Sektoren des Piezoelements sich ausdehnen und die anderen beiden Sektoren sich zusammenziehen. Die Sektoren, die sich ausdehnen, sind beispielsweise die Sektoren zwischen den Nasen 23 und 22 sowie 23' und 22'. Die Sektoren, die sich zusammenziehen, sind beispielsweise die Sektoren zwischen den Nasen 22 und 23' sowie 22' und 23. Hierdurch ergibt sich eine rotierende Bewegung der Nasen 22 und 22' in angedeuteter Pfeilrichtung und damit eine Rotation des Zwischenelements 12. Die Nasen 22 und 22' sind somit beweglich, während die Nasen 23 und 23' ortsfest sind. Die Nasen 22 und 22' folgen der Auslenkung des Piezoelements.Now, when an electrical voltage is applied to the electrodes, two sectors of the piezoelectric element will expand and the other two sectors will contract. For example, the sectors that expand are the sectors between the noses 23 and 22 such as 23 ' and 22 ' , For example, the sectors that contract are the sectors between the noses 22 and 23 ' such as 22 ' and 23 , This results in a rotating movement of the noses 22 and 22 ' in indicated direction of the arrow and thus a rotation of the intermediate element 12 , The noses 22 and 22 ' are thus movable while the noses 23 and 23 ' are stationary. The noses 22 and 22 ' follow the deflection of the piezoelectric element.

Sofern die Polarität der angelegten Spannung umgepolt werden würde, würden sich die vorher sich ausdehnenden Sektoren zusammenziehen und die sich vorher zusammenziehenden Sektoren ausdehnen. In diesem Fall würde eine Rotation entgegen dem Urzeigersinn erzeugt werden. Wenn nun die angelegte Spannung langsam steigt, wird der Rotor durch die Reibung zwischen den Kontaktflächen 20 und 21 mit der Rotation des Zwischenelements 12 mitgeführt werden. Bei schneller Änderung der Spannung würde der Rotor entsprechend nicht mitgeführt werden, so dass eine gewollte Bewegung in eine Richtung oder der entgegen gesetzten Richtung möglich ist.If the polarity of the applied voltage were reversed, the previously expanding sectors would contract and expand the previously contracting sectors. In this case, a counterclockwise rotation would be generated. Now, when the applied voltage rises slowly, the rotor becomes frictional between the contact surfaces 20 and 21 with the rotation of the intermediate element 12 be carried along. If the voltage is changed rapidly, the rotor would accordingly not be carried along, so that a desired movement in one direction or in the opposite direction is possible.

Eine entsprechende Spannungskurve, die zum Betrieb des Piezoelements 11 dienen kann, ist schematisch in 4 dargestellt. In 4 ist auf der Ordinate die Spannung von –U bis +U dargestellt und auf der Abszisse die Zeit, wobei die Spannungskurve in zwei vollständigen Perioden T gezeigt ist.A corresponding voltage curve, the operation of the piezoelectric element 11 can serve is schematic in 4 shown. In 4 the voltage from -U to + U is shown on the ordinate and the time on the abscissa, the voltage curve being shown in two complete periods T.

Die Spannung startet bei einer maximal negativen Spannung –U und steigt in einer s-artigen Kurve bis zu einem Maximum +U. Daraufhin verringert sich die Spannung schnell bis zu dem negativen Maximum –U. Eine typische Periode T ist im Bereich von einer Millisekunde. Die Zeit von der maximalen positiven Spannung zur maximalen negativen Spannung sollte so kurz wie möglich sein, beispielsweise eine Mikrosekunde (1 μs).The Voltage starts at a maximum negative voltage -U and rises in an s-like curve up to a maximum + U. Then reduced the voltage quickly reaches the negative maximum -U. A typical period T is in the range of one millisecond. The time from the maximum positive voltage to the maximum negative voltage should be as short as possible be, for example one microsecond (1 microseconds).

Während der Ansteigzeit der Spannung dreht der Piezoring bzw. das Piezoelement 11 durch entsprechendes Verdrehen gegenüber dem Basisteil 10 das Zwischenelement 12 um einen Winkel δ. Aufgrund der relativ langsamen Geschwindigkeit folgt der Rotor 13 dieser Bewegung. Aufgrund der anschließenden schnellen Änderung der Spannung dreht sich zwar das Zwischenelement, da dieses fest mit dem Piezoelement verbunden ist; der Rotor folgt dieser Bewegung allerdings nicht. Das heißt, mit jeder Periode wird der Rotor mit einem Schritt von einem Winkel δ vorangetrieben. Sofern die Spannung, die an den Elektroden angelegt ist, umgedreht wird, kann dieser Vorgang entgegengesetzt betrieben werden.During the rising time of the voltage, the piezo ring or the piezo element rotates 11 by corresponding rotation relative to the base part 10 the intermediate element 12 by an angle δ. Due to the relatively slow speed, the rotor follows 13 this movement. Due to the subsequent rapid change of the voltage, although the intermediate element rotates because it is firmly connected to the piezoelectric element; however, the rotor does not follow this movement. That is, with each period, the rotor is propelled one step at an angle δ. If the voltage applied to the electrodes is reversed, this process can be reversed.

Die Winkelgeschwindigkeit kann aus den Daten des piezoelektrischen Materials bestimmt werden. Siehe hierzu beispielsweise Yuan Y S, Hao H W und Tian H: "A dynamic model for analyzing piezoelectric stepmotors", Rev. Sci. Instrum. 65, S. 1566–1569 (1994). Sofern PZT-4 von Staveley Verwendung findet, ist die piezoelektrische Konstante d₃₁ = 0,135 nm/V. Bei einer Piezoelement- bzw. Piezoröhrenwandstärke von h = 0,75 mm, einem Durchmesser D = 12,7 mm und einer maximalen Spannung von U = 250 V ist die lineare Verschiebung für jede Periode T

The angular velocity can be determined from the data of the piezoelectric material. See, for example, Yuan YS, Hao HW and Tian H: "A dynamic model for analyzing piezoelectric stepmotors", Rev. Sci. Instrum. 65, pp. 1566-1569 (1994). If Staveley PZT-4 is used, the piezoelectric constant d ₃₁ = 0.135 nm / V. For a piezoelement or piezo tube wall thickness of h = 0.75 mm, a diameter D = 12.7 mm and a maximum voltage of U = 250 V, the linear displacement is T for each period

Bei einer Frequenz von 1 kHz würde der Rotor sich um 3,6 mm auf dem Umfang der Piezoröhre bewegen. Die Winkelgeschwindigkeit ist dann

At a frequency of 1 kHz, the rotor would move 3.6 mm around the circumference of the piezo tube. The angular velocity is then

Die Geschwindigkeit kann durch die Frequenz und die Maximalspannung gesteuert werden. Aus den Gleichungen 1 und 2 ergibt sich, dass die Winkelgeschwindigkeit unabhängig von dem Durchmesser der Piezoröhre ist, und zwar wie folgt ω = fd31U/h. (3) The speed can be controlled by the frequency and the maximum voltage. From the equations 1 and 2 it follows that the angular velocity is independent of the diameter of the piezoelectric tube, as follows ω = fd 31 U / h. (3)

Daraus folgt, dass der piezoelektrische Motor sehr klein gebaut werden kann.from that follows that the piezoelectric motor are built very small can.

Gemäß der Erfindung ändert sich die Drehachse während der Drehbzw. Verdrehung des Piezoelements 11 im Wesentlichen nicht. Jeder Schritt um einen Winkel δ kann sehr präzise gesteuert werden. Die Schrittlänge kann im Wesentlichen gleich eingestellt werden, so dass eine präzise Steuerung des Rotors möglich ist. Hierdurch eignet sich der erfindungsgemäße piezoelektrische Motor insbesondere für Rastersondenmikroskope. Es ist insbesondere eine hochpräzise Drehbewegung mit der Möglichkeit extrem kleiner Schrittweiten möglich, wodurch auch ein Einsatz im Bereich der Nanotechnologie gegeben ist. Der Motor kommt völlig ohne Schmiermittel aus, so dass er insbesondere im Ultrahochvakuum Verwendung finden kann.According to the invention, the rotation axis changes during the Drehbzw. Rotation of the piezo element 11 essentially not. Each step by an angle δ can be controlled very precisely. The stride length can be set substantially equal, so that a precise control of the rotor is possible. As a result, the piezoelectric motor according to the invention is particularly suitable for scanning probe microscopes. In particular, a high-precision rotary movement with the possibility of extremely small increments is possible, which is also a use in the field of nanotechnology. The engine does not require any lubricant, so it can be used in ultra-high vacuum.

Der Schrittmotor kann beispielsweise direkt in ein Mikroskop integriert werden, um die Probe relativ zur Sonde zu drehen. Dieses ist in den 5a bis 5c dargestellt. Dort ist ein Rotor 13 dargestellt, auf dem ein Probenhalter mit einer Probe 36 angebracht ist. Es handelt sich hierbei um eine schematische Darstellung eines Teils eines Rastersondenmikroskops 50, umfassend insbesondere ein Piezoelement, wie ein Piezo-Röhrenscanner 38 mit Tunnelspitze oder Sondenspitze 37. Die Drehachse des Rotors ist hier senkrecht zur Achse der Spitze angeordnet. In 5a befindet sich die Probe 36 in einer Position, in der diese präpariert werden kann. In 5b ist die Probe schon um 90° zur Spitze 37 hingedreht. In 5c ist die Probe 36 vollständig zur Spitze 37 hingedreht worden.For example, the stepper motor may be integrated directly into a microscope to rotate the sample relative to the probe. This is in the 5a to 5c shown. There is a rotor 13 shown on which a sample holder with a sample 36 is appropriate. This is a schematic representation of a part of a scanning probe microscope 50 , comprising in particular a piezoelectric element, such as a piezo tube scanner 38 with tunnel tip or probe tip 37 , The axis of rotation of the rotor is arranged here perpendicular to the axis of the tip. In 5a is the sample 36 in a position where it can be prepared. In 5b the sample is already 90 ° to the top 37 executed turns. In 5c is the sample 36 completely to the top 37 been turned.

In einer anderen Anwendung innerhalb eines Rastersondenmikroskops kann die Drehachse des Rotors parallel zur Achse der Spitze angeordnet werden. Für magnetische Untersuchungen bietet diese Anordnung die Möglichkeit, die Magnetisierungsvektoren von Spitze und Probe, sofern beide parallel zur Probenebene liegen, in eine kollineare Konfiguration zu bringen und so das Messsignal zu maximieren.In another application within a scanning probe microscope, the axis of rotation of the rotor may be parallel to the axis of the tip. For magnetic investigations, this arrangement offers the possibility of magnetization vectors of the tip and the sample, if both parallel to the sample bene are in a collinear configuration to maximize the measurement signal.

6 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors in auseinander gebautem Zustand. Der piezoelektrische Motor unterscheidet sich von dem gem. 1 in einigen Punkten. In dieser Ausführungsform sind die aufeinander reibenden Teile aus keramischen Al₂O₃ und Saphir (kristallines Al₂O₃). Diese Materialpaarung hat sich als praktisch abriebfrei bewährt. Alternativ können die Kontaktflächen 20' und 21' auch jeweils aus Saphir ausgestaltet sein. Aufgrund der recht harten Materialien ist es fertigungstechnisch effizient, nur recht einfache Geometrien zu verwenden. Aus diesem Grunde wurden weitere Teile in die Konstruktion eingeführt. Somit besteht nunmehr im Vergleich zu 1 in der 6 das Zwischenelement 12 aus zwei Teilen, nämlich einer Trägerplatte 112, die auch Nasen 22 und 22' umfasst. Die Trägerplatte 112 kann aus Macor sein. Darauf geklebt wird ein Zwischenringelement 112 in Form eines Ringes aus keramischen Al₂O₃ oder Saphir mit einer konischen Kontaktfläche 20'. 6 shows a schematic three-dimensional representation of a piezoelectric motor according to the invention in disassembled state. The piezoelectric motor differs from the gem. 1 in some points. In this embodiment, the abrasive parts are made of ceramic Al ₂ O ₃ and sapphire (Al ₂ O ₃ crystalline). This combination of materials has proven to be virtually abrasion-free. Alternatively, the contact surfaces 20 ' and 21 ' also be configured in each case of sapphire. Due to the rather hard materials, it is efficient in terms of production to use only relatively simple geometries. For this reason, more parts were introduced into the design. Thus, there is now compared to 1 in the 6 the intermediate element 12 of two parts, namely a support plate 112 that also have noses 22 and 22 ' includes. The carrier plate 112 can be from Macor. On it is glued an intermediate ring element 112 in the form of a ring of ceramic Al ₂ O ₃ or sapphire with a conical contact surface 20 ' ,

Das Gegenstück rotorseitig ist der Rotor 13' aus Metall, beispielsweise Titan, mit einer nunmehr ebenen Planfläche, auf die ein Rotorringelement 100, beispielsweise ein Saphirring, aufgeklebt wird, der die sphärische Fläche 21' aufweist. Die sphärische Fläche 21' ist vorzugsweise glatt poliert.The counterpart on the rotor side is the rotor 13 ' made of metal, for example titanium, with a now flat plane surface on which a rotor ring element 100 For example, a sapphire ring is glued to the spherical surface 21 ' having. The spherical surface 21 ' is preferably polished smooth.

Ein weiteres neues Element im Vergleich zu 1 ist das Lager 51' und weist eine konische Kontaktfläche auf, wie insbesondere in 7 gut zu erkennen ist. Diese wird in die innere Bohrung des Rotors 13' eingebracht bzw. eingeklebt und bildet das Gegenstück zur Rubinkugel 15. Die Bohrung 52' bzw. das Loch 52' kann für die Befestigung eines Probenträgers oder ähnliches genutzt werden oder auch ganz wegfallen.Another new element compared to 1 is the camp 51 ' and has a conical contact surface, in particular in 7 easy to recognize. This gets into the inner bore of the rotor 13 ' introduced or glued and forms the counterpart to ruby ball 15 , The hole 52 ' or the hole 52 ' Can be used for attaching a slide or the like or even completely eliminated.

In 7 ist der erfindungsgemäße piezoelektrische Motor aus 6 zusammenmontiert dargestellt, wobei auch die Umhüllung 28 und die Schrauben 26 sowie die Muttern 27 zum Zusammenfügen des piezoelektrischen Motors dargestellt sind. Diese Figur ist nun um 180° gegenüber 2 gedreht. Die Befestigungsfläche 24, an die zum Beispiel ein zu rotierender Probenträger angebracht werden kann, ist sowohl in 6 als auch in 7 nach unten orientiert. Die bevorzugten Materialien sind in 7 unten links beschrieben.In 7 is the inventive piezoelectric motor 6 assembled, including the envelope 28 and the screws 26 as well as the nuts 27 are shown for assembling the piezoelectric motor. This figure is now 180 ° opposite 2 turned. The mounting surface 24 , to which, for example, a sample carrier to be rotated can be attached, is in both 6 as well as in 7 oriented downwards. The preferred materials are in 7 described below left.

8a zeigt ein bevorzugtes Piezoelement 11, an das keine Spannung angelegt ist in schematischer Draufsicht. In 8b ist das Piezoelement aus 8a auch in schematischer Draufsicht dargestellt, wobei eine Spannung –U angelegt ist. Die beweglichen Nasen 22 und 22' bewegen sich entlang der Pfeilrichtung und folgen somit der Bewegung der Auslenkung des Piezoelements. In 8c ist die Auslenkung des Piezoelements aus 8a in Draufsicht schematisch dargestellt, wobei die Spannung +U angelegt wurde. Auch hier ist gezeigt, dass sich die Nasen 22 und 22' inzwischen entsprechend bewegt haben. Die Nasen 22 und 22' bewegen sich bei einem Anlegen einer Spannung von –U bis +U um einen Winkel δ, wie in 8c dargestellt ist. 8a shows a preferred piezoelectric element 11 to which no voltage is applied in a schematic plan view. In 8b is the piezo element off 8a also shown in a schematic plan view, wherein a voltage -U is applied. The moving noses 22 and 22 ' move along the direction of the arrow and thus follow the movement of the deflection of the piezoelectric element. In 8c is the deflection of the piezoelectric element 8a shown schematically in plan view, wherein the voltage + U was applied. Again, it is shown that the noses 22 and 22 ' meanwhile have moved accordingly. The noses 22 and 22 ' When voltage is applied from -U to + U, they move through an angle δ as in 8c is shown.

In 9a ist in schematischer Draufsicht ein Piezoelement darge stellt, das sechs Elektrodenpaare aufweist. Es sind drei ortsfeste Nasen 23, 23' und 23''' dargestellt und drei bewegliche Nasen 22, 22' und 22'''. Durch die Ausgestaltung dieses bevorzugten Piezoelements ist eine genauere Schrittweiteneinstellung möglich. Für die in der Beschreibung angegebene Formel ist hier n = 3. In 9b ist auch eine Draufsicht eines entsprechenden bevorzugten Piezoelements dargestellt, mittels dessen eine noch viel genauere Positionierung des Rotors ermöglicht ist. Es sind vier ortsfeste Nasen 23 bis 23''' sowie vier bewegliche Nasen 22 bis 22''' vorgesehen.In 9a is a schematic plan view of a piezoelectric element Darge presents, having six pairs of electrodes. These are three fixed noses 23 . 23 ' and 23 ''' shown and three movable noses 22 . 22 ' and 22 ''' , Due to the configuration of this preferred piezoelectric element a more accurate pitch adjustment is possible. For the formula given in the description here n = 3. In 9b is also shown a plan view of a corresponding preferred piezoelectric element, by means of which a much more accurate positioning of the rotor is made possible. These are four fixed noses 23 to 23 ''' as well as four moving noses 22 to 22 ''' intended.

Außerdem ist die mechanische Stabilität des Motors mit einem Piezoelement gemäß 9a und 9b deutlich erhöht.In addition, the mechanical stability of the motor with a piezo element according to 9a and 9b clearly increased.

1010: Basisteilbase
1111: Piezoelementpiezo element
1212: Zwischenelementintermediate element
13, 13'13 13 ': Rotorrotor
1414: Flanschteilflange
1515: KugelBullet
1616: Federfeather
1717: Schraubescrew
18, 18'18 18 ': Ringflächering surface
1919: Drehachseaxis of rotation
20, 20'20 20 ': Kontaktflächecontact area
21, 21'21 21 ': Kontaktflächecontact area
22, 22', 22'', 22'''22 22 ', 22' ', 22' '': Nasenose
23, 23', 23'' 23'''23 23 ', 23' '23' '': Nasenose
2424: Befestigungsflächemounting surface
2525: KabelanschlussnutKabelanschlussnut
2626: Schraubescrew
2727: Muttermother
2828: Umhüllungwrapping
29, 29'29 29 ': Elektrodeelectrode
30, 30'30 30 ': Elektrodeelectrode
31, 31'31 31 ': Elektrodeelectrode
32, 32'32 32 ': Elektrodeelectrode
3333: eletrostriktives Materialeletrostriktives material
3434: aufsteigende FlankeAscending flank
3535: abfallende Flankefalling flank
3636: Probesample
3737: Tunnelspitzetunneling tip
3838: Piezo-RöhrenscannerPiezo tube scanners
4040: Zwischenbereichintermediate area
4141: Zwischenbereichintermediate area
4242: Zwischenbereichintermediate area
4343: Zwischenbereichintermediate area
5050: RastersondenmikroskopScanning probe microscope
51, 51'51 51 ': Lagercamp
52, 52'52 52 ': Lochhole
100100: RotorringelementRotor ring element
112112: Trägerplattesupport plate
112'112 ': ZwischenringelementIntermediate ring element
121–128121-128: Elektrodenpaareelectrode pairs

Claims

Piezoelectric stepper motor with a rotor ( 13 . 13 ' . 21 . 21 ' . 100 ) and a stator ( 10 . 11 . 12 . 112 . 112 ' ) comprising a piezoelectric element ( 11 ) which is at least partially stationary at a first end, wherein the stator ( 10 - 12 . 112 . 112 ' ) an intermediate element ( 12 . 112 . 112 ' ), which with the piezo element ( 11 ) and that the rotor ( 13 . 13 ' . 21 . 21 ' . 100 ), wherein the piezo element ( 11 ) is movable in such a way by the piezo effect or the effect of electrostriction, that the intermediate element ( 12 . 112 . 112 ' ) with respect to the at least partially fixed first end of the piezoelectric element ( 11 ), in particular rotatable, is the piezo element ( 11 ) at least two electrode pairs ( 29 . 29 '; 30 . 30 '; 31 . 31 '; 32 . 32 '; 121 - 128 ), wherein between the electrode pairs ( 29 . 29 '; 30 . 30 '; 31 . 31 '; 32 . 32 '; 121 - 128 ) at least one intermediate area ( 40 - 43 ) and where at the intermediate areas ( 40 - 43 ) each nose ( 22 . 22 ' . 23 . 23 ' ) are arranged, which are partially movable and partially stationary.

Piezoelectric stepper motor according to claim 1, characterized in that the piezo element ( 11 ) as a rotational body with an axis of symmetry ( 19 ), wherein the intermediate element ( 12 . 112 . 112 ' ) relative to the at least partially stationary end of the piezoelectric element ( 11 ) about the symmetry axis ( 19 ) is movable, in particular rotatable, is.

Piezoelectric stepping motor according to claim 1 or 2, characterized in that the intermediate element ( 12 . 112 . 112 ' ) a storage area ( 20 . 20 ' ), which is the first warehouse ( 20 ) for the rotor ( 13 . 13 ' . 21 . 21 ' . 100 ) serves.

Piezoelectric stepper motor according to claim 3, characterized in that the bearing surface ( 20 . 20 ' ) relative to an end surface ( 18 ' ) of the first end of the piezoelectric element ( 11 ) or to a base part ( 10 ) connected to the first end of the piezo element ( 11 ) is rotatable.

Piezoelectric stepper motor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the piezoelectric element ( 11 ) is designed as a hollow cylinder.

Piezoelectric stepper motor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the piezoelectric element ( 11 ) 2n electrode pairs ( 29 . 29 '; 30 . 30 '; 31 . 31 '; 32 . 32 '; 121 - 128 ), where n is an integer greater than one.

Piezoelectric stepping motor according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the stator ( 10 - 12 . 112 . 112 ' ) a base element ( 10 ) comprising a first intermediate region ( 41 . 43 ) at a first end of the piezoelectric element ( 11 ) connected is.

Piezoelectric stepping motor according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the intermediate element ( 12 ) at the second end of the piezoelectric element ( 11 ) with a second intermediate area ( 40 . 42 ) connected is.

Piezoelectric stepping motor according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the intermediate element ( 12 . 112 . 112 ' ) over the second end of the piezo element ( 11 ) stands out.

Piezoelectric stepping motor according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the intermediate element ( 12 . 112 . 112 ' ) is annular.

Piezoelectric stepping motor according to claim 10, characterized in that the intermediate element ( 12 . 112 . 112 ' ) a cone-shaped end face ( 20 . 20 ' ) having.

Piezoelectric stepping motor according to one of claims 1 to 11, characterized in that the to the intermediate element ( 12 . 112 . 112 ' ) surface ( 21 . 21 ' ) of the rotor ( 13 . 13 ' . 100 ) is designed spherically.

Piezoelectric stepping motor according to claim 11 and 12, characterized in that the conical end surface ( 20 . 20 ' ) and the spherical surface ( 21 . 21 ' ) of the rotor ( 13 . 13 ' . 100 ) in a substantially circular line which is substantially perpendicular to the axis of symmetry ( 19 ) is arranged.

Piezoelectric stepping motor according to one of Claims 1 to 13, characterized in that the intermediate regions ( 40 - 43 ) are equidistant to each other.

Piezoelectric stepping motor according to one of claims 1 to 14, characterized in that the stepper motor self-centering is.

Piezoelectric stepping motor according to one of Claims 3 to 15, characterized in that the stator ( 10 - 12 . 112 . 112 ' ) a second warehouse ( 14 . 15 ) for the rotor ( 13 . 13 ' . 100 ).

Piezoelectric stepper motor according to claim 16, characterized in that the friction between the rotor ( 13 . 13 ' . 100 ) and the second bearing ( 14 . 15 ) is less than between the rotor ( 13 . 13 ' . 100 ) and the first bearing ( 20 . 20 ' ).

Piezoelectric stepper motor according to claim 16 or 17, characterized in that the second bearing ( 14 . 15 ) a ball ( 15 ) and / or comprises a ring.

Piezoelectric stepper motor according to claim 18, characterized in that the ball ( 15 ) and / or the ring are rotatably mounted.

Piezoelectric stepping motor according to claim 18 or 19, characterized in that the ball ( 15 ) and / or the ring by means of a, in particular adjustable, spring force ( 16 ) against the rotor ( 13 . 13 ' . 100 ) presses.

Piezoelectric stepping motor according to one of Claims 1 to 20, characterized in that the lugs ( 22 . 22 ' . 23 . 23 ' ) are non-conductive, especially from Macor, are formed.

Scanning probe microscope ( 50 ) with a piezoelectric stepping motor according to one of claims 1 to 21.

A method of operating a piezoelectric stepping motor according to any one of claims 1 to 21 a stator ( 10 - 12 . 112 . 112 ' ), which is a piezoelement ( 11 ), in particular in hollow cylindrical form, and a rotor ( 13 . 13 ' . 100 ), which is an intermediate element ( 12 . 20 . 20 ' . 112 . 112 ' ), which with the piezo element ( 11 ), the first end ( 18 ' ) of the piezo element ( 11 ) relative to a base element ( 10 ) of the stator ( 10 . 11 . 12 . 112 . 112 ' ), wherein the intermediate element ( 12 . 20 . 20 ' . 112 . 112 ' ) against the first end ( 18 ' ) of the piezo element ( 11 ) is rotated such that the rotor ( 13 . 13 ' . 100 ) follows this movement and then the intermediate element ( 12 . 20 . 20 ' . 112 . 112 ' ) is turned back at least to the starting position, while the rotor ( 13 . 13 ' . 100 ) does not follow this movement.

Method according to claim 23, characterized in that the position of the intermediate element ( 12 . 20 . 20 ' . 112 . 112 ' ) to an axis of symmetry ( 19 ) of the piezo element ( 11 ), in particular of the hollow cylinder ( 11 ), remains essentially the same.

Method according to claim 23 or 24, characterized in that the axis of symmetry ( 19 ) and the normal one through a contact line of the rotor ( 13 . 13 ' . 100 ) with the intermediate element ( 12 . 20 . 20 ' . 112 . 112 ' ) ( 18 ) are parallel to each other.