Die Erfindung betrifft ein Tribometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a tribometer according to the preamble of claim 1.
Vorrichtungen zum Reibungs- und Verschleißtest, so genannte Tribometer, sind in vielfältigen Formen und Größen bekannt. In den meisten Fällen wird dabei ein Stab oder Stift gegen eine rotierende Scheibe gepresst und Größen wie Normalkraft und Reibkraft werden gemessen sowie eine Verschleißgröße registriert. Einige spezielle Tribometer wie das Hochtemperaturtribometer von Woydt und Gienau et al. (Proc. 3rd European Workshop an Thermal Protection Systems, ESA publications division, WPP-141, Seiten 457–467) können darüber hinaus bis zu Temperaturen von 1600°C geheizt werden. Ferner gibt es Tribometer in Klimakammern, in denen die Luftfeuchtigkeit eingestellt werden kann. In diesen Fällen sind die Tribometer nicht ultrahochvakuumfähig. Ferner sind sie auf einen begrenzten Lastbereich festgelegt.Devices for friction and wear test, so-called tribometer, are known in various shapes and sizes. In most cases, while a rod or pin is pressed against a rotating disc and sizes such as normal force and frictional force are measured and registered a wear size. Some special tribometers such as the high-temperature tribometer by Woydt and Gienau et al. (Proc. 3 rd European Workshop on Thermal Protection Systems, ESA publications division, WPP-141, pages 457-467) can also be heated up to temperatures of 1600 ° C. There are also tribometers in climatic chambers, in which the humidity can be adjusted. In these cases, the tribometers are not ultra high vacuum capable. Furthermore, they are set to a limited load range.
Im US-Patent 6 094 967 A ist ein Tribometer beschrieben, das über eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Gleitreibung zwischen zwei Proben verfügt und gleich zeitig die Möglichkeit gibt, über ein Lichtmikroskop Untersuchungen während des Reibvorganges durchzuführen. Es ist jedoch nur eine der beiden Proben heizbar ausgelegt. Eine Kühlung ist nicht vorgesehen. Dieses bekannte Tribometer ist ebenfalls nicht für den Einsatz bis in den Ultrahochvakuumbereich vorgesehen.in the U.S. Patent 6,094,967A a tribometer is described which has a device for generating a sliding friction between two samples and at the same time gives the opportunity to perform examinations during the rubbing process via a light microscope. However, only one of the two samples is designed to be heatable. Cooling is not provided. This known tribometer is also not intended for use in the ultra-high vacuum range.
In Wear, 6 (1963), 353–365 ist ein Tribometer offenbart, das einen Glasrezipienten aufweist und in der Lage ist, ein Ultrahochvakuum (UHV) von 7·10–11 mbar zu erzeugen. Dieses Tribometer ist fest in den Glasrezipienten eingeschmolzen und nicht auswechselbar. Zusätzliche Untersuchungsmethoden können nicht durchgeführt werden. Zum Wechseln der Proben muss der Rezipient belüftet werden.In Wear, 6 (1963), 353-365 a tribometer is disclosed which has a glass recipient and is capable of producing an ultrahigh vacuum (UHV) of 7 x 10 -11 mbar. This tribometer is firmly sealed in the glass recipient and not interchangeable. Additional examination methods can not be performed. To change the samples, the recipient must be ventilated.
Ein weiteres UHV-Tribometer ist in Proceedings Eurotrib '93 abgebildet. Hier sitzt das Tribometer in einer stählernen UHV-Apparatur und die Proben können durch weitere experimentelle Methoden untersucht werden. Es ist jedoch nicht ersichtlich, dass die Proben ohne Öffnung der Apparatur gewechselt werden können. Ferner ist das Tribometer auf verschiedene Flansche aufgeteilt.Another UHV tribometer is shown in Proceedings Eurotrib '93. Here the tribometer sits in a steel UHV apparatus and the samples can be examined by further experimental methods. However, it is not apparent that the samples can be changed without opening the apparatus. Furthermore, the tribometer is divided into different flanges.
Neubauer, G. [u. a.]: Force microscopy with a bidirectional capacitance sensor. In: Rev. Sci. Instrum. 1990, Bd. 61, Nr. 9, S. 2296–2308, beschreiben ein Rasterkraftmikroskop (AFM = atomic force microscope), bei dem in einem UHV-Gefäß die Oberfläche einer Probe mit einem Kapazitätssensor abgetastet wird. Dabei wird eine Spitze einer Sonde, die sich an einem Ende eines Biegebalkens befindet, mit einer sehr geringen Andruckkraft über die Oberfläche geführt. Durch im UHV-Gefäß befindliche Stellschrauben können die Halterungen für die Sonde und die Probe verstellt werden. Zwei Manipulatoren in Form von Wobbelsticks werden durch dichtende Flansche in das UHV-Gefäß geführt.Neubauer, G. [u. a.]: Force microscopy with a bidirectional capacitance sensor. In: Rev. Sci. Instrum. 1990, Vol. 61, No. 9, pp. 2296-2308, describe an atomic force microscope (AFM) in which the surface of a sample is scanned with a capacitance sensor in a UHV vessel. In this case, a tip of a probe, which is located at one end of a bending beam, is guided over the surface with a very low pressure force. By means of adjusting screws located in the UHV vessel, the holders for the probe and the sample can be adjusted. Two manipulators in the form of wobble sticks are guided through sealing flanges in the UHV vessel.
Die JP 2000-074 817 A zeigt ein Tribometer, bei dem eine Probe in einem UHV-Gefäß mit einem Schmierfilm versehen und dann einer Reibbeanspruchung unterzogen wird. Hierzu wurden eine Dampfabscheidungsvorrichtung und ein mit einer Last beaufschlagter, hin- und herbewegbarer Hebel jeweils dichtend von außen in das UHV-Gefäß geführt.The JP 2000-074 817 A shows a tribometer in which a sample is provided in a UHV vessel with a lubricating film and then subjected to a rubbing stress. For this purpose, a vapor deposition device and a load applied, reciprocating lever each sealingly guided from the outside into the UHV vessel.
In Rev. Sci. Instrum. 58(4), April 1987, 593–597 ist ein Tribometer beschrieben, für das ein Vakuum von weniger als 1,5 × 10–8 Torr hergestellt werden kann. Ein Montageflansch schließt ein das Tribometer aufnehmendes Gefäß luftdicht ab. Eine stift- sowie eine scheibenförmige Probe befinden sich innerhalb des Gefäßes und sind beweglich gelagert. Eine außerhalb des Gefäßes angeordnete Antriebsvorrichtung und ein durch den Flansch hindurchgeführtes Verbindungselement bewirken eine gegenseitige Verschiebung von Stift und Scheibe in drei zueinander senkrechten Richtungen.In Rev. Sci. Instrum. 58 (4), April 1987, 593-597, a tribometer is described for which a vacuum of less than 1.5 x 10 -8 Torr can be made. A mounting flange hermetically seals a vessel receiving the tribometer. A pen and a disc-shaped sample are located inside the vessel and are movably mounted. A drive device arranged outside the vessel and a connecting element guided through the flange cause a mutual displacement of the pin and the disc in three mutually perpendicular directions.
Ausgehend von diesem bekannten Tribometer ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Tribometer zur Bestimmung der Materialeigenschaften mindestens einer von zwei gegeneinander bewegbaren Proben, die in einem dicht verschließbaren, bis zu einem Ultrahochvakuum evakuierbaren Gefäß einerseits auf einem Tisch und andererseits an einem Lastarm in Halterungen lösbar befestigt sind, zu schaffen, das einen Probenaustausch ohne Aufhebung eines im Gefäß hergestellten Vakuums ermöglicht.Starting from this known tribometer, it is the object of the present invention, a tribometer for determining the material properties of at least one of two mutually movable samples in a tightly sealed, evacuated to an ultra-high vacuum vessel on the one hand on a table and on the other hand on a load arm in brackets are releasably secured, which allows a sample exchange without lifting a vacuum produced in the vessel.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Tribometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Tribometers ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved by a tribometer with the features of claim 1. Advantageous developments of the tribometer according to the invention will be apparent from the dependent claims.
Zur Bestimmung des Reibungs- und Verschleißverhaltens sollen Proben in Form von Kugeln und Ebenen gegeneinander gerieben werden können. Diese Probenkonfiguration hat aufgrund der anfänglich gut definierten Kontaktbedingungen einige Vorteile. Die Proben sind jedoch nicht notwendigerweise an diese Form gebunden. Die Reibung der Proben gegeneinander soll im Rahmen einer reversierenden Gleitbewegung mit einer Frequenz von etwa einem Hertz erfolgen. Die Amplitude dieser Gleitbewegung sollte bis zu 5 mm betragen. Es soll auch möglich sein, unterschiedliche Geschwindigkeitsprofile (z. B. konstante Geschwindigkeit, sinusförmige Geschwindigkeitsprofile, Sägezahnprofile usw.) vorzusehen. Es sollen mehrere Reibspuren in einem Abstand von etwa 0,2 mm gesetzt werden können, damit sich eine durch Reibung beanspruchte Fläche von ca. 5 mm × 5 mm ergibt. Die so erzeugte Fläche lässt sich dann out mittels Oberflächenuntersuchungsmsthoden wie z. B. der Augerelektronenspektroskopie (AES) auf z. B. chemische Veränderungen untersuchen. Die Proben sollen ferner getrennt beheizt und gekühlt werden können, um den Einfluss der Temperatur allein oder in Kombination mit anderen Umwelteinflüssen studieren zu können.To determine the friction and wear behavior, samples in the form of spheres and planes should be able to be rubbed against each other. This sample configuration has some advantages due to the initially well defined contact conditions. However, the samples are not necessarily bound to this form. The friction of the samples against each other should take place as part of a reversing sliding movement with a frequency of about one hertz. The amplitude of this sliding movement should be up to 5 mm. It should also be possible to have different velocity profiles (eg, constant velocity, sinusoidal velocity profiles, sawtooth profiles, etc.). provided. It should be possible to set several rub marks at a distance of about 0.2 mm, so that a friction-stressed surface of about 5 mm × 5 mm results. The surface thus created can then be out by means of surface investigation as z. As the Auger electron spectroscopy (AES) on z. B. investigate chemical changes. The samples should also be able to be heated and cooled separately in order to study the influence of temperature alone or in combination with other environmental influences.
Es soll weiterhin möglich sein, Reibversuche im Ultrahochvakuum durchzuführen. Dies soll den Einfluss von Oxid- und Wasserschichten ausschließen und Untersuchungen an reinen Materialien ermöglichen. Durch definiertes Einlassen von z. B. Sauerstoff lässt sich dann der Einfluss auf das Reibverhalten der entsprechenden Werkstoffe untersuchen.It should also be possible to carry out rubbing tests in ultra-high vacuum. This should exclude the influence of oxide and water layers and allow investigations on pure materials. By defined admission of z. As oxygen can then be examined the influence on the friction behavior of the corresponding materials.
Zur Erzeugung eines Ultrahochvakuums mit Drücken kleiner als 10–9 mbar, vorzugsweise kleiner als 2·10–10 mbar ist ein Ausheizen der gesamten Anlage bei Temperaturen um 200°C notwendig. Damit das Tribometer je nach Erfordernissen der jeweils durchzuführenden Experimente an verschiedenen UHV-Gefäßen angebracht werden kann, ist es vorteilhafterweise an einem Flansch zu befestigen, einschließlich Probentransfermechanismus, Signalleitungen, Zuführungen für Heizung und Kühlung sowie der entsprechenden Reibbewegung samt den zugehörigen Durchführungen in das DHV.To produce an ultrahigh vacuum with pressures of less than 10 -9 mbar, preferably less than 2 × 10 -10 mbar, it is necessary to heat the entire system at temperatures around 200 ° C. In order to be able to attach the tribometer to different UHV vessels, depending on the requirements of the experiments to be carried out, it is advantageous to attach it to a flange, including sample transfer mechanism, signal lines, heaters and cooling supplies, and the corresponding friction movement including the associated bushings into the DHV.
Die Kraftmesseinrichtungen für die Normal- und die Reibkraft sind so zu gestalten, dass der Kraftmessbereich eingestellt werden kann. Die Messung der Kräfte soll durch direkte Umwandlung z. B. über Piezo-Elemente erfolgen oder, wie in der nachfolgend beschriebenen Ausführung, über die Auslenkungen von Verformungskörpern. Durch Auswechseln dieser Verformungskörper soll der Kraftmessbereich an die jeweiligen Erfordernisse des Experiments und/oder der Proben angepasst werden können. Vorzugsweise soll der Wechsel der Verformungskörper im UHV durchgeführt werden können.The force measuring devices for the normal and the frictional force are to be designed so that the force measuring range can be adjusted. The measurement of the forces should by direct conversion z. B. via piezoelectric elements or, as in the embodiment described below, on the deflections of deformation bodies. By replacing these deformation bodies, the force measuring range should be able to be adapted to the respective requirements of the experiment and / or the samples. Preferably, the change of the deformation body in the UHV should be able to be performed.
Ebenfalls durch Auswechseln des Verformungskörpers und/oder durch die Verwendung geeigneter Probenträger sollen Adhäsionsmessungen mit dem Tribometer durchgeführt werden können.Also by replacement of the deformation body and / or by the use of suitable sample carrier adhesion measurements should be carried out with the tribometer.
Für die Ausführung des UHV-Tribometers sind nur Edelstähle oder vergleichbare Materialien zugelassen, die ein Ausheizen bei ca. 200°C ermöglichen. Eingeschlossene Volumen sind durch entsprechende Maßnahmen (z. B. Lüftungsbohrungen) zu vermeiden.For the execution of the UHV-Tribometer only stainless steels or comparable materials are allowed, which allow a heating out at approx. 200 ° C. Trapped volumes should be avoided by appropriate measures (eg ventilation holes).
Das UHV-Tribometer besteht aus vier Hauptkomponenten. Die erste ist der Flansch (so genannter Basisflansch), auf dem das gesamte Tribometer aufgebaut ist. Die zweite Hauptkomponente ist der Antriebsmechanismus für die reversierende Bewegung, und die dritte Komponente besteht aus den Probenhaltern. Der Sensor- oder Lastarm bildet die letzte Hauptkomponente. Er übrträgt die in Form eines statischen Gewichts oder mittels einer elektromagnetischen Vorrichtung aufgebrachte Last auf die Probe. Gleichzeitig führt er die Signale für Normal- und Reibkraft auf optischem Wege zurück.The UHV tribometer consists of four main components. The first is the flange (so-called base flange) on which the entire tribometer is built. The second major component is the reversing motion drive mechanism, and the third component consists of the sample holders. The sensor or load arm forms the last main component. It transfers the load applied in the form of a static weight or by means of an electromagnetic device to the sample. At the same time, it returns the signals for normal and frictional forces optically.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to embodiments illustrated in the figures. Show it:
1 ein UHV-Tribometer in perspektivischer Anlicht ohne Probenaufbau, Lastarm und Manipulator nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, 1 a UHV tribometer in perspective light without sample structure, load arm and manipulator according to a first embodiment of the invention,
2 eine Antriebsvorrichtung für den Tisch bei dem Tribometer nach 1, 2 a driving device for the table at the tribometer 1 .
3 die Vorrichtung zur Lagerung des Lastarms bei dem Tribometer nach 1, 3 the device for supporting the load arm in the tribometer after 1 .
4 eine perspektivische Ansicht sowie eine Schnittansicht des Lastarms bei dem Tribometer nach 1, 4 a perspective view and a sectional view of the load arm in the tribometer after 1 .
5a die Probenträger auf dem Tisch und am Ende des Lastarms bei dem Tribometer nach 1, 5a the sample carriers on the table and at the end of the load arm at the tribometer 1 .
5b den Probenträger am Ende des Lastarms bei dem Tribometer nach 1, 5b The sample carrier at the end of the load arm at the tribometer 1 .
6 das UHV-Tribometer nach 1 mit Probenaufbau, Lastarm und Manipulator aus zwei entgegengesetzten Richtungen betrachtet, 6 the UHV tribometer after 1 with sample structure, load arm and manipulator viewed from two opposite directions,
7 eine andere Ausführungsform des Endes des Lastarms und des zugehörigen Probenträgers, 7 another embodiment of the end of the load arm and the associated sample carrier,
8 noch, eine andere Ausführungsform des Endes des Lastarms und der beiden Probenträger, 8th yet another embodiment of the end of the load arm and the two sample carriers,
9 eine weitere Ausführungsform des Lastarm-Endes und der Probenträger, die für eine Adhäsionsmessung ausgebildet ist, 9 a further embodiment of the load arm end and the sample carrier, which is designed for an adhesion measurement,
10 und 11 jeweils noch eine weitere Ausführungsform eines Probenträgers für die Adhäsionsmessung in perspektivischer Ansicht und in einer Seitenansicht, und 10 and 11 in each case a further embodiment of a sample holder for the adhesion measurement in a perspective view and in a side view, and
12 ein UHV-Tribometer in perspektivischer Ansicht nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 12 a UHV tribometer in a perspective view according to a second embodiment of the invention.
In 1 ist das UHV-Tribometer aus Gründen der Übersichtlichkeit ohne Probenaufbau, Lastarm und Manipulator dargestellt. Es ist auf einem modifizierten NW150CF-Basisflansch 10 aufgebaut. Der Flansch 10 schließt luftdicht eine Öffnung in einem nicht dargestellten Gefäß ab, das einen Probentisch 90 umschließt. Der Flansch 10 verfügt über einen direkt aufgebrachten CF38-Durchführungsflansch 20 für den Manipulator für den Probenwechsel. Mindestens ein weiterer, in der Ausführung nach 1 zwei weitere an Rohren angebrachten CF-38-Durchführungsflansche 30 und 40 sind mit Durchführungen für z. B. Signalleitungen, Heizleitungen und Thermoelementleitungen oder mit Sichtfenster versehen. Zur Kühlung der Proben verfügt das UHV-Tribometer über ein nicht dargestelltes Reservoir für flüssigen Stickstoff innerhalb des Gefäßes. Es wird an den Zufluss und/oder den Abfluss mittels geeigneter Verbindungselemente lösbar aufgehangen. Diese Zuleitungen sitzen auf zwei CF19-Durchführungsflanschen 50 und 60. Anstelle von flüssigem Stickstoff kann auch flüssiges Helium für die Kühlung vorgesehen sein. Die Verbindung zwischen den Proben und dem Reservoir kann über eine Kupferlitze erfolgen, die mittels des Manipulators mit den Proben in Kontakt gebracht werden kann.In 1 For reasons of clarity, the UHV tribometer is shown without sample structure, load arm and manipulator. It is on a modified NW150CF base flange 10 built up. The flange 10 closes airtight an opening in a vessel, not shown, which is a sample table 90 encloses. The flange 10 has a directly mounted CF38 bushing flange 20 for the manipulator for the sample change. At least one more, according to the execution 1 two more CF-38 bushing flanges attached to pipes 30 and 40 are with bushings for z. As signal lines, heating cables and thermocouple cables or provided with viewing window. To cool the samples, the UHV tribometer has an unillustrated reservoir of liquid nitrogen within the vessel. It is releasably suspended on the inflow and / or outflow by means of suitable connecting elements. These supply lines are located on two CF19 bushing flanges 50 and 60 , Instead of liquid nitrogen and liquid helium can be provided for cooling. The connection between the samples and the reservoir can be made via a copper strand, which can be brought into contact with the samples by means of the manipulator.
In der Ausführung nach 1 sind drei weitere CF19-Durchführungsflansche 70 direkt auf dem Flansch 10 aufgebracht. Der oberste dieser Durchführungsflansche 70 dient zur Durchführung des Lastarms, der in 1 nicht dargestellt ist. Die beiden unteren Durchführungsflansche 70 sind durch den Durchführungsflansch 30 sowie weitere Aufbauten des Tribometers abgedeckt. Diese Flansche dienen zur Durchführung jeweils eines Tischarms 80 zum Probentisch 90.In the execution after 1 are three more CF19 bushing flanges 70 directly on the flange 10 applied. The top of these bushing flanges 70 serves to carry out the load arm, which in 1 not shown. The two lower feedthrough flanges 70 are through the bushing flange 30 and other structures of the tribometer covered. These flanges are used to carry out a table arm 80 to the sample table 90 ,
Eine in der Ebene des Flansches 10 liegende Platte 110 ist direkt mit diesem verschweißt. Sie dient zur Befestigung einer Grundplatte 120 sowie von Führungswellen 180 eines Antriebsmechanismus. Dieser Antriebsmechanismus hat zwei Funktionen. Er sorgt zunächst für eine Relativbewegung einer auf dem Probentisch 90 gelagerten Probe gegenüber einer auf dem Lastarm gelagerten Probe. Diese Bewegung erfolgt in Längsrichtung des Lastarms und kann reversierend sein oder durch ein Computerprogramm gesteuert jede beliebige Form annehmen. Die zweite Funktion des Antriebsmechanismus ist die Höhenverstellung der bewegten Probe. Hierzu ist der Probentisch 90 über die Tischarme 80 mit einer Tischführungseinrichtung verbunden. Diese besteht aus einer Schwalbenschwanzführung 130 und einem Montagereiter 140. Die Schwalbenschwanzführung 130 erlaubt die Höhenverstellung des Probentisches 90 und verfügt über Justiermöglichkeiten zur Minimierung des Spiels. Nicht dargestellt ist die Möglichkeit, weitere Schwalbenschwanzführungen senkrecht zur Höhenverstellung vorzusehen. Auf den Tischarmen 80 angeschweißte Flansche 150 sorgen mittels zweier Membranbälge 160 für einen UHV-dichten Abschluss gegenüber dem Flansch 10. Die Membranbälge 160 sind so dimensioniert, dass sie eine Höhenverstellung von ±3 mm bei gleichzeitiger linearer Verschiebung um ±30 mm zulassen. Der Montagereiter 140 mit angeschraubter Schwalbenschwanzführung 130 sitzt auf zwei Führungsrohren 170. In diesen Führungsrohren 170 befinden sich jeweils zwei Führungsbuchsen hintereinander. Diese Anordnung wurde gewählt, um das durch den Probentisch 90 über die Tischarme 80 auf die Kugelführungen ausgeübte Moment abzufangen. Insgesamt vier Kugelkäfige laufen auf den Führungswellen 180. Die Abmessungen der Kugelkäfige sind so gewählt, dass alle Kugeln ständig im Eingriff bleiben. Weiterhin läuft jede Kugel des Kugelkäfigs auf einer eigenen Spur. Diese Maßnahmen sorgen für einen ruhigen und ruckfreien Lauf. Die Führungswellen 180 sind einerseits in der Platte 110 und andererseits in einem auf die Grundplatte 120 aufgeschraubten Führungswellenblock 190 fixiert. Der Montagereiter 140 ist damit einschließlich der an ihm befestigten Teile entlang der Führungswellen 180 frei beweglich.One in the plane of the flange 10 lying plate 110 is welded directly to this. It is used to attach a base plate 120 as well as guide shafts 180 a drive mechanism. This drive mechanism has two functions. He first ensures a relative movement of one on the sample table 90 stored sample against a stored on the load arm sample. This movement takes place in the longitudinal direction of the load arm and can be reversing or controlled by a computer program take any shape. The second function of the drive mechanism is the height adjustment of the moving sample. For this is the sample table 90 over the table arms 80 connected to a table guide device. This consists of a dovetail guide 130 and a mounting rider 140 , The dovetail lead 130 allows the height adjustment of the sample table 90 and has adjustment options to minimize the game. Not shown is the possibility to provide more dovetail guides perpendicular to the height adjustment. On the table arms 80 welded flanges 150 care by means of two diaphragm bellows 160 for a UHV-tight seal against the flange 10 , The diaphragm bellows 160 are dimensioned to allow a height adjustment of ± 3 mm with simultaneous linear displacement of ± 30 mm. The assembly rider 140 with bolted dovetail guide 130 sits on two guide tubes 170 , In these guide tubes 170 There are two guide bushes in a row. This arrangement was chosen by the sample stage 90 over the table arms 80 intercept the moment exerted on the ball guides. A total of four ball cages run on the guide shafts 180 , The dimensions of the ball cages are chosen so that all balls remain in constant engagement. Furthermore, each ball of the ball cage runs on its own track. These measures ensure a smooth and smooth running. The guide shafts 180 on the one hand are in the plate 110 and on the other hand in one on the base plate 120 screwed guide shaft block 190 fixed. The assembly rider 140 is thus including the parts attached to it along the guide shafts 180 versatile.
Die Antriebseinheit für den Montagereiter 140 ist auf 2 ersichtlich. Kernstück dieser Antriebseinheit ist ein Gleichstrom-Getriebemotor 200 mit Inkrementalpositionsgeber. Der Getriebemotor 200 ist getriebeseitig mit einem Motorschild 210 verbunden, das zur Geräuschreduzierung aus Gleitlager-Polymerwerkstoffen wie z. B. PTFE hergestellt sein kann. Der Motor 200 und das Motorschild 210 sind an einem Motorschlitten 220 angebracht, der eine Justierung des Startpunktes der Bewegung in Richtung der Führungswellen 180 ermöglicht. Auf der Welle des Getriebemotors 200 sitzt ein Excenter 230, der mittels eines Gleitsteins 240 und eines Antriebswellenblocks 250 mit dem Montagereiter 140 verbunden ist. Die Drehung der Motorwelle wird so in eine reversierende lineare Bewegung des Montagreiters 140 und damit des Probentisches 90 umgewandelt. Je nach Exzentrizität lässt sich die Länge der linearen Verschiebung einstellen. Die Spannungsversorgung des Getriebemotors 200 kann über eine Elektronik durch einen Computer so programmiert werden, beliebige Bewegungsabläufe (z. B. konstante Geschwindigkeit, gleichförmig beschleunigte Geschwindigkeit usw.) des Probentisches 90 ermöglicht werden.The drive unit for the assembly rider 140 is on 2 seen. At the heart of this drive unit is a DC geared motor 200 with incremental position generator. The geared motor 200 is gearbox side with an engine shield 210 connected to the noise reduction of plain bearing polymer materials such. B. PTFE can be made. The motor 200 and the engine shield 210 are on a snowmobile 220 attached, which is an adjustment of the starting point of the movement in the direction of the guide shafts 180 allows. On the shaft of the geared motor 200 An eccentric sits 230 that by means of a sliding block 240 and a drive shaft block 250 with the assembly rider 140 connected is. The rotation of the motor shaft is thus in a reversing linear movement of the mounting rider 140 and thus the sample table 90 transformed. Depending on the eccentricity, the length of the linear displacement can be adjusted. The power supply of the geared motor 200 can be programmed via electronics by a computer, any movement (eg, constant speed, uniformly accelerated speed, etc.) of the sample stage 90 be enabled.
In 3 sind der Flansch 10 und die Komponenten für die Lagerung des Lastarms sowie die Aufbringung der Last (Reibkraft) dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die die Linearbewegung erzeugenden Komponenten weggelassen. Auf den NW19CF-Durchführungsflansch 70 ist ein Membranbalg montiert. Durch diesen ist der Lastarm hindurchgeführt und schließt den Membranbalg mit seinem angeschweißten NW19CF-Flansch UHV-dicht ab. Sowohl der Membranbalg als auch der NW19CF-Flansch des Lastarms befinden sich innerhalb der zylindrischen Aufnahme des Lastarmlagers 260 und sind mit diesem fest verschraubt. An die zylindrische Aufnahme des Lastarmlagers 260 sind zwei Wellen angeschweißt, die in Kugellagern 270 und 280 gelagert sind. Das untere Kugellager 270 befindet sich in der Grundplatte 120 und das obere Kugellager 280 ist in einem Achsenhalter 290 untergebracht. Eine Stützgabel 300 sorgt für einen definierten Abstand der beiden Kugellager. Diese können durch einen geeigneten Mechanismus gegeneinander verspannt werden, um ein etwaiges Spiel aus dem Aufbau herauszunehmen. Der Außenring des unteren Kugellagers 270 ist gemäß 1 mittels eines Rings 310 mit Außengewinde in der Grundplatte 120 festgelegt. Durch Drehen eines Spannstücks 320 mit Gewinde lässt sich das Lastarmlager 260 gegenüber dem oberen, mit einem Sicherungsring 330 für Wellen gesicherten Kugellager 280 spannen.In 3 are the flange 10 and the components for the mounting of the load arm and the application of the load (frictional force) shown. For clarity, the linear motion generating components are omitted. On the NW19CF bushing flange 70 is a Membrane bellows mounted. Through this, the load arm is guided and closes the diaphragm bellows with its welded NW19CF flange UHV-tight. Both the diaphragm bellows and the NW19CF flange of the load arm are inside the cylindrical housing of the load arm bearing 260 and are firmly bolted to this. To the cylindrical receptacle of the load arm bearing 260 There are two shafts welded in ball bearings 270 and 280 are stored. The lower ball bearing 270 is located in the base plate 120 and the upper ball bearing 280 is in an axle holder 290 accommodated. A support fork 300 ensures a defined distance between the two ball bearings. These can be braced against each other by a suitable mechanism in order to remove any game from the structure. The outer ring of the lower ball bearing 270 is according to 1 by means of a ring 310 with external thread in the base plate 120 established. By turning a spanner 320 with thread the load arm bearing can be 260 opposite the top, with a circlip 330 ball bearings secured for shaft 280 tighten.
Diese Art der Lagerung des Lastarms ermöglicht es, diesen um eine senkrechte Querachse in der durch den Pfeil in 3 angegebenen Weise um etwa 10° zu drehen. In der ausgelenkten Position kann ein Probenwechsel vorgenommen werden. Die Lagerung des Lastarms ist so dimensioniert, dass sich bei nicht ausgelenktem Lastarm die vom Probentisch 90 getragene Probe und die vom Lastarm getragene Probe gerade berühren. In dieser Position wird über einen Belastungshebel 340 sowie eine Umlenkrolle 350 die Last in Form eines statischen Gewichtes 360 aufgebracht. Anstelle eines statischen Gewichtes kann auch eine elektromagnetische Vorrichtung zur Erzeugung der Last verwendet werden.This type of mounting of the load arm makes it possible for this around a vertical transverse axis in the direction indicated by the arrow in 3 to turn by about 10 °. In the deflected position a sample change can be made. The bearing of the load arm is dimensioned such that, when the load arm is not deflected, that of the sample table 90 just touch the worn sample and the sample carried by the load arm. In this position is over a load lever 340 and a pulley 350 the load in the form of a static weight 360 applied. Instead of a static weight, an electromagnetic device for generating the load may also be used.
Der Lastarm ist in 4 dargestellt. Er besteht im Wesentlichen aus einem Stützrohr 370, einem NW19CF-Abschlussflansch 380 und einem Verformungskörper, an dem eine Probenhalterung befestigt ist. Durch das Stützrohr 370 ist zentrisch ein Glasfaserstab 390 geführt. Bei diesem Glasfaserstab 390 kann es sich um eine einzelne Faser, ein Bündel von Fasern oder um eine Vielzahl von Faserbündeln handeln. Der Glasfaserstab 390 schließt an beiden Enden plan mit dem umhüllenden Stützrohr 370 ab. Die Stirnflächen des Glasfaserstabes 390 sind poliert. An seinen Enden ist der Glasfaserstab 390 UHV-tauglich über eine Vergussmasse 400 mit dem Stützrohr 370 verbunden. Dabei ist es zweckmäßig, dass der gesamte Zwischenraum 410 zwischen dem Glasfaserstab 390 und dem Stützrohr 370 mit Vergussmasse ausgefüllt ist. An der einen Seite des Stützrohres 370 ist der Abschlussflansch 360 UHV-dicht angeschweißt. Dieser Teil des Lastarms wird durch den auf dem Durchführungsflansch 70 befindlichen Membrenbalg geführt und schließt diesen UHV-dicht ab. Dieser Teil des Lastarms befindet sich innerhalb des Lastarmlagers 260.The load arm is in 4 shown. It consists essentially of a support tube 370 , an NW19CF terminating flange 380 and a deformation body to which a sample holder is attached. Through the support tube 370 is centric a glass fiber rod 390 guided. In this fiberglass rod 390 it can be a single fiber, a bundle of fibers or a plurality of fiber bundles. The glass fiber rod 390 closes at both ends flush with the enveloping support tube 370 from. The end faces of the glass fiber rod 390 are polished. At its ends is the fiberglass rod 390 UHV-compatible via a potting compound 400 with the support tube 370 connected. It is expedient that the entire space 410 between the glass fiber rod 390 and the support tube 370 filled with potting compound. On one side of the support tube 370 is the end flange 360 UHV tightly welded. This part of the load arm is made by the on the bushing flange 70 located diaphragm bellows and completes this UHV-tight. This part of the load arm is located inside the load arm bearing 260 ,
Am DHV-seitigen Ende des Stützrohres 370 wird der Verformungskörper befestigt, der im Wesentlichen aus Blattfedern 420, einem Klemmkörper 130 und einem Federhalter 440 besteht. Der Federhalter 440 ist über zwei parallel angeordnete Blattfedern 420 mit dem Klemmkörper 430 verbunden. Der Klemmkörper 430 enthält eine zylindrische Bohrung, so dass er über das Ende des Stützrohres 370 geschoben werden kann. Zwei Klemmschrauben 450 drücken das Stützrohr 370 gegen die gegenüberliegende Seite des Klemmkörpers 430, in die zwei in Längsrichtung verlaufende Kanten 460 gefräst sind. Das Stützrohr 370 liegt somit auf den beiden Kanten 460 auf und wird durch die gegenüberliegenden Klemmschrauben 450 gehalten. Damit ergibt sich eine praktisch starre, aber lösbare Dreipunktlagerung. Diese Anordnung erlaubt zudem eine Ausrichtung der Probe 470 in axialer Richtung (z-Richtung) sowie um den Drehwinkel ϕ.At the DHV-side end of the support tube 370 the deformation body is fixed, which consists essentially of leaf springs 420 , a clamp body 130 and a penholder 440 consists. The penholder 440 is over two parallel leaf springs 420 with the clamp body 430 connected. The clamp body 430 contains a cylindrical bore, so it over the end of the support tube 370 can be pushed. Two clamping screws 450 press the support tube 370 against the opposite side of the clamp body 430 , in the two longitudinal edges 460 are milled. The support tube 370 is thus on the two edges 460 on and off through the opposite clamping screws 450 held. This results in a practically rigid, but detachable three-point storage. This arrangement also allows alignment of the sample 470 in the axial direction (z-direction) and the rotation angle φ.
Die beiden parallelen Blattfedern 420 ermöglichen eine Verschiebung des Federhalters 440 gegenüber dem Klemmkörper 430 in y-Richtung. Damit lässt sich die Normalkraft (FN), mit der die Probe 470 gegen die andere Probe gepresst wird, bestimmen. Dazu muss bei bekannter Federkonstante der Plattfedern 420 die Auslenkung gemessen werden. Dies kann in bekannter Weise auf optischem Wege erfolgen. Hierzu wird das Licht einer nicht gezeigten Licht emittierenden Diode mittels des Glasfaserstabes 390 auf einen Normalkraftreflektor 480 geleitet. Je nach Auslenkung der Blattfedern 420 wird der Normalkraftreflektor 480 gegenüber dem Lichtfleck der LED am Ende des Glasstabes 390 mehr oder weniger verschoben und damit wird entsprechend mehr oder weniger Licht zu einem Lichtdetektor zurückgeleitet. Mittels einer geeigneten Kalibrierung ist die Intensität des detektierten Lichts ein direktes und empfindliches Maß für die Verbiegung der Blattfedern 420 und bei bekannter Federkonstante für die Normalkraft (FN).The two parallel leaf springs 420 allow a displacement of the spring holder 440 opposite the clamp body 430 in the y direction. This can be the normal force (F N ), with the sample 470 against the other sample is determined. This must be at a known spring constant of the flat springs 420 the deflection are measured. This can be done in a known manner by optical means. For this purpose, the light of a light-emitting diode, not shown, by means of the glass fiber rod 390 on a normal force reflector 480 directed. Depending on the deflection of the leaf springs 420 becomes the normal force reflector 480 opposite to the light spot of the LED at the end of the glass rod 390 more or less shifted and thus more or less light is returned to a light detector accordingly. By means of a suitable calibration, the intensity of the detected light is a direct and sensitive measure of the bending of the leaf springs 420 and at known spring constant for the normal force (F N ).
Am vorderen und am hinteren Ende des Federhalters 400 befindet sich jeweils eine Spiralblattfeder 490. Diese sind über eine Stabilisierungshülse 500 miteinander verbunden. Diese Anordnung lässt somit nur eine Verschiebung in Längsrichtung (z-Richtung) zu. An der Stabilisierungshülse 500 ist in geeigneter Weise die gesamte Probenhalterung befestigt. Wird die auf dem Probentisch 90 gelagerte Probe (in 4 nicht gezeigt) bei Druckkontakt mit der am Lastarm befestigten Probe 470 gegenüber dieser verschoben, so führt dies zu einer Auslenkung der Spiralblattfedern 490. Bei bekannter Federkonstante kann damit die Reibkraft FR gemessen werden. Die Auslenkung der Spiralblattfedern 490 wird analog zu der der Blattfedern 420 auf optische Weise gemessen. Dazu wird das Licht einer weiteren LED durch den Glasfaserstab 390 auf einen Reibkraftreflektor 520 gelenkt. Dieser ist an der Stabilisierungshülse 500 befestigt. Je weiter die Spiralblattfedern 490 ausgelenkt werden, desto weiter ist der Reibkraftreflektor 520 vom Ende des Glasfaserstabes 390 mit dem divergierend austretenden Licht der zweiten LED entfernt und desto weniger Licht wird reflektiert. Bei geeigneter Kalibrierung ist die Intensität des reflektierten Lichtes der zweiten LED somit ein direktes und empfindliches Maß für die Reibkraft. Außerhalb des Ultrahochvakuums kann diese Kalibrierung z. B. durch das Auflegen von Gewichten erfolgen. Die Messbereiche der Normal- und der Reibkraft hängen von den Federkonstanten der Blattfedern 420 sowie der Spiralblattfedern 400 ab. Für eine Veränderung der Kraftmessbereiche müssen daher die entsprechenden Federn ausgewechselt werden. Dieser Wechsel kann mit Hilfe des Manipulators auch im Ultrahochvakuum vorgenommen werden. Anstelle einer optischen Kraftmessung können die Kräfte auch am Ort der Probe über druckempfindliche Schichten gemessen werden. Derartige Schichten ändern ihre physikalischen Eigenschaften (z. B. ihren elektrischen Widerstand) unter dem Einfluss einer äußeren Kraft.At the front and at the rear end of the spring holder 400 each is a spiral leaf spring 490 , These are about a stabilization sleeve 500 connected with each other. This arrangement thus allows only a shift in the longitudinal direction (z-direction). At the stabilization sleeve 500 is suitably attached the entire sample holder. Will that be on the sample table 90 stored sample (in 4 not shown) in pressure contact with the sample attached to the load arm 470 shifted relative to this, this leads to a deflection of the spiral leaf springs 490 , With a known spring constant so that the frictional force F R can be measured. The deflection of the spiral leaf springs 490 becomes analogous to that of the leaf springs 420 in an optical way measured. In addition, the light of another LED through the glass fiber rod 390 on a friction force reflector 520 directed. This is on the stabilization sleeve 500 attached. The further the spiral leaf springs 490 be deflected, the farther is the Reibkraftreflektor 520 from the end of the glass fiber rod 390 with the diverging light exiting the second LED and the less light is reflected. With suitable calibration, the intensity of the reflected light of the second LED is thus a direct and sensitive measure of the frictional force. Outside the ultra-high vacuum, this calibration z. B. by placing weights. The measuring ranges of the normal and the friction force depend on the spring constants of the leaf springs 420 as well as the spiral leaf springs 400 from. For a change in the force measuring ranges, therefore, the corresponding springs must be replaced. This change can be made using the manipulator in ultra-high vacuum. Instead of an optical force measurement, the forces can also be measured at the location of the sample via pressure-sensitive layers. Such layers change their physical properties (eg their electrical resistance) under the influence of an external force.
Die zu untersuchenden Reibproben werden mit Hilfe des Manipulators in Form eines so genannten Wobblesticks 510 aus ihren Bereithaltepositionen geholt und in ihre Reibpositionen gesetzt. Die Aufnahmen für die Proben müssen über ein genügend großes Spiel verfügen, da nach dem Ausheizen im Ultrahochvakuum sonst ein Verkanten der Proben in ihren Aufnahmen leicht zu einem Verklemmen führen kann. Dieses kann in den meisten Fällen nur durch ein Öffnen des Gefäßes behoben werden. Aus tribologischer Sicht ist jedoch ein minimales oder möglichst gar kein Spiel der Proben in ihren Halterungen wünschenswert. Unter tribologischer Beanspruchung sollen sich die Proben gegeneinander und nicht ihrem Halterungen verschieben. Um sowohl der vakuumtechnischen Anforderung nach einem Spiel als auch der tribologischen Anforderung nach Spielfreiheit zu entsprechen, wird die in 5a und 5b dargestellte Anordnung verwendet. Die in 5a vordere Probe ist starr mit dem Probentisch 90 verbunden. Sie wird durch die in 2 dargestellte Antriebseinheit in reversierende Linearbewegung versetzt. An dem Lastarm ist die gleiche Probenhalterung befestigt. Beide Halterungen sind so ausgeführt, dass sie mit je einer Heizung und einem Temperatursensor ausgerüstet sind sowie mit einem Kältereservoir verbunden werden können. Je nach Ausführung des Tribometers sowie Art und Form der Probe sind Widerstandsheizungen, Direktheizungen oder Elektronenstoßheizungen in Betracht zu ziehen.The friction samples to be examined are made with the help of the manipulator in the form of a so-called wobble stick 510 taken from their standby positions and placed in their rubbing positions. The recordings for the samples must have a sufficiently large game, since after baking in ultra-high vacuum otherwise tilting of the samples in their recordings can easily lead to jamming. This can be corrected in most cases only by opening the vessel. From a tribological point of view, however, a minimal or possibly no play of the samples in their holders is desirable. Under tribological stress, the samples should move against each other and not their brackets. In order to meet both the vacuum technical requirement for a game and the tribological requirement for backlash, the in 5a and 5b shown arrangement used. In the 5a front sample is rigid with the sample table 90 connected. She is going through the in 2 shown drive unit offset in reversing linear motion. The same sample holder is attached to the load arm. Both brackets are designed so that they are each equipped with a heater and a temperature sensor and can be connected to a cold reservoir. Depending on the design of the tribometer and the type and shape of the sample, resistance heaters, direct heaters or electron impact heaters should be considered.
5b zeigt einen Probenträger 530 in eingespanntem Zustand. Wenigstens ein Hebel 540 der Einspannvorrichtung ist an der einen Seite des Probenträgers 530 V-förmig ausgeführt. Zwischen den Schenkeln der V-förmigen Anordnung befinden sich ein Rahmen 550 und der Probenträger 530. Durch die Schrägstellung der Schenkel des Hebels 540 werden der Probenträger 530 und der Rahmen 550 zusammengepresst, die hierfür erforderliche Kraft wird durch eine geeignete Feder 560 aufgebracht. Wenigstens einer der beiden Hebel 540 ist mit einer Verlängerung 570 versehen, der durch den Manipulator betätigbar ist, so dass die zugehörige Feder 560 entspannt und der Probenträger 530 freigegeben werden. Dieser kann dann durch den Manipulator aus seiner Halterung herausgenommen werden. 5b shows a sample carrier 530 in clamped condition. At least a lever 540 the clamping device is on one side of the sample carrier 530 V-shaped. Between the legs of the V-shaped arrangement are a frame 550 and the sample carrier 530 , Due to the inclination of the legs of the lever 540 become the sample carrier 530 and the frame 550 compressed, the force required for this is by a suitable spring 560 applied. At least one of the two levers 540 is with an extension 570 provided, which is actuated by the manipulator, so that the associated spring 560 relaxed and the sample carrier 530 be released. This can then be removed by the manipulator from its holder.
6 zeigt das Tribometer mit dem mit Proben bestückten Probentisch 90, dem mit einer Probe bestückten Lastarm und mit dem Manipulator in Form eines Wobblesticks 510 aus zwei entgegengesetzten Richtungen betrachtet. Der Probentisch 90 trägt eine Probenanordnung in der Reibposition und mehrere Probenanordnungen in der Bereithalteposition. Die in der Reibposition befindlichen Probenanordnungen am Lastarm und auf dem Probentisch können gegen die in der Bereithalteposition angeordneten Probenanordnungen 100 mit Hilfe des Wobblesticks 510 ausgetauscht werden. 6 shows the tribometer with the sampled sample table 90 , the load arm equipped with a sample and the manipulator in the form of a wobble stick 510 viewed from two opposite directions. The sample table 90 carries a sample assembly in the rubbing position and a plurality of sample assemblies in the standby position. The rubbing position of the sample arrays on the load arm and on the sample table may be directed against the sample arrays disposed in the standby position 100 with the help of the wobble stick 510 be replaced.
Weiterhirn zeigt 6 einen Wegsensor 580 für die Bestimmung des Verfahrweges zwischen den beiden in der Reibposition befindlichen Proben 470. Damit können die Reibkraft sowie die Normalkraft (und damit der Reibkoeffizient) als Funktion des Probenortes angegeben werden. Der Wegsensor 580 arbeitet hierbei nach dem gleichen Prinzip der optischen Entfernungsmessung, wie es im Zusammenhang mit den Kraftsensoren beschrieben wurde. Sämtliche Wegmessungen können aber auch kapazitiv und/oder induktiv gemessen werden. Bei kleinsten Wegänderungen kann deren Messung auch mit Hilfe des piezoelektrischen Effekts erfolgen. Bei der Ausführungsform nach 6 befindet sich der Wegsensor außerhalb des Gefäßes auf der Atmosphärenseite. Es ist jedoch auch möglich, den Wegsensor im UHV direkt am Ort der Proben anzubringen.Brain shows 6 a displacement sensor 580 for determining the travel distance between the two samples in the rubbing position 470 , Thus, the frictional force and the normal force (and thus the friction coefficient) can be specified as a function of the sample location. The displacement sensor 580 works on the same principle of optical distance measurement, as described in connection with the force sensors. However, all path measurements can also be measured capacitively and / or inductively. In the smallest path changes, their measurement can also be done with the help of the piezoelectric effect. In the embodiment according to 6 the displacement sensor is located outside the vessel on the atmosphere side. However, it is also possible to mount the displacement sensor in the UHV directly at the location of the samples.
Wenigstens ein weiterer Wegsensor 770 registriert eine Verschleißgröße. Tritt ein Verschleiß zwischen der Probe auf dem Lastarm und der Probe auf dem Prebentisch 90 auf, so ändert sich der Abstand zwischen diesen Proben. Diese Abstandsänderung überträgt sich auf den Lastarm und damit über das Lastarmlager 260 auf den Belastungshebel 340. Der dort angebrachte Wegsensor 770 registriert die Bewegung des Lastarmhebels und damit die Verschleißgrüße. Auch dieser Wegsensor kann direkt am Ort der Proben vorgesehen sein. Über eine entsprechende Elelektronik werden die Signale sowohl der Kraftsensoren als auch der Wegsensoren für eine digitale Weiterverarbeitung durch einen Computer aufbereitet.At least another displacement sensor 770 registers a wear size. If wear occurs between the sample on the load arm and the sample on the prebent table 90 on, the distance between these samples changes. This change in distance is transferred to the load arm and thus via the load arm bearing 260 on the load lever 340 , The path sensor attached there 770 registers the movement of the load arm lever and thus the wear greetings. This displacement sensor can also be provided directly at the location of the samples. The signals of both the force sensors and the displacement sensors are transmitted via a corresponding electronic system prepared for digital processing by a computer.
7 zeigt eine andere Ausführungsform des Lastarmendes. Auch hier ist der Klemmkörper 430 mit Hilfe der Klemmschrauben 450 an dem Stützrohr 370 befestigt. Ein Paar von parallelen Blattfedern 420 wird unter Einfluss der in y-Richtung wirkenden Normalkraft verformt. Diese Verformung wird optisch gemessen. Der Federhalter 440 ist hier jedoch so ausgebildet, dass das zweite Paar Blattfedern 490 nicht als Spiralfedern ausgeführt ist, sondern ebenfalls Blattfedern sind. Dieses Paar von Blattfedern 490 wird durch die Einwirkung der Reibkraft in z-Richtung verformt. Diese Verformung wird hier ebenfalls nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren optisch gemessen. Die Aufnahme für die Probenträger 530 mit den auf diesen befestigten Proben 470 ist hier zwischen die Blattfedern 490 gelegt. Die Probenträger 530 werden durch Hebel 540 und Federn 560 arretiert. Es können mehrere dieser Hebel 540 hintereinander angeordnet sein. Ein in der Form eines Probenträgers ausgebildetes Heizelement kann dann direkt hinter die zu heizende Probe 470 gebracht werden. Die Auswechslung von Heizelementen erfolgt in derselben Weise wie die der Probenträger. Weiterhin kann auch ein in der Form eines Probenträgers ausgeführtes Kühlelement, das z. B. über eine Kupferlitze mit einem ein Kältemittel enthaltenden Reservoir verbunden ist, hinter einer zu kühlenden Probe 470 angeordnet werden. Bei gleichzeitiger Verwendung eines Heiz- und eines Kühlelementes kann mittels einer geeigneten Regeleinheit eine stufenlose Einstellung der Probentemperatur zwischen der Temperatur des Kühlreservoirs und der maximalen Temperatur des Heizelements erfolgen. 7 shows another embodiment of the load arm end. Again, the clamp body 430 with the help of the clamping screws 450 on the support tube 370 attached. A pair of parallel leaf springs 420 is deformed under the influence of the normal force acting in the y-direction. This deformation is measured optically. The penholder 440 However, here is designed so that the second pair of leaf springs 490 not designed as coil springs, but also leaf springs are. This pair of leaf springs 490 is deformed by the action of the frictional force in the z-direction. This deformation is also measured optically here by the method described above. The recording for the sample carrier 530 with the samples attached to them 470 is here between the leaf springs 490 placed. The sample carriers 530 be by lever 540 and feathers 560 locked. There may be several of these levers 540 be arranged one behind the other. A trained in the form of a sample carrier heating element can then directly behind the sample to be heated 470 to be brought. The replacement of heating elements takes place in the same way as the sample carrier. Furthermore, a designed in the form of a sample carrier cooling element, the z. B. is connected via a copper wire with a refrigerant containing a reservoir behind a sample to be cooled 470 to be ordered. With simultaneous use of a heating and a cooling element can be done by means of a suitable control unit, a continuous adjustment of the sample temperature between the temperature of the cooling reservoir and the maximum temperature of the heating element.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Lastarmendes sowie des Probenaufbaus auf dem Probentisch 90. Der Lastarm verfügt über einen ähnlichen Klemmkörper 430 wie der in 4 gezeigte. Der Verformungskörper besteht hier jedoch aus einem massiven Block 780, der eine H-förmige Ausfräsung 790 enthält. 8th shows a further embodiment of the Lastarmendes and the sample structure on the sample table 90 , The load arm has a similar clamping body 430 in again 4 shown. However, the deformation body here consists of a solid block 780 , which has a H-shaped cutout 790 contains.
Diese bewirkt in den Endbereichen ihrer beiden parallelen Nuten eine starke Verringerung der Wandstärke. Bei Ausübung einer Normalkraft (FN) führt dies an diesen Stellen zu einer Verformung, die über dort angebrachte Dehnmessstreifen (DMS) 590 registriert werden kann. Ein weiterer Verformungskörper in Form eines Blockes 800 ist direkt mit dem Probentisch 90 verbunden. An diesem Block ist über eine entsprechende Halterung die Gegenprobe befestigt. Der Block 800 ist so ausgerichtet, dass mit Hilfe von an diesem angebrachten Dehnmessstreifen die Reibkraft (FR) gemessen werden kann. Jedoch könnte dieser Verformungskörper anstatt auf dem Probentisch 90 auch in dem Lastarm angeordnet sein.This causes in the end of their two parallel grooves a strong reduction in wall thickness. When a normal force (F N ) is exerted, this leads to a deformation at these points, which occurs via strain gauges (DMS) attached there. 590 can be registered. Another deformation element in the form of a block 800 is directly with the sample table 90 connected. At this block, the counter sample is attached via a corresponding bracket. The block 800 is aligned so that the frictional force (F R ) can be measured with the aid of strain gauges attached to it. However, this deformation body could instead on the sample table 90 be arranged in the load arm.
Der Glasfaserstab kann zur Übertragung des Bildes der Reibstelle bis hin zur Probe verlängert werden. Dazu ist über ein Klemmstück 600 ein gebogener Glasfaserstab oder Lichtleiter 610 vorgesehen, der das Licht direkt bis zur Rückseite einer durchsichtigen Halbkugelprobe 620 führt. Damit lässt sich eine Vielzahl von Informationen direkt aus dem Reibkontakt gewinnen, bei gleichzeitiger Erfassung des Ortes sowie der Reib- und der Normalkraft. Wird z. B. eine CCD-Kamera direkt an das außerhalb des UHV-Gefäßes liegende Ende des Glasfaserstabes gehalten, dann können Informationen über die Veränderung der Probenoberfläche während des Reibvorganges erhalten werden. Ersetzt man die CCD-Kamera z. B. durch ein Spektrometer mit einem Vielkanalanalysator, dann lässt sich die tribologisch induzierte Wärmestrahlung und damit die Temperatur oder auch die Photolumineszenz/Tribolumineszenz direkt an der Reibstelle untersuchen. Bei Einkopplung von Laserlicht in den Glasfaserstab über einen Strahlenteiler lassen sich prinzipiell Gitterschwingungen anregen (Raman-Streuung), die Aufschluss über tribelogisch induzierte chemische Reaktionen an der Oberfläche der Reibproben geben. Dazu muss das Signal über den Strahlenteiler in ein entsprechendes Spektrometer mit einem geeigneten Analysator geleitet werden. Sämtliche dieser Untersuchungsmethoden können vor dem, nach dem und sogar während des Reibprozesses durchgeführt werden.The glass fiber rod can be extended to transfer the image of the friction point to the sample. This is via a clamping piece 600 a bent glass fiber rod or optical fiber 610 provided the light directly to the back of a transparent hemisphere sample 620 leads. This allows a variety of information directly from the frictional contact win, with simultaneous detection of the location and the friction and the normal force. If z. B. a CCD camera held directly to the lying outside of the UHV vessel end of the glass fiber rod, then information about the change in the sample surface during the rubbing process can be obtained. Replacing the CCD camera z. B. by a spectrometer with a Vielkanalanalysator, then the tribologically induced heat radiation and thus the temperature or the photoluminescence / triboluminescence can be examined directly at the friction point. When laser light is coupled into the glass fiber rod via a beam splitter, in principle lattice vibrations can be excited (Raman scattering), which provide information about tribelogically induced chemical reactions on the surface of the friction samples. For this purpose, the signal must be passed via the beam splitter in a corresponding spectrometer with a suitable analyzer. All of these examination methods can be performed before, after and even during the rubbing process.
Die in 9 dargestellte Anordnung aus Lastarmende und Probentisch 90 ermöglicht die Messung der Adhäsion. Hierzu wird der Lastarm mit einem Anschlag 630 gegen einen Feststeller 640 gedreht und in dieser festgeklemmt. Die Klemmung erfolgt analog zur Klemmung der Probenträger 530 gemäß 5. Durch Umlegen der Verlängerung 570 des Hebels mittels des Wobblesticks 510 kann das Lastarmende festgelegt werden. Die auf dem Probentisch 90 angeordnete Probe ist auf einem Verstellmechanismus angebracht, der aus einer Grobpositionierung 650 und einer Feinpositionierung 660 besteht. Mit diesen kann die Probe in Richtung zu der an dem Lastarmende angebrachten Probe hin verfahren werden. Nicht dargestellt ist die Möglichkeit, Verstellmechanismen in allen drei Raumrichtungen vorzusehen.In the 9 illustrated arrangement of Lastarmende and sample table 90 allows the measurement of adhesion. For this purpose, the load arm with a stop 630 against a lock 640 turned and clamped in this. The clamping is analogous to the clamping of the sample carrier 530 according to 5 , By moving the extension 570 of the lever by means of the wobble stick 510 the load arm end can be specified. The on the sample table 90 arranged sample is mounted on an adjustment mechanism, which consists of a coarse positioning 650 and a fine positioning 660 consists. With these, the sample can be moved toward the sample attached to the load arm end. Not shown is the possibility to provide adjustment mechanisms in all three spatial directions.
Zur Adhäsionsmessung ist eine der Proben auf einem modifizierten Probenträger 530 gemäß 10 oder 11 angebracht. An diesem modifizierten Probenträger 530 ist über Abstandshalter 670, die je nach Verwendungszweck aus isolierendem oder nicht isolierendem Material bestehen können, ein Federelement 680 auswechselbar angebracht. Die Probe 470 ist in der Mitte des Federelements 680 befestigt. Wird diese Probe 470 über den Probenhalter 530 mittels der Grob- und Feinpositionierung 650, 660 an die gegenüberliegende Probe auf dem arretierten Lastarm angenähert, so kann je nach Abstand der Proben voneinander eine attraktive Wechselwirkung zu einer Auslenkung des Federelements 680 führen. Bei einer Verringerung des Abstands zwischen den beiden Proben kann die attraktive Wechselwirkung einen gegenseitigen Kontakt der Proben bewirken. Werden die Proben dann wieder auseinander gebracht, so sorgt die Adhäsionskraft zunächst dafür, dass die Proben aneinander haften bleiben und sich des Federelement 680 verbiegt. Die Messung der attraktiven Wechselwirkung und der Adhäsionskraft erfolgt gemäß 10 dadurch, dass der Abstand zwischen der mit einem magnetischen Medium 690 versehenen Rückseite des Federelements 680 und einem Dauermagneten 700 auf optischem Wege (analog zur Normal-/Reibkraftmessung) ermittelt wird. Ist die Federkonstante des Federelements 670 bekannt, dann lässt sich hieraus die Adhäsionskraft ermitteln. Um das Attraktionspotential feststellen zu können, sollte die Federkonstante bei grober Entfernung zur Probe klein und bei kleiner Entfernung groß sein. Damit die Federkonstante beeinflusst werden kann, ist der Dauermagnet 700 auf einem piezoelektrischen Aktuator 710 angeordnet. Um die Federkonstante des Federelements 680 zu erhöhen, wird der Abstand zwischen dem magnetischen Medium 690 und dem Dauermagneten 700 verkleinert. Dies erfolgt durch eine Regelelektronik, die die entsprechende Spannung an den piezoelektrischen Aktuator 710 anlegt und konstant hält.For adhesion measurement, one of the samples is on a modified sample carrier 530 according to 10 or 11 appropriate. At this modified sample carrier 530 is about spacers 670 , which may consist of insulating or non-insulating material depending on the purpose, a spring element 680 replaceable mounted. The sample 470 is in the middle of the spring element 680 attached. Will this sample 470 over the sample holder 530 by means of coarse and fine positioning 650 . 660 approximated to the opposite sample on the locked load arm, so can ever after spacing of the samples from each other an attractive interaction to a deflection of the spring element 680 to lead. By reducing the distance between the two samples, the attractive interaction can cause the samples to contact one another. If the samples are then brought apart again, the adhesion force initially ensures that the samples adhere to one another and to the spring element 680 bends. The measurement of the attractive interaction and the adhesion force is carried out according to 10 in that the distance between the with a magnetic medium 690 provided rear side of the spring element 680 and a permanent magnet 700 is determined optically (analogous to normal / frictional force measurement). Is the spring constant of the spring element 670 known, then the adhesion force can be determined from this. To determine the attraction potential, the spring constant should be small at a rough distance from the sample and small at a small distance. So that the spring constant can be influenced, is the permanent magnet 700 on a piezoelectric actuator 710 arranged. To the spring constant of the spring element 680 increase, the distance between the magnetic medium 690 and the permanent magnet 700 reduced. This is done by a control electronics, the corresponding voltage to the piezoelectric actuator 710 applies and keeps constant.
Bei der Anordnung nach 11 kann die Auslenkung des Federelements 690 ebenfalls optisch gemessen werden. Bei einer Weiterbildung besteht die Möglichkeit, dass die Abstandsmessung und die Regelung der Federkonstanten des Federelements 680 zusammengefasst werden. Als weitere Möglichkeit der Bestimmung der Auslenkung des Federelements 680 ist die Messung der Kapazität eines Plattenkondensators anzusehen, der aus dem Federelement 680 selbst und einem hinter diesem auf Isolatoren 720 gelagerten Kondensatorplättchen 730 gebildet ist. Wird des Federelement 680 ausgelenkt, ändert sich die Kapazität des Kondensators, die ein Maß für die Auslenkung und bei bekannter Federkonstante des Federelements für die Adhäsionskraft ist. Wird die Auslenkung des Federelements 680 auf optischem Wege gemessen, so kann dessen Federkonstante durch Anlegen einer Spannung an den aus dem Federelement 680 und dem Kondensatorplättchen 730 gebildeten Kondensator über eine Regelelektronik gezielt beeinflusst werden.In the arrangement according to 11 can the deflection of the spring element 690 also be measured optically. In a development, there is the possibility that the distance measurement and the regulation of the spring constant of the spring element 680 be summarized. As a further possibility of determining the deflection of the spring element 680 is the measurement of the capacitance of a plate capacitor, which consists of the spring element 680 myself and one behind this on insulators 720 stored capacitor plates 730 is formed. Is the spring element 680 deflected, the capacitance of the capacitor changes, which is a measure of the deflection and at a known spring constant of the spring element for the adhesion force. Will the deflection of the spring element 680 Measured by optical means, so its spring constant by applying a voltage to the spring from the element 680 and the capacitor plate 730 formed capacitor can be influenced by a control electronics targeted.
Bei beiden Probenträgern 530 nach 10 und 11 erfolgt die elektrische Kontaktierung automatisch bei deren Einsetzen in die entsprechenden Halterungen am Lastarmende und auf den Probentisch 90 durch geeignete Kontaktfedern oder Schleifkontakte.For both sample carriers 530 to 10 and 11 the electrical contacting takes place automatically when they are inserted into the corresponding holders on the load arm end and on the sample table 90 by suitable contact springs or sliding contacts.
12 zeigt eine zweite Ausführungsform des UHV-Tribometers, das vertikal in das UHV-Gefäß eingesetzt ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die NW19CF-Durchführungsflansche 50 und 60 für die Kühlung mit flüssigem oder gasförmigem Stickstoff oder Helium weggelassen. Der Probentisch 90 ist über vier biegsame Tischarme 80 mit dem Flansch 10 verbunden. Die biegsamen Tischarme 80 ermöglichen eine reversierende Bewegung des Probentisches 90 in der X-Richtung. Erzeugt wird diese Bewegung durch einen Gleichstrom-Getriebemotor 200 mit Inkrementalgeber, der in geeigneter Weise mit einer Drehdurchführung 740 verbunden ist. Eine in das UHV-Gefäß hineinragende Welle 750 der Drehdurchführung 740 wird durch den Getriebemotor 200 in Drehung versetzt. Am Ende der Welle 750 befindet sich ein Excenter 230. Über einen Gleitstein 240 und einen mit dem Probentisch 90 verbundenen Antriebswellenblock 250 wird die Drehung des Excenters 230 in eine lineare Bewegung des Probentisches und damit der auf diesem befestigten Probe 470 in x-Richtung umgesetzt. Die Gegenprobe befindet sich am Ende des Lastarms, der durch das Stützrohr 370 und den Abschlussflansch 380 erkennbar ist, der auf dem Durchführungsflansch 30 aufgesetzt ist. Ein durch den Flansch 10 verdeckter Membranbalg innerhalb des UHV-Bereichs sowie eine Lagerung mittels Festkörpergelenken (unter der Abdeckung 760) ermöglichen eine Bewegung des Lastarms in y-Richtung. Hierdurch kann zum einen die Kraft eines auf den Belastungshebel 340 einwirkenden Gewichts auf die Probe übertragen werden und zum anderen wird hierdurch das Einsetzen und Herausnehmen der Proben in ihre bzw. aus ihren Halterungen ermöglicht. Zur Erzeugung mehrerer Reibspuren übereinander kann wenigstens eine der Proben 470 mittels einer Grob- und Feinpositionierung 650, 660 in z-Richtung verfahren werden. Erforderlichenfalls können auch Grob- und Feinpositionierungen in jede der drei Raumrichtungen vorgesehen werden. Bei diesem handelt es sich vorzugsweise um UHV-taugliche piezoelektrische Antriebe. 12 shows a second embodiment of the UHV tribometer, which is inserted vertically into the UHV vessel. For clarity, the NW19CF feedthrough flanges 50 and 60 omitted for cooling with liquid or gaseous nitrogen or helium. The sample table 90 is about four flexible table arms 80 with the flange 10 connected. The flexible table arms 80 allow a reversing movement of the sample table 90 in the X direction. This movement is generated by a DC geared motor 200 with incremental encoder, suitably with a rotary feedthrough 740 connected is. A wave projecting into the UHV vessel 750 the rotary union 740 is through the geared motor 200 set in rotation. At the end of the wave 750 there is an eccentric 230 , About a sliding block 240 and one with the sample table 90 connected drive shaft block 250 will be the rotation of the Excenters 230 in a linear movement of the sample table and thus the sample mounted on this 470 implemented in the x direction. The counter sample is located at the end of the load arm, passing through the support tube 370 and the end flange 380 it can be seen on the bushing flange 30 is attached. One through the flange 10 Concealed membrane bellows within the UHV range as well as storage by means of rigid joints (under the cover 760 ) allow movement of the load arm in the y direction. As a result, on the one hand, the force of a on the load lever 340 on the other hand, this enables the insertion and removal of the samples into and out of their holders. To produce a plurality of friction marks on top of each other, at least one of the samples 470 by means of a coarse and fine positioning 650 . 660 be moved in the z-direction. If necessary, coarse and fine positioning in each of the three spatial directions can be provided. This is preferably UHV-compatible piezoelectric drives.
Zur Beladung mit den Proben 470 wird der Rahmen 550 durch die Positionierung 650, 660 grob in y-Richtung verfahren. Die Last kann dadurch aufgebracht werden, dass die Proben 470 zunächst durch die Grobpositionierung 650 in gegenseitige Berührung gebracht werden. Die Feinpositionierung 660 führt dann zu einer genauen Einstellung der in y-Richtung wirkenden Normalkraft. Die Messung dieser Normalkraft erfolgt mittels eines geeigneten Schichtsystems, das in die Probenträger 530 integriert ist und dessen elektrischer Widerstand sich proportional zur aufgebrachten Normalkraft ändert. Durch in die Probenträger 530 und in den Rahmen 550 integrierte Kontakte kann das Kraftsignal zur digitalen Weiterverarbeitung abgeführt werden. Eine leitende Verbindung zwischen den Kontakten in den Probenträgern 530 und im Rahmen 550 entsteht direkt bei Einsetzen der Probenträger 530 in die Rahmen 550 und/oder durch Umlegen der Hebel 540. Die Bestimmung der Reibkraft kann durch eine Verformung von Federelementen und Messung dieser Verformung in der bereits beschriebenen Weise erfolgen.For loading with the samples 470 becomes the frame 550 through the positioning 650 . 660 move roughly in the y-direction. The load can be applied by allowing the samples 470 initially by rough positioning 650 be brought into mutual contact. The fine positioning 660 then leads to a precise adjustment of the normal force acting in the y-direction. The measurement of this normal force is carried out by means of a suitable layer system, which in the sample carrier 530 is integrated and whose electrical resistance changes in proportion to the applied normal force. Into the sample carrier 530 and in the frame 550 Integrated contacts, the force signal can be dissipated for digital processing. A conductive connection between the contacts in the sample carriers 530 and in the frame 550 arises directly when inserting the sample carrier 530 in the frame 550 and / or by flipping the lever 540 , The determination of the frictional force can be done by a deformation of spring elements and measurement of this deformation in the manner already described.
