WO2023057153A1 - Device and method for an in situ test of sample material under rapidly alternating loads - Google Patents

Device and method for an in situ test of sample material under rapidly alternating loads Download PDF

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WO2023057153A1
WO2023057153A1 PCT/EP2022/074768 EP2022074768W WO2023057153A1 WO 2023057153 A1 WO2023057153 A1 WO 2023057153A1 EP 2022074768 W EP2022074768 W EP 2022074768W WO 2023057153 A1 WO2023057153 A1 WO 2023057153A1
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sample holder
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drive
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Farhad Ghaleh
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Kammrath & Weiss Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a test device according to the preamble of claim 1 and a test method according to the preamble of claim 14.
  • test devices developed for SEM or SEMs are usually spindle machines, as described for example in FR 3039274 A1 or EP3379237 A1. These are not able to introduce rapid alternating loads into a sample loaded under prestress. Furthermore, there is the challenge that the test device and the test method must be carried out under vacuum and must therefore be very compact in order to be accommodated in the examination chamber of an SEM or SEM. In particular, there is a need to enable sufficiently large dynamic alternating loads and prestressing forces in in-situ investigations.
  • CN202305330 A discloses a very small in-situ test device for SEM or SEM that is only suitable for low forces, in which a small vibration drive designed as a piezo actuator was arranged on the head of the test device.
  • the disadvantage is that the previous solutions do not meet the sharply increasing demand for greater prestressing forces and rapid alternating loads.
  • At least one force measuring unit which is connected to a part of the sample holder by sensors, wherein at least one part of the sample holder can be moved relative to the other part of the sample holder by means of a motor-driven guide yoke having two drive ends.
  • the movement of the guide yoke is used to introduce and generate the preload force in the direction of the first force axis.
  • the guide yoke is coupled at each of the two drive ends with a drive shaft that can be driven synchronously or move the entire guide yoke.
  • a holding and supporting unit accommodating a vibration drive is arranged on the guide yoke and can be moved with it.
  • This support unit comprises fastening elements for at least one vibration drive and/or forms a receiving element into which the at least one vibration drive can be at least partially inserted.
  • the two drive shafts driving the guide yoke are aligned in parallel and can be driven by a common motor or by two synchronously working motors.
  • the vibration drive is designed in such a way that the vibration amplitude has a force direction and axis that is aligned parallel to the first force axis, and a multi-part coupling element is provided which connects the vibration drive to the at least one movable part of the sample holder for introducing vibrations in a detachable Way connects, so that alternating vibrations can be introduced into a prestressed in the first force axis sample material.
  • This coupling element has a first force arm running in the first force axis and a second force arm running in the second force axis (B) and a cross-connection element rigidly connecting the two force arms, with the at least one movable part of the force arm being at the front end of the first force arm
  • Sample holder is attached, in particular is releasably attached.
  • the front end means that end which is seconded to the side of the guide yoke facing away from the cross-connection element.
  • both parts of the sample holder are motor driven and move synchronously about a central axis or plane.
  • both parts of the sample holder can be moved relative to one another, in particular at least one of the parts can be moved by means of a motor-driven guide yoke.
  • the two guide yokes or the guide yoke and the moveable second part of the sample holder are coupled with at least two drive shafts each and can be driven synchronously.
  • At least one of the two movable parts of the sample holder can also be designed as a guide yoke.
  • a guide element for the vibration drive can be fastened or connected to the second movable part of the sample holder or the associated guide yoke, on or in which a section of the vibration drive is received and guided in a sliding or displaceable manner.
  • At least one rail-like or dovetail-like guide element is advantageously provided for the movable parts of the specimen holder, on or on which at least one movable part of the specimen holder is held and/or guided in a displaceable manner.
  • first force leg has at least one connecting element that can be detached from the movable part of the sample holder or is designed as such at the first end and comprises a fastening element for the non-positive fastening of the cross-connecting element at the second end or is designed as such.
  • the fastening elements are, in particular, threads or thread sections with the same or different diameters and/or thread pitches.
  • the fastening elements of the two sides are monolithically formed as a single element with an optional connecting element lying between them.
  • both force legs comprise a fastening element for the non-positive fastening of the cross-connection element at the respectively rear, second end.
  • the fastening elements are, in particular, threads or thread sections on which the cross-connection element can be held and braced in a non-positive manner by means of nut bolts.
  • the fastening elements of the two ends form a single, monolithic fastening element, analogously to the first force leg.
  • the first force leg has at least one central fastening means on or in which the detachable connecting element for the movable part of the sample holder is attached and/or formed on the first side and the fastening element for the cross-connecting element is also fastened on the other side and/or or trained.
  • the fastening means can be designed as an adapter and have one or two internal threads into which the connecting elements can be screwed and braced.
  • the adapter itself can be designed as a clamping unit, which the Connecting elements each one side receives and keeps them braced and fixed in a secure position.
  • the detachable connecting elements can be a thread or threaded rod which can be tightened by means of a lock nut on the fastening means and/or by means of a lock nut with the element attached at the other end.
  • the fastening element of the first force leg is a thread or a threaded rod
  • the cross-connection element is screwed on on both sides by means of nut bolts.
  • an advantageous embodiment is that it comprises a fastening means which is detachably connected at its first end to the drive side of the vibration drive, and the fastening means at the second end comprises the fastening element for the non-positive fastening of the cross-connection element.
  • the fastening means can be constructed analogously to the first force arm, with the respective connecting elements being adapted on the first sides with respect to the respective connecting element to be connected.
  • An improved embodiment provides that the cross-connection element on the side of one of the two force arms has a holding and guiding section oriented at right angles to the main section, which has a continuous bore and which accommodates the fastening means of the associated force arm at least in part.
  • An improvement here consists in that an internal thread is arranged in the bore at least over a partial length, into which a counter-thread of the fastening means can be screwed, and the fastening means can be braced against the holding and guiding section by means of at least one lock screw or nut screw.
  • the torsional force is advantageously distributed over a greater length of the fastening means or element, especially if the holding and guiding section has an internal thread into which the fastening means or element is screwed and becomes tense.
  • a particularly advantageous embodiment provides that the first force axis (A) lies in the intersection of a first vertical plane (V1) and a first horizontal plane (H1) and the second force axis (B) in the intersection of a second vertical plane (V2) and a second horizontal plane (H2), wherein the first and second horizontal plane (H1, 2) are aligned parallel to each other and the first and second vertical plane (V1, 2) are aligned parallel to each other, the two vertical planes are not identical, so are spaced apart.
  • the second vertical plane does not intersect the motor by which the guide yoke is driven.
  • the second horizontal plane of the second force axis defined by the vibratory drive is spaced 5 to 20 mm from the first horizontal plane.
  • An improved embodiment consists in a distance sensor being arranged on the guide yoke or opposite it, in particular a non-contact laser sensor.
  • a laser sensor ideally has a measuring range of 0.5 to 2 mm and a resolution of at least 50 nm, ideally at least 2 nm.
  • a further improved embodiment provides for a safety switch to be provided on the cross-connection element and/or opposite it, which sends a warning or control signal to a control unit at least upon contact or even when approaching a limit value and/or slows down the motor driving the guide yoke and/or switched off.
  • the invention also includes a method for operating a test device, in particular an in-situ test method for an SEM or SEM, which includes the following steps:
  • Second force step in which at least temporarily vibrations are introduced via a vibration drive in the direction of a second force axis (B), which is redirected in the direction of the first force axis (A),
  • the test device is used in one of the embodiment variants mentioned above.
  • the aforementioned measurement data can also be recorded and evaluated, in particular with image or radiation data from a recording device such as a camera or a microscope.
  • the second force step and the first force step are carried out at least temporarily in parallel, so that the motor driving the guide yoke is switched on and this moves parallel to the first force axis, while the vibration drive introduces a changing load parallel to the sample material.
  • either a tensile force of up to 5 kN, ideally 3 kN, or a compressive force of up to 2 kN, ideally up to 1 kN, is introduced into the sample material in the first force step.
  • a high-frequency vibration or alternating load is then applied to the sample material, which is in the range of up to 100 Hz, ideally in the range of 10 Hz to 50 Hz.
  • a particular advantage is that the sample materials/objects can be examined with very different lengths because the vibration drive is rigidly attached to the carrier yoke and moved with it.
  • the free longitudinal dimension is in the range from 0 to 80mm, ideally in the range from 0 to 60mm.
  • the longitudinal dimension is to be understood as meaning the length and material areas of the sample material that are not covered by the sample holder and/or clamping devices there and are therefore free from deformation under the influence of force.
  • the respective clamping device for the sample material is exchanged and adjusted depending on the sample material.
  • FIGS. 1 and 2 show a side view of the test device according to FIGS. 1 and 2,
  • FIG. 4 shows the side view of the test device analogous to FIG. 3, Fig. 5a)-d) variants of possible force leg,
  • Fig. 7 an embodiment with a piezo reinforcement
  • FIG. 8 shows an alternative embodiment of a piezo reinforcement.
  • the test device 1 shows the test device 1, which has a sample holder 2 in the center, in which, for example, a metallic sample material 3 is placed and clamped in a manner that is not shown in detail.
  • the left-hand part 2.1 of the sample holder 2 can be moved with the guide yoke 5, as will be explained in detail later.
  • the right-hand part 2.2 of the sample holder 2 is detachably attached to the fixed connecting element 16 via the force measuring unit 4.
  • the guide yoke 5 has two drive ends 5.1, 5.2, which are each coupled to a drive shaft 6.1, 6.2 and can thus be moved along the first force axis A during the synchronous rotation of the two parallel drive shafts 6.1, 6.2 by the motor 9, with the motor 9 for example a DC motor.
  • An elongate vibration drive 7 is arranged on the guide yoke 5 , in this case a piezo drive, which is accommodated in a holding and supporting unit 8 .
  • this holding and supporting unit 8 is a cylindrical component which completely encloses the vibration drive 7 .
  • the holding and carrying unit 8 is rigidly connected to the guide yoke 5, in particular screwed.
  • the drive of the guide yoke 5 via the two parallel shafts 6.1, 6.2 takes place in a known manner via a transverse shaft 10, which is set in rotation via the motor 9 and a first gear unit 11 and then via its own gear unit 12, the associated drive shaft 6.1, 6.2 put into rotation.
  • a coupling element 20 that redirects the flow of force twice by 90°.
  • the coupling element 20 has two parallel force arms 21, 22, each lying in one of the two force axes A, B, and a cross-connection element 23.
  • the cross-connection element 23 is screwed to one fastening element 25, 26 of a force arm 21, 22 and has a type of U shape on.
  • the coupling element 20 is described in detail below, in particular in FIG.
  • a holding and locking unit 14 for the laser sensor 13 is provided on the guide yoke 5 , which is directed towards the opposite, vertical wall of the fixed connection element 16 .
  • the present laser sensor 13 has a measuring range of one millimeter and a resolution of up to one nanometer.
  • the laser sensor 13 and the holding and locking element 14 could also be arranged on the connection element 16 and on a front surface of the guide yoke be aligned.
  • the connecting element 16 has a sliding section 8.2 arranged in the force axis B, in which the vibratory drive 7 and/or a part of the holding and carrying unit 8 is slidably accommodated. This sliding section 8.2 is rigidly connected to the connecting element 16, in particular in a detachable manner.
  • a pair of drive shafts 6.1, 6.2 are provided, which also enable the second, likewise movable part 2.2 of the sample holder 2 to be driven, with the force measuring unit 4 being arranged on or on the second part 2.2 of the sample holder 2 in this exemplary embodiment is (not shown).
  • the guide yoke 5 and the holding and carrying unit 8 are connected to one another via one or more connecting webs 8.1; in particular, the guide yoke 5 and the holding and carrying unit 8 form a single component.
  • All elements relevant to control and measurement technology are connected to at least one detection and evaluation unit 50, which is indicated by dot-dash lines.
  • the size of the possible amplitude depends on the size of the piezo crystal actuator(s) connected in series, so that larger piezo drives can be provided as required, as indicated by the curly brackets 7.3.
  • This particularly advantageous arrangement of the vibration motor 7 and the associated holding and carrying unit 8 can thus be clearly seen.
  • the test device 1 shown has external dimensions of 226 mm in length, 165 mm in width and a height of 79 mm.
  • the static force range in the direction of the force axis A is up to 3 kN in the direction of tension and under pressure 0 to 500N. Under this preload, a dynamic alternating load of up to one (1) kN is possible.
  • the amplitude, i.e. the dynamic expansion range, is 0 to 100 pm at a frequency of up to 50 Hz.
  • the vibration amplitudes (changes in force) emanating from the vibration drive 7 run analogously in the opposite direction.
  • the first force arm 21 has a first connecting element 24 at the first end 21.1, which is designed as a threaded rod and is screwed into a threaded sleeve (not shown) of the movable part 2.1 of the sample holder 2.
  • the middle section 27 has a holding section 27.1 on which a tool can engage from the outside to secure the position, for example a hexagonal geometry.
  • a fastening element 25 is also formed at the second end, also in the form of a threaded rod.
  • the first and second end 21.1, 21.2 as well as the middle section 27 with the holding section 27.1 are a single piece of material, which was produced from a solid material, for example.
  • the second force leg 22 is designed as a double-sided threaded rod with different diameters at the two ends 22.1, 22.2.
  • the first end 22.1 or connecting element 31 facing the vibration drive 7 is designed as a threaded rod and is screwed into the drive side 7.1 of the vibration drive 7.
  • a nut screw 32 is used for locking and bracing.
  • the cross-connection element 23 is pushed onto the two second ends 21.2, 22.2 of the force legs 21, 22, shown on the left in the figure, which are designed as fastening elements 25, 26 in the form of a threaded rod, and are each secured on both sides with a nut screw 29, 30 ; 33, 34 is braced and fixed.
  • the guide yoke 5 is reinforced with lateral stiffening sections 18 on the side of the holding and locking element 8 .
  • the vibration motor 7 Via the rear end 7.2, the vibration motor 7 is supplied with electricity and data in a manner not shown.
  • a safety switch 15 is arranged on the cross-connection element 23 on the side facing the guide yoke 5, which is used to switch off the motor 9 immediately if it comes too close and/or comes into contact with components. This is particularly necessary if no sample material is inserted and a collision could occur during the closing run.
  • the test device 1 shown in a side view in FIG. 3 is used in an examination space of a scanning electron microscope 100, which is indicated by a broken line. As shown, the entire test device 1 can be placed and fastened on a carrier element 101, which can also be designed as a guide and carrier carriage. In the figure 3 can be seen very well that despite a very large and therefore powerful vibration drive 7, only a very small structural enlargement of the test device 1 is required compared to a device without vibration drive 7.
  • the motor 9 required for the prestressing and the Vibration motor 7 are diagonally opposite each other in the embodiment shown and the parallel force axes A, B, with force axis A corresponding to the line of intersection of the vertical plane V1 with the horizontal plane H1 and force axis B corresponding to the line of intersection of the vertical plane V2 and the horizontal plane H2 .
  • the test device 1 can be adapted very easily to different installation positions and geometries.
  • the position of the force axis B can be arranged along the dot-dash circle without a fundamentally new design being required, only the connection between the guide yoke and the holding and supporting unit 8 accommodating the vibration drive 7 has to be adjusted.
  • the access area 35 shown as a hatched area is normally not covered so that the sample material 3 can be changed quickly.
  • FIG. 5 a) to d) different embodiments of the power leg 21 are shown.
  • the variant shown under a) corresponds to that in FIG. 1 in that the two threaded rods 24, 25 and the middle section 27 form a monolithic element with the holding section 27.1.
  • the two nut bolts 29, 30 are provided for fixing the cross-connection element 27, which is not shown.
  • the middle section 27 is designed without a separate holding section, but has three bores 17 for engaging an assembly tool, which break through the middle section 27 at different circumferential angles, for example as through bores.
  • a contact flange 27.2 is provided, so that only one nut screw is required for fastening a cross-connection element 27.
  • FIG. 5d) shows an embodiment of the force arm 21 in which the central section 27 is designed as an adapter which has an internal thread 27.3 on at least one side, into which a threaded rod 24 can be screwed and braced by means of a nut screw 28.
  • the head ends of the fastening elements 25, 26 are provided with receptacles for a tool, such as a hexagonal recess.
  • the designs according to FIGS. 5c) and 5d) are particularly suitable for measuring methods in which very high forces or vibration amplitudes are not to be transmitted.
  • the two force legs 21, 22 can in principle be formed analogously, with adapted dimensions of the respective connecting and fastening elements.
  • FIG. 6 shows such a variant, in which the number of components has been further reduced, it being possible in particular for the embodiments according to FIG. 5a) or 5c) to be provided in the force leg 21.
  • FIG. 2 On the side of the force leg 22, the cross-connection element 23 has a holding and guiding section 23.1, which is oriented at right angles to the main section and has a continuous bore and at least a partial length of the bore has an internal thread.
  • the fastening element 25, which is clamped with the nut screw 28, is screwed into this internal thread of the holding and guiding section 23.1. Due to the good guidance of the fastening means 25, vibration losses in the transmission path are further reduced.
  • a detection section for a hexagonal tool is provided on the head side of the fastening means 25 .
  • the cross-connection element 23 is reduced in diameter at the height of the axis C and is thereby weakened, so that a joint or joint section 36 is formed.
  • a joint bar 37 is formed parallel or synchronously to the axis C, which rigidly connects the joint or the joint section 37 to the guide yoke 5.
  • the joint bar 36 can be releasably clamped to the cross-connection element 23 and/or the guide yoke 5 at least on one side in a manner that is not shown in detail be welded to one of the two elements or formed in one piece from them.
  • the weakening to form the articulation or joint section 36 can have any geometry, run in particular as a curve or radios and in particular be symmetrical.
  • the two lever arms Li, l_2 are formed in the alignment of the axis D, which runs parallel to the alignment of the cross-connection element 23, with which the movement of the vibration drive 7 can be introduced into the force axis A and thus into a sample material is.
  • the location of axis C is closer and parallel to force axis A.
  • the cross-connection element 23 is divided into two, into a first partial element 23.2 and a second partial element 23.3, with the joint or the joint section 36 having the joint web 37 being formed as a monolithic coupling element 38 made of a softer material, which in both Sub-elements 23.2, 23.3 of the cross-connection element 23 and on or on the guide yoke 5 is frictionally held and clamped in a manner not shown.
  • the material of the coupling element 38 can be, for example, copper, brass, bronze or another suitable material, in particular a ferrous material.
  • stiffening section (on the yoke, triangles)

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Abstract

The invention relates to a test device for examining a material using a load which alternates at a high frequency, in particular for an electron beam or raster electron microscope, comprising a two-part sample holder for holding a sample material under the effect of a force along a first force axis and - at least one force measuring unit, wherein at least one part of the sample holder can be moved relative to the other part of the sample holder by means of a motor-driven guide yoke, and a holding and support unit which receives a high-frequency oscillation drive (7) is arranged laterally to the guide joke and so as to be movable by same. The oscillation amplitude has a force direction and a force axis, which is parallel to the first force axis. A multipart coupling element is provided which connects the oscillation drive to the at least one movable part of the sample holder in order to input oscillations, having a first force limb which runs in the force axis, a second force limb which runs in the force axis, and a transverse connection element which rigidly connects the two force limbs. The at least one movable part of the sample holder is secured to the front end of the first force limb, said front end being arranged on the guide yoke face facing away from the transverse connection element. The invention additionally relates to an in situ testing method.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum in-situ Testen von Probenmaterial unter einer schnellen Wechselbelastung Apparatus and method for in-situ testing of specimen material under rapid cycling
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Testvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Testverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14. The present invention relates to a test device according to the preamble of claim 1 and a test method according to the preamble of claim 14.
Im Stand der Technik sind so genannte in-situ Mess- und Testverfahren bei statischen oder quasi-statischen Zug- und Druckverhältnissen für Rasterelektronenmikroskope (REM) bekannt. Es besteht ein steigender Bedarf diese Mess- und Testverfahren auf schnelle Wechselbelastung von Proben auszuweiten und auf diese Weise Ermüdungserscheinungen beschreiben und quantifizieren zu können. Die für SEM oder REMs entwickelten Testvorrichtungen sind üblicherweise Spindelmaschinen, wie beispielsweise in der FR 3039274 A1 oder EP3379237 A1 beschrieben. Diese sind nicht in der Lage schnelle Wechselbelastungen in eine unter Vorspannung belastete Probe einzubringen. Weiterhin besteht die Herausforderung, dass die Testvorrichtung und das Testverfahren unter Vakuum erfolgen muss und somit sehr kompakt aufgebaut sein muss, um in der Untersuchungskammer eines REM oder SEM unterzukommen. Insbesondere beseht ein Bedarf, hinreichend große dynamische Wechselbelastung und Vorspannungskräfte bei in-situ Untersuchungen zu ermöglichen. In the state of the art, so-called in-situ measurement and test methods with static or quasi-static tension and pressure conditions for scanning electron microscopes (SEM) are known. There is an increasing need to expand these measurement and test methods to include rapid alternating loading of samples and in this way to be able to describe and quantify signs of fatigue. The test devices developed for SEM or SEMs are usually spindle machines, as described for example in FR 3039274 A1 or EP3379237 A1. These are not able to introduce rapid alternating loads into a sample loaded under prestress. Furthermore, there is the challenge that the test device and the test method must be carried out under vacuum and must therefore be very compact in order to be accommodated in the examination chamber of an SEM or SEM. In particular, there is a need to enable sufficiently large dynamic alternating loads and prestressing forces in in-situ investigations.
Aus der CN202305330 A ist eine sehr kleine und nur für geringe Kräfte geeignete in- situ Testvorrichtung für REM oder SEM bekannt, bei der ein kleiner, als Piezoaktor ausgebildeter Schwingungsantrieb auf dem Kopf der Testvorrichtung angeordnet wurde. Nachteilig ist, dass die bisherigen Lösungen den stark steigenden Bedarfen hin zu größeren Vorspannkräften und schnellen Wechselbelastungen nicht gerecht werden. CN202305330 A discloses a very small in-situ test device for SEM or SEM that is only suitable for low forces, in which a small vibration drive designed as a piezo actuator was arranged on the head of the test device. The disadvantage is that the previous solutions do not meet the sharply increasing demand for greater prestressing forces and rapid alternating loads.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Testvorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, so dass in-situ Testverfahren, insbesondere für REM oder SEM, unter größeren (Vorspann-)Kräfte und schnellen Wechselbelastungen durchgeführt werden können. It is the object of the present invention to provide an improved test device and a method so that in-situ test methods, in particular for SEM or SEM, can be carried out under greater (preload) forces and rapid alternating loads.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Testvorrichtung nach den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Testverfahren nach den Merkmalen des Anspruches 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen, zugehörigen Unteransprüchen angegeben. This object is achieved according to the invention by a test device according to the features of claim 1 and a test method according to the features of claim 14. Advantageous refinements are specified in the respective, associated subclaims.
Danach wird die Aufgabe gelöst durch eine Testvorrichtung zur Materialuntersuchung mittels einer Wechselbelastung, insbesondere in-situ für ein Elektronenstrahl- oder Rasterelektronenmikroskop, die die folgenden Elemente umfasst: According to this, the object is achieved by a test device for examining materials by means of an alternating load, in particular in situ for an electron beam or Scanning electron microscope, which includes the following elements:
- einen mindestens zweiteiligen Probenhalter zum sicheren Halten eines Probenmaterials unter Krafteinwirkung entlang einer ersten Kraftachse, - an at least two-part sample holder for securely holding a sample material under the action of a force along a first force axis,
- mindestens eine Kraftmesseinheit, die mit einem Teil des Probenhalters sensorisch verbunden ist, wobei mindestens ein Teil des Probenhalters relativ zum anderen Teil des Probenhalters mittels eines motorisch angetriebenen, zwei Antriebsenden aufweisendes Führungsjoch verfahrbar ist. Das Verfahren des Führungsjochs dient zur Einbringung und Erzeugung der Vorspannkraft in Richtung der ersten Kraftachse. Hierzu ist das Führungsjoch an den beiden Antriebsenden mit je einer Antriebswelle gekoppelt, die synchron antreibbar sind beziehungsweise das gesamte Führungsjoch verfahren. An dem Führungsjoch und mit diesem verfahrbar ist einen Schwingungsantrieb aufnehmende Halte- und Trageinheit angeordnet Diese Trageinheit umfasst Befestigungselemente für mindestens einen Schwingungsantrieb und/oder bildet ein Aufnahmeelement, in den der mindestens eine Schwingungsantrieb mindestens teilweise eingefügt werden kann. - at least one force measuring unit, which is connected to a part of the sample holder by sensors, wherein at least one part of the sample holder can be moved relative to the other part of the sample holder by means of a motor-driven guide yoke having two drive ends. The movement of the guide yoke is used to introduce and generate the preload force in the direction of the first force axis. For this purpose, the guide yoke is coupled at each of the two drive ends with a drive shaft that can be driven synchronously or move the entire guide yoke. A holding and supporting unit accommodating a vibration drive is arranged on the guide yoke and can be moved with it. This support unit comprises fastening elements for at least one vibration drive and/or forms a receiving element into which the at least one vibration drive can be at least partially inserted.
Die beiden das Führungsjoch antreibenden Antriebswellen sind parallel ausgerichtet und können über einen gemeinsamen Motor oder über zwei synchron arbeitende Motoren angetrieben werden. The two drive shafts driving the guide yoke are aligned in parallel and can be driven by a common motor or by two synchronously working motors.
Der Schwingungsantrieb ist derart ausgebildet, dass die Schwingungsamplitude eine Kraftrichtung und -achse aufweist, die parallel zur ersten Kraftachse ausgerichtet ist, und wobei ein mehrteiliges Kopplungselement vorgesehen versehen ist, welches den Schwingungsantrieb mit dem mindestens einen verfahrbaren Teil des Probenhalters zum Eintrag von Schwingungen in lösbarer Art und Weise verbindet, so dass Wechselschwingungen in ein in der ersten Kraftachse vorgespanntes Probenmaterial eingebracht werden können. Dieses Kopplungselement weist einen ersten in der ersten Kraftachse verlaufenden ersten Kraftschenkel auf und einen zweiten, in der zweiten Kraftachse (B) verlaufenden zweiten Kraftschenkel und ein die beiden Kraftschenkel starr verbindendes Querverbindungselement, wobei am vorderen Ende des ersten Kraftschenkels, der mindestens eine verfahrbare Teil des Probenhalters befestigt ist, insbesondere lösbar befestigt ist. Hierbei meint das vordere Ende dasjenige Ende, welches an der vom Querverbindungselement abgewandten Seite des Führungsjochs abgeordnet ist. Bei einer alternativen Ausführungsform sind beiden Teile des Probenhalter motorisch angetrieben und bewegen sich synchron zu einer zentralen Achse oder Ebene. The vibration drive is designed in such a way that the vibration amplitude has a force direction and axis that is aligned parallel to the first force axis, and a multi-part coupling element is provided which connects the vibration drive to the at least one movable part of the sample holder for introducing vibrations in a detachable Way connects, so that alternating vibrations can be introduced into a prestressed in the first force axis sample material. This coupling element has a first force arm running in the first force axis and a second force arm running in the second force axis (B) and a cross-connection element rigidly connecting the two force arms, with the at least one movable part of the force arm being at the front end of the first force arm Sample holder is attached, in particular is releasably attached. Here, the front end means that end which is seconded to the side of the guide yoke facing away from the cross-connection element. In an alternative embodiment, both parts of the sample holder are motor driven and move synchronously about a central axis or plane.
Bei einer verbesserten Ausführungsform sind beide Teile des Probenhalters relativ zueinander verfahrbar, insbesondere ist mindestens eines der Teile mittels eines motorisch angetriebenen Führungsjochs verfahrbar. Hierbei sind idealerweise die beiden Führungsjoche oder das Führungsjoch und der verfahrbare zweite Teil des Probenhalters mit mindestens je zwei Antriebswellen gekoppelt und synchron antreibbar. Mindestens einer der beiden verfahrbaren Teile des Probenhalters kann auch als Führungsjoch ausgebildet sein. An dem zweiten verfahrbaren Teil des Probenhalters oder dem zugehörigen Führungsjoch kann ein Führungselement für den Schwingungsantrieb befestigt oder hiermit verbunden sein, an oder in welchem ein Abschnitt des Schwingungsantriebes gleitend oder verschiebbar aufgenommen und geführt ist. Für die verfahrbaren Teile des Probenhalters ist vorteilhafterweise mindestens ein schienen- oder schalbenschwanzartiges Führungselement vorgesehen, auf oder an dem mindestens ein verfahrbare Teil des Probenhalters verschieblich gehalten und/oder geführt wird. In an improved embodiment, both parts of the sample holder can be moved relative to one another, in particular at least one of the parts can be moved by means of a motor-driven guide yoke. Here are ideally the the two guide yokes or the guide yoke and the moveable second part of the sample holder are coupled with at least two drive shafts each and can be driven synchronously. At least one of the two movable parts of the sample holder can also be designed as a guide yoke. A guide element for the vibration drive can be fastened or connected to the second movable part of the sample holder or the associated guide yoke, on or in which a section of the vibration drive is received and guided in a sliding or displaceable manner. At least one rail-like or dovetail-like guide element is advantageously provided for the movable parts of the specimen holder, on or on which at least one movable part of the specimen holder is held and/or guided in a displaceable manner.
Eine verbesserte Ausführungsform besteht darin, dass der erste Kraftschenkel am ersten Ende mindestens ein vom verfahrbaren Teil des Probenhalters lösbares Verbindungselement aufweist oder als ein solches ausgebildet ist und am zweiten Ende ein Befestigungselement für die kraftschlüssige Befestigung des Querverbindungselements umfasst oder als ein solches ausgebildet ist. Die Befestigungselemente sind insbesondere Gewinde oder Gewindeabschnitte mit gleichen oder unterschiedlichen Durchmessern und/oder Gewindesteigungen. Idealerweise sind die Befestigungselemente der beiden Seiten mit gegebenenfalls einem dazwischen liegenden Verbindungselement aus einem Werkstoff monolithisch als ein einziges Element ausgebildet. An improved embodiment consists in that the first force leg has at least one connecting element that can be detached from the movable part of the sample holder or is designed as such at the first end and comprises a fastening element for the non-positive fastening of the cross-connecting element at the second end or is designed as such. The fastening elements are, in particular, threads or thread sections with the same or different diameters and/or thread pitches. Ideally, the fastening elements of the two sides are monolithically formed as a single element with an optional connecting element lying between them.
Bei einer weiter verbesserten Ausführungsform umfassen beide Kraftschenkel am jeweils hinteren, zweiten Ende ein Befestigungselement für die kraftschlüssige Befestigung des Querverbindungselementes. Die Befestigungselemente sind hierbei insbesondere Gewinde oder Gewindeabschnitte, auf denen mittels Mutterschrauben das Querverbindungselement kraftschlüssig gehalten und verspannt werden kann. Idealerweise bilden analog zum ersten Kraftschenkel die Befestigungselemente der beiden Enden ein einziges, monolithisches Befestigungselement. In a further improved embodiment, both force legs comprise a fastening element for the non-positive fastening of the cross-connection element at the respectively rear, second end. The fastening elements are, in particular, threads or thread sections on which the cross-connection element can be held and braced in a non-positive manner by means of nut bolts. Ideally, the fastening elements of the two ends form a single, monolithic fastening element, analogously to the first force leg.
Bei einer alternativen Ausführungsform weist der erste Kraftschenkel mindestens ein zentrales Befestigungsmittel auf, an oder in welchem an der ersten Seite das lösbare Verbindungselement zum verfahrbaren Teil des Probenhalters angebracht und/oder ausgebildet ist und weiterhin an der anderen Seite das Befestigungselement für das Querverbindungselement befestigt und/oder ausgebildet ist. Das Befestigungsmittel kann hierfür als Adapter ausgebildet sein und ein oder zwei Innengewinde aufweisen, in welche die Verbindungselemente einschraubbar und verspannbar sind. Alternativ kann der Adapter selbst als Spanneinheit ausgebildet sein, welche die Verbindungselemente jeweils einseitig aufnimmt und diese lagesicher verspannt und fixiert hält. In an alternative embodiment, the first force leg has at least one central fastening means on or in which the detachable connecting element for the movable part of the sample holder is attached and/or formed on the first side and the fastening element for the cross-connecting element is also fastened on the other side and/or or trained. For this purpose, the fastening means can be designed as an adapter and have one or two internal threads into which the connecting elements can be screwed and braced. Alternatively, the adapter itself can be designed as a clamping unit, which the Connecting elements each one side receives and keeps them braced and fixed in a secure position.
Wie vorstehend schon erwähnt, können die lösbaren Verbindungselemente ein Gewinde oder Gewindestange sein, welche mittels einer Kontermutter an dem Befestigungsmittel und/oder mittels einer Kontermutter mit dem am anderen Ende angebrachten Element verspannt werden kann. As already mentioned above, the detachable connecting elements can be a thread or threaded rod which can be tightened by means of a lock nut on the fastening means and/or by means of a lock nut with the element attached at the other end.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Befestigungselement des ersten Kraftschenkels ein Gewinde oder eine Gewindestange, und wobei das Querverbindungselement beidseitig mittels Mutterschrauben verschraubt ist. In a further embodiment, the fastening element of the first force leg is a thread or a threaded rod, and the cross-connection element is screwed on on both sides by means of nut bolts.
Mit Blick auf den zweiten Kraftschenkel besteht eine vorteilhafte Ausführungsform darin, dass dieser ein Befestigungsmittel umfasst, das mit seinem ersten Ende mit der Antriebsseite des Schwingungsantriebes lösbar verbunden ist, und wobei das Befestigungsmittel am zweiten Ende das Befestigungselement für die kraftschlüssige Befestigung des Querverbindungselementes umfasst. Hierbei kann das Befestigungsmittel analog zum ersten Kraftschenkel aufgebaut sein, wobei die jeweiligen Verbindungselemente an den ersten Seiten bezüglich des jeweiligen, zu verbindenden Anschlusselements angepasst sind. With regard to the second force leg, an advantageous embodiment is that it comprises a fastening means which is detachably connected at its first end to the drive side of the vibration drive, and the fastening means at the second end comprises the fastening element for the non-positive fastening of the cross-connection element. In this case, the fastening means can be constructed analogously to the first force arm, with the respective connecting elements being adapted on the first sides with respect to the respective connecting element to be connected.
Eine verbesserte Ausführungsform sieht vor, dass das Querverbindungselement auf der Seite eines der beiden Kraftschenkel einen rechtwinklig zum Hauptabschnitt orientierten Halte- und Führungsabschnitt aufweist, der eine durchgehende Bohrung aufweist und welches das Befestigungsmittel des zugehörigen Kraftschenkels mindestens in einer Teillänge aufnimmt. Hierbei besteht eine Verbesserung darin, dass in der Bohrung mindestens auf einer Teillänge ein Innengewinde angeordnet ist, in welches ein Gegengewinde des Befestigungsmittels eingeschraubt werden kann, und wobei mittels mindestens einer Konter- oder Mutterschraube das Befestigungsmittel gegen den Halte- und Führungsabschnitt verspannt werden kann. Der große Vorteil besteht darin, dass auf der Seite des Halte- und Führungsabschnitts die Torsionskraft vorteilhaft auf eine größere Länge des Befestigungsmittel oder -element verteil wird, insbesondere wenn der Halte- und Führungsabschnitt ein Innengewinde aufweist, in welches das Befestigungsmittel oder -element eingeschraubt und verspannt wird. An improved embodiment provides that the cross-connection element on the side of one of the two force arms has a holding and guiding section oriented at right angles to the main section, which has a continuous bore and which accommodates the fastening means of the associated force arm at least in part. An improvement here consists in that an internal thread is arranged in the bore at least over a partial length, into which a counter-thread of the fastening means can be screwed, and the fastening means can be braced against the holding and guiding section by means of at least one lock screw or nut screw. The great advantage is that on the side of the holding and guiding section, the torsional force is advantageously distributed over a greater length of the fastening means or element, especially if the holding and guiding section has an internal thread into which the fastening means or element is screwed and becomes tense.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die erste Kraftachse (A) im Schnitt einer ersten vertikalen Ebene (V1 ) und einer ersten horizontalen Ebene (H1 ) liegt und die zweite Kraftachse (B) im Schnitt einer zweiten vertikalen Ebene (V2) und einer zweiten horizontalen Ebene (H2) liegt, wobei die erste und zweite horizontale Ebene (H1 , 2) parallel zueinander ausgerichtet sind und die erste und zweite vertikale Ebene (V1 , 2) parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei die beiden vertikalen Ebenen nicht identisch sind, also voneinander beabstandet sind. Dies ermöglich eine besonders flache Bauweise, bei vorteilhafter Zugänglichkeit zum Probenhalter bzw. dem Probenmaterial. Idealerweise schneidet die zweite vertikale Ebene nicht den Motor, mittels welchem das Führungsjoch angetrieben wird. A particularly advantageous embodiment provides that the first force axis (A) lies in the intersection of a first vertical plane (V1) and a first horizontal plane (H1) and the second force axis (B) in the intersection of a second vertical plane (V2) and a second horizontal plane (H2), wherein the first and second horizontal plane (H1, 2) are aligned parallel to each other and the first and second vertical plane (V1, 2) are aligned parallel to each other, the two vertical planes are not identical, so are spaced apart. This enables a particularly flat design with advantageous accessibility to the sample holder or the sample material. Ideally, the second vertical plane does not intersect the motor by which the guide yoke is driven.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die zweite horizontale Ebene der zweiten Kraftachse, die von dem Schwingungsantrieb definiert wird, 5 bis 20 mm von der ersten horizontalen Ebene beabstandet. In an advantageous embodiment, the second horizontal plane of the second force axis defined by the vibratory drive is spaced 5 to 20 mm from the first horizontal plane.
Ein verbesserte Ausführungsform besteht darin, dass an dem Führungsjoch oder diesem gegenüber ein Abstandssensor angeordnet, insbesondere ein berührungslos arbeitender Lasersensor. Idealerweise hat ein Lasersensor einen Messbereich von 0,5 bis 2mm und eine Auflösung von mindestens 50 nm idealerweise von mindestens 2nm. An improved embodiment consists in a distance sensor being arranged on the guide yoke or opposite it, in particular a non-contact laser sensor. A laser sensor ideally has a measuring range of 0.5 to 2 mm and a resolution of at least 50 nm, ideally at least 2 nm.
Eine weiter verbesserte Aufführungsform sieht vor, dass an dem Querverbindungselement und/oder diesem gegenüber ein Sicherheitsschalter vorgesehen, der mindestens bei Kontakt oder schon bei Annährung unter einen Grenzwert, ein Warn- oder Steuersignal an eine Steuereinheit sendet und/oder den das Führungsjoch antreibenden Motor verlangsamt und/oder abschaltet. A further improved embodiment provides for a safety switch to be provided on the cross-connection element and/or opposite it, which sends a warning or control signal to a control unit at least upon contact or even when approaching a limit value and/or slows down the motor driving the guide yoke and/or switched off.
Von der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betrieb einer Testvorrichtung umfasst, insbesondere ein in-situ Testverfahren für ein REM oder SEM, das die folgenden Schritte umfasst: The invention also includes a method for operating a test device, in particular an in-situ test method for an SEM or SEM, which includes the following steps:
- Vorbereitungsschritt, in dem mindestens eine zweiendige Befestigung eines Probenmaterials in einem mindestens einseitig verfahrbaren Probenhalter erfolgt,- Preparatory step in which at least one double-ended attachment of a sample material takes place in a sample holder that can be moved at least on one side,
- erster Kraftschritt, in dem mindestens zeitweise eine langsame Fahrt des mindestens einen verfahrbaren Teils des Probenhalters in eine erste Richtung entlang einer ersten Kraftachse (A) erfolgt, wobei das Probenmaterial mit einer ersten Druck- oder Zugkraft beaufschlagt wird, - first force step, in which at least temporarily a slow movement of the at least one movable part of the sample holder takes place in a first direction along a first force axis (A), the sample material being subjected to a first compressive or tensile force,
- zweiter Kraftschritt, in dem mindestens zeitweise eine Einbringung von Schwingungen über einen Schwingungsantrieb in Richtung einer zweiten Kraftachse (B) erfolgt, welche in Richtung der ersten Kraftachse (A) umgeleitet wird, - Second force step, in which at least temporarily vibrations are introduced via a vibration drive in the direction of a second force axis (B), which is redirected in the direction of the first force axis (A),
- Auswertung von Messdaten mittels mindestens einer Erfassungs- und Auswerteeinheit, insbesondere von Kraft- und/oder Positions- /Amplitudenmesswerten. Hierbei wird die Testvorrichtung in einer der vorstehend genannten Ausführungsvarianten genutzt. Die vorgenannten Messdaten können zusätzlich insbesondere mit Bild- oder Strahlendaten eines Erfassungsmittels, wie einer Kamera oder eines Mikroskops erfasst und aufgewertet werden. Bei einer Verfahrensvariante werden der zweite Kraftschritt und der erste Kraftschritt mindestens zeitweise parallel ausgeführt, so dass der das Führungsjoch antreibende Motor eingeschaltet ist und dieses parallel zur ersten Kraftachse verfährt, während der Schwingungsantrieb parallel in das Probenmaterial eine wechselnde Last einbringt. - Evaluation of measurement data by means of at least one acquisition and evaluation unit, in particular of force and/or position/amplitude measurement values. Here, the test device is used in one of the embodiment variants mentioned above. The aforementioned measurement data can also be recorded and evaluated, in particular with image or radiation data from a recording device such as a camera or a microscope. In a variant of the method, the second force step and the first force step are carried out at least temporarily in parallel, so that the motor driving the guide yoke is switched on and this moves parallel to the first force axis, while the vibration drive introduces a changing load parallel to the sample material.
Bei einem vorteilhaften Verfahren wird in dem ersten Kraftschritt entweder - eine Zugkraft von bis 5 kN, idealerweise von 3 kN oder eine Druckkraft von bis zu 2kN, idealerweise bis zu 1 kN in das Probenmaterial eingebracht. Vorteilhafterweise wird dann im zweiten Kraftschritt auf das Probenmaterial eine hochfrequente Schwingung bzw. Wechselbelastung veranlasst, die im Bereich bis 100 Hz liegt, idealerweise im Bereich von 10 Hz bis 50 Hz. In an advantageous method, either a tensile force of up to 5 kN, ideally 3 kN, or a compressive force of up to 2 kN, ideally up to 1 kN, is introduced into the sample material in the first force step. Advantageously, in the second force step, a high-frequency vibration or alternating load is then applied to the sample material, which is in the range of up to 100 Hz, ideally in the range of 10 Hz to 50 Hz.
Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass das Probenmaterialien/-köper mit sehr unterschiedlicher Länge untersucht werden können, weil der Schwingungsantrieb starr am Trägerjoch befestigt und mit diesem verfahren wird. Die freie Längsabmessung liegt dabei im Bereich von 0 bis 80mm, idealerweise im Bereich von 0 bis 60mm. Unter Längsabmessung ist diejenige Länge und Materialbereiche des Probenmaterials zu verstehen, die von dem Probenhalter und/oder dortigen Einspannvorrichtungen nicht klemmend überdeckt sind und somit ihn ihrer Verformung unter Krafteinfluss frei sind. A particular advantage is that the sample materials/objects can be examined with very different lengths because the vibration drive is rigidly attached to the carrier yoke and moved with it. The free longitudinal dimension is in the range from 0 to 80mm, ideally in the range from 0 to 60mm. The longitudinal dimension is to be understood as meaning the length and material areas of the sample material that are not covered by the sample holder and/or clamping devices there and are therefore free from deformation under the influence of force.
Vorteilhafterweise wird die jeweilige Einspannungsvorrichtung für das Probenmaterial in Abhängigkeit von dem Probenmaterial ausgetauscht und angepasst wird. Advantageously, the respective clamping device for the sample material is exchanged and adjusted depending on the sample material.
Schließlich besteht eine Verbesserung darin, dass eine mechanische Verstärkung des Schwingungsantriebes vorgesehen wird, indem beispielsweise entlang des Querverbindungselements ein Gelenk oder Gelenkabschnitt vorgesehen wird und dieses Gelenk oder dieser Gelenkabschnitt mit dem Führungsjoch über einen Gelenksteg starr verbunden wird. Finally, there is an improvement in that mechanical reinforcement of the vibration drive is provided, for example by providing a joint or joint section along the cross-connection element and rigidly connecting this joint or this joint section to the guide yoke via a joint web.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 eine Draufsicht auf die Testvorrichtung von oben, 1 is a plan view of the test device from above,
Fig. 2 eine Draufsicht des freigestellten Kopplungselementes, 2 is a plan view of the released coupling element,
Fig. 3 eine Seitenansicht der Testvorrichtung nach Figur 1 und 2, 3 shows a side view of the test device according to FIGS. 1 and 2,
Fig. 4 die Seitenansicht der Testvorrichtung analog Figur 3 mit, Fig. 5a)-d) Varianten möglicher Kraftschenkel, 4 shows the side view of the test device analogous to FIG. 3, Fig. 5a)-d) variants of possible force leg,
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform des Kopplungselements, 6 shows a further embodiment of the coupling element,
Fig. 7 eine Ausführung mit einer Piezoverstärkung und Fig. 7 an embodiment with a piezo reinforcement and
Fig. 8 eine alternative Ausführungsform einer Piezoverstärkung. 8 shows an alternative embodiment of a piezo reinforcement.
Fig. 1 zeigt die Testvorrichtung 1 , die im Zentrum einen Probenhalter 2 aufweist, in dem beispielsweise ein metallisches Probenmaterial 3 eingelegt und in nicht näher dargestellter weise klemmend gehalten wird. Der linke Teil 2.1 des Probenhalters 2 ist mit dem Führungsjoch 5 verfahrbar, wir später im Detail ausgeführt. Der rechte Teil 2.2 des Probenhalters 2 ist über die Kraftmesseinheit 4 an dem feststehenden Anschlusselement 16 lösbar angebracht. Das Führungsjoch 5 weist zwei Antriebsenden 5.1 , 5.2 auf, die jeweils mit einer Antriebswelle 6.1 , 6.2 gekoppelt sind und hierdurch bei der synchronen Rotation der beiden parallelen Antriebswellen 6.1 , 6.2 durch den Motor 9 entlang der ersten Kraftachse A verfahrbar sind, wobei der Motor 9 beispielsweise ein DC-Motor ist. An dem Führungsjoch 5 ist ein langgestreckter Schwingungsantrieb 7 angeordnet, vorliegend ein Piezoantrieb, der mit in einer Halte- und Trageinheit 8 aufgenommen ist. In dem gezeigten Beispiel ist diese Halte- und Trageinheit 8 ein zylindrisches Bauteil, welches den Schwingungsantrieb 7 vollständig umschließt. Die Halte- und Trageinheit 8 ist mit dem Führungsjoch 5 starr verbunden, insbesondere ververschraubt. Der Antrieb des Führungsjochs 5 über die beiden parallelen Wellen 6.1 , 6.2 erfolgt in bekannter Weise über eine Querwelle 10, die über den Motor 9 und eine erste Getriebeeinheit 11 in Rotation versetzt wird und nachfolgend über jeweils eine eigene Getriebeeinheit 12 die zugehörige Antriebswelle 6.1 , 6.2 in Rotation versetzt. 1 shows the test device 1, which has a sample holder 2 in the center, in which, for example, a metallic sample material 3 is placed and clamped in a manner that is not shown in detail. The left-hand part 2.1 of the sample holder 2 can be moved with the guide yoke 5, as will be explained in detail later. The right-hand part 2.2 of the sample holder 2 is detachably attached to the fixed connecting element 16 via the force measuring unit 4. The guide yoke 5 has two drive ends 5.1, 5.2, which are each coupled to a drive shaft 6.1, 6.2 and can thus be moved along the first force axis A during the synchronous rotation of the two parallel drive shafts 6.1, 6.2 by the motor 9, with the motor 9 for example a DC motor. An elongate vibration drive 7 is arranged on the guide yoke 5 , in this case a piezo drive, which is accommodated in a holding and supporting unit 8 . In the example shown, this holding and supporting unit 8 is a cylindrical component which completely encloses the vibration drive 7 . The holding and carrying unit 8 is rigidly connected to the guide yoke 5, in particular screwed. The drive of the guide yoke 5 via the two parallel shafts 6.1, 6.2 takes place in a known manner via a transverse shaft 10, which is set in rotation via the motor 9 and a first gear unit 11 and then via its own gear unit 12, the associated drive shaft 6.1, 6.2 put into rotation.
Zur Übertragung eine hinreichend großen Auslenkung bzw. Schwingungsamplitude des Schwingungsantriebes 7 in das Probenmaterial 3, der als Piezo-Aktor bzw. als ein Paket aus Piezo-Aktoren ausgebildet ist, ist ein Kopplungselement 20 vorgesehen, dass die Kraftfluss zweifach um 90° um leitet. Das Kopplungselement 20 hat zwei parallele Kraftschenkel 21 , 22 die jeweils in einer der beiden Kraftachsen A, B liegen und ein Querverbindungselement 23. Das Querverbindungselement 23 an jeweils den einem Befestigungselement 25, 26 eines Kraftschenkels 21 , 22 verschraubt und weist eine Art U-Form auf. Im Detail ist das Kopplungselement 20 insbesondere in Figur 2 nachfolgend beschrieben. Auf dem Führungsjoch 5 ist eine Halte- und Arretierungseinheit 14 für den Lasersensor 13 vorgesehen, der auf die gegenüberliegende, vertikale Wand des feststehenden Anschlusselements 16 gerichtet ist. Der vorliegende Lasersensor 13 hat einen Messbereich von einem Millimeter und eine Auflösung von bis zu einem Nanometer. Alternativ könnte der Lasersensor 13 und das Halte- und Arretierungselement 14 auch auf dem Anschlusselement 16 angeordnet sein und auf eine Frontfläche des Führungsjochs ausgerichtet sein. Das Anschlusselement 16 weist einen in der Kraftachse B angeordneten Gleitabschnitt 8.2 auf, in dem der Schwingungsantrieb 7 und/oder ein Teil der Halte- und Trageinheit 8 verschiebbar aufgenommen ist. Dieser Gleitabschnitt 8.2 ist insbesondere lösbar mit dem Anschlusselement 16 starr verbunden. To transmit a sufficiently large deflection or vibration amplitude of the vibration drive 7 into the sample material 3, which is designed as a piezo actuator or as a package of piezo actuators, a coupling element 20 is provided that redirects the flow of force twice by 90°. The coupling element 20 has two parallel force arms 21, 22, each lying in one of the two force axes A, B, and a cross-connection element 23. The cross-connection element 23 is screwed to one fastening element 25, 26 of a force arm 21, 22 and has a type of U shape on. The coupling element 20 is described in detail below, in particular in FIG. A holding and locking unit 14 for the laser sensor 13 is provided on the guide yoke 5 , which is directed towards the opposite, vertical wall of the fixed connection element 16 . The present laser sensor 13 has a measuring range of one millimeter and a resolution of up to one nanometer. Alternatively, the laser sensor 13 and the holding and locking element 14 could also be arranged on the connection element 16 and on a front surface of the guide yoke be aligned. The connecting element 16 has a sliding section 8.2 arranged in the force axis B, in which the vibratory drive 7 and/or a part of the holding and carrying unit 8 is slidably accommodated. This sliding section 8.2 is rigidly connected to the connecting element 16, in particular in a detachable manner.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Paar von Antriebswellen 6.1 , 6.2 vorgesehen, die den Antrieb auch des zweiten, ebenfalls verfahrbaren Teils 2.2 des Probenhalters 2 ermöglichen, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Kraftmesseinheit 4 auf bzw. an dem zweiten Teil 2.2 des Probenhalters 2 angeordnet ist (nicht dargestellt). Das Führungsjoch 5 und die Halte- und Trageinheit 8 sind über einen oder mehrere Verbindungsstege 8.1 miteinander verbunden, insbesondere bilden das Führungsjoch 5 und die Halte- und Trageinheit 8 ein einziges Bauteil. In an exemplary embodiment that is not shown, a pair of drive shafts 6.1, 6.2 are provided, which also enable the second, likewise movable part 2.2 of the sample holder 2 to be driven, with the force measuring unit 4 being arranged on or on the second part 2.2 of the sample holder 2 in this exemplary embodiment is (not shown). The guide yoke 5 and the holding and carrying unit 8 are connected to one another via one or more connecting webs 8.1; in particular, the guide yoke 5 and the holding and carrying unit 8 form a single component.
Alle steuer- und Messtechnisch relevanten Elemente sind mit mindestens einer Erfassungs- und Auswerteeinheit 50 verbunden, was mit strichpunktierten Linien angedeutet wurde. All elements relevant to control and measurement technology are connected to at least one detection and evaluation unit 50, which is indicated by dot-dash lines.
Bei dem vorgesehenen Piezoantrieb, als Schwingungsantrieb 7, ist die Größe der möglichen Amplitude abhängig von der Größe des bzw. der in Reihe geschalteten PiezokristalleZ-aktoren, so dass bedarfsabhängig größere Piezoantriebe vorgesehen werden können, wie mit der geschweiften Klammer 7.3 angedeutet wurde. Damit ist diese besonders vorteilhafte Anordnung des Schwingungsmotors 7 und der zugehörigen Halte- und Trageinheit 8 gut zu erkennen. In the case of the piezo drive provided, as the vibration drive 7, the size of the possible amplitude depends on the size of the piezo crystal actuator(s) connected in series, so that larger piezo drives can be provided as required, as indicated by the curly brackets 7.3. This particularly advantageous arrangement of the vibration motor 7 and the associated holding and carrying unit 8 can thus be clearly seen.
Die gezeigte Testvorrichtung 1 hat Außenmaße von 226 mm Länge, 165 mm Breite und einer Höhe von 79 mm. The test device 1 shown has external dimensions of 226 mm in length, 165 mm in width and a height of 79 mm.
Bei der beispielhaft beschriebenen Testvorrichtung beträgt der statische Kraftbereich in Richtung der Kraftachse A bis 3 kN in Zugrichtung und unter Druck 0 bis 500N. Unter dieser Vorspannung ist eine dynamische Wechsellast von bis zu einem (1 ) kN möglich. Die Amplitude, also der dynamische Dehnungsbereich beträgt 0 bis 100 pm bei einer Frequenz von bis zu 50 Hz. In the test device described as an example, the static force range in the direction of the force axis A is up to 3 kN in the direction of tension and under pressure 0 to 500N. Under this preload, a dynamic alternating load of up to one (1) kN is possible. The amplitude, i.e. the dynamic expansion range, is 0 to 100 pm at a frequency of up to 50 Hz.
Hierbei besteht eine bekannte Abhängigkeit der Amplitude (=Dehnungsbereich), die bei steigender Vorspannkraft und Frequenz sinkt. There is a known dependency on the amplitude (=strain range), which decreases with increasing preload force and frequency.
Wird das Führungsjoch 5 nach dem Einspannen einer Materialprobe in der Abbildung nach links verfahren (Vorspannen): - wird eine Zugkraft entlang der Kraftachse A im Probenmaterial 3 und dem ersten Kraftschenkel 21 aufgebaut, wobei über das Querverbindungselement 23 eine zweifache Umlenkung um 90° in den zweiten Kraftschenkel 22 in Richtung der zweiten Kraftachse B zum Antriebsende 7.1 des Schwingungsantriebs 7 erfolgt. If the guide yoke 5 is moved to the left in the figure after clamping a material sample (pre-tensioning): - A tensile force is built up along the force axis A in the sample material 3 and the first force leg 21, with a double deflection of 90° taking place via the cross-connection element 23 into the second force leg 22 in the direction of the second force axis B to the drive end 7.1 of the vibration drive 7.
Die von Schwingungsantrieb 7 ausgehenden Schwingungsamplituden (Kraftwechsel) verlaufen analog in umgekehrter Richtung. The vibration amplitudes (changes in force) emanating from the vibration drive 7 run analogously in the opposite direction.
Wie in Figur 2 dargestellt, weist der erste Kraftschenkel 21 am ersten Ende 21.1 ein erstes Verbindungselement 24 auf, das als Gewindestange ausgebildet ist und in eine nicht näher dargestellte Gewindehülse des verfahrbaren Teils 2.1 des Probenhalters 2 eingeschraubt ist. An dem Mittelabschnitt 27 weist einen Halteabschnitt 27.1 auf, an dem ein Werkzeug von außen zur Lagesicherung angreifen kann, beispielweise eine Sechskantgeometrie. An dem Mittelabschnitt 27 ist weiterhin am zweiten Ende ein Befestigungselement 25 ebenfalls in Form einer Gewindestange ausgebildet. Das erste und zweite Ende 21.1 , 21.2 sowie der Mittelabschnitt 27 mit dem Halteabschnitt 27.1 sind ein einziges Materialstück, das beispielsweise aus einem Vollmaterial hergestellt wurde. As shown in FIG. 2, the first force arm 21 has a first connecting element 24 at the first end 21.1, which is designed as a threaded rod and is screwed into a threaded sleeve (not shown) of the movable part 2.1 of the sample holder 2. The middle section 27 has a holding section 27.1 on which a tool can engage from the outside to secure the position, for example a hexagonal geometry. On the middle section 27, a fastening element 25 is also formed at the second end, also in the form of a threaded rod. The first and second end 21.1, 21.2 as well as the middle section 27 with the holding section 27.1 are a single piece of material, which was produced from a solid material, for example.
Der zweite Kraftschenkel 22 ist in dem gezeigten Beispiel als eine doppelseitige Gewindestange ausgebildet, mit unterschiedlichen Durchmessern an den beiden Enden 22.1 , 22.2. Das dem Schwingungsantrieb 7 zugewandte erste Ende 22.1 oder Verbindungselement 31 ist als Gewindestange ausgebildet und ist in die Antriebsseite 7.1 des Schwingungsantrieb 7 eingeschraubt. Eine Mutterschraube 32 dient zum Kontern und Verspannen. In the example shown, the second force leg 22 is designed as a double-sided threaded rod with different diameters at the two ends 22.1, 22.2. The first end 22.1 or connecting element 31 facing the vibration drive 7 is designed as a threaded rod and is screwed into the drive side 7.1 of the vibration drive 7. A nut screw 32 is used for locking and bracing.
Auf die beiden zweiten Enden 21 .2, 22.2 der Kraftschenkel 21 , 22, in der Abbildung links dargestellt, die als Befestigungselemente 25, 26 in Form einer Gewindestange ausgebildet sind, ist das Querverbindungselement 23 aufgesteckt, das jeweils beidseitig mit einer Mutterschraube 29, 30; 33, 34 verspannt und fixiert ist. Zur Aufbringung großer Kräfte und großer Schwingungsamplituden, ist das Führungsjoch 5 mit seitlichen Versteifungsabschnitten 18 auf der Seite des Halte- und Arretierungselements 8 verstärkt. Über das hintere Ende 7.2 wird der Schwingungsmotor 7 in nicht dargestellter weise ström- und datenleitend versorgt. An dem Querverbindungselement 23 ist auf der dem Führungsjoch 5 zugewandten Seite ein Sicherheitsschalter 15 angeordnet, der dazu dient, bei zu großer Annäherung und/oder Kontakt mit Bauteilen den Motor 9 unmittelbar abzustellen. Dies ist insbesondere erforderlich, wenn kein Probenmaterial eingelegt ist und somit eine Kollision bei der schließenden Fahrt erfolgen könnte. Die in der Figur 3 in einer Seitenansicht dargestellte Testvorrichtung 1 ist in einem Untersuchungsraum eines Rasterelektronenmikroskops 100 eingebraucht, was mit einer gestrichelten Linie andeutet ist. Die gesamte Testvorrichtung 1 kann, wie dargestellt, auf einem Trägerelement 101 platziert und befestigt sein, das auch als Führungs- und Trägerschlitten ausgebildet sein kann. In der Figur 3 ist sehr gut zu erkennen, dass trotz eines sehr großen und damit leistungsstarken Schwingungsantrieb 7, ist nur eine sehr geringe bauliche Vergrößerung der Testvorrichtung 1 erforderlich, verglichen mit einer Vorrichtung ohne Schwingungsantrieb 7. Der für die Vorspannung erforderliche Motor 9 und der Schwingungsmotor 7 stehen sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel diagonal gegenüber und die parallelen Kraftachsen A, B, wobei die Kraftachse A der Schnittlinie der vertikalen Ebene V1 mit der horizontalen Ebene H1 entspricht und die Kraftachse B der Schnittlinie der vertikalen Ebene V2 und der horizontalen Ebene H2 entspricht. The cross-connection element 23 is pushed onto the two second ends 21.2, 22.2 of the force legs 21, 22, shown on the left in the figure, which are designed as fastening elements 25, 26 in the form of a threaded rod, and are each secured on both sides with a nut screw 29, 30 ; 33, 34 is braced and fixed. In order to apply large forces and large vibration amplitudes, the guide yoke 5 is reinforced with lateral stiffening sections 18 on the side of the holding and locking element 8 . Via the rear end 7.2, the vibration motor 7 is supplied with electricity and data in a manner not shown. A safety switch 15 is arranged on the cross-connection element 23 on the side facing the guide yoke 5, which is used to switch off the motor 9 immediately if it comes too close and/or comes into contact with components. This is particularly necessary if no sample material is inserted and a collision could occur during the closing run. The test device 1 shown in a side view in FIG. 3 is used in an examination space of a scanning electron microscope 100, which is indicated by a broken line. As shown, the entire test device 1 can be placed and fastened on a carrier element 101, which can also be designed as a guide and carrier carriage. In the figure 3 can be seen very well that despite a very large and therefore powerful vibration drive 7, only a very small structural enlargement of the test device 1 is required compared to a device without vibration drive 7. The motor 9 required for the prestressing and the Vibration motor 7 are diagonally opposite each other in the embodiment shown and the parallel force axes A, B, with force axis A corresponding to the line of intersection of the vertical plane V1 with the horizontal plane H1 and force axis B corresponding to the line of intersection of the vertical plane V2 and the horizontal plane H2 .
Der Abstand der beiden vertikalen Ebenen V1 , V1 beträgt vorliegend 58,5 mm und der Abstand der horizontalen Ebenen H1 , H2 10 mm. Wie in Figur 4 gut zu erkennen, kann die Testvorrichtung 1 sehr leicht an unterschiedliche Einbaulagen und Geometrien angepasst werden. Die Lage der Kraftachse B kann entlang dem strichpunktierten Kreis angeordnet werden, ohne dass eine grundsätzlich neue Konstruktion erforderlich ist, lediglich die Verbindung zwischen dem Führungsjoch und dem den Schwingungsantrieb 7 aufnehmenden Halte- und Trageinheit 8 muss angepasst werden. Den als schraffierte Fläche dargestellten Zugangsbereich 35 wird man im Normalfall nicht überdecken, damit ein schnelles Wechseln von Probenmaterial 3 möglich ist. In the present case, the distance between the two vertical planes V1, V1 is 58.5 mm and the distance between the horizontal planes H1, H2 is 10 mm. As can be seen clearly in FIG. 4, the test device 1 can be adapted very easily to different installation positions and geometries. The position of the force axis B can be arranged along the dot-dash circle without a fundamentally new design being required, only the connection between the guide yoke and the holding and supporting unit 8 accommodating the vibration drive 7 has to be adjusted. The access area 35 shown as a hatched area is normally not covered so that the sample material 3 can be changed quickly.
In den Figuren 5 a) bis d) sind unterschiedliche Ausführungsformen des Kraftschenkels 21 dargestellt. Die unter a) dargestellte Variante entspricht der auf Figur 1 , indem die beiden Gewindestangen 24, 25 und der Mittelabschnitt 27 mit dem Halteabschnitt 27.1 ein monolithisches Element bilden. Zur Fixierung des nicht dargestellten Querverbindungselement 27 sind die beiden Mutterschrauben 29, 30 vorgesehen. In der Ausführungsform nach b), ist der Mittelabschnitt 27 ohne gesonderten Halteabschnitt ausgebildet, sondern weist für den Eingriff eines Montagewerkzeuges drei Bohrungen 17 auf, die in unterschiedlichen Umfangswinkeln beispielsweise als Durchgangsbohrungen den Mittelabschnitt 27 durchbrechen. In dem Beispiel c) ist zusätzlich zu der Ausführung nach Abbildung a) ein Anlageflansch 27.2 vorgesehen, so dass nur eine Mutterschraube für die Befestigung eines Querverbindungselementes 27 erforderlich ist. Schließlich zeigt Figur 5d) eine Ausführungsform des Kraftschenkels 21 , bei dem der Mittelabschnitt 27 als Adapter ausgebildet ist, der mindestens einseitig ein Innengewinde 27.3 aufweist, in welches eine Gewindestange 24 eingeschraubt und mittels Mutterschraube 28 verspannt werden kann. Insgesamt ist es vorteilhaft, wenn an den Kopfenden der Befestigungselemente 25, 26 Aufnahmen für ein Werkzeug vorgesehen sind, wie beispielsweise eine Sechskantaussparung. Die Ausführungen nach den Figuren 5c) und 5d) sind insbesondere für Messverfahren geeignet, bei denen keine sehr hohen Kräfte oder Schwingungsamplituden übertragen werden sollen. Die beiden Kraftschenkel 21 , 22 können grundsätzlich analog ausgeformt sein, bei angepassten Dimensionen der jeweiligen Verbindungs- und Befestigungselemente. In the figures 5 a) to d) different embodiments of the power leg 21 are shown. The variant shown under a) corresponds to that in FIG. 1 in that the two threaded rods 24, 25 and the middle section 27 form a monolithic element with the holding section 27.1. The two nut bolts 29, 30 are provided for fixing the cross-connection element 27, which is not shown. In the embodiment according to b), the middle section 27 is designed without a separate holding section, but has three bores 17 for engaging an assembly tool, which break through the middle section 27 at different circumferential angles, for example as through bores. In example c), in addition to the embodiment according to figure a), a contact flange 27.2 is provided, so that only one nut screw is required for fastening a cross-connection element 27. Finally, FIG. 5d) shows an embodiment of the force arm 21 in which the central section 27 is designed as an adapter which has an internal thread 27.3 on at least one side, into which a threaded rod 24 can be screwed and braced by means of a nut screw 28. Overall, it is advantageous if the head ends of the fastening elements 25, 26 are provided with receptacles for a tool, such as a hexagonal recess. The designs according to FIGS. 5c) and 5d) are particularly suitable for measuring methods in which very high forces or vibration amplitudes are not to be transmitted. The two force legs 21, 22 can in principle be formed analogously, with adapted dimensions of the respective connecting and fastening elements.
Insgesamt ist es vorteilhaft, eine möglichst geringe Anzahl an Bauteilen im Kraftübertragungsweg vorzusehen, um eine verlustfreie Übertragung der Schwingungen sicher zu stellen. Die Ausführungsform nach Figur 6 zeigt eine solche Variante, bei der die Anzahl der Komponenten weiter verringert wurde, wobei im Kraftschenkel 21 insbesondere die Ausführungen nach Figur 5a) oder 5c) vorgesehen werden können. Das Querverbindungselement 23 weist auf der Seite des Kraftschenkels 22 einen rechtwinklig zum Hauptabschnitt orientierten Halte- und Führungsabschnitt 23.1 auf, der eine durchgehende Bohrung und mindestens auf einer Teillänge der Bohrung ein Innengewinde aufweist. In diese Innengewinde des Halte- und Führungsabschnitts 23.1 ist das Befestigungselement 25 eingeschraubt, das mit der Mutterschraube 28 verspannt wird. Aufgrund der guten Führung des Befestigungsmittels 25, werden Schwingungsverluste im Übertragungsweg weiter verringert. Overall, it is advantageous to provide the smallest possible number of components in the power transmission path in order to ensure loss-free transmission of the vibrations. The embodiment according to FIG. 6 shows such a variant, in which the number of components has been further reduced, it being possible in particular for the embodiments according to FIG. 5a) or 5c) to be provided in the force leg 21. FIG. On the side of the force leg 22, the cross-connection element 23 has a holding and guiding section 23.1, which is oriented at right angles to the main section and has a continuous bore and at least a partial length of the bore has an internal thread. The fastening element 25, which is clamped with the nut screw 28, is screwed into this internal thread of the holding and guiding section 23.1. Due to the good guidance of the fastening means 25, vibration losses in the transmission path are further reduced.
Am Befestigungsmittel 25 ist auf der Kopfseite ein Erfassungsabschnitt für eine Sechskantwerkzeug vorgesehen. A detection section for a hexagonal tool is provided on the head side of the fastening means 25 .
Insgesamt kann es vorteilhaft sein, im Bereich des Querverbindungselements 23 oder diese selbst mit einem Gelenk und/oder Gelenkabschnitt 36 auszustatten, wie in den Figuren 7 und 8 dargestellt. In dem Ausführungsbeispiel der Figur 7 ist das Querverbindungselement 23 auf der Höhe der Achse C in seinem Durchmesser verkleinert und dadurch verschwächt, so dass ein Gelenk oder Gelenkabschnitt 36 ausgebildet ist. Parallel oder synchron zu der Achse C ist ein Gelenksteg 37 ausgebildet, der das Gelenk oder den Gelenkabschnitt 37 mit dem Führungsjoch 5 starr verbindet- Der Gelenksteg 36 kann in nicht näher dargestellten weise mindestens einseitig am Querverbindungselement 23 und/oder am Führungsjoch 5 lösbar verspannt befestigt sein, mit einem der beiden Elemente verschweißt oder einstückig aus diesen gebildet sein. Die Verschwächung zur Ausbildung des Gelenks- oder Gelenkabschnitts 36 kann eine beliebige Geometrie aufweisen, insbesondere als Kurve oder Radios verlaufen und insbesondere symmetrisch ausgebildet sein. Overall, it can be advantageous to equip the cross-connection element 23 or itself with a joint and/or joint section 36, as shown in FIGS. In the exemplary embodiment in FIG. 7, the cross-connection element 23 is reduced in diameter at the height of the axis C and is thereby weakened, so that a joint or joint section 36 is formed. A joint bar 37 is formed parallel or synchronously to the axis C, which rigidly connects the joint or the joint section 37 to the guide yoke 5. The joint bar 36 can be releasably clamped to the cross-connection element 23 and/or the guide yoke 5 at least on one side in a manner that is not shown in detail be welded to one of the two elements or formed in one piece from them. The weakening to form the articulation or joint section 36 can have any geometry, run in particular as a curve or radios and in particular be symmetrical.
Durch das Gelenk oder den Gelenkabschnitt 36 bilden sich in Ausrichtung der Achse D, die parallel zur Ausrichtung des Querverbindungselements 23 verläuft, die beiden Hebelarme Li , l_2 aus, mit denen die Bewegung des Schwingungsantriebes 7 verstärkt in die Kraftachse A und damit in eine Probenmaterial einleitbar ist. Through the joint or the joint section 36, the two lever arms Li, l_2 are formed in the alignment of the axis D, which runs parallel to the alignment of the cross-connection element 23, with which the movement of the vibration drive 7 can be introduced into the force axis A and thus into a sample material is.
In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform ist die Lage der Achse C näher und parallel zur Kraftachse A. In an alternative embodiment, not shown, the location of axis C is closer and parallel to force axis A.
In dem Beispiel nach Figur 8 ist das Querverbindungselement 23 zweigeteilt, in ein erstes Teilelement 23.2 und ein zweites Teilelement 23.3 wobei das Gelenk oder der Gelenkabschnitt 36 mit dem Gelenksteg 37 als ein aus einem weicheren Material ausgebildetes, monolithischen Kopplungselement 38 geformt ist, welches in beiden Teilelementen 23.2, 23.3 des Querverbindungselementes 23 und auf dem oder an dem Führungsjoch 5 in nicht näher dargestellter Art und Weise kraftschlüssig gehalten und verspannt ist. Das Material des Kopplungselements 38 kann beispielsweise Kupfer, Messing, Bronze oder ein geeignetes sonstiges Material sein, insbesondere ein eisenhaltiges Material sein. In the example according to Figure 8, the cross-connection element 23 is divided into two, into a first partial element 23.2 and a second partial element 23.3, with the joint or the joint section 36 having the joint web 37 being formed as a monolithic coupling element 38 made of a softer material, which in both Sub-elements 23.2, 23.3 of the cross-connection element 23 and on or on the guide yoke 5 is frictionally held and clamped in a manner not shown. The material of the coupling element 38 can be, for example, copper, brass, bronze or another suitable material, in particular a ferrous material.
Bezugszeichenhstereference number
Testvorrichtung test device
Probenhalter sample holder
2.1 Probenhalter, Teil erstes 2.1 Specimen holder, part first
2.2 Probenhalter, Teil zweites 2.2 sample holder, part two
Probenmaterial sample material
Kraftmesseinheit force measurement unit
Führungsjoch guide yoke
5.1 Antriebsende 5.1 Drive end
5.2 Antriebsende 5.2 Drive end
Antriebswelle (auch 6.1 , 6.2)Drive shaft (also 6.1, 6.2)
Schwingungsantrieb vibration drive
7.1 Antriebsseite 7.1 Drive Side
7.2 Antriebsende 7.2 Drive end
7.3 Länge 7.3 Length
Halte- und Trageinheit holding and carrying unit
8.1 Verbindungssteg 8.1 Connecting bar
8.2 Gleitabschnitt 8.2 Sliding Section
Motor engine
Querwelle cross shaft
Getriebeeinheit zur Welle 10 Gear unit to shaft 10
Getriebeeinheit zu Wellen 6.1 , 6.2Transmission unit to waves 6.1, 6.2
Abstandssensor distance sensor
Halte- und Arretiereinheit Holding and locking unit
Sicherheitsschalter safety switch
Anschlusselement connection element
Bohrung drilling
Versteifungsabschnitt (am Joch, Dreiecke) stiffening section (on the yoke, triangles)
Kopplungselement coupling element
Kraftschenkel, erster Power thighs, first
21 .1 Ende, erstes 21 .1 end, first
21 .2 Ende, zweites Kraftschenkel, zweiter 21 .2 end, second power leg, second
22.1 Ende, erstes 22.1 end, first
22.2 Ende, zweites 22.2 end, second
Querverbindungselement cross connector
23.1 Halte- und Führungsabschnitt 23.2 Teilelement 23.1 Holding and Guidance Section 23.2 Sub-Element
23.2 Teilelement 23.2 Sub-Element
24 Verbindungselement 24 fastener
25 Befestigungselement 25 fastener
26 Befestigungselement 26 fastener
27 Mittelabschnitt, auch Adapter 27 middle section, also adapter
27.1 Halteabschnitt 27.1 Holding Section
27.2 Anlageflansch 27.2 Abutment flange
27.2 Innengewinde 27.2 internal thread
28 Kontermutter) 28 lock nut)
29 Mutterschraube 29 nut bolt
30 Mutterschraube (ggf. Anschlag, monolithisch) 30 nut screw (possibly stop, monolithic)
31 Verbindungselement 31 fastener
32 Mutterschraube (kleine, vorne) 32 nut bolt (small, front)
33 Mutterschraube, analog 29 33 nut screw, analogous to 29
34 Mutterschraube (ggf. Anschlag, monolithisch) analog 3034 nut screw (possibly stop, monolithic) analogous to 30
35 Zugangsbereich 35 access area
36 GelenkZ-abschnitt 36 articulated Z section
37 Gelenksteg 37 articulated bridge
38 Kopplungselement 38 coupling element
50 Erfassungs- und Auswerteeinheit 50 acquisition and evaluation unit
100 Rasterelektronenmikroskop 100 scanning electron microscope
101 Trägerelement 101 carrier element
A, B Kraftachsen A, B power axes
C, D Achse C, D axis
Li, l_2 Hebelarm Li, l_2 lever arm

Claims

Patentansprüche Testvorrichtung (1 ) zur Materialuntersuchung mittels einer hochfrequenten Wechselbelastung, insbesondere für ein Elektronenstrahl- oder Rasterelektronenmikroskop (100), umfassend Claims Test device (1) for material testing by means of a high-frequency alternating load, in particular for an electron beam or scanning electron microscope (100), comprising
- einen mindestens zweiteiligen Probenhalter (2) zum Halten eines Probenmaterials (3) unter Krafteinwirkung entlang einer Kraftachse (A), - an at least two-part sample holder (2) for holding a sample material (3) under the action of a force along a force axis (A),
- mindestens eine Kraftmesseinheit (4), die mit einem Teil des Probenhalters (2.2) sensorisch verbunden ist, wobei mindestens ein Teil des Probenhalters (2.1 ) relativ zum anderen Teil des Probenhalters (2.2) mittels eines motorisch angetriebenen, zwei Antriebsenden (5.1 , 5.2) aufweisendes Führungsjoch (5) verfahrbar ist, und wobei das Führungsjoch (5) an den beiden Antriebsenden (5.1 , 5.2) mit je einer Antriebswelle (6.1 , 6.2) gekoppelt und synchron antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass seitlich an dem Führungsjoch (5) und mit diesem verfahrbar eine einen hochfrequenten Schwingungsantrieb (7) aufnehmende Halte- und Trageinheit (8) angeordnet ist, wobei die Schwingungsamplitude eine Kraftrichtung und -achse (B) aufweist, die parallel zur Kraftachse (A) ausgerichtet ist, und wobei ein mehrteiliges Kopplungselement (20) vorgesehen, welches den Schwingungsantrieb (7) mit dem mindestens einen verfahrbaren Teil des Probenhalters (2.1 ) zum Eintrag von Schwingungen verbindet, aufweisend einen ersten in Kraftachse (A) verlaufenden Kraftschenkel (21 ), einen zweiten in Kraftachse (B) verlaufenden Kraftschenkel (22) und ein die beiden Kraftschenkel (21 , 22) starr verbindendes Querverbindungselement (23), wobei am vorderen Ende (21.1 ) des ersten Kraftschenkels (21 ), welches an der vom Querverbindungselement (23) abgewandten Seite des Führungsjochs (5) abgeordnet ist, der mindestens eine verfahrbare Teil des Probenhalters (2.1 ) befestigt ist, insbesondere lösbar befestigt ist. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kraftschenkel (21 ) am ersten Ende mindestens ein vom verfahrbaren Teil des Probenhalters (2.1 ) lösbares Verbindungselement (24) aufweist und am zweiten Ende ein Befestigungselement (25) für die kraftschlüssige Befestigung des Querverbindungselements (23) umfasst. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Kraftschenkel (21 , 22) am jeweils zweiten Ende (21 .2, 22.2) ein Befestigungselement (25, 26) für die kraftschlüssige Befestigung des Querverbindungselementes (23) umfassen. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kraftschenkel (21 ) einen Mittelabschnitt (27) aufweist, an welchem- at least one force measuring unit (4), which is connected to a part of the sample holder (2.2) in a sensory manner, wherein at least one part of the sample holder (2.1) can be moved relative to the other part of the sample holder (2.2) by means of a motor-driven, two drive ends (5.1, 5.2 ) having a guide yoke (5) can be moved, and wherein the guide yoke (5) is coupled at each of the two drive ends (5.1, 5.2) to a drive shaft (6.1, 6.2) and can be driven synchronously, characterized in that laterally on the guide yoke (5 ) and a holding and carrying unit (8) accommodating a high-frequency vibration drive (7) is arranged so that it can be moved, the vibration amplitude having a force direction and axis (B) which is aligned parallel to the force axis (A), and a multi-part Coupling element (20) is provided, which connects the vibration drive (7) to the at least one movable part of the sample holder (2.1) for the introduction of vibrations, having a first force arm (21) running in the force axis (A), a second force leg (21) in the force axis (B) extending force arm (22) and a cross-connection element (23) rigidly connecting the two force arms (21, 22), wherein at the front end (21.1) of the first force arm (21), which is on the side of the guide yoke (5th ) is delegated, the at least one movable part of the sample holder (2.1) is attached, in particular is releasably attached. Device according to claim 1, characterized in that the first force leg (21) at the first end has at least one of the movable part of the sample holder (2.1) detachable connecting element (24) and at the second end a fastening element (25) for the non-positive fastening of the cross-connection element ( 23) includes. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that both force arms (21, 22) at the respective second end (21 .2, 22.2) comprise a fastening element (25, 26) for the non-positive fastening of the cross-connection element (23). Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first power arm (21) has a central portion (27) on which
- an der ersten Seite das lösbares Verbindungselement (24) zum verfahrbaren Teil des Probenhalter (2.1) angebracht und/oder ausgebildet ist und - the detachable connecting element (24) for the movable part of the sample holder (2.1) is attached and/or formed on the first side and
- an der anderen Seite das Befestigungselement (25) für das Querverbindungselement (23) befestigt und/oder ausgebildet ist. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Teile des Probenhalters (2.1 , 2.2) relativ zueinander verfahrbar sind, und wobei diese mit mindestens je zwei Antriebswelle (6.1 , 6.2) direkt oder mittelbar über ein Führungsjoch (5) gekoppelt und synchron antreibbar sind. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das lösbare Verbindungselement (24) ein Gewinde oder eine Gewindestange ist, welches mittels einer Kontermutter (28) an dem Mittelabschnitt (27) verspannt werden kann. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (25) des ersten Kraftschenkels (21 ) ein Gewinde oder eine Gewindestange ist, und wobei das Querverbindungselement (23) beidseitig mittels Mutterschrauben (29, 30) verschraubt ist. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kraftschenkel (22) beidseitig ein Befestigungsmittel umfasst, das mit seinem ersten Ende (22.1 ) mit der Antriebsseite (7.1 ) des Schwingungsantriebs (7) lösbar verbunden ist, und wobei das Befestigungsmittel am zweiten Ende (22.2) das Befestigungselement (26) für die kraftschlüssige Befestigung des Querverbindungselementes (23) umfasst. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kraftachse (A) im Schnitt einer ersten vertikalen Ebene (V1) und einer ersten horizontalen Ebene (H1 ) und die zweite Kraftachse (B) im Schnitt einer zweiten vertikalen Ebene (V2) und einer zweiten horizontalen Ebene (H2) liegt, wobei die erste und zweite horizontale Ebene (H1 , 2) parallel zueinander ausgerichtet sind und die erste und zweite vertikale Ebene (V1 , 2) parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei die erste und zweite vertikale Ebene (V1 , 2) nicht identisch sind, also voneinander beabstandet sind. 17 Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite horizontale Ebene (H2) der zweiten Kraftachse (B) maximal 5 bis 20 mm von der ersten horizontalen Ebene (H1 ) beabstandet ist. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf an dem Führungsjoch (5) ein Abstandssensor (13) angeordnet ist, insbesondere ein berührungslos arbeitender Lasersensor. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Querverbindungselement (23) ein Sicherheitsschalter (15) vorgesehen ist. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Querverbindungselement (23) ein Gelenk oder Gelenkabschnitt (36) vorgesehen ist, wobei das Gelenk oder der Gelenkabschnitt (36) mit dem Führungsjoch (5) über einen Gelenksteg (37) starr verbunden ist. Verfahren zum Betrieb einer Testvorrichtung (1 ), umfassend die folgenden Schritte - On the other side, the fastening element (25) for the cross-connection element (23) is fastened and/or formed. Device according to one of the preceding claims, characterized in that both parts of the sample holder (2.1, 2.2) can be moved relative to one another, and these are coupled to at least two drive shafts (6.1, 6.2) directly or indirectly via a guide yoke (5) and synchronously are drivable. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the detachable connecting element (24) is a thread or a threaded rod which can be braced on the middle section (27) by means of a lock nut (28). Device according to one of the preceding claims, characterized in that the fastening element (25) of the first power arm (21) is a thread or a threaded rod, and the cross-connection element (23) is screwed on both sides by means of nut bolts (29, 30). Device according to one of the preceding claims, characterized in that the second force leg (22) comprises a fastening means on both sides, which is detachably connected with its first end (22.1) to the drive side (7.1) of the vibration drive (7), and wherein the fastening means on second end (22.2) comprises the fastening element (26) for the non-positive fastening of the cross-connection element (23). Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first force axis (A) in the section of a first vertical plane (V1) and a first horizontal plane (H1) and the second force axis (B) in the section of a second vertical plane (V2) and a second horizontal plane (H2), the first and second horizontal planes (H1, 2) being parallel to each other and the first and second vertical planes (V1, 2) being parallel to each other, the first and second vertical planes (V1, 2) are not identical, so are spaced apart. 17 Device according to claim 9, characterized in that the second horizontal plane (H2) of the second force axis (B) is spaced from the first horizontal plane (H1) by a maximum of 5 to 20 mm. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a distance sensor (13), in particular a non-contact laser sensor, is arranged on the guide yoke (5). Device according to one of the preceding claims, characterized in that a safety switch (15) is provided on the cross-connection element (23). Device according to one of the preceding claims, characterized in that a joint or joint section (36) is provided on the cross-connection element (23), the joint or joint section (36) being rigidly connected to the guide yoke (5) via a joint web (37). . Method for operating a test device (1), comprising the following steps
- Vorbereitungsschritt, in dem mindestens eine zweiendige Befestigung eines Probenmaterials (3) in einem mindestens einseitig verfahrbaren Probenhalten (2) erfolgt, - a preparatory step in which at least one two-ended attachment of a sample material (3) takes place in a sample holder (2) that can be moved at least on one side,
- erster Kraftschritt, in dem mindestens zeitweise eine langsame Fahrt des mindestens einen verfahrbaren Teils des Probenhalters (2.1) in eine erste Richtung entlang einer ersten Kraftachse (A) erfolgt, wobei das Probenmaterial (3) mit einer ersten Druck- oder Zugkraft beaufschlagt wird, - first force step, in which the at least one movable part of the sample holder (2.1) moves slowly at least temporarily in a first direction along a first force axis (A), the sample material (3) being subjected to a first compressive or tensile force,
- zweiter Kraftschritt, in dem mindestens zeitweise eine Einbringung von hochfrequenten Schwingungen über einen Schwingungsantrieb (7) in Richtung einer zweiten Kraftachse (B) erfolgt, welche in die erste Kraftachse (A) umgeleitet wird, - second force step, in which high-frequency vibrations are introduced at least temporarily via a vibration drive (7) in the direction of a second force axis (B), which is redirected to the first force axis (A),
- Auswertung von Messdaten mittels mindestens einer Erfassungs- und Auswerteeinheit (50), dadurch gekennzeichnet, dass die Testvorrichtung (1 ) nach einer der vorherigen Ansprüche ausgebildet ist. 18 Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kraftschritt mindestens zeitweise parallel zum ersten Kraftschritt ausgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Kraftschritt auf das Probenmaterial (3) - Evaluation of measurement data by means of at least one acquisition and evaluation unit (50), characterized in that the test device (1) is designed according to one of the preceding claims. 18 The method according to claim 14, characterized in that the second force step is carried out at least temporarily parallel to the first force step. Method according to claim 14 or 15, characterized in that in the first force step on the sample material (3)
- eine Zugkraft von bis 5 kN, idealerweise von 3 kN oder - a tensile force of up to 5 kN, ideally 3 kN or
- eine Druckkraft von bis zu 2kN, idealerweise bis zu 1 kN eingebracht wird. . Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Probenmaterial (3) wirkende hochfrequente Schwingung im Bereich bis 100 Hz liegt, idealerweise im Bereich von 10 Hz bis 50 Hz. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Probenmaterial (3) mit unterschiedlicher Länge untersucht werden können, insbesondere mit einer freien Längsabmessung im Bereich von 0 bis 80mm, idealerweise im Bereich von 0 bis 60mm. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspannungsvorrichtung für das Probenmaterial (3) in Abhängigkeit von dem Probenmaterial (3) ausgetauscht und angepasst wird. - a compressive force of up to 2kN, ideally up to 1 kN, is applied. . Method according to one of Claims 14 to 16, characterized in that the high-frequency vibration acting on the sample material (3) is in the range of up to 100 Hz, ideally in the range of 10 Hz to 50 Hz characterized in that sample material (3) can be examined with different lengths, in particular with a free longitudinal dimension in the range from 0 to 80mm, ideally in the range from 0 to 60mm. Method according to one of Claims 14 to 18, characterized in that the clamping device for the sample material (3) is exchanged and adapted depending on the sample material (3).
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