WO2003060487A1 - Tribometer - Google Patents

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WO2003060487A1
WO2003060487A1 PCT/EP2003/000500 EP0300500W WO03060487A1 WO 2003060487 A1 WO2003060487 A1 WO 2003060487A1 EP 0300500 W EP0300500 W EP 0300500W WO 03060487 A1 WO03060487 A1 WO 03060487A1
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WO
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tribometer according
tribometer
samples
measuring
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PCT/EP2003/000500
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German (de)
French (fr)
Inventor
Dirk Spaltmann
Helmut Börner
Falko Frindt
Olaf Mollenhauer
Original Assignee
Bundesanstalt für Materialforschung und -Prüfung (BAM)
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Filing date
Publication date
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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N19/00Investigating materials by mechanical methods
    • G01N19/02Measuring coefficient of friction between materials

Definitions

  • the invention relates to a tribometer according to the preamble of claim 1.
  • tribometers Devices for the friction and wear test, so-called tribometers, are known in various shapes and sizes. In most cases, a rod or pin is pressed against a rotating ⁇ disc and sizes such as normal force and friction force are measured and a wear quantity is registered. Some special tribometers such as the high-temperature tribo eter 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 air humidity can be adjusted. In these cases, the tribometers are not capable of ultra-high vacuum. Furthermore, they are based on a limited load range.
  • US Pat. No. 6,094,967 describes a tribometer which has a device for generating sliding friction between two samples and at the same time gives the possibility of carrying out examinations during the rubbing process using 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.
  • a tribometer which has a glass recipient and is capable of an ultra high vacuum (UHV) of 7 ⁇ ⁇ 10 to produce u mbar.
  • UHV ultra high vacuum
  • This tribometer is permanently melted into the glass recipient and cannot be replaced. Additional examination methods cannot be carried out. The recipient must be aerated to change the samples.
  • a tribometer for which a vacuum of less than 1.5 x 10 "8 Torr can be established.
  • a mounting flange closes an airtight container that holds the tribometer.
  • a pen and , a disk-shaped sample is located inside the barrel and are movably supported.
  • a drive device arranged outside the vessel and a connecting element guided through the flange bring about a mutual displacement of the pin and the disk in three mutually perpendicular directions.
  • tribometer for determining the material properties of at least one of two specimens that can be moved against one another, in a tightly closable container that can be evacuated to an ultra-high vacuum, on the one hand on a table and on the other hand on a load arm in holders are releasably attached to create a sample exchange without breaking a vacuum created in the vessel.
  • the surface created in this way can then be examined for chemical changes using surface examination methods such as Auger electron spectroscopy (AES).
  • AES Auger electron spectroscopy
  • the samples should also be able to be heated and cooled separately in order to be able to study the influence of temperature on their own or in combination with other environmental influences.
  • the entire system has to be heated at temperatures of around 200 ° C. So that the tribometer can be used on various UHV systems depending on the requirements of the experiments to be carried out. Vessels can be attached, it is advantageously to be attached to a flange, including the sample transfer mechanism, signal lines, supply lines for heating and cooling, and the corresponding rubbing movement together with the associated bushings in the UHV.
  • the force measuring devices for normal and frictional forces are to be designed in such a way that the force measuring range can be set.
  • the forces should be measured by direct conversion, for example via piezo elements or, as in the embodiment described below, via the deflections of Deformation bodies. By changing these deformation bodies, it should be possible to adapt the force measuring range to the respective requirements of the experiment and / or the samples.
  • the deformation bodies should preferably be able to be changed in the UHV.
  • 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 main component is the drive mechanism for the reversing movement, and the third component consists of the sample holders.
  • the sensor or load arm is 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 force optically.
  • FIG. 2 is a drive device for the table in the tribometer of FIG. 1,
  • FIG. 3 shows the device for mounting the load arm in the tribometer according to FIG. 1,
  • Fig. 4 is a perspective view and a
  • Fig. 7 shows another embodiment of the end of the
  • Fig. 10 and 11 each show yet another embodiment of a sample carrier for the adhesion measurement in a perspective view and in a side view, and
  • Fig. 12 is a UHV tribometer in perspective view according to a second embodiment of the invention.
  • the UHV tribometer is shown in FIG. 1 without sample construction, load arm and manipulator. It is built on a modified NW150CF base flange 10.
  • the flange l sch literally closes an opening in a vessel, not shown, which encloses a sample table 90.
  • the flange 10 has a directly applied CF38 feed-through flange 20 for the manipulator for the sample change.
  • two further CF-38 bushing flanges 30 and 40 attached to pipes are provided with bushings for, for example, signal lines, heating lines and thermocouple lines or with a viewing window.
  • the UHV tribometer has a reservoir (not shown) for liquid nitrogen inside the vessel. It is detachably suspended from the inflow and / or the outflow by means of suitable connecting elements. These leads sitting on two CF19- •êtsflanschen 50 and 60. Instead of liquid nitrogen may also be provided liquid helium for cooling.
  • the connection between the samples and the reservoir can be made via a copper wire, which can be brought into contact with the samples by means of the manipulator.
  • three further CF19 Feed-through flanges 70 applied directly to the flange 10.
  • the uppermost of these feedthrough flanges 70 serves to feed through the load arm, which is not shown in FIG. 1.
  • the two lower feedthrough flanges 70 are covered by the feedthrough flange 30 and other structures of the tribometer. These flanges are used to pass one table arm 80 to the sample table 90.
  • a plate 110 lying in the plane of the flange 10 is welded directly to it. It is used to fasten a base plate 120 and guide shafts 180 of a drive mechanism.
  • This drive mechanism has two functions. It first ensures a relative movement of a sample stored on the sample table 90 with respect to a sample stored on the load arm. This movement takes place in the longitudinal direction of the load arm and can be reversing or take any shape controlled by a computer program.
  • the second function of the drive mechanism is the height adjustment of the moving sample.
  • the sample table 90 is connected to a table guide device via the table arms 80. This consists of a dovetail guide 130 and an assembly rider 140.
  • the dovetail guide 130 allows the height of the sample table 90 to be adjusted and has adjustment options to minimize play.
  • Flanges 150 welded to the table arms 80 provide a UHV-tight seal against the flange 10 by means of two membrane bellows 160.
  • the membrane bellows 160 are dimensioned such that they allow a height adjustment of +3 mm with a simultaneous linear displacement of ⁇ 30 mm.
  • the assembly rider 140 with screwed-on dovetail guide 130 sits on two guide tubes 170. In each of these guide tubes 170 there are two guide bushings one behind the other. This arrangement was chosen to intercept the moment exerted on the ball guides by the sample table 90 via the table arms 80. 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 engagement. Furthermore, each ball of the ball cage runs on its own track. These measures ensure a smooth and smooth run.
  • the guide shafts 180 are fixed on the one hand in the plate 110 and on the other hand in a guide shaft block 190 screwed onto the base plate 120. The assembly rider 140, including the parts fastened to it, can thus move freely along the guide shafts 180.
  • the drive unit for the assembly rider 140 can be seen in FIG. 2.
  • the heart of this drive unit is a direct current geared motor 200 with an incremental position sensor.
  • the geared motor 200 is connected on the transmission side to a motor shield 210, which can be made from plain bearing polymer materials such as PTFE to reduce noise.
  • the motor 200 and the motor shield 210 are attached to a motor carriage 220, which enables the starting point of the movement to be adjusted in the direction of the guide shafts 180.
  • An eccentric 230 sits on the shaft of the geared motor 200 and is connected to the assembly rider 140 by means of a sliding block 240 and a drive shaft block 250. The rotation of the motor shaft is thus converted into a reversing linear movement of the assembly tab 140 and thus of the sample table 90.
  • the length of the linear displacement can be set depending on the eccentricity.
  • the tension Supply to the geared motor 200 can be programmed via electronics by a computer in such a way that any movement sequences (for example constant speed, uniformly accelerated speed, etc.) of the sample table 90 are made possible.
  • the drive unit can also be arranged in a suitable manner on the UHV side. Linear motors and / or piezoelectric drives can also be used.
  • Fig. 3 the flange 10 and the components for the storage of the load arm and the application of the load (frictional force) are shown. For the sake of clarity, the components producing the linear movement have been omitted.
  • a diaphragm bellows is mounted on the NW19CF bushing flange 70. The load arm is guided through this 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 located within the cylindrical receptacle of the load arm bearing 260 and are firmly screwed to it.
  • Two shafts are welded to the cylindrical receptacle of the load arm bearing 260 and are mounted in ball bearings 270 and 280.
  • the lower ball bearing 270 is located in the base plate 120 and the upper ball bearing 280 is accommodated in an axle holder 290.
  • a support fork 300 ensures a defined distance between the two ball bearings. These can be braced against one another by a suitable mechanism in order to remove any play from the structure.
  • the outer ring of the lower ball bearing 270 is fixed in the base plate 120 by means of a ring 310 with an external thread. By turning a clamping piece 320 with thread, the load arm bearing 260 can be Tension circlip 330 for ball-bearing ball bearing 280.
  • This type of mounting of the load arm enables it to be rotated by about 10 ° about a vertical transverse axis in the manner indicated by the arrow in FIG. 3.
  • a sample change can be made in the deflected position.
  • the bearing of the load arm is dimensioned such that when the load arm is not deflected, the sample carried by the sample table 90 and the sample carried by the load arm just touch.
  • the load in the form of a static weight 360 is applied via a load lever 340 and a deflection roller 350.
  • an electromagnetic device can be used to generate the load.
  • the load arm is shown in Fig. 4. It essentially consists of a support tube 370, an NW19CF end flange 380 and a deformation body to which a sample holder is attached.
  • a glass fiber rod 390 is guided centrally through the support tube 370.
  • This fiber optic rod 390 can be a single fiber, a bundle of fibers, or a plurality of fiber bundles.
  • the glass fiber rod 390 ends flush with the enveloping support tube 370 at both ends.
  • the end faces of the glass fiber rod 390 are polished.
  • the glass fiber rod 390 is UHV-compatible via a casting compound 400 with the support tube 370. It is expedient that the entire space 410 between the glass fiber rod 390 and the support tube 370 is filled with potting compound.
  • the end flange 380 is welded on in a UHV-tight manner on one side of the support tube 370. This part of the load arm will passed through the membrane bellows located on the feed-through flange 70 and closes this UHV-tight. This part of the load arm is located within the load arm bearing 260.
  • the deformation body which essentially consists of leaf springs 420, a clamping body 430 and a spring holder 440, is fastened to the UHV-side end of the support tube 370.
  • the spring holder 440 is connected to the clamping body 430 via two leaf springs 420 arranged in parallel.
  • the clamping body 430 contains a cylindrical bore so that it can be pushed over the end of the support tube 370.
  • Two clamping screws 450 press the support tube 370 against the opposite side of the clamping body 430, into which two longitudinally extending edges 460 are milled.
  • the support tube 370 thus rests on the two edges 460 and is held by the opposing clamping screws 450. This results in a practically rigid but detachable three-point bearing.
  • This arrangement also allows the sample 470 to be aligned in the axial direction (z direction) and by the angle of rotation ⁇ .
  • the two parallel leaf springs 420 enable the spring holder 440 to be displaced with respect to the clamping body 430 in the y direction.
  • the normal force (F N ) with which the sample 470 is pressed against the other sample can thus be determined.
  • the deflection must be measured with a known spring constant of the leaf springs 420. This can be done optically in a known manner.
  • the light of a light-emitting diode (not shown) is passed onto a normal force reflector 480 by means of the glass fiber rod 390.
  • the normal force reflector 480 is opposite more or less shifted the light spot of the LED at the end of the glass rod 390 and accordingly more or less light is returned to a light detector.
  • the intensity of the detected light is a direct and sensitive measure of the bending of the leaf springs 420 and, if the spring constant is known, of the normal force (F N ).
  • a spiral leaf spring 490 is located at the front and at the rear end of the spring holder 400. These are connected to one another via a stabilizing sleeve 500. This arrangement thus only allows a shift in the longitudinal direction (z direction). The entire sample holder is attached to the stabilizing sleeve 500 in a suitable manner. If the sample stored on the sample table 90 (not shown in FIG. 4) is displaced with respect to the sample 470 attached to the load arm upon pressure contact, this leads to a deflection of the spiral leaf springs 490. If the spring constant is known, the frictional force F R can be measured , The deflection of the spiral leaf springs 490 is measured optically analogously to that of the leaf springs 420.
  • the light of another LED is directed through the glass fiber rod 390 onto a friction force reflector 520.
  • This is attached to the stabilization sleeve 500.
  • the intensity of the reflected light from the second LED is thus a direct and sensitive measure of the frictional force. Outside the ultra-high vacuum, this calibration can be done, for example, by applying weights respectively.
  • the measuring ranges of the normal and frictional forces depend on the spring constants of the leaf springs 420 and the spiral leaf springs 490.
  • the corresponding springs must therefore be replaced.
  • This change can also be made in an ultra-high vacuum with the aid of the manipulator.
  • 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.
  • the friction samples to be examined are fetched from their ready positions with the aid of the manipulator in the form of a so-called wobble stick 510 and placed in their friction positions.
  • the receptacles for the samples must have a sufficiently large clearance, since after heating in the ultra-high vacuum, tilting of the samples in their receptacles can easily lead to jamming. In most cases, this can only be remedied by opening the vessel. From a tribological point of view, however, a minimal or if possible no play of the samples in their holders is desirable. Under tribological stress, the samples should move against each other and not their holders. The arrangement shown in FIGS.
  • the front sample in FIG. 5 a is rigidly connected to the sample table 90. It is set in reversing linear motion by the drive unit shown in FIG. 2.
  • 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 triboter and the type and shape of the sample, resistance heaters, direct heaters or electron pulse heaters should be considered.
  • FIG. 5b shows a sample carrier 530 in the clamped state.
  • At least one lever 540 of the clamping device is designed V-shaped on one side of the sample holder 530.
  • a frame 550 and the sample carrier 530 are located between the legs of the V-shaped arrangement. Due to the inclined position of the legs of the lever 540, the sample carrier 530 and the frame 550 are pressed together, the force required for this is applied by a suitable spring 560.
  • At least one of the two levers 540 is provided with an extension 570 which can be actuated by the manipulator, so that the associated spring 560 is relaxed and the sample carrier 530 is released. This can then be removed from its holder by the manipulator.
  • FIG. 6 shows the tribometer with the sample table 90 equipped with samples, the load arm equipped with a sample and with the manipulator in the form of a wobble stick 510 viewed from two opposite directions.
  • the sample table 90 carries one sample arrangement in the rubbing position and several sample arrangements in the ready position.
  • the sample arrangements on the load arm and on the sample table in the rubbing position can be exchanged for the sample arrangements 100 arranged in the ready position with the aid of the wobble stick 510.
  • 6 also shows a displacement sensor 580 for determining the travel path between the two samples 470 located in the friction position.
  • the friction force and the normal force (and thus the friction coefficient) can thus be specified as a function of the sample location.
  • the displacement sensor 580 works according to the same principle of optical distance measurement as was described in connection with the force sensors.
  • 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.
  • At least one further displacement sensor 770 registers a wear quantity. If wear occurs between the sample on the load arm and the sample on the sample table 90, the distance between these samples changes. This change in distance is transferred to the load arm and thus to the load lever 340 via the load arm bearing 260.
  • the signals from both the force sensors and the displacement sensors are processed for digital further processing by a computer via appropriate electronic electronics.
  • Fig. 7 shows another embodiment of the load arm end.
  • the clamping body 430 is fastened to the support tube 370 with the aid of the clamping screws 450.
  • a pair of parallel leaf springs 420 will deformed under the influence of the normal force acting in the y direction. This deformation is measured optically.
  • the spring holder 440 is designed here in such a way that the second pair of leaf springs 490 are not designed as spiral springs, but are also leaf springs.
  • This pair of leaf springs 490 is deformed in the z direction by the action of the frictional force. This deformation is also measured optically using the method described above.
  • the receptacle for the sample carrier 530 with the samples 470 fastened thereon is placed between the leaf springs 490.
  • the sample carriers 530 are locked by levers 540 and springs 560. Several of these levers 540 can be arranged one behind the other. A heating element in the form of a sample holder can then be placed directly behind the sample 470 to be heated. The heating elements are replaced in the same way as that of the sample holder. Furthermore, a cooling element in the form of a sample carrier, which is connected, for example, via a copper braid to a reservoir containing a refrigerant, can be arranged behind a sample 470 to be cooled. When a heating and a cooling element are used at the same time, the sample temperature can be continuously adjusted between the temperature of the cooling reservoir and the maximum temperature of the heating element by means of a suitable control unit.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of the load arm end and of the sample assembly on the sample table 90.
  • the load arm has a clamping body 430 similar to that shown in FIG. 4.
  • the deformation body here consists of a solid block 780, which contains an H-shaped milling 790. In the end areas of their two parallel This causes a strong reduction in the wall thickness in the end areas of its two parallel grooves.
  • F N normal force
  • DMS strain gauges
  • Another deformation element in the form of a block 800 is connected directly to the sample table 90.
  • the counter sample is attached to this block by means of an appropriate holder.
  • the Block-800 is aligned so that the friction force (F R ) can be measured with the help of strain gauges attached to it.
  • this deformation body could also be arranged in the load arm instead of on the sample table 90.
  • the glass fiber rod can be extended to transfer the image of the friction point to the sample.
  • a curved glass fiber rod or light guide 610 is provided via a clamping piece 600, which leads the light directly to the back of a transparent hemisphere sample 620. This means that a great deal of information can be obtained directly from the frictional contact, while simultaneously recording the location as well as the frictional and normal force. If, for example, a CCD camera is held directly at the end of the glass fiber rod outside the UHV tube, information about the change in the sample surface during the rubbing process can be obtained.
  • the CCD camera is replaced by a spectrometer with a multi-channel analyzer, for example, the tribologically induced heat radiation and thus the temperature or the photoluminescence / triboluminescence can be examined directly at the point of friction.
  • a spectrometer with a multi-channel analyzer
  • lattice vibrations can be excited (Raman scattering). give logically induced chemical reactions on the surface of the friction samples.
  • the signal must be routed via the beam splitter into a corresponding spectrometer with a suitable analyzer. All of these examination methods can be carried out before, after and even during the rubbing process.
  • the arrangement of load arm end and sample table 90 shown in FIG. 9 enables the measurement of the adhesion.
  • the load arm is rotated with a stop 630 against a lock 640 and clamped in this.
  • the clamping is carried out analogously to the clamping of the sample carrier 530 according to FIG. 5.
  • the sample arranged on the sample table 90 is mounted on an adjustment mechanism, which consists of a rough positioning 650 and a fine positioning 660. With this, the sample can be moved in the direction of the sample attached to the end of the load arm.
  • the possibility of providing adjustment mechanisms in all three spatial directions is not shown.
  • one of the samples is attached to a modified sample carrier 530 according to FIG. 10 or 11.
  • a spring element 680 is interchangeably attached to this modified sample carrier 530 via spacers 670, which can be made of insulating or non-insulating material depending on the intended use.
  • the sample 470 is fixed in the middle of the spring element 680. If this sample 470 is approximated to the opposite sample on the locked load arm via the sample holder 530 by means of the coarse and fine positioning 650, 660, depending on the distance between the samples, an attractive interaction can result in deflection of the spring element 680. If the distance between the two samples is reduced, the attractive interaction can cause the samples to come into contact with one another.
  • the adhesive force initially ensures that the samples stick to one another and the spring element 680 bends. 10
  • the attractive interaction and the adhesive force are measured by optically determining the distance between the rear side of the spring element 680, which is provided with a magnetic medium 690, and a permanent magnet 700 (analogously to the normal / friction force measurement) , If the spring constant of the spring element 670 is known, then the adhesive force can be determined from this.
  • the spring constant should be small at a great distance from the sample and large at a small distance.
  • the permanent magnet 700 is arranged on a piezoelectric actuator 710. In order to increase the spring constant of the spring element 680, the distance between the magnetic medium 690 and the permanent magnet 700 is reduced. This is done by control electronics that apply the corresponding voltage to the piezoelectric actuator 710 and keep it constant.
  • the deflection of the spring element 690 can also be measured optically.
  • the distance measurement and the regulation of the spring constants of the spring element 680 are combined.
  • Another possibility for determining the deflection of the spring element 680 is the measurement of the capacitance of a plate capacitor, which is formed from the spring element 680 itself and a capacitor plate 730 mounted behind it on insulators 720. If the spring element 680 is deflected, the capacitance of the capacitor changes, which is a measure of the deflection and, for a known spring constant of the spring element, of the adhesive force. If the deflection of the spring element 680 is measured optically, its spring constant can be influenced in a targeted manner by applying a voltage to the capacitor formed by the spring element 680 and the capacitor plate 730 via control electronics.
  • Fig. 12 shows a second embodiment of the UHV tribometer, which is inserted vertically into the UHV vessel.
  • the sample table 90 is connected to the flange 10 by four flexible table arms 80.
  • the flexible table arms 80 allow the sample table 90 to be reversed in the X direction.
  • This movement is generated by a DC geared motor 200 with an incremental encoder, which is connected in a suitable manner to a rotating union 740.
  • a shaft 750 of the rotary union 740 protruding into the UHV vessel is set in rotation by the geared motor 200.
  • the sliding block 240 and a drive shaft block 250 connected to the sample table 90 convert the rotation of the eccentric 230 into a linear movement of the sample table and thus the sample 470 fastened thereon in the x direction.
  • the counter test is located at the end of the load arm, which can be recognized by the support tube 370 and the end flange 380, which is placed on the feedthrough flange 30.
  • a membrane bellows concealed by the flange 10 within the UHV area and storage by means of solid-state joints (under the cover 760) enable the load arm to move in the y direction.
  • the force of a weight acting on the loading lever 340 can be transmitted to the sample and on the other hand this enables the insertion and removal of the samples in their or from their holders.
  • at least one of the samples 470 can be moved in the z direction by means of rough and fine positioning 650, 660. If necessary, rough and fine positioning can be provided in each of the three spatial directions. This is preferably UHV-compatible piezoelectric drives.
  • the frame 550 is moved roughly in the y direction by the positioning 650, 660.
  • the load can be applied by first bringing the samples 470 into mutual contact through the rough positioning 650.
  • the fine positioning 660 then leads to an exact setting of the normal force acting in the y direction.
  • This normal force is measured by means of a suitable layer system which is integrated in the sample carrier 530 and whose electrical resistance is proportional to the applied standard. Painting power changes.
  • the force signal can be dissipated for digital further processing by contacts integrated in the sample carrier 530 and in the frame 550.
  • a conductive connection between the contacts in the sample carriers 530 and in the frame 550 is created directly when the sample carrier 530 is inserted into the frame 550 and / or by turning the lever 540.
  • the determination of the frictional force can be achieved by deforming spring elements and measuring this deformation in the already described way. If rough and fine positioning 650, 660 is additionally provided in the x direction, the sliding movement can be generated by the expansion and contraction of a piezoelectric drive. In this case, the geared motor 200 and the rotating union 740 can be omitted and the table arms 80 can be made rigid. If a sample carrier according to FIG. 10 or 11 is used, the adhesion between two samples 470 can be determined in the manner described above by moving a sample 470 using the coarse and fine positioning 650, 660.

Abstract

The invention relates to a tribometer for determining the material properties of at least one of two counter-displaced samples (470). The above are fixed on mountings in a tightly sealed vessel which may be evacuated to give a ultra-high vacuum, the one on a table (90) and the other on a load arm (370). A manipulator (510) is provided in the vessel for releasing and removing the samples from the mounting thereof and for introduction of the samples into the corresponding mounting. The vessel is preferably sealed with a sealing flange (10), through which connector elements pass with a tight seal, each running between an external drive on one side and the table, load arm or manipulator on the other side.

Description

Tribometer tribometers
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 ge- presst und Größen wie Normalkraft und Reibkraft werden gemessen sowie eine Verschleißgröße registriert. Einige spezielle Tribometer wie das Hochtempera- turtribo eter von Woydt und Gienau et al. (Proc. 3rd European Workshop on 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 be- grenzten Lastbereich festgelegt.Devices for the friction and wear test, so-called tribometers, are known in various shapes and sizes. In most cases, a rod or pin is pressed against a rotating disc and sizes such as normal force and friction force are measured and a wear quantity is registered. Some special tribometers such as the high-temperature tribo eter 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 air humidity can be adjusted. In these cases, the tribometers are not capable of ultra-high vacuum. Furthermore, they are based on a limited load range.
Im US-Patent 6 094 967 ist ein Tribometer beschrieben, das über eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Gleitreibung zwischen zwei Proben verfügt und gleichzeitig 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.US Pat. No. 6,094,967 describes a tribometer which has a device for generating sliding friction between two samples and at the same time gives the possibility of carrying out examinations during the rubbing process using 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~u mbar zu erzeugen. Dieses Tribometer ist fest in den Glasrezipienten eingeschmolzen und nicht auswechselbar. Zusätzliche Untersuchungsmethoden können nicht durchgeführt werden. Zum Wechseln der Proben uss der Re- zipient belüftet werden.In Wear, 6 (1963), 353-365 a tribometer is disclosed, which has a glass recipient and is capable of an ultra high vacuum (UHV) of 7 ~ 10 to produce u mbar. This tribometer is permanently melted into the glass recipient and cannot be replaced. Additional examination methods cannot be carried out. The recipient must be aerated to change the samples.
Ein weiteres UHV-Tribometer ist in Proceedings Eu- rotrib'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 evident that the samples can be changed without opening the apparatus. The tribometer is also divided into different flanges.
In Rev. Sei. Instrum. 58(4), April 1987, 593-597 ist ein Tribometer beschrieben, für das ein Vakuum von weniger als 1,5 x 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 Ge- fäßes 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. Sei. 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 established. A mounting flange closes an airtight container that holds the tribometer. A pen and , a disk-shaped sample is located inside the barrel and are movably supported. A drive device arranged outside the vessel and a connecting element guided through the flange bring about a mutual displacement of the pin and the disk 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.Proceeding from this known tribometer, it is the object of the present invention to provide a tribometer for determining the material properties of at least one of two specimens that can be moved against one another, in a tightly closable container that can be evacuated to an ultra-high vacuum, on the one hand on a table and on the other hand on a load arm in holders are releasably attached to create a sample exchange without breaking a vacuum created 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 further developments of the tribometer according to the invention result from the subclaims.
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 x 5 mm ergibt. Die so erzeugte Fläche lässt sich dann gut mittels Oberflächenuntersuchungsmethoden 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, it should be possible to rub samples in the form of balls and planes against each other. This sample configuration has several 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 one another should take place in the context of a reversing sliding movement with a frequency of approximately one Hertz. The amplitude of this sliding movement should be up to 5 mm. It should also be possible to provide different speed profiles (eg constant speed, sinusoidal speed profiles, sawtooth profiles, etc.). There should be several rub marks at a distance of about 0.2 mm can be set, so that there is a frictional area of about 5 mm x 5 mm. The surface created in this way can then be examined for chemical changes using surface examination methods such as Auger electron spectroscopy (AES). The samples should also be able to be heated and cooled separately in order to be able to study the influence of temperature on their own 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 friction tests in an ultra-high vacuum. This is intended to exclude the influence of oxide and water layers and to enable investigations on pure materials. By defined insertion of e.g. Oxygen can then be used to investigate 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 UHV.To generate an ultra-high vacuum with pressures less than 10 ~ 9 mbar, preferably less than 2-10 " 10 mbar, the entire system has to be heated at temperatures of around 200 ° C. So that the tribometer can be used on various UHV systems depending on the requirements of the experiments to be carried out. Vessels can be attached, it is advantageously to be attached to a flange, including the sample transfer mechanism, signal lines, supply lines for heating and cooling, and the corresponding rubbing movement together with the associated bushings in the UHV.
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 normal and frictional forces are to be designed in such a way that the force measuring range can be set. The forces should be measured by direct conversion, for example via piezo elements or, as in the embodiment described below, via the deflections of Deformation bodies. By changing these deformation bodies, it should be possible to adapt the force measuring range to the respective requirements of the experiment and / or the samples. The deformation bodies should preferably be able to be changed in the UHV.
Ebenfalls durch Auswechseln des Verformungskörpers und/oder' durch die Verwendung geeigneter Probenträger sollen Adhäsionsmessungen mit dem Tribometer durchgeführt werden können.Should be able to be carried out with the tribometer adhesion measurements also by changing the deformation body and / or 'suitable by the use of sample carriers.
Für die Ausführung des UHV-Tribometers sind nur Edelstahle oder vergleichbare Materialien zugelassen, die ein Ausheizen bei ca. 200°C ermöglichen. Eingeschlossene Volumen sind durch entsprechende Maßnahmen (z.B. Lüftungsbohrungen) zu vermeiden.Only stainless steel or comparable materials are permitted for the execution of the UHV tribometer, which enable heating at approx. 200 ° C. Enclosed volumes must be avoided by taking appropriate measures (e.g. 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 überträgt 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 main component is the drive mechanism for the reversing movement, and the third component consists of the sample holders. The sensor or load arm is 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 force optically.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments illustrated in the figures. Show it:
Fig. 1 ein UHV-Tribometer in perspektivischer An- sieht ohne Probenaufbau, Lastarm und Manipulator nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,1 is a UHV tribometer in perspective view looks without sample assembly, load arm and manipulator according to a first embodiment of the invention,
Fig. 2 eine Antriebsvorrichtung für den Tisch bei dem Tribometer nach Fig. 1,2 is a drive device for the table in the tribometer of FIG. 1,
Fig. 3 die Vorrichtung zur Lagerung des Lastarms bei dem Tribometer nach Fig. 1,3 shows the device for mounting the load arm in the tribometer according to FIG. 1,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht sowie eineFig. 4 is a perspective view and a
Schnittansicht des Lastarms bei dem Tribometer nach Fig. 1,Sectional view of the load arm in the tribometer of FIG. 1,
Fig. 5a die Probenträger auf dem Tisch und am Ende des Lastarms bei dem Tribometer nach Fig. 1,5a, the sample holder on the table and at the end of the load arm in the tribometer of FIG. 1,
Fig. 5b den Probenträger am Ende des Lastarms bei dem Tribometer nach Fig. 1,5b the sample carrier at the end of the load arm in the tribometer of FIG. 1,
Fig. 6 das UHV-Tribometer nach Fig. 1 mit Probenaufbau, Lastarm und Manipulator aus zwei entgegengesetzten Richtungen betrachtet,6 the UHV tribometer according to FIG. 1 with sample assembly, load arm and manipulator viewed from two opposite directions,
Fig. 7 eine andere Ausführungsform des Endes desFig. 7 shows another embodiment of the end of the
Lastarms und des zugehörigen Probenträgers,Load arm and the associated sample carrier,
Fig. 8 noch, eine andere Ausführungsform des Endes des Lastarms und der beiden Probenträger,8 is yet another embodiment of the end of the load arm and the two sample carriers,
Fig. 9 eine weitere Ausführungsform des Lastarm- Endes und der Probenträger, die für eine Adhäsionsmessung ausgebildet ist,9 shows a further embodiment of the load arm end and the sample carrier, which is designed for an adhesion measurement,
Fig. 10 und Fig. 11 jeweils noch eine weitere Ausführungsform eines Probenträgers für die Adhäsionsmessung in perspektivischer Ansicht und in einer Seitenansicht, undFig. 10 and 11 each show yet another embodiment of a sample carrier for the adhesion measurement in a perspective view and in a side view, and
Fig. 12 ein UHV-Tribometer in perspektivischer Ansicht nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.Fig. 12 is a UHV tribometer in perspective view according to a second embodiment of the invention.
In Fig. 1 ist das UHV-Tribometer aus Gründen der Ü- bersichtlichkeit ohne Probenaufbau, Lastarm und Manipulator dargestellt. Es ist auf einem modifizierten NW150CF-Basisflansch 10 aufgebaut. Der Flansch lθ 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 Fig. 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.For reasons of clarity, the UHV tribometer is shown in FIG. 1 without sample construction, load arm and manipulator. It is built on a modified NW150CF base flange 10. The flange l schließt hermetically closes an opening in a vessel, not shown, which encloses a sample table 90. The flange 10 has a directly applied CF38 feed-through flange 20 for the manipulator for the sample change. At least one further, in the embodiment according to FIG. 1, two further CF-38 bushing flanges 30 and 40 attached to pipes are provided with bushings for, for example, signal lines, heating lines and thermocouple lines or with a viewing window. To cool the samples, the UHV tribometer has a reservoir (not shown) for liquid nitrogen inside the vessel. It is detachably suspended from the inflow and / or the outflow by means of suitable connecting elements. These leads sitting on two CF19- Durchführungsflanschen 50 and 60. Instead of liquid nitrogen may also be provided liquid helium for cooling. The connection between the samples and the reservoir can be made via a copper wire, which can be brought into contact with the samples by means of the manipulator.
In der Ausführung nach Fig. 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 Fig. 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 embodiment according to FIG. 1, three further CF19 Feed-through flanges 70 applied directly to the flange 10. The uppermost of these feedthrough flanges 70 serves to feed through the load arm, which is not shown in FIG. 1. The two lower feedthrough flanges 70 are covered by the feedthrough flange 30 and other structures of the tribometer. These flanges are used to pass one 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 Führungswel- lenblock 190 fixiert. Der Montagereiter 140 ist damit einschließlich der an ihm befestigten Teile entlang der Führungswellen 180 frei beweglich.A plate 110 lying in the plane of the flange 10 is welded directly to it. It is used to fasten a base plate 120 and guide shafts 180 of a drive mechanism. This drive mechanism has two functions. It first ensures a relative movement of a sample stored on the sample table 90 with respect to a sample stored on the load arm. This movement takes place in the longitudinal direction of the load arm and can be reversing or take any shape controlled by a computer program. The second function of the drive mechanism is the height adjustment of the moving sample. For this purpose, the sample table 90 is connected to a table guide device via the table arms 80. This consists of a dovetail guide 130 and an assembly rider 140. The dovetail guide 130 allows the height of the sample table 90 to be adjusted and has adjustment options to minimize play. The possibility of providing further dovetail guides perpendicular to the height adjustment is not shown. Flanges 150 welded to the table arms 80 provide a UHV-tight seal against the flange 10 by means of two membrane bellows 160. The membrane bellows 160 are dimensioned such that they allow a height adjustment of +3 mm with a simultaneous linear displacement of ± 30 mm. The assembly rider 140 with screwed-on dovetail guide 130 sits on two guide tubes 170. In each of these guide tubes 170 there are two guide bushings one behind the other. This arrangement was chosen to intercept the moment exerted on the ball guides by the sample table 90 via the table arms 80. 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 engagement. Furthermore, each ball of the ball cage runs on its own track. These measures ensure a smooth and smooth run. The guide shafts 180 are fixed on the one hand in the plate 110 and on the other hand in a guide shaft block 190 screwed onto the base plate 120. The assembly rider 140, including the parts fastened to it, can thus move freely along the guide shafts 180.
Die Antriebseinheit für den Montagereiter 140 ist auf Fig. 2 ersichtlich. Kernstück dieser Antriebseinheit ist ein Gleichstrom-Getriebemotor 200 mit Inkremen- talpositionsgeber. Der Getriebemotor 200 ist getrie- beseitig 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 Spannungs- Versorgung des Getriebemotors 200 kann über eine E- lektronik durch einen Computer so programmiert werden, beliebige Bewegungsabläufe (z.B. konstante Geschwindigkeit, gleichförmig beschleunigte Geschwindigkeit usw.) des Probentisches 90 ermöglicht werden. Je nach Einsatzgebiet kann die Antriebseinheit auch in geeigneter Weise auf der UHV-Seite angeordnet werden. Dabei können auch Linearmotore und/oder piezoelektrische Antriebe verwendet werden.The drive unit for the assembly rider 140 can be seen in FIG. 2. The heart of this drive unit is a direct current geared motor 200 with an incremental position sensor. The geared motor 200 is connected on the transmission side to a motor shield 210, which can be made from plain bearing polymer materials such as PTFE to reduce noise. The motor 200 and the motor shield 210 are attached to a motor carriage 220, which enables the starting point of the movement to be adjusted in the direction of the guide shafts 180. An eccentric 230 sits on the shaft of the geared motor 200 and is connected to the assembly rider 140 by means of a sliding block 240 and a drive shaft block 250. The rotation of the motor shaft is thus converted into a reversing linear movement of the assembly tab 140 and thus of the sample table 90. The length of the linear displacement can be set depending on the eccentricity. The tension Supply to the geared motor 200 can be programmed via electronics by a computer in such a way that any movement sequences (for example constant speed, uniformly accelerated speed, etc.) of the sample table 90 are made possible. Depending on the area of application, the drive unit can also be arranged in a suitable manner on the UHV side. Linear motors and / or piezoelectric drives can also be used.
In Fig. 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 Fig. 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 Si- cherungsring 330 für Wellen gesicherten Kugellager 280 spannen.In Fig. 3, the flange 10 and the components for the storage of the load arm and the application of the load (frictional force) are shown. For the sake of clarity, the components producing the linear movement have been omitted. A diaphragm bellows is mounted on the NW19CF bushing flange 70. The load arm is guided through this 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 located within the cylindrical receptacle of the load arm bearing 260 and are firmly screwed to it. Two shafts are welded to the cylindrical receptacle of the load arm bearing 260 and are mounted in ball bearings 270 and 280. The lower ball bearing 270 is located in the base plate 120 and the upper ball bearing 280 is accommodated in an axle holder 290. A support fork 300 ensures a defined distance between the two ball bearings. These can be braced against one another by a suitable mechanism in order to remove any play from the structure. 1, the outer ring of the lower ball bearing 270 is fixed in the base plate 120 by means of a ring 310 with an external thread. By turning a clamping piece 320 with thread, the load arm bearing 260 can be Tension circlip 330 for ball-bearing ball bearing 280.
Diese Art der Lagerung des Lastarms ermöglicht es, diesen um eine senkrechte Querachse in der durch den Pfeil in Fig. 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 enables it to be rotated by about 10 ° about a vertical transverse axis in the manner indicated by the arrow in FIG. 3. A sample change can be made in the deflected position. The bearing of the load arm is dimensioned such that when the load arm is not deflected, the sample carried by the sample table 90 and the sample carried by the load arm just touch. In this position, the load in the form of a static weight 360 is applied via a load lever 340 and a deflection roller 350. Instead of a static weight, an electromagnetic device can be used to generate the load.
Der Lastarm ist in Fig. 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 Glasfa- serstab 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 380 UHV- dicht angeschweißt. Dieser Teil des Lastarms wird durch den auf dem Durchführungsflansch 70 befindlichen Membranbalg geführt und schließt diesen UHV- dicht ab. Dieser Teil des Lastarms befindet sich innerhalb des Lastarmlagers 260.The load arm is shown in Fig. 4. It essentially consists of a support tube 370, an NW19CF end flange 380 and a deformation body to which a sample holder is attached. A glass fiber rod 390 is guided centrally through the support tube 370. This fiber optic rod 390 can be a single fiber, a bundle of fibers, or a plurality of fiber bundles. The glass fiber rod 390 ends flush with the enveloping support tube 370 at both ends. The end faces of the glass fiber rod 390 are polished. At its ends, the glass fiber rod 390 is UHV-compatible via a casting compound 400 with the support tube 370. It is expedient that the entire space 410 between the glass fiber rod 390 and the support tube 370 is filled with potting compound. The end flange 380 is welded on in a UHV-tight manner on one side of the support tube 370. This part of the load arm will passed through the membrane bellows located on the feed-through flange 70 and closes this UHV-tight. This part of the load arm is located within the load arm bearing 260.
Am UHV-seitigen Ende des Stützrohres 370 wird der Verformungskörper befestigt, der im Wesentlichen aus Blattfedern 420, einem Klemmkörper 430 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.The deformation body, which essentially consists of leaf springs 420, a clamping body 430 and a spring holder 440, is fastened to the UHV-side end of the support tube 370. The spring holder 440 is connected to the clamping body 430 via two leaf springs 420 arranged in parallel. The clamping body 430 contains a cylindrical bore so that it can be pushed over the end of the support tube 370. Two clamping screws 450 press the support tube 370 against the opposite side of the clamping body 430, into which two longitudinally extending edges 460 are milled. The support tube 370 thus rests on the two edges 460 and is held by the opposing clamping screws 450. This results in a practically rigid but detachable three-point bearing. This arrangement also allows the sample 470 to be aligned in the axial direction (z direction) and by the angle of rotation 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 Blattfedern 420 die Auslenkung gemessen werden. Dies kann in bekannter Weise auf optischem Wege erfolgen. Hierzu wird das Licήt 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 enable the spring holder 440 to be displaced with respect to the clamping body 430 in the y direction. The normal force (F N ) with which the sample 470 is pressed against the other sample can thus be determined. For this purpose, the deflection must be measured with a known spring constant of the leaf springs 420. This can be done optically in a known manner. For this purpose, the light of a light-emitting diode (not shown) is passed onto a normal force reflector 480 by means of the glass fiber rod 390. Depending on the deflection of the leaf springs 420, the normal force reflector 480 is opposite more or less shifted the light spot of the LED at the end of the glass rod 390 and accordingly more or less light is returned to a light detector. 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, if the spring constant is known, of 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 Fig. 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 490 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.A spiral leaf spring 490 is located at the front and at the rear end of the spring holder 400. These are connected to one another via a stabilizing sleeve 500. This arrangement thus only allows a shift in the longitudinal direction (z direction). The entire sample holder is attached to the stabilizing sleeve 500 in a suitable manner. If the sample stored on the sample table 90 (not shown in FIG. 4) is displaced with respect to the sample 470 attached to the load arm upon pressure contact, this leads to a deflection of the spiral leaf springs 490. If the spring constant is known, the frictional force F R can be measured , The deflection of the spiral leaf springs 490 is measured optically analogously to that of the leaf springs 420. For this purpose, the light of another LED is directed through the glass fiber rod 390 onto a friction force reflector 520. This is attached to the stabilization sleeve 500. The further the spiral leaf springs 490 are deflected, the further the friction force reflector 520 is removed from the end of the glass fiber rod 390 with the diverging light emitted by the second LED, and the less light is reflected. With a suitable calibration, the intensity of the reflected light from the second LED is thus a direct and sensitive measure of the frictional force. Outside the ultra-high vacuum, this calibration can be done, for example, by applying weights respectively. The measuring ranges of the normal and frictional forces depend on the spring constants of the leaf springs 420 and the spiral leaf springs 490. To change the force measuring ranges, the corresponding springs must therefore be replaced. This change can also be made in an ultra-high vacuum with the aid of the manipulator. 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 ihren Halterungen verschieben. Um sowohl der vakuumtechnischen Anforderung nach einem Spiel als auch der tribologischen Anforderung nach Spielfreiheit zu entsprechen, wird die in Fig. 5a und Fig. 5b dargestellte Anordnung verwendet. Die in Fig. 5a vordere Probe ist starr mit dem Probentisch 90 verbunden. Sie wird durch die in Fig. 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 Tribo e- ters sowie Art und Form der Probe sind Widerstandsheizungen, Direktheizungen oder Elektronenstoßheizun- gen in Betracht zu ziehen.The friction samples to be examined are fetched from their ready positions with the aid of the manipulator in the form of a so-called wobble stick 510 and placed in their friction positions. The receptacles for the samples must have a sufficiently large clearance, since after heating in the ultra-high vacuum, tilting of the samples in their receptacles can easily lead to jamming. In most cases, this can only be remedied by opening the vessel. From a tribological point of view, however, a minimal or if possible no play of the samples in their holders is desirable. Under tribological stress, the samples should move against each other and not their holders. The arrangement shown in FIGS. 5a and 5b is used to meet both the vacuum-technical requirement for a game and the tribological requirement for freedom from play. The front sample in FIG. 5 a is rigidly connected to the sample table 90. It is set in reversing linear motion by the drive unit shown in FIG. 2. 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 triboter and the type and shape of the sample, resistance heaters, direct heaters or electron pulse heaters should be considered.
Fig. 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 the clamped state. At least one lever 540 of the clamping device is designed V-shaped on one side of the sample holder 530. A frame 550 and the sample carrier 530 are located between the legs of the V-shaped arrangement. Due to the inclined position of the legs of the lever 540, the sample carrier 530 and the frame 550 are pressed together, the force required for this is applied by a suitable spring 560. At least one of the two levers 540 is provided with an extension 570 which can be actuated by the manipulator, so that the associated spring 560 is relaxed and the sample carrier 530 is released. This can then be removed from its holder by the manipulator.
Fig. 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. Weiterhin zeigt Fig. 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 Fig. 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.6 shows the tribometer with the sample table 90 equipped with samples, the load arm equipped with a sample and with the manipulator in the form of a wobble stick 510 viewed from two opposite directions. The sample table 90 carries one sample arrangement in the rubbing position and several sample arrangements in the ready position. The sample arrangements on the load arm and on the sample table in the rubbing position can be exchanged for the sample arrangements 100 arranged in the ready position with the aid of the wobble stick 510. 6 also shows a displacement sensor 580 for determining the travel path between the two samples 470 located in the friction position. The friction force and the normal force (and thus the friction coefficient) can thus be specified as a function of the sample location. The displacement sensor 580 works according to the same principle of optical distance measurement as was described in connection with the force sensors. All path measurements can also be measured capacitively and / or inductively. With the smallest path changes, their measurement can also be carried out with the aid of the piezoelectric effect. In the embodiment according to FIG. 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 Probentisch 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 Verschleißgröße. 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 one further displacement sensor 770 registers a wear quantity. If wear occurs between the sample on the load arm and the sample on the sample table 90, the distance between these samples changes. This change in distance is transferred to the load arm and thus to the load lever 340 via the load arm bearing 260. The displacement sensor 770 attached there registers the movement of the load arm lever and thus the amount of wear. This displacement sensor can also be provided directly at the location of the samples. The signals from both the force sensors and the displacement sensors are processed for digital further processing by a computer via appropriate electronic electronics.
Fig. 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.Fig. 7 shows another embodiment of the load arm end. Here too, the clamping body 430 is fastened to the support tube 370 with the aid of the clamping screws 450. A pair of parallel leaf springs 420 will deformed under the influence of the normal force acting in the y direction. This deformation is measured optically. However, the spring holder 440 is designed here in such a way that the second pair of leaf springs 490 are not designed as spiral springs, but are also leaf springs. This pair of leaf springs 490 is deformed in the z direction by the action of the frictional force. This deformation is also measured optically using the method described above. The receptacle for the sample carrier 530 with the samples 470 fastened thereon is placed between the leaf springs 490. The sample carriers 530 are locked by levers 540 and springs 560. Several of these levers 540 can be arranged one behind the other. A heating element in the form of a sample holder can then be placed directly behind the sample 470 to be heated. The heating elements are replaced in the same way as that of the sample holder. Furthermore, a cooling element in the form of a sample carrier, which is connected, for example, via a copper braid to a reservoir containing a refrigerant, can be arranged behind a sample 470 to be cooled. When a heating and a cooling element are used at the same time, the sample temperature can be continuously adjusted between the temperature of the cooling reservoir and the maximum temperature of the heating element by means of a suitable control unit.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Lastarmendes sowie des Probenaufbaus auf dem Probentisch 90. Der Lastarm verfügt über einen ähnlichen Klemm- körper 430 wie der in Fig. 4 gezeigte. Der Verformungskörper besteht hier jedoch aus einem massiven Block 780, der eine H-förmige Ausfräsung 790 enthält. Diese bewirkt in den Endbereichen ihrer beiden paral- 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.FIG. 8 shows a further embodiment of the load arm end and of the sample assembly on the sample table 90. The load arm has a clamping body 430 similar to that shown in FIG. 4. However, the deformation body here consists of a solid block 780, which contains an H-shaped milling 790. In the end areas of their two parallel This causes a strong reduction in the wall thickness in the end areas of its two parallel grooves. When a normal force (F N ) is exerted, this leads to a deformation at these points, which can be registered using strain gauges (DMS) 590 attached there. Another deformation element in the form of a block 800 is connected directly to the sample table 90. The counter sample is attached to this block by means of an appropriate holder. The Block-800 is aligned so that the friction force (F R ) can be measured with the help of strain gauges attached to it. However, this deformation body could also be arranged in the load arm instead of on the sample table 90.
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 tribo- logisch induzierte chemische Reaktionen an der Oberfläche der Reibproben geben. Dazu muss das Signal ü- ber 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. For this purpose, a curved glass fiber rod or light guide 610 is provided via a clamping piece 600, which leads the light directly to the back of a transparent hemisphere sample 620. This means that a great deal of information can be obtained directly from the frictional contact, while simultaneously recording the location as well as the frictional and normal force. If, for example, a CCD camera is held directly at the end of the glass fiber rod outside the UHV tube, information about the change in the sample surface during the rubbing process can be obtained. If the CCD camera is replaced by a spectrometer with a multi-channel analyzer, for example, the tribologically induced heat radiation and thus the temperature or the photoluminescence / triboluminescence can be examined directly at the point of friction. In principle, when laser light is injected into the glass fiber rod via a beam splitter, lattice vibrations can be excited (Raman scattering). give logically induced chemical reactions on the surface of the friction samples. To do this, the signal must be routed via the beam splitter into a corresponding spectrometer with a suitable analyzer. All of these examination methods can be carried out before, after and even during the rubbing process.
Die in Fig. 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 Fig. 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 diesem 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.The arrangement of load arm end and sample table 90 shown in FIG. 9 enables the measurement of the adhesion. For this purpose, the load arm is rotated with a stop 630 against a lock 640 and clamped in this. The clamping is carried out analogously to the clamping of the sample carrier 530 according to FIG. 5. By folding the extension 570 of the lever using the wobble stick 510, the end of the load arm can be fixed. The sample arranged on the sample table 90 is mounted on an adjustment mechanism, which consists of a rough positioning 650 and a fine positioning 660. With this, the sample can be moved in the direction of the sample attached to the end of the load arm. The possibility of providing adjustment mechanisms in all three spatial directions is not shown.
Zur Adhäsionsmessung ist eine der Proben auf einem modifizierten Probenträger 530 gemäß Fig. 10 oder Fig. 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 das Federelement 680 verbiegt. Die Messung der attraktiven Wechselwirkung und der Adhäsionskraft erfolgt gemäß Fig. 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.Nor- mal-/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 großer 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 the adhesion measurement, one of the samples is attached to a modified sample carrier 530 according to FIG. 10 or 11. A spring element 680 is interchangeably attached to this modified sample carrier 530 via spacers 670, which can be made of insulating or non-insulating material depending on the intended use. The sample 470 is fixed in the middle of the spring element 680. If this sample 470 is approximated to the opposite sample on the locked load arm via the sample holder 530 by means of the coarse and fine positioning 650, 660, depending on the distance between the samples, an attractive interaction can result in deflection of the spring element 680. If the distance between the two samples is reduced, the attractive interaction can cause the samples to come into contact with one another. If the samples are then brought apart again, the adhesive force initially ensures that the samples stick to one another and the spring element 680 bends. 10, the attractive interaction and the adhesive force are measured by optically determining the distance between the rear side of the spring element 680, which is provided with a magnetic medium 690, and a permanent magnet 700 (analogously to the normal / friction force measurement) , If the spring constant of the spring element 670 is known, then the adhesive force can be determined from this. In order to be able to determine the attraction potential, the spring constant should be small at a great distance from the sample and large at a small distance. In order that the spring constant can be influenced, the permanent magnet 700 is arranged on a piezoelectric actuator 710. In order to increase the spring constant of the spring element 680, the distance between the magnetic medium 690 and the permanent magnet 700 is reduced. This is done by control electronics that apply the corresponding voltage to the piezoelectric actuator 710 and keep it constant.
Bei der Anordnung nach Fig. 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- Ka- pazität eines Plattenkondensators anzusehen, der aus dem Federelement 680 selbst und einem hinter diesem auf Isolatoren 720 gelagerten Kondensatorplättchέn 730 gebildet ist. Wird das 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 be- einflusst werden.In the arrangement according to FIG. 11, the deflection of the spring element 690 can also be measured optically. In a further development, there is the possibility that the distance measurement and the regulation of the spring constants of the spring element 680 are combined. Another possibility for determining the deflection of the spring element 680 is the measurement of the capacitance of a plate capacitor, which is formed from the spring element 680 itself and a capacitor plate 730 mounted behind it on insulators 720. If the spring element 680 is deflected, the capacitance of the capacitor changes, which is a measure of the deflection and, for a known spring constant of the spring element, of the adhesive force. If the deflection of the spring element 680 is measured optically, its spring constant can be influenced in a targeted manner by applying a voltage to the capacitor formed by the spring element 680 and the capacitor plate 730 via control electronics.
Bei beiden Probenträgern 530 nach Fig. 10 und Fig. 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.In both sample carriers 530 according to FIGS. 10 and 11, the electrical contacting takes place automatically when they are inserted into the corresponding holders at the end of the load arm and on the sample table 90 by means of suitable contact springs or sliding contacts.
Fig. 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 reversie- rende 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.Fig. 12 shows a second embodiment of the UHV tribometer, which is inserted vertically into the UHV vessel. For reasons of clarity, the NW19CF bushing flanges 50 and 60 for cooling with liquid or gaseous nitrogen or helium have been omitted. The sample table 90 is connected to the flange 10 by four flexible table arms 80. The flexible table arms 80 allow the sample table 90 to be reversed in the X direction. This movement is generated by a DC geared motor 200 with an incremental encoder, which is connected in a suitable manner to a rotating union 740. A shaft 750 of the rotary union 740 protruding into the UHV vessel is set in rotation by the geared motor 200. At the end of shaft 750 there is an eccentric 230 The sliding block 240 and a drive shaft block 250 connected to the sample table 90 convert the rotation of the eccentric 230 into a linear movement of the sample table and thus the sample 470 fastened thereon in the x direction. The counter test is located at the end of the load arm, which can be recognized by the support tube 370 and the end flange 380, which is placed on the feedthrough flange 30. A membrane bellows concealed by the flange 10 within the UHV area and storage by means of solid-state joints (under the cover 760) enable the load arm to move in the y direction. In this way, on the one hand the force of a weight acting on the loading lever 340 can be transmitted to the sample and on the other hand this enables the insertion and removal of the samples in their or from their holders. To generate a plurality of rubbing tracks one above the other, at least one of the samples 470 can be moved in the z direction by means of rough and fine positioning 650, 660. If necessary, rough and fine positioning can be provided in each of the three spatial directions. 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 Nor- malkraft 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. Wird zusätzlich eine Grob- und Feinpositionierung 650, 660 in x-Richtung vorgesehen, so kann die Gleitbewegung durch die Ausdehnung und Kontraktion eines piezoelektrischen Antriebs erzeugt werden. In diesem Fall können der Getriebemotor 200 und die Drehdurchführung 740 entfallen und die Tischarme 80 können starr ausgeführt werden. Bei Verwendung eines Probenträgers nach Fig. 10 oder Fig. 11 kann durch Verfahren einer Probe 470 mittels der Grob- und Feinpositionierung 650, 660 die Adhäsion zwischen zwei Proben 470 in der vorstehend beschriebenen Weise bestimmt werden. For loading with the samples 470, the frame 550 is moved roughly in the y direction by the positioning 650, 660. The load can be applied by first bringing the samples 470 into mutual contact through the rough positioning 650. The fine positioning 660 then leads to an exact setting of the normal force acting in the y direction. This normal force is measured by means of a suitable layer system which is integrated in the sample carrier 530 and whose electrical resistance is proportional to the applied standard. Painting power changes. The force signal can be dissipated for digital further processing by contacts integrated in the sample carrier 530 and in the frame 550. A conductive connection between the contacts in the sample carriers 530 and in the frame 550 is created directly when the sample carrier 530 is inserted into the frame 550 and / or by turning the lever 540. The determination of the frictional force can be achieved by deforming spring elements and measuring this deformation in the already described way. If rough and fine positioning 650, 660 is additionally provided in the x direction, the sliding movement can be generated by the expansion and contraction of a piezoelectric drive. In this case, the geared motor 200 and the rotating union 740 can be omitted and the table arms 80 can be made rigid. If a sample carrier according to FIG. 10 or 11 is used, the adhesion between two samples 470 can be determined in the manner described above by moving a sample 470 using the coarse and fine positioning 650, 660.

Claims

Patentansprüche claims
Tribometer zur Bestimmung der Materialeigenschaften mindestens einer von zwei gegeneinander bewegbaren Proben (470) , die in einem dicht verschließbaren, bis zu einem Ultrahochvakuum evakuierbaren Gefäß in Halterungen lösbar befestigt sind, d a d u.r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in dem Gefäß weiterhin ein Manipulator (510) für eine Lösung und Entnahme der Proben (470) aus ihrer jeweiligen Halterung sowie für eine Zuführung der Proben (470) zu ihrer jeweiligen Halterung und eine Befestigung in dieser vorgesehen ist.Tribometer for determining the material properties of at least one of two mutually movable samples (470), which are detachably fastened in holders in a tightly closable vessel that can be evacuated to an ultra-high vacuum, characterized in that a manipulator (510) for a Detachment and removal of the samples (470) from their respective holders and for feeding the samples (470) to their respective holders and fastening them is provided.
Tribometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß mit einem dichtenden Flansch (10) abgeschlossen ist, durch den unter dichtendem Abschluss Verbindungselemente zwischen jeweils einem externen Antrieb einerseits und einem die eine Probe (470) tragenden Tisch (90) , einem die andere Probe (480) tragenden Lastarm und dem Manipulator (510) andererseits geführt sind.Tribometer according to claim 1, characterized in that the vessel is closed with a sealing flange (10), through the sealing elements, sealing elements between an external drive on the one hand and a table (90) carrying the sample (470) and the other Sample (480) carrying load arm and the manipulator (510) on the other hand.
Tribometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (10) für jedes Verbindungselement eine eigene Durchführung aufweist.Tribometer according to claim 2, characterized in that the flange (10) has its own passage for each connecting element.
Tribometer nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Manipulator (510) zwischen den Halterungen am Tisch (90) und am Lastarm und Halterungen für die Aufnahme aus- zuwechselnder oder ausgewechselter Proben (160) innerhalb des Gefäßes bewegbar ist.Tribometer according to one of claims 2 or 3, characterized in that the manipulator (510) between the holders on the table (90) and on the load arm and holders for receiving alternating or exchanged samples (160) can be moved within the vessel.
5. Tribometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Manipulator ein Wobblestick (510) ist.5. Tribometer according to one of claims 1 to 4, characterized in that the manipulator is a wobble stick (510).
6. Tribometer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (10) eine abgedichtete Durchführung für Leitungen für.flu- ide Medien und/oder elektrische oder optische Signale aufweist.6. Tribometer according to one of claims 2 to 5, characterized in that the flange (10) has a sealed feedthrough for lines for.fluid media and / or electrical or optical signals.
7. Tribometer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Durchführung einen eigenen, auf den Flansch (10) aufgesetzten Durchführungsflansch (20 - 70) aufweist.7. Tribometer according to one of claims 2 to 5, characterized in that each bushing has its own bushing flange (20-70) placed on the flange (10).
8. Tribometer nach einem der Ansprüche 1 bis 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Reservoir zur Aufnahme eines Kältemittels für die Kühlung mindestens einer Probe (470) vorgesehen ist.8. Tribometer according to one of claims 1 to 1, characterized in that a reservoir for receiving a refrigerant for cooling at least one sample (470) is provided.
9. Tribometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Tisch (90) befestigte Probe (470) und die am Lastarm befestigte Probe9. Tribometer according to claim 8, characterized in that the sample (470) attached to the table (90) and the sample attached to the load arm
(470) getrennt kühlbar sind.(470) can be cooled separately.
10. Tribometer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kälteverbindung von dem Reservoir zu der jeweiligen Probe (470) durch den Manipulator (510) herstellbar und lösbar ist .10. Tribometer according to claim 8 or 9, characterized in that a cold connection from the reservoir to the respective sample (470) can be produced and released by the manipulator (510).
11. Tribometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizvorrichtung für mindestens eine Probe (470) vorgesehen ist. 11. Tribometer according to one of claims 1 to 10, characterized in that a heating device for at least one sample (470) is provided.
12. Tribometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung durch den Manipulator (510) bewegbar ist.12. Tribometer according to claim 11, characterized in that the heating device is movable by the manipulator (510).
13. Tribometer nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass jede Probe (470) eine eigene Heizvorrichtung aufweist.13. Tribometer according to claim 11 or 12, characterized in that each sample (470) has its own heating device.
14. Tribometer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur einer Probe (470) vorgesehen ist.14. Tribometer according to one of claims 1 to 13, characterized in that at least one device for measuring the temperature of a sample (470) is provided.
15. Tribometer nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Probe (470) gleichzeitig heiz- und kühlbar ist zur Einstellung einer gewünschten Temperatur.15. Tribometer according to one of claims 11 to 14, characterized in that at least one sample (470) can be heated and cooled at the same time in order to set a desired temperature.
16. Tribometer nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Gefäß weitere Halterungen für auszuwechselnde oder ausgewechselte optische Linsen und/oder Verformungskörper vorgesehen- sind, die sich im Bewegungsbereich des Manipulators (510) befinden.16. Tribometer according to one of claims 1 to 15, characterized in that further holders for optical lenses to be replaced or exchanged and / or deformation bodies are provided in the vessel and are located in the range of motion of the manipulator (510).
17. Tribometer nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Tisch (90) und/oder der Lastarm mit einem Antrieb (200 - 250) versehen ist, durch den die von diesem gehaltene Probe (470) in wenigstens einer Raumrichtung definiert verschiebbar ist.17. Tribometer according to one of claims 2 to 16, characterized in that the table (90) and / or the load arm is provided with a drive (200 - 250), through which the sample (470) held by this in at least one spatial direction is defined displaceable.
18. Tribometer nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Antrieb einen e- lektrischen Getriebemotor (200) mit Inkremental- geber oder einen Linearmotor aufweist. 18. Tribometer according to claim 17, characterized in that at least one drive has an electric geared motor (200) with an incremental encoder or a linear motor.
19. Tribometer nach einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Verbindungselemente durch Kugelführungen gelagert ist.19. Tribometer according to one of claims 2 to 18, characterized in that at least one of the connecting elements is supported by ball guides.
20. Tribometer nach einem der Ansprüche 2 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Verbindungselemente in einer Schwalbenschwanzführung (130) gelagert ist.20. Tribometer according to one of claims 2 to 19, characterized in that at least one of the connecting elements is mounted in a dovetail guide (130).
21. Tribometer nach einem der Ansprüche 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem der Antriebe ein Wegprofil einprogrammierbar ist.21. Tribometer according to one of claims 2 to 20, characterized in that at least one of the drives a path profile can be programmed.
22. Tribometer nach einem der Ansprüche 2 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Verbindungselemente um eine Querachse schwenkbar ist.22. Tribometer according to one of claims 2 to 21, characterized in that at least one of the connecting elements is pivotable about a transverse axis.
23. Tribometer nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Antrieb ein im Gefäß angeordneter piezoelektrischer Aktuator ist.23. Tribometer according to claim 17, characterized in that at least one drive is a piezoelectric actuator arranged in the vessel.
24. Tribometer nach einem der Ansprüche 2 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Antriebe (200 - 250) für die Erzeugung von Reibkräften zwischen den beiden Proben (470) vorgesehen ist.24. Tribometer according to one of claims 2 to 23, characterized in that at least one of the drives (200 - 250) is provided for generating frictional forces between the two samples (470).
25. Tribometer nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mechanismus25. Tribometer according to one of claims 1 to 24, characterized in that a mechanism
(340 - 360) zur Erzeugung von Normalkräften* zu den einander berührenden Oberflächen der beiden Proben (470) vorgesehen ist.(340-360) for generating normal forces * to the contacting surfaces of the two samples (470) is provided.
26. Tribometer nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein e- chanismus zur Messung von Reib- und/oder Normalkräften vorgesehen ist.26. Tribometer according to one of claims 1 to 25, characterized in that at least one e- Mechanism for measuring friction and / or normal forces is provided.
27. Tribometer nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Kräfte auslenkbare Federelemente (420, 490, 680) in mindestens einer Verbindung zwischen einem Antrieb und einer Probenhalterung vorgesehen sind.27. Tribometer according to claim 26, characterized in that deflectable spring elements (420, 490, 680) are provided in at least one connection between a drive and a sample holder for measuring the forces.
28. Tribometer nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Auslenkung der Federelemente (420, 490, 680) eine optische Ab- standsmessvorrichtung vorgesehen ist.28. Tribometer according to claim 27, characterized in that an optical distance measuring device is provided for measuring the deflection of the spring elements (420, 490, 680).
29. Tribometer nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkonstanten der Federelemente (420, 490, 680) definiert veränderbar sind.29. Tribometer according to claim 27 or 28, characterized in that the spring constants of the spring elements (420, 490, 680) can be changed in a defined manner.
30. Tribometer nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkonstanten der Federelemente (680) durch einen verschiebbaren Permanentmagneten (700) oder eine Plattenkondensator- anordnung (730) definiert veränderbar sind.30. Tribometer according to claim 29, characterized in that the spring constants of the spring elements (680) can be changed in a defined manner by means of a displaceable permanent magnet (700) or a plate capacitor arrangement (730).
31. Tribometer nach einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (420, 490, 680) durch den Manipulator (510) auswechselbar sind.31. Tribometer according to one of claims 27 to 30, characterized in that the spring elements (420, 490, 680) can be replaced by the manipulator (510).
32. Tribometer nach einem der Ansprüche 26 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Kräfte eine Dehnmessstreifen-Anordnung (590) vorgesehen ist.32. Tribometer according to one of claims 26 to 31, characterized in that a strain gauge arrangement (590) is provided for measuring the forces.
33. Tribometer nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Kräfte eine piezoelektrische Vorrichtung vorgesehen ist. 33. Tribometer according to claim 26, characterized in that a piezoelectric device is provided for measuring the forces.
34. Tribometer nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Kräfte dünne Schichten (590) mit sich unter mechanischer Belastung verändernden physikalischen Eigenschaften vorgesehen sind.34. Tribometer according to claim 26, characterized in that thin layers (590) with changing physical properties under mechanical load are provided for measuring the forces.
35. Tribometer nach einem der Ansprüche 17 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Vorrichtung (580) zur Messung des Verschiebeweges einer Probe (470) vorgesehen ist.35. Tribometer according to one of claims 17 to 34, characterized in that at least one device (580) for measuring the displacement path of a sample (470) is provided.
36. Tribometer nach einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Vorrichtung zur Messung des Abriebs einer Probe (470) vorgesehen ist.36. Tribometer according to one of claims 1 to 35, characterized in that at least one device for measuring the abrasion of a sample (470) is provided.
37. Tribometer nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung des Abriebs eine optische Vorrichtung zur Messung des Abstands zwischen den Probenhalterungen vorgesehen ist.37. Tribometer according to claim 36, characterized in that an optical device for measuring the distance between the sample holders is provided for measuring the abrasion.
38. Tribometer nach einem der Ansprüche 1 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Lichtleiter (390, 610) zur Übertragung der von einer Reibstelle zwischen zwei Proben (470) e- ittierten elektromagnetischen Strahlung vorgesehen ist.38. Tribometer according to one of claims 1 to 37, characterized in that at least one light guide (390, 610) is provided for transmitting the electromagnetic radiation emitted by a friction point between two samples (470).
39. Tribometer nach einem der Ansprüche 1 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Lichtleiter (390, 610) zur Einkopplung von e- lektromagnetischer Strahlung zu der Reibstelle zwischen zwei Proben vorgesehen ist.39. Tribometer according to one of claims 1 to 38, characterized in that at least one light guide (390, 610) is provided for coupling electromagnetic radiation to the friction point between two samples.
40. Tribometer nach einem der Ansprüche 1 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein durch den Manipulator (510) betätigbarer Klemmmechanismus (540 - 570) für die Befestigung und Frei- gäbe einer (470) Probe in ihrer Halterung vorgesehen ist. 40. Tribometer according to one of claims 1 to 39, characterized in that at least one clamping mechanism (540 - 570) which can be actuated by the manipulator (510) for fastening and releasing there would be a (470) sample in its holder.
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