DE10203070A1

DE10203070A1 - Ultra-high vacuum tribometer for measurement of friction and wear can be used in ultra-high vacuum conditions and with varying velocity profiles and is also suitable for use with samples of irregular shape

Info

Publication number: DE10203070A1
Application number: DE2002103070
Authority: DE
Original assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 2002-01-18
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2003-07-24
Also published as: DE10390125D2; DE10390125B4; WO2003060487A1

Abstract

Ultra-high vacuum tribometer for measurement of friction and wear can be used in pressures from atmospheric to ultra- high vacuum, can be used in variable temperatures, can be used for carrying out tests with adjustable velocity profiles, can be used with devices enabling additional measurement methods and can be used to measured the adhesion between samples.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Reibungs- und Verschleißbestimmung sowie der Messung von Adhäsion an Proben unter Atmosphärendruck bis in den Ultrahochvakuumbereich mit einstellbarem Geschwindigkeitsprofil, variablen Temperaturen und Lasten sowie mit Vorrichtungen für zusätzliche Meßmethoden. The invention relates to a device for determining friction and wear as well measurement of adhesion to samples under atmospheric pressure up to Ultra high vacuum range with adjustable speed profile, variable temperatures and loads as well as with Devices for additional measuring methods.

Stand der TechnikState of the art

Vorrichtungen zum Reibungs- und Verschleißtest, sogenannte Tribometer, sind in vielfältigen Formen und Größen bekannt. In den meisten Fällen wird dabei eine Art Stab/Stift gegen eine rotierende Scheibe gepresst und Größen wie Normalkraft und Reibkraft gemessen sowie eine Verschleißgröße registriert. Einige spezielle Tribometer, wie das Hochtemperaturtribometer von Woydt und Gienau et al. (Proc. 3^rd European Workshop on Thermal Protection Systems, ESA publications division, WPP-141, pp. 457-467), können darüber hinaus bis zu Temperaturen von 1600°C geheizt werden. Ferner gibt es Tribometer in Klimakammern, in denen die Luftfeuchtigkeit eingestellt werden kann. In allen Fällen sind die Tribometer nicht ultrahochvakuumfähig. Ferner sind sie auf einen begrenzten Lastbereich festgelegt. Im Patent von Hamer et al. (US 6.167.745 BI) ist ein Apparat für die Messung von Roll- und Gleitreibung beschrieben. Dieses Gerät ist jedoch nicht für den Einsatz im Ultrahochvakuum konzipiert, verfügt über keinen Probenwechselmechanismus und lässt die Messung der Adhäsion nicht zu. Gleiches gilt für ein von Mani et al. angemeldetes Patent (US 6.199.424 B1) für eine vorwiegend für die Untersuchung von Gummi artigen Stoffen geeignete Vorrichtung. Devices for the friction and wear test, so-called tribometers, are known in various shapes and sizes. In most cases, a kind of rod / pin is pressed against a rotating disc and sizes such as normal force and friction force are measured and a wear size is recorded. Some special tribometers, such as the high temperature tribometer by Woydt and Gienau et al. (Proc. 3 ^rd European Workshop on Thermal Protection Systems, ESA publications division, WPP-141, pp. 457-467), can also be heated up to temperatures of 1600 ° C. There are also tribometers in climatic chambers in which the air humidity can be adjusted. In all cases, the tribometers are not capable of ultra-high vacuum. They are also limited to a limited load range. In the Hamer et al. (US 6,167,745 BI) describes an apparatus for measuring rolling and sliding friction. However, this device is not designed for use in ultra-high vacuum, does not have a sample change mechanism and does not allow measurement of the adhesion. The same applies to one of Mani et al. Patent pending (US 6,199,424 B1) for a device suitable primarily for the investigation of rubber-like substances.

Im US-Patent (Patent Nummer 6.094.967) von Cavdar ist ein fortschrittliches Tribometer beschrieben, dass einige der in dem Abschnitt "Problem, Aufgabe der Erfindung" beschriebenen Anforderungen erfüllt. So verfügt es über eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Gleitreibung zwischen zwei Proben und gibt gleichzeitig die Möglichkeit über ein Lichtmikroskop Untersuchungen während des Reibvorganges durchzuführen. Es ist jedoch nur eine der beiden Proben heizbar ausgelegt. Eine Kühlung ist nicht vorgesehen. Die beschriebene Erfindung ist nicht für den Einsatz bis in den Ultrahochvakuumbereich gedacht. Die Messung von Adhäsion ist ebenfalls nicht vorgesehen. Keines der Tribometer vereinigt alle Eigenschaften in sich (Heizen, Kühlen, Druckbereich bis hin zum UHV). In Cavdar, U.S. Patent No. 6,094,967, is an advanced tribometer described that some of those described in the "Problem, Object of the Invention" section Requirements fulfilled. So it has a device for generating sliding friction between two samples and at the same time gives the possibility of using a light microscope Conduct investigations during the rubbing process. However, it is only one of the two samples heatable designed. Cooling is not provided. The described invention is not for intended for use in the ultra high vacuum range. The measurement of adhesion is also not provided. None of the tribometers combines all of the properties (heating, Cooling, pressure range up to UHV).

In Wear, 6 (1963) 353-365 ist ein von D. V. Keller genutztes Tribometer vorgestellt. Es besteht aus einem Glasrezipienten und ist in der Lage ein Ultrahochvakuum von 7.10^-11 mbar zu erzeugen. Dieses Tribometer ist fest in den Glasrezipienten eingeschmolzen und nicht auswechselbar. Zusätzliche Untersuchungsmethoden können nicht eingebracht werden. Zum Wechseln der Proben muss der Rezipient belüftet werden. A tribometer used by DV Keller is presented in Wear, 6 ( 1963 ) 353-365. It consists of a glass recipient and is able to generate an ultra high vacuum of 7.10 ^-11 mbar. This tribometer is firmly melted into the glass recipient and cannot be replaced. Additional examination methods cannot be introduced. The recipient must be ventilated to change the samples.

Ein fortschrittlicheres UHV-Tribometer von J. M. Martin et al. ist in Proceedings Eurotrib'93 abgebildet. Hier sitzt das Tribometer in einer stählernen UHV-Apparatur und die Proben können mit weiteren experimentellen Methoden untersucht werden. Es ist jedoch nicht ersichtlich, ob die Proben getrennt geheizt und/oder gekühlt werden können oder ob die Messung der Adhäsion mit dieser Ausführung möglich ist. Ferner ist das Tribometer auf verschiedene Flansche aufgeteilt. A more advanced UHV tribometer by J.M. Martin et al. is in Proceedings Eurotrib'93 displayed. Here the tribometer sits in a steel UHV apparatus and the samples can can be investigated with further experimental methods. However, it is not clear whether the samples can be heated and / or cooled separately or whether the measurement of the Adhesion is possible with this version. Furthermore, the tribometer is on different flanges divided up.

Problem, object of the invention

Zur Bestimmung des Reibungs- und Verschleißverhaltens sollen Proben in Form von Kugeln und Ebenen gegeneinander gerieben werden können. Diese Probenkonfiguration hat aufgrund der anfänglich gut definierten Kontaktbedingungen einige Vorteile. Die Proben sind jedoch nicht notwendigerweise an diese Form gebunden. Die Reibung der Proben gegeneinander soll im Rahmen einer reversierenden Gleitbewegung mit einer Frequenz von etwa einem Hertz erfolgen. Die Amplitude dieser Gleitbewegung soll zunächst bis zu fünf Millimeter betragen. Die Vorrichtung soll es jedoch ermöglichen, dass unterschiedliche Geschwindigkeitsprofile (z. B. konstante Geschwindigkeit, sinusförmige Geschwindigkeitsprofile, Sägezahnprofile, etc.) möglich sind. Es sollen mehrere Reibspuren in einem Abstand von etwa 0,2 mm gesetzt werden können, damit sich eine durch Reibung beanspruchte Fläche von ca. 5 mm × 5 mm ergibt. Die so erzeugte Fläche läßt sich dann gut mittels Oberflächenuntersuchungsmethoden wie z. B. der Augerelektronenspektroskopie (AES) auf z. B. chemische Veränderungen untersuchen. Die Proben sollen ferner getrennt beheizt und gekühlt werden können, um den Einfluss der Temperatur allein oder in Kombination mit anderen Umwelteinflüssen studieren zu können. Samples in the form of balls should be used to determine the friction and wear behavior and levels can be rubbed against each other. This sample configuration is due the initially well-defined contact conditions some advantages. However, the samples are not necessarily tied to this form. The friction of the samples against each other should Frame of a reversing sliding movement with a frequency of approximately one Hertz respectively. The amplitude of this sliding movement should initially be up to five millimeters. The However, the device is intended to enable different speed profiles (e.g. constant speed, sinusoidal speed profiles, sawtooth profiles, etc.) possible are. Several rub marks should be placed at a distance of about 0.2 mm can, so that there is a frictional area of approx. 5 mm × 5 mm. The so generated area can then be well using surface investigation methods such. B. the Auger electron spectroscopy (AES) on e.g. B. Examine chemical changes. The Samples should also be able to be heated and cooled separately to avoid the influence of To be able to study temperature alone or in combination with other environmental influences.

Die Erfindung soll es ferner ermöglichen, Reibversuche im Ultrahochvakuum (UHV) durchführen zu können. Dies soll den Einfluss von Oxid- und Wasserschichten ausschließen und Untersuchungen an reinen Materialien ermöglichen. Durch definiertes Einlassen von z. B. Sauerstoff lässt sich dann der Einfluss auf das Reibverhalten der entsprechenden Werkstoffe untersuchen. The invention is also intended to enable friction tests in ultra-high vacuum (UHV) to be able to perform. This is to exclude the influence of oxide and water layers and Enable studies on pure materials. By defined admission of z. B. oxygen the influence on the friction behavior of the corresponding materials can then be examined.

Aus den vorherigen Abschnitten ergeben sich vakuumtechnische und reibtechnische Anforderungen an die Erfindung. Zur Erzeugung eines Ultrahochvakuums mit Drücken kleiner 2.1010 mbar ist ein Ausheizen der gesamten Anlage bei Temperaturen um 200°C notwendig. Ferner sind Vorrichtungen vorzusehen, die es erlauben die Proben zu wechseln, ohne das Ultrahochvakuum zu brechen. Damit die Erfindung je nach Erfordernissen der jeweiligen Experimente an verschiedene UHV-Kammern angebracht werden kann, ist sie vorteilhafterweise auf einen Basisflansch unterzubringen, samt Probentransfermechanismus, Signalleitungen, Zuführungen für Heizung und Kühlung sowie der entsprechenden Reibbewegung samt den zugehörigen Durchführungen ins UHV. The previous sections show vacuum and friction technology Requirements for the invention. To generate an ultra-high vacuum with pressures below 2.1010 mbar the entire system must be heated at temperatures of around 200 ° C. Further Devices must be provided which allow the samples to be changed without the Breaking ultra high vacuum. So that the invention depends on the requirements of the respective experiments Different UHV chambers can be attached, it is advantageously on one Base flange to accommodate, including sample transfer mechanism, signal lines, feeds for Heating and cooling as well as the corresponding rubbing movement together with the associated Implementations in the UHV.

Die Kraftmesseinrichtungen für die Normal- und die Reibkraft sind so zu gestalten, dass der Kraftmessbereich eingestellt werden kann. Die Messung der Kräfte soll durch direkte Umwandlung zum Beispiel über Piezo-Elemente erfolgen oder, wie in der hier beschriebenen Ausführung, über die Auslenkungen von Verformungskörpern. Durch Auswechseln dieser Verformungskörper soll der Kraftmessbereich an die jeweiligen Erfordernisse des Experiments und/oder der Proben angepasst werden können. Dieser Wechsel kann zunächst an Luft durchgeführt werden. In einer weiterführenden Ausführung der Erfindung soll der Wechsel der Verformungskörper im UHV durchgeführt werden können. The force measuring devices for the normal and the friction force are to be designed so that the Force measuring range can be set. The measurement of forces is supposed to be direct Conversion takes place, for example, via piezo elements or, as described in the here Execution, about the deflections of deformation bodies. By changing this Deformation body should the force measuring range to the respective requirements of the experiment and / or the samples can be adjusted. This change can initially be done in air be performed. In a further embodiment of the invention, the change of Deformation body can be carried out in the UHV.

Ebenfalls durch Auswechseln des Verformungskörpers und/oder durch die Verwendung geeigneter Propenträger sollen Adhäsionsmessungen mit dem gleichen Aufbau durchgeführt werden können. Also by changing the deformation body and / or by using it Suitable prop carriers should be used for adhesion measurements with the same structure can.

Lösung, AusführungSolution, execution

Für die Ausführung des UHV-Tribometers sind nur Edelstähle oder vergleichbare Materialien zugelassen, die ein Ausheizen bei ca. 200°C ermöglichen. Eingeschlossene Volumen sind durch entsprechende Maßnahmen (z. B. Lüftungsbohrungen) zu vermeiden. Das UHV- Tribometer besteht aus vier Hauptkomponenten. Die erste ist der sogenannte Basisflansch, auf dem das gesamte Tribometer aufgebaut ist. Die zweite Hauptkomponente ist der Antriebsmechanismus für die reversierende Bewegung und die dritte Komponente besteht aus den Probenhaltern. Der Sensor- oder Lastarm bildet die letzte Hauptkomponente. Er überträgt die in Form eines statischen Gewichtes oder mittels einer elektromagnetischen Vorrichtung aufgebrachte Last auf die Probe. Gleichzeitig führt er die Signale für Normal- und Reibkraft auf optischem Wege zurück. Auf die einzelnen Hauptkomponenten soll im Folgenden eingegangen werden. Only stainless steel or comparable materials are required for the execution of the UHV tribometer approved that allow heating at approx. 200 ° C. Included volumes are to be avoided by appropriate measures (e.g. ventilation holes). The UHV Tribometer consists of four main components. The first is the so-called base flange, on which the entire tribometer is built up. The second main component is the Drive mechanism for the reversing movement and the third component consists of the Sample holders. The sensor or load arm is the last main component. He transfers the in Form of a static weight or by means of an electromagnetic device applied load to the test. At the same time, it lists the signals for normal and frictional forces optical way back. The individual main components are discussed below become.

In Fig. 1 ist das UHV-Tribometer der Übersicht halber ohne Probenaufbau, Sensorarm und Mechanismus zum Probenwechsel (z. B. Wobblestick) dargestellt. Die im nachfolgenden Abschnitt genannten Zahlen beziehen sich auf diese Zeichnung. Das UHV-Tribometer ist in seiner bevorzugten Ausfertigung auf einen modifizierten NW150CF-Basisflansch (10) aufgebaut. Er verfügt vorteilhafter Weise über einen direkt aufgebrachten CF38-Flansch (20) für den Wobblestick zum Transfer der Proben. Mindestens ein weiterer, in dieser Ausfertigung zwei weitere an Rohren angebrachte CF38-Flansche (30,40) sind mit Durchführungen für zum Beispiel Signalleitungen, Heizleitungen und Thermoelementleitungen oder mit Sichtfenster versehen. Zur Kühlung der Proben verfügt das UHV-Tribometer über ein Reservoir (nicht dargestellt) für flüssigen Stickstoff. Es wird an den Zufluss und/oder den Abfluss mittels geeigneten Verbindungselementen lösbar aufgehangen. Diese Zuleitungen sitzen auf den beiden CF19-Flanschen (50) und (60). In einer weiterführenden Ausfertigung des UHV-Tribometers ist ein Ausbau des Reservoirs für die Kühlung mit flüssigem Helium vorgesehen. Die Verbindung zwischen Proben und Reservoir kann dann über Kupferlitze erfolgen, die mittels eines Wobblesticks eingehangen werden können. In Fig. 1 the UHV tribometer is shown for the sake of clarity without sample assembly, sensor arm and mechanism for changing samples (e.g. wobble stick). The numbers given in the following section refer to this drawing. The preferred version of the UHV tribometer is based on a modified NW150CF base flange ( 10 ). It advantageously has a directly attached CF38 flange ( 20 ) for the wobble stick for the transfer of the samples. At least one further, in this version two further CF38 flanges ( 30 , 40 ) attached to pipes are provided with bushings for, for example, signal lines, heating lines and thermocouple lines or with viewing windows. To cool the samples, the UHV tribometer has a reservoir (not shown) for liquid nitrogen. It is detachably suspended from the inflow and / or the outflow by means of suitable connecting elements. These supply lines are located on the two CF19 flanges ( 50 ) and ( 60 ). In a further version of the UHV tribometer, an expansion of the reservoir for cooling with liquid helium is planned. The connection between the samples and the reservoir can then be made via copper braid, which can be attached using a wobble stick.

In dieser Ausfertigung der Erfindung sind drei weitere CF19-Flansche direkt auf den Basisflansch (10) aufgebracht. Der oberste dieser Flansche, bezeichnet mit (70), dient zur Durchführung des Last- und Sensorarms, auf den später noch gesondert eingegangen wird. Die unteren beiden CF19-Flansche sind durch den CF38-Flansch (30) und weitere Aufbauten des Tribometers verdeckt. Diese Flansche erlauben die Durchführung mindestens eines Tischarms (80) zum Probentisch (90). In einer weiterführenden Ausführung der Erfindung sind auf dem Probentisch Vorrichtungen zum Deponieren von Probenträgern, optischen Linsen und wechselbaren Verformungskörpern in geeigneter Weise angebracht. (So sind in Fig. 6 zum Beispiel Doppelprobenhalter (100) angebracht, die das Parken von Probenpaaren im UHV erlauben.) In this version of the invention, three further CF19 flanges are applied directly to the base flange ( 10 ). The uppermost of these flanges, designated by ( 70 ), is used to carry out the load and sensor arm, which will be dealt with separately later. The lower two CF19 flanges are covered by the CF38 flange ( 30 ) and other attachments of the tribometer. These flanges allow at least one table arm ( 80 ) to be passed through to the sample table ( 90 ). In a further embodiment of the invention, devices for depositing sample carriers, optical lenses and exchangeable deformation bodies are suitably mounted on the sample table. (For example, double sample holders ( 100 ) are attached in FIG. 6, which allow sample pairs to be parked in the UHV.)

Eine Platte (110) ist direkt mit dem Basisflansch (10) verschweißt. Sie dient zur Befestigung der Grundplatte (120) und der Führungswellen (180) des Antriebsmechanismus. Der Antriebsmechanismus hat zwei Funktionen. Er sorgt zunächst für eine Relativbewegung einer auf dem Probentisches (90) gelagerten Probe gegenüber einer auf dem Lastarm gelagerten Probe. (Auf den Lastarm und die Probenlagerung wird noch gesondert eingegangen.) Diese Bewegung erfolgt in Richtung des Lastarms und kann reversierend sein oder es kann über ein Computerprogramm eine beliebige Bewegungsform vorgegeben werden. Hierauf wird bei der Beschreibung der Antriebseinheit noch eingegangen. Die zweite Funktion des Antriebsmechanismus ist die Höhenverstellung der bewegten Probe. Hierzu ist der Probentisch (90) über wenigstens einen Tischarm (80), in dieser Ausführung zwei Tischarme (80), mit der Tischführungseinrichtung verbunden. Diese besteht aus einer Schwalbenschwanzführung (130) und einem Montagereiter (140). Die Schwalbenschwanzführung (130) erlaubt die Höhenverstellung des Probentisches (90) und verfügt über Justiermöglichkeiten zur Minimierung des Spiels. In einer weiterführenden Ausführung der Erfindung können weitere Schwalbenschwanzführungen senkrecht zur Höhenverstellung angebracht sein. Auf den Tischarmen (80) angeschweißte Flansche (150) sorgen mittels wenigstens eines Membranbalges (160), in dieser Ausführung mittels zweier Membranbälge (160), für einen UHV-dichten Abschluss zum Basisflansch (10). Die Membranbälge (160) sind so dimensioniert, daß sie in dieser Ausführung eine Höhenverstellung von 63 mm bei gleichzeitiger linearer Verschiebung um 630 mm erlauben. Je nach Anwendungszweck und Probenform sind andere Kombinationen von Verfahrwegen denkbar. Der Montagereiter (140) samt angeschraubter Schwalbenschwanzführung (130) sitzt auf zwei Führungsrohren (170). In diesen Führungsrohren (170) sitzen jeweils zwei Führungsbuchsen hintereinander. Diese Anordnung ist gewählt worden, um das durch den Probentisch (90) über die Tischarme (80) auf die Kugelführungen ausgeübte Moment abzufangen. Insgesamt vier Kugelkäfige laufen auf den Führungswellen (180). Die Abmessungen der Kugelkäfige ist so gewählt, dass alle Kugeln ständig im Eingriff bleiben. Ferner läuft jede Kugel des Kugelkäfigs auf einer eigenen Spur. Beide Maßnahmen sorgen für einen ruhigen, ruckelfreien Lauf. Die Führungswellen (180) sind zum einen in der Platte (110) des Basisflansches (10) und zum anderen in dem auf der Grundplatte (120) aufgeschraubten Führungswellenblock (190) fixiert. Der Montagereiter (140) samt angeschraubten Bauteilen ist damit entlang der Führungswellen (180) frei beweglich. A plate ( 110 ) is welded directly to the base flange ( 10 ). It is used to fasten the base plate ( 120 ) and the guide shafts ( 180 ) of the drive mechanism. The drive mechanism has two functions. It first ensures a relative movement of a sample stored on the sample table ( 90 ) compared to a sample stored on the load arm. (The load arm and the sample storage will be dealt with separately.) This movement takes place in the direction of the load arm and can be reversing or any form of movement can be specified via a computer program. This will be discussed in the description of the drive unit. The second function of the drive mechanism is the height adjustment of the moving sample. For this purpose, the sample table ( 90 ) is connected to the table guide device via at least one table arm ( 80 ), in this embodiment two table arms ( 80 ). This consists of a dovetail guide ( 130 ) and an assembly rider ( 140 ). The dovetail guide ( 130 ) allows the height of the sample table ( 90 ) to be adjusted and has adjustment options to minimize play. In a further embodiment of the invention, further dovetail guides can be attached perpendicular to the height adjustment. Flanges ( 150 ) welded to the table arms ( 80 ) ensure at least one membrane bellows ( 160 ), in this embodiment by means of two membrane bellows ( 160 ), for a UHV-tight seal to the base flange ( 10 ). The membrane bellows ( 160 ) are dimensioned so that in this version they allow a height adjustment of 63 mm with a simultaneous linear displacement of 630 mm. Depending on the application and the shape of the sample, other combinations of travel paths are possible. The assembly rider ( 140 ) together with the screwed-on dovetail guide ( 130 ) sits on two guide tubes ( 170 ). Two guide bushings are seated one behind the other in these guide tubes ( 170 ). This arrangement has been chosen to intercept the moment exerted on the ball guides by the sample table ( 90 ) via the table arms ( 80 ). A total of four ball cages run on the guide shafts ( 180 ). The dimensions of the ball cages are chosen so that all balls remain in constant engagement. Furthermore, each ball of the ball cage runs on its own track. Both measures ensure smooth, smooth running. The guide shafts ( 180 ) are fixed on the one hand in the plate ( 110 ) of the base flange ( 10 ) and on the other hand in the guide shaft block ( 190 ) screwed onto the base plate ( 120 ). The assembly rider ( 140 ) together with the screwed-on components can thus move freely along the guide shafts ( 180 ).

Angetrieben wird die gesamte Vorrichtung durch eine in Figur (2) dargestellte Antriebseinheit. Kernstück dieser Antriebseinheit ist ein Gleichstromgetriebemotor (200) mit Inkrementalpositionsgeber. Der Motor (200) ist getriebeseitig mit einem Motorschild (210) verbunden. Letzteres kann zur Geräuschreduzierung aus Gleitlagerpolymerwerkstoffen wie z. B. PTFE gefertigt sein. Motor (200) und Schild (210) sind an einem Motorschlitten (220) angebracht, der eine Justierung des Startpunktes der Bewegung in Richtung der Führungswellen (180) erlaubt. Auf der Welle des Getriebemotors (200) sitzt ein Excenter (230), der mittels eines Gleitsteins (240) und eines Antriebswellenblocks (250) mit dem Montagereiter (140) verbunden ist. Die Rotation der Motorwelle wird so in eine reversierende lineare Bewegung des Montagereiters (140) und damit des Probentisches (90) umgewandelt. Je nach Exzentrizität lässt sich die Länge des Reibweges einstellen. Die Spannungsversorgung des Motors kann über eine Elektronik per Computer so programmiert werden, dass beliebige Bewegungsabläufe (z. B. konstante Geschwindigkeit, gleichförmig beschleunigte Geschwindigkeit, etc.) des Probentisches (90) ermöglicht werden. Je nach Einsatzgebiet kann in weiteren Ausführungen der Erfindung die Antriebseinheit auch auf der Ultrahochvakuumseite in geeigneter Weise angebracht werden. Dabei können auch Linearmotore und/oder Piezoantriebe verwendet werden. The entire device is driven by a drive unit shown in Figure ( 2 ). The centerpiece of this drive unit is a DC geared motor ( 200 ) with an incremental position sensor. The motor ( 200 ) is connected on the transmission side to a motor plate ( 210 ). The latter can be used to reduce noise from plain bearing polymer materials such. B. PTFE. Motor ( 200 ) and shield ( 210 ) are attached to a motor carriage ( 220 ), which allows an adjustment of the starting point of the movement in the direction of the guide shafts ( 180 ). An eccentric ( 230 ) sits on the shaft of the geared motor ( 200 ) and is connected to the assembly rider ( 140 ) by means of a sliding block ( 240 ) and a drive shaft block ( 250 ). The rotation of the motor shaft is thus converted into a reversing linear movement of the assembly rider ( 140 ) and thus of the sample table ( 90 ). The length of the friction path can be adjusted depending on the eccentricity. The power supply to the motor can be programmed via an electronic computer so that any movement sequences (e.g. constant speed, uniformly accelerated speed, etc.) of the sample table ( 90 ) are made possible. Depending on the field of application, in further embodiments of the invention the drive unit can also be attached in a suitable manner on the ultra-high vacuum side. Linear motors and / or piezo drives can also be used.

In Figur (3) sind der Basisflansch (10) und die Komponenten für die Lagerung des Lastarms sowie die Aufbringung des Gewichtes dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit der Abbildung sind die entsprechenden Komponenten für die Linearbewegung weggelassen worden. Auf dem NW19CF-Flansch (70) ist ein Membranbalg montiert. Durch diesen ist der Lastarm geführt und schließt den Membranbalg mit seinem angeschweißten NW19CF-Flansch UHV-dicht ab. Sowohl der Membranbalg als auch der NW19CF-Flansch des Lastarms befinden sich innerhalb der zylindrischen Aufnahme des Lastarmlagers (260) und sind mit diesem fest verschraubt. An der zylindrischen Aufnahme des Lastarmlagers (260) sind zwei Wellen angeschweißt, die in Kugellagern gelagert sind. Das untere Kugellager (270) befindet sich in der Grundplatte (120) und das obere Kugellager (280) ist in dem Achsenhalter (290) untergebracht. Die Stützgabel (300) sorgt für einen definierten Abstand der beiden Kugellager. Diese können durch einen geeigneten Mechanismus gegeneinander verspannt werden, um ein eventuelles Spiel aus dem Aufbau herauszunehmen. In dieser Ausführung der Erfindung wird der Außenring des unteren Kugellagers (270) mittels eines Rings mit Außengewinde (310) in der Grundplatte (120) festgelegt (siehe Figur (1)). Durch drehen des Spannstücks (320) mit Gewinde lässt sich das Lastarmlager (260) gegenüber dem oberen mit einem Sicherungsring für Wellen (330) gesicherten Kugellager (280) spannen. In Figure ( 3 ) the base flange ( 10 ) and the components for the storage of the load arm and the application of the weight are shown. For the sake of clarity in the illustration, the corresponding components for the linear movement have been omitted. A diaphragm bellows is mounted on the NW19CF flange ( 70 ). The load arm is guided through this and closes the diaphragm bellows with its welded NW19CF flange so that it is UHV-tight. Both the diaphragm bellows and the NW19CF flange of the load arm are located within the cylindrical receptacle of the load arm bearing ( 260 ) and are firmly screwed to it. Two shafts are welded to the cylindrical seat of the load arm bearing ( 260 ) and are supported in ball bearings. The lower ball bearing ( 270 ) is located in the base plate ( 120 ) and the upper ball bearing ( 280 ) is housed in the axle holder ( 290 ). The support fork ( 300 ) ensures a defined distance between the two ball bearings. These can be braced against each other using a suitable mechanism to remove any play from the structure. In this embodiment of the invention, the outer ring of the lower ball bearing ( 270 ) is fixed in the base plate ( 120 ) by means of a ring with an external thread ( 310 ) (see FIG. 1 ). By turning the clamping piece ( 320 ) with thread, the load arm bearing ( 260 ) can be tensioned relative to the upper ball bearing ( 280 ) secured with a locking ring for shafts ( 330 ).

Diese Art der Lagerung des Lastarms erlaubt es, diesen in der durch den Pfeil in Figur (3) angegebenen Weise um etwa 10° zu drehen. In der ausgelenkten Position kann ein Probenwechsel vorgenommen werden. Die Lagerung des Lastarms ist so dimensioniert, dass bei unausgelenktem Lastarm sich die Proben gerade berühren. In dieser Position wird über den Belastungshebel (340) und der Umlenkrolle (350) die Last in Form eines statischen Gewichtes (360) aufgebracht. Statt eines statischen Gewichtes kann auch eine elektromagnetische Vorrichtung zur Erzeugung der Last verwendet werden. This type of mounting of the load arm allows it to be rotated through approximately 10 ° in the manner indicated by the arrow in FIG. ( 3 ). A sample change can be made in the deflected position. The bearing of the load arm is dimensioned so that the samples just touch when the load arm is not deflected. In this position, the load is applied in the form of a static weight ( 360 ) via the loading lever ( 340 ) and the deflection roller ( 350 ). Instead of a static weight, an electromagnetic device can also be used to generate the load.

In Fig. 4 ist der Lastarm dargestellt. Er besteht im Wesentlichen aus einem Stützrohr (370), einem NW19CF-Abschlußflansch (380) und einem Verformungskörper, an dem die Probenhalterung befestigt ist. Im Stützrohr (370) ist ein Glasfaserstab (390) zentrisch angebracht. Bei dem Glasfaserstab (390) kann es sich um eine einzelne Faser, einem Bündel von Fasern (wie in dieser Ausführung) oder um eine Vielzahl von Faserbündeln handeln. Der Glasfaserstab (390) schließt an beiden Enden plan mit dem umhüllenden Stützrohr (370) ab. Die Stirnflächen des Glasfaserstabes (390) sind poliert. An den jeweiligen Enden ist der Glasfaserstab (390) ultrahochvakuumtauglich über eine Vergussmasse (400) mit dem Stützrohr verbunden. Dabei kann der Zwischenraum (410) zwischen Glasfaserstab (390) und Stützrohr (370) vorteilhafter Weise ebenfalls mit einer Vergussmasse ausgefüllt werden. An der einen Seite des Stützrohres (370) ist ein Abschlussflansch (380) UHV-dicht angeschweißt. Dieser Teil des Lastarms wird durch den auf dem NW19CF-Flansch (70) befindlichen Membranbalg geführt und schließt diesen UHV-dicht ab. Die gesamte Anordnung sitzt innerhalb des Lastarmlagers (260) (siehe Fig. 1 und Fig. 3). In FIG. 4, the load beam is shown. It essentially consists of a support tube ( 370 ), a NW19CF end flange ( 380 ) and a deformation body to which the sample holder is attached. A glass fiber rod ( 390 ) is mounted centrally in the support tube ( 370 ). The glass fiber rod ( 390 ) can be a single fiber, a bundle of fibers (as in this embodiment) or a plurality of fiber bundles. The glass fiber rod ( 390 ) ends flat on both ends with the enveloping support tube ( 370 ). The end faces of the glass fiber rod ( 390 ) are polished. At the respective ends, the glass fiber rod ( 390 ) is connected to the support tube in a manner suitable for ultra-high vacuum via a casting compound ( 400 ). The space ( 410 ) between the glass fiber rod ( 390 ) and the support tube ( 370 ) can advantageously also be filled with a casting compound. An end flange ( 380 ) is welded UHV-tight on one side of the support tube ( 370 ). This part of the load arm is guided through the diaphragm bellows located on the NW19CF flange ( 70 ) and closes this UHV-tight. The entire assembly is seated within the Lastarmlagers (260) (see Fig. 1 and Fig. 3).

Auf der UHV-Seite des Stützrohres (370) wird der Verformungskörper befestigt (siehe Fig. 4). Der Verformungskörper besteht im Wesentlichen aus den Blattfedern (420), dem Klemmkörper (430) und dem Federhalter (440). Der Federhalter (440) ist über zwei parallel angeordnete Blattfedern (420) mit dem Klemmkörper (430) verbunden. Der Klemmkörper (430) verfügt über eine zylindrische Bohrung, damit dieser über das UHV-seitige Ende des Stützrohres (370) geschoben werden kann. Zwei Klemmschrauben (450) drücken das Stützrohr gegen die gegenüberliegende Seite des Klemmkörpers (430), in der durch eine entsprechende Fräsung zwei Kanten (460) erzeugt wurden. Das Stützrohr (370) liegt somit auf den beiden Kanten (460) und den Klemmschrauben (450) auf. Damit ergibt sich quasi eine starre, aber lösbare Dreipunktlagerung. Diese Anordnung erlaubt zudem die Ausrichtung der Probe (470) in axialer Richtung (z-Richtung) und um den Drehwinkel φ. The deformation body is fastened on the UHV side of the support tube ( 370 ) (see FIG. 4). The deformation body essentially consists of the leaf springs ( 420 ), the clamping body ( 430 ) and the spring holder ( 440 ). The spring holder ( 440 ) is connected to the clamping body ( 430 ) by means of two leaf springs ( 420 ) arranged in parallel. The clamping body ( 430 ) has a cylindrical bore so that it can be pushed over the UHV-side end of the support tube ( 370 ). Two clamping screws ( 450 ) press the support tube against the opposite side of the clamping body ( 430 ), in which two edges ( 460 ) were created by a corresponding milling. The support tube ( 370 ) thus rests on the two edges ( 460 ) and the clamping screws ( 450 ). This results in a quasi rigid but detachable three-point bearing. This arrangement also allows the sample ( 470 ) to be aligned in the axial direction (z direction) and around the angle of rotation φ.

Das Blattfederpaar (420) erlaubt eine Verschiebung des Federhalters (440) gegenüber dem Klemmkörper (430) in y-Richtung. Damit lässt sich die Normalkraft (F_N) mit der die Probe (470) gegen ihr beweglich gelagertes Pendant gepresst wird, bestimmen. Dazu muss bei bekannter Federkonstante der Blattfedern (420) die Auslenkung gemessen werden. Letzteres erfolgt auf optischem Wege (Verfahren nach Firma Tetra, Patentschrift AP G01L/3417571 (1990) und Patentanmeldung 19517195.0 (1995)). Hierzu wird das Licht einer Licht Emittierenden Diode (LED (hier nicht gezeigt)) mittels des Glasfaserstabes (390) auf den Normalkraftreflektor (480) geleitet. Je nach Auslenkung der Blattfedern (420) wird der Normalkraftreflektor (480) gegenüber dem Lichtfleck der LED am Ende des Glasstabes (390) mehr oder weniger verschoben und damit mehr oder weniger Licht zu einem entsprechenden Detektor zurückgeleitet. Mittels einer geeigneten Kalibrierung ist die Intensität des detektierten Lichts ein direktes und empfindliches Maß für die Verbiegung der Blattfedern (420) und, bei bekannter Federkonstante, für die Normalkraft (F_N). The pair of leaf springs ( 420 ) allows the spring holder ( 440 ) to be displaced with respect to the clamping body ( 430 ) in the y direction. The normal force (F _N ) with which the sample ( 470 ) is pressed against its movably mounted counterpart can thus be determined. For this purpose, the deflection must be measured with a known spring constant of the leaf springs ( 420 ). The latter is done optically (method according to Tetra, patent specification AP G01L / 3417571 ( 1990 ) and patent application 19517195.0 ( 1995 )). For this purpose, the light of a light-emitting diode (LED (not shown here)) is directed onto the normal force reflector ( 480 ) by means of the glass fiber rod ( 390 ). Depending on the deflection of the leaf springs ( 420 ), the normal force reflector ( 480 ) is displaced more or less than the light spot of the LED at the end of the glass rod ( 390 ), and thus more or less light is returned to a corresponding detector. By means of a suitable calibration, the intensity of the detected light is a direct and sensitive measure of the bending of the leaf springs ( 420 ) and, if the spring constant is known, of the normal force (F _N ).

Am vorderen und hinteren Ende des Federhalters (440) befindet sich jeweils eine Spiralblattfeder (490). Diese sind über eine Stabilisierungshülse (500) miteinander verbunden. Diese Anordnung lässt somit nur eine Verschiebung in der z-Richtung zu. An dieser Stabilisierungshülse (500) ist in geeigneter Weise die gesamte Probenhalterung samt Probe (470) befestigt. Wird die gegenüberliegende Probe (in Fig. 4 nicht gezeigt) im Kontakt gegen die Probe (470) verschoben, so führt dies zu einer Auslenkung der Spiralblattfedern (490). Bei bekannter Federkonstante kann damit die Reibkraft FR gemessen werden. Die Auslenkung der Spiralblattfedern (490) wird analog zu der Auslenkung der Blattfedern (420) auf optische Weise gemessen. Dazu wird das Licht einer weiteren LED durch den Glasfaserstab (390) auf den Reibkraftreflektor (520) gelenkt. Dieser ist an der Stabilisierungshülse (500) befestigt. Je weiter die Spiralblattfedern (490) ausgelenkt sind, desto weiter ist der Reibkraftreflektor (520) vom Ende des Glasfaserstabes mit dem divergierend austretenden Licht der zweiten LED entfernt und desto weniger Licht wird reflektiert. Eine geeignete Kalibrierung vorausgesetzt, ist die Intensität des Lichtes der zweiten LED somit ein direktes und empfindliches Maß für die Reibkraft. Außerhalb des Ultrahochvakuums kann diese Kalibrierung zum Beispiel durch das Auflegen von Gewichten erfolgen. Die Messbereiche der Normal- und der Reibkräfte hängen von den Federkonstanten der Blattfedern (420) sowie den Spiralblattfedern (490) ab. Zum Wechsel der Kraftmessbereiche müssen daher die entsprechenden Federn ((420), (490)) gewechselt werden. In einer weiterführenden Ausführung der Erfindung, bei entsprechend gestalteten Verformungskörpern, kann dieser Wechsel auch im Ultrahochvakuum vorgenommen werden. Je nach Anwendungsgebiet sind Ausführungen der Erfindung möglich, in denen die Kräfte am Ort der Probe über druckempfindliche Schichten gemessen werden. Solche Schichten ändern ihre physikalischen Eigenschaften (z. B. ihren elektrischen Widerstand) unter dem Einfluss einer äußeren Kraft/eines äußeren Druckes. A spiral leaf spring ( 490 ) is located at the front and rear end of the spring holder ( 440 ). These are connected to one another via a stabilizing sleeve ( 500 ). This arrangement thus only permits a shift in the z direction. The entire sample holder and sample ( 470 ) are attached to this stabilizing sleeve ( 500 ) in a suitable manner. If the opposite sample (not shown in FIG. 4) is moved in contact against the sample ( 470 ), this leads to a deflection of the spiral leaf springs ( 490 ). If the spring constant is known, the frictional force FR can thus be measured. The deflection of the spiral leaf springs ( 490 ) is measured optically analogously to the deflection of the leaf springs ( 420 ). For this purpose, the light from another LED is directed through the glass fiber rod ( 390 ) onto the friction force reflector ( 520 ). This is attached to the stabilizing sleeve ( 500 ). The further the spiral leaf springs ( 490 ) are deflected, the further the friction force reflector ( 520 ) is removed from the end of the glass fiber rod with the diverging light emitted by the second LED and the less light is reflected. Assuming a suitable calibration, the intensity of the light from the second LED is a direct and sensitive measure of the frictional force. Outside the ultra-high vacuum, this calibration can be carried out, for example, by applying weights. The measuring ranges of the normal and frictional forces depend on the spring constants of the leaf springs ( 420 ) and the spiral leaf springs ( 490 ). To change the force measuring ranges, the corresponding springs (( 420 ), ( 490 )) must be changed. In a further embodiment of the invention, with appropriately designed deformation bodies, this change can also be carried out in an ultra-high vacuum. Depending on the field of application, embodiments of the invention are possible in which the forces at the location of the sample are measured via pressure-sensitive layers. Such layers change their physical properties (e.g. their electrical resistance) under the influence of an external force / pressure.

Die zu untersuchenden Reibproben werden mit Hilfe eines sogenannten Wobblesticks (510) aus ihren Transport Positionen geholt und in ihre Reibpositionen gesetzt. Die Aufnahmen für die Proben müssen über ein genügend großes Spiel verfügen, da nach dem Ausheizen im Ultrahochvakuum sonst ein Verkannten der Proben in ihren Aufnahmen leicht zu einem Verklemmen führen kann. Letzteres kann in den meisten Fällen nur durch ein Brechen des UHVs behoben werden. Aus tribologischer Sicht aber ist ein minimales oder gar kein Spiel der Proben in ihren Aufnahmen wünschenswert. Unter tribologischer Beanspruchung sollen sich die Proben gegeneinander und nicht in ihren Aufnahmen verschieben. Um sowohl der vakuumtechnischen Anforderung nach einem Spiel als auch der tribologischen Anforderung nach Spielfreiheit nach zu kommen, wurde die in Figur (5a) und Figur (5b) dargestellte Anordnung realisiert. Die vordere Probe ist starr mit dem Probentisch (90) aus Figur (1) verbunden. Sie wird mittels des in Figur (2) dargestellten Antriebs in Bewegung versetzt. An dem Lastarm ist die gleiche Probenarretierung befestigt. Beide Arretierungen sind so ausgeführt, dass sie mit je einer Heizung und einem Temperatursensor ausgerüstet sowie mit einem Kältereservoir verbunden werden können. Je nach Ausführung des Tribometers, Art und Form der Probe kommen Widerstandsheizungen, Direktheizungen oder Elektronenstoßheizungen in Frage. The friction samples to be examined are fetched from their transport positions with the help of a so-called wobble stick ( 510 ) and placed in their friction positions. The receptacles for the samples must have a sufficiently large clearance, since after heating in the ultra-high vacuum, a misalignment of the samples in their receptacles can easily lead to jamming. In most cases, the latter can only be remedied by breaking the UHV. From a tribological point of view, however, a minimal or no play of the samples in their recordings is desirable. Under tribological stress, the samples should move against each other and not in their photographs. In order to meet both the vacuum-technical requirement for a game and the tribological requirement for freedom from play, the arrangement shown in FIG. 5 a and FIG. 5 b was realized. The front sample is rigidly connected to the sample table ( 90 ) from Figure ( 1 ). It is set in motion by the drive shown in Figure ( 2 ). The same sample lock is attached to the load arm. Both detents are designed so that they can be equipped with a heater and a temperature sensor and can be connected to a cold reservoir. Depending on the design of the tribometer, the type and shape of the sample, resistance heating, direct heating or electron pulse heating can be used.

Figur (5b) zeigt einen Probenträger (530) der Firma Omicron in der Probenarretierung in eingespanntem Zustand. Wenigstens ein Hebel (540) ist an der einen Seite V-förmig ausgeführt. Zwischen den Schenkeln der V-förmigen Anordnung befinden sich der Rahmen (550) und der Probenträger (530). Durch die Schrägstellung der Schenkel der Hebel (540) werden der Probenträger (530) und der Rahmen (550) zusammengepresst. Die dazu erforderliche Kraft wird durch wenigstens eine geeignete Feder (560) aufgebracht. Wenigstens einer der beiden Hebel (540) ist mit einer Verlängerung (570) versehen. Damit lässt sich unter Verwendung des Wobblesticks (510) wenigstens eine der Federn (560) entspannen und der Probenträger (530) aus der Halterung herauslösen. Der Rahmen (550) verfügt über eine Aussparung, sodass in einer weiterführenden Ausführung der Erfindung die Heizungen einen direkten Sichtkontakt zum zu heizenden Probenträger (530) haben. Figure ( 5 b) shows a sample carrier ( 530 ) from Omicron in the sample lock in the clamped state. At least one lever ( 540 ) is V-shaped on one side. The frame ( 550 ) and the sample carrier ( 530 ) are located between the legs of the V-shaped arrangement. The sample holder ( 530 ) and the frame ( 550 ) are pressed together by the inclination of the legs of the levers ( 540 ). The force required for this is applied by at least one suitable spring ( 560 ). At least one of the two levers ( 540 ) is provided with an extension ( 570 ). Using the wobble stick ( 510 ), at least one of the springs ( 560 ) can be relaxed and the sample holder ( 530 ) can be removed from the holder. The frame ( 550 ) has a cutout, so that in a further embodiment of the invention the heaters have direct visual contact with the sample holder ( 530 ) to be heated.

Mittels eines Wegsensors (580), siehe Fig. 6, wird der Verfahrweg zwischen den Proben (470) aufgenommen. Damit können Reibkraft sowie Normalkraft (und damit der Reibkoeffizient) als Funktion des Probenortes angegeben werden. Der Wegsensor beruht in dieser Ausführung auf dem gleichen Prinzip der optischen Entfernungsmessung, wie es im Zusammenhang mit den Kraftsensoren beschrieben wurde. Sämtliche Wegmessungen können aber auch kapazitiv und/oder induktiv gemessen werden. Bei kleinsten Wegänderungen können diese aber auch mittels des Piezoelektrischen Effektes gemessen werden. In dieser Ausführung der Erfindung ist der Wegsensor noch auf der Atmosphärenseite angebracht. In einer weiterentwickelten Ausführung der Erfindung ist der Wegsensor im UHV direkt am Ort der Proben angebracht. Wenigstens ein weiterer solcher Wegsensor (580) registriert eine Verschleißgröße. Tritt Verschleiß zwischen der Probe auf dem Lastarm und der Probe auf dem Probentisch (90) auf, so ändert sich der Abstand zwischen diesen Proben. Diese Abstandsänderung überträgt sich auf den Lastarm und damit über das Lastarmlager (260) auf den Belastungshebel (340). Ein dort entsprechend angebrachter Wegsensor (580) registriert die Bewegung des Lastarmhebels und damit eine Verschleißgröße. In einer weiterentwickelten Ausführung der Erfindung ist dieser Wegsensor ebenfalls im UHV direkt am Ort der Proben angebracht. Über eine entsprechende Elektronik werden die Signale sowohl der Kraftsensoren als auch der Wegsensoren für die digitale Weiterverarbeitung mittels eines PCs aufbereitet. The travel path between the samples ( 470 ) is recorded by means of a displacement sensor ( 580 ), see FIG. 6. This means that the frictional force and normal force (and thus the coefficient of friction) can be specified as a function of the sample location. In this version, the displacement sensor is based on the same principle of optical distance measurement as was described in connection with the force sensors. All path measurements can also be measured capacitively and / or inductively. With the smallest path changes, these can also be measured using the piezoelectric effect. In this embodiment of the invention, the displacement sensor is still attached to the atmosphere side. In a further developed embodiment of the invention, the displacement sensor in the UHV is attached directly to the location of the samples. At least one other such displacement sensor ( 580 ) registers a wear quantity. If wear occurs between the sample on the load arm and the sample on the sample table ( 90 ), the distance between these samples changes. This change in distance is transferred to the load arm and thus to the load lever ( 340 ) via the load arm bearing ( 260 ). A displacement sensor ( 580 ) attached there registers the movement of the load arm lever and thus a wear quantity. In a further developed embodiment of the invention, this displacement sensor is also attached in the UHV directly at the location of the samples. The signals from both the force sensors and the displacement sensors are processed for digital further processing by means of a PC using appropriate electronics.

In Fig. 7 ist eine weiterführende Ausführung des Lastarmkopfes dargestellt. Wie bisher wird der Lastarmkopf über einen Klemmkörper (430) mittels der Klemmschrauben (450) an dem Stützrohr (370) befestigt. Ein Blattfederpaar (420) wird unter der in y-Richtung wirkenden Normalkraft verformt. Diese Verformung wird wie oben beschrieben optisch gemessen. Der Federhalter (440) ist hier jedoch so geformt, dass das zweite Federpaar (490) nicht als Spiralfeder ausgeführt sein muss, sondern ebenfalls ein Blattfederpaar sein kann. Dieses Federpaar (490) wird durch die Einwirkung der Reibkraft in z-Richtung verformt. Diese Verformung wird nach dem oben beschriebenen Verfahren optisch gemessen. Die Aufnahme für die Probenträger (530) mit den darauf befestigten Proben (470) ist hier zwischen die Federn des Federpaares (490) gelegt. Die Probenträger (530) werden hier mit den jeweils anders ausgeführten Hebel (540) und Feder (560) arretiert. Es können mehrere Hebel (540) hintereinander angeordnet sein. (In Fig. 7 sind zwei solcher Hebel dargestellt.) Ein in der Form eines Probenträgers ausgeführtes Heizelement kann somit direkt hinter die zu heizende Probe (470) angebracht. Dies erlaubt das Auswechseln eines defekten Heizelementes unter UHV-Bedingungen. Analog kann ein in der Form eines Probenträgers ausgeführtes Kühlelement, das zum Beispiel über eine Kupferlitze mit einem entsprechenden Reservoir verbunden ist, hinter der zu kühlenden Probe (470) angeordnet werden. Bei gleichzeitiger Verwendung von Heiz- und Kühlelementen ist mittels einer geeigneten Regeleinheit eine stufenlose Einstellung der Probentemperatur zwischen der Temperatur des Kühlreservoirs und der maximalen Temperatur des Heizelementes möglich. In Fig. 7 a further embodiment of the Lastarmkopfes is illustrated. As before, the load arm head is attached to the support tube ( 370 ) by means of a clamping body ( 430 ) by means of the clamping screws ( 450 ). A pair of leaf springs ( 420 ) is deformed under the normal force acting in the y direction. This deformation is measured optically as described above. However, the spring holder ( 440 ) is shaped here in such a way that the second pair of springs ( 490 ) need not be designed as a spiral spring, but can also be a pair of leaf springs. This pair of springs ( 490 ) is deformed by the action of the frictional force in the z direction. This deformation is measured optically using the method described above. The holder for the sample holder ( 530 ) with the samples ( 470 ) attached to it is placed between the springs of the pair of springs ( 490 ). The sample holder ( 530 ) is locked here with the lever ( 540 ) and spring ( 560 ), each with a different design. Several levers ( 540 ) can be arranged one behind the other. (Two such levers are shown in FIG. 7). A heating element in the form of a sample carrier can thus be fitted directly behind the sample ( 470 ) to be heated. This allows a defective heating element to be replaced under UHV conditions. Analogously, a cooling element in the form of a sample carrier, which is connected, for example, to a corresponding reservoir via a copper braid, can be arranged behind the sample ( 470 ) to be cooled. When heating and cooling elements are used at the same time, a stepless adjustment of the sample temperature between the temperature of the cooling reservoir and the maximum temperature of the heating element is possible using a suitable control unit.

In Fig. 8 ist ein weiterer Lastarmkopf dargestellt. Er verfügt über einen ähnlichen Klemmkörper (430) wie der Lastarmkopf aus Fig. 4. Der Verformungskörper besteht hier jedoch aus einem massiven Block, der über eine H-förmige Ausfräsung verfügt. Diese sorgt an den in der Fig. 8 markierten Stellen für eine starke Verringerung der Wandstärke. Bei Auflegen einer Normalkraft (F_N) führt dies an diesen Stellen zu einer Verformung, die über die dort angebrachten Dehnmessstreifen (DMS), bezeichnet mit (590), registriert werden kann. Ein weiterer Verformungskörper ist direkt mit dem Tisch (90) verbunden. An diesen ist über eine entsprechende Halterung die Gegenprobe befestigt. Dieser Verformungskörper ist so ausgerichtet, dass die Reibkraft (F_R) gemessen werden kann. In einer anderen Ausführung kann dieser Verformungskörper statt auf dem Tisch (90) auch in dem Lastarm integriert sein. Der Glasfaserstab (390) kann nun zur bilderhaltenden Durchführung ins UHV bis hin zur Probe verwendet werden. Dazu ist über ein Klemmstück (600) ein gebogener Glasfaserstab oder Lichtleiter (610) angebracht. Dieser führt das Licht direkt bis zur Rückseite der durchsichtigen Halbkugelprobe (620). Damit lässt sich eine Vielzahl von Informationen direkt aus dem Reibkontakt herausholen bei gleichzeitiger Erfassung des Ortes (Wegsensor), der Reib- und der Normalkraft. Wird zum Beispiel eine CCD- Kamera direkt an das atmosphärische Ende des Glasstabes (390) gehalten, so ergeben sich Informationen über die Veränderung der Probenoberfläche während des Reibvorganges. Ersetzt man die CCD-Kamera zum Beispiel durch ein Spektrometer mit Vielkanalanalysator, so lässt sich die tribologisch induzierte Wärmestrahlung, und damit die Temperatur, oder die Photolumineszenz/Tribolumineszenz direkt in der Reibstelle untersuchen. Bei Einkopplung von Laserlicht in den Glasfaserstab (380) über einen Strahlteiler lassen sich prinzipiell Gitterschwingungen anregen (Raman-Streuung) die Aufschluss über tribologisch induzierte chemische Reaktion an der Oberfläche der Reibproben geben. Dazu muss das Signal über den besagten Strahlteiler in ein entsprechendes Spektrometer mit einem geeigneten Analysator geleitet werden. Die Erfindung erlaubt die Anwendung sämtlicher angesprochenen Untersuchungsmethoden vor, nach und sogar während der Reibprozesse im Gange ist. In Fig. 8 a further Lastarmkopf is illustrated. It has a similar clamping body ( 430 ) as the load arm head from FIG. 4. However, the deformation body here consists of a solid block which has an H-shaped milling. This ensures a strong reduction in the wall thickness at the points marked in FIG. 8. When a normal force (F _N ) is applied, this leads to a deformation at these points, which can be registered via the strain gauges (DMS) attached there, designated by ( 590 ). Another deformation body is connected directly to the table ( 90 ). The counter-sample is attached to this by means of an appropriate holder. This deformation body is aligned so that the frictional force (F _R ) can be measured. In another embodiment, this deformation body can also be integrated in the load arm instead of on the table ( 90 ). The glass fiber rod ( 390 ) can now be used for image retention in the UHV up to the sample. For this purpose, a curved glass fiber rod or light guide ( 610 ) is attached via a clamping piece ( 600 ). This leads the light directly to the back of the transparent hemisphere sample ( 620 ). This means that a large amount of information can be extracted directly from the frictional contact while simultaneously recording the location (displacement sensor), the frictional and normal force. If, for example, a CCD camera is held directly at the atmospheric end of the glass rod ( 390 ), information about the change in the sample surface during the rubbing process is obtained. If you replace the CCD camera with a spectrometer with a multi-channel analyzer, for example, the tribologically induced heat radiation, and thus the temperature, or the photoluminescence / triboluminescence can be examined directly in the friction point. When laser light is coupled into the glass fiber rod ( 380 ) via a beam splitter, lattice vibrations can in principle be excited (Raman scattering) to provide information about the tribologically induced chemical reaction on the surface of the friction samples. For this purpose, the signal must be passed through the beam splitter in a corresponding spectrometer with a suitable analyzer. The invention allows the use of all the examination methods mentioned before, after and even during the rubbing process.

Die in Fig. 9 dargestellte Lastarmkopf/Probentischanordnung erlaubt die Messung der Adhäsion. Hierzu wird der Lastarm mit seinem Anschlag (630) gegen einen Feststeller (640) gedreht und dort geklemmt. Die Klemmung erfolgt in dieser Ausführung analog zur Klemmung der Probenträger in Fig. 5. Durch Umlegen des verlängerten Hebels (570) mittels eines Wobblesticks kann der Lastarmkopf festgelegt werden. Die auf dem Probentisch (90) angeordnete Probe ist auf einem Verstellmechanismus angebracht. Der Verstellmechanismus besteht in dieser Ausführung aus einer Grobpositionierung (650) und einer Feinpositionierung (660). Damit kann die Probe in Richtung der auf dem Lastarmkopf angebrachten Probe verfahren werden. In weiterführenden Ausführungen der Erfindung sind je nach experimenteller Anforderung Verstellmechanismen in allen drei Raumrichtungen möglich. Zur Adhäsionsmessung ist eine der Proben auf einem modifizierten Probenträger (530) angebracht (siehe Fig. 10 und Fig. 11). An diesen modifizierten Probenträger (530) ist über Abstandshalter (670), die je nach Verwendungszweck aus isolierendem oder nicht-isolierendem Material bestehen können, ein Federelement (680) auswechselbar angebracht. Die Probe (470) ist in der Mitte des Federelements (680) angebracht. Wird diese Probe (470) samt modifiziertem Probenhalter (530) über die Grob- (650) und Feinpositionierung (660) an die gegenüberliegende Probe auf dem arretierten Lastarm (siehe Fig. 9) angenähert, so kann je nach Abstand der Proben zueinander eine attraktive Wechselwirkung zu einer Auslenkung des Federelements (680) führen. Bei Verringerung des Abstandes zwischen den beiden Proben kann die attraktive Wechselwirkung zu einem Kontakt der Proben führen. Werden die Proben wieder voneinander entfernt, so sorgt die Adhäsionskraft zunächst dafür, dass die Proben aneinander haften und sich das Federelement (680) verbiegt. Das Ausmessen der attraktiven Wechselwirkung und der Adhäsionskraft erfolgt in dieser Ausführung der Erfindung auf den in den Fig. 10 und Fig. 11 dargestellten Weisen. In Fig. 10 wird der Abstand zwischen der mit einem magnetischen Medium (690) versehenen Rückseite des Federelements (680) und einem Dauermagneten (700) auf optischem Wege (analog zur Normal-/Reibkraftmessung) ermittelt. Ist die Federkonstante des Federelements (670) bekannt, so lässt sich daraus die Adhäsionskraft ermitteln. Um das attraktive Potential ausmessen zu können, muss die Federkonstante bei großer Entfernung zur Probe klein und bei kurzen Entfernung groß sein. Damit die Federkonstante beeinflusst werden kann, ist der Dauermagnet (700) auf einem piezoelektrischen Aktuator (710) montiert. Um die Federkonstante des Federelements (680) zu erhöhen, wird der Abstand zwischen dem magnetischen Medium (690) und dem Dauermagneten (700) verkleinert. Dies erfolgt durch eine Regelelektronik, die die entsprechende Spannung auf den piezoelektrische Aktuator (710) gibt und konstant hält. Bei der Anordnung in Fig. 11 kann die Auslenkung des Federelements (680) ebenfalls optisch erfolgen. In einer weiterführenden Ausführung ist es möglich, dass die Entfernungsmessung und die Regelung der Federkonstanten des Federelements (680) zusammengefasst werden können. Eine weitere Möglichkeit die Auslenkung des Federelements (680) zu bestimmen ist hier die Messung der Kapazität eines Plattenkondensators. Dieser wird gebildet aus dem Federelement (680) selbst und einem dahinter auf Isolatoren (720) gelagerten Kondensatorplättchen (730). Wird das Federelement (680) ausgelenkt, so ändert sich die Kapazität dieses Kondensators. Diese ist ein Maß für die Auslenkung und bei bekannter Federkonstante des Federelements (680) ein Maß für die Adhäsionskraft. Wird die Auslenkung des Federelements (680) auf optischem Wege gemessen, so kann dessen Federkonstante durch Anlegen einer Spannung an den aus Federelement (680) und Kondensatorplättchen (730) gebildeten Kondensator über eine Regelelektronik gezielt beeinflusst werden. The load arm head / sample table arrangement shown in FIG. 9 allows the measurement of the adhesion. For this purpose, the load arm is turned with its stop ( 630 ) against a hold-open device ( 640 ) and clamped there. In this version, the clamping is carried out analogously to the clamping of the sample holder in FIG. 5. By moving the extended lever ( 570 ) using a wobble stick, the load arm head can be fixed. The sample arranged on the sample table ( 90 ) is mounted on an adjustment mechanism. In this version, the adjustment mechanism consists of a rough positioning ( 650 ) and a fine positioning ( 660 ). The sample can thus be moved in the direction of the sample attached to the load arm head. In further developments of the invention, adjustment mechanisms are possible in all three spatial directions, depending on the experimental requirement. For adhesion measurement of a sample is mounted on a modified sample holder (530) (see FIG. 10 and FIG. 11). A spring element ( 680 ) is interchangeably attached to this modified sample carrier ( 530 ) by means of spacers ( 670 ), which can be made of insulating or non-insulating material depending on the intended use. The sample ( 470 ) is attached in the middle of the spring element ( 680 ). If this sample ( 470 ) together with the modified sample holder ( 530 ) is approximated to the opposite sample on the locked load arm (see Fig. 9) via the coarse ( 650 ) and fine positioning ( 660 ), then depending on the distance between the samples, an attractive one can be used Interaction lead to a deflection of the spring element ( 680 ). If the distance between the two samples is reduced, the attractive interaction can lead to a contact of the samples. If the samples are removed from each other again, the adhesive force ensures that the samples stick to each other and the spring element ( 680 ) bends. Modes shown in Figure 11 the measurement of the attractive interaction and the adhesion is carried out in this embodiment of the invention in Figs. 10 and FIG.. In Fig. 10, the distance between the back surface provided with a magnetic medium (690) is of the spring element (680) and a permanent magnet (700) by optical means (analogous to the normal / Reibkraftmessung) determined. If the spring constant of the spring element ( 670 ) is known, the adhesive force can be determined from it. In order to be able to measure the attractive potential, the spring constant must be small at a great distance from the sample and large at a short distance. The permanent magnet ( 700 ) is mounted on a piezoelectric actuator ( 710 ) so that the spring constant can be influenced. In order to increase the spring constant of the spring element ( 680 ), the distance between the magnetic medium ( 690 ) and the permanent magnet ( 700 ) is reduced. This is done by control electronics, which apply the corresponding voltage to the piezoelectric actuator ( 710 ) and keep it constant. In the arrangement in FIG. 11, the deflection of the spring element ( 680 ) can also take place optically. In a further embodiment, it is possible for the distance measurement and the regulation of the spring constants of the spring element ( 680 ) to be combined. Another possibility to determine the deflection of the spring element ( 680 ) here is to measure the capacitance of a plate capacitor. This is formed from the spring element ( 680 ) itself and a capacitor plate ( 730 ) mounted behind it on insulators ( 720 ). If the spring element ( 680 ) is deflected, the capacitance of this capacitor changes. This is a measure of the deflection and, if the spring constant of the spring element ( 680 ) is known, a measure of the adhesive force. If the deflection of the spring element ( 680 ) is measured optically, its spring constant can be influenced in a targeted manner by applying a voltage to the capacitor formed by the spring element ( 680 ) and capacitor plate ( 730 ) via control electronics.

Bei beiden modifizierten Probenträger (530) erfolgt die elektrische Kontaktierung automatisch beim Einsetzen in die entsprechenden Vorrichtungen des Lastarmkopfes und auf dem Probentisches durch geeignete Kontaktfedern oder Schleifkontakte. With both modified sample carriers ( 530 ) the electrical contact is made automatically when they are inserted into the corresponding devices of the load arm head and on the sample table by means of suitable contact springs or sliding contacts.

In Fig. 12 ist eine weitere mögliche Ausführung der Erfindung (des UHV-Tribometers) dargestellt, die den vertikalen Einbau in eine UHV-Apparatur erlaubt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die NW19CF-Flansche (50) und (60) für die Kühlung mittels flüssigem oder gasförmigem Stickstoff oder Helium weggelassen. Der Probentisch (90) ist in geeigneter Weise mit in diesem Fall vier biegsamen Tischarmen (80) mit dem Basisflansch (10) verbunden. Die biegsamen Tischarme (80) erlauben eine reversierende Bewegung in der mit dem Pfeil in Fig. 12 angegebenen Weise. Erzeugt wird diese Bewegung durch einen Gleichstromgetriebemotor mit Inkrementalgeber (200), der in geeigneter Weise mit einer Drehdurchführung (740) verbunden ist. Der Stab (750) der Drehdurchführung (740) wird durch den Motor (200) in Rotation versetzt. Am Ende des Stabes (750) befindet sich ein Exzenter (230). Über einen Gleitstein (240) und einen mit dem Probentisch (90) verbundenen Antriebswellenblock (250) wird die Drehung des Exzenters (230) in eine lineare Bewegung der Probe (470) (gemäß Pfeil in Fig. 12 (x-Richtung)) umgesetzt. Die Gegenprobe befindet sich am Ende des Lastarms, zu erkennen an dem Stützrohr (370) und dem Abschlussflansch (380), und ist auf dem Flansch (30) für Signaldurchführungen untergebracht. Ein Membranbalg (durch den Basisflansch (10) verdeckt) innerhalb des Vakuums und eine Lagerung mittels Festkörpergelenken (unter Abdeckung (750)) erlauben eine Bewegung des Lastarms in y-Richtung. Zum einen wird dadurch die Kraft eines auf den Lastarm (340) aufgebrachten Gewichtes auf die Probe übertragen, zum anderen wird dadurch das Be- und Entladen der Proben ermöglicht. Zur Erzeugung mehrerer Reibspuren übereinander kann wenigstens eine der Proben (470) mittels einer Grob- und Feinpositionierung (650, 660) in z-Richtung verfahren werden. Wenn es die Einbaubedingungen zulassen, kann statt der Positionierung in z-Richtung auch eine Grob- und Feinpositionierung (650, 660) für jede der drei Raumrichtungen eingesetzt werden. Dabei kann es sich zum Beispiel um moderne, UHV- taugliche Piezo-Antriebe handeln. Der Lastarm kann dann über seinen Abschlussflansch (380) starr mit dem Flansch (30) verbunden werden. Zur Beladung mit den Proben (470) wird der Rahmen (540) mit der Positionierung (650, 660) grob in y-Richtung verfahren. Die Last kann dadurch aufgebracht werden, dass die Proben (470) per Grobpositionierung (650) in Berührung gebracht werden. Die Feinpositionierung (660) erlaubt eine genaue Einstellung der in y- Richtung wirkenden Normalkraft. Die Messung dieser Normalkraft erfolgt mittels eines geeigneten Schichtsystems, das in die Probenträger (530) integriert ist. Solch ein Schichtsystem ändert seinen elektrischen Widerstand proportional zur aufgebrachten Normalkraft. Durch in die Probenträger (530) und in den Rahmen (550) in geeigneter Weise integrierte Kontakte kann das Kraftsignal zur digitalen Weiterverarbeitung abgegriffen werden. Eine leitende Verbindung zwischen den Kontakten in den Probenträgern (530) und in den Rahmen (550) entsteht direkt beim Einschieben der Probenträger (530) in die Rahmen (550) und/oder durch Umlegen der Hebel (540) in Fig. 7. Die Bestimmung der Reibkraft kann durch Verformung von Federelementen und die Messung ihrer Verbiegung in der schon beschriebenen Art und Weise erfolgen. Wird zusätzlich eine Grob- und Feinpositionierung (650, 660) in x-Richtung installiert, so kann die Gleitbewegung über die Ausdehnung und Kontraktion eines Piezo-Antriebs erfolgen. Dieser würde den Motor (200) und die Drehdurchführung (740) ersetzen und die Tischarme (80) werden dann starr ausgeführt. Unter Verwendung eines Probenträgers nach Fig. 10 oder Fig. 11 lässt sich durch Verfahren einer Probe (470) mittels der Grob- und Feinpositionierung (650, 660) die Adhäsion zwischen Proben (470) in der oben beschriebenen Weise bestimmen. FIG. 12 shows another possible embodiment of the invention (the UHV tribometer), which allows vertical installation in a UHV apparatus. For reasons of clarity, the NW19CF flanges ( 50 ) and ( 60 ) for cooling using liquid or gaseous nitrogen or helium have been omitted. The sample table ( 90 ) is connected in a suitable manner with four flexible table arms ( 80 ) to the base flange ( 10 ) in this case. The flexible table arms ( 80 ) allow a reversing movement in the manner indicated by the arrow in Fig. 12. This movement is generated by a DC geared motor with an incremental encoder ( 200 ), which is connected in a suitable manner to a rotary feedthrough ( 740 ). The rod ( 750 ) of the rotary union ( 740 ) is set in rotation by the motor ( 200 ). At the end of the rod ( 750 ) there is an eccentric ( 230 ). The rotation of the eccentric ( 230 ) is converted into a linear movement of the sample ( 470 ) (according to the arrow in FIG. 12 (x direction)) via a sliding block ( 240 ) and a drive shaft block ( 250 ) connected to the sample table ( 90 ) , The counter test is located at the end of the load arm, recognizable by the support tube ( 370 ) and the end flange ( 380 ), and is housed on the flange ( 30 ) for signal feedthroughs. A diaphragm bellows (covered by the base flange ( 10 )) inside the vacuum and storage by means of solid joints (under cover ( 750 )) allow the load arm to move in the y direction. On the one hand, the force of a weight applied to the load arm ( 340 ) is transmitted to the sample, and on the other hand, this enables loading and unloading of the samples. At least one of the samples ( 470 ) can be moved in the z direction by means of coarse and fine positioning ( 650 , 660 ) in order to generate a plurality of rubbing tracks. If the installation conditions permit, instead of positioning in the z direction, a coarse and fine positioning ( 650 , 660 ) can be used for each of the three spatial directions. For example, these can be modern, UHV-compatible piezo drives. The load arm can then be rigidly connected to the flange ( 30 ) via its end flange ( 380 ). For loading with the samples ( 470 ), the frame ( 540 ) with the positioning ( 650 , 660 ) is moved roughly in the y direction. The load can be applied by bringing the samples ( 470 ) into contact by rough positioning ( 650 ). The fine positioning ( 660 ) allows an exact setting of the normal force acting in the y direction. This normal force is measured using a suitable layer system that is integrated in the sample carrier ( 530 ). Such a layer system changes its electrical resistance in proportion to the normal force applied. The force signal can be tapped for digital further processing by means of contacts which are suitably integrated in the sample carrier ( 530 ) and in the frame ( 550 ). A conductive connection between the contacts in the sample carriers ( 530 ) and in the frame ( 550 ) is created directly when the sample carrier ( 530 ) is inserted into the frame ( 550 ) and / or by turning the lever ( 540 ) in Fig. 7. Die The friction force can be determined by deforming spring elements and measuring their bending in the manner already described. If a coarse and fine positioning ( 650 , 660 ) is additionally installed in the x direction, the sliding movement can take place via the expansion and contraction of a piezo drive. This would replace the motor ( 200 ) and the rotating union ( 740 ) and the table arms ( 80 ) would then be rigid. Using a sample carrier of FIG. 10 or Fig. 11 can be achieved by methods of a sample (470) by means of coarse and fine positioning (650, 660) determine the adhesion between the sample (470) in the manner described above.

List of figures

Fig. 1 Das UHV-Tribometer Fig. 1 The UHV tribometer

Fig. 2 Die Antriebseinheit Fig. 2 The drive unit

Fig. 3 Die Lagerung des Last-/Sensorarms Fig. 3 The storage of the load / sensor arm

Fig. 4 Lastarm und Verformungskörper Fig. 4 load arm and deformation body

Fig. 5 a) Die Probenarretierung b) Ausschnitt aus a) Fig. 5 a) The Probenarretierung b) detail of a)

Fig. 6 Gesamtansicht des Tribometers mit geparkten Proben Fig. 6 General view of the tribometer with parked samples

Fig. 7 Ausführung eines Lastarmkopfes mit zwei Blattfederpaaren und wechselbarem Heizelement Fig. 7 execution of a load arm head with two leaf spring pairs and exchangeable heating element

Fig. 8 Dehnmessstreifen (DMS) zur Kraftmessung Fig. 8 strain gauges (DMS) for force measurement

Fig. 9 Lastarmkopf/Probentischaufbau für Adhäsionsmessungen Fig. 9 load arm head / sample table structure for adhesion measurements

Fig. 10 Modifizierter Probenträger (Streifenpiezo mit Dauermagnet a) räumlich, b) seitlich Fig. 10 Modified sample carrier (strip piezo with permanent magnet a) spatially, b) laterally

Fig. 11 Modifizierter Probenträger ("Plattenkondensator") a) räumlich, b) seitlich Fig. 11 Modified sample carrier ("plate capacitor") a) spatially, b) laterally

Fig. 12 Ausführung des UHV-Tribometers für vertikalen Einbau Liste der verwendeten Bezeichnungen 10 NW150CF-Basisflansch
20 NW38CF-Flansch (zero length) für Wobblestick
30 NW38CF-Flansch für Signaldurchführung
40 NW38CF-Flansch für Heizleitungen und/oder Thermoelemente
50 NW19CF-Flansch für die Zuleitung von flüssigem Stickstoff
60 NW19CF-Flansch für die Ableitung von flüssigem Stickstoff
70 NW19CF-Flansch (zero length) für den Sensor-/Lastarm
80 Tischarme
90 Probentisch
100 Doppelprobenhalter
110 Platte
120 Grundplatte
130 Schwalbenschwanzführung
140 Montagereiter
150 an Tischarmen (80) angeschweißte NW19CF-Flansche
160 Membranbälge für Antrieb des Probentisches (90)
170 Führungsrohre
180 Führungswellen
190 Führungswellenblock
200 Gleichstromgetriebemotor mit Inkrementalgeber
210 Motorschild
220 Motorschlitten
230 Excenter
240 Gleitstein
250 Antriebswellenblock
260 Lastarmlager
270 unteres Kugellager
280 oberes Kugellager
290 Achsenhalter
300 Stützgabel
310 Ring mit Außengewinde
320 Spannstück mit Gewinde
330 Sicherungsring für Wellen
340 Belastungshebel
350 Umlenkrolle
360 statisches Gewicht
370 Stützrohr des Lastarms
380 Abschlussflansch des Lastarms
390 Glasfaserstab
400 Vergussmasse
410 Zwischenraum
420 Blattfedern
430 Klemmkörper
440 Federhalter
450 Klemmschrauben
460 Kante
470 Probe
480 Normalkraftreflektor
490 Spiralblattfeder
500 Stabilisierungshülse
510 Mechanismus zum Probenwechsel (z. B. Wobblestick)
520 Reibkraftreflektor
530 Probenträger
540 Hebel
550 Rahmen
560 Feder
570 Verlängerung von (520)
580 Wegsensor
590 Dehnmessstreifen (DMS)
600 Klemmstück
610 gebogener Glasfaserstab
620 durchsichtige Halbkugelprobe
630 Anschlag
640 Feststeller
650 Grobpositionierung
660 Feinpositionierung
670 Abstandhalter
680 Federelement
690 magnetisches Medium
700 Dauermagnet
710 piezoelektrischer Aktuator
720 Isolator
730 Kondensatorplättchen
740 Drehdurchführung
750 Stab der Drehdurchführung (740)
760 Abdeckung der Lastarmlagerung
Fig. 12 Design of the UHV tribometer for vertical installation List of designations used 10 NW150CF base flange
20 NW38CF flange (zero length) for wobble stick
30 NW38CF flange for signal implementation
40 NW38CF flange for heating cables and / or thermocouples
50 NW19CF flange for the supply of liquid nitrogen
60 NW19CF flange for the discharge of liquid nitrogen
70 NW19CF flange (zero length) for the sensor / load arm
80 table arms
90 sample table
100 double sample holders
110 plate
120 base plate
130 dovetail guide
140 assembly riders
150 NW19CF flanges welded to table arms ( 80 )
160 membrane bellows for driving the sample table ( 90 )
170 guide tubes
180 guide shafts
190 guide shaft block
200 DC gear motor with incremental encoder
210 motor plate
220 snowmobiles
230 eccentrics
240 sliding block
250 drive shaft block
260 load arm bearings
270 lower ball bearing
280 upper ball bearing
290 axle holder
300 support fork
310 ring with external thread
320 clamping piece with thread
330 circlip for shafts
340 loading levers
350 pulley
360 static weight
370 support tube of the load arm
380 End flange of the load arm
390 fiberglass rod
400 potting compound
410 space
420 leaf springs
430 sprags
440 pen holder
450 clamping screws
460 edge
470 sample
480 normal force reflector
490 spiral leaf spring
500 stabilizing sleeve
510 Mechanism for changing samples (e.g. wobble stick)
520 friction force reflector
530 sample carriers
540 levers
550 frames
560 spring
570 extension of ( 520 )
580 displacement sensor
590 strain gauges
600 clamping piece
610 curved fiberglass rod
620 clear hemisphere sample
630 stop
640 locks
650 rough positioning
660 fine positioning
670 spacers
680 spring element
690 magnetic medium
700 permanent magnet
710 piezoelectric actuator
720 isolator
730 capacitor plates
740 rotating union
750 rotating union rod ( 740 )
760 Cover of the load arm bearing

Claims

1. The ultra high vacuum tribometer is a device for determining friction and wear, characterized in that

a) that the ultra-high vacuum tribometer can be used under atmospheric pressure up to the ultra high vacuum range,

b) that the ultra high vacuum tribometer can examine samples at variable temperatures,

c) that tests can be carried out with an adjustable speed profile,

(d) that devices enable additional measurement methods, and

e) that the adhesion between the samples can also be measured.

2. The ultra high vacuum tribometer is a device for friction and Wear Assessment, characterized in that the entire apparatus on a flange, the so-called base flange is constructed.

3. Device according to claim 2, characterized in that the base flange a Has a nominal diameter of 150 mm (NW150CF flange).

4. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the apparatus over a mechanism for changing the sample carrier under Ultra high vacuum conditions.

5. The device according to claim 4, characterized in that the mechanism for Changing the sample carrier under ultra-high vacuum conditions is a wobble stick.

6. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the apparatus over has at least one further flange for the passage of cables (e.g. Heating lines, cooling lines, signal lines, thermocouple lines, etc.) or optical signals (e.g. glass fiber, viewing window, etc.).

7. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the apparatus over has a reservoir for cooling at least one sample.

8. The device according to claim 7, characterized in that the reservoir for liquid Nitrogen is suitable.

9. The device according to claim 7, characterized in that the reservoir for liquid Helium is suitable.

10. The device according to claim 7, characterized in that the reservoir for cooling the sample is a combination of the reservoirs from claims 8 and 9.

11. The device according to claim 7, characterized in that for each of the samples Cooling device exists.

12. The device according to claim 7, characterized in that the cold connection the respective samples using a wobblestick under ultra-high vacuum conditions can be produced and released again.

13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the connection to the the respective samples are made using copper strips.

14. The apparatus of claim 12 and 13, characterized in that one end of the copper strips is in the form of a sample holder ( 530 ) and can be clamped behind the sample ( 470 ).

15. The apparatus according to claim 7, characterized in that the reservoir to the Inlets and outlets of the cooling medium can be detached by means of suitable connecting elements is hung.

16. The apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the apparatus over has a heater.

17. The apparatus according to claim 16, characterized in that the heating device Resistance heating is.

18. The apparatus according to claim 16, characterized in that the heating device Electron pulse heating is.

19. The apparatus according to claim 16, characterized in that the heating device Direct heating is.

20. The apparatus according to claim 16, characterized in that the heating device Combination of the heaters from claims 17 to 19.

21. The apparatus according to claim 16, characterized in that the heating device entirely or can be partially changed in ultra-high vacuum.

22. The apparatus of claim 16 and 21, characterized in that the heating device has all or part of the shape of a sample carrier ( 530 ).

23. The device according to claim 16, characterized in that each sample has a has its own heating mechanism.

24. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the apparatus over has at least one device for measuring the sample temperature.

25. The device according to claim 24, characterized in that the device for Measuring the sample temperature is a thermocouple.

26. The apparatus according to claim 24, characterized in that the temperature of the moving and the stationary sample can be measured separately.

27. The device according to claim 7 and 16, characterized in that the samples can be heated and cooled at the same time and so any by means of a control Temperature set between that of the cooling reservoir and that of the heating element can be.

28. The device according to claim 1 or 2, characterized in that this over suitable facilities for depositing sample carriers, optical lenses and exchangeable deformation bodies, etc.

29. The device according to claim 28, characterized in that the sample carrier, optical lenses, exchangeable deformation bodies, etc. under ultra-high vacuum Conditions can be changed.

30. The device according to claim 1 or 2, characterized in that this over has at least one displacement mechanism, so that at least one of the samples in at least one spatial direction can be shifted in a defined manner.

31. The device according to claim 30, characterized in that at least one of the Sliding mechanisms is a screw or micrometer screw.

32. Device according to claim 30, characterized in that at least one of the Sliding mechanisms is a piezoelectric actuator.

33. Device according to claim 30, characterized in that at least one of the Sliding mechanisms is an electric geared motor with an incremental encoder.

34. Device according to claim 30, characterized in that at least one of the Sliding mechanisms is a linear motor.

35. Apparatus according to claim 30, characterized in that at least one of the Sliding mechanisms can be installed on the UHV side of the invention.

36. Apparatus according to claim 30, characterized in that one of the Sliding mechanisms with ball guides is mounted.

37. Device according to claim 30, characterized in that one of the Sliding mechanisms is mounted in a dovetail guide.

38. Device according to claim 30, characterized in that at least one of the Shifting mechanisms a path profile can be programmed.

39. Apparatus according to claim 30, characterized in that at least one of the Sliding mechanisms allow rotation.

40. Apparatus according to claim 30, characterized in that at least one of the Sliding mechanisms for generating frictional forces between two samples can be used.

41. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the apparatus has a mechanism for generating normal forces between two samples.

42. Device according to claim 41, characterized in that the normal force by means of a static weight is generated.

43. Device according to claim 41, characterized in that the normal force by means of an electromagnetic device is generated.

44. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the apparatus has at least one mechanism for measuring friction and normal forces.

45. Apparatus according to claim 44, characterized in that for measuring forces the deflection of spring elements (e.g. spiral spring, leaf spring, double leaf spring, arranged individually or in parallel, deformation body, etc.) is measured.

46. Device according to claim 44 and 45, characterized in that the deflection of the spring elements is measured via the intensity of the reflected light.

47. Device according to claim 44 and 46, characterized in that for measurement the deflection of the spring elements used light via an optical fiber (glass fiber, Bundles of glass fibers or bundled glass fiber bundles, etc.) under Ultra high vacuum conditions is performed.

48. Device according to claim 44 and 45, characterized in that the force ranges the force measuring mechanisms by using spring elements with different spring constants can be set.

49. Apparatus according to claim 44 and 48, characterized in that the Spring elements can be replaced under ultra-high vacuum conditions.

50. Apparatus according to claim 44 and 45, characterized in that the Spring elements can be integrated in the sample carriers.

51. Device according to claim 44 and 50, characterized in that the Spring constants of the spring elements can be influenced in a defined manner.

52. Device according to claim 44, 50 and 51, characterized in that the Spring constants of the spring elements via a displaceable permanent magnet or in a plate capacitor arrangement can be influenced defined.

53. Device according to claim 44 and 45, characterized in that the deflection the spring elements is measured using a suitable strain gauge arrangement.

54. Device according to claim 44, characterized in that the forces by means of piezoelectric effect can be measured.

55. Device according to claim 44, characterized in that the forces by the Changes in physical properties (e.g. electrical resistance) of thin layers applied at suitable points can be measured.

56. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the apparatus at least one mechanism for measuring that of the displacement mechanisms moved way.

57. Apparatus according to claim 56, characterized in that the travel path over the Intensity of the reflected light is measured.

58. Device according to claim 56, characterized in that the travel path is inductive and / or is measured capacitively.

59. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the apparatus has at least one mechanism for measuring at least one wear variable.

60. Apparatus according to claim 59, characterized in that at least one Wear size is determined via the distance between the samples and this distance is measured via the intensity of the reflected light.

61. Device according to claim 59, characterized in that at least one Wear size is determined via the distance between the samples and this distance is measured inductively and / or capacitively.

62. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the apparatus over has at least one optical light guide which uses suitable methods Consideration of the friction point between two samples during the grinding process in air or allowed under ultra high vacuum conditions.

63. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the apparatus over has at least one optical light guide that uses suitable methods for analysis the radiation emitted by the friction point between two samples (e.g. IR, visual range, UV) during the rubbing process in air or under ultra high vacuum Conditions allowed.

64. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the apparatus has at least one optical light guide which uses suitable methods Coupling of radiation (e.g. IR, visual range, UV) into the friction point between two Samples during the rubbing process in air or under ultra high vacuum conditions allowed.

65. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the apparatus has at least one clamp mechanism for specimens that slips during prevents the rubbing process.

66. Device according to claim 65, characterized in that the clamping mechanism using a wobble stick (mechanical gripper) under ultra-high vacuum conditions can be operated.