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Technisches Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft eine verbesserte Vorrichtung zur Mikropositionierung
eines Gegenstandes, insbesondere zur Verwendung in einem Mikroskop,
wie z. B. einem TEM (Transmissions-Elektronenmikroskop), einem SPM
(Rastersondenmikroskop) oder dergleichen.
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Stand der Technik
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In
vielen Bereichen gibt es einen Bedarf an einer Positionierung eines
Gegenstandes mit hoher Genauigkeit. Dies ist z. B. bei einem Rastersondenmikroskop,
SPM, äußerst wichtig,
bei welchem eine Probe und eine Sonde aufeinander zu bewegt werden
müssen,
bevor eine Abtastung beginnt. Ein Verfahren zum Ausführen einer
derartigen Bewegung gemäß der obigen
Beschreibung verwendet einen trägheitsartigen
Antrieb, wobei eine Anregung eines piezoelektrischen Rohres eine
Ausdehnung desselben und eine entsprechende Bewegung eines damit verbundenen
Gegenstandes bewirkt, woraufhin das piezoelektrische Rohr sehr schnell
zurückgezogen wird,
wenn die Anregung endet, und in Folge des Trägheitsmoments in dem System
der Gegenstand, welcher zu bewegen ist, dann in der Position bleibt, wo
er angeordnet war, als das piezoelektrische Rohr in seiner angeregten
Position war. Eine Vorrichtung der obigen Art ist z. B. von K. Svensson,
F. Althoff und H. Olin in „A
compact inertial slider STM",
Meas. Sci. Techn., 8, 1360–1362
(1997) beschrieben. Diese Veröffentlichung
beschreibt eine Vorrichtung zur Mikropositionierung in einem Rastertunnelmikroskop, welches
sowohl eine Probe als auch eine spitze Sondenspitze umfasst. Die
Position der spitzen Sondenspitze bezogen auf die Probe wird mittels
zwei konzentrischer piezoelektrischer Rohre gesteuert, wobei das
innere Rohr zum Ab tasten der spitzen Sondenspitze verwendet wird,
und das äußere Rohr
für eine Trägheitsbewegung
der Probe verwendet wird. Die Konstruktion umfasst ferner eine Positioniereinheit, welche
zwei Teile aufweist, ein erstes Teil, welches starr mit dem äußeren Rohr
verbunden ist, und ein zweites Teil, welches die Probe hält. Das
zweite Teil ist gleitend an dem ersten Teil angeordnet, wobei die Gleitfläche in einer
Ebene angeordnet ist, welche nicht senkrecht zu der spitzen Abtastspitze
ist. Wenn z. B. eine gezackte Wellenform auf das piezoelektrische
Element angewendet wird, treten Versetzungen zwischen diesen zwei
Teilen auf, da die Beschleunigung die Grenze der Haftreibung zwischen
den Teilen überschreitet.
Die zwei Teile sind in einer derartigen Art und Weise angeordnet,
dass, wenn sie auf der Gleitfläche
in Richtung zueinander gleiten, die an dem zweiten Teil angeordnete
Probe so bewegt wird, dass sie sich näher an oder weiter weg von
der Sonde befindet, während
gleichzeitig die tatsächliche Probenfläche durchgängig senkrecht
zu der spitzen Abtastspitze gehalten wird. Diese Konstruktion ist sehr
kompakt und weist etliche wünschenswerte
Eigenschaften auf, wie z. B. einen niedrigen Geräuschpegel. Die Konstruktion
ist jedoch kompliziert und umfasst zwei piezoelektrische Elemente.
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In
einer Abhandlung „Inertial
tip translator for a scanning tunneling microscope" von Brockenbrough
und Lyding in der Review of scientific Instruments 64 (8), August
1993 ist eine Vorrichtung für eine
zweidimensionale Mikropositionierung gezeigt. Die Vorrichtung kann
eine Sonde in zwei Dimensionen in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht
zu der Länge
eines Piezorohres bewegen. Die Vorrichtung ist jedoch auf ein Versetzen
in dieser Ebene unter Verwendung des Rasterpiezorohres beschränkt. Sie beruht
auf zwei Bechern, welche gegen eine Saphirscheibe als Versetzungsfläche drücken, wodurch
sie kom pliziert und anfällig
für Probleme
aufgrund von Verunreinigungen wird.
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Eine
Mikropositioniervorrichtung einer einfacheren Ausgestaltung ist
daher wünschenswert,
welche eine kurze mechanische Schleife aufweist, um das mechanische
Geräusch
in Form von Vibrationen des Systems zu verringern. Eine ein-fachere
Ausgestaltung des Systems trägt
ferner dazu bei, das Risiko zu verringern, dass Schmutz und eine
zusätzliche äußere Störung die
Funktion des Trägheitsantriebs verringert
oder vollständig
unterbindet. Weiterhin ist die obige Konstruktion gemäß dem Stand
der Technik insbesondere für
eine Rastertunnelmikroskopie (STM) geeignet, und eine allgemeinere
Vorrichtung zur Verwendung in Verbindung mit z. B. einer Rastersondenmikroskopie
(SPM) und weiteren Anwendungen ist wünschenswert.
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Aufgabe der Erfindung
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Demzufolge
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Mikropositioniervorrichtung zu
Wege zu bringen, welche eine einfache Ausführung sowie eine im Allgemeinen
kompakte und stabile Konstruktion aufweist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der Erfindung
werden diese und weitere Aufgaben durch eine Mikropositioniervorrichtung der
zuvor beschriebenen Art gelöst,
wobei das Zwischenteil ein erstes Ende, welches an der Beschleunigungseinheit
angebracht ist, und ein zweites Ende, welches mit einer im Wesentlichen
umlaufenden Kontaktfläche
versehen ist, aufweist, und dass der Gegenstand mit Klemmelementen
versehen ist, wobei die Klemmelemente ausgestaltet sind, die Kontaktfläche des
Zwischenteils ringsherum zu klemmen, um den Gegenstand in Bezug
auf das Zwischenteil nur durch die Klemmkraft und die Reibkraft, welche
von den Klemmelementen auf die Kontaktfläche ausgeübt wird, zu halten. Diese Konstruktion
ermöglicht,
eine stabile und kompakte Mikropositioniervorrichtung mit einem
einfachen Aufbau, welcher einfach herzustellen ist.
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Vorzugsweise
ist die Befestigung zwischen der Beschleunigungseinheit und dem
Zwischenteil lösbar.
Dies ermöglicht
einen einfachen Austausch des Zwischenteils, wenn ein anders geformtes
Zwischenteil bei einer Anwendung gewünscht ist, oder wenn das Zwischenteil
beschädigt
oder abgenutzt ist. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
sind ferner die Klemmelemente des Gegenstands entfernbar um die
Kontaktfläche
des Zwischenteils geklemmt. Dies ermöglicht einen einfachen Austausch des
Gegenstandes sowie des Zwischenteils.
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Vorzugsweise
umfasst die Beschleunigungseinheit ein Rohr oder dergleichen, welches
aus einem piezoelektrischen Material ausgebildet ist, welches einen
einfachen und gut bewährten
Mechanismus zum Erreichen von schnellen Beschleunigungs- und Verzögerungsbewegungen
bereitstellt.
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Geeigneterweise
ist das Zwischenteil von dem piezoelektrischen Rohr mittels eines
isolierenden Befestigungsteils elektrisch isoliert. Auf diese Art und
Weise wird die hohe Spannung, welche benötigt wird, um das piezoelektrische
Rohr zu betätigen, wirksam
von anderen Teilen der Konstruktion isoliert, wodurch ein ungewünschtes
Aufladen des Gegenstandes oder weiterer Teile der Vorrichtung vermieden
wird.
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Vorzugsweise
bilden der Gegenstand, seine Klemmelemente und das Zwischenteil
einen ununterbrochenen elektrisch leitenden Weg. Diese Konstruktion
ermöglicht
eine wirksame Entladung des Gegenstands, indem der leitende Weg
z. B. mit einer Masseleitung verbunden wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
die Kontaktfläche
des Zwischenteils eine zumindest teilweise sphärische Fläche. Demzufolge ist der Gegenstand
unter der Wirkung von Kräften
frei beweglich und ist relativ zu dem Zwischenteil in alle Richtungen
drehbar. In geeigneter Weise bestehen die Klemmelemente des Gegenstandes
aus mehreren Gleitstäben,
welche von dem Gegenstandskörper
hervorragen, und diese Gleitstäbe
sind vorzugsweise im Wesentlichen parallel und entlang dem Umfang
des Gegenstandskörpers
angeordnet. Diese Ausführungsform
ermöglicht
ferner, dass der Gegenstand in Richtung zu und weg von dem piezoelektrischen
Rohr 1 frei versetzbar ist und auch in alle Richtungen
drehbar ist. Vorzugsweise ist mindestens einer der Gleitstäbe mit einem
Stopper versehen. Dies verhindert, dass der Gegenstand zu weit in
der Z-Richtung versetzt
wird und dementsprechend seinen Kontakt mit dem Zwischenteil verliert
und herunterfällt.
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Schließlich ist
der Gegenstand vorzugsweise als ein Halter für eine Messprobe oder dergleichen ausgebildet.
Die Tatsache, dass der Gegenstand ein Probenhalter und nicht die
Probe selbst ist, ermöglicht,
dass der Gegenstand für
einen äußersten
Kontakt mit dem Zwischengegenstand ausgebildet wird, und dass gleichzeitig
ein nützlicher
Halter für
eine Probe oder eine Sonde gebildet wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Die
Erfindung wird nun genauer unter Bezugnahme auf eine bevorzugte
Ausführungsform,
welche in der beigefügten
Zeichnung dargestellt ist, beschrieben werden.
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1 ist
eine schematische Perspektivansicht einer Ausführungsform der Erfindung.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Eine
Ausführungsform
einer Mikropositioniervorrichtung gemäß der Erfindung ist in 1 gezeigt.
Diese Ausführungsform
umfasst ein Rohr 1 aus einem piezoelektrischen Material,
welches eine Beschleunigungseinheit bildet. Die Außenumfangsfläche des
Rohres 1 ist in vier elektrisch getrennte Segmente 1a–1d (1d ist
nicht gezeigt) geteilt, welche sich in der Längsrichtung des Rohres 1 erstrecken
und jeweils ein Winkelsegment der Umfangsfläche des Rohres 1,
welches näherungsweise
25% der gesamten Ausdehnung entspricht, aufweisen. Jedes Segment
ist mit Hilfe eines (nicht gezeigten) elektrischen Verbindungsmittels
mit einem Signalgenerator verbunden und die Segmente 1a, 1b, 1c und 1d können unabhängig voneinander
gesteuert werden.
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An
einem Ende des piezoelektrischen Rohres 1 ist ein Befestigungsteil 3b aus
einem elektrisch isolierenden Material angeordnet, wobei das Befestigungsteil 3b mit
einer Öffnung 3b' versehen ist. Wenn
das Befestigungsteil 3b an dem Ende des piezoelektrischen
Rohres 1 angeordnet wird, ist die Öffnung im Wesentlichen mittig
zu der Längsachse
des piezoelektrischen Rohres 1. Ferner ist ein Verbindungsteil
aus einem elektrisch leitenden Material vorgesehen. Ein erstes Ende
des Verbindungsteils ist ausgestaltet, um ortsfest mit dem Befestigungsteil 3b verbunden
zu werden, welches in diesem Fall in die Öffnung 3b' des Befestigungsteils 3b eindringt,
und ein zweites Ende ist mit einer im Wesentlichen in Umfangsrichtung
verlaufenden Kontaktfläche 3a versehen,
in diesem Fall einer im Wesentlichen sphärischen Fläche (siehe 1), ähnlich wie
ein Kugelgelenk. In seiner angebrachten Position ragt das Verbindungsteil
von dem piezoelektrischen Rohr 1 in der Längsrichtung
des piezoelektrischen Rohres 1 hervor. Weiterhin ist das
distale Ende der sphärischen Kontaktfläche 3a abgeschnitten,
um eine im Wesentlichen ebene Fläche
auszubilden, was eine kompakte Mikropositioniervorrichtung ermöglicht,
wie nachfolgend beschrieben. Zusammen bilden der Verbindungsteil
und der Befestigungsteil 3b ein Zwischenteil 3 aus.
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Die
Mikropositioniervorrichtung umfasst ferner einen Gegenstand 4,
welcher als ein Probenhalter ausgebildet ist, welcher eine leistungsfähige Probenhaltervorrichtung 5 aufweist,
welche geeignet ausgestaltet ist, eine Messprobe zu halten. Die
Probenhaltervorrichtung 5 kann unterschiedliche Ausführungsformen
aufweisen und ist nicht wichtig für die Erfindung und wird daher
nicht näher
beschrieben werden. Der Gegenstand ist ferner mit mehreren Klemmelementen 4' versehen, welche
eine stabähnliche
Form aufweisen und sich parallel von einer im Wesentlichen ebenen
Fläche
des Gegenstands 4 erstrecken, wobei die Klemmelemente 4' in einem Kreis
angebracht sind, um einer im Wesentlichen zylindrischen Fläche zu folgen.
Die Klemmelemente sind aus einem elastischen Material gefertigt
und sind ausgestaltet, die Kontaktfläche 3a des Zwischenteils 3 ringsherum
zu klemmen, um dadurch den Gegenstand 4 in Bezug auf das
Zwischenteil 3 nur durch eine Klemmwirkung und Reibung
zu halten. Folglich ist der Gegenstand unter der Einwirkung von
Kräften
frei beweglich, d. h. er ist in Richtung zu und weg von dem piezoelektrischen
Rohr 1 versetzbar und in alle Richtungen drehbar. Die Klemmelemente 4' sind ferner
mit Stoppmitteln 4'' versehen, welche
verhindern, dass der Gegenstand 4 zu große Bewegungen
in der Z-Richtung ausführt,
was zur Folge hätte,
dass die Klemmelemente 4' des
Gegenstandes 4 ihren Kontakt zu der Kontaktfläche 3a des Zwischenteils 3 verlieren.
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Im
Betrieb werden die Segmente 1a–1d des piezoelektrischen
Rohrs mit einer elektrischen Schwingung versorgt, geeigneterweise
einer zykloidähnlichen
elektrischen Schwingung, da dies lediglich eine hohe Beschleunigung
in einer Richtung erzeugt, aber auch gezahnte Schwingungen und andere
Arten von elektrischen Schwingungen sind geeignet. Die Signalform
der Betriebsspannung, welche das piezoelektrische Rohr 1 anregt,
ist modulierbar, um die gewünschte
Bewegung des Gegenstandes 4 bereitzustellen. Weitere geeignete
Modulationsparameter sind Amplitude und Frequenz. Gemäß der gewünschten
Bewegung des piezoelektrischen Rohres 1 können alle
Segmente 1a–1d mit
identischen Schwingungen zum Bereitstellen einer gleichförmigen Ausdehnung
des piezoelektrischen Rohrs 1 versorgt werden oder sie
werden mit unterschiedlichen Schwingungen versorgt, um eine Biegebewegung des
piezoelektrischen Rohres 1 bereitzustellen oder genauer
gesagt eine Ausdehnung einer Seite des Rohres während die Länge der anderen Seite des Rohres
unverändert
bleibt. Wenn die Probe in der Z-Richtung bewegt wird, tritt an dem
piezoelektrischen Rohr 1 zuerst eine Ausdehnung des Rohres auf,
welcher ein Zurückkehren
zu der Ausgangslänge folgt.
Durch Ausführen
dieser Änderung
in einer derartigen Art und Weise, dass das piezoelektrische Rohr 1 sich
von einer verhältnismäßig hohen
Ausdehnungsgeschwindigkeit zu einer verhältnismäßig hohen Rückkehrgeschwindigkeit rasch ändert, d.
h., indem die Änderung
von der Ausdehnung zu der Rückkehr
so schnell ausgeführt
wird, dass die Beschleunigungskraft zeitweise die kombinierte Reibkraft
und Spannkraft zwischen den Klemmelementen des Gegenstands 4 und
dem Zwischenteil überschreitet,
tritt eine Bewegung des Gegenstandes 4 relativ zu dem Zwischenteil
aufgrund eines mechanischen Trägheitsmoments
des Gegenstands auf. Durch Verwenden eines zykloiden Impulses wird
außerdem
eine entgegengesetzte Bewegung des Gegenstandes bei dem Wechsel
zwischen der Rückkehr
und der Ausdehnung des piezoelektrischen Rohres verhindert, da die
gesamte Beschleunigung dann viel geringer ist. Durch Versorgen des
piezoelektrischen Rohres 1 mit einem invertierten zykloiden Signal,
wird eine entgegengesetzte Bewegung erreicht, d. h., eine Bewegung
des Gegenstandes in Richtung des piezoelektrischen Rohres 1.
Um ein Drehen des Gegenstandes 4 relativ zu dem Zwischenteil 3 bereitzustellen,
wird ein geeignetes Segment 1a oder ein Paar von Segmenten
des piezoelektrischen Rohres mit einem entsprechenden zykloidalen
Signal versorgt, wohingegen die übrigen
Segmente 1b, 1c, 1d unangeregt bleiben.
Somit tritt eine Ausdehnung einer Seite des piezoelektrischen Rohres
relativ zu der anderen Seite auf, was zu einem Biegen des piezoelektrischen
Rohrs führt.
Wenn es in die unangeregte Position zurückkehrt, wird die Beschleunigungskraft
die Reibungskraft und die Klemmkraft lediglich an einer Untergruppe
der Klemmelemente 4',
d. h., an denjenigen Klemmelementen, welche an der gleichen Seite
der Mikropositioniervorrichtung wie die angeregten Segmente angeordnet
sind, überschreiten,
was zu einem Drehen des Gegenstandes 4 relativ zu dem Zwischenteil 3 bei
der Rückkehrbewegung
führt.
Durch Kombinieren unterschiedlicher Segmente ist der Gegenstand
bei dieser Ausführungsform
in drei Dimensionen beweglich und steuerbar.
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Wie
zuvor beschrieben, ist das distale Ende der sphärischen Kontaktfläche 3a abgeschnitten,
um eine im Wesentlichen ebene Fläche
auszubilden, welche dem Gegenstand gegenüberliegt (siehe 1).
Ferner ist der Gegenstand 5 mit einer ebenen Fläche versehen,
auf welcher die hervorragenden Klemmelemente 4' angeordnet
sind, wobei die Fläche
der entsprechenden ebenen Fläche
des Zwischenteils 3 gegenüberliegt. Diese Konstruktion
führt zu
einer kompakten Konstruktion in der Z-Richtung, ohne die Manövrierfähigkeit
der Konstruktion zu verschlechtern.
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Diese
Ausführungsform
weist bedeutende Vorteile aufgrund der Tatsache, dass die Verbindungen
zwischen dem Zwischenteil 3 und dem piezoelektrischen Rohr 1 sowie
zwischen dem Zwischenteil 3 und den Klemmelementen 4' lösbar sind,
bezüglich einer
Anwendbarkeit auf. Dies ermöglicht
ein einfaches Ersetzen aller Teile, welche die Mikropositioniervorrichtung
aufweist. Zum Beispiel kann der Gegenstand 4 (der Probenhalter)
durch einen Gegenstand mit einer andersartigen Probenhaltervorrichtung 5 ersetzt
werden, um die Vorrichtung an ein neues Experiment anzupassen. Ferner
kann das Zwischenteil durch ein neues ersetzt werden, wenn Kratzer
oder dergleichen auf der Kontaktfläche auftauchen, welche die
freie Bewegung der Klemmelemente 4' auf der Kontaktfläche 3a verschlechtern
und stören.
Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, das Zwischenteil 3 und/oder den Gegenstand 4 zu
ersetzen, um die Klemmkraft und Reibung zwischen diesen Teilen in
der Mikropositioniervorrichtung einzustellen, indem z. B. ein Zwischenteil
mit einer sphärischen Kontaktfläche 3a mit
etwas größerem Radius
als zuvor verwendet wird. Auf diese Art und Weise kann die Leichtigkeit
einer Bewegung zwischen dem Zwischenteil 3 und dem Gegenstand 4 für eine spezielle Anwendung
eingestellt werden.
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Die
obigen Ausführungsformen
wurden nur zur Erläuterung
dargelegt und sollen den Umfang der Erfindung nicht beschränken. Etliche
Modifikationen und konstruktive Änderungen,
welche für
einen Fachmann offensichtlich sind, können natürlich durchgeführt werden,
ohne von der grundlegenden erfinderischen Idee, wie sie in Anspruch
1 definiert ist, abzuweichen. Zum Beispiel kann angeführt werden,
dass die Klemmelemente 4' unterschiedliche Formen
aufweisen und nicht notwendigerweise gerade Stäbe sein müssen, wie in der obigen Ausführungsform.
Zum Beispiel sind gebogene Stäbe,
welche mehr oder weniger die Kontaktfläche 3a umfassen und
eine kugelgelenkähnliche
Verbindung bereitstellen, möglich.
Ein derartige Konstruktion weist jedoch keine natürliche Beweglichkeit
in der Z-Richtung auf, aber dies kann mittels eines Antriebs oder einer
Gleitkopplung zwischen z. B. dem Verbindungsteil und dem Befestigungsteil 3b des
Zwischenteils eingerichtet werden.
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Überdies
kann das piezoelektrische Rohr, welches in der zuvor beschriebenen
Ausführungsform
verwendet wird, durch z. B. einen Schrittmotor ersetzt werden, welcher
eine ausreichend hohe Beschleunigung der Positioniereinheit bewirken
kann. Ferner kann das piezoelektrische Element andersartige Formen
als die hierin beschriebene Rohrform aufweisen und kann z. B. eine
rechteckige Form aufweisen. In diesem Fall können jedoch zwei oder mehr verbundene
piezoelektrische Elemente benötigt
werden, um eine Manövrierfähigkeit
in drei Dimensionen bereitzustellen.
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Ferner
kann der Befestigungsteil 3b oder der Zwischenteil 3 an
der Innenseite oder der Außenseite des
piezoelektrischen Rohrs 3 wie in 1 angebracht
sein, aber er kann auch verschiebbar in oder auf der Außenfläche des
piezoelektrischen Rohrs 3 angeordnet sein, um eine zusätzliche
Bewegungsmög lichkeit
in der Z-Richtung zu ermöglichen.
Die Anzahl der Klemmelemente ist veränderlich und die Form dieser
Klemmelemente ist nicht auf die in 1 gezeigte
Stabform beschränkt.
Die Klemmelemente können
z. B. aus Streifen eines Blechs, gebogenen Elementen oder dergleichen
gefertigt sein. Auch ist die Form des Gegenstandes nicht wesentlich
für die Erfindung
und der Gegenstand kann deshalb mehr oder weniger frei an die gewünschte Anwendung
angepasst werden. Obwohl alle zuvor beschriebenen Klemmelemente
von einer elastischen Art sind, ist es schließlich möglich, etliche beabstandet
angeordnete nichtelastische Elemente zu verwenden.