Piezomotoren bieten neue Lösungen

Die Wahl des passenden Antriebs kann ein entscheidendes Kriterium sein, um sich von Mitbewerbern abzuheben. Bei steigenden Anforderungen können Piezo-Ultraschallmotoren dann die richtige Alternative zur klassischen Gleichstrom- oder Schrittmotor-Spindelkombination sein. Bild: Physik Instruments (PI)
Bild 1: Die Wahl des passenden Antriebs kann ein entscheidendes Kriterium sein, um sich von Mitbewerbern abzuheben. Bei steigenden Anforderungen können Piezo-Ultraschallmotoren dann die richtige Alternative zur klassischen Gleichstrom- oder Schrittmotor-Spindelkombination sein.
Bild: Physik Instruments (PI)

Die Wahl des passenden Antriebs kann für Gerätehersteller ein entscheidendes Kriterium sein, um sich von Mitbewerbern abzuheben. Zahlreiche Faktoren spielen dabei eine Rolle: der zur Verfügung stehende Einbauplatz, die benötigte Geschwindigkeit und Beschleunigung, die erforderliche Positioniergenauigkeit sowie der Energieverbrauch und die Zuverlässigkeit. Bei steigenden Anforderungen können Piezomotoren dann die richtige Alternative zur klassischen Gleichstrom- oder Schrittmotor-Spindelkombination sein. Die piezobasierten PILine Ultraschallmotoren der Karlsruher Firma Physik Instrumente (PI) zum Beispiel arbeiten nach einem einfachen Prinzip und überzeugen durch ihre Kompaktheit. Im Vergleich zu klassischen Antriebslösungen bieten sie im gleichen Bauraum höhere Antriebs- und Haltekräfte sowie extrem hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen. Sie verzichten zugunsten der Kosten und der Zuverlässigkeit auf mechanische Komponenten klassischer Motor-Spindel-basierter Antriebssysteme wie Kupplung oder Getriebe. Gerade in miniaturisierten Systemen sind diese Komponenten sehr verschleißanfällig. Außerdem lassen sich die PILine-Motoren sehr gut in die unterschiedlichsten Anwendungen integrieren. Typische Einsatzbereiche finden sich bei Automatisierungsaufgaben in der Feinmechanik, bei tragbaren Messgeräten, bei der Positionierung optischer Komponenten oder in der Mikroskopie.

.

Effektiv und einfach lassen sich mit Piezo-Ultraschallmotoren lineare Bewegungen realisieren Bild: Physik Instruments (PI)
Bild2: Effektiv und einfach lassen sich mit Piezo-Ultraschallmotoren lineare Bewegungen realisieren
Bild: Physik Instruments (PI)

Das Anforderungsprofil an die Antriebstechnik ist einem Wandel unterworfen. Mobile Anwendungen nehmen zu; Medizin-, Messgeräte oder Kamerasysteme werden kleiner und kleiner bei immer besseren Leistungsmerkmalen. Sowohl bei der Herstellung solcher Geräte wie auch in den Geräten selbst werden kompakte Antriebssysteme mit Auflösungen und Wiederholgenauigkeiten im Mikro- oder Nanometerbereich benötigt. Piezo-Ultraschallantriebe sind dann eine gute Alternative zu klassischen Schrittmotoren oder Motor-Spindel-Kombinationen. Als praxisgerechte OEM-Lösung lassen sie sich zudem sehr gut in sehr unterschiedliche Anwendungen integrieren. Typische Einsatzbereiche finden sich bei Automatisierungsaufgaben in der Feinmechanik ebenso wie bei der Motorisierung tragbarer Messgeräte und beim Justieren in der Optomechanik oder Mikroskopie.

Die Wahl des passenden Antriebs kann ein entscheidendes Kriterium sein, um sich von Mitbewerbern abzuheben. Zahlreiche Faktoren beeinflussen diese Wahl: der zur Verfügung stehende Einbauplatz, die benötigte Geschwindigkeit und Beschleunigung sowie die erforderliche Positioniergenauigkeit, der Energieverbrauch und nicht zuletzt die Zuverlässigkeit. Bei steigenden Anforderungen können Piezo-Ultraschallmotoren dann die richtige Alternative zur klassischen Gleichstrom- oder Schrittmotor-Spindelkombination sein. Die PILine Ultraschallmotoren (Bild 1) aus dem Programm der Karlsruher Firma Physik Instrumente (PI, vgl. Firmenkasten) beispielsweise arbeiten nach einem einfachen Prinzip und überzeugen durch ihre Kompaktheit. Im Vergleich zu klassischen Antriebslösungen bieten sie im gleichen Bauraum höhere Antriebs- und Haltekräfte sowie extrem hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen. Die Antriebe verzichten zugunsten der Kosten und der Zuverlässigkeit auf mechanische Komponenten klassischer Motor-Spindel-basierter Antriebssysteme wie Kupplung oder Getriebe. Gerade in miniaturisierten Systemen sind diese Komponenten sehr verschleißanfällig. Außerdem lassen sich die PILine-Motoren wegen ihres Funktionsprinzips sehr gut in die unterschiedlichsten Anwendungen integrieren.

.

Zuverlässiger Antrieb für lineare oder rotative Bewegung

.

Bild 3: Analog zur linearen Bewegung wirken die piezokeramischen Aktoren seitlich auf einen ringförmigen Läufer und erzeugen so eine schnelle Drehbewegung. Bild: Physik Instruments (PI)
Bild 3: Analog zur linearen Bewegung wirken die piezokeramischen Aktoren seitlich auf einen ringförmigen Läufer und erzeugen so eine schnelle Drehbewegung.
Bild: Physik Instruments (PI)

Wesentlicher Bestandteil des Ultraschall-Piezomotors ist ein Piezoaktor, der über ein Kopplungselement gegen einen beweglich geführten Läufer vorgespannt ist (Bild 2). Der Aktor wird mit einer hochfrequenten Wechselspannung zu Ultraschallschwingungen zwischen 100 und 200 kHz angeregt, was zu einer periodischen diagonalen Bewegung des Kopplungselements zum Läufer führt. Je Zyklus beträgt der so erzeugte Vorschub wenige Nanometer, die hohen Frequenzen sorgen für hohe Geschwindigkeiten. Mit diesem Prinzip lassen sich auch Drehbewegungen realisieren. Wirken piezokeramische Aktoren z.B. seitlich auf einen ringförmigen Läufer, erzeugen sie eine schnelle Drehbewegung (Bild 3). Die auf diese Weise erzeugten Haltemomente liegen bei etwa 0,3 Nm. Für kleine Drehversteller lassen sich auch ringförmige Aktoren einsetzen (Bild 4).

.

Ein ringförmiger Aktor kann ebenfalls eine Drehbewegung erzeugen Bild: Physik Instruments (PI)
Bild 4: Ein ringförmiger Aktor kann ebenfalls eine Drehbewegung erzeugen
Bild: Physik Instruments (PI)

In jedem Fall sorgt die Vorspannung des piezokeramischen Aktors gegen den Läufer für die Selbsthemmung des Antriebs in Ruhe und im ausgeschalteten Zustand. Dadurch verbraucht er keine Energie, er erwärmt sich nicht und hält die Position mechanisch stabil. Bei klassischen Direktantrieben ist dazu eine Bremse notwendig, die ebenfalls Bauraum benötigt und die Anzahl der notwendigen Komponenten um ein weiteres erhöht. Anwendungen mit geringer Einschaltdauer, die batteriebetrieben oder wärmeempfindlich sind und obendrein für den Antrieb nur wenig Bauraum zur Verfügung stellen, profitieren folglich von diesen Eigenschaften der Ultraschallmotoren, zumal diese sehr zuverlässig sind: So beruht die Bewegung des piezokeramischen Aktors auf kristallinen Effekten und kennt keinen Verschleiß. Lediglich die Ankopplung an den Läufer ist gewissen Reibungseffekten unterworfen. Abhängig vom Betriebsmodus erreichen die Ultraschallmotoren deshalb Laufstrecken von über 500 km.

.

Automatisierung in der Feinmechanik und bei tragbaren Messgeräten
.

Bild 5: Ein kompakter piezoelektrischer Ultraschallmotor bewegt eine Scheibe. Dieses System ist so aufgebaut, dass dank der speziellen Geometrie unterschiedliche Arzneimittelmengen dosiert werden können. Bild: Physik Instruments (PI)
Bild 5: Ein kompakter piezoelektrischer Ultraschallmotor bewegt eine Scheibe. Dieses System ist so aufgebaut, dass dank der speziellen Geometrie unterschiedliche Arzneimittelmengen dosiert werden können.
Bild: Physik Instruments (PI)

Die kleinen, reaktionsschnellen und obendrein auch noch preisgünstigen Ultraschall-Piezomotoren eignen sich dadurch besonders gut für Anwendungen abseits vom Dauerbetrieb. Ein typisches Beispiel hierfür sind mobile Mess- oder Medizingeräte. Aufgrund ihrer Selbsthemmung ist es nicht erforderlich, die Zielposition wie bei magnetischen Antrieben über zusätzliche Bremsen oder elektrische Ströme zu halten. Hinzu kommt, dass sie praktisch geräuschlos arbeiten. Bild 5 zeigt, wie eine so angetriebene mobile Arzneimittelpumpe aufgebaut sein kann: Der Motor besteht aus einem piezoelektrischen Ring (Aktor). Dieser Aktor wird derart angeregt, dass eine sogenannte stehende Welle erzeugt wird. Die auf dem Piezoring sitzenden dünnen Aluminiumoxid-Ringe (oben und unten) nehmen die Schwingungen auf. Mithilfe der drei im Rotor eingesetzten Kopplungselemente wird die aufgenommene Schwingung auf den vorgespannten Rotor übertragen und in eine Drehbewegung umgewandelt. Die ringförmig angeordneten Piezo-Ultraschallantriebe bewegen hier eine Scheibe. Diese ist so aufgebaut, dass dank der speziellen Geometrie unterschiedliche Arzneimittelmengen dosiert werden können.

.

Bessere Antriebe für die Positionierung optischer Komponenten

.

leica 012 Bild: Leica Geosystems AG
leica 012
Bild: Leica Geosystems AG

Ähnliche Argumente sprechen für den Einsatz der gut integrierbaren Piezo-Ultraschallantriebe bei der Positionierung optischer Komponenten, z.B. bei der Laserstrahlsteuerung oder der Positionierung der Messoptiken. Bei tragbaren, geodätischen Messsystemen beispielsweise konnten sie die Leistungsfähigkeit deutlich steigern. Die Messoptik einer solchen Totalstation wird jeweils durch einen Antrieb vertikal als auch horizontal bewegt. Diese Antriebe galt es zu verbessern, um höhere Geschwindigkeiten, kürzere Positionierzeiten und eine möglichst hohe Genauigkeit bei der Positionierung der Messoptik zu erreichen. Gegen eine klassische Lösung mit getriebeuntersetzten Gleichstrommotoren sprachen deren typische Schwachstellen, wie Verschleiß der mechanischen Komponenten oder die Geräuschentwicklung bei Überwachungsmessungen in Wohnvierteln oder Innenstadtlagen. Gegen eine Lösung mit magnetischem Direktantrieb sprach auch das Fehlen des bei Präzisionsmessungen erforderlichen, mechanischen Haltemoments, das im mobilen Einsatz nicht energieeffizient erzeugt werden kann.

.

Die Drehbewegungen werden durch zwei Ultraschallmotoren erzeugt, die tangential gegen einen ringförmigen Läufer vorgespannt sind. Der Läufer ist drehbar gelagert Bild: Leica Geosystems AG
Bild 6: Die Drehbewegungen werden durch zwei Ultraschallmotoren erzeugt, die tangential gegen einen ringförmigen Läufer vorgespannt sind. Der Läufer ist drehbar gelagert
Bild: Leica Geosystems AG

Im Vergleich dazu bietet ein Direktantrieb mit Piezo-Ultraschallmotor hohe Zuverlässigkeit, ist wartungsfrei, arbeitet bei Umgebungstemperaturen zwischen -20 °C und +50 °C und ist beinahe geräuschlos sowie selbsthemmend. Die Drehbewegungen des Direktantriebs werden durch jeweils zwei Ultraschallmotoren erzeugt, die tangential gegen einen ringförmigen Läufer vorgespannt sind (Bild 6). Der Läufer ist drehbar gelagert. Durch die Vorspannung ist der Antrieb in Ruhelage geklemmt; es gibt in diesem Zustand also auch kein Positionszittern, wie es bei magnetbasierten Direktantrieben zu beobachten ist. Mit dieser Lösung werden bisher unerreichte Geschwindigkeiten von mindestens 180°/s, dem Vierfachen des bisher üblichen Wertes, und hohe Beschleunigungen von mindestens 360°/s² erreicht. Der Antrieb bietet zudem ein verbessertes Start- und Stoppverhalten bei gleichzeitig hoher Auflösung und niedrigem Stromverbrauch. Zusammen mit den kurzen Positionierzeiten und der erforderlichen Positioniergenauigkeit setzt er neue Maßstäbe in der Winkel- und Distanzmessung.

.

Der Chip mit der Ansteuerelektronik lässt sich gut in die jeweilige Applikation integrieren. Bild: Physik Instruments (PI)
Bild 7: Der Chip mit der Ansteuerelektronik lässt sich gut in die jeweilige Applikation integrieren.
Bild: Physik Instruments (PI)

Ähnliches gilt für viele weitere Anwendungen, bei denen optische Komponenten positioniert werden sollen, z.B. in Überwachungskameras, Nachtsichtgeräten etc. Ein typischer Vorteil der Piezos ist hier z.B. oft die geräuschlose und schnelle Fokussierung. Weitere Einsatzfelder, bei denen es auf eine geringe Größe, schnelle Reaktion und Zuverlässigkeit der Antriebe ankommt, sind z.B. das Biohandling, Mikroskopie-Verstelleinheiten oder Packaging-Lösungen für die Silizium-Photonik.

Auch die Elektronik passt sich an
Natürlich stehen für die Ultraschallmotoren auch die geeigneten Treiberelektroniken und Servocontroller zur Verfügung. Als Platinenlösung oder Chip (Bild 7) lassen sie sich ebenfalls gut in die jeweilige Applikation integrieren. Ebenso wie bei der Auswahl des Piezomotors können sich die Anwender auch hier auf kompetente Beratung von PI verlassen. Für den Ansteuer-Chip beispielsweise wird das komplette Schaltungslayout gleich mitgeliefert.

Piezo-Ultraschallmotoren dürften damit in vielen Anwendungsbereichen neue Lösungsansätze erschließen und so unterschiedlichste Technologien vorantreiben. Auch wer höhere Kräfte oder noch bessere Auflösungen braucht, für den dürfte es sich lohnen, piezobasierte Antriebskonzepte in die engere Wahl zu ziehen. NEXACT Schreitantriebe beispielsweise bieten Nanometer-Auflösung bei Geschwindigkeiten bis 10 mm/s, während NEXLINE Antriebe, die ebenfalls auf schreitenden Piezoelementen beruhen, für hohe Kraftentwicklung ausgelegt sind. PIShift piezoelektrische Trägheitsantriebe sind platzsparend und preiswert und bieten relativ hohes Haltekräfte und prinzipiell unbegrenztem Stellweg bei Auflösungen im Bereich von weniger als 1 nm.

.

Marc Thelen, R&D Manager Piezomotoren bei der Physik Instrumente (PI) GmbH & Co.KG
Marc Thelen, R&D Manager Piezomotoren bei der Physik Instrumente (PI) GmbH & Co.KG

Physik Instrumente (PI)
In den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik Instrumente (PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden Hersteller von Positioniersystemen mit Genauigkeiten im Nanometerbereich entwickelt. Das privat geführte Unternehmen ist mit vier Sitzen in Deutschland und zehn ausländischen Vertriebs- und Serviceniederlassungen international vertreten. Über 700 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Welt versetzen die PI Gruppe in die Lage, fast jede Anforderung aus dem Bereich innovativer Präzisions-Positioniertechnik zu erfüllen. Alle Schlüsseltechnologien werden im eigenen Haus entwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin zur Auslieferung kontrolliert werden: die Präzisionsmechanik und Elektronik ebenso wie die Positionssensorik. Die dafür benötigten piezokeramischen Elemente werden bei der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem der weltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet aktorischer und sensorischer Piezoprodukte. Die PI miCos GmbH in Eschbach bei Freiburg ist spezialisiert auf flexible Positioniersysteme für Ultrahochvakuum-Anwendungen sowie parallelkinematische Positioniersysteme mit sechs Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.
.

.

.

.

.

.

Kommentar verfassen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.

drei × vier =