Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Motor mit einem Rotor und einem Stator, wobei ein Piezoelement vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Motors.

In Rastertunnelmikroskopen, Rasterkraftmikroskopen oder Rastersondenmikroskopen ist es notwendig, eine genaue Positionierung der Sondenspitze zu der zu untersuchenden Probe zu erreichen. Bei einem spinpolarisierten Rastertunnelmikroskop oder Rasterkraftmik- roskop bzw. Rastersondenmikroskop ist es bevorzugt, dass die Spitze oder die Probe rotiert werden kann.

Sofern die Spitze eine Magnetisierung aufweist, die parallel zur Probenoberfläche orientiert ist, und auch die Probe eine in-plane (x- y Ebene) Magnetisierung aufweist, ist ein rotierbares Element wünschenswert, um die Magnetisierungsvektoren von Spitze und Probe in eine kollineare Ausrichtung bringen zu können, da die Kontrast-

stärke bei der Beobachtung magnetischer Strukturen proportional zum Kosinus des Winkels zwischen Spitzen- und Probenmagnetisierung ist. Ein rotierendes Stellelement kann aber auch in vielen anderen Anwendungen zum Einsatz kommen, wo feinste Positionie- rung gewünscht ist, etwa bei der Ausrichtung optischer Elemente, wie Spiegel etc. oder Monochromatoren. Ein Einsatz kann auch in Teleskopen sinnvoll sein.

Die technischen Voraussetzungen für ein derartiges Rotationsele- ment sind allerdings hochgradig komplex, da derartige Experimente häufig unter Ultrahochvakuum und/oder bei tiefen Temperaturen stattfinden. Außerdem müssen Vibrationen verhindert werden, um verlässliche Messungen zu erreichen und die Probe oder Spitze nicht zu beschädigen.

Aus der WO 93/19494 ist ein piezoelektrischer Motor bekannt, bei dem ein Torsionsaktuator Verwendung findet, der durch Bonden bzw. Verkleben einer geraden Anzahl von piezoelektrischen Segmenten in einer Röhre mittels eines leitfähigen Klebstoffes erzielt wird. Die Richtung der Polarisation alterniert zwischen den benachbarten Segmenten. Aufgrund des piezoelektrischen Effektes bzw. des Elektrostriktionseffektes wird eine Scherkraft erzeugt, die eine Torsionsdeformation der Röhre hervorruft. Durch Anwenden einer sinusförmigen Spannung der Resonanzfrequenz der Röhre wird ei- ne sinusförmige Torsionsvibration der Röhre erreicht. Durch Anwenden einer sinusförmigen Spannung in der Resonanzfrequenz der Röhre kommt es zu Vibrationsproblemen, die bei Rastertunnelmikroskopen bzw. ähnlichen Mikroskopen unerwünscht sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen piezoelektrischen

Motor und ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Motors anzugeben, mittels dem eine sehr verlässliche Rotation eines

Rotors ermöglicht ist, wobei Vibrationen vermieden werden sollen und eine präzise Steuerung der Rotation erreichbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen piezoelektrischen Schrittmo- tor, insbesondere Schrittmotor, mit einem Rotor und einem Stator, umfassend ein Piezoelement, das an einem ersten Ende wenigstens abschnittsweise ortsfest ist, wobei der Stator ein Zwischenelement umfasst, das mit dem Piezoelement verbunden ist und das den Rotor berührt, wobei das Piezoelement insbesondere als Rotationskör- per mit einer Symmetrieachse ausgebildet ist, wobei das Piezoelement derart durch den Piezoeffekt bzw. den Effekt der Elektrostrikti- on bewegbar ist, dass das Zwischenelement wenigstens gegenüber dem abschnittsweise ortsfesten Ende des Piezoelements, insbesondere um die Symmetrieachse, bewegbar, insbesondere drehbar, ist.

Unter dem Begriff Piezoeffekt wird im Rahmen der Erfindung insbesondere auch der Effekt der Elektrostriktion verstanden.

Durch den erfindungsgemäßen piezoelektrischen Schrittmotor ist eine sehr präzise Steuerung der Schritte des piezoelektrischen Motors möglich, wobei insbesondere die Schrittlänge bzw. der zurückgelegte Weg bei jedem Schritt im Wesentlichen identisch eingestellt werden kann. Bei dem piezoelektrischen Motor handelt es sich insbesondere um einen Schrittmotor mit sehr definierten Schrittlängen. Vorzugsweise bleibt die Symmetrieachse des Piezoelements, das vorzugsweise als Hohlzylinder ausgebildet ist, während der Drehung an deren Position. Unter dem Begriff Ringfläche ist insbesondere eine gedachte Fläche zu verstehen, die durch einen Ring oder Kreis an dem jeweiligen Ende des Rotationskörpers, insbesondere Hohl- Zylinders, gebildet wird, der sich am weitesten in axialer Richtung der Drehachse vom Rotationskörper bzw. Hohlzylinder weg erstreckt. Es kann sich hierbei somit um eine Fläche handeln, die den

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Rotationskörper bzw. Hohlzylinder gedacht abschließt. Diese Flächen bleiben vorzugsweise bei der Bewegung parallel bzw. im Wesentlichen parallel zueinander.

Vorzugsweise umfasst das Zwischenelement eine Lagerfläche, die als erstes Lager für den Rotor dient. Ein besonders effizienter piezoelektrischer Motor ist dann gegeben, wenn die Lagerfläche relativ zu einer Endfläche des ersten Endes des Piezoelements oder zu einem Basisteil, das mit dem ersten Ende des Piezoelements ver- bunden ist, drehbar ist.

Das Piezoelement ist zweckmäßig Bestandteil des Stators. Wenn das Piezoelement wenigstens zwei Elektrodenpaare umfasst, ist eine genaue Rotation mit festlegbaren Schrittweiten möglich. In ei- ner besonders bevorzugten Ausführungsform des piezoelektrischen

Motors umfasst das Piezoelement 2n Elektrodenpaare, wobei n eine ganze Zahl ist, die größer als 1 ist. Hierdurch kann die Präzision des piezoelektrischen Motors noch erhöht werden. Ein Elektrodenpaar hat vorzugsweise bei einer Ausgestaltung eines Hohlrotations- körpers bzw. Hohlzylinders als Piezoelement eine äußere und eine innere Elektrode.

Wenn zwischen den Elektrodenpaaren jeweils wenigstens ein Zwischenbereich vorgesehen ist, wobei der Stator ein Basiselement umfasst, das mit einem ersten Zwischenbereich an einem ersten

Ende des Piezoelements verbunden ist, ist ein fest vorgegebener Ausgangspunkt für die Bewegung, die Rotation bzw. das sich Verdrehen des Piezoelements definiert. Die Elektrodenpaare umfassen vorzugsweise eine Elektrode, die an der Außenfläche, d.h. an der Außenmantelfläche des Hohlzylinders, angeordnet ist, und eine E- lektrode, die an der Innenfläche angeordnet ist, wobei das Elektrodenpaar dadurch gekennzeichnet ist, dass die Elektroden nur durch

die Dicke des piezoelektrischen Materials des Hohlzylinders beabstandet sind. Der Zwischenbereich ist vorzugsweise parallel zur Symmetrie- bzw. Rotationsachse des Hohlzylinders ausgerichtet. Vorzugsweise erstrecken sich die Zwischenbereiche parallel zur Symmetrieachse über die gesamte Länge des Rotationskörpers bzw. des Hohlzylinders. Wenn die Verbindung des Basiselements über im Wesentlichen die gesamte Länge des Piezoelements, des Rotationskörpers bzw. Hohlzylinders durch ein starres Element bzw. eine Nase erfolgt, ist eine sehr definierte Bewegung des Piezoele- ments mit einer großen Weite möglich.

Wenn der Stator ein Zwischenelement umfasst, das an einem zweiten Ende des Piezoelements mit einem zweiten Zwischenbereich verbunden ist, ist der piezoelektrische Motor kostengünstig zu reali- sieren. Wenn das Zwischenelement als erstes Lager für den Rotor dient, ist eine präzise Führung des Rotors möglich. Hierzu ragt das Zwischenelement vorzugsweise über das zweite Ende des Piezoelements heraus. Das Zwischenelement kann beispielsweise zwei oder mehr Stifte umfassen, die über das zweite Ende des Piezoele- ments herausragen, oder ein Ring sein, der vorzugsweise eine ko- nusförmige Stirnfläche aufweist. Wenn die zu dem Zwischenelement angeordnete Fläche des Rotors sphärisch ausgebildet ist, ist eine kreisförmige oder zumindest elliptische Berührungslinie zwischen der Stirnfläche des Zwischenelements und der zu dem Zwischen- element angeordneten Fläche des Rotors möglich. Hierdurch ist ein relativ geringer Widerstand zwischen den beiden Flächen gegeben, so dass die Drehung des Rotors vereinfacht ist.

Die sich durch den Piezoeffekt bzw. die Elektrostriktion bewegen- den Zwischenbereiche, also diejenigen, die nicht mit dem Stator verbunden sind, bewegen sich vorzugsweise auf einer Kreisbahn oder annährend einer Kreisbahn. Damit bewegen sich auch die an

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den Zwischenbereichen angeordneten Nasen auf einer Kreisbahn bzw. auf einer annähernden Kreisbahn.

Vorzugsweise sind die Zwischenbereiche mit dem Stator bzw. einem Zwischenelement des Stators bzw. einem Basisteil des Stators verbunden, wobei die Zwischenbereiche, die benachbart zu den Zwischenbereichen sind, die mit dem Stator bzw. dem Zwischenelement oder dem Basisteil des Stators verbunden sind, mit dem Rotor bzw. dem Zwischenelement zum Rotor verbunden sind. Im Falle von nur zwei Zwischenbereichen ist ein Zwischenbereich mit dem Stator, dem Zwischenelement des Stators bzw. dem Basisteil des Stators verbunden und der andere Zwischenbereich mit dem Rotor bzw. dem Zwischenelement zum Rotor verbunden. Zum Verbinden der Zwischenbereiche mit dem Stator, dem Rotor oder den weiteren E- lementen können Nasen an dem Stator, dem Rotor, den Zwischenelementen hierzu oder dem Basisteil vorgesehen sein.

Vorzugsweise sind die Zwischenbereiche äquidistant zueinander. Wenn vier Zwischenbereiche vorliegen, d.h. vier Elektrodenpaare vorliegen, sind die Zwischenbereiche in einem Winkel von 90° voneinander beabstandet. Durch diese bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors ist eine sehr genaue Steuerung der Schrittweite und ein sehr präzises im Wesentlichen auf einem Kreis sich bewegendes Zwischenelement gegeben. Hierbei ändert sich bevorzugterweise die Lage des Zwischenelements im Hinblick auf die längliche Ausdehnung des Piezoelements kaum oder gar nicht.

Vorzugsweise ist der Schrittmotor selbstzentrierend. Durch dieses besonders bevorzugte Merkmal werden insbesondere Vibrationen des piezoelektrischen Motors vermieden. Wenn der Stator ein zweites Lager für den Rotor umfasst, ist die Selbstzentrierung des pie-

zoelektrischen Motors vereinfacht. Die zwei Lagerflächen sind vorzugsweise entgegengesetzt zueinander ausgerichtet, d.h. die Normalenvektoren der jeweiligen Flächen sind entsprechend gegeneinander gerichtet bzw. die Summe der Kräftevektoren, die auf das ei- ne Lager wirken, und die Summe der Kräftevektoren, die auf das andere Lager wirken, sind vorzugsweise entgegengesetzt zueinander. Vorzugsweise ist die Reibung zwischen dem Rotor und dem zweiten Lager geringer als zwischen dem Rotor und dem ersten Lager. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das zweite La- ger eine Kugel und/oder einen Ring. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Kugel oder der Ring drehbar gelagert sind bzw. ist. Hierzu ist es zweckmäßig, wenn die Kugel und/oder der Ring mittels einer, insbesondere einstellbaren Federkraft bzw. Feder gegen den Rotor drückt.

Durch den erfindungsgemäßen Schrittmotor ist es nicht notwendig, wie im Stand im Technik eine lineare Bewegung eines Schrittmotors in eine Rotationsbewegung umzuwandeln, stattdessen wird unmittelbar eine Rotationsbewegung des Piezoelements ausgenutzt, um eine Rotationsbewegung eines Rotors zu ermöglichen.

Ein Rastersondenmikroskop ist vorzugsweise mit einem piezoelektrischen Schrittmotor, der vorstehend beschrieben ist, versehen. Hierbei dient der piezoelektrische Motor wenigstens als Teil eines Probenhalters oder wenigstens als Teil eines Spitzenhalters eines entsprechenden Mikroskops.

Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Schrittmotors, insbesondere wie vorstehend be- schrieben, mit einem Stator, der ein Piezoelement, insbesondere in

Hohlzylinderform, umfasst, und einem Rotor, der ein Zwischenelement, das mit dem Piezoelement verbunden ist, berührt, gelöst, wo-

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bei das erste Ende des Piezoelements relativ zu einem Basiselement des Stators fixiert ist, wobei das Zwischenelement gegen das erste Ende des Piezoelements derart gedreht wird, dass der Rotor dieser Bewegung folgt, und anschließend das Zwischenelement we- nigstens in die Ausgangslage zurückgedreht wird, während der Rotor dieser Bewegung nicht folgt. Der Rotor bleibt bei dem Schritt des Zurückdrehens des ersten Endes des Piezoelements wenigstens in die Ausgangslage insofern ortsfest oder dreht sich in die vorherige Drehrichtung bzw. gleiche Richtung wie vorher ein wenig weiter, wenn beispielsweise der Drehimpuls entsprechend hoch ist. Hierzu ist es allerdings bevorzugt, wenn der Rotor spätestens beim Beginn der Bewegung des Zurückdrehens des ersten Endes des Piezoelements in die Ausgangslage ortsfest bleibt.

Vorzugsweise bleibt die Lage des Zwischenelements zu einer Symmetrieachse des Piezoelements, insbesondere des Hohlzylinders, im Wesentlichen gleich. Vorzugsweise sind die Symmetrieachse und die Normale einer durch eine Berührungslinie des Rotors mit dem Zwischenelement gebildeten Fläche parallel zueinander.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten wird ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische dreidimensionale Darstellung von

Elementen des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors im nicht montierten Zustand,

Fig. 2a eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors,

Fig. 2b einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors in einer anderen Ausführungsform in schematischer Darstellung,

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf das bevorzugte

Piezoelement,

Fig. 4 ein schematisches Diagramm der Spannung über der Zeit,

Fig. 5a einen Teil eines Rastertunnelmikroskops mit einer

Probe, die auf einem piezoelektrischen Motor angebracht ist,

Fig. 5b eine entsprechende schematische Darstellung gemäß

Figur 5a, wobei die Probe um 90° gedreht wurde,

Fig. 5c eine weitere Drehung der Probe um 90° im Verhältnis zu Figur 5b,

Fig. 6 eine schematische dreidimensionale Darstellung von

Elementen eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors in einer weiteren Ausführungsform im nicht montierten Zustand,

Fig. 7 eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors gem. Fig. 6 in montiertem Zustand,

Fig. 8a eine schematische Draufsicht auf ein bevorzugtes

Piezoelement ohne angelegte Spannung,

Fig. 8b eine schematische Draufsicht auf das Piezoelement aus Fig. 8a mit einer angelegten Spannung -U,

Fig. 8c eine schematische Draufsicht auf das Piezoelement aus Fig. 8a mit einer angelegten Spannung +U

Fig. 9a eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Piezoelements,

Fig. 9b eine weitere Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Piezoelements,

Fig. 10 eine schematische dreidimensionale Darstellung ei- nes Teils eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen

Motors und

Fig. 11 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines auseinandergezogen dargestellten erfindungs- gemäßen piezoelektrischen Motors.

Figur 1 zeigt in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung Teile des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors. Ein Basisteil 10 vorzugsweise aus Macor, also einer Glaskeramik, und ein Flanschteil 14, vorzugsweise aus Metall, sind über Verbindungsstücke oder eine Röhre bzw. Umhüllung 28, die in Figur 2a dargestellt ist, miteinander verbunden, wobei die Umhüllung vorzugsweise im Durchmesser mit den Durchmessern des Basisteils und des Flanschteils 14 übereinstimmt bzw. angepasst ist. Hierdurch ergibt sich eine feste Umhüllung bzw. ein fester Käfig der Vorrichtung bzw. des Motors. Das Basisteil hat zwei Nasen 23 und 23', die gegenüberliegend angeordnet sind. Die Nasen 23, 23' sind aus einem kur-

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zen zylindrischen Sektor des Basisteils vorzugsweise geschnitten.

Der innere Durchmesser der Nasen 23, 23' ist an den äußeren Durchmesser eines Piezoelements 11 , das als Ring bzw. Hohlzylin- der ausgebildet ist, angepasst, wobei eine kleine Lücke für einen nicht dargestellten Klebstoff vorgesehen ist. Es ist außerdem ein Zwischenelement 12 vorzugsweise aus Glas vorgesehen, das eine konische Oberfläche bzw. eine konische Kontaktfläche 20 aufweist. Das Zwischenelement 12 umfasst auch zwei Nasen 22, 22', die in Figur 1 unterhalb des als Ring ausgebildeten Zwischenelements 12 angeordnet sind. Die Nasen 22 und 22' sind aus einem zylindrischen Abschnitt des Rings 12 geschnitten, wobei der Innendurchmesser der Nasen 22 und 22' mit dem Außendurchmesser des Piezoelements 1 1 im Wesentlichen übereinstimmt, wobei auch hier ein entsprechender Spalt vorgesehen ist, um einen Klebstoff, der nicht dargestellt ist, aufzunehmen. Die Nasen 22, 22' und/oder 23, 23' können alternativ auch an den inneren Durchmesser des Piezoelements 1 1 angepasst sein. Je nach Ausgestaltung kann der Durchmesser des Zapfens des Rotors 13 angepasst sein.

Das Piezoelement 1 1 weist eine Ringfläche 18 auf, die in Figur 1 im oberen Bereich bzw. am oberen Ende des Hohlzylinders angeordnet ist und eine Ringfläche 18', die die entgegen gesetzte Ringfläche ist, also die, die in Figur 1 im unteren Bereich des Hohlzylinders 1 1 angeordnet und durch die Mantelfläche verdeckt ist.

Der Rotor 13 hat eine sphärische geformte Fläche bzw. Kontaktfläche 21 , die dazu dient, eine kreisförmige Kontaktlinie mit der konischen Kontaktfläche 20 des Zwischenelements 12 herzustellen. Der Stiel des Rotors 13 ist hohl und weist am unteren Ende ein kleines

Loch auf, dessen Kante Kontakt mit einer Kugel aus Rubin, Saphir oder amorphes oder keramisches Aluminiumoxid (AI ₂ O ₃ ) oder bei-

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spielsweise auch aus Metall herstellt. Die Kante kann auch, wie in Figur 2a angedeutet ist, sphärisch geformt sein. Die Kugel 15 wird mittels einer Feder 16 und einer Schraube 17 vorgespannt in den Hohlraum des Stiels des Flanschteils 14 eingebracht und steht, wie in Figur 2a gut erkennbar ist, in Kontakt mit dem Rotor 13. Die Kraft, mit der die Kugel 15 gegen den Rotor 13 gedrückt werden kann, ist über die Federkonstante der Feder 16 oder über die Schraube 17 bzw. die Weite des Einschraubens der Schraube 17 einstellbar. Der Stiel des Rotors 13 reicht, wie in Figur 2a insbesondere auch gut erkennbar ist, über das große zentrale Loch des Basisteils 10 hinaus. Das Ende des Rotorstiels kann benutzt werden, um dort Gegenstände anzubringen, wie beispielsweise Probenhalter, Nadelhalter oder einen Röhrenpiezoscanner, wie beispielsweise einen Inch- worm oder derartige Piezoelemente, die dazu dienen, die Bewegung der Nadel eines Rastersondenmikroskops vorzunehmen. Die Lücke zwischen dem Rotorstiel und dem zentralen Loch des Basisteils 10 erlaubt eine freie Rotation des Rotors 13 und schützt den Rotor vor zu großer Auslenkung.

Die Federkonstante der Feder 16, die vorzugsweise aus BeCu ist, und die Kraft, die damit auf den Rotor ausgeübt werden kann, sollten deutlich größer sein als die Gewichtskraft des Rotors mit darauf angebrachten Gegenständen. Sofern dieses beherzigt wird, kann der erfindungsgemäße piezoelektrische Motor unabhängig von der Richtung der Gravitation Verwendung finden. In diesem Fall kann der piezoelektrische Motor beispielsweise entgegengesetzt zu der Richtung der Figur 1 Verwendung finden, wie sich beispielsweise aus Figur 2 auch ergibt.

Figur 2a stellt eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors dar bzw. eines Motors, der nach dem Prinzip der Elektrostriktion funktioniert. Im Rahmen der

Erfindung umfasst der Begriff piezoelektrischer Motor auch einen Motor, der nach dem Prinzip der Elektrostriktion funktioniert. Außer den bisher schon angesprochenen Elementen ist insbesondere die Umhüllung 28 beispielsweise aus Metall, insbesondere Titan, dar- gestellt und die Verbindung des Basisteils 10 mit dem Flanschteil 14 über relativ lange Schrauben 26 und entsprechende Muttern 27. Es ist ferner eine Kabelanschlussnut 25 angedeutet, durch die und entsprechend nicht dargestellte Bohrungen durch das Basisteil 10 Kabel zur Ansteuerung des Piezoelements 1 1 geführt werden können. Der Rotor 13 und das Basisteil 10 sind vorzugsweise aus abriebfestem Material. Das Zwischenelement 12 kann aus Glas oder einer Glaskeramik gefertigt sein.

Figur 2b zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnittes eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors in Schnittdarstellung. Im Unterschied zu der Ausgestaltung gemäß Figur 2a ist ein Lager 51 für die Kugel 15 vorgesehen, wobei das Lager 51 ein Material umfasst, das wenig Reibung zu dem Material der Kugel 15 hat.

Da die Kugel 15 sehr genau durch die Lage des inneren Lochs 52 des Rotors, durch das sich in der Mitte die Drehachse 19 des Rotors 19 erstreckt, positioniert werden kann, ergibt sich im Zusammenhang mit der Kreiskontaktlinie zwischen den Kontaktflächen 20 und 21 eine hohe mechanische Stabilität, wodurch Schwingungen und Vibrationen, die unerwünscht sind, vermieden werden. Durch den Druck, der zentral über die Kugel 15 auf das Rotationselement bzw. den Rotor 13 ausgeübt wird und der auf den Kontaktflächen 20 und 21 aufgefangen wird, ergibt sich eine sehr effiziente Selbstzent- rierung des piezoelektrischen Motors. Durch die bevorzugte Klebeverbindung zwischen dem Basisteil 10 und dem Piezoelement 1 1 und dem Zwischenelement 12 ist ein ständiger sicherer Kontakt des

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Piezoelements 1 1 mit dem Basisteil 10 und dem Zwischenelement 12 gegeben. Der erfindungsgemäße piezoelektrische Motor kann so ausgestaltet sein, dass kleine relative Winkelbewegungen im Bereich von Mikrometern erlaubt sind. Gleichwohl werden keine unge- wollten Bewegungen erzeugt, außer den gewollten Bewegungen während der durchgeführten Schritte aufgrund der Reibung zwischen dem Zwischenelement und zwischen den Kontaktflächen 20 und 21 .

Die zentrale Vorrichtung, die den Rotor 13 antreibt, ist ein relativ kurzes Segment einer Piezoröhre bzw. das Piezoelement 1 1 , das in Figur 3 schematisch in einer Draufsicht dargestellt ist. Es kann sich hierbei aber auch einfach um einen Piezoring handeln. Das Piezoelement 1 1 umfasst ein elektrostriktives Material 33 und vier Paare Elektroden 29, 29'; 30, 30'; 31 , 31 " und 32, 32". An den Zwischenbereichen 40, 41 , 42, 43 sind die Nasen 22, 22' und 23, 23' angeordnet. Die Zwischenbereiche 40 bis 43 können so ausgestaltet sein, dass die Nasen 22 bis 23' unmittelbar am elektrostriktiven Material 33 angeklebt werden oder aber auch, wie in Figur 3 dargestellt ist, auch teilweise an den Elektroden angebracht werden.

Die jeweiligen Elektroden der entsprechenden Elektrodenpaare sind entgegengesetzt gepolt. Die Elektrode 32' könnte beispielsweise positiv gepolt sein, genau wie die Elektrode 29, 30' und 31. In die- sem Fall wären die Elektroden 32, 29', 30 und 31 ' negativ gepolt.

Die Nasen 22, 22' und 23, 23' sind vorzugsweise nicht leitend. Die Nasen 23 und 23' können beispielsweise aus Macor sein und die Nasen 22 und 22' aus Pyrexglas oder Macor.

Wenn nun eine elektrische Spannung an die Elektroden angelegt wird, werden zwei Sektoren des Piezoelements sich ausdehnen und die anderen beiden Sektoren sich zusammenziehen. Die Sektoren,

die sich ausdehnen, sind beispielsweise die Sektoren zwischen den Nasen 23 und 22 sowie 23' und 22'. Die Sektoren, die sich zusammenziehen, sind beispielsweise die Sektoren zwischen den Nasen 22 und 23' sowie 22' und 23. Hierdurch ergibt sich eine rotierende Bewegung der Nasen 22 und 22' in angedeuteter Pfeilrichtung und damit eine Rotation des Zwischenelements 12. Die Nasen 22 und 22' sind somit beweglich, während die Nasen 23 und 23' ortsfest sind. Die Nasen 22 und 22' folgen der Auslenkung des Piezoele- ments.

Sofern die Polarität der angelegten Spannung umgepolt werden würde, würden sich die vorher sich ausdehnenden Sektoren zusammenziehen und die sich vorher zusammenziehenden Sektoren ausdehnen. In diesem Fall würde eine Rotation entgegen dem Ur- zeigersinn erzeugt werden. Wenn nun die angelegte Spannung langsam steigt, wird der Rotor durch die Reibung zwischen den Kontaktflächen 20 und 21 mit der Rotation des Zwischenelements 12 mitgeführt werden. Bei schneller Änderung der Spannung würde der Rotor entsprechend nicht mitgeführt werden, so dass eine ge- wollte Bewegung in eine Richtung oder der entgegen gesetzten

Richtung möglich ist.

Eine entsprechende Spannungskurve, die zum Betrieb des Piezo- elements 1 1 dienen kann, ist schematisch in Figur 4 dargestellt. In Figur 4 ist auf der Ordinate die Spannung von -U bis +U dargestellt und auf der Abszisse die Zeit, wobei die Spannungskurve in zwei vollständigen Perioden T gezeigt ist.

Die Spannung startet bei einer maximal negativen Spannung -U und steigt in einer s-artigen Kurve bis zu einem Maximum +U. Daraufhin verringert sich die Spannung schnell bis zu dem negativen Maximum -U. Eine typische Periode T ist im Bereich von einer MiIIi-

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sekunde. Die Zeit von der maximalen positiven Spannung zur maximalen negativen Spannung sollte so kurz wie möglich sein, beispielsweise eine Mikrosekunde (1 μs).

Während der Ansteigzeit der Spannung dreht der Piezoring bzw. das Piezoelement 11 durch entsprechendes Verdrehen gegenüber dem Basisteil 10 das Zwischenelement 12 um einen Winkel δ. Aufgrund der relativ langsamen Geschwindigkeit folgt der Rotor 13 dieser Bewegung. Aufgrund der anschließenden schnellen Änderung der Spannung dreht sich zwar das Zwischenelement, da dieses fest mit dem Piezoelement verbunden ist; der Rotor folgt dieser Bewegung allerdings nicht. Das heißt, mit jeder Periode wird der Rotor mit einem Schritt von einem Winkel δ vorangetrieben. Sofern die Spannung, die an den Elektroden angelegt ist, umgedreht wird, kann dieser Vorgang entgegengesetzt betrieben werden.

Die Winkelgeschwindigkeit kann aus den Daten des piezoelektrischen Materials bestimmt werden. Siehe hierzu beispielsweise Yuan Y S, Hao H W und Tian H, Rev. Sei. Instrum. 65, 1566 (1994). So- fern PZT-4 von Staveley Verwendung findet, ist die piezoelektrische

Konstante d ₃ i = 0,135 nm/V. Bei einer Piezoelement- bzw. Piezo- röhrenwandstärke von h = 0,75 mm, einem Durchmesser D = 12,7 mm und einer maximalen Spannung von U = 250 V ist die lineare Verschiebung für jede Periode T

Δx = πD d ₃ i(2U) =3.6μm. (1 )

2h

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

ω = fΔx = 0.09Arc/sec * 5.2° /sec. (2) πD

Die Geschwindigkeit kann durch die Frequenz und die Maximal- Spannung gesteuert werden. Aus den Gleichungen 1 und 2 ergibt sich, dass die Winkelgeschwindigkeit unabhängig von dem Durchmesser der Piezoröhre ist, und zwar wie folgt

ω = fd ₃₁ U/h. (3)

Daraus folgt, dass der piezoelektrische Motor sehr klein gebaut werden kann.

Gemäß der Erfindung ändert sich die Drehachse während der Dreh- bzw. Verdrehung des Piezoelements 1 1 im Wesentlichen nicht. Jeder Schritt um einen Winkel δ kann sehr präzise gesteuert werden. Die Schrittlänge kann im Wesentlichen gleich eingestellt werden, so dass eine präzise Steuerung des Rotors möglich ist. Hierdurch eignet sich der erfindungsgemäße piezoelektrische Motor insbesondere für Rastersondenmikroskope. Es ist insbesondere eine hochpräzise

Drehbewegung mit der Möglichkeit extrem kleiner Schrittweiten möglich, wodurch auch ein Einsatz im Bereich der Nanotechnologie gegeben ist. Der Motor kommt völlig ohne Schmiermittel aus, so dass er insbesondere im Ultrahochvakuum Verwendung finden kann.

Der Schrittmotor kann beispielsweise direkt in ein Mikroskop integriert werden, um die Probe relativ zur Sonde zu drehen. Dieses ist in den Figuren 5a bis 5c dargestellt. Dort ist ein Rotor 13 darge- stellt, auf dem ein Probenhalter mit einer Probe 36 angebracht ist.

Es handelt sich hierbei um eine schematische Darstellung eines Teils eines Rastersondenmikroskops 50, umfassend insbesondere

ein Piezoelement, wie ein Piezo-Röhrenscanner 38 mit Tunnelspitze oder Sondenspitze 37. Die Drehachse des Rotors ist hier senkrecht zur Achse der Spitze angeordnet. In Figur 5a befindet sich die Probe 36 in einer Position, in der diese präpariert werden kann. In Figur 5b ist die Probe schon um 90° zur Spitze 37 hingedreht. In Figur 5c ist die Probe 36 vollständig zur Spitze 37 hingedreht worden.

In einer anderen Anwendung innerhalb eines Rastersondenmikroskops kann die Drehachse des Rotors parallel zur Achse der Spitze angeordnet werden. Für magnetische Untersuchungen bietet diese

Anordnung die Möglichkeit, die Magnetisierungsvektoren von Spitze und Probe, sofern beide parallel zur Probenebene liegen, in eine kollineare Konfiguration zu bringen und so das Messsignal zu ma- ximieren.

Fig. 6 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors in auseinander gebautem Zustand. Der piezoelektrische Motor unterscheidet sich von dem gem. Fig. 1 in einigen Punkten. In dieser Ausführungsform sind die aufeinander reibenden Teile aus keramischen AI ₂ O ₃ und Saphir

(kristallines AI2O3). Diese Materialpaarung hat sich als praktisch abriebfrei bewährt. Alternativ können die Kontaktflächen 20' und 21 ' auch jeweils aus Saphir ausgestaltet sein. Aufgrund der recht harten Materialien ist es fertigungstechnisch effizient, nur recht einfache Geometrien zu verwenden. Aus diesem Grunde wurden weitere Teile in die Konstruktion eingeführt. Somit besteht nunmehr im Vergleich zu Fig. 1 in der Fig. 6 das Zwischenelement 12 aus zwei Teilen, nämlich einer Trägerplatte 1 12, die auch Nasen 22 und 22' um- fasst. Die Trägerplatte 1 12 kann aus Macor sein. Darauf geklebt wird ein Zwischenringelement 1 12 in Form eines Ringes aus keramischen AI ₂ O ₃ oder Saphir mit einer konischen Kontaktfläche 20'.

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Das Gegenstück rotorseitig ist der Rotor 13' aus Metall, beispielsweise Titan, mit einer nunmehr ebenen Planfläche, auf die ein Rotorringelement 100, beispielsweise ein Saphirring, aufgeklebt wird, der die sphärische Fläche 21 ' aufweist. Die sphärische Fläche 21 ' ist vorzugsweise glatt poliert.

Ein weiteres neues Element im Vergleich zu Fig. 1 ist das Lager 51 ' und weist eine konische Kontaktfläche auf, wie insbesondere in Fig. 7 gut zu erkennen ist. Diese wird in die innere Bohrung des Rotors 13' eingebracht bzw. eingeklebt und bildet das Gegenstück zur Rubinkugel 15. Die Bohrung 52' bzw. das Loch 52' kann für die Befestigung eines Probenträgers oder ähnliches genutzt werden oder auch ganz wegfallen.

In Fig. 7 ist der erfindungsgemäße piezoelektrische Motor aus Fig. 6 zusammenmontiert dargestellt, wobei auch die Umhüllung 28 und die Schrauben 26 sowie die Muttern 27 zum Zusammenfügen des piezoelektrischen Motors dargestellt sind. Diese Figur ist nun um 180° gegenüber Fig. 2 gedreht. Die Befestigungsfläche 24, an die zum Beispiel ein zu rotierender Probenträger angebracht werden kann, ist sowohl in Fig. 6 als auch in Fig. 7 nach unten orientiert. Die bevorzugten Materialien sind in Fig. 7 unten links beschrieben.

Fig. 8a zeigt ein bevorzugtes Piezoelement 1 1 , an das keine Span- nung angelegt ist in schematischer Draufsicht. In Fig. 8b ist das Piezoelement aus Fig. 8a auch in schematischer Draufsicht dargestellt, wobei eine Spannung -U angelegt ist. Die beweglichen Nasen 22 und 22' bewegen sich entlang der Pfeilrichtung und folgen somit der Bewegung der Auslenkung des Piezoelements. In Fig. 8c ist die Auslenkung des Piezoelements aus Fig. 8a in Draufsicht schematisch dargestellt, wobei die Spannung +u angelegt wurde. Auch hier ist gezeigt, dass sich die Nasen 22 und 22' inzwischen entspre-

chend bewegt haben. Die Nasen 22 und 22' bewegen sich bei einem Anlegen einer Spannung von -U bis +U um einen Winkel δ, wie in Fig. 8c dargestellt ist.

In Fig. 9a ist in schematischer Draufsicht ein Piezoelement dargestellt, das sechs Elektrodenpaare aufweist. Es sind drei ortsfeste Nasen 23, 23' und 23'" dargestellt und drei bewegliche Nasen 22, 22' und 22'". Durch die Ausgestaltung dieses bevorzugten Piezo- elements ist eine genauere Schrittweiteneinstellung möglich. Für die in der Beschreibung angegebene Formel ist hier n = 3. In Fig. 9b ist auch eine Draufsicht eines entsprechenden bevorzugten Piezoele- ments dargestellt, mittels dessen eine noch viel genauere Positionierung des Rotors ermöglicht ist. Es sind vier ortsfeste Nasen 23 bis 23'" sowie vier bewegliche Nasen 22 bis 22'" vorgesehen.

Außerdem ist die mechanische Stabilität des Motors mit einem Piezoelement gemäß Fig. 9a und 9b deutlich erhöht.

Fig. 10 zeigt in einer auseinandergezogenen Form eine schemati- sehe dreidimensionale Darstellung eines Teil eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors. Es ist ein Basisteil 10 vorgesehen, das drei Nasen 23, 23', 23" aufweist, die mit Zwischenbereichen eines Piezoelements 1 1 verbindbar sind. Die Verbindungen sind so, dass immer zwischen den Nasen 23, 23' und 23" ein Zwischenbe- reich für eine Verbindung mit einer Nase eines Zwischenelements

12 eines Rotors, der in Fig. 10 nicht dargestellt ist, frei bleibt. Es sind sechs Elektrodenpaare 121 bis 126 im Piezoelement 1 1 dargestellt. Das Zwischenelement 12 des Rotors weist auch drei Nasen auf, wovon nur zwei in der Figur erkennbar sind und mit Bezugszif- fern 22 und 22' gekennzeichnet sind. Das Zwischenelement wird mit einem weiteren Zwischenelement 12' verbunden, das aus einem anderen Material als das Zwischenelement 12 besteht und bei-

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spielsweise sehr abriebfest ist.

Fig. 1 1 zeigt den Teil des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Schrittmotors aus Fig. 10 im zusammengebauten Zustand in der Nn- ken Seite der Fig. 11. Außerdem ist ein weiteres Teil des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Schrittmotors auf der rechten Seite der Fig. 1 1 dargestellt, umfassend ein weiteres Piezoelement 1 1 ', ein weiteres Basisteil 10' und zwei Zwischenelemente 12" und 12'". Die Basiselemente 10 und 10' können mit einem gemeinsamen Ge- häuse verbunden sein. Der Rotor 13 ist in der Mitte der Figur 1 1 dargestellt. Dieser weist zwei Kontaktflächen 21 und 21 ' auf, die in Eingriff mit Kontaktflächen zu den Zwischenelementen 12' bzw. 12'" in Wirkverbindung kommen kann, wobei nur die Kontaktfläche 20 in Figur 1 1 erkennbar ist. Auf dem Rotor 13 ist es auf einfache Weise möglich, eine Probe aufzubringen. Die weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Schrittmotors gemäß Fig. 10 bzw. Fig. 1 1 sieht also zwei Piezoelemente 1 1 , 1 1 ' vor, die vorzugsweise gleich getaktet betrieben werden. Hierdurch ist eine sehr genaue Positionierung möglich.

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Bezugszeichenliste

10, 10' Basisteil

1 1 , 1 V Piezoelement 12, 12', 12", 12'" Zwischenelement

13, 13' Rotor

10 Flanschteil

11 Kugel

12 Feder 13 Schraube

18, 18' Ringfläche

19 Drehachse

20, 20' Kontaktfläche

21 , 21 ' Kontaktfläche 22, 22', 22", 22'" Nase

23, 23', 23" 23"' Nase

24 Befestigungsfläche

25 Kabelanschlussnut

26 Schraube 27 Mutter

28 Umhüllung

29, 29' Elektrode

30, 30' Elektrode 31 , 31 ' Elektrode 32, 32' Elektrode

33 eletrostriktives Material

34 aufsteigende Flanke

35 abfallende Flanke

36 Probe 37 Tunnelspitze

38 Piezo-Röhrenscanner

40 Zwischenbereich

41 Zwischenbereich

42 Zwischenbereich

43 Zwischenbereich

50 Rastersondenmikroskop

51 , 51 " Lager

52, 52' Loch

100 Rotorringelement

1 12 Trägerplatte

112' Zwischenringelement

121-128 Elektrodenpaare