DE2206545A1

DE2206545A1 - Verfahren zur stufenlosen verminderung der reibkraft

Info

Publication number: DE2206545A1
Application number: DE2206545A
Authority: DE
Inventors: Reimar Prof Dr Pohlman
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-02-11
Filing date: 1972-02-11
Publication date: 1973-08-16

Description

Verfahren zur stufenlosen Verminderung der Reibkraft Die Erfindung betrifft ein Verfahren, um kleine und kleinste Bewegungen, wie sie beispielsweise zur Positionierung von Mikroskoptischen, insbesondere im Elektronenmikroskop, erwünscht sind, stufenlos und stetig herbeiführen zu können. Es soll sich hierbei um Bewegungsvorgänge im nm-Bereich handeln.
Die Realisierung derartiger exakter Kleinsbewegungen wird im a;lgemeinen fast immer durch Reibungsvorgänge jeglicher Art behindert. Diese liegen sowohl in dem von außen angreifenden Antrieb als auch in den Berührungsstellen der Gleitflächen zwischen Wem bewegten Körper und der Auflage.
Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, diese Reibungseinflüsse stark herabzusetzen, z.B. durch ein Gleitmittel entsprechender Viskosität, durch hydrodynamische oder pneumatische Anordnungen. Diese Verfahren versagen jedoch teils oder vollständig, wenn sie beispielsweise im Elektronenmikroskop, im Hochvakuum oder im weltraum zur Anwendung kommen sollen. Auch gestatten sie nicht, die zur gewünschten Bewegung erforderlichen Kräfte der Lagerung selbst zu entnehmen und den Bewegungsvorgang zu steuern.
Diese Nachteile vermeidet das Verfahren zur stufenlosen Verminderung der Reibkraft zweier aufeinander gleitender Körper, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der zu bewegende Körper durch einen oder mehrere piezoelektrische Wandler abgestützt wird und dieser bzw. diese zu Ultraschallschwingungen mit variabler Bewegungsamplitude angeregt werden.
:s zeigen: Fig. la und lb ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes in Seitenansichtsowie in der Aufsicht.
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Wandlers im Detail Fis. 3a und 3b die Justagehalterung des Wandlers im Längsschnitt und in der Aufsicht Fig. 4 eine in schwingungserregten Bohrungen gelagerte Achse.
Im einzelnen zeigt Figur la eine Platte 1 sowie eine Platte 2, zwischen denen sich drei Wandler 3 gemäß Fig. 1baum 120 ° gegeneinander versetzt'befinden. Dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend können die Wandler entweder an der Platte 1 oder der Platte 2 befestigt sein. In beiden Fällen wird bei Erregung der piezoelektrischen Wandler 3-die Reibkraft derart zwischen den beiden Platten vermindert, daß eine sehr leichte Beweglichkeit der beiden Platten gegeneinander entsteht.
Fig.2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Wandler 3 im Detail.
Das Schwingungssystem setzt sich aus der Kombination einer Piezokeramik 4 und einer Scheibe aus Metall, Saphir oder Diamant 8 zusammen. Die Massenelektrode 5 befindet sich zwischen der Piezokeramik 4 und der Scheibe 8 und ist über die Kanten der Stirnfläche hinaus auf den Umfang der Piezokeramik verlängert. Die Gegenelektrode 6 auf der anderen Stirnseite der Piezokeramik 4 hat gegenüber dieser einen kleineren Durchmesser. Die Stromzuführung erfolgt über eine Zuleitung 7. Die Erregerfrequenz wird so gewählt, daß die Gesamthöhe von aufgesetzter Scheibe 8 und Piezokeramik 4 einer halben Wellenlänge entspricht. Durch die Abstufung erfolgt in bekannter Weise eine Amplitudentransformation.
Die Fig. 3a und 3b zeigen ein Ausführungsbeispiel der Halterung des piezoelektrischen Wandlers in der unteren Platte. Diese Halterung verfolgt den Zweck, den piezoelektrischen Wandler entweder sehr genau senkrecht zur Berührungsfläche der aufliegenden Platte 2 zu just eren oder aber die jeweiligen Wandler bewußt schräg gegeneinander zu stellen, so daß durch unterschiedliche Frequenz- oder Amplitudenanregung eine Bewegungssteuerung des getragenen Körpers ermöglicht wird. Die Halterung 9 sitzt in einer Bohrung der Platte 1, ist in der Höhe verstellbar und wird durch die Schraube 10 geklemmt. Die Halterung 9 besteht aus einem zum Teil aufgebohrten Metallzylinder, dessen eine Seite in einem an drei verschiedenen Stellen geschlitzten Federring ausläuft. Diese Schlitze sind gemäß Fig. 3b je um 1200 gegeneinander versetzt. Innerhalb eines jeden dieser Schlitze ist eine Zentnerschraube 11 eingebracht, um den piezoelektrischen Wandler, insbesondere also die piezokeramische Scheibe 4 ausrichten zu können.
In der Mitte des Zylinders befindet sich eine Bohrung für die Zuleitung 7. Für jedes der drei Schwingungssysteme ist eine solche Halterung vorgesehen.
Fig. 4 zeigt an einem weiteren Ausführungsbeispiel die Vielseitigkeit des Erfindungsgegenstandes. Hier ist eine in piezoelektrischen Scheiben 4' gelagerte Welle 12 gezeigt, die sich also mit bedeutender Verringerung der Reibkraft nahezu reibungslos in axialer Richtung versetzen oder drehen läßt. Um einen elektrischen Kurzschluß zu vermeiden, sind die Innendurchmesser der aufgebrachten Elektroden 5' und 6' größer als die der piezokeramischen Ringe 4'.
Die Anordnung gestattet weiterhin mannigfache Variationen. Beispielsweise können die Enden der Achse 12 als Zapfenlager ausgebildet sein und in Einsenkungen oder Sackbohrungen der aufgebrachten Scheibe aus Saphir oder Diamant (Fig. 2) laufen. Der erfinderische Gedanke ist nicht auf diese hier beispielsweise genannten Anordnungen beschränkt.
Der Wirkungsmechanismus derartiger reibungsverminderter Gleitflächen ergibt sich wie folgt: Werden beispielsweise die gemäß Fig. 1 in Dreiecksform angeordneten Wandler zu Ultraschallschwingungen erregt, so wird die Reibung zwischen den Auflageflächen auf wenige Prozent des ursprünglichen Wertes herabgesetzt, da der zu bewegende Körper kurzzeitig über seiner Unterlage schwebt. Er kann somit sehr feinfühlig und gleichmäßig durch einen von außen angreifenden Antrieb bewegt werden. Der Betrag der Reibungsverminderung läßt sich durch die Größe der Bewegungsamplitude einstellen. Beim Abschalten der Bewegungsamplitude ist der Körper gleichzeitig auf einfachste Weise fixiert.
Es ist jedoch auch möglich, auf einen von außen angreifenden Antrieb dadurch zu verzichten, dß die Eigenbewegung des Systems (negative Reibkraft) bei großen Bewegungsamplituden ausgenutzt wird. Diese Eigenbewegung entsteht aus der natürlichen Unsymmetrie der piezoelektrischen Wandler und ist dementsprechend richtungsabhängig. Die Bewegungsrichtung kann somit durch den unterschiedlichen Amplitudenbetrag sowie die geometrische Ausrichtung der einzelnen Wandler gesteuert werden.
Die genannte Anordnung gestattet bewegungen ohne jeden äußeren Antrieb durchzuführen. Dieses ist einerseits für die Anwendung im Elektronenmikroskop oder anderen Hochvakuumanlagen sehr vorteilhaft, weil hierdurch die verhaltnismaßig aufwendigen mechanischen Vakuumdurchführungen entfallen. Das gleiche gilt für die Anwendung des Verfahrens im Weltraum. Bei Schwerelosigkeit muß allerdings der zu bewegende Körper oder die Auflageplatte leicht magnetisiert werden, um den erforderlichen richtungsunabhängigen Andruck beizubehalten.
Versuche haben ergeben, daß es besonders zweckmäßig ist, die drei Wandler durch drei getrennte jedoch gegenseitig gekoppelte Hochfrequenzgeneratoren zu erregen. Es ist dann möglich, jeden dieser drei Generatoren in seiner Leistung so einzutrimmen, daß die unterschiedlichen Wirkungsgrade oder Schwingungsamplituden der drei Wandler im Nullzustand auskompensiert sind.
Ebenfalls ist auf diese Weise die Steuerung der Eigenbewegung durch gesteuerte unterschiedliche Leistungsabgaben der drei Generatoren möglich.

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur stufenlosen Verminderung der Reibkraft zweier aufeinander gleitender Körper dadurch gekennzeichnet, daß der zu bewegende Körper durch einen oder mehrere piezoelektrische Wandler abgestützt wird und dieser bzw. diese zu Ultraschallschwingungen mit variabler Bewegungsamplitude angeregt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in einem System von mehreren Wandlern durch unterschiedliche Frequenz- oder Amplitudenanregung sowie durch die Geometrie der Auflage eine Bewegungssteuerung des getragenen Körpers ermöglicht wird.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der mechanischen Schwingungen Verbundschwi ngungssysteme eingesetzt werden.
4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß es zur genauen Positionierung und zur Verminderung von Koordinatenübergangsfehlern bei der Verschiebung von Mikroskoptischen insbesondere im Elektronenmikroskop zur Anwendung kommt.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 4 gekennzeichnet durch eine plan geläppte oder polierte Platte, welche über mehrere piezoelektrische Wandler eine zweite gleiche Platte abstützt und einen oder mehrere getrennt steuerbare HF-Generatoren, welche die piezoelektrischen Wandler zu Dicken- oder Radialschwingungen erregen.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 4 gekennzeichnet durch eine in schwingungserregten Bohrungen gelagerte Achse.