AT522172A4 - Vorrichtung zur Lagerung eines Objekthalters - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Lagerung eines Objekthalters (3) auf einem in ein Kryostat (1) einbringbaren Träger (2) beschrieben. Um auch bei großen Temperaturänderungen eine beschädigungsfreie Lagerung des Objekthalters (3) auf dem Träger (2) zu ermöglichen, sodass reproduzierbare Messvoraussetzungen bei großen Temperaturänderungen geschaffen werden, wird vorgeschlagen, dass wenigstens ein Klemmelement (4, 5) zum kraftschlüssigen Verbinden des Objekthalters (3) mit dem Träger (2) vorgesehen ist, das über einen Hebel (6, 7) mit einem von einer Steuereinrichtung (18) in Abhängigkeit von Temperatur und von einer Lagervorgabe mit Spannung beaufschlagten, gegen den Objekthalter (3) oder den Träger (2) abgestützten Piezoelement (8, 9) antriebsverbunden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Lagerung eines Objekthalters

auf einem in ein Kryostat einbringbaren Träger.

Aus dem Stand der Technik sind innerhalb eines Kryostaten schwingungsgedämpft aufgehängte Mikroskope bekannt (ES2396331A1), die einen Träger für einen Objekthalter aufweisen. Nachteilig ist daran allerdings, dass große Temperaturschwankungen, beispielsweise zwischen Raumtemperatur und einer Tieftemperatur (1,5-300K) zu einer thermisch induzierten Verformung der beteiligten Komponenten führen. Dies bedeutet, dass sich einzelne involvierte Komponenten mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gegeneinander verschieben oder verkeilen, was die Reproduzierbarkeit von Messungen erheblich erschwert oder gar zu einer Beschädigung des Trägers oder des Objekthalters führen kann. Mechanische Systeme zur Kompensation der thermischen Verformung unterliegen dabei durch ihre meist unterschiedliche Materialzusammensetzung denselben Problemen. Zusätzlich verursacht die Bewegung mechanischer Komponenten zueinander ein gewisses Maß an Reibung, deren Abwärme besonders bei Tieftemperaturmessungen in einer

Beeinträchtigung der Messgenauigkeit resultieren kann.

Piezoelemente, die zur Positionierung einzelner Mikroskopieelemente, wie zum Beispiel Messproben, eingesetzt werden, haben stark von der Temperatur abhängige Materialeigenschaften, insbesondere sind sie starken thermischen Verformungen

unterworfen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, dass auch bei großen Temperaturänderungen

eine beschädigungsfreie Lagerung des Objekthalters auf dem Träger ermöglicht

rungen geschaffen werden.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass wenigstens ein Klemmelement zum kraftschlüssigen Verbinden des Objekthalters mit dem Träger vorgesehen ist, das über einen Hebel mit einem von einer Steuereinrichtung in Abhängigkeit von Temperatur und von einer Lagervorgabe mit Spannung beaufschlagten, gegen den Objekthalter oder den Träger abgestützten Piezoelement antriebsverbunden ist. Über das Steuerelement wird bei entsprechender Lagervorgabe eine von der Temperatur abhängig gewählte Spannung an das Piezoelement angelegt, die seine mechanische Ausdehnung bewirkt. Das Piezoelement übt durch diese Ausdehnung mechanische Kraft auf den Hebel aus, der das Klemmelement kraftschlüssig mit dem Träger oder Objekthalter verbindet, je nachdem, ob das Klemmelement dem Objekthalter oder dem Träger zugeordnet ist. Nachdem die Ausdehnung des Piezoelementes stark temperaturabhängig ist, und zwar stehen bei 4 Kelvin nur 10% des Raumtemperatur-Standardhubs zur Verfügung, ist für eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Objekthalter und Träger eine Temperaturkompensation der an das Piezoelement angelegten Spannung erforderlich. Unter einer kraftschlüssigen Verbindung kann eine mechanische Fixierung des Objekthalters am Träger aufgrund der vom Piezoelement verursachten und vom Hebel übertragenen Druckkraft des Klemmelements auf den Träger oder Objekthalter verstanden werden. Die Lagervorgabe gibt dabei im einfachsten Fall als zweiwertige Stellgröße an, ob der Objekthalter mit dem Träger kraftschlüssig verbunden gelagert oder vom Träger gelöst werden soll. Bei einer Lagervorgabe zur kraftschlüssigen Verbindung kann die Druckkraft zwischen dem Klemmelement und dem Träger oder Objekthalter im Bereich der minimal notwendigen Wirkung liegen, um den Objektträger zu lagern. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Lagervorgabe aber auch eine mehrwertige Stellgröße bilden, sodass die auf die Klemmelemente aufgebrachte Druckkraft über den Bereich der minimal notwendigen Wirkung hinaus vorgegeben werden kann. Um die Position des Klemmelementes besser vorgeben zu können, wird darüber hinaus vorgeschlagen, dass das über den Hebel mit dem Piezoe-

lement antriebsverbundene Klemmelement gegen die Kraft eines Rückstellelemen-

oder aber aus einem Piezostapel aufgebaut sein.

Versuche haben gezeigt, dass gerade bei großen Temperaturschwankungen das Verhältnis zwischen Ausdehnung des Piezoelementes und der angelegten Spannung einer nichtlinearen Änderung unterworfen ist, wobei die Spannung mit abnehmender Temperatur gemäß einer vorgegebenen Kenmnnlinie ansteigt. Es wird daher vorgeschlagen, dass die Steuereinrichtung einen Kennlinienspeicher umfasst, der für vorgegebene Temperaturwerte und vorgegebene Lagervorgaben eine Span-

nungsvorgabe für das Piezoelement aufweist.

Um die auftretenden Druckkräfte gleichmäßiger übertragen zu können, wird vorgeschlagen, dass wenigstens zwei Klemmelemente an einem mit dem Hebel schubfest verbundenen, anschlagsbegrenzten Klemmbügel angeordnet sind. Zufolge dieser Maßnahme werden die von einem Piezoelement erzeugten Druckkräfte auf mehrere Klemmelemente verteilt, wobei eine Anschlagsbegrenzung des Klemmbügels entlang der Wirkungsachse des Hebels den verfügbaren Stellweg limitiert, sodass eine Beschädigung des Objektträgers und/oder des Trägers bei elektrostati-

schen Entladungen vermieden wird.

Um die hohen Stellkräfte des Piezoelements von 1000N und mehr bei gleichzeitig geringer Baugröße sicher für die Abstützung des Objekthalters auf dem Träger nützen zu können, wird vorgeschlagen, dass der Hebel einen Basisschenkel aufweist, von dem ein kurzer, mit dem Piezoelement antriebsverbundener und ein langer, mit dem Klemmelement antriebsverbundener Kraftarm aufragen, dass der Drehpunkt

des Hebels im Übergangsbereich zwischen Basisschenkel und kurzem Kraftarm

nen anschlagsbegrenzten Klemmbügel erfolgt.

Die bei Temperaturveränderungen zwangsläufig auftretende Reibungswärme an den Kontaktstellen zwischen Objekthalter und Träger lässt sich dadurch minimieren, dass der Objekthalter ausschließlich über wenigstens zwei Klemmelemente mit dem Träger kraftschlüssig verbindbar ist, die über Hebel mit wenigstens zwei gegen den Objekthalter abgestützten Piezoelementen antriebsverbunden sind. Diese Anordnung bietet darüber hinaus eine freiere Positionierung des Objekthalters im Träger, da jede Kontaktstelle über ein eigenes Piezoelement ansteuerbar ist. Je nach Ausgestaltung der Geometrie des Objekthalters und Trägers wird vorgeschlagen, die Klemmelemente so zu positionieren, dass die von den Klemmelementen auf den

Träger ausgeübten Kräfte sich ausgleichen.

Um eine ungleichmäßige mechanische Ansteuerung der Klemmelemente zu verhindern und dennoch eine kompakte Bauweise zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass die wenigstens zwei Piezoelemente in dafür vorgesehenen Aufnahmen des Objekthalters angeordnet sind, und dass die in wenigstens einer Antriebsebene liegenden Piezoelemente mit in einer parallel zu der wenigstens einen Antriebsebene angeordneten Wirkebene liegenden Klemmelementen über Hebel antriebsverbunden sind. Im Bereich der Tieftemperaturmessung ist eine kompakte Bauweise vorteilhaft, um unerwünschte thermische Ausdehnungseffekte zu minimieren. Die relativ großen Abmessungen der Piezoelemente erschweren allerdings eine kompakte Bauweise, wenn gleichzeitig eine gleichmäßige Ansteuerung der Klemmelemente erreicht werden soll, weil dies auch im Wesentlichen gleich lange Hebelarme bzw.

insgesamt eine konstruktiv möglichst gleiche mechanische Kraftübertragung von

symmetrisch zueinander angeordnet werden können.

Eine besonders bevorzugte Ausführung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die wenigstens zwei Piezoelemente parallel zueinander in einer Antriebsebene angeordnet sind, dass die Hebel punktsymmetrisch zueinander verlaufen und die Piezoelemente über in der Wirkebene liegenden Klemmbügel mit den Klemmelementen verbinden. Die Antriebsverbindung zwischen den beiden Ebenen kann vorzugsweise über die Hebel erfolgen, wenn diese so ausgestaltet sind, dass sich der kurze, mit dem Piezoelement antriebsverbundene Kraftarm von der Antriebsebene in die Wirkebene erstreckt und dort an den Basisschenkel des Hebels angesetzt ist. In diesem Fall kann ein Lager für den Drehpunkt des Hebels konstruktiv günstig in der Antriebsebene vorgesehen werden. Der lange Kraftarm des Hebels erstreckt sich in der Wirkebene vom Basisschenkel zu dem jeweiligen Klemmbügel, der mit einem in der Wirkebene liegenden Begrenzungselement anschlagsbegrenzt ist.

Diese Ausführung zeichnet sich durch ihre besondere Kompaktheit aus, da sie

ne besonders effiziente Ausnutzung des gegebenen Trägervolumens gewährleisten.

Bei Tieftemperatur-Präzisionsmessungen ergeben sich aufgrund der Messumgebung zusätzliche Anforderungen an die verwendeten Materialien. Dazu zählen, je nach Anwendungsbereich, optimierte thermische Isolation bzw. Wärmetausch mit der Umgebung, sowie die Verwendung von Komponenten mit geringer Fertigungstoleranz. Um diesen Anforderungen effizient zu entsprechen wird vorgeschlagen, dass der Träger einen Kreishohlzylinder bildet, dessen Innendurchmesser den größten Außendurchmesser des Objekthalters übersteigt, und dass die mit dem Träger kraftschlüssig verbundenen Klemmelemente über den größten Außendurchmesser des Objekthalters vorragen. Durch diese Fertigungsweise wird einerseits die Oberfläche des Trägers durch seine geometrischen Eigenschaften minimiert, sowie andererseits der Fertigungsaufwand gesenkt, da Körper mit einfacher, symmetrischer Basisfläche einfacher, und somit präziser, gefertigt werden können als geometrisch komplexere Ausführungen. Ein weiterer Vorteil dieser symmetrischen Bauweise ist die freiere Positionierbarkeit des Objekthalters im Träger unter Messbedingungen. Obwohl der Objekthalter innerhalb des Trägers unterschiedliche Grundformen aufweisen kann, ergeben sich für diesen ebenfalls vorteilhafte Fertigungsbedingungen,

wenn dieser eine kreisrunde Scheibenform besitzt.

Das Präparieren einer Probe, beziehungsweise das Auswechseln eines Probenhalters in einer Hochpräzisions-Messvorrichtung, kann durch den komplexen Geräteaufbau, insbesondere bei Tieftemperaturmessungen, mit hohem Aufwand verbunden sein. Des Weiteren können thermisch induzierte Verformungen des Materials dazu führen, dass das ein Ein- oder Ausbringen des Probenhalters nur nach langwierigen und materialermüdenden Temperaturänderungen vollzogen werden kann, welche bei erneutem Messbetrieb bei gleichen Umweltbedingungen oft mit veränderten Messbedingungen einhergehen können. Diese Probleme können durch ein

Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelöst werden, bei dem

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den.

Es ist bekannt, dass die Präzision einer Messung im (Sub)nanometerbereich durch die Vermeidung von Störsignalen in der Messdatenerfassung und dem Messaufbau erhöht werden kann. Während die Messdatenerfassung durch die Tieftemperaturbedingungen Störsignale durch thermisches Rauschen bereits minimiert, werden verfälschende Einstreuungen durch Resonanzen der verwendeten Komponenten umso tragender. Um in diesem Zusammenhang auftretende Resonanzeffekte unterdrücken zu können, wird vorgeschlagen, dass die Lagervorgabe und/oder die an den Piezoelementen anliegende Spannung bei auftretenden Resonanzeffekten innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs solange variiert wird, bis die Resonanzeffekte ein Minimum erreicht haben. Durch die Verwendung einer Steuereinrichtung, die mit einem Resonanzdetektor zur Einstellung der an den Piezoelementen anliegenden Spannung in Abhängigkeit des Schwingungsverhaltens der Vorrichtung verbunden ist, lässt sich über die resultierende kraftschlüssige Verbindung der Klemmelemente zwischen Träger und Objekthalter, aber auch durch die je nach angelegter Spannung bzw. wirkenden Kräften variierende Materialsteifigkeit der Piezoelemente die Eigenresonanz der Vorrichtung verändern und dadurch eine erhöhte Messpräzision durch verminderte Schwingungen erreichen. Dabei kann die von der Lagervorgabe definierte, für eine kraftschlüssige Verbindung benötigte, minimale Kraft bewusst überschritten werden, um das Schwingungsverhalten der Vorrichtung zu beeinflussen. Die Einstellung dieser Kraft kann unter Berücksichtigung der Aus-

gabe eines Resonanzdetektors erfolgen. Als Resonanzdetektor fungiert hier entwe-

den und andererseits zu keiner Beschädigung der Bauelemente führen.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zei-

gen

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen Kryostaten mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung quer zur Längsachse des Trägers entlang der Linie Il-Il der Fig. 1 in einem größeren Maßstab und

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende, teilweise aufgerissene perspektivische Dar-

stellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen in ein Kryostat 1 einbringbaren Träger 2 auf. Mit dem Träger 2 ist ein Objekthalter 3 kraftschlüssig verbindbar, und zwar mit Hilfe von Klemmelementen 4, 5, die über Hebel 6, 7 mit Piezoelementen 8, 9 antriebsverbunden sind. Die Piezoelemente 8, 9 sind mit einem Ende gegen den Objekthalter 3 abgestützt und in hierfür vorgesehenen Aufnahmen 10 des Objekt-

halters 3 untergebracht.

Zur Beaufschlagung mehrerer Klemmelemente 4, 5 mit einer, über einen Hebel 6, 7

aufgebrachten Druckkraft, können Klemmbügel 11, 12 vorgesehen sein, die jeweils

die von Anschlagsbegrenzungen 13 anschlagsbegrenzt werden.

Die Hebel 6, 7 bestehen jeweils aus einem Basisschenkel 14, von dem ein kurzer, mit dem Piezoelement 8, 9 antriebsverbundener Kraftarm 15 und ein langer, mit dem Klemmelement 4, 5 über den Klemmbügel 11, 12 antriebsverbundener Kraftarm 16 aufragen. Die beiden Kraftarme 15, 16 liegen dabei im Wesentlichen parallel zueinander und zur Längsachse des dem Hebel 6, 7 zugeordneten Piezoelementes 8, 9. Die Hebel 6, 7 sind an Drehpunkten 17 am Objekthalter 3 gelagert, wobei der jeweilige Drehpunkt 17 im Übergangsbereich zwischen Basisschenkel 14 und kurzem Kraftarm 15 so angeordnet ist, dass die von den Piezoelementen 8, 9 über die Hebel 6, 7 aufgebrachte Druckkraft um 90° umgelenkt und über die gegen die Anschlagsbegrenzungen 13 abgestützten Klemmbügel 12, 11 in die Klemmelemente

4, 5 eingeleitet wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform bildet der Träger 2 einen Kreishohlzylinder, dessen Innendurchmesser den größten Außendurchmesser des als kreisförmige Scheibe ausgebildeten Objekthalters 3 übersteigt, sodass die Klemmelemente 4, 5 jedenfalls bei einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem Objekthalter 3 und dem Träger 2 über den größten Außendurchmesser des Objekthalters 3 vorragen. Bei einer solchen Ausführungsform kann der Objekthalter 3 ausschließlich über die Klemmelemente 4, 5 mit dem Träger 2 kraftschlüssig verbunden werden, sodass

der Objekthalter 3 frei innerhalb des Trägers 2 gelagert werden kann.

Eine besonders platzsparende Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich, wenn, wie in den Figs. 2 und 3 dargestellt die beiden Hebel 6, 7 punktsymmetrisch zueinander verlaufen, vorzugsweise bezüglich einer Rotationsachse des scheibenförmigen Objekthalters 3, und wenn die Piezoelemente 8, 9 gemeinsam mit wenigstens einem Abschnitt der kurzen Kraftarme 15 in einer Antriebsebene des Objekthalters 3 liegen, während die langen Kraftarme 16 gemeinsam mit den Klemmbügeln 11, 12, den Anschlagsbegrenzungen 13 und den Klem-

melementen 4, 5 in einer zur Antriebsebene parallelen Wirkebene liegen.

Zur Ansteuerung der Piezoelemente 8, 9 ist eine Steuereinrichtung 18 vorgesehen, die die Piezoelemente 8, 9 in Abhängigkeit von Temperatur und von einer Lagervorgabe mit Spannung beaufschlagt und damit über einen Antrieb der Klemmelemente 4, 5 eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Objekthalter 3 und Träger 2 bewirkt. Die Steuereinrichtung kann für eine temperaturabhängige Ansteuerspannung einen Kennlinienspeicher umfassen, der für vorgegebene Temperaturwerte und vorgegebene Lagervorgaben eine Spannungsvorgabe für die Piezoelemente 8, 9 liefert.

Um Resonanzeffekte der Vorrichtung erkennen und möglichst unterdrücken zu können, kann ein Resonanzdetektor 19 vorgesehen sein, der mit der Steuereinrichtung 18 verbunden ist. Detektiert dieser auftretende Resonanzeffekte, kann die Steuereinrichtung 18 die an den Piezoelementen 8, 9 anliegende Spannung so variieren, dass die Resonanzeffekte aufgrund des variierenden Lagerdruckes zwischen den Klemmelementen 4, 5 und dem Träger 2 bzw. der variierenden Materialeigenschaf-

ten der Piezoelemente 8, 9 weitgehend abklingen.

Claims (10)

(42254) IV Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Lagerung eines Objekthalters (3) auf einem in ein Kryostat (1) einbringbaren Träger (2), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Klemmelement (4, 5) zum kraftschlüssigen Verbinden des Objekthalters (3) mit dem Träger (2) vorgesehen ist, das über einen Hebel (6, 7) mit einem von einer Steuereinrichtung (18) in Abhängigkeit von Temperatur und von einer Lagervorgabe mit Spannung beaufschlagten, gegen den Objekthalter (3) oder den Träger (2)

abgestützten Piezoelement (8, 9) antriebsverbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (18) einen Kennlinienspeicher umfasst, der für vorgegebene Temperaturwerte und vorgegebene Lagervorgaben eine Spannungsvorgabe für das

Piezoelement (8, 9) aufweist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Klemmelemente (4, 5) an einem mit dem Hebel (6, 7) schubfest verbundenen, anschlagsbegrenzten Klemmbügel (11, 12) angeordnet

sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel (6, 7) einen Basisschenkel (14) aufweist, von dem ein kurzer, mit dem Piezoelement (8, 9) antriebsverbundener Kraftarm (15), und ein langer mit dem Klemmelement (4, 5) antriebsverbundener Kraftarm (16) aufragen, dass der

Drehpunkt (17) des Hebels im Übergangsbereich zwischen Basisschenkel (14) und

parallel zur Längsachse des Piezoelementes (8, 9) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Objekthalter (3) ausschließlich über wenigstens zwei Klemmelemente (4, 5) mit dem Träger (2) kraftschlüssig verbindbar ist, die über Hebel (6, 7) mit wenigstens zwei gegen den Objekthalter (3) abgestützten Piezoelementen (8, 9)

antriebsverbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Piezoelemente (8, 9) in dafür vorgesehenen Aufnahmen (10) des Objekthalters (3) angeordnet sind, und dass die in wenigstens einer Antriebsebene liegenden Piezoelemente (8, 9) mit in einer parallel zu der wenigstens einen Antriebsebene angeordneten Wirkebene liegenden Klemmelementen (4, 5) über Hebel (6, 7)

antriebsverbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Piezoelemente (8, 9) parallel zueinander in einer Antriebsebene angeordnet sind, dass die Hebel (6, 7) punktsymmetrisch zueinander verlaufen und die Piezoelemente (8, 9) über in der Wirkebene liegenden Klemmbügel (12, 11) mit den

Klemmelementen (4, 5) verbinden.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) einen Kreishohlzylinder bildet, dessen Innendurchmesser den größten Außendurchmesser des Objekthalters (3) übersteigt, und dass die mit dem Träger (2) kraftschlüssig verbundenen Klemmelemente (4, 5) über den größten

Außendurchmesser des Objekthalters (3) vorragen.

9. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Objekthalter bei einer Ausgangstemperatur und einer eine kraftschlüssige Verbindung mit dem Träger verhindernden Lagervorgabe für die Steuereinrichtung in den Träger eingebracht

wird, wonach eine Lagervorgabe für eine kraftschlüssige Verbindung mit dem

anpasst.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagervorgabe und/oder die an den Piezoelementen anliegende Spannung bei auftretenden Resonanzeffekten innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs

solange variiert wird, bis die Resonanzeffekte ein Minimum erreicht haben.