DE102005023988B4

DE102005023988B4 - Piezoelektrischer Motor

Info

Publication number: DE102005023988B4
Application number: DE102005023988A
Authority: DE
Inventors: Julian Dr. Chen; Oswald Dr. Pietzsch; Daniel Dr. Haude
Original assignee: Universitaet Hamburg
Current assignee: Universitaet Hamburg
Priority date: 2005-05-20
Filing date: 2005-05-20
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2025-05-21
Also published as: EP1882300A1; DE102005023988A1; WO2006122816A1

Abstract

Piezoelektrischer Schrittmotor mit einem Rotor (13, 13', 21, 21', 100) und einem Stator (10, 11, 12, 112, 112'), umfassend ein Piezoelement (11), das an einem ersten Ende wenigstens abschnittsweise ortsfest ist, wobei der Stator (10–12, 112, 112') ein Zwischenelement (12, 112, 112') umfasst, das mit dem Piezoelement (11) verbunden ist und das den Rotor (13, 13', 21, 21', 100) berührt, wobei das Piezoelement (11) derart durch den Piezoeffekt bzw. den Effekt der Elektrostriktion bewegbar ist, dass das Zwischenelement (12, 112, 112') gegenüber dem wenigstens abschnittsweise ortsfesten ersten Ende des Piezoelements (11) bewegbar, insbesondere drehbar, ist, das Piezoelement (11) wenigstens zwei Elektrodenpaare (29, 29'; 30, 30'; 31, 31'; 32, 32'; 121–128) umfasst, wobei zwischen den Elektrodenpaaren (29, 29'; 30, 30'; 31, 31'; 32, 32'; 121–128) jeweils wenigstens ein Zwischenbereich (40–43) vorgesehen ist und wobei an den Zwischenbereichen (40–43) jeweils Nasen (22, 22', 23, 23') angeordnet sind, die teilweise beweglich und teilweise...

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Schrittmotor mit einem Rotor und einem Stator, wobei ein Piezoelement vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Motors.
In Rastertunnelmikroskopen, Rasterkraftmikroskopen oder Rastersondenmikroskopen ist es notwendig, eine genaue Positionierung der Sondenspitze zu der zu untersuchenden Probe zu erreichen. Bei einem spinpolarisierten Rastertunnelmikroskop oder Rasterkraftmikroskop bzw. Rastersondenmikroskop ist es bevorzugt, dass die Spitze oder die Probe rotiert werden kann.
Sofern die Spitze eine Magnetisierung aufweist, die parallel zur Probenoberfläche orientiert ist, und auch die Probe eine in-plane (x-y Ebene) Magnetisierung aufweist, ist ein rotierbares Element wünschenswert, um die Magnetisierungsvektoren von Spitze und Probe in eine kollineare Ausrichtung bringen zu können, da die Kontrast stärke bei der Beobachtung magnetischer Strukturen proportional zum Kosinus des Winkels zwischen Spitzen- und Probenmagnetisierung ist. Ein rotierendes Stellelement kann aber auch in vielen anderen Anwendungen zum Einsatz kommen, wo feinste Positionierung gewünscht ist, etwa bei der Ausrichtung optischer Elemente, wie Spiegel etc. oder Monochromatoren. Ein Einsatz kann auch in Teleskopen sinnvoll sein.
Die technischen Voraussetzungen für ein derartiges Rotationselement sind allerdings hochgradig komplex, da derartige Experimente häufig unter Ultrahochvakuum und/oder bei tiefen Temperaturen stattfinden. Außerdem müssen Vibrationen verhindert werden, um verlässliche Messungen zu erreichen und die Probe oder Spitze nicht zu beschädigen.

Aus DE 199 09 913 B4 ist eine elektromechanische Antriebsvorrichtung bekannt, die insbesondere zur exakten Positionierung eines Gegenstands im Nanometer- bis Zentimeterbereich geeignet sinnvoll ist, mit einem in einer Lagervorrichtung gelagerten Rotor, wobei die Lagervorrichtung mindestens eine an einem Lagerblock über mehrere Stege begrenzt verdrehbar gelagerte Rotoraufnahme aufweist, die durch mindestens ein von einer elektrischen Spannung gespeistes Piezoelement verdrehbar ist und die Bewegung durch Reibschluss auf den Rotor überträgt, wobei die Stege radial verlaufen und der Rotor langsamen Drehbewegungen der Rotoraufnahme aufgrund des Reibschlusses folgt und schnellen Drehbewegungen der Rotoraufnahme unter Überwindung des Reibschlusses nicht folgt.

Aus der WO 93/19494 A1 ist ein piezoelektrischer Motor bekannt, bei dem ein Torsionsaktuator Verwendung findet, der durch Bonden bzw. Verkleben einer geraden Anzahl von piezoelektrischen Seg menten in einer Röhre mittels eines leitfähigen Klebstoffes erzielt wird. Die Richtung der Polarisation alterniert zwischen den benachbarten Segmenten. Aufgrund des piezoelektrischen Effektes bzw. des Elektrostriktionseffektes wird eine Scherkraft erzeugt, die eine Torsionsdeformation der Röhre hervorruft. Durch Anwenden einer sinusförmigen Spannung der Resonanzfrequenz der Röhre wird eine sinusförmige Torsionsvibration der Röhre erreicht. Durch Anwenden einer sinusförmigen Spannung in der Resonanzfrequenz der Röhre kommt es zu Vibrationsproblemen, die bei Rastertunnelmikroskopen bzw. ähnlichen Mikroskopen unerwünscht sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen piezoelektrischen Motor und ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Motors anzugeben, mittels dem eine sehr verlässliche Rotation eines Rotors ermöglicht ist, wobei Vibrationen vermieden werden sollen und eine präzise Steuerung der Rotation erreichbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen piezoelektrischen Schrittmotor mit einem Rotor und einem Stator, umfassend ein Piezoelement, das an einem ersten Ende wenigstens abschnittsweise ortsfest ist, wobei der Stator ein Zwischenelement umfasst, das mit dem Piezoelement verbunden ist und das den Rotor berührt, wobei das Piezoelement insbesondere als Rotationskörper mit einer Symmetrieachse ausgebildet ist, wobei das Piezoelement derart durch den Piezoeffekt bzw. den Effekt der Elektrostriktion bewegbar ist, dass das Zwischenelement gegenüber dem wenigstens abschnittsweise ortsfesten Ende des Piezoelements, insbesondere um die Symmetrieachse, bewegbar, insbesondere drehbar, ist, das Piezoelement wenigstens zwei Elektrodenpaare umfasst, wobei zwischen den Elektrodenpaaren jeweils wenigstens ein Zwischenbereich vorgesehen ist und wobei an den Zwischenbereichen jeweils Nasen angeordnet sind, die teilweise beweglich und teilweise ortsfest sind.

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

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

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

Das Piezoelement ist zweckmäßig Bestandteil des Stators. Wenn das Piezoelement wenigstens zwei Elektrodenpaare umfasst, ist eine genaue Rotation mit festlegbaren Schrittweiten möglich. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des piezoelektrischen Motors umfasst das Piezoelement 2n Elektrodenpaare, wobei n eine ganze Zahl ist, die größer als 1 ist. Hierdurch kann die Präzision des piezoelektrischen Motors noch erhöht werden. Ein Elektrodenpaar hat vorzugsweise bei einer Ausgestaltung eines Hohlrotationskörpers bzw. Hohlzylinders als Piezoelement eine äußere und eine innere Elektrode.

Wenn zwischen den Elektrodenpaaren jeweils wenigstens ein Zwischenbereich vorgesehen ist, wobei der Stator ein Basiselement umfasst, das mit einem ersten Zwischenbereich an einem ersten Ende des Piezoelements verbunden ist, ist ein fest vorgegebener Ausgangspunkt für die Bewegung, die Rotation bzw. das sich Verdrehen des Piezoelements definiert. Die Elektrodenpaare umfassen vorzugsweise eine Elektrode, die an der Außenfläche, d.h. an der Außenmantelfläche des Hohlzylinders, angeordnet ist, und eine Elektrode, die an der Innenfläche angeordnet ist, wobei das Elektrodenpaar dadurch gekennzeichnet ist, dass die Elektroden nur durch die Dicke des piezoelektrischen Materials des Hohlzylinders beabstandet sind. Der Zwischenbereich ist vorzugsweise parallel zur Symmetrie- bzw. Rotationsachse des Hohlzylinders ausgerichtet. Vorzugsweise erstrecken sich die Zwischenbereiche parallel zur Symmetrieachse über die gesamte Länge des Rotationskörpers bzw. des Hohlzylinders. Wenn die Verbindung des Basiselements über im Wesentlichen die gesamte Länge des Piezoelements, des Rotationskörpers bzw. Hohlzylinders durch ein starres Element bzw. eine Nase erfolgt, ist eine sehr definierte Bewegung des Piezoelements mit einer großen Weite möglich.

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

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

Vorzugsweise ist der Motor selbstzentrierend. Durch dieses besonders bevorzugte Merkmal werden insbesondere Vibrationen des piezoelektrischen Motors vermieden. Wenn der Stator ein zweites Lager für den Rotor umfasst, ist die Selbstzentrierung des piezoelektrischen Motors vereinfacht. Die zwei Lagerflächen sind vorzugsweise entgegengesetzt zueinander ausgerichtet, d.h. die Normalenvektoren der jeweiligen Flächen sind entsprechend gegeneinander gerichtet bzw. die Summe der Kräftevektoren, die auf das eine Lager wirken, und die Summe der Kräftevektoren, die auf das andere Lager wirken, sind vorzugsweise entgegengesetzt zueinander. Vorzugsweise ist die Reibung zwischen dem Rotor und dem zweiten Lager geringer als zwischen dem Rotor und dem ersten Lager. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das zweite Lager eine Kugel und/oder einen Ring. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Kugel oder der Ring drehbar gelagert sind bzw. ist. Hierzu ist es zweckmäßig, wenn die Kugel und/oder der Ring mittels einer, insbesondere einstellbaren Federkraft bzw. Feder gegen den Rotor drückt.

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

Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Schrittmotors, wie vorstehend beschrieben, mit einem Stator, der ein Piezoelement, insbesondere in Hohlzylinderform, umfasst, und einem Rotor, der ein Zwischenelement, das mit dem Piezoelement verbunden ist, berührt, gelöst, wobei das erste Ende des Piezoelements relativ zu einem Basiselement des Stators fixiert ist, wobei das Zwischenelement gegen das erste Ende des Piezoelements derart gedreht wird, dass der Rotor dieser Bewegung folgt, und anschließend das Zwischenelement wenigstens in die Ausgangslage zurückgedreht wird, während der Rotor dieser Bewegung nicht folgt. Der Rotor bleibt bei dem Schritt des Zurückdrehens des ersten Endes des Piezoelements wenigstens in die Ausgangslage insofern ortsfest oder dreht sich in die vorherige Drehrichtung bzw. gleiche Richtung wie vorher ein wenig weiter, wenn beispielsweise der Drehimpuls entsprechend hoch ist. Hierzu ist es allerdings bevorzugt, wenn der Rotor spätestens beim Beginn der Bewegung des Zurückdrehens des ersten Endes des Piezoelements in die Ausgangslage ortsfest bleibt.

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

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten wird ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen. Es zeigen:
1 eine schematische dreidimensionale Darstellung von Elementen des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors im nicht montierten Zustand,
2a eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors,
2b einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors in einer anderen Ausführungsform in schematischer Darstellung,
3 eine schematische Draufsicht auf das bevorzugte Piezoelement,
4 ein schematisches Diagramm der Spannung über der Zeit,
5a einen Teil eines Rastertunnelmikroskops mit einer Probe, die auf einem piezoelektrischen Motor angebracht ist,
5b eine entsprechende schematische Darstellung gemäß 5a, wobei die Probe um 90° gedreht wurde,
5c eine weitere Drehung der Probe um 90° im Verhältnis zu 5b,
6 eine schematische dreidimensionale Darstellung von Elementen eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors in einer weiteren Ausführungsform im nicht montierten Zustand,
7 eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors gem. 6 in montiertem Zustand,
8a eine schematische Draufsicht auf ein bevorzugtes Piezoelement ohne angelegte Spannung,
8b eine schematische Draufsicht auf das Piezoelement aus 8a mit einer angelegten Spannung –U,
8c eine schematische Draufsicht auf das Piezoelement aus 8a mit einer angelegten Spannung +U
9a eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Piezoelements, und
9b eine weitere Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Piezoelements.
1 zeigt in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung Teile des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors. Ein Basisteil 10 vorzugsweise aus Macor, also einer Glaskeramik, und ein Flanschteil 14, vorzugsweise aus Metall, sind über Verbindungsstücke oder eine Röhre bzw. Umhüllung 28, die in 2a dargestellt ist, miteinander verbunden, wobei die Umhüllung vorzugsweise im Durchmesser mit den Durchmessern des Basisteils und des Flanschteils 14 übereinstimmt bzw. angepasst ist. Hierdurch ergibt sich eine feste Umhüllung bzw. ein fester Käfig der Vorrichtung bzw. des Motors. Das Basisteil hat zwei Nasen 23 und 23', die gegenüberliegend angeordnet sind. Die Nasen 23, 23' sind aus einem kurzen zylindrischen Sektor des Basisteils vorzugsweise geschnitten.
Der innere Durchmesser der Nasen 23, 23' ist an den äußeren Durchmesser eines Piezoelements 11, das als Ring bzw. Hohlzylin der ausgebildet ist, angepasst, wobei eine kleine Lücke für einen nicht dargestellten Klebstoff vorgesehen ist. Es ist außerdem ein Zwischenelement 12 vorzugsweise aus Glas vorgesehen, das eine konische Oberfläche bzw. eine konische Kontaktfläche 20 aufweist. Das Zwischenelement 12 umfasst auch zwei Nasen 22, 22', die in 1 unterhalb des als Ring ausgebildeten Zwischenelements 12 angeordnet sind. Die Nasen 22 und 22' sind aus einem zylindrischen Abschnitt des Rings 12 geschnitten, wobei der Innendurchmesser der Nasen 22 und 22' mit dem Außendurchmesser des Piezoelements 11 im Wesentlichen übereinstimmt, wobei auch hier ein entsprechender Spalt vorgesehen ist, um einen Klebstoff, der nicht dargestellt ist, aufzunehmen. Die Nasen 22, 22' und/oder 23, 23' können alternativ auch an den inneren Durchmesser des Piezoelements 11 angepasst sein. Je nach Ausgestaltung kann der Durchmesser des Zapfens des Rotors 13 angepasst sein.
Das Piezoelement 11 weist eine Ringfläche 18 auf, die in 1 im oberen Bereich bzw. am oberen Ende des Hohlzylinders angeordnet ist und eine Ringfläche 18', die die entgegen gesetzte Ringfläche ist, also die, die in 1 im unteren Bereich des Hohlzylinders 11 angeordnet und durch die Mantelfläche verdeckt ist.
Der Rotor 13 hat eine sphärische geformte Fläche bzw. Kontaktfläche 21, die dazu dient, eine kreisförmige Kontaktlinie mit der konischen Kontaktfläche 20 des Zwischenelements 12 herzustellen. Der Stiel des Rotors 13 ist hohl und weist am unteren Ende ein kleines Loch auf, dessen Kante Kontakt mit einer Kugel aus Rubin, Saphir oder amorphes oder keramisches Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder beispielsweise auch aus Metall herstellt. Die Kante kann auch, wie in 2a angedeutet ist, sphärisch geformt sein. Die Kugel 15 wird mittels einer Feder 16 und einer Schraube 17 vorgespannt in den Hohlraum des Stiels des Flanschteils 14 eingebracht und steht, wie in 2a gut erkennbar ist, in Kontakt mit dem Rotor 13. Die Kraft, mit der die Kugel 15 gegen den Rotor 13 gedrückt werden kann, ist über die Federkonstante der Feder 16 oder über die Schraube 17 bzw. die Weite des Einschraubens der Schraube 17 einstellbar. Der Stiel des Rotors 13 reicht, wie in 2a insbesondere auch gut erkennbar ist, über das große zentrale Loch des Basisteils 10 hinaus. Das Ende des Rotorstiels kann benutzt werden, um dort Gegenstände anzubringen, wie beispielsweise Probenhalter, Nadelhalter oder einen Röhrenpiezoscanner, wie beispielsweise einen Inchworm oder derartige Piezoelemente, die dazu dienen, die Bewegung der Nadel eines Rastersondenmikroskops vorzunehmen. Die Lücke zwischen dem Rotorstiel und dem zentralen Loch des Basisteils 10 erlaubt eine freie Rotation des Rotors 13 und schützt den Rotor vor zu großer Auslenkung.
Die Federkonstante der Feder 16, die vorzugsweise aus BeCu ist, und die Kraft, die damit auf den Rotor ausgeübt werden kann, sollten deutlich größer sein als die Gewichtskraft des Rotors mit darauf angebrachten Gegenständen. Sofern dieses beherzigt wird, kann der erfindungsgemäße piezoelektrische Motor unabhängig von der Richtung der Gravitation Verwendung finden. In diesem Fall kann der piezoelektrische Motor beispielsweise entgegengesetzt zu der Richtung der 1 Verwendung finden, wie sich beispielsweise aus 2 auch ergibt.
2a stellt eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors dar bzw. eines Motors, der nach dem Prinzip der Elektrostriktion funktioniert. Im Rahmen der Erfindung umfasst der Begriff piezoelektrischer Motor auch einen Motor, der nach dem Prinzip der Elektrostriktion funktioniert. Außer den bisher schon angesprochenen Elementen ist insbesondere die Umhüllung 28 beispielsweise aus Metall, insbesondere Titan, dar gestellt und die Verbindung des Basisteils 10 mit dem Flanschteil 14 über relativ lange Schrauben 26 und entsprechende Muttern 27. Es ist ferner eine Kabelanschlussnut 25 angedeutet, durch die und entsprechend nicht dargestellte Bohrungen durch das Basisteil 10 Kabel zur Ansteuerung des Piezoelements 11 geführt werden können. Der Rotor 13 und das Basisteil 10 sind vorzugsweise aus abriebfestem Material. Das Zwischenelement 12 kann aus Glas oder einer Glaskeramik gefertigt sein.
2b zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnittes eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors in Schnittdarstellung. Im Unterschied zu der Ausgestaltung gemäß 2a ist ein Lager 51 für die Kugel 15 vorgesehen, wobei das Lager 51 ein Material umfasst, das wenig Reibung zu dem Material der Kugel 15 hat.
Da die Kugel 15 sehr genau durch die Lage des inneren Lochs 52 des Rotors, durch das sich in der Mitte die Drehachse 19 des Rotors 19 erstreckt, positioniert werden kann, ergibt sich im Zusammenhang mit der Kreiskontaktlinie zwischen den Kontaktflächen 20 und 21 eine hohe mechanische Stabilität, wodurch Schwingungen und Vibrationen, die unerwünscht sind, vermieden werden. Durch den Druck, der zentral über die Kugel 15 auf das Rotationselement bzw. den Rotor 13 ausgeübt wird und der auf den Kontaktflächen 20 und 21 aufgefangen wird, ergibt sich eine sehr effiziente Selbstzentrierung des piezoelektrischen Motors. Durch die bevorzugte Klebeverbindung zwischen dem Basisteil 10 und dem Piezoelement 11 und dem Zwischenelement 12 ist ein ständiger sicherer Kontakt des Piezoelements 11 mit dem Basisteil 10 und dem Zwischenelement 12 gegeben. Der erfindungsgemäße piezoelektrische Motor kann so ausgestaltet sein, dass kleine relative Winkelbewegungen im Bereich von Mikrometern erlaubt sind. Gleichwohl werden keine unge wollten Bewegungen erzeugt, außer den gewollten Bewegungen während der durchgeführten Schritte aufgrund der Reibung zwischen dem Zwischenelement und zwischen den Kontaktflächen 20 und 21.
Die zentrale Vorrichtung, die den Rotor 13 antreibt, ist ein relativ kurzes Segment einer Piezoröhre bzw. das Piezoelement 11, das in 3 schematisch in einer Draufsicht dargestellt ist. Es kann sich hierbei aber auch einfach um einen Piezoring handeln. Das Piezoelement 11 umfasst ein elektrostriktives Material 33 und vier Paare Elektroden 29, 29'; 30, 30'; 31, 31' und 32, 32'. An den Zwischenbereichen 40, 41, 42, 43 sind die Nasen 22, 22' und 23, 23' angeordnet. Die Zwischenbereiche 40 bis 43 können so ausgestaltet sein, dass die Nasen 22 bis 23' unmittelbar am elektrostriktiven Material 33 angeklebt werden oder aber auch, wie in 3 dargestellt ist, auch teilweise an den Elektroden angebracht werden.
Die jeweiligen Elektroden der entsprechenden Elektrodenpaare sind entgegengesetzt gepolt. Die Elektrode 32' könnte beispielsweise positiv gepolt sein, genau wie die Elektrode 29, 30' und 31. In diesem Fall wären die Elektroden 32, 29', 30 und 31' negativ gepolt. Die Nasen 22, 22' und 23, 23' sind vorzugsweise nicht leitend. Die Nasen 23 und 23' können beispielsweise aus Macor sein und die Nasen 22 und 22' aus Pyrexglas oder Macor.
Wenn nun eine elektrische Spannung an die Elektroden angelegt wird, werden zwei Sektoren des Piezoelements sich ausdehnen und die anderen beiden Sektoren sich zusammenziehen. Die Sektoren, die sich ausdehnen, sind beispielsweise die Sektoren zwischen den Nasen 23 und 22 sowie 23' und 22'. Die Sektoren, die sich zusammenziehen, sind beispielsweise die Sektoren zwischen den Nasen 22 und 23' sowie 22' und 23. Hierdurch ergibt sich eine rotierende Bewegung der Nasen 22 und 22' in angedeuteter Pfeilrichtung und damit eine Rotation des Zwischenelements 12. Die Nasen 22 und 22' sind somit beweglich, während die Nasen 23 und 23' ortsfest sind. Die Nasen 22 und 22' folgen der Auslenkung des Piezoelements.
Sofern die Polarität der angelegten Spannung umgepolt werden würde, würden sich die vorher sich ausdehnenden Sektoren zusammenziehen und die sich vorher zusammenziehenden Sektoren ausdehnen. In diesem Fall würde eine Rotation entgegen dem Urzeigersinn erzeugt werden. Wenn nun die angelegte Spannung langsam steigt, wird der Rotor durch die Reibung zwischen den Kontaktflächen 20 und 21 mit der Rotation des Zwischenelements 12 mitgeführt werden. Bei schneller Änderung der Spannung würde der Rotor entsprechend nicht mitgeführt werden, so dass eine gewollte Bewegung in eine Richtung oder der entgegen gesetzten Richtung möglich ist.
Eine entsprechende Spannungskurve, die zum Betrieb des Piezoelements 11 dienen kann, ist schematisch in 4 dargestellt. In 4 ist auf der Ordinate die Spannung von –U bis +U dargestellt und auf der Abszisse die Zeit, wobei die Spannungskurve in zwei vollständigen Perioden T gezeigt ist.
Die Spannung startet bei einer maximal negativen Spannung –U und steigt in einer s-artigen Kurve bis zu einem Maximum +U. Daraufhin verringert sich die Spannung schnell bis zu dem negativen Maximum –U. Eine typische Periode T ist im Bereich von einer Millisekunde. Die Zeit von der maximalen positiven Spannung zur maximalen negativen Spannung sollte so kurz wie möglich sein, beispielsweise eine Mikrosekunde (1 μs).
Während der Ansteigzeit der Spannung dreht der Piezoring bzw. das Piezoelement 11 durch entsprechendes Verdrehen gegenüber dem Basisteil 10 das Zwischenelement 12 um einen Winkel δ. Aufgrund der relativ langsamen Geschwindigkeit folgt der Rotor 13 dieser Bewegung. Aufgrund der anschließenden schnellen Änderung der Spannung dreht sich zwar das Zwischenelement, da dieses fest mit dem Piezoelement verbunden ist; der Rotor folgt dieser Bewegung allerdings nicht. Das heißt, mit jeder Periode wird der Rotor mit einem Schritt von einem Winkel δ vorangetrieben. Sofern die Spannung, die an den Elektroden angelegt ist, umgedreht wird, kann dieser Vorgang entgegengesetzt betrieben werden.
Die Winkelgeschwindigkeit kann aus den Daten des piezoelektrischen Materials bestimmt werden. Siehe hierzu beispielsweise Yuan Y S, Hao H W und Tian H: "A dynamic model for analyzing piezoelectric stepmotors", Rev. Sci. Instrum. 65, S. 1566–1569 (1994). Sofern PZT-4 von Staveley Verwendung findet, ist die piezoelektrische Konstante d₃₁ = 0,135 nm/V. Bei einer Piezoelement- bzw. Piezoröhrenwandstärke von h = 0,75 mm, einem Durchmesser D = 12,7 mm und einer maximalen Spannung von U = 250 V ist die lineare Verschiebung für jede Periode T
Bei einer Frequenz von 1 kHz würde der Rotor sich um 3,6 mm auf dem Umfang der Piezoröhre bewegen. Die Winkelgeschwindigkeit ist dann
Die Geschwindigkeit kann durch die Frequenz und die Maximalspannung gesteuert werden. Aus den Gleichungen 1 und 2 ergibt sich, dass die Winkelgeschwindigkeit unabhängig von dem Durchmesser der Piezoröhre ist, und zwar wie folgt ω = fd31U/h. (3)
Daraus folgt, dass der piezoelektrische Motor sehr klein gebaut werden kann.
Gemäß der Erfindung ändert sich die Drehachse während der Drehbzw. Verdrehung des Piezoelements 11 im Wesentlichen nicht. Jeder Schritt um einen Winkel δ kann sehr präzise gesteuert werden. Die Schrittlänge kann im Wesentlichen gleich eingestellt werden, so dass eine präzise Steuerung des Rotors möglich ist. Hierdurch eignet sich der erfindungsgemäße piezoelektrische Motor insbesondere für Rastersondenmikroskope. Es ist insbesondere eine hochpräzise Drehbewegung mit der Möglichkeit extrem kleiner Schrittweiten möglich, wodurch auch ein Einsatz im Bereich der Nanotechnologie gegeben ist. Der Motor kommt völlig ohne Schmiermittel aus, so dass er insbesondere im Ultrahochvakuum Verwendung finden kann.
Der Schrittmotor kann beispielsweise direkt in ein Mikroskop integriert werden, um die Probe relativ zur Sonde zu drehen. Dieses ist in den 5a bis 5c dargestellt. Dort ist ein Rotor 13 dargestellt, auf dem ein Probenhalter mit einer Probe 36 angebracht ist. Es handelt sich hierbei um eine schematische Darstellung eines Teils eines Rastersondenmikroskops 50, umfassend insbesondere ein Piezoelement, wie ein Piezo-Röhrenscanner 38 mit Tunnelspitze oder Sondenspitze 37. Die Drehachse des Rotors ist hier senkrecht zur Achse der Spitze angeordnet. In 5a befindet sich die Probe 36 in einer Position, in der diese präpariert werden kann. In 5b ist die Probe schon um 90° zur Spitze 37 hingedreht. In 5c ist die Probe 36 vollständig zur Spitze 37 hingedreht worden.
In einer anderen Anwendung innerhalb eines Rastersondenmikroskops kann die Drehachse des Rotors parallel zur Achse der Spitze angeordnet werden. Für magnetische Untersuchungen bietet diese Anordnung die Möglichkeit, die Magnetisierungsvektoren von Spitze und Probe, sofern beide parallel zur Probenebene liegen, in eine kollineare Konfiguration zu bringen und so das Messsignal zu maximieren.
6 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors in auseinander gebautem Zustand. Der piezoelektrische Motor unterscheidet sich von dem gem. 1 in einigen Punkten. In dieser Ausführungsform sind die aufeinander reibenden Teile aus keramischen Al₂O₃ und Saphir (kristallines Al₂O₃). Diese Materialpaarung hat sich als praktisch abriebfrei bewährt. Alternativ können die Kontaktflächen 20' und 21' auch jeweils aus Saphir ausgestaltet sein. Aufgrund der recht harten Materialien ist es fertigungstechnisch effizient, nur recht einfache Geometrien zu verwenden. Aus diesem Grunde wurden weitere Teile in die Konstruktion eingeführt. Somit besteht nunmehr im Vergleich zu 1 in der 6 das Zwischenelement 12 aus zwei Teilen, nämlich einer Trägerplatte 112, die auch Nasen 22 und 22' umfasst. Die Trägerplatte 112 kann aus Macor sein. Darauf geklebt wird ein Zwischenringelement 112 in Form eines Ringes aus keramischen Al₂O₃ oder Saphir mit einer konischen Kontaktfläche 20'.
Das Gegenstück rotorseitig ist der Rotor 13' aus Metall, beispielsweise Titan, mit einer nunmehr ebenen Planfläche, auf die ein Rotorringelement 100, beispielsweise ein Saphirring, aufgeklebt wird, der die sphärische Fläche 21' aufweist. Die sphärische Fläche 21' ist vorzugsweise glatt poliert.
Ein weiteres neues Element im Vergleich zu 1 ist das Lager 51' und weist eine konische Kontaktfläche auf, wie insbesondere in 7 gut zu erkennen ist. Diese wird in die innere Bohrung des Rotors 13' eingebracht bzw. eingeklebt und bildet das Gegenstück zur Rubinkugel 15. Die Bohrung 52' bzw. das Loch 52' kann für die Befestigung eines Probenträgers oder ähnliches genutzt werden oder auch ganz wegfallen.
In 7 ist der erfindungsgemäße piezoelektrische Motor aus 6 zusammenmontiert dargestellt, wobei auch die Umhüllung 28 und die Schrauben 26 sowie die Muttern 27 zum Zusammenfügen des piezoelektrischen Motors dargestellt sind. Diese Figur ist nun um 180° gegenüber 2 gedreht. Die Befestigungsfläche 24, an die zum Beispiel ein zu rotierender Probenträger angebracht werden kann, ist sowohl in 6 als auch in 7 nach unten orientiert. Die bevorzugten Materialien sind in 7 unten links beschrieben.
8a zeigt ein bevorzugtes Piezoelement 11, an das keine Spannung angelegt ist in schematischer Draufsicht. In 8b ist das Piezoelement aus 8a auch in schematischer Draufsicht dargestellt, wobei eine Spannung –U angelegt ist. Die beweglichen Nasen 22 und 22' bewegen sich entlang der Pfeilrichtung und folgen somit der Bewegung der Auslenkung des Piezoelements. In 8c ist die Auslenkung des Piezoelements aus 8a in Draufsicht schematisch dargestellt, wobei die Spannung +U angelegt wurde. Auch hier ist gezeigt, dass sich die Nasen 22 und 22' inzwischen entsprechend bewegt haben. Die Nasen 22 und 22' bewegen sich bei einem Anlegen einer Spannung von –U bis +U um einen Winkel δ, wie in 8c dargestellt ist.
In 9a ist in schematischer Draufsicht ein Piezoelement darge stellt, das sechs Elektrodenpaare aufweist. Es sind drei ortsfeste Nasen 23, 23' und 23''' dargestellt und drei bewegliche Nasen 22, 22' und 22'''. Durch die Ausgestaltung dieses bevorzugten Piezoelements ist eine genauere Schrittweiteneinstellung möglich. Für die in der Beschreibung angegebene Formel ist hier n = 3. In 9b ist auch eine Draufsicht eines entsprechenden bevorzugten Piezoelements dargestellt, mittels dessen eine noch viel genauere Positionierung des Rotors ermöglicht ist. Es sind vier ortsfeste Nasen 23 bis 23''' sowie vier bewegliche Nasen 22 bis 22''' vorgesehen.
Außerdem ist die mechanische Stabilität des Motors mit einem Piezoelement gemäß 9a und 9b deutlich erhöht.

10: Basisteil
11: Piezoelement
12: Zwischenelement
13, 13': Rotor
14: Flanschteil
15: Kugel
16: Feder
17: Schraube
18, 18': Ringfläche
19: Drehachse
20, 20': Kontaktfläche
21, 21': Kontaktfläche
22, 22', 22'', 22''': Nase
23, 23', 23'' 23''': Nase
24: Befestigungsfläche
25: Kabelanschlussnut
26: Schraube
27: Mutter
28: Umhüllung
29, 29': Elektrode
30, 30': Elektrode
31, 31': Elektrode
32, 32': Elektrode
33: eletrostriktives Material
34: aufsteigende Flanke
35: abfallende Flanke
36: Probe
37: Tunnelspitze
38: Piezo-Röhrenscanner
40: Zwischenbereich
41: Zwischenbereich
42: Zwischenbereich
43: Zwischenbereich
50: Rastersondenmikroskop
51, 51': Lager
52, 52': Loch
100: Rotorringelement
112: Trägerplatte
112': Zwischenringelement
121–128: Elektrodenpaare

Claims

Piezoelektrischer Schrittmotor mit einem Rotor (13, 13', 21, 21', 100) und einem Stator (10, 11, 12, 112, 112'), umfassend ein Piezoelement (11), das an einem ersten Ende wenigstens abschnittsweise ortsfest ist, wobei der Stator (10–12, 112, 112') ein Zwischenelement (12, 112, 112') umfasst, das mit dem Piezoelement (11) verbunden ist und das den Rotor (13, 13', 21, 21', 100) berührt, wobei das Piezoelement (11) derart durch den Piezoeffekt bzw. den Effekt der Elektrostriktion bewegbar ist, dass das Zwischenelement (12, 112, 112') gegenüber dem wenigstens abschnittsweise ortsfesten ersten Ende des Piezoelements (11) bewegbar, insbesondere drehbar, ist, das Piezoelement (11) wenigstens zwei Elektrodenpaare (29, 29'; 30, 30'; 31, 31'; 32, 32'; 121–128) umfasst, wobei zwischen den Elektrodenpaaren (29, 29'; 30, 30'; 31, 31'; 32, 32'; 121–128) jeweils wenigstens ein Zwischenbereich (40–43) vorgesehen ist und wobei an den Zwischenbereichen (40–43) jeweils Nasen (22, 22', 23, 23') angeordnet sind, die teilweise beweglich und teilweise ortsfest sind.
Piezoelektrischer Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (11) als Rotationskörper mit einer Symmetrieachse (19) ausgebildet ist, wobei das Zwischenelement (12, 112, 112') gegenüber dem wenigstens abschnittsweise ortsfesten Ende des Piezoelements (11) um die Symmetrieachse (19) bewegbar, insbesondere drehbar, ist.
Piezoelektrischer Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (12, 112, 112') eine Lagerfläche (20, 20') umfasst, die als erstes Lager (20) für den Rotor (13, 13', 21, 21', 100) dient.
Piezoelektrischer Schrittmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerfläche (20, 20') relativ zu einer Endfläche (18') des ersten Endes des Piezoelements (11) oder zu einem Basisteil (10), das mit dem ersten Ende des Piezoelements (11) verbunden ist, drehbar ist.
Piezoelektrischer Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (11) als Hohlzylinder ausgebildet ist.
Piezoelektrischer Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (11) 2n Elektrodenpaare (29, 29'; 30, 30'; 31, 31'; 32, 32'; 121–128) umfasst, wobei n eine ganze Zahl ist, die größer als 1 ist.
Piezoelektrischer Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (10–12, 112, 112') ein Basiselement (10) umfasst, das mit einem ersten Zwischenbereich (41, 43) an einem ersten Ende des Piezoelements (11) verbunden ist.
Piezoelektrischer Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (12) an dem zweiten Ende des Piezoelements (11) mit einem zweiten Zwischenbereich (40, 42) verbunden ist.
Piezoelektrischer Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (12, 112, 112') über das zweite Ende des Piezoelements (11) herausragt.
Piezoelektrischer Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (12, 112, 112') ringförmig ist.
Piezoelektrischer Schrittmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (12, 112, 112') eine konusförmige Stirnfläche (20, 20') aufweist.
Piezoelektrischer Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zu dem Zwischenelement (12, 112, 112') angeordnete Fläche (21, 21') des Rotors (13, 13', 100) sphärisch ausgestaltet ist.
Piezoelektrischer Schrittmotor nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die konusförmige Stirnfläche (20, 20') und die sphärische Fläche (21, 21') des Rotors (13, 13', 100) in einer im Wesentlichen kreisförmigen Linie berühren, die im Wesentlichen senkrecht zur Symmetrieachse (19) angeordnet ist.
Piezoelektrischer Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenbereiche (40–43) äquidistant zueinander sind.
Piezoelektrischer Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor selbstzentrierend ist.
Piezoelektrischer Schrittmotor nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (10–12, 112, 112') ein zweites Lager (14, 15) für den Rotor (13, 13', 100) umfasst.
Piezoelektrischer Schrittmotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibung zwischen dem Rotor (13, 13', 100) und dem zweiten Lager (14, 15) geringer ist als zwischen dem Rotor (13, 13', 100) und dem ersten Lager (20, 20').
Piezoelektrischer Schrittmotor nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Lager (14, 15) eine Kugel (15) und/oder einen Ring umfasst.
Piezoelektrischer Schrittmotor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel (15) und/oder der Ring drehbar gelagert sind.
Piezoelektrischer Schrittmotor nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel (15) und/oder der Ring mittels einer, insbesondere einstellbaren, Federkraft (16) gegen den Rotor (13, 13', 100) drückt.
Piezoelektrischer Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Nasen (22, 22', 23, 23') nicht leitend, insbesondere aus Macor, ausgebildet sind.
Rastersondenmikroskop (50) mit einem piezoelektrischen Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 21.
Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Schrittmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 21 mit einem Stator (10–12, 112, 112'), der ein Piezoelement (11), insbesondere in Hohlzylinderform, umfasst und einen Rotor (13, 13', 100), der ein Zwischenelement (12, 20, 20', 112, 112'), das mit dem Piezoelement (11) verbunden ist, berührt, wobei das erste Ende (18') des Piezoelements (11) relativ zu einem Basiselement (10) des Stators (10, 11, 12, 112, 112') fixiert ist, wobei das Zwischenelement (12, 20, 20', 112, 112') gegen das erste Ende (18') des Piezoelements (11) derart gedreht wird, dass der Rotor (13, 13', 100) dieser Bewegung folgt und anschließend das Zwischenelement (12, 20, 20', 112, 112') wenigstens in die Ausgangslage zurückgedreht wird, während der Rotor (13, 13', 100) dieser Bewegung nicht folgt.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Zwischenelements (12, 20, 20', 112, 112') zu einer Symmetrieachse (19) des Piezoelements (11), insbesondere des Hohlzylinders (11), im Wesentlichen gleich bleibt.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachse (19) und die Normale einer durch eine Berührungslinie des Rotors (13, 13', 100) mit dem Zwischenelement (12, 20, 20', 112, 112') gebildeten Fläche (18) parallel zueinander sind.